JP2006053559A - 偏波不感微小曲げ光ファイバグレーティング、およびそれを使った装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低コスト、高信頼性、高生産性、低損失の偏波不感微小曲げ光ファイバグレーティングを製造する方法を提供することにより従来技術の不都合を克服すること。
【解決手段】ＬＰ_１ｍモードのＴＥ，ＴＭ成分に対応する共振波長とＬＰ_１ｍモードの奇／偶ＨＥ_２ｍ成分に対応する共振波長との間に“分離”が表れるように構成された光ファイバの一部から形成される微小曲げ生起ファイバグレーティングは、ＴＥ、およびＴＭ成分のみが偏波依存であるので、これらのモードの共振波長を分離し、奇／偶ＨＥモードに対応するシステムに望まれる波長からずらすことにより偏波不感となる。中央部コア領域、溝、および環状領域を含むファイバコア構成をコア屈折率プロファイルの環状領域の屈折率と溝領域の屈折率との間に非常に急勾配の遷移がある大きな半径方向の勾配を示すように形成することにより、ＴＥ／ＴＭモードとＨＥモードの間に望ましい分離を生じる。
【選択図】 図４

Description

本発明は微小曲げ光ファイバグレーティングに関するものであり、特に、目的の共振波長においてＨＥモードだけが存在するように、ＨＥおよびＴＥ／ＴＭベクトルモードを独自の構成のファイバに意図的に分離して偏波不感微小曲げ光ファイバグレーティングを形成することに関する。

チューニング可能な広帯域モード変換器は、波長分割多重（ＷＤＭ）光通信システムにおいて重要な役割を担う。それらは、例えば、“複数のモード”のうちのある１つのモードで伝播する光波信号を他の空間モードに動的に変換するために使われる。そのような結合は光波信号が取る光路を変更するために魅力的である。なぜならば（ファイバ中の他の空間モードによって決められる）変更した光路は好ましい分散、非線形性、あるいは増幅特性を持つかもしれないからである。この例の一つが高次モード（ＨＯＭ）分散補償装置であって、それによって全通信帯域の光は入力のＬＰ_０１モードからＬＰ_１１あるいはＬＰ_０２モードなどのより高次のモードに切り替えられる。

一般的な意味で、長周期グレーティング（ＬＰＧ）は光ファイバのあるモードから他のモードにパワーを移すために位相整合結合をもたらすためのモード変換装置である。これは波長選択損失を生じさせるための通常の伝送ファイバの導波モードとクラッドモードの間の結合に特に有効であることが証明されている。光通信システムにおいては、ＬＰＧはＷＤＭ伝送信号を波長選択的に減衰させる装置の実現のために大々的に使われてきている。

ＬＰＧのスペクトル特性の動的チューニングが提案され、これまで種々の動的チューニングの技術が例示されてきている。特に、コアモードとクラッドモードとを結合するＬＰＧは、ファイバのクラッドモードと互いに影響しあう外側、あるいは内側の材料の屈折率を調整することにより動的にチューニングされうる。微小曲げ生起ファイバグレーティング（ＭＩＧ）は動的ＬＰＧのひとつであって、ファイバの周期的な微小曲げによって屈折率のふれが生じさせられる。特に、ＭＩＧの結合の強さは伝播する音波の強さを変える、あるいはファイバに加える圧力を変える（つまり、所定の周期の波型の表面でファイバを加圧する）ことにより選択可能である。

以下に詳細に述べるように、ＭＩＧにはいくつかの効果的な装置としての利用がある。例えば、一緒に伝わるモードの一方がシングルモードファイバの基本モードであり、他のモードがクラッド導波モードであるとき、広帯域の光がシングルモードファイバ中を伝送されるときにＭＩＧは波長依存性のある損失スペクトルを生じる。波長依存性のある損失は、例えば利得平衡化フィルタ、広帯域光装置のスペクトル整形器、増幅された自然放射フィルタ、ファイバレーザの動作波長安定用損失フィルタなどいくつかの装置の効果をあげるために有効であることが知られている。一方、共に伝播するモードの双方がファイバのコア領域に導かれるとすると、ＭＩＧは、上に述べたように、高次モードの変換、可変型光減衰などに使われる効果的なモード変換器を実現するために使われる。

ＭＩＧを使うことのひとつの難点は、完全に円形のファイバにグレーティングが形成されるとしても本質的に偏波に敏感であるということである。図１、および２のモードの表現はこの現象の説明に使われている。微小曲げ生起ファイバグレーティングは、上に述べたように、環状に対称性があり（図１（ａ）、および（ｂ）のＬＰ_０１モードのような）偏波縮退モードと（図１（ａ）、および（ｂ）のＬＰ_１１のような）非対称ＬＰ_１ｍモードとを結合する。ここでｍは非対称モードの半径方向の次数である。図２において、ＬＰ_１１モードはベクトルモードＴＥ_０１、ＴＭ_０１と奇数、および偶数のＨＥ₂₁モードを含む４重の縮退を持つことを示している。

（コア／クラッドの境界を規定するために必要な）半径方向の屈折率変化を有するファイバ導波路のいずれについても、このような４つのモードがわずかに異なる伝播定数を示すことが知られている。こうして、所定の格子周期Λの微小曲げ光ファイバグレーティングを結合すると、その結果それぞれ異なるモードに対してわずかに異なる共振波長を示す。基本モードの偏波方向が異なることは４つのモードに対して励起レベルが異なることになるので、その結果である結合スペクトルも偏波依存となり、それは偏波不感応答がしばしば必要な条件である光ファイバシステムへのＭＩＧの適用を著しく制約するという好ましくない結果となる。

