JP2010015151A - 偏光依存性中空光ファイバ - Google Patents

Abstract

【課題】偏光依存性損失および／または偏光依存性結合を制御できる光ファイバを提供する。
【解決手段】中空光ファイバのコア領域およびクラッド領域は、偏光依存性特性を利用するために、信号モードがクラッド・モードと結合されるように構成される。一般に、このファイバは、局在中空導波路領域を含むクラッド領域で取り囲まれた中空領域を備える。コア領域および導波路領域は、コア領域内の信号モードと導波路領域内のクラッド・モードとの間の結合が位相整合されて効率的な結合が得られるように構成され、この位相整合条件は、ファイバの偏光依存性特性の改善された制御を実現するために、偏光依存的なものになる。
【選択図】図１

Description

本発明は、偏光依存性中空光ファイバに関し、より詳細には、このようなファイバ内でのそれらの偏光状態による横光学モードの制御に関する。

光ファイバのコア内を伝搬する横光学モードは一般に、直交する２つの偏光状態からなる。モードが複屈折である場合、直交する偏光状態は、それぞれ異なる実効屈折率値（または伝搬定数）で伝搬する。一方、このモードが複屈折ではない場合には、２つの偏光状態は同じ実効屈折率値（伝搬定数）で伝搬する。

これらの偏光状態（または単に偏光）の制御は、例えば光増幅器の設計において重要である。さらに、偏光依存性は、偏光スプリッタ、偏光カプラ、偏光フィルタなど他のさまざまな光デバイスで利用することができる。したがって、偏光は、例えばバンドギャップ・ファイバ、特に中空ファイバを使用する上で重要な役割を果たす。中空ファイバは、従来の中実ファイバよりも非直線性がずっと小さいので、通信用途で有利なことがある。しかし、中空ファイバは一般に偶発的複屈折が大きく、これは直交する偏光間の遅延差になる。こうした遅延は、一部の通信システムでは許容することができない。偶発的複屈折は容易に取り除くことができないので、偏光が意図的に管理されるシステムが好まれることがあり、このシステムは、偏光維持ファイバ、偏光ファイバ、および偏光感受性のカプラまたはスプリッタを含むことができる。中空ファイバはまた、パルス増幅システムなどの分散要素としてセンサ内で使用することもできる。これらの用途でも同様に、偏光を制御することが望ましい。偏光維持中空ファイバはすでに、いくつかの実験的例証に組み入れられてきたが、偏光ファイバまたは偏光スプリッティング・ファイバもまた有用である。

偏光維持（複屈折）バンドギャップ・ファイバ、および偏光依存性損失が限定されたファイバを得るための従来技術による設計が存在する。これらの手法には、性能および機能性に厳しい限界がある。例えば、高い複屈折または偏光依存性損失には、高い信号損失、高い表面相互作用、限定された帯域幅、非円モード形状などの望ましくない特性が伴うことが多い。

Ｊ． Ｒｏｂｅｒｔｓ他、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、Ｖｏｌ． １４、Ｎｏ． １６、７３２９〜７３４１頁（２００６）

したがって、前述の従来技術の１つまたは複数の制限を軽減または克服する、偏光制御特性を備えた中空光ファイバが当技術分野で必要とされている。具体的には、偏光依存性損失および／または偏光依存性結合を制御できる光ファイバが必要とされている。

本発明の一態様によれば、中空光ファイバのコア領域およびクラッド領域は、偏光依存性特性を利用するために、信号（コア）横モードがクラッド（導波路）横モードと結合されるように構成される。一般に、このファイバは、局在中空導波路領域を含むクラッド領域で取り囲まれた中空領域を備える。コア領域および導波路領域は、コア領域内の信号モードと導波路領域内の導波路モードとの間の結合が位相整合されて効率的な結合が得られるように構成され、この位相整合条件は、ファイバの偏光依存性特性の改善された制御を実現するために、偏光依存的なものになる。好ましい一実施形態では、クラッド領域はバンドギャップ構造を備える。

ファイバの物理的設計は、各モードの実効屈折率を決定し、この実効屈折率は、（ｉ）１つの偏光の所与の組のコア・モードと導波路モードの間の位相整合と、（ｉｉ）直交する偏光の類似のコア・モードと導波路モードの間の位相不整合とが得られるように構成することができる。別法として、実効屈折率は、（ｉ）第１の結合レベルでの、１つの偏光のコア・モードと導波路モードの間の位相整合された共振結合と、（ｉｉ）別の第２の結合レベルでの、直交する偏光のコア・モードと導波路モードの間の位相整合された共振結合とが得られるように構成することができる。

この目的のために、コア領域と導波路領域の少なくとも一方は、複屈折になるように構成される。すなわち、１つの領域の光学モードの２つの偏光状態は、それぞれ異なる実効屈折率を有する。これらの偏光の１つが、他方の領域のモードと屈折率整合され、それによって、コア領域からの１つの偏光が導波路領域と、またはそれと反対に、共振的に結合される。一代替実施形態では、コア領域と導波路領域の両方が複屈折になるように構成され、導波路モード偏光の１つが、信号モードの対応する偏光と屈折率整合（共振的に結合）される。

一実施形態では、その少なくとも１つの領域が、その横軸の１つに対して非対称断面形状（例えば長円）を有する。一代替実施形態では、直交軸に対する以外はコア領域と導波路領域の両方が非対称形である。

別の実施形態では、少なくとも１つの領域が、その周辺または周辺近くに非回転対称パターンで配置された多数の微小欠陥を有する。一代替実施形態では、コア領域と導波路領域の両方が、それらの周辺または周辺近くに非回転対称パターンで配置された多数の微小欠陥を含む。

