JP2006521554A - 単一波長掃引の偏光依存損失測定 - Google Patents

Abstract

可視波長の範囲が掃引されるのに伴って、テスト光源の偏光状態をテスト光源の可視波長の関数としてポアンカレ球上で回転させることによって、単一掃引の偏光依存損失測定が達成される。偏光状態について既知の可視波長と共にテストされる光学コンポーネントの入力部および出力部での偏光状態および光パワーの測定が、４つの異なる偏光状態の方向で行われ、光学素子について偏光依存損失を算出するのに用いられる測定データのセットが得られる。偏光スキャンモジュールは、全パッシブまたはアクティブ構成のいずれかにおいて、テスト光源について可視波長の関数としての偏光状態を生成するのに用いられる。この偏光スキャンモジュールは、掃引波長光源（１２）および可視波長の関数としてポアンカレ球上で偏光状態を回転させるアクティブ偏光コントローラまたはパッシブ光学コンポーネントのいずれかを含んでいる。パッシブ素子は、互いの固有状態のそれぞれに対して約４５°に方向付けられた偏光維持ファイバ（１４，１６）および光源（１２）、異なる光路長（Ｌ，√２）を有するＰＭＦ（１４，１６）、または各対のスプリッタおよびマルチプレクサ間で異なる光路長を有し、光路長間の差が各対で異なる光スプリッタ／マルチプレクサ対のいずれでもよい。相対的な方向および光路長は偏光状態がポアンカレ球上で回転するように選択される。

Description

背景技術
本発明は、コンポーネントの光学特性の測定に関し、特に掃引波長システムを用いた単一波長掃引の偏光依存損失（ＰＤＬ）測定方法および装置に関する。

現在、基本的にはパッシブ光学コンポーネントのＰＤＬを測定するための３つのアプローチがある。

光学コンポーネントの入力部で４つの既知の偏光状態を用い、各偏光状態の波長範囲を掃引し、各掃引の間にコンポーネントを透過する光パワーを測定する。これはミューラー行列法として知られており、米国特許第５３７１５９７号に記載されている。

光学コンポーネントの入力部で３つの既知の偏光状態を用い、各偏光状態の波長範囲を掃引し、各掃引についてコンポーネントを透過する光のジョーンズベクトルを測定する。これはジョーンズ行列法として知られており、米国特許第５２９８９７２号および第５２２７６２３号に記載されている。

光学コンポーネントの入力部でランダムな偏光状態を用い、各ランダムな状態について透過する光パワーを測定する。これはプレンティスホール（Prentice Hall）から１９９７年１０月８日刊行されたデニス・デリクソン（Dennis Derickson）著「ファイバ光学の試験および測定（Fiber Optic Test and Measurement）」３５４頁に記載の既知の方法である。

次に、数学アルゴリズムがこれらのデータに適用され、ＰＤＬが決定される。例えば、ＴＩＡ／ＥＩＡ ＦＯＴＰ−１５７「単一モードファイバ光学コンポーネントの偏光依存損失（Measurement of Polarization-Dependent Loss (PDL) of Single-Mode Fiber Optic Components）」を参照のこと。

これらの手法のそれぞれに、順序だった、すなわち異なる偏光状態（ＳＯＰ）での順次掃引における多重測定が必要となる。

望まれるのは、頑強で測定時間を短縮する簡便なＰＤＬ測定手法である。

発明の概要
そこで、本発明は、可視波長範囲が掃引されるにしたがって、テスト光源の偏光状態をテスト光源の可視波長の関数としてポアンカレ球上で回転させることによる、単一掃引の偏光依存損失測定を提供する。偏光状態の既知の可視波長と共にテストされる光学コンポーネントの入力部および出力部での偏光状態および光パワーの測定が、４つの異なる偏光状態の方向で行われ、光学コンポーネントについて偏光依存損失を算出するのに用いられる測定データのセットが得られる。偏光スキャンモジュールは、全パッシブまたはアクティブ構成のいずれかにおいて、テスト光源について可視波長の関数としての偏光状態を生成するのに用いられる。この偏光スキャンモジュールは、掃引波長光源および可視波長の関数としてポアンカレ球上で偏光状態を回転させるアクティブ偏光コントローラまたはパッシブ光学素子のいずれかを含んでいる。パッシブ素子は、互いの固有状態のそれぞれに対して約４５°に方向付けられた偏光維持ファイバおよび光源、異なる光路長を有するＰＭＦ、または各対のスプリッタおよびマルチプレクサ間で異なる光路長を有し、光路長間の差が各対で異なる光スプリッタ／マルチプレクサ対のいずれでもよい。

