JPH10505920A - 圧縮により波長可変としたファイバグレーティング - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ブラッググレーティングといった反射要素（２６）はオプティカルファイバ（２４）に埋め込まれており、反射波長が、上記グレーティング（２６）を圧縮することによって可変とされている。オプティカルファイバは、引っ張りよりも圧縮に対してより強度を有するため、上記グレーティング（２６）は、通常の引っ張り／伸長法よりも広い領域で波長可変となっている。

Description

【発明の詳細な説明】 圧縮により波長可変としたファイバグレーティング 引用する関連出願 同時係属中の米国特許出願、（ＵＴＣドケット番号Ｎｏ．Ｒ−３８６４）、名 称“圧縮により波長可変としたファイバレーザ”が、本願と同時に出願されてお り、上記出願についても本願における開示内容に関連する内容を含んでいる。 技術分野 本発明は、ブラッググレーティングに関し、より詳細には、波長可変ブラッグ グレーティングに関する。 背景技術 オプティカルファイバの分野においては、一つ以上のブラッググレーティング をオプティカルファイバコア中に埋め込むことが知られている。ブラッググレー ティングは、そこに入射した光線の所定の波長バンドを反射させ、また、その残 りの光線を透過させるようになっていることが知られている。また、ブラッググ レーティングは、例えばセンサデバイスやファイバ通信用部品等多くの用途を有 していることが知られている。これらは、波長可変反射要素を提供することがで き、ファイバセンサ内でのトランスデューサ要素、ファイバのための波長制御デ バイス、半導体、固体レーザ等、通信シ ステムにおける波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）部品、波長アナライザ、信号 処理システム部品、その他の用途において使用することができる。上記デバイス の多くは、上記ファイバグレーティング要素が大きな波長可変範囲を有していれ ばより一層改善されることになる。 ファイバブラッググレーティングは、上記ファイバグレーティングを伸長させ ることで波長可変（変化）させることができる。例えば、このための一つの技術 としては、上記グレーティングに圧電式伸長機（可変器）を取り付け、印可電圧 に依存させつつ伸長させたり、又は、上記グレーティングを電圧が印可されると 伸長する円筒状のマンドレルに巻き付ける等の方法があるが、これらについては 、モーレイ（Ｍｏｒｅｙ）等に付与された米国特許第５，００７，７０５号に開 示のものである。これらとは別の多くの伸長技術が用いられているが、これらに ついては上述の特許においても論じられている。 しかしながら、上記ファイバが伸長される量（引っ張り歪みが与えられる量） 、すなわちその最大波長可変領域は、上記ファイバの引っ張り強度により制限さ れていた。特にブラッググレーティングが伸長される場合には、上記ブラッググ レーティング反射波長範囲は、１．５５μｍ波長領域において約１．２ナノメー タ（ｎｍ）／ミリストレイン（ｍｉｌｌｉｓｔｒａｉｎ）で変化することが知ら れている。典型的な通信用グレードのオプティカルファイバ及び導波路は、石英 すなわち二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）によって製造されており、これは、ヤング弾 性率が１．０２ｘ１０⁷ＰＳＩである。 従って、５０ｋｐｓｉで規格試験される典型的なオプティカルファイバについて は、長期間安全に加えられるには最大歪みの約１／２％（（ΔＬ／Ｌ）＊１００ ；上式中、Ｌは、伸長されるファイバの長さである。）が、上記ファイバを現実 に破断させてしまうような上記ファイバ強度の劣化を生じさせずに加えられるに すぎない。これは、上記引っ張り歪みによるブラッググレーティング波長可変最 大量を約５ｎｍに制限してしまうこととなる。 これとは別に、ファイバグレーティングは、温度変化によっても波長可変とす ることができる。