JP5307557B2 - 中空コアフォトニックバンドギャップファイバを用いる偏光コントローラ - Google Patents

Description

優先権の主張
この出願は、本明細書においてその全体を引用により援用される、２００６年３月２日に出願された米国仮特許出願第６０／７７８，２３０号の利益を主張する。

発明の背景
発明の分野
この出願は、一般に、光ファイバの用途のための偏光コントローラの分野に関する。

関連技術の説明
中空コアフォトニックバンドギャップファイバ（ＰＢＦ）において、基本モードのパワーの大部分は、空気中を伝播する（たとえば、デンマーク（Denmark）のビヤケレッド（Birkerod）のクリスタルファイバ社（Crystal Fibre A/S）から入手可能なＨＣ−１５５０−０２の中空コアフォトニックバンドギャップファイバの仕様を参照）。この特性により、中空コアファイバは、高いピークパワーおよび／または低い非線形性が所望される用途を含む多数の用途にとって有望なものとなっている。

一般に、ファイバ内を伝播する光の偏光状態（ＳＯＰ）を制御できることが望ましく、現在、このような手段は、中空ファイバにおいて存在していない。従来の単一モードファイバ（ＳＭＦ）では、当該ファイバをループ状に折り曲げて、歪みにより複屈折を誘起することにより、偏光制御が日常的に行なわれている（たとえば、Ｈ．Ｃ．ルフェーブル（Lefevre）、「単一モード部分波装置および偏光コントローラ（Single mode fractional wave devices and polarisation controllers）」、エレクトロニクス・レターズ（Electronics Letters）、第１６巻、第７７８−７８０頁（１９８０）を参照）。図１は、曲率半径Ｒを有する１対のループを形成するように折り曲げられたＳＭＦを概略的に示す。誘起される複屈折Δｎは、曲率半径の２乗に反比例する（すなわち、Δｎ∝１／Ｒ²）。これらのループによって生じる全位相遅延δ_lは、ループの数Ｎ_loopsをループの曲率半径で除算したものに比例する（すなわち、δ_l∝Ｎ_loops／Ｒ）。ＳＭＦ２８ファイバについては、各々が約２．５センチメートルの曲率半径を有する２つのループを用い、１つの４分の１波長板を生じることができる。２つのこのような４分の１波長板を、真の汎用偏光コントローラとして用いて、任意の入力偏光状態（ＳＯＰ）を任意の出力ＳＯＰに変換することができる。このような偏光コントローラは、任意の入力ＳＯＰを回転させ、かつ、その楕円率を変更することにより、当該ＳＯＰを、ポアンカレ（Poincare）球上の任意の地点に至る出力ＳＯＰに変換するものと記載することができる。

発明の概要
或る実施例において、偏光コントローラが提供される。この偏光コントローラは、第１の中空コアフォトニックバンドギャップファイバを備え、当該第１の中空コアフォトニックバンドギャップファイバの少なくとも一部は、第１の長手方向軸を有し、当該第１の長手方向軸を中心としてねじられる。

或る実施例において、偏光コントローラが提供される。この偏光コントローラは、中空
コアフォトニックバンドギャップファイバを備え、当該中空コアフォトニックバンドギャップファイバの少なくとも一部は、長手方向軸を有し、当該長手方向軸を中心としてねじられる。

或る実施例において、光信号の偏光状態を改変する方法が提供される。この方法は、第１の偏光状態を有する光信号を提供するステップを含む。この方法はさらに、長手方向軸を有し、かつ、当該長手方向軸を中心としてねじられる中空コアフォトニックバンドギャップファイバの少なくとも一部を通じて当該光信号を伝播させるステップを含む。当該光信号は、当該第１の偏光状態とは異なる第２の偏光状態で、当該中空コアフォトニックバンドギャップファイバのねじられた一部から出力される。

好ましい実施例の詳細な説明
従来の単一モードファイバ（ＳＭＦ）を通じて伝播する光モードのほとんどは、ＳＭＦのシリカを通じて伝わる。従来のＳＭＦは、低い固有複屈折を有するが、当該ＳＭＦを折り曲げることによって大きな複屈折が誘起される。したがって、従来のＳＭＦを用いるループ偏光コントローラは良好に作動する。

それとは対照的に、中空コアフォトニックバンドギャップファイバ（ＰＢＦ）は、この方法による偏光制御には容易に適さない。中空コアＰＢＦを通じて伝播するモードのほとんどは、歪みを受けない中空コア内を伝わる。このような中空コアＰＢＦは、高い固有複屈折を有するが、折り曲げによって小さな複屈折しか誘起されない。たとえば、１０センチメートルの曲率半径で折り曲げられた中空コアＰＢＦの誘起複屈折と、１．５センチメートルの曲率半径で折り曲げられた中空コアＰＢＦの誘起複屈折との間に、測定可能な差異は存在しない。したがって、中空コアＰＢＦを用いるループ偏光コントローラは、実用的ではない。なぜなら、折り曲げによって生じる歪みの作用があまりにも小さいためである。本明細書で使用する「中空コア」という用語は、その最も広い意味で使用されており、ファイバが、大気圧または他の任意の圧力における空気、任意の気体、または気体の組合せで充填された中空コアを有する構成を含む。本明細書で使用される「ファイバ」という用語は、その最も広い意味で使用されており、ファイバの全長か、または、１つの端部あるいは２つの端部を包含するか、もしくはファイバの端部を包含しない、ファイバの一部あるいはセグメントを含む。

