JPH05502951A - 可変光ファイバーブラッグフィルター構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 可変光ファイバーブラッグフィルター構造技術分野 本発明は、光ファイバーに埋込んだブラッグ格子に関し、特に、光ファイバーの コアを通って伝搬する光線に対する上記ブラッグ格子の効果を調節変更するため の構造に関する。

背景技術 従来、種々の構造の光フイルタ−、特に、いわゆるブラッグフィルターが知られ ている。ブラッグフィルターのひとつに、構造物における応力及び／または温度 変化を検知するために開発されたものがある。これは、たとえば、本出願人の所 有する米国特許第４，８０７．８５０号に開示された方法により、光ファイバー のコアに組み込まれ、或いは、埋め込まれる。上記特許では、この種の固定的周 期格子を光ファイバーのコアに形成するには、ファイバー軸に直交する平面に対 して対称的に光ファイバーに導かれた２つのコヒーレント紫外線ビームの干渉パ ターンに、クラッドを介してコアを露光させている。その結果、ファイバーコア の構成物質の屈折率が、干渉紫外線ビームの作用により固定的な周期的変化を示 すという状態が生じ、個々の格子要素（すなわち、同一屈折率作用を示すコアの 周期的な反復領域）がファイバー軸に直交するように方向づけられ、ブラッグ格 子を構成する。この種の埋込みブラッグ格子は、伝搬方向に沿って誘導伝搬のた めのファイバーコア内に進入した光のうち、格子要素の周期性に応じた中心波長 周辺の非常に狭い範囲内の波長を有する光のみを反射して、もとの伝搬方向と反 対向きにファイバー軸に沿って戻す。一方、このブラッグ格子は、上述した狭帯 域の外の波長の光を実質的に透過するため、このような他の光のさらなる伝搬を 妨げることはない。実際、この種の格子は、透過スペクトルにおける狭いノツチ と、反射スペクトルにおける同様に狭いピークとを形成する。この種のブラッグ フィルターを開発した目的及び用途においては、ブラッグフィルターが埋め込ま れた位置において生じる応力や温度変化は、格子に影響を及ぼし、その周期性、 または、コア構成物質の屈折率、あるいは、その両方を変化させ、スペクトルに おける中心波長の位置がシフトする。このようにして、構造物において存在ある いは発生する応力や温度変化の指標が、格子の位置において検出される。

これらのブラッグ格子が上述の用途において有用であると同様に、他の分野にお いても、このような格子の使用、特にその狭帯域応答の波長選択性による恩恵を 受けることになろう。しかし、これらの格子は、上記特許において提案された形 では、これら他の分野に適したものとはいえない。これら他の分野には、たとえ ば、光フアイバー通信分野、光レーザ周波数調節分野、その他において、ブラッ グ格子遮断帯を所望の周波数に同調させる（中心周波数をシフトさせることによ り）こと、格子応答を所望の周波数に維持すること、周波数範囲を走査すること などが要求される用途が含まれる。

したがって、本発明の包括的な技術的課題は、上述した先行技術の欠点を除くこ とである。

特に、本発明の技術的課題は、上述した種類の従来構造における欠点を持たない ブラッグフィルター構造を提供することである。

本発明のさらに別の技術的課題は、ブラッグフィルターが応答する光波長または 波長帯を調節することができる、上述した種類のフィルター構造を開発すること である。

本発明のさらに別の技術的課題は、印加された外部信号に応答して比較的高速で 動作する、上述した種類の構造を提供することである。

本発明の他の技術的課題は、構成が比較的簡単で、安価に製造でき、使用が簡単 で、動作信頼性のある、上述した種類の構造を提供することである。

発明の開示 これらの技術的課題、及び以下に明らかになるその他の技術的課題を達成するた め、本発明の特徴とするところは、導波コアを有する少なくとも１つの光ファイ バー部と、上記光ファイバー部内に設けられた少なくとも１つの固定的ブラッグ 格子領域とを備えた可変光フィルター構造である。上記格子領域は、複数個の格 子要素を含み、上記複数個の格子要素は、所定の初期周期性をもつ周期的屈折率 変化により構成され、誘導伝搬のためのコア内に進入した光のうち、格子要素の 周期性及び屈折率変化により決定された中心波長周辺の狭帯域内の軸波長をもつ 光を、累積的に方向転換させる。

