JP2004533658A

JP2004533658A - 光ファイバにおける屈折率を制御する方法およびデバイス

Info

Publication number: JP2004533658A
Application number: JP2003511001A
Authority: JP
Inventors: マイクル・フォーキーン; ラーシュ−エーリク・ニルソン; オーサ・クラーソン; ウォルター・マーグリス; レイフ・シェルベルイ; アニア・アルサラン; ペドロ・トーレス
Original assignee: アクレオアーベー
Priority date: 2001-07-02
Filing date: 2002-07-02
Publication date: 2004-11-04
Also published as: WO2003005082A1; CN1549940A; EP1415183A1; US6973247B2; WO2003005081A1; ATE545883T1; EP1415183B1; CN1549940B; US20050157993A1

Abstract

本発明は、光ファイバのコアにおける屈折率を制御する方法およびデバイスに関する。本発明によれば、光ファイバは、ファイバのコアに沿って延びる長手方向電極を備える。電流が電極中を通過して、電極の抵抗加熱を引き起こし、それによって熱膨張を引き起こし、その結果、ファイバのコア内に圧縮力を引き起こす。コアのこの圧縮によって、圧縮力の方向において屈折率の変化が生じ、したがって、コアにおける複屈折を引き起こしまたは改変する。
【選択図】図６

