JP2006350332A

JP2006350332A - ヘテロダイン干渉法のためのファイバ内における２つのほぼ直交する偏光の能動制御及び検出

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Publication number: JP2006350332A
Application number: JP2006159224A
Authority: JP
Inventors: Joanne Y Law; ヨハン・ワイ・ロー; Raymond K L Yeung; レイモンド・ケー・エル・ユング; Eric S Johnstone; エリック・エス・ジョンストン; Kerry D Bagwell; ケリー・ディー・バッグウェル
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2005-06-17
Filing date: 2006-06-08
Publication date: 2006-12-28
Also published as: US20060285119A1; DE102006007411A1; NL1032008C2; NL1032008A1; DE102006007411B4; US7362445B2; CN1881063A

Abstract

【課題】ヘテロダイン干渉法のためのファイバ内における２つのほぼ直交する偏光を制御するシステムおよび方法を提供する。
【解決手段】偏光制御システムには、偏光状態及び光周波数が異なる２つの光ビームを発生する光源が含まれている。偏光状態変調器によって、２つの光ビームの偏光状態が変化させられる。第１の検出光路によって、第１の偏光子を通過する２つの光ビームから第１のビート信号が発生する。第２の検出光路によって、第１の偏光子に対してほぼ直行する向きにされた第２の偏光子を通過する２つの光ビームから第２のビート信号が発生する。振幅検出器によって、第１及び第２のビート信号から振幅ビート信号が発生する。このシステムは、次に、振幅ビート信号を利用して、所望の偏光状態の第１及び第２の光ビームを発生するために、偏光状態変調器をいかに調整するかを決定する。
【選択図】図５

Description

本発明は、コヒーレント光源の偏光の能動制御に関するものである。

レーザ干渉計位置決めシステムの典型的な用途には、集積回路（ＩＣ）製造装置（ウェーハ・ステッパ、ステップ・アンド・スキャン・ツール、及び、Ｅビーム・リソグラフィ・システム）、精密工作機械、及び、カスタム・ステージが含まれる。位置決め測定の精度及び正確さは、これらのシステムの性能にとって極めて重要である。これらのタイプの装置に組み込まれると、位置決めシステムは、位置を測定し、高い精度と正確さで、プラットフォーム（platform）の移動を制御する。

本発明の課題は、ヘテロダイン干渉法のためのファイバ内における２つのほぼ直交する偏光を制御するシステムおよび方法を提供することにある。

本教示の実施態様の１つによれば、偏光制御システムには、偏光状態及び光周波数が異なる２つの光ビームを発生する光源が含まれている。偏光状態変調器によって、２つの光ビームの偏光状態が変化させられる。第１の検出光路によって、第１の偏光子を通過する２つの光ビームから第１のビート信号が発生する。第２の検出光路によって、第１の偏光子に対してほぼ直行する向きにされた第２の偏光子を通過する２つの光ビームから第２のビート信号が発生する。振幅検出器によって、第１及び第２のビート信号から振幅ビート信号が発生する。このシステムは、次に、振幅ビート信号を利用して、所望の偏光状態の第１及び第２の光ビームを発生するために、偏光状態変調器をいかに調整するかを決定する。

この後、本開示の文脈内において用いられるいくつかの用語が定義される。リターダ（または波長板）は、光波を２つの直交偏光成分に分解し、それらの間に位相シフト（リターダンスとして定義される）を生じさせる光学素子である。結果生じる光波は、一般に、異なる偏光形態を備えている。本文書におけるリターダの全ての角方向（angle orientations）は、水平軸（ｘ軸）に対する遅軸の向き（orientation）を表わしている。可変リターダは、例えば、電圧の印加といった、外部手段によってそのリターダンスを変更することが可能なリターダである。

偏光状態変調器（ＰＳＭ）は、入力偏光状態を出力偏光状態に変換する装置である。出力偏光状態は、例えば、電圧のような、ＰＳＭに加えられる１つ以上の外部入力によって制御される。出力偏光状態は、一般に、入力偏光状態とは異なる。例えば、ＰＳＭは、複数可変リターダから構成することが可能である。

図１には、２００３年５月１５日に提出された米国特許出願公開第１０／４３９，９７０号明細書、すなわち、現在の米国特許第６，９６１，１２９号明細書に開示の偏光制御システム１０が示されている。システム１０は、遠隔操作構成で実施される。偏光状態変調器が、変位を測定するための干渉システムに供給する単一ファイバより上方に位置している。

光源１２は、（１）偏光状態がＰ１で、周波数がω１の基準ビームＥ１と、（２）偏光状態がＰ２で、周波数がω２のテスト・ビームＥを発生する。実施例の１つでは、光源１２に、ヘリウム・ネオン（ＨｅＮｅ）・レーザ、及び、所望の偏光及び周波数を生じさせるのに必要な電気光学素子が含まれている。例えば、光源１２は、アジレント・テクノロジ社製の５５１７Ｄレーザである。電圧制御式偏光状態変調器（ＰＳＭ）１４が、ビームＥ１及びＥ２を受光し、それぞれ、その偏光状態をＰ１’及びＰ２’に調整してから、ファイバ１６に送り出す。電圧制御式ＰＳＭ１４は、任意の入力偏光状態を任意の所望の出力偏光状態に変化させる働きをする。実施態様の１つでは、電圧制御式ＰＳＭ１４には、０°に方向付けされた電圧制御式可変リターダ１８、４５°に方向付けされた電圧制御式可変リターダ２０、及び、０°に方向付けされた電圧制御式可変リターダ２２が含まれている。リターダ１８、２０、及び、２２は、それぞれ、リターダンスΓ１、Γ２、及び、Γ３を生じるように、電圧Ｖ１、Ｖ２、及び、Ｖ３によって制御される。