さらに、本発明によれば、格子領域の周期性と屈折率変化のうち少なくとも１つ を調節変更し、所定の波長範囲内で中心波長を一時的に変化させるための手段が 得られる。

図面の簡単な説明 以下、本発明を添付図面を参照してより詳細に説明する。

第１図は、コアにブラッグ格子を組み込み、格子領域のまわりに高次電気抵抗被 覆として構成された波長変更装置を設けた、光ファイバー部の斜視図である。

第２図は、光フアイバーコアの放射吸収領域により変更装置を構成した、第１図 と同様な図である。

第３図は、ファイバ一部上の吸収性外部被覆により変更装置を構成した、第１図 と同様な図である。

第４図は、変更装置が圧電シリンダを含む、第１図と同様な図である。

第５図は、変更装置が、ファイバ一部上の電場変化に応答する外部層を含む、第 １図と同様な図である。

第６図は、第１図の格子を含み、変更装置として音波発生器を用いた構成の側両 立面図である。

第７図は、ブラッグ格子が応答する波長を変更するために屈折率変動放射を用い た、第１図と同様な構成の側両立面図である。

第８図は、第７図の構成の変形例を示す図である。

発明を実施するための最良の形態 図面を参照すると、全体を通して、同様な部分には同様な参照番号を用い、必要 に応じて参照文字を付して示しである。

まず、説明の基礎として第１図を参照すると、本発明の可変光フィルター構造の 全体が参照番号１０として示されている。光フィルター構造１０は、ブラッグ（ すなわち周期）格子１２を埋め込んだ光ファイバー部１１を含んでいる。格子１ ２は、好ましくは、本出願人の所有する米国特許第４．８０７，８０５号に開示 された種類のもので、この特許に開示された方法にしたがって製造されたもので ある。この開示は、可変光フィルター構造１０に特に適した種類のブラッグ格子 １２の補足説明のため、参考として必要な程度に本明細書に取り入れられている 。

上記特許に充分説明されているように、この種の格子１２は波長選択フィルター として作用する。特定の周期性をもつ埋込み格子１２は、ファイバ一部１１によ り運ばれる光信号の特定波長の透過を、部分的あるいは全体的に、反射またはブ ロックする。

一般に、本発明によれば、ファイバ一部１２に外部から印加される力または作用 によって格子要素の実効間隔あるいは屈折率を変更することにより、外部からの 力または作用の強度に対応した量だけ、反射されるすなわち透過を妨害される波 長を変更またはシフトすることか提案されている。その結果、外部からの力また は作用を用いて、ブラッグ格子フィルター１２の波長を同調したり調節したりす ることができる。また、外部作用の強度を増加させることにより、フィルター１ ２の波長を走査することができる。さらに、周期的作用を加えることにより、フ ィルター１２の波長を変調することができる。

ブラッグフィルター１２の実効間隔または共振を変化させることのできる外部作 用は、温度、機械的ひずみ（音波・超音波の相互作用を含む）、及び、電気光学 的または磁気光学的物質効果である。

また、ファイバ一部１１を、印加される作用または力とブラッグフィルター１２ との相互作用を強化して、波長同調、走査、変調に影響を及ぼす種々の物質で被 覆してもよい。さらに、フィルター１２を含むファイバ一部１１に進行波作用を 加えることにより、ファイバ一部１１内を運ばれる光信号に周波数シフトを加え ることができる。

本発明によれば、ブラッグフィルターの波長共振を変化させるための１つの方法 は、たとえば電気ヒータを用いて、ブラッグフィルター１２を含むファイバ一部 １１の温度を変化させることである。

電気的加熱は、図示しないが、外部加熱器をファイバ一部１１に接近させて配置 することにより、達成できる。第１図には、光ファイバー部１１のクラッド１４ に囲まれたコア１３に埋め込まれた格子１２の温度ひいては周期性を変化させる 別の方法が示されている。