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバにおける屈折率を制御する方法およびデバイス、ならびにそれらの使用に関する。より詳細には、本発明は、光ファイバのコアにおける複屈折の制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバによる情報伝送能力の絶え間ない向上は、主として、波長分割多重化（Wavelength Division Multiplexing、ＷＤＭ）技術に関連する新規な光学構成部品の性能の向上によって進められてきた。この分野の革新により、通信ネットワークのための新たな解決方法が生み出され、光学装置がエンド・ユーザにとってより身近なものになってきた。
【０００３】
光ファイバは、初期には受動的な伝達の役割しか果たさなかったが、現在では他の技術と結びついて、一般に、能動的な光学構成部品および受動的な光学構成部品と組み合わせて使用されている。光ファイバの屈折率の値および空間特性を制御することによって、スイッチングやフィルタリングなどいくつかの重要な光学機能を提供することができる。屈折率の制御は、電界または磁界、光、および弾性応力などの外部擾乱を加えることによって行える。
【０００４】
特開平１０−２３８７０８号「Polarization Control Element（偏光制御要素）」（Toshiaki）の抄録では、光ファイバのクラッド内で２本の導体がファイバ・コアに対して対称的に配置された要素を開示している。電流がこれら２本の導体中を同時に通過すると、ファイバ・コアに応力またはひずみを与える静電効果が得られる。電流が２本の導体中を同じ方向に通過した場合は、導体間に引力が生じ、電流が２本の導体中を反対の方向に通過した場合は、反発力が得られる。したがって、導体中を通過する電流の方向に応じて、ファイバ・コアに対する作用は、正にも負にもなる。このようにして、ファイバ・コアの屈折率が制御されると言われている。
【０００５】
しかしながら、上記で参照した技術には、デバイスの実際の実装を非常に非現実的なものにし、または恐らく不可能にさえする、いくつかの重大な欠点がある。２本の導体間の力は、大電流を用いない限り非常に弱い。さらに、ファイバ内に少なくとも２本の導体を設ける必要がある。理想的には、上述のデバイスは、熱散逸があってはならず、導体の抵抗値が非常に低くなければならない。したがって、実用上の理由から、そのようなデバイスは、市場で成功を得られないであろう。
【特許文献１】
特開平１０−２３８７０８号抄録
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、上述の欠点が解消された、光ファイバのコアにおける屈折率を制御するデバイスおよび方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この目的は、添付の特許請求の範囲に記載の方法およびデバイスによって達成される。
【０００８】
本発明によれば、ファイバ・コアの屈折率の改変は、静電効果によらず、前記コアに沿って配置された長手方向電極の熱膨張によるものであり、この熱膨張が、コアに対する機械的圧力を引き起こす。次にそれに応じて、コアの屈折率が、以下に記載するいわゆる光弾性効果を介して変更される。
【０００９】
光が円筒形ファイバ内を通るとき、自由空間を伝播するときとは違って、その偏光状態は、例えば熱応力、機械応力、およびファイバ・コアの不規則性によってファイバ内で引き起こされるランダムな複屈折のためにゆがめられる。したがって、光は一般に、ファイバに沿った任意の所与の位置で楕円偏光され、楕円率および向きは様々に変化する。しかし、例えば電子光モジュールなどファイバ光システムにおける多くのデバイスは、偏光に敏感である。したがって、任意に偏光された光を、所望の偏光状態に変換する必要がある。
【００１０】
本発明によれば、所望の状態への偏光のこの変換は、その中に電流が通過して抵抗加熱を起こす、少なくとも１つの長手方向電極を有するある長さの光ファイバによって得られる。電極の加熱は、膨張を引き起こしファイバのコアを圧縮する。したがって、コアの屈折率が光弾性効果を介して変更される。
【００１１】
本発明は、電気で駆動される偏光コントローラ、ならびに、特に光ファイバの複屈折を制御するために、光ファイバの屈折率を改変する方法の基礎を提供する。
【００１２】
本発明は、光ファイバのコアにおける屈折率の偏光に依存する調整、ならびに光ファイバのコアにおける屈折率の偏光に依存しない調整の両方に関することができる。屈折率に対する偏光に依存する影響が望まれるときには、コア内に非対称な応力場が引き起こされるように電極が配置される。
【００１３】
さらに、コアからのエバネセント場内に１つの電極を配置することによって、本発明によるデバイスは、特定の偏光方向をもつ光を損失させて、効果的に偏光子を提供することができる。
【００１４】
本発明は、好ましい実施形態についての以下の詳細な説明から理解できるように、様々な状況および応用分野に適用することができる。
【００１５】
本発明のさらなる態様および特徴は、好ましい実施形態についての詳細な説明を読み理解することにより明らかになるであろう。次の詳細な説明では、添付の図面を参照して述べることとする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に、本発明の好ましい実施形態を、より詳細に説明する。
ファイバ・コアに沿って延びる長手方向の内部電極を有する光ファイバの製造法は、参照によって本明細書に組み込まれる、本出願人の同時係属のスウェーデン国特許出願第０１０２３８１−１号に記載されている。
しかし、完璧を期して、製造技術の概要を以下に示す。
【００１７】
ファイバ・コアに平行な長手方向孔を有する光ファイバの製造法は、従来技術で知られている。出来上がったファイバが長手方向孔を有するように、母材（preform）を準備する最も簡単な方法は、ダイヤモンドで被覆したドリルで母材を穿孔することである。この技術の欠点は、得ることのできるファイバの長さが限られていることである。というのは、ガラス内に数センチメートルよりも長い穴を穿孔するのは難しいからである。この欠点は、穿孔の代わりに、標準の伝達ファイバ用の母材１０のコア１２と平行に溝１１を切ることによって解消できる。これらの溝１１は、ダイヤモンドで被覆したブレードを使用して作製することができる。これを、図１に概略的に示す。さらに、母材を、一般に保護チューブ１３で囲む。次に、母材を高温度（約２０００℃）で１２５μｍ径のファイバに線引きする。
【００１８】
３つの具体的な実現形態（particular realization）を、図２に示す。図２ａおよび図２ｂの写真は、ファイバの断面を示す。孔は、最初は正方形であり、母材中では径方向に開いているが、ファイバの線引き後は、丸くなりかつ径方向に閉じていることに留意されたい。孔２１の径は約４０μｍである。図２ａは、１つのコア２２および４つの長手方向孔２１を有するファイバを示し、図２ｂは、２つのコア２２、２つの孔２１のファイバを示す。
【００１９】
図２ｃは、１つの長手方向孔をクラッド内に形成したファイバのＳＥＭ写真（ＳＥＭ：走査電子顕微鏡）を示す。孔内に電極材料を導入する前のファイバが示されている。ファイバの長手方向孔とは反対側の外側表面の凹みも、写真から見ることができる。この凹みは、後の段階でファイバの位置を調整するために使用され、デバイスに光学的影響を与えることはない。ファイバのコアは、ＳＥＭ写真では見えない。しかし、ファイバは、通常の中央に配置されたコアを備える。
【００２０】
