JPH02500466A - 光フアイバ偏光器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 光フアイバ偏光器 発明の分野 本発明は光フアイバ技術の分野に関するものであシ、更に詳しくいえば光フアイ バ偏光器に関するものである。

発明の背景 多くの光フアイバ装置は、光ファイバによシ導かれる光の偏光に非常に依存する 動作特性を有する。

それらの装置は光角速度七ンサ、ここでは光フアイバジャイロと呼ぶ、および干 渉計センサを含む。それらのセンサは、希望の確度および性能特性を達成するた めに１つの偏光状態を維持することを一般に必要とする。

光フアイバジャイロにおいて１つの偏光状態を維持するために偏光維持ファイバ を使用することは、高性能の目標を達成するために必要とする単一の偏光の純度 を達成するのに適切であることは証明されてい力い。その理由は、偏光ノイズが 光フアイバジャイロにおけるバイアスおよびバイアスの安定性に直接衝撃を与え るからである。バイアスおよびバイアスの安定性は、光フアイバジャイロ中のフ ァイバルーズの偏光結合によるものと一般的にされている。

したがって、高い消光比特性と低い挿入損失特性を持つ光フアイバ偏光器に対す る需要が存在する。

導かれる光波のエバネツセントフィールドと、エバネツセントフィールド領域中 の物質との間の相互作用を基にしているいくつかの種類の光フアイバ偏光器が示 されている。消光比が高く、損失が低い偏光器は複屈折結晶または金属膜を用い て現在実現されている。オーピーティー・エルイーティーティー（Ｏｐｔ、　Ｌ ｅｔｔ、　）Ｖｏｌ、　５、嵐１１．１９８０．４７９〜４８１　所載のアール −ニー争バーグ（Ｒ，んＢｅｒｇｈ　）、エイチ・シー・ルフエープル（Ｈ，Ｃ ，Ｌｅｆｅｖｒｅ）、エイチ・ジエー。

シャク（Ｈ，Ｊ、Ｓｈａｗ）による「シングル・モード・ファイバ・オプチツク ・ポーラライザ（Ｓｉ　ｎｇｌ　ｅ−Ｍｏ　ｄｅＦｉｂｅｒ　０ｐｔｉｃ　ｐｏ ｌａｒｉｚｅｒ）Ｊと題する文献には複屈折結晶を含む結晶偏光器が示されてい る。被覆の一部が除去されているある長さのファイバの上に結晶が置かれる。フ ァイバによシ導かれる光のエバネツセントフィールドが複屈折結晶と相互作用し て、望ましくない偏光の光をファイバとの結合から外し、複屈折媒体に結合させ る。その複屈折媒体においてはその望ましくない偏光の光はもはやファイバによ シ導かれない。しかし、希望する偏光の光は複屈折結晶による影響を受けず、フ ァイバにより導かれるままである。

２つの偏光モードまたはＴＥｏモードの遮断の差動減衰を基にした金属被覆光フ ァイバが、オーピーティー−エルイーティーティー（Ｏｐｔ、　Ｌｅｔｔ、　） 　Ｖｏｌ。

８、文２．１９８３．１２４〜１２６　所載のティー・ホソカワ、ケー・才力モ トおよびティー・エダヒロによる「フアプリケーション・オブ・ンングル・モー ド・ファイバ・タイプ・ポーラライザ（Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｏｆ　Ｓｉｎｇ ｌｅ−Ｍｏｄｅ　Ｆｉｂｅｒ−Ｔｙｐｅ　Ｐｏ１ａｒｉｚｅｒ）と題する文献、 およびオービーティー・エルイーティーティー（Ｏｐｔ、　Ｌｅｔｔ、）　Ｖｏ ｌ、　１１、Ｎｃｔ６．１９８６．３８６〜３８８所載のジエー・アール・フェ ス（Ｊ、　Ｒ，ｐａｔｈ）およびシー愉エルーチャン（Ｃ，Ｌ、　Ｃｈａｎｇ） による［メタル・クラッド・ファイバ・オプチツク・ポーラライザ（Ｍｅｔａｌ −（ｌａｄ　Ｆｉｂｅｒ　０ｐｔｉｃ　Ｐｏ１ａｒｉｚｅｒ）Ｊと題する文献に 記載されている従来の成果に記載および示されている。上記引用文献の全ては参 考のためにここに示した。

