(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバ回折格子とそれが固定される負の熱膨張係数を有する基材からなり、周囲温度の変化により前記基材が伸縮して前記光ファイバ回折格子に応力が印加され、該応力により前記光ファイバ回折格子のブラッグ波長が調整される光学装置であって、前記基材は、石英ガラス部材の端に二つのアルミニウム部材を向かい合わせてそれぞれヤング率が８８２Ｎ／ｍｍ２以下である第二の接着剤で接着したものであって、前記光ファイバ回折格子を前記アルミニウム部材に接着する第一の接着剤の熱膨張係数が１×１０−５ないし８×１０−５／℃であり、前記第一の接着剤の湿熱環境においた後の接着強度が５．８８Ｎ／ｍｍ２以上であることを特徴とする光学装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバ回折格子を有する光学装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバ回折格子は、一般に、光ファイバの被覆層を軸方向に所定の長さにわたって除去してクラッドを露出させ、該クラッドに向けて紫外線を照射し、該クラッドの内側のコアの所定の領域に屈折率差を生じさせることにより形成される。この屈折率変化の周期長を格子ピッチと呼ぶ。光ファイバ回折格子によって反射される波長（ブラッグ波長）は、光ファイバのコアの実効屈折率をｎ、格子ピッチをΛとして２ｎΛで表される。
光ファイバ回折格子の周囲温度の変化により、コアの実効屈折率ｎおよび格子ピッチΛが変化し、ブラッグ波長が変化するが、この変化を補償する（以下、このことを光ファイバ回折格子の温度補償という）ために、負の熱膨張係数を有する基材に光ファイバ回折格子を固定し、ｎ、Λおよび光弾性効果による光ファイバの屈折率の変化により変化するブラッグ波長を基材の長さの温度による変化で相殺するように調整する光学装置が知られている。特表平５−５０３１７０号公報には、熱膨張係数の異なる二種の部材を組み合わせてなる基材を使用することが開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
光ファイバ回折格子を基材に固定するためには、接着剤を使用することができる。複数の部材を組み合わせて基材となす場合も、該部材は接着剤により固定することができる。光ファイバ回折格子とそれが固定された基材からなる光学装置において、基材の熱膨張係数を最適に設計しても、高温多湿の湿熱環境においた後、当初の設計通りに光ファイバ回折格子の温度補償がなされないことを本発明者は経験した。本発明者はその原因究明に努め、前記光学装置に使用する接着剤の物性が、湿熱環境においた後の光ファイバ回折格子の温度補償に大きな影響を及ぼすことを究明した。
本発明は、光ファイバ回折格子とそれが固定された基材からなる光学装置であって、湿熱環境においた後も当初の設計通りに光ファイバ回折格子の温度補償がなされる光学装置を提供することを課題とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の光学装置は、光ファイバ回折格子とそれが固定される負の熱膨張係数を有する基材からなり、周囲温度の変化により前記基材が伸縮して前記光ファイバ回折格子に応力が印加され、該応力により前記光ファイバ回折格子のブラッグ波長が調整される光学装置であって、前記基材は、石英ガラス部材の端に二つのアルミニウム部材を向かい合わせてそれぞれヤング率が８８２Ｎ／ｍｍ２以下である第二の接着剤で接着したものであって、前記光ファイバ回折格子を前記アルミニウム部材に接着する第一の接着剤の熱膨張係数が１×１０−５ないし８×１０−５／℃であり、前記第一の接着剤の湿熱環境においた後の接着強度が５．８８Ｎ／ｍｍ２以上であることを特徴とする光学装置。
