WO2000055659A1

WO2000055659A1 - Dispositif de correction de la temperature pour communication optique

Info

Publication number: WO2000055659A1
Application number: PCT/JP2000/001239
Authority: WO
Inventors: Takahiro Matano; Akihiko Sakamoto; Hirokazu Takeuchi
Original assignee: Nippon Electric Glass Co., Ltd.
Priority date: 1999-03-12
Filing date: 2000-03-02
Publication date: 2000-09-21
Also published as: CA2368310A1; EP1178336A4; EP1178336A1; TW414868B; CN1184500C; AU2826000A; AU772223B2; KR20010113740A; JP2000266943A; CN1350650A

Description

明細書光通信用温度補償デバィス技術分野

本発明は、負の熱膨張係数を有する基材を使用した光通信用温度補償デバィスに関するものである。背景技術

光通信技術の進歩に伴い、光フアイバを用いたネットワークが急速に整備されつつある。ネットワークの中では、複数の波長の光を一括して伝送する波長多重技術が用いられるようになり、波長フィルタや力ブラ、導波路等が重要なデバイスになりつつある。

この種のデバイスの中には、温度によって特性が変化し、屋外での使用に支障を来すものがあるため、このようなデバイスの特性を温度変化によらずに一定に保つ技術、いわゆる温度補償技術が必要とされている。

温度補償を必要とする光通信デバイスの代表的なものとして、フアイバブラッググレーティング（以下、 F B Gという）がある。 F B Gは、光ファイバのコア内に格子状に屈折率変化を持たせた部分、いわゆるグレーティングを形成したデバイスであり、下記の式（ 1 ) に示した関係に従って、特定の波長の光を反射する特徴を有している。このため、波長の異なる光信号が 1本の光ファイバを介して多重伝送される波長分割多重伝送方式の光通信システムにおける重要な光デバイスとして注目を浴びている。

λ = 2 η Λ … （ 1 )

ここで、！は反射波長、 ηはコアの実効屈折率、 Λは格子状に屈折率に変化を設けた部分の格子間隔を表す。

しかしながら、このような F B Gは、その周囲温度が変化すると反射波長が変動するという問題がある。反射波長の温度依存性は数 1の式を温度 Τで微分して得られる下記の式（2 ) で示される。 d λ /Θ Ύ = 2 [ (d n/d T) A + n (d A/d T) ]

- 2 Λ [ (θ n/a T) + n (d A/d T) /A] … (2) この式（2) の右辺第 2項の（3 ΛΖ 3 Τ) ノ Λは光ファイバの熱膨張係数に相当し、その値はおよそ 0. 6 X 1 0— ⁶/°Cである。一方、右辺第 1項は光ファィバのコア部分の屈折率の温度依存性であり、その値はおよそ 7. 5 1 0_⁶Z°C である。つまり、反射波長の温度依存性はコア部分の屈折率変化と熱膨張による格子間隔の変化の双方に依存するが、大部分は屈折率の温度変化に起因していることが分かる。

このような反射波長の変動を防止するための手段として、温度変化に応じた張力を F B Gに印加し格子間隔を変化させることによって、屈折率変化に起因する成分を相殺する方法が知られている。

この方法の具体例としては、例えば熱膨張係数の小さい合金や石英ガラス等の材料と熱膨張係数の大きなアルミニウム等の金属とを組み合わせた温度補償用部材に F B Gを固定する方法が提案されている。すなわち、第 1図に示すように、熱膨張係数の小さいインバー（商標）棒 1 0の両端にそれぞれ熱膨張係数の比較的大きいアルミ二ゥム製ブラケット 1 1 a、 l i bを取り付け、これらのアルミ二ゥム製ブラケット 1 1 a、 1 1 に、留め金 1 2 3、 1 2 bを用いて光フアイバ 1 3を所定の張力で引っ張った状態で固定するようにしている。この時、光ファイノく 1 3のグレーティング部分 1 3 aが 2つの留め金 1 2 a、 1 2 bの中間にくるようにする。