ファイバ１６によって、ビームＥ１及びＥ２は下流の測定サイトに送られる。実施態様の１つでは、ファイバ１６は、偏波面保存（ＰＭ）光ファイバである。実験結果が示すように、ファイバ１６は、温度変動、ファイバの機械的変形、及び、機械的振動のために、それぞれ、ビームＥ１及びＥ２の偏光状態をＰ１”及びＰ２”に変化させる。それにもかかわらず、ファイバ１６によって生じる、ビームＥ１とＥ２の偏光状態間における直交関係の変化は、ごくわずかである。

測定サイトにおいて、ビーム・スプリッタ２４によって、ビームＥ１及びＥ２が分割され、２つの光路に送り込まれる。出力光路２６によって、ビームＥ１及びＥ２は距離測定干渉（今後はＤＭＩ）システムに伝送される。モニタ光路２８によって、ビームＥ１及びＥ２は、後述するビームＥ１及びＥ２の偏光状態をモニタして、保持するコンポーネントに伝送される。これらのコンポーネントの一部または全ては、測定サイトに配置するか、または、測定サイトから離して配置することが可能である。例えば、コンポーネント３８、５２、及び、６２を出射する光は、それぞれ、集束レンズと連係する多モード・ファイバに結合されて、測定サイトから離れた検出コンポーネントに至る。

ビーム・スプリッタ３０は、光路２８からのビームＥ１及びＥ２を受光して、分割し、２つの光路に送り込む。光路３２によって、ビームＥ１及びＥ２は第１の検出光路３４（「第１の偏光子段階」としても知られる）に伝送され、光路３６によって、ビームＥ１及びＥ２は他の検出光路に伝送される。第１の検出光路３４には、選択された偏光状態Ｐ３にあるビームＥ１及びＥ２の成分が光検出器４０に到達できるようにする偏光子３８が含まれている。光を集束させるため、偏光子３８と光検出器４０の間に集束レンズを挿入することが可能である。受光する光の強度に応答して、光検出器４０は、（ω１−ω２）のトーン（tone）周波数のビート信号Ｂ１を振幅検知装置４２に伝送する。ビート信号Ｂ１は、検出される光パワーを表わしている。ビート信号Ｂ１を増幅するため、光検出器４０と振幅検知装置４２の間に増幅器を挿入することが可能である。オプションにより、第１の検出光路３４には、偏光子３８の前に、１つ以上の波長板３７を含むことが可能である。波長板３７及び偏光子３８は、ビームＥ１及びＥ２の出力偏光状態の所望する向きに基づいて選択される。すなわち、波長板３７及び偏光子３８は、偏光状態の変化に関連したビート信号Ｂ１の振幅感度を最大にするように（例えば、ＰＳＭ１４のリターダンスΓ１、Γ２、及び、Γ３の変化に関してビート信号Ｂ１の振幅の勾配を大きくするように）選択される。

ビーム・スプリッタ４４は、光路３６からビームＥ１及びＥ２を受光し、それらを分割して、２つの光路に送り込む。光路４６によって、ビームＥ１及びＥ２は第２の検出光路４８（「第２の偏光子段階」としても知られる）に伝送され、光路５０によって、ビームＥ１及びＥ２は別の検出光路に伝送される。第２の検出光路４８には、選択された偏光状態Ｐ４にあるビームＥ１及びＥ２の成分が光検出器５４に到達できるようにする偏光子５２が含まれている。偏光子５２と光検出器５４の間には、集束レンズを挿入することが可能である。受光する光の強度に応答して、光検出器５４はビート信号Ｂ２を位相検出器５６に伝送する。光検出器５４と位相検出器５６の間に増幅器を挿入することが可能である。オプションにより、第２の検出光路４８には、偏光子５２の前に、１つ以上の波長板５１を含むことが可能である。波長板５１及び偏光子５２は、ビームＥ１及びＥ２の出力偏光状態の所望する向きに基づいて、大ビート信号Ｂ２を発生するように選択される。

光路５０によって、ビームＥ１及びＥ２は第３の検出光路５８に伝送される（「第３の偏光子段階」としても知られる）。第３の検出光路５８には、選択された偏光状態Ｐ５にあるビームＥ１及びＥ２の成分が光検出器６４に到達できるようにする偏光子６２が含まれている。偏光子６２と光検出器６４の間には、集束レンズを挿入することが可能である。受光する光の強度に応答して、光検出器６４はビート信号Ｂ３を位相検出器５６に伝送する。光検出器６４と位相検出器５６の間に増幅器を挿入することが可能である。オプションにより、第３の検出光路５８には、偏光子６２の前に、１つ以上の波長板６０を含むことが可能である。波長板６０及び偏光子６２は、第１の検出光路３４において振幅検知装置４２によって検出される最小振幅に対応する、ビームＥ１及びＥ２の可能性のある２つの解のそれぞれについて、ビート信号Ｂ２とは異なる位相関係をなすビート信号Ｂ３を発生するように選択される。実施態様の１つでは、位相関係は、位相が９０°ずれることになる（すなわち、ビート信号Ｂ２及びＢ３は、直角位相をなす）。

位相検出器５６は、ビート信号Ｂ２とＢ３の位相差ΔΨを求める。振幅検知装置４２は、トーン周波数（すなわち、ω１−ω２）におけるビート信号Ｂ１の振幅Ｂ１’を求める。コントローラ４３は、トーン振幅Ｂ１’及び位相差ΔΨを利用して、ファイバ１６の出射時に、ビームＥ１及びＥ２の所望の偏光状態が得られるようにするため、ＰＳＭ１４に加えられる制御電圧を発生する。コントローラ４３とＰＳＭ１４の間に増幅器を挿入して、制御信号を増幅することが可能である。コントローラ４３は、アナログまたはディジタル・コンポーネントを用いて実施することが可能である。

