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明細書 :単一透過線スペクトルを有する光ファイバ型フィルタ

発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 特許公報(B2)
特許番号 特許第5283200号 (P5283200)
公開番号 特開2012-208343 (P2012-208343A)
登録日 平成25年6月7日(2013.6.7)
発行日 平成25年9月4日(2013.9.4)
公開日 平成24年10月25日(2012.10.25)
発明の名称または考案の名称 単一透過線スペクトルを有する光ファイバ型フィルタ
国際特許分類 G02B   6/00        (2006.01)
G02B   6/02        (2006.01)
G02B   6/38        (2006.01)
G02B   6/26        (2006.01)
FI G02B 6/00 306
G02B 6/10 C
G02B 6/10 D
G02B 6/38
G02B 6/26
請求項の数または発明の数 5
全頁数 13
出願番号 特願2011-074357 (P2011-074357)
出願日 平成23年3月30日(2011.3.30)
審査請求日 平成24年12月11日(2012.12.11)
特許権者または実用新案権者 【識別番号】504237050
【氏名又は名称】独立行政法人国立高等専門学校機構
発明者または考案者 【氏名】佐野 安一
【氏名】小林 昌樹
早期審査対象出願または早期審理対象出願 早期審査対象出願
個別代理人の代理人 【識別番号】100100055、【弁理士】、【氏名又は名称】三枝 弘明
審査官 【審査官】吉田 英一
参考文献・文献 森杏、葛西恵介、吉田真人、中沢正隆,30dBのサイドローブ抑圧比を有する0.4GHz超狭帯域FBG光フィルタ,電子情報通信学会技術研究報告,日本,社団法人電子情報通信学会,2009年 8月20日,Vol. 109, No. 179,pp. 63 - 68
Yuri O. Barmenkov, Dobryna Zalvidea, Salvador Torres-Peiro, Jose L. Cruz, and Miguel V. Andres,Effective length of short Fabry-Perot cavity formed by uniform fiber Bragg gratings,Optics Express,2006年 7月10日,Vol. 14, No. 14,pp. 6394 - 6399
調査した分野 G02B 6/02
G02B 6/26
G02B 6/38
H01S 5/10
H01S 3/08
特許請求の範囲 【請求項1】
第一の光ファイバ内に描画された光ファイバブラッググレーティングと、第二の光ファイバの端面に構成された広帯域ミラー、及びこれらを接続するための接続用部品を有することを特徴とした光ファイバ型フィルタ。
【請求項2】
請求項1に記載された光ファイバ型フィルタにおいて、前記光ファイバブラッググレーティングは前記第一の光ファイバの片端に構成された光コネクタのフェルール内の位置に構成され、かつ前記広帯域ミラーは前記第二の光ファイバの片端に構成された光コネクタフェルール端面の位置に構成されたことを特徴とする光ファイバ型フィルタ。
【請求項3】
光ファイバ内に描画された光ファイバブラッググレーテフィングと該光ファイバの端面に構成された広帯域ミラーとを有する光ファイバ型フィルタ。
【請求項4】
請求項1から請求項3において前記広帯域ミラーは多層膜フィルタであることを特徴とした光ファイバ型フィルタ。
【請求項5】
請求項1から請求項3において前記広帯域ミラーはアルミ蒸着ミラーであることを特徴とした光ファイバ型フィルタ。
発明の詳細な説明 【技術分野】
【0001】
本発明は、光波長多重通信システムで使用される光フィルタに関する。
【背景技術】
【0002】
大容量光ファイバ通信のため光波長多重通信システムは重要な技術である。そのためには狭帯域光フィルタがキーハードとなる。現在までのところ代表的なフィルタは光ファイバブラッググレーティング(以下FBGと記す。非特許文献1)あるいはアレイ導波路格子(非特許文献2)などがその代表的なものである。また光ファイバブラッググレーティングを2つ用いた光ファイバファブリペロー干渉素子と光ファイバブラッググレーティングと光ファイバサーキュレータで構成された光回路素子(非特許文献3)がある。
【先行技術文献】
【0003】

