JPH07281064A - 光ファイバ - Google Patents

光ファイバ

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JPH07281064A
JPH07281064A JP7059952A JP5995295A JPH07281064A JP H07281064 A JPH07281064 A JP H07281064A JP 7059952 A JP7059952 A JP 7059952A JP 5995295 A JP5995295 A JP 5995295A JP H07281064 A JPH07281064 A JP H07281064A
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jacket
fiber
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ラマン・カシャプ
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マイケル・ハーリィ・リーブ
Stephen A Cassidy
ステファン・アンソニィ・キャシディ
Stephen Hornung
ステファン・ホーナング
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 光ファイバの伝送遅延特性の温度依存性を改
善する。 【構成】 ジャケット(5)により光ファイバに温度依
存性の応力を加えて長さおよび屈折率を変化させ、光フ
ァイバの伝送遅延の変化を相殺する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は光導波路の温度特性の改
善に関する。本発明は特に光ファイバに利用するに適す
る。本発明は光通信用の光ファイバの温度による伝送遅
延特性の改善に利用できるとともに、本発明は実質的に
温度に依存しない参照光路長を提供するために用いるこ
とができる。すなわち本発明は、光ファイバをその参照
基準として組み込んだ干渉計検知装置、マイケルソン光
ファイバ干渉計、温度安定化光共振器、その他光導波路
の伝送遅延を参照基準とする装置に利用できる。
【0002】
【従来の技術】一般に光導波路は、屈折率n2 の材料に
埋め込まれた屈折率n1 の光誘導領域を備えており、通
常はn2 <n1 である。埋め込み材料だけでなく誘導領
域も、多数の公知の設計の光ファイバにより示されたよ
うに、それら自身が二つまたはそれ以上の異なる屈折率
の領域をもつように構成されている。
【0003】例えば光通信および光ファイバセンサに用
いられる種類の光ファイバは、通常は機械的および化学
的損傷からファイバ表面を保護するための保護膜で覆わ
れている。
【0004】ファイバに適当な被膜を施すことにより、
光ファイバの伝送損失の温度依存性を制限できることも
公知である。例えば、ヨーロッパ特許公開公報第EP−
A−0076575号(「温度変化の影響を受けない光
ファイバ」、ヒューズ・エアクラフト・カンパニ)に
は、高温度での動作に適した光ファイバを開示してい
る。この開示によると、高い動作温度での伝送損失の温
度依存性、すなわちファイバを通過する光信号の減衰
は、ファイバに金属被膜を施しアニーリングすることに
より制限される。
【0005】この従来技術では被膜は、アルミニウムま
たは他の金属もしくは合金であり、例えば、ファイバを
溶融バスを通過させて引き出し加工することによりファ
イバに皮膜を施すことができる。被膜の施されたファイ
バは、この後にセ氏数百度の温度でアニールされる。上
記ヨーロッパ特許公開公報には、ファイバによる伝送損
失が室温における伝送損失と同じになるように十分に高
いアニーリング温度を設定すると、伝送損失の温度依存
性が−200℃ないし560℃の温度範囲で実質的に除
去されることが明言されている。
【0006】光ファイバの伝送損失の温度変化による効
果はまた、「過度の低温度を考慮した被膜が施された光
ファイバの最適設計(Optimum Design of Coated Optic
al Fibers Considering Excess at Low Tem-peratur
e)」、ケイ・マスノ(K.Masuno) およびケイ・イシハ
ラ(K.Ishihara)、ジャーナル・オブ・オプティカル・
