(57)【要約】【課題】高精度に温度補償することができる温度補償型光ファイバブラッググレーティングの提供。【解決手段】光ファイバの一部にグレーティング部が形成され、該グレーティング部を含む光ファイバが基材に固定された光ファイバブラッググレーティングにおいて、２種類以上の負膨張繊維を組み合わせて含む基材にグレーティング部を含む光ファイバが固定されたことを特徴とする温度補償型光ファイバブラッググレーティング。負膨張繊維が２種類であり、これらの負膨張繊維の線膨張係数の差が５×１０−６以下であることが好ましい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバの一部にグレーティング部が形成され、該グレーティング部を含む光ファイバが基材に固定された光ファイバブラッググレーティングにおいて、
２種類以上の負膨張繊維を組み合わせて含む基材にグレーティング部を含む光ファイバが固定されたことを特徴とする温度補償型光ファイバブラッググレーティング。
【請求項２】
負膨張繊維が２種類であり、これらの負膨張繊維の線膨張係数の差が５×１０−６以下であることを特徴とする請求項１に記載の温度補償型光ファイバブラッググレーティング。
【請求項３】
２種類の負膨張繊維の線膨張係数がそれぞれ−１０×１０−６、−６×１０−６であることを特徴とする請求項１又は２に記載の温度補償型光ファイバブラッググレーティング。
【請求項４】
２種類の負膨張繊維が超高分子量ポリエチレン繊維とポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール繊維であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の温度補償型光ファイバブラッググレーティング。
【請求項５】
基材が２種類の負膨張繊維を樹脂で固定したＦＲＰ基材であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の温度補償型光ファイバブラッググレーティング。
【請求項６】
２種類の負膨張繊維を固定する樹脂がビニルエステル樹脂であることを特徴とする請求項５に記載の温度補償型光ファイバブラッググレーティング。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバブラックグレーティング（以下、ＦＢＧと略記する。）に関し、特に、ＦＢＧの温度特性を安定させる構造を有し、光通信及び歪センサとして使用される温度補償型ＦＢＧに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＦＢＧの中心波長は、温度変化に対応して変化する（０．０１ｎｍ／℃）ため、正確に安定して中心波長を測定したい場合、温度感度を低減する必要がある。ＦＢＧの中心波長の温度補償方法としては、負の熱膨張係数を持つ基材に正の膨張係数を持つＦＢＧを固定する方法が知られている（例えば、特許文献１，２参照。）。
【０００３】
特許文献１には、光フィルタ素子と、該光フィルタ素子の波長温度依存性に対して逆の寸法温度依存性を有する補助材とを、該光フィルタ素子のフィルタ波長が目的の値となる温度において固定したことを特徴とする光フィルタが開示されている。
【０００４】
特許文献２には、屈折率が周期的に変化するグレーティングが形成されている光ファイバが、負の熱膨張係数を有する繊維を含有する樹脂浸透フィルムで挟み込まれていることを特徴とする温度無依存光ファイバグレーティングが開示されている。
【０００５】
一般的な温度補償型ＦＢＧの構造を図１に示す。図中符号１は温度補償型ＦＢＧ、２は光ファイバ、３はグレーティング部、４は負膨張基材、５は接着剤である。この温度補償型ＦＢＧ１は、光ファイバ２の一部にグレーティング部３が形成され、該グレーティング部３を含む光ファイバ２が負膨張基材４に固定された構造になっている。通常、この種の温度補償型ＦＢＧ１は、中心波長を調整するため張力を印加した状態で基材に固定される（０．０１３ｎｍ／ｇｆ）。
【０００６】
ここで、温度補償の原理について説明する。
温度が上がるとＦＢＧの屈折率変化に伴い、０．０１ｎｍ／℃のレートで中心波長が長波に変動しようとする。このとき、負膨張基材４は温度上昇に伴い縮むため、張力が０．０１３ｎｍ／ｇｆのレートで緩むことを利用している。
【特許文献１】特開２００３−３４４６７１号公報
【特許文献２】特開２００４−１０９５５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前述した特許文献１，２に開示された技術情報に従って実施を試みたところ、以下の問題点に遭遇した。