低損失および高消光比に加えて、実際的な応用のために環境的に安定で、波長が 独立している偏光器が望まれている。結晶偏光器の屈折率が温度によって変化す るから、結晶偏光器は温度変化に非常に敏感である。更に、複屈折結晶は、光フ ァイバの被覆材が除去されている部分に機械的または接着剤によシ接合せねばな らない。したがって、得られる装置の機械的および熱的不安定性が甚しい。２つ の偏光の差動減衰を基にした金属被覆光ファイバは、ファイバのコアの非常に近 くに非常に厚い金属膜を設ける必要がある。この種の装置では高い消光比と低い 損失を同時に達成することはできない。非常に薄い金属Ｍを利用する他の金属被 覆偏光器は動作波長に対する感度を高くできるが、高い消光比と低い挿入損失を 得ることができる。

発明の詳細な説明 本発明の目的は、挿入損失が低く、消光比が高くて、光フアイバ中に直線偏光さ れた光を発生できる光フアイバ偏光器を得ることである。本発明の別の目的は、 はとんど波長とは独立しておシ、環境的、熱的および機械的に安定な偏光器を得 ることである。

本発明の更に別の目的は″、光フアイバジャイロに用いるのに理想的に適する偏 光器を得ることである。

本発明においては、金属と誘電体の交番する層の多層スタックが、ファイバの一 方の側から被覆を除去するために処理された光ファイバの表面に直接付着される 。高い複屈折性と、直交する２つの偏光器に対する大きい差動減衰を与えるため に多層金属−誘電体構造が製作される。

図面の簡単な説明 第１図は基板中に形成された光ファイバの側面図、第２図は本発明の光フアイバ 偏光器の側面図、第３図は本発明の多層構造の横断面を示し、第４図はワイヤグ リッド偏光器を示し、第５図は理論的な単位長当シの消光比と本発明の金属／誘 電体膜の厚さ比の関係を示し、第６図は理論的な単位長当シの消光比と本発明の 金属／誘電体膜の厚さ比の関係を示し、第７図は本発明の別の実施例の光ファイ バの側面図を示す。

発明の詳細な説明 第１図は、本発明に従って以後の処理のために基板中に形成された光フアイバ偏 光器の側面図を示す。

第１図には中心コア１１０と被覆１１５を有する光ファイバ１００が示されてい る。ファイバ１００は基板１２０中に形成されている。光ファイバ１００は偏光 維持ファイバであることが好ましい。基板１２０は、ガラス、石英、石英ガラス 等のよう々機械的および熱的に安定なものであることを意図している。光ファイ バ１００は選択された曲率半径で基板１２０中に形成される。

光ファイバ１００の被覆の選択した部分を除去するために、基板を研磨して、第 ２図にほぼ示されているように研磨された表面２１０に光コア１１０のエバネツ セントフィールドを露出させる。基板表面２１０はファイバの曲率半径に対して ほぼ垂直である。基板１２０とファイバ１００は、薄膜層の多層スタック２２０ を付着する表面を生ずるまで研磨される。表面１２０とファイバ１００は、ファ イバ１００を通って被覆領域中１１５に入る導かれる波のエバネツセントフィー ルドが多層スタック２２０と相互作用できるまで研磨される。

次に、本発明の多層構造２２０が示されている第３図を参照する。スタック２２ ０は、第３図に番号３１０と３２０で示されている２種類の物質の交番する薄い 層を有するものとして示されている。薄膜層３１０の厚さはｄ、であシ、薄膜層 ３２０の厚さはｄ２とする。