ここでは、高次電気抵抗をもつ導電性被覆１５が、直接、ファイバー外表面に（ すなわち図示の例ではクラッド１４の外表面に）施され、電流が被覆１５を通過 する。どちらの場合にも、ブラッグフィルターの応答は、温度調節及び／または 安定化を利用することにより所望の波長に設定及び／または維持することができ る。あるいは、ファイバ一部１１に加えられる電熱の強度に勾配をもたせること により、フィルター１２の波長走査を行なうことができる。ファイバ一部１１の 熱質量は小さいため、温度変化に対するフィルター１２の応答時間はｌ／１００ ０秒車位である。

ブラックフィルター波長の温度同調は、フィルター１２を検査または検知するた めに用いられる光信号を射出する光源とは独立した別の光源を用い、ブラッグ格 子１２が同調され得る波長範囲の外側の波長の光を射出することにより、光学的 に達成することもできる。

第２図に示すように、フィルター共振波長から光スペクトルにおいて離れた波長 λ２の信号は、波長λ１のフィルター検知信号とともにファイバーコア１３内に 搬送される。希土類ドーパントなどの特別な吸収器が、格子１２を含むファイバ 一部１１の陰影で示す領域１５ａ内に配置されている。この吸収器は、波長λ、 の光は吸収しないが波長λ２の光を吸収し、これにより加熱される。このように してファイバ一部１１を加熱することができ、その結果、波長λ２の光の光エネ ルギーを調節することにより、フィルター１２の波長同調を行なうことができる 。

ファイバーは、外部光信号を用いても加熱することができる。これは、第２図の 構成において、加熱性放射（波長λ２の）をファイバ一部１１の長手方向を横切 る方向に沿って領域１５ａ上に導くことにより、達成できる。この信号は、クラ ッド１４　（この場合、この放射を透過する）を通過し、領域１５ａに吸収され て領域１５ａを加熱し、その結果、格子１２の周期性及び実効反射波長における 変化をもたらす。あるいは、クラッド１４に上述の吸収器を設けて、上述の放射 により加熱することもできる。

あるいは、第３図に示すように、波長λ２の信号を吸収する、または、熱放射源 から生じるような広帯域の波長を吸収する物質の被覆すなわち層１５ｂを、光フ ァイバー部１１の外表面の、少なくとも格子１２のまわりの部分に設けてもよい 。どちらの場合にも、フィルター構造１２は放射検出器（放射計）として機能す る。吸収物質を、ファイバ一部１１の表面に設けられた独立層１５ｂ内にではな く、ファイバークラット１４内に配置する場合には、吸収物質は、ファイバーコ ア１３に接する領域には置かないか、λ１信号により検査されるフィルター波長 を吸収しないようにするかのいずれかを選択しなければならない。

本発明の別の態様にしたがって、フィルター１２の位置においてファイバ一部１ １を伸長する装置を備えた機械的手段により、ブラッグフィルター共振を同調す ることもできる。伸長作用すなわちひずみは、ファイバー構成物質の弾性限界の 範囲内に抑えなければならない。ブラッグフィルター１２を機械的に同調するた めの１つの方法は、ファイバ一部１１を、格子領域１２の長手方向に間隔をおい た両側の位置において、ファイバ一部１１よりも非常に大きい熱膨張係数をもつ 物質からなる支持部に、接合またはその他の方法で、取り付けることである。フ ァイバ一部１１は、システムの温度を変えることにより機械的に引っ張られる。

このようなシステムでは、ファイバ一部１１単独（上述したように）よりも大き な熱質量をもつことになり、その結果、応答時間がより長くなる。一方、接合さ れたファイバーシステムは、むき出しのファイバ一部１１よりも温度変化に対す る感度が高い。

本発明の別の概念にしたがって、ファイバ一部１１を、圧電トランスデユーサを 用いて電磁的に伸長することができる。この概念の実施例の１つを、第４図に示 す。シリンダ１５Ｃの周面に巻回され、ブラッグ格子１２を埋め込んだファイバ 一部１１を含む、光ファイバー１６の長さを伸長するために、圧電シリンダ１５ ｃが用いられる。信号源１７から発生しシリンダ１５Ｃに印加される電気信号に 応じてシリンダ１５Ｃが拡張するにつれて、ファイバー１６が伸長し、ブラッグ フィルター１２の波長が変動する。フィルター１２を同調するための圧電要素の 構成を変えることもできる。たとえば、圧電要素を直線的に積層し、ブラッグフ ィルター１２を含む光ファイバー１６の一部を、積層部の各端に接合し、圧電積 層部に電気信号を印加してフィルターを拡張することができる。

