偏振波保持光纤及偏振波保持光纤部件 本发明涉及对光纤通信领域、利用光纤的传感器领域等有用的在保持光纤中的偏振波状态下进行光的汇合、分支的偏振波保持光纤耦合器、进行正交的偏振波的分束、耦合的偏振波分束器等偏振波保持光纤部件以及制造它们使用的偏振波保持光纤。本说明书基于日本的专利申请(特愿平11-234782号)，并将该日本申请的记载内容作为本说明书的一部分写入本说明书。
偏振波保持光纤通过使单一模式光纤中的应力分布保持异方向性，消除在光纤传播的2个正交模式之间的衰减，使传播常数有差，从而消除模式之间的耦合。由此，如果将与某一偏振波一致的光入射到光纤，则在只保持该偏振波状态下传播。
作为偏振波保持光纤虽有多种形式的光纤，但众所周知地是在包层内设有应力施加部的应力施加部型光纤。根据应力施加部的形状等，称之为PANDA型偏振波保持光纤(以下称为PANDA光纤)、蝶型偏振波保持光纤、椭圆套型偏振波保持光纤等。其中，PANDA光纤由于复折射率大、偏振保持特性好而被广泛应用。
图4表示现有的PANDA光纤的一例。该PANDA光纤4由高折射率的纤芯1、在该纤芯1周围与该纤芯1同心圆状地设置，并且比该纤芯1的折射率还低的包层2、以上述纤芯1为中心在该包层2内对称配置，并且一般比该包层2的折射率还低的截面呈圆形的2个应力施加部3、3构成。
上述应力施加部3使用热膨胀系数大的材料。因此，在熔化拉伸光纤基体材料，制造PANDA光纤4的过程中，在玻璃固化时，从横方向和纵方向对纤芯1部施加不同的应力。结果，对纤芯1部施加不同方向的大畸变，从而在PANDA光纤4产生复折射率。
作为由这种偏振波保持光纤构成的偏振波保持光纤部件有在保持偏振面的状态下进行光的分支、耦合的偏振波保持光纤耦合器、进行正交的偏振波的分束、耦合的偏振波分束器和偏振波合束器等。
这些偏振波保持光纤部件通过构成使多个偏振波保持光纤的纤芯彼此接近，在光纤之间引起光耦合的光耦合部来制作。
作为使多个偏振波保持光纤的纤芯彼此接近的方法有熔化延伸法和研磨法，但在可靠性和作业性方面熔化延伸法更优越。
其中，熔化延伸法是并列多个偏振波保持光纤，加热该长度方向的一部分，熔化该加热部分并向长度方向延伸形成光耦合部，从而制造偏振波保持光纤部件的方法。
在利用熔化延伸法制造偏振波保持光纤部件时，为了防止正交的偏振波之间的漏话(串扰)，需要观察应力施加部，使多个偏振波保持光纤之间的偏振波轴一致。
作为使偏振波轴一致的方法，一般方法是如特愿平02-271307号公报所公开，利用包层和应力施加部的折射率不同的特点，在偏振波保持光纤的一侧放置光源，从另一侧观察求出光纤像的辉度分布截面，从而设定应力施加部的位置。
在使用熔化延伸法时，在偏振波保持光纤部件的光耦合部中，偏振波保持光纤被熔化延伸，直径变细。因此，在偏振波保持光纤中传播的光从纤芯渗漏到包层部分，即成为空气包层的状态。在该状态中，由于偏振波保持光纤的单模式条件不成立，所以由偏振波保持光纤的弯曲或偏振波保持光纤内的不均匀原因引起光的多模式的耦合，这些最终成为偏振波保持光纤部件的过剩损耗。
另一方面，使用一般光纤制造光部件时，如果去掉纤芯和包层的差光纤内的折射率就均匀，而且，纤芯的直径为数μm小。因此，熔化延伸型的光部件延伸得细，光耦合部的光纤内的折射率不均匀不至于导致光的多模式的耦合。
与此不同，使用偏振波保持光纤制造偏振波保持光纤部件时，在包层内存在直径十数μm的折射率低的应力施加部。它在熔化延伸的光耦合部中，与一般光纤的情况相比作为非常大的折射率的不均匀部分存在。因此，如上所述，在光耦合部中，发生伴随应力施加部和包层的折射率不均匀的传播光的多模式的耦合，从而过剩损耗会增大。该问题在光从纤芯渗漏多的快轴方向的光中特别显著。
