JP4448415B2 - ファイバグレーティング型光学素子 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバブラッググレーティングに関するものであり、特にグレーティングの温度特性を安定化させる構造を有し、光通信において外部共振器や分散補償器、光合分波器などとして使用されるファイバグレーティング型光学素子に関する。

光ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）は、光ファイバの長さ方向に周期的な屈折率変化を有する部分を作製することで、特定波長の光を反射させる特性を持たせた光学素子品である。従来、このような光ファイバブラッググレーティングは、レーザダイオード光源の波長安定化用の外部共振器や光合分波器（ＯＡＤＭ）、光スイッチ、光フィルタ、波長分散補償器などとして使用され、光通信においては欠かせない光学素子の一つである。

このような光ファイバブラッググレーティングは、ゲルマニウム（Ｇｅ）が添加された石英からなる光ファイバに紫外線を照射することにより、照射部分の屈折率を上昇させることによって作製されている。すなわち、この光ファイバブラッググレーティングは、光ファイバの被覆樹脂を除去して光ファイバ石英部を露出させ、この石英部の側面より、周期的な強度分布を有する紫外光を照射することにより作製される。

このようにして作製された光ファイバブラッググレーティングにおいては、屈折率が変化した部分が光ファイバの長手方向について周期的に形成されている。このように屈折率が変化した部分が周期的に形成された光ファイバにおいては、入射光のうちの特定の波長の光を反射したり、あるいは、入射光のうちの特定の波長の光を光ファイバの外へ放射するという特性が得られる。したがって、このような特徴を有する光ファイバブラッググレーティングは、波長選択フィルタなどとしても用いることができる。

なお、このような光ファイバブラッググレーティングを作製するために用いられる紫外光の光源としては、フッ化クリプトン（ＫｒＦ）エキシマレーザや、アルゴンイオン（Ａｒ^２＋）レーザの第２高調波などの波長260nm以下の紫外光レーザが用いられる。また、この紫外光に周期的な強度分布を与えるためには、周期的な溝が形成された位相マスクと呼ばれる石英基板に該紫外光を透過させることが行われている。

ここで、光ファイバブラッググレーティングにおける反射波長λ_Ｂは、グレーティング周期Λと実効屈折率neffを用いて、以下の（式１）のように示すことができる。

λ_Ｂ＝２neffΛ ・・・・・・・・・・・・（式１）
この光ファイバブラッググレーティングは、通常、温度上昇により、中心反射波長が長波側に変動する特性を有している。これは、温度上昇により、正の線膨張を有する光ファイバが膨張し、（式１）における周期Λが大きくなり、結果として反射波長λ_Ｂが大きくなるためである。さらに、温度上昇による実効屈折率の変化も中心波長特性に影響を与える。例えば、光ファイバ材料が石英である場合、屈折率の温度依存性は約１×１０^−５[1／℃]であり、温度上昇により反射波長λＢが大きくなる。これらの二つの特性がそれぞれ作用した結果として光ファイバグレーティングの温度特性は決まる。
このような光ファイバブラッググレーティングの温度変化による反射波長の変動を積極的に利用すると、温度センサーなどに応用が可能である。しかし、光通信で使用する場合においては、特に、レーザダイオード光源の外部共振器や光合分波器（ＯＡＤＭ）として使用する場合においては、温度変化による反射波長の変動は、特性の劣化を招来するため、極力小さくする必要がある。

そのため、従来、温度変化による反射波長変動を補償した温度補償型のファイバグレーティング型光学素子が提案されている。このようなファイバグレーティング型光学素子としては、線膨張係数の異なる二種類の金属などの材料を組み合わせて構成した基材上に、光ファイバブラッググレーティングを張力を掛けた状態で固定したものがある。このファイバグレーティング型光学素子は、温度上昇による光ファイバグレーティング波長の長波長側への変動と、温度上昇による張力緩和による短波長側への変動とを釣り合わせることにより、光ファイバブラッググレーティングにおける反射波長変動を抑制するように構成されたものである。

また、特許文献１に記載されているように、負の膨張係数を持つ材料からなる基材上に、光ファイバブラッググレーティングを張力を掛けた状態で固定したファイバグレーティング型光学素子が提案されている。このファイバグレーティング型光学素子においては、前述のファイバグレーティング型光学素子と同様の原理により、温度補償を達成することができる。

さらに、特許文献２に記載されているように、負の膨張特性を有する液晶高分子ポリマを光ファイバブラッググレーティングの周囲に配置して構成したファイバグレーティング型光学素子が提案されている。このファイバグレーティング型光学素子においては、温度上昇による光ファイバグレーティング波長の長波長側への変動が、液晶高分子ポリマ（ＬＣＰ：Liquid Crystal Polymer）の収縮によって抑制され、温度補償が達成される。
特開２００１−３２４６２４公報 特開平１１−１６０５５４号公報

