JP2005513528A

JP2005513528A - 発光ビームの形態で伝送される信号の偏向を制御するための装置および対応する用途

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Publication number: JP2005513528A
Application number: JP2003553325A
Authority: JP
Inventors: ドゥ・ブグルネ・ドゥ・ラ・トクネイ，ジャン‐ルイ; デュポン，ローラン
Original assignee: オプトゴン; ドゥ・ブグルネ・ドゥ・ラ・トクネイ，ジャン‐ルイ; デュポン，ローラン
Priority date: 2001-12-17
Filing date: 2002-12-17
Publication date: 2005-05-12
Also published as: WO2003052496A2; EP1456712A2; CN1605040A; WO2003052496A3; FR2833720A1; US20050007519A1; FR2833720B1

Abstract

本発明は、発光ビームの形態で光ファイバにより伝送される信号の偏向を制御するための装置に関する。本発明において、この装置は、
互いに略平行な２枚の基板プレートによって形成され、これらの基板プレートの間に高分子を含む内容物が封入され、高分子中に液晶滴が分散されたセルと、
発光ビームの広がり方向と略直交する電界をセル内容物の少なくとも一部に対して加える第１の印加手段と、
を備え、
第１の電界が加えられたか否かに応じて、セル内容物の少なくとも一部が複屈折媒体または等方性媒体をそれぞれ形成する。

Description

本発明の範囲は、光ファイバによる信号の伝送である。

更に正確には、本発明は、発光ビームの形態で光ファイバにより伝送される信号の偏向を制御するための装置に関する。

理想的な偏光制御装置は、その軸の方向および位相オフセットを制御できるようにする複屈折プレートであって、更には、際限なく制御する複屈折プレートである。

そのような偏光制御装置は、偏光モード分散を補償するためのシステムにおいては、無制限に使用される。

光ファイバ内における流量（flow rate）の増大が、今まで無視できると考えられていた考慮すべき現象を意味することを思い出されたい。この現象は、特に前の世代のファイバにおいては、偏光モード分散（polarisation mode dispersion（PMD））の場合である。偏光モード分散とは、伝送中に光パルスが２つの偏光状態に倍増されることを意味している。

この分散を補償するため、光伝送ファイバと光検出器との間に、偏光制御装置を備える補償システム、偏光保持（polarisation holding）ファイバ、および偏光保持ファイバ上での偏光度合いを測定するための装置を直列に挿入することが知られている。すなわち、図１に示されるように、光伝送ファイバ１は偏光制御装置２の入力部に接続されており、偏光制御装置の出力部は偏光保持ファイバ３の一端に接続され、偏光保持ファイバの他端は光検出器４に接続されている。この補償システムは以下のように動作する。すなわち、適当な測定手段５を使用して、偏光保持ファイバ上での偏光度合いを測定して、偏光度を定量化し、また、分散を最小限に抑えるために、偏光制御装置が変更される。

偏光モード分散現象がビット時間の１０％から問題になると我々が考える場合、１０Ｇｂｉｔ／Ｓの流量においては、１０ｐｓの分散が許容できる限界である。

偏光モード分散の補償は、厳しい制約、すなわち、急速制御（約１０μｓ）、動的制御、エンドレス制御を偏光制御装置に対して課す。

これらの制約を満たすことを目的とする偏光制御装置の第１の周知の技術は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）技術である。この技術は、N.WalkerおよびG.Walkerによる「Endless polarization control using integrated optic lithium niobate device」と題された文献、エレクトロンレター、第２４巻の２６６頁〜２６８頁、１９８８、および、ＪＬＴ、第８巻の４３８頁〜４５８頁、１９９０年、において詳細に記載されている。この技術は集積光学部品に関し、この集積光学部品上では、ガイド上の異なる位置にある電極により、ＴＥ／ＴＭモード変換を位相オフセットと交互に行なうことができる。３つの独立した電位により、動的エンドレス制御を行なうことができる。この第１の技術は、幾つかの欠点、特に、高いコマンド電圧（１００ボルトを超える）、電界からの残留複屈折、挿入損失（一般に、３〜４ｄＢ）、高い製造コストといった欠点を有している。

