JP2557048B2 - 丸い複屈折誘電体光導波体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、複屈折光導波体に関する。

［従来技術］ ここ数年、著しい異方性の性質によって特徴付けられ
た非常に低い減衰のシリカカラスでできた光導波体（す
なわち光フアイバ）の技術が脚光を浴びている。

このような伝送手段が使用される主な理由は単一モー
ド（モノモードあるいはユニモードとも呼ばれる）を伝
送する光導波体が特に注目されてきたためであり、それ
は２つの異なった偏光状態、すなわち一般的に言えば楕
円偏光状態で光を伝播させる特性を有している。現在利
用されているものあるいはこれから採用されると思われ
るものは、ほとんど次の２つに限定される。その光導波
体の１つは、このような楕円偏光が２つの直角方向の直
線偏光に等価なものとして扱われ、また光導波体の別の
１つはこのような楕円偏光をが逆方向に進む２つの円偏
光に等価なものとして扱われる。したがって、それらの
光導波体はそれぞれ直線複屈折（あるいは線形複屈折）
光導波体および丸い（round）複屈折（あるいは円形（c
ircular）複屈折）光導波体と呼ばれる。実験が重ねら
れ、現在は円形複屈折光導波体より直線複屈折光導波体
の方が知られているが、つい最近では円形複屈折光導波
体について数々の研究が行われている。

現在の円形複屈折光導波体の技術の応用は主として物
理的大きさを感知するセンサおよび変換器に関係してお
り、特に、静磁界あるいはゆっくりと変化する磁界を測
定する機器の出力光の偏光状態を保持するためにこのよ
うな光導波体が適している。しかしながら、伝送手段と
して等方性、あるいは直線複屈折光フアイバを使用する
通信システムの端末または特定のセクションにおいてセ
ンサおよび変換器を使用するためにこのような複屈折光
導波体が使用される場合、通常のコアとクラッドが同軸
構造の等方性の光導波体と複屈折光導波体との接続に関
して光の結合効率の問題を考慮する必要がある。

簡単な方法で複屈折光導波体を得る方法は、誘電率テ
ンソルがデカルト直交座標で対角線素子の中から選んだ
０とは異なる２つの素子（特に、虚数の反対符号の素
子）および互に等しい主対角線の素子によつて特徴づけ
られる材料を使用する必要がある。しかしながら、光フ
ァイバとして通常使用されているシリカカラスでこの条
件を満たすためには顕微鏡的なスケールの範囲の特性の
制御、すなわち材料の局部的な化学的なあるいは物理学
的な特性の制御が必要となり、そのような構造を実現す
ることは困難である。

複屈折光導波体を得るための技術として、巨視的に、
すなわち伝送される光の波長より著しく大きい距離で光
導波体の平均的特性が上述の特性を有する手段の平均的
特性に等しくするような機械的方法が知られている。

このような機械的方法は実質的に次の２つに絞られ
る。

第１の方法は、等方性の光導波体とは異なった、伝播
方向である縦軸（以下Ｚ軸と言う）を中心とした回転方
向で非対称的な特性の構造にすることである。

第２の方法は、Ｚ軸を中心にねじりを与え、および／
あるいは軸Ｚに対して母線が平行な円筒体に光導波体を
らせん状に巻付けるような構造にすることである。

［発明の解決しようとする課題］ 本発明が解決しようとしている従来の複屈折光導波体
の欠点を知るために、光導波体について以下説明する。

この種の光導波体は２つのグループに大別される。

ａ）第１の形式の光導波体は、第1a図に断面が示されて
いるように、光導波体全体、あるいは中心のコア領域の
部分だけが横断面において、交互に屈折率n1を有する領
域５と屈折率n2を有する領域６が配置されたｍ個の角の
セクタに分けられた光導波体である（図示のものは光導
波体全体が角度セクタに分けられている）。この場合屈
折率はn1＞n2とする。円形複屈折に重畳された直線複屈
折が生じるのを阻止するために、通常ｍは８あるいは８
の倍数に選定される。

この型式の光導波体では各セクタの扇形の頂点が集中
する軸を中心にねじりが加えられる。

ｂ）第２の形式の光導波体は、第1b図に断面が示されて
いるように、コア７の横断面において屈折率n1は均一で
あるが、このコア７の中心軸はクラッド８の中心軸、す
なわち光導波体全体の中心軸からずれており、例えば図
示のようにコア７の側面は光導波体全体の側面に接して
おり光導波体全体の中心軸を中心にらせん状に形成され
ている。

