JPS6341831A

JPS6341831A - 光フアイバ形非線形方向性結合器

Info

Publication number: JPS6341831A
Application number: JP18644786A
Authority: JP
Inventors: Yasuro Kimura; 康郎木村; Masataka Nakazawa; 正隆中沢; Yoshiyuki Aomi; 青海　恵之
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1986-08-08
Filing date: 1986-08-08
Publication date: 1988-02-23
Anticipated expiration: 2010-03-08
Also published as: JPH0721598B2

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】（産業上の利用分野）本発明は、構成要素が少なくかつ動作速度が速く、光入
出力特性が非線形ｆ［をもつ光））・イバ形非線形方向
性結合器に関りるｂのである。

（従来技術とその問題点）従来の非線形方向性結合器には第２図（Ａ）に示すもの
がアル、（文献１．　Ｄ、５ａｒｉｄ　ａｎｄ　Ｈ，Ｓ
ａｒｇｅｒｔ　ｉ！Ｉ、”Ｔｕｎａｂｌｅ　ｎｏｎｌｉ
ｎｅａｒ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ　ｃｏｕｐｌｅｒ　
”　、　Ｊ、Ｏｐｔ、Ｓｏｃ、Ａｍ、ｖｏＬ７２．　ｐ
、８３５−８３８（１９８２）、）。

これは、１３１２上に２つの導波路１１を平行に並べて
形成し、２つの導波路１１のエバネッセント波（クラッ
ド部分へしみだし、た電界成分）が重なりあうような構
造になっ工いる。

第２図（＾）に水付構造では基盤１２上にホトレジスト
或いは拡散イオン打ち込みによって導波路１１が形成さ
れ−〔いるため、光の入出力に光ファイバを使用すると
きには、基盤１２上に溝を切って光ファイバと導波路１
１をつき合せなければならず、光ファイバの軸ずれによ
る光損失を１ｄＢ以丁に抑制づるためには、基盤１２上
に０５μｍ以下の精度の加工技術が要求され、製作上の
欠点となった。また、基盤１２の材料には、１−ｉ７ｉ
０３、ＬｉＮｂＯ３笠が用いられるが、石英系の光ファ
イバとの接続では屈折率（ＬｉＮｂ○３＝２．２０　、
　Ｓ　ｉ　０２　＝　　１．４６の違いによるフレネル
反射（反（ト）率４％）が生じ、つき合わせ接続を行う
ため、光ファイバの固定方法およびその長期ＬＥ頼性の
点で、光フアイバ同志の融着接続と比較して劣る欠点が
あった。

使方、これらの欠点を除くため、２本の光フ１イバを融
着延伸して得られる第２図（８）に示りような光ファイ
バ形偏波選択型方向性結合器２３がある。この偏波選択
型方向性結合器２３では、２つの光ファイバへの光パワ
ー分岐比は２つのコアを伝搬する伝搬モードの重なり積
分で決まる結合定数と結合長とによって決まってしまい
、ざらに光ファイバの複屈折が大きいため、入力光強度
によって屈折率を変えて分岐比を変えることはできず、
非線形方向性結合器を実現できない欠点があった。しか
し、光入出力端子２１ａ、２２ａ、２１ｂ、２２ｔ）が
光ファイバであるため、光フアイバ同志の接続であるか
ら光通信に使われている通常の融着接続と熱収縮チュー
ブによる補強法を利用できる長所があった。

第２図（Ａ）の従来の導波路１１において断面が円形の
導波路構造を仮定し、導波路１１間の結合長を２．５Ｃ
ＩＲ，相互作用長を１．８１とした非線形方向性結合器
の出力波形の計口結果を第３図に示す。

同図において横軸は規格化パルス幅を、縦軸は規格化パ
ルス強度を示し、同図より破線で承り尖頭値１．２ＫＨ
の入射光パルスを入射端の一方から入射したとき、実線
で示すように出射光パルスは光パルス列になり、いわゆ
る光断続現象（Ｏｐｔｉｃａｌｂｒｅａｋｉｎｇ　、同
様の結果は文献２゜Ｒ，ＨｏＮｅ　ｅｔ　ａｌ、。

