JP5283200B2

JP5283200B2 - 単一透過線スペクトルを有する光ファイバ型フィルタ

Info

Publication number: JP5283200B2
Application number: JP2011074357A
Authority: JP
Inventors: 安一佐野; 昌樹小林
Original assignee: Institute of National Colleges of Technologies Japan
Current assignee: Institute of National Colleges of Technologies Japan
Priority date: 2011-03-30
Filing date: 2011-03-30
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2031-03-30
Also published as: JP2012208343A

Description

本発明は、光波長多重通信システムで使用される光フィルタに関する。

大容量光ファイバ通信のため光波長多重通信システムは重要な技術である。そのためには狭帯域光フィルタがキーハードとなる。現在までのところ代表的なフィルタは光ファイバブラッググレーティング（以下ＦＢＧと記す。非特許文献１）あるいはアレイ導波路格子（非特許文献２）などがその代表的なものである。また光ファイバブラッググレーティングを２つ用いた光ファイバファブリペロー干渉素子と光ファイバブラッググレーティングと光ファイバサーキュレータで構成された光回路素子（非特許文献３）がある。

特開２００７−１２１４２０号公報

Raman Kashyap, "Fiber Bragg Gratings", Academic Press ,1998 K.Takada, M. Abe, T. Shibata, M. Ishii, Y. Inoue, H. Yamada, Y. Hibino, and K. Okamato, "10 GHz-spaced 1010-channel AWG filter achieved by tandem connection of primary and secondary AWGs" 森、葛西、吉田、中沢、30dBのサイドローブ抑圧比を有する0.4GHz超狭帯域FBG光フィルタ、2009年電子情報通信学会総合大会 Erdogan "Fiber Grating Spectra," Journal of Lightwave Technology,Vol15, pp,1277~1294,1997 Yuri O.Barmenkov, "Effective length of short Fabry-Perot cavity formed by uniform fiber Bragg gratings," OPTICS EXPRESS,Vol.14,No.14, pp.6394~6399, 2006 Y. Sano and T. Yoshino, "Effect of Light Source Spectral Modulation on Wavelength Interrogation in Fiber Grating Sensors and Its Reduction," IEEE Sensors J.., vol. 3. pp. 44049 2003

光ファイバ通信で使用される波長帯域は光ファイバの光損失が最も少ないＣバンドと呼ばれる１５５０ｎｍ波長帯域が一般的である。光波長多重通信のこの波長帯域ではＦＢＧのスペクトルの帯域は狭いものでも１８．７ＧＨｚ(波長で約１５０ｐｍ相当)程度の半値全幅である。このため例えば１８７０ＧＨｚ（波長で約１５ｎｍ相当）の帯域幅で光波長多重通信を行なう場合その回線数は１００（＝１８７０ＧＨｚ／１８７ＧＨｚ）となる。またアレイ導波路格子の場合その帯域は狭いもので約１０ＧＨｚ程度であるので回線数はほぼ１８７（＝１８７０ＧＨｚ／１０ＧＨｚ）となる。更に非特許文献３の光ファイバブラッググレーテフィングを２つ用いた光ファイバファブリペロー干渉素子と光ファイバブラッググレーフィングと光ファイバサーキュレータで構成された光回路素子では０．４ＧＨｚの帯域が実験的に示されており、その回線数４６７５（＝１８７０ＧＨｚ／０．４ＧＨｚ）の可能性がある。このように光波長多重通信はその回線数が重要なアイテムになっている。

回線数は非特許文献３により大幅に向上できる可能性が示されている。しかしその構成は図１に示すように３つの光ファイバブラッググレーティングと１つの光サーキュレータが必要となる。そのためコスト高、あるいはサイズが大きくなるなどの欠点があった。

上記の光ファイバブラッググレーティングを２つ用いた光ファイバファブリペロー干渉素子と光ファイバブラッググレーティングと光ファイバサーキュレータで構成された光回路素子は、従来技術の中で、最高レベルの回線数を実現できる光フィルタである。本発明の目的は、この回路素子と同等の回線数を提供できかつ小型・低コストな超狭帯域光フィルタを提供することを目的とする。

