JP2003294531A

JP2003294531A - 偏波解析器

Info

Publication number: JP2003294531A
Application number: JP2002093176A
Authority: JP
Inventors: Takanori Saito; 崇記斉藤; Shigeru Kinugawa; 茂衣川
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 2002-03-28
Filing date: 2002-03-28
Publication date: 2003-10-15
Also published as: US20030184751A1; US6891616B2

Abstract

(57)【要約】【課題】高感度、高精度を維持しながら高速測定を可
能とする偏波解析器を提供する。【解決手段】ファイバ１０１、コリメーターレンズ１
０２を経由して入射された被測定光は第１旋光器１０３
内のファラデー素子１０８、波長板１０４、第２旋光器
１０５内のファラデー素子１０９、偏光子１０６を透過
して受光器１０７で電気信号に変換される。第１旋光器
１０３と第２旋光器１０５は、矩形信号発生器１１０と
位相遅延器１１３とアンプ１１１，１１４とで構成され
た信号発生器１１７からのお互いに９０度位相のずれた
信号が、内蔵する磁場発生用コイル１１２，１１５に印
加されることで、その旋光角を制御される。信号処理器
１１６は信号発生器１１７と受光器１０７からの信号を
受けて、被測定光に与えられた４通りの偏波制御とその
ときの受光器１０７の受光量とからストークスパラメー
タを算出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光通信、光計測の分
野で利用される偏波解析器に係り、特に入射光の偏波状
態を高精度かつ高速に測定する偏波解析器に関する。

【０００２】

【従来の技術】波長多重通信は、各チャンネルの通信速
度の広帯域化と、チャンネル間隔の狭幅化により、全体
の通信速度が年々高速化されているが、これらの広域帯
域化と狭幅化が進むにつれて、チャンネル間クロストー
クが問題となってきている。クロストークを低減させる
方法として、全てのチャンネルに伝播する光を直線偏波
とし、さらに隣合うチャンネル間の偏波面を９０度ずら
した偏波インターリーブ法が提案され、現在開発が進め
られている。この偏波インターリーブ法においては、使
用する光部品や光伝送経路の偏波特性を正確に把握して
おく必要がある。光部品等の偏波特性は、入射光偏波と
出射光偏波を観測して、それらの変化を測定することに
より求められる。

【０００３】光の偏波状態を測定する方法としては、空
間分解法と時間分解法の２つの方法が一般的に用いられ
てきた。空間分解法は、図３に示す様に、入射光を分割
し、それぞれの光に偏波回転を与え、その光量から入射
光の偏波状態を見積もる方法である。図３ではビームス
プリッタ３０１、ビームスプリッタ３０２、偏光ビーム
スプリッタ３０３を用いて光を光ビーム３０４、光ビー
ム３０５、光ビーム３０６、光ビーム３０７の４つに分
割している。光ビーム３０４は、λ／４板３０８と方位
４５度偏光子３０９を透過し、受光器３１０で受光され
る。光ビーム３０５は、方位４５度偏光子３１１と透過
し、受光器３１２で受光される。偏光ビームスプリッタ
３０３で分割された光ビーム３０６、光ビーム３０７
は、それぞれ０度と９０度の偏光子を透過したことと等
価であり、直接受光器３１３、受光器３１４で受光され
る。受光器３１０、受光器３１２、受光器３１３、受光
器３１４の受光信号から、入射光のストークスパラメー
タを見積もることができる。

【０００４】時間分解法は、図４に示した様に、入射光
を、λ／２板４０１、λ／４板４０２と偏光子４０３を
透過させ、その透過光量を受光器４０４で測定する。そ
の際、λ／２板４０１、λ／４板４０２と偏光子４０３
の方位角を任意に複数設定し、それぞれの方位角と透過
光量との関係からストークスパラメータを見積もること
ができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、空間分
解法では、複数偏波回転を同時に入射光に与えることが
できるため、ストークスパラメータの高速測定が可能で
あるが、光を分岐させる際の分岐比を正確に測定するこ
とが困難であるために、得られたストークスパラメータ
の精度が悪く、また、分岐することから一つの受光器当
たりの受光量が減少し、測定感度が低下していた。時間
分解法では、光分岐がないために測定感度は良いが、波
長板や偏光子の回転に時間が掛かるため、高速測定が困
難であった。