ＭＩＧの偏波感受性を軽減するための従来の試みは一般に３つのクラスに分けられる。（１）ひとつのケースとして、環状で対象性の微小曲げを生起させるためにファイバの周囲に細いワイヤをらせん状に巻きつけることにより、ファイバの直交する２つの横軸に沿って微小曲げを生起する；（２）きわめて細いファイバにＭＩＧを形成する（その結果、奇／偶のＨＥモードのみを結合する）；（３）偏波依存損失を補償するために外部の構成要素を用いることで偏波の多様化をシステムに導入する。第１の解決方法を見ると、それは高額で角度誤差が厳しい複雑な波形ブロックの精密な機械加工を要するという意味で制約があることが分かっている。

さらに、光が一組の微小曲げから直交する曲げ方向に行き来するときに偏波の回転が生じないことを確実にする必要がある。また提案のように、らせん状の微小曲げを用いることはそれぞれの（高いレベルの精度を要する）装置を個別に組み立てる必要があり、さらにＭＩＧ本来の魅力的な特徴である“強度チューニング”が出来ない。第２の解決方法で求められるきわめて細いファイバを用いることは、実社会におけるシステムの用法として実用的でなく、きわめて細いファイバに波型ブロックを押し付けることは多くの信頼性、生産性に関わる問題を引き起こすために音響光学の機器構成でのみ使われる。

第３の解決方法（偏波の多様化）は、一対の直交信号を形成する回転装置と偏波ビームスプリッタについて、偏波の状態（ＳＯＰ）を回転させるためにファラデー回転鏡のような装置を使う必要がある。実際に、まったく同一の一対のＭＩＧが必要であり、それぞれが直交する成分に対して別々に作用する。この方式はコスト、サイズと同様、かなりの損失をシステムに与えると考えられている。

かくして、ファイバに微小曲げを生起させる構成（例えば音響光学ファイバ、波型ブロック、恒久的なエッチングを施したグレーティングなど）のいずれにせよ、偏波に不感で、種々のシステム用途に有用な微小曲げを生起させたファイバグレーティングに対する従来の技術には問題が残っている。

米国特許（出願番号１０／２３４，２８９、出願日２００４年３月４日）

本発明は、低コスト、高信頼性、高生産性、低損失の偏波不感微小曲げ光ファイバグレーティングを製造する方法を提供することにより、従来技術の不都合を克服することを課題としている。

前記課題を解決するべく、本発明は、目的の共振波長においてＨＥモードだけが存在するようＨＥ、およびＴＥ／ＴＭベクトルモードを独自の構成のファイバに意図的に分離して偏波不感微小曲げ光ファイバグレーティングを形成する方法を提供する。
従来技術に残る問題は、微小曲げファイバ、特に、目的の共振波長においてＨＥモードだけが存在するようＨＥ、およびＴＥ／ＴＭベクトルモードを独自の構成のファイバに意図的に分離して偏波不感微小曲げ光ファイバグレーティングを形成することに関わる本発明によって処理される。

本発明は、もし光波結合がＨＥの奇／偶モード中でのみ生じるのであれば、微小曲げファイバグレーティングは本質的に偏波に敏感でない（不感）ということの発見に基づいている。一般に、ＴＥ_０１、ＴＭ_０１モードの伝播定数は一対のＨＥ_２１モード（奇／偶ＨＥモードは等しい伝播定数を示す）の伝播定数とわずかに違う。伝播定数の差は非常に小さく、そのようなファイバで形成され、一様な微小曲げ生起ファイバグレーティングの対応する共振波長は入射光の偏波のいろいろな状態（ＳＯＰ）に対してほぼ０．２から５．０ｎｍだけ異なる。この差（以後、波長選択（ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ）と称する）はかなり小さいが、１０ｄＢ以上の偏波依存性損失を生じる程度には大きい。

本発明によれば、ファイバはファイバコアの屈折率プロファイルの半径方向の傾きが十分大きくなるように設計することにより、所望の波長選択を与えるよう構成される。特に、ファイバコアは中央部のコア領域、中央部コア領域を取り囲む溝、溝を取り囲むリングからなるとする。コアの各部はその屈折率（Δｎ）、および半径ｒによって規定される。その屈折率はシリカの屈折率（"０"と定義）に対する“屈折率差”として定義され、半径は特定の領域の厚みとして定義される。本発明の所望の波長選択を示すファイバを形成するために同時に満足すべきデザインルールとして以下のパラメータが使われる。（１）リング（Δｎ_ｒ）の屈折率差が０．０１５より大きく、溝とリングの屈折率の間の勾配が十分に急な遷移（１μｍよりは大きくない）をする；（２）中央部コア領域（Δｎ_ｃ）の屈折率差がリングの屈折率差の値のほぼ３／４（つまり、Δｎ_ｃ≒０．７５×Δｎ_ｒ）に保持される。