すなわち、コントローラ４３は、トーン振幅Ｂ１’が２つの極小の一方に達するまで、ＰＳＭ１４を調整する。トーン関数は、ビームＥ１及びＥ２の２つの可能性のある向きに対応する２つの縮退解（degenerate solutions）を備えているので、ビームＥ１及びＥ２の全ての直交偏光状態がシステムに適用されると、トーン振幅Ｂ１’に２つの極小があることが明らかになるであろう。位相差ΔΨは、ビームＥ１及びＥ２の２つの向きに対応する２つの極小の値が異なるので、コントローラ４３は、位相差ΔΨを利用して、ビームＥ１及びＥ２の偏光状態を一意的に決定する。位相差ΔΨの値とビームＥ１及びＥ２の向きとの間の正確な対応は、一般に、ジョーンズ計算を利用して導き出すことが可能である。

システム１０において重要なフィードバック信号は、検出光路４０におけるリターダ及び偏光子の組み合わせによってビームＥ１及びＥ２の２つの偏光状態を混合することで生じる、トーン振幅Ｂ１’である。システム１０は、上流でビームＥ１及びＥ２の偏光状態を能動的に変化させて、下流で検出されるトーン振幅Ｂ１’が、必ず最小限に抑えられるようにする。

２つの偏光が互いに完全に直交するのが望ましい場合、振幅ビート信号の１つをモニタすれば、干渉システムにおいて、ビームＥ１及びＥ２の両方の偏光状態のアライメントが、正確にとれているか確認するのに十分である。しかし、実際には、ビームＥ１とＥ２が完全に直交することはめったにない。トーン振幅Ｂ１’を極小にロック（lock:固定）することによって、一方のビーム（例えば、Ｅ１）の偏光状態が、検出光路４０において検出される偏光状態に対して直交させられ、こうして固定化され、安定化される。しかし、もう一方のビーム（例えば、Ｅ２）の偏光状態を検出または最適化しようとする試みはなされていない。同じ光路に沿って進行するビームＥ１及びＥ２の２つの偏光状態の個別制御を実現することができるかは、不明確であるかもしれないが、２つの偏光状態間のバランスをとる（すなわち、トレードオフを行う）ことによって、２つの偏光状態のどちらも、所望の直交偏光状態からあまりにもかけ離れたものにならないように、２つの偏光状態の全体としての良好な偏光アライメントを実現することが可能になる。これは、一方の偏光状態は完全にアライメントがとられ、もう一方の偏光状態は完全にはモニタされないまま放置されるよりも望ましい場合が多い。

図２には、本教示の実施態様の１つにおいて両方の偏光状態をモニタする偏光制御システム２００が例示されている。このシステム２００は、第４の検出光路３４Ｂが追加されている点を除くと、システム１０と同様である。

ビーム・スプリッタ３０Ｂが光路３２に挿入され、光ビームＥ１及びＥ２を分割して、２つの光路に送り込む。光路３２Ａによって、光ビームＥ１及びＥ２は、上述のように検出光路３４に伝送される。光路３２Ｂによって、光ビームＥ１及びＥ２は第４の検出光路３４Ｂに伝送される。第４の検出光路３４Ｂには、選択された偏光状態Ｐ６にあるビームＥ１及びＥ２の成分が光検出器４０Ｂに到達できるようにする偏光子３８Ｂが含まれている。実施態様の１つでは、偏光子３８Ｂは、第２の偏光状態を検出するため、偏光子３８とほぼ直交するよう方向付けされる。光を集束させるため、偏光子３８Ｂと光検出器４０Ｂの間に集束レンズを挿入することが可能である。受光する光の強度に応答して、光検出器４０Ｂは、（ω１−ω２）のトーン周波数のビート信号Ｂ１ｂを振幅検知装置４２Ｂに伝送する。ビート信号Ｂ１ｂは、検出される光パワーを表わしている。ビート信号Ｂ１ｂを増幅するため、光検出器４０Ｂと振幅検知装置４２Ｂの間に増幅器を挿入することが可能である。オプションにより、第４の検出光路３４Ｂには、偏光子３８Ｂの前に、１つ以上の波長板３７Ｂを含むことが可能である。波長板３７Ｂ及び偏光子３８Ｂは、ビームＥ１及びＥ２の出力偏光状態の所望する向きに基づいて選択される。

振幅検知装置４２Ｂが、ビート信号Ｂ１及びＢ１ｂに応答して、振幅信号Ｓを発生する。一般に、振幅信号Ｓは、それぞれ、ビート信号Ｂ１及びＢ１ｂの振幅Ｂ１’及びＢ１ｂ’の関数となるように選択することが可能である。実施態様の１つでは、振幅信号Ｓは、下記のように定義される、重み付けされた平均二乗信号（weighted mean-squared signal）である。
Ｓ＝Ｋ１^＊Ｂ１’^２＋Ｋ２^＊Ｂ１ｂ’^２、
ここで、Ｋ１及びＫ２は定数である。Ｋ１及びＫ２は、信号Ｓの最小値によって、両方の偏光状態の良好なアライメントがとれるように、経験的に選択される。

図３には、実施態様の１つにおいて、システム２００を所望の偏光方向にロックするための方法３００が例示されている。ステップ１０４において、コントローラ４３が、正しい偏光方向となるような、Ｓの極小値を生じることになる、リターダンスΓ１、Γ２、及び、Γ３の初期解についてグローバル・サーチ(global search:全域調査)を実施する。初期解におけるΓ１、Γ２、及び、Γ３の値は、初期リターダンス値として利用される。ステップ１０４の実施態様の１つについては、図４を参照して後述する。

ステップ１０６〜１１４では、コントローラ４３が、リターダ１８のリターダンスΓ１を調整して、リターダンスΓ１によって実現可能な信号Ｓの最小値を求める。すなわち、ステップ１０６では、コントローラ４３が、リターダ１８を選択する。ステップ１０８では、コントローラ４３が、電圧Ｖ１を調整して、リターダンスΓ１をインクリメントする。ステップ１１０では、コントローラ４３が、信号Ｓの値が減少したか否かを判定する。減少した場合には、ステップ１１０にステップ１０８が後続する。そうでなければ、ステップ１１０にステップ１１２が後続する。

