JPS61249006A - フアイバ形偏光ビ−ムスプリツタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、機械的振動等の外乱に対して安定で、かつ
光ファイバとの接続が容易なファイバ形偏光ビームスプ
リッタに関する。

〔従来の技術〕

第１０図に従来のバルク形偏光ビームスプリッタの一構
成例を示す。図において、１は複屈折性結晶を用いたバ
ルク形偏光ビームスプリッタ、２はレーザ、３．４．５
はレンズ、６，７は光ファイバである。レーザから出た
２つの直交偏光の光（紙面に平行な偏光の光（↓印）と
紙面に垂直な偏光の光（・印））は、偏光ビームスプリ
ッタ１によって各々透過あるいは反射されて分離され、
レンズ４．５によって集光された後、光ファイバ６．７
に入射される。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、従来のバルク形偏光ビームスプリッタを使用す
る際には、第１０図に示すように、光を一度自由空間に
出す必要があり、光ファイバと伴に用いるためには、レ
ンズ系を用いる必要がある。

この様なバルク形素子と光ファイバとを用いた光学系に
おいては、レンズや偏光ビームスプリッタ、光ファイバ
の振動等により光軸がずれ、光ファイバへ結合する光の
量が変動するという問題があった。

本発明は、従来のかかる欠点を除去するために総て光フ
ァイバで偏光ビームスプリッタを構成したものであり、
機械的振動に対して極めて安定であり、かつ他の光ファ
イバとの接続が容易な偏光ビームスプリッタを提供する
ことを目的とする。

Ｃ問題点を解決するための手段〕 上記問題点を解決するためにこの発明は、コアの相対向
する両側に、クラッドの熱膨張仮数と異なる熱膨脹係数
を有する応力付与部の配置された２本の複屈折光ファイ
バの一部を融着、延伸せしめ、２本の該複屈折光ファイ
バのコアを近接せしむるとき、電界分布に零点のない偶
モードと零点の１個存在する奇モードの間に伝搬定数の
差Δβが存在することにより、一方のコアの光が他方の
コアに移行する光ファイバカップラにおいて、結合領域
の軸方向の、ある点２での、互いに直交する２つの偏波
に対する伝搬定数の差を各々Δβ１（２）、Δβ２　（
ｚ）とし、ｎ、ｍを整数とした時、結合領域全長にわた
る両偏波に対する積分がｆΔβ、（Ｚ）ｄＺ−２ｎ７ｒ
およびｆΔβ２　（ｚ）ｄＺ−（２ｍ＋１）πなる関係
を満足し、かつ前記複屈折光ファイバの高次モードの遮
断波長λｃが使用する波長λに対し、λ／２．１≦λｃ
≦λ／１．３であることを特徴とする。

また、光ファイバを伝搬する２つの直交偏波モードのい
づれか片方の伝搬損失が他方に比して大きいファイバ形
偏光子を、前記ファイバ形偏波ビームスプリッタの１つ
または複数の出力端に接続したことを特徴とする。

〔作用〕

上記構成によれば、光結合領域における偶モード電界分
布と奇モード電界分布の差に基づいてＸ偏波とｙ偏波の
分離が行われる。

〔実施例〕

第１図〜第４図は、本発明の第１実施例の構成を示す図
である。これらの図において、２１ａ−２２ａ、２１ｂ
−２２ｂは複屈折光ファイバ、２３は融着延伸部、２４
は入射光、２５ａ、２５ｂは出射光である。

上記複屈折光ファイバ２１ａ〜２２ｂは、第２図に示す
ような断面構造を有している。図においで、３１はコア
、３２は応力付与部、３３はクラッドである。応力付与
部３２によってコア３１に応力が加わり、複屈折を生じ
、Ｘ軸方向に偏光した光の伝搬定数βＸと、ｙ軸方向に
偏光した光の伝搬定数βｙとの間に差を出しるようにな
っている。

また、上記融着延伸部２３は、２本の複屈折光ファイバ
２１ａ−２２ａと２１ｂ−２２ｂの一部を、応力付与部
３２が平行となるように整列して、融着延伸したもので
、この部分では上記ファイバ２１ａ〜２２ｂがテーバ状
をなし、コア３１．３１が接近しているため、光結合が
生じるようになっている。この結果、紙面に平行な偏光
の光と紙面に垂直な偏光の光の、２つの互に直交する偏
光の光を含む入射光２４を複屈折光ファイバ２１ａに入
射すると、融着延伸部２３における、２つの直交偏光の
結合率の差により、複屈折光ファイバ２２ａからは紙面
に平行な方向に偏光した光２５ａが、複屈折光ファイバ
２２ｂからは紙面に垂直な方向に偏光した光２５ｂが、
各々出射される。