コミュニケーション(J.Opt.Comm.)第3巻(1982年) 第
4号、第142 頁ないし第145 頁で研究されている。伝送
損失の温度変化の効果は、ナイロン被膜により被膜が施
された光ファイバに関して研究され、10-5-1のオー
ダの線膨張率のナイロン被膜を採用することにより、低
温度での伝送損失の温度依存性を非常に低く保つことが
できる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】一方、光導波路にはそ
の伝送遅延特性が温度により変動する性質が知られてい
る。特に通信路として使用される光ファイバにはその周
囲環境から受ける温度変化に応じて、その伝送遅延特性
が変動する現象があり、通信網の切替接続その他でこの
遅延特性の変動は大きい問題となる。
【0008】上記の従来技術はいずれも光ファイバの伝
送損失を論じるものであって、伝送遅延特性については
直接の言及はない。
【0009】本発明は、このような課題を解決し、伝送
遅延特性の温度依存性が改善された光ファイバを提供す
ることを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明の光ファイバは、
長さ方向の少なくとも一部が密着したジャケットにより
包まれ、このジャケットが、あらかじめ定められた温度
範囲での前記光ファイバの伝送路遅延tの温度Tに対す
る依存性dt/dTが削減されるように、その線熱膨張
率αが前記光ファイバの線熱膨張率と反対符号に選択さ
れ、前記光ファイバの長さLおよび屈折率Nの温度変化
によって生じる前記光ファイバの光路長変化を実質的に
除去する温度依存性の応力σを前記光ファイバに加える
大きさに形成されたことを特徴とする。
【0011】ジャケットは負の線熱膨張係数を有するこ
とが望ましい。ジャケットは配向したポリマ製であるこ
とがよい。このようなポリマとしてはサーモトロピック
液晶ポリマを用いることができる。ジャケットを光ファ
イバに直接に付けるのではなく、予備被膜を介して付け
ることがよい。ジャケットの材料は−5×10-6のオー
ダの熱線膨張率を有することがよい。 光ファイバは単
一モード・シリカ光ファイバであることがよい。ジャケ
ットの材料は20GNm-2のオーダの弾性率を有するこ
とがよい。
【0012】
【作用】光ファイバ内の温度変化により引き起こされた
伝送遅延の変化は、光ファイバの長さおよび光ファイバ
の屈折率の変化に関係して引き起こされる。このような
温度変化による伝送遅延の変化に対し、ジャケットによ
り応力を加えて光ファイバの物理的な歪すなわち屈折率
の変化を生じさせ、伝送遅延と反対に作用させる。ジャ
ケットは、ジャケットの作用により光ファイバに生じる
伝送遅延の変化が、その光ファイバそのものに温度貧家
により生じる伝送遅延の変化を実質的に相殺するように
選択される。
【0013】光ファイバは、例えば、温度、歪、圧力お
よび電流および磁界の変化に対する固有の感度により、
干渉を利用したセンサ素子として有用であることが知ら
れている。しかし、センサの測定の多くは、検知される
パラメータと、ファイバの検知特性に同等の効果をもつ
他の影響とを区別できることが要求される。これは、測
定されるひとつのパラメータ以外で、検知ファイバと同
じ影響を受ける参照ファイバを用いることにより実現さ
れる。これは、センサの設計において注意深い配置を必
要とする。いくつかの制御素子が参照アーム内に備えら
れ、特に温度が雑音源であるときに、差動効果により引
き起こされたドリフトの記録をとる。
【0014】本発明は、温度の変化による光ファイバの
伝送遅延を低減させる効果を有する材料で被覆が施され
た光ファイバアセンブリを提供することにより、上述の
問題点を解決または少なくとも軽減する。
【0015】
【実施例】図1は本発明実施例の光ファイバの断面形状
を示す。この光ファイバはクラッド3に埋め込まれたコ
ア2を含み、クラッド3に施された予備被膜4にさらに
被膜5が施され、この被膜5が光ファイバに密着するジ
ャケットを構成する。被膜5は図示したように例えば予
備被膜4に施されていてもよく、クラッド3の表面に直
接施されていてもよく、温度により生じた光ファイバの
伝送遅延のすべてを、少なくとも反対に作用、または実
質的に相殺するのに有用である。
【0016】被膜の材料、および一般的に被膜、に要求