为了解决该问题，例如如特公昭62-30602号公报所示，有使用使应力施加部的折射率与包层的折射率匹配的偏振波保持光纤的方法。但是，该方法由于两者的折射率匹配，因折射率不同所以观察应力施加部的位置比较困难，从而不能使用上述偏振波轴的调整法。
本发明的目的在于提供抑制由偏振波保持光纤部件的光耦合部中的应力施加部和包层的折射率不均匀性产生的传播光的多模式的耦合，过剩损耗少的偏振波保持光纤部件。进而，本发明的目的在于提供使用现有的偏振波轴调整法，容易进行偏振波轴的调整的偏振波保持光纤部件。
为了解决该问题，本发明的偏振波保持光纤是一种具有对围绕纤芯的包层内的纤芯对称配置的应力施加部的偏振波保持光纤，上述偏振波保持光纤的特征在于纤芯或包层的同心圆，没有达到应力施加部，而且在其内部不包括应力施加部中的最大的直径为20μm以上。
另外，使用该偏振波保持光纤可以制造偏振波保持光纤耦合器、偏振波分束器、偏振波合束器等偏振波保持光纤部件。
图1是表示本发明使用的偏振波保持光纤的一例的截面图。
图2是表示本发明的偏振波保持光纤部件一例的概略图。
图3是表示实施例的直径A的长度和过剩损耗的关系的曲线图。
图4是表示现有的偏振波保持光纤的一例的截面图。
下面，详细说明本发明。
图1表示本发明的偏振波保持光纤部件使用的偏振波保持光纤的一例。
该偏振波保持光纤14为PANDA光纤，由与图4所示的现有的PANDA光纤4同样部位构成。图中，标号11表示纤芯，12表示包层，13表示应力施加部。
PANDA光纤作为偏振波保持光纤由于复折射率大、偏振波轴对准容易，而且应力施加部13的形状简单，所以偏振波保持光纤的设计、制作容易。因此，适用于本发明的偏振波保持光纤部件。
该偏振波保持光纤14与图4所示的现有的PANDA光纤4的不同点是应力施加部13、13之间的距离大。
该距离以与纤芯11或包层12同心圆，没有达到应力施加部13、13，其内部不包括应力施加部的最大的圆的直径A为基准决定。直径A设在20
通过设在这种范围，纤芯11和应力施加部13的距离充分大。因此，在制造偏振波保持光纤部件时，在光耦合部中，从纤芯11渗漏出的光很少达到包层12的折射率的不均匀部分，即应力施加部13，从而抑制多模式的耦合，不增加过剩损耗。
像这样，不是由纤芯11和应力施加部13之间的距离，而是由上述直径A规定应力施加部13、13的配置有以下原因。
即为了由纤芯11和应力施加部13之间的距离定义该配置，纤芯11的大小成为关键。但是，规定纤芯11的大小比较难。例如，在用模式场径定义纤芯11的直径时，由于根据波长不同而模式场径不同，所以不能特定数值。另外，关于抑制作为实际的偏振波保持光纤部件时的过剩损耗的效果，在光耦合部中，从纤芯11渗漏出的光成为空气包层状态。因此，规定纤芯11并没有意义。
因此，通过使用应力施加部13、13之间的距离的数值范围，表示充分保持纤芯11和应力施加部13之间的距离的条件，特定了本发明。
该直径A在一般PANDA光纤4中例如12～17μm左右。
一般，如果应力施加部13脱离纤芯11，由于在制造时应力施加部13给纤芯11的应力降低，所以会导致偏振波保持光纤14的复折射率的降低、偏振波间的串扰的恶化等。因此，过去没有制造出如本发明的直径A大的偏振波保持光纤14。
但是，偏振波保持光纤部件使用的偏振波保持光纤14的长度短。因此，即使使用多少缓和了偏振波保持光纤14本身的复折射率、串扰、损耗条件的偏振波保持光纤14，也不会直接影响偏振波保持光纤部件的特性。
