JP2010008900A - 長周期ファイバグレーティングデバイス - Google Patents

Abstract

【課題】 小型の長周期ファイバグレーティングを提供すること。
【解決手段】 光ファイバ１１と、周期構造の溝が形成され、光ファイバの軸方向に沿ってこの周期構造の溝を当接させる溝付き支持体１２と、平坦な外面を有し、光ファイバの軸方向に沿ってこの平坦な外面を当接させる溝無し支持体１３と、光ファイバが前記溝付き支持体と前記溝無し支持体とにより挟まれるようにして圧接状態で一体に固定するチューブ状のファイバ圧接部材１４とを備えた長周期ファイバグレーティングデバイスとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、周期構造の屈折率分布による回折格子（グレーティング）が光ファイバのコア部分に形成されたファイバグレーティングデバイスに関し、さらに詳細には、光弾性効果を利用した長周期ファイバグレーティング（ＬＰＦＧ）をデバイス化した長周期ファイバグレーティングデバイスに関する。
ここで、「長周期ファイバグレーティング」とは、具体的には屈折率分布の周期が０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度のファイバグレーティングをいう。

長周期ファイバグレーティングは、０．１ｍｍ〜１ｍｍのピッチで屈折率が周期的に変化するコアと、コアを囲むクラッドとを備えたファイバ型の素子である。
屈折率が上述した範囲のピッチで周期変化する長周期ファイバグレーティングでは、コアを正の方向に導波するコアモードと、クラッドを正の方向に導波するクラッドモードとを光学的に結合させることにより、特定波長の光を損失させることができる性質を有している。

一般に、長周期ファイバグレーティングのコアモードとクラッドモードとの結合によって損失される波長は、以下の式（１）で与えられる。
λ＝Λ（ｎ_ｅ−ｃｏ−ｎ^ｍ _ｅ−ｃｌ） ・・・（１）
ここで、
λ： 損失ピークの中心波長
Λ： グレーティング（屈折率）の周期（０．１ｍｍ〜１ｍｍ）
ｎ_ｅ−ｃｏ： コアモードの等価屈折率
ｎ^ｍ _ｅ−ｃｌ： クラッドモードの等価屈折率（ｍはクラッドモードの次数）

上記式（１）により、損失ピークは、コアモードと、各次数のクラッドモードとの結合によって、複数の損失ピークが形成され、例えば図６に示すような損失特性が得られる。
長周期ファイバグレーティングは、このような損失特性を利用して、光フィルタ（帯域除去フィルタ、バンドパスフィルタ等）や光増幅器用の利得平坦化器等のデバイスとして利用されたり、エルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）の自然放出光（ＡＳＥ）を抑圧するために利用されたりしている。

このような長周期ファイバグレーティングは、これまでいくつかの方法で製造されている。
その一つは、Ｇｅが添加されたコアに対し、所定の間隔のマスクパターンが形成されたマスクを通して紫外線を照射することにより、コアに屈折率の摂動を形成することが開示されている（特許文献１参照）。
また、他の方法として、アーク放電を利用して周期的な屈折率変動領域を形成することにより、ファイバグレーティングを形成することが開示されている（特許文献２参照）。

さらに、別の方法として、図７に示すように、グレーティング板５２と平板５３とで光ファイバ５１を挟んで、おもり５４で荷重を加えることにより光弾性効果を利用した長周期ファイバグレーティング５０を構成したものが開示されている（特許文献３参照）。
特開平１０−１７０７３６号公報 特開平１０−１４２４１２号公報 米国特許第５２６０８２３号公報

長周期ファイバグレーティングは、式（１）に基づいて、グレーティングの周期（Λ）を変えたり、コアモード等価屈折率（ｎ_ｅ−ｃｏ）と（ｍ次）クラッドモード等価屈折率（ｎ^ｍ _ｅ−ｃｌ）との差を変えたりすることにより、吸収特性（損失特性）を変化させることができるようになる。
したがって、この性質を積極的に利用し、グレーティングの周期（Λ）や等価屈折率差（ｎ_ｅ−ｃｏ−ｎ^ｍ _ｅ−ｃｌ）を所望の値に調整し、あるいは可変にすることにより、吸収（損失）波長を所望の値にしたデバイスを作ったり、チューナブルなデバイスを作ったりすることができる。