【０００６】本発明の目的は、基本的に時間分解法の構
成をとるが、偏波回転を行う方法として、従来のような
波長板等を機械的に回転させる方法ではなく、被測定光
をファラデー効果を有するファラデー素子に透過させる
ことによって、被測定光の偏波を回転させることとし、
高感度、高精度を維持しながら高速測定を可能とする偏
波解析器を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
めに、本発明の偏波解析器は、ファラデー素子と、前記
ファラデー素子に磁場を印加する磁場発生器から構成さ
れ、被測定光の光軸上に直列に配置され、被測定光を旋
光させる少なくとも２つの旋光器と、前記直列に配置さ
れた旋光器の間に配置され、被測定光にリタデーション
を与える波長板と、前記旋光器と波長板の透過光を透過
させる様に配置された偏光子と、前記偏光子の透過光量
を検出してその透過光量に対応した受光電気信号を出力
する受光器と、それぞれの旋光器の旋光角を制御するた
めの電気信号を発生する信号発生器と、前記信号発生器
の電気信号と該電気信号に対応する前記受光電気信号と
の組から、被測定光のストークスパラメータを算出する
信号処理器とを備えている。

【０００８】また、本発明の別の偏波解析器は、前記本
発明の偏波解析器の少なくとも１つの前記旋光器におい
て、強度が該旋光器に内蔵されたファラデー素子の飽和
磁界以上の磁場を当該ファラデー素子に印加することを
特徴としている。

【０００９】そして、本発明のさらに別の偏波解析器
は、前記本発明の偏波解析器の少なくとも１つの前記旋
光器において、強度が該旋光器に内蔵されたファラデー
素子の飽和磁界以上で、方向が前記光軸に対して平行方
向もしくは反平行方向となる磁場を当該旋光器に内蔵さ
れたファラデー素子に印加することにより、該旋光器の
旋光角を当該ファラデー素子のファラデー角の整数倍の
みとすることを特徴としている。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係わる偏波解析器
の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明
する。図１は、本発明に係わる偏波解析器の第１の実施
の形態の構成を示したものである。ファイバー１０１よ
り入射された被測定光は、コリメーターレンズ１０２で
コリメートされ、第１旋光器１０３、波長板１０４、第
２旋光器１０５、偏光子１０６を透過後、受光器１０７
で受光される。それぞれの旋光器にはファラデー角22.5
度の第１旋光器用ファラデー素子１０８、第２旋光器用
ファラデー素子１０９が内蔵されている。

【００１１】ファラデー素子の光学的性質は、印加磁場
に依存する。磁場強度が飽和磁界以下の場合は、旋光角
は磁場に比例する。また、ファラデー素子内部の磁壁構
造は磁場に依存し、その磁壁が伝播光を散乱させるた
め、透過率が磁場に依存する。飽和磁界を超える磁場を
印加した場合は、旋光角は磁場によらず一定となる。こ
の時の旋光角がファラデー角である。磁気的に飽和して
いるため磁壁構造は消滅し、透過率も磁場強度によらず
一定となる。図５に印加磁場と旋光角の関係を、図６に
印加磁場と透過率の関係を示した。この例では、飽和磁
界強度120Oe 、ファラデー角22.5度のファラデー素子を
使用した。120Oe 以上の強度を持つ磁場を印加した場
合、透過率と旋光角がともに一定値となることが、これ
らの図からわかる。透過率と旋光角が磁場によらず一定
となることは、測定精度を向上させるためには、極めて
有用なことである。

【００１２】信号発生器１１７は、この実施の形態で
は、矩形波信号発生器１１０、位相遅延器１１３、第１
旋光器用アンプ１１１、および第２旋光器用アンプ１１
４で構成されている。信号発生器１１７は、後述する
が、それぞれの旋光器１０３，１０５の旋光角θ，φを
制御して、被測定光に４通りの偏波制御を与えれば良い
のであるから、上記構成に限らず、例えば、位相遅延器
１１３を用いないで、矩形波信号発生器を２台用いるよ
うな構成にすることも可能である。

【００１３】矩形波信号発生器１１０から発生された周
波数ｆの矩形波電圧信号は、第１矩形波電圧信号、第２
矩形波電圧信号に２分岐される。第１矩形波電圧信号
は、第１旋光器用アンプ１１１で増幅後、第１旋光器磁
場発生用コイル１１２に印加される。偏波解析を行う
際、透過率が一定であれば、ストークスパラメータを容
易にしかも高精度に算出することができる。そのため、
第１旋光器磁場発生用コイル１１２で発生する矩形波磁
場の振幅は、第１旋光器用ファラデー素子１０８の飽和
磁界を超える強度となる様に調整する。従って、第１旋
光器の旋光角は、図２(a) に示した通り、振幅22.5度、
周波数ｆの矩形波状に変化し、透過率は常に一定とな
る。

