JP3977085B2

JP3977085B2 - Polarization controller

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Publication number: JP3977085B2
Application number: JP2002009188A
Authority: JP
Inventors: 和浩池田
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 2002-01-17
Filing date: 2002-01-17
Publication date: 2007-09-19
Anticipated expiration: 2022-01-17
Also published as: JP2003215512A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は偏波コントローラに関し、更に詳しくは、低消費電力で駆動し、挿入損失は小さく、ある任意偏光を別の任意偏光に偏光変換することができ、光伝送システムにおける偏波モード分散補償装置の組み立てに用いて有用である新規な偏波コントローラに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の光伝送システムの進展、普及に伴い、システムの伝送容量を増大させるために、波長分割多重（ＷＤＭ）方式による多チャンネル化が進められている。
この多チャンネル化と並んで、伝送容量を増大させる方法としては、各チャンネルの光パルスのビットレートを増大させる方法があり、現在では、１０Gbpsの導入が進んでいる。そして、最近では、今後実用化が期待されている４０Gbpsの導入が展望されている。
【０００３】
このようなハイビットレートの光パルス伝送においては、その伝送品質の劣化を招くいくつかの要素がある。
その１つが偏波モード分散（Polarization Mode Dispersion：ＰＭＤ）である。これは、光パルスの伝送路である光ファイバの中でランダムに発生する複屈折に基因して、伝送されている光パルスにおいて、本来は縮退しているべき直交偏波モードが分離してパルス幅を拡大させるという現象である。このような現象を発現した光パルスは、もはや、正しい光信号としての機能を発揮しないことになる。
【０００４】
したがって、最近の光ファイバでは、このＰＭＤを小さくする努力がなされている。しかしながら、その値は、せいぜい、０.２５ps／km^1/2程度である。そして、そのような光ファイバを用いて４０Gbpsのビットレートを採用した場合、光伝送が可能な距離は長くても９０km程度であり、それ以上の距離の光伝送を実現することはできない。
【０００５】
また、これまでに敷設されてきた古い光ファイバのＰＭＤは１ps／km^1/2程度であるため、ビットレートを１０Gbpsにするとその光伝送可能な距離は１７０km程度であり、ましてや、ビットレートを４０Gbpsにすると１０km程度までしか光伝送を実現することができない。
このように、既設の光ファイバを用いた光伝送システムにおいて、ビットレートを１０Gbpsに高める場合や、次世代光伝送システム用に新たな光ファイバを敷設してそのビットレートを４０Gbps以上で運転しようとする場合には、ＰＭＤの影響が顕著に現れ、その結果、伝送容量が大きく、実用的な光伝送システムの構築が困難になる。
【０００６】
そのため、ＰＭＤを補償する各種の装置が提供されている。ここで、代表的な装置を例示し、その機能について説明する。
まず、Electron, Lett., vol.30, No.4, pp.384〜349，1994や、OFC'99, Technical Digest 86/WE5-1などの文献に記載されている装置について説明する。
このＰＭＤ補償装置は、伝送路を伝搬してきた光信号の主偏光（Principal States of Polarization：ＰＳＰ）と呼ばれ、分離した２本の直交偏光成分のそれぞれを、群遅延時間（Differential Group Delay：ＤＧＤ）付与部として機能する偏波保持光ファイバ（Polarization Maintain Fiber：ＰＭＦ）における直交する２個の固有偏光（Eigen States of Polarization：ＥＳＰ）のそれぞれに偏光変換する偏波コントローラと、ＤＧＤ付与部としての上記ＰＭＦと、伝搬してきた光パルスのＰＭＤによる波形歪みをモニタとするモニタ手段と、このモニタ手段からの制御信号で上記偏波コントローラの運転を制御する制御装置を備えている。
【０００７】
この装置の場合、送信信号を周波数変調し、その偏光状態（State of Polarization：ＳＯＰ）の周波数依存性を受信側で間接的に検知する。そして、送信信号のＳＯＰと伝送路におけるＰＳＰが一致しているか否かを確認しながら、送信器端に設けられている上記偏波コントローラを制御し、伝送路への入射信号のＳＯＰをＰＳＰに追随させるという態様で運転される。
【０００８】
また、J of Lightwave Technology, vol.12, No.15, pp891〜898, 1994や、OFC'99, paper TuS4, 1999などの文献には次のような装置が記載されている。
この装置は、送信器端から受信器端に至る伝送路全体の系のＰＳＰを、送信器から発振している光のＳＯＰに一致させるように運転される。
具体的には、偏波コントローラと伝送路で発生するＰＭＤの量よりも大きいＰＭＤを有する固定ＤＧＤ付与部（例えばＰＭＦ）を受信器の前に配置し、ここで偏光度（Degree of Polarization：ＤＯＰ）をモニタし、このＤＯＰが最大値を示すように全体の系を運転制御することにより、全体の系のＰＳＰを送信信号のＳＯＰに一致させている。
【０００９】
なお、上記した説明において、あるＤＧＤが与えられている２個のＰＳＰ間の当該ＤＧＤが、一般に、ＰＭＤと呼ばれている。厳密にいえば、送信信号のスペクトル内における各波長間のＤＧＤの平均値である。
また、上記したＰＳＰは、ある伝送路に入射した送信信号のＳＯＰを周波数に対して無依存としたときに、その伝送路からの出射偏光は周波数に対して１次のオーダで無依存であることを条件にして求められた偏光状態であるとしている。この状態は、送信信号のスペクトル幅が充分に狭いことと、ＰＭＤが極端に大きくなっていないということを前提にして求められている。
【００１０】
ところで、これらのＰＭＤ補償装置に組み込まれるＤＧＤ付与部としては、図１１で示したように、偏光成分を分離する偏光分離素子を備え、分離されたそれぞれの偏光成分の伝搬距離を可動鏡により空間的に変化させて各偏光成分間のＤＧＤをゼロ化する可変タイプのものがある。このＤＧＤ付与部は、変換の対象である変更が直線偏光である場合にのみ機能することができる。
【００１１】
また、ＤＧＤ付与部としては、図１２で示したように、τ₁のＤＧＤを与えるＰＭＦのような一軸性複屈折媒質と、τ₂のＤＧＤを与える別のＰＭＦのような一軸性複屈折媒質の間に偏光回転子が配置された固定タイプのものもある。この固定タイプのＤＧＤ付与部は、変換の対象である偏光が直線偏光である場合に限らず、例えば楕円偏光を含む任意偏光に対しても機能することができる。
【００１２】
ところで、ＰＭＤの補償とは、送信器−伝送路−偏波コントローラ−ＤＧＤ付与部−受信器で構成される系において、伝送路から出射したＳＯＰ状態の送信信号におけるＰＳＰ間のＤＧＤがＤＧＤ付与部を出力した時点でゼロになるということである。
このようなＰＭＤの補償方法としては次のような２種類の方法が知られている。
【００１３】