接着剤の熱膨張係数を１×１０−５ないし８×１０−５／℃とすることで製造直後の光学装置のブラッグ波長が周囲温度によって変化することがなくなる。すなわち、光学装置の初期の温度依存性がよくなる。有機材料からなる接着剤の熱膨張係数を小さくしようとすると、フィラー等の無機物質の添加が必要となる。熱膨張係数を１×１０−５／℃にすると無機物質の添加濃度が相当高くなり耐久性が悪くなる。すなわち、接着剤の熱膨張係数が１×１０−５／℃より小さい場合、湿熱環境におくことにより劣化が著しく接着剤が剥がれやすくなる。接着剤の熱膨張係数が８×１０−５／℃を越えるとブラッグ波長が温度により変化する量が急増し、製品として許容できる範囲を大きく逸脱する。たとえば、接着剤の熱膨張係数が１０×１０−５／℃となると製造直後のブラッグ波長の温度依存性が０．００２ｎｍ／℃と一桁大きな値となる。接着剤の熱膨張係数は、温度によって変化するが、本発明の光学装置では、その使用温度範囲である−４０℃から８５℃の範囲において、１×１０−５ないし８×１０−５／℃である。
そして、本発明の光学装置では、８５℃、相対湿度８５％湿熱環境に３０００時間おいた後の接着強度を５．８８Ｎ／ｍｍ２以上とすることでブラッグ波長が周囲温度により変化することを抑え、光ファイバ回折格子の温度補償を行っている。
【０００５】
本発明の光学装置は、基材がアルミニウム部材と石英ガラス部材とからなる。負の熱膨張係数を有する基材を一つの部材のみで作った場合は、湿熱環境においた後にブラッグ波長が温度により変化しないものを得ることは難しい。また、加工性も必ずしもよくない。しかし、二つの部材を組み合わせて基材を構成することにより、湿熱環境においた後のブラッグ波長の温度依存性が変化せず、かつ加工性のよい基材を得ることができる。
【０００６】
さらに、二つの部材を接着する接着剤のヤング率を８８２Ｎ／ｍｍ２以下とする。これにより、アルミニウム部材と石英ガラス部材のそれぞれの熱膨張量が異なることによる応力差を前記接着剤が吸収することができ、ヒートサイクルテストにおいて熱衝撃で前記部材のいずれかが破壊されることが起こらず、湿熱環境においても両部材が破損または接着剤部分で破断されることがなくなる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の光学装置の一形態を図１に例示する。図１に示す光学装置８は、その基材５が第一の部材である棒状の石英ガラス部材３と第二の部材である略Ｌ字型のアルミニウム部材４からなり、該アルミニウム部材４の上に光ファイバ回折格子６を固定したものである。二つのアルミニウム部材４を向かい合わせ、各アルミニウム部材４を第二の接着剤２で石英ガラス部材３の端にそれぞれ接着する。そして、各アルミニウム部材４に光ファイバ回折格子６を張力をかけた状態で第一の接着剤１で接着する。アルミニウム、石英ガラスとも正の熱膨張係数を有しているが、アルミニウムの方が熱膨張係数が大きく、光ファイバ回折格子が固定される部分は、アルミニウム部材４が、その周囲温度が上昇して膨張する場合は、その間の距離が短くなる。すなわち、基材全体としては負の熱膨張係数を有することになる。
周囲温度の変化により光ファイバ回折格子６および基材５が伸縮したときに、それぞれの伸縮量の差異により光ファイバ回折格子６に応力がかかる。この応力によって光ファイバ回折格子のブラッグ波長が調整され、光ファイバ回折格子の温度補償がなされる。基材５の熱膨張係数、光ファイバ回折格子が固定される場所間の距離および光ファイバを固定するときの張力は、光ファイバ回折格子の温度補償がなされる限り、任意の値で設計可能である。
【０００８】
第一の接着剤の接着強度の測定方法について説明する。表面処理していないアルミニウムブロックを接着剤層の厚さが１０μｍ程度になるように接着剤で接着する。このとき、接着剤は接着面全体に塗布する。接着剤が固化した後、接着面に垂直にアルミブロックを引き離す。この力はゼロから徐々に大きくしていく。ある力に達したときにアルミブロックが接着部において剥離または接着剤が破断するが、このときの力を接着力とする。この測定は室温で行う。
本発明の光学装置の第一の接着剤の接着強度は湿熱環境においた後でも５．８８Ｎ／ｍｍ2以上であるが、湿熱環境は、８５℃、相対湿度８５％の条件とし、この環境に３０００時間以上おいて５．８８Ｎ／ｍｍ2以上の接着強度があればよい。
【０００９】
第一の接着剤および第二の接着剤は、他の樹脂に比較して接着強度の大きいエポキシ系接着剤を使用するのが好ましい。エポキシ系接着剤の中でも熱硬化型または紫外線硬化型のものが好ましい。紫外線硬化型のものは、作業性および設備コストの点で特に好ましい。
【００１０】