この状態で周囲温度が上昇すると、アルミニウム製ブラケット 1 1 a、 l i b が伸張し、 2つの留め金 1 2 a、 1 2 b間の距離が短縮するため、光ファイバ 1 3のグレーティング部分 1 3 aに印加されている張力が減少する。一方、周囲温度が低下するとアルミニウム製ブラケット 1 1 a、 l i bが収縮し、 2つの留め金 1 2 a、 1 2 b間の距離が増加するため、光ファイバ 1 3のグレーティング部分 1 3 aに印加されている張力が増加する。この様に、温度変化によって F B G にかかる張力を変化させることによってグレーティング部の格子間隔を調節することができ、これによつて反射中心波長の温度依存性を相殺することができる。しかしながら、このような温度補償装置は、機構的に複雑になり、その取り扱いが難しいという問題がある。

そこで上記の問題を解消する方法として、 W097Z26572には、第 2図に示すように、予め板状に成形した原ガラス体を熱処理することによつて結晶化し、負の熱膨張係数を有するガラスセラミック基板 14に、 FBG 15を固定することによって FBG 15の張力をコントロールする方法が示されている。尚、第 2図中、 16はグレーティング部分、 17は接着固定部、 18は錘を示している。

WO97Z26572に開示の方法は、単一部材で温度補償が行えるため、機構的に簡単であり、取り扱いが容易であるという利点はあるが、ガラスセラミツク基板 1 5の片面に FBG 15を接着しているため、温度変化による基板の膨張時に基板が反らないように厚みを大きくすることが要求される。

またこのような基板 14を、他のデバイスと接続するには、別途コネクタが必要となり、その結果、接続部が増え、光損失が大きくなったり、デバイスコストが高くなったり、デバイスが大きくなるといつた問題がある。

また上記以外にも、特開平 10— 96827号公報には、 Z r—タングステン酸塩系、または H f —タングステン酸塩系からなる負の熱膨張係数を有する温度補償用部材が開示されているが、これらの原料は非常に高価であり、工業製品としての実用化は困難である。

さらに特開平 8— 286040号公報には、ガラスファイバよりも熱膨張係数の小さい温度補償用部材（固定部材）が開示され、この温度補償用部材は、石英ガラスの熱膨張係数である 5. 5 X 1 (T⁷Z°Cより小さい正の熱膨張係数の材料、熱膨張係数がゼロ及び負の材料から作製されるが、十分な負の熱膨張係数を有する温度補償部材は全く示唆されていない。

すなわち特開平 8— 286040号公報では、ガラスファイバよりも熱膨張係数の小さい温度補償用部材を使用すれば、恰も十分な温度補償の作用が得られるかの如く記載されているが、このような理解は全くの誤りである。つまり上記の式（1) から明らかなように、温度補償用部材として正の熱膨張係数の材料を使用しても、十分な温度補償の作用は得られないし、また具体的な材料として熱膨張係数がほぼゼロである日本電気硝子（株）製のネオセラム N— 0が示されているが、このネオセラム N— 0であっても、負の熱膨張係数が小さすぎるため十分な温度補償の作用は得られない。

それ故に、本発明の目的は、小型化でき、機構的に簡単で、十分な温度補償の作用を有する光通信用補償デバイスを提供することにある。

本発明の他の目的は、容易にかつ低コストで成形でき、しかも光ファイバとの接続方法の簡略化を図ることが可能な光通信用温度補償デバイスを提供することである。発明の開示

本発明によれば、一 4 0〜： L 0 0 °Cの温度範囲で一 1 0〜― 1 2 0 x 1 0— ⁷ での負の熱膨張係数を有し所定箇所に内孔が形成された基材と、前記内孔に位置する正の熱膨張係数を有する光部品とを含み、前記光部品は前記内孔の孔軸方向で離間した複数の特定箇所を前記基材に固定されていることを特徴とする光通信用温度補償デバィスが得られる。図面の簡単な説明