格子１２の波長同調のためファイバ一部１１に機械的影響を与える別の方法は、 第５図に示すように、ファイバ一部１１の、ブラッグフィルター１２の領域に、 特別な被覆を施すことである。この被覆１５ｄは、変調磁場にノケル被覆の場合 ）、電場（極性ＰＶＦ２被覆の場合）、あるいは、音場に対して感応し得る。被 覆１５ｄが電場に感応する場合には、ブラッグフィルター１２の変調は、被覆１ ５ｄ上の電場の作用によりファイバー内に発生する定常音波を利用する数百ＭＨ ｚの周波数について有効である。

第６図は、ブラッグフィルター１２を含むファイバ一部１１に沿ってたわみ音波 を通過させることにより、ファイバー１６により運ばれる光信号の進行波変調が とのようにして達成されるかを示している。電源１７により駆動される圧電駆動 部１５ｅにより発生され、音響ホーンにより、この場合には２つの振動ダンパ１ ９及び２０の間に搭載されたファイバ一部１１上に集められる音波をファイバ一 部１１に印加することにより、このようなたわみ音波が生しる。この音響作用は 、側波帯を発生することにより、光信号の周波数をシフトする。

第５図は、周波数ンフタを示している。このようにして発生したたわみ波は、フ ァイバ一部１１に沿って光信号の方向に進行し、ブラッグフィルター１２を通過 する。たわみ波によるフィルター１２の変調は、光信号をも変調させる。光信号 とともに進行するたわみ波のために、光信号の周波数は、たわみ波の周波数だけ 増加する。

ブラッグフィルター１２と非共振の強い磁場がブラッグフィルター１２に印加さ れると、フィルター１２と共振の検査信号の変調が起きる。この作用は、ファイ バー構成物質の屈折率を一時的に変化させる非線形偏光が発生するほど変調場が 強い場合に生じる（たとえば、モードロックピコ秒パルス）。

このようにして、フィルター１２は、たとえば強い変調場により、検査信号から 離調され、つぎに、検査信号はフィルター１２を通過して伝送される。上記目的 を達成する変調場を印加する１つの方法が、第７図に示されている。図示のとお り、強い変調信号は、別の光ファイバー１５ｆからファイバー１６内に合流する ことにより、ブラッグフィルター１１を含み検査信号を運ぶファイバー１６内に 進入する。

第８図に示す上記方法の代替案では、強い変調信号は、矢印１５ｇで示すように 、ファイバー１６の側方よりブラッグフィルター１２上に集光される。どちらの 場合にも、フィルター１２の共振周波数は、変調場の非線形効果によりわずかに 変動する。どちらの場合においても、フィルター１２の応答時間は、変調磁場と 同じくらい早い。

波長同調のための別の方法は、埋込み格子１２に、ファイバ一部１１に沿って、 空間的変化すなわち勾配をもつ力または作用を印加することである。この作用に より、可変格子間隔すなわち「チャーブ（ｃｈｉｒｐｅｄ）　Ｊ格子１２が構成 される。可変間隔により、ブラッグ反射の帯域幅が広がる。このようにして、ブ ラッグ反射の中心波長を、前述したとおり、ファイバ一部１１に沿った一定の作 用にともなって調整することができ、及び／または、ブラッグ反射の帯域幅を、 ファイバ一部１１に沿って変化する作用または要素を用いることにより変化させ ることができる。

本発明によれば、さらに、本出願人による同時係属中の米国特許出願（ファイル 番号Ｒ−３２５８）において開示された種類の格子に関して、前述の方法の少な くともいくつかを用いることができる。

このような格子は、ファイバーコアの長手方向に延在する第１の通路と、ファイ バークラッドを経てファイバーの外部に延在する第２の通路の間の、所定の軸波 長の光の方向を転換した。この場合、本発明にしたがって格子に長手方向の応力 を印加することにより生じる周期性及び／または屈折率変化に応じて、格子によ り第１の通路から第２の通路へ、またはその逆に方向転換される光の中心波長が 変化する。