ステップ１１２では、コントローラ４３が、電圧Ｖ１を調整してリターダンスΓ１をデクリメントする。ステップ１１４では、コントローラ４３が、信号Ｓの値が減少したか否かを判定する。減少した場合には、ステップ１１４にステップ１１２が後続する。そうでなければ、ステップ１１４にステップ１１６が後続する。

ステップ１１６〜１２４では、コントローラ４３が、リターダ２０のリターダンスΓ２を調整して、リターダンスΓ２によって実現可能な信号Ｓの最小値を求める。信号Ｓの最小値が実現すると、ステップ１２４にステップ１２６が後続する。ステップ１２６〜１３４では、コントローラ４３が、リターダ２２のリターダンスΓ３を調整して、リターダンスΓ３によって実現可能な信号Ｓの最小値を求める。信号Ｓの最小値が実現すると、ステップ１３４にステップ１３６が後続する。

ステップ１３６では、コントローラ４３が、現在の繰り返しに関する信号Ｓの値を記録する。ステップ１３８では、コントローラ４３が、信号Ｂ２とＢ３との位相差ΔΨを求める。ステップ１４０では、コントローラ４３が、位相差ΔΨの値が、Ｅ１及びＥ２の所望の出力偏光状態に対応するか否かを判定する。ファイバ１６の状態に、Ｅ１及びＥ２の偏光状態に大きい急激な変化を生じさせる、大きい急激な変化があると、位相差ΔΨは所望の出力偏光状態に対応することができなくなり、そのため、制御ループのロックが瞬間的に損なわれる可能性があり、従って、システムは、その後、同じ初期解にロックすることができなくなる。もしそうなら、ステップ１４０にステップ１０４が後続し、方法３００を繰り返して、リターダンスΓ１、Γ２、及び、Γ３のもう１つの初期解が探し求められる。位相差ΔΨが、Ｅ１及びＥ２の所望の出力偏光状態に対応する場合には、ステップ１４０にステップ１４２が後続する。

ステップ１４２では、コントローラ４３が、信号Ｓの現在値が前回の繰り返しによる信号Ｓの記録値と同じであるか否かを判定する。同じであれば、ステップ１４２にステップ１３６が後続し、方法３００は、信号Ｓの値が変わるまで、ループをたどる。信号Ｓの現在値が前回の繰り返しによる信号Ｓの記録値と同じでなければ、ステップ１４２にステップ１０６が後続し、方法３００を繰り返して、信号Ｓの別の極小が探索される。

図４には、コントローラ４３が、Ｅ１及びＥ２の偏光状態の一部または全てを探索して、Ｅ１及びＥ２の偏光状態の所望する向きをもたらすリターダンスΓ１、Γ２、及び、Γ３の初期解を求める、ステップ１０４の実施態様の１つが例示されている。

ステップ４０２では、コントローラ４３が、リターダンスΓ１、Γ２、及び、Γ３の全範囲にわたって信号Ｓの極小を探索する。ステップ４０４では、コントローラ４３が、信号Ｓの極小の最小を選択する。ステップ４０６では、コントローラ４３が、信号Ｓの選択された極小が、所望の位相差ΔΨ_０にほぼ等しい位相差ΔΨに対応するか否かを判定する。前述のように、ΔΨ_０＝ΔΨとなるような、Ｓの極小値は、Ｅ１及びＥ２の所望の出力偏光状態に対応する。位相差ΔΨが所望の位相差ΔΨ_０にほぼ等しい場合、ステップ４０６にステップ４１０が後続する。そうでなければ、ステップ４０６にステップ４０８が後続する。ステップ４０８では、コントローラ４３が信号Ｓの次に最小の極小を選択する。ステップ４０８にステップ４０６が後続し、コントローラ４３が、所望の位相差ΔΨ_０にほぼ等しい位相差ΔΨを備えた信号Ｓの極小を見つけるまで、このプロセスが繰り返される。ステップ４１０では、コントローラ４３が、方法３００に関する初期解として、信号Ｓの選択された極小に関するリターダンスΓ１、Γ２、及び、Γ３の値を保存する。

コントローラ４３は、リターダのそれぞれについて２πを超える可能性のある、可変リターダ１８、２０、及び、２２の全リターダンス範囲にわたって信号Ｓの極小を探索することが可能である。理論的には、２πの整数倍だけ異なるリターダンス値は、縮退解（すなわち、位相差ΔΨ_０＝ΔΨとなるような、信号Ｓの同じ最小値をもたらす解）に対応するが、実際に得られる信号Ｓの最小値は、他の要因によって制限される可能性がある。これらの要因には、電圧制御式可変リターダの電圧依存偏光依存損失があり、これによって、さらに、偏光混合が生じることになる。従って、２π及びその倍数を超えるリターダンス値の全範囲にわたって信号Ｓの極小を探索し、所望の位相差ΔΨ_０となるような、信号Ｓの最良の極小を求めるのが望ましい。

図５には、本教示による実施態様の１つにおいて偏光状態の特定の向きに適用可能な、今後はシステム５００とする、図２のシステム２００の実施例の１つが例示されている。システム５００において、光源１２が、ほぼ垂直な直線偏光（ＶＬＰ）Ｅ１とほぼ水平な直線偏光（ＨＬＰ）Ｅ２を発生する。システム５００では、ファイバ１６の出力におけるＥ１及びＥ２の偏光状態を保持するのが望ましい。従って、偏光子３８は、９０°に方向付けされ、偏光子３８Ｂは、０°で偏光子３８と直交するように方向付けされ、偏光子５２は、４５°に方向付けされ、波長板６０は、４５°に方向付けされた四分の一波長板が選択され、偏光子６２は、９０°に方向付けされる。代替偏光子３８は、１８０°二方向付けされ、偏光子３８Ｂは、９０°で偏光子３８と直交するように方向付けされる。光路２６には、オプションの四分の一波長板を含むことが可能である。

