(57)【要約】【課題】小型で効率よく波長分散量を変化させることができ、動作中心波長の変化しない波長分散可変型光ファイバグレーティングを提供し、この波長分散可変型光ファイバグレーティングを用いた分散補償器を提供する。【解決手段】線膨張係数の大きい材料からなる内側円筒１の周囲に、線膨張係数の小さい材料からなる外側円筒２が設けられて固定部材が形成され、この内側円筒１内に形成された溝３に光ファイバグレーティングが固定されている。この固定位置を調整することにより、線膨張係数の大きい材料の膨張、収縮に伴う光ファイバグレーティングの膨張率、収縮率が光ファイバグレーティングの長手方向に沿って異なるようにして、波長分散量を制御する。【選択図】　図１
2004078152.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
線膨張係数が互いに異なる少なくとも２つの材料からなり、線膨張係数の大きい材料の周囲を、この材料より線膨張係数の小さい材料で囲んで形成された固定部材に光ファイバグレーティングが固定され、
前記光ファイバグレーティングの固定位置を調整することにより、線膨張係数の大きい材料の膨張、収縮に伴う前記光ファイバグレーティングの膨張率、収縮率が前記光ファイバグレーティングの長手方向に沿って異なるようにして、波長分散量を可変としたことを特徴とする波長分散可変型光ファイバグレーティング。
【請求項２】
前記線膨張係数の異なる材料同士の接触面の輪郭が円形となるように、線膨張係数の大きい材料からなる内側円筒の周囲に線膨張係数の小さい材料からなる外側円筒を設けて固定部材を形成したことを特徴とする請求項１記載の波長分散可変型光ファイバグレーティング。
【請求項３】
前記線膨張係数の異なる材料のいずれもが金属であることを特徴とする請求項１又は２記載の波長分散可変型光ファイバグレーティング。
【請求項４】
前記線膨張係数の異なる材料のうち、線膨張係数の小さい材料のみが金属であることを特徴とする請求項１又は２記載の波長分散可変型光ファイバグレーティング。
【請求項５】
前記光ファイバグレーティングのグレーティング周期又は光ファイバの実効屈折率が、光ファイバの長手方向に沿って変化するチャープ型光ファイバグレーティングであることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の波長分散可変型光ファイバグレーティング。
【請求項６】
前記光ファイバグレーティングのグレーティング周期が、光ファイバの長手方向について一定であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の波長分散可変型光ファイバグレーティング。
【請求項７】
前記固定部材に複数の光ファイバグレーティングが固定されていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の波長分散可変型光ファイバグレーティング。
【請求項８】
前記固定部材を構成する線膨張係数の大きい材料中に溝が形成され、この溝に光ファイバグレーティングが固定されていることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の波長分散可変型光ファイバグレーティング。
【請求項９】
前記溝に光ファイバグレーティングが固定される際に、樹脂を用いて固定されていることを特徴とする請求項８記載の波長分散可変型光ファイバグレーティング。
【請求項１０】
前記樹脂の線膨張係数、ヤング率、ポアソン比が、前記固定部材を構成する線膨張係数の大きい材料の線膨張係数、ヤング率、ポアソン比と同じであることを特徴とする請求項９記載の波長分散可変型光ファイバグレーティング。
【請求項１１】
前記光ファイバグレーティングの温度を調整するための温度調整機構が設けられていることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の波長分散可変型光ファイバグレーティング。
【請求項１２】
使用温度範囲内で温度が変化したときに、光ファイバグレーティングの両端における反射波長の変化の方向が互いに逆となるように光ファイバグレーティングの固定位置を定めて固定部材に固定したことを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の波長分散可変型光ファイバグレーティング。
【請求項１３】
請求項１から１２までのいずれかに記載の波長分散可変型光ファイバグレーティングを用いて、光伝送路の持つ波長分散を補償するようにしたことを特徴とする分散補償器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバグレーティングに関し、特に、波長分散量を可変とすることができる波長分散可変型光ファイバ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グレーティング（以下「ＦＢＧ」と略記する）は、光ファイバの長さ方向に周期的な屈折率分布を形成して、特定波長の光を反射させる特性を持った光ファイバ部品である。このＦＢＧの反射波長λは、グレーティング周期Λと実効屈折率ｎｅｆｆを用いて式（１）のように表すことができる。
