JP5933165B2 - Optical delay line and manufacturing method thereof - Google Patents

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本発明は光遅延線に関し、より詳しくは光信号の基底モードが比較的低損失で遅延線に沿って伝播可能な寸法の微小ファイバコイルからなる光遅延線に関する。   The present invention relates to an optical delay line, and more particularly to an optical delay line composed of a microfiber coil having a size in which a fundamental mode of an optical signal can propagate along the delay line with relatively low loss.

本出願は、2009年2月19日に出願された米国仮出願第61/153,722号、および2009年3月2日に出願された第61/156,565号に基づき、その利益を主張するものであり、ここに引用として組み込まれる。   This application claims its benefit based on US Provisional Application No. 61 / 153,722, filed on Feb. 19, 2009, and 61 / 156,565, filed on Mar. 2, 2009. Which is incorporated herein by reference.

光遅延線、あるいは緩衝装置は、通信およびコンピュータ利用などの用途における光信号処理のために将来の光回路のキーとなる要素である。従来、光遅延線は一つ以上の光ファイバ部からなり、その場合、ファイバの長さが伝播する信号に導入される遅延を決定していた。例えば、約20メータ(m)の長さの標準的な光ファイバは光パルスに100ナノ秒(ns)の遅延をもたらす。この形式の遅延装置をコンパクトな容器に納めるために、20mのファイバは比較的小さな容器に合うようにコイルにされる。ある意味で、容器の根本的な寸法は光ファイバの曲げ損失によって制限され、それはコイルの半径の減少に伴い増加する。例えば、20m長のファイバに対して、曲げ損失の影響を最小にするために数立方センチメータの寸法である箱型の容器が必要とされる。光部品を小型化するための弛まぬ努力に対して、これらの寸法は問題となる。   The optical delay line or buffer is a key element of future optical circuits for optical signal processing in applications such as communications and computer use. Conventionally, an optical delay line consists of one or more optical fiber sections, in which case the length of the fiber determines the delay introduced into the propagated signal. For example, a standard optical fiber approximately 20 meters (m) long provides a 100 nanosecond (ns) delay in the light pulse. In order to fit this type of delay device in a compact container, the 20 m fiber is coiled to fit a relatively small container. In a sense, the underlying dimensions of the container are limited by optical fiber bending loss, which increases with decreasing coil radius. For example, for a 20 meter long fiber, a box-shaped container that is several cubic centimeters in size is required to minimize the effects of bending loss. These dimensions are a problem for the unremitting efforts to miniaturize optical components.

ファイバベースの遅延線とは対照的に、微小球、あるいは微小環型共振器などの集積型光部品が、数十ミクロンから数ミリメータの範囲の部品サイズで同じ程度の遅延量(つまり、数百ナノ秒)をもたらすとして実証されている。導入される遅延量は所望の範囲に収まるが、この微小共振器の遅延の時間/帯域幅についての製品の制約が対応する帯域幅を約1MHzのパルスだけに限定する(つまり、数100nsの遅延、およびわずか0.00001ナノメータ(nm))。これら微小構造の共振器が商業システム用の現実的な光緩衝装置として考慮されるためにはこの帯域幅はあまりにも小さい。 In contrast to the delay line fiber-based, microspheres, or integrated optical components such as micro-ring resonator is, the delay amount of the same extent in the component size in the range of a few millimeters from a few tens of microns (i.e. hundreds Nanosecond). Although the amount of delay introduced by the within a desired range, the product of constraints on time / bandwidth of the delay of the microresonator is limited to a pulse of about 1MHz the corresponding bandwidth (i.e., the number 100ns delay , And only 0.00001 nanometers (nm)). This bandwidth is too small for these microstructured resonators to be considered as a realistic optical buffer for commercial systems.

したがって、既知の微小共振装置よりもより大きな帯域幅を有しながら、しかし損失あるいは信頼性問題を引き起こすことなく従来型のファイバ遅延線よりもより小型である光遅延要素に対する必要性がいまだに残っている。 Thus, while having a larger bandwidth than known microresonator device, but the loss or the need for an optical delay element is smaller than the conventional fiber delay lines without causing reliability problems still remaining Yes.

通信およびコンピュータ利用などの用途において光信号処理のために光回路のキーとなる要素の光遅延線、あるいは緩衝装置のひとつの方式である、光ファイバによる遅延装置は、100ナノ秒(ns)の遅延をもたらすために20mのファイバを必要とし、これをコンパクトな容器に納めるには曲げ損失の影響を最小にするために数立方センチメータの箱型の容器が必要であるが、光部品を小型化するためにはこれらの寸法は問題となる。他の方式である微小球、あるいは微小環型共振器などの集積型光部品は、数十ミクロンから数ミリメータの範囲の部品サイズで同じ程度の遅延量(つまり、数百ナノ秒)をもたらすが、この微小共振器の遅延が対応する帯域幅は約1MHzであり、商業システム用の光緩衝装置としてはあまりにも小さい。したがって、既知の微小共振装置よりもより大きな帯域幅を有しながら、損失あるいは信頼性問題を引き起こすことなく従来型の光ファイバ遅延線よりもより小型である光遅延要素に対する必要性がいまだに残っている。 The optical fiber delay device, which is one of the optical delay lines as a key element of an optical circuit for optical signal processing in applications such as communication and computer use, or a buffer device, is 100 nanoseconds (ns). A 20m fiber is required to introduce the delay, and a container of several cubic centimeters is required to minimize the effects of bending loss in order to put this in a compact container. These dimensions become a problem in order to make it easier. Microspheres is another method, or integrated optical components such as micro-ring resonator, the delay amount of the same extent in the component size in the range of a few millimeters from a few tens of microns (i.e., a few hundred nanoseconds) leads to a , bandwidth delay the microresonator corresponding is about 1 MHz, too small a light shock absorber for commercial systems. Thus, while having a larger bandwidth than known microresonator device, loss or still remains a need for an optical delay element is smaller than the conventional optical fiber delay lines without causing reliability problems Yes.