【特許文献1】特開2007-121420号公報
【0004】

【非特許文献1】Raman Kashyap, "Fiber Bragg Gratings", Academic Press ,1998
【非特許文献2】K.Takada, M. Abe, T. Shibata, M. Ishii, Y. Inoue, H. Yamada, Y. Hibino, and K. Okamato, "10 GHz-spaced 1010-channel AWG filter achieved by tandem connection of primary and secondary AWGs"
【非特許文献3】森、葛西、吉田、中沢、30dBのサイドローブ抑圧比を有する0.4GHz超狭帯域FBG光フィルタ、2009年電子情報通信学会総合大会
【非特許文献4】Erdogan "Fiber Grating Spectra," Journal of Lightwave Technology,Vol15, pp,1277~1294,1997
【非特許文献5】Yuri O.Barmenkov, "Effective length of short Fabry-Perot cavity formed by uniform fiber Bragg gratings," OPTICS EXPRESS,Vol.14,No.14, pp.6394~6399, 2006
【非特許文献6】Y. Sano and T. Yoshino, "Effect of Light Source Spectral Modulation on Wavelength Interrogation in Fiber Grating Sensors and Its Reduction," IEEE Sensors J.., vol. 3. pp. 44049 2003
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
光ファイバ通信で使用される波長帯域は光ファイバの光損失が最も少ないCバンドと呼ばれる1550nm波長帯域が一般的である。光波長多重通信のこの波長帯域ではFBGのスペクトルの帯域は狭いものでも18.7GHz(波長で約150pm相当)程度の半値全幅である。このため例えば1870GHz(波長で約15nm相当)の帯域幅で光波長多重通信を行なう場合その回線数は100(=1870GHz/187GHz)となる。またアレイ導波路格子の場合その帯域は狭いもので約10GHz程度であるので回線数はほぼ187(=1870GHz/10GHz)となる。更に非特許文献3の光ファイバブラッググレーテフィングを2つ用いた光ファイバファブリペロー干渉素子と光ファイバブラッググレーフィングと光ファイバサーキュレータで構成された光回路素子では0.4GHzの帯域が実験的に示されており、その回線数4675(=1870GHz/0.4GHz)の可能性がある。このように光波長多重通信はその回線数が重要なアイテムになっている。
【0006】
回線数は非特許文献3により大幅に向上できる可能性が示されている。しかしその構成は図1に示すように3つの光ファイバブラッググレーティングと1つの光サーキュレータが必要となる。そのためコスト高、あるいはサイズが大きくなるなどの欠点があった。
【0007】
上記の光ファイバブラッググレーティングを2つ用いた光ファイバファブリペロー干渉素子と光ファイバブラッググレーィングと光ファイバサーキュレータで構成された光回路素子は従来技術の中で、最高レベルの回線数を実現できる光フィルタである。本発明の目的は、この回路素子と同等の回線数を提供できかつ小型・低コストな超狭帯域光フィルタを提供することを目的とする。




【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明の超狭帯域光フィルタは光ファイバブラッググレーティングと光ファイバ端面に構成されたハーフミラーから構成する。
【0009】
この構成の本発明(以下FWMIと記す)では、光ファイバブラッググレーティングと光ファイバ端面に構成されたハーフミラーからファブリペロー干渉素子が形成され、このファブリペロー干渉素子の超狭帯域の櫛形フィルタ特性から光ファイバブラッググレーティングで選択される単一の透過線スペクトルを得ることができる。このように本発明は1つの光ファイバブラッググレーティングと光ファイバ端面に構成したハーフミラーの2つの要素からのみ構成されるので、従来のものより部品点数が少なく小型・低コストな超狭帯域光フィルタを実現できる。
【0010】
この構成の本発明では、光ファイバブラッググレーティングは第一の光ファイバコネクタのプラグを構成するフェルール内に配置形成される構成が好ましい。
【0011】
前記光ファイバ端面のハーフミラーは第二の光ファイバコネクタのプラグを構成するフェルール内のファイバ端面に配置形成される構成が好ましい。
【0012】
これらの第一の光ファイバコネクタのプラグと第二の光ファイバコネクタのプラグはこれらを接続する光ファイバコネクタのアダプタにより接続される構成が望ましい。
【0013】
この構成の本発明では、光ファイバ接続のための光コネクタ構造をベースに光ファイバブラッググレーティングと例えば多層誘電体薄膜ハーフミラーから成り立っており、高い製作技術はなくても1本の透過線スペクトルを得る事が出来る特徴がある。
【0014】
また光ファイバブラッググレーティングとハーフミラーの間隔は光ファイバコネクタのバネ構造により一定に保つことができるので安定なフィルタリング特性を持つ超狭帯域光フィルタを実現できる特徴がある。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】本発明の第1実施形態にかかる超狭帯域光フィルタの概略構成図。
【図2】本発明の動作を説明するための図。
【図3】シミュレーションにより求めたFWMIの透過特性例を示すグラフ。
【図4】FWMIの実測特性を示すグラフ。
【図5】測定範囲を広げて観測したFWMIの実測特性を示すグラフ。
【図6】第1実施形態の光ファイバブラッググレーティングのフェルール内部にもつ光ファイバコネクタプラグの1例を示す部分断面図。
【図7】第1実施形態の誘電体多層膜ミラー(広帯域ミラー)をフェルール端面にもつ光ファイバコネクタプラグの1例を示す部分断面図。
【図8】図6記載の光コネクタプラグと図7記載の光コネクタプラグを接続するための光コネクタアダプタの1例を示す部分断面図及び平面図。
【図9】同図(c)は第2の実施例、同図(a),(b)は第2の実施例実現のための方法を示す図。
【図10】広帯域ミラーの反射スペクトル例を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【0016】
本発明の理論を図1及び図2を用いて説明する。本発明のFWMIは図1に示すように、光ファイバを介して光ファイバブラッググレーティング(以下、FBGと記す。)と広帯域ハーフミラー(以下WMと記す)をある間隔をあけて配置し構成される。図2に動作を示す。なお、以下に括弧付で引用する光の符号は図2において丸付数字で示してある。FBGを透過してきた光[1]はWMによってほとんどが反射される。反射した光[2]のうちFBGの反射帯域内の波長の光[3]はFBGによって反射され、FBGの反射帯域外の波長の光[4]はFBGを透過する。