本発明のひとつの実施例として、同時出願中の米国特許出願Ｎｏ．１０／２３４，２８９（２００４年３月４日出願）において、ＴＡＰ条件は運用においてかなり広い帯域幅を示すことが知られていて、したがって非常に広い帯域幅の格子共振を生じるとして議論されているようにファイバは転回点（ｔｕｒｎ−ａｒｏｕｎｄ ｐｏｉｎｔ：ＴＡＰ）条件を示すように構成されてもよい。

そのような波長選択微小曲げファイバグレーティングが音響光学、あるいは（固定波長非整調型微小曲げファイバグレーティングに使われるのと同様に）波型要素チューニング技術のいずれかによって形成されるということが本発明の特筆すべき特徴である。

本発明によれば、目的の共振波長においてＨＥモードだけが存在するようＨＥ、およびＴＥ／ＴＭベクトルモードを独自の構成のファイバに意図的に分離して偏波に不感とすることが可能となる偏波不感微小曲げ光ファイバグレーティング、およびその製造方法が得られる。

本発明のよりよい理解のために、添付の図、および添付の請求の範囲とにより以下に説明する。なお、これらの図面中の構成要素は必ずしも寸法通りではない。

以下に詳細に議論されるように、内部に微小曲げグレーティングが形成されるファイバは、本発明によって、ＴＥ_０ｍとＴＭ_０ｍモードの伝播定数が奇／偶ＨＥ_２ｍモードの伝播定数とは本質的に分離されるよう意図して設計される。その結果、ＴＥ_０ｍ、ＴＭ_０ｍモードに関わる共振波長はＨＥ_２ｍモードの共振波長とは大きく異なり／分離され、ＨＥ_２ｍモードの共振波長が光システムの伝送波長として定義される。議論の続きとして、半径方向のモードｍ（ｍ＝１）が一次モードであると仮定する。しかしながら、本発明の原理はより高次のモードに対しても同様に適用できるものである。

半径方向に十分大きな勾配を持つ屈折率プロファイル（つまり、ＬＰ_１１モードのパワーのかなりの部分が、屈折率が半径方向の位置に対して急速に変化するファイバ領域の近くにあるということである）のファイバが偏波不感のために必要とされる望ましい大きな波長選択につながることがわかっている。これにより、本発明は半径方向の屈折率が急速に変化する多数の異なるファイバ構成で実施される。

上に概要を述べたように、図１（ａ）にＬＰ_０１、ＬＰ_１１モードに対応するように設計されたコアを有するファイバの２つのモードそれぞれに対応する半径方向の強度分布を図示する。図１（ｂ）は同じＬＰ_０１、およびＬＰ_１１モードに対応する二次元強度分布を示す。図１から明らかなように、ＬＰ_０１モードは環状の対称な場のプロファイルを有し、一方、ＬＰ_１１モードは中心に空白部分を有し、かつ環状で非対称である。この光ファイバの“リニアな偏波”（ＬＰ）モードの表現は、それが電場をベクトル量でなくスカラー量として扱うのでほぼ正しい。

例えば、ＬＰ_０１モードの平行、および直交偏波の伝播定数β_０１は等しい−よって、基本モードの伝播特性は本質的に通過する信号の偏波状態に対して不感である。しかしながら、上に述べたように、ＬＰ_１１モードは実際には４つの異なるベクトルモード、つまりＴＥ_０１、ＴＭ_０１、および偶、および奇のＨＥ_２１モードの一次結合である。これら４つのモードのベクトル表示を図２（ａ）に示し、２種類のスカラーＬＰ_１１モードとなる一次結合を図２（ｂ）に示す。図２（ａ）の矢印は電場の方向を表す。スカラー波動方程式だけを考えるとき、これらのモードは同じ伝播定数を持つ。しかし、全ベクトル波動方程式を考えるとき、４つのモードは異なる伝播定数を持つ。それは次式で表される。

ここでＴＥ、ＴＭおよびＨＥモードが異なる伝播定数を持ち、偶、および奇（したがってそれが回転したもの）のＨＥモードは縮退している。

これらいろいろなモードの伝播定数の差はかなり小さく、まずスカラー波動方程式を解くことにより得られ、それによってＬＰ_１１モードの伝播定数を得る。次いで一次の摂動理論を適用することにより、以下に示すようにこの場の一次ベクトル補正を得る。

この差は微小曲げ生起ファイバグレーティング（ＭＩＧ）の性能に重要な意味合いを持ち、本発明によるモード選択（モードの関数としての“波長選択”）の結果として偏波不感の発見につながる。特に、ＭＩＧは基本モードを環状の非対称ＬＰ_１１モードと結合し、運用時の共振波長は次の共振条件で異なるモードの伝播定数と密接に結びついている。

ここでｎ₀₁、ｎ_1ｍはそれぞれＬＰ₀₁、ＬＰ_1ｍモードの実効係数であり、（上に示すように）伝播定数と関連している。Λは格子（グレーティング）の周期である。

ＬＰ_１ｍモードのグループのそれぞれのベクトル成分はわずかに異なる伝播定数をもっているので、共振波長もまたそれぞれのモードに対して異なるということになる。さらに、ＴＥ_０ｍとＴＭ_０ｍモードはその定義によって偏波に敏感であり、ＬＰ_０１モードの偏波のある特定の入力状態に対してのみ格子（グレーティング）によって励起される。一方、縮退ＨＥ_２ｍの対はファイバの横断面内のすべての方向に向いた電場ベクトルを持ち、ＬＰ_０１モードの偏波のいかなる入力状態によっても励起される。この結果は、微小曲げグレーティングによって生じた基本モードとＬＰ_１ｍモードを結合させる共振には３つの異なる共振（つまり、３つの異なる波長での共振条件）があり、そのうちの２つはきわめて強く偏波に依存していることを示唆している。