前述のような従来のファイバグレーティング型光学素子においては、以下に述べるような、いくつかの解決すべき課題がある。

すなわち、線膨張係数の異なる二種類の材料を組み合わせた基材や負の膨張特性を持つ材料からなる基材に光ファイバブラッググレーティングを張力を掛けた状態で固定したファイバグレーティング型光学素子においては、光ファイバに対し高い張力を掛けた状態で基材に固定するため、光ファイバの破断確率が高く、長期間に亘る信頼性を確保することが困難であった。

また、このようなファイバグレーティング型光学素子においては、基材が光ファイバの直径に比べて大きい。そのため、光学素子の大きさが基材の大きさで制限されてしまい、小型化することが困難であった。ファイバグレーティング型光学素子を小型化することは、特に、レーザダイオード光源の外部共振器用として使用する場合においては、重要な課題である。

さらに、このようなファイバグレーティング型光学素子においては、光ファイバの張力が緩んでしまうと、反射中心波長の変動につながる。したがって、基材に対して光ファイバを固定するための接着剤や、基材の構造について、高度な特性が要求されることとなり、このファイバグレーティング型光学素子の高価格化の一因となっていた。

一方、液晶高分子ポリマを用いて温度補償をするように構成されたファイバグレーティング型光学素子においては、光ファイバに予め張力をかけておく必要が無く、光ファイバを固定する基材も不要であるため、前述の構成に比較して、小型化の面では有利である。

しかしながら、このファイバグレーティング型光学素子においては、液晶高分子ポリマが負の熱膨張特性を有するようにするため、この液晶高分子ポリマを光ファイバの長手方向に沿って配向させる必要があり、そのために作製が困難なものとなっている。また、液晶高分子ポリマにおいて、光ファイバブラッググレーティングの温度補償を行うのに十分な負の熱膨張特性を実現することが困難であった。

さらに、液晶高分子ポリマは、通常、ヤング率が１０〔ＧＰａ〕以上と硬い材料である。そのため、この液晶高分子ポリマを光ファイバの周囲に直接配置すると、液晶高分子硬化時の歪みが光ファイバに応力を生じさせ、光ファイバブラッググレーティングの特性劣化が招来されるという問題がある。

したがって、液晶高分子ポリマを用いるファイバグレーティング型光学素子においては、光ファイバの周囲に、液晶高分子ポリマとの間の緩衝層として、ヤング率の小さな樹脂材料を配置する必要があり、そのために作製が困難なものとなっている。

本発明は、上記に鑑みてなされたもので、その目的としては、小型であり、かつ、作製が容易であって、良好な温度補償を行うことができるファイバグレーティング型光学素子を提供することにある。

請求項１記載の本発明は、周期的に屈折率が変化するグレーティング構造を有する光ファイバブラッググレーティングと、前記光ファイバブラッググレーティングの周囲に一定の厚さで配置され、かつその長手方向に負の熱膨張特性を有する繊維を備えた繊維状部材と、前記繊維状部材をなす前記繊維同士間、及び、前記繊維と前記光ファイバブラッググレーティングとの間の各空隙を充填する樹脂材料とを有し、前記樹脂材料は、使用温度範囲におけるヤング率が５００ＭＰａ以下の材料であって、当該ファイバグレーティング型光学素子を曲げることが可能なような材料とし、前記光ファイバブラッググレーティングは、石英の光ファイバ部材で形成されていることを特徴とするものである。

請求項２記載の本発明は、請求項１記載の発明において、前記繊維の長手方向の線膨張係数は、−６．０×１０^−６乃至−１５．０×１０^−６〔１／°Ｃ〕であることを特徴とするものである。

請求項３記載の本発明は、請求項２記載の発明において、前記繊維状部材は、高分子量ポリエチレンからなることを特徴とするものである。

請求項４記載の本発明は、請求項２記載の発明において、前記繊維状部材は、ポリパラフェニレンべンゾビスオキサゾール繊維であることを特徴とするものである。

請求項５記載の本発明は、請求項１記載の発明において、ファイバグレーティング型光学素子の温度変化による波長変動が、使用温度範囲内において0.1nm以下となるように、当該光学素子のグレーティング部横断面の光ファイバ、繊維、樹脂のヤング率および断面積が設定されていることを特徴とするものである。