される特性を理論的背景の概略から明らかにする。光フ
ァイバ検知素子を例にすると、光ファイバによる検知
は、温度変化のような影響を及ぼす条件による光路長の
変化の結果として可能である。これは、ファイバの物理
長Lだけでなく、群屈折率Nを変化させる効果をもつ。
ファイバ内の遅延は、
【数1】 で表される。ここで、cは光の速度であり、光路長=N
Lである。
【0017】温度Tが変化すると、遅延が変化し、変化
の感度は、
【数2】 により与えられる。
【0018】群屈折率および長さの変化は、加算または
減算できる。長さの変化はファイバの熱膨張係数に依存
し、ボロシリケートガラスでは大きく(〜10-5)、シ
リカファイバでは小さい(〜10-6)。正味の値は通常
は温度に対して正である。
【0019】しかし、ファイバに歪が生じているときに
は、この歪による光遅延の変化は、
【数3】 で与えられる。ここでσはファイバに引き起こされる応
力である。この等式では、かっこ内の二つの項は反対の
符号をもち、したがって全体としての効果はわずかに削
減される。しかし、総和の効果は応力の増加に対して正
である。
【0020】このファイバに線膨張係数がファイバのそ
れと反対である材料で被膜が施された場合を考える。フ
ァイバが温度変化を受けているときには、二つの効果が
生じる。そのひとつは、ファイバおよび被膜の熱膨張係
数に対向する正味の効果としての長さ変化により引き起
こされる応力である。他の効果は、歪効果の結果とし
て、群屈折率Nの温度分散による群屈折率Nの変化によ
る遅延の変化である。被膜材料を適切に選択して、温度
に対する光遅延の全体としての変化を零に低減すること
ができる。ファイバおよび被膜の複合構造を解析する
と、
【数4】 で示される。ここで、Ef はファイバのヤング率であ
り、αf はその線膨張係数であり、
【数5】 である。ここで、添字「c」および「f」は、それぞれ
被膜およびファイバに関連する。Aは断面領域であり、
Eはヤング率であり、αは熱膨張率である。
【0021】数式〔数4〕および数式〔数5〕を用いて
被膜の熱膨張率は、
【数6】 1となる。ここでKC =Ac c およびKf =Af f
である。零温度感度に対しては、
【数7】 となる。単一モードのシリカファイバの典型的な値およ
び表1に示す被膜のパラメータを用いて、要求される被
膜の熱膨張係数が約−9×10-6となる。
【0022】
【表1】
【0023】約20GNm-2の弾性率の配向された熱互
換液晶ポリエステルを用いた、ナトリウム・ボロシリケ
ート多モード光ファイバおよびシリカ単一モード光ファ
イバに対して、密着した押し出し被膜パッケージを製造
した。これらのポリマは「自己補強」と呼ばれ、用いら
れるポリマは、73モル%のpオキシベンゾイル(p-ox
ybenzoyl) と27モル%の6オキシ2ナフトノイル(6-
oxy-2 naphthnoyl) を含むコポリエステルである。この
ポリマは段階的な溶融状態を有し、この状態は押し出し
被膜中に剪断および伸張的に溶融した流れにより再配列
される。この特徴を用いて、ポリマ率および熱膨張率の
範囲を与えるように、押し出し条件を調節する。典型的
な条件は、従来のポリマに比較し、高弾性率(20GN
-2)、低熱膨張率(5×10-6)を与える。
【0024】ファイバ(グレーデドインデクス・ナトリ
ウムボロシリケート多モードを二標本およびシリカ単一
モードを二標本)は、125μmの直径で、総直径が2
50μmになるようにシリコーンゴムで被膜が施されて
いた。これらは、従来の19mm単一スクリュー押し出
し装置を用いて被膜が施された。押し出し工程で引き起
こされるポリマ配向の程度を決定する重要なパラメータ
は引っ張り速度であり、ダイの断面領域の被膜の断面領
域に対する比として与えられる。例えば、標本1には1
mmのダイを用い、被膜の直径が1mmになるようにし
て、線を引っ張り速度と同じ押し出し速度で動かした。
これは、配向工程がαおよびEの双方を低い値にするこ
とを制限する。これに対して、標本2には大きな(2m
mの)ダイを用い、溶融したポリマは押し出し後に引き
下げられた。これは配向の程度を増加させ、したがって
αおよびEの大きな値が得られる。引っ張り条件によ
り、αc を小さな負の値から小さな正の値に変化させる
ことができる。線熱膨張率の測定結果を表2に示す。
【0025】