孔を有するファイバを製造することによって、ファイバ内に電極を挿入することが可能になる。そのようなファイバでは、２つの異なる種類の信号を導くことができる、すなわちコア内では光信号を、電極内では電気信号を導くことができる。
【００２１】
本発明によるデバイスでは、電極材料は、孔がその径方向に電極材料で完全に充填されるように、これらの孔内に導入される。これは、電極を膨張させてファイバのコア内に応力を引き起こすために必要である。
【００２２】
電極を挿入するために、一般に、孔内に細い金属ワイヤを導入する。細い金属ワイヤは、様々な径のものが市販されており、アルミニウム、金、タングステン、またはステンレス鋼からできている。しかし、細い金属ワイヤは、孔の側壁に引っかかる傾向がある。このため、製造後のデバイスの長さは数センチメートルに制限される。孔の径はワイヤよりも大きいので、ファイバに沿った孔内のワイヤの位置が均一になることは保証できない。さらに、ワイヤとファイバとの間に余分の空間があるので、熱膨張したワイヤから生じる圧力をファイバの屈折率を変える手段として用いることを妨げる。
【００２３】
この問題を解決するために、上述の同時係属出願に開示される、溶融温度の比較的低い合金を使用し、この合金を液相で孔内に挿入するという解決方法が開発された。以下に説明する実験はすべて、この技術を用いて行ったものである。
【００２４】
溶融した金属（合金）を孔内に導入するために、「ポンプ技術」を使用した。オーブン内に圧力室を配置した。チャンバ内で、ファイバの一方の端部を溶融した金属中に浸した。ファイバの他方の端部は、常温常圧のオーブンの外側にある（図３参照）。圧力差により、溶した金属を孔内に押し込んだ。
【００２５】
Ｓｎ−Ｂｉ合金は、融点１３７℃のものを使用した。オーブンの温度は、一般に１７０℃とし、チャンバ内の圧力は４Ｂａｒとした。
【００２６】
ファイバの一方の端部をオーブンの外側に出しておくことにより、金属は、離れた側の端部に到着する前に凝固する。他方の端部から高圧が加えられるため、溶融した金属は、金属が凝固するにつれて圧縮される。ファイバの一方の端部をオーブンの外側に出しておくと、ファイバに金属がない状態が保たれて、後で別のファイバにスプライス（splicing）するのが容易になるという別の利点がある。ファイバの端部に金属がない状態にするために、ファイバ端部を溶融した金属から持ち上げ、数秒間高圧力にさらすことができ、そうすると、電極がさらにファイバの内側に変位するようになる。
上述の技術で作成した、電極４１を挿入したファイバを、図４に示す。
【００２７】
ファイバ端部をスプライス接合できるように、必要な電気接点をファイバの側部に設けることができる。これらの電気接点は、回転研磨紙片（２４００メッシュ）を備えた研磨機を使用して作成することができる。
【００２８】
研磨しようとするファイバを、金属電極が垂直になるように（図５参照）基台上に配置しする。ファイバを載せるこの基台は、ファイバに傷が付くのを防止する滑らかな表面を有するガラスからできている。ファイバは、２個のファイバ用クリップ式保持具（fiber clip−on holder）によって真っ直ぐに保つ。ファイバは側方に動くと壊れるので、この最後の点には十分注意すべきである。研磨機には、研磨紙の不連続部がファイバに接近すると回転が中断するように、センサが設けられている。したがって、回転は、時計回りと反時計回りとの間で交互に変わる。さらに、ファイバ支持部は移動できるようになっており、それにより、研磨紙が一本の線部だけで使用されるのが防止される。この研磨機によってほぼ２分後に、図５に概略的に示すように電極が露出される。
【００２９】
次に、図６に概略的に示すように、導電性エポキシ６３（Circuit Works Adhesive Conductive Epoxy CW2400）を用いてワイヤ６５を電極６１に接続することができる。図に示すように、抵抗加熱（ohmic heating）による熱膨張時に前記コア６２に応力場を引き起こすように、ファイバのクラッド内でコア６２に隣接して電極６１を配置する。以下に記載する実験で使用したワイヤ６５は、銀で被覆した銅製のものであった。露出した電極６１上にワイヤを単に配置し、導電性のエポキシ接着剤６３で固定した。室温乾燥は６時間で完了できるが、乾燥時間をより速くするためには、接続部を１００度に１０分間加熱し、次いでエポキシを室温まで冷却させてもよい。二、三の事例で試験した別の技術は、電極自体を構成する金属を使用して非常に細いワイヤをはんだ付けすることからなるものである。はんだ付け用アイロンを使用して露出電極を加熱することにより、顕微鏡下で、溶融した金属中にワイヤを導入することができる。この接続法は、高周波の応用例（high−frequency application）により適しているが、作成された接続部がより頑丈で操作がより容易という理由で、上記のエポキシが好ましい。
上述のデバイスに様々な値の電流を通し、構成部品の両端間に生じた電圧の時間変化を記録した（図７を参照）。
【００３０】
ｔを、秒で表した時間とする。図７に示す３種の電流、すなわち１６０ｍＡ、１５０ｍＡ、および１４０ｍＡの電流について、ｔ＝０での最初の速い遷移の後で、同様の変化が観測された。最初の数十秒の間、電圧が緩やかに増大した。この増大は、抵抗加熱下の金属の抵抗値の熱依存性を示している。温度が融点（１３８℃）に到達すると、電圧は急激に低下し、合金の相転移を示す。溶融した金属の抵抗率は、固体金属の抵抗率より低いと思われる。金属は溶融しても導電性のままであることに留意されたい。予想されるように、電流が大きいほど、より速く融点に達した。
【００３１】
より正確に言うと、図７を見るとわかるように、１６０ｍＡの電流では、抵抗値は、ｔ＝２ｓでの３２.２５Ωから、ｔ＝３６ｓ（相転移の開始点に対応する点）での３４Ωへと５.４％増大する。
【００３２】
使用した合金の温度係数が４.６×１０^-3℃^-1（純粋なスズおよび純粋なビスマスと同じ）であると仮定すると、抵抗率の５.４％の変化は、温度上昇ΔＴ＝１２℃に対応する。
【００３３】
ｔ＝２ｓと溶融時点の間の測定値ΔＴが比較的小さいことは、前の時点（最初から２ｓ後より前）ですでに金属の温度が、約１２５℃と高かったことを意味する。室温が２５℃であると仮定すると、これは、最初の２秒以内の温度変化がΔＴ＝１００℃であったことを意味する。この変化は、ｔ＝２ｓで初期値からＲ＝３２.２５Ωまでの抵抗値変化の４６％に相当する。
【００３４】
したがって、室温での初期抵抗値は２２Ωに等しいはずである。これは、抵抗値の理論値と一致し、測定値とは一致しない。
以下、本発明の背景となる物理学的概念について、図８を一般に参照して説明する。
【００３５】
光ファイバ内で長手方向の内部電極中を流れる電流は、ジュール効果のために加熱を生じる（抵抗加熱：ohmic heating）。加熱の結果生じる温度は均一であると仮定することができる。これは、一般にミリ秒より長いタイムスケールで妥当である。
【００３６】
光ファイバ中を伝播する光の偏光を変化させるために、本発明では、弾性応力場の使用を教示する。光がファイバに沿って伝播するとき、この応力は、以下に説明する光弾性効果と呼ばれる効果を生じる。この弾性応力場は、以下でより詳細に述べるように、挿入した電極の加熱によって生じる。
【００３７】
材料が弾性応用場にさらされると、その局所的な密度が変化し、したがってその光学特性も変化する。
【００３８】
ガラス（線形等方性媒体）という特定の場合で、かつひずみが存在しないときは、屈折率の変化は、次式によって加えられた応力場に直接関係付けられる。
【００３９】
【数１】