本発明の目的、利点および他の新規の特徴は、添付の特許請求の範囲および添付図面と併せて読むことにより以下の詳細な説明から明らかとなる。

発明の詳細な説明
図１を参照すると、波長可変レーザ１２または他の掃引波長光源からの入力光の偏光状態（ＳＯＰ）が偏光維持ファイバ（ＰＭＦ）１４の第１のセクションの固有状態に対して好適に約４５°で入力された、全パッシブ構成が示されている。ＰＭＦ１４の第１のセクションは、その固有状態がＰＭＦ１６の第２のセクションの固有状態と好適に約４５°で接続されている。ＰＭＦ１４の第１のセクションの長さはＬであり、ＰＭＦ１６の第２のセクションの長さは好ましくはＬ＊ＳＱＲＴ（２）である。このＰＭＦ１４、１６の２つのセクションの性質、すなわち、それらの相対的な方向および長さは、波長可変レーザ１２からの入力光の波長が変化するにつれて偏光状態がポアンカレ球上を回転するようになっている。ＰＭＦ１６の第２のセクションの出力は、２００２年９月１２日、第２８回欧州光通信会議で発表されたエグバート・クローズ（Egbert Krause）等による「１ＭＨｚ高速ファイバインライン偏光計（1MHz High Speed Fiber-Inline-Polarimeter）」に記載されたようなインライン高速偏光計１８への入力であり、その出力はテストされる（ＤＵＴ）４０（図４）である光学コンポーネントに与えられる。光源１２およびＰＭＦ１４、１６の２つのセクションが偏光スキャンモジュール（ＰＳＭ）を形成する。

別構成ＰＭＦの損失の原因が図２に示されている。ここで、入力光が直線偏光され、第１のステージ２４の固有状態に対して好適に約４５°に方向付けられる。入力光は、第１の光スプリッタ２８によりその直線偏光状態ＳおよびＰにそれぞれ分割されるが、状態の一方はファイバの追加の長さΔＬによって第１の偏光マルチプレクサ３０と再結合される前に得られる。第１のステージ２４からの出力は、第２のステージ２６の入力に接続されており、互いに対して好適に約４５°に方向付けられた２つのステージの間の固有状態を有している。第２の光スプリッタ３２および第２の偏光マルチプレクサ３４により第２のステージ２６が完成する。ステージ２６における２つの偏光光路長差は、第１のステージ２４における光路長差のＳＱＲＴ（２）倍であるのが好ましい。第２の偏光マルチプレクサ３４からの再結合された出力は、偏光計１８に入力される。偏光計１８からの出力がＤＵＴ４０に与えられる。２つのステージ２４、２６の性質、すなわちそれらの相対的な方向および光路長差は、波長可変レーザ１２からの入力光の波長が変化するにつれて偏光状態がポアンカレ球上を回転するようになっている。

いずれの実施形態についても、全体のオペレーションが掃引波長システム内で動作するために入力光は波長が変化するが、波長可変レーザ１２の出力部で、米国特許出願第０９１７７４４３３号に記載されているような掃引波長計２０から正確な波長が分かる。透過係数が、光パワー測定器４２（図４）を用いて高精度でＤＵＴ４０を透過するパワーおよび高速偏光計１８により入力部で測定されたパワーを知ることにより得られる。

この手法は、４つの偏光状態が高速偏光計１８により測定される原則的にランダムな変数である点を除けばミューラー行列法に類似している。光学コンポーネントのＰＤＬは、コンポーネントのミューラー行列の最上行により決定される。

ここで、ｍ_０，ＸはＤＵＴミューラー行列の成分である。

通常、このミューラー行列の成分は、４つの直交する偏光状態でＤＵＴ４０の透過係数を測定することにより求められる。すなわちミューラー行列の成分は、以下のように表わすことができる。

ここで、ｊ＝２，３であり、Ｔ_ｘは直線水平、直線垂直、直線＋４５°および直角円偏光の透過係数である。異なる偏光状態を表わす他の直交ストークスベクトルを用いることもできる。

４つのストークスベクトル全てが既知であり共通平面内にない限りは、同一でないストークスベクトルの任意のセットを用いることができることも知られている。

ミューラー行列の最上行成分は、４×４行列の逆行列をとることによって決定される。

この式から、４つのストークスベクトル全てが同一平面内にないという要件は、４×４行列が非正則行列でないという要件に等しいことが明らかである。数式（３）に基づき、上述の制約、すなわち４つのストークスベクトルが同一平面内にないことを条件として原則的に任意の４つのランダムに選択された偏光状態で、ＤＵＴ４０を透過するパワーを測定することによってＰＤＬが決定される。