第1a図に示された第１の形式の光導波体では、伝送さ
れる電磁エネルギの分布が等方性単一モードの光ファイ
バ（コアとクラッド同心形状）の場合とは非常に異なっ
ており、伝送される光エネルギは高い屈折率n1を有する
セクタ断面に分布している。したがってこの形式の光導
波体の端部において通常の同心形状のコアとクラッドを
有する光フィイバと接続して光を入力または出力させる
場合に大きい損失が生じる。すなわち、前記のように形
式の光導波体では電磁エネルギはセクタ全面にわたって
分布しているため、これが中心部に円形のコアを有する
通常の光導波体と結合されたときセクタ部分の中心に近
い円形のコアと対面する部分の光だけが通常の光導波体
の円形のコアと結合され、円形のコアの外側のクラッド
部分と対面するセクタ部分の光はコアに伝達されず、ク
ラッド部分に伝達されるため外部に放散されて損失とな
る。

この損失は第１の形式の光導波体と通常の光導波体の
間に徐々に特性の変化する特別の構造の光導波体を使用
することによって減少させることができるが、このよう
な光導波体は非常に高度の技術を必要とするために高価
なものとなり実用的なものではない。

この欠点は第1b図に示された第２の形式の光導波体で
は生じない。しかしながら、十分な複屈折性を得るため
には最大のねじりあるいは小さいピッチのらせんとする
ことが必要であるためにこのような小さいピッチのらせ
ん状のコア７をクラッド８中に埋設した構造の光ファイ
バは製造が困難で高価のものとなる。さらに、らせんの
ピッチがある最小ピッチ以下に小さくなると、光ファイ
バは光を伝送しないで光を放射するようになる。したが
ってこの光の放射を抑制して全体的な性能を良好にする
ためには、第２の形式の光導波体では第1b図に示された
クラッド８の外側にさらに厚いクラッドを設けることが
必要になり、そのため第１の形式の光導波体の場合より
はるかに太い光導波体が必要となり、またらせん状であ
るために伝送路の長さが増加して伝送に伴う損失が増加
する欠点がある。

前述の２つの型式の光導波体は構造的、および動作原
理的に大きく異なっており、従来それら２つの型式のい
ずれか一方を選択しなげればならなかった。

本発明の目的は、上記２つの型式の光導波体の有する
欠点を除去し、通常の光導波体との結合における結合損
失が少なく、特に太い光導波体を使用する必要もなく、
光導波体の長さを著しく増加させる必要もない複屈折光
導波体を提供することである。

［課題解決のための手段］ 本発明は、中心軸を中心にねじりを受け、および、ま
たはシリンダにらせん状に巻付けられ、その断面は中心
軸を中心として８または８の倍数個の角度セクタに分け
られた領域を有し、前記角度セクタは交互にそれぞれ異
なる屈折率n3およびn4を有している円形断面の複屈折誘
電体光導波体において、 前記角度セクタに分けられた領域は中心にある円形断
面の領域を包囲し、外側の環状領域によって包囲された
中間領域であり、中心にある円形断面の領域は実質的に
一定の屈折率n1を有し、外側の環状領域は屈折率n2を有
し、中間領域の一方の角度セクタの領域の屈折率n3は一
定であるかまたは光導波体の軸からの距離の２乗に逆比
例して変化し、中間領域の他方の角度セクタの領域の屈
折率n4は光導波体の軸からの距離の２乗に逆比例して変
化し、屈折率n1は屈折率n2より大きく、また屈折率n3よ
りも大きく選定され、屈折率n4は屈折率n1と屈折率n2と
の間にあるによることを特徴とする。

前記の中間領域では、２個の隣接した角度セクタの角
度の合計が４πをセクタの総数で割った値に等しい。

外側の環状領域の屈折率n2は一定であってもよく、あ
るいは半径方向で変化していてもよい。中間領域におけ
る角度セクタの屈折率n3およびn4が共に光導波体の軸か
らの距離の２乗に逆比例して変化してもよく、その場合
に軸からの距離が等しい位置において屈折率n4より屈折
率n3の方が小さい選定される。