【０００３】
【数１】
2004078152.tif 000003
【０００４】
このＦＢＧは、光合分波器や光スイッチ、光フィルタなどに使用され、光通信には欠かせない光部品の一つである。このＦＢＧの一つに、グレーティング周期又は光ファイバの実効屈折率が光ファイバの長手方向に対して変化するチャープ型光ファイバグレーティングがある。このチャープ型光ファイバグレーティングは広帯域フィルタなどに幅広く利用されているが、特に、光ファイバ伝送路で蓄積された波長分散を補償するための、分散補償光ファイバグレーティングへの応用が注目されている（特許文献１参照。）。
【０００５】
この分散補償光ファイバグレーティングの構成の概略を図８に示す。
図８中、符号１１は光伝送路であり、符号１２は光サーキュレータである。光伝送路１１から光サーキュレータ１２のポート１に入射した光はポート２へ送られ、光ファイバグレーティング１３に入射する。この光ファイバグレーティング１３は、コア１４、クラッド１５とからなり、コア１４に高屈折率部を設けてグレーティング部１６が形成されている。この光ファイバグレーティング１３は、高屈折率部の周期が長手方向に対して変化するチャープ型光ファイバグレーティングである。
光ファイバグレーティング１３に入射された光は、グレーティング部１６で反射されるが、グレーティング周期が光ファイバの長手方向で変化しており、波長によって反射位置が異なるため、反射光は波長により異なる光路長を通ることとなる。図８に示す場合には、グレーティング部１６のうち、グレーティング周期が長い左側で長波長の光が反射され、グレーティング周期が短い右側で短波長の光が反射される。この反射光を光サーキュレータ１２を介してポート３から取り出すと、波長毎に時間差を生じる。この波長による時間差を波長分散と呼び、通常ｐｓ／ｎｍの単位で表される。
【０００６】
光通信に一般的に用いられるシングルモード光ファイバは、波長１５５０ｎｍにおいてファイバ長１ｋｍ当り約１７ｐｓ／ｎｍの波長分散を持つ。波長分散が大きいと光ファイバ中を伝送する光パルスがなまってしまうため、情報を正確に伝達できなくなる。このため、光伝送路を構成する光ファイバによって生じる波長分散のちょうど逆の波長分散を持つように設計された分散補償光ファイバグレーティングを用いることで、光伝送路で蓄積された波長分散を補償することが可能となり、光通信システムの大幅な改善につながる。
【０００７】
【特許文献１】
特開２０００−２９２６２０号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、光伝送路によって生じる波長分散は、使用される光ファイバの種類や長さによって変化する。このため、完全な分散補償を行うためには、被補償ファイバ毎に個別に分散補償光ファイバグレーティングを設計することが必要となる。
通常、光ファイバグレーティングは位相マスクを用いて作製されるが、異なる仕様の光ファイバグレーティングを作製するためには、異なる特性の位相マスクが必要となる。この位相マスクは高価であるため、これによって分散補償光ファイバグレーティングの価格が高くなっていた。
さらに、光伝送路の波長分散は温度などの環境変化により変化してしまうため、日中と夜間や季節間によって必要な分散補償量が変化する。このため、通常の分散補償光ファイバグレーティングでは、全ての状況における波長分散を完全には補償できないという問題もあった。そのため、分散特性を必要に応じて変化させられるような可変構造を持つ分散補償光ファイバグレーティングが必要となっている。
【０００９】
分散補償光ファイバグレーティングの分散特性を変えるためには、反射される波長の長手方向依存性を制御する必要があり、この制御に関していくつかの方法が提案されている。その一つは光ファイバグレーティングに熱分布を与える方法であり、もう一つは歪み分布を与える方法である。
このうち、光ファイバグレーティングに熱分布を与える方法は、光ファイバグレーティングの長手方向に熱分布を持たせることで、反射波長を変化させる方法である。この方法では、光ファイバの長手方向に沿って正確に熱分布を作ることが要求されるが、点熱源では温度分布を所望の形にするのが困難であるため、分布型の熱源が必要となる。この一例として光ファイバグレーティングに金薄膜を蒸着して光ファイバグレーティング全体の温度を調整する方法が提案されている。
しかし、蒸着装置は高価であり、製造コストが高くなるのに加え、この方法では、光ファイバグレーティングの長手方向に蒸着膜厚を正確に変化させながら蒸着を行う必要があり、複雑な制御が要求される。また、金蒸着した部分に電極を取り付ける作業も必要となるなど、構造が複雑となり、緻密な作業を必要とするため、歩留まりが悪く、その結果コスト高となっていた。
また、加熱すると光ファイバグレーティングの反射中心波長自体が長波長側にシフトするため、波長多重通信において必要とされる、ある特定の波長に動作波長を固定した状態で波長分散量を可変とすることは困難であった。
【００１０】
一方、光ファイバグレーティングに歪み分布を与える方法は、光ファイバグレーティングの長手方向に沿って異なる歪みをかけることで反射波長を変化させる方法であるが、この方法においても、長手方向に歪みが連続的に変化する構造とするのは難しく、大きな波長分散変化量を得ることは困難であった。
