JP5828516B2 - 偏光子 - Google Patents

Description

本発明は、偏光子に関する。さらに詳しくは、自然光や一定方向の直線偏光から特定方向の直線偏光を取り出す偏光子に関する。

近年、情報通信分野において、高速なデータ通信を可能とする光通信技術が広く採用されている。また、光通信システムに用いられる光部品の一つとして偏光子が知られている。かかる偏光子はあらゆる方向に振動している自然光や一定方向に振動している直線偏光から特定方向の直線偏光を取り出す素子である。即ち、偏光子は、入射した光のうち特定方向の偏光成分を選択的に透過させ、これに直交する方向の偏光成分を遮断する等の機能を有する。

また、偏光子は、偏光の変動に伴う光回路の不安定性を排除するために不可欠な光部品である。光通信や光計測等に使用される偏光子としては、導波路型の偏光子、バルク型の偏光子、及び導波路型とバルク型の中間の偏光子等が提案されている（例えば、特許文献１または特許文献２を参照。）。

特開平５−９３８８３号公報 特開平７−２７９３５号公報

ところで、近年、光部品における誘電体の非線形光学効果の影響が問題となっており、かかる影響を受けないためには、光の透過する部分が中空であることが望ましい。一方、中空の光伝送媒体としては、例えば、フォトニックバンドギャップファイバやブラッグファイバ等が開発されている。しかし、偏光子等の光部品には中空構造のものはなく、バルク型や導波路型を問わず、有限の長さの誘電体を通過する構造のもののみである。誘電体を通過する構造の偏光子は、各種の非線形光学効果の影響を避けることができなかった。

本発明は、前記の課題に鑑みてなされたものであり、誘電体の非線形光学効果の影響を低減することが可能な偏光子を提供するものである。

上記の目的を達成するために、本発明の偏光子は、結合部の光の透過する部分を中空コア部とした。

具体的には、本発明の偏光子は、２本のフォトニックバンドギャップファイバが長手方向に結合された結合部を有するファイバカップラ構造を有し、光の透過する部分が前記フォトニックバンドギャップファイバの中空コア部であり、
前記２本の前記フォトニックバンドギャップファイバにおける前記中空コア部の格子間隔をＤ、前記フォトニックバンドギャップファイバに形成された格子における隣接する１組の格子の格子間隔をΛとし、当該格子間隔Λあたりの前記２本のフォトニックバンドギャップファイバにおける前記中空コア部の規格化格子間隔Ｄ／Λが略５であり、
ｘ偏光、ｙ偏光の結合長を各々Ｌｘ、Ｌｙとした場合に、ＬｙがＬｘの略１０倍であり、
前記結合部の長さがＬｘ×ｍである。ただし、Ｌｘ、Ｌｙとも０ではなく、ｍ＝１又は３である。

本発明の偏光子は、前記した本発明において、前記ファイバカップラ構造が、前記２本のフォトニックバンドギャップファイバ同士を当該フォトニックバンドギャップファイバの長手方向に延伸結合した結合部を含むことを特徴とする。

本発明の偏光子は、中空の光伝送媒体として中空コア光ファイバを用いており、光の透過する部分をかかる中空コア光ファイバの中空コア部としているので、光が誘電体中を通過する通常の偏光子と比較して非線形光学効果の影響が低減される光部品となる。

本発明に係る偏光子の一態様を示した概略図である。 偏光子の結合部周辺の部分拡大図である。 図２のＡ−Ａ断面図である。 Ｄ／Λに対するｘ偏光とｙ偏光の結合長の関係を示した図である。 結合部の長さを変化させた場合の各偏光の分岐特性を計算して示した模式図である。 結合部の長さを変化させた場合の各偏光の分岐特性を計算して示した模式図である。 結合部の長さを変化させた場合の各偏光の分岐特性を計算して示した模式図である。

以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施の例であり、本発明は以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

