JP4217765B2 - フローティングクランプ機構およびフローティングクランプ - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバーを２点で固定支持しクランプする機構およびクランプに関するものである。

ファイバーグレーティングは、光ファイバーのコア部に周期的な屈折率変化を与えたもので、入射した光の特定波長の光のみを反射し、他の光はすべて通過させる光フィルターである。例えば、非特許文献（１）および非特許文献（２）に述べられているように、ファイバーグレーティングは伝送損失が少なく、優れた反射特性および透過特性を有しており、光信号を利用する各種デバイス、装置、システムに、例えば、高密度波長多重光通信機器、レーザーダイオード外部共振器、ファイバーレーザー共振器、温度・歪み等の各種センサー等々に、広く応用展開されている。

ファイバーグレーティングの反射波長λ_FBGは、光導波路のコア部の実効屈折率ｎ_effと屈折率変調の周期、すなわちグレーティング周期Λ、によって、λ_FBG＝２ｎ_eff×Λとして決まる。光ファイバーの屈折率をその長手方向に周期的に変化させてグレーティングを形成するには、通常、被覆樹脂を除去した光ファイバーにその長手方向に側面から、グレーティング周期に対応する周期的な強度分布を持たせた紫外線を照射し、光ファイバーのコア部にドープされているゲルマニウム（Ｇｅ）の紫外線に対する光誘起反応に基づく屈折率上昇の現象を利用してなされる。形成される屈折率変調の周期Λは、例えば、光ファイバーの実効屈折率ｎ_effが約１．４４７で、光通信によく用いられる波長の約１５５０ｎｍに対しては、λ_FBG＝２ｎ_eff×Λの関係から、Λ＝５３６ｎｍとなる。良好な光信号の反射特性を得るためにファイバーグレーティングは、通常、この大きさの周期を約５ｍｍから数１０ｍｍの長さに渡って形成され、１０ｍｍ長のファイバーグレーティングではその周期の個数は、１０ｍｍ／５３６ｎｍとなり、すなわち約１９０００個のグレーティングが形成されている。チャンネル間隔１００ＧＨｚの高密度波長多重通信においては、隣接チャンネルの波長間隔は０．８ｎｍで、１５５０ｎｍ帯のファイバーグレーティングの場合、グレーティング周期Λは隣接チャンネル間で、おおよそ５３６ｎｍ×０．８ｎｍ／１５５０ｎｍ＝０．２８ｎｍだけしか異なっておらず、ナノメートルオーダーの精度での作製が要求される。

このようなファイバーグレーティングを形成する方法としては、例えば、非特許文献（１）および非特許文献（２）に述べられているように、大きく分けて、位相マスク法と２光束干渉法が知られている。前者の位相マスク法では、図１（ａ）に示すように、光ファイバー４を位相マスク１に近接乃至は接触させて配置し、位相マスク１を介して光ファイバー４に紫外線レーザー光３を照射し、位相マスクによって回折される＋1次光６と−１次６’を光ファイバー４の位置で干渉させ、周期Λの干渉縞からなる紫外光強度分布を形成し、これによって光ファイバーの長手方向に周期的屈折率変調をそのコア部に形成してファイバーグレーティング５を作製する方法である。後者の２光束干渉法は、図１（ｂ）に示すように、紫外線レーザー光３を、例えば位相マスク１を介して２つのビーム６および６’に分岐し、左右に配置されたミラー２で反射させ、その後、２つのビームを光ファイバー４の位置で交差させて干渉させ、周期Λの干渉縞からなる紫外光強度分布を形成し、これによって光ファイバー４の長手方向に周期的屈折率変調をそのコア部に形成し、ファイバーグレーティング５を作製する方法である。この２光束干渉法では、２つのビームの交差角度を、２つのミラーを対称に回転させることで異なるグレーティング間隔、すなわち異なる反射波長のファイバーグレーティングが作製できる。

