(57)【要約】 【課題】  温度変化によるファイバーグレーティングの波長変動を高精度に抑制した温度補償付きファイバーグレーティングの構成を提供する。【解決手段】  熱膨張率の異なる材料の組合せからなる圧縮外力付与構成を、多段型に設けてこれらを組合せ、異なる温度領域で異なる量の圧縮外力をファイバーグレーティングに印加して、温度変化によるその波長変動を抑制する。具体的には、ファイバーグレーティングを固定する第１段目の圧縮外力付与構成の後方に第２段目の構成を設け、低温度領域では第１段目の構成による圧縮外力をファイバーグレーティングに印加させ、高温度領域では、第１段目の構成の中の熱膨張材料を固定する接着樹脂の弾性を利用して、第２段目の構成による圧縮外力を隣接する第１段目の構成を通してファイバーグレーティングに印加することで、異なる温度領域で異なる温度補償を行い、所望温度領域全体にわたって波長変動を抑制する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱膨張率の異なる材料の組合せからなる圧縮外力付与構成を用い、該圧縮外力付与構成に固定されたファイバーグレーティングにその両端または一端から圧縮外力を印加して環境温度変化による該ファイバーグレーティングの波長変動を抑制する温度補償付きファイバーグレーティングおよびその製造方法において、該圧縮外力付与構成を該ファイバーグレーティングの両端または一端に２段以上複数段設けることを特徴とする温度補償付きファイバーグレーティングおよびその製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の圧縮外力付与構成において、熱膨張率の異なる材料を該圧縮外力付与構成の中に固定する材料が１箇所または複数箇所において弾性を有する樹脂からなることを特徴とする温度補償付きファイバーグレーティングおよびその製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバーのコア部に形成されるファイバーグレーティングによって反射される光の反射波長が、環境温度の変化に対して変動する性質を抑制する構成を有するファイバーグレーティングに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ファイバーグレーティングは、光ファイバーのコアに周期的な屈折率変化を与えたもので、入射した光の特定波長のみを反射し、他の光はすべて通過させるフィルターである。反射光の波長帯域スペクトル幅は、通常、きわめて狭く、従って、この狭帯域特性を有すると言う特長を利用して、波長を高精度に指定して動作させる各種デバイス、装置、システムに、例えば高密度波長多重光通信、ファイバーレーザー共振器、温度・歪み等の各種センサー等々に、広く応用展開されている。
高確度の波長制御が要求されるこれらのデバイス応用においては、当然、使用環境温度の変化に対する安定性がきびしく要求される。温度を一定に制御する能動的装置に組み込んで用いることも一部においてなされてはいるが、受動的制御による温度安定性確保への要望は強い。
【０００３】
ファイバーグレーティングの反射中心波長λ０は、コア部の実効屈折率ｎｅｆｆと屈折率変調の周期Λ（グレーティング周期）によって、λ０＝２ｎｅｆｆ×Λとして決まる。この反射中心波長は、主に屈折率ｎｅｆｆの正の温度依存性により、通常、−２０℃から８０℃の間で約１ｎｍ、すなわち約１０ｐｍ／℃シフトする。温度変化による波長変動を抑制するため、屈折率変化に対して外力によりグレーティング周期Λを制御することで、温度補償がなされる。グレーティング周期Λを制御する手段として、（１）熱膨張率が異なる材料を組み合わせてファイバーグレーティングに正の温度変化に対して圧縮の外力を印加する方式（異種熱膨張率材料組合せ方式）、（２）負膨張材料に直接ＦＢＧを貼り付けてマイナス膨張を与える方式（負膨張材料方式）、さらに（３）上記（１）および（２）を組合わせたハイブリッド方式等がある。これらの方式によって、ファイバーグレーティングの波長温度変化は、−２０℃から８０℃の間でおおよそ３０〜７０ｐｍ、すなわち０．３〜０．７ｐｍ／℃の波長シフト量に抑制されている（例えば、非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３参照。）。この波長シフト量は、温度補償なしの場合の約３〜７％である。
【非特許文献１】井上亨、「ファイバーグレーティングの作製とデバイス応用」、光学，vol.32，no.5，pp.317-319，May 2003.