請求項１記載の本発明によれば、繊維状部材が温度上昇により収縮することにより、光ファイバブラッググレーティングに対し、この光ファイバブラッググレーティングの長手方向の圧縮力を作用させるので、温度変化による光ファイバブラッググレーティングにおける反射波長変動が抑制され、温度補償がなされる。逆に、温度下降時には繊維部材が温度下降により膨張することにより、光ファイバブラッググレーティングに対し、この光ファイバブラッググレーティングの長手方向の伸長力を作用させるので、温度変化による光ファイバブラッググレーティングにおける反射波長変動が抑制され温度補償がなされる。そして、このファイバグレーティング型光学素子は、作製が容易であり、安価に作製することが可能である。また、繊維状部材をなす繊維同士間及びこれら繊維と光ファイバブラッググレーティングとの間の空隙が樹脂材料により充填されているので、繊維状部材が光ファイバブラッググレーティングに対して確実に圧縮力を作用させることができ、温度変化による光ファイバブラッググレーティングにおける反射波長変動について、良好な温度補償を行うことができる。さらに、樹脂材料は、ヤング率が５００ＭＰａ以下の材料であるので、樹脂材料の歪みが光ファイバに応力を生じさせることがなく、光ファイバブラッググレーティングの特性劣化を招来することがない。

請求項２記載の本発明によれば、光ファイバ部材が石英であり、繊維状部材の長手方向の線膨張係数が−６．０×１０^−６乃至−１５．０×１０^−６〔１／°Ｃ〕であることにより、光ファイバの長手方向に十分大きな圧縮・収縮作用を及ぼすことが可能となるため、温度変化による光ファイバブラッググレーティングにおける反射波長変動について、良好な温度補償を行うことができる。

請求項３記載の本発明によれば、繊維状部材が高分子量ポリエチレンからなるので、温度変化による光ファイバブラッググレーティングにおける反射波長変動について、良好な温度補償を行うことができる。

請求項４記載の本発明によれば、繊維状部材は、ポリパラフェニレンべンゾビスオキサゾール繊維であるので、温度変化による光ファイバブラッググレーティングにおける反射波長変動について、良好な温度補償を行うことができる。

請求項５記載の本発明によれば、光ファイバグレーティング部の横断面内における光ファイバ、繊維、樹脂の断面積およびヤング率を適切にすることにより、使用温度範囲内での波長変動を抑制することが可能となり、実用上求められる0.1nm以下にすることができるものである。

前述のように、本発明は、小型であり、かつ、作製が容易であって、良好な温度補償を行うことができるファイバグレーティング型光学素子を提供することができるものである。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。

本発明は、容易かつ安価に作製できる構成を有する温度補償型の光ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）からなるファイバグレーティング型光学素子を提供するものである。

図１は、本発明に係るファイバグレーティング型光学素子の構成を示す縦断面図及び横断面図である。

このファイバグレーティング型光学素子は、図１に示すように、光ファイバブラッググレーティング１として作製された光ファイバの周囲に、負の熱膨張特性を有する繊維状部材２が配置されて構成されている。

光ファイバブラッググレーティング１は、ゲルマニウム（Ｇｅ）が添加された石英からなる光ファイバに周期的な強度分布を有する紫外線を照射することにより、光ファイバの長手方向について周期的な所定箇所の屈折率を上昇させることによって作製されている。すなわち、この光ファイバブラッググレーティング１は、光ファイバの被覆樹脂を除去して光ファイバ石英部を露出させた状態で、この石英部の側面より、周期的な強度分布を有する紫外光を照射することにより作製されている。この光ファイバブラッググレーティング１においては、入射光のうちの特定の波長の光を反射したり、あるいは、入射光のうちの特定の波長の光を光ファイバの外へ放射するという特性が得られる。

繊維状部材２は、この繊維状部材２をなす繊維の長手方向に対し、温度上昇により収縮し、温度下降により膨張する負の熱膨張特性を有している。この繊維状部材２は、図１に示すように、少なくとも光ファイバブラッググレーティング１において屈折率が上昇されているグレーティング部３の周囲に配置されていれば良い。

このファイバグレーティング型光学素子においては、温度上昇時に、このような繊維状部材２の収縮が光ファイバブラッググレーティング１の熱膨張を抑制することにより、光ファイバブラッググレーティング１における反射中心波長の変動を抑えることが可能である。すなわち、このファイバグレーティング型光学素子においては、温度上昇による繊維状部材２の収縮が、光ファイバブラッググレーティング１に対する圧縮応力として作用し、温度変化に対して正の波長変動特性を有する光ファイバブラッググレーティング１の長波長側への波長変動を抑制することによって、温度補償が達成される。同様に、温度下降時においては、温度下降による繊維状部材２の膨張が、光ファイバブラッググレーティング１に対する伸長応力として作用し、温度変化に対して正の波長変動特性を有する光ファイバブラッググレーティング１の短波長側への波長変動を抑制することによって、温度補償が達成される。