本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、小型で効率よく波長分散量を変化させることができ、動作中心波長の変化しない波長分散可変型光ファイバグレーティングを提供し、この波長分散可変型光ファイバグレーティングを用いた分散補償器を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するために、請求項１記載の発明は、線膨張係数が互いに異なる少なくとも２つの材料からなり、線膨張係数の大きい材料の周囲を、この材料より線膨張係数の小さい材料で囲んで形成された固定部材に光ファイバグレーティングが固定され、前記光ファイバグレーティングの固定位置を調整することにより、線膨張係数の大きい材料の膨張、収縮に伴う前記光ファイバグレーティングの膨張率、収縮率が前記光ファイバグレーティングの長手方向に沿って異なるようにして、波長分散量を可変としたことを特徴とする波長分散可変型光ファイバグレーティングである。
これにより、小型で効率よく波長分散量を変化させることが可能な波長可変型光ファイバグレーティングを実現することができる。
【００１２】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の波長分散可変型光ファイバグレーティングにおいて、前記線膨張係数の異なる材料同士の接触面の輪郭が円形となるように、線膨張係数の大きい材料からなる内側円筒の周囲に線膨張係数の小さい材料からなる外側円筒を設けて固定部材を形成したことを特徴とする。
これにより、界面で発生する圧力を均等とすることができる。
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の波長分散可変型光ファイバグレーティングにおいて、前記線膨張係数の異なる材料のいずれもが金属であることを特徴とする。
これにより、剛性の高い波長可変型光ファイバグレーティングを実現することができる。
請求項４記載の発明は、請求項１又は２記載の波長分散可変型光ファイバグレーティングにおいて、前記線膨張係数の異なる材料のうち、線膨張係数の小さい材料のみが金属であることを特徴とする。
これにより、外側の剛性を保ったまま大きな線膨張率の差を得ることができる。
【００１３】
請求項５記載の発明は、請求項１から４のいずれかに記載の波長分散可変型光ファイバグレーティングにおいて、前記光ファイバグレーティングのグレーティング周期又は光ファイバの実効屈折率が、光ファイバの長手方向に沿って変化するチャープ型光ファイバグレーティングであることを特徴とする。
請求項６記載の発明は、請求項１から４のいずれかに記載の波長分散可変型光ファイバグレーティングにおいて、前記光ファイバグレーティングのグレーティング周期が、光ファイバの長手方向について一定であることを特徴とする。
これにより、温度変調によりチャープ型光ファイバグレーティングとすることができる。
請求項７記載の発明は、請求項１から６のいずれかに記載の波長分散可変型光ファイバグレーティングにおいて、前記固定部材に複数の光ファイバグレーティングが固定されていることを特徴とする。
これにより、複数の光ファイバグレーティングの固定位置を変えることで、各光ファイバグレーティングの特性を同時に変化させて、光ファイバグレーティング毎に異なる特性変化を持たせることができる。
【００１４】
請求項８記載の発明は、請求項１から７のいずれかに記載の波長分散可変型光ファイバグレーティングにおいて、前記固定部材を構成する線膨張係数の大きい材料中に溝が形成され、この溝に光ファイバグレーティングが固定されていることを特徴とする。
これにより、光ファイバグレーティングの固定位置を正確に制御することができる。
請求項９記載の発明は、請求項８記載の波長分散可変型光ファイバグレーティングにおいて、前記溝に光ファイバグレーティングが固定される際に、樹脂を用いて固定されていることを特徴とする。
これにより、内側円筒の伸縮を確実に光ファイバグレーティングに伝えることが可能となる。
請求項１０記載の発明は、請求項９記載の波長分散可変型光ファイバグレーティングにおいて、前記樹脂の線膨張係数、ヤング率、ポアソン比が、前記固定部材を構成する線膨張係数の大きい材料の線膨張係数、ヤング率、ポアソン比と同じであることを特徴とする。
これにより、温度変化による歪みの発生が少なく、特性を安定させることができる。
【００１５】
請求項１１記載の発明は、請求項１から１０のいずれかに記載の波長分散可変型光ファイバグレーティングにおいて、前記光ファイバグレーティングの温度を調整するための温度調整機構が設けられていることを特徴とする。
これにより、正確に波長分散量を調整することができる。
請求項１２記載の発明は、請求項１から１１のいずれかに記載の波長分散可変型光ファイバグレーティングにおいて、使用温度範囲内で温度が変化したときに、光ファイバグレーティングの両端における反射波長の変化の方向が互いに逆となるように光ファイバグレーティングの固定位置を定めて固定部材に固定したことを特徴とする。