特許文献１には、実施例として、樹脂にガラス繊維と超高分子量ポリエチレン繊維であるダイニーマ（東洋紡績株式会社の登録商標）との混合物を混ぜた負膨張基材にＦＢＧを固定した構造が開示されているが、この構造では、ヒステリシスがあるため、同じ温度でも精度良く温度補償することができない（後述する実施例の＜予備実験１＞参照。）。また、ヒートサイクルを行うにつれて、中心波長が短波長側にずれていく（後述する実施例の＜予備実験２＞参照。）現象が見られた。
【０００８】
特許文献２には、実施例として、超高分子量ポリエチレン繊維であるダイニーマ（東洋紡績株式会社の登録商標）を含む樹脂浸透フィルムでＦＢＧを挟み、温度補償する構造が例示されている。しかし、この構造を実証した結果、繊維の負膨張度合いが強すぎて、温度補償度合いが悪い。すなわち、ダイニーマの線膨張係数が−１０×１０−６程度であり、一方、光ファイバの線膨張係数は０．５×１０−６程度であることから、ヒステリシスがあるため、同じ温度でも精度よく温度補償することができない。
【０００９】
本発明は、前記事情に鑑みてなされ、高精度に温度補償することができる温度補償型ＦＢＧの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記目的を達成するため、本発明は、光ファイバの一部にグレーティング部が形成され、該グレーティング部を含む光ファイバが基材に固定されたＦＢＧにおいて、
２種類以上の負膨張繊維を組み合わせて含む基材にグレーティング部を含む光ファイバが固定されたことを特徴とする温度補償型ＦＢＧを提供する。
【００１１】
本発明の温度補償型ＦＢＧにおいて、負膨張繊維が２種類であり、これらの負膨張繊維の線膨張係数の差が５×１０−６以下であることが好ましい。
【００１２】
本発明の温度補償型ＦＢＧにおいて、２種類の負膨張繊維の線膨張係数がそれぞれ−１０×１０−６、−６×１０−６であることが好ましい。
【００１３】
本発明の温度補償型ＦＢＧにおいて、２種類の負膨張繊維が超高分子量ポリエチレン繊維とポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール繊維であることが好ましい。
【００１４】
本発明の温度補償型ＦＢＧにおいて、基材が２種類の負膨張繊維を樹脂で固定したＦＲＰ基材であることが好ましい。
【００１５】
前記温度補償型ＦＢＧにおいて、２種類の負膨張繊維を固定する樹脂がビニルエステル樹脂であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の温度補償型ＦＢＧは、２種類以上の負膨張繊維を組み合わせて含む基材にグレーティング部を含む光ファイバが固定された構成としたので、２種類以上の負膨張繊維の配合を最適化することで、光ファイバの温度変化を高精度に補償することができ、温度補償性能に優れたＦＢＧを提供できる。
本発明の温度補償型ＦＢＧは、従来技術での単独の負膨張繊維を配合した場合と異なり、ヒステリシスが無いため、同じ温度であれば同じ中心波長が得られ、信頼性の高いものとなる。
本発明の温度補償型ＦＢＧは、予め１０サイクル程度のヒートサイクルを行っておけば、その後のヒートサイクルでも中心波長が変化することが無くなり、長期的な信頼性を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図２は、本発明の温度補償型ＦＢＧの第１実施形態を示す側面図である。本実施形態の温度補償型ＦＢＧ１０Ａは、光ファイバ２の一部にグレーティング部３が形成され、２種類以上の負膨張繊維を組み合わせて含むＦＲＰ基材１１にグレーティング部３を含む光ファイバ２が載置され、ＦＲＰ基材１１の両端部で紫外線硬化型接着剤などの接着剤５によって固定された構成になっている。
【００１８】
本実施形態において、ＦＲＰ基材１１としては、負膨張繊維が２種類であり、これらの負膨張繊維の線膨張係数の差が５×１０−６以下であることが好ましい。より具体的には、２種類の負膨張繊維の線膨張係数がそれぞれ−１０×１０−６、−６×１０−６であることが好ましく、２種類の負膨張繊維が超高分子量ポリエチレン繊維とポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール繊維であることがより好ましい。
【００１９】
本実施形態において、ＦＲＰ基材１１は、前述した２種類の負膨張繊維を樹脂で固定してなるものであり、２種類の負膨張繊維を固定する樹脂としては、ビニルエステル樹脂であることが好ましい。このＦＲＰ基材１１の寸法は、光ファイバ２（グレーティング部３）の温度補償を確実に行うことができる機械的強度が得られる範囲で適宜設定可能である。また、ＦＲＰ基材１１の形状も、光ファイバ２の温度補償を確実に行うことができれば、特に限定されない。