他の最も重大な選択肢を構成する第２の周知の偏光制御技術は、位相板（２つの１／４波長板および１／２波長板）と可変軸との従来の組み合わせから成る。特に、我々は、Z.Zhuang et al．による「polarisation controller using nematc liquid crystal」と題する論文、オプティックスレター、第２４巻、６９４頁〜６９６頁、１９９９年、を参照することができる。理論的には、可変軸および位相オフセットを有する１つの位相板で十分である。

この手法において、液晶（ネマチック液晶またはスメクチック液晶）溶液は、短い距離で強い電気光学的な作用を有し且つディレクタの絶え間ない回転を許容するため、殆どの場合に使用される。特に、我々は、T.Chiba et al．による「Polarisation stabilizer using liquid crystal rotatable waveplates」と題された論文、JLT、第１７巻、８８５頁〜８９０頁、１９９９年、を参照することができる。

残念なことに、ネマチック液晶溶液は、現在、非常に遅い（約１０μｓ）。

したがって、スメクチック液晶溶液が提案された。特に、我々は、L.Dupont et al.による「Principle of polarization modedispersion controller using homeotropic electroclinic liquid crystal confined single mode fibre device」と題された論文、オプティックス通信、第１７６巻、１１３頁〜１１９頁、２０００年およびRNRT Copoldyn、を参照することができる。また、我々は、Marconi GEC社による「Optical device with electrodes end to end with electric field causing homeotropic alignment of liquid crystal is space between ends」と題された米国特許ｎ°US 5 313 562を参照することができる。Ｄｕｐｏｎｔによるこの論部の本文およびMarconi GEC社による米国特許ｎ°US 5 313 562の本文は、これらを参照することにより、本願に組み込まれる。

しかしながら、これらのスメクチック液晶溶液は、殆どの場合、アライメントの質的制約が高く（アライメント層を使用する必要がある）、変調角が低い。

本発明の目的は、特に、従来技術のこれらの様々な欠点を解消することである。
より正確には、本発明の目的の１つは、切換時間（再設定時間とも称される）が非常に短く、光ファイバにおける現代の高流速（high flow rate）に適合できる急速制御（数十μｓ）が可能な偏光制御装置を提供することである。

また、本発明の目的は、動的エンドレス制御を行なうことができるそのような偏光制御装置を提供することである。

本発明の他の目的は、特に前述した周知の技術を使用して製造された偏光制御装置と比べて製造コストが低い偏光制御装置を提供することである。

本発明の他の目的は、アライメント層が不要な偏光制御装置を提供することである。

これらの様々な目的および以下に明らかとなる他の目的は、発光ビームの形態で伝送される偏光制御装置を使用して本発明により達成される。前記装置は、
互いに略平行な２枚の基板プレートから成り、これらの基板プレートの間に高分子を含む内容物が封入され、高分子中に液晶滴が分散されたセルと、
発光ビームの広がり方向と略直交する電界をセル内容物の少なくとも一部に対して加える第１の印加手段と、
を備え、
第１の電界が加えられたか否かに応じて、セル内容物の少なくとも一部が複屈折媒体または等方性媒体をそれぞれ形成する。

液晶滴のサイズは、発光ビームの波長よりもかなり小さいことが有益であり、１：１０の比だけ発光ビームの波長よりも小さいことが好ましい。

したがって、本発明の一般的な原理は、偏光制御装置において、液晶を、ポリマーマトリクス中に分散された小径の液晶滴で構成される多相系と交換することから成る。この多相系は、「ナノＰＤＬＣ」（高分子分散液晶）と呼ばれる。従来のＰＤＬＣ多相系においては、液晶滴のサイズが入射光の波長に匹敵しており、拡散現象が存在する。そのような拡散現象は、液晶滴が前記波長よりも小さいという事実により、本発明のナノＰＤＬＣ多相系と共に存在しない。