式中、ｎ_iは、屈折率楕円体の係数であり、ｐ_ijは、光弾性マトリクスの係数であり、ｄ_jは、応力場によって引き起こされる変形ベクトルの成分である。
【００４０】
例えば、屈折率ｎの光ファイバのコアに均一な応力ｄがＯｙ方向に加えられた場合を考えてみる。光の伝播方向はＯｚである。上記の式を一次に展開すると、新しい屈折率が次式によって与えられる。
【００４１】
【数２】

【００４２】
Ｏｘに平行に偏光された光は、Ｏｙに平行に偏光された光と同じ屈折率にはならない（does not experience the same index）。複屈折Δｎの概念は、この２つの値の差に由来している。
【００４３】
この場合、引き起こされる複屈折は、次式のように応力に比例する。
【００４４】
【数３】

【００４５】
次に、光弾性効果の最も重要な結果の１つは、線形の複屈折が生じることである。２つの平面偏光された波は、Ｏｘ方向およびＯｙ方向における偏光に関して、変形なしに伝播することができる。ＯｘおよびＯｙは、一般に、ファイバの固有軸と呼ばれる。それぞれの軸に平行な偏光された光の位相速度は異なり、位相差は、次式によって与えられる。
【００４６】
【数４】

式中、Φは位相差、λは伝播光の波長、Δｎは複屈折、ｌは伝播距離である。
【００４７】
複屈折は、媒体における局所的な応力の関数である。次いで、加えられる応力を制御することによって、引き起こされる複屈折を制御し、したがって出力光の偏光状態をもたらす位相差を制御することが可能になる。
【００４８】
したがって、光ファイバのコアに応力場が加えられたときには複屈折が引き起こされて現れることが理解される。本発明の好ましい実施形態では、上記の特別な構成のファイバをビスマス−スズ合金からなる挿入電極とともに使用して、この応力場を発生させた。実際に、１つの電極に電流を注入することによって、挿入された金属は、ジュール効果（抵抗加熱）のために加熱される。加熱の間、金属が膨張し（表１のビスマス−スズ合金の熱特性を参照）、光ファイバのコアに圧力が加えられる、すなわち応力場が加えられる。この状況を、図８に概略的に示す。
【００４９】
【表１】

【００５０】
膨張した金属は、常に、加熱領域に隣接する電極の固体低温領域から圧縮作用を受けることに留意されたい。金属は溶融した場合に収縮し（使用した合金の特殊な性質、表１参照）、このため応力によって引き起こされる屈折率変化は小さくなる。
【００５１】
さらに、長手方向電極を有するファイバでは、電極をその内部に配置した孔が存在するために、複屈折がすでに存在している可能性があることにも留意されたい。ただし、複屈折に対するそのような寄与は、デバイスを加熱したときも一定のままである。
【００５２】
ジュール効果（抵抗加熱）は電流とともに増大する。温度が高くなるにつれて、金属がより膨張し、コアに加えられる圧力はより高くなる。応力は、Ｏｘ方向とＯｙ方向で同じではないので、電極中を流れる電流は、追加の複屈折を引き起こし、その大きさは、注入された電流の値に直接関係付けられる。
以下、光ファイバのコアの屈折率の変化を決定するための理論的な枠組みを示す。
【００５３】
ここで、図９に示す構成を参照する。方向Ｏｚに伝播する単色波では、固有軸はＯｘ’およびＯｙ’である。長手方向電極中を流れる電流、およびその熱膨張の影響を受けて、ファイバは、Ｏｘ’およびＯｙ’に沿った線形偏光状態の間に位相差Φを導入する（introduce）。ファイバは、波長板（wave plate）として作用する。このファイバは、偏光子と、それに直交する向きの検光子（直交偏光子）との間に配置され、偏光子はＯｙ軸に整列され、したがってこの軸に平行に偏光された光を通過させる。
【００５４】
単色波の偏光状態は、ジョーンズ（Jones）・ベクトルと呼ばれるベクトルＶによって表すことができる。偏光子や移相板など偏光状態を変更する光学デバイスに関しては、それらは、ジョーンズ・マトリクスと呼ばれるマトリクスによって数学的形式でそれぞれ記述される。
【００５５】
Ｏｘｙｚを実験室の基準系（reference system）であるとする。この系が、強度Ｉ₀の波によって照明されるとき、現れるジョーンズ・ベクトルＶ’は、次式で表される。
【００５６】
【数５】

ここで、
【数６】

は、それぞれ偏光子および検光子のジョーンズ・マトリクスである。
【００５７】
この実験室系（labaratory system）において、ファイバのジョーンズ・マトリクスは、次式で与えられる。
【００５８】
【数７】

式中、Φは、ファイバによって導入される位相差、αは、固有軸と実験室の基準系との間で定義される角度である。
次に、伝送される強度Ｉは、次式で与えられる。
【００５９】
【数８】

