JPH0366642B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 この発明は一般に光を偏光するための装置およ
び方法に関し、特に、予め定められた偏光を有す
る光を与えるためのフアイバ光学装置および方法
に関する。

多くのフアイバ光学装置において、選択された
位置で偏光状態が知られる光を、その動作が偏光
に依存する構成部品に対する入力として用いるこ
とは誤動作を最小にするために望ましいというこ
とはよく知られている。偏光の状態は特に光フア
イバの回転感知器のような装置において重要であ
る。偏光光フアイバ回転感知装置において、偏光
の変化によるドリフト誤差は偏光器の性質により
決定される。

フアイバ光学回転感知器において直線偏光状態
は典型的には、Berghに対する合衆国特許番号
4386822において述べられているフアイバ光学偏
光器のようなある種の直線偏光器を用いて達成さ
れる。偏光器への入力の偏光状態は一般に任意で
ある。偏光器は、望ましくない偏光の光をフアイ
バから結合して取除き、かつただ１つの選択され
た望ましい偏光を有する光をフアイバを介して伝
搬させる。Berghは、石英基板内にある曲線状の
溝にマウントされた長尺の光フアイバを含むフア
イバ光学偏光器を開示している。その基板および
光フアイバの部分は研磨されて、フアイバからク
ラツドの一部が取除かれ相互作用領域が形成され
る。フアイバの溝内のその部分は研磨表面に向つ
て見たとき凸面状の曲線を描く。複屈折結晶はフ
アイバ光学物質のコアに極めて近い領域において
相互作用領域上にわたつて基板上にマウントされ
る。この結晶は光フアイバ内を伝搬する光の通路
と部分的に交差するように位置決めされ、エバネ
セントフイールド結合が光フアイバからその結晶
へと望ましくない偏光の光を結合する。

複屈折結晶は異なる偏光の波に対し異なる位相
速度を有する。結晶内の位相速度が光フアイバ内
の位相速度より小さい偏光に関しては、光フアイ
バによつて運ばれる光は結晶内に波の塊を励起
し、そのことにより、光は光フアイバから結晶内
へと逃げ去る。結晶内でフアイバ内におけるより
も大きい位相速度を有する偏光に対しては結晶内
に波の塊は励起されないので、このような偏光を
有する光は光フアイバ内を導かれ続ける。結晶の
屈折率は次のような機能を有する。結晶の主軸の
１つに沿つての偏光を有する波は光フアイバ内よ
りも結晶内においてより遅く伝搬する。また、第
２の主軸に沿つた偏光を有する波は光フアイバ内
よりも結晶内においてより高速で伝搬する。

知られた偏光の光を発生するための改良された
装置は、光源と偏光器との間のフアイバ内に設置
される偏光制御装置を含む。この偏光制御装置は
偏光器への入力として望ましい偏光の光を与え
る。しかし、典型的な装置においては、偏光制御
装置への入力の偏光状態は光フアイバの環境への
敏感性により変化する。温度および圧力の変化、
振動、物質の老化等は偏光制御装置から偏光器へ
の出力偏光に有意な変化を生じさせる。それゆ
え、予め定められた量だけ入力光の偏光を変化さ
せるように固定された偏光制御装置を含む装置に
おいては、偏光制御装置への光入力の時間ととも
に変化する偏光は信号のフエージングを生じさせ
る。

先行の偏光器に関連する他の問題は、天燃の結
晶がその結晶構造により決定される或る１個の屈
折率のみを有するので、望ましい屈折率を有しな
い場合があるということと、結晶を基板に適当に
接着させることが困難であるということである。
このような結晶は環境に対し安定ではないので誤
動作の新たな原因となる。

第２の改良された偏光器は、エラー信号を示す
フアイバ外部へと結合される光を検出するフイー
ドバツク装置を含む。このエラー信号は偏光器へ
の光入力の偏光を調整して装置から外部へ結合さ
れる光の量を最小にする。