図６には、システム５００（図５）においてＥ１及びＥ２の偏光状態を調整するために用いられるＰＳＭ１４Ａの実施態様の１つが例示されている。ＰＳＭ１４Ａは、光がｚ方向に伝搬し、電圧がｘ及びｙ方向に印加される、ニオブ酸リチウム結晶（ＬｉＮｂＯ_３）のような電気光学結晶から製作された、回転式可変リターダである。ＬｉＮｂＯ_３の偏光軸及びリターダンスは、電圧Ｖ_ｘ及びＶ_ｙの両方が［−Ｖ_π、Ｖ_π］の範囲にわたって作用する場合、任意の入力偏光状態を任意の出力偏光状態に変換できるように、電圧Ｖ_ｘ及びＶ_ｙを変化させることによって制御される。ここで、半波長電圧Ｖ_π＝λｄ／（２ｎ_０ ^３ｒ_２２Ｌ）であり、λは、光ビームの波長であり、ｄは、ＬｉＮｂＯ_３の幅及び高さであり、ｎ_０は、ＬｉＮｂＯ_３の常光線屈折率であり、ｒ_２２は、ＬｉＮｂＯ_３の電気光学係数である。

実施態様の１つでは、システム５００は、方法３００（図３及び図４）と同様の方法を用いて、Ｅ１及びＥ２の所望の偏光状態を保持する。コントローラ４３が、まず、グローバル・サーチを実施して、信号Ｓの極小と所望の位相差ΔΨ_０をもたらす電圧Ｖ_ｘ及びＶ_ｙの初期値を求める。コントローラ４３は、次に、最小探索を連続実施して、所望の位相差ΔΨ_０に対応する最小値にロックする。

上述のシステムにおいて、ＰＭファイバが用いられる場合、Ｅ１及びＥ２は、一般に、わずかな偏光の変化をうける（例えば、偏光子による２０％未満のパワー変化）。従って所望の出力偏光状態を見つけてロックするため、可能性のある全ての入力偏光状態を発生することが可能なＰＳＭは不要の可能性がある。実際、適切に設計すれば、探索するか、または、ロックに用いることが必要な偏光状態の範囲を縮小することが可能になり、従って、可変リターダの１つを除去し、おそらくは、直交位相検出をなくすことが可能になる。例えば、ポアンカレ球（偏光状態の全てを表す数学的構造）の半分をカバーする偏光状態だけしか探索しなくて済む可能性がある。

図７には、本教示の実施態様の１つにおいて、偏光状態のわずかな変化に適用可能な、今後はシステム７００とする、図２のシステム２００の実施例の１つが例示されている。システム７００では、光源１２がＶＬＰＥ１及びＨＬＰＥ２を発生する。システム７００では、ファイバ１６の出力においてＥ１及びＥ２の偏光状態を保持することが望ましい。

リターダ２５２及びＰＳＭ１４Ｂを用いて、Ｅ１及びＥ２の可能性のある偏光状態のサブセットが生成される。リターダ２５２は、２２．５°に方向付けされた半波長板である。ＰＳＭ１４Ｂには、（１）０°に方向付けされ、可変リターダンスが０〜λ／２の範囲にわたる可変リターダ２５４と、（２）４５°に方向付けされ、可変リターダンスが０〜λ／２の範囲にわたる可変リターダ２５６が含まれている。意図的に他の解は排除されるので、リターダ２５２及びＰＳＭ１４Ｂによって、ポアンカレ球のほぼ半分を探索すると、システム１０Ｂはアクセス可能な信号Ｓの極小の１つだけにロックすることが可能になる。さらに、リターダ２５２及びＰＳＭ１４Ｂによって、別様であれば、エンドレスの（すなわち、リセットのない）偏光制御を施すのに１つ以上の追加可変リターダを必要とすることになるであろう、問題となる領域（例えば、ポアンカレ球の半分）内において、途切れることなく、連続して偏光状態を走査することが可能になる。

システム７００には、第１の検出光路３４と第４の検出光路３４Ｂだけしか含まれていない。ビーム・スプリッタ３０Ｂが、ビームＥ１及びＥ２を分割して、光路２８から、第１の検出光路３４のための光路３２Ａ及び第４の検出光路３４Ｂのための光路３２Ｂに送り込む。コントローラ４３が、ビート信号Ｂ１及びＢ１ｂを利用して、ＰＳＭ１４Ｂによって生じさせることが可能な入力偏光状態内の極小だけにロックする。リターダ・プレート２５２及びＰＳＭ１４Ｂによって生じさせることが可能な入力偏光状態内において、アクセス可能な極小は１つだけしかないので、初期解のグローバル・サーチは不要になる。

図８には、本教示の実施態様の１つにおけるリターダとＰＳＭが異なる点を除くと、システム７００（図７）と同様のシステム８００が例示されている。システム８００には、−４５°に方向付けされた四分の一波長板２６２と、ＰＳＭ１４Ａ（図６）が含まれている。上述のようにＰＳＭ１４Ａは、電圧Ｖ_ｘ及びＶ_ｙによって制御される回転式可変リターダ（例えば、ニオブ酸リチウム結晶）であり、ここで、電圧Ｖｘは、範囲［０，Ｖ_π］にわたって作用し、電圧Ｖｙは、範囲［−Ｖ_π，Ｖ_π］にわたって作用する。リターダ２６２及びＰＳＭ１４Ａによって、別様であれば、エンドレスの偏光制御を施すのに１つ以上の追加回転式可変リターダを必要とすることになるであろう、偏光状態内において、途切れることなく、連続してポアンカレ球の約半分を走査することが可能になる。

