偏波保持ファイバーについて解説

PMファイバーの機能

光源レーザーの出力は、互いに直角に伝搬する2つの直線偏光モードを用いて、シングルモードファイバーを通して伝送されます。このファイバーを、理想的なシングルモード導波路として想像してみてください。

コア材は完全に均質（不純物、気泡、空隙、その他の欠陥がない）であり、被覆材とコアは正確に球形で同心円状であり、曲がりや損失（吸収、散乱）がない。

ファイバーと光源レーザーの温度は一定に保たれ、レーザー波長はカットオフ波長を超え、レーザーエネルギーはすべてコア内に収まり（高次モードは発生せず）、横方向の応力は発生しない（ケーブル、設置場所、支持構造などによる外部応力、あるいは理論的には重力や気圧による応力も発生しない）。

この仮想的なシナリオでは、両方の偏光モードは同位相かつ同等のパワーでファイバーの遠端に到達します。ファイバーの長さに沿って、一方のモードから他方のモードへの電力伝達は一切発生しません。レーザー出力に変調信号が含まれている場合、2つの偏光モードは分散やクロストークを起こすことなく信号を伝送します。

この仮説的な状況は明らかに実現不可能です。導波管や製造されたガラス材料は完璧ではありません。不均一性やサブミクロンレベルの非対称性が存在します。さらに、シングルモードファイバーをケーブル化して地下または空中ネットワークに設置すると、横方向の歪みが生じます。筐体、ハンドホール、キャビネットなどの構造物内では、ワイヤが曲がったり、たるみが生じたりすることがあります。これらのプロセスにより、偏波モードは様々な群速度で伝搬する可能性があります。これにより、ファイバーの受信端で変調信号に分散が生じます。最悪の場合、アナログ波形とデジタル「1と0」を区別することは不可能になります。

光ファイバー通信システムの帯域幅や伝送距離は、偏波モード分散が固定されていない場合に制限される可能性があります。そのため、ファイバー、ケーブル、およびシステムの設計者は、この分散を軽減または補償する方法を開発してきました。非対称性、同心度、および横方向の応力を低減するために、ファイバーメーカーはプリフォームおよび引き抜き工程を改良してきました。さらに、引き抜きタワーには、ファイバーを引き抜きながら回転させる機械が備えられています。これにより、ファイバーの偏波特性を調整することができます。ケーブルメーカーは、ケーブルにかかる外部からの力からファイバーを保護するために、ファイバーの周囲にチューブを押し出します。また、通信システムで使用されるデジタル電子機器には、受信機に前方誤り訂正アルゴリズムを備えたチップなど、分散補償要素が組み込まれています。

このように、通信用偏波保持光ファイバーケーブルの偏波は適切に制御できます。しかし、通信以外の多くの用途では、2つの偏波モードを制御された方法で伝搬させる必要があります。2つのモードを分離し、その後再結合して位相干渉パターンを調べることが、いくつかの干渉計センサーの目的です。これにより、光ファイバーに影響を与える動き、振動、その他の現象を正確に定量化することが可能になります。このような用途では、2つの偏波モードを異なる経路で伝搬させるか、一方の偏波状態から他方の偏波状態へ伝搬する電力量を減らすことが目的となります。

PMファイバーは、外部負荷や曲げがファイバー内の偏波モードに及ぼす影響を最小限に抑え、シングルモード通信ファイバーと同様の問題に対処します。ジャイロスコープや一部のセンサーで使用されるPMファイバーは小さなコイル状に巻かれていますが、それでも偏波モード間の電力結合は避けなければなりません。2つの偏波モードの分離を維持し、外部負荷の影響を軽減するために、PMファイバーには幾何学的形状、すなわち応力印加部（SAP）が設けられています。非対称な幾何学的要素やSAPは、さまざまな方法でファイバーに組み込むことができ、その結果、多様なPMファイバーが生まれます。

重要な特性

PMファイバーは、他の特殊ファイバーや通信ファイバーと同様に、減衰量や引張強度などの重要な光学的および機械的要件を満たす必要があります。さらに、PMファイバーには、複屈折特性を表す2つの仕様、すなわちビート長と保持（H）パラメータがあります。これらの測定は複雑ですが、ファイバーが2つの偏光モードをどれだけ良好に保持しているかを説明する上で非常に重要です。

PMファイバーの2つの軸は、屈折率が異なるため、一般的に「低速軸」と「高速軸」と呼ばれます。これは、2つの偏光モードにおける光波の位相速度が異なることを意味します。2つの偏光モード間の位相速度の差は、ビート長で測定されます。ビート長が短いほど、複屈折が大きくなり、2つのモード間の間隔が広くなります。

PMファイバーケーブル の ビート長は、数センチメートルから1ミリメートル未満まで様々です。ジャイロスコープでは、2ミリメートルのビート長が広く利用可能で、頻繁に利用されています。通信用途で使用される標準的なシングルモードファイバーのビート長はメートルで表されます。ビート長は他の光学的特性と同様に波長に依存するため、測定値は特定の波長で検査され、報告されます。

単位長さあたりの偏光消光比はHパラメータとして知られています。これは、光ファイバーがその全長にわたって単一軸に沿って偏光をどれだけ良好に維持できるかを表す指標です。偏光クロストークを評価するための標準的な方法を用いてHパラメータを計算します。ここでも、特定の波長において、測定値はファイバーの単位長さあたりの、1軸方向に伝送される光パワーの変化として表されます。

複屈折を実現する方法

プリフォームの製造過程で「組み込まれる」特殊な形状、すなわちSAP（特殊形状体）が複屈折を引き起こします。ファイバーの他の部分と同様に、SAPもシリカ系ガラスでできていますが、熱膨張係数（CTE）が異なる添加剤を含んでいます。ファイバーの延伸と冷却に伴い、SAPは様々な速度で冷却・圧縮されるため、ガラスに永久的な応力が残ります。

SAPを使用する市販のPMファイバーには、PANDA、ボウタイ、楕円形応力層ファイバーの3種類があります。4番目のタイプである楕円形コアファイバーは、SAPの代わりに形状複屈折を利用すると言われています。複屈折はさまざまな方法で実現できます。フォトニック結晶ファイバーの縦方向のギャップや空気孔を利用するのもその一例です。ジャイロスコープ、その他のセンサー、通信機器の多くのメーカーは、最も一般的に使用されているPANDAとボウタイのタイプを好んでいます。