本発明は光ファイバ(多くの場合、微小ファイバ)のコイルから形成される光遅延線に関し、その場合において、光ファイバの直径は伝播する信号の波長より大きく、かつコイルの半径は、光ファイバの直径を考慮して、コイルの隣り合う巻きの間の結合を最小にすることによって伝播損失を限定するように選択される。 (Often micro fiber) A fiber relates to an optical delay line formed from coils, in which case, the diameter of the optical fiber is larger than the wavelength of signals propagating, and the radius of the coil, the optical fiber Considering the diameter, it is chosen to limit the propagation loss by minimizing the coupling between adjacent turns of the coil.

一実施例において、光遅延線は、半径Rを有する中心部コア棒に巻かれる半径r(2r>λ、ここでλは伝播する光信号の波長である)の光ファイバを含む。中心部のコア棒はコイルが形成されれば取り除かれてもよい。ファイバは隣り合う巻きの間に間隔を入れて、あるいは入れずに巻かれて、ファイバの直径と波長との間の寸法の差が一つの巻きに沿って伝播するモードが隣り合う巻きに結合することを抑制する。中心部の棒とコイルとの間の境界面におけるモードの強度は光ファイバの半径が以下の条件を満足する時に最小となることが見出されている。

Figure 0005933165
ここで β=(2πn)/λ、nは光ファイバの屈折率、λは伝播する光信号の波長である。 In one embodiment, the optical delay line includes an optical fiber of radius r (2r> λ, where λ is the wavelength of the propagating optical signal) wound around a central core rod having a radius R. The core rod at the center may be removed if a coil is formed. The fiber is wound with or without spacing between adjacent turns, and the mode in which the dimensional difference between the fiber diameter and wavelength propagates along one turn is coupled to the adjacent turns. To suppress that. It has been found that the intensity of the mode at the interface between the central rod and coil is minimized when the radius of the optical fiber satisfies the following conditions:
Figure 0005933165
Here, β = (2πn) / λ, n is the refractive index of the optical fiber, and λ is the wavelength of the propagating optical signal.

本発明の実施例は、従来の光ファイバ遅延線(広帯域で低損失)の利点を光微小共振器(コンパクトで低損失)の利点とを結びつける装置に関する。同時に、本発明の装置は従来技術による遅延要素の形式の欠点である、光ファイバ遅延線の望ましくない大きなサイズ、あるいは光微小共振器の不必要に狭い帯域幅のいずれをも示さない。典型的な一実施例において、それぞれ約5μmから約100μmの範囲の直径(2r)を有するシリカの微小ファイバが約100μmから約10mmの範囲の直径(2R)を有する棒に巻きつけられる。ファイバコイル製造の後、巻きつけ処理によって導入される可能性のある歪が熱処理によって緩和される。また、上に述べられたように、望むのであればコイルが形成されてから中心部のコア棒が取り除かれてもよい。 Examples of the present invention relates to a device for linking the advantages of a conventional optical fiber delay line benefits optical microresonator of (low-loss wide-band) (low loss compact). At the same time, the apparatus of the present invention is a drawback in the form of a delay element according to the prior art, it does not exhibit any of unnecessarily narrow bandwidth of large size or the optical microresonator, undesirable optical fiber delay line. In one exemplary embodiment, silica microfibers , each having a diameter (2r) in the range of about 5 μm to about 100 μm, are wound around a rod having a diameter (2R) in the range of about 100 μm to about 10 mm. After fiber coil manufacture, strain that may be introduced by the winding process is relaxed by heat treatment. Also, as described above, if desired, the core core rod may be removed after the coil is formed.

本発明の低損失光ファイバコイル遅延線は、光姿勢制御装置、増幅器、センサ、および類似のものなど多くの用途で使用できる。本発明の要素の比較的小さなサイズで堅牢な特徴は光回路ベースの装置に関連する用途を可能にする。実際、本発明は光信号経路に加える、あるいはそれから切り離すための切替器によって制御されるいろいろな光ファイバコイルを有する整調可能な光遅延線として構成されてよい。   The low loss fiber optic coil delay line of the present invention can be used in many applications such as optical attitude control devices, amplifiers, sensors, and the like. The relatively small size and robust characteristics of the elements of the present invention enable applications associated with optical circuit based devices. Indeed, the present invention may be configured as a tunable optical delay line having various optical fiber coils that are controlled by a switch to add to or disconnect from the optical signal path.