実際に、これら３つのモードはほぼ同じ伝播定数を持っているので、それらの共振はわずかに交じり合い、２つの異なる（しかしきわめて偏波に敏感な）共振を生じる。図３は、種々の強度と偏波状態に対して基本モードとクラッドを伝わるＬＰ_１３モードとを結合するように設計された格子周期が６００μｍの微小曲げグレーティングによって代表的なファイバ中に励起された共振のスペクトルを示す。ＴＥ_０３、ＨＥ_２３、およびＴＭ_０３モードの位相整合曲線は異なっているが、上で議論した理由により、曲線３１０、３２０、および３３０で示すスペクトルのように相似である。このスペクトルは基本モード（ＬＰ_０１）の電場ベクトルが微小曲げ生起平面に平行であるときの強度増加の共振を示している。

同様に、曲線３４０、３５０、および３６０は、基本モードの電場ベクトルが微小曲げ生起平面に直交するときの強度増加の共振を示している。この平行、および直交偏波の間の共振の差は微小曲げグレーティングの特筆すべき利点（非依存性で強度によってのみチューニング可能であること）、および基本的な制約（固有の偏波感応性）のいずれをも明確に示している。偏波依存性損失（ＰＤＬ）は２０−ｄＢ共振に対して１０ｄＢくらい大きくなることに注目するべきである。このＭＩＧの偏波依存性は共振の間のスペクトル分離に特徴があるといってもよい。伝統的な従来技術によるファイバのＭＩＧのある例では、共振はおおよそ１ｎｍで分離される。この値は、使用するファイバのタイプに依存し、０．３ｎｍくらい低いところから数ｎｍの間で変化してもよい。しかしながら、ファイバのタイプに関係なく、これら共振分離の値はすべて許容できないレベルのＰＤＬにつながり、したがってこれはすべてのＭＩＧの本質的な問題である。

よって本発明は、偏波依存性のない微小曲げファイバグレーティングを可能にし、異なるＨＥ_２ｍ、ＴＥ_０ｍ、およびＴＭ_０ｍの間の、上記の式で定義された、伝播定数の差δβ_pertを正確に制御するファイバ設計が可能という発見に基づく、これまでにないファイバ設計を提案するものである。いかなる光ファイバ導波路に対しても、コアは次式で定義される。

ここで、ｎ_ｃｏはコアの最大屈折率、ｒはコアの中心からの距離を規定する半径方向の座標値、Δは関係式（ｎ_ｃｏ−ｎ_ｃｌ）／ｎ_ｃｏで規定される“相対屈折率比”、ｎ_ｃｌはクラッドの屈折率であり、ｆ（ｒ）は屈折率の正規化プロファイルとして定義される。さらに、スカラー伝播定数に対する摂動は次式で与えられる。

ここで値Ｉ_１、Ｉ_２は次の関係式によって屈折率プロファイルと関連付けられる。

ここで、Ｅ_ｌｍ（ｒ）は指標“ｌ”、および“ｍ”のモードに対する場のプロファイルとして定義される。

微小曲げ生起ファイバグレーティングの光結合の前提条件は、偏波不感ＨＥ_２ｍモードと同様に偏波依存成分（つまりＴＥ_０ｍ、およびＴＭ_０ｍモード）からなる非対称モードに限定されているので、本発明による偏波不感微小曲げ生起ファイバグレーティングはこの三つ揃いの偏波不感成分、つまり（少なくとも問題とするスペクトル範囲内において）ＨＥ_２ｍに対してのみ結合が生じるファイバを使うことによって形成される。一般にスペクトル範囲は２０ｎｍ以上であるから、２０ｎｍ以上で分離された３つのモードの共振を持つように設計されたファイバは偏波不感ＭＩＧとなるであろう。

図４は、模式化した(理想的な)形で、本発明による偏波不感ＭＩＧを形成するために使える“波長選択”ファイバを実現する屈折率プロファイルを示す。理想的な屈折率プロファイルは、図示するように、屈折率Δｎ_ｃ、半径ｒ_ｃの中央部コア領域１０、コア領域１０を取り囲む屈折率Δｎ_ｔ、半径ｒ_ｔの溝１２、溝１２を取り囲む屈折率Δｎ_ｒ、半径ｒ_ｒの環状領域１４によって規定される。屈折率はそれぞれシリカクラッドの基準値０との屈折率の差で表される。ファイバの設計ルールは上に議論した関係によって規定される。つまり、大きな共振波長分離を達成するために摂動、δβ_ＴＭ＿_０ｍ、δβ_ＨＥ＿_２ｍ、が最大にならねばならないということである。上記の式は、値Ｉ_１、およびＩ_２を最大にすることによってこの最大化が達成され、逆に、これらは導波路の遷移領域（急勾配の屈折率、あるいは屈折率の傾きが大きい他の領域）に近接する大きなモードパワーの（スカラー）ＬＰ_１ｍを持つファイバ設計によって最大化されることを示している。