光ファイバーは、直径１２５μｍの石英ガラスとその外側に外径２５０μｍのアクリル樹脂等の被覆がなされ、この被覆樹脂を機械的にあるいは薬品を用いて化学的に除去し、これを図１（ａ）および図１（ｂ）の４の位置にセットして、上述のように紫外線レーザー光を約数分間乃至は約１０分間照射してファイバーグレーティングが形成される。従来、光ファイバーの固定には、例えば、図２（ａ）に示すように、形成されるファイバーグレーティングの両側で、例えば複数のマグネットクランプ等のクランプ９を用いて固定される。光ファイバー固定支持台７、７’とクランプ基台８は一体構造となっている。紫外線レーザーが照射される部分は被覆が除去され、クランプ９の固定部は光ファイバーの石英ガラスを損傷しないように被覆樹脂は残されている。
紫外線レーザー光を数分間乃至は約１０分間照射して、その干渉縞で、光ファイバーにファイバーグレーティングを形成するとき、光ファイバーと紫外線レーザー光の干渉縞の間に相対的位置ズレが発生すれば良好なファイバーグレーティングは形成されず、またその反射波長も所望の値に制御出来なくなる。外部からの振動による影響等は、通常、装置を頑丈な光学定盤の上に置くことで抑制されている。また、光ファイバーにたわみ等が発生しないように、軽い張力を、例えば１００ｇｆ以下の張力を左右のクランプの一方に印加する方法が、例えば図２（ｂ）のようにしてなされている。特許文献（３）では、２つの光ファイバー固定支持台の一方１０にスプリングバネを設け、さらに光ファイバーに印加した張力を検知するロードセルを設けて、光ファイバーに印加して張力を制御する方法が開示されている。特許文献（４）では左右のクランプの間隔を、高感度で張力を制御するピエゾ素子を用いて、ファイバーグレーティングの反射波長を制御する方法が開示されている。フィードバック制御も当然考えられ、例えば特許文献（５）では、光ファイバーに微弱な振動を与え光ファイバーが紫外線レーザー照射で発する蛍光を検知して位置ズレを補正する方法が開示されている。

（１）Raman Kashyap: ”Fiber Bragg Gratings”， Academic Press, (1999).
（２）Andreas Othonos, Kyriacos Kalli; ”Fiber Bragg Gratings”， Artech House, Inc., (1999)
（３）桑畑新一、梅田淑夫; ”光ファイバ張力付与装置、及びファイバグレーティング成形機”， 特開2001-124943, (2001).
（４）榎本正、伊藤真澄、稲井麻紀、井上享、茂原政一; ”ファイバグレーティング の製造方法 及び製造装置”， 特開平８−２８６０５６, (1996).
（５）西木 玲彦; ”光フィルタ の位置合わせ装置 および光フィルタ の位置合わせ方法”， 特開平１１−１４２６７０, (1999).
（６）M. Nakamura, C. Komatsu, Y. Masuda, K. Fujita, M. Yamauchi, Y. Mizutani, S. Kimura, Y. Suzaki, T. Yokouchi, K. Nakagawa, S. Ejima; ”Evolution of Optical Fiber Temperature during Fiber Bragg Grating Fabrication Using KrF Excimer Laser”， Japanese Journal of Applied Physics, vol. 43, No. 1, pp. 147-151 (2004).

