JPH0315006A - パッシブ光ファイバで偏光状態を制御する方法及びディバイス - Google Patents

パッシブ光ファイバで偏光状態を制御する方法及びディバイス

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JPH0315006A
JPH0315006A JP89273894A JP27389489A JPH0315006A JP H0315006 A JPH0315006 A JP H0315006A JP 89273894 A JP89273894 A JP 89273894A JP 27389489 A JP27389489 A JP 27389489A JP H0315006 A JPH0315006 A JP H0315006A
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polarization
spinning
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ホワン ホゥン ジャー
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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】 この発明は光ファイバ偏光状態の交換に係わり、特にコ
ヒレント光通信システムにおけるランダム偏光状態の制
御に関する。
魅力のある新世代の「コヒレント通信」と言われる光フ
ァイバ通信システムを実現するためには多くの技術的問
題を解決しなければならず、特にシングルモードそのも
のを伝送媒質とすることは難題である。というのは、円
形のファイバコアとクラッドのある通常の光ファイバに
は、二つのほぼデジエネレートの直交偏光モードが存在
しているから、一つの線偏光入射モードは各種の摂動影
響を受けている一本の実際の光ファイバ伝送線路を経た
後、その偏光状態が予測不可或いはランダムになってし
まったからである。このような偏光方向の予測不可性は
コヒレント通信システムに対して特に煩わしいことで、
それはコヒレント光通信ンステムには、信号とローカル
振動との偏光状態が互いにマノチすることを要請してい
るためである。
近年来、世界の多くの国の光ファイバ技術専門家たちは
絶えず二つの異なった考え方と技術ルートとに沿って、
上記問題を解決しようと大きな努力を払ってきている。
これについては、T. Okoshi と?, Xi*
uraがそれぞれ1985年と1987年にJ. Li
ght WaveTech. vol. LT−3. 
1232−1237頁とLT−5, 414−428頁
に発表した論文及びその文末に挙げられた沢山の参考文
献が参照されるべきである。
第1種のルートの基本的な考え方はコヒレント通信シス
テムにおける伝送線路全体が通常の円形光ファイバの代
わりに、ハイ・バイレフラクション光ファイバを使うこ
とである.この方向に沿う努力は特に日本が長バングー
型のファイバの製造と伝送試験の面で、すでに著しい発
展を成し遂げた。ある型のハイ・バイレフラクション光
ファイバを実際の長距離コヒレント光通信伝送線路に使
用する場合には、この特殊の光ファイバがすでに十分に
成長してきた通常のシングルモード光ファイバと同しよ
うな良い伝送機能を持っていることが要求され、特に偏
光モードの伝搬撰が低く、伝搬モードと必要のないモー
ドとのカンプリングが小さいことが要求されている。け
れども、いまのところ、こういう要求には、まだかなり
の距離がある.そのほか、コスト問題も常に一つの決定
的な要求になり、それによって、このような長距離伝送
線路全体に、ハイ・バイレフラクション光ファイバを使
うという技術的ルートが果たして実現できるかどうかが
判断される。
一般に、特殊光ファイバは通常の光ファイバよりコスト
的に晶かに高い。
第二種のルートは矢張り既に或長した通常のローロスシ
ングルモード光ファイバを伝送線路として利用し、伝送
線路のファ・エンドに、ある偏光状態のコントローラを
接続することにより、予測不可のランダム偏光状態を制
御する。このルートが重視されたのは、おそらくイギリ
ス邦便、電信研究実験室(BTRL)の有名な実験に啓
発されたのではないかと思う。これについては、Mar
tinus Nijhoff  1 9 8 3年に出
版されたくライト・ウェーブガイドサイエンス} (論
文集)133〜156頁の「コヒレント光ファイバ伝送
システムの偏光状態の安定性に対する要求」 (作者D
J. Ssith等)が参照されるべきである.その実
