JP2005292020A

JP2005292020A - 偏光測定デバイス

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Publication number: JP2005292020A
Application number: JP2004109676A
Authority: JP
Inventors: Dairetsu In; 大烈尹; Hiroshi Matsuura; 寛松浦; Kazuyasu Mizuno; 一庸水野
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 2004-04-02
Filing date: 2004-04-02
Publication date: 2005-10-20

Abstract

【課題】ストークスパラメータ及びＤＯＰの計測を低コスト且つ短時間で行えるようにする。
【解決手段】偏光測定デバイス１０aでは、電極９ａ〜９c又は電極２２ａ〜２２ｄに印加する電圧を制御してLiNbO_３結晶の屈折率を変化させ、光導波路５を伝搬する光の偏光状態を変化させる。光導波路５又は光学結晶２１を伝搬する光の偏光状態や、波長板を用いて偏光状態を変化させる場合における該波長板の特性を表すパラメータが、電極９ａ〜９cに印加する電圧を制御することによって任意に且つ容易に設定可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光通信システム及び光計測分野等に用いられる偏光測定デバイスに関する。

従来より、光通信システムの構築や光計測等を行う際には、光の偏光状態や偏光度（ＤＯＰ；Degree Of Polarization）の測定・評価が不可欠である。

このような偏光状態や偏光度の測定・評価は、例えば、光通信システムの伝送特性の劣化要因となるＰＭＤ（Polarization Mode Dispersion）を測定するためのＰＭＤ測定器に適用される。ここで、ＰＭＤ測定器の一例としてＰＭＤ測定器４０（偏光測定装置）を図５に示す。ＰＭＤ測定器４０では、演算回路４４による制御に基づいて変光源４１から発光される光が、光ファイバや光回路等の測定対象デバイス４２に入射され、この入射光が測定対象デバイス４２を伝搬後に出力される際の偏光状態が偏光測定デバイス４３により測定され、この測定結果に基づいて演算回路４４によるＰＭＤの計測が行われる。一方、入射光の偏光状態に応じて光学特性が異なる光部品を用いる場合には、偏光依存性の低減化を図るため、入射光のＤＯＰを計測し、この計測結果に基づいてＤＯＰの低い入射光を用いる手法が知られている。

上記偏光測定デバイス４３としては、例えば、図６に示す偏光測定デバイス５０（例えば、特許文献１を参照）、図７に示す偏光測定デバイス６０（例えば、特許文献２を参照）、図８に示す偏光測定デバイス７０（例えば、特許文献２を参照）等が知られている。

偏光測定デバイス５０では、入射光が４分岐素子５１により四つの光に分岐され（分岐光という）、更に当該四つの分岐光のうち三つの分岐光の各々が１／２波長板５２ａ、１／２波長板５２ｂ、１／４波長板５２ｃを通過することにより偏光変換され、当該一の分岐光（偏光変換されていない分岐光）と三つの偏光変換後の分岐光とが、特定の偏光成分の光だけを通過させるための偏光子を通過し、当該偏光子を通過した四つの分岐光の光強度が受光素子５３ａ〜５３ｄにより検出される。偏光状態を表すストークスパラメータやＤＯＰは、当該検出された光強度に基づき、偏光測定デバイス５０の後段に設けられる演算回路（例えば演算回路４４）により計測される。

また、偏光測定デバイス６０は、入射光を偏光変換させるための装置として、１／２波長板６１、１／４波長板６２、回転機構６３を備える。ここで、回転機構６３は、１／２波長板６１、１／４波長板６２を回転させるためのステッピングモータ等を備える。この偏光測定デバイス６０では、入射光が、回転機構６３により回転された１／２波長板６１、１／４波長板６２を通過し、これにより当該入射光が偏光変換され、この偏光変換後の入射光が偏光子６４を通過した後、この通過後の入射光の光強度が受光素子６５により検出される。ＤＯＰは、当該検出された光強度（複数の光強度）に基づき、偏光測定デバイス６０の後段に設けられる演算回路（例えば演算回路４４）により計測される。当該複数の光強度は、偏光変換及び検出処理が複数回（例えば３回以上）繰り返されることによって得られ、この複数の光強度を用いることにより偏光測定デバイス５０と同等のストークスパラメータ及びＤＯＰの計測が可能となる。