このタイプの光ファイバには、偏光依存性光カプラ（例えばスプリッタ、偏光子）および光センサに用途が見出される。

本発明は、そのさまざまな特徴および利点とともに、添付の図面と併せた以下のより詳細な説明から容易に理解することができよう。

本発明の一実施形態によるコア領域および導波路領域が非対称断面を有する光ファイバの概略断面図である。 内部クラッド領域が六角形格子（バンドギャップ）構造を含む、図１に示されたタイプのファイバの概略部分断面図である。 本発明の一実施形態による、直線ファイバのコア・モードと導波路モードの間の共振偏光依存性結合（またはその欠如）を表すために用いたコア領域および導波路領域の概略的な実効屈折率特性図である。コア領域も導波路領域も複屈折であるとして示されている。 本発明の一実施形態による、直線ファイバのコア・モードと導波路モードの間の共振偏光依存性結合（またはその欠如）を表すために用いたコア領域および導波路領域の概略的な実効屈折率特性図であり、コア領域だけが複屈折である。 本発明の一実施形態による、直線ファイバのコア・モードと導波路モードの間の共振偏光依存性結合（またはその欠如）を表すために用いたコア領域および導波路領域の概略的な実効屈折率特性図であり、導波路だけが複屈折である。 本発明の一実施形態による、シミュレーション検討で使用されたバンドギャップ・ファイバの概略部分断面図である。複屈折を生じさせるために、コア領域と導波路領域の両方の周辺または周辺近くに微小欠陥が含められた。 本発明の別の実施形態による、鏡映対称性を示すように構成されたコア領域と２つの導波路領域の概略配置図である。 本発明のさらに別の実施形態による、直線ファイバのコア・モードと導波路モードの間の共振偏光依存性結合（またはその欠如）を表すために用いたコア領域および導波路領域の概略的な実効屈折率特性図である。 本発明のさらに別の実施形態による、曲げファイバのコア・モードと導波路モードの間の共振偏光依存性結合（またはその欠如）を表すために用いたコア領域および導波路領域の概略的な実効屈折率特性図である。 図６Ａのファイバのコア領域におけるＥ_ｙ偏光モードの計算された強度画像である。 図６Ａのファイバの導波路領域におけるＥ_ｙ偏光モードの計算された強度画像である。 図９〜１０のＥ_ｙ偏光モードに対応する正規化強度グラフである。 図６Ａのファイバのコア領域におけるＥ_ｘ偏光モードの計算された強度画像である。 図６Ａのファイバの導波路領域におけるＥ_ｘ偏光モードの計算された強度画像である。 図１２〜１３のＥ_ｙ偏光モードに対応する正規化強度グラフである。 １つの偏光（Ｅ_ｘ）での屈折率整合の領域と、それに直交する偏光（Ｅ_ｙ）での屈折率不整合の領域とを示す、図６Ａのファイバの信号波長に対する実効屈折率のグラフである。 Ｅ_ｘ偏光で相対的に大きい偏光依存性損失を示す、図６Ａのファイバの信号波長に対するトンネリング損失のグラフである。 図１７Ａは、本発明の例示的な応用例による、偏光依存性装置のブロック図であり、図１７Ｂは、本発明の一実施形態により設計されたファイバの入力部／出力部におけるコア領域および導波路領域のさまざまな偏光状態を示す図であり、図１７Ｃは、本発明の別の実施形態により設計されたファイバの入力部／出力部におけるコア領域および導波路領域のさまざまな偏光状態を示す図であり、そして、図１７Ｄは、本発明の別の実施形態により設計されたファイバの入力部／出力部におけるコア領域および導波路領域のさまざまな偏光状態を示す図である。

上記の図の多くは概略的に示され、原寸に比例して描かれておらず、かつ／または、図を簡単で分かりやすくするために、実際の光ファイバまたは図示の作成物の詳細すべてを含んでいない。特に、図３〜５、７〜８および１５の屈折率特性は、光ファイバで観察されるはずの屈折率の実際のばらつきの平均である。

上記（および以下）の説明で半径という語を使用することで、さまざまな領域（例えばコア、導波路、クラッド）の断面が円形および／または環状であることが暗示されるが、実際には、これらの領域は非円形でもよく、例えば長円形、多角形、不規則な形、またはより複雑な他の形でもよい。それでも、当技術分野では一般的であるように、簡単で分かりやすくするために半径という語をときどき使用する。

以下では、１つまたは複数のモードという語は、１つまたは複数の横モードを意味するものとする。

加えて、中空という語は、領域（コアまたは導波路、あるいは両方）が固形物で充填されていないことを意味する。しかし、それが流体［例えば気体（必ずしもではないが、一般に空気）または液体（一般にセンサ用途）］で充填されてもよい。この流体は、その領域（コアまたは導波路、あるいは両方）を複屈折にすることができる。

異なるタイプの導波路に対して、横モードおよび偏光状態を明示するためのさまざまな表記法がある（例えば、ＬＰ_ｎｍ、ＨＥ_{ｎ’，ｍ’}、ＴＥ_{ｎ’’，ｍ’’}など）。以下の説明で、これらの直交状態は、分かりやすくするためにしばしば、電界が主としてｘ方向である場合にはＥ_ｘで、主としてｙ方向である場合にはＥ_ｙで表示する。ここで（ｘ，ｙ）は標準デカルト座標の組であり、対称軸が存在すれば、ファイバの対称軸と一直線に並べることができる。例えば、該当する信号モードは導波領域の基本波様モードでよく、直線偏光への分解が自然である。より一般的には、ある偏光状態の電界は必ずしも直線ではなく、どんな既定の軸とも一直線に並んでもいない。他のモードでは、当技術分野で周知の異なる表示があり、偏光状態はより一般的に、あるモードの第１の直交偏光状態および第２の直交偏光状態と呼ぶことができる。ある導波構造の横モードの２つの偏光状態は、ほぼ同じ（厳密には同じではない）強度プロファイルを有することが多い。