ファイバを軸方向に（axially）ねじることが、当該ファイバの複屈折に及ぼす作用を理解するために、複屈折ファイバの自由端部をねじるという簡単な場合を考察することができる。ファイバの一部（たとえば端部）が、その出力端部から短い距離Ｌを空けて配置された支持物に取付けられ、当該出力端部が角度τだけねじられる。図２に概略的に示すように、一本の複屈折ファイバは、各々が線形位相遅延δ_l、円形位相遅延δ_c、および複屈折軸の配向（orientation）θを有する波長板の集合とみなすことができる。線形複屈折は、直交直線偏光間に、線形位相遅延δ_lを生じる。たとえば、直線偏光信号に対して４５°の線形複屈折４分の１波長板（quarter-wave linear birefringent plate）は、π／２ラジアンの位相遅延を生じ、それにより、当該信号の偏光状態を、直線偏光信号から円偏光状態に変更する。円形複屈折は、対向する（たとえば左右の）円偏光間に、円形位相遅延δ_cを生じる。たとえば、円形複屈折４分の１波長板（quarter-wave circular birefringent plate）は、π／２ラジアンの位相遅延を生じ、それにより、４５°の直線偏光を、水平直線偏光に変更する。

ファイバの端部がねじられると、その複屈折を変化させるのに２つのメカニズムが寄与する。第１に、ファイバは、ねじりによる剪断歪みを受け、これにより、ねじる量に比例した円形位相遅延が誘起される。従来の単一モードファイバでは、歪みにより誘起される
この円形位相遅延の大きさは、小さなものである（たとえば、ｇ＝０．１３−０．１６において、δ_c＝−ｇτ）。たとえば、典型的な従来のファイバでは、１８０°のねじりにより、１５°未満の偏光回転が生じる。これまでに、ウルリッヒ（Ulrich）およびサイモン（Simon）（Ｒ．ウルリッヒおよびＡ．サイモン、「単一モード撚線ファイバの偏光光学（Polarization optics of twisted single-mode fibers）」、アプライドオプティクス（Appl. Opt.）、第１８巻、第２２４１−２２５１頁（１９７９））は、短い長さのＳＭＦをその中央で軸方向にねじり、この作用を利用し、高速−低速モード交換機を生じることを提案している。

第２に、ファイバを軸方向にねじることは、当該ファイバのねじられた部分に沿った固有線形複屈折軸の再配向によってその複屈折を変化させ、円形複屈折を生じる。したがって、配向θは、個々の波長板の軸が互いに対して回転するように、波長板ごとに変わる。この作用の大きさは、ファイバのビート長Ｌ_bに対する、ねじられた部分の長さＬの比率に依存する。ビート長は、最初に同相である２つの直交偏光信号が、当該２つの信号間に２πラジアンの位相差を得るために通過する長さである。Ｌ＞＞Ｌ_b（たとえば、ビート長Ｌ_b＝５ミリメートルを有する従来の偏光保持（ＰＭ）ファイバの１０センチメートルのセグメント）である場合、ねじりにより、信号ＳＯＰは、入力ＳＯＰに対して大きく変化するが、出力ＳＯＰの楕円率は変わらない。図３Ａおよび図３Ｂは、それぞれ軸上入力および軸外入力に関するこのような構成についてのポアンカレ球を示す。軸上入力（図３Ａ）において、偏光は、ねじられたファイバの軸を辿り、極に向かって移動しない。軸外入力（図３Ｂ）においては、ビートが得られる。したがって、このような装置は、真の汎用偏光コントローラとして作動しない。

Ｌ＜＜Ｌ_bという他の極限（たとえば、１メートルのビート長を有する従来の低複屈折ＳＭＦの１０センチメートルのセグメント）では、ねじりの量が数度を上回ると、ねじりによって誘起される円形複屈折が、固有線形複屈折をはるかに上回る。このようにして、当該ファイバは、ほぼ完全な円形複屈折要素として作動する。図４Ａおよび図４Ｂは、それぞれ軸上入力および軸外入力に関するこのような構成についてのポアンカレ球を示す。いずれの場合も、ファイバのねじられた部分の長さがファイバのビート長に大きく満たない場合、偏光はそれほど変わらない。なぜなら、ねじられた部分に位相遅延がほとんど生じないためである。ここでもまた、このような装置は、出力ＳＯＰの楕円率を変更することができず、偏光コントローラとして働くことが不可能である。

これらの２つの極端な場合とは対照的に、ねじられた一部の長さがビート長とほぼ同等（Ｌ≒Ｌ_b）である場合、ねじられたファイバの一部は有用な偏光コントローラとなり得る。その部分がねじられるのに伴い、出力ＳＯＰの配向および楕円率が改変される。実際には、ＰＭファイバ（５ミリメートルの長さのファイバをねじることは、当該ファイバを破損するおそれのある大きなトルクを必要とする）または標準的なＳＭＦ（かなり長いファイバをねじることを必要とする）のいずれも、この条件Ｌ≒Ｌ_bを満たすことができない。これが、従来のファイバでこのような手法が用いられない１つの理由である。

中空コアファイバにおいて、歪みが存在するシリカの領域を伝播するパワーは極めて少ないため、歪みにより誘起される円形位相遅延はごく小さなものであり、従来のＳＭＦにおける円形位相遅延よりも確実に小さい。中空コアＰＢＦの軸方向のねじりの主な作用とは、個々の波長板を互いに対して回転させることである。さらに、中空コアＰＢＦの線形複屈折が従来のＳＭＦの線形複屈折よりもはるかに大きいため、中空コアファイバのビート長は、従来のＳＭＦのビート長よりも（たとえば一般に、１センチメートルと１０センチメートルとの間の範囲内で）小さい（たとえば、Ｍ．ヴェルミュラー（Wegmuller）他、「１５５０ｎｍにおける中空コアフォトニックバンドギャップファイバの偏光特性の実験的調査（Experimental investigation of the polarization properties of a hollow
core photonic bandgap fiber for 1550 nm）」、オプティカルエクプレス（Opt. Express）、第１３巻、第１４５７−１４６７頁（２００５）、Ｇ．ボウマンズ（Bouwmans）他、「８５０ｎｍ波長における中空コアフォトニックバンドギャップファイバの特性（Properties of a hollow-core photonic bandgap fiber at 850 nm wavelength）」、オプティカルエクスプレス、第１１巻、第１６１３−１６２０頁（２００３）、およびＭ．Ｓ．アラム（Alam）他、「空芯フォトニックバンドギャップファイバにおける高い群複屈折率（High group birefringence in air-core photonic bandgap fibers）」オプティカルエクスプレス、第３０巻、第８２４−８２６頁（２００５）を参照）。或る実施例では、図５Ａおよび図５Ｂによりそれぞれ示すように、中空コアＰＢＦの１つ以上の部分を軸方向にねじることにより、軸上入力および軸外入力の両方において、偏光の著しい変化を誘起し得る。本明細書に記載する或る実施例は、この挙動を用いて、ねじる量を変えることにより所望のＳＯＰが得られる実用的な偏光コントローラを生じる。