図１は、本発明に係る偏光子１の一態様を示した概略図、図２は偏光子１の結合部３の周辺の部分拡大図、図３は、図２のＡ−Ａ断面図、をそれぞれ示す。

本発明に係る偏光子１は、図１に示すように、２本の中空コア光ファイバ２であるフォトニックバンドギャップファイバ（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｂａｎｄｇａｐ Ｆｉｂｅｒ：ＰＢＦ）２１、２２の長手方向（図１の矢印方向）に結合した結合部３を有する、いわゆるファイバカップラ構造を構成している。

このように、偏光子１は、２本の中空コア光ファイバ２が、２本のフォトニックバンドギャップファイバ（第１のフォトニックバンドギャップファイバ２１及び第２のフォトニックバンドギャップファイバ２２）からなるような態様を示している。また、偏光子１は、図２に示すように、光の透過する部分を中空コア光ファイバ２であるフォトニックバンドギャップファイバ２１、２２の中空コア部５１、５２としており、光の透過する部分に誘電体は存在しない。

本発明の偏光子１を構成するファイバカップラ構造は、例えば、Ｃａｎａｄｉａｎ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ ＆ Ｒｅｓｅａｒｃｈ社 偏波保持カップラ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｉｒｌ．ｃｏｍ／９５４ｐ．ｐｈｐ等に開示されるように、２本のフォトニックバンドギャップファイバ２１、２２の側面を平面状に研磨加工した上で、フォトニックバンドギャップファイバ２１、２２の中空コア部５１、５２同士を近付けてエバネセント結合等で結合させた研磨型ファイバカップラ構造を採用することができる。また、２本のフォトニックバンドギャップファイバ２１、２２を加熱溶融してエバネセント結合等で結合させ、必要により結合部３を延伸し、細化させて中空コア部５１、５２を近付けた溶融型ファイバカップラ構造等を採用してもよい。

結合部３の断面構造を図３に示す。２本のフォトニックギャップファイバ（第１のフォトニックバンドギャップファイバ２１及び第２のフォトニックバンドギャップファイバ２２）は、径が等しく、等間隔に配置された複数個の空孔となる格子４１、４２を含む、石英ガラス等のガラスからなるクラッドと、かかるガラスが存在しない中空領域からなる中空コア部５１、５２が形成されている。あるいは、マルチコア構造のファイバであってもよい。

ここで、図３に示した断面構造において、２つの中空コア部５１、５２の各中心を結ぶ軸に沿った方向をｘ方向、断面視でかかるｘ方向に直交する方向をｙ方向とする。また、２本のフォトニックバンドギャップファイバ２１、２２における中空コア部５１、５２の格子間隔をＤ、フォトニックバンドギャップファイバ２１、２２を構成する格子４１、４２における隣接する１組の格子の格子間隔をΛとすると、格子４１、４２の格子間隔Λあたりの中空コア部５１、５２の格子間隔Ｄ／Λ（規格化格子間隔）と、ｘ方向における偏光（ｘ偏光）とｙ方向における偏光（ｙ偏光）の結合長をＬ（Ｌｘ、Ｌｙ）とした場合における格子４１、４２の格子間隔Λあたりの結合長Ｌ／Λ（規格化結合長）との関係を図４に示す。

図４は、偏光子１におけるファイバカップラ構造のコア間隔（中空コア部５１、５２の格子間隔、格子４１、４２の格子間隔）を変化させた場合の動作特性変化を数値解析した結果である。具体的には、格子間隔Λを２．５μｍとし、Ｄ／Λを３から８の範囲で変化させて計算したなかで、Ｄ／Λが３から７の範囲をグラフ化している。