上記の点につき、さらに説明する。

第３図において、融着延伸部２３内の光結合を起こして
いる領域（光結合領域）の電界分布は、電界分布に零点
のない最低次の偶モード４３と、電界分布に零点を１つ
だけ有する奇モード４４との重ね合わせとして表わすこ
とができる。すなわち、偶モード４３の伝搬定数をβｅ
ｖｅｎ、奇モード４４の伝搬定数をβｏｄｄとし、光結
合領域に入る前には、入射光のあったファイバ２１ａの
コア３１ａだけが励起されていたとすると、光結合領域
を通過した後の、出射光２５ａ、２５ｂの各パワＰ＋　
、Ｐ２は、 Ｐ＋　−１／２　　（１＋ｃｏｓ　　（ｆ（βｅｖｅｎ
（Ｚ）−βｏｄｄ　（Ｚ））　ｄＺ）　）・・・（１） Ｐ２　＝１／２　　（１−ＣＯ３（ｆ　（βｅｖｅｎ（
Ｚ）−βｏｄｄ　（Ｚ））ｄＺ））・・・（２） となる。ここで積分は光結合領域全体に渡って行う。

上記（１）　、　（２）式から分るように、ｆ（βｅｖ
ｅｎ（Ｚ）−βｏｄｄ　（２））　ｄｚ　＝２ｍπ（た
だしｍは整数） のとき、Ｐ＋　＝１．Ｐ２　＝Ｏとなり、出射光２５ａ
のみが出力される。また、 ｆ（βｅｖｅｎ（Ｚ）−βｏｄｄ　（Ｚ））　ｄｚ　＝
　（２ｎ＋−１）πのとき、Ｐ＋　＝Ｏ，Ｐ２　＝１と
なり、出射光２５ｂのみが出力される。

しかるに、本実施例においては、複屈折光ファイバ２１
ａ−２２ａ、２１ｂ−２２ｂを用い、応力付与部３２を
第４図（ａ）に示すように平行に揃えており、また、上
記複屈折光ファイバ２１ａ〜２２ｂは、Ｘ偏波とｙ偏波
の伝搬定数に差があるため、融着延伸部２３におけるＸ
偏波の偶モードと奇モードの伝搬定数の差ΔβＸ　（Ｚ
）と、ｙ偏波の偶モードと奇モードの伝搬定数の差Δβ
ｙ（Ｚ）とは異なった値をとる。このため１、ｆΔβｘ
（Ｚ）　ｄｚ　＝２ｍπ ｆΔβＶ（Ｚ）　ｄｚ　＝　（２ｎ＋１）π（ただしｍ
、ｎは整数） となるように、融着延伸部２３を調整することができる
。

この結果、Ｘ偏波は一方の出射側ファイバ２２ａだけか
ら出射光２５ａとして出射され、ｙ偏波は他方の出射側
ファイバ２２ｂだけから、出射光２５ｂとして出射され
る。これによって偏波の分離が行われる。一方、 ｆΔβｘ（Ｚ）ｄｚ　　＝　（２ｍ＋１）πｆΔβｙ（
Ｚ）ｄｚ　　＝２ｎπ の場合は、Ｘ偏波は出射側ファイバ２２ｂのみから出射
され、ｙ偏波は出射側ファイバ２２ａのみから出射され
て、偏波の分離が行われる。

第５図は、入射側ファイバ２１ａに、Ｘ偏波を入射した
ときの結合比（図の実線）と、ｙ偏波を入射したときの
結合比（図の破線）とを示す図で、結合比はＰ２　／　
（ＰＩ　＋Ｐ２　）で定義されるものである。この場合
、使用したファイバ２１ａ〜２２ｂは高次モードの遮断
波長λｃが０．８０μ而のものであり、入射光２４の波
長λを０．８〜１゜５μｍの範囲で変化させた。この図
から分るように、Ｘ偏波入射のときの結合比とｙ偏波入
射のときの結合比の波長依存曲線のずれは、波長λが長
くなる程大きくなり、波長が１．３μｍで位相がπだけ
ずれている。

言い換えれば、遮断波長λｃが０．８μｍ、伝搬波長λ
が１．３μｍのとき、すなわち、λｃ−λ／１．６２５ のときに、偏光ビームスプリッタとして機能するように
なっている。なお、比λ／λｃが大きい程、延伸量が少
なくとも偏光ビームスプリッタとして機能する。

第６図は、波長１．３μｍの直線偏光を入射ファイバ２
１ａに入射したときの結合比Ｐ２／（Ｐ＋　＋Ｐ２　）
を、直線偏光とＸ軸とのなす角度θに対してプロットし
たものである。図において、θ−〇すなわちＸ軸方向に
偏光した光は、出射側ファイバ２２ａに光パワの９９％
が出射され、θ−９０６すなわちｙ軸方向に偏光した光
を入射した場合は、出射側ファイバ２２ｂに光パワの９
９％が出射される。また、Ｘ軸方向に偏光した光を入射
した場合、出射光におけるｙ偏波成分はＸ偏波成分の一
２０ｄＢ以下であり、偏波保持されている。ｙ偏波を入
射した場合も同様である。なお、波長１．３μｍにおけ
る過剰損失は０．５ｄＢ以下である。