ヘテロダイン干渉法にとって所望の偏光状態は、一般に、ＶＬＰＥ１及びＨＬＰＥ２に対応するが、Ｅ１及びＥ２をＶＬＰ及びＨＬＰ以外の偏光状態にロックし、一方で、Ｅ１及びＥ２が干渉計に入射する前には、ＶＬＰ及びＨＬＰ状態になるようにするシステムを設計することが可能である。図９には、本教示による実施態様の１つにおけるこうしたシステム９００が例示されている。

システム９００は、後述する変更を除くと、システム７００及び８００と同様である。入力偏光状態は、ＶＬＰＥ１及びＨＬＰＥ２である。システム９００では、リターダ２５２（図７）及びリターダ２６２（図８）は用いられていない。ＰＳＭ１４Ｄには、（１）４５°に方向付けされ、０〜λ／２のリターダンス範囲にわたって作用する可変リターダ２５４Ｄと、（２）０°に方向付けされ、λ／２〜３λ／２のリターダンス範囲にわたって作用する可変リターダ２５６Ｄが含まれている。検出光路３４には、偏光子３８の前に、４５°に方向付けされた四分の一波長板６００が含まれており、最小ビート振幅が、ほぼ左円偏光（ＬＣＰ）状態Ｅ１及びほぼ右円偏光（ＲＣＰ）状態Ｅ２に対応する。同様に、検出光路３４Ｂには、偏光子３８Ｂの前に、４５°に方向付けされた四分の一波長板６００Ｂが含まれており、最小ビート振幅が、ＬＣＰ状態Ｅ１及びＲＣＰ状態Ｅ２に対応する。光路２６には、干渉計に入射する前に、ＬＣＰＥ１及びＲＣＰＥ２をＶＬＰＥ１及びＨＬＰＥ２に変換するため、４５°に方向付けされた第２の四分の一波長板６０２が含まれている。

図１０には、本教示の実施態様の１つにおいてシステム７００と９００の特徴を組み合わせたシステム１０００が例示されている。システム１０００において、光源１２は、用途によって決まる偏光状態のＥ１及びＥ２を発生する。システム７００と同様、リターダ２５２Ｅ及びＰＳＭ１４Ｅを用いて、Ｅ１及びＥ２の可能性のある偏光状態のサブセットが生成される。リターダ２５２Ｅのリターダンス及び向きは、Ｅ１及びＥ２の入力偏光状態及び所望の出力偏光状態によって決まる。システム９００と同様、検出光路３４には、偏光子３８の前に、リターダ６００Ｅが含まれており、検出光路３４Ｂには、偏光子３８Ｂの前に、リターダ６００ＥＢが含まれている。この構成によって、信号Ｓの最小値がＥ１及びＥ２の所望の偏光状態に確実に対応することになる。光路２６には、干渉計に入射する前に、Ｅ１及びＥ２を所望の偏光状態に変換するため、リターダ６０２Ｅが含まれている。やはり、リターダ６０２Ｅのリターダンス及び向きは、Ｅ１及びＥ２の所望の偏光状態によって決まる。

図１１には、ディザリング（dithering）を利用して、信号Ｓの最小値にロックする、以下ではシステム１１００とする、図２のシステム２００の実施例の１つが例示されている。ディザリングの技法によって、検出信号の導関数（符号を含む）の検出を助けるため、各制御信号に対する小さい変調項が生じる。この技法では、また、機械的振動及び温度変動のような他の要因に起因する、振幅検知装置４２Ｂによって検出される振幅の変化がフィルタで除去される。システム１１００は、信号発生器４０２、４０４、及び、４０６と、加算器４０８、４１０、及び、４１２が追加されている点を除くと、システム２００と同様である。信号発生器４０２、４０４、及び、４０６は、小直交変調信号ｓ１、ｓ２、ｓ３（周波数ｆ１、ｆ２、及び、ｆ３で正弦波となる可能性のある）を発生する。コントローラ４３は、信号ｓ１、ｓ２、ｓ３を検出すると、相関技法を利用して３つの信号４１４、４１６、及び、４１８を発生し、これらの信号を対応する制御ディザ信号ｓ１、ｓ２、及び、ｓ３に加えて、それぞれ、可変リターダンス１８、２０、及び、２２に対する制御信号Ｖ１、Ｖ２、及び、Ｖ３が生じるようにする。

上述の偏光制御システムのさまざまな実施態様は、全て、ＰＳＭがファイバ上流の測定サイトに配置された、遠隔操作構成で示されている。図１２には、ＰＳＭ３１４がファイバ３１６の下流の測定サイトに配置された、非遠隔偏光制御システム１２００の実施態様の１つが例示されている。図に示すように、光源３１２が、直交偏光状態で、周波数の異なる２つの光ビームを放出して、ファイバ３１６に送り込む。次に、ファイバ３１６によって、２つの光ビームはＰＳＭ３１４に伝送される。ＰＳＭ３１４では、２つの光ビームの偏光状態を調整してから、出力光路及びモニタ光路に送る。ＰＳＭ３１４は、上述のように実施することが可能である。出力光路は、変位を測定するための干渉システムに至る。モニタ光路は、ＰＳＭ３１４に対するフィードバック制御を発生して、２つの光ビームの所望の出力偏光状態を保持する検出及び制御ブロック３３４に至る。ブロック３３４は、上述のように実施することが可能である。

開示された実施態様の特徴のさまざまな他の改変及び組み合わせは、本教示の範囲内である。所望の出力偏光状態は、光源から生じる入力偏光状態と同じである必要はないという点に留意されたい。例えば、図７のシステム７００の実施態様の１つは、レーザからのほぼ左円偏光状態のＥ１及びほぼ右円偏光状態のＥ２に対応する入力偏光状態に用いて、ＶＬＰＥ１及びＨＬＰＥ２に対応する所望の出力偏光状態を発生することが可能である。こうした実施態様の場合、リターダ２５２は、９０°に方向付けされた四分の一波長板になるであろう。同様に、図８のシステム８００の実施態様の１つは、レーザからのほぼ左円偏光状態のＥ１及びほぼ右円偏光状態のＥ２に対応する入力偏光状態に用いて、ＶＬＰＥ１及びＨＬＰＥ２に対応する所望の出力偏光状態を発生することが可能である。こうした実施態様の場合、リターダ２６２は、不要になる可能性がある。