ファイバーグレーティングは、その反射波長をナノメートルオーダーの高精度で制御して作製されなければならず、これらの従来技術では充分とは言えない。数分間乃至は約１０分間の紫外線レーザー照射時間の途中で、例えば、形成されつつあるファイバーグレーティングの干渉縞周期Λの半分の大きさ（約５３６ｎｍ／２＝２６８ｎｍ）のズレが発生すれば、その時間までに形成されたグレーティングは消去されて、新たに再度グレーティング形成を続けることになり、時間的に非効率的であるばかりでなく、光ファイバーの長手方向屈折率分布が乱され、ファイバーグレーティングの特性そのものが劣化してしまう。
光ファイバーは紫外線レーザー照射でわずかではあるが熱膨張して、一端が固定されて位置ズレがなくても、他端でその熱膨張分の位置ズレが発生する。光ファイバーに、図２（ｂ）のように、右方向張力１１を右側の光ファイバー固定支持台１０に印加してグレーティングを形成したとき、この熱膨張による位置ズレが発生したと仮定すると、グレーティング部の屈折率変調の振幅分布、すなわちグレーティングのコントラストは、図３のように劣化してしまうことが予想される。グレーティングの数は、実際は、上述したように１０ｍｍ長ファイバーグレーティングで約１９０００個あり、図３は理解を容易にするため、その様子を模式的に示したものである。
紫外線レーザー光照射による光ファイバーの温度上昇は、非特許文献（６）によれば約数℃〜１０℃で、このような温度変化による光ファイバーの膨張伸縮量は微弱ではあるが、無視することは出来ない。ファイバーグレーティングの反射波長の温度依存性は、１５５０ｎｍ帯域で約０．０１ｎｍ／℃であることが一般的に知られており、これが熱膨張によるものとすれば実効熱膨張率α’は６．４５×１０^−６／℃となる。紫外線レーザー光照射によって温度が１０℃上昇すれば、１０ｍｍ長のファイバーグレーティングの伸び量はΔＬ＝６．４５×１０^−６／℃×１０℃×１０ｍｍ＝６４５ｎｍとなり、この大きさはファイバーグレーティングのグレーティング周期Λが５３６ｎｍの場合、ΔＬ／Λ＝６４５ｎｍ／５３６ｎｍ＝１２０％となって、一端で固定されていても他端では一周期以上のズレが生じて、図３に示すようなコントラスト劣化となり深刻である。
外部からクランプ機構に対する振動に対しても、単に頑丈にすることで解決できるものではない。頑丈なクランプ台の上で、頑丈なマグネットクランプで固定すれば、紫外線レーザー光照射で、例えば光ファイバーの温度が上昇して熱膨張すれば、その伸びによって光ファイバーはたわんだり、あるいは予め印加された張力が変化したりして光ファイバーが位置ズレを起すことがある。位相マスク法でファイバーグレーティングを作製する場合、位相マスクと光ファイバーの相対位置が紫外線レーザー光照射時間内にズレないように一体型構成とすることはできるが、この場合は、そのために光ファイバーと位相マスクを一体型構成に組み上げセットするための工程が複雑になり生産性が低下してしまう。光ファイバーの位置や張力を検知してフィードバック制御することも当然考えられるが、高精度の制御のための装置構成が複雑となり、装置コストも高くなる。
本発明の課題は、このような従来技術に替わって、簡単な構成で、熱膨張等によって発生する位置ズレを自動的に吸収する仕組みを内在させ、常に位置ズレを自動的に補正する新規のクランプ機構およびクランプを提供するものである。

この課題を解決するための本発明の根拠となる理論について以下に説明し、その後、本発明の特徴について述べる。

光ファイバーを固定する２つのクランプの一方を頑丈に固定すれば、光ファイバーが紫外線照射で熱膨張したとき、ファイバーグレーティングの他端では、当然、熱膨張による伸縮でファイバーグレーティングの屈折率分布のコントラストは図３のようになる。
このような位置ズレを抑制する従来技術の考え方は、位置ズレを起さないようにより強く頑丈に固定すると言う考え方である。本発明の原点は、この頑丈さを捨てて、逆に光ファイバーに自由度を持たせ、わずかな位置ズレに対してもこれを自動的に補正するため柔らかくフローティング状態とし、光ファイバーの伸縮の基準点をファイバーグレーティングの中央部に置くことである。すなわち、図４のように、クランプ基台８と一体になった弾性体基台１２に弾性体１４、１４’を取り付け、これにフローティング光ファイバー固定支持台１３，１３’を取り付け、その上で、光ファイバークランプ９で光ファイバー４を固定するものである。左右の弾性体１４、１４’およびフローティング光ファイバー固定支持台１３、１３’がそれぞれ同じであれば、左右対称性によって、熱膨張による伸縮はファイバーグレーティングの中央を基準にして左右対称に伸縮するため、ファイバーグレーティングの屈折率分布のコントラストは図５のようになることが期待される。光ファイバーを取り付けセッティングするとき、左右にズレがあっても、左右の弾性体１４、１４’によって、フローティング状態にある左右のクランプ機構は、自動的に中心対称となる。光ファイバーに張力を持たせた状態で、紫外線レーザー光を光ファイバーに照射したい場合は、光ファイバーの取り付けセッティング時に、左右の弾性体を圧縮または伸張させて所望の張力を与えることで可能となる。また、クランプ外部からクランプ基台８を通して加わる外部からの振動は、左右の弾性体１４、１４’が左右非対称に伸縮することで吸収され、左右のフローティング光ファイバー固定支持台１３，１３’には伝わらないため、外部からの振動の影響も抑制することが出来る。この場合、外部からの振動の周波数を考慮して、弾性体１４、１４’の重量とフローティング光ファイバー固定支持台１３，１３’のバネ定数を適切に選ばなければならない。このことについてはつぎに述べる設計計算の中で説明する。