本発明の好適な実施例においては、２つの薄膜層の「周期的」構造を構成するよ うに、多層スタックは２つの薄膜層３１０と３２０の反復する対で構成される。

薄膜層３１０は金属膜材料で構成され、薄膜層３２０は誘電体膜層で構成される 。金属−誘電体薄膜層の組合わせのためにアルミニウムと二酸化シリコンの交番 する層を用いることによシ成功した結果が達成されている。誘電体−金属構造の 周期的な層の数は設計上の選択の問題である。しかし、７０層、すなわち、３５ 対の金属誘電体対の層を用いることにより良い結果が得られた。

誘電体−金属対の膜の全体の厚さｄＺｄ２　の和、は動作波長よシ小さくなけれ ばならない。更に、挿入損失を小さくするために、金属の厚さは誘電体の厚さよ シはるかに薄くしなければならない。厚さが１００〜２００オングストロームオ ーダーの金属の薄膜層と、厚さが３０００オングストロームのオーターノ誘電体 層を用いることによシ良い結果が得られている。スタック２２０を構成する薄膜 層３１０と３２０は、真空スパッタ付着を含めた各種の付着技術によシ基板表面 ２１０に付着できる。

本発明を理解するに際して、本発明の光ファイバのエバネッセント領域に用いら れる周期的な金属−誘電体層と、マイクロ波のだめの平行板偏向器および遠赤外 線のだめのワイヤグリッド偏光器との間に類似性を導入できる。この種の装置の うちの最も簡単なものが第４図に概略が示されている。右から格子２に入射する 偏向されていない電磁波１について考えてみる。電界を２つの直交成分に分ける ことができる。この場合には一方の成分はワイヤに平行であシ、他方の成分はワ イヤに垂直であるように選択した。ワイヤに平行なフィールドのＹ−成分が伝導 電子を各ワイヤの長さに沿って駆動し、電流を発生する。それらの電子は格子原 子と衝突してそれらの原子にエネルギーを与えることにょシワイヤを加熱する。

このようにしてエネルギーがフィールドから格子原子へ移される。また、Ｙ軸に 沿って加速された電子は前方と後方へ放射する。予測されるように、入射波は前 方へ放射される波にょシ隠される傾向があり、その結果としてフィールドのＹ− 成分はほとんど、または全く伝えられなくなる。後方へ伝わる放射波は反射波と して現われるだけである。それとは対照的に、電子はＸ一方向へはあまシ遠くへ は動かず、ワイヤに垂直な波の対応するフィールド成分は格子３を伝わる間に変 更されることはほとんどない。

第２図と第３図の多層金属−誘電体スタック構造は高い複屈折と、２つの偏光の ための大きい差動減衰によシ特徴づけられる。希望の偏光に対する損失は非常に 小さいから、偏光フィルタ装置としての用途に理想的に適する。第２図に示され ている特定の構成においては、金属−誘電体インターフェイスに平行な水平偏光 された光は非常に大きい損失全受ける。垂直偏光された光は妥当に小さい損失で 相互作用領域を伝わる。最適な性能を得るために、多層スタックの周期は光の波 長より小さくなければならず、金属層の厚さは誘電体層の厚さよりはるかに薄く する必要がある。

第２図と第３図の多層構造は以下に説明するようにして挙動する。導かれる波が ファイバ１００の相互作用領域とスタック２２０を通って伝わｐｌそこでエバネ ツセントフィールドが多層構造中に入るにつれて、（１）スタックのファイバイ ンターフェイス（スなわち、表面２１０）に平行な水平偏光された光は、主とし て吸収損失による非常に大きい損失を受ける、（ｉｉ）垂直偏光された光は妥当 に小さい損失で相互作用領域を伝わる。その理由は、主として大きな差動減衰に よるものである。更に、多層構造に関連する大きい複屈折のために、エバネッセ ントフィールドと多層構造の間の重々９合いを吸収モードに対して強めることが できるように、モードフィールドパターンを変更できる。これによシ消光比が高 くなる。