ナノＰＤＬＣの利点は、特に、使用の容易性、液晶のための配向層（orientation layer）の不存在、構造の経時的安定性、および迅速な応答時間である。

電界が加えられない場合には、液晶滴中に配向ベクトル（directing vector）の統計的分布が存在する。媒体を通じて広がる波は、液晶の屈折率と高分子の屈折率との間の平均屈折率を有している。実際に、液晶滴の内側のディレクタの方向は、高分子と液晶との間の界面での相互作用によって決定される。これらの方向は、電界が存在しない場合には、一般に、不規則にばらつく。

光の広がり方向と直交する電界を加えることにより、液晶滴が再配向され、これにより、広範囲にわたる屈折変調が生じる（統計的特徴の部分消失？）。すなわち、発光ビームは、複屈折材料と出会う。

なお、光の広がり方向と同一直線上に電界が加えられると、屈折率の変調（複屈折）が生じる。

また、本発明は、電界を加えるという全く新規で且つ工夫に富んだ構造に基づいている。光の広がり方向と（ほぼ）直交する電界が加えられ、これにより、発光ビームが複屈折材料と出会う。

これに対し、ＰＤＬＣセルを使用する際の従来の構造においては、電界が光の広がり方向と同一直線上であることを思い出されたい。これにより、液晶滴中で液晶ディレクタが再配向される。液晶滴中の液晶の配向ベクトルは、それ自体、加えられる電界と一直線を成す傾向があるが、統計的には、各液晶滴の方向は、加えられる電界がその対称軸である円錐上で広がる。その後、波は、加えられる電界とは無関係に、等方性を維持する媒体と出会う。材料の屈折率だけが変化する。加えられる電界に基づく材料屈折率の進展は、高いＵＶ放射線強度の場合、法則δｎ＝αＥ²に従うことが研究により分かった。ここで、α＝５．１０^-5μｍ²／Ｖ²である。

ネマチック液晶溶液と比べて、本発明の偏光制御装置は、非常に急速である。

また、本発明の偏光制御装置は、スメクチック液晶溶液（デュポンの論文および前述した米国特許ｎ°US 5 313 562を参照）よりも良質であり、光学的に非常に均質である（大きい厚さに関するアライメント問題が無く、アライメント層も無い）。また、これらとは異なり、本発明の偏光制御装置は、連続電圧の問題を有していない。最後に、本発明の偏光制御装置は、周知のスメクチック液晶溶液と同じ程度に短い切換時間を有している。

第１の電界を加える第１の印加手段は、基板プレートと略平行に位置された少なくとも一対の電極を備えることが有益である。

１つの有利な特徴において、第１の電界を加える第１の印加手段は、加えられる電界を所望の方向に向けることができる複数対の電極を備える。

複数対の電極が星形に位置され、これにより、第１の電界を連続的なローテーションで加えることができることが有益である。

本発明の第１の有利な実施形態において、第１の電界を加える第１の印加手段は、２枚の基板プレートの一方の面上に形成された少なくとも一対の２次元電極を備える。

第１の電界を加える第１の印加手段は、
セル内容物と接触する２枚の基板プレートのうちの一方の内面上に形成された少なくとも１つの第１の２次元電極対と、
セル内容物と接触する２枚の基板プレートのうちの他方の内面上に形成された少なくとも１つの第２の２次元電極対と、
を備え、
前記少なくとも第１および第２の２次元電極対が互いに相補的（complementary）であり、これにより、これらの電極対が第１の電界の浸透深さを増大させることが有益である。