このような偏光器の有用性は結晶の屈折率に強
く依存する。不幸にも、複屈折結晶の屈折率は温
度に対し極めて敏感である。慣性的な導波に適用
するのに適当とするために、回転感知器は、高度
の温度安定性を有しなければならない。なぜな
ら、このような回転感知器は、ミル規格に従つて
−65℃から＋85℃の温度範囲にわたつて動作可能
でなければならないからである。このような極端
な温度は低高度と高高度との間の動作時において
航空機およびミサイルによつて体験されるであろ
う。

発明の概要 この発明は、環境に対し安定であり、容易に基
板に接着することができ、かつ或る両極端条件の
間で制御することのできる屈折率を有する偏光器
を提供することによつて先行技術の偏光器が有す
る難点を克服する。

この発明の安定な偏光器は、Berghによつて開
示されたような基板内の曲線状の溝内に装着され
る光フアイバを含む。しかし、天然に存在する結
晶を用いるかわりに、この発明は、互いに確実に
密着してサンドイツチ構造を形成し、そのサンド
イツチ構造の一方の外側表面が基板に確実に密着
される２つの異なる型のガラスを交互に積重ねた
層を含む。ガラスの２つの異なる型は異なる屈折
率を有し位相格子を形成する。格子の周期は光の
波長の半分より小さく選ばれて回折が生じないよ
うにされる。しかしながら、位相格子は、フアイ
バ内を伝搬する光が格子に対し平行または垂直方
向に偏光しているかに応じて異なる屈折率を示
す。ガラスの屈折率および格子の大きさは複屈折
結晶の役割をするように選ばれる。ガラスの屈折
率の熱に対する感度はフアイバのそれに適合され
て広い温度変化の下で安定な動作が得られるよう
にされる。ガラスの屈折率および層の厚さは少な
くとも100dbの吸光比を有する高性能、低損失の
安定なフアイバ光学偏光器を提供するように選ば
れる。

好ましい実施例の説明 この発明の構造的および機能的利点は先行技術
の２つの偏光器の構造および機能を先に説明する
ことにより、よりよく理解されるだろう。

第１図において、偏光器１０は、好ましくは石
英のブロツクから形成され、かつそこに曲線状の
溝１６を有する基板１４を備える片側の結合器１
２を含む。コア２０およびクラツド２２を有する
長尺の光フアイバ１８は溝１６内に密着される。
基板１４の一部分は研磨除去されてクラツド２２
へと拡がる表面２４を形成する。研磨工程により
クラツド２２の一部が除去され、細長い相互作用
領域２６が形成される。光学的に平坦な表面３０
を有する複屈折結晶２８は基板１４の表面２４に
装着される。相互作用領域２６において、フアイ
バ１８内を伝搬する光のエバネセントフイールド
が複屈折結晶２８と相互作用する。

フアイバ１８が単一モードのフアイバであるな
ら、そのとき伝搬する唯一のモードは電磁場の方
向がフアイバ１８を通過する波の伝搬方向に近似
的に垂直であるようなものだけである。第１図に
おいて、ベクトル３２はフアイバ１８内の光の伝
搬する方向を示し、ベクトル３４は光波の伝搬方
向に垂直な偏光を表わす。伝搬方向および垂直偏
光はその紙面内にある。円で囲まれたドツト３６
は相互作用領域２６におけるフアイバ１８と複屈
折結晶２８との界面２４に平行でありかつ紙面に
垂直である偏光ベクトルを表わす。