Ｏｐｔ、Ｃｏｍｍｕｎ、５７．３４（１９８６）を参照
）を生じ、単一の光パルス出力を取り出すことが不可能
である欠点があった。

（発明の目的）本発明の目的は、従来の非線形方向性結合器では得られ
なかった単一でかつ、入力光パルスよりもパルス幅の狭
い光パルスを出力として取り出すことが可能で、さらに
他の光学系と光ファイバを介して容易に接続でき、さら
にまた、極短光パルスの発生や波形整形の手段として、
簡単な構成でピコ秒からサブピコ秒の応答速度を有する
高速動作光分配器へ応用できる全ファイバ形の非線形方
向性結合器を提供することにある。

（問題点を解決するための手段）本発明は、上記の目的を達成するため、コアとクラッド
からなる導波路構造をもち、かつコア部分が複屈折性ず
なわら伝搬方向に垂直な平面（Ｘ。

ｙ軸方向）で屈折率が異なっている光ファイバの一端を
先入ｔＡ端となすと共に他端を出射端となし、該光ファ
イバの出射端に光ファイバ形偏波選択型方向性結合器の
一つの入射端を、該光ファイバの主軸の一つと一致する
ように接続し、前記光ファイバの光入射端に任意の偏光
状態の光を入射させ、該偏波選択型方向性結合器の一方
の出射端より非線形光出力を得るようにした。

（作　用）本発明によれば、複屈折性光フアイバ中では、入力光に
よって生じる複屈折（光力−効果）と、低複屈折性光フ
ァイバのもつ固有の複屈折の競合が起こり、ｙ軸の伝搬
モードからＸ軸の伝搬モードへ光パワーの非線形な変換
が生じる。−波選択型方向性結合器の入射端には変換さ
れたＸ軸仏殿モード及び残りのｙ軸伝搬モードが入射し
、これらは偏波選択型方向性結合器で分離し、出射端に
はＸ軸伝搬モードが、出射端にはｙ軸伝搬モードがそれ
ぞれ出力される。

（実施例）第１図は本発明の第一の実施例を説明する図であって、
３は第２図（Ｂ）に示したと同様の偏波選択型方向性結
合器で、その１つの入射端１ａと低複屈折性光ファイバ
４の出射端４ｂとはそれらの進相ｆ４１（以下ｙ軸とい
う）及び遅相軸（以下Ｘ軸という）をそれぞれ合わせて
接続されている。また第１図には丸の中の矢印で、各位
置における偏光状態を示している。なお、２ａは他の入
ＣＭ　９Ｗ、１ｂ、２ｂは出ｆＪＪ端、４ａは光入射端
である。

本発明の全ファイバ形非線形方向性結合器の動作は以下
のとおりである。直線偏光の入力光を低？Ｑ！７ｉ１折
性光ファイバ４の光入射端４ａから該光ファイバ４のｙ
軸に偏光面がほぼ平行となるように入射させる。低複屈
折性光フアイバ４中では、入力光によって生じる複屈折
（光力−効果）と、低複屈折性光ファイバ４のもつ固有
の複屈折の競合が起こり、ｙ軸の伝Ｗ１モードからＸ軸
の伝ｍモードへ光パワーの非線形な変換が生じる。偏波
選択型方向性結合器３の入射端１ａには変換されたＸ軸
伝搬モードＥＸ及び残りのｙ軸伝搬モードＥｙが入（ト
）し、これらは偏波選択型方向性結合７Ａ３て。

分離し、出射端２ｂにはｘｑＩＩｌｌ伝搬モードＥＸが
、出射端１ｂにはｙ＠伝搬モードＥＸがそれぞれ出力さ
れる。なお偏波選択型方向性結合器３の延伸結合部長の
設計によっては、出射する偏波が入れ替わることがある
。これらの動作による波形変化は後で詳述する第５図に
示されている通りであり、入力波形に対して非線形動作
し、出用端２ｂにＸ慴伏Ｗ１モードのパルス幅の狭い出
力波形（Ｅｘ）が出射されることになる。