その説明を進めるに当たり、まず、ストークス空間を想定する。このストークス空間とは、その直交基底が０°直線偏光成分の強度Ｓ₁、４５°直線偏光成分の強度Ｓ₂、および右回り円偏光の強度Ｓ₃である３次元空間であり、その空間内の単位円がポアンカレ球に相当する。Ｓ₁，Ｓ₂，Ｓ₃はストークスパラメータと呼ばれる。
【００１４】
そして、このストークス空間内において、変調直後の伝送路への送信信号のＳＯＰを示すベクトルをＳ_in、伝送路で発生するＰＭＤのベクトルをΩ_t、偏波コントローラが備える偏光変換をＴ₁，ＤＧＤ付与部におけるＰＭＤのベクトルをΩ_Cとして想定する。
ここで、ＰＭＤのベクトル（Ω_t）は、その単位ベクトルが遅いＰＳＰを表すものとする。そして、ベクトルの向きはＰＳＰの向きと同じであり、ベクトルの大きさは２個のＰＳＰの間の長さ、すなわちＤＧＤで与えられる。
【００１５】
以上の表示規定を踏まえて、最初に、ＰＭＤの補償に関する第１の方法を図１３に示す。この方法は、図１１で示したＤＧＤ付与部を含む系に適用され、伝送路で発生したＰＭＤを直接補償する方法である。
この方法では、伝送路の入射端における送信信号のＳＯＰであるベクトルＳ_inには、伝送路を伝搬する過程でベクトルΩ_tのＰＭＤが与えられる。このベクトルΩ_tは、伝送路の状態（例えば外部から圧力が加わっているなど）に応じて、その大きさと方向が常に変化している。
【００１６】
そして、ＤＧＤ付与部が有するＰＭＤのある一定値のベクトルΩ_cが、偏波コントローラによってベクトルΩ_tと逆向きのベクトルΩ_c・Ｔ₁となるように偏光変換される。このとき、偏光変換Ｔ₁、ＰＭＤのベクトルΩ_cを調整することによりベクトルΩ'_c・Ｔ₁とし、Ω'_c・Ｔ₁の大きさとベクトルΩ_tの大きさを等しくする。その結果、ベクトルΩ_tとベクトルΩ'_c・Ｔ₁とが打ち消しあい、ここに、ベクトルΩ_tの補償が実現する。
【００１７】
なお、上記した補償方法では、ＤＧＤ付与器として、図１１で示したような可動タイプのものを用いてベクトルΩ_cを変化させているが、図１２で示した固定タイプのＤＧＤ付与器を用いる場合は、伝送路で発生するＰＭＤベクトルの大きさ｜Ω_t｜よりも小さい値のベクトル｜Ω_c｜を設定し、偏光変換Ｔ₁を調整して同様の補償を行うことができる。
【００１８】
次に、ＰＭＤの補償に関する第２の方法を図１４に示す。この方法は、図１２で示した固定タイプのＤＧＤ付与部に適用される。
この方法では、伝送路によって送信信号に与えられたベクトルΩ_tと、偏光変換Ｔ₂によって変換されたＤＧＤ付与部のＰＭＤのベクトルΩ_c・Ｔ₂の和が、伝送路の入射端における送信信号のＳＯＰであるベクトルＳ_inと同じ方向を向くように設定される。
【００１９】
伝送路の入射端における送信信号のＳＯＰのベクトルＳ_inと、伝送路、偏波コントローラ、およびＤＧＤ付与部から成る系全体のＰＭＤのベクトル（Ω_t＋Ω_c・Ｔ₂）とが同じ方向を向いているということは、送信信号が系全体のＰＳＰに入射されていることを意味する。
そしてこのＰＳＰは、前記したように、１次のオーダでは、ＰＭＤを発生しない伝送状態なっている。その理由は、ＰＭＤは２個の直交ＰＳＰ間のＤＧＤであるから、一方のＰＳＰに入射した送信信号（光パルス）の分離は起こり得ないからである。
【００２０】
この第２の方法において、ＰＳＰによる伝送を実現するためにＤＧＤ付与部に要求される特性としては、系全体のＰＭＤのベクトル和（Ω_t＋Ω_c・Ｔ₂）が必ず入射ＳＯＰのベクトルＳ_inの方向に向く条件のみを備えていればよい。具体的には、｜Ω_t｜≦｜Ω_c｜のみが成立していればよい。すなわち、ＤＧＤ付与部におけるＤＧＤ｜Ω_c｜は固定値になっていてもよいのである。
【００２１】
したがって、この第２の方法は第１の方法に比べて実施が容易であり、しかも、前記した１次のオーダが成立していれば、ＰＭＤは完全に補償されることになる。
第１の方法において、ＰＭＤ補償を制御する方法としては、一般的にいって、系全体の最終的なＰＭＤ量、すなわち、｜Ω＋Ω'_c・Ｔ₁｜量と相関のある、強度変調されている送信信号の特定周波数（通常は送信信号のビットレートの半周波数が採用される）の光強度Inをモニタする。このモニタ動作は、送信信号のパルス広がりを直接観察していることに相当する。
【００２２】
したがって、この光強度Inが最大であるときには、系全体のＰＭＤ量が最小（パルスが最も広がらない状態）になっているため、光強度Inの最大値制御を行って、系全体の最終的なＰＭＤ量がモニタされる（Electron, Lett., vol.30, No.4, pp.384〜349，1994や、OFC'99, Technical Digest 86/WE5-1などを参照）。
一方、第２の方法の場合は、ＰＳＰで伝送する送信信号は１次のオーダではＰＭＤを受けない。すなわちＰＭＤ＝０であるため、ＤＯＰの劣化は起こらない。
【００２３】
したがって、第２の方法においては、ＤＯＰをモニタしてその最大値制御を行うことにより、ＰＭＤ補償制御が実施される（OFC'99, paper TuS4, 1999）。
【００２４】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、ＰＭＤ補償を実施するためには、偏波コントローラが必須の要素として系の中に組み込まれる。その場合、用いる偏波コントローラには次のような機能が要求される。
図１１で示したような可変直線複屈折を創出する可変ＤＧＤ付与部を用いる前記した第１のＰＭＤ補償方法を実施する場合、ＤＧＤから与えられるＰＳＰは常に直線偏光になっている（すなわち、ベクトルΩ_cは直線偏光である）。
【００２５】
したがって、可変ＤＧＤ付与部の上流側に配置される偏波コントローラから出射するＳＯＰは常に直線偏光になっていればよい。換言すれば、偏波コントローラは任意偏光を直線偏光に偏光変換できる機能を備えていればよい。
しかしながら、第２のＰＭＤ補償方法を実施する場合には、可変ＤＧＤ付与部でもそのＰＳＰが変化するので、用いる偏波コントローラは、出射するＳＯＰを任意偏光に偏光変換できる機能を備えていなければならない。
【００２６】
図１４で示した第２のＰＭＤ補償方法においては、系全体のＰＭＤのベクトル（Ω_t＋Ω_c・Ｔ）が入射端のＳＯＰのベクトルＳ_inと同じ向きにするのみであるため、この系で用いる偏波コントローラからの出射ＳＯＰは特定のＳＯＰに限定されなくてもよい。すなわち、偏波コントローラとしては、任意偏光を任意偏光に偏光変換できる機能を備えていればよい。
【００２７】
任意偏光を任意偏光に偏光変換する偏波コントローラとしては、例えば、光ファイバに側圧を与えることによって発生する光弾性効果を利用するタイプのものや、リチウムナイオベート導波路を用いることにより電気光学効果を利用するタイプのものが知られている。
しかしながら、前者のタイプのものは、圧電素子などの大規模な装置を必要とし、またその消費電力も大きいという問題があり、後者のタイプのものは、系に組み込んだときの挿入損失が大きく、また偏光依存性が大きいなどの問題がある。
【００２８】
本発明は、任意偏光を任意偏光に偏光変換する従来の偏波コントローラにおける上記した問題を解決し、構造は簡素であり、系への組み込み時における損失は小さく、低消費電力で安定動作する新規な偏波コントローラの提供を目的とする。
【００２９】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明においては、
可変偏光回転子と１／４波長板を備え、かつ任意偏光を任意偏光に偏光変換する偏波コントローラであって、
変換後の偏光状態が、変換前の偏光状態に対して、ポアンカレ球上で、次式：