本明細書に記載する或る実施例は、ファイバの１つ以上のねじられた部分を用い、中空コアファイバにおける偏光制御を行なうための代替的な方法を提供する。約１ビート長だけ間隔をあけて配置された２つの固定された地点間においてファイバの一部をねじることにより、出力偏光の配向と、当該中空コアファイバのねじられた一部を通って伝播する光の楕円率とを著しく変化させることができ、したがって、このねじりを用いて、中空コアファイバの偏光を制御することができる。本明細書に記載する或る実施例により生じる偏光の測定値は、ジョーンズ（Jones）行列の形式に基づいたモデルとよく一致する。この原理を用いて、ねじられたファイバの３つの短い部分を備える中空コアファイバにおいて、簡単で、短く、かつ効果的な偏光コントローラを提示することができる。或る実施例において、偏光コントローラは、光パワーの約９９％が所望の偏光であるように、２０ｄＢの消光比で作動する。

図６は、本明細書に記載する或る実施例に従った例示的な偏光コントローラ１０を概略的に示す。この偏光コントローラ１０は、中空コアフォトニックバンドギャップファイバ（ＰＢＦ）２０を備え、中空コアＰＢＦ２０の少なくとも一部は、長手方向軸３０を有し、この長手方向軸３０を中心としてねじられる。図６は、中空コアＰＢＦ２０のねじられた一部が中空コアＰＢＦ２０の一方端部に存在する実施例を概略的に示しているが、或る他の実施例において、このねじられた部分は、図１０に関して以下に論じるように、中空コアＰＢＦ２０の２つの固定部分（たとえば端部）間に存在する。或る実施例において、ねじられるべき中空コアＰＢＦ２０の一部は、回転台またはループ型偏光コントローラに（たとえばエポキシまたはろうを用いて）固着され、中空コアＰＢＦ２０の固定された一部は、（たとえばエポキシ、ろう、または機械的クランプを用いて）据付け構造に固着される。当業者は、本明細書に記載する或る実施例に従い、適宜、中空コアＰＢＦ２０の１つ以上の部分を据付け構造および回転可能な構造に固着させて、中空コアＰＢＦ２０の少なくとも一部をねじることができる。

偏光コントローラは、入力偏光を異なる出力偏光に変更し、或る実施例では、多くの異なる出力偏光に変更する。本明細書に記載するように、さまざまな量だけ、中空コアＰＢＦ２０の少なくとも一部をねじることにより、固定された入力偏光に対し、出力偏光の変化を生じる。ねじられた複屈折ファイバの挙動は、ジョーンズ行列の形式で定量化することができる。ねじられた複屈折ファイバのジョーンズ行列は、３つのパラメータ、すなわち、ファイバの固有線形位相遅延δ_l、円形位相遅延δ_c（これは、固有円形位相遅延と、歪みにより誘発される円形位相遅延との和である）、およびねじり角度τによって決定される。ファイバの主軸を中心に、ねじられた複屈折ファイバのジョーンズ行列Ｍは、等式（１）により提示される。

これらの等式は、任意の光ファイバ（従来の低複屈折または高複屈折ファイバおよび中空コアファイバ）に適用される。中空コアファイバでは、歪みによって誘起される円形複屈折がごく小さいため、δ_cは、固有円形複屈折そのものとなる。図７に示すように、図６の中空コアＰＢＦ２０のねじられた一部のねじり角度τを変えることにより、出力偏光を著しく変えることができる。或る実施例において、中空コアＰＢＦ２０のねじられた一部は、中空コアＰＢＦ２０のねじられた一部のビート長とほぼ等しい長さを有する。

図８は、本明細書に記載する或る実施例に適合する別の例示的な偏光コントローラ１００を概略的に示す。偏光コントローラ１００は、第１の中空コアＰＢＦ１１０の少なくとも一部と、第１の中空コアＰＢＦ１１０の一部に光学的に結合された第２の中空コアＰＢＦ１２０の少なくとも一部とを備える。第１の中空コアＰＢＦ１１０の一部は、第１の長手方向軸１１２を有し、当該第１の長手方向軸を中心として第１の方向にねじられる。第２の中空コアＰＢＦ１２０の一部は、第２の長手方向軸１２２を有し、当該第２の長手方向軸１２２を中心として第２の方向にねじられる。

或る実施例において、第２の長手方向軸１２２は、第１の長手方向軸１１２と実質的に平行であるが、或る他の実施例において、第２の長手方向軸１２２は、第１の長手方向軸１１２と実質的に平行ではない。第１の中空コアＰＢＦ１１０のねじられた一部および第２の中空コアＰＢＦ１２０のねじられた一部の少なくとも１つは、長手方向軸１１２，１２２のいずれかまたは両方が直線ではなくなるように湾曲させるか、または折り曲げることができる。或る実施例において、第２の方向は、図８に概略的に示すように、第１の方向とほぼ反対である。或る実施例における、第１の中空コアＰＢＦ１１０のねじられた一部は、第１の中空コアＰＢＦ１１０のねじられた一部の第１のビート長にほぼ等しい長さを有する。或る実施例における第２の中空コアＰＢＦ１２０のねじられた一部は、第２の中空コアＰＢＦ１２０のねじられた一部の第２のビート長にほぼ等しい長さを有する。