第 1図は、従来の F B Gの反射波長の温度変化に対する変動を防止する装置を示す正面図である。

第 2図は、表面に F B Gを固定した負の熱膨張係数を有するガラスセラミック基板を示す斜視図である。

第 3図は、本発明の実施例に係る光通信用温度補償デバイスの断面図である。第 4図は、第 3図の光通信用温度補償デバィスに使用された基材の斜視図である。

第 5図は、第 4図の基材の形状上の変形例を示す斜視図である。

第 6図は、第 4図の基材の形状上の他の変形例を示す斜視図である。

第 7図は、第 4図の基材の形状上のさらに他の変形例を示す斜視図である。第 8図は、第 4図の基材の製造上の変形例を示す斜視図である。

第 9図は、第 8図の基材の形状上の変形例を示す斜視図である。

第 1 0図は、第 9図の基材の製造上の変形例を示す斜視図である。発明を実施するための最良の形態

第 3図及び第 4図を参照して、本発明の実施例に係る光通信用温度補償デバィスについて説明する。図示の光通信用温度補償デバイスは、一 4 0〜 1 0 0 °Cの温度範囲で一 1 0〜一 1 2 0 X 1 0— ⁷ °Cの負の熱膨張係数を有する基材 2 1 と、正の熱膨張係数を有する光部品 2 2とを含んでいる。基材 2 1は、ここでは、所定箇所に貫通した円筒状の内孔 2 3が形成された円筒体である。光部品 2 2はブラッググレーティング部 2 2 aを含む光ファイバなどよりなり、基材 2 1の内孔 2 3に挿通され、内孔 2 3の孔軸方向で離間した複数の特定箇所を接着固定部 2 4により基材 2 1 に固定されている。

この光通信用温度補償デバイスによると、十分な温度補償の作用が得られる。しかも光部品 2 2にテンションがかかった状態でも、内孔 2 3の周囲で応力が釣り合うため、反り等の変形が発生し難い。従って基材 2 1を大きくする必要はない。さらに光部品 2 2への応力を基材 2 1の全周囲から均一にかけることができるため、光部品 2 2の耐久性を向上できる。その上、光部品 2 2の保護が可能となるため、保護カバーを必要としないから、小型化が可能となる。

なお、基材 2 1の熱膨張係数が、 — 1 0 X 1 (T ⁷ Z°Cより正の方向に近づくと、温度補償が不十分となり、また一 1 2 0 X 1 0— ⁷ Z°Cより負の方向に大きくなると、逆方向の温度依存性が見られることになる。好ましくは、基材 2 1の熱膨張係数は— 3 0〜― 9 0 X 1 0 ⁷ Z°Cである。

なお、基材 2 1の内孔 2 3は、 1つに限らず、複数であっても良い。

基材 2 1に対する光部品 2 2の固定には接着剤を使用すれば良い。その場合、基材 2 1 に、第 5図に示すように、内孔 2 3に通じる小孔 2 5を 1つ又は複数形成することは、接着剤を内孔 2 3に注入しやすいため好ましい。接着剤としては、ポリマ一（例えばエポキシ樹脂）、メタル（A u— S n等の金属ハング）、フリツト（例えば低融点ガラスフリットゃ、それと負膨張フィラ一との複合フリット）、熱硬化性樹脂、紫外線硬化樹脂等が使用され得る。

基材 2 1が縮んだ際でも光部品 2 2が橈むことがないように、光部品 2 には固定前に予めテンションを付与しておくことが好ましい。なお接着固定部 2 4の間の部分も基材 2 1 に固定されてもよい。その場合には、光部品 2 2が橈みにくいため、それにテンションを付与する必要がないという利点がある。

基材 2 1は、ダウンドロー等の溶融ガラスから直接成形してもよいし、溶融ガラスを予備成形した後に機械加工することによって所定の形状に成形してもよい。熱膨張係数に異方性を示す結晶粉末を集積させてから、焼結することによって基材 2 1 を作製してもよい。これによれば、基材 2 1が複雑な形状であっても、プレス成形、キャスト成形、押し出し成形等の方法によって容易に低コストで成形することが可能となる。尚、結晶粉末を集積する際、有機バインダを使用すると、所望の形状の焼結体が得られやすいため好ましい。

基材 2 1を作製するための材料として、異方性の熱膨張係数を有する各結晶粉末粒子を使用すると、焼結過程で成長した結晶粒子の冷却中に結晶粒界に多数のマイクロクラックが発生し、所望の熱膨張係数が得られやすい。異方性の熱膨張係数を有する各結晶粉末粒子は、熱処理中にそれぞれの結晶軸方向に熱膨張係数に従って様々な方向に膨張又は収縮し、各粉末粒子が互いに再配列されて充填密度が高くなり、各粒子同士の接触面積が増加する。このことは熱処理中に粉末粒子が互いに融着しあって表面エネルギーを最小にしょうとする傾向を促進させる。その結果、高い強度、具体的には、 1 O M P a以上の曲げ強度を有するセラミツク製の基材が得られる。なお、粉末粒子同士の接触面積を大きくするため、結晶粉末の粒径は 5 0 m以下であることが望ましい。

