JPS6347708A - 光ファイバ−偏波器及びその製造方法 - Google Patents

光ファイバ−偏波器及びその製造方法

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JPS6347708A
JPS6347708A JP62186489A JP18648987A JPS6347708A JP S6347708 A JPS6347708 A JP S6347708A JP 62186489 A JP62186489 A JP 62186489A JP 18648987 A JP18648987 A JP 18648987A JP S6347708 A JPS6347708 A JP S6347708A
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    • G02B6/00Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/105Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type having optical polarisation effects

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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】 発明の目的 (産業上の利用分野) 本発明は、光ファイバー偏波器及びその製造方法に関わ
り、より詳しくは金属クラッドを使用した光ファイバー
偏波器及びその製造に関するものである。
(従来の技術) 単一モード光ファイバーセンサは、光ファイバー内にお
ける光波の偏波の状態に感応する。光ファイバーの偏波
保持性、または保存性が著しく欠如している場合には、
偏波の異なる光波は、位相速度が違ってくる場合がある
。従って、単一モード変換器においては、幾何学的複屈
折率を有する光ファイバー、その他、偏波保持型光ファ
イバーを使用することが望ましい。これについては、「
光ファイバー変換器J  (IEEEスペクトラム、1
981年12月刊行、24−27頁)を参照されたい。
しかしながら、偏波保持特性が良好な光ファイバーであ
っても、好ましくない管内波がある場合がある。例えば
、断面楕円形状のコアを有する光ファイバーでは、所望
の光波が通常楕円の長軸に沿って偏波され、好ましくな
い光波が生じると、これは楕円の短軸に沿って偏波され
る。このような好ましくない光波は、例えば、不完全な
状態で偏波された光波を光ファイバーに投するレーザー
光源、あるいは光ファイバー自身の偏波間結合により起
因する。このような好ましくない光波の存在は、光波の
伝送中は許容できるが、所望の光波の位相を感知したう
えで、いろいろな目的に使用する光ファイバーの出力端
では、極めて厄介なものになる。
そこで、本願出願人は米国特許出願第404゜283号
において以下のような光ファイバーを提案した。すなわ
ち、異なる屈折率を有し、光ファイバーの全長のうち所
定の長さに沿って、光ファイバー表面近くに配された導
波域を形成するコアとクラッドからなる自己アラインメ
ント光ファイバーである。光ファイバーのコアは楕円断
面をなし、光ファイバーの外面は非円形の断面(好まし
くはD状断面)をなして、楕円コアと所定の寸法関係に
あり、楕円コアの長袖と短軸の位置は、外表面の形状か
ら確定することができる。コアの楕円断面は、コアとク
ラッドの屈折率が違うことと関連して、両軸に沿って偏
波した光波を分M(de−COUplin(It)させ
る。
前記米国特許出願に開示されたタイプの光ファイバーで
は、2つの直交軸に沿って偏波された光波を分離させる
ことはできるが、直交して偏波された2つのモードの一
方を(eHE11モード等)導く導波管の能力を抑制し
て、導波管が他方のモードのみ(OHEll)案内する
ようにすることにより、導波管を真の単一モード動作に
限定するために、偏波装置または偏波器が別途に必要で
ある。
(発明が解決しようとする問題点) 本願第1発明の目的は、高い消光比と低挿入損失とを実
現する金属を備えたクラツド光ファイバー偏波器を提供