光ファイバ設計−偏光依存性の考慮すべき事項
ここで図１〜２を参照すると、本発明の一態様による偏光依存性光ファイバ１０は、環状クラッド領域１４で取り囲まれたコア領域１２を備え、このコア領域およびクラッド領域は、コア領域１２の本質的に中心に位置する長手方向ｚ軸１９の軸に沿って信号光（光放射）の伝搬を支持し導波するように構成されている。（信号光は、ファイバ１０に沿って伝搬するときに、実際には軸１９と交差することがあるが、伝搬の全体的な方向は軸１９に沿っていると言って正しいことが当技術分野ではよく理解されている。）クラッド領域１４は、コア領域１２を取り囲む内側クラッド領域１４．１と、内側クラッド領域１４．１を取り囲む外側クラッド領域１４．２とを含む。後者はさらに、光が軸１９と本質的に並行して伝搬する局在導波路１６を含む。［導波路領域がコア領域のまわりで軸方向によじれる（例えば、らせん形に）設計でも、導波路領域内の光伝搬の方向は、それが軸１９を横切らないので、非常に大まかな意味で軸１９と並行していると考えられる。］コア領域１２のように、導波路領域１６は、ファイバの横軸断面において径方向で方位角上に局在している。

好ましくは、コア領域１２および導波路領域１６は中空領域であり、すなわち、固体材料で充填されるのではなく排気され、あるいは通常では空気である流体で充填される。一般に、外側クラッド領域１４．２は固体ガラス（例えばシリカ）であるのに対して、内側クラッド領域１４．１はバンドギャップ構造、例えば、図２に示された六角形ガラス格子構造１４．１であることが好ましい。（六角形格子内の領域もまた排気され、あるいは通常では空気である流体で充填される。）別法として、内側クラッド領域は、周知の低密度状態構造のような、中空導波をもたらす非バンドギャップ構造とすることもできる。あるいは、内側クラッド領域は、コア領域または導波路領域まわりで同心リング「ブラッグ・ファイバ」構造に近い周知の構造を含むこともできる。

本発明の一態様によれば、コア領域１２と導波路領域１６の少なくとも一方は、第１および第２の偏光状態がそれぞれ異なる実効屈折率を有するように構成される。説明を簡単にするために、第１の偏光状態をＥ_ｘと呼び、第２の偏光状態をＥ_ｙと呼ぶ。この設計の特徴によりまた、直交する偏光Ｅ_ｘとＥ_ｙが、非対称に分布したモード・エネルギーを有することにもなる。すなわち、第２の直交する横軸（例えばｙ軸）に沿うよりも第１の横軸（例えばｘ軸）に沿って、より多くのエネルギーが集中する。したがって、例えば、信号モード３０、４０それぞれの偏光Ｅ_ｘ ^３０およびＥ_ｙ ^３０（図３）と偏光Ｅ_ｘ ^４０およびＥ_ｙ ^４０（図４）とは、それぞれ異なる実効屈折率３０．ｘ、３０．ｙおよび４０．ｘ、４０．ｙを有する。すなわち、モード３０、４０はそれぞれ複屈折を示す。同様に、導波路モード３２、５２それぞれの偏光Ｅ_ｘ ^３２およびＥ_ｙ ^３２（図３）と偏光Ｅ_ｘ ^５２およびＥ_ｙ ^５２（図５）とは、それぞれ異なる実効屈折率３２．ｘ、３２．ｙおよび５２．ｘ、５２．ｙを有する。すなわち、モード３２、５２もまたそれぞれ複屈折を示す。対照的に、導波路領域４２（図４）またはコア領域５０（図５）のモードのどれも、複屈折であるとして示されていない。

図３〜５で示された各設計において、複屈折領域の偏光の１つは、複屈折をそれ自体は示すことも示さないこともある他の領域のモードと屈折率整合（すなわち共振結合）している。すなわち、図３では、コア領域１２も導波路領域１６も複屈折を示し、導波路領域１６の偏光Ｅ_ｘ ^３２は、コア領域１２の偏光Ｅ_ｘ ^３０と共振的に結合しているのに対し（矢印３３）、コア領域１２の偏光Ｅ_ｙ ^３０と、導波路領域１６の偏光Ｅ_ｙ ^３２とは、どのモードとも共振的に結合していない（無効矢印３５、３７）。一方、図４ではコア領域１２’だけが複屈折を示し、導波路領域１６’は複屈折を示していない。この場合、コア領域１２’の偏光Ｅ_ｘ ^４０は、モード４２（Ｅ_ｘｙ ^４２）と共振的に結合しているが（矢印４３）、偏光Ｅ_ｙ ^４２は、どのモードとも共振的に結合していない（無効矢印４５）。最後に、図５では、コア領域１２’’のモード５０（Ｅ_ｘｙ ^５０）は、導波路領域１６’’の偏光Ｅ_ｘ ^５２と共振的に結合しているが（矢印５３）、導波路領域１６’’の偏光Ｅ_ｙ ^５２は、どのモードとも共振的に結合していない（無効矢印５５）。

図３〜５では、説明だけを目的として、モード３０、４０、４２および５０は１次モードであるとして示され、モード３２および５２は基本モードであるとして示されていることに注意されたい。一般に、コア領域を伝搬する信号モードは基本モードである。高次コア・モード（ＨＯＭ）が存在する場合には、それらを抑制する措置がとられることが多い。一般に、共振結合に使用される導波路領域のモードはまた、その領域の基本モードでもあるが、他のモードを使用することもできる。

共振、または共振的に結合という語によって、コア領域内のモードの実効屈折率が導波路領域内のモードの実効屈折率と本質的に等しいことを表すものとする。コア・モードおよび導波路モードが本質的に等しい実効屈折率を有するという条件は、例えば、コア・モードＥ_ｘ ^３０の実効屈折率３０．ｘ（図３）と、導波路モードＥ_ｘ ^３２の実効屈折率３２．ｘとがあまり違わないので、これらのモード間の光の結合が著しく阻止されるということを意味する。本発明の好ましい一実施形態では、屈折率３０．ｘと３２．ｘの間の相違は、コア・モード屈折率３０．ｙと導波路モード屈折率３２．ｙとの間の相違よりもずっと小さい。本発明の別の実施形態では、屈折率３０．ｘと３２．ｘの間の相違はまた、コア・モード屈折率３０．ｙと導波路モード屈折率３２．ｘとの間の相違よりもずっと小さい。