繊維状部材２について好ましい負の熱膨張係数は、光ファイバブラッググレーティング１をなす材料にもよるが、通信用として広く用いられている石英系光ファイバを光ファイバブラッググレーティング１として用いる場合において、−６．０×１０^−６乃至−１５．０×１０^−６〔１／°Ｃ〕程度である。これは、式（１）より石英でできた光ファイバブラッググレーティングの温度補償に必要な光ファイバの線膨張係数が−６．０×１０^−６〔１／°Ｃ〕程度と求められることによる。

なお、光ファイバブラッググレーティング１の軸に対して繊維状部材２の繊維がなす角度を調整することにより、繊維の膨張、収縮による光ファイバへの膨張、収縮の作用を変化させることが可能であるが、光ファイバブラッググレーティング１の温度補償を実現するためには、光ファイバブラッググレーティング１の軸に対して繊維状部材２の繊維がなす角度は３０ °程度以下とすることが望ましい。これは、繊維の長手方向に負の膨張特性を有する繊維は、通常繊維の径方向には正の膨張係数を有しており、角度を３０°以上にすると光ファイバの長手方向に対し十分な負の膨張作用を与えられなくなることによる。

このファイバグレーティング型光学素子は、前述のように、光ファイバブラッググレーティング１の軸方向に沿って繊維状部材２を配置するだけで構成することができ、容易に作製することができる。すなわち、液晶高分子ポリマを用いて温度補償を行っていた従来のファイバグレーティング型光学素子と異なり、作製工程における配向作業は不要である。

また、このファイバグレーティング型光学素子においては、繊維状部材２の量によって、温度特性の調整が可能である。すなわち、繊維状部材２をなす繊維の本数あるいは断面積を適切に設定するだけで、所望の温度特性を実現することができる。

さらに、繊維状部材２は、いわゆる編み込み加工などの既存の技術を応用することにより、生産性の向上や製品の安定性を確保することができ、容易、かつ、安価に、良好な温度補償がなされるファイバグレーティング型光学素子を作製することが可能である。

図２は、本発明に係る光ファイバグレーティング型光学素子であって、繊維状部材２を光ファイバブラッググレーティング１の周囲に編み込みによって配置した構成を示す側面部、縦断面図及び横断面図である。

この光ファイバグレーティング型光学素子においては、繊維状部材２は、図２に示すように、複数の繊維がいわゆる編み込み加工をなされることによって、円筒状に構成されており、この円筒内に光ファイバブラッググレーティング１を収納している。この繊維状部材２は、繊維が編み込まれていることによって、各繊維を確実に光ファイバブラッググレーティング１の周囲に配置させることができるようになっている。ただし、編み込みによって、繊維状部材２における各繊維の長手方向の向きは、光ファイバブラッググレーティング１の軸に対して斜めになるので、繊維状部材２の収縮によって光ファイバブラッググレーティング１の軸方向に作用する力は、前記図１に示した構成に比較して小さくなる。

そして、繊維状部材２をなす材料としては高分子量ポリエチレンが好ましい。この高分子量ポリエチレンは、負の熱膨張特性を有する繊維状部材の中でも、負の熱膨張係数が大きい。高分子量ポリエチレンは結晶化度を大きくすることで負膨張特性を大きくでき、高分子量ポリエチレンの結晶化度を８５％以上にすることで、繊維方向の膨張係数は約−１０×１０^−６〔１／°Ｃ〕程度と特に大な負膨張特性を有する。この様に、高分子量ポリエチレンは石英系光ファイバからなる光ファイバブラッググレーティング１について温度補償を行うのに十分な特性を有している。

繊維状部材２をこのような高分子量ポリエチレンにより作製した場合、負の熱膨張係数が大きいため、少ない繊維量で十分な温度補償を行うことが可能となり、この繊維状部材２を含めたファイバグレーティング型光学素子の外径を１ｍｍ以下にすることができる。また、高分子量ポリエチレンは、耐衝撃性や耐光性、耐薬品性にも優れることから、繊維状部材２が光ファイバブラッググレーティング１を保護する役割を果たすこともでき、光学素子用途に好適なファイバグレーティング型光学素子を構成することができる。

ここで、高分子量ポリエチレンとしては、例えば、東洋紡績株式会社製の「ダイニーマ」（商標名）を使用することができる。

さらに、繊維状部材２をなす材料としては、ポリパラフェニレンべンゾビスオキサゾール繊維を使用することが好ましい。このポリパラフェニレンべンゾビスオキサゾール繊維も、負の熱膨張係数が−６．０×１０^−６〔１／°Ｃ〕程度と大きく、光ファイバブラッググレーティング１について温度補償を行うに十分な特性を有している。

このポリパラフェニレンべンゾビスオキサゾール繊維は、分解温度が６５０°Ｃ程度と高温であるため、特に高温下で使用するファイバグレーティング型光学素子において使用すると好適である。