本発明の微小ファイバコイル遅延要素のその他、および更なる特性、および用途が以下の一連の議論の間に、かつ付属する図面の参照によって明らかとなろう。 Other and further properties and applications of the microfiber coil delay element of the present invention will become apparent during the following series of discussions and by reference to the accompanying drawings.

本発明によって形成される典型的な光ファイバコイル遅延線を示す図である。FIG. 2 illustrates an exemplary fiber optic coil delay line formed in accordance with the present invention. 本発明による光ファイバコイル遅延線の3組の隣接する巻きT−1、T−2、およびT−3の典型的なモードフィールド強度を示す図である。FIG. 3 illustrates exemplary mode field strengths of three sets of adjacent turns T-1, T-2, and T-3 of a fiber optic coil delay line according to the present invention. 長さ、および半径方向の座標を有する測地線を用いて表した中心部コア棒の半径Rと微小ファイバの半径rのと間の関係を示す図表である。It is a graph which shows the relationship between the radius R of the center part core stick | rod expressed using the geodesic curve which has a length and the coordinate of a radial direction, and the radius r of a microfiber . 本発明の微小ファイバの実施例についてモードフィールド強度へのコア半径の影響を示し、図4(a)は微小ファイバの中心部の近くに配されるモードフィールドを有する従来技術による構成を示し、図4(b)は本発明の実施例を示す。図4(a)に示されるものと同じ微小ファイバの半径を用いているが、隣接する巻きへの結合が起こり得る領域からモードフィールド強度をずらすために十分な小さい曲げ半径Rを満たしている。FIG. 4A shows the influence of the core radius on the mode field strength for the microfiber embodiment of the present invention, and FIG. 4A shows a configuration according to the prior art having a mode field arranged near the center of the microfiber . 4 (b) shows an embodiment of the present invention. The same microfiber radius as shown in FIG. 4 (a) is used, but with a small bending radius R sufficient to deviate the mode field intensity from the region where coupling to adjacent turns can occur. 本発明の二つの更なる微小ファイバの実施例に対するrおよびRの間の関係を図解する。図5(a)の図は値r=2.5μm、R=50μmに関連し、図5(b)の図は値r=12μm、R=5000μmに関連する。Figure 3 illustrates the relationship between r and R for two further microfiber embodiments of the present invention. The diagram in FIG. 5A relates to values r = 2.5 μm and R = 50 μm, and the diagram in FIG. 5B relates to values r = 12 μm and R = 5000 μm. システム構成に接続、あるいは切り離される複数の分離した微小ファイバコイルからなり、整調可能な構成における本発明の光微小ファイバコイルの典型的な利用を図解する。Connected to the system configuration or a plurality of discrete fine fibers coils disconnected, it illustrates a typical use of the optical micro fiber coil of the present invention in a tunable configuration. 本発明による整調可能な光微小ファイバコイル遅延線の他の実施例を示し、この実施例においては連続したコイルの別々の部分がシステムに接続、あるいは切り離される。Figure 6 illustrates another embodiment of a tunable optical microfiber coil delay line according to the present invention, in which separate portions of a continuous coil are connected to or disconnected from the system.

図1は本発明により形成される典型的な光微小ファイバ遅延線10を図解する。遅延線10は中心部のコア棒14の周囲に巻かれた光微小ファイバ部分12からなる。本発明の目的に対して、「光微小ファイバ」(以下、「微小ファイバ」と記す)は中心部の「コア」領域とそれを取り巻くクラッド層との間にほとんど、あるいはまったく境目の線がなく、光信号の基底モードを伝播するために使用される約5−100μmの範囲の直径を有する光ファイバとして定義される。本発明の目的のためには、微小ファイバ12の直径は伝播する信号の波長よりも大きいことが必要である。たとえば、波長1550nmの通信信号で使われるとき、微小ファイバの直径は約2μmあるいはそれ以上であることが必要である。明らかなように、異なる波長体系に対しては、微小ファイバの半径について異なる制約が当てはまる。さらに、本発明の遅延装置に微小ファイバのかわりに従来型の光ファイバ(あるいは従来型の光ファイバと同じ寸法のファイバ)を使用することが望ましい場合もあるかもしれない。したがって、最も広範囲には、本発明は損失を最小にするように制御されたファイバの半径r、およびコイルの半径Rを有するコイル状の光ファイバ遅延線の形成を目的とするものである。したがって、「微小ファイバ12」による実施に関する以下の議論は単に例示的なものであると考えられる。 FIG. 1 illustrates an exemplary optical microfiber delay line 10 formed in accordance with the present invention. The delay line 10 includes an optical microfiber portion 12 wound around a core rod 14 at the center. For the purposes of the present invention, an “optical microfiber(hereinafter referred to as “microfiber”) has little or no border between the central “core” region and the cladding layer surrounding it. , Defined as an optical fiber having a diameter in the range of about 5-100 μm used to propagate the fundamental mode of the optical signal. For the purposes of the present invention, the diameter of the fine fibers 12 is required to be larger than the wavelength of the signal propagating. For example, when used with a communication signal having a wavelength of 1550 nm, the diameter of the microfiber needs to be about 2 μm or more. As is apparent, different constraints on the radius of the microfiber apply for different wavelength systems. In addition, it may be desirable to use a conventional optical fiber (or a fiber of the same dimensions as a conventional optical fiber) instead of a microfiber in the delay device of the present invention. Thus, most broadly, the present invention is directed to the formation of a coiled optical fiber delay line having a fiber radius r controlled to minimize losses and a coil radius R. Thus, the following discussion regarding implementation with “ microfiber 12” is considered to be exemplary only.