特に、光弾性効果を利用し、光ファイバに所望のピッチのグレーティング板を当接させて形成する長周期ファイバグレーティングは、グレーティング板の周期構造のピッチを変えたりするだけで、精度の高いグレーティング周期（Λ）を光ファイバに簡単に与えることができるので、損失特性のコントロール性に優れている。

その一方で、光弾性効果を利用した長周期ファイバグレーティングでは、これまでグレーティング板におもりによる荷重を載せて加圧するようにしていたため、小型化、デバイス化が困難であった。
すなわち、コアとクラッドからなる一般的なファイバグレーティングの径は１２５μｍ程度であり、外側の被覆を含めても２５０μｍ程度である。これに対し、平面状のグレーティング板におもりで安定的に圧接させるためには、ある程度の幅を有するグレーティング板を用いておもりを載置する必要がある。
さらに、長周期ファイバグレーティングのデバイスを製品化するには、光ファイバが破損しないように保護する必要もある。

そこで、本発明はファイバ型デバイスである長周期ファイバグレーティングデバイスを、小型化するとともに破損しにくい構造にして、デバイスとして提供できるようにすることを目的とする。

上記課題を解決するためになされた本発明の長周期ファイバグレーティングデバイスは、コアおよびコアを囲むクラッドを備えた光ファイバと、外面に０．１ｍｍ〜１ｍｍピッチの周期構造の溝が形成され、前記光ファイバの軸方向に沿ってこの周期構造の溝を当接させる溝付き支持体と、平坦な外面を有し、前記光ファイバの軸方向に沿ってこの平坦な外面を当接させる溝無し支持体と、前記光ファイバが前記溝付き支持体と前記溝無し支持体とにより挟まれるようにして圧接状態で一体に固定するチューブ状のファイバ圧接部材とを備えるようにしている。
ここで、光ファイバはコアモードとクラッドモードが生じるものであれば特に限定されない。またクラッドの外側に被覆層を設けてもよい。
溝付き支持体は、周期構造の溝加工が容易な金属材料が好ましいが、溝加工が可能な材料で、光ファイバに圧接できる材料であれば金属以外であってもよい。溝無し支持体については、光ファイバに圧接できる材料であればよい。
また、ファイバ圧接部材としては溝付き支持体や溝無し支持体の外側から、これら支持体を加圧できるチューブ状のものを用いる。例えば、ゴムチューブ等の弾性材料を用いることができる。

本発明によれば、溝付き支持体と溝無し支持体とで光ファイバを挟むようにし、溝付き支持体、溝無し支持体、光ファイバの全体を一体にして、チューブ状のファイバ圧接部材で覆うようにして固定し、光ファイバが溝付き支持体によって周期的に加圧されるようにする。

本発明によれば、おもりを用いることなく、溝付き支持体と光ファイバとを圧接することができるので、小型でコンパクトな長周期ファイバグレーティングデバイスを形成することができる。また、光ファイバは溝付き支持体と溝無し支持体とで挟まれた状態にされるので、光ファイバはこれら支持体によって保護され、機械的な破損を防止することができる。

（その他の課題を解決するための手段及び効果）
ファイバ圧接部材は、熱収縮チューブからなるようにしてもよい。これにより、簡単に加工することができるとともに、熱収縮チューブの収縮力により圧接することができる。

溝付き支持体および前記溝無し支持体が直線状の棒体からなるようにしてもよい。これにより、直線状の長周期ファイバグレーティングデバイスを形成することができ、細い形状の長周期ファイバグレーティングデバイスとして提供することができる。

この場合、光ファイバは１つの溝付き支持体と複数の溝無し支持体とにより挟まれるようにして圧接状態で一体に固定されるようにしてもよい。光ファイバを合計３本以上の支持体で囲むようになり、太さが大きくなるものの、安定した形状のデバイスとして提供することができる。
この場合、光ファイバにチューブ状の熱収縮部材を被せてもよい。光ファイバ径が細い場合には、光ファイバよりも十分に太い径の金属ロッドを用いると金属ロッドどうしが接触するようになって、金属ロッドに挟まれた中央の空間で光ファイバが動き回るとともに加圧することが困難になる。そのため、チューブ状の熱収縮部材を光ファイバに被覆させて光ファイバ側の径を十分に太くすることにより、この熱収縮部材が金属ロッドで圧接されるようになり、光ファイバが加圧できるようになる。
また、光ファイバの上に直接、熱収縮チューブを被せる構造にすることで、熱収縮チューブ材料の屈折率をいろいろと変化させることによって、損失特性（吸収特性）を大きく変化させることができる利点も得られる。

