偏光とは？ – 円偏光、楕円偏光、直線偏光

光が物質中を伝搬するとき、物質に複屈折があると偏光状態が変化する。複屈折とは物質が偏光方向によって異なる屈折率を持つ現象である。一般にシングルモード光ファイバー(SMF) は円形の断面を持っているため、どのような偏光状態の光でも伝送できるが、光ファイバーのコアの僅かな歪みや外部からの応力(環境的な温度変化や機械的な振動)などで生じるランダムな複屈折の影響により、光ファイバーを少しでも動かすと内部の光の偏光状態が変わってしまう。

偏光とは

光をその進行方向に対して垂直な断面で見たときに、電界または磁界ベクトルがある決まった方向で記述できる場合、その光を偏光と呼ぶ。太陽光などの自然光は偏光でないのに対し、レーザー光は偏光である。ファイバー中での光の伝搬を考えるにあたって偏光という概念は重要である。図1に偏光の概念図(直線偏光の直交した2 つの成分)を示す。

図1：直交した2 つの成分ExとEyで示される直線偏光
(a)Y-Z 平面から見た直線偏光(b)Z 方向から見た直線偏光

SMFといえどもただ一つのモードが存在するわけではなく、SMFは互いに直交する2つの直線偏波モードLPx01とLPy01を伝える。コアが真円である理想的なSMFに外力が働かない場合、2つのモードは縮退して伝搬定数の区別がつかない。しかし，実際はコア自身のわずかな非円や外部からの熱や機械的な作用により、モードの縮退が解け、偏光成分がランダムに混合される。これにより、入射端と出射端での偏光状態は保持されず、直線偏光は通常のSMFを通ると伝搬定数の差に起因する位相差のため次第に楕円偏光になる。