JPS61500458A - 光導波路 - 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】 先導波路 〔技術分野〕 本発明は先導波路に関し、特に、限定するのではないが、ファイバおよび光フア イバ導波路の被膜に関する。

〔背景技術〕

光誘導領域を備えており、通常はｎｌ＜ｎ、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。

例えば光通信および光フア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。

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０例えば、公開されたヨーロッパ特許出願第ＥＰ− Ａ−００７６５７５号（「温度変化の影響を受けない光ファイバ」、ヒエーズ・ エアクラフト・カンパニ）は、高温度での動作に適した光ファイバを開示してい る。この第ＥＰ−Ａ−００７６５７５号の開示によると、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。被膜は、アルミニューム または他の金属または合金であり、例えば、ファイバを溶融バスを通過させて引 き出すことによりファイバに施すことができ、このようにして被膜の施されたフ ァイバは、この後にセ氏数百度の温度でアニールされる。第ＥＰ−Ａ−００７６ ５７５号には、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が供給されると、伝送損失の温度依存性が一２ ００℃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。

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（ＯｐｔＬｗｕ＋ｓ　Ｄｅ−ｓｉｇｎ　ｏ ｆ　Ｃｏａｔｅｄ　０ｐｔｉｃａｌ　Ｆｉｂｅｒｓ　Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ　 Ｅｘｃｅｓｓ　ａｔ　Ｌｏｉｓ　Ｔｅｍ−ｐｅｒａｔｕｒｅ）　Ｊ　、ケイ・マ スノ　（Ｋ、Ｍａｓｕｎｏ）およびケイ・イシハラ（Ｋ、ｌ５ｈｉｈａｒａ）　 ％ジャーナル・オブ・オプティカル・コミュニケーション（Ｊ、Ｏｐｔ、Ｃｏ＠ ｍ、）第３＠　（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、１Ｏ−ｓｔ−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 でる。

光導波路中の伝送遅延の温度依存性を制限することが本発明の目的である。

〔発明の開示〕

本発明の第一の様相によれば、光導波路内の伝送遅延の温度依存性を制限する方 法は、加えられた応力により引き起こされた伝送遅延の変化が温度により引き起 こされた遅延変化に反対に作用するように、温度に依存する応力を導波路に加え る構成の応力手段に光ファイバを取り付ける。

本発明の他の様相によれば、先導波アセンブリは、先導波路と、この導波路に取 り付けられ加えられた応力により引き起こされた伝送遅延の変化が温度により引 き起こされた遅延変化に反対に作用するように温度に依存する応力を導波路に加 えることのできる応力手段とを備える。

先導波路は光ファイバであることが便利である。あるいは、光導波路は、例えば 、ＬｉＮｂＯ３（リチェームイノベート）のようなプレーナ基板に誘導領域が埋 め込まれた光導波構造を含んでもよい。

応力手段は、別々の離れた位置で導波路に取り付けられ、導波路または導波路に 取り付けられた中間材料に直接に接する。

導波路と応力手段との取り付けは、摩擦によるだけでもよく、例えば粘着化合物 を用いてもよい。

応力手段は導波路のまわりにスリーブを含むことが望ましい。

あるいは、応力手段は、例えば光フアイバケーブルの補強部材のような保持部材 でもよい。

本発明の望ましい実施例では、先導波路は光ファイバを含み、応力手段は光ファ イバの周囲または少なくともその長さ方向に密着するジャケットを形成す°るス リーブを含む。

例えば光フアイバ内の温度が引き起こした伝送遅延の変化は、ファイバの長さお よびファイバの屈折率の変化に結合して引き起こされる。これらの伝送遅延の変 化は、本発明に従って加えられた応力により生じたファイバの歪およびまたは屈 折率の変化により反対に作用される。ジャケットは、ジャケットの動作により生 じる伝送遅延の変化が、熱的に引き出された変化を実質的に相殺するように選択 される。

本発明のさらに望ましい形態は、光ファイバが複数の材料の混合体であり、した がってファイバの線熱膨張係数が伝送遅延のすべての変化を決定する構造であり 、ジャケットはその線熱膨張係数がファイバと反対の値の材料を含む。

さらに望ましい形態は、本発明は、正の線熱膨張係数を有するファイバと、負の 線熱膨張係数を有する材料のジャケットとを含む。

ジャケットは液晶ポリマで形成されると都合がよい、ポリマは光フアイバ上に成 形される。

本発明は、例えば、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。

したがって、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 化に対する固をの感度により、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しばしば実現される。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。

本発明は、温度の変化によるファイバの光遅延を減怒させる効果を有する材料で 被膜が施された光ファイバ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。

本発明は、理論的モデルに間して、以下の関連する図面を例にさらに説明される 。

〔図面の簡単な説明〕

第１図は被膜が施された光ファイバの断面形状である。

第２図は、本発明により被膜が施された光ファイバの、干渉を利用した方法で測 定された、温度と伝送遅延との関係を示すグラフである。

第３図ないし第５図は本発明の他の実施例を示す。

〔発明を実施するための最良の形態〕

第Ｆ図を最初に参照すると、光ファイバｌはクラフト３に埋め込まれたコア２を 含み、予備被膜４に被膜５が施され光ファイバ１に密着するジャケットを形成し ている。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 ランド３の表面に直接施されていてもよ（、温度により生じた光ファイバ１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存用で ある。

