(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバグレーティング本体の両端が補強器に固定されてなる光ファイバグレーティングにおいて、該グレーティング本体の両端を該補強器に固定するときの張力が２０ｇｆ以下であり、該グレーティング本体の両端に位置するグレーティング把持用樹脂の間隔が２２ｍｍ以下であると共に、共振周波数を２５００Ｈｚとして（９）式と（１０）式から求めたｋ１、ｋ２を（１４）式に代入することにより得られるＴとＬの関係式に基づいて算出される張力に応じた間隔の数値以下であることを特徴とする光ファイバグレーティング。
ここで、（９）式、（１０）式、（１４）式は、以下のとおり表され、グレーティング本体を、両端固定の梁とみなして解析するものであり、ｋ１、ｋ２は定数、Ｅは梁の材料のヤング率、Ｉは梁の断面２次モーメント、Ｔは梁の軸方向にかかる張力、ｇは重力加速度、ωは角振動数、ρは梁の単位長さあたりの質量、Ｌは梁の長さ、である。
【数１】
0004326716.tif 000018
【数２】
0004326716.tif 000019
【数３】
0004326716.tif 000020
ただし、上記解析において、前記光ファイバグレーティング本体が被覆されてなる光ファイバの定数として、石英のヤング率Ｅ＝７４００［ｋｇ／ｍｍ］、光ファイバの半径ｒ＝０／０６２５［ｍｍ］、光ファイバの円柱の断面２次モーメントＩ＝πｒ４／４、重力加速度ｇ＝９．８×１０３［ｍｍ／ｓ２］、光ファイバの比重γ＝２．２×１０−６［ｋｇ／ｍｍ３］、光ファイバの単位長さあたりの質量（線密度）ρ＝πｒ２γ、を用いる。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光情報通信分野、光計測分野等において用いられる光ファイバグレーティングに関し、特に、振動、衝撃に対する機械的特性に優れた光ファイバグレーティングに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバグレーティングは、光ファイバの被覆を除去した部分に紫外光を照射して作製されるものであるため、機械的に弱く、通常補強器に収納されて使用される。光ファイバグレーティングを補強器に収納する際、被覆部を補強器に固定するため、グレーティング本体は被覆の厚みの分だけ、補強器から浮いた状態となっている。従って、外部からの振動及び衝撃に対して、グレーティング本体が補強器に接触しないようにすることが、機械的信頼性の観点から重要である。この機械的信頼性の目安として、グレーティング本体が弦楽器の弦のように挙動すると考えて、グレーティングの両端を２０ｇｆ程度の張力で引っ張って補強器に固定することにより、グレーティング本体の共振周波数を２０００Ｈｚ以上とすることが従来行われていた。これによって、グレーティング本体が低周波の振動に共振することを防止していた。
このような補強器に光部品を固定する条件と共振周波数との関係については、特開平８−２６２２６１号公報において開示されている。ここでは、光部品を弦楽器の弦のように取り扱うことは妥当ではなく、その両端の位置だけでなく、向きも固定された梁のように取り扱うのが妥当であることが述べられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開平８−２６２２６１号公報は融着延伸型光ファイバカプラについてのものであり、融着延伸部を持たない光部品である光ファイバグレーティングについて提案されたものはなかった。
光ファイバグレーティングの共振周波数を高めるためには、グレーティング本体を補強するための補強張力を大きくすることが効果的であるが、この張力が過大になると、光ファイバグレーティングに機械的歪を与え、その寿命を縮めることになるとともに、光ファイバグレーティングの光学特性にも悪影響を与えることとなる。
本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、過大な張力を光ファイバグレーティングにかけることなく、その共振周波数を高めて、機械的信頼性の高い光ファイバグレーティングを提供することを目的とする。