図６のように、弾性体１４、１４’を介して両端を支持された光ファイバー４に紫外線レーザー光を照射してファイバーグレーティング５を形成する過程での温度変化に対する熱膨張を考える。弾性体１４、１４’のバネ定数はそれぞれｋ_１、ｋ_２で予め張力Ｆが印加されているものとする。紫外線レーザー光を照射する前の初期状態においては、光ファイバーは全領域で一定の温度であるものとする。紫外線レーザー光照射によってファイバーグレーティング５の部分がΔＴ_FBG、その左がΔＴ_１、右がΔＴ_２上昇すると、ファイバーグレーティング５の中心に対して左側および右側の弾性体１４、１４’の変位量δ_１、δ_２は、光ファイバーの熱膨張率αを用いて、
δ_１＝α（ΔＴ_１ｌ_１＋ΔＴ_FBGｌ_FBG／２） （１）
δ_２＝α（ΔＴ_２ｌ_２＋ΔＴ_FBGｌ_FBG／２） （２）
となる。この変位量が発生してもファイバーグレーティング中央部が変位しないための条件は、この変位量δ_１、δ_２に伴う、バネ定数ｋ_１およびｋ_２の左右の弾性体１４、１４’の張力の変化ΔＦ_１およびΔＦ_２が釣り合うことである。ΔＦ_１、ΔＦ_２およびは、
ΔＦ_１＝−ｋ_１δ_１＝−ｋ_１×α（ΔＴ_１ｌ_１＋ΔＴ_FBGｌ_FBG／２） （３）
ΔＦ_２＝−ｋ_２δ_２＝−ｋ_２×α（ΔＴ_２ｌ_２＋ΔＴ_FBGｌ_FBG／２） （４）
となり、従って、
−ｋ_１×α（ΔＴ_１ｌ_１＋ΔＴ_FBGｌ_FBG／２）＝−ｋ_２×α（ΔＴ_２ｌ_２＋ΔＴ_FBGｌ_FBG／２） （５）
が得られる。この式から、
ｋ_１＝ｋ_２×（ΔＴ_２ｌ_２＋ΔＴ_FBGｌ_FBG／２）／（ΔＴ_１ｌ_１＋ΔＴ_FBGｌ_FBG／２） （６）
となるように弾性体のバネ定数ｋ_１、ｋ_２を設定することにより紫外線レーザー光照射による変位を抑制することができる。左右対称の場合、すなわち、Ｔ_１＝Ｔ_２、ｌ_１＝ｌ_２の場合は、ｋ_１＝ｋ_２となる。
光ファイバーを取り付けセッティングするときに予め張力Ｆを光ファイバーに印加する場合、その予張力Ｆよる光ファイバーの伸びδ_ｔ１およびδ_ｔ２は、光ファイバーの伸び係数Ｅ〔Ｎ〕を用いて、
δ_ｔ１＝Ｆ×（ｌ_１＋ｌ_FBG／２）／Ｅ （７）
δ_ｔ２＝Ｆ×（ｌ_２＋ｌ_FBG／２）／Ｅ （８）
と表される。また、このとき予張力Ｆによる弾性体のたわみδ_ｋ1およびδ_ｋ２は、
δ_ｋ１＝Ｆ／ｋ_１ （９）
δ_ｋ２＝Ｆ／ｋ_２ （１０）
である。ここで、光ファイバーの伸びδ_ｔ１およびδ_ｔ２は光ファイバーを取り付けセッティングするときに予張力Ｆによって与えられており、すなわち弾性体のたわみδ_ｋ1およびδ_ｋ２にそれぞれこのδ_ｔ１およびδ_ｔ２を加えただけ弾性体の伸縮の基準点を移しているため、含めていない。熱膨張による光ファイバーの伸びは、張力印加による伸びに比べて、通常、充分に小さい。この場合、熱膨張による張力緩和によって，張力がゼロ以下になると光ファイバーが左右のクランプ間で垂れ下がってしまうので、弾性体のたわみδ_ｋ1およびδ_ｋ２は熱膨張によるそれぞれの光ファイバーの伸びδ_ｔ１およびδ_ｔ２より大きくなければならない。すなわち、
δ_ｋ１＞δ_１ （１１）
δ_ｋ２＞δ_２ （１２）
従って、弾性体のバネ定数ｋ_１およびｋ_２には上限が存在することになり、次式を満足しなければならない。
ｋ_１＜Ｆ／｛αΔＴ_１ｌ_１＋ΔＴ_FBGｌ_FBG／２｝ （１３）
ｋ_２＜Ｆ／｛αΔＴ_２ｌ_２＋ΔＴ_FBGｌ_FBG／２｝ （１４）
一方、弾性体でフローティング光ファイバー固定支持台を支持すると、いわゆるマス−バネ系になるため、ある固有の振動数に共鳴して振動する可能性がある。弾性体より先の部分の重量をｍ_１とすると、この系の固有振動数ｆは、