第７図は、複屈折率Ｂや比屈折率差Δの異なる種々の複
屈折光ファイバを用い、波長比λ／λｃが様々に異なる
条件で偏光ビームスプリッタを作製し、これらのスプリ
ッタについて得た測定結果を図示したものである。なお
、上記比屈折率差Δは、コア３１の屈折率をｎｌ、クラ
ッド３３の屈折率をｎｚとしたとき、 Δ＝　（（ｎ＋　）２−　（ｎｚ　＞２）／２　（ｎ＋
　）’で与えられるものである。

さて、第７図（ａ）は、横軸に波長比λ／λｃ１縦軸に
過剰損失をとってプロットしたもの、同図（ｂ）は、横
軸に波長比λ／λｃ１縦軸に偏波保持のクロストークを
とってプロットしたものであり、実線が上限値と下限値
とを示し、作製した偏光ビームスプリッタの測定値は斜
線領域の値をとる。なお、上記クロストークは、一方の
偏波主軸に直線偏光を入射したときに、出射側から出力
される、他方の偏波成分と入射方向の偏波成分との比と
して定義される。

ここで、ファイバ形偏光ビームスプリッタが光部品とし
て使用できるためには、過剰損失が１ｄＢ以下、偏波保
持のクロストークが一２０ｄＢ以下となることが必要で
ある。

この観点から第７図を見ると、以下の点・が明らかにな
る。

まず、比λ／λｃ＞２．０の場合、融着延伸部２３にお
ける規格化周波数Ｖの値が小さくなるため、導波機能が
低減して損失が大きくなり、過剰損失が１．０ｄＢを超
えるものが出てくる。

次に、比λ／λｃ＜１．４の場合、偏光ビームスプリッ
タとして機能させるためには、融着延伸部２３を長くす
る必要があり、損失が増加するとともに、融着延伸部２
３でのゆらぎの影響を大きく受け、偏波保持の能力が低
減し、偏波保持のクロストークの値を、−２０ｄＢ以下
に抑えることのできないものがある。

以上から、１ｄＢ以下の過剰損失で偏波保持のクロスト
ークが一２０ｄＢ以下のファイバ形偏光ビームスプリッ
タを作製するためには、使用波長λと高次モードの遮断
波長λｃとが、 λ／２．０≦λｃ≦λ／１．４ を満たすことが必要である。

なお、上述した実施例においては、第４図（ａ）に示す
ように、応力付与部３２を平行に揃えるように配列した
が、同図（ｂ）に示すように、−直線上に並ぶように配
列してもよい。要は、偏波を保持し、直交する２つの偏
波の偶モードと奇モードとの差Δβ１とΔβ２とが異な
るような構成であれば、偏波ビームスプリッタとなる。

また、過剰損失およびクロストークの許容値が、各々１
ｄＢおよび一２０ｄＢより大きく、２ｄＢおよび−１５
ｄＢ程度の場合には、使用波長λに対する高次モードの
遮断波長λｃの条件は緩やかになり、 λ／２．１≦λｃ≦λ／１．３ とすることが可能である。

次に、第８図は本発明の第２４．実施例による偏光ビー
ムスプリッタの構成を示す概略図である。

この偏光ビームスプリッタは、第１図に示す偏光ビーム
スプリッタの出射側ファイバ２２８．２２ｂに、ファイ
バ形偏光子８５ａ、８５ｂを各々接続した構成となって
いる。

上記ファイバ形偏光子８５ａ、８５ｂは、複屈折光ファ
イバのＸ偏波とｙ偏波の曲げ損失の差を利用したもので
、その詳細は特願昭５９−７３９２号に記載されている
。

第９図は、ファイバ形偏光子８５ａ、８５ｂの伝搬損失
（ｄＢ／Ｋｍ）と、波長λ（μＴｒＬ）との関係を示す
グラフであり、波長λ＝１．０５μｍ以上で、ｘ、ｙ両
偏波の伝搬損失に差が生じ、ファイバ長５ｍ、波長λ＝
１．３μｍにおけるＸ偏波とｙ偏波の消光比は４３ｄＢ
である。

このように構成された第２実施例によれば、出射側光フ
ァイバ２２ａから出力された、紙面に平行な偏光は、光
フアイバ接続点８４ａにおいてファイバ形偏光子８５ａ
に入射される。このファイバ形偏光子８５ａは、紙面に
平行な偏波を透過するとともに、紙面に垂直な偏波に損
失を与えるように接続されているため、ファイバ形偏光
子８５ａの出射光８７ａに含まれる紙面に垂直な偏波成
分は一６０ｄＢ以下になり、偏波分離の精度を大幅に高
めることができる。