【００６０】
式１０は、伝送される光強度には、デバイスから出る光に関する位相情報が含まれることを示す。
注
・伝送される光強度を示す関数は、Φに関して２π周期である。
・α＝π／２またはα＝０ならば、ｓｉｎ２α＝０。この場合、Φに関する情報は得ることができない。なぜなら、伝送される光強度がゼロに等しいからである。さらに、この場合、ファイバの固有軸が偏光子に整列されるため、導入される位相差は常にゼロに等しく、デバイスは、複屈折を加えた状態で偏光を回転させることができない。
【００６１】
実験結果
本発明の原理を、図９に概略を示した実験設備を用いて試験した。
２個の内部金属電極を有するファイバをペルチェ・ヒータ素子で外部加熱する予備研究（preliminary study）を行った。図１０に、検出器で測定した温度と光強度の時間変化を示す。
【００６２】
光信号はペルチェによって引き起こされた温度変化の影響を受けることに留意されたい。ファイバを加熱すると、電極が加熱されて、ファイバのコアを膨張させ、これに圧力を加えようとする。これは、位相差の変化をもたらし、それが光強度の変化の原因である。
【００６３】
外部加熱が屈折率に影響を与える様式が、熱膨張した内部電極が屈折率に影響を与える様式と同じ特徴を示さないと考え得るとしても、上記の結果は、光出力信号が、温度擾乱に対して非常に敏感であることを示す。
【００６４】
これらの予備実験に使用した光源は、光学ベンチの位置調整を容易にする可視のヘリウム・ネオン・レーザ（λ＝６３２ｎｍ）であった。実験設備を、図１１に概略的に示す。偏光子は、調整可能な方向に直線偏光された入力ビームをもたらした。このビームを、レンズによってファイバ内に結合させた。光は、長手方向電極を有するファイバを通り、第２のレンズによって検出器上で平行にした。出力波の位相を解析するために、検出器の前面に第２の偏光子を設けた。
【００６５】
定電流電源が、ファイバ内の電極への注入電流の調節可能な制御をもたらした。
光信号および電気信号の両方を、デジタル・オシロスコープ（Tektronix−TDS 784Ａ）のスクリーン上に同時に表示することができた。
電流が、ファイバ内の電極を通過するとき、伝送される光強度の著しい変化が認められた。
【００６６】
図１２に、角度α（図９と比較して）の３つの異なる設定に関する、長さ５ｃｍのデバイスの１つの電極を通過する１２０ｍＡの電流を使用した結果を示す。ファイバ・デバイスは、いかなる擾乱も受けないので、３つの出力波の（偏光構成部品間の）初期位相差は等しい。しかし、それらの各々について、αの値が異なるから３つの初期光強度は等しくない。ｔ＝０で電流が加えられたとき、追加の複屈折が引き起こされ、したがって位相差Φが変化した。３つの曲線は、理想的な場合には正弦波変化を示すが、温度は時間とともに線形に増大しなかったので、引き起こされた位相差は、時間に対して線形ではなかった。そうではなくて、観測された曲線は、チャープされた（chirped）正弦波変化を示す。
【００６７】
αの値がπ／４に近づくほど、伝送される光の強度変化が大きくなる。したがって、角度αについてこの特定の設定を用いることが好ましい。この角度での測定が最も敏感だからである。
【００６８】
ｔ＝０で観測された３つの負のピークは、互いに等しくなく、またゼロに等しくもない。その理由は、使用した検出器が十分に速くはなかったことである。
【００６９】
図１３に示すように、低い電力の印加で、大きな位相差を引き起こすことができることが実証された。電流がオンになったとき、金属の温度は、何分の１秒か（a fraction of a second）で１００℃に上昇し、圧力を発生し、ファイバ・コア中に追加の複屈折を引き起こした。１秒後、温度変化は、小さくかつ緩やかになり、電流がオフになったとき、光信号はｔ＝３.２ｓまで僅かだけ変化した。そのとき、反対の現象が起こり、位相差がその初期位置近くまで戻った。上記の場合には、光強度をその初期値にさらにその先まで戻す位相差が生じた。これは、０.３Ｗ未満の電力で２πを超える位相差が引き起こされたことを示唆している。
【００７０】
提示される１つの明らかな疑問は、引き起こされた複屈折が、電極内の膨張した金属によって及ぼされた圧力から生じるものか、それとも温度変化から直接に生じるものかである。これを試験するために、同様の測定を行ったが、この場合は、金属が溶融するまで待った。光信号に対する作用を記録したが、これを図１４に示す。固体から液体への相遷移は、いかなる温度変化もなしに生じ、その際このような実験により、圧力作用のみの検討が可能となることを想起されたい。
【００７１】
構成部品を横切る電圧、すなわちその抵抗値に比例する電圧の変化を示す電気信号について考えてみる。これは、図７にすでに示したものと同じ時間変化を示した。すなわち、電流がオンになった後、速やかに第１のレベルに到達し、さらにｔ＝３８ｓで急激に低下して金属が溶融したことを示した。この２つの点が、光信号の変化を決定するものであった。前述のように、この電流のレベルによって、位相差の変化が生じた。第２の点は、複屈折を引き起こす際の圧力だけの影響を示す。金属が溶融したとき、温度は一定のままであった。したがって、光信号の急激な変化を説明できる唯一の現象は、電極材料の融点における圧力の急激な変化であった。上述したように、合金は、溶融するとき収縮し、したがって、合金が受ける圧縮力はゼロに低下する。これにより、応力によって引き起こされる屈折率の変化は取り除かれる。
【００７２】
システムが断熱的であると仮定し、合金の融解熱（純粋なビスマスの融解熱と純粋なスズの融解熱の相対比）が５６.５Ｊ・ｇ^-1であると仮定して計算すると、合金の質量全体を溶融させるのに５０ｍｓかかると予測されることに留意されたい。しかし、この遷移までの時間が、少なくともｔ＝３８ｓとｔ＝４５ｓの間であることに、図１４から気づくことができる。この長い時間遷移から、周囲（ファイバ内）への熱散逸によるエネルギー損失が明らかである。
【００７３】
偏光計を用いた実験
本発明によるデバイスを、市販の偏光計（Profile PAN 9009）を使用してさらに試験した。
【００７４】
以下の試験で使用したファイバは、２孔２コアのファイバ（図２ｂ参照）である。意図せずに（unintentionaly）、１つの孔だけが金属で充填された。デバイスの長さ、すなわち長手方向電極に沿った２つの外部接続の間の距離は、約２ｃｍであった。このように作成されたデバイスの測定抵抗値は、１１.６Ωであった。スプライスされた標準のシングル・モード光ファイバを使用して、２コア・ファイバの１つのコアに入力光を結合させた。試験したファイバ片の全長は３０ｃｍであった。
【００７５】
このファイバのコアの中心間距離は、約２６μｍであり、コアの１つの中心と金属表面との間の最短距離は、１３μｍであったことに留意されたい。この実験では、コア間の光結合は観測されなかった。