上記において、ＰＳＭのさまざまな実施態様について述べてきたが、ＰＳＭのさらなる実施態様も有用であり、検討されている。ＰＳＭの実施態様の１つには、機械的応力を加えることによってその複屈折特性が変化する、２つ以上のファイバ・スクイーザが含まれている。機械的応力は、コントローラ４３からの制御信号に応答して、ファイバ・スクイーザに加えられる。ＰＳＭのもう１つの実施態様は、コントローラ４３からの制御信号に応答して、そのリターダンス及び／または偏光軸が変化する、２つ以上の液晶セルを備えている。ＰＳＭのさらにもう１つの実施態様は、リターダンスが固定された、２つ以上の機械回転式波長板を備えている。波長板は、コントローラ４３からの制御信号に応答して回転する。ＰＳＭのさらにもう１つの実施態様は、機械的応力を加えることによって、その線形複屈折が誘起される、２つ以上の光弾性変調器を備えている。機械的応力は、コントローラ４３からの制御信号に応答してこれらの光弾性変調器に加えられる。解説され、あるいは、検討されている、以上の及びその他の実施態様は、付属の請求項に網羅されている。

２つの直交偏光ビームの任意の偏光状態を保持するための偏光制御システムを例示した図である。本発明の実施態様の１つにおいて２つのほぼ直交する偏光ビームの任意の偏光状態を保持するための偏光制御システムを例示した図である。本発明の実施態様の１つにおいて図２の偏光制御システムを操作するための方法のフローチャートである。本発明の実施態様の１つにおいて図２の偏光制御システムを操作するための方法のフローチャートである。本発明の実施態様の１つにおいて２つのほぼ直交する偏光ビームの偏光状態を保持するための偏光制御システムを例示した図である。図５の偏光制御システムにおける偏光状態変調器を例示した図である。本発明の実施態様において、２つのほぼ直交する偏光ビームの偏光状態を保持するための偏光制御システムを例示した図である。本発明の実施態様において、２つのほぼ直交する偏光ビームの偏光状態を保持するための偏光制御システムを例示した図である。本発明の実施態様において、２つのほぼ直交する偏光ビームの偏光状態を保持するための偏光制御システムを例示した図である。本発明の実施態様において、２つのほぼ直交する偏光ビームの偏光状態を保持するための偏光制御システムを例示した図である。本発明の実施態様において、ディザリングを利用して、２つの直交偏光ビームの任意の偏光状態を保持する偏光制御システムを例示した図である。本発明の実施態様の１つにおける偏光制御システムの非遠隔構成を例示した図である。

符号の説明

１２光源
１４、１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｄ、１４Ｅ偏光状態変調器
３０第２のビーム・スプリッタ
３０Ｂ第１のビーム・スプリッタ
３２第３の光路
３２Ａ第１の光路
３２Ｂ第２の光路
３４第１の検出光路
３４Ｂ第２の検出光路
３４Ｅ第１の偏光子
３６第４の光路
３８第１の偏光子
３８Ｂ第２の偏光子
３８Ｅ第１の偏光子
３８ＥＢ第２の偏光子
４０第１の光検出器
４０Ｂ第２の光検出器
４２Ｂ振幅検出器
４３コントローラ
４４第３のビーム・スプリッタ
４６第５の光路
４８第３の検出光路
５０第６の光路
５２第３の偏光子
５４第３の光検出器
５６位相検出器
５８第４の検出光路
６０リターダ
６２第４の偏光子
６４第４の光検出器
２００偏光制御システム
２５２半波長板
２５２Ｅ第１のリターダ
２５４Ｄ、２５４Ｅ第１の可変リターダ
２５６Ｄ、２５６Ｅ第２の可変リターダ
２６２四分の一波長板
５００偏光制御システム
６００Ｂ第２のリターダ
６００Ｅ第２のリターダ
６００ＥＢ第３のリターダ
７００、８００、９００、１０００、１１００、１２００偏光制御システム