従来型の光遅延要素の場合のように、コイル10の長さLが導入される遅延の時間の程度を決定する。実際、所与の直径2Rの中心部コア棒に対して、導入される遅延は中心部コア棒14に巻かれるファイバ12の巻き数Tを増すことによって増加する。異なる直径の中心部コア棒を用いるとき、同一の時間遅延間隔をもたらすために異なる巻き数が用いられるということが理解されるべきである。   As in the case of conventional optical delay elements, the length L of the coil 10 determines the degree of delay time introduced. Indeed, for a given central core rod of diameter 2R, the introduced delay is increased by increasing the number of turns T of the fiber 12 wound around the central core rod 14. It should be understood that when using different diameter central core bars, different numbers of turns are used to provide the same time delay interval.

コイル10に沿う伝播損失は、コイルのある巻きに沿って伝播する入射光信号の基底モードが中心部コア棒14あるいはコイル10の隣接する巻きと相互作用を起こさないときに最小となる。したがって、コイルの隣接する巻きだけでなく、中心部コア棒とコイルとの間の物理的な接触の影響を限定することにより、巻きの間の光信号の散乱および結合が最小化され、光ファイバコイルに沿う曲げ損失の存在を著しく低減する。本発明によれば、伝播する信号のモードフィールド強度をこれらの問題となる接触点から取り除いた光ファイバ領域に閉じ込めることにより、伝播する光信号の損失が最小化されるということが見出されている。   Propagation loss along the coil 10 is minimized when the fundamental mode of the incident optical signal propagating along a winding of the coil does not interact with the central core rod 14 or an adjacent winding of the coil 10. Thus, by limiting the effect of physical contact between the central core bar and the coil, as well as adjacent windings of the coil, the scattering and coupling of the optical signal between the turns is minimized, and the optical fiber Significantly reduces the presence of bending loss along the coil. In accordance with the present invention, it has been found that by confining the mode field strength of the propagating signal to the optical fiber region removed from these problematic contact points, the loss of the propagating optical signal is minimized. Yes.

特に、微小ファイバ12の半径rおよび中心部コア棒14の半径Rとの間の関係を制御することにより、特に、以下の関係が満足されるときに低損失が達成される。

Figure 0005933165
ここで、β=(2πn)/λ、nは微小光ファイバ12の屈折率、λは伝播する光信号の波長である。 In particular, by controlling the relationship between the radius R of radius r and center core bar 14 of the micro fiber 12, in particular, low loss is achieved when the following relationship is satisfied.
Figure 0005933165
Here, β = (2πn) / λ, n is the refractive index of the minute optical fiber 12, and λ is the wavelength of the propagating optical signal.

図2は、本発明により形成される微小ファイバコイルから選択された三つの隣接する巻きT−1、T−2、およびT−3の組に対する典型的なモードフィールド強度を示す。境界面Aは、それぞれの巻きTが中心部コア棒に巻かれるときに微小ファイバ12が中心部コア棒14に接する部分を規定する。境界面Bは巻きT−3とT−2の間の接触位置を規定し、境界面Cは巻きT−2とT−1の間の接触位置を規定する。図2に明らかに示されるように、上記であらましが述べられたようにrとRとの間の関係により、モードフィールド強度は境界面A、B、およびCからずらされ、そのかわりにコイル10のそれぞれの巻きTの外側周辺部に閉じ込められる。この巻きTの外側周辺部の強度は、あるとしてもほとんど中心部コア棒14、あるいは巻きTのすぐ下、および上の巻き(それぞれ巻きT−1、およびT+1とする)と相互作用をしないので、本発明の遅延線について所望の低損失条件が達成される。 FIG. 2 shows typical mode field intensities for a set of three adjacent turns T-1, T-2, and T-3 selected from a microfiber coil formed in accordance with the present invention. The boundary surface A defines a portion where the microfiber 12 contacts the center core rod 14 when each winding T is wound around the center core rod. The boundary surface B defines the contact position between the windings T-3 and T-2, and the boundary surface C defines the contact position between the windings T-2 and T-1. As clearly shown in FIG. 2, due to the relationship between r and R as outlined above, the mode field intensity is offset from the interfaces A, B, and C, and instead the coil 10 It is confined to the outer periphery of each winding T. The strength of the outer periphery of this winding T has little, if any, interaction with the central core rod 14, or just below and above the winding T (referred to as windings T-1 and T + 1, respectively). The desired low loss condition is achieved for the delay line of the present invention.