【００１４】前記矩形波電圧信号を正弦波形として第１
旋光器磁場発生コイル１１２で発生する磁場の波形を正
弦波形とし、その振幅をファラデー素子の飽和磁界以上
としても、図７の図中の時間領域Ｂ、Ｄの様に、旋光角
が一定となる状態をつくることができる。この時間領域
の測定値からストークスパラメータを見積もることは可
能である。しかし、その他のＡ、Ｃ、Ｅの時間領域で
は、旋光角が磁場とともに変化し、また透過率も変動す
るため、この時間領域で得られた測定値からストークス
パラメータを見積もることは、困難であり、事実上無駄
な時間となる。このことから、磁場の波形を矩形とした
場合が、正弦波磁場で見られる無駄な時間領域（Ａ、
Ｃ、Ｅ）がなく、最も有効な波形と言える。

【００１５】第２矩形波矩形波電圧信号は、位相遅延器
１１３により９０度位相を遅らせた後、第２旋光器用ア
ンプ１１４で増幅し、第２旋光器磁場発生用コイル１１
５に印加される。第２旋光器磁場発生用コイル１１５で
発生した矩形波磁場の振幅は、第２旋光器用ファラデー
素子１０９の飽和磁界を超える強度を持つ。図２(b)に
第２旋光器の旋光角の時間変化を示した。

【００１６】次に、受光器１０７で受光される光量につ
いて述べる。第１旋光器１０３による旋光角をθとし、
その際の第１旋光器１０３の透過率は旋光角θに依存す
るとしてＴ₁(θ) とする。同様に第２旋光器５の旋光角
と透過率をφ、Ｔ₂(φ) とする。波長板１０４の透過率
とリタデーションをＴ_q、Δ、偏光子１０６は完全偏光
子であるとし、その光学軸に対する波長板１０４の光学
軸の傾きをαとする。第１旋光器１０３、波長板１０
４、第２旋光器１０５、偏光子１０６のそれぞれのミュ
ーラー行列を、Ｒθ（式（１）中ではθは下付き文
字）、Ｑ、Ｒφ（式（１）中ではφは下付き文字）、Ｐ
とすると、偏波解析器全体のミューラー行列Ａは、

【００１７】

【数１】

【００１８】となる。入射光と出射光のストークスパラ
メーターをそれぞれS _i、S'_j(i,j=0,1,2,3) とする
と、S'₀、つまり受光器１０７で受光される光量は、式
（１）から、

【００１９】

【数２】

【００２０】と表わせる。φ、θ、α、Δ、Ｔ₂(φ) 、
Ｔ₁(θ) 、Ｔ_qが既知であるならば、４つの独立な式
（２）があれば、入射光の偏波状態を表わすストークス
パラメータS _i(i=0,1,2,3) を求めることができる。つ
まり、θとφを変化させて被測定光に４通りの偏波制御
を与え、その際の透過光量、即ち式（２）のS'₀を求め
れば、それらの値から被測定光のストークスパラメータ
を算出できる。

【００２１】図６に示した通り、ファラデー素子に飽和
磁界以下の磁場を印加した場合のファラデー素子の透過
率は旋光角に強く依存する。しかしながら、飽和磁界以
上の磁場を印加した場合には、透過率は磁場に依らず一
定となる。飽和磁界以上の磁場を、透過光に対して平行
方向に印加した際の旋光角（即ちファラデー角）を
ξ₊、反平行方向に印加した際の旋光角をξ_-とする
と、

【００２２】

【数３】

【００２３】の関係がある。この実施の形態に用いたフ
ァラデー素子のファラデー角は、第１旋光器用ファラデ
ー素子１０８、第２旋光器用ファラデー素子１０９とも
に22.5度である。従って、飽和磁界以上の磁場を向きを
切り替えてファラデー素子に印加することにより、

【００２４】

【数４】

【００２５】の４つの偏波制御を被測定光に与えること
ができる。これらの場合、透過率は旋光角に依らず一定
となり、ほぼ100%となる（図６参照）。波長板の透過率
もほぼ100%であると見なせば、