ポリパラフェニレンべンゾビスオキサゾール繊維としては、東洋紡績株式会社製の「ザイロン」（商標名）を使用することができる。

この他にも，負膨張特性を有する繊維としてアラミド繊維などが挙げられる。

図３は、本発明に係るファイバグレーティング型光学素子であって、繊維状部材２をなす繊維同士及びこれら繊維と光ファイバブラッググレーティング１との間の空隙を樹脂材料で充填した構成を示す縦断面図、横断面図及び拡大図である。

このファイバグレーティング型光学素子においては、図３に示すように、負の熱膨張特性を有する繊維状部材２をなす各繊維４同士及びこれら繊維４と光ファイバブラッググレーティング１との間の空隙を、樹脂材料５によって充填している。

このように、各繊維４同士及び繊維４と光ファイバブラッググレーティング１との間の空隙を樹脂材料５により充填することにより、温度上昇時における繊維状部材２の収縮を、光ファイバブラッググレーティング１に対して圧縮応力として確実に伝達することが可能となる。

すなわち、樹脂材料５による充填がない場合においては、繊維状部材２が温度上昇によって収縮すると、この繊維状部材２と光ファイバブラッググレーティング１との間の静止摩擦力により、光ファイバブラッググレーティング１に対する応力が生ずる。ここで、繊維状部材２と光ファイバブラッググレーティング１との間の静止摩擦力が十分でない場合には、繊維状部材２が収縮しても、これら繊維状部材２及び光ファイバブラッググレーティング１間の界面において滑りが生じ、光ファイバブラッググレーティング１に対する圧縮応力が十分に得られない場合がある。そして、各繊維４同士及び繊維４と光ファイバブラッググレーティング１との間の空隙を樹脂材料５により充填した場合には、樹脂材料５と繊維４との間及び樹脂材料５と光ファイバブラッググレーティング１との間の静止摩擦力が増大し、圧縮応力が光ファイバブラッググレーティング１に確実に伝えられる。

したがって、樹脂材料５として、繊維４及び光ファイバブラッググレーティング１との間の密着力の高い材料を選ぶことにより、繊維状部材２の収縮、あるいは、膨張によって、繊維状部材２及び光ファイバブラッググレーティング１間の滑りを生じさせることなく、確実に、光ファイバブラッググレーティング１に対する圧縮応力、あるいは、伸長応力を生じさせることができる。

この樹脂材料５としては、熱硬化型樹脂材料、紫外線硬化型樹脂材料、湿度硬化型樹脂材料など、ほとんどの樹脂材料を使用することができる。この樹脂材料５としては、硬化収縮率が小さいものが、硬化時に光ファイバブラッググレーティング１に対して余分な応力が生じさせないために望ましい。この樹脂材料５の硬化収縮率としては、例えば、５％以下であることが望ましい。

そして、この樹脂材料５としては、地中、海底、空中などにおける使用温度範囲（例えば、−２０°Ｃ乃至８０°Ｃ）でのヤング率が、５００ＭＰａ以下である材料が望ましい。樹脂材料５のヤング率が５００ＭＰａ以下であることにより、温度上昇時における繊維状部材２の収縮と樹脂材料５の膨張とによって生じる歪み応力を緩和することができ、光ファイバブラッググレーティング１の特性を安定させることができる。

すなわち、このファイバグレーティング型光学素子においては、温度変化により光ファイバブラッググレーティング１、繊維状部材２及び樹脂材料５が変位して応力が発生した場合について、光ファイバブラッググレーティング１の断面積をＳf、ヤング率をＥf、繊維状部材２をなす繊維の断面積の合計をＳn、ヤング率をＥn、樹脂材料５の断面積合計をＳr、ヤング率をＥrと定義すると、力の釣り合いについて、下記の（式２）が成立する。

ＳfＥfｘf＋ＳnＥnｘn＋ＳrＥrｘr＝０ ・・・・・・・・・・・・（式２）
この（式２）において、ｘf、ｘn及びｘrは、それぞれ光ファイバブラッググレーティング１、繊維状部材２及び樹脂材料５の平衡点からの変位量である。すなわち、光ファイバブラッググレーティング１の変位量ｘfが、光ファイバブラッググレーティング１の温度変化による波長変動を打ち消すように、Ｓf、Ｅf、Ｓn、Ｅn、Ｓr、Ｅrを設計することで、温度補償構造が実現される。

ここで、光ファイバブラッググレーティング１の構造パラメータであるＳf、Ｅfは、使用する光ファイバによって一意に決まる。例えば、石英ガラスからなる直径１２５μｍの光ファイバを用いる場合においては、Ｓf＝１．２３×１０^−２〔ｍｍ^２〕、Ｅf＝７３〔ＧＰａ〕である。