図８に概略的に示すように、或る実施例において、偏光コントローラ１００はさらに、第１の中空コアＰＢＦ１１０および第２の中空コアＰＢＦ１２０のねじられた一部と一部との間に位置付けられ、かつ、当該ねじられた一部に光学的に結合された単一モードファイバ（ＳＭＦ）１３０を備える。第１の中空コアＰＢＦ１１０のねじられた一部は、ＳＭＦ１３０に結合された第１の中空コアＰＢＦ１１０の端部を含むか、または当該端部に存在し、第２の中空コアＰＢＦ１２０のねじられた一部は、ＳＭＦ１３０に結合された第２の中空コアＰＢＦ１２０の端部を含むか、または当該端部に存在する。中空コアＰＢＦ１１０、１２０をねじることにより、送信される光の偏光が著しく変わるが、ＳＭＦ１３０をねじっても、偏光に対してほとんどまたは全く影響を及ぼさない。

図９は、第１の中空コアＰＢＦ１１０のねじられた一部と第２の中空コアＰＢＦ１２０のねじられた一部とが、間にＳＭＦ１３０を介さずに共に光学的に結合された例示的な偏光コントローラ１００を概略的に示す。第１の中空コアＰＢＦ１１０のねじられた一部は、第１の中空コアＰＢＦ１１０の２つの固定された部分１２６の間に存在する。第２の中空コアＰＢＦ１２０のねじられた一部は、第２の中空コアＰＢＦ１２０の２つの固定され
た部分１２６の間に存在する。或る実施例において、第１の中空コアＰＢＦ１１０の固定された部分１２６は、第１の中空コアＰＢＦ１１０の２つの端部を含み、第２の中空コアＰＢＦ１２０の固定された部分１２６は、第２の中空コアＰＢＦ１２０の２つの端部を含み、それらの端部のうちの１つは、図９に概略的に示すように、第１の中空コアＰＢＦ１１０の端部に結合される。或る他の実施例において、第１の中空コアＰＢＦ１１０および第２の中空コアＰＢＦ１２０は、同じ中空コアＰＢＦである。

或る実施例において、第２の長手方向軸１２２は、第１の長手方向軸１１２と実質的に平行である。或る実施例において、第２の方向は、図９に概略的に示すように、第１の方向とほぼ反対である。１つ以上の中空コアＰＢＦの多数のねじられた部分を組合せることにより、本明細書に記載する或る実施例は、ねじる量を変えることにより、任意の入力偏光を任意の所望の出力偏光に変換することができる。

図１０は、本明細書に記載する或る実施例に従った別の例示的な偏光コントローラ２００を概略的に示す。偏光コントローラ２００は、中空コアＰＢＦ２１０の２つの固定された部分２１６（たとえば２つの固定された端部）の間に、中空コアＰＢＦ２１０の少なくとも一部を備える。中空コアＰＢＦ２１０の一部は、長手方向軸２２０を有し、当該長手方向軸２２０を中心としてねじられる。中空コアＰＢＦ２１０のねじられた一部２１２は、量＋τだけねじられ、２つの固定された部分２１６間の中空コアＰＢＦ２１０の一部２１４は、量−τだけねじられる。

図１０に概略的に示す実施例は、ジョーンズ行列の形式を用いて表現することができる。このようなねじられたファイバについてのジョーンズ行列は、等式（１）に提示する形態の２つの行列Ｍ₊およびＭ_-の積である。Ｍ₊は、（＋τだけねじられた）中空コアＰＢＦ２１０の第１のねじられた一部２１２のジョーンズ行列であり、Ｍ_-は、（−τだけねじられた）中空コアＰＢＦ２１０の第２のねじられた一部２１４のジョーンズ行列である。量＋τだけねじられた一部２１２は、等式（２）により表わすことができる。

量−τだけねじられた一部２１４は、等式（３）により表わすことができる。

等式（２）および（３）は、ジョーンズ行列Ｍ₊およびＭ_-が互いに逆ではないことを数学的に示す。これらのジョーンズ行列Ｍ₊およびＭ_-が互いの逆になるためには、条件Ｐ′＝Ｐ^*およびＱ′＝−Ｑを適用しなければならない。なぜなら、Ｍ₊が単一（unitary）であるためである。したがって、図１０に概略的に示すように、２つの固定された部分２１６の間のファイバをねじることにより形成された第１の一部２１２および第２の一部２１４による偏光の変化は、互いに打消し合わない。図１１に概略的に示すように、ねじることによる、複屈折軸の非ゼロ有効アライメント（non-zero net alignment）が存在することを認識することにより、この挙動を物理的に理解することができ、このようなねじられた要素はＳＯＰを著しく変化させる。そのため、中空コアＰＢＦに沿ってねじることが可能な１つ以上の部分を連結することにより、偏光コントローラを構築することができる。

図１２は、２つの固定された部分２１６間の中空コアＰＢＦ２１０の少なくとも一部をねじり、中空コアＰＢＦ２１０（たとえば、デンマーク、ビヤケレッドのクリスタルファイバ社から入手可能なＨＣ−１５５０−０２の２０センチメートルの撚線）を横切る信号のＳＯＰに対する作用を測定するための構成３００を概略的に示す。レーザ源３１０（たとえば、約１５４５ナノメートルの波長を有する光を生じるレーザ、たとえばルーセントテクノロジーズ社（Lucent Technologies Inc.）から入手可能なモデル（Model）Ｄ２５２５Ｐ４１）には、第１のＳＭＦ３２０（たとえばＮＹ、コーニング（Corning）のコーニング社（Corning, Inc.）から入手可能なＳＭＦ２８）および第１の偏光子３３０を介して中空コアＰＢＦ２１０に光学的に結合されたレーザの温度を制御するためのレーザマウント（たとえばニューポート７４０シリーズ（Newport 740 Series）のレーザマウント）が設置される。本明細書に記載する或る実施例に適合可能なレーザの例は、以下のものに限定されないが、ダイオードレーザおよび波長可変レーザを含む。本明細書に記載する或る実施例に適合可能な偏光子の例は、以下のものに限定されないが、ＣＡ、アーバイン（Irvine）のニューポートコーポレイション（Newport Corporation）から入手可能なモデル（Model）１０ＧＴ０４を含む。第１の偏光子３３０は、選択された入力偏光を有する中空コアＰＢＦ２１０に光を導入するように調節され得る。中空コアＰＢＦ２１０の出力は、第２の偏光子３４０および第２のＳＭＦ３５０を介してパワーメータ３６０に光学的に結合される。第２の偏光子３４０は、パワーメータ３６０により測定される出力偏光を選択するように調節され得る。本明細書に記載する或る実施例に適合可能なパワーメータの例は、以下のものに限定されないが、ＣＡ、サンタクララ（Santa Clara）のアジレントテクノロジーズ社（Agilent Technologies, Inc.）から入手可能なモデル（Model）８５０９Ｂの光波偏光アナライザシステムを含む。或る実施例において、第２のＳＭＦ３５０は、中空コアＰＢＦ２１０の出力端部に突合せ結合されている。第２のＳＭＦ３５０は有利にも、あらゆる表面モードおよびあらゆる高次モードをフィルタ除去する。

