(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
大円環及び小円環からなり、該大円環をなす材料の線膨張係数は該小円環をなす材料の線膨張係数よりも小さく、該大円環の内周に該小円環の外周が密着嵌合しており、
該小円環に環状溝が形成され、
光ファイバのグレーティング部が上記環状溝に固定されている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】
前記大円環が金属からなり、前記小円環が樹脂からなることを特徴とする請求項１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】
前記金属がチタンであり、前記樹脂がフッ素樹脂であることを特徴とする請求項２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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、温度補償型光ファイバブラッググレーティングに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバブラッグクレーティングは、光ファイバの長さ方向に周期的な屈折率変化を作成することにより、特定波長の光を反射させる特性を持たせた光ファイバ部品である。この反射波長λは、グレーティング周期Λと実効屈折率ｎｅｆｆを用いて以下のように書くことができる。
λ＝２ｎｅｆｆ・Λ        ・・・（１）
【０００３】
従って、反射波長の温度依存性∂λ／∂Ｔは、
0003566129.tif 000002
となる。更に光ファイバの線膨張係数をαとすると、∂Λ／∂Ｔ＝α・Λと書けるので、式（２）は、
0003566129.tif 000003
となる。ここで、溶融石英の屈折率温度依存性∂  ｎｅｆｆ  ／∂Ｔは、＋９．８×１０−６であり、更に溶融石英の線膨張係数αは、４．０×１０−７であるので、反射波長が１５５０ｎｍである光ファイバブラッグクレーティングの反射特性は、上記式（３）より、約０．０１（ｎｍ／Ｋ）の温度依存性を有することになる。従って、温度が例えば−２０℃から８０℃の範囲で１００℃変化する場合には、光ファイバグレーティングの反射波長は１．０ｎｍ程度変動してしまうことになる。波長多重通信においては、波長間隔が０．８ｎｍ程度で数種類の波長を同時に伝送する必要があるため、上記のような光ファイバブラッググレーティング特性の温度依存性は大きな問題となる。
【０００４】
このような光ファイバブラッググレーティングの温度依存性を低減させるため、  図７に示されるような温度補償型光ファイバブラッググレーティング２０が提案されている（  Ｇ．Ｗ．Ｙｏｆｆｅら、Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｆｉｂｅｒ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｄｉｇｅｓｔ  Ｗ１４、ｐｐ１３４−１３５、１９９５）。この温度補償型光ファイバブラッググレーティング２０は、線膨張係数の異なる二種類の部材を組み合わせたものであり、一方の部材を線膨張係数のより小さい台座２１とし、他方の部材を線膨張係数のより大きい梁２２としたものである。光ファイバブラッググレーティング２０における光ファイバ１５のグレーティング部２３は、台座２１の両端にある梁２２の間において、張力をかけた状態で、光ファイバ固定部１６，１６間に架設固定されている。例えばこの架設されたグレーティング部２３の周囲の温度が上昇した場合には、台座２１よりも梁２２の膨張が大きいために、梁２２上の光ファイバ固定部１６，１６間に架設固定されているグレーティング部２３の張力は緩み、光ファイバ固定部１６，１６間のグレーティング部２３は縮むことになる。即ち、グレーティング部２３の見かけの線膨張係数が負の値となり、上記（３）式右辺第２項の値は負となる。従って、（３）式右辺第２項が、（３）式右辺第１項と絶対値が同じで負の値をとるように台座２１と梁２２の線膨張係数及び長さを適宜調節することにより、光ファイバブラッググレーティングの温度依存性を打ち消すことが可能である。