また、繊維状部材２についての定数であるＳn、Ｅnも、使用する繊維状部材２の材料と光ファイバブラッググレーティング１の周囲に配置する繊維の本数によって正確に決めることができる。例えば、「ダイニーマ」（商標名）のヤング率は、そのグレードにもよるが、Ｅn≒１００〔ＧＰａ〕程度であり、面積Ｓnも、断面積のそろった繊維の本数を、例えば、２０００本と決めることにより、一意に決定することができるので、製造上のばらつきはほとんどない。

一方、樹脂材料５の断面積Ｓrは、光ファイバブラッググレーティング１の周囲に充填する樹脂材料の量によって変化してしまうため、製造工程において正確に制御することが困難である。そのため、製造工程における樹脂材料５の断面積Ｓrのばらつきが温度補償特性に与える影響を極力少なくする必要がある。ここで（式２）より、樹脂材料５の断面積Ｓrとヤング率Ｅrとは互いに乗算される関係にあるため、断面積Ｓrのばらつきが変位量ｘrに与える影響を小さくするには、樹脂材料５のヤング率Ｅrを小さくすれば良い。

すなわち、樹脂材料５として、ヤング率Ｅrが極力小さい材料を使用することにより、製造工程上におけるばらつきを抑制することができる。樹脂材料５の断面積Ｓrのばらつきによる温度補償特性ヘの影響がほぼ無視できるようになるヤング率Ｅrのレベルとしては、繊維状部材２及び光ファイバブラッググレーティング１のヤング率の高々１％以下にしておくことが望ましい。

ここで、光ファイバの主材料である石英ガラスのヤング率は７３〔ＧＰａ〕であるので、その１％は７３０〔ＭＰａ〕となる。したがって、樹脂材料５としては、通常使用する温度範囲（例えば、−２０°Ｃ乃至８０°Ｃ）において、約５００〔ＭＰａ〕以下のヤング率を有する材料（例えば、−２０°Ｃにおいて５００〔ＭＰａ〕、８０°Ｃにおいて１０ 〔ＭＰａ〕）を用いることにより、安定した特性が得られる。

さらに、樹脂材料５として、ヤング率が５００〔ＭＰａ〕以下の材料を使用することによって、樹脂材料の硬化時の歪みが光ファイバブラッググレーティング１に与える影響を小さくできる。この場合には、液晶高分子を用いた従来のファイバグレーティング型光学素子において必要であった緩衝層が不要となるので、構造が簡単で安価に作製することができるファイバグレーティング型光学素子を構成することができる。

また、樹脂材料５のヤング率を５００〔ＭＰａ〕以下とすることにより、この樹脂材料５を繊維状部材２及び光ファイバブラッググレーティング１の周囲に配置した後において、このファイバグレーティング型光学素子を曲げることが可能となり、モジュールに組み込む場合などにおいて有利となる。すなわち、樹脂材料５が柔らかい材料からなることにより、ファイバグレーティング型光学素子を曲げても光ファイバブラッググレーティング１に大きな応力が掛かることがなく、特性悪化を招来することがない。

この光ファイバブラッググレーティングを、様々な波長の光を一つの光ファイバ中で伝送する波長多重方式で用いる場合、光ファイバブラッググレーティングの波長変動量は使用温度範囲内において０．１nm以下に抑制する必要がある。これは、波長多重方式の場合、隣り合う波長との間隔が０．４nm程度であるため０．１nm以上波長変動した場合、隣り合う波長に大きな影響を与えてしまうためである。この特性は、式（２）より、繊維と樹脂を周囲に配置した光ファイバグレーティングの特性はそれらの断面積、ヤング率を調整することによって可能となる。

〔実施例１〕
図４は、この実施例において作製したファイバグレーティング型光学素子の構成を示す縦断面図である。

この実施例１においては、光ファイバブラッググレーティング１となる光ファイバとして、コアに約３．５ｗｔ％のＧｅＯ_２が添加され、コア直径が約１０μｍ、コアとクラッドの比屈折率差が０．３５％であるシングルモード光ファイバを用いた。この光ファイバの光感受性を増加させるために、５５°Ｃ、１００気圧の水素雰囲気中に１週間放置し、光ファイバ中心部まで水素を浸透させた。

その後、アルゴンイオンレーザの第二高調波（波長２４４ｎｍ）を用いて、位相マスク法で、反射中心波長１５５０ｎｍの光ファイバブラッググレーティングを作製した。その際、図４に示すように、石英光ファイバの周囲に保護のために被覆されている紫外線硬化型樹脂材料からなる光ファイバ被覆樹脂６は紫外光を透過しないため、部分的に除去し、石英をむき出しにした。石英部をむき出しにした部分は、３ｃｍであり、グレーティング部３の長さは３ｍｍである。