これにより、温度変化により反射中心波長、すなわち動作中心波長の変化を抑制しつつ、波長分散量だけを変化させることが可能となる。
請求項１３記載の発明は、請求項１から１２までのいずれかに記載の波長分散可変型光ファイバグレーティングを用いて、光伝送路の持つ波長分散を補償するようにしたことを特徴とする分散補償器である。
これにより、小型で効率よく波長分散補償することが可能な分散補償器を実現することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の波長分散可変型光ファイバグレーティングは、固定部材に光ファイバグレーティングが固定されて形成されており、この固定部材は、線膨張係数の異なる少なくとも２種類の材料からなり、線膨張係数の大きい材料の周囲を、この材料より線膨張係数の小さい材料で囲んで形成されている。
図１に、本発明の二重円筒を示す。
図１中、符号１は線膨張係数の大きい材料からなる内側円筒であり、この内側円筒１の周囲に、線膨張係数の小さい材料からなる外側円筒が接合され、この２つの円筒によって固定部材が形成されている。符号３は、線膨張係数の大きい材料からなる内側円筒１中に形成された溝であり、この溝３内に光ファイバグレーティングが固定されている。この例では、内側円筒１中に形成される溝３を、内側円筒１の長手方向に螺旋形となる螺旋溝として、内側円筒１の中心軸から溝３までの距離が長手方向に沿って異なるようにしている。図１中、内側円筒１の内半径をｒａ、外半径をｒｂ、外側円筒２の内半径をｒｃ、外半径をｒｄとしている。
【００１７】
このように、線膨張係数の異なる材料からなる二重の円筒構造を有する固定部材に、内側円筒１の中心軸からの距離を変化させながら光ファイバグレーティングを固定し、内側円筒１の材料と共に光ファイバグレーティングを膨張、収縮する構造とすることで温度変調による波長分散制御が可能となる原理について、以下に説明する。
まず、断面が図２に示すように、内半径ｒａ、外半径ｒｂの円筒に、内側から圧力Ｐａ、外側から圧力Ｐｂがかかると、中心からｒの位置における半径方向の変位ｕは、式（２）と表すことができる。
【００１８】
【数２】
2004078152.tif 000004
【００１９】
式（２）において、Ｅは円筒を構成する材料のヤング率、νはポワソン比である。
次に、図１に示したような、線膨張係数が互いに異なる２種類の材料からなる二重円筒の場合について検討する。この二重円筒のうち、内側円筒（以下「円筒１」と略記する）の線膨張係数をα１、外側円筒（以下「円筒２」と略記する）の線膨張係数をα２とし、α１＞α２とする。
図３に、この二重円筒の中心軸に沿った断面の片側を示す。図３において、斜線部が円筒１、及び円筒２である。ここでは、円筒１の内半径をｒａ、円筒１の外半径をｒｂ、円筒２の内半径をｒｃ、円筒２の外半径をｒｄとする。温度変化前においては、円筒１の外半径ｒｂと円筒２の内半径ｒｃとは等しく、ｒｂ＝ｒｃ＝Ｒとする。
温度がΔＴだけ上昇すると、円筒１と円筒２とが独立に存在する場合には、α１＞α２であることから、円筒１の外半径は円筒２の内半径より大きく膨張する。
図３中段はこの様子を示しており、円筒１は半径方向にｕｂだけ膨張し、円筒２は半径方向にｕｃだけ膨張する。
しかし、この二重円筒のように、円筒１が円筒２の内側にはめ込まれている場合には、円筒１の外半径と円筒２の内半径とは一致しなければならず、その結果、円筒１と円筒２との境界面において圧力が発生する。図３下段はこの様子を示しており、円筒１には中心方向向きに圧力Ｐを生じ、円筒２には中心方向と逆向きに圧力Ｐを生じる。
この圧力をＰとすると、圧力Ｐによる円筒１の外半径変化量Δｕｂは、式（２）において、Ｐａ＝０、Ｐｂ＝Ｐ、ｒ＝ｒｂを代入することによって、式（３）のように求められる。
【００２０】
【数３】
2004078152.tif 000005
【００２１】
同様に、円筒２の内半径変化量Δｕｃは、式（２）において、Ｐａ＝Ｐ、Ｐｂ＝０、ｒ＝ｒｃを代入することによって、式（４）のように求められる。
【００２２】
【数４】
2004078152.tif 000006
【００２３】
ここで、変化量ｕｂとｕｃの差は、温度上昇による円筒１と円筒２の重なり量に対応するため、ｕｂ−ｕｃ＝｜Δｕｃ｜＋｜Δｕｂ｜である。一方、線膨張係数αの円筒において、温度がΔＴだけ上昇したときの、半径ｒにおける変位量はαｒΔＴであることから、ｕｂとｕｃの差は、式（５）となる。
【００２４】
【数５】
2004078152.tif 000007
【００２５】
ｒｂとｒｃはほぼ等しいので、ｒｂ＝ｒｃ＝Ｒとおくと、温度変化ΔＴによる、円筒１と円筒２との境界面で発生する圧力は、式（３）、（４）、（５）より式（６）となる。
【００２６】
【数６】
2004078152.tif 000008
【００２７】
この圧力Ｐを式（２）のＰｂに代入し、Ｐａ＝０とすると、円筒１の位置ｒにおいて、温度変化ΔＴによって変位する量ｕｒが式（７）として求められる。
【００２８】
【数７】
2004078152.tif 000009
【００２９】