本発明の超狭帯域光フィルタは光ファイバブラッググレーティングと光ファイバ端面に構成されたハーフミラーから構成する。

この構成の本発明（以下ＦＷＭＩと記す）では、光ファイバブラッググレーティングと光ファイバ端面に構成されたハーフミラーからファブリペロー干渉素子が形成され、このファブリペロー干渉素子の超狭帯域の櫛形フィルタ特性から光ファイバブラッググレーティングで選択される単一の透過線スペクトルを得ることができる。このように本発明は１つの光ファイバブラッググレーティングと光ファイバ端面に構成したハーフミラーの２つの要素からのみ構成されるので、従来のものより部品点数が少なく小型・低コストな超狭帯域光フィルタを実現できる。

この構成の本発明では、光ファイバブラッググレーティングは第一の光ファイバコネクタのプラグを構成するフェルール内に配置形成される構成が好ましい。

前記光ファイバ端面のハーフミラーは第二の光ファイバコネクタのプラグを構成するフェルール内のファイバ端面に配置形成される構成が好ましい。

これらの第一の光ファイバコネクタのプラグと第二の光ファイバコネクタのプラグはこれらを接続する光ファイバコネクタのアダプタにより接続される構成が望ましい。

この構成の本発明では、光ファイバ接続のための光コネクタ構造をベースに光ファイバブラッググレーティングと例えば多層誘電体薄膜ハーフミラーから成り立っており、高い製作技術はなくても１本の透過線スペクトルを得る事が出来る特徴がある。

また光ファイバブラッググレーティングとハーフミラーの間隔は光ファイバコネクタのバネ構造により一定に保つことができるので安定なフィルタリング特性を持つ超狭帯域光フィルタを実現できる特徴がある。

本発明の第１実施形態にかかる超狭帯域光フィルタの概略構成図。本発明の動作を説明するための図。シミュレーションにより求めたＦＷＭＩの透過特性例を示すグラフ。ＦＷＭＩの実測特性を示すグラフ。測定範囲を広げて観測したＦＷＭＩの実測特性を示すグラフ。第１実施形態の光ファイバブラッググレーティングのフェルール内部にもつ光ファイバコネクタプラグの１例を示す部分断面図。第１実施形態の誘電体多層膜ミラー(広帯域ミラー)をフェルール端面にもつ光ファイバコネクタプラグの１例を示す部分断面図。図６記載の光コネクタプラグと図７記載の光コネクタプラグを接続するための光コネクタアダプタの１例を示す部分断面図及び平面図。同図（ｃ）は第２の実施例、同図（ａ）,（ｂ）は第２の実施例実現のための方法を示す図。広帯域ミラーの反射スペクトル例を示すグラフ。

本発明の理論を図１及び図２を用いて説明する。本発明のＦＷＭＩは図１に示すように、光ファイバを介して光ファイバブラッググレーティング（以下、ＦＢＧと記す。）と広帯域ハーフミラー(以下ＷＭと記す)をある間隔をあけて配置し構成される。図２に動作を示す。なお、以下に括弧付で引用する光の符号は図２において丸付数字で示してある。ＦＢＧを透過してきた光［１］はＷＭによってほとんどが反射される。反射した光［２］のうちＦＢＧの反射帯域内の波長の光［３］はＦＢＧによって反射され、ＦＢＧの反射帯域外の波長の光［４］はＦＢＧを透過する。

よって原理的にはＦＢＧの反射帯域の波長の光のみＦＢＧ−ＷＭ間を往復し、ＦＢＧ−ＷＭ間の距離Ｌ_ｇが波長の整数倍となっていればその波長の光は安定した定在波として存在し、強い透過光［５］として現れる。

つまり、ＷＭの特性によりほとんどの光を遮断し、ＦＢＧの特性によって特定波長帯域の光のみをループさせることで単一スペクトルを得ることが可能となる。

なお、正しくは、ＦＢＧで光が反射する際、実効的な反射位置はＦＢＧ端より若干内側に入り込んだ位置になるため後述するその分の距離Ｌ_ｅを考慮する必要がある。換言すれば正しくはＦＢＧ−ＷＭ間の距離Ｌ_ｇと距離Ｌ_ｅの和（Ｌ_ｇ＋Ｌ_ｅ）が波長の整数倍となっていればその波長の光は安定した定在波として存在し強い透過光［５］として現れる。