結晶２８は、結晶−フアイバ界面２４に垂直に
偏光する光に対し、結晶２８の屈折率がフアイバ
１８の屈折率より小さくなるようにされる。それ
ゆえ、光フアイバ１８内を結晶−フアイバ界面２
４に対し垂直に偏光して伝搬する光は光フアイバ
１８内に留まる。なぜなら、結晶−フアイバ界面
２４において内側に全反射が生じるからである。
結晶−フアイバ界面２４に平行に偏光する光に対
する結晶２８の屈折率は、光フアイバ１８の屈折
率よりも大きくなるように選択される。その結
果、結晶−フアイバ界面２４に平行に偏光する光
は光フアイバ１８から複屈折結晶２８へと結合さ
れる。第１図のベクトル３８は、相互作用領域２
６を通過して偏光器１０から出力される結晶−フ
アイバ界面２４に垂直に偏光する光の偏光方向を
表わす。円で囲まれたドツト４０は結晶−フアイ
バ界面２４に平行に偏光する光を表わし、光フア
イバ１８を複屈折結晶２８を介して伝搬してきた
光の偏光を示す。

前述のことから、偏光器１０の偏光出力を決定
する適切なパラメータは、結晶−フアイバ界面２
４の垂直および平行な入力偏光成分と、フアイバ
の屈折率と、結晶−フアイバ界面２４に垂直に偏
光する光に対する複屈折結晶２８における屈折率
と、結晶−フアイバ界面２４に平行に偏光する光
に対する結晶２８における光の屈折率とであるこ
とが理解されるであろう。

結晶の屈折率の限定された範囲と利用できる結
晶の屈折率の環境に対する不安定性とに伴なう難
点は、偏光器１０およびその変更例の回転感知装
置への適用性を限定する。

第２図は結晶２８に関連する熱的および機械的
障害を避けるために考案された偏光器４６を表わ
す。偏光器４６は、第１図の片側の結合器１２と
実質的に同一である片側の結合器１２を含む。薄
い金属膜４８が相互作用領域２６を覆うように表
面２４上に蒸着される。たとえばアルミニウム薄
膜である金属膜４８はそれに垂直でないすべての
偏光を吸収する。それゆえ、偏光器４６は伝導性
薄板４８と誘電体であるフアイバ１８との間の界
面に垂直な偏光のみを伝送する。偏光器４６の伝
送および吸収特性の検証は、フアイバ−金属薄膜
界面における電磁気の境界値問題を解くことを含
む。

偏光器４６は典型的にはわずか20−30dbの吸
光比を有する。偏光器の吸収比は、光フアイバ１
８内に存在する望ましくない偏光モードの光強度
のフアイバ１８内の望ましい偏光モードの光強度
に対する比である。但し、伝導性薄板４８に対す
る平行および垂直の偏光が互いに等しく偏光器４
６へ入力すると仮定される。偏光器４６の挿入損
失はかなり高く、典型的には２−3dbである。フ
アイバ光学回転感知器においては、吸光比の平方
根に比例する誤動作源が存在することがよく知ら
れている。それゆえ、100dbの吸光比を有する偏
光器は入力信号に対し約10⁵の大きさの誤動作源
を有する。高精度の回転感知器に対しては誤動作
源はできるだけ小さくなければならない。現在知
られている薄膜偏光器は、比較的低い吸光比およ
び高い挿入損失ゆえに、フアイバ光学回転感知器
への適用には不適当である。

第３図を参照する。この発明による安定な偏光
器は片側の結合器１２と、第１の誘電率を有する
第１の誘電物資５４と第２の誘電率を有する第２
の誘電物質５６とから形成される位相格子５２と
を含む。第１および第２の誘電体５４，５６をそ
れぞれ交互に積重ねて層をなす混成格子構造を形
成することにより、均一な複屈折物質として作用
する装置が得られることが見出されている。誘電
体５４，５６の２つの隣接する層の厚さは位相格
子５２の周期Ｐである。その周期性が入射する輻
射の波長の1/2より小さい格子は何ら回折現象を
発生しない。この人工的に作成された複屈折物質
の特性は位相格子５２の形状、厚みおよび線−空
間比に依存する。現在のサブマイクロメータ製造
技術をもつてすれば、通常、フアイバ光学感知器
などに用いられるコヒーレントな光の波長の1/2
よりも実質的に小さい周期を有する位相格子５２
を作成することは可能である。

