JPH09512670A - 単一偏波型ファイバ及び増幅器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 単一偏波型ファイバ、及び／又は増幅器は、ファイバグレーティングタップ（１２）を有する偏光面非保存のファイバ（１０）を有しており、このグレーティングタップ（１２）は、所定長さと、強度（Δｎ／ｎ）と、を有している。また、このグレーティングタップ（１２）は、所定角度θで配列されているとともにグレーティング間隔Ｄを有していて、入射光のうちの所定の波長範囲にわたって一つの偏光のうちの所定量を上記ファイバ外へと結合させ、かつ、別の偏光（２８）を透過させて出力光（２６）としている。上記グレーティングの長さは、実質的に上記ファイバ（１０）の全長にわたって延びている。これとは別に、上記ファイバ（１０）の全体又はその一部には、ドープが行われていて、偏光応答性の光増幅器が形成されていても良い。

Description

【発明の詳細な説明】 単一偏波型ファイバ及び増幅器 クロスリファレンスと、関連出願 同時に出願された係属中の米国特許出願第０８／３９８，２０６号、名称“偏 波ファイバレーザ源”は、本願明細書で開示する構成をも開示している。 技術分野 本発明は、単一偏波型の光学部品に関し、より詳細には、単一偏波型ファイバ 及び増幅器に関する。 背景技術 ファイバ光学分野においては、偏波面保存（保持）ファイバは、一端から入射 した光の偏光を、他端から射出される光線の偏光面が、入射光と実質的に同一に なるように保持させておくようにできることが知られている。しかしながら、楕 円偏光や円偏光が、偏波面保存ファイバ内に入射した場合には、上記ファイバか ら出て行く光線は、入射信号に応じ、直交する双方の偏光モードへと偏光される ことになる。 しかしながら、ランダムな方向に楕円偏光した入射光から、一つの偏光方向を 有する出力光を得ることができる光るファイバが望まれている。 また、光ファイバ増幅器は、偏波面保存ファイバを使用して製造することがで きることが知られている。しかしながら、上記増幅器は、ランダムな方向に楕円 偏光した入射光が入射され、かつ、所望する出力信号として単一偏光の信号を得 たい場合には、上述した光ファイバと同一の欠点を有している。 従って、単一の偏光モードに沿った出力信号を得ることができる光学的増幅器 が所望されていた。 発明の開示 本発明の目的は、単一偏波型光ファイバ及び／又は実質的に単一の偏光モード に沿って偏光した出力光を得ることができる増幅器を提供することにある。 本発明によれば、単一偏波デバイスは、第一の偏光モードと、第二の偏光モー ドと、に沿った複数の偏光成分を有する光線を伝搬させることができる偏光面を 保存しないタイプの固体光導波路と、所定角度で配向され、所定のグレーティン グ間隔と、グレーティング長さと、グレーティング強度と、を有しているグレー ティングタップと、を有していて、所定の波長範囲にある上記第一の偏光を上記 導波路の外へと結合させ、かつ、上記導波路からの出力光線として第二の偏光を 通過させるようになっている。上記出力光線は、上記第二の偏光方向に実質的に 偏光されており、かつ、上記グレーティング長さは、実質的に上記導波路の全長 にわたって延びているものである。 本発明によれば、さらに、上記導波路の一部には、希土類ドーパ ントがドープされている。さらに本発明に従えば、上記希土類ドーパントとして は、エルビウムを挙げることができる。 本発明によれば、従来技術が著しく改善されることになるが、これは、単一の 偏光モードのみを伝搬させることができる光ファイバを用いたことによるもので ある。別実施例では、上記光ファイバのすべて又は一部には、希土類がドープさ れていて、偏光に対して応答性のある光学増幅器が提供されており、単一偏光モ ードに沿って増幅された光出力信号が得られるようになっている。 本発明の上記目的及び他の目的、特徴及び効果については、後述する代表的な 実施例の詳細な説明と、添付の図面と、をもってより詳細に説明を行う。 