本光ファイバにおいて所望の偏光依存性を実現するために、コア領域または導波路領域、あるいは両方が独自に設計されて、前述の複屈折が実現する。これらの設計は、好ましくは幾何学的な複屈折を利用する。すなわち、その設計は、コア領域および／または導波路領域の形状、あるいはこれら領域の周辺または周辺近くの微小欠陥の存在を含む。別法として、あるいは加えて、これらの設計では材料の複屈折を利用することができる。すなわち、設計は、中空のコア領域および／または導波路領域を複屈折流体で充填することを含むことができる。

より具体的には、一実施形態では、コア領域と導波路領域の少なくとも一方が、横軸の１つに対して非対称断面形状（例えば長円）を有する。一代替実施形態では、直交軸に対する以外は両領域が非対称形である。図１〜２は、例示的に長円形でｘ軸にほぼ沿った方向に向けられたコア領域１２と、やはり長円形ではあるが（直交する）ｙ軸にほぼ沿った方向に向けられた導波路領域１６とを示す。他の非対称形状が適しており、２つの領域は、同じ形状または異なる形状を有することができる。どちらの場合でも、領域１２および１６は、内側クラッド１４．１を形成するガラス格子内に製作された中空領域であることが好ましい。このタイプの格子は一般に、周知の積重ね引抜き（ｓｔａｃｋ−ａｎｄ−ｄｒａｗ）技法によって製作され、中空のコア／導波路領域は、指定されたコア／導波路領域から適切な数の積重ね管／毛細管を削除することによって形成することができる。代替の製作技法は、周知のゾルゲル注型またはゾルゲル押出し成形を含む。

別の実施形態では、図６Ａに示されたように、コア領域６２と導波路領域６６の少なくとも一方が、その領域の周辺または周辺近くに非回転対称パターンで配置された多数の微小欠陥６８を含む。一代替実施形態では、コア領域６２も導波路領域６６も、それぞれの領域の周辺または周辺近くに非回転対称パターンで配置された多数の微小欠陥６８を含むが、２つのパターンの互いの非対称性が直交軸に対して存在する。その概念を図示するために、本質的に円形のコア領域６２の周囲の上部近くに２つの微小欠陥６８ａが配置され、その下部近くに２つの微小欠陥６８ｂが配置され、それによって、コア・モード・エネルギーがｘ軸に沿って集中する。しかし、本質的に円形の導波路領域６６の周囲の左側には微小欠陥６８ｃが１つだけ配置され、その右側には微小欠陥６８ｄが１つだけ配置され、それによって、導波路モード・エネルギーがｙ軸に沿って集中する。微小欠陥は、例示的なものとして、Ｐ．Ｊ．Ｒｏｂｅｒｔｓ他の「Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ」（Ｖｏｌ．１４、Ｎｏ．１６、７３２９〜７３４１頁（２００６））に記載されているタイプの長円形ガラス・フィーチャである。同文献を参照により本明細書に組み込む。

回転対称性に関して、２回回転対称の形状は複屈折になる傾向があるのに対して、Ｎ＞２であれば、Ｎ回回転対称の形状は非複屈折になる傾向があることがよく知られている。したがって、非回転対称という語が用いられる場合、２回回転（πだけ回転）は除外される。

上記の説明の暗黙的仮定は、コア・モードと導波路モードの所望の屈折率整合が先験的設計によって実現され、したがって共振結合が、製造されたままのファイバに固有なものということである。しかし、例えば製造許容誤差により共振を実現するのが困難になる場合、所望の屈折率整合は、曲げ（またはねじり）調整によって実現することができる。すなわち、ファイバ１０または６０を曲げ、あるいはねじることで各モードの実効屈折率が変わり、それによって、製造されたままの直線ファイバ内の不整合モードを調整する製造後の技法がもたらされ、そのため不整合モードは、曲げられた／ねじられたファイバ内で整合するようになる。この概念は、図７〜８の実効屈折率プロファイルで示されている。図７では、無効矢印７３、７５で示されたように、共振的に結合されたモードがない。すなわち、コア領域７２の偏光Ｅ_ｘの実効屈折率７２．ｘは、導波路領域７６の偏光Ｅ_ｘの実効屈折率７６．ｘと整合しておらず、同様に、コア領域７２の偏光Ｅ_ｙの実効屈折率７２．ｙは、導波路領域７６の偏光Ｅ_ｙの実効屈折率７６．ｙと整合していない。［実効屈折率７２．ｘは実効屈折率７６．ｙと整合しているように見え、同様に、実効屈折率７２．ｙは実効屈折率７６．ｘと整合しているように見えるけれども、よく知られた対称規則により、これらの直交するモード（Ｅ_ｘとＥ_ｙ）が共振的に結合することが妨げられることがある（すなわち、それらの重なり積分はゼロになりうる）ことに注意されたい。］対照的に、ファイバが曲げられた／ねじられた場合には、図８に示されたように、直線ファイバの実効屈折率プロファイル７７は、曲げられた／ねじられたファイバ内でプロファイル８７にシフトする。このプロファイルのシフトにより、コア領域８２と導波路領域８６の両方の実効モード屈折率の位置が変わる。これらの屈折率が、当業者には容易に計算される適切な量だけ変更された場合、コア領域８２の偏光Ｅ_ｘの実効屈折率８２．ｘは次に、矢印８３で示されたように、導波路領域８６の偏光Ｅ_ｘの実効屈折率８６．ｘと共振的に結合される。すなわち、実効屈折率８２．ｘは本質的に実効屈折率８６．ｘと本質的に等しくなる。しかし、コア領域および導波路領域の偏光Ｅ_ｙは、無効矢印８５で示されたように、依然として互いに共振的に結合されていない。

