JP3779846B2 - 基本モードの導波特性を修正するための可変屈折率コーティングを含むテーパ状の光ファイバ格子デバイス - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバ格子デバイスおよびそれを使用するシステムに関し、特に基本モードの実効屈折率を修正することにより、上記格子のスペクトル整形特性を変化させる可変屈折率コーティングを含むテーパ状の光ファイバ格子デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術、及び、発明が解決しようとする課題】
光ファイバ格子は、現代の電気通信システムおよび感知システムで、スペクトル整形用に使用される。通常の光ファイバ格子は、光ファイバに沿って周期的または準周期的な屈折率の変動または摂動を含む。ブラッグをベースとするファイバ格子は、狭い波長帯域幅で光を反射し、スペクトル整形を行うためにその帯域幅の外側の光の波長を伝送する。周期の長い光ファイバ格子設計の場合には、スペクトル整形を行うために、基本モードからの光の選択した波長を急速に減衰するクラッディング・モードに結合する。このようなスペクトル整形特性を持っているので、光ファイバ格子を、利得イコライザ、狭帯域フィルタ、分散補償器、およびシフト検出器として使用することができる。
【０００３】
スペクトル整形は、テーパ状の光ファイバによっても行うことができる。例えば、１９９５年１２月５日付けのベンサルカール（Ｖｅｎｇｓａｒｋａｒ）の、「テーパ状のファイバ・デバイスを使用する光ファイバ・システム」という名称の米国特許第５，４７３，７１４号は、光学的濾過用に使用することができるテーパ状のファイバ・デバイスを開示している。上記ファイバのテーパ状の部分の大きさは、第一の波長の信号が、少しの損失を起こすだけで通過することができ、一方、第二の波長は阻止するように作られている。
【０００４】
電気通信および感知システムは、スペクトルの変化を起こさせるような多くの条件の下で動作する。都合の悪いことに、従来のファイバ格子およびテーパ状のファイバは、これらの変化を補償するために、同調または調整することができない静的スペクトル整形特性を持つ。それ故、異なるスペクトル整形特性を供給するために、調整または同調させることができる光ファイバ・デバイスが求められている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
改良形光ファイバ格子デバイスは、所定の基本モードの実効導波屈折率を持つ、ある長さの光ファイバと、光の基本モードにアクセスするための縦方向のテーパ状の領域を備える。上記テーパ状の領域は、基本モードの光のスペクトルを整形する所定の光のスペクトル整形特性を持つ格子を含む。格子のスペクトル整形特性を変えるために、ファイバの基本モードの実効導波屈折率を修正する目的で、ファイバのテーパ状の領域をコーティングが囲んでいる。
【０００６】
添付の図面を参照しながら、以下に説明する例示としての実施形態について考えれば、本発明の利点、性質および種々の他の特徴がよりよく理解することができるだろう。
なお、これらの図面は、本発明のコンセプトを説明するためのものであって、本発明を図示しているが、縮尺は正確なものでないことを理解されたい。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施形態のテーパ状のファイバ格子デバイス１０である。デバイス１０は、少なくとも一つのクラッディング層１６により囲まれている円形の内部コア１４を持つクラッディングされた単一モードのステップ形、または、グレーデッド形光ファイバ１２を備える。コア１４は、比較的高い（ステップ形、または、グレーデッド形）屈折率を持ち、クラッディング１６は、コア１４と比較すると少し低い屈折率を持つ。コア１４は、通常、ゲルマニウムでドーピングされたシリカであり、クラッディング層１６は、通常、シリカまたはフッ素によりドーピングされたシリカである。ファイバ１２は、外径が最小の部分２０と、二つのテーパ状の断熱部分２２を含むテーパ状の領域１８を含む。周期的または準周期的屈折率変動（屈折率摂動）を含む、光スペクトル整形用の格子２４は、テーパ状の領域１８の最小の外径部２０に書き込まれる。格子２４の領域内のテーパ状の領域１８は、可変屈折率材料のコーティング２６によりカバーされている。上記材料は、電界または磁界を加えることにより、温度を変化させることにより、選択的に変化させることができる屈折率を持つ。電界または磁界に応答する材料は、通常、液晶のような電気光学材料または磁気光学材料を含む。周知の温度感知ポリマーを熱感知可変屈折率コーティングとして使用することができる。
【０００８】
