JP2005227358A - 偏光制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高速切り替えが可能で生成される偏光状態が高い精度を持った偏光制御装置を提供する。
【解決手段】 種々の光波の偏光状態を生成する偏光制御装置であって、光軸に沿って直列に配置され厚さが公比２の等比級数をなすようにそれぞれ設定された複数枚のファラデー回転子４と、各ファラデー回転子に付設され各ファラデー回転子に（−Ｈｓ）以下または（＋Ｈｓ）以上の外部磁場を印加して各ファラデー回転子を磁気的に飽和させる外部磁場発生手段としての磁場印加用コイル３およびコイル用電源６と、各々の外部磁場発生手段にそれぞれ接続され各外部磁場発生手段の外部磁場を（−Ｈｓ）以下または（＋Ｈｓ）以上に切り替える切り替え手段としての制御用コンピューター７とを備え、各ファラデー回転子の偏光回転角について正負の２値の間を互いに独立して切り替えることにより出力ポート２において多数の偏光状態を生成することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光通信システムや光情報処理システムの分野で重要な多種の偏光状態を望みどおりに生成する偏光制御装置に関するものである。

コヒーレント光学系を利用した光ファイバー計測および光ファイバー通信系において、偏光状態の時間的な変動によって受信感度が時間的に揺らぐという問題がある。すなわち、コヒーレント光学系の受信では、被測定物ないしファイバー系を伝播してきた光波ａと受信点における局所発振光波ｂとの干渉効果を利用しているが、光波ａと光波ｂの偏光が一致していれば理想的に干渉が生じ、反対に両者の偏光が直交していれば全く干渉が起こらないためである。このためファイバー系を伝播してきた光波の偏光の時間的な変動は受信出力の変動をもたらし、これは好ましくない。

ところで、これら計測および通信系に用いられる光ファイバーは単一モード光ファイバーであり、断面は円筒対称性を持っているため、光ファイバーへの機械的・熱的外乱により伝播する光波の偏光状態は変動しうる。

そして、上記受信感度が変動するという問題を解決する方法として、第１に、光源からファイバーに入射する前に偏光を乱雑にする（すなわち、無偏光状態に変換する）か、有限個の偏光状態を時間的に切り替えるという方法が採られる。

入射偏光の乱雑化（スクランブル）によって干渉的な受信方法を採用した場合、検波出力は平均化される。この平均値は、光波ａと光波ｂの偏光状態が一致していた場合に比較すれば出力は低いが、時間的に安定しているという利点がある。

有限個の偏光状態を時間的に切り替える方法の場合には、入射偏光が既知であるから、種々の入射偏光状態での出力をもとにした演算により、途中の媒体中での偏光の乱れの効果を補正した出力を得ることができる。

また、上記問題を解決する方法として、第２に、同じく干渉的検波方法を採用した系において、光ファイバーとして偏波面維持ファイバーを使うという方法がある。偏波面維持ファイバーは、ファイバー内に応力を付与することによって複屈折性を持たせたものであり、その直交する固有軸に一致するよう偏光面を合せて光波を入射させれば、機械的・熱的外乱が加わってもファイバー通過中、偏光状態は維持される。従って、上記偏波変動による検波出力の変動は生じない。

しかし、偏波面維持ファイバーが通常の単一モード光ファイバーと比べて高価であるため、ファイバースパンが限られた種類の光計測系においては有用性を持つが、通信系においてはシステム全体が高価となり、この方法は現実性に乏しい。

このため、偏光を乱雑にするか有限個の偏光状態を時間的に切り替えることを目的として、複屈折材料を機械的に回転させる方式の偏光制御装置が採用されている。すなわち、１/２波長板と１/４波長板を縦方向に連結して、各々の波長板を独立に回転させれば、任意の偏光出力を得ることができる。但し、この方式は可動部を持った方式のため速度に制限がある。