この場合には、ブラッググレーティングを加熱し、これらの要 素を膨張させて屈折率の変化を生じさせる。温度に対する上記ブラッグ反射波長 の変化は、約０．０１１ｎｍ／℃である。このような温度波長可変は、上記ブラ ッググレーティングの反射率の大きさが劣化するという悪影響があり、これは、 熱アニーリングが生じてしまうことによるものである。この様な劣化は、上記グ レーティングの有効性を低減させてしまうことになる。特定のファイバ、製造方 法、ファイバへのコーティング及びグレーティングの規格に応じて、約２００℃ を超える高い温度で著しいグレーティングの劣化が発生してしまうので、上記フ ァイバグレーティングの現実的な波長可変幅は、約２ｎｍに制限されてしまう。 しかしながら、多くの用途においては、できるだけ広い波長可変範囲で波長可 変なファイバブラッググレーティングを提供することが望まれていた。 発明の開示 本発明の目的は、波長可変幅の広いファイバブラッググレーティングを提供す ることにある。 本発明に従えば、波長可変反射要素は、反射波長において入射光線を反射させ る反射要素と、上記反射要素を圧縮して上記反射波長を変化させるための圧縮手 段と、を有している。 さらに本発明によれば、上記波長可変要素は、ブラッググレーティングを有し ている。 本発明は、従来の波長可変ファイバグレーティングに対して著しい改良が加え られているものであるが、これは、圧縮応力を引っ張り応力（すなわち、上記グ レーティングを伸長させるものである）に変えて用いることにより、上記ファイ バグレーティングを、例えば４５ナノメータ（ｎｍ）といったより広い範囲で連 続的に波長可変とすることを可能とするものである。これは、主として、上記オ プティカルファイバが、引っ張りよりも圧縮に対して２３倍も強いことに起因し ており、このことによって従来よりもより大きな波長可変範囲が達成されるもの である。また、我々は鋭意検討の結果、上記波長可変性は、両方向（すなわち、 圧縮方向及び弛緩方向）に繰り返すことができることを見いだしたのである。 本発明の上記目的及びその他の目的、特徴及び効果については、添付の図面を 用いて説明する代表的な実施例の説明によってより明確となろう。 図面の簡単な説明 図１は、本発明の圧縮による波長可変ファイバグレーティングの 実施例を示した概略的なブロック図である。 図２は、本発明の圧縮による波長可変ファイバグレーティングについて、圧縮 応力に対して反射波長をグラフとした図である。 図３は、本発明の圧縮ファイバグレーティングを圧縮するための圧縮デバイス の分解斜視図である。 図４は、本発明の圧縮による波長可変ファイバグレーティングを圧縮するため の圧縮デバイスの一部分解斜視図である。 図５は、一端がブロックされ、かつ、内部をファイバがスライドできるように された本発明の固定フェルールの側面図である。 発明の最良の実施態様 図１には、ポンプ光源１０、例えばレーザダイオード等を示しているが、これ は、オプティカルファイバ１４に対して広い波長範囲の光信号１２を与えている 。このソース信号１２は、良く知られた２ｘ２波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ ）１８のポート１６に供給される。上記ソース信号１２は、上記入力光線が所定 量、例えば５０％だけカップリングされて、上記ＷＤＭ１８の上記出力ポート２ ０へ送られ、上記ファイバ２４への光学的信号２２となる。上記オプティカルフ ァイバ２４に対し、このファイバ２４（例えば直径が約１２５μｍのＳｉＯ₂製 オプティカルファイバ）内に埋め込まれたブラッググレーティング２６へと入射 が行われる。上記ファイバグレーティングは、グレン（Ｇｌｅｎｎ）等の米国特 許第４，７２５，１１０号、名称“ファイバ光学部品内にグレーティングを埋め 込む方法”において開示のものと類似してはいるが、所望によりい かなる波長可変グレーティングを使用することもできる。上記ファイバグレーテ ィング２６は、反射波長λ_bを中心とした所定の波長幅を有する光線２８を反射 し、上記入射光線２２のうちの残された波長（所定の光学的範囲の）を通過させ るが、これをファイバ３４に沿ったライン３０によって示している。