験結果からも明らかなように、通常の長距離光ファイバ
の出力偏光状態は予測不可能ではあるが、想像より安定
でその変動の時間定数がアワー・オーダーにあるから、
変動している偏光状態を従来の電子学一光学技術により
制御することができるようになった。いままでのランダ
ム偏光状態を制御する各種方法は、何れもアクチブ的な
方法に属し、あるフォームのアクチブ・オブトエレクト
ロニクス線路が必要である。そして、−Sに、偏光状態
の制御特性に対する要求が高ければ高い程、使用される
すべての電子学一光学の素子及び部品の複雑さと精密さ
も高くなる.近年来、アクチブ式偏光状態コントローラ
に関する研究と試験システムとは特に日本、アメリカ及
びイギリスにおいて既に大きな進展が見られたが、絶対
に人工補助操作を必要としないコヒレント光通信におけ
る偏光状態の制御を実現するのは、近いうちのことでは
ないと思われる. この発明の目的は、ランダム偏光状態の制御問題を解決
する新しいルートを提案することにある.発明の構成は
通常の光ファイバ伝送線路のファ・エンドに、予測不可
能の偏光方向を自動的に所定の偏光方向に切換えること
のできる、ある純粋のパッシブ光ファイバディバイスを
接続することである。この目的を達或するには、3デシ
ベルのバワーロスの代償を払わなければならない.これ
は多くの応用において許容されるものである。これはコ
ヒレント光通信システムが、いまの直接強度デテクトシ
ステムに比べ感度を15〜20デシベル高めることがで
きるからである。
この発明はパッシブ光ファイバから成り、寸法が小さく
、目方が軽く、横或が簡単で、安全、確実に作業でき、
コストが低く、偏光状態の制御できる範囲に対する制限
がなく、ランダムの偏光状態のタイムレートに対する制
限がなく、寿命が長い等のメリットがある。
その上、本発明で開示したパッシブランダム偏光状態コ
ントローラは、コンパチビリティという利点があり、こ
れから新しく敷設されるコヒレント光伝送システムに適
用できるばかりでなく、既に敷設されたシングルモード
光ファイバ伝送線路に対しても、それが海底、地下或い
は高架を問わず、その終端と中継端とにこの偏光状態コ
ントローラを接続することだけで、コヒレント受信の方
法を利用して、従来システムの通信能力を大幅に高める
ことができる.このような特徴は全線路に亘って特殊光
ファイバを使用する技術ルートに比べ、大変魅力のある
ものである。
本発明のもう一つの目的は、パッシブ方法により、長距
離光ファイバにおける予測不可のランダム線偏光状態を
制御する方広及びこの方法により造ったディバイスを提
供することにある。
本発明は、強いカノプリングから弱いカノブリングへの
スローディケーメカニズム及びこのメカニズムを有する
特殊光ファイバ構成を発現したことにより生したもので
ある。上記f!戒は、予測不可の偏光方向を所定の方向
に切換えることができる。任意に方向角のある線偏光状
態の二つの直交コンポーネント或いはモード(AxとA
y)に十分強いイニシャルカップリングを印加し、両者
のイニシアルパワーが快速交換と再交換とのプロセスに
おいて新たに分配されるようにすることにより、二つの
モードパワーが一つの平均値の上下に激しく起伏或いは
振動するようになる。スローディケ一のカンプリングメ
カニズムが平均値の上下に激しく振動する振動の幅を徐
々に減少させ、最終に、パワーをXとYモードの間にほ
ぼ均等的に分配した状態に達する。このメカニズムを利
用することにより、期待する偏光方向一定のモードが得
られる。例えば、AXをコヒレント受信のローカル振動
にマツチさせ、もう一つの必要のないモードAyをある
ポーラライザにより除去する。このようなバフシブエレ
メントのみで造った光ファイハ偏光コントローラには約
3デジベルのパワー損がある。
本発明の方法の要旨と特徴とは、パイレフラクンヨン光
ファイバに対して、それがドローイングされている過程
にバリアブルスピンニングを行わせることである。そし
て、そのイニシアルスピンニングスピードが十分高く、
スピンニングスピードのディケーレートが十分緩やかで
なければならない。本発明は、イニシアルスピンニング
スピードに対してかなり厳しい決まりがあり、即ち、イ
ニシアルスピンピッチlsとビート・レングスlbとの
比1,/1,の値が0.1或いは0.1より小さいこと
が要求される。スピンニングスビードの下降の函数方式
及びバリアプルスピン・ピッチ光ファイバの全長につい
て別に厳しく決める必要はないが、バリアプルスピンビ
ッチ光ファイバの全長をヒートレングスより遥かに長く
取る必要があり、両者の比を102オーダーに取ってよ
い. 本発明の光ファイバランダム偏光コントローラを構成す