テーパ状の領域１８は、損失のない動作を行い、基本モードＭの無視できない部分を、光がテーパ状の領域１８を通過するとき、クラッディング１６を越えて、または外側へ、クラッディング１６を囲むコーティング２６へ導く。このような動作が行われるのは、コアの直径ＯＤ_coreが小さくなるからであり、その結果、基本モードの境界が弱くなり、そのため、基本モード・フィールド直径が大きくなる。基本モードＭが、クラッディング１６の外側へ広がると、この基本モードの実効導波屈折率を選択的に修正するために、コーティング２６を使用することができ、それにより、格子２４の光スペクトル整形特性を同調または調整することができる。
【０００９】
本発明のファイバ格子デバイス１０で使用されている格子２４は、ブラッグをベースとする格子として、または周期の短い格子として形成することができる。上記格子２４は、上記デバイスのコアにより案内された波長の選択された狭い帯域幅を反射するためのスペクトル選択反射器として、および／または上記帯域幅の外側の波長だけを伝送するためのスペクトル選択フィルタとして機能する。ブラッグをベースとする格子２４の動作帯域幅は、チャーピングにより広くすることができる。このプロセスは、連続している摂動の間のギャップを一定のギャップから、以降の摂動に対して直線的にまたは非直線的に広くなったり、狭くなったりするギャップに変化させるステップを含む。反射信号の帯域幅は広くなる。何故なら、チャープした格子はギャップの範囲がもっと広いからである。チャープした格子は、分散−補償の際に役に立つ。何故なら、異なる波長は、それらの波長を反射するために必要なギャップに到着する前に、異なる長さの経路を通るからである。それにより、波長に依存する時間的遅れを持つ反射帯域幅が生じる。
【００１０】
格子２４の光スペクトル整形特性は、コーティング２６の材料を適当に選択することにより、同調または調整することができる。例えば、熱により同調波長が望ましくないシフトを起こすような用途の場合には、格子２４のスペクトル整形特性を、温度により変化しない基本モード実効屈折率ｎ_effを供給する、温度感知屈折率を持つコーティング２６用の材料を使用することにより、温度により影響を受けないようにすることができる。
【００１１】
格子２４のスペクトル整形特性は、基本モードの実効屈折率ｎ_effを実質的に変化させる屈折率を持つコーティング２６用の材料を使用することにより同調させることができる。コア領域１４（格子２４の領域内）と、基本モードとの重畳部分を変化させることにより、格子２４の振幅を同調できるようにする（格子２４の強度も変調することができる）適当なコーティング材料を選択することもできる。
【００１２】
他の実施形態の場合には、デバイスに光学的モード接続機能を与えるために、格子２４を周期の長い格子にすることができる。周期の長い格子は、必要な波長の領域内の送信した光を、基本モードまたはコア・モードからクラッディング・モードにシフトさせるために、選択的に間隔があいている屈折率摂動を持ち、それにより、必要な波長の付近に中心を持つ光の帯域幅の輝度が弱くなる。周期の長い格子２４を使用することにより、コア・モードおよびクラッディング・モードの領域を、特に同時に修正することができる。上記格子は、必要なモードを重畳させるために、コーティング２６の屈折率を変化させることにより、好適なモードとの結合を増大することができ、および／または望ましくないモードとの結合を弱くすることができる。
【００１３】
コーティング２６の屈折率を変化させることにより、周期の長い格子２４の振幅を同調させることができる。さらに、格子２４が接続している、基本モードおよびもっと高次のモードの両方の実効屈折率ｎ_effをコーティング２６の屈折率の変化に応じて変化させることができるので、振幅調整を波長シフトから独立に行うことができる。
【００１４】
下記の例の説明を読めば、上記デバイスの性質および製造方法をよりよく理解することができるだろう。
＜例＞
１％デルタ・コア屈折率を持つステップ・インデックス形ファイバ、約５ミクロンのコアＯＤ_coreおよび約１２５ミクロンのクラッディングＯＤ_claddingからスタートして、温度に影響されないブラッグをベースとする格子を含む、図１類似のテーパ状のファイバ・デバイスを製造することができる。ファイバは、伸び始めるまで、張力が掛けられ、酸素アセチレン・トーチにより加熱される。ファイバがトーチの炎の中を通して移動するように、異なる速度でファイバの端部を並進させると、テーパ状の領域が形成される。引張プロセスの場合、通常、ファイバの一方の端部は約１センチ／分の速度で引張られ、ファイバの第二の端部は、最初約１センチ／分の並進速度で引っ張られる。ファイバの第二の端部の並進速度は、約６秒間に直線的に約３９センチ／分に増大する。この速度は、約３秒間維持され、その後で、約６秒間の間に約１センチ／分に下げられる。上記引張プロセスにより、ファイバに、長さ約２センチ、外径ＯＤ_taper約２０ミクロンの最小の外径部を持つテーパ状領域が形成される。テーパ状の領域内には、それぞれが約１センチの長さを持つテーパ状の断熱部が形成される。