【０００５】
しかしながら、グレーティング部２３の長さが１０ｃｍ〜１ｍ程度、又はそれ以上である場合、特に超狭帯域ファイバブラッググレーティングや分散補償ファイバブラッググレーティングにおいて上記した従来の温度補償を行なうためには、温度補償を行なうための部品がグレーティング部２３の長さの二倍程度の長さになってしまう。従って、そのような部品の製作においてはその長さのために部品の歪等が発生して製作自体が困難であるか、又は製作できたとしてもその大きさのために使用しにくく、又、精度の点でも問題がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、グレーティング部が長い場合にも使用が可能な、小型の温度補償型光ファイバブラッググレーティングを提供することを課題としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決し目的を達成するために本発明の光ファイバブラッググレーティングは、以下のごとく構成されている。
即ち、本発明の光ファイバブラッググレーティングは、大円環及び小円環からなり、該大円環をなす材料の線膨張係数は該小円環をなす材料の線膨張係数よりも小さく、該大円環の内周に該小円環の外周が密着嵌合しており、該小円環に環状溝が形成され、光ファイバのブラッググレーティング部が上記環状溝に固定されていることを特徴とするものである。
本発明の温度補償型光ファイバブラッググレーティングにおいては、前記大円環が金属からなり、前記小円環が樹脂からなることが好ましい。
更に本発明の温度補償型光ファイバブラッググレーティングにおいては、前記金属がチタンであり、前記樹脂がフッ素樹脂であることが好ましい。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に、図を参照しながら本発明を詳しく説明する。
【０００９】
図１（ａ）は、本発明の温度補償型光ファイバブラッググレーティングの一例を示す図であり、図中符号１は内径がφ１、外径がφ２である小円環、符号２は内径がφ２、外径がφ３である大円環を示している。図１（ｂ）は図１（ａ）における点線Ａ−Ａ’における縦断面図であり、図１（ｃ）は図１（ａ）に示される温度補償型光ファイバブラッググレーティングの側面図である。小円環１及び大円環２はともに円環の中心部分が同心円状にくりぬかれたリング状の形状を有している。小円環１の外周は大円環２の内周と密着嵌合していて、小円環１と大円環２とにより二重リング構造が形成されている。尚、大円環２をなす材料の線膨張係数は、小円環１をなす材料の線膨張係数よりも小さいものとしている。
小円環１の環状面にはその環と同心円状となる環状溝３が形成されている。小円環１及び大円環２には更に直線状溝４が形成され、直線状溝４は、その溝の一部が環状溝３の溝の一部と共有部を有するようにして、小円環１及び大円環２の環状面に設けられている。大円環２上の直線状溝４は、小円環１上における直線状溝４よりも溝の幅が広くなっていて、光ファイバを環状溝３より取り出しやすくなっている。また、直線状溝４はその両端において大円環２の外方へと開口している。