することにある。
また、本願第2発明の目的は、効率よく経済的な光ファ
イバー偏波器の製造方法を提供することにある。これに
伴い、本願第2発明の関連目的は、金属をファイバーに
真空蒸着する必要がなく、金属クラッドを溶着する前に
別にバッフ7層を溶着する必要のない、光ファイバー偏
波器を提供することである。
本発明の補助的な目的は、金属クラッドを気体状でなく
液状金属から装着できる光ファイバー偏波器を提供する
ことである。
発明の構成 上記した問題点を解決するために、本願第1発明は異な
る屈折率を有する偏波保持コアとクラッドにより単一モ
ード導波域を形成する光ファイバーを構成し、前記導波
域を、光ファイバー部分の重心から外れて、光ファイバ
ーの所定部分に沿って、これの一方の側の表面に極めて
近接して、同一方の側の表面で無限小電界を露出させて
隣接する媒体に連結するよう配設し、ざらには光ファイ
バーの外表面は前記導波域に対して所定の幾何学的関係
にある非円形断面と同断面内における互いに直交する一
対の偏波軸とを有し、前記外表面の形状により確定し得
るように導波域の位置と軸の延びる方向とを設定し、少
なくとも光ファイバーの前記一方の側にあって前記無限
小電界が露出する個所に好ましくない偏波を有する光波
を減衰するためのインジウム被覆を施したという解決手
段を採用している。
ざらに、本願第2発明は異なる屈折率を有する偏波保持
コアとクラッドとにて、単一モード導波域を形成する光
ファイバーの製造方法において、前記導波域は、光ファ
イバー部分の重心から外れて、光ファイバーの所定部分
に沿ってこれの一方の側の表面に極めて近接して、前記
一方の側の表面で無限小電界を露出させて隣接する媒体
に連結するよう配設し、光ファイバーの外表面は前記導
波域に対して所定寸法に設定された非円形断面と断面内
にある一対の直交偏波軸の方向と導波域の位置とを、前
記外表面の形状より確定可能にする工程と、少なくとも
光ファイバーの前記一方の側であって前記無限小電界が
露出する個所に、光ファイバーを溶かさないよう程度の
温度で溶融インジウムを被覆する工程と、ファイバー上
の溶融インジウムを冷却して光ファイバーに接着された
固体インジウム被覆を形成するという解決手段を採用し
ている。
(作用) 上記した解決手段を採用したことによって、本願第1発
明は光ファイバー内に進入する光波が2つの偏波軸にて
分離され、インジウム被覆により好ましくない偏波が減
衰される。また、本願第2発明は溶融インジウムは光フ
ァイバーに対し塗布されたのち、冷却固化され、蒸着等
の方法を必要としない。
(実施例) 第1図において、N磁界E、Hの軸方向の伝搬を支持す
る誘電コア10が示されている。このコア10は断面楕
円形状をなし長径2aと短径2bを備えている。比較的
誘電定数/屈折率の高い上記のようなコア10を有する
光ファイバーは、コア10の軸に沿って電磁エネルギー
(即ち、光)を制限して案内する。周知のように、コア
1oの屈折率を、周囲の媒体の屈折率、コアの寸法a。
b1光の波長等に対して正しく選べば、電磁界E。
Hの分布は特定のパターンもしくはモードで発生する。
第1図は、0HE11モードの電界パターンを示すもの
である。
はっきりした電界パターンは、光ファイバーと光学装置
との連結を容易にするという長所がある。
その他に、光が光ファイバー内で伝搬されるとき、位相
速度、群速度等、光伝搬属性が比較的一定するという長
所もある。群速度は、変調または情報が光ファイバーを
通過する速度を指定するものである。
従って、長い距離にわたって情報を伝送するには、この
情報が光ファイバーを通過するとき、群速度が比較的一
定であり、特に周波数と独立していて、情報が「ぼける
J  (smeared  out )ことなく、特定
の領域に集中することが大切である。
センサ用光ファイバー内の光波の位相が基準光ファイバ
ーの基準波の位相と比較される、光ファイバーセンサの
分野では、単相速度は重要である。
しかしながら、上記した単一モード伝搬は、光波の偏波
がコア10に対して確定的に特定の、もしくは一定の角
度関係をなしていることを保証するものではない。なお
、偏波は電界ベクトルEの方向として定義される。従っ
て、第1図に示すように、光波は楕円の長軸に沿って縦
方向に偏波される。