かかるＤ／Λは、概ね３以上８未満とすることが好ましい。Ｄ／Λが３未満の場合は、２つのコア間の隔壁となるガラス部が消失するためカップラ構造とはならない。Ｄ／Λが大きいと、偏光子の製造偏差に余裕ができるが、Ｄ／Λが８以上の場合にあっては、規格化結合長が４０００００に達してしまう。規格化結合長を４０００００とすると、Λが２．５μｍの場合に結合長が１ｍに達してしまうことを意味する。結合長が１ｍ以上では、結合部３の長さが長すぎてしまい、偏光子１の製造が困難となる場合がある。

また、偏光子１の結合部３の長さＬは、製作方法・安定性などから概ね数ｍｍ〜１ｍとすることが好ましい。

以下、前記したＤ／Λの範囲内において、所定のＤ／Λにおける偏光子１の適切な設計等について説明する。

（１）Ｄ／Λ＝３以上４以下の場合
図５は、ｙ偏光の結合長とｘ偏光の結合長の比がｙ：ｘ＝１０：９であると仮定して、結合部３の長さを変化させた場合の各偏光の分岐特性（光強度の分岐特性）を計算して示した模式図である。横軸は結合部３の長さ、縦軸は、フォトニックバンドギャップファイバ（例えば、第１のフォトニックバンドギャップファイバ２１）の光強度である。なお、偏光子１ごとの厳密な計算は結合長をパラメータとして同様の計算を行う。

Ｄ／Λが３以上４以下の場合に、この偏光子１をファイバカップラとして用いる場合は、例えば、図５のＡ点のような動作点になるように偏光子１の結合部３の長さを設定してファイバカップラを製造し、偏光による分岐特性に差が出ないようにすればよい。Ａ点は、ｘ偏波、ｙ偏波ともに光ファイバ１の光がすべて光ファイバ２に移行する、すなわち、光ファイバ１の強度が０になる点である。Ａ点の動作点になるような長さの偏光子１を作製すればよい。この長さは図４の規格化結合長に格子間隔Λを乗ずることにより、実長さとして求めることができる。

また、前記した図５に示すように、図１から図３に示した構成の偏光子にあって、Ｄ／Λが３以上４以下の範囲では、光の偏光方向によりわずかに結合長が異なる（ｙ偏光の結合長の方がｘ偏光の結合長より長い）ことになる。このため、結合部３の長さを長くすると結合長の差が累積して、図５のＢ点においては、第１のフォトニックバンドギャップファイバ２１の偏光のパワーが第２のフォトニックバンドギャップファイバ２２に１００％移行し、第２のフォトニックバンドギャップファイバ２２の偏光の光強度は、第１のフォトニックバンドギャップファイバ２１の中に残存することができるようになる。

この場合、本発明では、偏光子１の結合部３の長さを図５のＢ点のような動作点となる長さに設計することで、偏光子１としての動作を実現する。図５に示すように、Ｂ点におけるフォトニックバンドギャップファイバ２１の中の光強度は、ｙ偏光がほぼ１００％であり、ｘ偏光はほぼ０％である。フォトニックバンドギャップファイバ２１の中にはｙ偏光しか存在しないため、偏光子１は、偏光子としての動作をすることになる。また、ｙ偏光がほぼ０％で、ｘ偏光がほぼ１００％となるような点を選択してもよい。

なお、ｙ偏光がほぼ１００％で、ｘ偏光がほぼ０％となるような点、又はｙ偏光がほぼ０％で、ｘ偏光がほぼ１００％となるような点とするためには、図５よりｘ偏光、ｙ偏光の結合長をそれぞれ求め、各々Ｌｘ、Ｌｙとし、ｍ、ｎを０以上の任意の整数とした場合に、結合部の長さを、
Ｌｘ×（２×ｍ＋１）＝Ｌｙ×２×ｎ （３）
又は
Ｌｘ×２×ｍ＝Ｌｙ×（２×ｎ＋１） （４）
となるように、ｍ及びｎを選べばよい。ただし、Ｌｘ、Ｌｙとも０ではない。