図面の簡単な説明 図１は、本発明による単一偏波型光ファイバの概略的なブロックダイヤグラム を示した図である。 図２は、本発明による単一偏波型光増幅器の概略的ブロックダイヤグラムであ る。 図３は、本発明による単一偏波型光ファイバと増幅器の概略的なブロックダイ ヤグラムである。 発明の最良の実施態様 図１には、単一偏波型光ファイバが示されており、この光ファイバは、所定長 さＬの光ファイバ１０、例えば、偏光面非保存型の光 ファイバを有している。上記ファイバには、内部に連らなり、かつ、傾斜したブ ラッググレーティングタップ１２が設けられており、このブラッググレーティン グタップ１２は、上記ファイバ１０の長手方向軸に対して所定の角度θを有して いるとともに、上記ファイバ１０の光学的コアの屈折率に対する周期的摂動ピー クの間隔が所定の間隔Ｄとされている。 光源１４は、上記ファイバ１０に入射する光信号１６を出力している。この入 射信号１６は、信号波長（又は波長バンド）λ_sを有しており、かつ、２つの直 交する偏光軸に沿った偏光成分（又は状態、即ちモード）を有するランダム方向 の楕円偏光とされていて、これがドット１８とライン２０、に対応した例えば、 “Ｓ”及び“Ｐ”として示されている。 上記グレーティング１２の間隔Ｄは、上記ファイバ１０の外部からの上記入射 信号の上記波長λ_s（又は波長バンド）を反射させるように設定されており、こ れがライン２２によって示されている。また、上記グレーティング１２の上記角 度θは、ブルースター角度（後述する）に設定されていて、一つの偏光（即ち第 １の偏光）、例えば、ドット即ち、“Ｓ”で示される偏光のみを上記ファイバ外 へと結合させているが、この偏光方向がドット２４で示されている。従って、上 記傾いたグレーティングタップ１２を通過して行き、かつ、上記ファイバ１０か ら放出される光線２６は、上記“Ｐ”偏光状態にのみ沿った好適な偏光を有して おり、この偏光方向をライン２８で示してある。 上記グレーティングタップ１２によって上記ファイバの外へと結 合される上記光線１６のうちの上記ドット（即ち“Ｓ”）偏光軸に沿ったものの 割合は、下記関係によって決定される。 P₁ = P₀exp（-γ_s,p ^★l） ［式１］ 又は、ｄＢとして、 10 log(P₁/P₀) = 4.343(-γ_s,p ^★l) ［式２］ 上式中、Ｐ₁は、上記グレーティングタップを通過してきた透過光の強度（所定 の偏光状態にある）であり、Ｐ₀は、入射光の強度（所定の偏光状態にある）で あり、γ_s,pは、上記ファイバグレーティングタップの所定長さあたりに上記フ ァイバ外へと結合された所定偏光状態の割合（すなわち、単位長さあたりの損失 ）であり、ｌは、上記ファイバグレーティングタップの長手方向長さである。 γ_s,pの値は、Δｎ（上記グレーティングの屈折率変化のピーク）と、ｄ（フ ァイバコアの直径）と、ＮＡ（コアとクラッディングとの間の開口数）と、λ₀ （入射光の波長）と、の関数となっている。Accutether（登録商標）ファイバは 、コア直径ｄが４．９０２ｍｍであり、開口数ＮＡが０．１９６であり、グレー ティングのΔｎは、５．８４ｘ１０^-3であり、平均屈折率は１．４６（グレーテ ィングにおける屈折率変動、即ち“強度”は、Δｎ／ｎ＝０．００４即ち、０． ４％となる）、γ_sと上記γ_pの値はそれぞれ、 γ_s=０．２２５５３７ｍｍ^-1（タップされて放出された“Ｓ”偏光に ついて）；であり、 γ_p=２．５７６６９ｘ１０^-3ｍｍ^-1（タップされなかった“Ｐ”偏光 について）となっている。 上記γ_sとγ_pのそれぞれの値は、上記グレーティングタップを光 学的位相の列としてモデル化したり、又は、オプティカルモードカップリング理 論によって決定できる。このような理論については、A．シュナイダー（A.Snyde r）等、“光導波路理論(オプティカルウエーブガイドセオリー；Optical Wavegu ide Theory)”、チャップマンアンドホール出版(Chapman and Hall Ltd.)