（Ｓ₁，Ｓ_S，Ｓ₃）＝（cos２（φ−π／４），sin２（φ−π／４），０）
（ただし、Ｓ₁，Ｓ_S，Ｓ₃はストークスパラメータを表し、φは１／４波長板の軸方位の相対角度（rad）を表す）
で示されるベクトル軸を中心とした円軌跡を描いて変化した偏光状態になることを特徴とする偏波コントローラが提供される。
【００３０】
具体的には、偏光の入射側から、変換された偏光の出射側にかけて、第１のコリメータ、第１の可変偏光回転子、第１の１／４波長板、第２の可変偏光回転子、第２の１／４波長板、第３の可変偏光回転子、および第２のコリメータがこの順序で配置されていることを特徴とする偏波コントローラ（以後、偏波コントローラＡという）が提供され、また、一端に入力ポートと出力ポートを備えたサーキュレータの他端には、コリメータ、第１の可変偏光回転子、１／４波長板、第２の可変偏光回転子、および全反射ミラーがこの順序で配置されていることを特徴とする偏波コントローラ（以後、偏波コントローラＢという）が提供される。
【００３１】
【発明の実施の形態】
まず、偏波コントローラＡの基本的な構造例を図１に示す。
この偏波コントローラＡは、３個の偏光回転子と２枚の１／４波長板で構成されていて、第１の可変偏光回転子と第２の可変偏光回転子の間に第１の１／４波長板が介装され、また第２の可変偏光回転子と第３の可変偏光回転子の間にも第２の１／４波長板が介装されている。そして２枚の１／４波長板とそれに挟まれた第２の可変偏光回転子で、機能的には、後述する可変位相子（図の破線で囲った部分）が形成されている。
【００３２】
この偏波コントローラＡでは、光ファイバを伝送してきた送信信号（光パルス）は第１のコリメータによってビームに変換され、その変換ビームが、第１の可変偏光回転子、第１の１／４波長板、第２の可変偏光回転子、第２の１／４波長板、第３の可変偏光回転子をこの順番で通過し、その過程で後述するような偏光変換を実現したのち、第２のコリメータによって光ファイバに結合される。
【００３３】
最初に、第１の１／４波長板と第２の可変偏光回転子と第２の１／４波長板で形成されている要素Ａ₀の機能について説明する。
この要素Ａ₀のジョーンズマトリクスＶＲ（θ₂，φ）は次式で示される。
なお、第１の１／４波長板の遅い軸方位を０rad、第２の１／４波長板の遅い軸方位をφ、第２の可変偏光回転子の偏光回転角度をθ₂とする。
【００３４】
ＶＲ（θ₂，φ）＝Ｑ（φ）・Ｔ（θ₂）・Ｑ（０）・・・（１）
ここで、
【００３５】
【数１】

【００３６】
である。
このマトリクスの固有値および固有ベクトルを解析すると、φ＝π／２（rad）であるときに、固有ベクトルはθ₂に対して無依存になる。
このときの固有値ｅν₁（θ₂）、ｅν₂（θ₂）と、固有ベクトルＥ₁，Ｅ₂は、次式で示される。
【００３７】
【数２】

【００３８】
したがって、φ＝π／２（rad）に設定すると、この要素Ａ₀は、４５°直線偏光と−４５°直線偏光の間に位相差：２×θ₂radを与える直線位相子として機能する。そして、θ₂は可変であるので、この要素Ａ₀は可変直線位相子になっている。
図２に、上記した位相子における偏光変換作用をポアンカレ球上に示す。
【００３９】
図２で示したように、位相子に入射した変換前の偏光は、進相軸方位であるＲ方向を軸として右回りに２×θ₂（rad）だけ回転して偏光変換する。なお、図中のＲは式Ｅ₂のストークス表示によるベクトルであり、４５°直線偏光の方向を向いている。
したがって、図１の偏波コントローラにおいて、第１の可変偏光回転子の回転角度と第３の可変偏光回転子の回転角度を等しくし、かつ互いの方向を逆転させれば、ポアンカレ球上のＲ軸を任意の方向に向けることができる。すなわち、この偏波コントローラＡの場合、この要素に入射する任意偏光を他の任意偏光に変換することの可能性が推定できる。
【００４０】
今、第１の可変偏光回転子と第３の可変偏光回転子の回転角度を、いずれも、θ₁であるとすると、図１で示した偏波コントローラのジョーンズマトリクスは、次式で示される。
ＰＣ₁（θ₁，θ₂，φ）＝Ｔ（−θ₁）・ＶＲ（θ₂，φ）・Ｔ（θ₁）・・・（２）
ここで、φ＝π／２（rad）とした状態で、θ₁を０〜π／２（rad）、θ₂を０〜π（rad）の範囲において、π／２０（rad）の角度間隔で逆方向に変化させたときに、入射端でランダムに選んだＳＯＰのベクトルＳ_in＝（−０.１７，０.７４８，−０.６４）を偏光変換した後におけるＳＯＰ（θ₁，θ₂が可変）を図３に示す。
【００４１】
図３におけるワイヤーフレームの交点がデータ点である。
図３から明らかなように、変換後の偏光はポアンカレ球上の全体に広がっている。このポアンカレ球上の広がりは、Ｓ_inがどのような偏光であっても実現されており、したがって、この偏波コントローラは任意偏光を任意偏光に変換できることを示している。
【００４２】
その場合、θ₁とθ₂のダイナミックレンジが、θ₁＝０〜π／２，θ₂＝０〜π、，またはθ₁＝０〜π、θ₂＝０〜π／２であれば、この偏波コントローラは全ての偏光をカバーして上記した偏光変換を実現することができる。
上記した説明は、第１の可変偏光回転子と第３の可変偏光回転子の回転角度が互いに逆の場合に関するものであるが、この偏波コントローラＡは、第１の可変偏光回転子と第３の可変回転偏光子の回転方向が同じであっても、任意偏光を任意偏光に変換することができる。以下にそのことを説明する。
【００４３】
この場合のジョーンズマトリクスは、次式のようになる。
ＰＣ₂（θ₁，θ₂，φ）＝Ｔ（θ₁）・ＶＲ（θ₂，φ）・Ｔ（θ₁）・・・（３）
そして、φ＝π／２（rad）とした状態で、θ₁を０〜π／２（rad）、θ₂を０〜π（rad）の範囲においてπ／２０の角度間隔で同方向に変化させたときに、入射端でランダムに選んだＳＯＰのベクトルＳ_in＝（−０.１７，０.７４８，−０.６４）を偏光変換したのちのＳＯＰは図４のようになる。
【００４４】
図３と対比して明らかなように、この場合には、変換の経路が異なるのでデータ点の位置は異なっている。しかし、変換後の偏光はポアンカレ球上の全体に広がっている。すなわち、この場合も、任意偏光を任意偏光に変換している。そして、そのために必要なθ₁，θ₂のダイナミックレンジは、図３の場合と同じように、θ₁＝０〜π／２，θ₂＝０〜π、，またはθ₁＝０〜π、θ₂＝０〜π／２である。
【００４５】
ところで、これまでの説明は第２の１／４波長板の方位角度φがπ／２である場合についてのものであるが、本発明の偏波コントローラは、φ≠π／２の場合であっても、任意偏光の任意偏光への偏光変換が可能である。そのことを以下に説明する。
今、図１で示した要素Ａ₀における固有偏光と固有値について考える。
【００４６】
まず、φ＝０，φ＝π／８，φ＝π／４，φ＝３π／８，φ＝π／２のそれぞれの場合における上記した２つの固有値の偏角の差、すなわち位相差Δδのθ₂依存性を図５に示す。
また、同じφ値における固有偏光のθ₂依存性を図６に示す。
図５と図６から次のことがわかる。
【００４７】
まず、φ＝π／２の場合は、固有偏光はθ₂に依存せず、±４５°直線偏光として一定であり、その固有値の差、すなわち固有偏光間に与えられている位相差Δδは、図５で示されているように、θ₂がπ変化すると２πの変化幅を有した状態で連続的に変化しており、既に説明した可変直線位相子として機能している。
【００４８】
しかしながら、φ値が０，π／８，π／４，３π／８の場合は、固有偏光は変動し、また位相差Δδも複雑に変化している。
例えば、φ＝０の場合（図６（ａ）の場合）、固有偏光はＳ₂の面内で円を描くように変化し、かつ、与えられる位相差Δδは、図５から明らかなように、θ₂に無依存でその値はπである。
【００４９】