具体说来，即使有如下的特性，也对偏振波保持光纤部件用途毫无用处。
本发明的偏振波保持光纤14的复折射率最好在5×10-5～5×10-4的范围。另外，通常的通信用等PANDA光纤的复折射率在5×10-4左右。
另外，本发明的偏振波保持光纤14的单位长度的快轴和慢轴的串扰在-20dB/km以上，最好在-20～-10dB/km的范围。另外，一般的PANDA光纤4的串扰在-25dB/km左右。
另外，本发明的偏振波保持光纤14的单位长度的损耗在1dB/km以上，实际上是1～10dB/km。另外，为了长距离使用，最佳化一般PANDA光纤的损耗，使其在0.2～0.3dB/km左右。
像这样，使用这种多个偏振波保持光纤14构成偏振波保持光纤部件时，最好整个引导光纤的长度小于10m。所谓引导光纤是如后所述的构成从偏振波保持光纤光部件的光耦合部的两端延伸的入射、出射口的部分。由于如果引导光纤过长，随之偏振波保持光纤14的使用长度也变长，所以偏振波保持光纤部件的串扰和损耗变大。
例如，使用单位长度的串扰为-20dB/km的偏振波保持光纤14时，如果引导光纤的长度为10m，就可将引导光纤的串扰抑制到-40dB。另外，使用单位长度的损耗为1dB/km的偏振波保持光纤14时，如果引导光纤的长度为10m，就可将引导光纤的损耗抑制到0.01dB。从而作为偏振波保持光纤14可得到充分好的特性。
在该例的偏振波保持光纤14中，纤芯11由搀杂了二氧化锗(GeO2)的石英玻璃构成，包层12由石英玻璃构成，应力施加部13由搀杂了较多氧化硼(B2O3)的石英玻璃构成。应力施加部13的外径、纤芯11和包层12的比折射率差、包层12和应力施加部13的比折射率差由各个所需的特性适当设定。另外，通常将纤芯11的模式场径设为4～10μm左右，包层12的外径设为125μm左右。
通过并列多个这种偏振波保持光纤14，加热其长度方向的一部分，熔化该加热部分并向长度方向延伸形成光耦合部，从而可以制造偏振波保持光纤部件。
此时，通过将多个偏振波保持光纤14配置为对于各偏振波保持光纤14的偏振波轴，将连结这些多个偏振波保持光纤14的纤芯11、11的中心的直线正交。结果，可以仍维持偏振波保持光纤14、14的偏振面的状态下熔化。另外，这里的偏振波轴在各偏振波保持光纤14中是连结应力施加部13、13的中心的直线。
此时，可以使用从应力施加部13和包层12的折射率的不同观察应力施加部13的位置，调整偏振波轴的方法。
另外，熔化部分的延伸长度由偏振波保持光纤部件所要求的光耦合度决定。反过来说，由该延伸长度调整偏振波保持光纤部件的光耦合度。
图2表示作为本发明的偏振波保持光纤部件的一例的偏振波保持光纤耦合器16。该偏振波保持光纤耦合器16是使用2个图1所示的偏振波保持光纤14形成的2×2型耦合器，由光的入射或出射口1～4(在偏振波保持光纤部件16中，将光的入射或出射的偏振波保持光纤14的部分称为口。图中，对各口附加1～4的数字表示其位置。)和光耦合部15构成。
在偏振波保持光纤耦合器16中，从口1入射的光分束，并从口3和口4出射。
上述光耦合部15从口1入射快轴方向的光，一边测定口3、4所示的光出射量，一边进行延伸，在得到50％的光耦合度的时间点上结束延伸并形成。
在该偏振波保持光纤16中，由于使用图1所示的本发明的偏振波保持光纤14，所以可以抑制在光耦合部15中从纤芯11渗漏出的光的多模式的耦合，从而过剩损耗少。
进而，本发明的偏振波保持光纤可以使用从应力施加部13和包层12的折射率不同观察应力施加部13的位置，从而调整偏振波轴的方法。