そして、図４に示すように、繊維本数（フィラメント本数）２３００本の繊維状部材（「ダイニーマ」）２を４ｃｍに切断し、光ファイバの石英部の周囲に配置した。使用したポリエチレン繊維は、フィラメント1本が1.2dtexであるため、２３００本では２７６０dtexに相当する。

その後、紫外線硬化型樹脂を繊維状部材２に浸透させ、繊維状部材２の繊維同士間及びこの繊維と光ファイバブラッググレーティング１との間の空隙を樹脂材料５で充填した後、紫外線を照射し、この樹脂材料５を硬化させた。使用した樹脂材料５の室温におけるヤング率は、５０〔ＭＰａ〕である。

このファイバグレーティング型光学素子においては、光ファイバブラッググレーティング１を覆っている光ファイバ被覆樹脂６と、繊維状部材２及び樹脂材料５とが、グレーティング部３の両端側において重なっている。したがって、光ファイバブラッググレーティング１の石英部分がむき出しとなった部分は、繊維状部材２及び樹脂材料５によって保護される。

図５は、実施例１におけるファイバグレーティング型光学素子の反射中心波長の温度依存性を測定した結果を示すグラフである。

このファイバグレーティング型光学素子について、測定温度範囲を−２０°Ｃ乃至８０°Ｃとし、−２０°Ｃでの中心波長を基準として、温度変化による中心波長変動を求めた。その結果は、図５中の黒丸印（●）で示すように、温度上昇に伴って、反射中心波長が僅かに短波長側に変動する特性となった。

図５においては、参考のために、繊維状部材２を周囲に配置しない状態における光ファイバブラッググレーティング１の温度特性を白抜き三角（△）で示している。この場合においては、温度上昇に伴って、反射中心波長が長波長側に変動し、光ファイバブラッググレーティング１の温度変化による波長変動が確認できる。

本発明に係るファイバグレーティング型光学素子においては、温度上昇に伴って反射中心波長が短波長側に変動していることから、温度上昇に伴って繊維状部材２が収縮し、この繊維状部材２に囲まれた光ファイバブラッググレーティング１も収縮し、グレーティング部３による光ファイバグレーティング波長の温度依存性が小さくなっていることが確認された。

すなわち、本発明に係るファイバグレーティング型光学素子においては、単体では−２０°Ｃ乃至８０°Ｃの温度変化により１ｎｍ程度の反射中心波長変動を生ずる光ファイバブラッググレーティング１において、同じ温度範囲における反射中心波長の変動が０．４ｎｍ以下となり、反射中心波長の変動量を半分以下にできることが確認された。

つまり、本発明により、光ファイバブラッググレーティング１の反射中心波長の温度依存性を変化できることが確認できた。

〔実施例２〕
この実施例２においては、光ファイバブラッググレーティング１となる光ファイバとして、コアに約３．５ｗｔ％のＧｅＯ_２が添加され、コア直径が約１０μｍ、コアとクラッドの比屈折率差が０．３５％であるシングルモード光ファイバを用いた。この光ファイバの光感受性を増加させるために、５５°Ｃ、１００気圧の水素雰囲気中に１週間放置し、光ファイバ中心部まで水素を浸透させた。

その後、アルゴンイオンレーザの第二高調波（波長２４４ｎｍ）を用いて、位相マスク法で、反射中心波長１５５０ｎｍの光ファイバブラッググレーティングを作製した。その際、石英光ファイバの周囲に保護のために被覆されている紫外線硬化型樹脂は紫外光を透過しないため、部分的に除去し、石英をむき出しにした。石英部をむき出しにした部分は、３ｃｍであり、グレーティング部３の長さは３ｍｍである。

そして、図４に示すように、繊維本数（フィラメント本数）１９００本つまり２２８０dtexの繊維状部材（「ダイニーマ」）２を４ｃｍに切断し、光ファイバの石英部の周囲に配置した。

その後、紫外線硬化型樹脂を繊維状部材２に浸透させ、繊維状部材２の繊維同士間及びこの繊維と光ファイバブラッググレーティング１との間の空隙を樹脂材料５で充填した後、紫外線を照射し、この樹脂材料５を硬化させた。使用した樹脂材料５の室温におけるヤング率は、５０〔ＭＰａ〕である。

すなわち、この実施例２においては、繊維状部材２をなす繊維本数（フィラメント数）を１９００本つまり２２８０dtexに変更した以外は、実施例１と同じ条件として、ファイバグレーティング型光学素子を作製した。