また、偏光測定デバイス７０は、入射光を偏光変換させるための装置として、ファイバループ７１を備える。ここで、ファイバループ７１は図示しない駆動機構により移動可能であり、これにより入射光を種々の偏光状態に偏光変換させることが可能となる。この偏光測定デバイス７０では、入射光がファイバループ７１を通過し、これにより当該入射光が偏光変換され、この偏光変換後の入射光が偏光子７２を通過した後、この通過後の入射光の光強度が受光素子７３により検出される。更に、この光強度の検出処理が偏光状態を替えて複数回行われ、得られた複数の光強度のうち最大値と最小値とを用いてＤＯＰが計測される。
特開平０６−１８３３２号公報特開２００３−３５６００号公報

しかし、上記従来技術には、次のような問題点がある。
偏光測定デバイス５０では、四つの分岐光の各々に対し、それぞれ独立に、偏光変換させ、偏光子を通過させて光強度の検出を行っている。このため、分岐光の数に応じた分だけ光学部品が必要となり、コスト高となる。更に、各光学部品に対してはそれぞれ精密な調整が必要となるが、光学部品の数が多い分、調整に要する時間が多く必要となる。
また、偏光測定デバイス６０では、１／２波長板６１、１／４波長板６２を回転させるためのステッピングモータ等の回転機構６３を備えるため、偏光測定デバイス６０のデバイスサイズが大きなものとなる。更に、回転機構６３が１／２波長板６１、１／４波長板６２を物理的に回転させる際に要する時間は少なくない。
また、偏光測定デバイス７０では、ファイバループ７１を移動させるための駆動機構が必要となるため、偏光測定デバイス７０のデバイスサイズが大きなものとなる。更に、光強度の最大値・最小値を得るためは測定回数が多くなり、多くの測定時間が必要となる。更に、ファイバループ７１を物理的に回転させる際に要する時間も少なくない。更に、偏光測定デバイス７０では、ＤＯＰは測定可能であるが、ストークスパラメータについては計測が困難である。
本発明の課題は、ストークスパラメータ及びＤＯＰの計測が低コスト且つ短時間に行える偏光測定デバイスを提供することである。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、
電圧印加用の電極を備え、該電極に電圧が印加されると、電気光学効果が生じて屈折率が変化し、入射光の偏光状態が他の偏光状態に変換される素材によって成る偏光変換素子（例えば、光導波路基板３（光導波路５を含む）又は光学結晶２１）と、
前記変換後の偏光成分を抽出する偏光子（例えば、偏光子１１又は１１ａ）と、
前記抽出した偏光成分の強度を検出する第１の受光素子（例えば、受光素子１３）と
を備えたことを特徴とする。

更に、請求項２に記載の発明のように、請求項１に記載の発明において、
前記偏光変換素子は、
ニオブ酸リチウム結晶を素材とした基板であるのが好ましい。

更に、請求項３に記載の発明のように、請求項２に記載の発明において、
前記偏光変換素子は、
入射光を伝搬させる光導波路が前記ニオブ酸リチウム基板に形成されたものであるのが好ましい。

更に、請求項４に記載の発明のように、請求項１〜３のうち何れか一項に記載の発明において、
前記偏光変換素子に対する入射光を、該偏光変換素子の入射前に二つの光に分岐し、当該二つの分岐光のうち一方の分岐光を前記偏光変換素子に入射させる分岐素子（例えば、光カプラ３１）と、
前記二つの分岐光のうち他方の分岐光の光強度を検出する第２の受光素子（例えば、受光素子３３）と
を更に備えるのが好ましい。

本発明によれば、光の偏光状態や、波長板を用いて偏光状態を変化させる場合における該波長板の特性を表すパラメータが、偏光変換素子が備える電極に印加する電圧を制御することによって任意に且つ容易に設定可能となる。
更に、偏光状態を変化させるには、電極に印加する電圧を変化させればよいので、モータによる回転移動が必要な波長板を用いる場合に比べ、短時間で偏光状態を変化させることができる。
更に、詳細調整が必要な光学部品が少なくて済むため、低コストで作成できると共に、取り扱いが極めて容易となる。

以下、本発明を適用した実施の形態を実施例１〜３に分けて説明する。
＜実施例１＞
図１に、偏光測定デバイス１０ａの構成を示す。
図１に示すように、偏光測定デバイス１０ａは、光導波路基板３、光導波路５、バッファ層７、電極９ａ、９ｂ、９ｃ、偏光子１１、受光素子１３等を備える。

光導波路基板３は、例えば、電気光学効果を伴うニオブ酸リチウム（LiNbO₃）結晶によって成り、当該基板表面には、光導波路５及び電極９ａ〜９ｃを挟んでバッファ層７が形成されている。