また、可動部を持たず高速切り替えに適したタイプの装置として、結晶の電気光学効果を利用した偏光スクランブラーも発表されている。これは、光学的には上記波長板を組み合わせたものと等価であるが、導波路型とすることで機械的可動部は全く持たず、外部電圧の印加によって高速に多種の偏光状態を生成できるという特徴を持っている。典型的な例として、特許文献１に開示されているように、酸化物強誘電体ニオブ酸リチウム結晶の電気光学効果を利用したモード変換器と位相シフターを同一基板上に導波路型素子として作成し、これら２素子の動作を組み合わせることにより、ポアンカレ球上の任意の位置から一定の位置に偏光変換する機能を持たせることができる。

ところで、この種の装置においては、モード変換器と位相シフター各々からの出力偏光状態は印加電圧に対して正弦波的な周期関数で表される依存性を示す。このため、外部電圧を極めて高精度で制御しないと正確な偏光出力が期待できない。

しかし、実際にはＤＣドリフトによって印加電圧と偏光状態の対応関係に不正確さが生じるという問題がある。このＤＣドリフトとは、一定の印加電圧のもとでも、リーク電流により導波路領域での電場が変化するため光出力ないし出力の偏光状態が変化する現象である。従って、ある印加電圧のときにどの様な偏光状態が実際に出ているのかの関係の確度が一般的に低いという問題点がある。
特開平７−１９９１３５号公報 日本応用磁気学会誌１４、pp.648-652 (1990)

本発明はこの様な問題点に着目してなされたもので、その課題とするところは、高速切り替えが可能でかつ生成される偏光状態が高い精度を持った偏光制御装置を提供することにある。

すなわち、請求項１に係る発明は、
種々の光波の偏光状態を生成する偏光制御装置を前提とし、
光軸に沿って直列に配置されかつ各々の厚さが公比２の等比級数をなすようにそれぞれ設定された複数枚のファラデー回転子と、各ファラデー回転子にそれぞれ付設され各ファラデー回転子に（−Ｈｓ）以下または（＋Ｈｓ）以上の外部磁場を印加して各ファラデー回転子を磁気的に飽和させる外部磁場発生手段と、各々の外部磁場発生手段にそれぞれ接続され各外部磁場発生手段の外部磁場を（−Ｈｓ）以下または（＋Ｈｓ）以上に切り替える切り替え手段とを備え、各ファラデー回転子の偏光回転角について正負の２値の間を互いに独立して切り替えることにより、出力光ポートにおいて多数の偏光状態を生成することを特徴とするものである。

また、請求項２に係る発明は、
請求項１記載の発明に係る偏光制御装置を前提とし、
各ファラデー回転子がビスマスを含む希土類ガーネット型結晶で構成されていることを特徴とし、
請求項３に係る発明は、
請求項１または２記載の発明に係る偏光制御装置を前提とし、
上記ファラデー回転子群の入力末端側に光ファイバーを外側にして光ファイバーとコリメート用レンズが配置され、かつ、ファラデー回転子群の出力末端側に光ファイバーを外側にして光ファイバーとコリメート用レンズが配置されていることを特徴とするものである。

本発明に係る偏光制御装置によれば、装置を構成する個々のファラデー回転子がディジタル的に２値の偏光回転角のみを採り得る性質を持つため、このようなファラデー回転子の厚さ(偏光回転角に対応する)を一定の分布に指定することにより、種々の光波の偏光状態を安定して生成することが可能となる。

以下、本発明を詳細に説明する。

本発明においては、可動部分をなくししかも高精度な偏光制御装置を実現するため、強磁性体ないしフェリ磁性体のファラデー効果を利用する。

ファラデー効果とは、直線偏光が磁性体に入射したとき、その磁性体が光の透過方向に磁化されているとすれば、直線偏光の偏光面が、磁性体の厚さに比例して回転する現象である。常磁性体もファラデー効果を示すが、強磁性体ないし希土類ガーネットに代表されるフェリ磁性体は遥かに大きなファラデー効果を示すため、これ等強磁性体ないしフェリ磁性体は既に光通信系における光アイソレーターに応用されている。