【表2】
【0026】ナトリウム・ボロシリケート・ガラスファ
イバの標本に固定された歪は非常に高レベルであり、シ
リケートファイバに非常に低レベルであることが、直接
に明らかである。これは、ポリマのα値に対するボロシ
リケートおよびシリカガラスのα値(それぞれ10-5
5×10-7)の違いにより生じる。ポリマはファイバ上
に堆積し、押し出し装置を通過することにより熱が加え
られ引き伸ばされる。ポリマおよびガラスは冷えて強く
なり、ここで固体化されたポリマはファイバの収縮を防
ぎ、したがってファイバには引っ張り力が残る。この効
果は、その大きなαのために、ナトリウム・ボロシリケ
ート・ガラスでより大きい。したがって、ファイバ材料
の膨張率はこのポリマとの関連で重要である。
【0027】ひとつの標本では、温度感度が非常に小さ
く、−20℃を中心とする温度で、被膜が施されていない
ファイバの約38ps・deg-1km-1の値が、複合フ
ァイバ構造でほとんど零に削減された。温度感度の大き
な減少およびそのセンサとしての適用性を確認するため
に、それぞれのアームに約30メートルの被膜が施され
たファイバを備えた、単一モードファイバ・マイケルソ
ン干渉計を作成した(単一モードファイバ・マイケルソ
ン干渉計は、例えば本出願人による英国特許出願第83
05154号および第8306774号に開示されてい
る。)。一方のアームは室温の安定な温度環境に配置さ
れ、他方のアームは−25℃を中心とする温度で勾配の
ついた温度環境に配置された。干渉計の出力で干渉縞の
本数が出力され、同一の温度勾配に対する被膜を施して
いないファイバと比較した。
【0028】被膜を施していないファイバの感度は、干
渉縞の本数で約8.33本C-1-1(16.66πラジ
アンC-1-1)と測定されている。被膜が施されたファ
イバの干渉縞の本数を測定したところ、平均で0.92
本C-1-1(1.84πラジアンC-1-1)であった。
これは、被膜が施されていないファイバの値の約10%
の感度削減を示す。測定された干渉縞の本数データを、
温度の関数として図2にプロットする。この図におい
て、ヒステリシスは、温度の測定に使用した熱電対と、
被膜が施されたファイバの全長に沿った実際の温度分布
との間の温度差によると考えられる。図から明らかなよ
うに、温度変位のそれぞれの方向で測定の開始後、双方
向での傾きは同じで約2°である。溶融条件および押し
出し条件を変化させ、これにより熱膨張率を変化させる
ことにより、温度変化に対する被膜が施されたファイバ
の感度をさらに削減させることができる。被膜する材料
の正しい膨張性により、ファイバの伝送遅延の、より広
い使用範囲の温度範囲にわたる温度変化に対する感度を
最小にできる。低コンプライアンスの材料を押し出し成
形することにより、被膜が施されたファイバの音響感度
を削減することも可能である。これは、特別な応用のた
めに構成されたセンサの製造を可能にする。測定によ
り、感度が被膜の施されていないシリカファイバの約1
0%に削減されることが示される。本発明により被膜が
施された光ファイバは、センサに適用して有用であると
予想される。またセンサではなく、例えばファイバを外
部共振器として用いた単一モードレーザとして高安定性
の素子を構成することもできる。
【0029】図3ないし図5には、参考例として、ジャ
ケット以外の応力手段により光ファイバの伝送遅延の温
度依存性を削減する構成を示す。
【0030】図3に示す例では、光ファイバ1に対する
応力手段が、硬いポリマを主成分とする基板10により
提供される。光ファイバ1は、スクリュークランプのよ
うな解除可能なタイプのクランプ14および15によ
り、離れた位置12および13に取り付けられる。解除
可能なクランプの代わりに、粘着化合物を用いて、直接
または取り付けブロック(図示せず)を介して間接に、
光ファイバを基板に取り付けることもできる。図3の構
成では、光ファイバ1は、あらかじめ応力が加えられな
ければならず、この後に、光ファイバの引っ張り力が使
用動作温度範囲で温度寸法変化によりはずれないよう
に、十分に確実に基板10に取り付けられる。
【0031】図3の例における光ファイバ1に代えて、
光プレーナ導波路構造、例えばLiNbO3 フィルム導
波路構造を用いることもできる。そのような構造の場合
には、そのすべての長さを基板に取り付けることが望ま
