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。
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.
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
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
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
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。
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
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。
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。
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/β2)1/3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)
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、10a、10b、10c、10d、および10e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10i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、10a、10b、および10c部分が遅延構造に使用され、10d、および10e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
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。
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。
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
Claims (8)
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、
The optical microfiber is wound around a coil of length L associated with a predetermined time delay t,
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.
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、
Each optical microfiber is wound around a coil of length L associated with a predetermined time delay t, and each coil is
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)
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)
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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