（２）Ｄ／Λ＝６以上８未満の場合
次に、図４においてＤ／Λが６以上のところを見ると、ｘ偏光とｙ偏光の結合長が１．５倍から２．５倍異なる状態（ｙ偏光の結合長がｘ偏光の結合長より、１．５倍から２．５倍長い状態）となる。

図６は、Ｄ／Λが６以上の場合における、結合部３の長さを変化させた場合の各偏光の分岐特性を計算した模式図である。図６において、ｘ偏光の結合長とｙ偏光の結合長の比を１：２と仮定している。

図６に示した分岐特性を有するファイバカップラにあっては、図６に示したＣ点の長さに設計すると、偏光子１としての動作が実現できる。すなわち、Ｃ点はｙ偏光の結合長に対応する点であり、フォトニックバンドギャップファイバ２１の中の光強度は、ｙ偏光がほぼ０％であり、ｘ偏光はほぼ１００％である。フォトニックバンドギャップファイバ２１中にはｘ偏光しか存在しないため、偏光子１は、偏光子としての動作をすることになる。また、ｙ偏光がほぼ１００％で、ｘ偏光がほぼ０％となるような点を選択してもよい。

なお、ｙ偏光がほぼ０％で、ｘ偏光がほぼ１００％となるような点、又はｙ偏光がほぼ１００％で、ｘ偏光がほぼ０％となるような点とするためには、図６よりｘ偏光、ｙ偏光の結合長をそれぞれ求め、各々Ｌｘ、Ｌｙとし、ｍ、ｎを０以上の任意の整数とした場合に、結合部の長さを、
Ｌｘ×２×ｍ＝Ｌｙ×（２×ｎ＋１） （５）
又は
Ｌｘ×（２×ｍ＋１）＝Ｌｙ×２×ｎ （６）
となるように、ｍ及びｎを選べばよい。ただし、Ｌｘ、Ｌｙとも０ではない。

なお、本構造においては、２本のフォトニックバンドギャップファイバ２１、２２のうち、一方のフォトニックバンドギャップファイバ（例えば、第１のフォトニックバンドギャップファイバ２１）に入射した光は他方のフォトニックバンドギャップファイバ（例えば、第２のフォトニックバンドギャップファイバ２２）へ１往復するだけであるため、図５に示した設計よりさらに非線形性を低減した偏光子１が実現できる。

一方、Ｄ／Λが８以上の場合にあっては、前記したように、規格化結合長が４０００００に達してしまう。かかる結合長が４０００００に達するということは、Λが２．５μｍの場合に結合長が１ｍに達してしまうことを意味する。結合長が１ｍでは、結合部３の長さが長すぎてしまい、偏光子１の製造が困難となる場合があるため、Ｄ／Λは８未満とすることが好ましい。

（３）Ｄ／Λ＝略５とした場合
図４においてＤ／Λを略５とした場合には、偏光子１を構成するフォトニックバンドギャップファイバ２２、２２の２つの中心コア部５１、５２の各中心を結ぶ軸と直交する偏光方向の偏波のみ結合長が共鳴的に増大した状態となる。

図７はこの領域における各偏光の分岐特性の模式図である。図７において、ｙ偏光の結合長とｘ偏光の結合長の比を１０：１と仮定している。図７に示した分岐特性を有するファイバカップラにあっては、結合部の長さをＤ点の長さに設計すると偏光子１としての動作が実現できる。Ｄ点はｘ偏光の結合長に対応する点であり、フォトニックバンドギャップファイバ２１の中のｘ偏光強度はゼロとなる。すなわちフォトニックバンドギャップファイバ２１中にはｙ偏光しか存在しないため、偏光子１は、ｙ偏光のみを透過する偏光子としての動作をすることになる。

なお、ｙ偏光がほぼ１００％で、ｘ偏光がほぼ０％となるような点とするためには、ｘ偏光の結合長を求め、Ｌｘとした場合に、結合部の長さは、Ｌｘ×ｍとすればよい。ｍ＝１、２又は３である。ｍ＝３以下であれば、偏光子としての機能が期待できる。ただし、ｙ偏光の割合が最も大きいのはｍ＝１であるため、結合部の長さをＬｘとするのが望ましい。