詳細な例としては、１ピコメートルの波長変化に対してストークスベクトルをポアンカレ球上で４５°以上回転することができる。このストークスベクトルの回転を図３に示す。このように、ＳＯＰは全パッシブ設計を用いた掃引レーザシステムにおいて自動的に回転するようにできる。図５は、１回の掃引スキャン中にどのようにＳＯＰが波長によって変化するかを示している。

ＰＤＬ測定システムも、図４に示したような偏光スキャンモジュールとしてのアクティブ偏光コントローラを用いて実施することができる。偏光コントローラ３６は、高速偏光計１８に入力する前に入力光信号の偏光を変化させるのに用いられる。従来の制御ループ３８は、偏光計１８および偏光コントローラ３６間に結合されている。制御ループ３８は、４つの偏光状態が同一平面内になることがないように、確実に偏光コントローラ３６が順次同じ４つの異なる偏光状態に設定されるようにする。また、任意の同一平面内にない４つの偏光状態を用いることができるが、実際には、４つの状態がポアンカレ球からできる限り遠くに離れていればノイズ特性が改善される。これがアクティブ法の主要な利点である。したがって、偏光計１８から得られた偏光状態（ＳＯＰ）は、おおよそポアンカレ球上の４分の１半球をたどりながら、１回のスキャン中に順次周期的に４つの所定の状態間で変化する。ＯＵＴ４０の入力部の偏光計１８によりＳＯＰは高精度であることが分かっている。

アクティブまたは全パッシブのいずれの場合も、ＰＤＬ測定システムは波長の変化に伴う偏光状態を表わすストークスベクトルを精確に測定する高速偏光計１８を用いる。パッシブな全ファイバ偏光計の設計は、スピードが光検出器の電子技術によってのみ制限される。例えば、ウェストブルック，ピー．エス．（Westbrook, P. S.）等の「ブリーズファイバ会ｓつ講師を用いたインライン偏光計（In-line Polarimeter Using Blazed Fiber Gratings）」ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ， Ｖｏｌ． １２， Ｎｏ． １０， Ｏｃｔｏｂｅｒ ２０００； ブズィド，エイ（Bouzid, A.）等の「ファイバ光学４ディテクタ偏光計（Fiber-Optic Four-Detector Polarimeter）」Ｏｐｔｉｃｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ １１８ （１９９５） ３２９−３３４； ウェストブルック，ピー．（Westbrook, P.）等の「全ファイバ偏光モニタリングおよびシステムアプリケーション（All-Fiber Polarization Monitoring and System Applications）」ＯＦＣ’０２， ＷＪ１−１； クローズ，イー．（Krause, E.）の「４ディテクタ偏光計のための新たな較正方法（New Accurate Calibration Procedure for a Four Detector Polarimeter）」ＤＲＡ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｎｏｔｅｂｏｏｋ， ＯＰＴ１０， ｐｐ ６７−６８； クローズ，イー．（Krause, E.）の「１ＭＨｚ高速ファイバインライン偏光計（1MHz High Speed Fiber-Inline-Polarimeter）」２８ｔｈ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ， Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ １２， ２００２を参照のこと。

概念的には、この測定プロセスは以下の手順を用いる。

１．開始波長で、ストークスベクトル（偏光状態）および透過光パワーを測定する。

２．通常約１ピコメートル単位で波長にインデックスし、パッシブ実施においてストークスベクトルを回転させる。アクティブ実施については、アクティブ偏光コントローラが偏光状態を変化させる。新たなストークスベクトルおよび新たな透過光パワーを測定する。

３．４つのストークスベクトルおよび４つの光パワーが測定されるまでステップ２を繰り返す。

４．ステップ２および３からのデータを数式（３）に用いて、ミューラー行列の最上行成分を測定する。次に、そこから数式（１）を用いてＰＤＬが算出される。

この手順は、ＰＤＬがストークスベクトルを回転させるのに用いられる４つの波長の掃引中に変化しない限り良好に行われる。波長変化はこの例では約４ピコメートルだけなので、大半のＤＵＴに対してこの手順は良好である。

ＤＵＴが波長により強いＰＤＬ依存を有する場合は、高密度波長分割多重化（ＤＷＤＭ）フィルタのエッジにおいてそうであるように、ミューラー行列の４つの最上行成分およびミューラー行列の最上行成分についての４つの変化率の８つの波長ステップ中に、ミューラー行列の成分が直線的に変化するという仮定の下にこの手順がいまだ有効である。この手順に関する式は以下の通りである。