、198 3年、ISBN 0,412,24250,8なる成書を参照されたい。また、上記損失率γは、“ Ｓ”と“Ｐ”と、について（Δｎ）²に比例する。 従って、約９９．９％の効率で“Ｓ”偏光を“Ｐ”偏光から除去するためには 、上記グレーティングタップの長さは、下記のようにして算出できる。 P_p = P_0p exp（-γ_p ^★l） ［式３］ P_s = P_0s exp（-γ_s ^★l） ［式４］ Ｐ_pのＰ_sに対する比を取ると、 10 log(P_p/P_s)= 4.343(γ_s-γ_p)l ［式５］ となり、Ｐ_p／Ｐ_s＝１０００（即ち、１／０．００１）であり、従ってｌ＝３１ ．０６ｍｍ、即ち３．１ｃｍと算出できる。 従って、上記グレーティングタップ長ｌとしては０．４％のΔｎ／ｎを有する 約３．１ｃｍのグレーティングが必要とされる（これは、典型的には“強い”グ レーティングに分類される）。これとは異なったグレーティング強度と、屈折率 変化率Δｎ／ｎと、についても所望により用いることができる。式１に示されて いるように、上記グレーティング長ｌが長くなれば長くなるほど上記ファイバの 外部へとタップされる光が多くなる。また、より“強い”上記グレーティング（ 即ち、屈折率変化率Δｎ／ｎを大きくする）とすると、 分岐される光が多くなる。さらには、損失率γは、グレーティングの上記屈折率 変動（Δｎ）の二乗に比例する。従って短いファイバについては、所望するよう に偏光を排除するためには、強度の強いグレーティングを用いることができる。 偏光に対する応答性と、上記グレーティングタップ１２の角度と、について言 えば、下記文献、G.メルツ(Meltz)等、“ファイバ内ブラッググレーティングタ ップ”、光ファイバ通信コンファレンス、１９９０年、テクニカルダイジェスト シリーズ第１巻、（１９９０年１月）に記載されているように、短く、かつ、傾 けられたグレーティングタップは、偏光応答性を示すことが知られている。上記 文献では、短い（５ｍｍ）のグレーティングタップが、これを例示するために偏 波面保存ファイバ内に形成されている。上記傾けられたグレーティングタップ１ ２の入射光線の偏光に関する応答性については、ブルースター角度に関する光学 理論に関連している。 特に、上記グレーティング１２は、入射面に直交する偏光（又は、上記タップ の反射面に平行、即ち図１の“Ｓ”偏光）を、入射角度に依存せずに反射する。 しかしながら、上記入射平面に平行な偏光（又は、上記反射面に対して垂直、即 ち図１の“Ｐ”偏光）及び、上記ブルースター角で上記グレーティングに入射す る光線は、反射が最小になるようにして透過される。従って、上記グレーティン グタップ１２の上記角度は、上記グレーティングタップに入射する光線が、上記 ブルースター角度で上記タップに入射するように設定される。上記反射界面にお けるブラッググレーティングについて典型的な小さな屈折率変化（Δｎ／ｎ）、 即ち０．０５から０．１％の 屈折率変化における上記ブルースター角は、約４５°である。しかしながら、“ 強い”グレーティング（即ち、Δｎ／ｎ＝０．５％＋）では、上記角度は、４５ °に近いものとなる。より特定の場合については、上記ブルースター角度は、 Tan θ_p= n_t/n_i ［式６］ で表され、θ_pは、上記タップに入射する光線の入射角度、n_tは、上記グレーテ ィングタップの屈折率、n_iは、上記グレーティングタップの無い部分の屈折率で ある。従って、上記グレーティングタップ１２は、典型的には、上記ファイバの 長手方向軸に対して約４５°に設定され、上記タップがそのグレーティングタッ プの反射面に平行な偏光のみを反射させるようにされている。上記グレーティン グタップ１２の上記角度θは、上記ブルースター角度に関係しており、この関係 としては、θ＋θ_p＝９０°となるようにされている。従って、上記グレーティ ングタップの上記角度は、容易に上記ブリュースター角度から決定することがで きる。