本構造においては、２本のフォトニックバンドギャップファイバ２１、２２のうち一方のフォトニックバンドギャップファイバ（例えば、第１のフォトニックバンドギャップファイバ２１）に入射した光は他方のフォトニックバンドギャップファイバ（例えば、第２のフォトニックバンドギャップファイバ２２）へは一度も移行していないので、最も非線形性を低減できる。

以上説明した本発明の偏光子１は、中空の光伝送媒体としてフォトニックバンドギャップファイバ２１、２２等の中空コア光ファイバ２を用いており、光の透過する部分がかかるファイバ２１、２２の中空コア部５１、５２としているので、光が誘電体中を通過しない構造となり、従来の偏光子１と比較して非線形光学効果の影響が低減される光部品となる。

なお、以上に説明した実施形態は本発明の実施の一例であり、本発明はかかる実施形態に制限されるものではない。

例えば、前記した実施形態では、ｙ偏光の結合長とｘ偏光の結合長の関係について所定の比と仮定して図５から図７の分岐特性としたが、ｙ偏光の結合長とｘ偏光の結合長の関係については前記した比には限定されず、ｙ偏光の結合長とｘ偏光の結合長の関係について任意の比と仮定して、結合部３の長さを変化させた場合の各偏光の分岐特性を計算して図５から図７に対応する図を作成した上で、所定の動作点から偏光子１を設計するようにすればよい。

また、前記した実施形態では、中空コア光ファイバ２としてフォトニックバンドギャップファイバ２１、２２を例に挙げて説明したが、中空コア光ファイバ２としては、これ以外に同心円状の屈折率分布を持つブラッグファイバ等も使用するようにしてもよい。

本発明は、フォトニックバンドギャップファイバ等の中空コア光ファイバを用い、かかるファイバの中空コア部を光透過部分とした偏光子であり、非線形光学効果の影響の低減が期待できるため、産業上の利用可能性は高い。

１ 偏光子
２ フォトニックバンドギャップファイバ（中空コア光ファイバ）
２１ 第１のフォトニックバンドギャップファイバ
２２ 第２のフォトニックバンドギャップファイバ
３ 結合部
４１ 格子（第１のフォトニックバンドギャップファイバ）
４２ 格子（第２のフォトニックバンドギャップファイバ）
５１ 中空コア部（第１のフォトニックバンドギャップファイバ）
５２ 中空コア部（第２のフォトニックバンドギャップファイバ）
Ｄ 中空コア部の格子間隔
Λ 格子の格子間隔

Claims (2)

1. ２本のフォトニックバンドギャップファイバが長手方向に結合された結合部を有するファイバカップラ構造を有し、光の透過する部分が前記フォトニックバンドギャップファイバの中空コア部であり、
   前記２本の前記フォトニックバンドギャップファイバにおける前記中空コア部の格子間隔をＤ、前記フォトニックバンドギャップファイバに形成された格子における隣接する１組の格子の格子間隔をΛとし、当該格子間隔Λあたりの前記２本のフォトニックバンドギャップファイバにおける前記中空コア部の規格化格子間隔Ｄ／Λが略５であり、
   ｘ偏光、ｙ偏光の結合長を各々Ｌｘ、Ｌｙとした場合に、ＬｙがＬｘの略１０倍であり、
   前記結合部の長さがＬｘ×ｍである、
   偏光子。ただし、Ｌｘ、Ｌｙとも０ではなく、ｍ＝１又は３である。
2. 前記ファイバカップラ構造が、前記２本のフォトニックバンドギャップファイバ同士を当該フォトニックバンドギャップファイバの長手方向に延伸結合した結合部を含むことを特徴とする請求項１に記載の
   偏光子。

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