ここで、Δλ_Ｘは連続的な偏光状態間、すなわちＳ_Ｘ−１およびＳ_Ｘ ^ｌの波長変化である。数式（４）において、ストークスベクトルの全ての成分がインライン偏光計１８により既知であり、波長ステップは、等しいインクリメントとはなっていないが、掃引波長計２０がシステムを１ピコメートルＲＭＳ誤差未満まで精確にキャリブレートするので既知である。透過パワー測定Ｐも既知である。結果として、この式はストークス行列の逆行列をとってミューラー行列の未知成分およびそれらの勾配について解くことができる。

数式（５）において、ｋ＝０〜３のときのｍ_０，ｋは開始波長でのミューラー行列の最上段成分であり、Δ_０，ｋはミューラー行列の勾配、すなわち波長変化によって分割されるミューラー行列成分の大きさ変化であり、この勾配は８つの測定によりカバーされる波長範囲にわたって直線的である。数式（３）と同様に、ストークス行列は非正則行列でなく、偏光状態が同一平面上になければ逆行列を有する。

上述の手順の利点は、（ｉ）各測定ごとに掃引を要する標準的な構成に対して、システムがＰＤＬを１回の掃引で測定し、例えば、ＰＤＬ測定を２４秒でなく６秒で行うことができること；（ｉｉ）偏光計１８がファイバループおよびファイバブラッグ格子を用いて圧電スクイーザを用いた固体偏光コントローラ（アクティブ構成）を備えたフィードバックループ状態で作られているように、偏光スキャンモジュール（ＰＳＭ）が動く部品を用いずに作られており、これが信頼性を増加し、平均的な故障回数を減らしていること；（ｉｉｉ）ＰＳＭおよび偏光計が全ての光学コンポーネントから成っており、シングルワイドｃＰＣｌモジュール等の小さい体積にパッケージ化可能であること；ならびに（ｉｖ）ＰＳＭ（全パッシブ構成）には電力が不要で、偏光計は偏光計中の光検出器を動作させる電力しか必要としないので、所要電力が低いことである。

本発明に係る単一掃引ＰＤＬ測定システム用の偏光スキャンモジュールのブロック図である。 本発明に係る代替単一掃引ＰＤＬ測定システムのブロック図である。 ポアンカレ球上のストークスベクトルの回転を波長の関数として表わすグラフである。 本発明に係るアクティブ偏光コントローラを用いた単一掃引ＰＤＬ測定システムのブロック図である。 図４のシステムに関する偏光状態対波長のグラフである。

Claims (19)