光ファイバーにおいて、信号の偏波を維持、または保存
するためには、光ファイバー20の光学的性質が異方性
でなければならない。すなわち、光ファイバー20に対
する偏波の色差の関数でなければならない。光ファイバ
ー20を異方性にするひとつの方法は、コア10の断面
を楕円、またはその他2つの直交軸を画する非円形形状
にして、これら軸に沿って偏波された光波を分離できる
ようにすることである。これら軸の1つと整合するよう
に光ファイバー20に投射される光波は、この光波が光
ファイバー20を通過して伝搬されるとき、その軸に対
する整合状態を保持しようとし、これによって光波の偏
波を保存する。
第2図に示す実施例において、光ファイバー20の楕円
コア21は比較的島い屈折率n1を備え、低い屈折率n
2のクラッド22に包囲されて、高い屈折率差Δn (
例えば0.06のΔn)を生ずる。
前記コア21とクラッド22の寸法と屈折率は、単一モ
ード導波域を形成するよう選定する。その楕円形状と高
い屈折率差のために、この導波域も楕円のいずれか一方
の軸と整合し、これを通過伝搬する光学信号の偏波を保
持する。即ち、゛楕円断面の長軸と短軸とは、コアとク
ラッドの屈折率と関連して、これら軸に沿って偏波され
た光波を分離するための2つの直交軸を形成するもので
ある。
前記コア21とクラッド22よりなる導波域を包囲して
支持層23が設けられている。この支持!!23は光フ
ァイバー20の機械的強度を増し、操作を容易にしてい
る。この支持層23は導波域の一部ではないので、その
光学特性は、コア21とクラッド22の特性はど重要で
はない。クラッド22中に入り込んだ光波がその中に捉
えられるのを防止するために、支持層23はクラッド2
2よりも高い屈折率を有する。
第2図の支持層23により形成された光ファイバー20
の外面は、断面り形状をなし、その平坦面24は光ファ
イバ−20の導波域に最も近い側で楕円導波域の長軸に
対して平行に延びている。
この断面り形状をなす光ファイバー20の平坦面24は
指標面として使用することができる。
第2図のD形状をなす光ファイバー20の導波域は、幾
何学中心(即ち、横断面の質量重心もしくは重力中心)
から、平坦部の垂直二等分線に沿って、平坦部24に向
かってずらすか変移させるのが望ましい。
支持層23の薄い部分およびクラッド22の一部をエツ
チング処理等によって除去することにより、前記コア2
1とクラッド22から構成される導波域を、光ファイバ
ー2oの極めて近くに配置し、無限小の電界を露出させ
ることができる。また、別の方法として、光ファイバー
20の所定の部分を引いて、その部分の直径を縮小し、
これによって導波域を充分拡大したのちに、光フアイバ
−20平坦面上の展開を露出するようにしてもよい。
本発明によれば、光ファイバー20の導波域は、その所
定部分の長さに沿って、光ファイバー20の一方の側の
表面の極めて近くに配置されて、その光ファイバー20
側の表面で導波域の無限小電界を露出している。また、
無限小電界が露出される光ファイバー20の表面がイン
ジウムで被覆されているので、好ましくない偏波を有す
る光波はインジウムの被覆により吸収される。このイン
ジウムは、光ファイバー偏波器に特に有用な、独自の複
数の特性を有することはすでに周知である。
従って、前記インジウムは虚数が十分高いので高い消光
比が得られる複合屈折率を有する一方、同時に挿入損失
が少ない等、必要な光学特性を有している。
以下、詳述するように、本発明による偏波器は42dB
を越える消光比と1dBを下回る挿入損失を示している
。インジウムはまた、溶融状態で、ガラスをぬらすとい
う独自の特性を有しており、インジウムの溶融温度は十
分低いので、溶融された金属インジウムをガラスに塗布
したときガラスを溶かすことはない。溶融された金属イ
ンジウムがガラスに塗布された後、同化すると、金属イ
ンジウムは確実にガラスに溶着される。この方法により
、気体状金属(例えば真空蒸着の場合のように)ではな
く、溶融金属により機構のない連続的な金属被覆を形成
し、これにより優れた工学特性がもたらされる。
溶融インジウムは、酸素雰囲気中で光ファイバー20に
塗布される。特定の理論に発明を限定するものではない
が、酸化インジウムの薄膜が光ファイバー20の表面と