本実施例では、低複屈折性光ファイバ４と偏波選択型方
向性結合器３との接続において、主軸のＸ軸、ｙ軸をそ
れぞれ一致させているが、これと９０”ずれた状態すな
わちＸ軸とｙ軸が合っていても良い。この時は出射する
偏波は入れ替り、出射端１ｂにＸ軸伝搬モードＥｘが出
射される。またここでは入力光の入射条件として最も単
純な直線偏光を低複屈折性光ファイバの主軸に合わせて
入射する場合を示したが、偏光方向と主軸が傾いている
場合でも、さらに−膜内には楕円偏光を入射し、その楕
円の主軸とファイバの主軸が傾いている場合でも適用可
能である。これらの場合には後で詳述する第４図に示す
ように、傾き角等に応じてストークスパラメータＳ１の
ピーク値以外のファイバ長を適宜選択することにより実
現できる。

また非線形効果を低励起入力で効率よく励起するために
ｔよ低複屈折する光ファイバを用いるか、或いは、非線
形感受率の大きな材料を用いることが望ましく、Ｌ　ｉ
　ＮｂＯ３、ＰＬＺＴ、Ｙ　ＩＧ。

ＧａＡｓ、ＩｎＰ、Ｎ　ｉ０２Ｂ２Ｏ３−Ｎａ２０、Ａ
ｓ２　Ｓ３　、ＰＭＭＡ、ＭＮＡ、ポリジアセブレン、
ジアセチレン、ＰＣＨ１０８３などはＳｉＯ２に比較し
て大きな非線形感受率を持っており、低励起入力で使用
できる。

次に、低複屈折性光フアイバ中の電界をＥとして、Ｘ軸
、ｙ軸の電界の非線形結合を定量的に示す。電界Ｅは次
式で表わされる。

Ｅ＝Ｅｘ−ｘ＋Ｅｙ−ｙ−Ｅｒ、ｅｒ　＋［：１−ｅｌ
　（１）△　　＾ここで、ｘ、ｙはそれぞれ遅相軸、進相軸の単位ベクト
ルで、Ｅｘ、Ｅｙはその方向の電界成分、ｅｒ、ｅｌは
右回り、左回りの回転表示での単位ベクトルで、Ｅｒ＝
　（Ｅｘ＋　ｉ　Ｅｙ）／ｆｉ、Ｅ　１＝　（Ｅｘ−ｉ
　Ｅｙ）／ｆｆである。この低複屈折性光ファイバの直
交りるモードを導波モードとづるので第２図（Ａ）に示
したような２つの導波路を必要とせず、１本のファイバ
で非線形動作を行うことができる。ここでは、このファ
イバ中の偏光状態の変化、ずなわち２つの導波モード間
の光エネルギーの変化をストークスパラメータＳ＝　（
３１。

８２　、８３　＞を用いて評価する。（文献３８．０ａ
ｉｎｏ、Ｇ、Ｇｒｃｇｏｒｉ、　ａｎｄ　Ｓ、Ｗａｂｎ
ｉｔｚ”　Ｎｅｖ　ａｌｌ−ｏｐｔｉｃａｌ　　ｄｅｖ
ｉｃｅｓ　　ｂａｓｅｄ　　ｏｎ　　ｔｈｉｒｄ−ｏｒ
ｄｅｒｎｏｎｌｉｎｅａｒｉｔｙ　ｏｆ　　ｂｉｒｅｆ
ｒｉｎｇｅｎｔ　　ｆｉｂｅｒｓ　　”、Ｑｐｔ、Ｌｅ
ｔｔ、ｖｏｌ　１１．　Ｐ、４２−４４（１９８６）、
）　Ｓの７方向への変化は、ポアンカレ球表示で次式で
与えられる。

ｄｓ／ｄｚ＝ΩＸ　Ｓ　　　　　　　　　（２）ここで
、Ωはポアンカレ球の］噛（Ｓｌ　、　３２　。

Ｓ３軸）についての回転角速度である。ストークスパラ
メータは、５１−１εｘｌ　　　　１Ｅｙ１２゜Ｓ２　
＝Ｅｘ−Ｅｙ”　＋Ｅｘ’Ｅｙ、Ｓ３−　ｉ　　（Ｅｘ
・Ｅｙ”−Ｅｘ”−Ｅ：！／）、８０　＝Ｓｉ　＋Ｓ２
　＋５３＝ｌＥＸｌ　　＋１Ｅｙ１２Ｔ”４えられる。