【００７６】
１５５０ｎｍの光を使用した結果
本ファイバ・デバイスを、様々な電流値で試験した。この実験での試験光の波長は１５５０ｎｍであった。これは、調整可能な外部キャビティ・レーザ・ダイオード（Photonetics−Tunics Purity）によってもたらされた。ファイバ・デバイス内への入力光は、高度に偏光された。
【００７７】
観測された最大位相差は、電流が１６０ｍＡと高いとき、１５°であった。長さ３０ｃｍのファイバが、偏光子としての挙動を示した。これは、ファイバ片の偏光依存損失（Polarization Dependent Loss、ＰＤＬ）を測定することによって確認された。ＰＤＬは、偏光の全ての可能な入力状態について、最大挿入損失と最小挿入損失の差として定義される。例えば、偏光子は非常に高いＰＤＬを有し、偏光に無関係な構成部品はゼロに近いＰＤＬを有する。４０ｄＢ、すなわち１０⁴の吸光度の測定されたＰＤＬが得られた。偏光の１つの状態の非常に大きな減衰は、孔内のコア近くに金属（電極）が存在することに帰することができる。実際、１５５０ｎｍでは、電磁界はコアに閉じこめられず、一部がファイバのクラッド内を移動する。したがって、電極によって規定される軸に平行な方向（図９のおけるＯｙ’）に偏光された波は、金属が存在すると吸収される。
【００７８】
結論
コアの中心から金属までの距離が１５μｍであり、波長が１５５０ｎｍであり、金属で充填されたファイバの長さが３０ｃｍであるこの特定の場合には、偏光が電気的に制御されることを証明することはできなかった。
【００７９】
そうではなくて、エバネセント場と内部電極の相互作用の結果、試験した全ての電流値について１５５０ｎｍで優れたファイバ偏光子が得られた。
【００８０】
８０８ｎｍの光を使用した結果
この実験設備で上述の直交する偏光子およびヘリウム・ネオン・レーザを使用して得られた結果を確認するために、ヘリウム・ネオン・レーザの波長に近い波長のレーザを用いて測定を行った。この波長は、使用した偏光計の短波長のカットオフ（７００ｎｍ）よりも長かった。８０８ｎｍで動作する偏光されていないファイバ結合されたレーザ・ダイオード源（Opto Power Corporation−OPC D010 808 ＨＢＨＳ）が利用でき、その最大パワー出力の非常にわずかな部分（約０.１ｍＷ）を測定に使用した。この場合、ヘリウム・ネオン・レーザの場合と同様に、電磁界は、ファイバのコアにより多く閉じ込められ、したがって減衰に関して電極の存在による妨害がはるかに少なくなるはずである。
【００８１】
ファイバ・デバイス内を流れる電流が、緩やかに増大するにつれて、ポアンカレ球における偏光状態を示す点は、有意にシフトした。
【００８２】
図１５に、電流が、１５０ｍＡまで増加しその後ゼロに低下したときの、ポアンカレ球における偏光状態の経路を示す。
【００８３】
システム応用例では、５０ｍｓよりも短い応答時間に大きな関心が寄せられているので、偏光計の良好な時間解像度機能を使って、本デバイスによって提供される偏光制御の実際の速度を決定した。１００ｍＡの電流を使用したとき、図１６に示す結果が観測された。
【００８４】
１０％〜９０％立ち上がり時間が２０ｍｓ未満で偏光状態を１８０°シフトさせる高速な構成部品が存在することがわかった。５０ｍｓ以内でシフトの９５％が完了し、最後の５％が１秒以上かかることが判明した。
【００８５】
結論
ヘリウム・ネオン・レーザを用いた前述の実験から予測されるように、わずかな電力で大きな位相差を引き起こすことが可能である。さらに、それが、速い応答時間で実現できる。
【００８６】
したがって、光ファイバにおける光の偏光の電気制御が可能なことが示された。この制御は、内部長手方向電極を有するファイバを備える、本発明によるデバイスで実現できる。本デバイスは、光弾性効果に基づくものである。これは、小さな印加電力で達成され、速い応答時間を達成することができる。
【００８７】
１５５０ｎｍで動作する本発明のデバイスを得るために、（ここで使用した長さ３０ｃｍの片の代わりに）金属で充填したより短いファイバ片を使用することができる。これを、より短い接触されたデバイス（この場合は長さが僅か約２ｃｍであった）を使用することと混同すべきではなく、電極を有するファイバの実際の長さを言っていることを指摘しておきたい。あるいは、コアとファイバ内の電極の間の距離を増大させることもできる。この両方の解決方法を試験したが、優れた結果を与えた。例えば、１５３０ｎｍの波長と１５７０ｎｍの波長の間で完全に動作するデバイスの偏光に依存する損失は、０.１ｄＢより小さいと測定された。
【００８８】
単一のデバイスを用いて偏光制御を実証してきたが、単一の要素で偏光空間全体を走査することは不可能である。この目的には、λ／４、λ／２、およびλ／４調整を提供する３つのコントローラを使用することができる（機械式偏光コントローラと同じ原理を使用する）。しかし、他の組合せも可能である。
【００８９】
本発明のさらなる実施形態では、デバイスの効率を改善するために、より大きな熱膨張値を有する他の金属合金を使用する。
【００９０】
有利には、本発明によるデバイスは、図１７に概略的に示すように、ダイオード・レーザ（ＬＤ）からの放射の偏光状態を制御するために使用することができる。ダイオード・レーザからの偏光の完全な制御を達成する１つの方法では、本発明による３つの偏光制御デバイス（Polarization Control Device、ＰＣＤ）が一般に必要である。第１の偏光制御デバイスは、直線偏光を維持し、かつ恐らくそれを所望の方向に調整するためのものであり、第２および第３の偏光制御デバイスは、直交する軸常で作動することによって偏光状態を円偏光に変換するためのものである。しかし、この制御を達成する方法は他にも多数存在し、上述のものは一例に過ぎない。この例を、図１８に概略的に示す。
【００９１】
さらに、本発明によるＰＣＤを使用し偏光子も含めることによって、図１９に示すような可変光学減衰器を実現することができる。偏光子は、ファイバ・コアに近接する導体の形で実施でき（図２０）、またファイバ内のテーパ形の孔によって実施することもできる（図２１）。
【００９２】
コアの周りに複数の電極を配置したファイバは、様々な方向における偏光の選択的な制御に使用することができる。そのような場合、電流は、ファイバの様々な部分で異なる、１つまたは複数の選択された電極を流れる。このようにして、差分デバイス、偏光スクランブラ、変調器などの要素を実現することができる。
【００９３】