しい。しかし、このような導波路構造の剛性の観点か
ら、通常はあらかじめ応力を加える必要はない。
【0032】図4に示す例では、光ファイバ1が上述の
所望の熱膨張係数をもつポリマ強度部材21に巻かれて
いる。光ファイバ1にはあらかじめ応力が加えられてい
る。これは、光ファイバ1と強度部材21との密接な接
続を確実にし、これにより、強度部材21のどのような
変化、基本的には長さだけでなく直径の変化も、光ファ
イバ1の歪に対応する変化を引き起こす。
【0033】図5に示す例では、上述の適切な熱特性を
有するポリマのドラム31のまわりに光ファイバ1が巻
かれる。ドラム31のどのような変化、基本的には直径
だけでなく軸的な変化も、光ファイバ1の歪に変化を引
き起こす。
【0034】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば光
導波路の温度による伝送遅延を小さくすることができ
る。本発明は、実質的に温度に依存しない参照光路長を
供給するために用いるときにきわめて有用である。本発
明により、光ファイバを組み込んだ干渉計検知装置、マ
イケルソン光ファイバ干渉計、温度安定化光共振器、そ
の他光導波路の伝送遅延を基準とする装置の温度特性が
いちじるしく改善される。さらに本発明による光導波路
は、通信路に使用されるとき、その温度による伝送遅延
特性を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明実施例の光ファイバの断面形状図。
【図2】実施例の光ファイバについて測定された温度と
伝送遅延との関係を示すグラフ。
【図3】参考例の構造を示す図。
【図4】別の参考例の構造を示す図。
【図5】さらに別の参考例の構造を示す図。
【符号の説明】
1 光ファイバ 2 コア 3 クラッド 4 予備被膜 5 被膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ラマン・カシャプ 英国・アイピー4・5エイアール・サフォ ーク・イプスウィッチ・セントオービンス ロード27番地 (72)発明者 マイケル・ハーリィ・リーブ 英国・サフォーク・イプスウィッチ・ラシ ュメア・チェストナットクローズ5番地 (72)発明者 ステファン・アンソニィ・キャシディ 英国・サフォーク・イプスウィッチ・ブラ ムフォード・エンジェルロード5番地 (72)発明者 ステファン・ホーナング 英国・サフォーク・イプスウィッチ・マー トレシャムヒース・ウェストランド40番地

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 長さ方向の少なくとも一部が密着したジ
    ャケットにより包まれた光ファイバにおいて、前記ジャ
    ケットは、あらかじめ定められた温度範囲での前記光フ
    ァイバの伝送路遅延tの温度Tに対する依存性dt/d
    Tが削減されるように、その線熱膨張率αが前記光ファ
    イバの線熱膨張率と反対符号に選択され、前記光ファイ
    バの長さLおよび屈折率Nの温度変化によって生じる前
    記光ファイバの光路長変化を実質的に除去する温度依存
    性の応力σを前記光ファイバに加える大きさに形成され
    たことを特徴とする光ファイバ。
  2. 【請求項2】 前記ジャケットは負の線熱膨張係数を有
    する請求項1記載の光ファイバ。
  3. 【請求項3】 前記ジャケットは配向したポリマを含む
    請求項1記載の光ファイバ。
  4. 【請求項4】 前記ポリマはサーモトロピック液晶ポリ
    マである請求項3記載の光ファイバ。
  5. 【請求項5】 前記ジャケットは光ファイバの予備被膜
    に付けられた被膜材料である請求項1記載の光ファイ
    バ。
  6. 【請求項6】 前記ジャケットは−5×10-6のオーダ
    の熱線膨張率を有する材料により形成された請求項1記
    載の光ファイバ。
  7. 【請求項7】 前記光ファイバは単一モード・シリカ光
    ファイバである請求項1記載の光ファイバ。
  8. 【請求項8】 前記ジャケットは20GNm-2のオーダ
    の弾性率を有する材料により形成された請求項1記載の
    光ファイバ。
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