【非特許文献２】G.W. Yoffe, P.A. Krug, F. Ouellette, and D.A. Thorncraft, 「Passive temperature-compensating package for optical fiber gratings」、 APPLIED OPTICS, vol.34, no.30, pp.6859-6861, Oct. 1995.
【非特許文献３】井上亨、岩島徹、酒井和明、伊藤達也、角井素貴、榎本正、金森弘雄、「ＷＤＭ伝送用ファイバーグレーティングの開発」、ＳＥＩテクニカルレビュー、第１５２号、pp.30-35，Mar. 1998.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、狭帯域特性を有すると言うファイバーグレーティングの特長を充分に発現させるには、環境温度の変化に対する中心波長のシフト量はさらに抑制されるべきであり、各種デバイス、装置、システム等に応用するユーザーからの要求はきわめて強い。我々の目的は、従来達成されている波長シフト量よりもはるかに小さく、出来れば−２０℃から８０℃の間で３０ｐｍ以下の波長シフト量に抑制する温度補償付きファイバーグレーティングを提供することである。
【０００５】
無負荷の状態でのファイバーグレーティングの温度依存性に関し、我々の実験データを図３に示す。反射中心波長は室温２０℃で１５４８．５４ｎｍであり、図ではこの値を基準にして変動量を表した。温度に対して、一見、直線的に変化しているように見えるが、温度の中間部分でわずかではあるが直線からはずれて凹んでいる。すなわち、温度の１次関数だけでなく２次関数の依存性を持っている。図３の実測値データ＃１を温度の１次関数にフィッティングさせ、実測値データと１次関数フィッティング直線から計算される値の差を図４の曲線＃２に示す。
【０００６】
従来の方式、例えば上述の（１）異種材料組合せ方式、（２）負膨張材料方式、および（３）ハイブリッド方式に用いられる材料は、例えばアルミニウム、ＳＵＳ，石英等の熱膨張率は、−２０℃〜８０℃の温度領域では温度に対して一定である。このことは温度変化の１次関数の補償が可能であることを意味しており、従って、最適化されても図４の＃２の曲線が波長シフト量抑制の理論的限界であり、その値は−２０℃〜８０℃の間で約２５ｐｍであって、それ以下に抑制することは原理的に不可能である。図４の曲線＃３は、従来の異種材料組合せ方式で温度補償を行った我々の実験結果で、−２０℃〜８０℃の間で波長シフト量は３６ｐｍであった。我々のこの実験に、さらに技巧をこらして改善しても、限界は約２５ｐｍで、それ以下に抑制することは不可能である。温度補償を負膨張材料方式で行っても、ハイブリッド方式で行っても、１次関数フィッティングを目標に補償を行う限り、同様である。
【０００７】
従来からもっともよく採用されている方式は、図２に示す異種材料組合せ方式である。材料３が低熱膨張率材料（例えば、石英ガラス）で、材料４が高熱膨張率材料（例えば、アルミニウム）で、両者は樹脂６で接着固定されている。この接着固定は両側面において対をなしてなされており、以下すべて同様である。ファイバー１に形成されたファイバーグレーティング２の部分は、樹脂５で高熱膨張率材料４に２箇所で接着固定されている。環境温度が上がると、材料３の左右外方向への熱膨張よりも、材料４による左右内方向への熱膨張が大きいため、ファイバーグレーティング２は圧縮の外力を受けることになり、これによってその反射波長の温度依存性がキャンセルされる。２つの材料の熱膨張係数と、その長さと、樹脂５および６の位置および間隔を適切に設計することで最適の温度補償が得られる。