偏波保持ファイバーとは何ですか?

Fibermart
2018年08月15日(Wed)
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この記事では、PMファイバーの動作原理とその用途について説明します。Fiber -MartはPMファイバーパッチケーブルをご提供しています。PMファイバーパッチケーブルに関するご質問やご要望がございましたら、 [email protected]までお気軽にお問い合わせください。

偏波とは？

光は電磁波の一種です。Eで表される振動する電場とBで表される磁場から構成されています。光の特性は電場Eを調べることで説明できますが、光とその効果を磁場で説明することも可能です。

光波は多くの方向に振動します。上下のような単一平面内で一方向に振動する光は偏光と呼ばれます。上下と左右の両方向など、複数の平面内で振動する光は非偏光と呼ばれます。

PMファイバーの原理

ファイバーに入射する光の偏光が複屈折軸の 1 つと一致していれば、ファイバーが曲げられてもこの偏光状態は維持されます。この背後にある物理的原理は、コヒーレントモード結合の観点から理解できます。2 つの偏光モードの伝搬定数は強い複屈折のために異なり、そのためこのような共伝搬モードの相対位相は急速にドリフトします。したがって、ファイバーに沿った擾乱は、2 つの偏光モードの伝搬定数の差に一致する波数を持つ重要な空間フーリエ成分を持つ場合にのみ、両方のモードを効果的に結合できます。この差が十分に大きい場合、ファイバー内の通常の擾乱は効果的なモード結合を行うには変化が遅すぎます。したがって、PM ファイバーの原理は、差を十分に大きくすることです。

最も一般的な光ファイバ通信アプリケーションでは、PMファイバーは直線偏光状態の光をある場所から別の場所へ導くために使用されます。この結果を得るには、いくつかの条件を満たす必要があります。入力光は、低速軸モードと高速軸モードの両方が発生しないように、高い偏光度でなければなりません。低速軸モードが発生すると、出力偏光状態が予測不可能になります。

同様の理由から、入力光の電界はファイバーの主軸（業界慣習ではスロー軸）と正確に整合させる必要があります。PMファイバーパスケーブルが光ファイバーコネクタまたはスプライスで接続されたファイバーセグメントで構成されている場合、接続するファイバーの回転方向の整合が非常に重要です。さらに、PMファイバーにコネクタを取り付ける際には、内部応力によって電界がファイバーの意図しない軸に投影されないようにする必要があります。

PMファイバーの種類

円形PMファイバー

ファイバーに円複屈折を導入することが可能であり、ファイバーの2つの直交偏光モード（いわゆる円形PMファイバー）は、時計回りと反時計回りの円偏光になります。円形（軸対称）ファイバーで円複屈折を実現する最も一般的な方法は、ファイバーをねじって、時計回りと反時計回りの円偏光基本モードの伝搬定数に差を生じさせることです。これにより、これら2つの円偏光モードは分離されます。また、ファイバーの長さに沿って方位角方向に方向が変化する外部応力がファイバーに円複屈折を引き起こすことも考えられます。ファイバーがねじれると、ねじり応力が導入され、ねじれに比例した光学活性が生じます

直線型PMファイバー

線形偏波保持光ファイバには、主に単一偏波型と複屈折型という2つの種類があります。単一偏波型は、基本モードの2つの偏波間の伝送損失差が大きいのが特徴です。複屈折型は、基本モードの2つの偏波間の伝搬定数が大きく異なるのが特徴です。線形偏波は、次に説明する様々な光ファイバ設計によって維持できます。

サイドピットとサイドトンネルを備えた線形 PM ファイバー:

サイドピット光ファイバは、中心コアの両側に、クラッド屈折率よりも低い屈折率を持つ2つのピットを組み込んでいます。このタイプの光ファイバは、X軸方向にW型の屈折率プロファイル、Y軸方向にステップ型の屈折率プロファイルを持ちます。サイドトンネル光ファイバは、サイドピット構造の特殊なケースです。これらの線形PM光ファイバでは、 コアに幾何学的異方性を導入することで複屈折光ファイバを実現しています。