熱膨張係数に異方性を示す結晶粉末とは、少なくとも一つの結晶軸方向の熱膨張係数が負であり、他の軸方向には正であるような結晶のことを指す。熱膨張係数に異方性を示す結晶粉末の代表的な例として、 /3 —ュ一クリプタイト結晶や /3 —石英固溶体結晶に代表される珪酸塩、 P b T i 0₃ 等のチタン酸塩又は N b Z r ( P 0₄ ) ₃ 等のリン酸塩等及び L a、 N b、 V、 T a等の酸化物の粉末がある。その中でも、特に /3—ユークリプタイト結晶粉末は、熱膨張係数の異方性が大きいため、 _ 1 0〜一 1 2 0 X 1 0— ⁷ /°Cの熱膨張係数が得られやすい。さらに原料粉末を混合して焼成するいわゆる固相法によって作製された /3—ュ一クリプタィト結晶粉末は、原料を一旦溶融する溶融法によって作製された |3 _ユークリプタイト結晶粉末に比べ、低温で合成でき粉砕も容易であるため安価に製造できるという利点がある。

上記の結晶粉末に対し、他の種類の結晶粉末を混合することが可能であり、 2 種類以上の結晶粉末を併用することで、熱膨張係数や強度あるいは化学的性質の調整がより容易になる。

上記の結晶粉末に対し、非晶質ガラス粉末、結晶析出性ガラス粉末、部分結晶化ガラス粉末、ゾルーゲル法により作製したガラス粉末、ゾル、ゲルといった添加剤の 1種又は 2種以上を、 0 . 1〜5 0体積％の割合で添加してから焼結させることによって、曲げ強度をより向上させることが可能である。因みに結晶析出性ガラス粉末とは、熱処理することによって内部に結晶を析出する性質を有するガラス粉末のことであり、また部分結晶化ガラス粉末とは、ガラス中に結晶を析出した結晶化ガラス粉末のことである。

基材 2 1の外形を横断面円形や横断面角形にすることは好ましい。その場合、円柱状や角柱状のスリーブを備えたコネクタ外筒管（図示せず）に対し、基材 2 1 を直接挿入することが可能になる。この構造によると、基材 2 1が他の光通信用デバイスと光部品 2 2との位置決め部品として機能するため、高精度の接続が可能となる。

好ましくは、基材 2 1の端部を、第 6図に示すように、その先端に向けて細くなったテ一パ一形状にする。これによると、基材 2 1がコネクタ外筒管に挿入しやすくなる。

好ましくは、基材 2 1の内孔 2 3の端部を、第 7図に示すように、その先端に向けて太くなつたテーパー形状にする。これによると、光部品 2 2を内孔 2 3に挿入しやすくなる。

基材 2 1は、第 8図に示すように、断面が半円状の 2つのパーツ 2 1 a . 2 1 bを予め形成し、これらを互いに接合することによって作製された円筒体であつてもよい。基材 2 1は、第 9図に示すように、断面が凹状の 2つのパーツ 2 1 c、 2 1 dを予め形成し、これらを互いに接合することによって作製された角筒体であってもよい。さらには、基材 2 1は、第 1 0図に示すような断面が凹状のパーッ 2 l e と板状のパーツ 2 1 f とを互いに接合することによって作製される角筒体であってもよい。このように、複数のパーツを互いに接合することにより、様々な形状の基材を容易に作製することが可能になる。

このように、本発明の光通信用温度補償デバイスを複数のパーツから製造する場合、断面が半円状のパーツ 2 1 bあるいは凹状のパーツ 2 1 d、 2 1 eの溝部に正の熱膨張係数を有する光部品 22を配置した後、対となるパーツ 2 1 a、 2 1 cあるいは 2 1 f をそれぞれ接合することによって作製しても良いし、パーツ同士を接合した後、形成された内孔 23に光部品 22を挿通することによって作製しても良い。