また同様に、ファイバ形偏光子８５ｂは、光フアイバ接
続点８４ｂにおいて、紙面に垂直な偏波を透過するよう
に接続され、出射光８７ｂに含まれる紙面に平行な偏波
成分を一６０ｄＢ以下に抑えている。

なお、上記ファイバ形偏光子８５ａ、８５ｂの他にも、
ファイバの一部を研磨して金属または結晶を密着させた
もの等、２つの直交偏波のいずれか片方の伝搬損失が他
方に比して大きいファイバ形の偏光子であれば同様に使
用することができる。

こうして、使用目的に応じて、第１実施例によるファイ
バ形偏光ビームスプリッタの一端または複数端に、ファ
イバ形偏光子を接続することにより、偏波分離の精度を
高めることができる。

なお、第１図の入射側光ファイバ２１ａ、２１ｂにＸ偏
波、ｙ偏波を各々入射することによって、偏波合成でき
ることは勿論である。

〔発明の効果〕

以上説明したように、この発明によるファイバ形偏波ビ
ームスプリッタは、すべてファイバで構成したので、他
のファイバとの接続が容易で、かつ、振動等の外乱に強
いという利点が得られる。

また、ファイバ形偏光子の使用により、偏波分離の精度
を高めることができる。この場合もすべてファイバで構
成されるので、上記と同様の利点が得られ、０ＴＤＲ（
ＯＤｔｉｃａｌ　　Ｔｉｍｅ　ＤｏｍａｉｎＲｅｆｒａ
ｃｔｏｍｅｔｅｒ）等へ適用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の構成を示す図、第２図は
複屈折光ファイバの構成を示す断面図、第３図は融着延
伸部の構成を示す模式図、第４図は複屈折光ファイバの
配列例を示す断面図、第５図はｘ、ｙ両偏波入射の際の
それぞれの結合比と波長との関係を示すグラフ、第６図
は第１実施例における結合比の、入射偏波角度依存性を
示すグラフ、第７図はファイバ形偏光ビームスプリッタ
の過剰損失および偏波保持のりＯストークのλ／λｃ依
存性を示すグラフ、第８図は、本発明の第２実施例の構
成を示す図、第９図はファイバ形偏光子に用いた複屈折
光ファイバの損失−波長特性を示すグラフ、第１０図は
従来のバルク形偏光ビームスプリッタの構成を示す概略
図である。 ２１　ａ−２２ａ、２１　ｂ−２２ｂ−−−−−−複屈
折光ファイバ、２３・・・・・・融着延伸部、３１・・
・・・・コア、３２・・・・・・応力付与部、３３・・
・・・・クラッド、４３・・・・・・偶モードの電界分
布、４４・・・・・・奇モードの電界分布、８４ａ、８
４ｂ・・・・・・光フアイバ接続点、８５−　　　ａ、
８５ｂ・・・・・・ファイバ形偏光子。 第８図 第４図 第６図 ｅ　（ｄｅｑ、） 第７図 各

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）コアの相対向する両側に、クラッドの熱膨脹係数
   と異なる熱膨脹係数を有する応力付与部の配置された２
   本の複屈折光ファイバの一部を融着、延伸せしめ、２本
   の該複屈折光ファイバのコアを近接せしむるとき、電界
   分布に零点のない偶モードと零点の１個存在する奇モー
   ドの間に伝搬定数の差Δβが存在することにより、一方
   のコアの光が他方のコアに移行する光ファイバカップラ
   において、結合領域の軸方向の、ある点Ｚでの、互いに
   直交する２つの偏波に対する伝搬定数の差を各々Δβ＿
   １（Ｚ）、Δβ＿２（Ｚ）とし、ｎ、ｍを整数とした時
   、結合領域全長にわたる両偏波に対する積分が∫Δβ＿
   １（Ｚ）ｄｚ＝２ｎπおよび∫Δβ＿２（Ｚ）ｄｚ＝（
   ２ｍ＋１）πなる関係を満足し、かつ前記複屈折光ファ
   イバの高次モードの遮断波長λｃが使用する波長λに対
   し、λ／２．１≦λｃ≦λ／１．３であることを特徴と
   するファイバ形偏光ビームスプリッタ。
2. （２）光ファイバを伝搬する２つの直交偏波モードのい
   づれか片方の伝搬損失が他方に比して大きいファイバ形
   偏光子を、前記ファイバ形偏波ビームスプリッタの１つ
   または複数の出力端に接続したことを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載のファイバ形偏光ビームスプリッタ
   。