【００２６】

【数５】

【００２７】となる。また、波長板のリタデーションを
45度（つまりλ/8板）とし、α＝0 度とする。この場合
の上記Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの４つの状態での式（３）は、

【００２８】

【数６】

【００２９】となる。式（６）を解くと、

【００３０】

【数７】

【００３１】として被測定光のストークスパラメータを
算出することができる。上記した一連の演算は、信号処
理器１１６で処理される。図２で示した信号発生器から
の電気信号により現在の状態を認識し、それぞれの状態
における受光電気信号を式（７）に代入することによっ
て、被測定光のストークスパラメータは算出されてい
る。式（６）、式（７）は、Δ＝45度、ファラデー角2
2.5度の場合の結果であるが、ファラデー角等がこれら
の値からずれていた場合には、ファラデー素子毎のファ
ラデー角や波長板のリタデーション等を精密に測定し、
式（２）に代入すれば、より正確なストークスパラメー
タを算出できる。

【００３２】上記の実施の形態では偏光子１０６の透過
光を直接受光器１０７で受光しているが、透過光を一旦
ファイバーに入射し、そのファイバーの出射光を受光器
で受光しても問題ない。

【００３３】上記の説明は旋光器を２つ使った場合の例
であるが、旋光器を３つ使っても同様に被測定光のスト
ークスパラメータを求めることができる。以下にその概
要を述べる。図８に旋光器を３つ用いた偏波解析器の例
を示した。全ての旋光器にはファラデー角22.5度のファ
ラデー素子が内蔵されている。この場合、第１旋光器の
旋光角θ₁と第２旋光器の旋光角θ₂の和が式（１）、
（２）のθに相当する。第１旋光器、第２旋光器とも光
軸に対して平行もしくは反平行に磁場を印加するとすれ
ば、θは、 θ＝４５度（θ₁＝22.5度、θ₂＝22.5度） θ＝０度（θ₁＝22.5度、θ₂＝−22.5度もしくはθ
₁＝−22.5度、θ₂＝22.5度） θ＝−４５度（θ₁＝−22.5度、θ₂＝−22.5度）の３値を取り得る。φは±22.5度の２値を取り得るの
で、この系では６通りの偏波制御を被測定光に与えるこ
とができる。Δ＝90度、α＝0 度とした場合、偏波制御
時の受光量と被測定光のストークスパラメータとの関係
は、

【００３４】

【数８】

【００３５】となる。ストークスパラメータを求める場
合、式は４つあれば良いので、例えばＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄを
用いれば、

【００３６】

【数９】

【００３７】と、被測定光のストークスパラメータを求
めることができる。もちろん、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅを使って
も同様にストークスパラメータを求めることができる。
いろいろな組み合わせで求めたストークスパラメータを
統計的に処理すれば、精度を向上させることが可能であ
る。

【００３８】また、第１旋光器と第２旋光器に内蔵され
ているファラデー素子のファラデー角が異なる場合ある
いはファラデー素子の数が異なる場合、例えば、θ₁＝
22.5度、θ₂＝45度の場合には、θは67.5度、22.5度、
−22.5度、−67.5度の４値となる。従って、８通りの偏
波制御を被測定光に与えることができる。図９に示した
とおり、旋光器の数を４つ以上とした場合も、実施可能
である。

【００３９】上記の実施の形態では、光軸に対して平行
あるいは反平行に飽和磁界以上の磁場をファラデー素子
に印加させて被測定光を旋光させたが、飽和磁界以下の
磁場印加の場合でも、透過率が正確に既知であれば、式
（２）より被測定光のストークスパラメータを算出する
ことができる。

【００４０】また、図１０に示したように、磁場の方向
を光軸と平行な方向から傾けた場合も旋光角が既知であ
れば、同様に式（２）から被測定光のストークスパラメ
ータを算出できる。

【００４１】さらに、図１１に示した通り、回転磁場型
旋光器を用いてもストークスパラメータを算出すること
ができる。回転磁場型旋光器では、ファラデー素子１１
０１に水平磁場発生用コイル１１０２と垂直磁場発生用
コイル１１０３により、２方向から磁場Hx、Hyを印加
し、その合成磁場強度H （＝（Hx²＋Hy²）^1/2）は飽
和磁界以上となっている。Hx、Hyを調整して合成磁場の
方向を回転させることができる。ファラデー角をη_Sと
すれば、旋光角ηは、η＝（Hx／H ）η_Sと表わすこと
ができる。