図２２に、特に魅力的な構成を示す。例えば、図２ａに示すようなファイバ内の４つの電極の１つに電流が流れるとき、電極は、最初加熱されかつ膨張し、ファイバの複屈折の増大を引き起こす。この電流駆動される電極からの熱が、ファイバの他の３つの電極に到達すると、他の３つの電極も膨張し、全体の複屈折が強く低減されて、電流なしで測定された値にほぼ戻る。その後、ファイバが冷却して室温に戻る時間を待つことなく、複屈折を増大させ低減させることができる。デバイスは、電流信号の微分に光学的に応答する。ここに示す場合には、ファイバは、ファイバ・コアに関して直交して配置された、２つの長手方向の内部電極を含む。これは、本発明に従って熱膨張されたとき、電極が、ファイバ・コア内で２つの異なる直交する方向に複屈折を引き起こすことを意味する。２つの電極を同時に作動させようとする場合、生じる応力場は、ベクトル加算によって得られることになる。この図において、この場は、左下の方向を有する。しかし、２つの電極が、ファイバの別個の部分で作動される場合は、ベクトル加算が生じないので、効果は異なる。そうではなくて、第１の電極（上流側）の作用が、第２の電極（下流側）によって本質的に相殺される。この種の縦続接続された加熱による構成を、図２３に概略的に示す。ここに示す例は、各電極ごとに２つの加熱される部分２３１（１）ａ、２３１（１）ｂおよび２３１（２）ａ、２３１（２）ｂを含む。外部電気接続は、各電極の端部のワイヤ・スタブとして示してある。電流は、電極のこの部分だけを通って流れるため、電極の加熱は、電極に取り付けられた供給ワイヤ間だけで生じることに留意されたい。
【００９４】
図２２および２３に概略的に示した原理を用いて、より速いスイッチングを得ることができる。電流がスイッチ・オンされたときのデバイスに関する立ち上がり時間は非常に速く、一方、電流がスイッチ・オフされたときの立下りはより遅いことを想起されたい。しかし、図２２および２３に示す２つの縦続接続された直交する電極を使用することによって、第１の電極の作用を、第２の電極の作用によって相殺することができる。第１の電極が作動された後わずかの時間に、第２の電極を作動させることによって、速いスイッチングが得られる。換言すれば、電流の開始の速い立ち上がり時間が、複屈折を引き起こすためにも、複屈折を相殺するためにも使用される。そのような要素を擬似ランダム電流信号で駆動することによって、偏光状態は、ＰＣＤの立ち上がり時間、すなわちミリ秒未満の時間によって与えられるタイムスケールでスクランブルされる。
【００９５】
本発明によるデバイスは、マッハ・ツェンダー干渉計からの出力を安定化するために使用することもできる。この場合、本デバイスを干渉計のアームの１つに組み込み、干渉計からの出力を監視する。そうすると、ＰＣＤのためのドライバ手段へのフィードバックが、所望の出力を提供する（光強度を最大または最小にする）。これを図２４に示す。
【００９６】
本発明のデバイスは、図２４に示したのと類似の方法で、光スイッチを提供するために、マッハ・ツェンダー干渉計と共に使用することもできる。本発明による光学デバイスを干渉計のアームの１つの組み込むことによって、位相変化を引き起こすことができ、選択された出力から発生するように出力を電気的に設定することができる。この場合、本デバイスを、一方または両方の出力から放出される光出力を検出しデバイスのドライバ手段を制御するフィードバック構成とともに使用する。このようにして、所望のパワーを、デバイスの所望の出力から放出することができる。図２４に示したようなスイッチは、電極をファイバ・コアに近接して配置することによって偏光性とすることができ、またコアから十分に離してコアからのエバネセント場の外側に電極を配置することによってほぼ偏光とは無関係にすることができる。
【００９７】
本発明によるデバイスおよび方法が使用できる様々な応用例が他にも存在することは、当業者に理解されよう。添付の特許請求の範囲で定義される範囲内で変更も可能である。説明し図示した実施形態は、本発明がどのようにして実施できるかを示す好ましい例にすぎない。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】長手方向の切断部を有するファイバ母材の断面を示す概略図である。
【図２】ａは１つのコアと４つの長手方向孔を有するファイバ断面の写真であり、ｂは２つのコアと２つの長手方向孔を有するファイバ断面の写真であり、ｃは長手方向孔をその中に形成したファイバのＳＥＭ写真である。
【図３】ファイバ内の長手方向孔内に液体電極材料を導入するための構成を示す概略図である。
【図４】２つの長手方向電極を有するファイバの写真である。
【図５】ファイバの側部から電極を露出させるために、ファイバの側部をどのように研磨するかを示す概略図である。
【図６】外部電気接続をどのようにファイバ内の長手方向電極に取り付けるかを示す概略図である。
【図７】デバイスにかかる電圧を、異なる印加電流に対する時間の関数として示すグラフである。
【図８】電極の熱膨張によって引き起こされる応力を示す概略図である。
【図９】本発明によるデバイスによって達成される、偏光に対する影響を決定するための基本的セットアップを示す概略図である。
【図１０】加熱が外部から加えられたときに、図９によるセットアップにおける測定された光強度を示すグラフである。
【図１１】本発明によるデバイスによって達成される、偏光に対する影響を決定するために使用した実際の構成を示す概略図である。
【図１２】実験室参照フレームとデバイスの固有軸との間の異なった角度αに対する出力光強度を示すグラフである。
【図１３】電流が約３秒間電極中を通過したときの、出力光強度およびデバイス両端間電圧を示すグラフである。
【図１４】電極材料が溶融したときの効果を示すグラフである。
【図１５】電極中を流れる電流が１５０ｍＡまで増加し、次いで０に戻ったときの、ポアンカレ球上の偏光状態を示すグラフである。
【図１６】１００ｍＡの電流が電極を通過したときの、観測される位相差を時間の関数として示すグラフである。
【図１７】本発明によるデバイスが、レーザ・ダイオードからの放射の偏光制御にどのように使用されるかを示す概略図である。
【図１８】本発明による３つのデバイスを用いる偏光制御のための構成を示す概略図である。
【図１９】可変光学減衰器を実現するための本発明によるデバイスの使用を示す概略図である。
【図２０】偏光子がファイバ内でどのように実装されるかの第１の例を示す図である。
【図２１】偏光子がファイバ内でどのように実装されるかの第２の例を示す図である。
【図２２】ファイバに沿った別個の部分で作動できる２つの電極を有するファイバの概略端面図である。
【図２３】各電極が、２つの別個の部分に作動できるように配置された、図２２のファイバの概略側面図である。
【図２４】本発明によるデバイスが、マッハ・ツェンダー干渉計を安定化させ、かつ光スイッチングするために、どのように使用されるかを示す図である。