【００２０】
本実施形態の温度補償型ＦＢＧ１０Ａは、２種類の負膨張繊維を組み合わせて含むＦＲＰ基材１１にグレーティング部３を含む光ファイバ３が固定された構成としたので、２種類の負膨張繊維の配合を最適化することで、光ファイバ２の温度変化を高精度に補償することができ、温度補償性能に優れたＦＢＧを実現できる。
本実施形態の温度補償型ＦＢＧ１０Ａは、従来技術での単独の負膨張繊維を配合した場合と異なり、ヒステリシスが無いため、同じ温度であれば同じ中心波長が得られ、信頼性の高いものとなる。
本実施形態の温度補償型ＦＢＧ１０Ａは、予め１０サイクル程度のヒートサイクルを行っておけば、その後のヒートサイクルでも中心波長が変化することが無くなり、長期的な信頼性を確保することができる。
【００２１】
図３は、本発明の温度補償型ＦＢＧの第２実施形態を示す側面図である。本実施形態の温度補償型ＦＢＧ１０Ｂは、図２に示す第１実施形態の温度補償型ＦＢＧ１０Ａと同様の構成要素を備えて構成されている。本実施形態の温度補償型ＦＢＧ１０Ｂは、ＦＲＰ基材１１の表面に光ファイバ２を載置し、その長手方向全域で固定したことを特徴としている。本実施形態の温度補償型ＦＢＧ１０Ｂは、前述した第１実施形態の温度補償型ＦＢＧ１０Ａとほぼ同様の効果を得ることができ、さらに、ＦＲＰ基材１１と光ファイバ２との固着部分が大きくなるので、ＦＲＰ基材１１による温度補償効果をより確実に発揮することができる。
【００２２】
図４は、本発明の温度補償型ＦＢＧの第３実施形態を示す側面図である。本実施形態の温度補償型ＦＢＧ１０Ｃは、ＦＲＰ基材の形状以外は、図２に示す第１実施形態の温度補償型ＦＢＧ１０Ａと同様の構成要素を備えて構成されている。本実施形態の温度補償型ＦＢＧ１０Ｂは、円筒状のＦＲＰ基材１１を用い、その円筒内に光ファイバ２のグレーティング部３とその両側部分を収容し、接着剤又は基材樹脂との溶着によってＦＲＰ基材１１と光ファイバ２とを固定した構造になっている。本実施形態の温度補償型ＦＢＧ１０Ｂは、前述した第１実施形態の温度補償型ＦＢＧ１０Ａとほぼ同様の効果を得ることができ、さらに、円筒状のＦＲＰ基材１１内に光ファイバ２のグレーティング部３を収容し、固定しているので、機械的強度を高めることができる。
【実施例】
【００２３】
＜予備実験１＞
超高分子量ポリエチレン繊維であるダイニーマ（東洋紡績株式会社の登録商標、線膨張係数：−１０×１０−６、以下「ダイニーマ」と記す。）とガラス繊維（線膨張係数：８×１０−６）の配合を変えて作製した３種類のＦＲＰ基材（Ａ〜Ｃ）を作製した。ＦＲＰ基材の各繊維の配合条件は、次の通りとした（質量比）。
Ａ：ダイニーマ：ガラス繊維＝９：１
Ｂ：ダイニーマ：ガラス繊維＝８：２
Ｃ：ダイニーマ：ガラス繊維＝７．５：２．５
【００２４】
前記の通り作製したＡ〜Ｃの各ＦＲＰ基材に、それぞれグレーティング部を形成した光ファイバを載置し、一定の張力を印加した状態で紫外線硬化型接着剤により固定し（図１参照）、３種類のＦＢＧ（Ａ〜Ｃ）を作製した。
【００２５】
Ａ〜Ｃの各ＦＢＧを温度調節可能な測定室内に入れ、各ＦＢＧの反射中心波長を測定しながら、測定室の温度を、−２０℃〜８０℃の範囲で５０サイクル変化させ、測定温度−２０℃〜８０℃の範囲における各ＦＢＧの反射中心波長シフトを測定した。各温度での待ち時間は３０分とした。その測定結果を図５に示す。なお、図５に示す結果は、各ＦＢＧとも−２０℃の時の波長を基準とし、２５サイクル目の中心波長変動値である。
【００２６】
図５より、ダイニーマとガラス繊維の配合を変えることで、温度補償することが可能であるが、ヒステリシスがあるため、同じ温度でも精度よく温度補償することができない。この原因としては、ダイニーマの線膨張係数（−１０×１０−６）とガラス繊維の線膨張係数（８×１０−６）の差が大きいため、温度変化によって二つの繊維間の引っ張りによる微小な変形（歪）が発生している為と考えられる。
【００２７】
＜予備実験２＞
予備実験１で作製したＡ〜Ｃの各ＦＢＧについて、同様に温度調節可能な測定室内に入れ、各ＦＢＧの反射中心波長を測定しながら、測定室の温度を、−２０℃〜８０℃の範囲で５０サイクル変化させ、６０℃における中心波長を基準として、中心波長のヒートサイクル回数依存度を調べた。その測定結果を図６に示す。
【００２８】