上述の方法において、力または作用は、直接、埋込み格子１２を含むファイバー １６のファイバ一部１１に印加された。また、撮念を広げて、力や作用を、多重 埋込み格子１２からなる反射構造のあいだのファイバーの部分に印加することも できる。たとえば、同じ周期性（すなわちブラッグ共振）をもつ２つの独立した 格子１２は、共同して、波長選択性反射器をもつファプリーペロー共振器として 作用する。埋込み格子反射器１２の間のファイバー１６内の光通路に影響する力 や作用は、ファプリーペロー共振にも影響を及ぼす。

したがって、ブラッグ反射スペクトル内の、より狭いファプリーペロー共振につ いて、波長同調、走査、変調を行なうことができる。

このように、ブラッグフィルターを含むフィルター構造に対してなされたすべて の説明は、単−理込み格子フィルターのみならず、より複雑な多重格子フィルタ ーにも応用できる。

以上、光フィルター構造の特別な構成における本発明の実施例について説明した が、本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく、本発明の保護範囲は添 付の請求の範囲によってのみ決定されるべきものである。

！　１ 吸収長さ ＦＩＧ、４ ０ｄ 要約 可変光ファイバー構造１０は、少なくとも１つの光ファイバー部１１を有し、こ の光ファイバー部は、導波ガイドコア１３と、光ファイバー部に設けられた少な くとも１つの固定的ブラッグ格子領域１２を含んでいる。格子領域は、所定の初 期周期性をもつ周期的屈折率変化により構成されるとともに誘導伝搬のための上 記コア内に進入した光のうち上記格子要素の周期性及び屈折率変化により決定さ れる中心波長周辺の狭帯域内の軸波長をもつ光を累積的に方向転換する複数個の 格子要素を含む。所定の波長範囲内で上記中心波長を一時的に変化させるように 、上記格子領域の周期性及び屈折率変化の少なくとも１つを調節変更する。