溶融インジウム被覆の間に形成され、この酸化膜がイン
ジウムとガラスファイバーの間に強力な接着部を形成す
る役目を果たすと考えられる。
楕円形のコア21を設けた光ファイバー20を伝搬する
。HE11波とeHEll波とは、インジウム境界層で
それぞれTEoとTMoプラズモン波を誘導する。TM
o波は、光波の周波数がプラズマの周波数より高いとき
に起きる自由電子(インジウム内の)の減衰により優先
的に減少される。
酸化インジウムの中間層が、TMoプラズモン波の伝搬
定数を楕円コア21を有する光ファイバー20内のeH
E11波の伝搬定数に適合させ、その結果消光比が高く
なるということはあり得る。
第2図の実施例においては、インジウム被覆25が平坦
面24の上に形成され、インジウムがクラッド22の露
出部を覆っている。この偏波器は以下の手順により形成
するのが望ましい。
■所望の横断面形状を有する母材(pre −form
)を形成し、 ■母材の横断面形状と近似した横断面形状を備えた光フ
ァイバーを形成するよう調整した引き抜き速度と温度で
、母材から光ファイバーを引き抜き、 ■光ファイバーの一表面上の導波域の無限小電界を露出
させ、 ■露出した導波域にインジウムの被覆を施す。
よって、母材は第2図に示した光ファイバー20に比較
すると、寸法は大きいものの、相似形の断面形状を有す
ることになる。
このような母材は、まず中央に楕円コアとクランドを配
した円筒状母材を(公知技術を用いて)形成し、母材の
一側を研磨して、楕円コアの長軸に閉口の平坦面を有す
る断面を形成することにより作製することができる0次
に、光ファイバーを研磨した母材から引き抜く、このと
き引き抜き速度と温度は、第2図の光ファイバー20、
即ち母材より寸法は小さいが、断面形状がほぼ同一の光
ファイバーを形成するよう調整する。
上記した引き抜き工程を厳密な管理下において行うのに
適した引き抜き機を第3図に示す、母材を概ね軟化温度
に加熱するために、引き抜き機の中心要素は、全体とし
て符号30で示す誘導炉となし、これを外部誘導コイル
31と黒鉛トロイド32より構成する。トロイド32は
長さ約10C11(4インチ)、直径約2.5C11(
1インチ)で、直径約6n(4分の1インチ)の中心孔
を有する。
誘導コイル31は、高周波電源33により励起され、加
熱電流が黒鉛トロイド32で誘導される。
その結果生じる温度は光学高温計により測定され、電源
33を制御する温度監視及び制御装置35に′より監視
される。トロイド32の燃焼を防止するために、トロイ
ド32は、供給部37から送られるアルコン(Arにて
示す)等の比較的不活性の気体を満たしたガラスシリン
ダ36内に配置される。
母材38はシリンダ36の上部に送り込まれ、黒鉛トロ
イド32の中央を経て下方に延びるようにする。トロイ
ド32は白熱状態に加熱され、母材38が軟化される。
ファイバー39は母材38からトロイド32のほぼ中央
で引き抜かれる。トロイド32は、ガラスシリンダ36
に取り付けられた支持環41にて支持される脚部40を
有する。
引き抜き工程に影響を及ぼす重要な変数は、母材38の
引き抜き点への送り速度Vp、引き抜き点における温度
、およびファイバー39が引き抜き点から引き抜かれる
速度Vfである。温度と引き抜き速度Vfは、ファイバ
ー39が引き抜かれる張力を設定する。母材38の送り
速度Vpは、駆動モータ43により駆動される親ねじを
備えた垂直線形スライド42により設定される。同スラ
イド42の上端にはV字溝を有するブロック44が設け
られ、この7字溝に母材38が嵌め込まれる。
引き抜き速度Vfは、ガラスシリンダ36の下端の下方
に設けられたキャプスタンホイール45により設定され
る。
前記ファイバー39は、キャプスタンホイール45と、
キャプスタンモータ軸47により駆動され、かつ2個の
アイドラローラ48により張設された可撓性プラスチッ
クベルト46の間に挟持されている。次に、ファイバー
39は、2つの固定アイドラプーリ50と、おもり53
を支持するダンサアーム52に取り付けた可動プーリ5
1よりなる巻取り機構により、ドラムに巻取られる。ア
ーム52は巻取りドラム19を制御する公知の速度制御
装置を作動し、これによりファイバー39はおもり53
にて決定される張力ドラム49に巻取られる。ファイバ