光ファイバブラッググレーティングは次のようにして小円環１及び大円環２に固定する。まず、図１では示されていない光ファイバブラッググレーティングのグレーティング部を環状溝３の形状にあわせて環状にし、環状溝３内に収める。グレーティング部の長さが環状溝３の円周一周分よりも長い場合には、環状溝３の円周にグレーティング部を複数回、巻回してグレーティング部の全体を環状溝３内に収める。光ファイバブラッググレーティングのグレーティング部の両端部を直線状溝４と環状溝３との共有部で交叉させてから、それぞれ別々にして直線状溝４の何れかの末端へ通して、光ファイバブラッググレーティングのはめ込みを完了する。即ち、図１（ａ）環状溝３に収められたグレーティング部を時計回りにしてみたときにたどり着く側のグレーティング部末端を、環状溝３と直線状溝４との共有部から、図１（ａ）における直線状溝４の上方側へと通す。一方、図１（ａ）環状溝３に収められたグレーティング部を反時計回りにしてみたときにたどり着く側のグレーティング部末端を、環状溝３と直線状溝４との共有部から、図１（ａ）における直線状溝４の下方側へと通す。この時、温度補償を達成するためにはグレーティング部を含む光ファイバが環状溝３の収縮・膨張とともに収縮・膨張するように光ファイバを固定する必要がある。
上記条件を達成するための光ファイバの固定法としては、以下の２種類がある。一つは、グレーティング部を含む光ファイバに張力をかけながら環状溝３に入れていき、光ファイバに張力がかかった状態で環状溝３の内壁に密接するようにして、両側の直線状溝４において光ファイバを固定する。こうすることで、円環が収縮したときは張力が緩み光ファイバ自体も収縮し、円環が膨張したときには円環の内壁の膨張とともに光ファイバも膨張することになる。但し、温度補償範囲で光ファイバにかかる張力がゼロならないような、適当な張力をかけておく必要がある。
二つ目として、グレーティング部を含む光ファイバを環状溝３に入れた後で光ファイバ全体を環状溝３に固定する方法がある。典型的には、光ファイバの入った環状溝３に熱硬化型エポキシ樹脂などを充填させ、樹脂を固化させることで達成できる。円環の収縮・膨張とともに樹脂に埋められた光ファイバも収縮・膨張する。この方法を用いた場合は、直線状溝４で光ファイバを固定する必要はない。
【００１０】
上記の様な構成をとる温度補償型光ファイバブラッググレーティングにおいて、どのようにして温度補償が実現されるかの理論を以下に説明する。
一般に本発明の温度補償型光ファイバブラッググレーティング１０のような二重リング構造を有する物において温度上昇があると、小円環は図２に示されるような、内径がｒａ、外径がｒｂであり、内側よりＰａ、外側よりＰｂの圧力がかかった円環とみなすことができる。この状態において、半径ｒにおける半径方向の変位ｕは、以下の式（４）で示される。
【００１１】
【数１】
0003566129.tif 000004
【００１２】
式中、Ｅはヤング率、νはポアソン比である。
ここで図３に示されるような本発明の温度補償型光ファイバブラッググレーティングと同様の場合を考える。図３（ａ）は小円環１と大円環２とが嵌合していない状態における、それぞれの円環の縦断面図であり、円環の中心軸から片側半分を示しているものである。この状態で温度上昇ΔＴがあった場合、小円環１及び大円環２は、図３（ｂ）に示すように熱膨張する。上記したごとく本発明では小円環１の膨張は、大円環２の膨張よりも大きく、よってα１＞α２である。従って、小円環１が大円環２と嵌合されている場合には、図３（ｃ）に示されるように嵌合部分において半径Ｒとなり、圧力Ｐが小円環１及び大円環２の双方にかかることになる。このとき、上記の式（４）においてＰａ＝０［Ｎ／ｍ２］、Ｐｂ＝Ｐ［Ｎ／ｍ２］、及びｒ＝ｒｂ［ｍ］を代入すると、小円環１の外周変位ｕｂ［ｍ］は、以下の式（５）となる。
【００１３】
【数２】
0003566129.tif 000005
【００１４】
式中、ｒａ［ｍ］は小円環１の内周で、ｒｂ［ｍ］は小円環１の外周である。
同様にして大円環２の内周の変位ｕｃ［ｍ］は、  Ｐａ＝Ｐ［Ｎ／ｍ２］、Ｐｂ＝０［Ｎ／ｍ２］、及びｒ＝ｒｃ［ｍ］を代入して求められ、以下の式（６）となる。
【００１５】
【数３】
0003566129.tif 000006
【００１６】
式中、  ｒｃ［ｍ］は大円環２の内周で、ｒｄ［ｍ］は大円環２の外周である。