第４図を参照する。距離Ｐは拡大して示され
る。第１の誘電体層５４の厚みを周期Ｐの分数値
ｑとして表わせば、第１の誘電体層５４の厚みは
qPと表わされるので便利である。典型的な適用
例においては、周期Ｐは1000Åであり第２の誘電
体層の厚みqPは100Åである。Flanders，
“Submicrometer Periodicity Gratings as
Artificial Anisotropic Dielectrics”，Appl.
phys. Lett. 42（６），15 March，1983において
240nmの周期の誘電体の格子の製造が報告されて
いる。第１の誘電体層５４は便宜上二酸化シリコ
ンガラスから形成され、第２の誘電体層５６は二
酸化チタンガラスである。層５４および５６の屈
折率はクラツド２２のそれと異なるべきである。

光学系における位相格子の電磁気学的特性の厳
密な計算は困難である。この問題は、格子の周期
が光の波長よりも極めて小さいと仮定することに
より大幅に簡略化される。最も厳密な意味におい
て、或るスペクトルの領域、特に、可視領域と可
視スペクトルの波長よりも短い波長領域とにおい
て、格子の周期を波長よりもはるかに小さくする
という条件を満すことは困難である。しかしなが
ら、その周期が波長の半分よりも小さい場合、何
ら回折現象は生じない。さらに、その屈折率の現
実の測定値と簡略化された解析の結果とは正確に
は一致しないが、位相格子は異方性の媒質として
作用する。

解析するために、位相格子を、一方がフアイバ
のクラツドであり、他方が空気である２つの均一
な誘電体の間に挾まれた周期的な層をなす媒質と
して取扱うことができる。周期的な層をなす物質
の光学的特性は、電磁気学のブロツホ（Bloch）
波の理論を用いて計算することができる。その問
題は基本的には、各々の界面における電磁気の境
界条件を適合させることを含む。マツクスウエル
の方程式から、層に平行な電磁場ベクトルの成分
は連続していなければならないし、かつ界面に垂
直な電磁場のベクトル成分は不連続であり、かつ
物質の屈折率に次式 n₁E₁ ²＝n₂E₂ ² …(1) に従つて関係付けられるということが知られてい
る。ここで、E₁およびE₂は誘電体界面における
２つの表面上での電場の垂直成分であり、n₁およ
びn₂は２つの誘電体の屈折率である。

相互作用領域２６でのクラツド２２の厚さは次
のようなものでなければならない。すなわち、フ
アイバ１８内を伝搬する光のエバネセントフイー
ルドが複屈折位相格子５２と相互作用し、選択さ
れた偏光モードの光がフアイバ１８から位相格子
５２へと結合し、一方、他の選択された偏光モー
ドの光はフアイバ１８内に留まる。位相格子５２
に平行に偏光する光はフアイバ１８の外へと結合
され、一方、位相格子５２に垂直に偏光する光は
フアイバ１８内に留まるということが示される。
しかし、フアイバ１８内をただ平行な偏光のみが
伝送し、かつ垂直偏光を外へ結合するように位相
格子５２を構成することは可能である。

相互作用領域におけるフアイバ内の波の伝搬方
向は本質的に第１および第２の誘電体層に平行で
あるので、境界値問題を周期的な誘電体の導波部
のアレイとして取扱うことは可能である。この問
題に対する２つの解析は、層に平行に伝搬する光
に対しその周期がが光の波長よりも極めて小さい
ならば同一の結果を与える。その結果は、層に平
行な電場に対する有効屈折率n₁₁とし、層に垂直
な電場に対するそれをn₁と置くと次式で与えられ
る。