ＦＢＧの反射率Ｒ（λ）は非特許文献４によれば結合波方程式を解いて以下の数式１で与えられる。

ここで、以下の数式２、数式３及び数式４が成立するものとする。

ただし、Λはグレーティングピッチ、ｎ_ｅは実効屈折率、Δｎ_ｅは屈折率変調度、Ｌ_ｂはＦＢＧの長さ、λは波長である。この場合、上記反射率Ｒ（λ）の近似値であるＲ_ｂ（λ）は非特許文献６によれば次の数式５により示される。ここで、δλ_ｂ及びＲ_ｍａｘは定数であってそれぞれＦＢＧの半値全幅及び最大反射率である。

また、ＦＢＧの反射中心波長及びＦＢＧの帯域幅ＢＷは非特許文献４によれば以下の数式６及び数式７で示される。

ＦＢＧ側から光を入射させても誘電体多層膜ハーフミラー側から光を入射させても、ＦＷＭＩの理論的透過率Ｔ（λ）は誘電体多層膜ハーフミラーの反射率を定数Ｒ_ｍとすれば非特許文献５から、いずれの側から光を入射させかはフィルタ特性には無関係であって、以下の数式８で求められる。

但し、Ｌ_ｅはＦＢＧにおける実効的な反射位置を表すもので、非特許文献５によれば以下の数式９で示される。

ＦＷＭＩのフリースペクトルレンジＦＳＲは数式８から以下の数式１０で示される。ここでＦＷＭＩは櫛形帯域通過フィルタでありそれぞれのピークを与える周波数λ_ｐはやはり数式８式からｍを自然数として以下の数式１１で表される。

一方いわゆるファブリペロー干渉素子は超狭帯域の櫛形フィルタ特性を示す。本発明ではこの櫛形フィルタ特性から光ファイバブラッググレーティングで選択される単一の透過線スペクトルを得る。このためには次の２つの条件が必要である。第一の条件はファブリペロー干渉素子の超狭帯域の櫛形フィルタ特性としてのフリースペクトルレンジの倍がＦＢＧのバンド幅より広くなければならない。このため以下の数式１２を満たす必要がある。

次に第二の条件は安定して単一の透過線スペクトルを得るために、ＦＢＧの数式６で表される反中心波長λ_ｂを数式１１で表されるＦＷＭＩの波長λ_ｐに等しくする。この条件は数式９を使って以下の数式１３となる。数式８において数式１２、数式１３の条件が満たされればＦＷＭＩとして１本の線スペクトルを得ることができる。なお数式１２、数式１３が室温で成立する様に設計しＦＷＭＩの温度を一定にするための制御を加えれば周囲の環境温度が変化しても常に１本の線スペクトルが得られることは明らかである。またその中心波長は上述のようにλ_ｂ＝λ_ｐであって、この値も数式６及び数式１１から分かるようにＦＷＭＩの温度制御により安定に保つことができることは言うまでもない。以上がこの発明の理論である。

本発明のポイントは、広帯域ミラーＷＭの反射帯域が光ファイバブラッググレーティングＦＢＧの反射帯域を含みそれよりも広いことである。また、ＦＢＧの反射帯域内に実効的な共振器長（Ｌ_Ｃ＋Ｌ_ｅ）により生ずる櫛形フィルタ特性の線スペクトルが１つ含まれることである。

次に具体的な試作品のデータを示す。数式１および数式８を用いて数値計算により求めたＦＷＭＩの透過スペクトル特性例を図３に示す。計算諸元は以下の通りである。ＦＢＧと誘電体多層膜ミラーとの間隔Ｌ_Ｃ＝１ｍｍ、誘電体多層膜の１５５０ｎｍにおける反射率は０．９７、ＦＢＧの屈折率変調度Δｎ_ｅは０．０００７は１導波モードに対する実効屈折率ｎ_ｅは１．４５、ＦＢＧの長さは２ｍｍ、グレーティング周期は５３５ｎｍである。縦軸はＦＷＭＩの透過率(黒い実線)とＦＢＧの透過率（グレーの実線）である。計算結果は半値全幅が８．０ｐｍであり最大透過率は波長が１５５１．３９７ｎｍのときに生じその値は９０．１％であった。