上記ファイ バ２４，３４は、上記グレーティングが埋め込まれた同一のファイバである。 上記反射信号２８は、上記ファイバ２４に沿って進行して行き、上記ポート２ ０において上記カップラ１８に再度入射する。上記カップラ１８は、上記光線２ ８の所定量（例えば５０％）をライン３７によって示されるようにファイバ３６ に沿ってポート３５へとカップルさせる。上記ファイバ３６は、スペクトラムア ナライザ３８に導かれており、このスペクトラムアナライザ３８は、上記ソース １０の波長領域にわたった上記グレーティング２６の上記光学的波長反射プロフ ァイルを示した電気的信号をライン４０に与えるようになっている。 上記光線１２の残りの部分例えば５０％は、ライン４６で示されているように ファイバ４４に沿ってポート４２へとカップルされている。上記ファイバ４４は 、角度を付けられた面によって端部４８が形成されており、及び／又は上記ポー ト４２においていかなる光線でも上記カップラ１８へと反射されて戻らないよう 、アンチリフレクションコートが施されている。オプティカルアイソレータ５０ は、上記ファイバ１４に沿って備えられていても良く、上記信号２８が、上記ポ ート１６へとカップルして上記ソース１０を損傷又は攪乱させないようにしてい る。 上記ファイバグレーティング２６は、ファイバ圧縮デバイス９０内に通され（ より詳細には後述する）、正確にその長手方向軸に沿って上記ファイバの圧縮が 行われるようになっているとともに、上記ファイバがバックリングしないように されている。通常、上記圧縮デバイス９０は、上記ファイバ２４が通される可動 ピストン９２と、上記ファイバ３４が同様に通される固定部分９４と、を有して いる。上記ピストン９２と上記ピストン９４の間に、上記ファイバグレーティン グ２６がフェルールを介して通されている（図１には図示せず）。上記ファイバ ２４は、上記可動ピストン９２へと固定され（例えば膠又はエポキシ樹脂による ）、上記固定部分９４は、また、上記ファイバ３４に取り付けられている。ステ ッパモータ９８は、機械的リンケージ１００によって上記ピストン９２へと連結 されていて、上記ピストン９２を動かし、かつ、上記ファイバグレーティング２ ６を、長手方向に圧縮して上記反射信号２８の波長を可変としている。上記ステ ッパモータ９８は、高分解能４００ステップ／回転のステッパモータであり、１ ０，０００ステップ／回転のマイクロステッピングモードで駆動できる例えば、 メルグリオ（Ｍｅｌｌｅｓ Ｇｒｉｏｔ）製のナノムーバ（ＮＡＮＯ−ＭＯＶＥ Ｒ）マイクロポジショナシステムを挙げることができる。このシステムによれば 、リニア変位分解能を＋／−５０ｎｍ／ステップ、及び波長分解能を＋／−２ピ コメートル、すなわち、１５５０ｎｍにおいて周波数を＋／−２５０ＭＨｚとす ることができる。 上記ステッパモータ９８は、ステッパモータ駆動回路１０４からのライン１０ ２を介した電気的信号によって駆動されている。上記 ドライブ回路１０４は、既知の電気機器を有していて、上記ステッパモータ９８ 、従って、上記ピストン９２をライン１０６の電気信号に対応して、所望するブ ラッグ波長λ_bに対応した所望の位置へと駆動させるに必要な駆動信号を与えて いる。 図２に示すように、我々は、上記オプティカルファイバの主要成分となってい る石英（ＳｉＯ₂）が、約２３倍引っ張りに対するよりも圧縮に対して強いこと を見いだした。これによって圧縮により、より広い波長可変領域が得られること がわかる。特にわれわれは、０から４２５ｋｐｓｉの印加応力範囲、すなわち４ ．２％の圧縮歪み（（ΔＬ／Ｌ）＊１００；上式中Ｌは、圧縮するファイバ長さ である）にわたって、波長可変領域が４５ｎｍであることを見いだした。これは 、上記ファイバに約３．６ｋｇの力（負荷）を加えることによって得られたもの である。これは、従来のファイバグレーティング波長可変技術によって報告され てきた波長可変範囲よりもかなり大きなものとなっている。さらにこの圧縮は、 上記ファイバを伸長させる従来技術において発生する、ファイバ損傷のリスクが ない。また、所望により別の波長及び／又は大きな圧縮領域を使用することもで きる。