ある横軸位置（ｘ，ｙ）での屈折率の、曲げで誘発されたシフトΔｎ_ｂｅｎｄは、半径Ｒ_ｂｅｎｄおよび方向θ_ｂｅｎｄでは、式（１）で与えられる。
ここでｎ（ｘ，ｙ）は、ファイバの材料屈折率である。同様に、（ｘ_ｍ，ｙ_ｍ）に中心を置くモードの実効屈折率シフトは式（２）で与えられる。
次に、導波路モードとコア・モードの間の屈折率整合における、曲げで誘発された調整またはシフトは、近似的に次式となる。
ここで、（ｘ_ｗｇ，ｙ_ｗｇ）および（ｘ_ｃｏｒｅ，ｙ_ｃｏｒｅ）はそれぞれ、導波路領域内の位置（ｘ，ｙ）およびコア領域内の位置（ｘ，ｙ）に対応する。例えば、曲げ方向がθ_ｂｅｎｄ＝０の場合、コアおよび導波路の内側の材料屈折率はｎ_０になり、コア領域および導波路領域は、それぞれｘ_ｃｏｒｅおよびｘ_ｗｇに中心を置き、コア・モードと導波路モードの間の実効屈折率の差は、式（４）で与えられる約Δｎだけシフトする。
したがって、ｘ_ｗｇ−ｘ_ｃｏｒｅ≒２０μｍ、およびＲ_ｂｅｎｄ≒３ｃｍの場合、ｎ_０＝１の排気コアでは、Δｎ_ｂｅｎｄ≒０．００１を得ることができる。しかし、この簡単な解析では、曲げに対する屈折率プロファイルの向きが、ある関連するファイバ長に対して相対的に一定のままであると想定している。

図７〜８から、この設計が偏光依存性の結合を実現することが明らかである。すなわち、Ｅ_ｘ偏光はコア領域から導波路領域まで結合されるが、Ｅ_ｙ偏光は結合されない。

好ましい設計ではさらに、個々のコア領域および導波路領域の複屈折軸を、これら２つの領域の中心を通る軸と一致、並行、または直交する方向に向けることもできる。したがって、図６Ａの複屈折軸は、コア領域６２および導波路領域６６の中心を通る軸６９と一致している。同様に、少なくともコア領域を通る鏡映対称軸を有するようにファイバを構成することが好ましいことがある。したがって、図６Ｂのファイバ６０’は、コア領域の中心と、上側の導波路領域６６’と下側の導波路領域６６’の中間とを通る鏡映対称軸６９’を有する。このような軸は、本質的に結合することなく異なる対称性を備えたモードからなる２つの群を画定する。例えば、一方の対称性群のコア・モードは、別の対称性群の導波路モードとの重なりが本質的にゼロである。

設計考慮事項およびシミュレーション結果
以下の説明では、偏光依存性結合に関する本発明の発明原理を組み入れたさまざまな光ファイバ設計のコンピュータ・シミュレーションについて述べる。シリカ・ファイバがシミュレーションの目的として想定されているが、特定の材料、寸法および動作条件は例示的にのみ与えられ、特に明記されていない限り、本発明の範囲を限定するものではない。

図６Ａのバンドギャップ・ファイバ６０の設計は、以下に示す寸法を用いてシミュレーションされた。より具体的には、六角形の内側クラッド格子６４．１内に埋め込まれた中空コア領域６２および中空導波路領域６６は、大まかに円形であり、各直径が約１３．５μｍ、中心間の間隔が約１８μｍであった。格子は、隅部が丸められた六角形孔形状で、最隣接六角形孔間隔（ピッチ）Λ＝４．６μｍを有した。孔の半径は、その最小で（孔の六角形の平坦部分に沿って）ｒ_０＝０．９８（Λ／２）であり、曲率の最小半径は（六角形の丸められた隅部で）ｒ_１＝０．４５ｒ_０であった。コア領域６２の周囲で０．０７μｍのウェブ厚さは、格子ウェブ厚さの０．７５倍であった。コア領域は４つの微小欠陥６８ａ、６８ｂを含んだのに対して、導波路領域６６は２つの欠陥６８ｃ、６８ｄだけを有した。両方の場合で、微小欠陥は、それが回転対称パターンを（πだけ回転、すなわち２回回転を除いて）形成しないように配置され、したがって複屈折を含んだ。各微小欠陥は、大まかに長円フィーチャであり、長軸長が約１．８μｍ、短軸長が約０．６μｍであった。

図６Ａのファイバの固有モードの、Ｒ_ｂｅｎｄ＝７．５ｃｍと想定して計算された強度画像が図９〜１０に示されている。これらのシミュレーションでは、パッケージング、調整または他の要件を満たすためにファイバを曲げることを典型的な応用例で伴うので、曲げファイバを想定している。しかし、７．５ｃｍという特定の曲げ半径は例示的なものにすぎず、本発明によるファイバは、この値よりも大きい、または小さい広範囲の半径を用いることができる。

図９〜１０の画像は、Ｅ_ｙ偏光モードがコア領域（左側）または導波路領域（右側）に対し十分に分離されている１つのファイバ設計を示す。これは、Ｅ_ｙ偏光モードがコア領域（図９左）中に入射した場合、そのモードではコア領域から導波路領域（右側）まで本質的に何も結合されないことを暗示する。そのような結合がないことが強度グラフ（図１１）で確認される。このグラフは、Ｅ_ｙ偏光の正規化強度が、コア領域の中心または中心近くでは１．０（点１１．９ｃ）であるが、導波路領域の中心または中心近くでは約１０^−５（点１１．９ｗｇ）以下にすぎないことを示す。同様に、偏光Ｅ_ｙが導波路領域（図１０右）中に入射した場合、そのモードでは導波路領域（右）からコア領域（左）まで本質的に何も結合されない。そのような結合がないことは、再び強度グラフ（図１１）で確認される。このグラフは、Ｅ_ｙ偏光の正規化強度が、導波路領域の中心または中心近くでは１．０（点１１．１０ｗｇ）であるが、コア領域の中心または中心近くでは約１０^−５（点１１．１０ｃ）以下にすぎないことを示す。