る第lの提案は、上記特別のバリアブルスピンピノチ光
ファイバをポーラライザに接続することにより、偏光コ
ントローラを形戒することである。第2の提案は、一時
的なプロセスを取ることで、即ち、上記バリアフ゛ノレ
スピン・ピンチ光ファイバをドローイングにより形威し
た後、引続き、スピンニングしないで、光ファイバをド
ローイングにより更にーセクション形成し、且つこのセ
クションのスピンニングしない光ファイバを膚曲して、
上記ポーラライザの代わりに、ボーラライズ役目を発揮
させることにより、ジョイントなしの偏光コントローラ
を形成する. 次に、理論的な分析と図面とに合わせて、本発明を詳し
く説明する. ニューヨーク理工学院のマイクロヴエーブ研究所(MR
I)が1981年に出版した黄宏嘉氏の「カンプリング
モードと非理想的波導」は、次のようなことを示してい
る.即ち、ローカルストラクチュアが伝送方向に沿って
変化する光ファイバ構成において、ローカルモード(A
..A,)とスーパーモード(Wx,W,)との間に次
の関係式が戒り立つ:A, − cosψWx+ js
in ψWv   (la)At ”” joinψW
. 十cos  ψWy(lb)ここで、 ψ=0.5
arctg(2Q)   (2)パラメーター Q=c
/Δβはカップリングキャパシティーを示し、Cはカン
プリング係数で、ΔβはローカルモートA.とA,との
位相差である。すべてのAとWとのウェーブファクタ 
exp  (j( ωt−βz)1は、みな省略して記
入しなかった. スーパーモードは、次の微分方程式を満足する:Wウ 
ーJqWII   jφ’Wy    (3a)Wy’
 一一j φ’W.− jqWy   (3 b)式の
右上の「′」は2に対する微分であることを示し、その
中の係数は、 上 q=π(1 +4Q” )2     (4)φ ’−
(1+4Q冨 )−’Q’     (5)と示される
. (φ’/2q)が十分小さい場合、スーパーモード方程
式(3 a,  3 b)のゼロオーダ近似解は次のよ
うに示され、 ファーストオーダ近似値はイテラティプ方法により導か
れ、 ξ−” dz  } (7a) スーパーモード初値W. (o),W, (o)は、所
定のローカルモード初値方程式(1 a,  1 b)
の反変換により求められる.上記方程式において、2は
伝送方向に沿う距離がモードヒートレングス(L.−2
π/Δ?)に対する比である. 入射光のノーマライズ振幅を1、即ちIA(o)l−1
とし、 AX (0) 一cosθ+ Ay = 3inθ、こ
こで、θはイニシアル偏光方向角である. 方程式(1)− (8)は、本発明の設計の解析へ−ス
を提供した.設計のステソプlは、カノプリングパラメ
ータQをシミュレートするための函数を適当に選択する
ことで、この函数に対する要望は、大きな初値からゼロ
まで緩やかに下降することである.第1図に示したカー
ブは、力・ップリングパラメータQ、変化、或いはスピ
ンニングの角速度τ−2πQ/L,の変化を描いた.Q
をシミュレートするために取った函数は、 Q=Qo  (0.5  +  0.5  cos  
Crt  Z/L)  コ    (9)である.ここ
で、Q0≧10.L(■L02)は、ヒートレングスを
ノーマライズする光ファイバの全長で、パラメータγの
値はQの変化方式に関係している.第2図に示したカー
ブは、本発明のディバイスを造る場合、いくつかのメー
ンパラメータのコンビネーション関係を決めている.縦
軸の数字はQo”10の条件の下で所要のイニシアルス
ピンニングスピードを示す。よりよい偏光制御特性を要
望すると、Q0の値はもっと高くなるべきで、イニシア
ルスピンニングスピードも比例的に高めるべきである。
カーブにある数字は、光ファイバをドローイングする場
合の線速度を示す. Q0値については、本発明において厳しい決まりがあり
、極く高いイニシ゛1ルスピンニングスピードと掻く低
い光ファイバドローイング線速度とが要求される。
けれども、この極く高いスピンニングスピードは、光フ
ァイバドローイングの全プロセスにおいて終始変化しな
いことを必要とせず、ただ始まったばかりの短い期間中
だけ必要とし、その後絶えず下降していく.所要の偏光
制御を実現するためには、Q0が決定的な役目を果たす
。第3図は、Q0値が10より高い場合、二つの直交出
力モードがイコールパワーディビジョンの安定状態に向
かうことを示している.第4図は、Q0値を高めること
により、任意の出力モードパワー(lA.l”或いはI
A,l”)の入力偏光角θの変化に伴って生した波動を
絶えず減少させることができることを示している。Q.