另外，在上述说明中，作为偏振波保持光纤例示了PANDA光纤为，但不局限于此。本发明还适用于例如蝶型光纤、椭圆套型光纤等具有应力施加部的一般偏振波保持光纤。
另外，作为偏振波保持光纤部件举出了偏振波保持光纤耦合器，但不限于此，也可以是使用偏振波保持光纤制造的耦合器，例如偏振波分束器或偏振波合束器等。这些偏振波保持光纤部件也可以与例如上述的偏振波保持光纤耦合器一样，通过并列多个偏振波保持光纤，并加热、熔化，向长度方向延伸来制造。例如对于进行偏振波的分束的偏振波分束器的情况，一边监视将包含X偏振波和Y偏振波的光入射到1个入射口，从2个出射口出射的偏振光，一边进行延伸，在从这些出射口分别出射包含X偏振和Y偏振的光的时间点上结束延伸。进行偏振波的分支、耦合的作用可以由光耦合部的延伸长度和纤芯间的距离等条件付与和调整。在偏振合束器中，相反，一边监视从2个入射口分别入射X偏振和Y偏振的光，从1个出射口出射的光的偏振，一边进行延伸，从这些出射口按所要的比例耦合的X偏振波和Y偏振波的合成波的时间点上结束延伸。
实施例
下面，使用实施例详细说明本发明。
(实施例1)
并列2个直径A为22μm的PANDA光纤，加热其长度方向并熔化。接着，一边只监视快轴方向的光，一边向其长度方向的延伸，在2个出射口的耦合度成为50％时停止延伸，形成光耦合部15，制作2×2偏振波保持光纤耦合器。
接着，用剪断法测定该偏振波保持光纤耦合器的快轴方向的光损耗。此时的快轴方向的光的过剩损耗为0.8dB。
(实施例2)
使上述直径A设为除27μm以外与实施例1相同，制作实施例2的偏振波保持光纤耦合器，测定快轴方向的光的过剩损耗。
此时的快轴方向的光的过剩损耗为0.4dB。
(比较例)
使上述直径A除17μm以外与实施例1相同，制作比较例2的偏振波保持光纤耦合器16，测定快轴方向的光损耗。
此时的快轴方向的光的过剩损耗为16dB。
通过这些实施例，由熔化延伸快轴方向的光成为2个出射口的耦合度为50％的时间点上快轴方向的过剩损耗和上述直径A之间的关系的曲线图示于图3。由此可知为了将过剩损耗降低到1dB以下，需要将直径A设在20μm以上。
本发明具有以下效果。
即由于本发明的偏振波保持光纤是脱离纤芯的应力施加部的结构，所以在制造偏振波保持光纤部件时，可以抑制由偏振波保持光纤内的折射率不均匀引起的传播光的多模式的耦合。特别是对于该效果大的快轴方向的光可以得到过剩损耗少的偏振波保持光纤部件。
另外，在该偏振波保持光纤为PANDA型偏振波保持光纤的情况下，可以容易设计、制作。另外，由于PANDA光纤轴对准容易，所以低串扰、而且可以得到LD光源、放大器、其他被动偏振波保持光纤部件和干线类光纤的连接容易的偏振波保持光纤部件。
本发明的偏振波保持光纤由于应力施加部脱离纤芯，所以与通常的偏振波保持光纤相比有复折射率、偏振波间的串扰、光损耗恶化的倾向。但是，在偏振波保持光纤部件中，由于偏振波保持光纤的使用长度短，所以这些特性不会产生问题。另外，可以得到过剩损耗少的良好的偏振波保持光纤部件。
而且，通过将两根本发明的偏振波保持光纤并列，并将其一部分加热使其熔融，且在长度方向延伸，形成融着延伸型的光耦合部，可以得到过剩损耗小的特性良好的偏振波保持光纤部件。
进而，可以使用从应力施加部和包层的折射率不同观察应力施加部的位置，调整偏振波轴的方法。
另外，通过将偏振波保持光纤部件的引导光纤的长度全都设为10m以下，可以得到过剩损耗少的特性良好的偏振波保持光纤部件。
另外，通过使用本发明的偏振波保持光纤，可以得到过剩损耗少、调整偏振波轴容易的偏振波保持光纤耦合器、偏振分束器或偏振合束器。