n₁₁＝〔n² ₁ｑ＋n² ₂（１−ｑ）〕^1/2 (2) n₁ ＝〔（１／n² ₁）ｑ＋（１／n² ₂）（１−ｑ）〕^-1
/2
(3) 第５図はn₁＝1.39を有するAlF₃とn₂＝1.63を有
するAl₂O₃とに対するΔn＝n₁₁−n₁のプロツトを
示す。その結果は、任意のn₂に対するΔnの連続
領域であり、かつn₂が比較的大きい場合Δnは比
較的大きくなるということである。ここで第５図
において、横軸は第４図に示す分数係数ｑを示
す。すなわち、この第５図に示す横軸は第１の誘
電体層５４の層厚と第２の誘電体層５６の層厚と
の和に対する第１の誘電体層５４の層厚の比を示
している。

二酸化シリコンおよび二酸化チタンの交互に積
重なる層をスパツタリング蒸着することによりフ
アイバのクラツドおよび基板上に適当な位相格子
を形成することは可能である。

格子５２を形成する他の方法は、フアイバまた
は基板をゾル−ゲル中に交互に浸して乾燥させて
望みの数の層を形成する工程を含む湿式の化学工
程や、エピタキシヤル成長法や分子線成長法など
のような任意の薄膜形成技術を含む。

【図面の簡単な説明】

第１図は、片側の結合器の相互作用領域に隣接
して設置される複屈折結晶を含む先行技術の偏光
器の部分断面構造図である。第２図は相互作用領
域にわたつて基板上に蒸着される薄い金属膜を有
する片側の結合器を含む第２の先行技術の偏光器
を例示する部分断面構造図である。第３図は相互
作用領域上にわたつて基板に密接する異なるガラ
スの交互に積重ねられた層を備える位相格子を有
する片側の結合器を含むこの発明の安定なフアイ
バ光学偏光器の部分的な断面構造図である。第４
図は、第３図の位相格子の拡大図であり、その周
期性および大きさの特性を例示する図である。第
５図は第４図の位相格子の屈折率の相違を誘電体
層の厚み比の関数として示した図である。 図において、１２は片側の結合器、１４は基
板、１８は光フアイバ、２０はコア、２２はクラ
ツド、５２は位相格子、５４は第１の誘電体物
質、５６は第２の誘電体物質。なお、図中、同一
符号は同一または相当部分を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 任意の偏光を有する入力信号を受けかつ１個
   の選択された偏光のみを有する光出力信号を与え
   る安定なフアイバ光学偏光器であつて、 コアと前記コアを囲繞するクラツドとを有する
   １本の光フアイバを備え、前記クラツドの一部分
   は相互作用領域を形成するように選択された層厚
   を有し、前記クラツドは予め定められたクラツド
   屈折率を有しており、 前記相互作用領域に隣接して位置決めされた複
   合多層誘電体構造を含み、前記複合多層誘電体構
   造は第１の屈折率を有する第１の誘電体物質の少
   なくとも１層と第２の屈折率を有する第２の誘電
   体物質の少なくとも１層とを含み、前記第１の屈
   折率は前記クラツド屈折率よりも小さくされかつ
   前記第２の屈折率は前記クラツド屈折率よりも大
   きくされており、前記第１および前記第２の誘電
   体物質の層厚および屈折率は協働して、前記相互
   作用領域において前記光フアイバ内における前記
   複合多層誘電体構造の層に対し平行な偏光に対し
   て屈折率n₁₁を与え、かつ前記相互作用領域おい
   て前記光フアイバ内における前記複合多層誘電体
   構造の層に対し垂直な偏光に対し屈折率n₁を与
   え、それにより選択された偏光は前記光フアイバ
   内に滞在しかつ他の偏光は前記相互作用領域でエ
   バネセントフイールド結合を介して前記複合多層
   誘電体構造と相互作用して前記他の偏光が前記光
   フアイバから除去され、 さらに、前記複合多層誘電体構造は前記クラツ
   ド屈折率と同一の温度依存性を実質的に有する屈
   折率を有する誘電体物質から形成されている、安
   定なフアイバ光学偏光器。