また、より高い圧縮値において、ある種のノンリニア特性が発生した場合 でも、上記したようなノンリニア性を考慮に入れて、上記ステッパモータ等、力 を加えるデバイスを補償することで、従来よりもかなり大きな波長領域において 予測可能な波長可変性を与えることができる。 ここで、図３及び図４には、図１で前述した上記ファイバ圧縮デバイス９０の 一つの実施例を示すが、これは、約３．７５インチ、 すなわち、９．５３ｃｍの長さを有し、かつ、上記デバイス９０を支持するため のベース２００を備えている。上記ファイバ２４は、金属チューブ（又はスリー ブ）２０２を通して供給され、この金属チューブは上記ピストン９２に取り付け られている。上記ピストン９２は、約３．５ｃｍの長さを有しており、上記ベー ス２００内の半円形のガイド２０４に沿ってスライドするようになっている。上 記ファイバ２４は、上記チューブ２０２の長さに沿って上記チューブ２０２に取 り付けられており、上記ファイバグレーティングの圧縮中に上記ファイバ２４が スライドしてしまうのを防止している。上記ファイバ２４は、上記ガイド２０２ を出て、上記ファイバグレーティング２６（図示せず）は、連なった３つのフェ ルール２０６を介して通されている。上記フェルールは、それぞれが約１．３ｃ ｍの長さを有し、所定の均等な約１ｍｍの離間（ギャップ）２０８をそれぞれの 間に有している。この様にすることによって、固定されていない部分のファイバ 部分を上記圧縮領域外へと突き出させることができ、ファイバのバックリングの 可能性を最低限とすることができる。 上記複数のフェルールは、上記ベース２００内の半円形トラック２０９に沿っ て自在にスライドするようにされている。上記ファイバグレーティング２６の出 力としての上記ファイバ３４は、上記ベース２００に取り付けられている別の金 属チューブ２１０に送られる。また、上記ファイバ３４は、上記チューブ２１０ の長さにわたって上記チューブ２１０に固定されており、上記ファイバ３４が、 上記ファイバ３４の圧縮中にスライドしてしまわないようにしてい る。溝２２１を備えたカバー２２０は、上記フェルール２０６の頂部に設けられ ていて、それらを安定化させているとともに、それらを“クラムシェル”型の配 置で整列させている。圧縮が行われる全ギャップは、約３ｃｍである。これと別 の圧縮長さであっても所望により用いることができる。また、上記フェルール、 上記ピストン９２、ベース２００及び上記圧縮デバイス９０のこれらとは別の部 品すべてについて、別のサイズ及び離間を所望により用いることができる。また 、上記離間２０８は、所望により圧縮される上記全ファイバのほとんどにわたっ て形成されるように設定することもできる。さらに、上記圧縮ファイバが開放さ れた場合に、上記フェルールの離間２０８にスプリング（図示せず）を使用して 、上記フェルール２０６をそれらの本来の位置に戻してやることもできる。 上記チューブ２０２は、さらに、上記ピストンにカバー２２６によって固定さ れており、上記ピストン９２は、上側に覆いかぶさっているアーム２２２，２２ ４によって上記ガイド２０４に保持されている。また、上記チューブ２１０は、 カバー２２８によってさらに上記ベース２００に取り付けられている。上記チュ ーブ入り口２０２及び上記チューブの出口２１０における上記ファイバの破断を 可能な限り低減させるため、上記ファイバは、上記チューブの上記端部までは接 着すべきではなく、それぞれのチューブ端に至る以前に上記接着が終わっている ようにするべきである。この様にすることによって、上記チューブが、上記圧縮 デバイス９０の上記入り口点及び上記出口点において上記ファイバに加えられる 歪みの量を規制するシースとして機能することになる。 図３、図４に示すような３つのフェルールを使用するかわりに、所望により、 より多く、又は、より少ないフェルールを使用することもできる。また、上記複 数のフェルールをスライドさせるかわりに、それらの一つ又はそれ以上を上記ベ ース２００に固定して、上記ファイバがそれらの内部をスライドするようにして も良い。