【0017】
よって原理的にはFBGの反射帯域の波長の光のみFBG-WM間を往復し、FBG-WM間の距離Lが波長の整数倍となっていればその波長の光は安定した定在波として存在し、強い透過光[5]として現れる。

【0018】
つまり、WMの特性によりほとんどの光を遮断し、FBGの特性によって特定波長帯域の光のみをループさせることで単一スペクトルを得ることが可能となる。

【0019】
なお、正しくは、FBGで光が反射する際、実効的な反射位置はFBG端より若干内側に入り込んだ位置になるため後述するその分の距離Lを考慮する必要がある。換言すれば正しくはFBG-WM間の距離Lと距離Lの和(L+L)が波長の整数倍となっていればその波長の光は安定した定在波として存在し強い透過光[5]として現れる。

【0020】
FBGの反射率R(λ)は非特許文献4によれば結合波方程式を解いて以下の数式1で与えられる。

【0021】
【数1】
JP0005283200B2_000002t.gif

【0022】
ここで、以下の数式2、数式3及び数式4が成立するものとする。

【0023】
【数2】
JP0005283200B2_000003t.gif

【0024】
【数3】
JP0005283200B2_000004t.gif

【0025】
【数4】
JP0005283200B2_000005t.gif

【0026】
ただし、Λはグレーティングピッチ、nは実効屈折率、Δnは屈折率変調度、LはFBGの長さ、λは波長である。この場合、上記反射率R(λ)の近似値であるR(λ)は非特許文献6によれば次の数式5により示される。ここで、δλ及びRmaxは定数であってそれぞれFBGの半値全幅及び最大反射率である。

【0027】
【数5】
JP0005283200B2_000006t.gif

【0028】
また、FBGの反射中心波長及びFBGの帯域幅BWは非特許文献4によれば以下の数式6及び数式7で示される。

【0029】
【数6】
JP0005283200B2_000007t.gif

【0030】
【数7】
JP0005283200B2_000008t.gif

【0031】
FBG側から光を入射させても誘電体多層膜ハーフミラー側から光を入射させても、FWMIの理論的透過率T(λ)は誘電体多層膜ハーフミラーの反射率を定数Rとすれば非特許文献5から、いずれの側から光を入射させかはフィルタ特性には無関係であって、以下の数式8で求められる。

【0032】
【数8】
JP0005283200B2_000009t.gif

【0033】
但し、LはFBGにおける実効的な反射位置を表すもので、非特許文献5によれば以下の数式9で示される。

【0034】
【数9】
JP0005283200B2_000010t.gif

【0035】
FWMIのフリースペクトルレンジFSRは数式8から以下の数式10で示される。ここでFWMIは櫛形帯域通過フィルタでありそれぞれのピークを与える周波数λはやはり数式8式からmを自然数として以下の数式11で表される。