ただし、式（７）において、Ｐは式（６）に示すＰである。温度変化による円筒１の半径ｒの位置におけるトータルの変位ｕＴは、熱による膨張α１ｒΔＴと、外側に円筒があることによって生じる変位ｕｒとの和である。従って、ｕＴは式（８）となる。
【００３０】
【数８】
2004078152.tif 000010
【００３１】
円周方向の収縮率はｕ／ｒで表されるので、円筒１における半径ｒの位置での実質的な線膨張係数αｔｏｔａｌは、式（９）となる。
【００３２】
【数９】
2004078152.tif 000011
【００３３】
このように、異なる線膨張係数を持つ材料を、接触面の輪郭が円形となるように接合すると、内側の材料の実質的な線膨張係数は半径方向によって変化する。
【００３４】
次に、上述した二重の円筒構造を有する固定部材を用いて、光ファイバグレーティングの波長分散を制御する方法について説明する。
光ファイバグレーティングの反射波長は式（１）で表されるため、反射波長の温度依存性ｄλ／ｄＴは、式（１０）となる。
【００３５】
【数１０】
2004078152.tif 000012
【００３６】
さらに、光ファイバの線膨張係数をαとすると、∂Λ／∂Ｔ＝αΛと書くことができるので、式（１０）は、式（１１）と書き直すことができる。
【００３７】
【数１１】
2004078152.tif 000013
【００３８】
ここで、溶融石英の屈折率温度依存性は、∂ｎ／∂Ｔ＝＋９．８×１０−６であり一定値である。
光ファイバの長手方向をＸ軸とすると、ここで用いられる光ファイバグレーティングはチャープ型光ファイバグレーティングであるため、グレーティング周期ΛはＸの関数となる。ここでは、簡単のために分散補償用の光ファイバグレーティングとして最も多く使用されている線形チャープの場合について検討する。この場合には、グレーティング周期Λは、式（１２）と表すことができる。
【００３９】
【数１２】
2004078152.tif 000014
【００４０】
ここで、Λ０は定数、Ｃはチャープ率と呼ばれる定数であり、グレーティング周期の変化率を表す。この式（１２）を式（１１）に代入してＸで１階微分すると、光ファイバグレーティングの波長分散量の温度依存性を知ることができる。式（１２）を式（１１）に代入してＸで１階微分すると、式（１３）となる。
【００４１】
【数１３】
2004078152.tif 000015
【００４２】
ここで、式（１３）の右辺の第２項と第３項は小さいので無視すると、以下の式（１４）となる。
【００４３】
【数１４】
2004078152.tif 000016
【００４４】
通常は、光ファイバの線膨張係数αは、光ファイバの長手方向で一定であるため、式（１４）の右辺は零となり、温度変化により波長分散量が変化しないことがわかる。一方、線膨張係数αが長手方向に対して依存性があり、以下の式（１５）で表されると仮定すると、前記式（１１）の１階微分は、以下の式（１６）となる。
【００４５】
【数１５】
2004078152.tif 000017
【００４６】
【数１６】
2004078152.tif 000018
【００４７】
式（１６）より、波長分散の変化量が光ファイバグレーティングの長手方向に依存する構造とすることができ、これによって、温度変調により波長分散量を制御することが可能となることがわかる。
【００４８】
線膨張係数の異なる材料を用いて二重円筒構造の固定部材を形成すると、内側円筒の線膨張係数は半径方向に違った値を持つのは前述の通りである。この固定部材に光ファイバグレーティングを固定し、その固定位置を調整して、光ファイバグレーティングの線膨張係数が長手方向に対して変化するようにすれば、温度変調により波長分散量を制御することができる。
例えば、光ファイバグレーティングを二重円筒からなる固定部材の内側円筒に、内側円筒の中心軸からの距離を変化させながら固定し、内側円筒を構成する材料と共に光ファイバグレーティングが膨張、収縮する構造とすることで、温度変調により波長分散量を制御することができる。光ファイバグレーティングを内側円筒１の中心軸からの距離を変化させながら固定するためには、図１に示すように、内側円筒中１に形成される溝を螺旋溝として、この螺旋溝に固定することによって可能である。
また、固定部材に固定される光ファイバグレーティングは１つに限定されず、複数の光ファイバグレーティングを固定してもよい。この場合には、複数の光ファイバグレーティングの固定位置を変えることで、各光ファイバグレーティングの特性を同時に変化させて、光ファイバグレーティング毎に異なる特性変化を持たせることができる。
【００４９】
光ファイバグレーティングを内側円筒に固定する方法としては、例えば、内側円筒部に光ファイバグレーティングの直径と同じか、より太い溝を作り、この溝に光ファイバグレーティングを沿わせて固定する方法が挙げられる。溝の位置を予め設計された位置にしておくことで、光ファイバグレーティングの中心からの位置を正確に合わせて固定することができる。
また、光ファイバグレーティングを溝に挿入した後で溝を樹脂などで埋めることで、内側円筒の伸縮を確実に光ファイバに伝えることが可能となる。このとき、溝に埋める樹脂の線膨張係数、ヤング率、ポアソン比などの物理特性が、固定部材の内側材料の物理特性と同じであると、温度変化による歪みの発生が少なく、特性を安定させることができる。そのため、樹脂の物理特性は固定部材の内側材料の物理特性と同じであることが好ましい。