となり、このような共振現象を抑制するためには、一般に、固有振動数を高くすると良い。すなわち、固有振動数ｆ以上とするためには、バネ定数ｋ_１およびｋ_２には下限が存在し、
ｋ_１＞（２πｆ）^２ｍ_１ （１６）
ｋ_２＞（２πｆ）^２ｍ_２ （１７）
を満足しなければならない。通常は、ｆを１００Ｈｚ以上として設計すれば共振現象は抑制される。

外部からクランプ基台を介して伝わって来る振動に対しては、弾性体の位置でこの振動を減衰させるために、弾性体と並列に図７のようにダンパー１６、１６’を取り付ければそのような振動を抑制することが出来る。

本発明の有効性を確保するためには、弾性体としては、例えばスプリングバネや板バネがある。図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、スプリングバネ１４、１４’は左右のフローティング光ファイバー固定支持台１３、１３’の内側に付けてもよく、外側に付けてもよい。あるいは取り付け安定性を高めるためそれぞれのフローティング光ファイバー固定支持台の左右に付けてもよい。バネ鋼板を短冊状に切り出して作製した板バネ１５，１５’を図８（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）に示すようにフローティング光ファイバー固定支持台１３、１３’の内側、外側、あるいは両側に用いれば、光ファイバー長手方向と直角方向の触れを抑えることが出来て、良好に機能させることが出来る。図８のそれぞれの図では、弾性体はフローティング光ファイバー固定支持台１３、１３’の側方に１個づつを記載したがこれはもちろん複数でもよい。

式（１３）、（１４）および式（１６）、（１７）を用いて、弾性体のバネ定数ｋを求めた理論計算結果は以下の通りである。
ファイバーグレーティング作製で最もよくある典型的なパラメータを基準値として、ファイバーグレーティングの温度上昇ΔＴ_FBG、光ファイバーに予め印加しておく予張力Ｆ、弾性体より先の部分の重量ｍ、固有振動数の限界値ｆを変えて計算した結果をそれぞれ図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示す。それぞれのパラメータの基準値は、ファイバーグレーティング長ｌ_FBGを１０ｍｍ、左右の光ファイバー長ｌ_１、ｌ_２を１００ｍｍ、弾性体より先の部分の重量（バネ重量）ｍを５０ｇ、光ファイバーに予め印加しておく予張力Ｆを０．５Ｎ（＝５０ｇｆ）として、光ファイバーの実効熱膨張率αは上述した６．４５×１０^−６／℃とし、ファイバーグレーティング温度上昇ΔＴ_FBGを１０℃とし、左右の光ファイバー長ｌ_１、ｌ_２を１００ｍｍ、その温度上昇をΔＴ_１、ΔＴ_２を１℃とし、そして固有振動数の限界値ｆを１００Ｈｚとした。図９（ａ）、（ｂ）に示す実線が弾性体のバネ定数ｋの上限であり、図９（ｃ）、（ｄ）の実線は下限であって、矢印は不等式（１３）、（１４）および不等式（１６）、（１７）から規定される範囲である。それぞれの図に黒マルで示す点は、その横軸パラメータを上述基準値にした値である。弾性体のバネ定数ｋの設計で最もよく効く４つのパラメータ（ファイバーグレーティングの温度上昇ΔＴ_FBG、光ファイバーに予め印加しておく予張力Ｆ、弾性体より先の部分の重量ｍ、固有振動数の限界値ｆ）に対するこの計算結果から、弾性体のバネ定数ｋは４０，０００〜１００，０００Ｎ／ｍの範囲にあれば、本発明の弾性体を用いたフローティングクランプ機構の有効性が発揮されることが分る。