対照的に、図１２〜１３の計算された強度画像は、同じファイバ設計でもＥ_ｘ偏光状態に対しては非常に異なる結合挙動があったことを示す。Ｅ_ｘ偏光モードは混合されて、コア・モードと導波路モードの両方を含む。この混合は、コア領域と導波路領域の間の効率的なエネルギー交換を明確に示すものであった。例えば、コア領域に入射したＥ_ｘ偏光は、２つの混合モードの大まかに等しい成分を有し、入射したエネルギーのほとんどがコア領域と導波路領域の間で交換された。次に、２つの混合モードのビーティングが、コアと導波路の間のエネルギーの振動として明示された。結合されるエネルギーの総量は、当技術分野でよく知られているように、カプラの長さによって決まる。例えば、ファイバ長を振動周期の半分の奇数倍になるように選択することによって、ファイバの入力部の入射コア光をファイバの出力部で導波路光と結合することができる。エネルギーが大まかに均等に分割されることが強度グラフ（図１４）で確認された。このグラフは、Ｅ_ｘ偏光の正規化強度が、コア領域の中心または中心近くで１．０（点１４．１２ｃ）であり、導波路領域の中心または中心近くで約０．６（点１４．１２ｗｇ）（また点１４．１３ｃと１４．１３ｗｇでは反対）であったことを示す。他の設計では、混合モードに対して２つの領域間でエネルギーをさらに均等に分割することを実現し、それによって総エネルギーのさらに大きな部分が出力部で導波路モードと結合することができる。

Ｅ_ｙ偏光（図９〜１１）とＥ_ｘ偏光（図１２〜１４）は、図６Ａのファイバの所望の偏光依存性特性を示す非常に異なる特性を有した。

図６Ａのファイバの実効屈折率およびトンネリング損失は、それぞれ図１５〜１６に示されている。すなわち、図１５は、偏光Ｅ_ｘに対する実効屈折率グラフ（コア領域の曲線１５８、および導波路領域の曲線１５６）と、偏光Ｅ_ｙに対する実効屈折率グラフ（コア領域の曲線１５４、および導波路領域の曲線１５２）とを示す。コア領域および導波路領域それぞれのＥ_ｙ偏光に対する２つのモードの屈折率曲線１５４、１５２は広く離れており、これは、２つのモードがどの信号波長でも共振的に結合されていないことを意味する。対照的に、Ｅ_ｘ偏光に対する２つのモードの屈折率曲線１５８、１５６は、信号波長約１５７０ｎｍの区域１５０で、ほぼ屈折率整合している。

一方、図１６は、偏光Ｅ_ｘに対する光トンネリング損失グラフ（コア領域の曲線１６６、および導波路領域の曲線１６８）と、偏光Ｅ_ｙに対する光トンネリング損失グラフ（コア領域の曲線１６４、および導波路領域の曲線１６２）とを示す。約１５７０ｎｍの信号波長付近の４つのモードすべてに対するトンネリング損失は低く、１０ｄＢ／ｋｍ未満であった。このトンネリング損失のレベルは、他の損失（例えば散乱）よりも小さい（またはそれに匹敵する）といえ、したがって無視できると考えてよい。しかし、計算では、高い選択性の偏光依存性損失の可能性が示される。コア領域内のＥ_ｘ偏光（曲線１６６）は、コア領域内のＥ_ｙ偏光のトンネリング損失（曲線１６４）よりも約１０００倍大きいトンネリング損失を有する。これにより、本発明の一般戦略が低損失カプラを設計するのに有用であり、また偏光子を設計するのにも有用でありうることが確認される。

応用例
上述のように、横信号モードは実際には、直交する偏光（Ｅ_ｘおよびＥ_ｙ）を有する２つの信号モードからなる。これらの信号モードは、導波路（クラッド）モードと非常に多様に結合するようにつくることができ、この偏光依存性結合は、さまざまなデバイスを作製するのに用いることができる。

本発明のさまざまな応用例を図１７Ａのブロック図の装置、システムによって説明する。図は、本発明のさまざまな実施形態による光ファイバ１７１と、周知のレンズまたはレンズ・システム１７６を用いてファイバ１７１の入力端に結合された信号源１７２と、別の周知のレンズまたはレンズ・システム１７８を用いてファイバ１７１の出力端に結合されたユーティリティ・デバイス１７７とを示す。入力端１７３および出力端１７５におけるコア領域および導波路領域のモードが、図１７Ｂ、１７Ｃおよび１７Ｄに示されている。特定の応用例に応じて、コア領域または導波路領域、あるいは両方を、前述の技法を用いて複屈折になるように設計することができる。

すなわち、図１７Ｂは、信号が複屈折コア領域内の偏光Ｅ_ｘおよびＥ_ｙによって特徴付けられ、したがってコア領域内の２つの偏光が互いに位相整合せずに示されている偏光スプリッタを示す。適切な共振結合の結果、出力端においてＥ_ｘは導波路領域に結合されるが、Ｅ_ｙはコア領域内にとどまる。この機能性は、図３の機能性、ならびに図６Ａおよび図７〜１６の機能性に従うものである。

図１７Ｃは、コア領域は複屈折ではないが導波路領域は複屈折であることを除いて類似のスプリッタを示す。この場合、Ｅ_ｘ偏光とＥ_ｙ偏光は入力端で一致し（互いに位相整合はしていない）、したがって単一ベクトルＥ_ｘｙとして示されている。図１７Ｂのように、適切な共振結合の結果として、出力端においてＥ_ｘは導波路領域に結合されるが、Ｅ_ｙはコア領域内にとどまる。この機能性は図５の機能性に従うものである。