【００５０】
固定部材として用いられる材料の組合せは、線膨張係数に違いのある材料であればよく、２つの材料がともに金属である場合には、剛性を高くすることができる。また、波長分散について大きな可変特性を得るためには、２つの材料の線膨張係数の差ができるだけ大きいほうがよく、そのためには、外側円筒を金属で形成し、内側円筒をフッ素系樹脂やプラスチックなどの金属以外の材料で形成することが好ましい。
また、以上の説明においては、固定部材の形状を円筒としているが、内側材料と外側材料との線膨張係数が異なれば、温度上昇により接触面で圧力が生じて波長シフトを得ることができるため、使用目的に合わせて他の形状とすることもできる。ただし、２つの材料の接触面が円形であると、界面で発生する圧力が均等となるため、接触面は円形であることが好ましい。２つの材料を円形に密着させる方法としては、焼きばめや圧入などの方法がある。
以上説明したような波長分散量の制御を温度変化に基づいて行うことは、光ファイバグレーティングの温度を調整するための温度調整機構を組み込むことによって可能である。
【００５１】
この例の波長可変型光ファイバグレーティングによると、線膨張係数が互いに異なる少なくとも２つの材料からなり、線膨張係数の大きい材料の周囲を、この材料より線膨張係数の小さい材料で囲んで形成された固定部材に光ファイバグレーティングが固定され、光ファイバグレーティングの固定位置を調整することにより、線膨張係数の大きい材料の膨張、収縮に伴う光ファイバグレーティングの膨張率、収縮率が光ファイバグレーティングの長手方向に沿って異なるようにして、波長分散量を可変とすることができるため、小型で効率よく波長分散量を変化させることが可能な波長分散可変型光ファイバグレーティングを実現することができる。
【００５２】
次に、本発明の分散補償器の例について説明する。
この例の分散補償器は、上述した波長分散可変型光ファイバグレーティングを、図８に示したように、例えば光サーキュレータ１２に接続して形成されるものであり、波長分散可変型光ファイバグレーティングの波長分散量は、光伝送路１１によって生じる累積分散を打ち消すように制御されている。これにより、光伝送路１１によって生じる累積分散を伴った信号光は、光サーキュレータのポート１からポート２を通って光ファイバグレーティング１３で反射されることで分散補償され、この反射光は光サーキュレータのポート２からポート３を通って出力される。
この例の分散補償器によると、本発明の波長分散可変型光ファイバグレーティングを用いて光伝送路の持つ波長分散を補償するようにすることにより、小型で効率よく波長分散補償することが可能な分散補償器を実現することができる。
【００５３】
以下、具体例を示す。
表１に示す材料を用いて二重円筒構造の固定部材を形成し、この固定部材に光ファイバグレーティングを固定して波長分散可変型光ファイバグレーティングを作製した。
【００５４】
【表１】
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【００５５】
表１に示す材料のうち、インバー、チタンを外側の円筒材料として用い、アルミニウム、ポリテトラフルオロ・エチレン（Ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏ　ｅｔｈｙｌｅｎｅ　以下「ＰＴＦＥ」と略記する）、ポリクロロ・トリフルオロ・エチレン（Ｐｏｌｙｃｈｌｏｒｏｔｒｉｆｌｕｏｒｏ　ｅｔｈｙｌｅｎｅ　以下「ＰＣＴＦＥ」と略記する）を内側の円筒材料として用いた。
表１に示した線膨張係数、ヤング率、ポアソン比を式（９）に代入し、内側円筒における線膨張係数の半径方向依存性を求めた。ここでは、ｒａ＝２．５ｃｍ、Ｒ＝３．５ｃｍ、ｒｂ＝４．５ｃｍとした。
【００５６】
次に、求められた線膨張係数αを式（１１）に代入し、光ファイバグレーティングがこの線膨張係数を持った場合に、温度変化によりどの程度の波長シフトを生じるかを求めた。ここでは、グレーティング周期は通常用いられる波長１．５５μｍ帯を想定して、Λ＝５３１ｎｍとし、ｎｅｆｆ＝１．４５５、∂ｎ／∂Ｔ＝９．８×１０−６とした。
このときの計算結果を図４から図６に示す。
図４は内側円筒をアルミニウムで形成した場合、図５は内側円筒をＰＴＦＥで形成した場合、図６は内側円筒をＰＣＴＦＥで形成した場合であり、それぞれについて、（ａ）は外側円筒をチタンで形成し、（ｂ）は外側円筒をインバーで形成した場合である。
【００５７】
ここで得られた波長シフト量を、光ファイバグレーティングの波長分散量の可変範囲に換算した結果を以下に示す。
現在、商業ベースで購入可能な位相マスクのマスク長は１００ｍｍ程度であるので、これに合わせてグレーティング長を１００ｍｍとし、反射帯域幅を、ＷＤＭの１波長の波長分散を補償するのに必要な帯域幅である１．２ｎｍとすると、光ファイバグレーティングの波長分散量は約８００ｐｓ／ｎｍとなる。この光ファイバグレーティングを図４（ａ）に示した、内側円筒をアルミニウムで形成し、外側円筒をチタンで形成した固定部材に固定する。