【０００４】
【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、光ファイバの長手方向についてコアとクラッドの少なくとも一部に屈折率変動を有する光ファイバグレーティング本体の両端が補強器に固定されてなる光ファイバグレーティングにおいて、該グレーティング本体の両端を該補強器に固定するときの張力が２０ｇｆ以下であり、該グレーティング本体の両端に位置するグレーティング把持用樹脂の間隔が２２ｍｍ以下であると共に、共振周波数を２５００Ｈｚとして（９）式と（１０）式から求めたｋ１、ｋ２を（１４）式に代入することにより得られるＴとＬの関係式に基づいて算出される張力に応じた間隔の数値以下であることを特徴とする光ファイバグレーティングである。
ここで、（９）式、（１０）式、（１４）式は、後述するとおり、グレーティング本体を、両端固定の梁とみなして解析するものであり、ｋ１、ｋ２は定数、Ｅは梁の材料のヤング率、Ｉは梁の断面２次モーメント、Ｔは梁の軸方向にかかる張力、ｇは重力加速度、ωは角振動数、ρは梁の単位長さあたりの質量、Ｌは梁の長さ、である。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
図１は、本発明の光ファイバグレーティングの例を示す図である。
図１（ａ）、（ｂ）中、符号１はグレーティング本体であり、光ファイバ２の被覆を除去して紫外光を照射することにより形成され、その長手方向にコア又はクラッドの少なくとも一部に周期的に屈折率変動を有している。このグレーティング本体１は、補強器３に収納されている。この補強器３は、収納部３Ａと、この収納部３Ａの開口部を覆う板状の蓋部３Ａとからなり、これらを樹脂等で接合して製造されている。
収納部３Ａには、グレーティング本体１を収納する溝状の凹部３Ｃが収容部３Ａの長手方向に形成されている。グレーティング本体１は固定部材となる樹脂４で収容部３Ａに固定されている。この樹脂４は、補強器３の凹部３Ｃの隙間に塗付され、ファイバ固定用樹脂４Ａとグレーティング把持用樹脂４Ｂとからなっている。
【０００６】
このように、グレーティング本体１が補強器３に固定されてなる光ファイバグレーティングの最低共振周波数は、２つの要因によって決定される。その一つは、グレーティング本体１を補強器３に固定する際の張力であり、もう一つは、グレーティング本体１の両端に位置する２つのグレーティング把持用樹脂４Ｂ間の距離（以下「引き留め間隔」と略記する）である。
本発明のこの例においては、張力及び引き留め間隔と、光ファイバグレーティングの最低共振周波数との関係を調べ、共振周波数を高めることのできる光ファイバグレーティングを作製した。
【０００７】
グレーティング本体１を、図２に示す両端固定の梁とみなして解析を行った。梁の長さをＬ、梁の軸方向にかかる張力をＴとすると、静的荷重を受けている梁の撓み曲線ｙは、（１）式で表される。ここで、張力の向きを正の向きとし、単位系は質量とした。
【数１】
0004326716.tif 000002
（１）     式において、Ｅは梁の材料のヤング率（単位系は質量／面積）、Ｉは
梁の断面２次モーメント、ｙは軸のつりあいの位置からの梁の変位、Ｍは曲げモーメント（単位系は質量×長さ）である。曲げモーメントの２階微分は梁の単位長さが受ける静荷重を意味するが、静荷重がかかっていない場合には（２）式
【数２】
0004326716.tif 000003
となるので、（１）式を２階微分して（３）式を得る。
【数３】
0004326716.tif 000004
ここで、ρは梁の単位長さあたりの質量、ｇは重力加速度である。ここで、角振動数ωで振動する梁を考え、ｙを（４）式
【数４】
0004326716.tif 000005
で表すと、（３）式は（５）式
【数５】
0004326716.tif 000006
で表すことができる。
【０００８】
（５）式の一般解は、振動が偶モードの場合は（６）式、
【数６】
0004326716.tif 000007
振動が奇モードの場合は（７）式
【数７】