ここで変位の絶対値｜ｕｂ｜［ｍ］と｜ｕｃ｜［ｍ］の和は、温度変化による小円環１と大円環２との重なり量に対応する。膨張係数αのリングで温度がΔＴ［Ｋ］だけ変化したときの半径ｒにおける変位はαｒΔＴ［ｍ］であるので、
｜ｕｂ｜＋｜ｕｃ｜＝（α１−α２）ＲΔＴ      ・・・（７）となる。
また、ｒｂ［ｍ］とｒｃ［ｍ］とはほぼ等しいので、ｒｂ＝ｒｃ＝Ｒ［ｍ］とおけば温度変化ΔＴ［Ｋ］による、リングの嵌合部分で発生する圧力Ｐ［Ｎ／ｍ２］は、上記の式（５）、（６）、及び（７）より、以下の式（８）となる。
【００１７】
【数４】
0003566129.tif 000007
【００１８】
この圧力Ｐ［Ｎ／ｍ２］を式（４）のＰｂに代入し、Ｐａ＝０［Ｎ／ｍ２］、ｒ＝ｒａ［ｍ］とすると、温度変化ΔＴによるリング最内周の変位ｕａ［ｍ］が以下の式（９）となる。
【００１９】
【数５】
0003566129.tif 000008
【００２０】
但しここでのＰ［Ｎ／ｍ２］は、式（８）の値である。
温度変化によるリング最内周の全変位ｕＴ［ｍ］は、熱による膨張α１ｒａΔＴと、大円環２があることにより生じる変位ｕａ［ｍ］との和であり、以下の式（１０）となる。
【００２１】
【数６】
0003566129.tif 000009
【００２２】
また、円周方向の収縮率はｕ／ｒで表されるので、リング最内周での見かけの線膨張係数αＴは、以下の式（１１）となる。
【００２３】
【数７】
0003566129.tif 000010
【００２４】
小円環１及び大円環２の材料と形状を適当なものにすることにより、図３に示すように温度上昇により小円環１の最内径付近は温度上昇前よりも内側に縮み、（１１）式で表わされる見かけの線膨張係数αＴは負の値をとり得る。
光ファイバブラッググレーティングの温度依存性は上記式（３）で表わされるので、上述したように温度上昇とともにグレーティングが縮み、（３）式右辺第１項を第２項で打ち消すようにすればよい。このときに必要な収縮率、つまり線膨張係数は−６．７×１０−６である。そこで、小円環１の見かけの線膨張係数αＴが、−６．７×１０−６となる位置に環状の溝を設け、この溝に光ファイバブラッググレーティングを固定し、周囲の収縮・膨張に合わせて光ファイバブラッググレーティングが収縮・膨張する構造にすることで温度補償が実現される。
【００２５】
ここで、小円環１がアルミニウム、大円環２がインバーである時に、それぞれの円環の半径方向の厚みが変化した場合の、小円環１の最内周部での見かけの線膨張係数αＴの変化について考察する。表１にはインバーとアルミニウムの線膨張係数、ヤング率、及びポアソン比を示してある。小円環１の内周を３０ｍｍとし、小円環１の厚み（外半径と内半径との差）を３ｃｍ、６ｃｍ、１０ｃｍとした場合における、大円環２の厚み（外半径と内半径との差）に対する線膨張係数の変化を表したものを図４に示し、また大円環２の厚み（同上）を１０ｃｍ、１２ｃｍ、１５ｃｍとした場合における、小円環１の厚み（同上）に対する線膨張係数の変化を表したものを図５に示した。図５から明らかな通り、大円環２の厚みをある一定以上の値にしないと小円環１の厚みをどのように変化させてもα＝−６．７×１０−６が実現されない。図４及び図５のデータを基にして検討した結果、インバーからなる大円環２の厚みを１１ｃｍとし、アルミニウムからなる小円環１の厚みを４ｃｍにして、小円環１を大円環２に焼きばめしてその最内周部に光ファイバを固定すれば温度補償が実現できることがわかる。
【００２６】
【表１】
0003566129.tif 000011
【００２７】
上記した例においては、環状溝３を小円環１の環状面に設けているが、本発明の温度補償型光ファイバブラッググレーティングにおいて温度補償を行なうには、環状溝３の設置場所は必ずしも環状面でなくてもよい。小円環１の内周面上に、環状溝３を設けることも可能である。但しこの場合には、環状溝３と小円環１の環状面とが同心円上になる必要がある。
【実施例】