強磁性体ないしフェリ磁性体に特有の外部磁場対ファラデー回転角との関係を示すグラフ図を図３に示す。希土類ガーネットはフェリ磁性体に属し、図３に示すようなヒステリシスを持った磁場対ファラデー回転角の曲線を示す。

ファラデー回転角Θはある外部磁場（＋Ｈｓ）以上の値ないし（−Ｈｓ）以下の値で飽和する。より詳しく言えば、外部磁場をＨとして（＋Ｈｓ）≦ＨおよびＨ≦（−Ｈｓ）の領域においては、磁場に対しファラデー回転角Θはフラットである。

一方、（−Ｈｓ）≦Ｈ≦（＋Ｈｓ）の領域においてファラデー回転角Θは外部磁場Ｈに比例しているが、この領域をファラデー回転子に利用することは以下の理由により困難である。何故なら、この領域において強磁性体ないしフェリ磁性体は多磁区構造をなしており、非特許文献１に示されているように、入射光は磁区（ドメイン）により回折を受ける。回折光は、回折の次数によって入射方向に対して一定の角度を持って出射する。これら全ての次数の回折光をレンズで集光した出力のファラデー回転角Θがはじめて外部磁場との比例関係を持ち、一部の回折成分のみを拾った場合には比例関係は無い。全ての次数の回折光を拾うことは実際には光学的に容易でない。

以上の理由から本発明において上記（−Ｈｓ）≦Ｈ≦（＋Ｈｓ）の領域は使用せず、外部磁場をＨとして（＋Ｈｓ）≦ＨおよびＨ≦（−Ｈｓ）の領域のみを利用し、この２領域でファラデー回転角Θの絶対値は等しく逆符号を示すという特徴を利用する。

この方式の特徴は、印加磁場がある有限範囲において一定のファラデー回転角Θが得られるため、印加磁場に高度な精度が必要とされないことである。すなわち、印加磁場に少しの変動があっても安定して一定の偏光角度を得ることができるという実用上重要な利点を備えている。

希土類ガーネット、特にビスマスを添加したガーネット、例えば（Ｇｄ、Ｂｉ）₃（Ｆｅ、Ａｌ、Ｇａ）₅Ｏ₁₂は磁化飽和状態でファラデー回転能Θとして典型的に波長１．５μｍにおいて約９００°／ｃｍを示す。これは、５００μｍ厚の膜のファラデー回転角Θ＝４５°に相当する。

また、飽和に要する磁場Ｈｓは、同じく（Ｇｄ、Ｂｉ）₃（Ｆｅ、Ａｌ、Ｇａ）₅Ｏ₁₂において１００〜２００ Ｏｅである。

次に、本発明に係る偏光制御装置の構成を、図１を参照しながら５−ビット版を例に挙げて説明する。

希土類ガーネットからなるファラデー回転子４をファラデー回転子搭載用基板５１上に光軸に沿って直列に５枚配置する。これらファラデー回転子４は、飽和した状態で順次θ、２θ、４θ、８θ、１６θのファラデー回転に相当する厚さを有している。１６θが９０度になるよう設定するためθ＝５．６２５度とする。具体例として上記ファラデー回転能Θの典型的な値９００°／ｃｍを基にすれば、波長１．５μｍの入射光に対して、５枚の希土類ガーネット板厚を６３μｍ、１２６μｍ、２５２μｍ、５０４μｍ、１００８μｍとすればよい。

上記５個のファラデー回転子４が配置されたファラデー回転子搭載用基板５１の外周部に磁場印加用コイル３をそれぞれ設け、各磁場印加用コイル３には各ファラデー回転子４を磁気的に飽和させるのに十分な磁場、すなわち（＋Ｈｓ）以上ないし（−Ｈｓ）以下の磁場を発生させうるような電流Ｉとして数十ｍＡを通電させるものとする。電流はコイル用電源６によって供給される。尚、本発明に係る外部磁場発生手段は、上述したように磁場印加用コイル３とコイル用電源６とで構成されている。