本ハ複素共役を表わす。角速度Ωは、入射光強度によっ
て−りしる屈折率変化のため、次式に示すように線形お
よび非線形な複屈折の効果を含む。

Ω＝（Ω１＋ｘ−８１・Ｓｏ・２π／３λ、○。

ｘ−３０−３３・２π／３λ）（３）ここで、Ω１は低複屈折性光フアイバ固有の＊屈折によ
る角速度、λは波長、Ｘは導波路の感受率で、計悼例で
は、石英系ファイバを仮定し、λ＝１．０６　μｍ　、
　ｘ＝　２．５ｘ１０　　、低複屈折性光ファイバの複
屈折を１０−６とした。第４図は、１．２にＷのＣＷ直
線偏光を１１（複屈折性光ファイバのｙ　（ｑｈから０
．２°ずらして入射したときの伝搬方向のストークスパ
ラメークＳ１の変化を示す。全光強度ＳＯで規格化しで
ある。ストークスパラメータＳ１はＥＸ成分とＥｙ酸成
分強度差を表わしており、５１＝１でＥＸ成分、Ｓｌ　
＝−１でＥｙ酸成分りがそれぞれ存在することを示する
。第４図より、ファイバ長約１．８ｍ、５．５ｍ、９．
３ｍで、Ｅｙ酸成分ら［×成分へ光パワーが移っている
ことがわかる。従って、最低１．８ｍの長さの低複屈折
ｆ／を光ファイバの後に、光ファイバ形偏波選択型方向
性結合器（文献４　、１．Ｙｏｋｏｈａｍａ、に、Ｏｋ
ａｍｏｔｏ、Ｊ、Ｎｏｄａ。

”　Ｆｉｂｅｒ　ｏｐｔｉｃ　ｐｏｌａｒｉｓｉｎｇ　
ｂｅａｍ　ｓｐｌｉｔｔｅｒｅｍｐｏ＋ｏｙ；ｎｇ　　
ｂｉｒｃｆｒｉｎｇｅｎｔＪｉｂｅｒ　　（ｏｕｐｌｅ
ｒ、”ＥｌｅＣｔｒＯｎ、ＬＯｔ［、ＶＯＬ、　　２１
．＋）Ｉ）、４１５−４１６（１９８５）、　）を接続
すると、それぞれの出射端２ｂ、１ｂよりＥｘ、Ｅｙ酸
成分分離して取り出すことが°Ｃきる。

このとき低複屈折性光ファイバの主軸とファイバ形偏波
選択型方向性結合器の入ｔＪ４端のファイバの主軸が一
致していれば、Ｅｘ、Ｅｙ酸成分、またｅ　ｌｌｌイＴ
イｔＬＬｊ　ｌ　Ｅ　Ｘ　ＣＯ３θ１２＋１Ｅｙｓｉｎ
θ１゛の光出力を得る。この式よりわずかなθのずれに
対して、光出力はほぼ１ＥｘｌとなってほとんどθのＴ
＃、Ｗを受けないこと、及びθを選択することにより、
波形をある程度変えられることがわかる。

第５図は、ピーク出力１．２に−の点線で示したガウス
型の光パルスを第４図と同じ条件で艮ざ１８ｍの低複屈
折性光ファイバに入射させたときの出力波形を計算した
結果を示１°。出射光強度は入射光強度で規格化してあ
り、約６５％の透過光出力が１与られる。以上の数値計
算結果より、構造が簡単でかつ高性能な全ファイバ形非
線形方向性結合器が実現できることがわかる。

また、第６図には長手方向に複屈折の分布をつけたとき
のストークスパラメータの伝搬方向の変化を示す。ここ
で、複屈折の伝搬方向の変化は（＋、０６４−０．１５
　ｘｓｉｎＤｒ　ｚ　）　ｘ　１０−６とした。

第３図と比較すると、ストークスパラメータＳ１が著し
く変化しており、ｙ軸から×軸モードへの変換がファイ
バ長２．５ｍ、３．６ｍ、４．６ｍと変化させることが
可能である。