第一の接着剤および第二の接着剤は、吸湿率が１．２％以下のものが好ましい。ここで吸湿率とは、その試験物質を８５℃、相対湿度８５％の湿熱環境に３０００時間おいた後に吸湿により増加した重量が湿熱環境におく前の重量に対して占める百分率をいう。そのような接着剤を使用すると、湿熱環境においても、接着剤が膨潤して体積が増加することによりブラッグ波長が問題になるほど変化するおそれがない。
【００１１】
【実施例】
第一の接着剤Ａ、Ｂ、ＣおよびＤ、第二の接着剤ＥおよびＦを用意し、それらを組み合わせ８通りの光学装置を作成した。また、第一の接着剤、第二の接着剤とも接着剤Ａとした光学装置を作成した。同じ各光学装置は接着剤以外は共通の構造とした。それらの光学装置について、２０℃→−４０℃→８５℃→２０℃のヒートサイクルテストを行い、温度変化に対するブラッグ波長の変化量の傾き（単位はｎｍ／℃）を求め、これを初期温度特性とした。また、温度上昇時と温度下降時それぞれの３５℃におけるブラッグ波長の差を求め、これを初期３５℃ヒステリシスとした。その後、各光学装置を８５℃、相対湿度８５％の湿熱環境に３０００時間おいた。湿熱環境から取り出して２０℃でのブラッグ波長を測定し、湿熱環境におく前のブラッグ波長との差を求め、これを湿熱後シフトとした。
【００１２】
各接着剤の熱膨張係数、ヤング率、吸湿率、接着強度を表１に示す。
熱膨張係数は−４０℃ないし８５℃の範囲における値である。
ヤング率は室温でテンシロンで測定した値である。
吸湿率は接着剤Ｃ以外は８５℃、相対湿度８５％の湿熱環境に３０００時間おいたときの値である。接着剤Ｃは、１２０℃、相対湿度１００％の環境に１００時間おいたときの値であるが、この値は、同じ接着剤を８５℃、相対湿度８５％の環境に３０００時間おいたときの値よりは小さな値である。
接着強度は接着剤Ａ、Ｂ、ＣおよびＤにおいては表面処理していないアルミニウムブロック同士を接着剤で接着し、８５℃、相対湿度８５％の湿熱環境に３０００時間おいた後に前述の方法で測定した値である。接着剤ＥおよびＦではアルミニウムブロックと石英ガラスとを接着剤で接着し、以後は接着剤Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの場合と同じにして測定した。
【００１３】
【表１】
0004193357.tif 000002
【００１４】
第一の接着剤と第二の接着剤との組み合わせおよびそれぞれの場合の初期温度特性、初期３５℃ヒステリシスおよび湿熱後シフトを表２に示す。
【００１５】
【表２】
0004193357.tif 000003
【００１６】
初期温度特性の絶対値が０．００１ｎｍ／℃以下、初期３５℃ヒステリシスが０．０２ｎｍ以下、かつ湿熱後シフトが０．０５ｎｍ以下のものを合格とした。表２の各組み合わせのうち、組み合わせ４が、湿熱後シフトが最も小さくこれのみが合格となった。他の組み合わせも初期の特性は合格したが、湿熱後シフトが大きく、最終的に不合格となった。組み合わせ４では、第一の接着剤の湿熱環境においた後の接着強度が他の樹脂に比して大きな値であり、湿熱後シフトを小さくするには湿熱環境においた後の接着強度を５．８８Ｎ／ｍｍ2以上とすることが必要であることが分かった。
表２に示す組み合わせ１ないし８では第二の接着剤のヤング率を８８２Ｎ／ｍｍ2以下としたので、ヒートサイクルテストを行った後に、石英ガラス部材とアルミニウム部材との接着部が破断したり石英ガラス部材が破損することはなかった。しかし、組み合わせ９では、第二の接着剤にヤング率が２８９１Ｎ／ｍｍ2のものを使用したところヒートサイクルテストを行った後に、石英ガラスが割れることが多く、その歩留まりは２７／４４であった。
【００１７】
【発明の効果】
本発明の光学装置では、湿熱環境においた後でも、光ファイバ回折格子の温度補償がなされる。
基材を熱膨張係数の異なる二つの部材から構成することにより、基材の加工性がよくなり、生産性が向上する。
基材を二つの部材から構成する場合は、両部材を接着する接着剤のヤング率を８８２Ｎ／ｍｍ2以下とすると、本発明の光学装置を湿熱環境においた後の不良率が減り、歩留まりが向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光学装置の斜視図である。
【符号の説明】
１：第一の接着剤
２：第二の接着剤
３：石英ガラス部材
４：アルミニウム部材
５：基材
６：光ファイバ回折格子
７：光学装置
【図１】
0004193357.tif 000004