本発明の第２の有利な実施形態において、第１の電界を加える第１の印加手段は、少なくとも一対の３次元電極を備えるとともに、セル内容物の厚さの少なくとも本質的部分に少なくとも等しい厚さを有している。

２次元（すなわち、薄い）電極を用いる前述した第１の実施形態において、セルの厚さ内での電界の浸透深さは、依然として浅く、均質ではない。したがって、大きな位相オフセットを得ることは難しい。３次元（すなわち、厚い）電極を用いる前述した第２の実施形態は、この欠点を解消することを目的としている。

２枚の基板プレートは、光ファイバ端部を有するガラスプレートを含むグループに属していることが好ましい。

前記第１の印加手段によって加えられる第１の電界の振幅は、前記第１の電界に応じて所定の複屈折変調を得るように予め決定されることが有益である。

１つの有利な変形例において、前記装置は、第２の電界をセル内容物の前記少なくとも一部に対して加える第２の印加手段を更に備え、第２の電界は、前記第１の電界と第２の電界との総和に応じて所定の複屈折変調を得るようにその振幅が予め決定されている。

本発明の１つの有利な実施形態において、前記装置は、可変複屈折変調を得るように第１の電界及び／又は第２の電界の振幅を変えることができる手段を備える。

また、本発明は、偏光モード分散補償システムの使用における前述した前記偏光制御装置の適用に関する。

本発明の他の特徴および利点は、添付図面を参照しながら、非制限的な一例として与えられた本発明の好ましい実施形態に関する以下の説明を読むと明確になる。

このように、本発明は、特に図１に関して前述した偏光モード分散補償システムの一部として使用できる偏光制御装置に関する。

図２の簡略化された図に示されるように、本発明の特定の実施形態において、偏光制御装置２０は、以下のものを備える。すなわち、
互いに略平行な２枚のガラスプレート６および７から成り、これらのガラスプレートの間にナノＰＤＬＣ材料が封入されたセル。ナノＰＤＬＣ材料は高分子８を含み、この高分子中には液晶滴９が分散されている。液晶滴のサイズ（例えば、数十ナノメートル）は、１：１０の比だけ、発光ビームの波長よりも小さい。

発光ビーム１０の広がり方向Ｄと略直交する電界Ｅ（図３および図４参照）をセル内容物の少なくとも一部に対して加えることができる少なくとも一対の電極（図４および図５に関連して、後で詳しく述べる）。

動作原理は以下の通りである。すなわち、電界が加えられたか否かに応じて、セル内容物の少なくとも一部が複屈折媒体または等方性媒体をそれぞれ形成する。

電界が加えられない場合、液晶滴中に配向ベクトルの統計的分布がある。ナノＰＤＬＣ媒体を通じて広がる波は、全ての液晶滴における平均液晶の屈折率と高分子の屈折率との間の平均屈折率を有する等方性媒体と出会う。現象論的な式は、変動を与える。

ここで、ｘは高分子の組成比に対する液晶の組成比を示しており、ｎ_Cl（Ｅ）は、加えられる電界Ｅに依存し且つ以下のように書くことができる全ての液晶滴における平均液晶屈折率を示している。

ここで、ｎ₀およびｎ_eはそれぞれ、液晶の通常屈折率および異常屈折率である。

発光ビームの広がり方向Ｄと垂直に電界Ｅが加えられる（図３に示されるように）と、ナノＰＤＬＣ材料中で広がる波は、その通常屈折率および異常屈折率を以下のように表わすことができる複屈折媒体と出会う。

電圧が２０Ｖ／μｍ程度である場合、許容できる拡散損失において、０．０１程度の複屈折が得られることが測定により分かった。

図６および図７のグラフは、電極間の間隔がそれぞれ３０μｍ（図６）および２０μｍ（図７）である場合における、ナノＰＤＬＣ材料セルの厚さと、位相オフセットを得るために必要な電圧πとの間の関係を示している。印加された２０Ｖ／μｍの電界においては、最大屈折率変動が０．０１３程度であると考える。位相オフセットが薄い厚さから得られることが分かる。これは、視準レンズが無い装置を考えることができ、ビームの発散に起因する損失が依然として非常に低い（例えば、従来のモノモード光ファイバの場合には０．１ｄＢ、および引伸コア（stretched core）光ファイバの場合には無視できる）ため、重要なポイントである。