さらに、上記グレーティング２６は、例えば、プラスチックコーティン グ等いかなるコーティングも引き剥がされていても良く、又、適切に上記コーテ ィングが圧縮できるようにされていれば上記コーティングが所望により上記ファ イバ上に残されていても良い。 さらにまた、上記グレーティング２６の双方の出力を使用するかわりに、上記 グレーティングとして、所望に応より反射モードで使用することもできる。この 場合には、上記ファイバ３４は、上記圧縮デバイス９０には必要ではない。 図５には、上記ファイバの両端を固定するかわりに、固定された一つの端部を 有するファイバグレーティングを用いた場合に、上記ファイバ３００の未使用端 部が、固定された（動かない）フェルール３０２を介して通され、上記フェルー ル３０４の一端においてホールが、硬い面（又はプレート）３０６によってブロ ックされているのが示されている。上記プレート３０６が石英製であれば、上記 ファイバ３００の端部からの反射は、最低化することができる。 上記ファイバグレーティング２６のオプティカルファイバは（図１）、いかな るガラス（例えばＳｉＯ₂、燐酸ガラス、又は、これらとは別のガラス）又は、 ガラス及びプラスチック、又は、単なるプラスチックで製造されていても良い。 また、オプティカルファイ バのかわりに、光を収容し、増幅可能なものであれば、例えば平面導波路といっ たいかなる別の光導波路を使用していても良い。また、ブラッググレーティング のかわりに、反射波長が圧縮力を加えることで可変とされるいかなる反射型光学 要素であっても所望に応じて使用することができる。さらに、知られているよう に、ファイバブラッググレーティングは、反射または透過型のいずれも使用する ことができる。本願の開示は、反射波長のシフトを考慮して行ってきたが、本発 明は、透過を用いても等しく使用することができる。 また、本発明は、圧縮デバイス９０（図１）についてのいくつかの特定の実施 例をもって説明してきたが、上記ファイバを長手方向軸に圧縮できるいかなるデ バイスであっても、上記ファイバをバックリングさせることなく圧縮させられる ようなものであれば使用できる。さらに、上記ステッパモータ９８を使用するか わりに、上記ファイバグレーティングの上記長手方向軸に沿って長手方向の圧縮 力を加え、反射波長を変化させることができるいかなる装置であっても所望によ り使用することができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 入射光線を規制し、かつ、伝搬させるための光導波路と、 前記入射光線を反射波長において反射させるための前記光導波路に埋め込まれ た反射要素と、 所定範囲より大きな波長範囲で前記反射要素を波長可変とし、かつ、前記反射 波長を変化させるための前記反射要素を圧縮するための圧縮手段と、を備え、 前記所定範囲が、それぞれ５ｎｍ、１０ｎｍ、１５ｎｍ、２０ｎｍ、３０ｎｍ であることを特徴とする波長可変反射要素。 ２． 前記反射要素は、ブラッググレーティングを有していることを特徴とする 請求項１に記載の波長可変反射要素。 ３． 前記光導波路は、オプティカルファイバであることを特徴とする請求項１ に記載の波長可変反射要素。 ４． 前記光導波路は、石英を有していることを特徴とする請求項１に記載の波 長可変反射要素。 ５． 内部に反射要素が埋め込まれたオプティカルファイバを圧縮する圧縮ステ ップと、前記反射要素の反射波長を変化させ、かつ、前記反射波長を所定範囲を 越えて可変とするステップとを有し、前記所定範囲が、それぞれ５ｎｍ、１０ｎ ｍ、１５ｎｍ、２０ｎｍ、 ３０ｎｍであることを特徴とする反射要素の反射波長可変方法。 ６． 前記圧縮ステップは、さらにブラッググレーティングを圧縮するステップ を有することを特徴とする請求項５に記載の方法。 ７． 前記反射要素は、埋め込まれたブラッググレーティングを有することを特 徴とする請求項５に記載の方法。 ８． 前記光導波路は、石英を有していることを特徴とすることを特徴とする請 求項５に記載の方法。 ９． 前記光導波路は、オプティカルファイバであることを特徴とする請求項５ に記載の波長可変反射要素。