偏光の概要

光が空間内の点を通過すると、振動する電場の方向と振幅が時間的な経路をたどります。偏光信号は、横断面 (進行方向に垂直な面) 内で互いに直角に位置する電界ベクトルと磁界ベクトルによって表されます。分極は、時間の関数としての電界ベクトルによって横断面に描かれるパターンに関して定義されます。

偏光は直線偏光、楕円偏光、円偏光に分類できますが、このうち直線偏光が最も単純です。どちらの偏波が光ファイバー伝送においても問題となる可能性があります。

Fiber-MART Polarization Coordinate System

通信および光ファイバー測定システムでは、2 つの光波の干渉を分析するデバイスを指すことが増えています。干渉によって与えられる情報は、結合された振幅が時間的に安定していない限り、つまり波が同じ偏光状態にない限り使用できません。このような場合、安定した偏光状態を伝送するファイバーを使用する必要があります。そして、この問題を解決するために偏波保持ファイバが開発されました。（以下、偏波保持ファイバを略してPMファイバと呼びます。）

PMファイバーとは何ですか?

ファイバー内を伝播する光の偏光は、制御されていない (波長に依存して) 徐々に変化します。これはファイバーの曲がりや温度にも依存します。光学性能を達成するには特殊なファイバーが必要ですが、光学性能はファイバーを通過する光の偏光によって影響を受けます。ファイバー干渉計やセンサー、ファイバーレーザーや電気光学変調器などの多くのシステムも、システムのパフォーマンスに影響を与える可能性がある偏波依存損失 (PDL) の影響を受けます。この問題は、PM ファイバーと呼ばれる特殊ファイバーを使用することで解決できます。

PMファイバーの原理

ファイバーに入射される光の偏光が複屈折軸の 1 つと揃っていれば、ファイバーが曲がったとしてもこの偏光状態は維持されます。この背後にある物理原理は、コヒーレントモード結合の観点から理解できます。 2 つの偏波モードの伝播定数は強い複屈折により異なり、そのような共伝播モードの相対位相は急速にずれていきます。したがって、ファイバに沿った外乱は、2 つの偏波モードの伝播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っている場合にのみ、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、ファイバ内の通常の外乱は変化が遅すぎて効果的なモード結合を行うことができません。したがって、PM ファイバーの原理は、その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ー通信アプリケーションでは、直線偏光状態の光をある場所から別の場所に導くために PM ファイバーが使用されます。この結果を達成するには、いくつかの条件を満たす必要があります。低速軸モードと高速軸モードの両方の起動を避けるために、入力光は高度に偏光する必要があり、出力偏光状態が予測できない状態になります。

同じ理由で、入力光の電界はファイバーの主軸 (業界の慣例では遅軸) と正確に一致している必要があります。 PM ファイバパスケーブルが光ファイバコネクタまたはスプライスによって結合されたファイバのセグメントで構成されている場合、相手ファイバの回転方向の位置合わせが重要です。さらに、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、コネクターを PM ファイバーに取り付ける必要があります。

PMファイバーの種類

円形PMファイバー

ファイバに円複屈折を導入して、ファイバの 2 つの直交偏光モード (いわゆる円形 PM ファイバ) が時計回りと反時計回りの円偏光になるようにすることができます。円形（軸対称）ファイバで円複屈折を実現する最も一般的な方法は、ファイバをねじって時計回りと反時計回りの円偏波基本モードの伝播定数に差を生じさせることです。したがって、これら 2 つの円偏波モードは分離されます。また、外部から加えられた応力の方向がファイバーの長さに沿って方位角的に変化し、ファイバー内に円複屈折を引き起こすと考えることも可能です。ファイバーがねじれると、ねじり応力が導入され、ねじれに比例して光学活性が生じます。

円複屈折は、ファイバのコアをクラッド内のらせん状の経路に従わせることによっても得ることができます。これにより、らせん状の経路に沿って移動するように制約された伝播光に旋光が生じます。達成される複屈折は幾何学的効果のみによるものです。このようなファイバーは単一モードとして動作する可能性があり、高次モードでは高い損失が発生します。

