JP2008510402A - 偏光維持ファイバを介した光伝送システム - Google Patents

Abstract

本発明は、偏光を維持する光ファイバ伝送システムに関する。本発明は、入力デバイスを出力デバイスに結合する少なくとも１つの偏光維持ファイバを備えた光ファイバ伝送システムに関する。ファイバは、少なくとも１つの第１の偏光維持ファイバ区分（Ｆ１）及び少なくとも１つの第２の偏光維持ファイバ区分（Ｆ２）を有しており、これらの区分はそれぞれ伝播の遅軸及び速軸を有している。第１ファイバ区分の一方の端部は、第２の区分の一方の端部に結合されており、これにより、第１ファイバ区分の伝搬の遅軸が、第２ファイバ区分の伝搬の速軸と一致し、またその逆も可である。本発明は、特にレーザに応用可能である。
【選択図】図２ｂ

Description

技術分野
本発明は、偏光維持ファイバを介した光伝送システムに関する。本発明は、１つ以上の偏光維持ファイバを使用した光信号の伝送技術に利用される。その信号は、高出力レーザのレーザパルス、又は電気通信システムにおけるデータ搬送信号であってよい。
偏光維持ファイバは、その名が示すように、偏光を保ちながら信号を伝送することができる。偏光維持ファイバは、「遅軸」及び「速軸」と呼ばれる２つの軸を特徴とする。光ファイバのコネクタは偏光維持ファイバにストレスを誘導し、これによって信号の偏光状態がわずかに変化する。この変化は、偏光維持ファイバ内部での偏光状態間の速度差に関連しており、信号歪みをもたらす。このような歪みは非常に有害且つ不規則であり、高出力レーザに関するＦＭ−ＡＭ変換という名称で知られている。

電気通信のような光ファイバによるデータ伝送の分野では、偏光維持ファイバはコストを理由にほとんど使用されていなかったので、これまで問題が生じることはなかった。しかし、このファイバは光ファイバの性能を倍増させることができる。将来は、極めて高いビットレートを必要とする短距離のリンク（例えばローカルネットワーク）に対してこの解決法を使用できる可能性がある。
高出力レーザの分野では、上記の歪みを克服するために、様々な解決法が提案されてきたが、それらのいずれもが十分に満足なものではない。これらは、具体的には、
− 偏光維持ファイバを偏光ファイバに置き換えること、
− 偏光維持ファイバを従来のファイバに置き換えること、
− 偏光維持ファイバを自由空間での伝播に置き換えること、
− 伝送回路に沿って規則的に分散させた偏光子を追加すること
に関する。

これらの異なる解決法には不都合がある。区分間に偏光子を追加することによって、現象は完全には排除されないが、その減衰は達成される。但し、それには複雑性とコストが共に高いという犠牲が伴う。
他の全ての解決法は、ファイバ内での偏光信号の伝搬により、ＦＭ−ＡＭ変換を完全に排除する。しかし、
− 偏光ファイバは、結合させるのが極めて難しく、マイクロベンドに対する影響を極めて受けやすい。よって、偏光ファイバを非常に特別な方法で包装しなくてはならない。
− 従来のファイバは偏光を制御しない。偏光制御装置が必要となる。この解決法は、特に複数の制御装置を鎖状に縦続接続しなくてはならないとき、実施が極めて難しい。更に、このような制御装置は高価であり、追加的な損失をいくらか生成し、必ずしも信頼性が高くない。
− 自由空間での伝搬には、優れた安定性及び異なる光デバイスの極めて正確な整合が必要である。

本発明は、これらの課題の解決を可能にするシステムに関する。
よって、本発明は、偏光信号の光ファイバ伝送システムに関し、本システムは、信号の偏光を維持できる偏光維持光ファイバを備えた少なくとも１つのシステムを具備する。この光ファイバシステムは、少なくとも１つの第１の偏光維持ファイバ区分及び少なくとも１つの第２の偏光維持ファイバ区分を備えており、これらはそれぞれ伝搬の遅軸及び伝搬の速軸を有している。第１ファイバ区分の一方の端部は、第１ファイバ区分の伝搬の遅軸が第２ファイバ区分の伝搬の速軸と一致し、また逆に、第１ファイバ区分の伝搬の速軸が第２ファイバ区分の伝搬の遅軸と一致するように、第２ファイバ区分の一方の端部と結合される。従って、このようなシステムでは、１つ以上の区分の微分群遅延の合計が別の区分の微分群遅延の合計と等しく、よって、前記光ファイバシステムの微分群遅延の合計は実質的にゼロである。