この微小ファイバの半径rとコイルの半径Rとの間の関係は、曲がった光ファイバの基底モードや近くの高次モードが図3に示されるように微小ファイバ表面の外側部分に位置する測地線の近傍を伝播するモードとして観察されるという理解から発展した。この測地線の近くの局部座標は長さ方向の座標s、および横断方向の座標x、およびyとして示される。既知の短波長スカラ回折理論を用いて、簡単な漸近解が以下のように横方向量子数mおよびnを有する伝播モードについて導かれる。

Figure 0005933165
ここでrおよびRは上に規定される光ファイバおよび中心部コア棒の半径、λは動作波長、H(x)はエルミートの多項式、Ai(x)はエアリー関数、tはエアリー関数(t=2.338、t=4.088、t=5.52、...)の根、nは光ファイバの屈折率、βmnは以下の式で与えられるようにモード(m,n)の伝播定数である。
Figure 0005933165
The relationship between the radius r of the microfiber and the radius R of the coil is such that the ground mode of the bent optical fiber and the nearby higher-order modes are located on the outer portion of the surface of the microfiber as shown in FIG. It was developed from the understanding that it is observed as a mode propagating in the vicinity of. Local coordinates near this geodesic line are shown as a longitudinal coordinate s and a transverse coordinate x and y. Using known short wavelength scalar diffraction theory, a simple asymptotic solution is derived for the propagation modes with lateral quantum numbers m and n as follows:
Figure 0005933165
Where r and R are the radii of the optical fiber and central core rod defined above, λ is the operating wavelength, H m (x) is Hermitian polynomial, Ai (x) is the Airy function, and t n is the Airy function ( t 0 = 2.338, t 1 = 4.088, t 2 = 5.52,...), n is the refractive index of the optical fiber, and β mn is the mode (m , N).
Figure 0005933165

目下の議論のために、コイルは均一な要素で作られると仮定される、つまり、半径rおよびRは一定であるということである。したがって、rおよびRの両方とも長さ方向の座標、sに依存しない。しかし、発明の範囲はそのようには限定されず、解は一様でないファイバの半径r(・)、一様でないコイルの半径R(・)のいずれか、あるいは二つの組合せを有する光ファイバコイルに対して得ることが出来る。m、n〜1である基底モードの伝播に対して、伝播信号は測地線sの近くで強い局部化を示し、rおよびRの間の関係は上に示されるようになる。実際、光通信システム用途、例えばn=1.5、λ=1.5μmである、遅延を利用する位相ダイバーシティシステムについて、rおよびR(ミクロン)の間の関係は次式によって近似される。

Figure 0005933165
For the sake of the current discussion, it is assumed that the coil is made of uniform elements, ie the radii r and R are constant. Thus, both r and R are independent of the longitudinal coordinate, s. However, the scope of the invention is not so limited, and the fiber optic coil has a non-uniform fiber radius r (•), non-uniform coil radius R (•), or a combination of the two. Can be obtained against. For fundamental mode propagation that is m, n˜1, the propagation signal shows strong localization near the geodesic line s, and the relationship between r and R is as shown above. Indeed, for optical communication system applications, eg, phase diversity systems utilizing delays where n = 1.5, λ = 1.5 μm, the relationship between r and R (microns) is approximated by:
Figure 0005933165

境界面からモード強度をずらすために要求されるこのr、およびRの間の関係が具体的に図4に図解され、それは微小ファイバコイルの一「巻き」の代表的な部分を図解している。図4(a)はrおよびRが要求される関係を満たさない場合を示し、図4(b)は同じ微小ファイバの半径rを有するが、要求される関係を満たすコイル半径Rを用いる構成を示す。特に、図4(a)は半径r=5.5μmで、半径R=5000μmである(図示しない)中心部コア棒の周囲に巻かれる微小ファイバ12の部分を図解している。式(1)の関係を用いて、rおよび表現(R/β1/3は比較的等しい値(後者の計算値は、n=1.5、λ=1.5μmに対して約5.5567)であって、同水準の大きさを示し、かつ式(1)の不等式が満足されないということが示される。結果として、伝播する基底モードはモードフィールド強度が図示のようにファイバの直径を横切って一様に分布した状態でファイバの中心点Cに留まり、したがって信号がコイルを伝播する時に高い損失を生じる。 The r, and the relationship between R is required to shift the mode intensity from the interface is illustrated in detail in FIG. 4, it is illustrates a representative portion of one "winding" of the micro fiber coil . FIG. 4 (a) shows a case where r and R do not satisfy the required relationship, and FIG. 4 (b) shows a configuration using the same microfiber radius r but using a coil radius R that satisfies the required relationship. Show. In particular, FIG. 4 (a) with a radius r = 5.5 [mu] m, which illustrates a portion of the radius R = a 5000 .mu.m (not shown) micro-fiber 12 wound around a central core rod. Using the relationship of equation (1), r and the expression (R / β 2 ) 1/3 are relatively equal values (the latter calculated values are about 5 for n = 1.5, λ = 1.5 μm). .5567), indicating the same level of magnitude, and that the inequality of equation (1) is not satisfied. As a result, the propagating fundamental mode remains at the center point C of the fiber with the mode field intensity uniformly distributed across the fiber diameter as shown, thus causing high losses when the signal propagates through the coil.