ヘリカルコアを備えた円形 PM ファイバーは、ファラデー効果による電流の検出に応用されています。ファイバーは複合ロッドとチューブのプリフォームから製造されており、ファイバーの線引きプロセス中にプリフォームを回転させることによってヘリックスが形成されます。

線状PMファイバー

リニア PM ファイバーには、単偏光タイプと複屈折ファイバータイプの大きく 2 つのタイプがあります。単一偏波タイプは、基本モードの 2 つの偏波間の伝送損失の差が大きいという特徴があります。また、複屈折ファイバのタイプは、基本モードの 2 つの偏波間の伝播定数が大きく異なるものです。直線偏光は、次に検討するさまざまなファイバー設計を使用して維持できます。

サイドピットとサイドトンネルを備えたリニア PM ファイバー

サイドピットファイバには、中心コアの両側に、クラッド屈折率よりも低い屈折率の 2 つのピットが組み込まれています。このタイプのファイバは、x 軸に沿って W 型の屈折率プロファイルを持ち、y 軸に沿ってステップインデックスプロファイルを持ちます。サイドトンネルファイバーはサイドピット構造の特殊なケースです。これらの線状 PM ファイバーでは、コアに幾何学的異方性が導入され、複屈折ファイバーが得られます。

応力がかかる部分を備えたリニア PM ファイバー

光ファイバーに高い複屈折を導入する効果的な方法は、ファイバーのコアに 2 回の幾何学的対称性を持つ非対称応力を導入することです。応力は光弾性効果によりコアの屈折率を変化させ、これはファイバの主軸に沿って偏光されたモードによって見られ、複屈折をもたらします。必要な応力は、コアの反対側のクラッド領域に配置された 2 つの同一の分離された応力適用部品 (SAP) を導入することによって得られます。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、スプリアスモードは SAP を通って伝播しません。

SAP に使用される最も一般的な形状は、蝶ネクタイ形状と円形です。これらのファイバーはそれぞれボウタイファイバー、パンダファイバーと呼ばれます。これら 2 種類の繊維の断面を次の図に示します。これらの繊維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いです。 SAP をコアの近くに配置すると、これらのファイバ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には、ファイバ損失が増加しないように、SAP をコアの十分近くに配置する必要があります。 PANDA ファイバーはさらに改良され、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しました。

PANDA Fiber and Bow-tie Fiber

PANDAファイバー（左）とボウタイファイバー（右）。異なる種類のガラスで作られた内蔵応力要素は、濃い灰色の色調で表示されます。

ヒント: 現在、業界で最も人気のある PM ファイバーは円形の PANDA ファイバーです。他のほとんどの PM ファイバーに対する PANDA ファイバーの利点の 1 つは、ファイバーのコアサイズと開口数が通常のシングルモードファイバーと互換性があることです。これにより、両方のタイプのファイバーを使用するデバイスでの損失が最小限に抑えられます。

楕円構造の線状 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。楕円コアファイバーに関する初期の研究では、偏光複屈折の計算が扱われていました。第 1 段階では、長方形の誘電体導波路の伝播特性を使用して、楕円コアファイバの複屈折を推定しました。 PM ファイバーを使用した最初の実験では、ダンベル形状のコアを備えたファイバーが製造されました。ビート長は、コアとクラッドの屈折率差を大きくすることで短縮できます。ただし、実際的な制限により、指数差をあまり大きくすることはできません。屈折率差が大きくな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。楕円コアファイバーの複屈折の一般的な値は、楕円クラッドファイバーよりも高くなります。しかしながら、損失は、楕円形クラッドファイバにおける損失よりも楕円形コアにおける方が高かった。

屈折率変調を備えたリニア PM ファイバー

2 つの直交する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増やす 1 つの方法は、1 つの偏波状態のみがカットオフになる屈折率プロファイルを選択することです。高い複屈折は、3 層の楕円ファイバーの内部クラッドの屈折率の方位角変調を導入することによって達成されました。方形コア導波路を基準構造として仮定し、摂動アプローチを使用して 3 層楕円ファイバを解析しました。 3 層楕円ファイバーの複屈折の検査により、内部クラッド屈折率の適切な方位角変調により複屈折が増加し、単一偏波動作の波長範囲が拡張できることが実証されました。