応力が加わる部分を持つ線形PMファイバー:

光ファイバーに高い複屈折性を導入する効果的な方法は、光ファイバーのコアに2回対称の非対称応力を導入することです。この応力は、光ファイバーの主軸に沿って偏光するモードに見られる光弾性効果によってコアの屈折率を変化させ、複屈折をもたらします。必要な応力は、コアの両側のクラッド領域に、同一で独立した2つの応力適用部（SAP）を配置することで得られます。したがって、SAPの屈折率がクラッドの屈折率以下である限り、SAPを介してスプリアスモードが伝搬されることはありません。

SAP に使用される最も一般的な形状は、ボウタイ型と円形です。これらのファイバーは、それぞれボウタイファイバーと PANDA ファイバーと呼ばれます。次の図に、これら 2 種類のファイバーの断面を示します。これらのファイバーによって導入されるモード複屈折は、幾何学的複屈折と応力誘起複屈折の両方を表します。円形コアファイバーの場合、幾何学的複屈折は無視できるほど小さくなります。SAP をコアの近くに配置することでこれらのファイバーの複屈折が改善されることが示されていますが、特に SAP にシリカ以外の材料がドープされている場合は、ファイバー損失が増加しないように、コアに十分近い位置に配置する必要があります。PANDA ファイバーは、高いモード複屈折、非常に低い損失、および低いクロストークを実現するためにさらに改良されています。

楕円構造を持つ線形PMファイバー：

実用的な低損失単一偏波ファイバに関する最初の提案は、楕円コア、楕円クラッド、楕円ジャケットファイバの3つのファイバ構造について実験的に研究されました。楕円コアファイバに関する初期の研究では、偏波複屈折の計算が扱われていました。最初の段階では、長方形の誘電体導波路の伝搬特性を使用して、楕円コアファイバの複屈折を推定しました。PMファイバを使用した最初の実験では、ダンベル型コアを持つファイバが製造されました。コアとクラッドの屈折率差を大きくすることでビート長を短縮できます。しかし、実用上の制限により、屈折率差を大きくしすぎることはできません。屈折率差を大きくすると伝送損失が増加し、コア半径を小さくする必要があるため接続が困難になります。楕円コアファイバの複屈折の典型的な値は、楕円クラッドファイバよりも高くなります。ただし、楕円コアの損失は、楕円クラッドファイバの損失よりも高くなります。

屈折率変調機能付き線形PMファイバー:

2つの直交基本モードのカットオフ波長を分離する単一偏波ファイバの帯域幅を拡大する一つの方法は、1つの偏波状態のみがカットオフとなる屈折率プロファイルを選択することである。3層楕円ファイバの内部クラッドの屈折率を方位角変調することで、高い複屈折性を実現した。矩形コア導波路を基準構造として、摂動法を用いて3層楕円ファイバを解析した。3層楕円ファイバの複屈折を調べた結果、内部クラッドの屈折率を適切に方位角変調することで複屈折性を高め、単一偏波動作の波長範囲を拡大できることが実証された。

PMファイバーの用途

PMファイバーは、例えば温度変化などによる偏波状態の変動が許容されないデバイスに用いられます。例としては、ファイバー干渉計や特定のファイバーレーザーなどが挙げられます。このようなファイバーを使用する際の欠点は、通常、偏波方向の正確な調整が必要であり、製造が煩雑になることです。また、伝搬損失は標準ファイバーよりも高く、すべての種類のファイバーが偏波保持型で容易に入手できるわけではありません。

PMファイバーは、光ファイバーセンシング、干渉計、量子鍵配送などの特殊な用途に使用されます。また、変調器は入力として偏光光を必要とするため、通信分野では光源レーザーと変調器間の接続に広く使用されています。PMファイバーは高価であり、シングルモードファイバーよりも減衰が大きいため、長距離伝送にはほとんど使用されません。