対照的に、図4(b)の構成は図4(a)に示されるように半径5.5μmの同じ微小ファイバを用いる本発明の実施例を図解する。ここで、モードフィールド強度はより小さな曲げ半径、この場合R=500μmを用いることにより、明らかにファイバの中心部から微小ファイバの外側周辺領域へとずれているとして示される。上に議論されるように、モードフィールドのピーク強度のずれは(もしあるならば)中心部コア棒への接触/結合だけでなく、一つの巻きから隣接する巻きへの信号の接触/結合を制限する。本発明により、微小ファイバコイルは(従来型のファイバと比較して)割合小さいが、モードフィールドを微小ファイバの外側部分に閉じ込めることにより所望する低損失の品質を保持する遅延線として利用される。 In contrast, the configuration of FIG. 4 (b) illustrates an embodiment of the present invention using the same microfiber with a radius of 5.5 μm as shown in FIG. 4 (a). Here, the mode field intensity is clearly shown as deviating from the center of the fiber to the outer peripheral region of the microfiber by using a smaller bend radius, in this case R = 500 μm. As discussed above, the modal field peak intensity shift (if any) will not only contact / couple the center core rod but also signal contact / combination from one winding to the adjacent winding. Restrict. In accordance with the present invention, the microfiber coil is utilized as a delay line that retains the desired low-loss quality by confining the mode field to the outer portion of the microfiber , although it is relatively small (compared to conventional fibers).

図5(a)および(b)は本発明により形成される低損失の微小ファイバの典型的な構成を図解する。それぞれの場合に、モードフィールドのピーク強度は微小ファイバの中心部領域からずらされている。図5(a)は微小ファイバの半径rが2.5μm、コイルの半径Rが50μmである構成を示す。図5(b)は微小ファイバの半径r=12μm、コイルの半径R=5000μmである構成を示す。それぞれの場合に、モードフィールドが巻きの外側の周辺部分に位置する測地線に閉じ込められていることが明らかに示される。 FIGS. 5 (a) and 5 (b) illustrate a typical configuration of a low loss microfiber formed in accordance with the present invention. In each case, the peak intensity of the mode field is shifted from the central region of the microfiber . FIG. 5A shows a configuration in which the radius r of the microfiber is 2.5 μm and the radius R of the coil is 50 μm. FIG. 5B shows a configuration in which the radius r of the microfiber is 12 μm and the radius R of the coil is 5000 μm. In each case, it is clearly shown that the mode field is confined to a geodesic line located in the outer peripheral part of the winding.

上に述べられるように、本発明の微小ファイバコイル遅延線の寸法が小さく、コンパクトであることは、それが光ジャイロスコープ、センサー、増幅器、その他類似のものなどいろいろな用途に使われることを可能にする。実際、本発明の遅延線の寸法が小さいことは、例えば光バッファのような光遅延線を利用するいろいろな形式の集積型光システム、およびサブシステムへの内蔵を可能にする。さらに、本発明の構成は整調が可能な遅延線の形態を取ってもよく、その場合、ファイバの遅延線の全長を調整するために、遅延の時間周期は微小ファイバコイルの異なる部分をスイッチで切り替えて構成に接続、あるいは切り離すことにより制御される。 As mentioned above, smaller size of the micro fiber coil delay line of the present invention, it is compact, allows it to be used light gyroscopes, sensors, amplifiers, etc. in various applications others similar To. In fact, the small size of the delay line of the present invention allows it to be incorporated into various types of integrated optical systems and subsystems that utilize optical delay lines such as optical buffers. Furthermore, the configuration of the present invention may take the form of a pacing delay line, in which case, in order to adjust the overall length of the delay line fiber, the time period of the delay in switching the different parts of the micro fiber coil Controlled by switching and connecting to or disconnecting from the configuration.