好ましくは、本発明のシステムは、第１ファイバ区分及び第２ファイバ区分を備えており、これら２つのファイバ区分は、等価な微分群遅延を有している。
有利には、２つのファイバ区分は、１つの同じファイバで製造される。

２つのファイバ区分の長さを同じにすることは、特に有利である。
区分の対を複数設けることもできる。

特に、直列に結合された複数のファイバ区分を提供することができ、この場合、各ファイバ区分の伝搬の遅軸が隣接するファイバ区分の伝搬の速軸と一致するように、各々が隣接する区分と直列接続され、一連の区分の中間に位置する各区分は、所定の値に等しい微分群遅延を有し、直列区分の第１の区分と最後の区分の各々は、前記所定の値の半分に等しい微分群遅延を有している。
実際には、これは、各々が所定の長さを有する中間の区分と、それぞれ前記所定の長さの半分に等しい長さを有する第１ファイバ区分及び最終の区分とを設けることによって達成することができる。

ファイバ区分の結合に関し、一実施形態によれば、第１ファイバ区分の端部と第２ファイバ区分の端部とは、これら端部のボンディングによって結合されている。
別の実施形態によれば、第１ファイバ区分の端部と第２ファイバ区分の端部とは、接続デバイスによって結合されている。

特に電気通信に利用可能な一実施形態によれば、本発明のシステムは、入力デバイス、出力デバイス、及び入力デバイス又は出力デバイスに接続され、前記光ファイバシステムに伝送された信号の偏光を、光ファイバシステムによって誘導された偏光回転の合計に相当する角度だけ且つこの回転の合計の反対方向に回転させることができる偏光回転子を備えている。
本発明の他の目的及び特徴を、後述の説明及び添付図面により明らかにする。

偏光維持ファイバは、その名が示すように、入射信号の偏光状態が、偏光維持ファイバの２つの軸、いわゆる固有の軸又は主軸に沿う場合、偏光を保ちながら信号の伝送を可能にするものである。上記２つの軸は、「遅軸」及び「速軸」と呼ばれ、到着時間の差は、微分群遅延−ＤＧＤと呼ばれる。
偏光維持光ファイバが受けるあらゆるストレスは、このファイバに伝送される光信号の偏光状態を変化させる。光ファイバのコネクタは特に、この偏光維持ファイバに対するストレスを誘導する。

偏光維持ファイバの２つの光偏光軸の間に速度の差があるため、上記の変化は光周波数に依存する。よって、信号のスペクトル成分は、ストレスに曝された偏光維持ファイバ、具体的にはコネクタを備えたファイバから出る時、もはや同じ偏光状態を有していない。
偏光子が設けられている場合、光信号は偏光子を通過し、信号のスペクトル成分の全ては同様に伝送されない。このスペクトル成分の減衰差によって信号歪みが生じる。高出力レーザでは、このような歪みは、ＦＭ−ＡＭ変換という名称で知られている。

この現象のスペクトル画像を、図１に示す。信号Ｓ１．ｖが、偏光維持ファイバの軸の一方に入射した場合、その偏光状態は、入力コネクタの後でわずかに傾く。回転は極めて小さい（数度）が、上記の現象を生じさせるには十分な程度である。２つの軸上の信号の投影Ｓ２．ｖ及びＳ２．ｈは、異なる速さで伝搬する。例えば、図１に示すように、信号Ｓ３．ｖ及びＳ３．ｈは、微分群遅延−ＤＧＤと呼ばれる時間Δτだけずれている。
出力時、第２のコネクタによって信号は再び回転する。偏光成分Ｓ３．ｖは、２つの成分Ｓ４．ｖｖ及びＳ４．ｖｈを生じさせる。偏光成分Ｓ３．ｈは、図１において、ファイバの２つの偏光軸に沿って伝搬する信号間の時間のずれに起因する２つの部分として示されるＳ４．ｈｈ及びＳ４．ｈｖを生じさせる。

