JP2006521554A - 単一波長掃引の偏光依存損失測定 - Google Patents
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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。
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。
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。
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、m0,XはDUTミューラー行列の成分である。
ここで、j=2,3であり、Tx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。
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、ΔλXは連続的な偏光状態間、すなわちSX−1およびSX 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m0,kは開始波長でのミューラー行列の最上段成分であり、Δ0,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。
Claims (19)
- 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。 - 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。
- 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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