図6は典型的な整調可能な構成における本発明の光ファイバコイルの利用を図解する。この構成において、複数の分離された全長が異なる光ファイバコイル10−1、10−2、10−3,10−4、および10−5が典型的な光集積回路30に一つ一つ結合される。別々のコイルのどれを回路30内に形成される遅延線に結合するかを制御するために(図示しない)回路30内の1組の切替器が使われる。図7は整調可能な光ファイバコイルの別の構成を図解し、この場合は単一のコイル10を用いる。この構成においては、10、10、10、10、および10として示されるコイル10の別々の部分が、遅延線の全長の決定に使われる関連した切替信号によって制御される。コイル10の特定部分が“オフ”にされると、図7の切替構成は伝播する光信号をコイル10の特定の部分をバイパスする導波路方向に向け、使用されるべき次の部分に信号を結合する。図7の特定の構成においては、それぞれの部分10は伝播する光信号に25nsの遅延をもたらす。この特定の構成においては、10、10、および10部分が遅延構造に使用され、10、および10部分はバイパスされるように切替器が構成される。この場合、全遅延75nsが生成される。コイル10のそれぞれの部分の接続を動的に制御できることは調整可能な遅延を比較的容易に形成することを可能にする。 FIG. 6 illustrates the use of the fiber optic coil of the present invention in a typical tunable configuration. In this configuration, a plurality of separated optical fiber coils 10-1, 10-2, 10-3, 10-4, and 10-5 having different overall lengths are coupled to a typical optical integrated circuit 30 one by one. The A set of switches in circuit 30 (not shown) is used to control which of the separate coils are coupled to the delay line formed in circuit 30. FIG. 7 illustrates another configuration of a tunable fiber optic coil, in which case a single coil 10 is used. In this arrangement, 10 a, 10 b, 10 c, 10 d, and a separate portion of the coil 10, shown as 10 e, is controlled by a switching signal associated are used to determine the total length of the delay line. When a particular part of the coil 10 is turned “off”, the switching arrangement of FIG. 7 directs the propagating optical signal in a waveguide direction that bypasses the particular part of the coil 10 and directs the signal to the next part to be used. Join. In the particular configuration of FIG. 7, each portion 10 i introduces a 25 ns delay in the propagating optical signal. In this particular configuration, the switch is configured so that the 10 a , 10 b , and 10 c portions are used for the delay structure, and the 10 d and 10 e portions are bypassed. In this case, a total delay of 75 ns is generated. The ability to dynamically control the connection of each part of the coil 10 makes it possible to create an adjustable delay relatively easily.

特定の遅延時間を有する整調可能な光遅延線の寸法は以下のように定義される。典型的な微小ファイバコイルによって占められる体積Vは以下の関係から決定される。

Figure 0005933165
コイルの遅延時間tはコイルの長さに比例し、以下の式から計算される。
Figure 0005933165
ここでnは光ファイバの屈折率、Lはコイルの全長、Rはコイルの半径、rは光ファイバの半径、cは真空中での光の速度である。上に述べられたように、1.5μmの波長λ、nの値1.5についてrとRとの間の関係は(ミクロンで計算するとき)r≧0.7R1/3の形を取ることが出来、体積Vを以下のように表すことが出来る。
Figure 0005933165
コイルの体積、あるいは連結されたコイルの組の体積は光ファイバの半径rを減少させると急速に減少するということが、この関係から明らかである。しかし、半径rがどれだけ小さくなるかについては実際的な限界がある。図5から明らかなように、比較的小さな半径(例えば2.5μm以下)では、モードフィールド強度はファイバの他の部分への物理的な接触が避けられなくなる部分へ入り始め、したがって伝播する信号のパワー損失を増大させる。コイルの半径をr=2.5μmと仮定すると、その結果コイルの体積Vはその値が0.4Tに近くなり、ここで体積、および時間はそれぞれ立方mm、およびナノ秒で測定される。したがって、全遅延時間100nsを与える複数の微小ファイバからなる本発明の実施例は1mm×7mm×7mm、あるいは49mmの寸法の箱に収められる。 The dimensions of a tunable optical delay line having a specific delay time are defined as follows: Volume V occupied by a typical micro fiber coil is determined from the following relationship.
Figure 0005933165
The coil delay time t is proportional to the coil length and is calculated from the following equation.
Figure 0005933165
Here, n is the refractive index of the optical fiber, L is the total length of the coil, R is the radius of the coil, r is the radius of the optical fiber, and c is the speed of light in vacuum. As stated above, the relationship between r and R for a wavelength λ of 1.5 μm and a value of n of 1.5 (when calculated in microns) takes the form r ≧ 0.7R 1/3. The volume V can be expressed as follows:
Figure 0005933165
It is clear from this relationship that the volume of the coil, or the volume of the set of connected coils, decreases rapidly when the radius r of the optical fiber is decreased. However, there is a practical limit on how small the radius r can be. As can be seen from FIG. 5, at relatively small radii (e.g. 2.5 μm or less), the mode field intensity begins to enter parts where physical contact to other parts of the fiber is unavoidable, and thus the propagation Increase power loss. Assuming the radius of the coil is r = 2.5 μm, the resulting coil volume V is close to 0.4T, where the volume and time are measured in cubic mm and nanoseconds, respectively. Therefore, an embodiment of the present invention consisting of a plurality of microfibers giving a total delay time of 100 ns is housed in a box with dimensions of 1 mm × 7 mm × 7 mm, or 49 mm 3 .

光ファイバの半径r、およびコイルの半径Rの一方、あるいはその両方が一様でない場合、r(・)の関数としてR(・)を決定する基準は式(1)の解析から導かれる。具体的には、この関係はr(・)のすべての値に対して以下のように表される。

Figure 0005933165
If one or both of the optical fiber radius r and the coil radius R are not uniform, the criterion for determining R (•) as a function of r (•) is derived from the analysis of equation (1). Specifically, this relationship is expressed as follows for all values of r (•).
Figure 0005933165

本発明は具体的な実施例の参照によって具体的に記述され、示されたが、形式、および詳細においていろいろな変形が、ここに付属される請求の範囲によって規定される本発明の精神、および範囲から逸脱することなくなされてよいことが、当業者には理解されるべきである。   Although the invention has been particularly described and shown by reference to specific embodiments, various changes in form and detail may be found in the spirit of the invention, as defined by the claims appended hereto, and It should be understood by those skilled in the art that this may be done without departing from the scope.