上記タップの上記角度は、用いている上記グレーティングについて上記Δ ｎに基いたものとなる（式１）。 図２には、単一偏波型光増幅器が示されており、この光増幅器は、図１におい て記載したと同様に、そのコア内に傾いたグレーティング１２が形成されている 光ファイバ増幅器５０を有している。上記グレーティング１２は、上記ファイバ ８０の上記長手方向軸に対して所定角度θだけ傾けられており、上記光学的コア 内の上記屈折率に対する周期的摂動のピーク間の間隔は、所定間隔Ｄとされてい る。上記ファイバ５０には、希土類ドーパント、例えばエルビウムがド ープされており、これは、光学的利得、即ち、増幅媒質として作用する。所望に より、上記ファイバの全部、又は、一部がドープされていても良い。 上記信号６２は、任意に用いられる光アイソレータ６３を通過して行くことに なる。この光アイソレータは、光を一方向だけに透過させるが、これについては 後述する。上記光線６２は、その後上記光ファイバ５９へと入射される。 ポンプ及び信号源６０は、ポンプ波長λ_pと、入射信号波長λ_sと、を含んだ出 力信号６２を与えている。これとは別に、上記光源６０は、光学的信号λ_pを与 える別のポンプ源（図示せず）と、波長λ_sの入力信号を与えている入力信号源 （図示せず）と、別々に有していて、上記双方の信号が互いに結合されて光線６ ２を形成するようになっていてもよい。 上記光線６２は、ランダムな方向に楕円偏光しており、これは、図１において 前述したようにドットライン１８と、ライン２０と、によって示されているよう に２つの互いに直交する偏光成分に分て捕らえることができる。 上記角度θと、間隔Ｄと、屈折率変化率（即ち強度Δｎ／ｎ）と、上記グレー ティングタップ１２の長さと、は、上記光線６２のうちの所定量の所定波長（又 は波長バンド）の一つの偏光を、上記ファイバ５０増幅器の外側へと反射、即ち 、外部へと結合させるように、図１において説明したと同様な方法により設定さ れており、この反射は、ライン６４で示されている。上記ファイバ増幅器５０の 外部へと結合された光線の偏光は、ドット６６によって示されている。 光増幅器では良く知られているように、上記ポンプ波長λ_pは、上記ファイバ ５０内の上記希土類利得媒質を利得を生じるようなエネルギー状態へと励起して 、所定の波長、又は、波長バンドにおいて誘導放出を生じさせる。上記希土類ド ーパントは、上記入射信号λ_sと同一の波長（又は波長バンド）を有する放出を 与えるように選択されていて、上記信号６２の上記入射信号部分を、上記ポンプ 波長λ_pで励起された上記利得媒質の誘導放出による光増幅を介して光学的に増 幅することができるようにされている。発生する増幅量は、よく知られているよ うに、上記利得媒質の長さと、上記ポンプ出力と、使用している利得媒質の種類 と、に関係している。上記増幅器は、また、ポンプ信号のみを入力し、入力信号 （増幅させる信号である）を入射させない場合には、広帯域超蛍光源（スーパー フルオレッセントソース；super-fluorescent source）（又は、超発光源；スー パー−ルミネッセントソース(super-luminescent source)）として捕らえること もできる。 上記グレーティングタップ１２は、一つの偏光を反射させるので、これとは別 の偏光は、上記グレーティングタップ１２を通過して、上記ドープファイバに沿 って伝搬して行き、上記ファイバ増幅器５０の長さに沿ってさらに誘導放出を発 生させるとともに、ライン６８によって示されるように、最終的には上記ファイ バ５０から放出される。これは、ライン７０で示すように、一つの偏光方向と、 波長λ_sと、を有している。また、上記ファイバ５０の上記利得媒質が、完全に 上記ポンプ波長の光線を完全に吸収していない場合には、上記波長λ_pのポンプ 出力が上記出力光線６８内に残っている可能 性もある。 従って、図１において前述したように、上記傾いたグレーティング１２は、所 定の偏光に沿った上記信号波長において、上記光線の所定の部分を反射、即ち外 側へと結合させる。