【0036】
【数10】
JP0005283200B2_000011t.gif

【0037】
【数11】
JP0005283200B2_000012t.gif

【0038】
一方いわゆるファブリペロー干渉素子は超狭帯域の櫛形フィルタ特性を示す。本発明ではこの櫛形フィルタ特性から光ファイバブラッググレーティングで選択される単一の透過線スペクトルを得る。このためには次の2つの条件が必要である。第一の条件はファブリペロー干渉素子の超狭帯域の櫛形フィルタ特性としてのフリースペクトルレンジの倍がFBGのバンド幅より広くなければならない。このため以下の数式12を満たす必要がある。

【0039】
【数12】
JP0005283200B2_000013t.gif

【0040】
次に第二の条件は安定して単一の透過線スペクトルを得るために、FBGの数式6で表される反中心波長λを数式11で表されるFWMIの波長λに等しくする。この条件は数式9を使って以下の数式13となる。数式8において数式12、数式13の条件が満たされればFWMIとして1本の線スペクトルを得ることができる。なお数式12、数式13が室温で成立する様に設計しFWMIの温度を一定にするための制御を加えれば周囲の環境温度が変化しても常に1本の線スペクトルが得られることは明らかである。またその中心波長は上述のようにλ=λであって、この値も数式6及び数式11から分かるようにFWMIの温度制御により安定に保つことができることは言うまでもない。以上がこの発明の理論である。

【0041】
【数13】
JP0005283200B2_000014t.gif

【0042】
本発明のポイントは、広帯域ミラーWMの反射帯域が光ファイバブラッググレーティングFBGの反射帯域を含みそれよりも広いことである。また、FBGの反射帯域内に実効的な共振器長(L+L)により生ずる櫛形フィルタ特性の線スペクトルが1つ含まれることである。

【0043】
次に具体的な試作品のデータを示す。数式1および数式8を用いて数値計算により求めたFWMIの透過スペクトル特性例を図3に示す。計算諸元は以下の通りである。FBGと誘電体多層膜ミラーとの間隔L=1mm、誘電体多層膜の1550nmにおける反射率は0.97、FBGの屈折率変調度Δnは0.0007は1導波モードに対する実効屈折率nは1.45、FBGの長さは2mm、グレーティング周期は535nmである。縦軸はFWMIの透過率(黒い実線)とFBGの透過率(グレーの実線)である。計算結果は半値全幅が8.0pmであり最大透過率は波長が1551.397nmのときに生じその値は90.1%であった。

【0044】
試作したFWMIの実測特性を図4及び図5に示す。使用したFBG及び誘電体多層膜の実測諸元は以下のとおりである。FBGの反射中心波長は1551.5nm、半値全幅は800nm、 最大反射率は98%、FBGの長さは2mmである。誘電体多層膜ハーフミラーの反射率、透過率は、1550nmにおいてそれぞれ95.3%、1.1%であるFBGとミラーの間の距離は1mmである。図4は測定範囲を狭めてFWMIの透過率を示しており、図5は測定範囲を広げて観測したものであり広帯域にわたって1本の線スペクトルが得られていることが分かる。なお図4から実測値で、半値全幅は16pmであった。図4から透過中心波長及び反射域における透過率の比は22dBであることが分かる。以上のことから理論、実験とも広帯域な波長範囲にわたって単一の透過線スペクトルが得られていることが分かる。

【0045】
次に、本発明の第1実施形態を図6、図7、図8を使用して示す。図6は光コネクタのプラグを示す。このプラグのフェルール内に納める光ファイバには光ファイバブラッググレーティングFBGが描画される。これは特許文献1に示されているように実現が可能である。

【0046】
更に図7は先端に多層誘電体薄膜ミラー(広帯域ミラーWM)を構成した光ファイバをフェルール内に挿入しその先端はフェルールの先端と同一面になるように位置合わせを行う。これは例えば本社神奈川県厚木市恩名5の1の1のアンリツ株式会社の「ファイバアダプタMA9013A」と同様な方式で実現することができる(アンリツ株式会社2008年和文総合カタログJ-A-1-(1.00) 70Mの134ページ参照)。また光ファイバの先端に多層誘電体薄膜ハーフミラー(広帯域ハーフミラーWM)を構成する方法は埼玉県ふじみ野市上福岡2の7の8のレーサーモ株式会社の「P-0050-1NC」と同様な方法で実現することができる。なお該ファイバとフェルールはフェルール内孔と接着剤で固定可能である。また特に図示はしていないが通常のファイバ付き光コネクタいわゆるパッチコードを使用した方法もある。すなわちこの場合パッチコードの完成品では光ファイバの端面がフェルールの端面と同一面上になっている構成であるが、その同一面上を誘電体多層膜ミラーの蒸着などにより覆う方法であってもよい。なおこの誘電体多層膜ミラー面はシングルモード光ファイバのコア軸に垂直に形成されていることが重要である。またFBGもシングルモード光ファイバ内に構成されておりそのグレーティング面はこの多層膜誘電体ミラーと同様、シングルモード光ファイバのFBG端面がシングルモードファイバのコア軸に垂直に構成されていることも重要である。これらがシングルモード光ファイバのコア軸に垂直になっていて初めてFBGと誘電体多層膜ミラー間で多波干渉が生じ共振特性が生じ、これが線スペクトル発生につながるからである。