【００４２】

【発明の効果】本発明に係わる偏波解析器は、ファラデ
ー素子を用いた旋光器と波長板により被測定光の偏波を
回転させ、その被測定光の偏光子を透過させた後の光量
を測定し、偏波回転量と光量から被測定光の偏波状態を
測定することにより、被測定光を分岐することなく高精
度、高感度に、かつ、高速に偏波状態を測定可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる偏波解析器の、第１の実施の形
態の構成を示す図である。

【図２】本発明に係わる偏波解析器の旋光器の旋光角を
示す図である。

【図３】空間分割法を説明する図である。

【図４】時間分割法を説明する図である。

【図５】本発明の実施の形態に用いたファラデー素子の
旋光角の印加磁場依存性を示す図である。

【図６】本発明の実施の形態に用いたファラデー素子の
透過率の印加磁場依存性を示す図である。

【図７】本発明の実施の形態に用いたファラデー素子に
正弦波磁場を印加した場合の旋光角の様子を示す図であ
る。

【図８】本発明に係わる旋光器を３つ用いた偏波解析器
の光学系を示す図である。

【図９】本発明に係わる旋光器を４つ用いた偏波解析器
の光学系を示す図である。

【図１０】磁場を光軸と平行な方向から傾けた方向に印
加する旋光器を示す図である。

【図１１】回転磁場を印加する方式の旋光器を示す図で
ある。

【符号の説明】

１０１ファイバ１０２コリメーターレンズ１０３第１旋光器１０４波長板１０５第２旋光器１０６偏光子１０７受光器１０８第１旋光器用ファラデー素子１０９第２旋光器用ファラデー素子１１０矩形波信号発生器１１１第１旋光器用アンプ１１２第１旋光器磁場発生用コイル１１３位相遅延器１１４第２旋光器用アンプ１１５第２旋光器磁場発生用コイル１１６信号処理器１１７信号発生器３０１ビームスプリッタ３０２ビームスプリッタ３０３偏光ビームスプリッタ３０４光ビーム３０５光ビーム３０６光ビーム３０７光ビーム３０８ λ／４板３０９方位４５度偏光子３１０受光器３１１方位４５度偏光子３１２受光器３１３受光器３１４受光器４０１ λ／２板４０２ λ／４板４０３偏光子４０４受光器８０１ファイバ８０２コリメーターレンズ８０３第１旋光器８０４第２旋光器８０５波長板８０６第３旋光器８０７偏光子８０８受光器９０１ファイバ９０２コリメーターレンズ９０３第１旋光器９０４第２旋光器９０５波長板９０６第３旋光器９０７第４旋光器９０８偏光子９０９受光器１００１ファラデー素子１００２旋光器１００３磁場発生用コイル１１０１ファラデー素子１１０２水平磁場発生用コイル１１０３垂直磁場発生用コイル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ファラデー素子（108,109 ）と、前記フ
ァラデー素子に磁場を印加する磁場発生器（112,115 ）
から構成され、被測定光の光軸上に直列に配置され、被
測定光を旋光させる少なくとも２つの旋光器（103,105
）と、前記直列に配置された旋光器の間に配置され、
被測定光にリタデーションを与える波長板（104 ）と、
前記旋光器と波長板の透過光を透過させる様に配置され
た偏光子（106 ）と、前記偏光子の透過光量を検出して
その透過光量に対応した受光電気信号を出力する受光器
（107 ）と、それぞれの旋光器の旋光角を制御するため
の電気信号を発生する信号発生器（117 ）と、前記信号
発生器の電気信号と該電気信号に対応する前記受光電気
信号との組から、被測定光のストークスパラメータを算
出する信号処理器（116 ）とを備えた偏波解析器。
【請求項２】少なくとも１つの前記旋光器において、
強度が該旋光器に内蔵されたファラデー素子の飽和磁界
以上の磁場を当該ファラデー素子に印加することを特徴
とする請求項１記載の偏波解析器。
【請求項３】少なくとも１つの前記旋光器において、強
度が該旋光器に内蔵されたファラデー素子の飽和磁界以
上で、方向が前記光軸に対して平行方向もしくは反平行
方向となる磁場を当該旋光器に内蔵されたファラデー素
子に印加することにより、該旋光器の旋光角を当該ファ
ラデー素子のファラデー角の整数倍のみとすることを特
徴とする請求項１記載の偏波解析器。