基材 2 1又はパーツ 2 1 a— 2 1 f を溶融法によりガラスから作製する場合には、重量百分率で、 S i〇₂ が 43〜63%、 A 1₂〇₃ が 33〜43%、 L i ₂〇が 7〜 1 1 %、 Z r〇₂ が 0〜 6 %、 T i 〇₂ が 0〜 6 %、 S n〇₂ が 0〜 6 %、 P₂0₅ が 0〜 6%の組成を有するガラス、又は S i 〇₂ が 50〜75%、 A 1₂〇 ₃ が 1 5〜30%、 L i ₂0が 3〜7%、 Z r 0₂ が 0〜 5 %、 T i 0₂ が 0〜 6 %、 S n0₂ が 0〜7%、 P₂〇₅ が 0〜6%の組成を有するガラスを熱処理することによって、内部に多数の /3—ユークリプタイト結晶や /3—石英固用体結晶を析出させる方法が採られる。

以下、光通信用温度補償デバィスの様々なサンプルについて説明する。

(サンプル 1 )

固相法で作製した )3—ユークリプタイト結晶の粉末を有機バインダ（ェチルセルロース）と混合し、これを金型中に投入後、プレス成形することによって、円筒形状の圧粉体を作製した。この圧粉体を 1 300°C、 1 0時間の条件で加熱した後、降温速度 200°CZ時間で冷却することによって、円筒状焼結体を作製した。この円筒状焼結体の結晶中には、多数のマイクロクラックが形成され、 _4 0〜 1 00°Cの温度範囲における熱膨張係数は、一 80 X 1 0— ⁷ノでであった。この円筒状焼結体の内孔に、シリカを主成分とする光ファイバで、屈折率グレ一ティングを施した正膨張光部品を挿入し、光フアイバにテンションがかかるようにした状態で、エポキシ樹脂を用いて内孔の両端部で接着、固定した。

こうして得られた光通信用温度補償デバィスの温度補償性能を調べるため、試験（使用温度範囲— 40°Cから 1 00°C) を行い、温度補償しないデバイスを用いた場合と比較した。その結果、温度補償しないデバイスの場合は、反射中心波長 1 550nmに対して 0. 012 n mZ°Cの温度依存性を示したのに対し、実施例のデバイスの場合には、 0. 001 nrnZ の温度依存性を示し、温度依存性を大幅に改善することができた。まず重量百分率で、 S i 0₂ が 46. 5%、 A 1₂〇₃ が 41. 0%、 L i ₂〇が 9%、 Z r 0₂ が 3. 5%の組成となるようにガラス原料を調合した後、白金坩堝内で溶融し、次いで板状に成形してから、円筒形状に切削加工することによって、直径 3mm、内径 0. 5mm、長さ 40 mmのガラス体を形成した。次にこのラス体を昇温速度 200°CZ時間で加熱し、 760°Cで 3時間、 1350°Cで 1 0時間保持した後、降温速度 200°Cノ時間で冷却することによって結晶化ガラス体を作製した。こうして得られた結晶化ガラス体の主結晶は、 ]3—ユークリプタイト結晶であり、結晶中に多数のマイクロクラックが形成され、一 40〜10 0°Cの温度範囲における熱膨張係数は、一 70 X 10— ⁷Z°Cであった。

この円筒状結晶化ガラス体を基材として用いて、サンプル 1と同様の光通信用温度補償デバイスを作製し、その温度補償性能を調べたところ、反射中心波長 1 550 nmに対して 0. 001 n mZ :の温度依存性を示した。サンプル 2と同様に作製した結晶化ガラス体を切削加工することによって、断面が凹状の結晶化ガラス体と板状の結晶化ガラス体との 2つのパーツを作製した c 次いで、これらのパーツをエポキシ樹脂を用いて互いに接合することによって内孔を有する角筒体を作製した。