【0047】
以上のようにして作成した第一のFBGを内蔵した光ファイバプラグと、第二のフェルール端面に広帯域ミラーを配置した光ファイバプラグを、図8に示す光ファイバアダプタで接続することができる。この接続により図1あるいは図2に示す光回路が構成されこの回路の透過率は数式8で表されることになる。この光ファイバプラグとアダプタは光ファイバ通信でよく用いられるものでありFC型コネクタでもよい。FC型コネクタの場合、上記アダプタによるプラグ間の結合による光ファイバ同士の接続をより安定なものにするためのバネ構造はJIS C5970で詳細に記載されている。SC型コネクタであればJIS C5973で詳細に記載されている。なお広帯域ミラーは上述の誘電体多層膜ミラーでもよいことは言うまでもない。図10は誘電体多層膜ミラーが広帯域ミラーであることを示すために示した誘電体多層膜ミラーの反射スペクトル例である。

【0048】
本発明の第2の実施例を図9(c)に示す。図9(a)に示すようにまず第1の実施例の場合と同様にして光ファイバ素線2の端面に多層膜フィルタを形成する。次にこれを同図(b)に示すようにファイバ固定具HLで把持し固定する。そしてフェーズマスクPMを用いて前記多層膜フィルタから距離Lだけ離れた位置にFBGを例えばアルゴンレーザCHLを光源として光ファイバ素線2に描画する。この際図示はしていないが距離Lを得るために例えば光学ステージでフェーズマスクPMを同図の破線矢印のように微調整できるようにしておく。その後、端面に形成された多層膜ミラーとそこから距離L離れた位置に描画されたFBGを持つ光ファイバ素線2をファイバ固定具HLから外し、これを例えばFC型光コネクタプラグに挿入し同図(c)に示す様な構造にする。ここで挿入した光ファイバはフェルール内部で、接着剤で固定される。もちろん多層膜ミラーが構成されている端面は実施例1と同様にフェルール端面と同一面になるように構成される。この(c)に示す構造は光ファイバプラグ内蔵型の「単一透過線スペクトルを有する光ファイバ型フィルタ」となる。これを例えば図8に示す光ファイバアダプタを介して別のFC型光コネクタプラグ(一般のFC型光コネクタプラグで、端面に多層膜ミラーもなくFBGも内部に構成されていないものとする)に接続すればインライン型で「単一透過線スペクトルを有する光ファイバ型フィルタ」を使用することができる。

【0049】
以上述べた第2の実施例では距離Lが、一定のバネ圧力で距離Lを決定する実施例1の場合よりはリジッドであるためより安定したフィルタ特性が得られる。更に例えば受光用フォトダイオードを内蔵した光ファイバコネクタアダプタに直接接続して使用することも可能である。なお広帯域ミラーは多層膜フィルタであっても良いし、アルミ蒸着ミラーであっても良い。

【0050】
尚、本発明の装置は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【0051】
本発明からなる「単一透過線スペクトルを有する光ファイバ型フィルタ」は、上述の超高波長多重大容量光通信のためのシステムのキーハードとして応用できることはもちろんである。また光ファイバを用いた光ファイバセンサの高精度化にも利用の可能性がある。
【符号の説明】
【0052】
1 フェルール 2 光ファイバ素線
3 プラグ本体 4 カシメリング
5 ブーツ 6 光ファイバコード
FBG 光ファイバグレーティング WM 広帯域ミラー
PM フェーズマスク CHL アルゴンレーザ光
HL ファイバ固定具 CL ファイバクラッド
図面
【図1】
0
【図2】
1
【図3】
2
【図4】
3
【図5】
4
【図6】
5
【図7】
6
【図8】
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【図9】
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【図10】
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