本発明の第１の特徴は、光ファイバーを２点で固定支持するクランプ機構で、２つの光ファイバー固定支持台を、クランプ基台に取り付けたそれぞれの弾性体で支持し、２つの光ファイバー固定支持台をクランプ基台に対してフローティング状態にして、光ファイバーをクランプすることで、光ファイバーに紫外線レーザー光を照射してファイバーグレーティング形成するときに発生する位置ズレを抑制することが、上述理論で述べたように可能となり、これを取り込んだそのフローティングクランプ機構およびフローティングクランプである。

本発明の第２の特徴は、第１の特徴の中の弾性体がスプリングバネからなるもので、本発明の第３の特徴は板バネからなるものである。板バネで構成すれば、光ファイバー長手方向と直角方向への触れを抑制することも出来る。

本発明の第４の特徴は、第１の特徴の２つの光ファイバー固定支持台および２つの弾性体が同一構造体からなることであり、これによって左右対称性が維持され、光ファイバーの位置ズレが抑制される。ここで同一構造体とは、同じ材質の材料を用いて、同じサイズに、通常のレベルの精密加工技術をもって作製したもののことである。

本発明の第５の特徴は、上述第１の特徴で述べた弾性体のバネ定数が４０，０００Ｎ／ｍ以上で１００,００００Ｎ／ｍ以下であることであり、これは上述理論を用いて、最も典型的なファイバーグレーティング作製条件に対して計算した図９の結果に基づくものである。ここで、左右それぞれ光ファイバー固定支持台の片側あるいは両側に複数個の弾性体を取り付ける場合のバネ定数は、それぞれの弾性体のバネ定数の並列接続による総和である。

本発明の第６の特徴は、上述第１の特徴で述べた弾性体と並列にダンパーを付加したフローティングクランプ機構およびフローティングクランプであり、これによって外部からクランプ基台に伝わる振動を減衰させるものである。ダンパーは機械的に構成してもよく、あるいは柔らかい樹脂を弾性体とフローティング光ファイバー固定支持台の間に充填して構成してもよい。

本発明のフローティングクランプ機構は、光ファイバーに自由度を持たせ、わずかな位置ズレに対してもこれを自動的に補正するためにフローティング状態とし、光ファイバーの伸縮の基準点をファイバーグレーティングの中央部に置く機構であり、これによって位置ズレを完全に抑制するものである。フローティング状態とするためには、スプリングバネや板バネ等の弾性体を用い、そのバネ定数ｋを上述した式（１３）、（１４）および式（１６）、（１７）で規定される範囲に選べば、位置ズレを充分に抑制する効果が得られる。また、外部からクランプ基台を通して伝わって来る振動は弾性体に吸収されて光ファイバーには伝達されないため、振動による光ファイバーの位置ズレも抑制することが出来る。

弾性体における振動は、振動を減衰させるダンパーを弾性体と並列に取り付けることで抑制できる。ダンパーとしては機械的な構造でもよく、粘性の高い液体でもよく、あるいはシリコーン樹脂等の樹脂を、弾性体と並列に取り付けることで本発明の効果が得られる。

本発明のフローティングクランプによって、後述実施例の実験にあるように、ファイバーグレーティングの位置ズレは皆無となり、健全に成長して行く。従来技術のクランプで見られる位置ズレが発生すれば、それまでに折角形成したグレーティングが一部消去されて、再度新しくグレーティングが形成されるため、所望の反射強度を得るまでの紫外線レーザー光照射時間も長くなるが、位置ズレを起さない本発明のフローティングクランプでは効率的に最短の時間で達成出来る。また、従来型クランプにおいて位置ズレのため、一部のグレーティングが消去され、再度新しく形成すれば光ファイバーの中の屈折率変調分布が乱され、ファイバーグレーティングの特性が劣化するが、本発明のフローティングクランプではこのようなことがなくクリーンな屈折率変調分布が得られる。
光ファイバーへの紫外線レーザー光照射は、照射時間が長くなれば、一般的に光ファイバーの強度劣化の原因となる。本発明のフローティングクランプでファイバーグレーティングを作製すれば、光ファイバーの強度劣化を抑制する効果も得られる。