所定の線形入力ＳＯＰに関し、図１３Ａは、中空コアＰＢＦ２１０の少なくとも一部に適用される、徐々に大きくなるねじり、すなわち、最初に１８０°までの正のねじりと、次に−１８０°までの負のねじりとについての出力ＳＯＰの漸進的変化を示し、ねじりの１５°ごとに測定されたパワーを記録する。中空コアＰＢＦ２１０がねじられるのに伴い、出力偏光の範囲は、ポアンカレ球の実質的な一部の範囲を定める。図１３Ａに示す測定値は、中空コアＰＢＦ２１０をねじると、出力ＳＯＰの配向および楕円率のいずれもが著しく改変されることを示す。出力偏光は、ポアンカレ球上の実質的な経路上において漸進的に変化し、それにより、中空コアＰＢＦ２１０のねじられた一部を偏光コントローラとして使用することができる。加えて、図１３Ａは、中空コアＰＢＦ２１０の正のねじりと負のねじりとの間の非対称性を示す。

図１３Ｂは、図１２の構成に関する、出力ＳＯＰの漸進的変化の計算されたモデルの結果を示す。図１３Ａの測定データとモデルとを比較するために、δ_lおよびδ_cが一様であり、したがって、Ｍ₊およびＭ_-においてδ_lおよびδ_cの同じ値が使用されたものと仮定し
た。シミュレーションを実験データに適合させるために使用したパラメータは、実験室枠におけるファイバの主軸の角度と、いずれもねじりとは無関係であると想定される固有位相遅延δ_lおよびδ_cとであった。加えて、小さな線形複屈折（０．６ラジアンの全位相遅延）およびその配向が、中空コアＰＢＦ２１０およびＳＭＦ２８ファイバの出力リードの複屈折を説明するために適合された。図１３Ａとの比較は、実験結果およびシミュレートした結果が、正のねじりおよび負のねじりについての非対称性を含めて、定性的によく一致することを示す。δ_l（−２２．６ラジアン）およびδ_c（−６．６ラジアン）の適合値は、中空コアＰＢＦ２１０の複屈折の個々の測定値（６．５±１．５センチメートルの線形ビート長および約６倍長い円形ビート長）にかなり一致する。ファイバがねじられたときに生じるわずかな不一致は、以下の仮定（１）および（２）から生じている可能性が高い。δ_lおよびδ_cが一様であるという仮定（１）は、実験上、全く正しいとは言えないことが確認されている。ねじりが、ファイバの本来の線形複屈折および円形複屈折に影響を及ぼさないという仮定（２）は、ねじりにより、中空コアＰＢＦ２１０のねじられた一部のフォトニック結晶格子にゆがみが生じる傾向があるため、正しくないと考えられる。

図１４Ａは、中空コアＰＢＦ４１０の第１のねじられた一部、中空コアＰＢＦ４１０の第１のねじられた一部に光学的に結合された中空コアＰＢＦ４２０の第２のねじられた一部、および第２の中空コアＰＢＦのねじられた一部に光学的に結合された中空コアＰＢＦ４３０の第３のねじられた一部を備える偏光コントローラ４００を概略的に示す。中空コアＰＢＦ４１０、４２０、４３０のねじられた部分の各々は、偏光コントローラ４００の２つの固定された部分４４０の間に存在する。図１４Ｂは、偏光コントローラ４００の作用を測定するために使用される、図１２の構成３００を概略的に示す。

或る実施例の第３の中空コアＰＢＦ４３０のねじられた一部は、第３の長手方向軸を有し、当該第３の長手方向軸を中心としてねじられる。或る実施例において、第１の長手方向軸、第２の長手方向軸、および第３の長手方向軸は、互いに実質的に平行であるが、或る他の実施例では、長手方向軸の少なくとも１つが、他の２つの長手方向軸のいずれかと実質的に平行ではない。中空コアＰＢＦ４１０、４２０、４３０のねじられた部分の少なくとも１つは、対応する長手方向軸が直線ではなくなるように湾曲させるか、または折り曲げることができる。或る実施例において、中空コアＰＢＦ４１０、４２０、４３０は、同一の中空コアＰＢＦである。

図１４Ａに示すように、第１の中空コアＰＢＦ４１０のねじられた一部は、第１の長手方向軸を中心として第１の方向にねじられ、第２の中空コアＰＢＦ４２０のねじられた一部は、第２の長手方向軸を中心として第２の方向にねじられ、第３の中空コアＰＢＦ４３０のねじられた一部は、第３の長手方向軸を中心として第３の方向にねじられる。或る実施例の第３の方向は、第２の方向とほぼ反対であり、或る実施例の第２の方向は、第１の方向とほぼ反対である。