0004326716.tif 000008
で表されるが、基本振動は偶モードであるので、（６）式の場合のみを考えればよい。この（６）式を（５）式に代入して（８）式
【数８】
0004326716.tif 000009
を得る。（８）式の恒等式条件として（９）式、（１０）式を得る。
【数９】
0004326716.tif 000010
【数１０】
0004326716.tif 000011
また、両端固定の梁の場合、境界条件として（１１）式、（１２）式が要求される。
【数１１】
0004326716.tif 000012
【数１２】
0004326716.tif 000013
（１１）式、（１２）式を（６）式に代入して（１３）式を得る。
【数１３】
0004326716.tif 000014
式（１３）が自明でない解を持つためには、（１３）の左辺の行列の行列式が０であることが必要であるので、（１４）式に示す条件
【数１４】
0004326716.tif 000015
が要求され、また、（９）式及び（１０）式から、（１５）式が得られる。
【数１５】
0004326716.tif 000016
ここで、（１４）式、（１５）式を連立して解くことにより、ｋ1、ｋ2を求めることができる。この結果と（９）式ないしは（１０）式を用いて、角振動数ωを求め、これから、共振周波数ｆ（＝ω／２π）を求めることができる。
以上の解析に基づいて、光ファイバグレーティングの共振周波数を求めた。光ファイバの定数として、石英のヤング率E＝７４００［ｋｇ／ｍｍ］、光ファイバの半径ｒ＝０．０６２５［ｍｍ］、光ファイバの円柱の断面２次モーメントI＝πｒ4 ／４、重力加速度ｇ＝９．８×１０3［ｍｍ／ｓ2］、光ファイバの比重γ＝２．２×１０-6［ｋｇ／ｍｍ3］、光ファイバの単位長さあたりの質量（線密度）ρ＝πｒ2γを用いた。
【０００９】
以上の計算結果を図３及び図４に図示する。図３は、引き留め間隔をパラメータとして共振周波数の張力依存性を図示したものであり、図４は、張力をパラメータとして共振周波数の引き留め間隔依存性を図示したものである。
以上の検討では、梁の両端を剛体として取り扱ったが、グレーティング本体１は樹脂４によって補強器３に固定されており、この樹脂４は完全な剛体として取り扱うことはできない。通常樹脂４として、エポキシ系、アクリレート系、シリコーンゴム系樹脂が用いられるが、樹脂が硬化収縮する際に、張力が変動するため、グレーティング本体１を樹脂４で固定したときの共振周波数は、理論的に計算により求めた理論値と異なることが考えられる。
この樹脂の影響を明らかにするため、振動試験を行って、張力及び引き留め間隔と共振周波数の関係を実測した。この実測による共振周波数を表１に示す。多くの場合について、共振周波数の実測値は理論値に対して低下しているのがわかるが、これは樹脂の硬化収縮に伴って、補強張力が低下するためと考えられる。
【表１】
0004326716.tif 000017
表１から、２０００Ｈｚ程度の共振周波数の実測値に対して、５００Ｈｚの余裕をみて光ファイバグレーティングを設計すれば充分であることがわかるため、共振周波数の設計値を２５００Ｈｚに設定した。
【００１０】
一方、張力については、グレーティング本体１に印加される張力と光ファイバグレーティングの光学特性との関係から、２０ｇｆ以下とすることが望ましい。この理由について以下に説明する。
波長１．３μｍ帯用単一モードファイバ、波長０．９８μｍ帯用単一モードファイバ、波長１．５５μｍ帯分散シフトファイバに、グレーティング周期が５００ｎｍ程度のグレーティングを形成した場合、反射帯域の中心波長の張力依存性は、波長１．５５μｍ帯において、０．０１２ｎｍ／ｇｆ程度、波長０．９８μｍ帯において、０．００７ｎｍ／ｇｆ程度である。
光ファイバグレーティング使用中に樹脂の剥離が生じ、最悪の場合として、無張力の状態となることを想定したとき、張力の初期値から無張力まで張力が変動することとなる。この場合であっても、光ファイバグレーティングの光学特性の変動を抑制するため、張力変動による損失中心波長の波長シフト量を０．２５ｎｍ以下とすることが望ましい。張力変動による損失中心波長の波長シフト量は、波長１．５５μｍ帯において大きく、０．０１２ｎｍ／ｇｆ程度であることから、波長１．５５μｍ帯で損失中心波長の波長シフト量を０．２５ｎｍ以下に抑えるためには、張力を２０ｇｆ以下とすることが必要となる。