また、上記コイル用電源６は、本発明に係る切り替え手段としての制御用コンピューター７によって制御され、各々のファラデー回転子４に対して独立に電流（＋Ｉ）と（−Ｉ）間を切り替えるように構成されている。この構成により、２進法の演算法に基づき５枚のファラデー回転子４による総ファラデー回転量は−３１θ、−２９θ、−２７θ、……、−θ、θ、３θ、５θ、……２９θ、３１θと計３２種類の偏光回転量が選択できる。一例として、２７θなる偏光回転量を得る場合には、図１の５個のファラデー回転子４の回転の符号が左から順番に(＋ − ＋ ＋ ＋)となるようファラデー回転子４に磁場印加すれば、(θ −２θ＋４θ ＋８θ ＋１６θ ＝ ２７θ)という偏光回転量が得られる。

尚、図１において、１は入力ポート、２は出力ポート、５は本装置の構成部品全体が搭載されるマウント用基板を示している。また、図１においては、ファラデー回転子４について板厚の小さいものから大きいものの順番に配置した例を示したが、これらの順番はどのように入れ替えても装置の動作には関係ない。従って、これらをどのような順序で配置してもよい。

以上は５−ビット版の装置を例に挙げて説明したが、より一般的に、公比２の等比級数的に増加する厚さを持つファラデー回転子を複数枚直列に配置し、それら各々のファラデー回転子の偏光回転角を各々の素子で独立に正負に切り替えることにより、多数の偏光状態の生成が可能である。

本装置の駆動によって到達できるポアンカレ球の赤道上における各偏光状態点を図４に黒丸で示している。水平方向に電場が振動する偏光状態、すなわち０度の偏光面は、図４に示すように、ポアンカレ球の赤道上における（−３１θ、−２９θ、−２７θ、……、−θ、θ、３θ、５θ、……２９θ、３１θ）と計３２種類の等間隔な点で表現される偏光状態を実現できる。

また、５−ビット版に変えて４−ビットの装置であれば、４枚のファラデー回転子を光軸に沿って直列に配置し、θ＝１１．２５°として各々θ、２θ、４θ、８θを与えるファラデー回転子とすれば、それらは各々−１５θ、−１３θ、−１１θ、……、θ、３θ、５θ、……、１５θのファラデー回転を生じさせて総計１６種のファラデー回転が生成できる。尚、より細かく区切られた多数のファラデー回転子を生成したい場合はビット数を増やせばよい。

ところで、この偏光制御装置は光源の近くに配置して使われるものであるため、入射する光波は直線偏光である場合が多い。この場合、装置入射前に偏光子によって偏光消光比を３０ｄＢ程度ないしそれ以上に向上させてからファラデー回転子群に入射させればよい。

また、希なケースではあるが、円偏光が入射するような場合に本装置を使用する際には、ファラデー回転子群の直前に１／４波長板を挿入すれば、第一のファラデー回転子に入射される光波は直線偏光に変換されるため、同様に一群のファラデー回転子により種々の偏光状態を生成し得る。

次に、図２にファラデー回転子群の入力側および出力側の各々に、凸レンズ８，９と光ファイバー１０，１１を付加した構成を示す。コリメートされた光を入射させる場合には図１の構成で十分であるが、光ファイバーによって導かれた入力光に対応するためには、ファイバーからの出射光をレンズによって平行光とした後に、第１番目のファラデー回転子に入射させる必要がある。同様に出力側においても、ファラデー回転子群からの出射光はレンズにより集光させた後に光ファイバーに入射させる。

次に、図１を参照しながら本発明の実施例を説明する。

低磁場で飽和することを目的としてファラデー回転子４の材料は、液層エピタキシー法でガドリニウムガーネット結晶上に成長させた（Ｇｄ、Ｂｉ）₃（Ｆｅ、Ａｌ、Ｇａ）₅Ｏ₁₂という組成で表されるガーネット結晶膜とした。

