偏波保持光ファイバー

光ファイバーにおいて、偏波保持光ファイバー（PMFまたはPM ファイバー）は、直線偏光が適切にファイバーに入射すると、伝播中に直線偏光が維持され、特定の直線偏光状態でファイバーから出射されるシングルモード光ファイバーです。2つの偏波モード間の光パワーの相互結合はほとんどまたはまったくありません。このようなファイバーは、偏波の保持が不可欠な特殊な用途で使用されます。

通常の（非偏波保持）ファイバーでは、ファイバーの円対称性により、2 つの偏波モード（たとえば垂直偏波と水平偏波）の公称位相速度は同じです。ただし、このようなファイバーのわずかなランダムな複屈折、またはファイバーの曲がりにより、垂直偏波モードから水平偏波モードへのわずかなクロストークが発生します。また、わずかな結合係数が適用される可能性のあるファイバーの短い部分でも、何千もの波長の長さがあるため、2 つの偏波モード間の小さな結合がコヒーレントに適用された場合でも、水平モードへの大きな電力転送につながり、波の正味の偏波状態が完全に変わる可能性があります。その結合係数は意図したものではなく、ファイバーに加えられた任意の応力または曲げの結果であるため、出力偏波状態自体はランダムであり、応力または曲げが変化すると変化します。また、波長によっても変化します。

偏波保持ファイバーは、ファイバー内に意図的に体系的な線形複屈折を導入することで機能します。これにより、明確に定義された 2 つの偏波モードが、非常に異なる位相速度でファイバーに沿って伝搬します。このようなファイバーのビート長L _b (特定の波長の場合) は、1 つのモードの波が他の偏波モードと比較して 1 波長の追加遅延を経験する距離 (通常は数ミリメートル) です。したがって、このようなファイバーの長さ L _{b /2 は、}半波長板に相当します。ここで、このようなファイバーのかなりの長さにわたって、2 つの偏波状態の間にランダムな結合がある可能性があると考えます。ファイバーに沿ったポイント 0 では、偏波モード 1 の波は、ある位相でモード 2 に振幅を誘導します。ただし、ファイバーに沿ったポイント 1/2 L _bでは 、偏波モード間の同じ結合係数によってモード 2 に振幅が誘導され、ポイント 0 で結合された波と位相が 180 度ずれているため、打ち消しが発生します。ファイバーに沿ったポイント L _{bでは、結合は再び元の位相に戻りますが、3/2 L b}では再び位相がずれ、以下同様に続きます。したがって、L _bよりもはるかに長い距離でのクロストークによる波振幅のコヒーレントな追加の可能性は排除されます。波のパワーのほとんどは元の偏光モードのままで、ファイバーの端で方向付けられているモードの偏光でファイバーから出ます。PMファイバーに使用される光ファイバー コネクタは、2 つの偏光モードが揃って特定の方向で出るように特別に調整されています。

偏光保持ファイバーは偏光子のように光を偏光しないことに注意してください。むしろ、PM ファイバーは、ファイバーの偏光モードの 1 つに合わせてファイバーに入射された場合、直線偏光の直線偏光を維持します。直線偏光を異なる角度でファイバーに入射すると、両方の偏光モードが励起され、わずかに異なる位相速度で同じ波が伝導されます。ファイバーに沿ったほとんどのポイントでは、正味の偏光は楕円偏光状態になり、整数のビート長後に元の偏光状態に戻ります。したがって、両方の偏光モードを励起する可視レーザー光がファイバーに入射されると、側面から見た伝播光の散乱は、散乱が偏光方向に対して垂直になる傾向があるため、各ビート長にわたって明暗のパターンが周期的に観察されます。

ファイバーに複屈折性を生み出すために、いくつかの異なる設計が使用されています。^[1]ファイバーは幾何学的に非対称であったり、図に示すように楕円形のクラッドを使用した設計のように非対称の屈折率プロファイルを持つ場合があります。あるいは、ファイバーに永久的に誘発される応力によって応力複屈折が発生します。これは、クラッド内に含まれる別の材料のロッドを使用して実現できます。いくつかの異なる形状のロッドが使用され、結果として得られるファイバーは「PANDA」や「Bow-tie」などのブランド名で販売されています。(「PANDA」は、ファイバーの断面がパンダの顔に似ていることを指し、「偏光維持および吸収低減」の頭字語でもあります。)

通常の（円対称の）シングルモードファイバーをねじって内部にねじり応力を発生させるだけで、円複屈折光ファイバーを作成できます。これにより、右回りと左回りの円偏光の位相速度が大幅に異なります。そのため、2つの円偏光は、それらの間のクロストークがほとんどなく伝播します。

偏波保持光ファイバーは、光ファイバーセンシング、干渉計、量子鍵配送などの特殊な用途で使用されます。また、変調器は入力として偏光を必要とするため、通信ではソースレーザーと変調器間の接続によく使用されます。偏波保持光ファイバーは高価で、シングルモード光ファイバーよりも減衰率が高いため、長距離伝送にはほとんど使用されません。もう 1 つの重要な用途は、航空宇宙産業で広く使用されている 光ファイバージャイロスコープです。

PM ファイバーの出力は、通常、偏光消光比(PER) によって特徴付けられます。これは、正しく偏光された光と誤って偏光された光の比率で、デシベルで表されます。PMパッチコードとピグテールの品質は、PER メーターで特徴付けることができます。良質の PM ファイバーの消光比は 20 dB を超えます。

•  この記事には、連邦規格 1037Cのパブリック ドメイン コンテンツが組み込まれています。一般調達局。2022 年 1 月 22 日時点のオリジナルよりアーカイブ。
• ミリタリースタンダード2196

• 最も一般的なPMファイバーのフジクラのPANDAファイバー仕様
• PMファイバーの偏波クロストーク