１つの偏光状態だけが維持される（例えば偏光子を通して）場合、前記２つの投影の間、例えば図１のＳ４．ｖｖとＳ４．ｈｖとの間に干渉が見られる。
高出力レーザでは、信号が入力で位相変調（ＦＭ）されているだけであれば、これは出力での強度変調（ＡＭ）となる。電気通信では、信号は歪み、システムの範囲を制限する。

本発明は、このような問題に対する解決法を提供する。
図２ａに、偏光維持光ファイバＦを示す。この図では、光カプラーＣ１により、偏光された光信号Ｖの入射が可能となっている。図２ａでは、ファイバＦの偏光をＰＶ及びＰＨで表す。カプラーを介してファイバへ入射する信号Ｖにはわずかな偏光回転が起こるので、ファイバ内で伝送されるのは信号Ｖｒである。この信号Ｖｒは、ファイバの偏光の２つの方向に沿って、２つの成分Ｖ１及びＨ１に分解できる。成分Ｈ１は、成分Ｖ１よりも速くファイバ内を伝搬し、成分Ｈ’１は、カプラーＣ２に向かって、ファイバの出力端部に、成分Ｖ’１より時間Δτだけ前に到達する。

本発明によれば、偏光維持ファイバの２つの区分、Ｆ１及びＦ２（図２ｂ）にファイバを形成する。本発明の実施形態の有利な一実施例によれば、２つの区分の長さは同じである。図２ａと比較すると、各区分はファイバＦの長さの半分に相当する。更に、これら２つのファイバ区分の端部Ｅ１及びＥ２は、区分Ｆ１の伝搬の遅軸ＰＶ１及び伝搬の速軸ＰＨ１が、区分Ｆ２の伝搬の速軸ＰＨ２及び伝搬の遅軸ＰＶ２とそれぞれ一致するように、結合されている。
前述のように、ファイバ区分Ｆ１に入射する信号Ｖは、異なる速さで伝搬する２つの成分Ｖ１及びＨ１を生じさせる。成分Ｈ２は、速軸に沿って伝搬し、区分Ｆ１のもう一方の端部に、遅軸に沿って伝搬する成分Ｖ２の前に達する。前述のように、ファイバ区分Ｆ１及びＦ２の長さはファイバＦの長さの半分に等しいので、成分Ｈ２は、成分Ｖ２より時間Δτ／２だけ前に区分Ｆ１の端部に到達する。

ファイバ区分Ｆ１の伝搬軸ＰＶ１及びＰＨ１は、区分Ｆ２の伝搬軸ＰＨ２及びＰＶ２にそれぞれ結合されているので、区分Ｆ１の成分Ｖ２に対応する信号が、区分Ｆ２では成分Ｈ３の形で見出されると考えられる。同様に、成分Ｈ２は、成分Ｖ３の形で見出される。成分Ｈ３は速軸に沿って伝搬し、成分Ｖ３は遅軸に沿って伝搬する。これにより、成分Ｈ３は、成分Ｖ３に対して示されていたΔτ／２の遅れを取り戻す。よって、２つの成分Ｈ４及びＶ４は、ファイバ区分Ｆ２の出力端に同時に到着する。このことは、当然ながら、２つのファイバ区分Ｆ１及びＦ２が同じ性質を有することを前提としている。

図２ｃは、図２ｂのシステムを、図１と同じ表現方式で示したものである。この図では、ファイバ区分Ｆ２の出力で、成分Ｈ４及びＶ４の位相が揃っているのが分かる。区分Ｆ２の出力にカプラーが設けられている場合、信号は、再びわずかな偏光回転を受ける。成分Ｈ４は成分Ｈ５及びＶ６を生じさせ、成分Ｖ４は成分Ｖ５及びＨ６を生じさせる。偏光子を通過後、位相の揃った成分Ｈ５及びＨ６が得られる。
このような条件下で、本発明によれば、偏光維持ファイバを備えた伝送システムにおいて、少なくとも２つの区分からなるファイバのリンクが、前述のように２つのカプラー間、２つのファイバストレスゾーンの間、或いはストレスゾーンとカプラーとの間に、設けられている。