光導波路５は、光導波路基板３の表面近傍に、Ｚ軸方向に伸びる略棒形状に形成され（当該基板表面は、Ｘ軸に垂直）、チタンの熱拡散現象を利用して入射光Ａを伝搬させる。

バッファ層７は、例えばSiO₂結晶の薄膜によって成る絶縁層である。

電極９ａ〜９ｃは、図示しない電圧制御部（例えば、演算回路４４、以下同様）に接続された金属膜であり、該電圧制御部による電圧制御に基づいて電圧が印加される。電極９ａは、光導波路５の直上に光導波路５に重なるように、Ｚ軸方向に伸びる略矩形形状に形成されている。また、電極９ｂ、９ｃは、共にＺ軸方向に伸びる略矩形形状（電極９ａに略同形）に形成され、それぞれ光導波路５の両側に配置されている。

電極９ａ〜９cに電圧が印加されると、電極９ａ〜９c間に電位差が生じ、これにより、Ｚ軸方向に垂直な向きに電界が発生する。この電界により、光導波路基板３を構成するLiNbO_３結晶の屈折率が変化する。

光導波路５の出力側には偏光子１１、受光素子１３が光（光導波路５の出力光）の進行方向に順次配置されている。偏光子１１は、所定の偏光成分の光のみを通過させ、受光素子１３は受光した光（光強度）を電気信号（電荷）に光電変換する。

＜実施例２＞
図２に、偏光測定デバイス１０ｂの構成を示す。ここで、偏光測定デバイス１０ｂが備える各構成部のうち、偏光測定デバイス１０ａが備える構成部と同じものについては、簡略化のため、同一符号を付して説明を省略する。

図２に示すように、偏光測定デバイス１０ｂは、光導波路基板３、光導波路５、バッファ層７、電極９ａ、９ｂ、９ｃ、偏光子１１ａ、受光素子１５等を備える。

光導波路基板３の表面には、バッファ層７が形成されない図中符号１５に示す表面領域が設けられ、当該領域１５内における光導波路５の直上には、アルミニウム等の金属膜によって成る光導波路型偏光子１１ａが設けられている。

＜実施例３＞
図３に、偏光測定デバイス１０ｃの構成を示す。ここで、偏光測定デバイス１０ｃが備える各構成部のうち、偏光測定デバイス１０ａが備える構成部と同じものについては、簡略化のため、同一符号を付して説明を省略する。

図３に示すように、偏光測定デバイス１０ｃは、電気光学効果を有する光学結晶２１、電極２２ａ〜２２ｄ、偏光子１１、受光素子１３等を備える。

光学結晶２１は、例えばLiNbO₃結晶によって成り、Ｚ軸方向に伸びた略棒形状に形成されている。

光学結晶２１の四つの側面（すなわち、Ｚ軸方向に伸びる略矩形形状の四つの面）の各々には、Ｚ軸方向に伸びる略矩形形状の四つの電極２２ａ〜２２ｄが設けられている。

＜実施例１〜３について＞
上記実施例１〜３の各受光素子１３には、図示しない演算回路（例えば、演算回路４４等）が接続され、この演算回路により、上記受光素子１３から出力される光電変換後の電気信号（少なくとも、偏光状態を三種類に変化させた際に得られる三種類の電気信号）に基づきストークスパラメータやＤＯＰが計測される。

また、上記偏光状態を三種類に変化させて計測を行う間に入射光Ａの強度が大きく変化するような場合には、正確な偏光状態の測定が困難となる。このような場合には、図４に示す装置構成を用いることにより、入射光Ａの強度変動に影響されない偏光状態の測定が可能となる。すなわち、まず、入射光Ａが光カプラ３１を介して二つの光に分岐され、一方の分岐光が受光素子３３に入射して電気信号に光電変換され、この電気信号が演算回路（例えば、演算回路４４等）に出力されて当該分岐光の光強度が計測され、もう一方の分岐光は、偏光測定デバイス１０ａ（又は偏光測定デバイス１０ｂ、１０ｃ）及び演算回路を介して、上記計測された分岐光の光強度に応じた偏光状態の計測が行われる。

上記説明した構成を有する偏光測定デバイス１０a、１０ｂ、１０ｃでは、上記したようなLiNbO_３結晶の屈折率の変化により、光導波路５又は光学結晶２１を伝搬する光の偏光状態も変化を受けるが、この場合における当該偏光状態の変化は、波長板（例えば、１／２波長板５２a等）を用いて得られる偏光状態の変化と同等である。また、波長板を用いた場合に、該波長板の特性を表すパラメータ、すなわち、波長板の次数（或いは位相）と、波長板の軸方向とを変化させることは、電極９ａ〜９c又は電極２２ａ〜２２ｄに印加する電圧を制御してLiNbO_３結晶内の電界を変化させて屈折率を変化させることと同等である。