試作したＦＷＭＩの実測特性を図４及び図５に示す。使用したＦＢＧ及び誘電体多層膜の実測諸元は以下のとおりである。ＦＢＧの反射中心波長は１５５１．５ｎｍ、半値全幅は８００ｎｍ、最大反射率は９８％、ＦＢＧの長さは２ｍｍである。誘電体多層膜ハーフミラーの反射率、透過率は、１５５０ｎｍにおいてそれぞれ９５．３％、１．１％であるＦＢＧとミラーの間の距離は１ｍｍである。図４は測定範囲を狭めてＦＷＭＩの透過率を示しており、図５は測定範囲を広げて観測したものであり広帯域にわたって１本の線スペクトルが得られていることが分かる。なお図４から実測値で、半値全幅は１６ｐｍであった。図４から透過中心波長及び反射域における透過率の比は２２ｄＢであることが分かる。以上のことから理論、実験とも広帯域な波長範囲にわたって単一の透過線スペクトルが得られていることが分かる。

次に、本発明の第１実施形態を図６、図７、図８を使用して示す。図６は光コネクタのプラグを示す。このプラグのフェルール内に納める光ファイバには光ファイバブラッググレーティングＦＢＧが描画される。これは特許文献１に示されているように実現が可能である。

更に図７は先端に多層誘電体薄膜ミラー（広帯域ミラーＷＭ）を構成した光ファイバをフェルール内に挿入しその先端はフェルールの先端と同一面になるように位置合わせを行う。これは例えば本社神奈川県厚木市恩名５の１の１のアンリツ株式会社の「ファイバアダプタＭＡ９０１３Ａ」と同様な方式で実現することができる（アンリツ株式会社２００８年和文総合カタログＪ−Ａ−１−（１．００）７０Ｍの１３４ページ参照）。また光ファイバの先端に多層誘電体薄膜ハーフミラー（広帯域ハーフミラーＷＭ）を構成する方法は埼玉県ふじみ野市上福岡２の７の８のレーサーモ株式会社の「Ｐ−００５０−１ＮＣ」と同様な方法で実現することができる。なお該ファイバとフェルールはフェルール内孔と接着剤で固定可能である。また特に図示はしていないが通常のファイバ付き光コネクタいわゆるパッチコードを使用した方法もある。すなわちこの場合パッチコードの完成品では光ファイバの端面がフェルールの端面と同一面上になっている構成であるが、その同一面上を誘電体多層膜ミラーの蒸着などにより覆う方法であってもよい。なおこの誘電体多層膜ミラー面はシングルモード光ファイバのコア軸に垂直に形成されていることが重要である。またＦＢＧもシングルモード光ファイバ内に構成されておりそのグレーティング面はこの多層膜誘電体ミラーと同様、シングルモード光ファイバのＦＢＧ端面がシングルモードファイバのコア軸に垂直に構成されていることも重要である。これらがシングルモード光ファイバのコア軸に垂直になっていて初めてＦＢＧと誘電体多層膜ミラー間で多波干渉が生じ共振特性が生じ、これが線スペクトル発生につながるからである。

以上のようにして作成した第一のＦＢＧを内蔵した光ファイバプラグと、第二のフェルール端面に広帯域ミラーを配置した光ファイバプラグを、図８に示す光ファイバアダプタで接続することができる。この接続により図１あるいは図２に示す光回路が構成されこの回路の透過率は数式８で表されることになる。この光ファイバプラグとアダプタは光ファイバ通信でよく用いられるものでありＦＣ型コネクタでもよい。ＦＣ型コネクタの場合、上記アダプタによるプラグ間の結合による光ファイバ同士の接続をより安定なものにするためのバネ構造はＪＩＳＣ５９７０で詳細に記載されている。ＳＣ型コネクタであればＪＩＳＣ５９７３で詳細に記載されている。なお広帯域ミラーは上述の誘電体多層膜ミラーでもよいことは言うまでもない。図１０は誘電体多層膜ミラーが広帯域ミラーであることを示すために示した誘電体多層膜ミラーの反射スペクトル例である。