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。光フア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ｌの変化の結果として可能である。

これは、ファイバの物理長しだけでなく、群圧折率Ｎを変化させる効果をもつ、 ファイバ内の遅延は、 で表される。ここでＣは光の速度であり、１−ＮＬである。

温度Ｔが変化すると、遅延が変化し、変化の感度は、により与えられる。

＃屈折率および長さの変化は、加夏または減夏できる。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−’）　、シ リカファイバでは小さい（〜１０−’）　、正味の値は通常は温度に対して正で ある。

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、 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。

このファイバに＆ＩＩＩＭ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、群圧折率Ｎの温度分散による群圧折率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制 限することができる。ファイバおよび被膜の複合構造を解で示される。ここで％ Ｅｆはファイバのヤング率であり、α、はその線膨張係数であり、 Ｋ−（八ｃ　Ｅｃ（ｘｃ　＋ＡｆＥ（αｔ　）／　（Ａｃ　Ｅｃ　十Ａｒ　Ｅｔ 　）　−−−−（５１である。ここで、添字ｒｃＪおよびｒｆＪ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。

式（４）および（５）を用いて被膜の熱膨張率は、Ｅｃ となる、ここでＫｃ−ＡｃＥ、およびＫｔ　−Ａｔ　Ｅｔである。零温度感度に 対しては、 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第１表に示した被膜の パラメータを用いて、要求される被膜の熱膨張係数が約−９Ｘ１０−　となる。

約２０　ＧＮｍ−”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フケージが製造された。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−ｏｘｙｂｅｎｚｏｙｌ）と２７モル％の６オキシ２ナフトノイル（６− ｏｘｙ−２ｎａｐｂｔｈｎｏｙｌ）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！１節する。典型的な条件は、従来のポリマ に比較し、高弾性率（２０ＧＮｍ−リ、低熱膨張率（５Ｘ１０−”）を与える。

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、１２５μの直径で、総直径が２５０μ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１９ｍ−単 一スクリニ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０例えば、標本ｌには １１のダイを用い、被膜の直径が１−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（２■■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、α１を小さ な負の値から小さ弯正の値に変化させることができる。＆Ｉ熱膨張率は以下のよ うに測定された。

標本番号　歪　直径　線速度　ダイ　αＸｌ０−”　Ｅナトリウム・ボロシリケ ート多モードファイバ１、　０．３０　％　１．０ｍｍ　１７．５ｓ／ｓ　ｌａ ｓ　−２，３１３，０ＧＮｍ　−”２、　０．２９　％　１．０ｍｍ　２２．５ ｓ／ｓ　２ｍｍ　−６，３２６，５ＧＮｍ　−”シリカ単一モードファイバ ３、　０．０５　％　０．９ｍ＋＋＋　１０．０ｓ／ｓ　２ｍｍ　−３，７２１ ，１ＧＮｍ　−”４、　０．０９　％　２．０ｍｍ　１．０ｓ／ｓ　２ｍｍ　２ ６．５ＧＮｍ　−”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”と５×１Ｏ−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。

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−’ｋｍ−’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ｙす 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８３０５１５４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、他方のアームは一２５℃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。

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８．３３零〇”ｍ−’ 　（１６，６６ｔｔラジアンＣ−’ｍ”）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０．９２零Ｃ−’ｍ−’　（１ ，８４πラジアンＣ−’　ｍ　−’　）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 、温度の関数として第１図にプロットする。

第１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 ０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ｙ 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１０％に削減されるこことが示される０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。

第　１　表 成分とする基板１０により供給される。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。解除可能なりランプの代わりに、粘着化合物を用いて、 直接または取り付はブロック（図示せず）を介して間接に、ファイバを基板に取 り付けることもできる。

第３図の構成では、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、ファイバの弓［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。

第３図の例では、光ファイバは光プレーナ導波路構造、例えばＬｉＮｂ０．薄フ イルム導波路構造で容易に置き換え可能であることは明らかであり、このような 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。

第４図には、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２！ に巻かれた構造である。ファイバ１には、あらカしメ応力が加えられている。こ れは、ファイバと強度部材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、ファイバｌ の歪に対応する変化を引き起こす。

第５図には、上述の適切な熱特性を有するポリマのドラム３１のまわりに巻かれ たファイバ１が示されている。ドラムのどのような変化、基本的には直径だけで なく軸的な変化も、ファイバ１の歪に変化を引き起こす。