或る実施例において、第１の中空コアＰＢＦ４１０のねじられた一部は、第１の中空コアＰＢＦ４１０のねじられた一部の第１のビート長にほぼ等しい長さを有し、第２の中空コアＰＢＦ４２０のねじられた一部は、第２の中空コアＰＢＦ４２０のねじられた一部の第２のビート長にほぼ等しい長さを有し、第３の中空コアＰＢＦ４３０のねじられた一部は、第３の中空コアＰＢＦ４３０のねじられた一部の第３のビート長にほぼ等しい長さを有する。或る実施例において、第１のビート長、第２のビート長、および第３のビート長は、互いにほぼ等しい。或る他の実施例において、第１、第２、および第３のビート長の少なくとも１つは、その他のビート長とは等しくない。或る他の実施例では、第１、第２、および第３のビート長のいずれもが、互いに等しくない。

第１の中空コアＰＢＦ４１０のねじられた一部は、第１の中空コアＰＢＦ４１０の端部
を含み得る。第２の中空コアＰＢＦ４２０のねじられた一部は、第２の中空コアＰＢＦ４２０の端部を含み得る。第３の中空コアＰＢＦ４３０のねじられた一部は、第３の中空コアＰＢＦ４３０の端部を含み得る。第１の中空コアＰＢＦ４１０のねじられた一部は、第１の中空コアＰＢＦ４１０の第１の固定された一部と第２の固定された一部との間に存在し得る。第２の中空コアＰＢＦ４２０のねじられた一部は、第２の中空コアＰＢＦ４２０の第１の固定された一部と第２の固定された一部との間に存在する。第３の中空コアＰＢＦ４３０のねじられた一部は、第３の中空コアＰＢＦ４３０の第１の固定された一部と第２の固定された一部との間に存在し得る。第１、第２、および第３の中空コアＰＢＦ４１０、４２０、４３０の固定された部分の１つ以上は、対応する中空コアＰＢＦ４１０、４２０、および４３０の端部に存在し得る。

或る実施例において、中空コアＰＢＦ４１０、４２０、４３０のねじられた部分の各々は、４センチメートルと６．５センチメートルとの間の範囲の長さを有するが、他の長さもまた、本明細書に記載する或る実施例に適合する。たとえば、同一の中空コアＰＢＦを４つの地点で保持して、ねじられるべき、６センチメートルの長さの３つのセグメントを形成することができる。中空コアＰＢＦ４１０、４２０、４３０の各々におけるねじりの量を調節することにより、さまざまな入力ＳＯＰを、さまざまな、線形、円形、および楕円形の目標出力ＳＯＰに変換することができる。或る実施例の３つのセグメントの各々におけるねじり角度をランダムに変えることにより、ポアンカレ球全体を対象として包含する出力ＳＯＰを生じる。入力ＳＯＰをランダムに変えることに対して同様の結果が得られ、３つのねじられたＰＢＦの部分の組が、汎用偏光コントローラを構成することが確認される。加えて、ファイバの挿入損失または偏光に依存した損失が、本明細書に記載する偏光コントローラの或る実施例に大きく影響することは示唆されていない。或る実施例では、目標出力ＳＯＰと、当該目標出力ＳＯＰに直交するＳＯＰとの間に少なくとも２０ｄＢの消光が得られる。或る他の実施例はさらに、１つ以上の中空コアＰＢＦのさらに別のねじられた一部を備え、この一部をねじって、偏光コントローラの消光を改善することができる。

２つの直交偏光信号がファイバを通って伝わるのに伴ってこれらの信号により累積される位相遅延が、一般に波長に依存するため、同じ偏光を有しながらも異なる波長を有する２つの信号は、異なる偏光を有してファイバから出る。この作用は、所定の偏光コントローラが同時に制御することのできる波長域を限定し得る。或る実施例において、約１５５０ナノメートルの波長で作動する偏光コントローラの帯域は、同じＳＯＰの５％内に制御するために約６ナノメートルであり、それにより、この帯域外において、パワーの９５％未満が、出力において所望のＳＯＰ内に入るようにする。それとは対照的に、従来のループ偏光コントローラは、約１５０ナノメートルの帯域を有する。この差が生じる１つの理由とは、ＰＢＦの複屈折が波長とともに減少し、それによって帯域が狭まるためである。複屈折が波長とともに変わらなければ、より大きな帯域を得ることができる。複屈折が波長に比例する場合、より大きな帯域を得ることができる。別の理由とは、従来のファイバ偏光コントローラがファイバの３つの４分の１波長部分で形成されている一方で、或る実施例の、ねじりに基づいた偏光コントローラが、各々が１ビート長の長さである３つの部分を利用するためである。しかしながら、本明細書に記載する或る実施例に従った、ねじりに基づいたＰＢＦ偏光コントローラは、その帯域が小さいにもかかわらず、レーザ光のＳＯＰを制御するのに有用な装置である。

図１５は、本明細書に記載する或る実施例に従った光信号の偏光を改変するための例示的な方法５００のフロー図である。動作ブロック５１０において、方法５００は、第１の偏光状態を有する光信号を提供するステップを含む。動作ブロック５２０において、方法５００はさらに、長手方向軸を有し、かつ、当該長手方向軸を中心としてねじられた中空コアフォトニックバンドギャップファイバの少なくとも一部を通して当該光信号を伝播さ
せ、それにより、当該光信号が、第１の偏光状態とは異なる第２の偏光状態で、中空コアフォトニックバンドギャップファイバのねじられた一部から出力されるようにするステップを含む。或る実施例において、方法５００はさらに、長手方向軸を中心とした、中空コアフォトニックバンドギャップファイバのねじられた一部のねじりの量を変えて、第２の偏光状態を選択するようにする動作ブロック５３０を含む。

この発明のさまざまな実施例を上で説明してきた。これらの特定の実施例を参照してこの発明を説明してきたが、この説明は、発明の例示を意図しており、限定を意図していない。当業者は、前掲の請求項に規定された発明の真の精神および範囲から逸脱することなく、さまざまな変更例および用途を思いつくであろう。