1. 可視波長の範囲にわたって掃引する光信号を提供する掃引波長光源であって、前記光信号がある偏光状態を有する掃引波長光源と、
   前記光信号が範囲内で波長を変化させてテスト光信号を生成するのに伴って、ポアンカレ球上で前記偏光状態を回転する手段とを備える、偏光スキャンモジュール。
2. 前記回転手段が、
   前記光信号が入力される第１の固有状態を有する第１の光学ステージであって、前記偏光状態が前記第１の固有状態に対して第１の角度に方向付けられ、第１の出力光信号を提供する第１の光学ステージと、
   前記第１の出力光信号が入力される第２の固有状態を有する第２の光学ステージであって、前記第１の固有状態と第２の固有状態が互いに対して第２の角度に方向付けられ、第２の出力光信号を前記テスト光信号として提供し、前記光信号が波長を変化させるのに伴って２つの光学ステージの相対光路長および方向が前記偏光状態を前記ポアンカレ球上で回転させるようになっている第２の光学ステージとを備える、請求項１に記載の偏光スキャンモジュール。
3. 前記第１および第２の角度がそれぞれ約４５度の角度である、請求項２に記載の偏光スキャンモジュール。
4. 前記相対光路長が２の平方根倍関係である、請求項２または３に記載の偏光スキャンモジュール。
5. 前記第１の光学ステージが、第１の光路長を有する第１の偏光維持ファイバを備え、前記光信号を入力とし、前記第１の出力光信号を出力とする、請求項２に記載の偏光スキャンモジュール。
6. 前記第２の光学ステージが、前記光信号が波長を変化させるのに伴って前記偏光状態を前記ポアンカレ球上で回転させる因子を前記第１の光路長倍したものに等しい第２の光路長を有する第２の偏光維持ファイバを備え、前記第１の出力光信号を入力とし、前記第２の出力光信号を出力とする、請求項５に記載の偏光スキャンモジュール。
7. 前記因子が２の平方根である、請求項６に記載の偏光スキャンモジュール。
8. 前記第１の光学ステージが、
   前記光信号を入力として有し、２つの直交する偏光状態光信号を出力として提供する第１の光スプリッタと、
   前記２つの直交する偏光状態光信号を合成して前記第１の出力光信号を提供する第１の光マルチプレクサであって、直交する偏光状態光信号用の前記第１の光スプリッタおよび第１の光マルチプレクサ間の光路が第１の光路差を有する第１の光マルチプレクサとを備える、請求項２に記載の偏光スキャンモジュール。
9. 前記第２の光学ステージが、
   前記第１の出力光信号を入力として有し、２つの直交する偏光状態光信号を出力として提供する第２の光スプリッタと、
   前記２つの直交する偏光状態光信号を合成して前記第２の出力光信号を提供する第２の光マルチプレクサであって、直交する偏光状態光信号用の前記第２の光スプリッタおよび前記第１の光マルチプレクサ間の光路が第２の光路差を有し、前記光信号が波長を変化させるのに伴って前記偏光状態を前記ポアンカレ球上で回転させるような因子により第１および第２の差が関連付けられている第２の光マルチプレクサとを備える、請求項８に記載の偏光スキャンモジュール。
10. 前記因子が２の平方根である、請求項９に記載の偏光スキャンモジュール。
11. 前記回転手段が、前記光信号と相互作用して可視波長の関数として前記偏光状態を変化させ、前記テスト光信号を生成するアクティブ偏光コントローラを備える、請求項１に記載の偏光スキャンモジュール。
12. 前記アクティブ偏光コントローラが波長の範囲にわたって順次周期的に前記偏光状態を変化させる手段を備える、請求項１１に記載の偏光スキャンモジュール。
13. 可視波長の範囲にわたって光信号が掃引するのに伴って、ポアンカレ球上で光信号の偏光状態を回転する手段と、
    テストされる光学コンポーネントの入力部および出力部の両方で、前記可視波長の範囲内の４つの異なる方向で前記偏光状態について光パワーを測定する手段と、
    前記４つの異なる方向で測定された前記光パワーおよび対応する前記偏光状態の既知の波長の関数として前記光学コンポーネントについて偏光依存損失を算出する手段とを備える、単一掃引の偏光依存損失測定システム。
14. 前記回転手段が、
    前記掃引された光信号を提供する波長可変レーザと、
    入力として前記光信号を有し、前記可視波長の範囲にわたって前記光信号の順次周期的な偏光状態を提供する偏光コントローラとを備える、請求項１３に記載のシステム。
15. 前記測定手段が、
    前記光学コンポーネントの入力部で前記偏光状態を測定する高速偏光計と、
    前記光学コンポーネントの出力部で前記光パワーを測定する光パワー測定器とを備える、請求項１３または１４に記載のシステム。
16. 前記回転手段が、
    前記光信号が入力される第１の固有状態を有する第１の光学ステージであって、前記偏光状態が前記第１の固有状態に対して第１の角度に方向付けられ、第１の出力光信号を提供する第１の光学ステージと、
    前記第１の出力光信号が入力される第２の固有状態を有する第２の光学ステージであって、前記第１の固有状態と第２の固有状態が互いに対して第２の角度に方向付けられ、第２の出力光信号を提供し、前記光信号が波長を変化させるのに伴って２つの光学ステージの相対光路長および方向が前記偏光状態を前記ポアンカレ球上で回転させるようになっている第２の光学ステージとを備える、請求項１３に記載のシステム。
17. 光源からの光信号の開始波長で、テストされる光学コンポーネントの入力部および出力部で偏光状態および透過光パワーを測定するステップと、
    新たな可視波長で前記光信号の偏光状態を変化させて前記偏光状態をポアンカレ球上で回転させるステップと、
    前記新たな可視波長で前記入力部および出力部で前記光学コンポーネントについて前記偏光状態および透過光パワーを測定するステップと、
    十分な異なる偏光状態および透過光パワーが測定されて測定データのセットが得られるまで前記変化および測定ステップを繰り返すステップと、
    前記測定データのセットから前記光学コンポーネントについての偏光依存損失を算出するステップとを含む、掃引波長光源を用いる偏光依存損失測定方法。
18. 前記十分な異なる偏光状態が少なくとも４つの異なる偏光状態を含む、請求項１７に記載の方法。
19. 掃引範囲にわたる前記可視波長の変化中に偏光依存損失が変化するとき、前記十分な異なる偏光状態が少なくとも８つの異なる偏光状態を含む、請求項１７に記載の方法。

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