屈折率プロファイルはバタフライプロファイルと呼ばれます。これは、非対称の W プロファイルであり、クラッドに囲まれた均一なコアで構成されます。プロファイルの最大値は ncl で、半径方向と方位角の両方で変化し、x 軸に沿って最大の凹みが生じます。このプロファイルには、シングルモード単一偏波動作を実現するための 2 つの属性があります。第一に、プロファイルが対称ではないため、2 つの直交する基本モードの伝播定数が異なります。第二に、クラッド内の窪みにより、各モードが確実にカットオフ波長を持つようになります。バタフライファイバは弱いガイドであるため、モードフィールドと伝播定数はスカラー波動方程式の解から決定できます。この解決策には、ファイバーのコアとクラッドの横座標依存性を記述する三角関数とマシュー関数が含まれます。これらの関数は互いに直交していないため、異なる領域のモーダルフィールドを記述し、境界条件を満たすためにそれぞれの無限セットが必要です。正規化周波数 V に対して生成された幾何学的複屈折プロットは、x 軸に沿った屈折率のくぼみの深さによって非対称性が増加すると、複屈折の最大値とこれが発生する V の値が増加することを示しました。複屈折のピーク値は、非円形繊維の特性です。モード複屈折は、モードの 2 つの偏光に異なる屈折率プロファイルを帰すことによって説明できる異方性をファイバーに導入することによって増加できます。幾何複屈折は異方性複屈折よりも小さい。ただし、バタフライプロファイルのクラッドのくぼみにより、基本モードのカットオフ波長の 2 つの偏波が得られ、これらは単一偏波シングルモード動作が可能な波長窓によって分離されます。

PMファイバーの応用例

PM ファイバーは、偏光状態のドリフトが許されないデバイスに適用されます。温度変化の結果として。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があります。このようなファイバーを使用する場合の欠点は、通常、偏光方向の正確な調整が必要となり、製造がより煩雑になることです。また、伝播損失は標準のファイバよりも高く、すべての種類のファイバが偏波を保存した形で簡単に得られ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、干渉法、量子鍵配布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を必要とするため、電気通信において光源レーザーと変調器の間の接続にも一般的に使用されます。 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。

Fiber-Mart の PM ファイバーソリューション: PM ファイバーパッチケーブル

Fiber-Mart の PM ファイバーパッチケーブルは、高精度のバットスタイル接続技術に基づいています。 PM 軸の方向は、位置決めキーを備えたオスコネクタと、厳しい公差のキー溝を備えたバルクヘッドメスレセプタクルを使用することによって維持され、消光比と挿入損失の良好な再現性が保証されます。
特徴: 20dB ～ 30dB の高い消光比低い挿入損失、通常 <0.2dB FC、FC/APC、SC、SC/APC、ST、ST/APC、LC、MU、MTRJ、E2000 およびその他のコネクタが利用可能業界標準との互換性コネクタ 360nm ～ 1800nm の波長が利用可能 Ø0.9mm、Ø2.0mm、Ø3.0mm の保護アウタージャケットが利用可能高速/低速軸調整、ワイド/ナローキー、パンダタイプ、ボウタイタイプ、楕円タイプが利用可能カスタムファイバーサイズとケーブル長

PM ファイバーを使用するための要件

終端処理: PM ファイバをファイバコネクタで終端処理する場合、ストレスロッドがコネクタと整列する (通常はコネクタキーと整列する) ことが非常に重要です。

スプライシング: PM ファイバーは、スプライスの際にも細心の注意を必要とします。ファイバーが一緒に溶けるとき、X、Y、Z の位置合わせが完璧である必要があるだけでなく、応力ロッドが正確に位置合わせされるように、回転方向の位置合わせも完璧でなければなりません。

もう 1 つの要件は、光ファイバー端面での発射条件がファイバー断面の横長軸の方向と一致していなければならないことです。