そして、前記した可変直線位相子（φ＝π／２の場合）における偏光変換作用を想起すると、入射した偏光は、各θ₂のときの固有偏光を軸にして右回りにπ回転して偏光変換するため、θ₂の変化に対して円軌跡を描くものと考えられる。
ここで、φ＝０，π／８，π／４，３π／８，π／２のそれぞれにおいて、式（１）でランダムに選択したＳＯＰのＳ_in＝（−０.１７，０.７４８，−０.６４）の変換作用を図７に示す。
【００５０】
図７から明らかなように、変換後のＳＯＰは、次式：
（Ｓ₁，Ｓ₂，Ｓ₃）＝（cos２（φ−π／４），sin２φ−π／４），０）・・・（４）
で示されるポアンカレ球上の軸を回転軸として円を描いている。
このように、この要素Ａ₀は、φ≠π／２であっても、直線位相子の場合と同じように、ポアンカレ球上で、緯度方向への偏光変換作用を行う。
【００５１】
したがって、この要素Ａ₀と、経度方向への偏光変換作用を実現できる第１の可変偏光回転子と第３の可変偏光回転子を組み合わせることによって構成された、図１で示した偏波コントローラＡは任意偏光を任意偏光に変換することができる。
例えば、φ＝π／４の１／４波長板を用い、θ₁＝０〜π／２，θ₂＝０〜πまたはθ₁＝０〜π，θ₂＝０〜π／２の可変幅で、ＳＯＰのベクトルＳ_in＝（−０.１７，０.７４８，−０.６４）を、式（２）で示したＰＣ₁（θ₁，θ₂，π／４）、式（３）で示したＰＣ₂（θ₁，θ₂，π／４）に基づいて偏光変換したときのＳＯＰを図８と図９にそれぞれ示す。
【００５２】
図８（ａ）、図９（ａ）からも明らかなように、図３や図４で示した変換とは異なる態様になっているが、この場合も、ポアンカレ球の全体で変換可能になっている。しかし、図８（ｂ）、図９（ｂ）で示した変換の場合は、ポアンカレ球の一部しかカバーしていない。また、ＰＣ₁，ＰＣ₂に基づく変換のいずれにおいても、任意偏光を任意偏光に変換するためには、θ₁，θ₂は、θ₁＝０〜π／２，θ₂＝０〜πに設定すべきであることがわかる。
【００５３】
このように、偏波コントローラＡの場合、２個の１／４波長板の遅い軸方位の相対角度がどのような角度であったとしても、その偏波コントローラは任意偏光を任意偏光に変換することができる。
なお、偏波コントローラＡは可変偏光回転子として例えば可変ファラデー回転子や液晶を用いることができるので、構造は簡素であり、非機械式であるため高信頼性を有し、また高速応答が可能である。
【００５４】
図１０は本発明の他の偏波コントローラの例Ｂを示す。
この偏波コントローラＢは、第２の可変偏光回転子の直後に全反射ミラーが配置された構造になっている。
この偏波コントローラＢでは、サーキュレータの入力ポートに入射した送信信号はサーキュレータを通り、コリメータでビームに変換され、その変換ビームが、第１の可変偏光回転子、１／４波長板、第２の可変偏光回転子を順次通過して全反射ミラーで反射し、再び第２の可変偏光回転子、１／４波長板、第１の可変偏光回転子を順次通過し、この過程で、偏波コントローラＡの場合と同じような偏光変換する。そして、コリメータで光ファイバに結合されたのち、サーキュレータにより出力ポートから出射される。
【００５５】
この偏波コントローラＢは、偏波コントローラＡに比べると同じ素子の使用点数を少なくすることができるので生産性に優れ、安価であり、しかも形状を小型にすることができる。
また、第２の可変偏光回転子に要求されるダイナミックレンジも偏波コントローラＡの場合に比べれば半分でよい。すなわち、θ₁＝０〜π／２，θ₂＝０〜π／２であればよい。
【００５６】
ただし、この偏波コントローラＢの場合、第２の可変偏光回転子は可変ファラデー回転子に限定される。液晶を用いると、液晶では、往路の偏光回転の方向と復路の偏光回転の方向が反転するため、往復の過程で、入射した偏光は偏光変換したとしても出射時に元の偏光に戻ってしまうからである。
一方、第１の可変偏光回転子としては、可変ファラデー回転子と液晶のいずれをも使用することができる。その場合、可変ファラデー回転子を用いると、変換は式（３）で示したＰＣ₂の態様となり、液晶を用いると変換は式（２）で示したＰＣ₁の態様になる。
【００５７】
なお、この偏波コントローラＢにおいては、コリメータとして２芯コリメータを用いればサーキュレータの配置を省略することができ、挿入損失をより低くすることができる。その場合には、光路の折り返し手段としては全反射ミラーに限定されるものではなく、２芯コリメータの種類に応じて、２芯コリメータ内の光ファイバへのへ結合方法は適宜に選択することができる。
【００５８】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明の偏波コントローラは、任意偏光を任意偏光に変換する偏波コントローラとしては非常に簡単な機構であるため小型化が可能であり、、しかも挿入損失や消費電力も小さく、安定動作をする。
したがって、この偏波コントローラは、ＰＭＤ補償装置に組み込むことにより、ハイビットレートの光伝送システムに用いてその工業的価値は大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の偏波コントローラの１例Ａを示す構成図である。
【図２】ポアンカレ球上における可変直線位相子の変換作用を示す説明図である。
【図３】ＳＯＰＳ_in＝（−０.１７，０.７４８，−０.６４）の変換後におけるＳＯＰ（θ₁，θ₂は可変）を示すグラフである。
【図４】偏波コントローラＡにおいて、式（３）で示されるＰＣ₂（θ₁，θ₂，θ）に基づく変換後のＳＯＰ分布を示すグラフである。
【図５】位相差Δδのθ₂依存性を示すグラフである。
【図６】各φ値における固有偏光のθ₂依存性を示すグラフである。
【図７】各φ値において、式（１）で示されるＶＲ（θ₂，φ）によるＳＯＰＳ_in＝（−０.１７，０.７４８，−０.６４）の変換後におけるＳＯＰ（θ₁，θ₂は可変）を示すグラフである。
【図８】Ｓ_in（−０.１７，０.７４８，−０.６４）の、式（２）で示したＰＣ₁（θ₁，θ₂，π／４）による変換後のＳＯＰ分布を示すグラフである。
【図９】Ｓ_in（−０.１７，０.７４８，−０.６４）の、式（３）で示したＰＣ₂（θ₁，θ₂，π／４）による変換後のＳＯＰ分布を示すグラフである。
【図１０】本発明の別の偏波コントローラの１例Ｂを示す構成図である。
【図１１】ＤＧＤ付与部の１例を示す概略図である。
【図１２】他のＤＧＤ付与部の１例を示す概略図である。
【図１３】ＰＭＤ補償の第１の方法を説明するためのベクトル図である。
【図１４】ＰＭＤ補償の第２の方法を説明するためのベクトル図である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a polarization controller. More specifically, the present invention relates to a polarization mode dispersion compensation apparatus in an optical transmission system, which can be driven with low power consumption, has a small insertion loss, and can convert one arbitrary polarization into another arbitrary polarization. The present invention relates to a novel polarization controller that is useful for assembling the above.