負膨張材料方式（図示しない）においては、ファイバーグレーティングが形成されたファイバーを２箇所で樹脂を用いて、負膨張材料からなる台に接着して圧縮の外力をファイバーグレーティングに作用させて、同様の温度補償が得られる。この場合は、最適の負膨張率を有する負膨張材料の選択が必要であるが、持ち合わせの負膨張材料の熱膨張率が最適値からはずれている場合は、負膨張材料の台の上に図２に示す異種材料組合せ方式を適用したハイブリッド方式で最適の温度補償を行うことが可能である。しかしながら、上述するように、これらの従来方式による補償は１次関数補償であって、中心波長変動量を図４の＃２の曲線以下に抑制することは不可能である。事実、図２の異種材料組合せ方式を適用した我々の実験では、図４の曲線＃３が得られており、作製に技巧をこらしても曲線＃２が原理的限界である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
従来方式におけるこの原理的限界は、対象とする温度領域全体にわたって、温度に対して１次関数として依存しない波長シフトを、温度に対して１次関数として熱膨張する材料を組合せてキャンセルさせようとすることに起因している。温度に対して２次関数依存の現象を、１次関数依存の現象でキャンセルさせて補償することは不可能であり、逆符号の２次関数依存の補償を行ってはじめて可能となる。対象とする温度領域を、たとえば２つに低温度領域と高温度領域に分割して、別々に温度補償を施せば２次関数としての補償が、すなわち２次関数に近似される補償が可能となり、上述の従来方式における限界を超えることが出来る。ただし、ここで一方の温度領域における温度補償が、他方の温度領域における温度補償を乱さないことが必要である。これが本発明の発想の原点である。
【０００９】
これを実現するためには、まず２つの温度領域に、低温度領域と高温度領域に分けて別々に温度補償を行うことが必要である。図３のデータに対して、−２０℃〜２０℃の低温度領域と、２０℃〜８０℃の高温度領域に分けてこれを適用すると、図５のようになる。曲線＃４が−２０℃〜２０℃の低温度領域に対するもので、曲線＃５が２０℃〜８０℃の高温度領域に対するものであり、本発明の多段型圧縮外力付与構成を２段にして適用し、それぞれの温度領域で温度補償を別々に行えば、−２０℃〜８０℃の全温度領域における波長シフト量は、それぞれの温度領域での波長シフト量の大きい方で決まる値が原理的限界となる。それぞれの波長シフト量は、−２０℃〜２０℃では曲線＃４から４ｐｍ、２０℃〜８０℃では曲線＃５から６ｐｍとなり、この場合は６ｐｍが全温度領域での波長シフト量が原理的限界となる。全温度領域を１次関数で補償する従来方式における波長シフト量は、図４の曲線＃２について上述したように原理的限界は２５ｐｍであったから、本発明の方法ではこれが６ｐｍとなり、大幅に抑制が改善される。
対象とする温度領域を２個ではなく、さらに多くに分割し、多段型圧縮外力付与構成とすれば、波長シフト量の限界値はさらに小さく抑制することが可能となる。
【発明の効果】
【００１０】
後述する実施例および比較例の実験結果から、本発明の方式による温度補償は、きわめて大きな効果を有していることが証明できた。
【００１１】
請求項１の発明によれば、熱膨張率の異なる材料の組合せからなる圧縮外力付与構成を用い、これに固定されたファイバーグレーティングにその両端または一端から圧縮外力を印加して環境温度変化によるその波長変動を抑制する温度補償付きファイバーグレーティングにおいて、圧縮外力付与構成を複数段設ければ、従来方式による温度補償を上回る温度補償を得ることが可能となる。異なる温度領域において、異なる量の圧縮外力がファイバーグレーティングに印加されるからである。上述実施例においては、２段の圧縮外力付与構成からなる組合せによる温度補償で本発明の効果を証明したが、さらに３段、４段と段数を増やせば、組み上げ作業において複雑さは多くなるが、上述実施例の実験結果よりさらに小さく波長シフト量を抑制できることが、当然、予想される。