Claims

光ファイバのコアの屈折率を変更する方法であって、光ファイバが、その内部にコアに沿って配置された少なくとも１つの長手方向電極を有し、
該電極中に電流を通過させてその抵抗加熱を引き起こし、その結果、電極が熱膨張して上記ファイバのコアに応力がかかることを特徴とする工程を含む上記方法。
光ファイバのコアが、非対称な応力を受け、それによって該ファイバのコア中で複屈折が引き起こされる、請求項１に記載の方法。
複数の長手方向電極の１つまたは複数の電極中を選択的に電流を通過させる、請求項２に記載の方法。
電流は、まず第１の電極を通過するようにスイッチ・オンされ、次に第２の電極を通過するようにスイッチ・オンされ、第１および第２の電極が、光ファイバのコアの周りに直交して配置され、第１の電極のオンセットが偏光状態をスイッチし、続いて第２の電極のオンセットが偏光状態をリセットする、請求項３に記載の方法。
光ファイバ内における電極の制限された長さに電流を通過させ、それによって上記制限された長さにわたってだけ熱膨張をさせる、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
コアにおける応力を、光ファイバの様々な長さにおいて様々な方向で引き起こさせる、請求項３に記載の方法。
コアおよびクラッドを有する光ファイバと、
該ファイバ内に形成された少なくとも１つの長手方向電極と、
この少なくとも１つの長手方向電極を通る電流を駆動するドライバ手段とを備え、
該電極および前記ドライバ手段が、電極の熱膨張によって熱的に引き起こされた応力を発生させることによって、光ファイバのコアに屈折率変化を引き起こすように構成され、上記熱膨張が、電極中を流れる電流による抵抗加熱によって引き起こされる、光学デバイス。
電極または各電極が、光ファイバのクラッド中にコアに隣接して設けられる、請求項７に記載の光学デバイス。
電極または各電極が、光ファイバ内の長手方向孔内に、該孔が電極材料で径方向に完全に充填されるように設けられる、請求項７に記載の光学デバイス。
電極または各電極がＳｎ−Ｂｉ合金を含む、請求項７〜９のいずれか一項に記載の光学デバイス。
電極およびドライバ手段が、光ファイバのコア内に非対称な応力場を引き起こし、それによって、コア内に複屈折を引き起こすように構成される、請求項７〜１０のいずれか一項に記載の光学デバイス。
コア内で引き起こされた応力を制御するために、電流が、選択的に複数の電極のうち１つまたは複数の電極に沿って通過することができるように、光ファイバのコアの周りに配設された複数の長手方向電極を備える、請求項７〜１１のいずれか一項に記載の光学デバイス。
外部ワイヤが、電流を供給するために電極または各電極に取り付けられ、該ワイヤが、加熱される電極の長さを規定する、請求項１２に記載の光学デバイス。
光ファイバが、その中を伝播する光の一部をカップルアウトし解析することができるように、該ファイバの一部分を漏れやすくする散乱中心を備える、請求項７〜１３のいずれか一項に記載の光学デバイス。
散乱中心が、光ファイバの幾何形状中に局所的な擾乱を含む、請求項１４に記載の光学デバイス。
散乱中心が、光ファイバの屈曲部を含む、請求項１４に記載の光学デバイス。
光ファイバ内に固定された偏光子をさらに備え、それによって、電極を通過する電流を制御することによって可変の光学的減衰を得ることができる、請求項７〜１６のいずれか一項に記載の光学デバイス。
レーザ・ダイオードからの光が、デバイスを通過し、該デバイスが、所望の偏光が得られるように制御される、レーザ・ダイオードからの放射を偏光制御するための、請求項７〜１７のいずれか一項に記載のデバイスの使用。
光がまた偏光子を通して向けられる、光ファイバ内を伝播する光信号を可変に光学的減衰させるための、請求項７〜１７のいずれか一項に記載のデバイスの使用。
デバイスが干渉計の１つのアーム内に配置され、該デバイスにフィードバックを与える、マッハ・ツェンダー干渉計からの出力を安定化するための、請求項７〜１７のいずれか一項に記載のデバイスの使用。
選択された出力から生じるように出力を制御できる光スイッチを提供するために、マッハ・ツェンダー干渉計の１つのアームに組み込まれている、請求項７〜１７のいずれか一項に記載のデバイスの使用。