ー39は、同ファイバー39の曲折面がキャプスタンホ
イール45及びドラム49の面に係合する方向に指向し
、同ファイバー39の導波域が曲率半径の大きい側にあ
り、導波域の応力を減少するようにするのが望ましい。
ここで、−例を述べると、シリカチューブの内面に純シ
リカクランドとゲルマニアコアを溶着することにより、
母材が形成された。クラッドとコアは、誘導炉において
、約1800℃でシリカチューブの中心孔を循環する四
塩化シリコンと四塩化ゲルマニウムの熱分解により形成
された。そして、前記シリカチューブの外面の直径方向
において相対する部分を平坦に研磨し、その後チューブ
を潰して軽く引出すことにより、外面は直径約2゜8鶴
の円筒状断面をなし、楕円断面を有する中心コアとクラ
フトをもつ母材を形成する。次に、楕円コア母材の一側
を平坦に研磨し、平坦面は約2゜5cz(1インチ)の
クラフトの数十分の1以下の距離で、楕円コアの長軸に
平行に延在する。
次に、母材を約0.3n+/秒の速度送り、ファイバー
を母材から約0.5m/秒の速度で引き出しながら、光
ファイバーを約1550℃で研磨した母材から引き抜い
た。これらの変数は、引き抜き張力がファイバーが切れ
ない限りできるだけ大きくなるように選定した。この結
果得られるファイバーは第2図に示す断面形状を有する
がそれは高い引き抜き張力と、母材の比較的小さい直径
、正確な温度、誘導炉での集中加熱等により、母材がフ
ァイバーに引き込まれる時の断面形状が保持されるから
である。
インジウム被覆を施す前にファイバーの導波域を露出さ
せるために、3.5 C1mの長さのファイバーを10
%濃度のぶつ化水素酸で腐食させる。酸は約50分間に
わたってファイバーと接触を続け、それから蒸留水で除
去される。このエツチング処理により、ファイバー平坦
側のクラッドが露出される。
次に、周知の半田ごてを用いて、ファイバーの腐食面に
インジウム被覆を施し、温度約190℃で溶融金属を塗
布してから溶融金属を固化した。
インジウムは固化すると、第2図に示す断面形状を有す
るガラスに確実に接着された。ファイバーの平坦側イン
ジウムの最大厚さは約5ミクロンで、ファイバーの円曲
部周りの平均厚さは約1.5ミクロンだった。
上記の方法で形成したファイバーのインジウム被覆部は
、動作波長830nmで20nmより広い帯域幅を通す
ようフィルタされた。偏波してない口先を用いてテスト
し、その消光比と挿入損失を調べた。フィルター光は、
倍率40のゼロ複屈折顕微鏡対物レンズを使用して、フ
ァイバーの一端に投射した。ファイバー他端からの光は
同じレンズで集められ、水晶偏波器を介して検波器に送
られた。検波器の出力は水晶偏波器を回転して検査し、
次式によって消光比を調べた。
以1ネリ 挿入損失は、偏波器を最大検波出力に設定し、偏波器の
入力端でファイバーを切断しくインジウム被覆部そのも
のの前で)、投射状態を妨害しないよう気をつけながら
検波器を切断端に移す状態検波器最大=0.16v 検波器最小=10μV R=42.04dB 切断端での検波器の値=0.19V 偏波器による検波器の値=0.16v α=0.75dB インジウム被覆を施す前に、ファイバーの導波域を露出
させる他の方法として、D形楕円コア母材の平坦側を十
分深く研磨し、母材の長さ方向の少なくとも所定個所で
、楕円クラッドが引き抜かれたファイバーにおいてやや
露出するようにする方法がある。好ましくは、引き抜か
れたファイバーに偏波器を形成し、上記と同様の方法で
インジウム被覆を施す、必要に応じて、この方法により
ファイバーの長さ方向に沿って偏波器を形成してもよい
ここで用いられたインジウムという用語には、インジウ
ム元素と、銀、錫、鉛等の金属とインジウムとの合金と
の両方が示すものである。これら合金のあるものは、融
点がインジウム元素より高く、偏波器の温度範囲を広げ
ることができる。
本発明は、楕円導波域を有するファイバーで、導波域の
物理的形状により、複屈折直交軸を形成するものに特に
関連して説明したが、本発明は応力誘導複屈折軸を有す
るファイバーの長所を活かすように使用することもでき
る。この場合、複屈折を生じるようファイバーにかかる
応力は、ファイバー外面の平坦面に対して一定の方向に
あり、複屈折内部軸が外部平坦面から正確に規定され得