溝付き支持体は、金属からなるようにしてもよい。支持体として利用できるだけでなく、金属に温度変化を与えることにより、周期構造のピッチを変化させることができるので、損失波長を可変にすることができる。

溝付き支持体は、ピエゾ素子からなるようにしてもよい。ピエゾ素子は電圧を印加することにより、軸方向長さを変化させたり、太さを変化させたりすることができるので、周期構造のピッチを変化させたり、加圧状態を変化させたりすることができ、損失特性を可変にすることができる。

溝付き支持体は円筒状又は円柱状の軸芯部材からなるとともに、軸芯部材の外周面には周方向に凹凸する周期構造の溝が形成されるようにし、また、光ファイバは前記軸芯部材の外周面を螺旋状に巻回されるようにし、また、溝無し支持体は螺旋状の光ファイバの外側を覆うように当接するとともに軸方向に沿って切欠きが形成され、径が変形できるようにした円筒部材で形成されるようにし、ファイバ圧接部材は前記円筒部材の外側から覆うようにして、軸芯部材と円筒部材とで光ファイバを圧接するようにしてもよい。
これにより、単に直線状に延ばした光ファイバよりも長い光ファイバについて、長周期ファイバグレーティングデバイスを作ることができるので、損失波長については深い吸収のデバイスを形成することができる。

以下、本発明の一実施形態について、図面を用いて説明する。ここでは、長周期ファイバグレーティングデバイスを光フィルタとして用いる例について説明する。

図１は本発明の一実施形態である長周期ファイバグレーティングデバイス１０を示す図であり、図１（ａ）はその外観図（一部を破断して示す）、図１（ｂ）は光ファイバ部分の拡大図、図１（ｃ）は断面図である。

この長周期ファイバグレーティングデバイス１０は、主として、光ファイバ１１と、外周面に周期構造の溝が形成された金属ロッド１２、外周面が平坦な金属ロッド１３、熱収縮チューブ１４とからなる。

光ファイバ１１は、コア層１１ａ、クラッド層１１ｂと、これらを保護する被覆層１１ｃとからなる。
金属ロッド１２は、円柱形状をなし、０．１ｍｍ〜１ｍｍの範囲のピッチで螺旋溝が外周面に形成され、この溝が光ファイバ１１に当接されるようにしてある。ロッド形状を円柱状にしてあるのは、螺旋溝の加工が容易であるためであるが、加工しやすさを考慮しなければ、これに代えて、例えば方形断面のロッドに周期溝を形成したものであってもよい。

金属ロッド１３は、金属ロッド１２と同様に円柱状をなしており、その外周面が平坦にしてある。
金属ロッド１２、１３の径は、光ファイバ１１に当接して加圧できる大きさであれば特に限定されないが、好ましくは光ファイバと同径かそれより大きい方が好ましい。
金属ロッド１２、１３の材料としては、アルミ、銅等が利用しやすいが、温度変化の影響を抑えて損失特性の変動を抑えたいときは、熱伝導性が小さく、熱膨張係数が比較的小さい金属を用いることが好ましい。なお、超周期グレーティングデバイス１０の損失特性を、温度変化を与えることによって可変にしたいときは、金属ロッド１２、１３に良熱伝導性の材料を用いたり、金属ロッド１２、１３自体が熱膨張係数の高い材料にして、周期構造のピッチを変化させたりすればよい。