【００１１】
以上の検討から、張力を２０ｇｆ、共振周波数の設計値を２５００Ｈｚ以上とすることが必要であることがわかり、そのために必要な引き留め間隔を図４から求めると、２２ｍｍ以下となる。また、この引き留め間隔を、共振周波数を２５００Ｈｚとして（９）式と（１０）式から求めたｋ１、ｋ２を（１４）式に代入することにより得られるＴとＬの関係式に基づいて算出される張力に応じた間隔の数値より大きく設定することにより、共振周波数の設計値が２５００Ｈｚ以上となる光ファイバグレーティングが得られる。そこで、張力を２０ｇｆ、引き留め間隔を２２ｍｍ以下とすることにより、共振周波数の設計値が２５００Ｈｚ以上となる光ファイバグレーティングを作製した。この条件で光ファイバグレーティングを作製すれば、樹脂の硬化収縮の影響を考慮しても、共振周波数が２０００Ｈｚ以上となることを保証することができる。
また、樹脂の経年変化による劣化や、剥離等の事情を考慮するならば、最悪の場合として、張力が０ｇｆとなる場合を考慮すればよい。張力が０ｇｆで、共振周波数の設計値が２５００Ｈｚ以上となるための引き留め間隔を図４から求めると、１６ｍｍ以下となる。そこで、引き留め間隔を１６ｍｍ以下として、共振周波数の設計値が２５００Ｈｚ以上となる光ファイバグレーティングを作製すれば、樹脂の硬化収縮の影響を考慮しても、共振周波数が２０００Ｈｚ以上となることを保証することができる。
【００１２】
本発明のこの例によると、グレーティング本体１の両端を補強器３に固定するときの張力を２０ｇｆ以下とし、引き留め間隔を２２ｍｍ以下とすることにより、共振周波数を２０００Ｈｚ以上とすることができ、グレーティング本体１が低周波の振動に共振して補強器３に接触することを防止して、機械的信頼性の高い光ファイバグレーティングを提供することができる。
また、引き留め間隔を１６ｍｍ以下とすることにより、樹脂の経年変化による劣化や、剥離等を生じても、共振周波数を２０００Ｈｚ以上とすることができ、経年変化による影響を受けることのない、機械的信頼性の高い光ファイバグレーティングを提供することができる。
【００１３】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の発明によれば、グレーティング本体の両端を補強器に固定するときの張力を２０ｇｆ以下とし、引き留め間隔を２２ｍｍ以下とすると共に、共振周波数を２５００Ｈｚとして（９）式と（１０）式から求めたｋ１、ｋ２を（１４）式に代入することにより得られるＴとＬの関係式に基づいて算出される張力に応じた間隔の数値より大きく設定することにより、共振周波数を２５００Ｈｚ以上とすることができ、グレーティング本体が低周波の振動に共振して補強器に接触することを防止して、機械的信頼性の高い光ファイバグレーティングを提供することができる。
請求項２記載の発明によれば、引き留め間隔を１６ｍｍ以下とすることにより、樹脂の経年変化による劣化や、剥離等を生じても、共振周波数を２５００Ｈｚ以上とすることができ、経年変化による影響を受けることのない、機械的信頼性の高い光ファイバグレーティングを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光ファイバグレーティングの例を示す図である。
【図２】グレーティング本体を両端固定の梁とみなした図である。
【図３】引き留め間隔をパラメータとして共振周波数の張力依存性を示した図である。
【図４】張力をパラメータとして共振周波数の引き留め間隔依存性を示した図である。
【符号の説明】
１…グレーティング本体、２…光ファイバ、３…補強器、４…樹脂
【図１】
0004326716.tif 000021
【図２】
0004326716.tif 000022
【図３】
0004326716.tif 000023
【図４】
0004326716.tif 000024