最後に、図１７Ｄは、図１７Ｂの設計と同様にコア領域が複屈折である偏光子を示す。信号モードは、位相外れベクトルＥ_ｘおよびＥ_ｙで示されるように、入力端のコア領域内でＥ_ｘとＥ_ｙの両方向に偏光されるが、Ｅ_ｙ偏光だけが出力端で導波路領域に結合される。Ｅ_ｘ偏光は、当技術分野で周知の手段によって抑制されるが示されてはいない。例えば、出力端のＥ_ｘ偏光は、通常存在する漏洩クラッド・モードによって抑制することができる。あるいは、このエネルギーは、吸収、散乱などにより失われることがある。このタイプの抑制は、（任意選択の）図２の波形矢印２９および図８の波形矢印８９で概略的に示されている。

前述の実施形態それぞれにおいて、コア領域と導波路領域の間の共振結合は、実際的な意味では不完全である。したがって、結合が意図されない場合でさえ、重要ではない少量のモード・エネルギーが依然として導波路領域に結合されることがある（例えば図１１の点１１．９ｗｇ）。一方、１００％未満の共振結合もまた、特定のカプラの意図された設計の特徴でありうる。例えば、１つの偏光（Ｅ_ｘ）に対するモード・エネルギーがコア領域と導波路領域の間でほぼ均等に分割され、結合領域の長さが振動周期の奇数倍である一実施形態を上記で説明した。この設計は、コア内のＥ_ｙ偏光のほぼすべてを維持しながら、Ｅ_ｘ偏光エネルギーのほとんどを導波路に結合することを実現するのに十分であった。しかし、カプラ・ファイバの長さを調整することによって、または混合モードを調整することによって、特定の結合機能を実現することができる。２つの混合モードのコア内のエネルギーと導波路内のエネルギーの比率は、２つの設計フィーチャ、すなわち、各編光に対するコア領域と導波路領域の間の屈折率整合の程度と、各モードの標準重なり積分とを制御することによって容易に調整される。本発明のこの態様を活用するために、コア領域および導波路領域は、（ｉ）コア・モードと導波路モードの少なくとも一方が複屈折になり、（ｉｉ）第１のコア・モード偏光状態が、第１の結合レベルで導波路モードと共振的に結合され、（ｉｉｉ）コア・モードの第２の偏光状態が、別の第２の結合レベルで導波路モードと共振的に結合されるように構成される。

上述の構成は、本発明の原理の応用を表すために考案できる多くの可能な具体的実施形態を単に例示するものにすぎないことを理解されたい。これらの原理によれば、当業者には、他の多種多様な構成を本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく考案することができよう。

さらに、周知のセンサ用途では、本発明の光ファイバの中空領域は一般に、適切な流体（液体または気体）で充填される。この流体は、例えば、検出されるべき汚染物質などの化学種を含む空気とすることができる。光源がファイバに結合され、そこで光が汚染物質によって吸収される。汚染物質による光の吸収は、例えば、その汚染物質と関連している波長の光の強度の変化として検出器によって感知される。ファイバ内の流体は、静止状態または動的（流動）状態で維持することができる。どちらの場合でも流体は、出口ポートを通ってファイバ外に流出することができる。

Claims (20)