【００１２】
請求項２の発明によれば、請求項１記載の圧縮外力付与構成において、熱膨張率の異なる材料を圧縮外力付与構成の中に固定する材料が１箇所または複数箇所において弾性を有する樹脂であれば、異なる温度領域において異なる量の圧縮外力が樹脂の弾性によって連続してファイバーグレーティングに印加されるため、従来方式による温度補償を上回る温度補償を得ることが可能となる。もちろん、温度の上げ下げの繰り返しによって、樹脂の弾性の復元力が変化しないことが必要である。
次に本発明の実施の形態について述べる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の特徴を最も明確に発現させるため、我々は、従来方式で採られている１段型の圧縮外力付与構成に、別の第２段の圧縮外力付与構成を第１段目構成の後方に隣接して配置し、使用した樹脂の弾性によって、低温度領域と高温度領域で異なる温度補償を得ることができた。ここで後方とは、ファイバーグレーティングを直接固定する圧縮外力付与構成が第１段目構成で、その外側に位置することを言う。圧縮外力付与構成を２段とした場合の実験結果を実施例で、従来方式との比較を比較例で説明する。
【実施例】
【００１４】
本発明の方法で作製した本発明の温度補償付きファイバーグレーティングを、図１、図３、図４、図５、図６を用いて説明する。光ファイバーの樹脂被覆部を１７ｍｍにわたって除去し、紫外線レーザー光を用いて位相マスク法で、１０ｍｍ長のファイバーグレーティングを作製した。図１のように固定する前に、無負荷の状態で２０℃の室温でスペクトラムアナライザーを用いて測定したときの中心波長は１５４８．５４ｎｍであった。これを恒温槽にセットして、−２０℃から８０℃まで温度を２０℃間隔で変えてこの波長を測定した結果を図３に示す。それぞれの温度での中心波長のデータは３０分間その温度に維持してからスペクトラムアナライザーで読み取った。図では室温２０℃での波長からのズレとしてプロットした。この図の曲線＃３に対して１次関数フィッティングを施した場合の、各温度における波長データのフィッティングからのズレ量を２０℃を基準にしてプロットしたデータが図４の曲線＃２である。従来方式の温度補償を適用した場合、波長シフト量の抑制極限値は、この曲線＃２から−２０℃〜８０℃の範囲での最大値と最小値の差で、この曲線の場合は２５ｐｍとなる。これに対して、本発明の手法により、図３のデータを−２０℃〜２０℃の低温度領域および２０℃〜８０℃の高温度領域の２つの温度領域に分割して、それぞれ別々に１次関数フィッティングを行った結果が、図５の曲線＃４および曲線＃５である。図は、２つの温度領域の境界である２０℃を基準にして、各温度における波長データのフィッティングからのズレ量をプロットしたものである。本発明の温度補償を適用した場合、波長シフト量の抑制極限値は、−２０℃〜２０℃の低温度領域での曲線＃４の最大値と最小値の差（この場合は４ｐｍ）と、２０℃〜８０℃の高温度領域での曲線＃５の最大値と最小値の差（この場合は６ｐｍ）との大きい方で決まる。すなわち、この場合は６ｐｍが波長シフト量の抑制限界値であり、従来方式における限界値２５ｐｍに対して、大きく改善できることが明らかである。
【００１５】