【００１５】
テーパ状の領域が形成された後で、周知の移送マスク技術および約２４２ナノメートルの紫外線照射により、テーパ状の領域の最小の外径部分に、約１５５０ナノメートルでブラッグ格子が書き込まれる。紫外線誘導摂動の断面積を増大するために、格子は、フッ素およびゲルマニウムで、ファイバのシリカ・クラッディングの一部をドーピングすることにより、必要な強さで書き込まれる。可変屈折率ポリマー材料を含むコーティングが、形成されたブラッグ格子／テーパ状の領域に適用される。ポリマーは、シリカの屈折率（１．４５）より少し小さい約１．４４の屈折率、および−２．１×１０^-4／℃の屈折率温度係数（ｄｎ／ｄｔ）を持つ。上記ポリマーは周知であり、市販されている。
【００１６】
ブラッグ格子の温度感度（Δλ／λ）は、本質的には、基本モードの実効屈折率の温度感度（Δｎ／ｎ）、および格子の摂動のギャップを変化させるシリカ・ファイバの長さの変化の温度感度（ΔＬ／Ｌ）により変化する。この関係は下記式により表わすことができる。
【数１】

【００１７】
基本モードの屈折率は、ポリマー・コーティングにより影響を受け、ｄｎ_eff／ｄΔｎ_polymer＝０．０４だけ減少し、モードの実効屈折率は、シリカ屈折率の変化ｄｎ_eff／ｄΔｎ_silica〜１を感知する。シリカの屈折率温度係数ｄｎ／ｄｔは、〜７．８×１０^-6／℃であるので、ｎ_effの全感度は、ポリマー・コーティングにより、約８×１０^-6／℃から−６×１０^-7／℃へ変化する。
【００１８】
シリカは、〜４×１０^-7／℃のｄＬ／Ｌｄｔという長さの温度係数を持ち、１．４５の屈折率を持っているので、ファイバ・デバイスのブラッグ格子の温度係数は、下記式により表わされる。
【数２】

この数値は、下記式で表わされる従来のファイバ・デバイスのブラッグ格子の温度感度よりかなり低い。
【数３】

【００１９】
図２Ａは、可変屈折率コーティングによる、波長同調することができるブラッグ格子を含むテーパ状のファイバ格子デバイス１０を使用する、同調することができる追加／除去マルチプレクサ３０である。テーパ状のファイバ格子デバイス１０は、第一および第二の光サーキュレータ３２、３４の間に位置している。選択した光チャネルは、ファイバ格子デバイス１０の可変屈折率コーティングにより、ブラッグ格子の波長を同調させることにより追加／除去することができる。除去機能の場合、波長λ₁〜λ_nのチャネル１〜ｎは、第一のサーキュレータ３２のポート１に入る。（除去する）波長λ_kのチャネルｋは、ファイバ格子デバイス１０により反射し、第一のサーキュレータのポート２から出てくるが、一方、他のチャネルは、第一のサーキュレータ３２のポート３から出てくる。追加機能の場合には、波長λ_{k ’}のチャネル（この場合、λ_{k ’}はλ_kに非常に近いかまたは等しい）は、第二のサーキュレータ３４のポート２に入り、ポート１から出てきて、ファイバ格子デバイス１０により反射され、第二のサーキュレータのポート３から出てくる。異なるチャネルは、ファイバ格子デバイス１０の可変屈折率コーティングにより、ブラッグ格子の波長に単に同調することにより、追加または除去することができる。
【００２０】
一つ以上のチャネルまたは波長λをカバーするために、反射帯域幅を広くすることにより、一度に、一つ以上の光チャネルを追加または除去することができる。この追加または除去は、可変屈折率コーティングにより、波長に同調することができるチャープしたブラッグ格子を含むテーパ状のファイバ格子デバイス１０により行うことができる。
【００２１】
図２Ｂは、図２Ａの同調することができる追加／除去マルチプレクサ３０を含む、光ファイバ電気通信システム４０の略図である。システム４０は、多重波長送信機４２、ある長さの光ファイバ４４、本発明のテーパ状の光ファイバ格子デバイス１０を含む、同調可能な追加／除去マルチプレクサ３０、および多重波長光受信機４６を備える。
【００２２】
図３Ａは、そのスペクトル整形特性を、可変屈折率コーティングにより同調させえることができる周期の長い格子を含む、少なくとも一つのテーパ状のファイバ格子デバイス１０を使用する動的利得平坦化光ファイバ増幅器５０である。光増幅器５０は、入力アイソレータ５２、第一の長さの、稀土類でドーピングしたファイバ５４（エルビウムでドーピングしたファイバのような）、第一の長さの稀土類ファイバ５４を光学的にポンピングするための光ポンプ５６、第二の長さの稀土類でドーピングしたファイバ５８、第二の長さの稀土類ファイバを光学的にポンピングするための第二の光ポンプ６０、出力アイソレータ６２、およびテーパ状のファイバ格子デバイス１０からなる。
【００２３】