エピタキシー結晶成長に使用した基板結晶のガドリニウムガーネットを研削によって除去した後、ガーネット結晶を約０．９ｍｍ角に裁断し、かつ、厚さは上述のように図１の第１番目から第５番目に対応させて、６３μｍ、１２６μｍ、２５２μｍ、５０４μｍ、１００８μｍとした。尚、厚さ１００８μｍのガーネット結晶を液相エピタキシーの技術で得るのは困難であるため、厚さ５０４μｍの板２枚を透明性の有機接着剤で貼り合わせたものを適用している。

入力ポート１からの入射光の進行方向にこれら５個のファラデー回転子４を約１ｍｍ間隔でファラデー回転子搭載用基板５１に薄いものから厚いものの順番に配置した。但し、符号４は５個のファラデー回転子を代表させたものとする。また、第１番目から第５番目のファラデー回転子４における厚さは、上述したように６３μｍ、１２６μｍ、２５２μｍ、５０４μｍ、１００８μｍとする。

また、ファラデー回転子４とするためには、表面での反射を除去する必要があるため、各々のガーネット結晶を裁断する前に透明な酸化物膜をＳｉＯ₂／ＴｉＯ₂／ＳｉＯ₂という３層構造でコートした。上記ガーネット結晶のうち、厚さ５０４μｍの試料では３層構造の反射防止膜形成後における波長１．５５μｍの損失は約０．０５ｄＢであった。

約２．５ｍｍの真鍮製ボビンに銅線が巻かれたものを５個用意し、ファラデー回転子４に磁場を印加する磁場印加用コイル３とする。これらボビンの中空部分に各ファラデー回転子４が配置されたファラデー回転子搭載用基板５１を挿入し、ボビンの中央部分に各々のファラデー回転子４が位置するように調整した後、ボビンとファラデー回転子搭載用基板５１を接着剤によって接合した。尚、ファラデー回転子搭載用基板５１はステンレス製の板とした。

そして、コリメートされた入射光をこれら一群のファラデー回転子４に入力ポート１から入射させて出力ポート２からの出力を測定したところ、総挿入損失は約０．３ｄＢであった。

本発明に係る偏光制御装置の概略構成を示す説明図。 本発明の変形例に係る偏光制御装置の概略構成を示す説明図。 強磁性体ないしフェリ磁性体の典型的なファラデー回転の外部磁場依存性を示すグラフ図。 ポアンカレ球の赤道上で本発明に係る偏光制御装置によって到達できる偏光点のグループを示す説明図。

符号の説明

１ 入力ポート
２ 出力ポート
３ 磁場印加用コイル
４ ファラデー回転子
５ マウント用基板
６ コイル用電源
７ 制御用コンピューター
８ 凸レンズ
９ 凸レンズ
１０ 光ファイバー
１１ 光ファイバー
５１ ファラデー回転子搭載用基板

Claims (3)

1. 種々の光波の偏光状態を生成する偏光制御装置において、
   光軸に沿って直列に配置されかつ各々の厚さが公比２の等比級数をなすようにそれぞれ設定された複数枚のファラデー回転子と、各ファラデー回転子にそれぞれ付設され各ファラデー回転子に（−Ｈｓ）以下または（＋Ｈｓ）以上の外部磁場を印加して各ファラデー回転子を磁気的に飽和させる外部磁場発生手段と、各々の外部磁場発生手段にそれぞれ接続され各外部磁場発生手段の外部磁場を（−Ｈｓ）以下または（＋Ｈｓ）以上に切り替える切り替え手段とを備え、各ファラデー回転子の偏光回転角について正負の２値の間を互いに独立して切り替えることにより、出力光ポートにおいて多数の偏光状態を生成することを特徴とする偏光制御装置。
2. 各ファラデー回転子がビスマスを含む希土類ガーネット型結晶で構成されていることを特徴とする請求項１記載の偏光制御装置。
3. 上記ファラデー回転子群の入力末端側に光ファイバーを外側にして光ファイバーとコリメート用レンズが配置され、かつ、ファラデー回転子群の出力末端側に光ファイバーを外側にして光ファイバーとコリメート用レンズが配置されていることを特徴とする請求項１または２記載の偏光制御装置。
   

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