単純な一実施形態によれば、区分の方向を任意に選択することも可能である。区分の数を大きくすると、ＦＭ−ＡＭ変換は減少する。例えば、図３に示す一実施例では、ファイバ区分ＴＦ１及びＴＦ２が結合されており、２つの区分の遅軸ＰＶ１及びＰＶ２が一致し、速軸ＰＨ１及びＰＨ２が一致している。ファイバ区分ＴＦ３は区分ＴＦ２と結合されており、その速軸ＰＨ３は区分ＴＦ２の遅軸ＰＶ２と一致しており、その遅軸ＰＶ３は区分ＴＦ２の速軸ＰＨ２と一致している。ファイバ区分ＴＦ４は、区分ＴＦ１及びＴＦ２と同じように配向しており、その遅軸ＰＶ４が区分ＴＦ３の速軸ＰＨ３と一致し、その速軸ＰＨ４が区分ＴＦ３の遅軸ＰＶ３と一致するように、ＴＦ３と結合されている。図３に示すように、これらファイバ区分の長さは異なっていてよく、場合によっては規則的に配置されていなくともよい。本質的な点は、所定の伝送システムにおいて、１つ以上の区分の遅延差の合計（遅軸に沿った伝播と速軸に沿った伝搬の差）が、他の区分の遅延差によって補償されることである。従って、図３に示すシステムでは、区分ＴＦ１、ＴＦ２及びＴＦ４の遅延差の合計が、区分ＴＦ３の遅延差によって補償されている。
とはいえ、厳密な交互配置が好ましい。この目的のために確立された分析的なモデルは、各区分の遅延差ＤＧＤが生じた後で、連続する区分のＤＧＤを用いることが効果的であり、最も重要であることを証明している。デジタル式のシミュレーションもこの予想を確認するものである。

１つの区分の遅延差（Δτ）を他の区分の遅延差によって補償することは、それらの遅延差の値が近いほど効果的である。よって区分の長さは類似であることが望ましい。
最後に、互いに補償し合う２つの区分の間の偏光回転を回避するため、本発明の好ましい一実施形態では、区分のボンディングを行うが、ファイバ区分の結合はコネクタによっても行うことができる。
実際には、既に組み立てられた光ファイバシステムから始めて、偏光維持ファイバを正確にその中央で切断してファイバ区分とし、それらを９０°ずらして再び接合するだけでよい。この作業は容易に実行することができる。

図５ａ及び５ｂは、３つ以上の区分を有する伝送システムの実施形態の変化形を示し、このシステムでは、中間に配置されている区分のうち１つの長さはｄ０であり、これは本発明の範囲に含まれないストレスを受けている。本発明によれば、中間の区分の長さはｄ０に等しく、端部の区分の長さは、ｄ０／２、つまりｄ０の半分である。
例えば、図５ａは、奇数のファイバ区分、例えば７つの区分ＴＦ１〜ＴＦ７を備えたシステムを示す。中間の区分ＴＦ２〜ＴＦ６はそれぞれ、所定の微分群遅延を有する。端部の区分ＴＦ１及びＴＦ７は同様に構成されており、それぞれが、中間区分ＴＦ２〜ＴＦ６の遅延の半分の微分群遅延を有している。

実際には、これらの区分が同じ種類のファイバ、場合によっては同じファイバからなるとすれば、図５ａに示すシステムは、所定の長さｄ０を有する中間区分ＴＦ２〜ＴＦ６と、その長さの半分の長さｄ１＝ｄ０／２を有する区分ＴＦ１及びＴＦ７から形成される。
ファイバ区分ＴＦ２の微分群遅延は、例えば、区分ＴＦ３の微分群遅延によって補償される。ファイバ区分ＴＦ４の微分群遅延は、区分ＴＦ５の群遅延によって補償され、区分ＴＦ６の微分群遅延は、区分ＴＦ１及びＴＦ７の遅延差の合計によって補償される。