本発明の第２の実施例を図９（ｃ）に示す。図９（ａ）に示すようにまず第１の実施例の場合と同様にして光ファイバ素線２の端面に多層膜フィルタを形成する。次にこれを同図（ｂ）に示すようにファイバ固定具ＨＬで把持し固定する。そしてフェーズマスクＰＭを用いて前記多層膜フィルタから距離Ｌ_ｃだけ離れた位置にＦＢＧを例えばアルゴンレーザＣＨＬを光源として光ファイバ素線２に描画する。この際図示はしていないが距離Ｌ_ｃを得るために例えば光学ステージでフェーズマスクＰＭを同図の破線矢印のように微調整できるようにしておく。その後、端面に形成された多層膜ミラーとそこから距離Ｌ_ｃ離れた位置に描画されたＦＢＧを持つ光ファイバ素線２をファイバ固定具ＨＬから外し、これを例えばＦＣ型光コネクタプラグに挿入し同図（ｃ）に示す様な構造にする。ここで挿入した光ファイバはフェルール内部で、接着剤で固定される。もちろん多層膜ミラーが構成されている端面は実施例１と同様にフェルール端面と同一面になるように構成される。この（ｃ）に示す構造は光ファイバプラグ内蔵型の「単一透過線スペクトルを有する光ファイバ型フィルタ」となる。これを例えば図８に示す光ファイバアダプタを介して別のＦＣ型光コネクタプラグ（一般のＦＣ型光コネクタプラグで、端面に多層膜ミラーもなくＦＢＧも内部に構成されていないものとする）に接続すればインライン型で「単一透過線スペクトルを有する光ファイバ型フィルタ」を使用することができる。

以上述べた第２の実施例では距離Ｌ_Ｃが、一定のバネ圧力で距離Ｌ_Ｃを決定する実施例１の場合よりはリジッドであるためより安定したフィルタ特性が得られる。更に例えば受光用フォトダイオードを内蔵した光ファイバコネクタアダプタに直接接続して使用することも可能である。なお広帯域ミラーは多層膜フィルタであっても良いし、アルミ蒸着ミラーであっても良い。

尚、本発明の装置は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明からなる「単一透過線スペクトルを有する光ファイバ型フィルタ」は、上述の超高波長多重大容量光通信のためのシステムのキーハードとして応用できることはもちろんである。また光ファイバを用いた光ファイバセンサの高精度化にも利用の可能性がある。

１フェルール２光ファイバ素線
３プラグ本体４カシメリング
５ブーツ６光ファイバコード
ＦＢＧ光ファイバグレーティングＷＭ広帯域ミラー
ＰＭフェーズマスクＣＨＬアルゴンレーザ光
ＨＬファイバ固定具ＣＬファイバクラッド

Claims

第一の光ファイバ内に描画された光ファイバブラッググレーティングと、第二の光ファイバの端面に構成された広帯域ミラー、及びこれらを接続するための接続用部品を有することを特徴とした光ファイバ型フィルタ。
請求項１に記載された光ファイバ型フィルタにおいて、前記光ファイバブラッググレーティングは前記第一の光ファイバの片端に構成された光コネクタのフェルール内の位置に構成され、かつ前記広帯域ミラーは前記第二の光ファイバの片端に構成された光コネクタフェルール端面の位置に構成されたことを特徴とする光ファイバ型フィルタ。
光ファイバ内に描画された光ファイバブラッググレーテフィングと該光ファイバの端面に構成された広帯域ミラーとを有する光ファイバ型フィルタ。
請求項１から請求項３において前記広帯域ミラーは多層膜フィルタであることを特徴とした光ファイバ型フィルタ。
請求項１から請求項３において前記広帯域ミラーはアルミ蒸着ミラーであることを特徴とした光ファイバ型フィルタ。