−３０−２８−２６−２（、−２２ セ氏　３哀 国際調査報告 −１−−Ａ−―−ｋ　ＰｃＴ／ＧＢ　８４１００３５４

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．加えられた応力により引き起こされた伝送遅延の変化が温度により引き起こ された遅延変化に反対に作用するように、温度に依存する応力を導波路に加える 構成の応力手段に光ファイバを取り付ける光導波路の伝送遅延の温度依存性を削 減する方法。 ２．導波路を密着するジャケットに包み込む請求の範囲第１項に記載の方法。 ３．応力手段は導波路の線熱膨張率と反対の線熱膨張率を有する請求の範囲第１ 項または第２項に記載の方法。 ４．応力手段は負の線熱膨張率を有する請求の範囲第１項ないし第３項のいずれ かに記載の方法。 ５．導波路は配向したポリマにより形成された応力手段に取り付けられた請求の 範囲第１項ないし第４項のいずれかに記載の方法。 ６．応力手段は液晶ポリマの押し出しにより形成される請求の範囲第５項に記載 の方法。 ７．応力手段がジャケットに密着して光ファイバの伝送遅延の温度依存性を削減 する請求の範囲第１項ないし第６項のいずれかに記載の方法。 ８．ジャケットは光ファイバの予備被膜に付けられる請求の範囲第７項に記載の 方法。 ９．ジャケットの材料はファイバの上に押し出し形成されろ請求の範囲第７項ま たは第８項に記載の方法。 １０．押し出し形成された材料の弾性係数およびまたは温度係数は、少なくとも 部分的に押し出し条件により決定される請求の範囲第６項ないし第９項のいずれ かに記載の方法。 １１．導波路はあらかじめ応力が加えられ、応力手段はあらかじめ応力の加えら れた導波路に取り付けられる請求の範囲第１項ないし第１０項に記載の方法。 １２．取り付けは少なくとも基本的には摩擦接触による請求の範囲第１項ないし 第１１項に記載の方法。 １３．光導波路と、この導波路に取り付けられ加えられた応力により引き起こさ れた伝送遅延の変化が温度により引き起こされた遅延変化に反対に作用するよう に温度に依存する応力を導波路に加えることのできる応力手段とを備えた光導波 アセンブリ。 １４．導波路は光ファイバである請求の範囲第１３項に記載のアセンブリ。 １５．応力手段は光導波路のまわりにスリーブ部材を含む請求の範囲第１２項ま たは第１３項に記載のアセンブリ。 １６．スリーブは導波路のまわりに密着するジャケットを形成する請求の範囲第 １５項に記載のアセンブリ。 １７．導波路はあからじめ応力が加えられ、このあらかじめ応力が加えられた状 態で応力手段に取り付けられた請求の範囲第１６項に記載のアセンブリ。 １８．導波路は離れた複数の位置で応力手段に取り付けられた請求の範囲第１３ 項ないし第１５項に記載のアセンブリ。 １９．少なくともその長さの一部が、加えられた応力により引き起こされる伝送 遅延の変化が温度により引き起こされた変化に反対に作用するように、包み込ま れた光ファイバに熱依存応力を加えることのできる密着するジャケットで包まれ た光ファイバ。 ２０．ジャケットは、光ファイバの熱線膨張率と反対の熱線膨張係数を有する請 求の範囲第１９項に記載の光ファイバ。 ２１．ジャケットは負の線熱膨張係数を有する請求の範囲第１９項または第２０ 項に記載の光ファイバ。 ２２．ジャケットは被膜を含む請求の範囲第１９項ないし第２１項のいずれかに 記載の光ファイバ。 。２３．ジャケットは配向したポリマを含む請求の範囲第１９項ないし第２２項 のいずれかに記載の光ファイバ。 ２４．ポリマはサーモトロピック液晶ポリマである請求の範囲第２３項に記載の 光ファイバ。 ２５．ジャケットはファイバの予備被膜に付けられた被膜材料である請求の範囲 第１９項ないし第２４項のいずれかに記載の被膜が施された光ファイバ。 ２６．ジャケット材料は―５×１０−６のオーダの熱線膨張率を有する請求の範 囲第１９項ないし第２５項のいずれかに記載の光ファイバ。 ２７．光ファイバは単一モード・シリカ光ファイバである請求の範囲第１９項な いし第２６項のいずれかに記載の光ファイバ。 ２８．ジャケット材料は２０ＧＮｍ−２のオーダの弾性率を有する請求の範囲第 １９項ないし第２７項のいずれかに記載の被膜が施された光ファイバ。 ２９．請求の範囲第１９項ないし第２７項にいずれかに記載の二つまたはそれ以 上の光ファイバが共通の被膜を備えた光ファイバアセンブリ。 ３０．請求の範囲第１９項ないし第２９項のいずれかに記載の被膜が施された光 ファイバを組み込んだ干渉計検知装置。 ３１．マイケルソン光ファイバ干渉計である請求の範囲第３０項に記載の検知装 置。 ３２．請求の範囲第１３項ないし第１８項のいずれかに記載の光導波アセンブリ を含む温度安定化光共振器。 ３３．請求の範囲第１９項ないし第３１項のいずれかに記載の特定の長さの光フ ァイバを含む温度安定化光共振器。