長手方向に分布をつけるには第７図に示すように複数の
押え板５を光ファイバ４の軸方向に沿って不連続に分布
させ、又は一様に分布させ、或いは第７図に示すと同様
に電極をつけ、静電界あるいは高周波電界を分布さけ、
部分的に複屈折が加わるようにする。第７図では、押え
板５を含む光ファイバ４を熱収縮チューブ６で包囲し、
この熱収縮チューブ６の収縮力を利用して複屈折を印加
する。また、押え板５の代りに圧電材料を低複屈折性光
ファイバ４の全長にわたって挟み込み、応力や圧電材料
の電気振動を利用して低複屈折性光ファイバ、楕円コア
光ファイバの複屈折に摂動を加えたり、真円コア光ファ
イバのように複屈折のない状ｒＢに複屈折を誘起させて
、非線形動作を行わせることができる。

（発明の効果）以上説明したように、本発明に係る光ファイバ形非線形
方向性結合器はすべて光ファイバで構成されており、構
造が筒中であり、また光ファイバとの接続も容易となる
利点がある。さらに、数値計笥結果からもわかるように
、入射光パルスを整形し、極短パルスとして取り出すこ
とができる利点もある。また、感受串Ｘの大きな材料を
用いると、入力光強度を低減させることが可能であり、
光通信１分光学の分野で利用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す光ファイバ形非線形方
向性結合嵩の構成図、第２図（Ａ）は従来の非線形方向
性結合器の構成図、第２図（Ｂ）は従来の偏波選択型方
向性結合器の構成図、第３図は従来の非線形方向性結合
器の光パルス入出力特性を示す図、第４図はストークス
パラメータＳ１の長手方向（Ｚ方向）の変化を示づ図、
第５図はガウス入力波形に対する本実施例の動作特性の
計免例を示す図、第６図は低複屈折性光ファイバに−０
，１５ｓｉｎ　（π２）の複屈折の分布をつけたときの
ストークスパラメータ＄１の変化を示１図、第７図は本
発明の使の実施例を示ザ構成図である。１ａ、２ａ・・・入ｒＮ　端、１ｂ、２ｂ−、、出ＤＩ
　ＯＡ、３・・・偏波選択型方向ｆ／Ｌ結合器、４・・
・低複屈折性光ファイバ、５・・・押え板、６・・・熱
収縮デユープ。特許出願人　　　日本電信電話株式会社代狸人弁理士　
　占１）精孝第１図５曾第３図第４図フフイバ１シ、（ｍン第５図天見格化パルス％ａ（ｎｓ）第６因フフイハ・長（ｍ）第７図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）コアとクラッドからなる導波路構造をもち、かつ
コア部分が複屈折性すなわち伝搬方向に垂直な平面（ｘ
、ｙ軸方向）で屈折率が異なっている光ファイバの一端
を光入射端となすと共に他端を出射端となし、該光ファ
イバの出射端に光ファイバ形偏波選択型方向性結合器の
一つの入射端を、該光ファイバの主軸の一つと一致する
ように接続し、前記光ファイバの光入射端に任意の偏光
状態の光を入射させ、該偏波選択型方向性結合器の一方
の出射端より非線形光出力を得るようにしたことを特徴
とする全ファイバ形非線形方向性結合器。
（２）複屈折性を有する光ファイバの複屈折の制御部と
して、静電界あるいは高周波電界を該光ファイバの伝搬
方向に一様に或いは不連続に分布させた電極をつけるこ
とを特徴とした特許請求の範囲第１項記載の光ファイバ
形非線形方向性結合器。
（３）複屈折性を有する光ファイバの複屈折の制御部と
して、該光ファイバの伝搬方向に垂直に静圧力を加える
押え板を用いることを特徴とした特許請求の範囲第１項
記載の光ファイバ形非線形方向性結合器。
（４）複屈折性を有する光ファイバの複屈折の制御部と
して、光ファイバの伝搬方向に垂直に静圧力を加える圧
電材料を用いることを特徴とする特許請求の範囲第１項
記載の光ファイバ形非線形方向性結合器。
（５）光ファイバに、ＬｉＮｂＯ３、ＰＬＺＴ、ＹＩＧ
、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＳｉＯ２、ＮｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−
Ｎａ２Ｏ、Ａｓ２Ｓ３、ＰＭＭＡ、ＭＮＡ、ポリジセア
チレン、ジアセチレン、ＰＣＨ１０８３のいずれか一つ
を使用することを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至
第４項のいずれか１項記載の光ファイバ形非線形方向性
結合器。