このとき、光ファイバグレーティングの長波長反射側を内側円筒の最外径（ｒ＝３．５ｃｍ）の位置に固定し、短波長反射側を内側円筒の最内径（ｒ＝２．５ｃｍ）の位置に固定すると、長波長反射側は１℃あたり０．０３４６ｎｍ長波長側にシフトし、短波長反射側は１℃あたり０．０２９１ｎｍ長波長側にシフトする。このため、光ファイバグレーティングの帯域幅は１℃あたり０．００５５ｎｍ（＝０．０３４６ｎｍ−０．０２９１ｎｍ）だけ広がることになる。
【００５８】
温度可変量を３０℃とすると帯域幅の変化量は０．００５５ｎｍ／℃×３０℃＝０．１６５ｎｍである。グレーティング長が一定の場合、帯域幅と波長分散量とは反比例の関係にあるため、波長分散量は、８００ｐｓ／ｎｍ×１．２ｎｍ／（１．２ｎｍ＋０．１６５ｎｍ）＝７０３ｐｓ／ｎｍとなり、その変化量は８００−７０３＝９３ｐｓ／ｎｍである。
この９３ｐｓ／ｎｍという波長分散の変化量は、伝送用として一般に使用されている光ファイバ４８０ｋｍにおいて、温度が１００℃（−３０℃から７０℃まで）変化したときの波長分散値の変化量とほぼ同じであり、光伝送路の温度による変化を補償するのに十分な値である。
また、光ファイバグレーティングの長波長反射側と短波長反射側の固定位置を逆にすると、温度上昇により帯域幅は狭くなるので、３０℃上昇したときの波長分散量は８００ｐｓ／ｎｍ×１．２ｎｍ／（１．２ｎｍ−０．１６５ｎｍ）＝９２８ｐｓ／ｎｍとなり、９２８−８００＝１２８ｐｓ／ｎｍだけ波長分散量を大きくすることも可能である。
【００５９】
さらに、内側円筒をアルミニウムで形成し、外側円筒をインバーで形成した場合や、内側円筒をＰＣＴＦＥやＰＴＦＥで形成した場合には、単位温度あたりの波長シフト量の半径方向依存性が大きいため、温度変動範囲が同じであれば、より大きな可変範囲が得られる。また、同じ可変範囲であれば、より小さい温度範囲で分散補償を行うことができる。
例えば、内側円筒をＰＣＴＦＥで形成し、外側円筒をインバーで形成した固定部材に光ファイバグレーティングを固定する場合には、内側円筒の最内径での波長シフトは−０．０３５ｎｍ／℃であり、最外径での波長シフトは０．０１２ｎｍ／℃であるので、１℃あたりの帯域変化量は０．０１２−（−０．０３５）ｎｍ／℃＝０．０４７ｎｍ／℃となる。上記と同じ９３ｐｓ／ｎｍの変化量を得るためには、０．１６５ｎｍの帯域幅変化があればよいので、０．１６５／０．０４７＝３．５℃となり、わずかに４℃程度の温度変化で達成できる。
【００６０】
また、グレーティング周期が長手方向で一定である光ファイバグレーティングを上述の固定部材に固定すると、温度変調によりチャープ型光ファイバグレーティングとすることができる。例えば、内側円筒をＰＣＴＦＥで形成し、外側円筒をインバーで形成した固定部材に固定する場合には、１℃あたりの帯域幅変化が０．０４６ｎｍであるので、帯域幅１．２ｎｍのチャープ型光ファイバグレーティングにするためには、１．２／０．０４６＝２６℃であることから、２６℃だけ変化させれば、均一周期の光ファイバグレーティングを分散補償用光ファイバグレーティングとして使用可能な帯域幅を持つ光ファイバグレーティングとして使用することができる。
【００６１】
このように、内側円筒をＰＣＴＦＥ、またはＰＴＦＥで形成すると、光ファイバグレーティングの固定位置によっては、光ファイバグレーティングの波長シフトの向きを逆にすることができる。これにより、光ファイバグレーティングの両端における反射波長の変化方向を逆にすることができるため、温度変化により反射中心波長、すなわち動作中心波長の変化を抑制しつつ、波長分散量だけを変化させることができる。
また、この例の光ファイバグレーティングは、光ファイバグレーティングの反射波長帯域が温度制御により変化することを利用すると、帯域可変フィルタとして用いることができる。さらに、帯域が変化すると、これに伴って反射率、透過率も変化するため、透過・反射可変フィルタとして用いることもできる。例えば、グレーティング長が１００ｍｍで屈折率変化量が０．００１５である光ファイバグレーティングによって得られる、透過阻止帯と反射帯域幅との関係を図７に示す。
【００６２】
実際に、図６での計算に使用した形状の二重リング構造にチャープ型ファイバグレーティングを螺旋状に固定した場合に得られた特性を示す。この螺旋溝は、溝の長手方向に沿って線膨張係数が線形に変化するように、また螺旋のほぼ中心で波長シフトの温度依存性が零となるように設計した。これにより、群遅延特性の線形性と中心波長を保ちながら波長分散量だけを変化させる構造とすることができる。ここでは、グレーティング周期の長い側が螺旋溝の内側になるように固定した。
【００６３】
図９に反射スペクトルの温度依存性を示す。温度上昇により反射波長の短波側が長波に、長波側が短波にシフトすることが確認できた。この結果、反射の中心波長はほとんど変化せずに、反射の帯域だけが変化する設計通りの特性となった。
図１０に群遅延特性を示す。群遅延スペクトルは線形を保ちながらその傾きだけが変化できていることが確認できた。
図１１には、このサンプルの波長分散量と反射中心波長の温度依存性を示す。波長分散量は、図１０に示した群遅延特性を線形近似した際の傾きとして求めた。
【００６４】