これらの効果によって、ファイバーグレーティングの製造時間が短縮され、ファイバーグレーティングの特性も向上し、製造コストの節減も可能となる効果も得られる。

本発明の有効性を確認するために、我々は上述の理論に基づいてフローティングクランプの最適設計を行い、これを用いて実験を行った。

図８（ｆ）に示すフローティングクランプを設計製作し、これに光ファイバーを取り付けセッティングして、図１（ａ）に示す位相マスク法でエキシマ紫外線レーザー光を照射してファイバーグレーティングを作製する実験を行った。また、比較のために従来技術のクランプ法による図２（ａ）のクランプを用いて、同じ位相マスク法で同じ実験条件でファイバーグレーティングを作製した。本発明のフローティングクランプでは、光ファイバークランプ９は左右にそれぞれ２個用い、内側の光ファイバークランプ９の間隔を２２０ｍｍとした。光ファイバークランプ９にはマグネットクランプを用いた。光ファイバー４を光ファイバークランプ９で固定する左右のフローティング光ファイバー固定支持台１３、１３’は同じ構造で、その重量ｍは約４０ｇとした。板バネ弾性体１５、１５’は、左側のフローティング光ファイバー固定支持台１３の左右にそれぞれ１枚づつ、右側のフローティング光ファイバー固定支持台１３’の左右にそれぞれ１枚づつ取り付けた。いずれの板バネ弾性体も、素材はりん青銅で、サイズは板厚１ｍｍ、幅２５ｍｍ、長さ４０ｍｍの短冊状に切り出したものである。１個の板バネのバネ定数は３９，０００Ｎ／ｍで、ここでは左右にそれぞれ２個使用しているため２×３９，０００Ｎ／ｍ＝７８，０００Ｎ／ｍである。アルミニウムで作製したクランプ基台８に板バネ弾性体４枚をネジ止め固定し、板バネ弾性体にフローティング光ファイバー固定支持台を取り付けた。光ファイバー固定支持台１３、１３’の上にマグネットクランプの光ファイバークランプ９を計４個取り付け組み上げた後に、板バネ弾性体に対して振動を抑制するダンパーとして柔らかいシリコーン樹脂を、板バネ弾性体とフローティング光ファイバー固定支持台の間に充填した。光ファイバー４には、紫外線レーザー光照射に先立って、予め０．５Ｎの張力Ｆを印加した。左右クランプの中央部で、位相マスクを光ファイバー４に約０．１ｍｍまで近接させて配置し、位相マスク法でファイバーグレーティングを作製した。
紫外線レーザーはＫｒＦエキシマレーザー光（発振波長λ_Ｅ＝２４８ｎｍ、ラムダフィジックス社製Ｃｏｍｐｅｘ−１０２ＭＪ）で、位相マスクへ入射するビームサイズは１０ｍｍ×１０ｍｍとし、光ファイバー長手方向に１０ｍｍで、これと直角方向へは、照射紫外線レーザーのエネルギー量を高めるために、シリンドリカルレンズを用いて約２ｍｍ幅に絞った。使用した光ファイバーは最も標準的なシングルモードファイバーＳＭＦ２８で、紫外線レーザーに対する感光度を高めるために、実験に先立って１００気圧の水素ガス雰囲気に１０日間保持して水素ローディングを施した。光ファイバーの被覆樹脂はアクリル樹脂で、紫外線レーザー光が照射部とその前後約２０ｍｍにわたって被覆樹脂を除去した。ファイバーグレーティングの反射スペクトルは、光ファイバーにＡＳＥ光源（ファイバーラボ社製ＡＳＥ−ＦＬ７７０１光源）の光を入れ、スペクトラムアナライザー（アドバンテスト社製Ｑ８３８４）で測定し、ファイバーグレーティングの成長をモニターした。作製したファイバーグレーティングの反射波長は１５５４ｎｍである。
エキシマレーザーはパルス状に出射され、その繰り返し周波数は１Ｈｚから２０Ｈｚまで変えられるが、本発明の有効性を確認する本実験では、繰り返し周波数を１Ｈｚとし、エキシマレーザー光出射口の蓋を５回閉じて１回開けることを繰り返し、すなわち照射繰り返し周波数を１／６Ｈｚとして、反射スペクトルの成長をモニターした。各パルス毎にファイバーグレーティングの反射強度を１０分間にわたってモニターした結果を図１０の（ｂ）に示す。次に、クランプだけを従来型のクランプ（図２（ａ））に取り替え、他のすべての実験条件を完全に同じにしてファイバーグレーティングを作製する実験を行った。同じように各パルス毎にファイバーグレーティングの反射強度を１０分間にわたってモニターした結果を図１０の（ａ）に示す。従来型クランプでは、照射パルス４発目で反射強度が低下し、さらに２０発目以降同様の反射強度低下が多数回見られる。これは明らかに光ファイバーの位置ズレによるものである。他方、本発明のフローティングクランプでは、このような反射強度低下は、図１０（ｂ）に示すように、まったく見られなかった。また、第１発目のレーザー照射で従来型クランプによる場合の反射強度（図の（a））が、本発明のクランプによる場合の反射強度（図の（ｂ））よりも低いと言うことは、予め印加した初期張力が位置ズレによって変化したためと解釈される。本発明のフローティングクランプでは、ファイバーグレーティングは健全に成長して行った。
この実験から、本発明のフローティングクランプが、光ファイバーの位置ズレ抑制にきわめて顕著に有効であることが実証された。