光導波体は、縦軸に沿って各領域および角度セクタの
大きさ並びに屈折率が徐々に変化するように構成するこ
ともできる。

また、上述のような構成の光導波体を複数直列に接続
した直列シーケンスを構成してもよい。

［発明の効果］ 本発明による上記のような構造の光導波体は、中心に
実質的に一定の屈折率n1を有する円形断面の領域が存在
するために通常の中心に円形のコアを有する光導波体と
接続した場合に前記第1a図に記載した構造の光導波体に
比較して円形のコア部分と結合される面積が大きくでき
るために接続損失を著しく減少させることができる。

また中間領域の角度セクタ領域の存在によって中心の
一定屈折率の円形断面領域が存在していても複屈折光導
波体とするために従来の第２の形式の光導波体に比較し
てらせんのピッチを大きくすることができる。したがっ
てらせんにすることによる光導波体の長さの増加や光の
放射を十分に抑制することができる。

［実施例］ 本発明を添附図面第２図に示される実施例で説明す
る。

第２図は本発明の光導波体の１実施例を示し、光導波
体の中心軸に垂直な断面における屈折率の分布を示して
いる。この光導波体は、たとえばプレフォームから引伸
ばされて製造されるときその中心軸を中心にねじりを加
えられている。

この光導波体の断面は次のような屈折率の領域に分け
られている。

まず中心領域１として外半径ａの屈折率が一定（ある
いはほぼ一定）の円形断面の領域があり、これは屈折率
n1を有している。

また外側には、半径ｂの円周によって内側の限界を定
められた屈折率が一定、またはほぼ一定の外側領域２が
ある。この外側領域２の屈折率はn2であり、外側領域４
と中心領域１の屈折率の関係はn2＜n1である。

また中心領域１と外側領域４との間の半径ｒがａとｂ
の間の中間領域はｍ個の角度セクタに分割され、ｍは第
1a図に示された従来のものと同様に８あるいは８の倍数
である。

いずれか１つの角度セクタ、たとえば第２図の１つの
角度セクタ41を基準としてそこから時計方向に数えて偶
数番目の角度セクタ31,32,33,34は一定の屈折率n3を有
しており、奇数番目の位置の角度セクタ41,42,43,44は
その内部で変化しているn4屈折率を有している。偶数番
目の角度セクタ31,32,33,34の屈折率n3は中心領域１の
屈折率n1より小さいことが不可欠であり、外側領域４の
屈折率n2と同じ屈折率、或いはそれに近い値、またはそ
れより低い値を有していることが好ましい。一方、奇数
番目の位置の角度セクタ41,42,43,44の屈折率n4は屈折
率n1と屈折率n2との間の大きさであり、内側の中心領域
１に隣接する半径ｒ＝ａの部分においては中心領域１の
屈折率n1に等しいか、或いはそれよりわずかに低い値で
あり、この屈折率n1にほぼ等しい値から奇数番目の角度
セクタ領域中で半径ｒがａから増加するとともに次第に
減少し、角度セクタが外側領域２に隣接する一番外側の
部分である半径ｒ＝ｂの部分においては外側領域２の屈
折率n2に等しいか、或いはそれよりわずかに高い値であ
る。屈折率n4は半径ｒの変化に対して1/r²に比例して変
化する。

また、中間領域における偶数番目の角度セクタの屈折
率n3を一定にする代りにn4と同様に光導波体の中心側か
らｎ距離の２乗に逆比例して変化させてもよく、その場
合に軸からの距離が等しい同じ半径ｒの位置において屈
折率n4より屈折率n3の方が小さい選定される。

奇数番目（或いは偶数番目）の角度セクタの角度幅φ
はこの構造の設計パラメータの１つである。

説明を簡単にするためにｍ＝８の場合について説明す
る。また、第２図において屈折率の変化をわかりやすく
示すために線影の密度を変化させて示している。すなわ
ち、屈折率ｎが最大である屈折率n1の中心領域１は最も
密度の高い（間隔の狭い）線影が付けられ、最少の屈折
率n2の外側領域４および屈折率n2に近い屈折率n3の偶数
番目の角度セクタ31,32,33,34は線影のない白で表示さ
れ、大きさが変化する屈折率n4の奇数番目の位置の角度
セクタ41,42,43,44は線影の線の間隔を外側程広くされ
て外側で屈折率が減少していることを示している。光は
光導波体中の屈折率の高い部分を伝送されるから図で線
影が付けられた歯車形の部分を通って伝送される。

本発明において重要なことは、奇数番目の角度セクタ
における屈折率分布を比例法則h/r²（ｈ＝比例定数）に
したがって選択したことである。このようにすることに
よつて、マックスウエルの方程式を利用した光導波体中
を伝播する電磁エネルギの数学的解析によって、光導波
体の断面における半径方向および円周方向分布を非常に
正確に制御することができる。