石英からなる断面が２ｍｍ×１ｍｍの矩形で長さが５５ｍｍの基板３に、アルミニウムからなる断面が１．５ｍｍ×１ｍｍの矩形で長さが１０ｍｍの熱膨張材料４および７をそれぞれ２個ずつ準備して、紫外線硬化型エポキシ樹脂で６、８、および５で図１のように接着固定した。樹脂が占める範囲は直径で約２ｍｍである。ファイバーグレーティングの両側２個のアルミニウム熱膨張材料４の間隔は１５ｍｍで、光ファイバーの被覆除去端部は、両端ともに紫外線硬化型エポキシ樹脂５の中に埋まっている。基板３に紫外線硬化型エポキシ樹脂６で熱膨張材料４を接着固定した部分が第１段目の圧縮外力付与構成であり、基板３に紫外線硬化型エポキシ樹脂８で熱膨張材料７を接着固定した部分が第２段目の圧縮外力付与構成である。第１段目の圧縮外力付与構成によって、紫外線硬化型エポキシ樹脂６で石英からなる基板３に接着固定されたアルミニウム熱膨張材料４は左右ともに、環境温度上昇とともに熱膨張し、紫外線硬化型エポキシ樹脂５で左右を固定されたファイバーグレーティングには圧縮の外力が収縮方向に作用し温度補償が可能となる。さらに、第２段目の圧縮外力付与構成においては、紫外線硬化型エポキシ樹脂８で基板３に固定された左右のアルミニウム熱膨張材料７は、温度上昇によって紫外線硬化型エポキシ樹脂８を基準にして熱膨張し、隣り合わせて接するアルミニウム熱膨張材料４をファイバーグレーティングの側へ推す外力が発生する。この外力によって、第１段目の圧縮外力付与構成の中の紫外線硬化型エポキシ樹脂６が弾性を有する場合、アルミニウム熱膨張材料４はファイバーグレーティングの側へ推されて、ファイバーグレーティングは左右から、第１段目の圧縮外力付与構成による外力に加えて、さらにこの第２段目の圧縮外力付与構成による外力を受けて圧縮され、第１段目の圧縮外力付与構成の外力とは異なった大きな外力が作用し、異なる量の温度補償が可能となる。ここで、この紫外線硬化型エポキシ樹脂８で基板３に固定された第２段目の圧縮外力付与構成のアルミニウム熱膨張材料７の熱膨張量は、低温度領域では小さくて働かず、高温度領域のみで働き、その結果、２つの温度領域で別々の温度補償が可能となる。−２０℃〜８０℃の全温度領域での温度補償の最適化は、紫外線硬化型エポキシ樹脂８および６の接着固定位置を左右に調整することで出来る。この最適化を行った実験結果を図６に曲線＃６で示す。−２０℃〜８０℃の全温度領域での波長シフトの最大値と最小値の差は８ｐｍとなり、上述した本発明の理論的抑制限界値の６ｐｍの近くまで達成することができ、本発明の効果が充分に証明できた。
【００１６】
なお、使用した樹脂接着剤の弾性復元力を確認するために、図１の構成で基板３、左側のアルミニウム熱膨張材料４、および左側の紫外線硬化型樹脂６の３点からなる構成（図示しない）を別に組み上げ、側圧機を用いて左側のアルミニウム熱膨張材料４に左側から荷重を繰り返して印加する実験を行った。側圧機による荷重を８００ｇｆまで印加して、これを何度繰り返しても印加荷重の劣化はまったく見られず、紫外線硬化型樹脂の復元力は充分に取れることが確認できた。
【００１７】
本実施例では、図１に示すように、左右対称に第２のアルミニウム熱膨張材料７を配置したが、これは片方だけにしても良い。
【比較例】
【００１８】
従来から最もよく採られているファイバーグレーティングの温度補償方法と本発明による温度補償方法を比較した例を述べる。従来方式の構成を図２に示す。ファイバーグレーティングは、上記実施例と同じように、光ファイバーの樹脂被覆部を１７ｍｍにわたって除去し、紫外線レーザー光を用いて位相マスク法で、１０ｍｍ長のファイバーグレーティングを作製した。図２のように固定する前に、無負荷の状態で測定した室温２０℃での中心波長は上述実施例に酷似しており、またその温度依存性も上述実施例の図３の曲線＃１と酷似してほぼ同一であり、ファイバーグレーティングは高い再現性で作製されたので、その結果の図は省略する。−２０℃〜８０℃の全温度範囲での波長シフト量の理論抑制限界値は、図４の曲線＃２でその温度範囲での最大値と最小値の差、すなわち２５ｐｍである。