これらの特徴を考慮して図４を参照すると、プロット１５で示すＬＰ_１１モードは、高い屈折率を持つ環状領域１４の急勾配の屈折率変化部に近接した大きな強度の傾きと大きな強度の両方を有することを示している。さらに、有用な装置は挿入損失も低くなければならず、基本モード（つまり、デバイスに結合、あるいは切り離すときに使われるモード）はＭＩＧの入出力部において類似のプロファイルの装置に対応するために、名目上はガウス分布形状をしている必要がある。この要求を満たすために、基本のＬＰ_０１モードが本質的にコア領域１０内にあるようにコア領域１０は十分に大きく（あるいは屈折率が十分に高く）なければならない。

したがって、そのような独創的なファイバは屈折率の差と半径の値について以下のように規定される。（１）環状領域１４の屈折率差Δｎ_ｒは０．０１５より大きく、かつ溝１２に向かって十分に急勾配の“内側”屈折率を持たねばならない。内側の屈折率変化部は屈折率が環状領域１４に対応する値から溝１２に対応する値に変わる空間的な広がりＳとして定義され、Ｓは１ミクロンよりも大きくない。（２）中央部コア領域の屈折率は環状領域の屈折率のほぼ７５％であるべきで、それは、中央部コアの半径と屈折率は十分大きくて基本ＬＰ_０１が本質的、かつ完全に中央部コア領域１０の中に納まり、かつ非対称ＬＰ_１ｍが中央部コア領域１０の中に入らないような大きさでなければならないからである。

図５（ａ）−（ｃ）は本発明によって形成されたファイバの実験的に測定された特性を示す。ここで図５（ａ）はΔｎ_ｃ、Δｔ、およびΔｎ_ｒに対する屈折率プロファイルの測定値を示す。図５（ｂ）はそれぞれの３つの曲線が大きく分離していることが明らかな、ＴＥ_０１、ＨＥ_２１、およびＴＭ_０１モードに対する図５（ａ）のファイバ設計の位相整合曲線（格子の周期が波長の関数）を示す。実際、伝播定数の大きな差と、それによる図５（ｂ）の位相整合曲線につながる大きなベクトル摂動の項が、本発明の設計目標である。

図５(ｃ)は、図５(ａ)のプロファイルを持つファイバに生起された周期が７４２μｍから８５０μｍの範囲にあるグレーティング（格子）について実験により測定したスペクトルを示す。格子は、例えば、（格子の周期を規定するひだの周期をもつ）波型の金属ブロックとゴムパッドの間でファイバを押圧することにより生起されてもよい。図５（ｃ）によれば、（ＨＥ_２１モードによる）中央のピークが最も強い３つの異なる共振のピークがそれぞれのスペクトルにはっきり出ている。上に議論したように、ＨＥモードは偏波不感なので、このピークがもっとも強い。共振の残りの対（ＴＥ_０１、およびＴＭ_０１）は、ある特定の偏波中には全信号のパワーの１／２以下しか存在しないので、比較的弱い。このことが、微小曲げ生起ファイバグレーティング中での偏波に敏感な現象を確かなものとしている。ＨＥモードとＴＥ／ＴＭモードの間の波長分離は６０ｎｍのオーダーであり、いかなる時点においても装置の動作範囲全般にわたって偏波不感を維持するために望まれるかなり大きな値であることに注目しなければならない。

一組の平行な偏波状態（“ＳＯＰ‖”、および“ＳＯＰ⊥”で示す）にあるＭＩＧを通過するように制御された入力信号の伝達強度をプロットした図６に示す値から、ＴＥおよびＴＭモードの存在のもとで入力信号の偏波状態の重要性は明らかである。図示するように、偏波の入力状態がＴＥ_０１モード（ＳＯＰ‖）に対応するときは、ＴＥ_０１およびＨＥモードだけが励起され、一方、直交偏波（ＳＯＰ⊥）の光に対してはＨＥおよびＴＭ_０１共振のピークだけが見られる。本発明に示すように、偏波不感であるＨＥモードはいずれかの極端な偏波状態のときに共振のピークを持つであろう。さらに、図６は本発明の最適化されたファイバ設計がＴＥ_０１とＨＥモードの間で約７６ｎｍの、ＴＭ_０１とＨＥモードの間で約６７ｎｍの非常に大きな波長選択を生じることを示している。

図７（ａ）、および（ｂ）は本発明により形成された他のファイバの屈折率分布、および位相整合曲線を示し、図７（ａ）、および（ｂ）のファイバ設計もそれぞれの位相曲線に沿った“最小値”を示す。上に参照した同時出願中の文献で議論したように、この最小値は“転回点”（ＴＡＰ：ｔｕｒｎ−ａｒｏｕｎｄ ｐｏｉｎｔ）と定義される。図７（ｂ）において、奇／偶のＨＥモードだけの典型的な偏波不感ＭＩＧの格子周期が水平線７２として図示されていて、この特定の配置の格子周期Λは約４８５μｍである。先に、ファイバグレーティングの周期がＴＡＰ（“ＴＡＰ共振条件”）において位相整合曲線を結合するように選ばれると、大きな帯域幅のモード結合が実現することを示している。こうして、ＴＡＰの存在はファイバグレーティングの設計にしばしば不可欠な特性であるかなり広い帯域幅と、関連する微小曲げ生起ファイバグレーティングが１００ｎｍくらいの帯域幅にわたってスペクトルが平らな共振を持つことを暗示している。