第３図に示されている多層金属−誘電体構造は、偏光器の設計を最適にするため に理論的に解析されてきた。第５図と第６図は選択的な伝導偏光対、誘電体膜と 金属膜の間の厚さ比の消光比と伝播比についての理論的な予測をそれぞれ示すも のでちる。計算における伝播長は１１１！を選択した。Ｘ方向偏光された光がＺ 軸に沿って短い距離を伝った時に、非常に高い消光比と非常に小さい伝播損失を 得ることができる。その結果として、消光比が高く、損失が小さい光フアイバ偏 光器は、導かれる波のエバネツセントフィールド領域内にこの多層構造が適用さ れた時に構成できる。

装置の消光比は、多層被覆内に入る導かれた波中の光フィールドの量によシ決定 されることに注目すべきでちる。当業者であれば容易にわかることであるが、消 光比、したがってそれは曲率半径と基板表面の研磨量にいくらか依存して光フア イバ中に入シ、光フアイバコアを被覆に露出する。更に、周期的な層の被覆内に 入る導かれる波中の光フィールドの量は、誘電体−金属構造２２０と表面２１０ の間にバッファ層を設けることによシある程度制御できる。バッファ層は、適切 な屈折率と厚さを持つように選択すべきである。それらの選択された特性は、金 属−誘電体被覆中に入るパワーの割合に影響を及ぼすことがある。たとえば、バ ッファ層は、厚さが１００オングストロームのオーダーであるフッ化マグネシウ ムで構成できる。望ましくは偏光の実効屈折率がファイバに非常に良く一致し、 希望の偏光の実効屈折率がファイバの屈折率に一致しないように、金属と誘電体 物質の選択によシ本発明の偏光器の性能を制御することもできる。したがって、 低損失および高消光比の装置を得ることができる。

第７図は本発明の別の実施例を示す。簡単にいえば、第７図は、被覆の一部が除 去されたファイバ１００に付着された多層スタック２００を示す。導がれる波の エバネッセントフィールド領域内の多層スタックと波が相互作用できるようにす るために、ファイバは前記したやり方で研磨される。スタック２２０は、基板の 利益なしに研磨されたファイバ上に直接付着される。第７図に示されている構造 の偏光挙動は前記したのとほぼ同じである。

ここではある特定の実施例についてのみ詳しく説明したが、以下の請求の範囲で 定められる本発明の真の要旨を逸脱することなしにある変更と修正を行えること が当業者には明らかであろう。金属−誘電体構造の物質は広範囲のものがちシ、 好適な実施例のみを説明したことを理解すべきである。

また、２種類の誘電体物質、たどえばＡｌ　２０３、Ｓｉ０３の交番する層も本 発明の要旨内であることを理解すべきである。それら２種類の物質で構成された 構造は機能でき、かつ本発明の範囲内でちるが、金属−誘電体の組合わせが好適 である。

Ｆ／′ｇ、／ Ｆｉｇ、　５ Ｆｉｇ、　６ １間　昨　調　査　斡　牛 ｌ剛ｅ”’ｎ１ｌｅ”ｌ　Ａａｌ”ｃｌｌ＃Ｍ　Ｎｏ、　ｐ（τ／υＳ　８Ｂ１ ０００７５国際調査報告