国際調査報告 国際調査報告

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. １．導波コアを含む少なくとも１つの光ファイバー部と、該光ファイバー部内に 設けられ、所定の初期周期性を有する周期的屈折率変化により構成されると共に 、誘導伝搬のための上記コア内に進入した光のうち、上記格子要素の周期性及び 屈折率変化により規定される中心波長周辺の狭帯域内の軸波長を有する光を、累 積的に方向転換する複数個の格子要素を含む、少なくとも１つの固定的ブラッグ 格子領域と、 所定の波長範囲内で上記中心波長を一時的に変化させるために、上記格子領域の 周期性及び屈折率変化のうち、少なくとも１つを調節変更する変更手段と を有することを特徴とする可変光フィルター構造。
2. ２．請求項１記載の可変光フィルター構造において、上記変更手段は、上記格子 領域に長手方向のひずみを印加するための印加手段を含む ことを特徴とする可変光フィルター構造。
3. ３．請求項２記載の可変光フィルター構造において、上記印加手段は、少なくと も上記格子領域と実質的に等しく延在し、温度変化に応答してその寸法を変える 上記光ファイバー部の一部と、該一部の温度を変化させる変化手段とを含むこと を特徴とする可変光フィルター構造。
4. ４．請求項３記載の可変光フィルター構造において、上記光ファイバー部の上記 一部は、上記所定の波長範囲外の放射を吸収し、 上記変化手段は、上記放射による上記一部の加熱をもたらすため上記一部上に上 記放射を案内する案内手段を含むことを特徴とする可変光フィルター構造。
5. ５．請求項４記載の可変光フィルター構造において、上記光ファイバー部の上記 一部は、上記コア内にあることを特徴とする可変光フィルター構造。
6. ６．請求項５記載の可変光フィルター構造において、上記案内手段は、上記放射 を上記コアに発射して長手方向に伝搬させるための発射手段を含む ことを特徴とする可変光フィルター構造。
7. ７．請求項６記載の可変光フィルター構造において、上記案内手段は、上記放射 を、上記光ファイバー部を実質的に横切って、上記コアの少なくとも上記格子領 域上に導くための手段を含む ことを特徴とする可変光フィルター構造。
8. ８．請求項４記載の可変光フィルター構造において、上記光ファイバー部は、さ らに、上記コアを囲むクラッドを含み、上記光ファイバー部の上記一部は上記ク ラッド内にあることを特徴とする可変光フィルター構造。
9. ９．請求項３記載の可変光フィルター構造において、上記光ファイバー部は、上 記コアを囲むクラッドを含み、上記光ファイバー部の上記一部は、所定の波長の 放射を吸収する物質からなると共に、上記クラッドを囲む層より構成され、上記 変化手段は、上記放射による上記層の加熱をもたらすため、上記光ファイバー部 を実質的に横切って上記層の上に上記放射を案内する案内手段を含む ことを特徴とする可変光フィルター構造。
10. １０．請求項３記載の可変光フィルター構造において、上記光ファイバー部は、 上記コアを囲むクラッドを含み、上記光ファイバー部の上記一部は、電流の通過 に対して顕著な抵抗を示す物質からなると共に、上記クラッドを囲む層により構 成され、 上記変化手段は、上記層の加熱をもたらすため、電流を上記層を通過して流すた めの手段を含む ことを特徴とする可変光フィルター構造。
11. １１．請求項２記載の可変光フィルター構造において、上記印加手段は、少なく とも上記格子領域と実質的に等しく延在し、印加される磁場の変化に応答して、 その寸法を変える上記光ファイバー部の一部と、該一部に印加される磁場を変化 させるための手段とを含むことを特徴とする可変光フィルター構造。
12. １２．請求項２記載の可変光フィルター構造において、上記印加手段は、少なく とも上記格子領域と実質的に等しく延在し、印加される電場の変化に応答してそ の寸法を変える上記光ファイバー部の一部と、 該一部に印加される電場を変化させるための手段とを含むことを特徴とする可変 光フィルター構造。
13. １３．請求項２記載の可変光フィルター構造において、上記印加手段は、上記光 ファイバー部の、上記格子領域の長手方向両側に位置する上記光ファイバー部の 部分に、長手方向に沿った両方向の力を加えるための加圧手段を含むことを特徴 とする可変光フィルター構造。
14. １４．請求項１３記載の可変光フィルター構造において、上記加圧手段は、外部 作用に応答して、その寸法の少なくとも１つを変化させる物質からなる支持部を 含み、上記光ファイバー部は、上記部分が、上記１つの寸法の方向に沿って所定 の距離だけ互いに離れた上記支持部の各位置に対して固定されるようにして上記 支持部に取り付けられ、上記加圧手段は、上記寸法及び上記所定距離に変化をも たらすため、上記支持部に上記外部作用を受けさせる作用手段を含むことを特徴 とする可変光フィルター構造。
15. １５．請求項１４記載の可変光フィルター構造において、上記支持部は、実質的 に円筒形状を呈すると共に、周面を有し、上記１つの寸法は、上記周面の周回方 向であり、上記位置は、上記周面上にある ことを特徴とする可変光フィルター構造。
16. １６．請求項１５記載の可変光フィルター構造において、上記光ファイバー部は 、上記周面のまわりに巻回されていることを特徴とする可変光フィルター構造。
17. １７．請求項１６記載の可変光フィルター構造において、上記支持部は、圧電性 物質からなり、 上記作用手段は、上記１つの寸法を変化させるために、上記支持部に電位差を加 える手段を含む ことを特徴とする可変光フィルター構造。
18. １８．請求項２記載の可変光フィルター構造において、上記印加手段は、上記格 子要素の周期性及び上記中心波長における周期的変化をもたらすため、機械的振 動を、上記光ファイバー部の長手方向に伝搬させるための手段を含むことを特徴 とする可変光フィルター構造。
19. １９．請求項１記載の可変光フィルター構造において、上記変更手段は、上記コ アの物質の屈折率を一時的に変化させるような波長及び強度の調筋光を、少なく とも上記格子領域の上に選択的に導くための導光手段を含む ことを特徴とする可変光フィルター構造。
20. ２０．請求項１９記載の可変光フィルター構造において、上記導光手段は、上記 調節光を上記コア内に発射して、長手方向に伝搬させるための手段を含む ことを特徴とする可変光フィルター構造。