従って、区分ＴＦ２、ＴＦ４及びＴＦ６の微分群遅延の合計は、区分ＴＦ１、ＴＦ３、ＴＦ５及びＴＦ７の微分群遅延の合計によって補償される。これにより、システムの微分群遅延の合計を相殺することが可能な伝送システムが提供される。

図５ｂは、偶数のファイバ区分、例えば、区分ＴＦ１〜ＴＦ６を有するシステムを示す。
図５ａの実施例のように、中間の区分ＴＦ２〜ＴＦ５のそれぞれが、所定の微分群遅延を有している。端部の区分ＴＦ１及びＴＦ６は同様に構成されており、それぞれが、中間区分ＴＦ２〜ＴＦ５の遅延の半分である群遅延を有している。例えば、ファイバ区分ＴＦ２〜ＴＦ５の長さはｄ０であり、区分ＴＦ１及びＴＦ６の長さはｄ１＝ｄ０／２である。

ファイバ区分ＴＦ２及びＴＦ４の微分群遅延の合計は、区分ＴＦ３及びＴＦ５の微分群遅延の合計によって補償される。ファイバ区分ＴＦ１の微分群遅延は、区分ＴＦ６の微分群遅延によって補償される。よって、この実施形態でも、伝送システムの微分群遅延の合計を相殺できる伝送システムが得られる。
従って、両端部の区分が等しい微分群遅延を有し、それぞれ中間の区分の微分群遅延の半分に等しい伝送時間を有していれば、区分の数が偶数であるか奇数であるかに関わらず、偏光を維持する伝送システムが得られる。

しかしながら、伝送システムにおいては、入力と出力とにおいて伝送の同じ軸（遅軸及び速軸）に沿って同じ偏光伝搬を有していると有利であることが多いので、本発明のこの変形実施形態は、区分の数が奇数である場合に特に有利である。
従って、本発明は主に、偏光維持ファイバの軸を反転させることにより信号の偏光成分の速さの差を補償することからなると言える。この反転は任意であるが、同じ長さの区分を交互に設けることもできる。

同じ長さの区分を設けた場合、有利には、システムの２つの端部の区分の長さは、前記同じ長さの半分である。システムの種類に応じて、光ファイバシステムの全長又は区分の数といったストレスが与えられていてよい。従って、ファイバ区分の数及び長さを決定することができるのは、分析モデル又はデジタルシミュレーションである。
更に有利には、区分はストレスなしで対に接合され、コネクタによって連結されない。

ファイバ区分の軸のこのような反転は、フィルタ作用を得ることを目的としているのではなく、センサ又は光学システムを入射信号の偏光状態から独立させることを目的としているのでもないことに注意されたい。反対に、本発明によれば、その目的は、この技術を偏光された信号の搬送に応用し、偏光を維持しながら歪みを回避することである。
偏光信号の搬送は単に偏光の維持を必要とするに過ぎず、直交する軸上の「漏れ」（コネクタにおける回転に起因する）を考慮する必要がないため、このことは当業者に明らかでなかった。

言い換えれば、本発明の目的は、偏光を維持することであって、信号の偏光状態から独立した物理的プロセスを作ることではない。ファイバの軸を交互に配置することが信号の搬送に有用となり得ることは、以前は明らかではなかった。
シミュレーションにより、本発明によるシステムにおいては、ＦＭ−ＡＭ変換が実質的に排除され、偏光状態が偏光ファイバと同じように維持されることが示された。しかし、偏光ファイバとは異なり、偏光維持ファイバ間の接合は簡単で、マイクロベンド損失の影響はゼロに近い。最後に、この解決法は安価である。

本発明は、具体的には、信号の偏光状態を維持することが望ましい信号のあらゆるファイバ搬送に関する。本発明は、高出力レーザに直接利用されるが、電気通信の分野にも利用される。
電気通信システムでは、２つの直交する偏光方向に偏光信号を伝送することで送信能力を倍増することが有利である。しかしながら、ファイバ内に存在し得るストレス及び結合デバイスによる偏光回転に起因して、一方向に偏光された信号の一部は、別の方向に偏光される危険を有しており、よって、極めて近い波長で同時に伝搬し、且つ前記別の方向に偏光される信号の伝搬を妨害することになる。