ここで、我々は、図４および図５に関連して、本発明の偏光制御装置に含まれる電極の２つの実施形態を与える。

いずれの場合においても、我々は、２つのガラスプレート６および７のうちの少なくとも一方において、当該ガラスプレートと略平行な平面内で星形に位置される複数対（例えば３対）の電極を備える電極系を採用する。特に、この電極系は、当該ガラスプレートと直交する対称軸Ｏｙを有している。この対称軸Ｏｙは、光が広がる方向Ｄと同じである。したがって、その方向が完全に制御されるとともに連続的且つ無限に回転可能な電界を加えることができる。

特に、各電極対の電極間に可変電圧を印加することにより、可変複屈折変調を達成することができる。

図４に示される第１の実施形態において、参照符号６で示されるガラスプレートの電極系は、３対の２次元電極（４１ａ、４１ｂ）、（４２ａ、４２ｂ）、（４３ａ、４３ｂ）を備える。これらの電極は、ガラスプレートの一方の面上に形成され、好ましくは、セル内に封入されるナノＰＤＬＣ材料と接触する内面上に形成されている。これらの電極は、透明導体堆積物（ＩＴＯ）または金属堆積物のいずれかからフォトリソグラフィによって得ることができる。例えば、電解成長工程を含むＬＩＧＡ技術が使用される。同じ電極対の各電極（例えば、図４に参照符号４１ａおよび４１ｂで示される電極）に対してオフセット位相電圧を印加することにより、ガラスプレートと平行な電界Ｅが形成される。その後、電極系の中心を通過するビームは、複屈折材料と出会う。

ガラスプレートは、両方とも、（電界の軸Ｏｙに沿って）浸透深さを増大させることができる相補的な電極系を有していても良い。

図５に示される第２の実施形態において、（２枚のガラスプレートに共通の）電極系は、分厚い（数十ミクロン厚）３対の（固体）３次元電極（５１ａ、５１ｂ）、（５２ａ、５２ｂ）、（５３ａ、５３ｂ）を備える。これらの電極は、導電材料（金属）または半導体（シリコン等）によって形成されても良い。これらの電極は、基板フォトリソグラフィにより、または、ミクロポイントを使用することにより、形成されても良い。

本発明の偏光制御装置の利点は、特に、以下の通りである。すなわち、
加えられる電界の均一性；
単一の電圧コマンドによるディレクタ軸回転および屈折率変調の二重機能；
簡略化された電子インタフェース；
頑丈な機械的構造；
活性成分から成る薄層（１０〜１５μｍ）への望ましい影響を許容する材料の効果的な封じ込め；
モノモードファイバまたは引伸コアモノモードの用途に適合する、あるいは、適度な電圧の使用を許容する外部の視準マイクロレンズを含む、数十μｍ（一般的には、３０μｍ）の作用瞳孔。ナノＰＤＬＣは依然として十分に薄いため、ファイバからの光ビームは、材料を通過する際に広がらない。

そのような状況において、光学的補償装置における仕様は、以下の通りである。

随意的に、本発明の偏光制御装置は、
光が広がる方向と直交する電界を加えることができる前述した第１の手段の他に、
第２の電界を加える他の（第２の）手段、
を備える。

この場合、得られる複屈折変調は、第１の電界と第２の電界との総和に依存している。したがって、これらの２つの電界に適した振幅を選択することにより、所定の複屈折変調が得られる。