る必要がある。
発明の効果 以上詳述したように、本願第1発明は高い消光比と低挿
入損失との実現が可能となり、また本願第2発明では光
ファイバーを効率よく経済的に製造し得るという優れた
効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来例における単一モード光ファイバーi波管
の楕円コアにおける所望の偏波方向での電磁界を示す一
部破断斜視図、第2図は、本発明の一実施例による光フ
ァイバー偏波器の斜視図、第3図は、上記偏波器に用い
られる光ファイバーを形成するための装置の概略側面図
である。 20・・・光ファイバー、21・・・楕円コア、22・
・・クラッド、23・・・支持層、24・・・平坦面、
25・・・インジウム被覆、30・・・誘導炉、31・
・・誘導コイル、32・・・黒鉛トロイド。 特許出願人  アンドリュー コーポレーションFIG
、 1

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、異なる屈折率を有する偏波保持コアとクラッドによ
    り単一モード導波域を形成する光ファイバーを構成し、
    前記導波域を、光ファイバー部分の重心から外れて、光
    ファイバーの所定部分に沿って、これの一方の側の表面
    に極めて近接して、同一方の側の表面で無限小電界を露
    出させて隣接する媒体に連結するよう配設し、さらには
    光ファイバーの外表面は前記導波域に対して所定の幾何
    学的関係にある非円形断面と同断面内における互いに直
    交する一対の偏波軸とを有し、前記外表面の形状により
    確定し得るように導波域の位置と軸の延びる方向とを設
    定し、少なくとも光ファイバーの前記一方の側にあって
    前記無限小電界が露出する個所に好ましくない偏波を有
    する光波を減衰するためのインジウム被覆を施したこと
    を特徴とする光ファイバー偏波器。 2、減衰される光波は、前記インジウム被覆と前記無限
    小電界が露出する境界面に対して垂直の電界を有するこ
    とを特徴とする特許請求の範囲第1項に記載の光ファイ
    バー偏波器。 3、前記コアは2つ直交軸を備えた非円形断面を有し、
    これら直交軸は前記異なる屈折率と連携して、前記軸に
    沿って偏波された光波を分離することを特徴とする特許
    請求の範囲第1項に記載の光ファイバー偏波器。 4、前記コアは楕円形状断面を有し、前記光ファイバー
    の外表面は前記楕円コアの横軸の一方に平行な少なくと
    も1個の平坦面を有するとともに、前記インジウム被覆
    を平坦面に施したことを特徴とする特許請求の範囲第1
    項に記載の光ファイバー偏波器。 5、前記インジウム被覆をインジウム元素にて行ったこ
    とを特徴とする特許請求の範囲第1項に記載の光ファイ
    バー偏波器。 6、異なる屈折率を有する偏波保持コアとクラッドとに
    て、単一モード導波域を形成する光ファイバー偏波器の
    製造方法において、 前記導波域は、光ファイバー部分の重心から外れて、光
    ファイバーの所定部分に沿ってこれの一方の側の表面に
    極めて近接して、前記一方の側の表面で無限小電界を露
    出させて隣接する媒体に連結するよう配設し、光ファイ
    バーの外表面は前記導波域に対して所定寸法に設定され
    た非円形断面と断面内にある一対の直交偏波軸の方向と
    導波域の位置とを、前記外表面の形状より確定可能にす
    る工程と、 少なくとも光ファイバーの前記一方の側であって前記無
    限小電界が露出する個所に、光ファイバーを溶かさない
    程度の温度で溶融インジウムを被覆する工程と、 前記光ファイバー上の溶融インジウムを冷却して光ファ
    イバーに接着された固体インジウム被覆を形成する工程
    と よりなることを特徴とする光ファイバー偏波器の製造方
    法。 7、前記被覆工程は酸素雰囲気中において行われるもの
    であることを特徴とする特許請求の範囲第6項に記載の
    光ファイバー偏波器の製造方法。
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