曲率半径Ｒを有する１対のループを形成するように折り曲げられた単一モードファイバを概略的に示す図である。 各々が線形位相遅延δ_l、円形位相遅延δ_c、および複屈折軸の配向θを有する波長板の集合と見なされる複屈折ファイバを概略的に示す図である。 ファイバが、当該ファイバのビート長よりもはるかに大きい長さを有する構成についての（軸上入力に関する）ポアンカレ球を示す図である。 ファイバが、当該ファイバのビート長よりもはるかに大きい長さを有する構成についての（軸外入力に関する）ポアンカレ球を示す図である。 ファイバが、当該ファイバのビート長よりもはるかに小さい長さを有する構成についての（軸上入力に関する）ポアンカレ球を示す図である。 ファイバが、当該ファイバのビート長よりもはるかに小さい長さを有する構成についての（軸外入力に関する）ポアンカレ球を示す図である。 中空コアフォトニックバンドギャップファイバの一部についての（軸上入力に関する）ポアンカレ球を示す図であり、当該一部は、中空コアフォトニックバンドギャップファイバの当該一部のビート長にほぼ等しい長さを有する。 中空コアフォトニックバンドギャップファイバの一部についての（軸外入力に関する）ポアンカレ球を示す図であり、当該一部は、中空コアフォトニックバンドギャップファイバの当該一部のビート長にほぼ等しい長さを有する。 本明細書に記載する或る実施例に従った例示的な偏光コントローラを概略的に示す図である。 図６の中空コアフォトニックバンドギャップファイバのねじり角度τの変動に対する、ポアンカレ球上のさまざまな出力偏光を示す図である。 本明細書に記載する或る実施例に適合する別の例示的な偏光コントローラを概略的に示す図である。 第１の中空コアフォトニックバンドギャップファイバおよび第２の中空コアフォトニックバンドギャップファイバのねじられた部分が、間に単一モードファイバを介さずに共に光学的に結合される例示的な偏光コントローラを概略的に示す図である。 本明細書に記載する或る実施例に従った別の例示的な偏光コントローラを概略的に示す図である。 ファイバをねじることによる複屈折軸の非ゼロ有効アライメントを示す図である。 ２つの固定された部分間の中空コアフォトニックバンドギャップファイバの少なくとも一部をねじり、中空コアフォトニックバンドギャップファイバのねじられた一部を横切る信号の偏光状態に対する作用を測定するための構成を概略的に示す図である。 中空コアフォトニックバンドギャップファイバのねじられた一部に適用される、段階的に大きくなるねじりに対する出力偏光状態の漸進的変化を示す図である。 図１２の構成に関する出力偏光状態の漸進的変化の計算されたモデルの結果を示す図である。 第１の中空コアフォトニックバンドギャップファイバのねじられた一部と、第２の中空コアフォトニックバンドギャップファイバのねじられた一部と、第３の中空コアフォトニックバンドギャップファイバのねじられた一部とを備える偏光コントローラを概略的に示す図である。 図１４Ａの偏光コントローラの作用を測定するために使用される図１２の構成を概略的に示す図である。 本明細書に記載する或る実施例に従った、光信号の偏光を改変するための例示的な方法のフロー図である。

Claims (32)