位相マスク法（a）および２光束干渉法（ｂ）でファイバーグレーティングを作製する配置構成図である。 従来技術による光ファイバークランプを示す図である。（ｂ）においては、張力１１を印加してある。 光ファイバーの一端を固定してファイバーグレーティングを形成したときの屈折率変調のコントラストを模式的に示す図である。（a）は形成初期のコントラストで、（ｂ）は形成途中でファイバーグレーティングが若干伸びて形成されるコントラストで、（ｃ）は最終的に得られるコントラストである。 本発明のフローティングクランプの基本要素を示す図である。 光ファイバーの中央を基準にしてファイバーグレーティングを形成したときの屈折率変調のコントラストを模式的に示す図である。（a）は形成初期のコントラストで、（ｂ）は形成途中でファイバーグレーティングが若干伸びて形成されるコントラストで、（ｃ）は最終的に得られるコントラストである。 本発明のフローティングクランプの理論を説明するための図である。 振動を抑制するためのダンパーを組み込んだ本発明のフローティングクランプを示す図である。 本発明のフローティングクランプの例を示す図である。（a）〜（ｃ）ではスプリングバネを用いて、（ｄ）〜（ｆ）では板バネを用いて、フローティング状態を実現する。 本発明のフローティングクランプにおける弾性体のバネ定数ｋの、ファイバーグレーティング温度上昇依存性（a）、予め印加する張力依存性（ｂ）、バネ重量依存性（ｃ）および下限振動数依存性（ｄ）を示す図である。 本発明のフローティングクランプを用いてファイバーグレーティングを形成したときのファイバーグレーティング反射強度（ｂ）、および従来技術のクランプを用いてファイバーグレーティングを形成したときのファイバーグレーティング反射強度（a）の成長を示す図である。

符号の説明

１ 位相マスク
２ ミラー
３ 紫外線レーザー光
４ 光ファイバー
５ ファイバーグレーティング
６、６’ ＋１次、−１次回折光
７、７’ 光ファイバー固定支持台
８ クランプ基台
９ 光ファイバークランプ
１０ 光ファイバー固定支持台
１１ 印加する張力
１２ 弾性体基台
１３、１３’ フローティング光ファイバー固定支持台
１４、１４’ 弾性体
１５，１５’ 板バネ弾性体
１６、１６’ ダンパー

Claims (6)

1. 光ファイバーを２点で固定支持するクランプ機構で、２つの光ファイバー固定支持台を、クランプ基台に取り付けたそれぞれの弾性体で支持し、２つの該光ファイバー固定支持台を該クランプ基台に対してフローティング状態にして、光ファイバーをクランプすることを特徴とするフローティングクランプ機構およびフローティングクランプ。
2. 請求項１記載の弾性体がスプリングバネからなることを特徴とするフローティングクランプ機構およびフローティングクランプ。
3. 請求項１記載の弾性体が板バネからなることを特徴とするフローティングクランプ機構およびフローティングクランプ。
4. 請求項１記載の２つの光ファイバー固定支持台が同一構造体であり、かつ２つの弾性体が同一構造体であることを特徴とするフローティングクランプ機構およびフローティングクランプ。
5. 請求項１記載の弾性体のバネ定数が４０，０００Ｎ／ｍ以上で１００,００００Ｎ／ｍ以下であることを特徴とするフローティングクランプ機構およびフローティングクランプ。
6. 請求項１記載の弾性体と並列にダンパーを付加してなることを特徴とするフローティングクランプ機構およびフローティングクランプ。
   

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