上に述べたように、本発明によるＭＩＧの偏波不感性は屈折率差と半径方向の寸法に関する適切なファイバ設計に関連しているので、所望の周期の格子を形成するためにいかなる適当な方法によって微小曲げが生起されてもよい。図８（ａ）−（ｄ）はファイバに微小曲げを生起させる４つの典型的な方法を示している。図８（ａ）は波型の板３０と（上に述べた）ゴムのパッド３２を示し、波型の板３０の溝がファイバに生起される所望の周期性を表す。図８（ｂ）はこの配置の変形で、この場合、図示するようにそれぞれの歯が互いの溝に合うように配された一対の波型ブロック３４、３６を使用する。この場合、ファイバが板の間で押圧されると、微小曲げグレーティングが生起される。したがって、図８（ａ）のファイバの場合と同様のパターンを形成するためには、より低い圧力を用いればよい。図８（ｃ）は音響光学配置を示す。この場合、（図示しないＲＦ（高周波）電源に接続された）圧電変換器３８が音響波をファイバに沿って伝播するために使われ、ＲＦ電源の周波数に逆比例する周期と、ＲＦ電源の出力に正比例する振幅で周期的な微小曲げを次々に生起する。

こうして、グレーティングの周期と振幅の両方がこの音響光学配置によって調節される。図８（ｄ）は融着器の周期的なアーク（電弧）、あるいはＣＯ_２レーザによる周期的な切除を含む公知の工業技術のいずれかを用いて、ファイバ中の摂動が永久的に形成された典型的な微小曲げ生起ファイバグレーティングを示す。図８（ａ）−（ｄ）の実施例は単に典型的な例であって、本発明により形成されるファイバ部の微小曲げを生起する種々の他の技術が微小曲げ生起偏波不感ファイバグレーティングを形成するために使われてもよい。

本発明により形成される偏波不感ＭＩＧを使う種々の異なる光システム、あるいはサブシステムがある。図９は複数のＭＩＧ４０−１から４０−５のカスケード配列を示していて、この場合、個々に分かれたグレーティングは動的（調節可能）あるいは静的な装置のいずれであってもよい。具体的には、そのようなカスケード接続されたグレーティングはスペクトル的にフラットな出力を生成するために、特に利得スペクトルが極めて波長依存性のあるエルビウムドープファイバアンプからの入力の場合に使われてもよい。さらに動的フィルタを使うと入力信号のスペクトル変化に応答するためにリアルタイムでそれぞれのグレーティングの特性を調整することが可能となる。

図９のグラフＡは入力信号のスペクトルを表し、グラフＢは出力信号のスペクトルを表す。本発明による複数のカスケード接続されたＭＩＧを使うことにより、入力信号スペクトル中に存在する種々の不要な特性がほとんど除去され、広いスペクトル範囲にわたってスペクトルが平坦化されることが示されている。隣接するＭＩＧ４０の間のループ４２は、それぞれのＭＩＧ４０を通る信号路からＬＰ_１１モードを放射させるためのモード分離動作を表す。このモード分離は、例えば、ファイバを曲げる、ファイバ中にテーパをつける、あるいはシングルモードファイバに接合することにより実現できる。

図１０（ａ）は本発明により形成される典型的な可変光減衰器（ＶＯＡ）５０を示していて、これは上に述べたように、微小曲げ生起ファイバグレーティングをＴＡＰ条件で構成することにより、グレーティング５２中で（調節可能な）大きな、スペクトル的に平坦な減衰を生じるものである。光受信機５３の入力側にＶＯＡ５０を置くと受信パワーの制御により受信機側での費用対効果の高いビットエラー率最適化を可能にする。図１０（ｂ）に示すように、このような装置が連続波（ＣＷ）光源に続くように用いられると、それは低コストで低速のデータ変調装置として機能したり、あるいは入力信号の上に低速の監視音を付与するために使われる。また、図１０（ｃ）に示すように、本発明のＭＩＧにより形成される種々の光減衰器が光増幅器５４と共に使われ、その減衰器は増幅器５４を一定の飽和レベルに維持し、雑音指数、あるいは利得スペクトルの過渡変化を低減させる役割を果たす。

本発明による偏波不感微小曲げ生起ファイバグレーティングは、偏波に影響されずに２つの空間モードの間で光を移動させることが出来るので、スイッチとして使うことも出来る。図１１（ａ）は本発明をスイッチに応用した例であって、典型的なスイッチ６０の“クロス”あるいは“バー”状態での動作を示している。さらに、２モード状態にあるファイバのＬＰ１１モードを（例えば）融着したファイバカプラ（結合器）を通して分離されたシングルモードファイバの基本モードと結合する公知の技術を本発明によるＭＩＧ６２と組み合わせて使い、すべての入出力がファイバの基本モードに関わる４ポート２×２光スイッチとしてもよい。図１１（ｂ）はこの概念を示すもので、ＭＩＧ６２の両側に１対の融着ファイバカプラ６４、および６６が配置されている。

本発明の微小曲げ生起ファイバグレーティングは分散補償装置、およびファイバのより高次モードで動作する遅延線（ディレイライン）構築のキー要素である静的、あるいは動的モード変換器として使われてもよい。図１２はこの概念を示していて、図１２（ａ）は入力がより高次モード（ＨＯＭ）のファイバ７０である第１のＭＩＧ６８−１、出力がＨＯＭファイバ７０である第２のＭＩＧ６８−２からなる静的分散補償装置６７である。図１２（ｂ）は整調可能な分散補償装置８０を示していて、複数の整調可能なＭＩＧ８２−１、８２−２、．．．が直列に配置され、異なる長さのＨＯＭファイバ８４がその間に配置されている。