この欠点を克服するため、図４ａ及び４ｂに示すように、偏光制御装置又は偏光方向の回転子ＲＯが設けられており、偏光制御装置又は偏光方向の回転子ＲＯは、伝送された信号の偏光が伝送システム内で被る偏光回転の合計に相当する角度だけ、これら信号の偏光を回転させる役割を有する。回転子ＲＯによって誘導される回転は、伝送システムに誘導される回転の合計とは逆の方向に実施される。
図４ａでは、偏光回転子ＲＯがシステムの出力に配置されており、例えばカプラーＣ２に接続されている。図４ｂでは、偏光回転子ＲＯはシステムの入力に配置されている。

偏光維持ファイバ内で伝送される光信号が偏光回転した結果を説明する図である。 偏光維持ファイバ内で伝送される光信号が偏光回転した結果を説明する図である。 本発明のシステムの一実施形態の概略図である。 図１と同じ例示方式で図２ｂのシステムを示す図である。 本発明のシステムの別の実施形態の概略図である。 ａ及びｂは、本発明のシステムを電気通信信号の伝送システムに応用した実施例の概略図である。 ａ及びｂは、本発明による光ファイバ伝送システムの別の実施形態を示す。

Claims (10)

1. 偏光された信号の光ファイバ伝送システムであって、信号の偏光を維持できる偏光維持光ファイバを備えたシステムを具備し、前記光ファイバシステムが、少なくとも１つの第１の偏光維持ファイバの区分及び少なくとも１つの第２の偏光維持ファイバ区分を有し、各区分が伝搬の遅軸と伝搬の速軸とを有し、第１ファイバ区分の伝搬の遅軸が第２ファイバ区分の伝搬の速軸と一致し、逆に、第１ファイバ区分の伝搬の速軸が第２ファイバ区分の伝搬の遅軸と一致するように、第１ファイバ区分の一方の端部が第２ファイバ区分の一方の端部と結合されており、１つ以上の区分の微分群遅延の合計が、別の区分の微分群遅延の合計に等しいことにより、前記光ファイバシステムの微分群遅延の合計が実質的にゼロであることを特徴とするシステム。
2. 第１ファイバ区分及び第２ファイバ区分を有し、２つのファイバ区分の微分群遅延が等価である、請求項１に記載の伝送システム。
3. ２つのファイバ区分が一つの同じファイバから製造されている、請求項２に記載の伝送システム。
4. ２つのファイバ区分の長さが同じである、請求項２に記載の伝送システム。
5. 複数の区分の対を有する、請求項２に記載の伝送システム。
6. 直列に接続された複数のファイバ区分（ＴＦ１〜ＴＦ７）を備えており、各区分は隣接する区分と、各ファイバ区分の伝搬の遅軸が隣接するファイバ区分の伝搬の速軸と一致するように直列に結合されており、一連の区分の中間の区分（ＴＦ２〜ＴＦ６）の各々が、所定の値に等しい微分群遅延を有し、第１の区分及び最終の区分（ＴＦ１及びＴＦ７）が、前記所定の値の半分に等しい微分群遅延を有する、請求項１に記載の伝送システム。
7. 中間の区分の各々が所定の長さ（ｄ０）を有し、第１の区分及び最終の区分の各々が、前記所定の長さの半分（ｄ１＝ｄ０／２）に等しい長さを有する、請求項６に記載の伝送システム。
8. １つの第１ファイバ区分の端部が、１つの第２のファイバ区分の端部と、これら端部のボンディングによって結合されている、請求項１ないし７のいずれか１項に記載の伝送システム。
9. 第１ファイバ区分の端部が、第２ファイバ区分の端部と、接続デバイスによって連結されている、請求項１ないし８のいずれか１項に記載の伝送システム。
10. 光ファイバシステムが、入力デバイス（Ｃ１）及び出力デバイス（Ｃ２）を備えており、伝送システムが偏光回転子（ＲＯ）を備え、この偏光回転子は、入力デバイス又は出力デバイスに連結されて、前記光ファイバシステムに伝送された信号を、前記光ファイバシステムによって誘導された偏光回転の合計に相当する角度だけ且つこれら回転の合計と反対方向に回転させることができる、請求項１ないし９のいずれか１項に記載の伝送システム。

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