熱収縮チューブ１４としては、例えば光ファイバを接続した後に、接続部を補強するために用いられている熱収縮チューブ（商品名：「補強熱スリーブ」例えば日東工業製等）を利用することが好ましいが、これに限定されない。熱収縮チューブには、ある程度の収縮性が要求され、この収縮力で金属ロッド１２が光ファイバ１１に押し付けられて、光弾性効果が生じるようにする。
なお、全体の断面形状を円形に近い形状にするために、成形用の緩衝層１５をさらに設けてもよい。緩衝層１５には、例えば、変形可能な粉体材料を充填することができる。また、光ファイバ１１と金属ロッドとを固定するために、ＵＶ樹脂等を固化した緩衝層１５としてもよい。
なお、緩衝層１５を設けない場合は、側面に凹凸のある形状になるため、見栄えはよくないが、実用上はそれでもよい。

以上の構成を有する長周期ファイバグレーティング１０では、光ファイバ１１を、金属ロッド１２および金属ロッド１３で挟み込み、熱収縮チューブ１４で光ファイバ１１に対し、破損しない程度での加圧を行う。これにより、光ファイバ１１には周期構造の力が加えられ、光弾性効果による長周期ファイバグレーティングとして機能するようになる。

図２、図３は本発明の長周期ファイバグレーティングの他の一実施形態を示す断面図（図１ｃに相当）である。図１と同じものは同符号を付すことにより、説明を省略する。
図２では、熱収縮チューブ１４の内側に、外周面に周期溝が形成された金属ロッド１２が１本、平坦な外周面の金属ロッド１３が２本入れてあり、これら３本の金属ロッドによって、光ファイバ１１が加圧されるようにしてある。
また、図３では、熱収縮チューブ１４の内側に、周期溝が形成された金属ロッド１本、平坦の外周面の金属ロッド１３が３本入れてあり、これら４本の金属ロッドによって光ファイバ１１が加圧されるようにしてある。
図２や図３の例では全体の径はやや太くなるが、金属ロッドで光ファイバ１１の周囲を囲むようになり、光ファイバ１１がこれらによって保護されるので、破損されにくい構造になる。

また、光ファイバ１１の径が細い場合（例えば被覆層のないコアとクラッドからなる光ファイバの場合は直径が０．１２５ｍｍ程度）には、光ファイバ１１よりも十分に太い径の金属ロッド１２、１３（例えば直径が１ｍｍ程度）を用いると金属ロッド１２、１３どうしが接触するようになって、金属ロッド１２、１３に挟まれた中央の空間で光ファイバ１１が動き回るとともに加圧することが困難になる。そのため、図４に示すように、チューブ状の熱収縮部材１４ａを光ファイバ１１の外周に被せることで、全体としての径を十分に太くすることにより、この熱収縮部材１４ａが金属ロッド１２、１３により圧接されるようになり、熱収縮部材１４ａを介して光ファイバ１１を加圧することができるようになる。
また、光ファイバ１１の上に直接、熱収縮チューブを被せる構造にすることで、熱収縮チューブ材料を変更して屈折率を変化させることによって、損失特性（吸収特性）を大きく変化させることができる利点も得られる。

以上の実施形態では、光ファイバ１１に圧接する支持体として金属ロッド１２を用いたが、同形状のピエゾ素子のロッドにして、光ファイバの軸方向に伸縮させたり、太さ方向に伸縮させたりしてもよい。この場合はピエゾ素子により加圧状態を変化させることができるので、損失特性を可変にすることができる。

図５は、本発明の他の一実施形態を示す長周期ファイバグレーティング２０であり、図５（ａ）は外観図、図５（ｂ）は断面図である。
この実施形態では、比較的長い距離の光ファイバを螺旋状に巻いた構造にして、長周期ファイバグレーティングを形成するようにしている。なお、ファイバグレーティングの長さを長くすると吸収波長（損失波長）での吸収をより大きくすることができるようになる。

この長周期ファイバグレーティング２０は、光ファイバ２１と、軸芯部材２２と、円筒部材２３と、熱収縮チューブ２４とからなる。
軸芯部材２２は、円筒状（あるいは円柱状）の金属からなり、その外周面に軸方向に延びる溝２２ａと凸部２２ｂとが形成されている。この溝２２ａと凸部２２ｂとは、周方向に０．１ｍｍ〜１ｍｍのピッチで周期的に形成される。この外周面に光ファイバ２１が巻回されることにより、光ファイバ２１は軸芯部材２２と一定間隔で周期的に当接するようになる。