その他種々の装置、サブシステム、およびシステムは、その他種々の特定のファイバ設計と同様に、偏波不感微小曲げ生起ファイバグレーティングを対象とする本発明の精神と範囲に含まれると考えられるべきものである。技術の展開のもととなる本発明の理論、およびそれと同等のものに依拠する本明細書に含まれる具体的教示から派生するあらゆる改良、変形は、ここに付属する請求の範囲によって規定される本発明の範囲内に含まれるものと理解されるべきである。

（ａ）は、ＬＰ_０１、ＬＰ₁₁モードの半径方向強度分布図であり、（ｂ）は、ＬＰ_０１、ＬＰ₁₁モードの面内強度分布図である。 （ａ）は、ＬＰ₁₁モードの４つのモードのベクトル表示を示す図であり、（ｂ）は、スカラー表示を示す図である。 平行偏波、および直交偏波の３つの位相整合曲線スペクトルグラフを示す図である。 本発明による偏波不感微小曲げ生起ファイバグレーティング（ＭＩＧ）の模式化（理想的な）屈折率プロファイルを示す図である。 （ａ）−（ｃ）は、本発明による偏波不感ＭＩＧの実測特性を示す図である。 ある入力信号に対する直交偏波、および平行偏波状態での偏波強度分布を示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、本発明により形成された偏波不感ＭＩＧの第２の実施例の屈折率分布図、および位相整合曲線を示す図である。 （ａ）−（ｄ）は、本発明により形成されたファイバに微小曲げを形成／生起する４つの典型的な手法の図解を示す図である。 本発明により形成された偏波不感ＭＩＧをカスケード接続したシステムの図解。 （ａ）−（ｃ）は、本発明の偏波不感ＭＩＧを可変光減衰器として使用する複数の実施例の図解を示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、光スイッチとして偏波不感ＭＩＧを使う例の図解を示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、（静的、あるいは動的）モード変換器として本発明の偏波不感ＭＩＧを使う例の図解を示す図である。

符号の説明

１０ 中央部コア領域
１２ 溝領域
１４ 環状領域
３０ 波型の板
３２ ゴムのパッド
３４、３６ 波型ブロック
３８ 圧電変換器
４０ ＭＩＧ（微小曲げ生起ファイバグレーティング）
４２ ループ
５０ ＶＯＡ（可変光減衰器）
５２ グレーティング
５３ 光受信機
５４ 光増幅器
５５ 光源
６０ スイッチ
６２ ＭＩＧ
６４、６６ 融着ファイバカプラ
６７ 静的分散補償装置
６８ ＭＩＧ
７０ 高次モード（ＨＯＭ）ファイバ
８０ 整調可能な分散補償装置
８２ 整調可能なＭＩＧ
８４ 異なる長さのＨＯＭファイバ
３１０、３２０、３３０ 微小曲げ生起表面に平行な電場ベクトルの強度増加共振
３４０、３５０、３６０ 微小曲げ生起表面に直交する電場ベクトルの強度増加共振

Claims (10)