ii=10の下で、入力偏光角θの大小を問わず、出力
パワーは全て近似イコールディピジョンされるので、例
えばA.を需要モードとし、需要でないモードであるA
,をポーラライザにより除去すれば、入射光が純粋垂直
偏光であっても、出力端において、水平偏光になり、そ
の代償として、約3デシベルのパワー堝を溜らず。方式
を換えて、もしA.をポーラライザにより除去すれば、
入射水平偏光は、出力端で垂直偏光になる。
第5図は、モードパワーP8が光ファイバー構成に沿う
変化を示している.横戒のイニシアルセクション(a)
において、パワー変化の特徴は、二つのモード即ち入射
偏光の二つのコンポーネントXとYとの間に強いカンプ
リングが生し、パワーの略々全転換が激しく往復して二
つのモードの間に発生することである。
中間セクシッン(b)において、二つのモードの間に発
生したパワーの転換と再転換とは、徐々にディケーし、
強いカップリングから弱いカンプリングに至るトランジ
ションを形或する.尾セクション<c>における特徴は
、二つのモードの間に弱いカンプリングが発生し、二つ
のモードのパワーは略々イコールディビジョンに近く、
その上下起伏が終端に近づく時、逐次なくなる.カンプ
リングパラメータのイニシアル値Q0が高い程、各モー
ドパワーと0.5との差が小さくなる.ここで、カンプ
リングパラメータQの函数フォームは重要でない。この
函数フォームに対する誤った選択は、強いカノブリング
から弱いカノプリングに至るまでの伝送パタンの細かい
ところに影響を溜らすが、二つのモードパワーの出力端
における結果には影響を實らさない。方程式(9)にお
いて、Q函数のパラメータTの値を大きく取れば取る程
、パワーのイニシアル全転換のディケーがより早く発生
するようになる.Q函数の変化方式に対して厳しい要求
がないということは、ディバイスの製造プロセスの面か
ら見ればメリットがあり、関係あるプロセス許容度を緩
めることができるからである.第5図におけるパラメー
タは、r −2,Q.=10,L−100である. 純粋な解析方法をもって扱うと、もし、Qのチェンジレ
ート或いはZに対するデリベーティプが、0≦Z5Lの
全区間において無限大に近づくと、スーパーモードが光
ファイバ構或のアイゲンモードに近づくようになる.こ
の条件のもとで、Qが無限大になることに伴って、出力
モードは徐々に次の式に近づき、・ ・ (9 a) ・ ・ ・ (9 b) これにより、理想的なイコールバワーディビジョン結果
が導かれ、 AX (L)l”  = l A,(L)l”  =0
.5・ ・ ・ (1 0) この最終結果に角θが現れないことは、特に重要なこと
で、これはイコールバワーディビジョン状態が実際上予
測不可の入射偏光角に関係ないことを示している。
方程式(9a).  (9b)から出力端におけるXと
yとの偏光モードの位相差が求められ、角θがこの位相
関係式に再び現れることは、もし入射偏光角が予測不可
能であれば、出力の位相も予測不可になることを吻語っ
ている。これは純粋なバソシブ横威の光ファイバディバ
イスは、その性質自身が予測可能であるから、ある予測
不可性をほかの予測不可性に変更する能力しか持たず、
既に構或に存在する予測不可性を残らず排除することは
出来ないということを意味している。位相の予測不可性
は、多くの応用分野で問題にならない.例えば、ディジ
タル化FSXコヒレント通信システムにおいて、インフ
ォメーション積を避けるために、キャリャー・フェース
インフォメーションを保有する必要はないが、その代わ
りに、振幅安定の周波数を必要としている. 第6図は、本発明デバイスの主な部分、即ち、パワーイ
コールディビションファンクションのある光ファイバ構
或を示す簡略図である。この図において、4は、バイレ
フラクション光ファイバで、そのヒートレングス値が第
2図の規定に基づいて適宜選択できる。lは、光ファイ
バの断面、2は、光ファイバのコア、3は、応力の作用
区である。第6図に示したのは分離型の応力作用区であ
るが、その他の型のバイレフラクション光ファイバは、