この角筒体を基材として用いて、サンプル 2と同様の光通信用温度補償デバィスを作製し、その温度補償性能を調べたところ、反射中心波長 1550 nmに対して 0. 001 nmZ の温度依存性を示した。サンプル 2のガラスを溶融後、フィルム状に成形してから、ボールミルにより粉砕した。次に、これを金型中に投入した後、プレス成形することによって板状圧粉体を作製した。この板状圧粉体をサンプル 2と同様の条件で加熱冷却し、結晶化ガラス体を作製した後、切削加工することによって、断面が凹状の結晶化ガラス体よりなるパーツを 2つ作製した。次いで、これらのパーツの端部をェポキシ樹脂を用いて互いに接合することによって內孔を有する角筒体を作製した。この角柱状焼結体の内孔に、シリカを主成分とする光ファイバで、屈折率ダレ一ティングを施した正膨張光部品を揷入し、光フアイバにテンションがかかるようにした状態で、エポキシ樹脂を内孔に充満させて接着、固定した。

こうして得られた光通信用温度補償デバイスの温度補償性能を調べるため、サンプル 1 と同様の試験を行ったところ、反射中心波長 1 5 5 0 n mに対して 0 . 0 0 1 n mZ°Cの温度依存性を示した。産業上の利用可能性

本発明の光通信用温度補償デバィスは、フアイバブラッググレ一ティングを始めとして、力ブラ、導波路等の温度補償デバイスとして好適である。

Claims

請求の範囲

1 . 一 4 0〜： I 0 0 °Cの温度範囲で一 1 0 〜― 1 2 0 X 1 0— ⁷ Z°Cの負の熱膨張係数を有し所定箇所に内孔が形成された基材と、前記内孔に位置する正の熱膨張係数を有する光部品とを含み、前記光部品は前記内孔の孔軸方向で離間した複数の特定箇所を前記基材に固定されていることを特徴とする光通信用温度補償デバィス。

2 . 前記光部品は前記特定箇所の間の部分も前記基材に固定されている請求項 1 に記載の光通信用温度補償デバィス。

3 . 前記基材は粉末焼結体からなる請求項 1に記載の光通信用温度補償デバィス。

4 . 前記基材は 3—ユークリプタイト結晶を析出し、前記結晶中に多数のマイク口クラックが形成されている請求項 1に記載の光通信用温度補償デバィス。

5 . 前記基材は 3—石英固溶体結晶を析出し、前記結晶中に多数のマイクロクラックが形成されている請求項 1に記載の光通信用温度補償デバィス。

6 . 前記基材は、前記内孔を規定する円筒体であり、前記円筒体が前記光部品の接続に際する位置決めを行う請求項 1 に記載の光通信用温度補償デバィス。

7 . 前記基材は、前記内孔を規定する角筒体であり、前記角筒体が前記光部品野接続に際する位置決めを行う請求項 1に記載の光通信用温度補償デバィス。

8 . 前記基材は、前記孔軸方向での少なくとも一端部が、先端に向けて細くなつたテーパー形状を有する請求項 1 に記載の光通信用温度補償デバィス。

9 . 前記基材は、前記内孔に通じる少なくとも 1個の小孔が形成されている請求項 1に記載の光通信用温度補償デバィス。

1 0 . 前記内孔は、前孔軸方向での少なくとも一端部が、先端に向けて太くなつたテーパー形状を有する請求項 1に記載の光通信用温度補償デバィス。

1 1 . 前記基材は、固相法によって作製された )3 — ユークリプタイトを主成分とする粉末の焼結体から作製されてなる請求項 1 に記載の光通信用温度補償デバィス。

1 2 . 前記基材は、互いに接合された複数のパーツにて作製されたものである請求項 1 に記載の光通信用温度補償デバィス。

1 3. 前記基材は、重量百分率で、 S i 0₂ が 43〜63%、 A 1₂〇₃ が 33〜 43%、 L i ₂〇が 7〜 1 1 %、 Z r 0₂ が〜 6%、 T i 0₂ が 0〜6%、 S n 0₂ が 0〜6%、 P₂〇₅ が 0〜6%の組成を有するガラスから作製されてなる請求項 1に記載の光通信用温度補償デバィス。

14. 前記基材は、重量百分率で、 S i 〇₂ が 50〜75%、 A 1₂〇₃ が 1 5〜 30%、 L i ₂0が 3〜7%、 Z r 0₂ が 0〜5%、 T i 〇₂ が 0〜6%、 S n 0₂ が 0〜7%、 P₂0₅ が 0〜6%の組成を有するガラスから作製されてなる請求項 1に記載の光通信用温度補償デバィス。