図６は、実施例２におけるファイバグレーティング型光学素子の反射中心波長の温度依存性を測定した結果を示すグラフである。

このファイバグレーティング型光学素子について、測定温度範囲を−２０°Ｃ乃至８０°Ｃとし、−２０°Ｃでの中心波長を基準として、温度変化による中心波長変動を求めた。その結果は、図６中の黒丸印（●）で示すように、温度上昇に伴って、反射中心波長はほとんど変動しない特性となった。

図６においては、参考のために、繊維状部材２を周囲に配置しない状態における光ファイバブラッググレーティング１の温度特性を白抜き三角（△）で示している。この場合においては、温度上昇に伴って、反射中心波長が長波長側に変動し、光ファイバブラッググレーティング１の温度変化による波長変動が確認できる。

本発明に係るファイバグレーティング型光学素子においては、温度上昇に伴って反射中心波長がほとんど変動していないことから、温度上昇に伴って繊維状部材２が収縮することにより、この繊維状部材２に囲まれた光ファイバブラッググレーティング１の熱膨張が抑制され、グレーティング部３による光ファイバグレーティング波長の温度依存性が小さくなっていることが確認された。

すなわち、本発明に係るファイバグレーティング型光学素子においては、単体では−２０°Ｃ乃至８０°Ｃの温度変化により１ｎｍ程度の反射中心波長変動を生ずる光ファイバブラッググレーティング１において、同じ温度範囲における反射中心波長の変動が約０．１ｎｍ以下となり、反射中心波長の変動量を極めて少なくできることが確認された。これにより、波長多重通信に使用することが可能となる。

つまり、本発明により、光ファイバブラッググレーティング１の反射中心波長の温度依存性を補償できることが確認できた。特に、この実施例２においては、実施例１と比べても、より高精度に温度補償が実現できることが確認された。

また、これら実施例１及び実施例２より、光ファイバブラッググレーティング１の周囲に配置する繊維状部材２をなす繊維の本数（フィラメント数）つまり断面積を調整することにより、光ファイバブラッググレーティング１の温度特性を調整できることが確認された。

本発明のファイバグレーティング型光学素子は、光通信において外部共振器や分散補償器、合分波器などとして使用される。

本発明に係るファイバグレーティング型光学素子の構成を示す縦断面図及び横断面図である。 上記光ファイバグレーティング型光学素子であって、繊維状部材を光ファイバブラッググレーティングの周囲に編み込みによって配置した構成を示す側面部、縦断面図及び横断面図である。 上記ファイバグレーティング型光学素子であって、繊維状部材をなす繊維同士及びこれら繊維と光ファイバブラッググレーティングとの間の空隙を樹脂材料で充填した構成を示す縦断面図、横断面図及び拡大図である。 実施例１において作製したファイバグレーティング型光学素子の構成を示す縦断面図である。 実施例１におけるファイバグレーティング型光学素子の反射中心波長の温度依存性を測定した結果を示すグラフである。 実施例２におけるファイバグレーティング型光学素子の反射中心波長の温度依存性を測定した結果を示すグラフである。

符号の説明

１ 光ファイバブラッググレーティング
２ 繊維状部材
３ グレーティング部
４ 繊維
５ 樹脂材料
６ 光ファイバ被覆樹脂

Claims (5)

1. 周期的に屈折率が変化するグレーティング構造を有する光ファイバブラッググレーティングと、
   前記光ファイバブラッググレーティングの周囲に一定の厚さで配置され、かつその長手方向に負の熱膨張特性を有する繊維を備えた繊維状部材と、
   前記繊維状部材をなす前記繊維同士間、及び、前記繊維と前記光ファイバブラッググレーティングとの間の各空隙を充填する樹脂材料とを有し、
   前記樹脂材料は、使用温度範囲におけるヤング率が５００ＭＰａ以下の材料であって、当該ファイバグレーティング型光学素子を曲げることが可能なような材料とし、前記光ファイバブラッググレーティングは、石英の光ファイバ部材で形成されていることを特徴とするファイバグレーティング型光学素子。
2. 前記繊維の長手方向の線膨張係数は、
   −６．０×１０^−６乃至−１５．０×１０^−６〔１／°Ｃ〕
   であることを特徴とする請求項１記載のファイバグレーティング型光学素子。
3. 前記繊維状部材は、高分子量ポリエチレンからなることを特徴とする請求項２記載のファイバグレーティング型光学素子。
4. 前記繊維状部材は、ポリパラフェニレンべンゾビスオキサゾール繊維であることを特徴とする請求項２記載のファイバグレーティング型光学素子。
5. ファイバグレーティング型光学素子の温度変化による波長変動が、使用温度範囲内において０．１ｎｍ以下となるように、当該光学素子のグレーティング部横断面の光ファイバ、繊維、樹脂のヤング率および断面積が設定されていることを特徴とする請求項１に記載のファイバグレーティング型光学素子。

Images