[0002]
[Prior art]
With the progress and spread of optical transmission systems in recent years, in order to increase the transmission capacity of the system, the number of channels using the wavelength division multiplexing (WDM) method is being increased.
Along with this increase in the number of channels, there is a method for increasing the transmission capacity, such as a method for increasing the bit rate of the optical pulse of each channel. At present, introduction of 10 Gbps is in progress. Recently, introduction of 40 Gbps, which is expected to be put to practical use in the future, is expected.
[0003]
In such a high bit rate optical pulse transmission, there are several factors that cause deterioration of the transmission quality.
One of them is Polarization Mode Dispersion (PMD). This is because, based on birefringence that occurs randomly in the optical fiber that is the transmission path of the optical pulse, the orthogonal polarization mode that should be degenerated in the transmitted optical pulse is separated and pulsed. This is a phenomenon of increasing the width. An optical pulse that exhibits such a phenomenon no longer functions as a correct optical signal.
[0004]
Therefore, efforts have been made to reduce the PMD in recent optical fibers. However, its value is at most 0.25 ps / km. ^1/2 Degree. When a 40 Gbps bit rate is adopted using such an optical fiber, the optical transmission distance is about 90 km at the longest, and optical transmission over longer distances cannot be realized.
[0005]
Also, the old optical fiber PMD laid so far is 1 ps / km ^1/2 Therefore, when the bit rate is set to 10 Gbps, the optical transmission distance is about 170 km. Furthermore, when the bit rate is set to 40 Gbps, optical transmission can be realized only up to about 10 km.
In this way, in an optical transmission system using an existing optical fiber, when the bit rate is increased to 10 Gbps, or a new optical fiber is installed for the next generation optical transmission system and the bit rate is to be operated at 40 Gbps or more. In this case, the influence of PMD appears remarkably, and as a result, the transmission capacity is large and it is difficult to construct a practical optical transmission system.
[0006]
Therefore, various devices for compensating PMD are provided. Here, a typical apparatus will be illustrated and its function will be described.
First, devices described in documents such as Electron, Lett., Vol. 30, No. 4, pp. 384 to 349, 1994, OFC '99, Technical Digest 86 / WE5-1 will be described.
This PMD compensation device is called principal state of polarization (PSP) of an optical signal propagating through a transmission path, and each of two separated orthogonal polarization components is divided into a group delay time (DGD). ) A polarization controller that performs polarization conversion to each of two orthogonal orthogonal polarizations (Eigen States of Polarization: ESP) in a polarization maintaining fiber (PMF) that functions as a grant unit, and a DGD grant unit The PMF includes monitoring means for monitoring waveform distortion caused by PMD of the propagating light pulse, and a control device for controlling the operation of the polarization controller by a control signal from the monitoring means.
[0007]
In the case of this apparatus, the transmission signal is frequency-modulated, and the frequency dependence of the polarization state (State of Polarization: SOP) is indirectly detected on the receiving side. Then, while confirming whether the SOP of the transmission signal matches the PSP in the transmission path, the polarization controller provided at the transmitter end is controlled, and the SOP of the incident signal to the transmission path is changed to the PSP. It is driven in a manner of following.
[0008]
The following devices are described in documents such as J of Lightwave Technology, vol. 12, No. 15, pp891 to 898, 1994, and OFC'99, paper TuS4, 1999.
This apparatus is operated so that the PSP of the entire transmission line from the transmitter end to the receiver end matches the SOP of the light oscillated from the transmitter.
Specifically, a fixed DGD adding unit (for example, PMF) having a PMD larger than the amount of PMD generated in the polarization controller and the transmission path is disposed in front of the receiver, and here, the degree of polarization (DOP) ) And the entire system is operated and controlled so that this DOP shows the maximum value, thereby matching the PSP of the entire system with the SOP of the transmission signal.
[0009]
In the above description, the DGD between two PSPs to which a certain DGD is given is generally called PMD. Strictly speaking, it is the average value of DGD between wavelengths in the spectrum of the transmission signal.
In the above PSP, when the SOP of the transmission signal incident on a certain transmission path is made independent of the frequency, the output polarization from the transmission path is independent on the first order on the frequency. It is assumed that the polarization state is obtained on the condition. This state is obtained on the assumption that the spectrum width of the transmission signal is sufficiently narrow and that the PMD is not extremely large.
[0010]
By the way, as shown in FIG. 11, the DGD imparting unit incorporated in these PMD compensation devices includes a polarization separation element that separates polarization components, and the propagation distance of each separated polarization component is spatialized by a movable mirror. There is a variable type in which the DGD between the respective polarization components is made zero by changing the change to be zero. This DGD provision unit can function only when the change to be converted is linearly polarized light.
[0011]
In addition, as shown in FIG. ₁ A uniaxial birefringent medium such as PMF that gives a DGD of τ, ₂ There is also a fixed type in which a polarization rotator is disposed between uniaxial birefringent media such as another PMF that gives the DGD of the same. This fixed type DGD providing unit is not limited to the case where the polarized light to be converted is linearly polarized light, and can function for arbitrary polarized light including elliptically polarized light, for example.
[0012]
By the way, PMD compensation means that in a system composed of a transmitter, a transmission path, a polarization controller, a DGD adding section, and a receiver, the DGD between PSPs in the transmission signal in the SOP state emitted from the transmission path is a DGD adding section. It means that it becomes zero when is output.
As such PMD compensation methods, the following two types of methods are known.
[0013]
In proceeding with the explanation, first, a Stokes space is assumed. This Stokes space is the intensity S of the linearly polarized light component whose orthogonal basis is 0 °. ₁ , 45 ° linearly polarized light component intensity S ₂ , And the intensity S of clockwise circularly polarized light _Three A unit circle in the space corresponds to a Poincare sphere. S ₁ , S ₂ , S _Three Is called the Stokes parameter.
[0014]
Then, in this Stokes space, a vector indicating the SOP of the transmission signal to the transmission path immediately after modulation is expressed as S _in , The vector of PMD generated in the transmission line is Ω _t The polarization conversion provided by the polarization controller is T ₁ , The PMD vector in the DGD adder is Ω _C Assuming that
Where PMD vector (Ω _t ) Represents a PSP whose unit vector is slow. The direction of the vector is the same as the direction of the PSP, and the magnitude of the vector is given by the length between the two PSPs, that is, DGD.
[0015]
Based on the above display rules, first, the first method for PMD compensation is shown in FIG. This method is applied to the system including the DGD adding unit shown in FIG. 11 and directly compensates for PMD generated in the transmission path.