みな使用できる.第6図は光ファイバのイニシアルハイ
スピードスピンニングとこの高いスピードが光ファイバ
の長さに沿って段々低くなることを示している.第6図
はまた、z=oのところにおける予測不可のランダム線
偏光A (o)の状態と、終端2=Lのところに得られ
た略々イコールパワーデイビジョンの状態をも示してい
る。
第7図に示したように、ディバイス構威をコンパクトに
するために、上記パワーイコールデイビションアクショ
ンのある光ファイバ4を円筒5に巻いている。
円筒5の直径は、マクロペンディングロスを避けるため
、十分大きく取るべきである。この光ファイバ4の終端
とポーラライザー6とは、ジョイント7で接続され、偏
光コントローラ8を構戊する.入力端9での方向任意決
めの線偏光は出力端IOで所要の方向一定の線偏光に変
わる. 本発明の光ファイバランダム偏光コントローラを造る更
に一つの提案は、確立したペンディング技術によりポー
ラライズファンクションを発生させることである.偏光
コントローラ全体は、一回のプロセスにより造り出すこ
とができる。第1光ファイバセクションは、ドローイン
グされる過程で変速モータにより変速スビンニングを行
わせる。この光ファイバのドローイングが終ると、変速
モータを静止状態に維持する状態の下で、光ファイバの
直線ドローイングを、ポーラライズファンクションのあ
る第2光ファイバセクションをドローイングし始めるま
で、引続き行う。この第2光ファイバセクションは、更
に湾曲され、例えば小径円筒l3に巻かれることにより
、ポーラライザ6の代わりに作用する。ディバイス全体
は、主に変速スピンニングドローイングとそれに続く直
線ドローイングプラスd曲とにより得られた光ファイバ
セクション4と11との二つのセクシゴンをジョイント
なしに接続して横或する。第8図は、その簡略図で、そ
の中で第7図と同し表記は同しものを示している。第7
図の中のジョイントをなくしたことが、この提案の特徴
である.第8図の12は、このディバイスに含まれる二
つの光ファイバセクションのジョイントなし接続を示し
ている。
ヒートレングスの選択面に厳しい条件があることが、こ
の提案の難しいところで、第2図に規定したバラメータ
の相互関係を考える必要があるばかりでなく、湾曲型ポ
ーラライザに要求される光ファイバのパラメタをも考え
る必要があるからである。
本発明の主な部分、即ち、パワーイコールディビジョン
ファンクションを果たす特殊光ファイバ構戊は、!独の
光ファイバエレメントとしても利用できる。このエレメ
ントは、方向が直交でパワーが略々イコールディビジョ
ンの二つの線偏光光源を提供する。
【図面の簡単な説明】
第1図に示すカーブは、カンブリングパラメータQをシ
ミュレートするための変化函数、或いはスビンニング光
ファイバの角速度の変化函数である。 第2図は、本発明のデバイスを造る場合に、関係あるパ
ラメータの所要値の適切な組合わせを示すものである。 第3図は、直交した二つの偏光モードの間にパワーイコ
ールデビジョンを実現するのにイニシアル・カップリン
グ・パラメータQ.が肩らす影響を示すものである。 第4図は、出力バワーPx或いはP,と入射偏光方向角
θとの関係及びPエ或いはP,に対するQ.値の影響を
示すものである。 第5図a,b,cは、それぞれイニシアル部と中間部と
尾部とでPX或いはP,が強いカンプリングから弱いカ
ノプリングになる変化を示す図である。 第6図は、本発明デバイスのパワーイコールディビジョ
ン機能のあるバリアブルスピン・ピノチ光ファイバの簡
略構威図である. 第7図は、偏光コン斗ローラの簡略構成図で二つの接続
し合う部分、即ち、バリアブルスピン・ピンチ光ファイ
バ(パワーイコールディビジョン部)とポーラライザと
を備えている。 第8図は、二段の特殊光ファイバからなるが継手なしの
偏光コントローラの箭略図で、そのうち、第1段は、パ
ワーイコールディビジョン機能のある部分で、第2段は
、巻くことによりボーラライズ役目を果たす部分である