小円環１には線膨張係数がα＝８．０×１０−５であるフッ素樹脂を用い、大円環２には線膨張係数がα＝８．６×１０−６であるチタンを用いて、図１に示される光ファイバブラッググレーティングを作成した。尚、直線状溝及び環状溝の大きさ、配置については、図１中に示した通りであり、図中の単位はｍｍである。又、チタンのヤング率及びポアソン比については上記の表１に示してある。また、この実施例においては小円環１の内径φ１は５０ｍｍに固定した。小円環１の外径φ２、及び大円環２の外径φ３については、下記の表２に示される三つの値のそれぞれのものを作成した（リング＃１〜リング＃３）。長さが１０ｃｍであるグレーティング部を環状溝３にはめ込みその両端を環状溝３と直線状溝４との共有部で交叉させて直線状溝４の末端へと通して、環状溝３全体に熱硬化型エポキシ樹脂を充填させ、樹脂を固化させることでグレーティング部を含む光ファイバを固定した。尚、対照としては温度補償構造をとらない場合の光ファイバグレーティングの温度特性を示した。ここでいう温度補償構造をとらない場合とは、温度以外の外的要因を極力排した状態のことである。
【００２８】
【表２】
0003566129.tif 000012
【００２９】
リング＃１〜リング＃３のそれぞれにおける光ファイバブラッググレーティングの反射中心波長の温度依存性を測定した。測定は−２０℃から８０℃の間で行い、−２０℃における反射中心波長を０とした。測定結果は図６に示した。
【００３０】
図６から明らかなとおり、温度補償を行なわない場合には温度補償の上昇に伴って反射中心波長が長波長側に大幅に変化しているが、リング＃２及び＃３においては反射中心波長は温度が−２０から８０℃まで変化しても０．０５〜０．２５ｎｍの範囲に収まっている。特にリング＃３においては温度範囲−２０〜８０℃で中心波長の変位が０．０５以下の温度補償が得られた。
【００３１】
【発明の効果】
本発明の温度補償型光ファイバブラッググレーティングは、そのグレーティング部を環状溝にはめ込んでいるため、従来の直線型の温度補償型光ファイバブラッググレーティングに比べて小型化することが可能である。従って、取り扱いやすさが向上している。また、この小型化に伴い、従来の直線型の温度補償型光ファイバブラッググレーティングでは大型化する際に問題となっていた部材の歪等による精度の低下を防止することが可能となり、よってグレーティング部の長さが長い場合であっても精度のより高い温度補償を実現することが可能となっている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の温度補償型光ファイバブラッググレーティングの構造を示す図である。
【図２】円環に内圧及び外圧がかかった状態を示す図である。
【図３】本発明の温度補償型光ファイバブラッググレーティングが温度上昇した際の円環の半径方向での変化を示す断面図である。
【図４】小円環の厚みを固定して大円環の厚みを変化させたときの、光ファイバブラッググレーティングの線膨張係数の変化を示すグラフである。
【図５】大円環の厚みを固定して小円環の厚みを変化させたときの、光ファイバブラッググレーティングの線膨張係数の変化を示すグラフである。
【図６】実施例のリング＃１〜＃３における光ファイバブラッググレーティングの反射中心温度依存性を示すグラフである。
【図７】従来の温度補償型光ファイバブラッググレーティングを示す図である。
【符号の説明】
１・・・小円環、２・・・大円環、３・・・環状溝、１０・・・光ファイバブラッググレーティング、２３・・・グレーティング部
【図１】
0003566129.tif 000013
【図２】
0003566129.tif 000014
【図３】
0003566129.tif 000015
【図４】
0003566129.tif 000016
【図５】
0003566129.tif 000017
【図６】
0003566129.tif 000018
【図７】
0003566129.tif 000019