1. 長軸を有する中空コア領域を含み、前記コア領域は、第１の偏光状態、第２の直交偏光状態、あるいはその両方によって特徴付けられる横コア・モードで信号光の伝搬を支持し導波するように構成され、そして、前記コア・モードが前記コア領域内を本質的に前記軸の方向に伝搬するものであり、さらに、
   横導波路モードで光の伝搬を支持し導波するように構成された局在中空導波路領域を含むクラッド領域を含み、前記導波路モードは、前記導波路領域内を前記軸と本質的に並行する方向に伝搬するものであり、
   前記コア領域および前記導波路領域がさらに、（１）前記コア・モードと前記導波路モードの少なくとも一方が複屈折であり、そして、（２）前記コア・モード偏光状態の少なくとも１つが前記導波路モードと共振的に結合される、よう構成される、光ファイバ。
2. 前記横コア・モードが、第１の偏光状態および第２の直交偏光状態によって特徴付けられ、
   前記横導波路モードが、第１の偏光状態および第２の直交偏光状態によって特徴付けられ、
   前記コア領域および前記導波路領域がさらに、（３）前記コア・モード偏光状態の１つが前記導波路モード偏光状態の１つと本質的に屈折率整合され、それによって前記共振結合を実現し、そして、（４）前記コア・モード偏光状態のもう１つが前記導波路モード偏光状態のもう１つと屈折率整合しない、よう構成される、請求項１に記載の光ファイバ。
3. 前記コア領域と前記導波路領域との少なくとも一方の横断形状が前記ファイバの横軸に対して非対称である、請求項１に記載のファイバ。
4. 前記コア領域の前記横断形状が前記ファイバの１つの横軸に対して非対称であり、そして、前記導波路領域の前記横断形状が前記ファイバの直交する横軸に対して非対称である、請求項３に記載のファイバ。
5. 前記コア領域と前記導波路領域の少なくとも一方が、前記少なくとも一方の領域の周辺または周辺近くに配置された多数の微小欠陥を含み、前記微小欠陥が、前記少なくとも一方の領域の断面内に非回転対称パターンで配置されている、請求項１に記載のファイバ。
6. 前記コア領域が、その周辺または周辺近くに配置された多数の微小欠陥を含み、前記コア領域微小欠陥が前記コア領域の断面内に、その中の信号モード・エネルギーが第２の直交軸に沿うよりも第１の横軸に沿ってより多くその中に分配されるように非回転対称パターンで配置され、前記導波路領域が、その周辺または周辺近くに配置された多数の微小欠陥を含み、前記導波路領域微小欠陥が前記導波路領域の断面内に、その中の結合モード・エネルギーが前記第１の横軸に沿うよりも前記第２の直交横軸に沿ってより多くその中に分配されるように非回転対称パターンで配置される、請求項５に記載のファイバ。
7. 前記クラッド領域が、前記コア領域を取り囲む内側クラッド領域と、前記内側クラッド領域を取り囲む外側クラッド領域とを含み、前記導波路領域が前記内側クラッド領域内に配置される、請求項１に記載のファイバ。
8. ファイバがバンドギャップ・ファイバを含み、前記内側クラッド領域が格子構造を含む、請求項７に記載のファイバ。
9. 前記ファイバが、前記導波路領域中に信号モード・エネルギーが共振的に結合された後にそれを抑制する手段を含む、請求項１に記載のファイバ。
10. 前記ファイバの少なくとも一部分が湾曲され、または曲げられ、前記部分で前記共振結合が生じる、請求項１に記載のファイバ。
11. 前記コア領域および前記導波路領域が、前記コア領域の前記偏光状態の１つを前記導波路領域と共振的に結合するが、前記直交偏光状態は結合しないように構成される、請求項１に記載のファイバ。
12. 前記コア領域および前記導波路領域が、少なくとも前記コア領域を通る鏡映対称軸を有する、請求項１に記載のファイバ。
13. 前記鏡映対称軸が前記コア領域と前記導波路領域の両方を通る、請求項１２に記載のファイバ。
14. 請求項１に記載のファイバと、
    前記ファイバの一端に結合された前記信号エネルギーの供給源と、
    前記ファイバの他端に結合されたユーティリティ・デバイスとを備える光学装置。
15. 偏光スプリッタとして構成される、請求項１４に記載の装置。
16. 偏光子として構成される、請求項１４に記載の装置。
17. 偏光センサとして構成され、前記コア領域が、検出されるべき化学種を含む流体で充填される、請求項１４に記載の装置。
18. 長軸を有する中空コア領域を含み、前記コア領域は、第１の偏光状態、第２の直交偏光状態、あるいはその両方によって特徴付けられる横コア・モードで信号光の伝搬を支持し導波するように構成され、そして、前記コア・モードが前記コア領域内を本質的に前記軸の方向に伝搬するものであり、さらに、
    第１の偏光状態、第２の直交偏光状態、あるいはその両方によって特徴付けられる横モードで光の伝搬を支持し導波するように構成された局在中空導波路領域を含むクラッド領域を含み、前記結合モードが前記導波路領域内を前記軸と本質的に並行する方向に伝搬するものであり、
    前記コア領域および前記導波路領域がさらに、（１）前記領域の少なくとも１つにおいて、モード・エネルギーが第２の直交横軸に沿うよりも第１の横軸に沿ってより多くその中に分配され、そして、（２）前記コア・モードの第１の偏光状態が前記導波路モードの第１の偏光状態に共振的に結合される、ように構成され、
    前記コア領域の横断形状が前記ファイバの１つの横軸に対して非対称であり、前記導波路領域の横断形状が前記ファイバの直交する横軸に対して非対称であり、
    前記クラッド領域が、前記コア領域を取り囲む内側クラッド領域と、前記内側クラッド領域を取り囲む外側クラッド領域とを含み、前記導波路領域が前記内側クラッド領域内に配置され、
    ファイバがバンドギャップ・ファイバを含み、前記内側クラッド領域が格子構造を含む、光ファイバ。
19. 長軸を有する中空コア領域を含み、前記コア領域は、第１の偏光状態、第２の直交偏光状態、あるいはその両方によって特徴付けられる横コア・モードで信号光の伝搬を支持し導波するように構成され、そして、前記コア・モードが前記コア領域内を本質的に前記軸の方向に伝搬するものであり、さらに、
    第１の偏光状態、第２の直交偏光状態、あるいはその両方によって特徴付けられる横導波路モードで光の伝搬を支持し導波するように構成された局在中空導波路領域を含むクラッド領域を含み、前記導波路モードが前記導波路領域内を前記軸と本質的に並行する方向に伝搬するものであり、
    前記コア領域および前記導波路領域がさらに、（１）前記領域の少なくとも１つにおいて、モード・エネルギーが第２の直交横軸に沿うよりも第１の横軸に沿ってより多くその中に分配され、そして、（２）前記コア・モードの第１の偏光状態が前記導波路モードの第１の偏光状態に共振的に結合される、ように構成され、
    前記コア領域が、その周辺または周辺近くに配置された多数の微小欠陥を含み、前記コア領域微小欠陥が前記コア領域の断面内に、その中の信号モード・エネルギーが第２の直交横軸に沿うよりも第１の直交横軸に沿ってより多くその中に分配されるように非回転対称パターンで配置され、前記導波路領域が、その周辺または周辺近くに配置された多数の微小欠陥を含み、前記導波路領域微小欠陥が前記導波路領域の断面内に、その中の結合モード・エネルギーが前記第１の横軸に沿うよりも前記第２の直交横軸に沿ってより多くその中に分配されるように非回転対称パターンで配置され、
    前記クラッド領域が、前記コア領域を取り囲む内側クラッド領域と、前記内側クラッド領域を取り囲む外側クラッド領域とを含み、前記導波路領域が前記内側クラッド領域内に配置され、
    ファイバがバンドギャップ・ファイバを含み、前記内側クラッド領域が格子構造を含む、光ファイバ。
20. 長軸を有する中空コア領域を含み、前記コア領域は、第１の偏光状態および第２の直交偏光状態によって特徴付けられる横コア・モードで信号光の伝搬を支持し導波するように構成され、前記コア・モードが前記コア領域内を本質的に前記軸の方向に伝搬するものであり、さらに、
    第１の偏光状態および第２の直交偏光状態によって特徴付けられる横導波路モードで光の伝搬を支持し導波するように構成された局在中空導波路領域を含むクラッド領域を含み、前記導波路モードが前記導波路領域内を前記軸と本質的に並行する方向に伝搬するものであり、
    前記コア領域および前記導波路領域がさらに、（１）前記コア・モードと前記導波路モードの少なくとも一方が複屈折になり、（２）前記第１のコア・モード偏光状態が、第１の結合レベルで前記導波路モードの第１の偏光状態と共振的に結合され、そして、（３）前記コア・モードの第２の偏光状態が、別の第２の結合レベルで前記導波路モードの第２の偏光状態と共振的に結合されるように構成される、光ファイバ。