従って、図２に記載の上記増幅器は、上記入射信号６２がラ ンダムな方向の楕円偏光が入射された場合には、前述したように上記グレーティ ングタップの長さ１と、強度（Δｎ／ｎ）と、に依存して実質的に単一偏波出力 信号６８を与えることができる。 上記光学増幅器５０は、良く知られているように、ライン６８とライン７２と 、によって示された上記増幅器５０の両端から光線を放出することが可能である ことが知られている。このため、上記光アイソレータ６３は、上記増幅光７２が 、上記ポンプ及び／又は信号源６０に入射して、その動作を乱さないようにして いる。しかしながら、上記光アイソレータは、上記信号源が、外部からの光線が 適切に遮断されていれば必要ではない。 また、上記増幅器５０は、一端のみからではなく、上記ファイバの両端からポ ンプすることも可能であり、これを破線７４によって示している。この場合には 、光線は、上記ファイバの外部へとタップされることになるが、これが破線７６ によって示されているとともに、それが有する偏光は、ドット７８によって示さ れている。また、この場合には、上記出力された増幅光は、カップラ又はビーム スプリッタ（図示せず）によって取り出される。 また、上記ドット（“Ｓ”）偏光を外部にタップさせ、上記ライン（“Ｐ”） 偏光を透過させるかわりに、本発明では、上記ライン （“Ｐ”）偏光を外部へとタップさせ、上記ドット（“Ｓ”）偏光を透過させる ようになっていても良い。 加えて、光増幅器は、広いバンド幅の光線を増幅するために使用することもで き、かつ、上記グレーティングタップ１２は、広い波長バンド幅にわたって外部 へと結合させるようなグレーティング間隔とすることもできるため、本発明の上 記光増幅器は、広いバンド幅に対しても応答性を有する増幅器として使用できる 。特に、よく知られているように、上記グレーティング間隔Ｄは、ブラッググレ ーティングの反射波長に関連している。より具体的にいえば、上記間隔が広くな るほど反射しうる波長プロファイルが広くなる。従って、上記グレーティング間 隔Ｄを増加させることによって上記増幅器が偏光に応答する波長バンド幅を増加 させることができる。しかしながら、ポンプ入力信号しか入力されない場合には 、上記出力光は、単に上記利得媒質からの放出光によって発生するだけであり、 広いバンド幅の非コヒーレントな超蛍光体（又は超発光体）源とすることができ る。 図３には、単一偏波型ファイバと増幅器との本発明による実施例を示している 。上記グレーティングタップ１２は、前述したファイバ１０（図１）と同様に、 上記光ファイバ１００に沿って所定長さ１だけ延びており、図１において説明し たように偏光に応じて光を伝搬させるようになっている。上記ファイバ１００の 領域１０２には、上記ドープされたファイバ５０と同様に（図２）、例えばエル ビウム等の希土類ドーパントがドープされていて、図２において前述のようにポ ンプ波長λ_pによって励起、即ちポンプされた場合に は、偏光に応答して入射光λ_sの光増幅を行うようになっている。上記入射光６ ２の上記“Ｓ”即ち、ドットで示された偏光部分は、所定の波長バンドにわたっ て上記ファイバ１００の外側へとタップされるが、これをライン１１０によって 示している。上記グレーティングを通過した光線（上記利得によって増幅されて いても良い）は、ライン１１２によって示されているとともに、実質的に単一の 偏光１１４とされている。これと対称性をもちつつ、上記入射光７４を上記ファ イバ１００に右側から入射すれば、上記“Ｓ”即ち、ドット方向の偏光は、所定 の波長バンドにわたって上記ファイバ１００から外側へとタップされることにな るが、これをライン１１６によって示している。上記グレーティング１２を通過 した上記光線（上記利得によって増幅されていても良い）は、ライン１１６によ って示されているとともに、実質的に単一の偏光１２０を有している。 上記ファイバ１００は、２つの領域１０６と、１０８と、を上記ファイバの両 端において有しており、これらの内部には、グレーティング１２が埋め込まれて はいない。