また、可変複屈折変調が望ましい場合には、可変振幅を用いて第１及び／又は第２の電界を加えることができる手段を設けることができる。

偏光制御装置と、偏光保持ファイバと、偏光保持ファイバにおける偏光度合いを測定するための手段とを備える偏光モード分散補償システムの概略図を示している。本発明の偏光制御装置の特定の実施形態の概略図を示している。発光ビームの広がり方向と直交する電界を加えている状態を示している。本発明の偏光制御装置の一部である（２次元）電極の第１の実施形態の概略図を示している。本発明の偏光制御装置の一部である（３次元）電極の第２の実施形態の概略図を示している。電極間の間隔が３０μｍである場合における、本発明の偏光制御装置内に含まれるセルの厚さと、位相オフセットを得るために必要な電圧πとの間の関係を示すグラフを示している。電極間の間隔が２０μｍである場合における、本発明の偏光制御装置内に含まれるセルの厚さと、位相オフセットを得るために必要な電圧πとの間の関係を示すグラフを示している。

Claims

発光ビームの形態で伝送される信号の偏向を制御するための装置において、
互いに略平行な２枚の基板プレートから成り、これらの基板プレートの間に高分子を含む内容物が封入され、高分子中に液晶滴が分散されたセルと、
発光ビームの広がり方向と略直交する第１の電界をセル内容物の少なくとも一部に対して加える第１の印加手段と、
を備え、
第１の電界が加えられたか否かに応じて、セル内容物の少なくとも一部が複屈折媒体または等方性媒体をそれぞれ形成することを特徴とする装置。
前記液晶滴のサイズは、前記発光ビームの波長よりもかなり小さいことを特徴とする請求項１に記載の装置。
前記液晶滴のサイズは、１：１０の比だけ、前記発光ビームの波長よりも小さいことを特徴とする請求項２に記載の装置。
前記第１の電界を加える前記第１の印加手段は、前記基板プレートと略平行に位置された少なくとも一対の電極を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の装置。
前記第１の電界を加える前記第１の印加手段は、加えられる前記電界を所望の方向に向けることができる複数対の電極を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の装置。
前記複数対の電極が星形に位置され、これにより、第１の電界を連続的に順に加えることができることを特徴とする請求項５に記載の装置。
前記第１の電界を加える前記第１の印加手段は、前記２枚の基板プレートの一方の面上に形成された少なくとも一対の２次元電極を備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の装置。
前記第１の電界を加える第１の印加手段は、
セル内容物と接触する２枚の基板プレートのうちの一方の内面上に形成された少なくとも１つの第１の２次元電極対と、
セル内容物と接触する２枚の基板プレートのうちの他方の内面上に形成された少なくとも１つの第２の２次元電極対と、
を備え、
前記少なくとも第１および第２の２次元電極対が互いに相補的であり、これにより、これらの電極対が前記第１の電界の浸透深さを増大させることを特徴とする請求項７に記載の装置。
前記第１の電界を加える前記第１の印加手段は、少なくとも一対の３次元電極を備えるとともに、前記セル内容物の厚さの本質的部分に少なくとも等しい厚さを有していることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の装置。
前記２枚の基板プレートは、光ファイバ端部を有するガラスプレートを含むグループに属していることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の装置。
前記第１の印加手段によって加えられる前記第１の電界の振幅は、前記第１の電界に応じた所定の複屈折変調を得るように予め決定されることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の装置。
第２の電界を前記セル内容物の前記少なくとも一部に対して加える第２の印加手段を更に備え、前記第２の電界は、前記第１の電界と該第２の電界との総和に応じて所定の複屈折変調を得るようにその振幅が予め決定されることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の装置。
可変複屈折変調を得るように、前記第１の電界及び／又は第２の電界の振幅を変えることができる手段を備えることを特徴とする請求項１１または１２に記載の装置。
偏光モード分散を補償するためのシステムの使用における請求項１〜１３のいずれかに記載の偏光制御装置の適用。