1. 偏光コントローラであって、
   波長を有する光を伝送するように構成される第１の中空コアフォトニックバンドギャップファイバを備え、前記第１の中空コアフォトニックバンドギャップファイバの少なくとも一部は、第１の長手方向軸を有し、当該一部の第１のビート長にほぼ等しい長さに沿って前記第１の長手方向軸を中心として調整可能にねじられるように構成され、前記第１のビート長は前記波長に依存する、偏光コントローラ。
2. 前記第１の中空コアフォトニックバンドギャップファイバの前記ねじられた一部は、前記第１の中空コアフォトニックバンドギャップファイバの端部に存在する、請求項１に記載の偏光コントローラ。
3. 前記第１の中空コアフォトニックバンドギャップファイバの前記ねじられた一部は、前記第１の中空コアフォトニックバンドギャップファイバの２つの固定された部分の間に存在する、請求項１に記載の偏光コントローラ。
4. 前記第１の中空コアフォトニックバンドギャップファイバの前記ねじられた一部に光学的に結合される第２の中空コアフォトニックバンドギャップファイバの少なくとも一部をさらに備え、前記第２の中空コアフォトニックバンドギャップファイバの前記一部は、第２の長手方向軸を有し、前記第２の長手方向軸を中心としてねじられる、請求項１に記載の偏光コントローラ。
5. 前記第１の中空コアフォトニックバンドギャップファイバの前記ねじられた一部は、前記第１の長手方向軸を中心として第１の方向にねじられ、前記第２の中空コアフォトニックバンドギャップファイバの前記ねじられた一部は、前記第２の長手方向軸を中心として第２の方向にねじられ、前記第２の方向は前記第１の方向のほぼ反対である、請求項４に記載の偏光コントローラ。
6. 前記第２の長手方向軸は、前記第１の長手方向軸と実質的に平行である、請求項５に記載の偏光コントローラ。
7. 前記第１の中空コアフォトニックバンドギャップファイバおよび前記第２の中空コアフォトニックバンドギャップファイバは、同一の中空コアフォトニックバンドギャップファイバである、請求項４に記載の偏光コントローラ。
8. 前記第２の中空コアフォトニックバンドギャップファイバの前記ねじられた一部は、前記第２の中空コアフォトニックバンドギャップファイバの前記ねじられた一部の第２のビート長にほぼ等しい長さを有する、請求項４に記載の偏光コントローラ。
9. 前記第１の中空コアフォトニックバンドギャップファイバの前記ねじられた一部と前記第２の中空コアフォトニックバンドギャップファイバの前記ねじられた一部との間に位置付けられ、これらの前記ねじられた一部に光学的に結合される単一モードファイバをさらに備える、請求項４に記載の偏光コントローラ。
10. 前記第１の中空コアフォトニックバンドギャップファイバの前記ねじられた一部は、前記第１の中空コアフォトニックバンドギャップファイバの端部を含む、請求項４に記載の偏光コントローラ。
11. 前記第２の中空コアフォトニックバンドギャップファイバの前記ねじられた一部は、前記第２の中空コアフォトニックバンドギャップファイバの端部を含む、請求項４に記載の偏光コントローラ。
12. 第１の中空コア光ファイバの前記ねじられた一部は、前記第１の中空コアフォトニックバンドギャップファイバの第１の固定された一部と第２の固定された一部との間に存在する、請求項４に記載の偏光コントローラ。
13. 前記第２の中空コアフォトニックバンドギャップファイバの前記ねじられた一部は、前記第２の中空コアフォトニックバンドギャップファイバの第１の固定された一部と第２の固定された一部との間に存在する、請求項４に記載の偏光コントローラ。
14. 前記第２の中空コアフォトニックバンドギャップファイバの前記第１の固定された一部および前記第２の固定された一部のうちの１つは、前記第２の中空コアフォトニックバンドギャップファイバの端部であり、前記第１の中空コアフォトニックバンドギャップファイバの端部に結合される、請求項１３に記載の偏光コントローラ。
15. 前記第２の中空コアフォトニックバンドギャップファイバの前記ねじられた一部に光学的に結合された第３の中空コアフォトニックバンドギャップファイバの少なくとも一部をさらに備え、前記第３の中空コアフォトニックバンドギャップファイバの前記一部は、第３の長手方向軸を有し、前記第３の長手方向軸を中心としてねじられる、請求項４に記載の偏光コントローラ。
16. 前記第１の長手方向軸、前記第２の長手方向軸、および前記第３の長手方向軸は、互いに実質的に平行である、請求項１５に記載の偏光コントローラ。
17. 前記第１の中空コアフォトニックバンドギャップファイバの前記ねじられた一部は、前記第１の長手方向軸を中心として第１の方向にねじられ、前記第２の中空コアフォトニックバンドギャップファイバの前記ねじられた一部は、前記第２の長手方向軸を中心として第２の方向にねじられ、前記第３の中空コアフォトニックバンドギャップファイバの前記ねじられた一部は、前記第３の長手方向軸を中心として第３の方向にねじられる、請求項１５に記載の偏光コントローラ。
18. 前記第３の方向は、前記第２の方向とほぼ反対である、請求項１７に記載の偏光コントローラ。
19. 前記第２の方向は、前記第１の方向とほぼ反対である、請求項１７に記載の偏光コントローラ。
20. 前記第１の中空コアフォトニックバンドギャップファイバ、前記第２の中空コアフォトニックバンドギャップファイバ、および前記第３の中空コアフォトニックバンドギャップファイバは、同一の中空コアフォトニックバンドギャップファイバである、請求項１５に記載の偏光コントローラ。
21. 前記第２の中空コアフォトニックバンドギャップファイバの前記ねじられた一部は、前記第２の中空コアフォトニックバンドギャップファイバの前記ねじられた一部の第２のビート長にほぼ等しい長さを有し、前記第３の中空コアフォトニックバンドギャップファイバの前記ねじられた一部は、前記第３の中空コアフォトニックバンドギャップファイバの前記ねじられた一部の第３のビート長にほぼ等しい長さを有する、請求項１５に記載の偏光コントローラ。
22. 前記第１のビート長、前記第２のビート長、および前記第３のビート長は、互いにほぼ等しい、請求項２１に記載の偏光コントローラ。
23. 前記第１のビート長、前記第２のビート長、および前記第３のビート長の少なくとも１つは、その他のビート長と等しくない、請求項２１に記載の偏光コントローラ。
24. 前記第１の中空コアフォトニックバンドギャップファイバの前記ねじられた一部は、前記第１の中空コアフォトニックバンドギャップファイバの端部を含む、請求項１５に記載の偏光コントローラ。
25. 前記第２の中空コアフォトニックバンドギャップファイバの前記ねじられた一部は、前記第２の中空コアフォトニックバンドギャップファイバの端部を含む、請求項１５に記載の偏光コントローラ。
26. 前記第３の中空コアフォトニックバンドギャップファイバの前記ねじられた一部は、前記第３の中空コアフォトニックバンドギャップファイバの端部を含む、請求項１５に記載の偏光コントローラ。
27. 第１の中空コア光ファイバの前記ねじられた一部は、前記第１の中空コアフォトニックバンドギャップファイバの第１の固定された一部と第２の固定された一部との間に存在する、請求項１５に記載の偏光コントローラ。
28. 前記第２の中空コアフォトニックバンドギャップファイバの前記ねじられた一部は、前記第２の中空コアフォトニックバンドギャップファイバの第１の固定された一部と第２の固定された一部との間に存在する、請求項１５に記載の偏光コントローラ。
29. 前記第３の中空コアフォトニックバンドギャップファイバの前記ねじられた一部は、前記第３の中空コアフォトニックバンドギャップファイバの第１の固定された一部と第２の固定された一部との間に存在する、請求項１５に記載の偏光コントローラ。
30. 偏光コントローラであって、
    波長を有する光を伝送するように構成される中空コアフォトニックバンドギャップファイバを備え、前記中空コアフォトニックバンドギャップファイバの少なくとも一部は、長手方向軸を有し、当該一部のビート長にほぼ等しい長さに沿って前記長手方向軸を中心として調整可能にねじられるように構成され、前記ビート長は前記波長に依存する、偏光コントローラ。
31. 光信号の偏光状態を改変する方法であって、前記方法は、
    第１の偏光状態を有する光信号を提供するステップと、
    長手方向軸を有し、かつ、中空コアフォトニックバンドギャップファイバの一部のビート長にほぼ等しい長さに沿って前記長手方向軸を中心として調整可能にねじられるように構成され、前記ビート長は前記光信号の波長に依存する前記中空コアフォトニックバンドギャップファイバの少なくとも一部を通じて前記光信号を伝播させ、それにより、前記光信号が、前記第１の偏光状態とは異なる第２の偏光状態で、前記中空コアフォトニックバンドギャップファイバの前記ねじられた一部から出力されるようにするステップとを含む、方法。
32. 前記長手方向軸を中心とした前記中空コアフォトニックバンドギャップファイバの前記ねじられた一部のねじりの量を変えて、前記第２の偏光状態を選択するステップをさらに含む、請求項３１に記載の方法。

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