In this method, a vector S which is the SOP of the transmission signal at the incident end of the transmission line. _in The vector Ω in the process of propagating through the transmission line _t PMD is given. This vector Ω _t Is constantly changing in size and direction according to the state of the transmission line (for example, external pressure is applied).
[0016]
And a certain vector Ω of PMD that the DGD giving unit has _c Is vector Ω by the polarization controller _t And the reverse vector Ω _c ・ T ₁ The polarization is converted so that At this time, polarization conversion T ₁ , PMD vector Ω _c By adjusting the vector Ω ' _c ・ T ₁ And Ω ' _c ・ T ₁ Magnitude and vector Ω _t Make the size of. As a result, the vector Ω _t And vector Ω ' _c ・ T ₁ And cancel each other, where vector Ω _t Compensation is realized.
[0017]
In the compensation method described above, a movable type as shown in FIG. _c However, when the fixed type DGD adder shown in FIG. 12 is used, the size of the PMD vector generated in the transmission line | Ω _t | Vector of values smaller than | _c | Is set, and polarization conversion T ₁ The same compensation can be performed by adjusting.
[0018]
Next, a second method relating to PMD compensation is shown in FIG. This method is applied to the fixed type DGD applying unit shown in FIG.
In this method, the vector Ω given to the transmitted signal by the transmission line _t And polarization conversion T ₂ PMD vector Ω of the DGD adder converted by _c ・ T ₂ Is a vector S in which the SOP of the transmission signal at the incident end of the transmission line is _in Is set to face in the same direction.
[0019]
SOP vector S of the transmission signal at the incident end of the transmission line _in And a PMD vector (Ω in the entire system consisting of a transmission line, a polarization controller, and a DGD adding unit. _t + Ω _c ・ T ₂ ) In the same direction means that the transmission signal is incident on the PSP of the entire system.
As described above, this PSP is in a transmission state in which PMD is not generated in the primary order. This is because the PMD is a DGD between two orthogonal PSPs, so that a transmission signal (optical pulse) incident on one PSP cannot be separated.
[0020]
In the second method, the characteristic required for the DGD adding unit to realize the transmission by the PSP is the PMD vector sum (Ω _t + Ω _c ・ T ₂ ) Is always the vector S of the incident SOP _in It is only necessary to have conditions that face the direction of. Specifically, | Ω _t | ≦ | Ω _c It is sufficient if only | That is, DGD | Ω in the DGD providing unit _c | May be a fixed value.
[0021]
Therefore, the second method is easier to implement than the first method, and the PMD is completely compensated if the above-mentioned primary order is established.
In the first method, as a method for controlling PMD compensation, generally, the final PMD amount of the entire system, that is, | Ω + Ω ′ _c ・ T ₁ Monitors the light intensity In of a specific frequency of the intensity-modulated transmission signal (usually the half frequency of the bit rate of the transmission signal is employed) that is correlated with the quantity. This monitoring operation corresponds to directly observing the pulse spread of the transmission signal.
[0022]
Therefore, when the light intensity In is maximum, the PMD amount of the entire system is minimum (the state where the pulse does not spread the most), so the maximum value control of the light intensity In is performed, and the final value of the entire system is determined. The amount of PMD is monitored (see Electron, Lett., Vol. 30, No. 4, pp. 384 to 349, 1994, OFC '99, Technical Digest 86 / WE5-1, etc.).
On the other hand, in the case of the second method, the transmission signal transmitted by the PSP does not receive PMD in the primary order. That is, since PMD = 0, the DOP does not deteriorate.
[0023]
Therefore, in the second method, PMD compensation control is performed by monitoring DOP and performing maximum value control (OFC'99, paper TuS4, 1999).
[0024]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, in order to perform PMD compensation, a polarization controller is incorporated in the system as an essential element. In that case, the following functions are required for the polarization controller to be used.
When the above-described first PMD compensation method using the variable DGD providing unit that creates the variable linear birefringence as shown in FIG. 11 is performed, the PSP given from the DGD is always linearly polarized (that is, the vector Ω _c Is linearly polarized).
[0025]
Therefore, the SOP emitted from the polarization controller arranged on the upstream side of the variable DGD providing unit only needs to be linearly polarized. In other words, the polarization controller only needs to have a function capable of converting arbitrary polarized light into linearly polarized light.
However, when the second PMD compensation method is implemented, the PSP changes even in the variable DGD adding unit, and thus the polarization controller to be used must have a function that can convert the outgoing SOP into arbitrary polarization. .
[0026]
In the second PMD compensation method shown in FIG. 14, the PMD vector (Ω _t + Ω _c T) is the SOP vector S at the incident end _in Therefore, the outgoing SOP from the polarization controller used in this system may not be limited to a specific SOP. That is, the polarization controller only needs to have a function capable of converting polarization of arbitrary polarization into arbitrary polarization.
[0027]
As a polarization controller for converting an arbitrary polarized light into an arbitrary polarized light, for example, a type using a photoelastic effect generated by applying a lateral pressure to an optical fiber, or an electro-optic effect by using a lithium niobate waveguide There are known types that use.
However, the former type requires a large-scale device such as a piezoelectric element and has a problem of large power consumption. The latter type has a large insertion loss when incorporated in the system. There are also problems such as large polarization dependence.
[0028]
The present invention solves the above-mentioned problems in a conventional polarization controller that converts an arbitrary polarization into an arbitrary polarization, has a simple structure, has a small loss when incorporated in a system, and operates stably with low power consumption. To provide a simple polarization controller.
[0029]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, in the present invention,
A polarization controller that includes a variable polarization rotator and a quarter-wave plate and converts arbitrary polarization into arbitrary polarization,
The polarization state after conversion is the following equation on the Poincare sphere with respect to the polarization state before conversion:
(S ₁ , S _S , S _Three ) = (Cos2 (φ−π / 4), sin2 (φ−π / 4), 0)
(However, S ₁ , S _S , S _Three Represents the Stokes parameter, and φ represents the relative angle (rad) of the axial direction of the quarter-wave plate.
A polarization controller is provided, wherein the polarization state is changed by drawing a circular locus centered on the vector axis shown in FIG.
[0030]
Specifically, a first collimator, a first variable polarization rotator, a first quarter-wave plate, a second variable polarization rotator, from the polarization incident side to the converted polarized light emission side, A polarization controller (hereinafter referred to as polarization controller A) is provided in which a second quarter-wave plate, a third variable polarization rotator, and a second collimator are arranged in this order. In addition, a collimator, a first variable polarization rotator, a quarter wavelength plate, a second variable polarization rotator, and a total reflection mirror are provided at the other end of the circulator having an input port and an output port at one end. A polarization controller (hereinafter referred to as polarization controller B) is provided which is arranged in order.
[0031]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
First, an example of a basic structure of the polarization controller A is shown in FIG.
The polarization controller A is composed of three polarization rotators and two quarter-wave plates, and the first 1 is provided between the first variable polarization rotator and the second variable polarization rotator. A quarter-wave plate is interposed, and a second quarter-wave plate is interposed between the second variable polarization rotator and the third variable polarization rotator. The two ¼ wavelength plates and the second variable polarization rotator sandwiched between the two ¼ wavelength plates functionally form a variable phase shifter (a portion surrounded by a broken line in the figure) described later.
[0032]
In this polarization controller A, a transmission signal (optical pulse) transmitted through an optical fiber is converted into a beam by a first collimator, and the converted beam is converted into a first variable polarization rotator and a first quarter wavelength. After passing through the plate, the second variable polarization rotator, the second quarter-wave plate, and the third variable polarization rotator in this order, the polarization conversion as described later is realized in the process, and then the second Coupled to the optical fiber by a collimator.