光ファイバ２１の外側には、内面が平坦な金属製の円筒部材２３が形成される。円筒部材２３は、軸方向に沿って切欠き２５が形成され、外側から押圧されることにより、径が変形できるようにしてある。

そして、円筒部材２３の外側には、熱収縮チューブ２４が巻かれ、円筒部材２３を圧接するようにしてある。これにより、光ファイバ２１が円筒部材２３と軸芯部材２２とで圧接されるようになり、光弾性効果を利用した長周期ファイバグレーティング２０が構成されるようにしてある。

以上の構成により、光ファイバをある程度長くした長周期ファイバグレーティングを形成することができ、吸収波長（損失波長）での吸収が大きいデバイスを提供することができるようになる。

本発明は、小型でコンパクトな長周期ファイバグレーティングの製造に用いることができる。

本発明の一実施形態である長周期ファイバグレーティングデバイスの構成を示す図。 本発明の他の一実施形態である長周期ファイバグレーティングデバイスの構成を示す図（断面図のみ）。 本発明の他の一実施形態である長周期ファイバグレーティングデバイスの構成を示す図（断面図のみ）。 本発明の他の一実施形態である長周期ファイバグレーティングデバイスの構成を示す図（断面図のみ）。 本発明の他の一実施形態である長周期ファイバグレーティングデバイスの構成を示す図。 長周期ファイバグレーティングデバイスの損失特性の一例を示す図。 従来の長周期ファイバグレーティングデバイスの具体例を示す図。

符号の説明

１０： 長周期ファイバグレーティングデバイス
１１： 光ファイバ
１２： 金属ロッド（溝付き支持体）
１３： 金属ロッド（溝無し支持体）
１４： 熱収縮チューブ
２０： 長周期ファイバグレーティングデバイス
２１： 光ファイバ
２２： 軸芯部材（溝付支持体）
２３： 円筒部材（溝無し支持体）
２４： 熱収縮チューブ

Claims (8)

1. コアおよびコアを囲むクラッドを備えた光ファイバと、
   外面に０．１ｍｍ〜１ｍｍピッチの周期構造の溝が形成され、前記光ファイバの軸方向に沿ってこの周期構造の溝を当接させる溝付き支持体と、
   平坦な外面を有し、前記光ファイバの軸方向に沿ってこの平坦な外面を当接させる溝無し支持体と、
   前記光ファイバが前記溝付き支持体と前記溝無し支持体とにより挟まれるようにして圧接状態で一体に固定するチューブ状のファイバ圧接部材とを備えたことを特徴とする長周期ファイバグレーティングデバイス。
2. 前記ファイバ圧接部材は、熱収縮チューブからなる請求項１に記載の長周期ファイバグレーティングデバイス。
3. 前記溝付き支持体および前記溝無し支持体が直線状の棒体からなる請求項１または請求項２に記載の長周期ファイバグレーティングデバイス。
4. 前記光ファイバは１つの溝付き支持体と複数の溝無し支持体とにより挟まれるようにして圧接状態で一体に固定される請求項３に記載の長周期ファイバグレーティングデバイス。
5. 前記光ファイバにチューブ状の熱収縮部材を被せた請求項４に記載の長周期ファイバグレーティングデバイス。
6. 前記溝無し支持体は、金属からなる請求項１〜請求項５のいずれかに記載の長周期ファイバグレーティングデバイス。
7. 前記溝無し支持体は、ピエゾ素子からなる請求項１〜請求項５のいずれかに記載の長周期ファイバグレーティングデバイス。
8. 前記溝付き支持体は円筒状又は円柱状の軸芯部材からなるとともに、当該軸芯部材の外周面には周方向に凹凸する周期構造の溝が形成され、
   前記光ファイバは前記軸芯部材の外周面を螺旋状に巻回され、
   前記溝無し支持体は螺旋状の光ファイバの外側を覆うように当接するとともに軸方向に沿って切欠きが形成され、径が変形できるようにした円筒部材で形成され、
   前記ファイバ圧接部材は前記円筒部材の外側から覆うようにして前記軸芯部材と前記円筒部材とで光ファイバを圧接する請求項１に記載の長周期ファイバグレーティングデバイス。

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