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. １．基板と、 この基板中に形成され、選択した部分が前記基板の第１の表面と共平面である光 フアイパと、第１の物質で構成されて、選択された厚さを持つ第１の層と、第２ の物質で構成されて、選択された厚さを持つ第２の層との少くとも２つの交番す る層で構成され、前記フアイパの前記選択された部分と光学的に接触する多層ス タックと、 を備え、前記第１の物質と前記第２の物質は、前記フアイパを通る光の直交する ２つの偏光を差動減衰させるようなものである光フアイパ偏光器。
2. ２．請求項１記載の偏光器において、前記第１の層と前記第２の層は誘電体物質 および金属で構成され、金属の厚さは誘電体の厚さよりかなり薄い偏光器。
3. ３．請求項１記載の偏光器において、前記交番する層はアルミニウムと二酸化シ リコンで構成される偏光器。
4. ４．請求項２記載の偏光器において、誘電体層と金属層の組合わされた厚さは前 記光フアイパを通る光の波長より薄い偏光器。
5. ５．請求項１記載の偏光器において、前記光ファイバは選択された曲率半径で前 記基板中に形成され、前記基板の前記第１の表面は前記光ファイバの曲率半径に ほぼ垂直である偏光器。
6. ６．請求項１記載の偏光器において、前記第１の表面と前記スタックの間に設け られたパツフア層を含み、このパッフア層は選択された屈折率と選択された厚さ を持つ選択された物質で構成される偏光器。
7. ７．請求項１記載の偏光器において、前記基板は石英ガラスで構成される偏光器 。
8. ８．請求項１記載の偏光器において、前記基板は機械的および熱的に安定な物質 で構成される偏光器。
9. ９．請求項１０記載の偏光器において、前記スタックは金属と誘電体の２つの交 番する層の反復される層で構成され、同じ物質の各層はほぼ同じ厚さである偏光 器。
10. １０．請求項１記載の偏光器において、前記ファイバの前記選択された部分は、 前記ファイバを通る導かれる波のエパネッセントフイールドが前記スタックと相 互作用できるようにするのに十分なだけ前記スタックに光学的に接触する偏光器 。
11. １１．請求項１記載の偏光器において、前記ファイバを通る波の、前記スタック と相互作用できる光フィールドの量を制限するために、前記スタックと前記選択 されたフアイバ部分の間に設けられるバツフア層を更に備える偏光器。
12. １２．被覆で囲まれたコアを有する光ファイバを備え、前記被覆の一部は交番す る第１の層と第２の層のスタックで構成され、前記第１の層は第１の物質で構成 され、前記第２の層は第２の物質で構成され、前記交番する層は、前記　フアイ バを通る光の２つの直交する偏光を差動減衰できるようにする物質で構成される 光ファイバ偏光器。
13. １３．請求項１２記載の偏光器において、前記第１の層と前記第２の層は誘電体 物質および金属で構成され、金属の厚さは誘電体の厚さよりはるかに薄い偏光器 。
14. １４．請求項１２記載の偏光器において、前記交番する層はアルミニウムと二酸 化シリコンでそれぞれ構成される偏光器。
15. １５．請求項１４記載の偏光器において、誘電体層と金属層の組合わされた厚さ は前記光ファイバを通る光の波長より薄い偏光器。
16. １６．請求項１２記載の偏光器において、前記光フアイバは選択された曲率半径 で前記基板中に形成され、前記基板の前記第１の表面は前記光フアイバの曲率半 径にほぼ垂直である偏光器。
17. １７．請求項１２記載の偏光器において、前記スタックで構成された前記被覆は 、前記ファイバを通る導かれる波のエバネツセントフイールドが前記スタックと 相互作用できるようにするのに十分である偏光器。
18. １８．請求項１２記載の偏光器において、前記フアイバを通る波の、前記スタッ クと相互作用できる光フィールドの量を制限するために、前記スタックと前記選 択されたファイバ部分の間に設けられるバッファ層を更に備える偏光器。
19. １９．光ファイバがわん曲され、かつ選択された曲率半径を持つようにして基板 中に光ファイバを形成する工程と、 前記基板と前記光フアイバを研磨して、前記光ファイバの選択された部分と共平 面である基板表面を得る工程と、 ２種類の物質で構成されて、選択された厚さを持つ交番する第１の層と第２の層 の多層スタックを前記選択された部分に付着する工程と、 を備える光フアイバ偏光器を製作する方法。
20. ２０．請求項１９記載の方法において、前記中心コア部分と前記多層スタックの 間に第３の物質の選択された厚さのバッファ層を付着する工程を更に備える方法 。