[0033]
First, an element A formed by a first quarter-wave plate, a second variable polarization rotator, and a second quarter-wave plate ₀ The function of will be described.
This element A ₀ Jones Matrix VR (θ ₂ , Φ) is given by:
The slow axis direction of the first quarter-wave plate is 0 rad, the slow axis direction of the second quarter-wave plate is φ, and the polarization rotation angle of the second variable polarization rotator is θ. ₂ And
[0034]
VR (θ ₂ , Φ) = Q (φ) · T (θ ₂ ) ・ Q (0) (1)
here,
[0035]
[Expression 1]

[0036]
It is.
Analyzing the eigenvalues and eigenvectors of this matrix, when φ = π / 2 (rad), the eigenvector is θ ₂ Become independent.
The eigenvalue eν at this time ₁ (Θ ₂ ), Eν ₂ (Θ ₂ ) And eigenvector E ₁ , E ₂ Is expressed by the following equation.
[0037]
[Expression 2]

[0038]
Therefore, when φ = π / 2 (rad) is set, this element A ₀ Is the phase difference between 45 ° linearly polarized light and −45 ° linearly polarized light: 2 × θ ₂ Functions as a linear phaser that gives rad. And θ ₂ Is variable, this element A ₀ Is a variable linear phaser.
FIG. 2 shows the polarization conversion action of the above phaser on the Poincare sphere.
[0039]
As shown in FIG. 2, the unpolarized polarized light incident on the phase shifter is 2 × θ clockwise with the R direction as the fast axis direction as an axis. ₂ Rotate by (rad) and change polarization. In the figure, R represents the formula E ₂ This vector is based on Stokes' display and faces the direction of 45 ° linearly polarized light.
Therefore, in the polarization controller of FIG. 1, if the rotation angle of the first variable polarization rotator and the rotation angle of the third variable polarization rotator are made equal and the directions of each other are reversed, R on the Poincare sphere The axis can be oriented in any direction. That is, in the case of this polarization controller A, it is possible to estimate the possibility of converting arbitrary polarized light incident on this element into other arbitrary polarized light.
[0040]
Now, the rotation angles of the first variable polarization rotator and the third variable polarization rotator are both θ ₁ , The Jones matrix of the polarization controller shown in FIG.
PC ₁ (Θ ₁ , Θ ₂ , Φ) = T (−θ ₁ ) ・ VR (θ ₂ , Φ) · T (θ ₁ ) ... (2)
Here, in a state where φ = π / 2 (rad), θ ₁ 0 to π / 2 (rad), θ ₂ Is changed in the reverse direction at an angle interval of π / 20 (rad) in the range of 0 to π (rad), the SOP vector S randomly selected at the incident end _in = (− 0.17, 0.748, −0.64) after polarization conversion, SOP (θ ₁ , Θ ₂ Is variable).
[0041]
The intersection of the wire frames in FIG. 3 is a data point.
As is apparent from FIG. 3, the converted polarized light spreads over the Poincare sphere. The spread on this Poincare sphere is S _in Is realized for any polarization, and thus this polarization controller shows that arbitrary polarization can be converted to arbitrary polarization.
[0042]
In that case, θ ₁ And θ ₂ The dynamic range of ₁ = 0 to π / 2, θ ₂ = 0 to π, or θ ₁ = 0 to π, θ ₂ If = 0 to π / 2, this polarization controller can cover all the polarized light and realize the above-described polarization conversion.
The above description relates to the case where the rotation angles of the first variable polarization rotator and the third variable polarization rotator are opposite to each other, but this polarization controller A includes the first variable polarization rotator and the first variable polarization rotator. Even if the rotation directions of the three variable rotation polarizers are the same, arbitrary polarization can be converted into arbitrary polarization. This will be described below.
[0043]
The Jones matrix in this case is as follows.
PC ₂ (Θ ₁ , Θ ₂ , Φ) = T (θ ₁ ) ・ VR (θ ₂ , Φ) · T (θ ₁ (3)
Then, with φ = π / 2 (rad), θ ₁ 0 to π / 2 (rad), θ ₂ Is changed in the same direction at an angle interval of π / 20 in the range of 0 to π (rad), the SOP vector S randomly selected at the incident end _in FIG. 4 shows the SOP after polarization conversion of = (− 0.17, 0.748, −0.64).
[0044]
As is clear from the comparison with FIG. 3, in this case, since the conversion path is different, the positions of the data points are different. However, the polarized light after conversion spreads over the Poincare sphere. That is, also in this case, arbitrary polarization is converted into arbitrary polarization. And θ required for that ₁ , Θ ₂ The dynamic range of θ is the same as in FIG. ₁ = 0 to π / 2, θ ₂ = 0 to π, or θ ₁ = 0 to π, θ ₂ = 0 to π / 2.
[0045]
By the way, the description so far is about the case where the azimuth angle φ of the second quarter-wave plate is π / 2, but the polarization controller of the present invention is the case where φ ≠ π / 2. However, polarization conversion from arbitrary polarization to arbitrary polarization is possible. This will be described below.
Now, the element A shown in FIG. ₀ Consider the intrinsic polarization and eigenvalue at.
[0046]
First, the difference in declination between the two eigenvalues described above in each case of φ = 0, φ = π / 8, φ = π / 4, φ = 3π / 8, and φ = π / 2, that is, the phase difference Δδ θ ₂ The dependency is shown in FIG.
In addition, θ of intrinsic polarization at the same φ value ₂ The dependency is shown in FIG.
The following can be understood from FIGS.
[0047]
First, when φ = π / 2, the intrinsic polarization is θ ₂ And is constant as ± 45 ° linearly polarized light, and the difference between its eigenvalues, that is, the phase difference Δδ given between eigenpolarized light is θ as shown in FIG. ₂ When π changes, it continuously changes in a state having a change width of 2π, and functions as the variable linear phaser described above.
[0048]
However, when the φ value is 0, π / 8, π / 4, 3π / 8, the intrinsic polarization varies, and the phase difference Δδ also changes in a complicated manner.
For example, when φ = 0 (in the case of FIG. 6A), the intrinsic polarization is S ₂ As shown in FIG. 5, the phase difference Δδ that changes so as to draw a circle in the plane of ₂ It is independent of and its value is π.
[0049]
Recalling the polarization conversion action in the above-described variable linear phaser (in the case of φ = π / 2), the incident polarized light is each θ ₂ In order to change the polarization by rotating π clockwise around the intrinsic polarization at ₂ It is thought that it draws a circular trajectory for the change of.
Here, in each of φ = 0, π / 8, π / 4, 3π / 8, and π / 2, the S of the SOP randomly selected by the expression (1) _in = (-0.17, 0.748, -0.64) is shown in FIG.
[0050]
As is clear from FIG. 7, the converted SOP is expressed by the following formula:
(S ₁ , S ₂ , S _Three ) = (Cos2 (φ−π / 4), sin2φ−π / 4), 0) (4)
A circle is drawn with the axis on the Poincare sphere indicated by
Thus, this element A ₀ Even if φ ≠ π / 2, the polarization conversion action in the latitudinal direction is performed on the Poincare sphere as in the case of the linear phaser.