この結果、温度を１２℃から５６℃まで４４℃変化させることにより、波長分散量が７５０ｐｓ／ｎｍから２０００ｐｓ／ｎｍまで変化した。また、その時の中心波長変化はすべての可変帯域にわたり０．１ｎｍ以下となり、設計通り、中心波長シフトがほとんどなく、大きな波長分散可変領域を持つ分散補償器とすることができることを確認した。
ここでは、螺旋溝の設計を線膨張係数が螺旋溝方向に線形に変化するように設計した場合で実験を行ったが、線膨張係数を２次的に変化するようにすると、波長分散スロープを可変とすることができる。さらに、ファイバグレーティング固定位置の線膨張係数をファイバの長手方向に沿って任意の関数とすることにより、簡単に所望の可変特性を得ることができる。
【００６５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、線膨張係数が互いに異なる少なくとも２つの材料からなり、線膨張係数の大きい材料の周囲を、この材料より線膨張係数の小さい材料で囲んで形成された固定部材に光ファイバグレーティングが固定され、光ファイバグレーティングの固定位置を調整することにより、線膨張係数の大きい材料の膨張、収縮に伴う光ファイバグレーティングの膨張率、収縮率が光ファイバグレーティングの長手方向に沿って異なるようにして、波長分散量を可変とすることができるため、小型で効率よく波長分散量を変化させることが可能な波長可変型光ファイバグレーティングを実現することができる。
また、線膨張張係数の異なる材料同士の接触面の輪郭が円形となるように、線膨張係数の大きい材料からなる内側円筒の周囲に線膨張係数の小さい材料からなる外側円筒を設けて固定部材を形成することにより、界面で発生する圧力を均等とすることができる。
【００６６】
また、線膨張係数の異なる材料のいずれもが金属で形成されることより、剛性の高い波長分散可変型光ファイバグレーティングを形成することができる。
また、グレーティング周期が長手方向で一定である光ファイバグレーティングを固定部材に固定することにより、温度変調によりチャープ型光ファイバグレーティングとすることができる。
また、固定部材に複数の光ファイバグレーティングを固定し、この複数の光ファイバグレーティングの固定位置を変えることで、各光ファイバグレーティングの特性を同時に変化させて、光ファイバグレーティング毎に異なる特性変化を持たせることができる。
また、固定部材を構成する線膨張率の大きい材料中に溝が形成され、この溝に光ファイバグレーティングが固定される際に、樹脂を用いて固定されていることにより、内側円筒の伸縮を確実に光ファイバグレーティングに伝えることが可能となる。
また、固定部材の溝に光ファイバグレーティングを固定する際に用いられる樹脂の線膨張係数、ヤング率、ポアソン比を、固定部材を構成する線膨張率の大きい材料の線膨張係数、ヤング率、ポアソン比と同じとすることにより、温度変化による歪みの発生を少なくして、特性を安定させることができる。
【００６７】
また、使用温度範囲内で温度が変化したときに、光ファイバグレーティングの両端における反射波長の変化の方向が互いに逆となるように光ファイバグレーティングの固定位置を定めて固定部材に固定することにより、温度変化により反射中心波長、すなわち動作中心波長の変化を抑制しつつ、波長分散量だけを変化させることが可能となる。
また、本発明によると、本発明の波長分散可変型光ファイバグレーティングを用いて光伝送路の持つ波長分散を補償するようにすることにより、小型で効率よく波長分散補償することが可能な分散補償器を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の二重円筒を示す図である。
【図２】圧力による円筒の変形を示す図である。
【図３】二重円筒が温度によって変形する様子を示す図である。
【図４】内側円筒をアルミニウムで形成し、（ａ）は外側円筒をチタンで形成し、（ｂ）は外側円筒をインバーで形成した場合の、１℃あたりの光ファイバグレーティングの波長シフト量を示す図である。
【図５】内側円筒をＰＴＦＥで形成し、（ａ）は外側円筒をチタンで形成し、（ｂ）は外側円筒をインバーで形成した場合の、１℃あたりの光ファイバグレーティングの波長シフト量を示す図である。
【図６】内側円筒をＰＣＴＦＥで形成し、（ａ）は外側円筒をチタンで形成し、（ｂ）は外側円筒をインバーで形成した場合の、１℃あたりの光ファイバグレーティングの波長シフト量を示す図である。
【図７】本発明の波長分散可変型光ファイバグレーティングを、可変帯域フィルタとして用いる場合の、帯域幅と透過損失との関係を示す図である。
【図８】分散補償器の構成を示す図である。
【図９】本発明の具体例の結果を示す図表である。
【図１０】本発明の具体例の結果を示す図表である。
【図１１】本発明の具体例の結果を示す図表である。
【符号の説明】
１…内側円筒、２…外側円筒、３…溝、１１…光伝送路、１２…光サーキュレータ、１３…光ファイバグレーティング、１４…コア、１５…クラッド、１６…グレーティング部
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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