Claims

第１の偏光状態（Ｐ１）及び第１の周波数（ω１）の第１の光ビーム（Ｅ１）、及び、第２の偏光状態（Ｐ２）及び第２の周波数（ω２）の第２の光ビーム（Ｅ２）を発生する光源（１２）と、
前記光源から前記第１及び第２の光ビームを受光して、少なくとも２段階の偏光制御を施し、前記第１及び第２の偏光状態を変化させる偏光状態変調器（ＰＳＭ）と、
前記第１及び第２の光ビームを分割して、第１の光路（３２Ａ）及び第２の光路（３２Ｂに送り込む第１のビーム・スプリッタ（３０Ｂ）と、
前記第１の光路から前記第１及び第２の光ビームを受光する第１の検出光路を有し、該第１の検出光路は、第１の偏光子（３８）及び第１の光検出器（４０）を具備し、該第１の光検出器は、前記第１の偏光子を通過する前記第１及び第２の光ビーム（Ｅ１、Ｅ２）に応答して、第１のビート信号（Ｂ１）を発生し、
前記第２の光路から前記第１及び第２の光ビームを受光する第２の検出光路を有し、該第２の検出光路は、第２の偏光子（３８Ｂ）及び第２の光検出器（４０Ｂ）を具備し、該第２の光検出器は、前記第２の偏光子を通過する前記第１及び第２の光ビームに応答して、第２のビート信号（Ｂ１ｂ）を発生し、該第１の偏光子と該第２の偏光子とは互いにほぼ直交するように方向付けされており、
前記第１及び第２のビート信号を受信し、前記第１及び第２のビート信号から導き出される振幅信号（Ｓ）を発生する振幅検出器（４２Ｂ）と、
前記振幅信号を受信し、前記振幅信号に応答して、前記少なくとも２段階の偏光制御を調整するための複数の制御信号（Ｖｘ、Ｖｙ）を発生するコントローラ（４３）と、を備える、
ヘテロダイン干渉法のための偏光制御システム。
前記光源と前記ＰＳＭの間にほぼ２２．５°に方向付けされた半波長板をさらに備え、
前記ＰＳＭは、ほぼ０°に方向付けされた第１の可変リターダとほぼ４５°に方向付けされた第２の可変リターダを含み、前記第１の偏光子は、ほぼ９０°または１８０°に方向付けされている、請求項１に記載のシステム。
光源とＰＳＭの間に−４５°に方向付けされた四分の一波長板をさらに備え、
前記ＰＳＭは、ｘ軸において第１の電圧を受け、ｙ軸において第２の電圧を受ける電気光学結晶を含み、前記第１の偏光子は、ほぼ９０°または１８０°に方向付けされている、請求項１に記載のシステム。
前記ＰＳＭは、第１の可変リターダと第２の可変リターダを含み、該第１の可変リターダは、ほぼ４５°に方向付けされ、該第２の可変リターダは、ほぼ０°に方向付けされており、
前記第１の検出光路は、前記第１の偏光子の上流の第１のリターダをさらに含み、該第１のリターダは、ほぼ４５°に方向付けされた四分の一波長板であり、
前記第２の検出光路は、前記第２の偏光子の上流の第２のリターダをさらに含み、該第２のリターダは、ほぼ４５°に方向付けされたもう１つの四分の一波長板である、請求項１に記載のシステム。
前記光源と前記ＰＳＭの間に第１のリターダをさらに備え、
前記ＰＳＭは、第１の可変リターダと第２の可変リターダを含み、
前記第１の検出光路は、前記第１の偏光子の上流の第２のリターダをさらに含み、
前記第２の検出光路は、前記第２の偏光子の上流の第３のリターダをさらに含む、請求項１に記載のシステム。
前記ＰＳＭからの前記第１及び第２の光ビームを分割して、前記第１及び第２の光ビームを前記第１のビーム・スプリッタに伝送する第３の光路、及び第４の光路に送り込む第２のビーム・スプリッタと、
前記第４の光路からの前記第１及び第２の光ビームを分割して、第５の光路及び第６の光路に送り込む第３のビーム・スプリッタと、
前記第５の光路から前記第１及び第２の光ビームを受光する第３の検出光路であって、該第３の検出光路は、第３の偏光子及び第３の光検出器を具備し、該第３の光検出器は、前記第３の偏光子を通過する前記第１及び第２の光ビームに応答して、第３のビート信号を発生する、第３の検出光路と、
前記第６の光路から前記第１及び第２の光ビームを受光する第４の検出光路であって、該第４の検出光路は、リターダ、第４の偏光子、及び、第４の光検出器を具備し、該第４の光検出器は、前記リターダ及び前記第４の偏光子を通過する前記第１及び第２の光ビームに応答して、第４のビート信号を発生する、第４の検出光路と、
前記第３及び第４のビート信号を受信し、前記第３及び第４のビート信号に応答して、位相信号（ΔΨ）を発生する位相検出器と、をさらに備え、
前記コントローラは、前記位相信号を受信し、前記位相信号に応答して、前記複数の制御信号をさらに発生する、請求項１に記載のシステム。
ヘテロダイン干渉システムにおいて、ファイバからの光ビームの偏光状態を保持するための方法であって、
第１の偏光状態及び第１の周波数の第１の光ビーム、及び、第２の偏光状態及び第２の周波数の第２の光ビームを発生するステップと、
少なくとも２段階の偏光制御を調整して、前記第１及び第２の偏光状態を変化させるステップと、
前記第１及び第２の光ビームを分割して、第１の光路及び第２の光路に送り込むステップと、
第１の偏光子を通過する、前記第１の光路からの前記第１及び第２の光ビームに応答して、第１のビート信号を発生するステップと、
第２の偏光子を通過する前記第２の光路からの前記第１及び第２の光ビームに応答して、第２のビート信号を発生するステップを含み、前記第１の偏光子と前記第２の偏光子とは互いにほぼ直交するように方向付けされており、
前記第１及び第２のビート信号から導き出される振幅信号を発生するステップと、
前記振幅信号に応答して、前記少なくとも２段階の偏光制御を調整するための複数の制御信号を発生するステップと、を含む、方法。
前記振幅信号が、前記第１及び第２のビート信号から導き出される重み付けされた平均二乗信号を含む、請求項１に記載のシステム。
前記振幅信号が、前記第１及び第２のビート信号から導き出される重み付けされた平均二乗信号を含む、請求項７に記載の方法。
前記第１及び第２の光ビームを分割して、第３の光路及び第４の光路に送り込むステップと、
前記第３の光路からの前記第１及び第２の光ビームに応答し、前記第３の光路からの前記第１及び第２の光ビームが第３の偏光子を通過するようにして、第３のビート信号を発生させるステップと、
前記第４の光路からの前記第１及び第２の光ビームに応答し、前記第４の光路からの前記第１及び第２の光ビームがリターダ及び第４の偏光子を通過するようにして、第４のビート信号を発生させるステップと、
前記第３及び第４のビート信号から導き出される位相差信号（ΔΨ）を発生するステップと、をさらに含み、
前記複数の制御信号を発生するステップが位相差信号に応答している、請求項７に記載の方法。
前記複数の制御信号を発生するステップは、前記制御信号の初期値を選択するステップを含み、前記初期値の選択ステップは、最小値の振幅信号及び所望の値の位相差信号（ΔΨ）を発生する制御信号の値を選択するステップを含む、請求項１０に記載の方法。
前記複数の制御信号を発生するステップは、前記制御信号を変化させて、前記振幅信号の最小値を実現するステップをさらに含む、請求項１１に記載の方法。