図６より、ヒートサイクルを行うにつれて、中心波長が短波長側にずれていくことが多かった。この原因としては、ダイニーマの線膨張係数（−１０×１０−６）とガラス繊維の線膨張係数（８×１０−６）の差が大きい為、ヒートサイクルによる熱履歴によって、二つの繊維間の引っ張りによる微小な変形（歪）が大きくなっている為と考えられる。このため、ダイニーマ＋ガラス繊維の組み合わせでは、長期的な信頼性は望めない。
【００２９】
［実施例］
本発明に係る実施例として、図２に示す温度補償型ＦＢＧを作製した。
（１）ダイニーマ；線膨張係数−１０×１０−６、
（２）ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール繊維であるザイロン（東洋紡績株式会社の登録商標、線膨張係数：−６×１０−６、以下「ザイロン」と記す）、
の２種類を用い、これらの繊維を一定方向に配列し、両者をビニルエステル樹脂により一体化してＦＲＰ基材を作製した。ここで、（１）と（２）の配合比率を変え、Ｄ〜Ｆの３種類のＦＲＰ基材を作製した。
ＦＲＰ基材の各繊維の配合条件は、次の通りとした。
Ｄ：ダイニーマ：ザイロン＝３：７
Ｅ：ダイニーマ：ザイロン＝４：６
Ｆ：ダイニーマ：ザイロン＝５：５
【００３０】
前記の通り作製したＤ〜Ｆの各ＦＲＰ基材に、それぞれグレーティング部を形成した光ファイバを載置し、一定の張力を印加した状態で紫外線硬化型接着剤により固定し（図２参照）、３種類のＦＢＧ（Ｄ〜Ｆ）を作製した。このとき、紫外線硬化型接着剤はＦＲＰ基材の両端に使用した。
ＦＲＰ基材は細すぎると、ＦＢＧに印加された張力に負けて折れてしまうため、本実施例では外径３ｍｍ、長さ５０ｍｍとした。
【００３１】
Ｄ〜Ｆの各ＦＢＧを温度調節可能な測定室内に入れ、各ＦＢＧの反射中心波長を測定しながら、測定室の温度を、−２０℃〜８０℃の範囲で５０サイクル変化させ、測定温度−２０℃〜８０℃の範囲における各ＦＢＧの反射中心波長シフトを測定した。各温度での待ち時間は３０分とした。その測定結果を図７に示す。なお、図７に示す結果は、各ＦＢＧとも−２０℃の時の波長を基準とし、２５サイクル目の中心波長変動値である。
【００３２】
図７より、ダイニーマとザイロンの配合を変えることで、ＦＢＧを高精度に温度補償できることが実証された。また、ダイニーマとガラス繊維を配合した場合と異なり、ヒステリシスが無く、安定した特性が得られている。この原因としては、ダイニーマとザイロンの線膨張差が小さい為、二つの繊維間の変形が小さいことが考えられる。
【００３３】
これらのＤ〜Ｆの各ＦＢＧについて、同様に温度調節可能な測定室内に入れ、各ＦＢＧの反射中心波長を測定しながら、測定室の温度を、−２０℃〜８０℃の範囲で５０サイクル変化させ、６０℃における中心波長を基準として、中心波長のヒートサイクル回数依存度を調べた。その測定結果を図８に示す。
【００３４】
図８より、１０サイクル程度までは、中心波長が若干波長に変化するが、ダイニーマとガラス繊維の組み合わせで行った予備実験２の結果（図６）よりも変化が少ないことが分かった。Ｄ〜Ｆの各ＦＢＧにおいて中心波長が若干変化する原因としては、ダイニーマとザイロンと樹脂をＦＲＰに加工する際の残留応力、光ファイバとＦＲＰ基材とを固定している紫外線硬化型接着剤中の残留応力が解放されることが考えられる。
この実験から、本実施例のＦＢＧにおいては、予め１０サイクル程度のヒートサイクルを行っておくことで、長期的な信頼性を確保することができることが分かった。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】従来の温度補償型ＦＢＧの一例を示す側面図である。
【図２】本発明の温度補償型ＦＢＧの第１実施形態を示す側面図である。
【図３】本発明の温度補償型ＦＢＧの第２実施形態を示す側面図である。
【図４】本発明の温度補償型ＦＢＧの第３実施形態を示す側面図である。
【図５】従来技術に基づく予備実験１の結果を示すグラフである。
【図６】従来技術に基づく予備実験２の結果を示すグラフである。
【図７】本発明に係る実施例の結果を示し、−２０℃の温度を基準とした場合の温度特性の測定結果を示すグラフである。
【図８】本発明に係る実施例の結果を示し、６０℃における中心波長のヒートサイクル回数依存度の測定結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３６】
１…ＦＢＧ、２…光ファイバ、３…グレーティング部、４…負膨張基材、５…接着剤、１０Ａ〜１０Ｃ…温度補償型ＦＢＧ、１１…ＦＲＰ基材。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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