従って、本実施例１〜３における偏光測定デバイス１０a、１０ｂ、１０ｃによれば、光導波路５又は光学結晶２１を伝搬する光の偏光状態や、波長板を用いて偏光状態を変化させる場合における該波長板の特性を表すパラメータが、電極９ａ〜９c又は電極２２ａ〜２２ｄに印加する電圧を制御することによって任意に且つ容易に設定可能となる。
更に、偏光状態を変化させるには、電極９ａ〜９c又は電極２２ａ〜２２ｄに印加する電圧を変化させればよいので、モータによる回転移動が必要な波長板を用いる場合に比べ、短時間で偏光状態を変化させることができる。
更に、詳細調整が必要な光学部品が少なくて済むため、低コストで作成できると共に、取り扱いが極めて容易となる。
特に、本実施例２における偏光測定デバイス１０ｂによれば、偏光子１１ａが金属膜により構成されるので、詳細調整が必要な偏光子を用いる必要がなくなり、偏光測定デバイス１０ｂの軽量化が図れると共に、扱いが極めて容易となる。

また、本実施例３における偏光測定デバイス１０ｃによれば、光導波路として略棒形状の光学結晶２１を用いるため、作成の容易化が図られると共に、デバイスサイズがよりコンパクトとなり大変に扱い易くなる。

なお、上記実施例１〜３における記述は、本発明に係る偏光測定デバイスを例示するためのものであり、これに限定されるものではない。本実施例１〜３における偏光測定デバイス１０ａ、１０ｂ、１０ｃの細部構成、詳細形状及び詳細動作等に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

例えば、光導波路基板３や光学結晶２１をLiNbO₃として説明したが、電気光学効果を伴うものであれば他の結晶を用いてもよい。

本実施例１における偏光測定デバイスの構成を示す図である。本実施例２における偏光測定デバイスの構成を示す図である。本実施例３における偏光測定デバイスの構成を示す図である。高速光強度変動に対応するための装置構成を示す図である。ＰＭＤ測定器の構成を示す図である。従来の偏光測定デバイスの一例を示す図である。従来の偏光測定デバイスの他の一例を示す図である。従来の偏光測定デバイスの他の一例を示す図である。

符号の説明

１０ａ、１０ｂ、１０ｃ偏光測定デバイス
１１、１１ａ偏光子
１３、１５受光素子
２１光学結晶
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ電極
３光導波路基板
３１光カプラ
３３受光素子
４０ＰＭＤ測定器
４１波長可変光源
４２測定対象デバイス
４３偏光測定デバイス
４４演算回路
５光導波路
５０偏光測定デバイス
５１４分岐素子
５２ａ、５２ｂ１／２波長板
５２ｃ１／４波長板
５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄ受光素子
６０偏光測定デバイス
６１１／２波長板
６２１／４波長板
６３回転機構
６４偏光子
６５受光素子
７バッファ層
７０偏光測定デバイス
７１ファイバループ
７２偏光子
７３受光素子
９ａ、９ｂ、９ｃ電極
Ａ入射光

Claims

電圧印加用の電極を備え、該電極に電圧が印加されると、電気光学効果が生じて屈折率が変化し、入射光の偏光状態が他の偏光状態に変換される素材によって成る偏光変換素子と、
前記変換後の偏光成分を抽出する偏光子と、
前記抽出した偏光成分の強度を検出する第１の受光素子と
を備えたことを特徴とする偏光測定デバイス。
前記偏光変換素子は、
ニオブ酸リチウム結晶を素材とした基板であることを特徴とする請求項１に記載の偏光測定デバイス。
前記偏光変換素子は、
入射光を伝搬させる光導波路が前記ニオブ酸リチウム基板に形成されたものであることを特徴とする請求項２に記載の偏光測定デバイス。
前記偏光変換素子に対する入射光を、該偏光変換素子の入射前に二つの光に分岐し、当該二つの分岐光のうち一方の分岐光を前記偏光変換素子に入射させる分岐素子と、
前記二つの分岐光のうち他方の分岐光の光強度を検出する第２の受光素子と
を更に備えたことを特徴とする請求項１〜３のうち何れか一項に記載の偏光測定デバイス。