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)純粋パッシブ光ファイバ構成により、方向角が予
    測不可の線偏光状態を制御する方法であって、強いカッ
    プリングから弱いカップリングにスローディケーするメ
    カニズムを利用して、バイレフラクション光ファイバ中
    の任意方向角のある入射線偏光の二つの直交コンポーネ
    ント或いはモードに十分強いイニシャルカップリングを
    施し、両者のイニシャルパワーを快速交換と再交換の過
    程で新たにディビジョンさせることにより、二つのモー
    ドパワーをある平均値の上下に激しく振動させることと
    、スローディケーするメカニズムは上記激しい振動の平
    均値上下における波動の幅を漸減させる結果、パワーが
    二つのモードの間に略イコールディビジョンされる状態
    に達成することと、ポーラライズフィクションを果たす
    ユニットを利用して、必要としないモードを除去するこ
    とにより、所要の偏光方向の一定のモードを獲得するこ
    ととを特徴とする方向角予測不可の線偏光状態を制御す
    る方法。
  2. (2)ランダム線偏光状態を方向が直交でパワーがイコ
    ールディビジョンの二つのモードに交換する光ファイバ
    エレメントであって、これは、バイレフラクション光フ
    ァイバ母材を直線ドローイングする過程において、変速
    モータでドローイングされている光ファイバにイニシア
    ルハイスピードスピンニングを施し、それから、このイ
    ニシアルスピンニングのハイスピードをゼロまでに漸減
    させることにより得られたものを特徴とするバリアブル
    スピンピッチ光ファイバ。
  3. (3)全パッシブ光ファイバランダム偏光コントローラ
    であって、一本のバリアブルスピンピッチ特殊光ファイ
    バと、ポーラライザファンクションを果たすユニットと
    を備え、このポーラライザファンクションのあるユニッ
    トの入力端が上記バリアブルスピンピッチ特殊光ファイ
    バの末端に連続していることを特徴とする光ファイバ偏
    光コントローラ。
  4. (4)上記バリアブルスピンピッチ特殊光ファイバは、
    バイレフラクション光ファイバ母材を直線ドローイング
    する過程において、変速モータでドローイングされてい
    る光ファイバにイニシアルハイスピードスピンニングを
    施し、それから、このイニシアルスピンニングのハイス
    ピードをゼロまでに漸減させることにより得られる、ラ
    ンダム線偏光状態を方向が直交でパワーがイコールディ
    ビジョンの二つのモードに変換する光ファイバであるこ
    とを特徴とする請求項3に記載の光ファイバランダム偏
    光コントローラ。
  5. (5)上記イニシアルハイスピードスピンニングを行う
    場合、スピンピッチとヒートレングスとの比は0.1に
    等しく成いは0.1より小さいが、モータのスピンニン
    グスピードがゼロに下降した時、得られた光ファイバの
    全長がヒートレングスより遥かに大きく、両者の比を1
    0^2オーダに取られることを特徴とする請求項4に記
    載の光ファイバランダム偏光コントローラ。
  6. (6)上記ポーラライズファンクシヨンを果たすユニッ
    トはポーラライザであることを特徴とする請求項3に記
    載の光ファイバーランダム偏光コントローラ。
  7. (7)上記ポーラライズファンクションを果たすユニッ
    トは、湾曲巻きされた光ファイバで、変速モーターのス
    ピンニングスピードがゼロに下降した後、引き続き光フ
    ァイバの直線ドローイングを行うことによって得られる
    光ファイバであることを特徴とする請求項4に記載の光
    ファイバランダム偏光コントローラ。
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