図３Ｂは、図３Ａの利得平坦化光増幅器５０を含む光ファイバ通信システム７０である。このシステムは、多重波長送信機７２、ある長さの光ファイバ７４、本発明のテーパ状のファイバ格子デバイス１０を含む利得平坦化光増幅器５０、および多重波長光受信機７６を備える。
【００２４】
フィルタの形を動的に調整できるということは、特に密な波長分割ファイバ光システムで重要である。何故なら、光増幅器（エルビウムでドーピングした増幅器のような）のスペクトル利得は、チャネルの電力レベルに存在するチャネルの数値によるメッセージにより変化する恐れがあるからである。テーパ状のファイバ格子デバイス１０のフィルタの形を調整することにより、動作状態が変化しても、光増幅器５０の利得を平坦に維持することができる。
【００２５】
上記実施形態を参照しながら本発明を説明してきたが、本発明の精神から逸脱することなしに、種々の修正および変更を行うことができる。従って、上記修正および変更ばかりでなくその他の修正および変更も、特許請求の範囲に含まれるものとみなす。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態のテーパ状のファイバ格子デバイスの側断面図である。
【図２Ａ】可変屈折率コーティングにより、波長に同調することができるブラッグ格子を含むテーパ状のファイバ格子デバイスを使用する同調可能な追加／除去マルチプレクサを示す図である。
【図２Ｂ】図２Ａの同調可能な追加／除去マルチプレクサを含む光ファイバ電気通信システムを示す図である。
【図３Ａ】そのスペクトル成形特性を可変屈折率コーティングにより同調させることができる、長い周期の格子を持つ少なくとも一つのテーパ状のファイバ格子デバイスを使用する動的利得平坦化光ファイバ増幅器を示す図である。
【図３Ｂ】図３Ａの利得平坦化光学的増幅器を含む光ファイバ通信システムを示す図である。
【符号の説明】
１０ デバイス
１２ グレーデッド形光ファイバ
１４ コア
１６ クラッディング
１８ テーパ状の領域
２０ 外径部
２６ コーティング

Claims (10)

1. 調整可能な光ファイバ格子デバイスであって、
   所定の基本モードの実効導波屈折率を持つある長さの光ファイバと、
   前記ファイバにより案内された光の基本モードにアクセスするための、前記ファイバに形成された縦方向のテーパ状の領域と、
   前記ファイバの前記テーパ状の領域内に画成された格子であって、基本モードの光のスペクトルを整形する所定の光スペクトル整形特性を持つ格子と、
   前記格子のスペクトル整形特性を変化させるために、前記ファイバの基本モードの実効導波屈折率を修正するための、前記ファイバの前記テーパ状の領域をとり囲むコーティングとを備え、
   前記テーパ状の領域をとり囲む前記コーティングは、電気光学材料、磁気光学材料および温度感知材料から成るグループから選択された屈折率が可変の材料から成り、および
   前記縦方向のテーパ状の領域によって、前記基本モードの一部が前記テーパ状の領域を有するファイバのクラッディングの外側に、さらには前記テーパ状の領域をとり囲む前記屈折率が可変のコーティングへと広げられるようになっており、これにより、前記コーティングの可変屈折率の変動が前記基本モードの実効導波屈折率を選択的に修正することができ、前記格子のスペクトル整形特性の調整を可能とするようにしたことを特徴とする光ファイバ格子デバイス。
2. 請求項１に記載の光ファイバ格子デバイスにおいて、前記格子がブラッグ格子である光ファイバ格子デバイス。
3. 請求項２に記載の光ファイバ格子デバイスにおいて、前記格子がチャープしている光ファイバ格子デバイス。
4. 請求項１に記載の光ファイバ格子デバイスにおいて、前記格子が周期の長い格子である光ファイバ格子デバイス。
5. 請求項１に記載の光ファイバ格子デバイスにおいて、前記ファイバが、少なくとも一つのクラッディング領域によりとり囲まれているコア領域を含む光ファイバ格子デバイス。
6. 請求項５に記載の光ファイバ格子デバイスにおいて、前記コアがステップ形屈折率を持つ光ファイバ格子デバイス。
7. 請求項５に記載の光ファイバ格子デバイスにおいて、前記コアがグレーデッド形屈折率を持つ光ファイバ格子デバイス。
8. 第一および第二のサーキュレータと、その間に光学的に接続している、請求項１に記載の前記テーパ状の光ファイバ格子デバイスを備える同調可能な光学的マルチプレクサ。
9. 多重波長送信機、ある長さの光ファイバ、多重波長光受信機、および前記送信機および前記受信機に光学的に接続している、請求項１８に記載の同調可能な光学的マルチプレクサを備える光ファイバ電気通信システム。
10. ある長さの稀土類でドーピングされたファイバと、請求項１に記載の前記テーパ状の光ファイバ格子デバイスとを備える光ファイバ増幅器。

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