したがって、任意の予め設定された制限範囲内におい
て、等方性光導波体の電磁フィールドに対して第２図で
線影が付けられた歯車形の部分の調整が可能となり、こ
のような構造の光導波体を端部において円形断面の同軸
光導波体と接続する場合における損失を最少にすること
ができる。

さらに詳しく説明すると、屈折率n1、n2、n3と、半径
a,bと、比例定数ｎと、および奇数番目のセクタの角度
幅φのような設計パラメータを調整することによって、
前記のような調節、すなわち端部における通常のコアと
クラッドが同軸の光導波体との接続における損失を減少
させるような調整と、伝送中にエネルギを周囲に放射す
ることによって光導波体に沿つて分布して生じる散乱損
失を減少させるための設計との間の妥協が可能になる。

例えば、説明を簡単にするために、ｂを円形断面の同
軸光導波体のコアの半径に等しくした場合、またさらに
簡単に説明するために、コアとクラッドがそれぞれ屈折
率n1、n2に等しい屈折率であるとすると、コアとクラッ
ドが同軸の光導波体に入力される複屈折光は、半径ａの
減少および、奇数番目の角度セクタの角度幅φの減少に
よって増加し、また比例定数ｈの増加と共に増加する。
もし、逆の調整が行われれば結果は反対になる。したが
って、コアとクラッドが同軸の光導波体でコアの半径が
上記のように仮定したｂよりも小さい場合には上記のパ
ラメータの調整によってそのような光導波体に対して最
適の結合状態を得ることができる。

必要があれば、各パラメータ（屈折率および断面の半
径やセクタの角度等の幅幾何学的寸法）を光導波体の縦
軸に沿つて徐々に変化させた複数の異なるパラメータを
有する部分の連続体として形成して、それによって例え
ば接続される部分まで上記のような調整が徐々に行われ
るようなパラメータが光導波体の縦軸に沿つて次々に変
化するように選択されることもできる。

【図面の簡単な説明】

第1a図および第1b図は従来の光導波体の断面図であり、
第２図は本発明の１実施例の光導波体の断面図である。 １……中心領域、２……外側領域、31,32,33,34……中
間領域の偶数番目の角度セクタ、41,42,43,44……中間
領域の奇数番目の角度セクタ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭58−184905（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−79201（ＪＰ，Ａ) 実開 昭58−126407（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭58−31565（ＪＰ，Ｂ２)

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】中心軸を中心にねじりを受け、および、ま
   たはシリンダにらせん状に巻付けられ、その断面は中心
   軸を中心として８または８の倍数個の角度セクタに分け
   られた領域を有し、前記角度セクタは交互にそれぞれ異
   なる屈折率n3およびn4を有している円形断面の複屈折誘
   電体光導波体において、 前記角度セクタに分けられた領域は中心にある円形断面
   の領域を包囲し、外側の環状領域によって包囲された中
   間領域であり、 前記中心にある円形断面の領域は実質的に一定の屈折率
   n1を有し、 前記外側の環状領域は屈折率n2を有し、 中間領域の一方の角度セクタの領域の屈折率n3は一定で
   あるかまたは光導波体の軸からの距離の２乗に逆比例し
   て変化し、 中間領域の他方の角度セクタの領域の屈折率n4は光導波
   体の軸からの距離の２乗に逆比例して変化し、 屈折率n1は屈折率n2より大きく、また屈折率n3よりも大
   きく選定され、 屈折率n4は屈折率n1と屈折率n2との間にあることを特徴
   とする円形複屈折誘電体光導波体。
2. 【請求項２】角度セクタに分けられた中間領域における
   ２個の隣接した角度セクタ領域の中心角度の合計が４π
   を角度セクタの総数で割った値に等しい請求項１記載の
   光導波体。
3. 【請求項３】外側の環状領域の屈折率n2が一定である請
   求項１記載の光導波体。
4. 【請求項４】外側の環状領域の屈折率n2が半径方向で変
   化する請求項１記載の光導波体。
5. 【請求項５】中間領域における前記角度セクタの屈折率
   n3とn4がそれそれ光導波体の軸からの距離の２乗に逆比
   例して変化し、前記軸からの等しい距離において屈折率
   n4より屈折率n3の方が小さい請求項１記載の光導波体。