1. 奇／偶ＨＥ_２ｍモードに沿った伝播のみに対応することにより偏波不感運用に対応するように構成された光ファイバであって、前記光ファイバのコアが、
   選ばれた屈折率（Δｎ_ｃ）、およびあらかじめ定められた半径の範囲（ｒ_ｃ）である中央部コア領域と、
   中央部コア領域を取り囲む溝コア領域であって、前記溝コア領域が前記中央部コア領域の屈折率よりも小さい選ばれた屈折率（Δｎ_ｔ）、および前記溝コア領域があらかじめ定められた半径の範囲（ｒ_ｔ）を持つ溝コア領域と、
   前記溝コア領域を取り囲む環状領域であって、前記環状領域が前記溝コア領域の屈折率より大きい選ばれた屈折率（Δｎ_ｒ）、およびあらかじめ定められた半径の範囲（ｒ_ｒ）を持つ環状領域
   とを含み、
   おのおのの要素の屈折率および半径が、ファイバコアの中心から距離の関数として比較的大きな屈折率の勾配を生じるように構成され、ｍがファイバの対応する波長における半径モードの次数であるとき、ＴＥおよびＴＭモードに結合される信号がほとんどないような偏波不感奇／偶ＨＥ_２ｍモードに対して伝播するＴＥ_０ｍおよびＴＭ_０ｍモードの間で分割する共振モードを生じるために十分であることを特徴とする光ファイバ。
2. 前記環状領域の屈折率がシリカの屈折率（ｎ_{ｓｉｌｉｃａ}＝０）に対する屈折率差として定義され、かつ前記環状領域の屈折率差が０．０１５よりも大きいように選ばれることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ。
3. あらかじめ定められた前記中央部コア領域の半径の範囲が、ＬＰ_０１の伝播に対応するために十分な大きさであり、かつより高次のＬＰ_１ｍモードに対応しない大きさであることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ。
4. 光ファイバコア領域の中に形成された偏波不感微小曲げ生起ファイバグレーティングであって、
   シリカの屈折率に対して測定される選ばれた屈折率差（Δｎ_ｃ）、およびあらかじめ定められた半径の範囲（ｒ_ｃ）である中央部コア領域と、
   前記中央部コア領域を取り囲む溝コア領域であって、前記中央部コア領域の屈折率差よりも小さな選ばれた屈折率差（Δｎ_ｔ）、およびあらかじめ定められた半径の範囲を持つ溝コア領域と、
   前記溝コア領域を取り囲む環状領域であって、前記溝コア領域の屈折率差よりも大きな選ばれた屈折率差、およびあらかじめ定められた半径の範囲を持つ環状クラッド領域
   とを含み、
   おのおのの要素の屈折率および半径が、ファイバコアの中心から距離の関数として比較的大きな屈折率の勾配を生じるように構成され、ｍがファイバの対応する波長における半径モードの次数であるとき、ＴＥおよびＴＭモードに結合される信号がほとんどないような偏波不感奇／偶ＨＥ_２ｍモードに対して伝播するＴＥ_０ｍおよびＴＭ_０ｍモードの間で分割する共振モードを生じるために十分であり、かつ前記光ファイバコア領域の選ばれた部分に沿って圧力を維持し、前記ファイバに沿って周期的な摂動を生起させる装置とからなることを特徴とする偏波不感微小曲げ生起ファイバグレーティング。
5. 装置がグレーティングの共振波長を動的に整調する能力を含むことを特徴とする請求項４に記載の偏波不感微小曲げ生起ファイバグレーティング。
6. ファイバが、大きな帯域幅でのモード結合を生じるように、微小曲げ生起ファイバグレーティングの周期に一致する位相整合曲線で転回点（ＴＡＰ）を示すように形成されることを特徴とする請求項４に記載の偏波不感微小曲げ生起ファイバグレーティング。
7. コアの中に形成される微小曲げグレーティングが偏波不感運用に対応するように構成される光ファイバであって、前記光ファイバが、
   半径ｒ_ｃ、シリカの屈折率に対して測定される屈折率差Δｎ_ｃとして定義されるあらかじめ定められた屈折率で規定される中央部コア領域と、
   前記中央部コア領域を取り囲む溝領域であって、前記中央部コア領域の屈折率よりも小さい屈折率差Δｎ_ｔを持つ溝領域と、
   前記溝領域を取り囲む環状領域であって、環状領域の屈折率差（Δｎ_ｒ）が０．０１５よりも大きいように選ばれ、前記溝領域と環状領域の屈折率差の間が１ミクロン（μｍ）よりも大きくない遷移であり、前記コア領域の屈折率差（Δｎ_ｃ）が環状領域の屈折率の値のおおよそ３／４（つまり、Δｎ_ｃ≒０．７５×Δｎ_ｒ）である前記溝領域を取り囲む環状領域
   とを含むことを特徴とする光ファイバ。
8. 光ファイバを含む装置であって、前記光ファイバがコアの中に形成される偏波不感微小曲げ生起ファイバグレーティングに対応するように構成され、さらに前記光ファイバが、
   半径ｒ_ｃ、シリカの屈折率に対して測定された屈折率差Δｎ_ｃとして定義されるあらかじめ定められた屈折率で規定される中央部コア領域と、
   前記中央部コア領域の屈折率よりも小さい屈折率差Δｎ_ｔを持つ前記中央部コア領域を取り囲む溝領域と、
   環状領域の屈折率差（Δｎ_ｒ）が０．０１５よりも大きいように選ばれ、前記溝領域と前記環状領域の屈折率差の間が１ミクロン（μｍ）よりも大きくない遷移であり、前記コア領域の屈折率差（Δｎ_ｃ）が前記環状領域の屈折率の値のおおよそ３／４（つまり、Δｎ_ｃ≒０．７５×Δｎ_ｒ）である前記溝領域を取り囲む前記環状領域
   とを含むことを特徴とする装置。
9. 装置が、その出力部において平坦なスペクトルを生じるようにカスケードに並べて配置された複数の偏波不感微小曲げ生起ファイバグレーティングを含むことを特徴とする請求項８に記載の装置。
10. モード変換に用いる偏波不感光ファイバの製造方法であって、その方法が、
    シリカの屈折率に対して測定される屈折率差Δｎ_ｃとして規定されるあらかじめ定められた屈折率を持つ材料で、あらかじめ定められた厚さに中央部コア領域を形成する工程と、
    前記中央部コア領域を取り囲むように前記中央部コア領域の屈折率差よりも小さい屈折率差Δｎ_ｔを持つ材料で溝領域を形成する工程と、
    前記溝領域を取り囲むように０．０１５よりも大きい屈折率差（Δｎ_ｒ）を持つ材料で環状領域を形成する工程
    とを含み、
    １ミクロン（μｍ）よりも大きくない遷移が前記溝領域と前記環状領域の屈折率差の間に形成されるように溝領域と環状領域の厚さが制御され、前記コア領域の屈折率差（Δｎ_ｃ）が前記環状領域の屈折率の値のおおよそ３／４（つまり、Δｎ_ｃ≒０．７５×Δｎ_ｒ）であるように維持され、サブミクロンの遷移と屈折率の半径方向の勾配が偏波不感奇／偶ＨＥモード共振波長から偏波依存のＴＥ、およびＴＭモードの共振波長を分離することを特徴とする偏波不感光ファイバの製造方法。

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