10 コイル
12 微小ファイバ
14 中心部コア棒
30 光集積回路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Coil 12 Microfiber 14 Center part core rod 30 Optical integrated circuit

Claims (8)

伝播する光信号の波長λよりも大きい直径2rを有する光微小ファイバを含む光遅延線であって、
前記光微小ファイバが、予め決定される時間遅延tに関わる長さLのコイルに巻かれ、前記コイルが、
Figure 0005933165
の関係を満足するように選択された曲率半径Rを示し、ここでβ=(2πn)/λ、nは前記光微小ファイバの屈折率であり、そして、rとRとの間の関係により、伝播する光モードを前記光微小ファイバの外側周辺領域に閉じ込めて、前記コイルの1つの巻きに沿って伝播するモードが隣り合う巻きに結合することを抑制し、伝播損失を限定する光遅延線。
An optical delay line including an optical microfiber having a diameter 2r larger than the wavelength λ of the propagating optical signal,
The optical microfiber is wound around a coil of length L associated with a predetermined time delay t,
Figure 0005933165
Is a radius of curvature R selected to satisfy the relationship: where β = (2πn) / λ, where n is the refractive index of the optical microfiber, and the relationship between r and R is An optical delay line that confines a propagating optical mode in an outer peripheral region of the optical microfiber, suppresses coupling of a mode propagating along one winding of the coil to adjacent windings, and limits propagation loss.
生成される光微小ファイバコイルの長さLが、
Figure 0005933165
の関係を満足する予め決められた時間遅延tを与えるように選択され、ここでcが真空中の光の速度である、請求項1に記載の光遅延線。
The length L of the generated optical microfiber coil is
Figure 0005933165
The optical delay line of claim 1, wherein the optical delay line is selected to provide a predetermined time delay t that satisfies the relationship: where c is the speed of light in a vacuum.
前記遅延線がさらに、
半径Rの中心部コア棒を含み、前記中心部コア棒に前記光微小ファイバが巻きつけられる、請求項1に記載の光遅延線。
The delay line further comprises:
The optical delay line according to claim 1, comprising a central core rod having a radius R, wherein the optical microfiber is wound around the central core rod.
前記nが1.5、前記λが1.5μm、および前記rが約0.7R1/3である、請求項1に記載の光遅延線。 2. The optical delay line according to claim 1, wherein the n is 1.5, the λ is 1.5 μm, and the r is about 0.7R 1/3 . 前記光微小ファイバが均一でない半径を有する、請求項1に記載の光遅延線。   The optical delay line of claim 1, wherein the optical microfiber has a non-uniform radius. 前記中心部コア棒が均一でない半径を有する、請求項3に記載の光遅延線。   The optical delay line of claim 3, wherein the central core bar has a non-uniform radius. 伝播する光信号の波長λよりも大きい直径2rを有する複数の光微小ファイバを含む光遅延線であって、
各光微小ファイバが、予め決定された時間遅延tに関わる長さLのコイルに巻かれており、各コイルが、
Figure 0005933165
の関係を満足するように選択される曲率半径Rを示し、ここでβ=(2πn)/λ、nは各光微小ファイバの屈折率であり、そして、rとRとの間の関係により、伝播する光モードを各光微小ファイバの中心部から離れた周辺領域に閉じ込める、光遅延線。
An optical delay line including a plurality of optical microfibers having a diameter 2r larger than the wavelength λ of the propagating optical signal,
Each optical microfiber is wound around a coil of length L associated with a predetermined time delay t, and each coil is
Figure 0005933165
, Where β = (2πn) / λ, where n is the refractive index of each optical microfiber, and the relationship between r and R is An optical delay line that confines the propagating optical mode in a peripheral region away from the center of each optical microfiber.
予め決められた時間遅延tを示す光遅延線の製造方法であって、
a)伝播する光信号の波長λよりも大きい半径rを有する光微小ファイバを用意する工程と、
b)
Figure 0005933165
の関係を満足する半径Rのコア棒を選択する工程であって、β=(2πn)/λ、nは前記光微小ファイバの屈折率である工程と、
c)前記光微小ファイバを前記コア棒の周囲に巻きつけて、前記時間遅延tを生じさせるのに十分な複数のN巻きを生成する工程とを有する、光遅延線の製造方法。
A method of manufacturing an optical delay line exhibiting a predetermined time delay t,
a) providing an optical microfiber having a radius r larger than the wavelength λ of the propagating optical signal;
b)
Figure 0005933165
Selecting a core rod with a radius R that satisfies the relationship: β = (2πn) / λ, where n is the refractive index of the optical microfiber,
c) winding the optical microfiber around the core rod to generate a plurality of N turns sufficient to generate the time delay t.
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