上記グレーティングタップ１２を有していない上記ファイバ領域長さ １０６，１０８の最大可能長さは、上記ファイバ中の複屈折率の大きさと、例え ば、屈曲、ねじれ、縮れ等、上記グレーティングタップを有しないファイバ部分 に沿った環境による摂動と、に依存するが、これは、上記要因により、当業界で よく知られているようにファイバ内において偏光が互いにカップリングしてしま うためである。しかしながら、最良の特性を得るためには、上記グレーティング タップ１２は、実質的に上記ファイバの全長にわたって延びていることが必要で あり、このようにす ることで、上記ファイバ及び／又は増幅器の単一偏波特性を確実なものとするこ とができる。これとは別に、上記領域１０６，１０８と同様に、上記グレーティ ングタップ１２に沿って、所定の長さだけ光線が伝搬するが、上記偏光が影響を うけないようにギャップが設定されていても良い。 これとは別に、図３に示した実施例では、利得領域は必ずしも必要とされない 。この場合には、上記タップ１２を有する上記ファイバ１００は、単に、増幅を 行わない単一偏波ファイバとして用いられる。さらには、また別に、図３に示し た実施例では、上記利得領域１０２は、上記グレーティング１２の全長１にわた って延ばされていても良い。 さらに、本発明は、偏波面保存（保持）光ファイバを使用しなくとも良いが、 この場合には、上記グレーティング１２が、上記ファイバ１０，５０の全長（図 １及び図２参照）にわたって延びているか、又は、所定の偏光除去量を得つつ、 図３の様に残されたファイバが、偏光のクロスオーバー、クロストークや、両偏 光相互のカップリング等が起こらないようにするべく充分短くすれば良い。 本発明は、例えば、いかなるソリッドステートの光導波路、例えば、平面リブ 状導波路、又は、チャンネル型光導波路でも等しく適用することができる。 また、上記ファイバ１０，５０は、一つ以上の空間モードを有するファイバ（ 即ち、マルチ空間モードファイバ）で構成されていても良い。この場合には、上 記それぞれのモードで進行して行く上記偏光は、一つ以上の傾けられたグレーテ ィングタップによって上記 ファイバ外へと結合される（この結合は、上記それぞれの空間モードが有する光 周波数と、上記グレーティングタップのバンド幅と、の間の差の程度に依存する ）が、これについては、メルツ等による米国特許第５，０４８，１９３号名称“ 横空間モードディスクリミネーションフィルタ”に開示されている方法と同様に して行うことができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 単一偏波型デバイスであって、このデバイスは、第一の偏光モードと、第 二の偏光モードと、に沿った複数の偏光成分を有する光線を伝搬させる偏光面非 保存の固体光導波路と、 所定角度で配列され、所定のグレーティング間隔と、グレーティング長さと、 グレーティング強度と、を有していて、所定の波長領域にわたって前記第一の偏 光の所定量を前記導波路の外へと反射させるとともに、前記第二の偏光を透過さ せて実質的に前記第二の偏光方向を有している前記導波路からの出力光とするグ レーティングタップと、を有しており、 前記グレーティングは、実質的に前記導波路の全長さにわたって延ばされてい ることを特徴とする単一偏波型デバイス。 ２． 前記導波路の一部分には、利得媒質が含まれていることを特徴とする請求 項１に記載の単一偏波型デバイス。 ３． 前記利得媒質は、希土類ドーパントを含んでいることを特徴とする請求項 １に記載の単一偏波型デバイス。 ４． 前記導波路は、光ファイバであることを特徴とする請求項１に記載の単一 偏波型デバイス。 ５． 前記導波路内において前記利得媒質を励起するポンプ信号を 有しており、前記利得媒質は、前記導波路内に光線を放出するようになっている ことを特徴とする請求項１に記載の単一偏波型デバイス。 ６． 前記利得媒質から放出された前記光線は、広いバンド幅の光線であること を特徴とする請求項５に記載の単一偏波型デバイス。