【００１９】
図２に示すように、石英からなる断面が２ｍｍ×１ｍｍの矩形で長さが３５ｍｍの基板３に、アルミニウムからなる断面が１．５ｍｍ×１ｍｍの矩形で長さが１０ｍｍの熱膨張材料４および７をそれぞれ２個ずつ準備して、紫外線硬化型エポキシ樹脂で６および５で接着固定した。樹脂が占める範囲は直径で約２ｍｍである。この組合せによって、圧縮外力付与構成を形成した。ファイバーグレーティングの両側のアルミニウム熱膨張材料４の間隔は１５ｍｍで、光ファイバーの被覆除去端部は、両端ともに紫外線硬化型エポキシ樹脂５の中に埋まっている。このようにして組み上げた温度補償付きファイバーグレーティングの波長シフト量の温度依存性を図４の曲線＃３に示す。−２０℃〜８０℃の全温度領域での波長シフト抑制量は３６ｐｍであった。この従来方式における温度補償の波長シフト量抑制限界値は、上述のように２５ｐｍであり、紫外線硬化型エポキシ樹脂６の固定位置を調整すればさらに改善することは可能ではあるが、高度の熟練技巧を必要とし、また、改善できても２５ｐｍが限界値である。これに対して、本発明の２段の圧縮外力付与構成で組み上げた温度補償においては、対象温度範囲を−２０℃〜２０℃と２０℃〜８０℃と２つに分割した場合、実施例で述べたように、理論的限界値は６ｐｍで、実験結果では８ｐｍであった。従来方式の温度補償と本発明の方式による温度補償での波長シフト量の実験結果を図６に比較する。図６の曲線＃３が従来方式による温度補償の実験結果で、曲線＃６が本発明の方式による温度補償の実験結果である。従来方式で得られた波長シフト量は３６ｐｍで、本発明の方式で得られた波長シフト量は８ｐｍであり、本発明の方式による温度補償で波長シフト量は格段に小さく抑制できることが証明された。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明方式のファイバーグレーティングの温度補償の構成を示す図である。
【図２】従来方式によるファイバーグレーティングの温度補償の構成を示す図である。
【図３】ファイバーグレーティングの無負荷状態での環境温度に対する中心波長変動量を示す図である。
【図４】波長シフト量の環境温度依存性を示す図である。曲線＃２は、図３の曲線＃１を温度の１次関数にフィッティングさせたときの、各温度におけるフィッティング値と実測値の差の温度依存性である。曲線＃３は、従来方式に基づいて作製した温度補償付きファイバーグレーティングの波長シフト量の温度依存性である。
【図５】波長シフト量の環境温度依存性を示す図である。図３の曲線＃１を、−２０℃〜２０℃の低温度領域と２０℃〜８０℃の高温度領域に分けて温度の１次関数にフィッティングさせたときの、各温度におけるフィッティング値と実測値の差の温度依存性である。曲線＃４は低温度領域に対するもので、曲線＃５は高温度領域に対するものである。
【図６】従来方式に基づいて作製した温度補償付きファイバーグレーティングの波長シフト量の温度依存性（曲線＃３）と本発明の方式に基づいて作製した温度補償付きファイバーグレーティングの波長シフト量の温度依存性（曲線＃６）を示す図である。
【符号の説明】
【００２１】
１  光ファイバー
２  ファイバーグレーティング
３  基板
４，７  熱膨張材料
５，６，８  紫外線硬化型樹脂
【図１】
2005115192.tif 000003
【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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