[0051]
Therefore, this element A ₀ The polarization controller A shown in FIG. 1 is configured by combining the first variable polarization rotator and the third variable polarization rotator capable of realizing the polarization conversion action in the longitude direction. Can be converted to
For example, a quarter wave plate with φ = π / 4 is used, and θ ₁ = 0 to π / 2, θ ₂ = 0 to π or θ ₁ = 0 to π, θ ₂ A vector S of SOP with a variable width of = 0 to π / 2 _in = (− 0.17, 0.748, −0.64) is represented by the formula (2) ₁ (Θ ₁ , Θ ₂ , Π / 4), PC shown in equation (3) ₂ (Θ ₁ , Θ ₂ , Π / 4) shows the SOP when the polarization is converted based on FIG. 8 and FIG.
[0052]
As is apparent from FIGS. 8A and 9A, the conversion is different from the conversion shown in FIGS. 3 and 4, but in this case as well, the entire Poincare sphere can be converted. ing. However, in the case of the conversion shown in FIGS. 8B and 9B, only a part of the Poincare sphere is covered. PC ₁ , PC ₂ In any of the conversions based on ₁ , Θ ₂ Is θ ₁ = 0 to π / 2, θ ₂ It can be seen that = 0 to π should be set.
[0053]
Thus, in the case of the polarization controller A, the polarization controller converts arbitrary polarization into arbitrary polarization regardless of the relative angle of the slow axis directions of the two quarter-wave plates. be able to.
Since the polarization controller A can use, for example, a variable Faraday rotator or liquid crystal as a variable polarization rotator, the structure is simple and non-mechanical, so it has high reliability and can respond quickly. It is.
[0054]
FIG. 10 shows an example B of another polarization controller of the present invention.
This polarization controller B has a structure in which a total reflection mirror is arranged immediately after the second variable polarization rotator.
In this polarization controller B, a transmission signal incident on the input port of the circulator passes through the circulator and is converted into a beam by a collimator. The converted beam is converted into a first variable polarization rotator, a quarter-wave plate, a second wave The light passes through the variable polarization rotator sequentially and is reflected by the total reflection mirror, and again passes through the second variable polarization rotator, the quarter wavelength plate, and the first variable polarization rotator sequentially. Polarization conversion similar to the case of A is performed. Then, after being coupled to the optical fiber by a collimator, it is emitted from the output port by the circulator.
[0055]
Compared with the polarization controller A, the polarization controller B can reduce the number of points of use of the same element, so that it is excellent in productivity, is inexpensive, and can be reduced in size.
Also, the dynamic range required for the second variable polarization rotator may be half that of the polarization controller A. That is, θ ₁ = 0 to π / 2, θ ₂ It suffices if = 0 to π / 2.
[0056]
However, in the case of this polarization controller B, the second variable polarization rotator is limited to a variable Faraday rotator. When using liquid crystal, the direction of polarization rotation in the forward path and the direction of polarization rotation in the return path are reversed in the liquid crystal, so that the incident polarized light returns to the original polarized light at the time of output even if it undergoes polarization conversion in the reciprocating process. It is.
On the other hand, as the first variable polarization rotator, either a variable Faraday rotator or a liquid crystal can be used. In that case, if a variable Faraday rotator is used, the transformation is the PC shown in equation (3) ₂ When liquid crystal is used, the conversion is the PC shown in equation (2). ₁ It becomes the aspect of.
[0057]
In this polarization controller B, if a two-core collimator is used as the collimator, the arrangement of the circulator can be omitted, and the insertion loss can be further reduced. In that case, the optical path folding means is not limited to the total reflection mirror, and the coupling method to the optical fiber in the two-core collimator can be selected appropriately according to the type of the two-core collimator. it can.
[0058]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, the polarization controller of the present invention is a very simple mechanism as a polarization controller that converts arbitrary polarized light into arbitrary polarized light, and thus can be miniaturized. Low power consumption and stable operation.
Therefore, this polarization controller has a great industrial value when used in a high bit rate optical transmission system by being incorporated in a PMD compensator.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing an example A of a polarization controller of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a conversion action of a variable linear phaser on a Poincare sphere.
FIG. 3 SOP S _in = SOP (θ after conversion of -0.17, 0.748, -0.64) ₁ , Θ ₂ Is a variable).
FIG. 4 shows a PC represented by Expression (3) in the polarization controller A. ₂ (Θ ₁ , Θ ₂ , Θ) is a graph showing the SOP distribution after the conversion.
FIG. 5: θ of phase difference Δδ ₂ It is a graph which shows dependence.
FIG. 6 shows θ of intrinsic polarization at each φ value. ₂ It is a graph which shows dependence.
FIG. 7 shows the VR (θ) expressed by the equation (1) at each φ value. ₂ , Φ) SOP S _in = SOP (θ after conversion of -0.17, 0.748, -0.64) ₁ , Θ ₂ Is a variable).
FIG. 8 S _in (−0.17, 0.748, −0.64) of the PC represented by the formula (2) ₁ (Θ ₁ , Θ ₂ , Π / 4) is a graph showing the SOP distribution after conversion.
FIG. 9 S _in (−0.17, 0.748, −0.64) of the PC represented by the formula (3) ₂ (Θ ₁ , Θ ₂ , Π / 4) is a graph showing the SOP distribution after conversion.
FIG. 10 is a configuration diagram showing an example B of another polarization controller of the present invention.
FIG. 11 is a schematic diagram illustrating an example of a DGD adding unit.
FIG. 12 is a schematic diagram illustrating an example of another DGD adding unit.
FIG. 13 is a vector diagram for explaining a first method of PMD compensation.
FIG. 14 is a vector diagram for explaining a second method of PMD compensation.

Claims

An input-side variable polarization rotator that receives light having an arbitrary polarization and outputs the light by rotating the polarization of the light by a predetermined angle;
An input-side quarter-wave plate, an output-side quarter-wave plate, and an intermediate variable polarization rotator interposed between the input-side quarter-wave plate and the output-side quarter-wave plate. And receiving light output from the variable polarization rotator on the input side, the relative polarization state with respect to the polarization state at the time of reception of the light on the Poincare sphere, and the Stokes parameters S ₁ , S ₂ , S ₃ , The relative angle (rad) of the slow axis direction of the output-side quarter-wave plate with respect to the slow-axis direction of the input-side quarter-wave plate is represented by the following formula:
(S ₁ , S ₂ , S ₃ ) = (cos (φ−π / 4), sin2 (φ−π / 4), 0)
A variable linear phaser that converts and outputs the polarization state displayed by a predetermined position on a circular locus centered on the vector axis indicated by
An output-side variable polarization rotator that receives light output from the variable linear phase shifter and rotates the polarization of the light by rotating the predetermined angle by the same absolute value;
Polarization controller, characterized in that it comprises a.

A quarter-wave plate, a light reflecting means, and an intermediate variable polarization rotator interposed between the quarter-wave plate and the light reflecting means. Is reflected by the light reflecting means so as to reciprocate in the intermediate variable polarization rotator, and the polarization state relative to the polarization state at the time of receiving the light is expressed on the Poincare sphere by the Stokes parameter. Is S ₁ , S ₂ , S ₃ ,
(S ₁ , S ₂ , S ₃ ) = (0, −1, 0)
A variable linear phaser that converts to a polarization state displayed by a predetermined position on a circular locus centered on the vector axis indicated by
Light having an arbitrary polarization is received from the input side, and the polarization of the light is rotated by a predetermined angle and output to the ¼ wavelength plate of the variable linear phaser, and output from the ¼ wavelength plate. An input / output variable polarization rotator that receives the light in the polarization state and outputs the polarization of the light by rotating the polarization by the same angle as the predetermined angle;
A polarization controller comprising: