JP3913339B2

JP3913339B2 - 偏光無依存型偏光子およびこれを用いた光処理装置

Info

Publication number: JP3913339B2
Application number: JP33910797A
Authority: JP
Inventors: 孝彦玉城; 紀彦石井
Original assignee: Japan Broadcasting Corp
Current assignee: Japan Broadcasting Corp
Priority date: 1997-12-09
Filing date: 1997-12-09
Publication date: 2007-05-09
Anticipated expiration: 2017-12-09
Also published as: JPH11174225A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、大量の情報を伝送する際に使用される偏光無依存型偏光子、光ファイバを使用した光センサなどで使用される偏光無依存型偏光子およびこれを用いた光処理装置に係わり、特に入射光の偏光方向が変動したり、回転したりしていても、出力変動が少ない偏光光を得るようにした偏光無依存型偏光子およびこれを用いた光処理装置に関する。
【０００２】
［発明の概要］
本発明は、複屈折特性を持つ素子と、偏光方向を９０度回転させる素子と、複合複屈折特性を持つ素子とによって偏光無依存型偏光子を構成し、入射光の偏光方向が変動したり、回転したりしていても、出力変動が少ない、すなわち入射光の偏光方向に依存しない出射光が得られるようにするものであり、この偏光無依存型偏光子を光伝送装置に使用して、大容量の情報を伝送可能にするものである。
【０００３】
【従来の技術】
従来、非偏光あるいは円偏光などの入射光から、直線偏光の出射光を得るときには、偏光ビームスプリッタやグラントムソンプリズムなどの偏光子を用いて、入射光から予め設定されている偏光方向を持つ偏光だけを通して、直線偏光の出射光を得ている。
【０００４】
また、光伝送路の途中にセンサや変調素子を用いる光伝送装置では、偏光子を持つ偏光コントローラなどによって、非偏光の光や伝送の途中で乱れた偏光を整えることが必要である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の偏光子においては、円偏光などを偏光子に入射させ、予め設定されている偏光方向を持つ偏光を取り出すとき、偏光子によって他の偏光方向の偏光成分がカットされてしまうため、偏光子から出射される光の強度が入射光の１／２になってしまうという問題があった。
【０００６】
また、光ファイバー伝送路などでは、光ファイバの曲がりや歪みなどにより、光ファイバから出射される偏光の偏光方向が時間とともに変化してしまうことから、光ファイバー伝送路から出射される偏光を偏光子に入射させると、偏光子から出射される偏光の強度が変動してしまうとともに、偏光子の偏光方向と、光ファイバから出射される偏光の偏光方向とが直交したときには、偏光子から光が出てこないという問題があった。
【０００７】
本発明は上記の事情に鑑み、請求項１では、非偏光、円偏光または直線偏光が入射されたとき、高い変換効率で、これら非偏光、円偏光または直線偏光を、予め設定されている偏光方向を持つ偏光に変換することができる偏光無依存型偏光子を提供することを目的としている。
【０００８】
また、請求項２では、非偏光、円偏光または直線偏光が入射されたとき、これら非偏光、円偏光または直線偏光を、予め設定されている偏光方向を持つ偏光に変換する際の損失を小さくすることができるとともに、偏光方向変換処理で得られた各偏光の光軸を一致させることができる偏光無依存型偏光子を提供することを目的としている。
【０００９】
また、請求項３では、低い損失で、安定的に光を伝送することができ、これによって画像などの長距離伝送を行なうことができる光処理装置を提供することを目的としている。
【００１０】
また、請求項４では、偏光方向のみならず、光軸をも整えて、低い損失で、安定的に光を伝送することができ、これによって画像などの長距離伝送を行なうことができる光処理装置を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために本発明は、請求項１では、非偏光、円偏光または直線偏光された入射光を、予め設定されている偏光方向を持つ偏光光に変換する偏光無依存型偏光子において、前記入射光を複屈折させて、偏光面が互いに直交した２つの偏光光に分離する第１の複屈折素子と、第１の複屈折素子から出射される各偏光光の内、一方の偏光方向を９０度回転させる偏光方向回転素子と、第１の複屈折素子から出射される他方の光を入射光とする第２の複屈折素子と、前記偏光方向回転素子から出射される光を入射光とする第３の複屈折素子とを張り合わせて構成され、前記第１の複屈折素子から出射される光と前記偏光方向回転素子から出射される光とを合成して、１つの偏光光として出射する複合複屈折素子とを備えたことを特徴としている。
【００１２】
また、請求項２では、請求項１に記載の偏光無依存型偏光子において、前記複合複屈折素子の厚さは、前記第１の複屈折素子の厚さの半分であることを特徴としている。
【００１３】
また、請求項３では、非偏光、円偏光または直線偏光された入射光の偏光方向を整える光処理装置において、前記入射光を複屈折させて、偏光面が互いに直交した２つの偏光光に分離する第１の複屈折素子と、第１の複屈折素子から出射される各偏光光の内、一方の偏光方向を９０度回転させる偏光方向回転素子と、第１の複屈折素子から出射される他方の光を入射光とする第２の複屈折素子と、前記偏光方向回転素子から出射される光を入射光とする第３の複屈折素子とを張り合わせて構成され、前記第１の複屈折素子から出射される光と前記偏光方向回転素子から出射される光とを合成して、１つの偏光光として出射する複合複屈折素子とを有する偏光無依存型偏光子を備え、この偏光無依存型偏光子によって、非偏光、円偏光または直線偏光の偏光方向を整えることを特徴としている。
【００１４】
また、請求項４では、請求項３に記載の光処理装置において、前記複合複屈折素子の厚さは、前記第１の複屈折素子の厚さの半分であることを特徴としている。
【００１５】
上記の構成により、請求項１に記載の偏光無依存型偏光子では、第１の複屈折素子により、非偏光、円偏光または直線偏光された入射光を複屈折させ、偏光面が互いに直交した２つの偏光光に分離しながら、偏光方向回転素子によって、前記複屈折素子から出射される各偏光光の一方を９０度偏光させるとともに、第２の複屈折素子と第３の複屈折素子とを張り合わせて構成された複合複屈折素子によって、前記偏光方向回転素子から出射される偏光光と、前記第１の複屈折素子から出射される偏光光とを合成して、１つの偏光光として出射することにより、非偏光、円偏光または直線偏光された入射光を、高い変換効率で、予め設定されている偏光方向を持つ偏光光に変換する。
【００１６】
また、請求項２に記載の偏光無依存型偏光子では、前記第１の複屈折素子の厚さを基準にして、前記複合複屈折素子の厚さを半分にすることにより、非偏光、円偏光または直線偏光された入射光を、予め設定されている偏光方向を持つ偏光光に変換する際の損失を小さくするとともに、偏光方向変換処理で得られた各偏光光の光軸を一致させる。
【００１７】
また、請求項３の光処理装置では、請求項１に記載の偏光無依存型偏光子を設け、この偏光無依存型偏光子によって、非偏光、円偏光または直線偏光の偏光方向を整えることにより、低い損失で、安定的に光を伝送し、これによって画像などの長距離伝送を行なう。
【００１８】
また、請求項４では、請求項３に記載の光処理装置において、前記第１の複屈折素子の厚さを基準にして、前記複合複屈折素子の厚さを半分にすることにより、偏光方向のみならず、光軸をも整えて、低い損失で、安定的に光を伝送し、これによって画像などの長距離伝送を行なう。
【００１９】
【発明の実施の形態】
《発明の基本原理》
まず、本発明者達は、入射光の偏光方向が変化しても、出射光の強度を常に一定にすることができるとともに、直線偏光が得られる偏光子を開発することを目的として、種々の光学素子を用いて研究を重ねた。
【００２０】
この結果、入射光を複屈折させる複屈折素子と、入射光の偏光方向を９０度回転させる偏光方向回転素子と、複屈折素子を２枚張り合わせた複合複屈折素子とを組み合わせると、入射光の偏光状態が非偏光、円偏光、直線偏光のいずれであっても、損失が小さい直線偏光が得られることが分かった。
【００２１】
そして、さらに研究を重ねた結果、前記複屈折素子として、有機物材料などを使用することができるものの、方解石（ＣａＣＯ₃）やルチル結晶（ＴｉＯ₂）などのように、大きな複屈折特性を持つ無機質材料が好ましいことが分かった。また、偏光方向を９０度回転させる偏光方向回転素子として、１／２波長板が最も適しておるものの、偏光特性を有する液晶やファラデー効果、カー効果などで、光の偏光面を回転させる素子も使用できることが分かった。
【００２２】
また、複合複屈折素子の厚さを変えながら、非偏光、円偏光、直線偏光を複屈折素子に入射させて、複合複屈折素子から出射される出力光のパターンと、偏光方向とを観察して光量を測定したところ、複合複屈折素子の厚さを複屈折素子の厚さの半分より薄くすると、複合複屈折素子から平行に進む２本の出力光が出射され、また複合複屈折素子の厚さを複屈折素子の厚さの半分程度にすると、複合複屈折素子から１本の出力光が出射され、さらに複合複屈折素子の厚さを複屈折素子の厚さの半分より厚くすると、複合複屈折素子から互いに遠ざかる方向に進む２本の出力光が出射されることが観測された。
【００２３】
この結果、前記複合複屈折素子の厚さと、前記複屈折素子の厚さとの比が１：２になるように、これら前記複合複屈折素子の厚さと、複屈折素子の厚さとを設定したとき、複合複屈折素子から出射される偏光の光軸を１つにして、光量を最大にすることができることが分かった。
【００２４】
そして、これらの各条件を満たすように、入射光を複屈折させる複屈折素子と、入射光の偏光方向を９０度回転させる偏光方向回転素子と、複屈折素子を２枚張り合わせた複合複屈折素子とを組み合わせて偏光無依存型偏光子を構成することにより、入射光の偏光状態が非偏光、円偏光、直線偏光のいずれであっても、損失が小さい直線偏光を得ることができる。
【００２５】
《偏光無依存型偏光子の説明》
図１は、上述した基本原理を使用した、本発明による偏光無依存型偏光子の実施の形態を示す概略構成図である。
【００２６】
この図に示す偏光無依存型偏光子１は、ＯＡ方向に光学軸を持ち、入力光を複屈折させて、互いに直交する偏光面を持つ常光Ｏと異常光Ｅとに分離する厚さｄのルチル複屈折素子２と、このルチル複屈折素子２から出射される常光Ｏの偏光方向を９０度回転させて、前記異常光Ｅの偏光方向と同じ偏光方向を持つ常光Ｏ’にする１／２波長板３と、ＯＡ方向に光学軸を持つ２つの複屈折素子４ａ、４ｂを張り合わせて構成され、ルチル複屈折素子２から出射される異常光Ｅと１／２波長板３から出射される常光Ｏ’とを互いに接近する方向に複屈折させて、１つの偏光にする厚さ１／２ｄの複合複屈折素子５とを備えている。
【００２７】
そして、入力光として、非偏光、円偏光または直線偏光のいずれか、例えば図２（ａ）に示すように、円偏光が入射したとき、ルチル複屈折素子２によって、この円偏光を複屈折させて、図２（ｂ）に示すように、互いに直交する偏光面を持つ常光Ｏと、異常光Ｅとに分離するとともに、１／２波長板３によって、常光Ｏの偏光面を９０度回転させて、図２（ｃ）に示すように、異常光Ｅの偏光方向と同じ偏光方向を持つ常光Ｏ’にする。この後、複合複屈折素子５を構成する一方の複屈折素子４ａによって、ルチル複屈折素子２から出射される異常光Ｅを複屈折させて、１つの光軸に近づけるとともに、他方の複屈折素子４ｂによって、１／２波長板３から出射される常光Ｏ’を複屈折させて、光軸に近づけ、図２（ｄ）に示すように、１つの光軸を持つ偏光にする。
【００２８】
これにより、図３の黒丸に示すように、複合複屈折素子５から出射される異常光Ｅ側の偏光ピーク位置と、白丸に示すように、複合複屈折素子５から出射される常光Ｏ’側の偏光ピーク位置とをほぼ一致させて、これら異常光Ｅの光強度と、常光Ｏ’の光強度とを合成させた光強度を持つ偏光を得ることができる。
【００２９】
このように、この実施の形態では、入力光として、非偏光、円偏光または直線偏光のいずれかが入射したとき、ルチル複屈折素子２によって、この円偏光を複屈折させて、互いに直交する偏光面を持つ常光Ｏと、異常光Ｅとに分離するとともに、１／２波長板３によって、常光Ｏの偏光面を９０度回転させて、異常光Ｅの偏光方向と同じ偏光方向を持つ常光Ｏ’にし、この後複合複屈折素子５を構成する一方の複屈折素子４ａによって、ルチル複屈折素子２から出射される異常光Ｅを複屈折させて、１つの光軸に近づけるとともに、他方の複屈折素子４ｂによって、１／２波長板３から出射される常光Ｏ’を複屈折させて、光軸に近づけ、１つの光軸を持つ偏光にするようにしたので、非偏光、円偏光または直線偏光が入射されたとき、高い変換効率で、これら非偏光、円偏光または直線偏光を、予め設定されている偏光方向を持つ偏光に変換することができる。
【００３０】
また、この実施の形態では、複合複屈折素子５の厚さと、ルチル複屈折素子２の厚さとの比が１：２になるように、これら複合複屈折素子５の厚さと、ルチル複屈折素子２の厚さとを設定しているので、非偏光、円偏光または直線偏光が入射されたとき、これら非偏光、円偏光または直線偏光を、予め設定されている偏光方向を持つ偏光に変換する際の損失を小さくすることができるとともに、偏光方向変換処理で得られた各偏光の光軸を一致させることができる。
【００３１】
《光処理装置の説明》
図４は、上述した偏光無依存型偏光子１を使用した、本発明による光処理装置の一実施の形態を示す光伝送装置の概略構成図である。
【００３２】
この図に示す光伝送装置１０は、入力された信号に応じた周波数で発振して駆動電流を生成する発振器１１と、この発振器１１から出力される駆動電流によって励起されてレーザ光を発生する半導体レーザ素子１２と、この半導体レーザ素子１２から出射されるレーザ光を取り込んで、コリメートするコリメートレンズ１３と、このコリメートレンズ１３によってコリメートされたレーザ光を取り込んで、伝送するシングルモード光ファイバ１４と、このシングルモード光ファイバ１４によって伝送されたレーザ光を取り込んで、予め設定されている偏光方向を持つレーザ光に変換する偏光無依存型偏光子１と、この偏光無依存型偏光子１から出射されるレーザ光を受光して、このレーザ光の強度に応じた光強度検出信号を生成する光検出器１５と、この光検出器１５から出力される光強度検出信号を増幅するプリアンプ１６とを備えている。
【００３３】
そして、信号が入力されたとき、送信装置側となる発振器１１を発振させて、半導体レーザ素子１２からレーザ光を出射させながら、伝送路となるシングルモード光ファイバ１４によってレーザ光を伝送させるとともに、受信装置側となる偏光無依存型偏光子１によって、レーザ光の偏光方向を変換して、予め設定されている偏光方向を持つレーザ光にした後、光検出器１５によってその光強度に対応する光強度検出信号を生成させ、信号を再生させる。
【００３４】
次に、この光伝送装置１０の伝送特性を調べるために、図５（ａ）に示すように、偏光無依存型偏光子１を使用した光伝送装置１０と、図５（ｂ）に示すように、偏光無依存型偏光子１に代えて、グラントムソンプリズム１７を使用し、他の部分については、光伝送装置１０と同じものを使用した光伝送装置１８とを用意し、各光伝送装置１０、１８にオシロスコープ１９をそれぞれ接続して、伝送試験を行なった。
【００３５】
この結果、半導体レーザ素子１２として、波長１．３μｍのレーザ光を発生するものを使用し、シングルモード光ファイバ１４の長さを５００ｍにしたとき、グラントムソンプリズム１７を使用した光伝送装置１８では、グラントムソンプリズム１７から出射されるレーザ光の変動幅が４ｄＢｍになるのに対し、偏光無依存型偏光子１を使用した光伝送装置１０では、偏光無依存型偏光子１から出射されるレーザ光の変動幅を０．５ｄＢｍにすることができ、非常に安定させ得ることが分かった。
【００３６】
このように、この実施の形態では、シングルモード光ファイバ１４によって伝送させたレーザ光を偏光無依存型偏光子１に入射させて、レーザ光を予め設定された偏光方向を持つレーザ光に変換するようにしているので、低い損失で、安定的に光を伝送することができ、これによって画像などの長距離伝送を行なうことができる。
【００３７】
この際、偏光無依存型偏光子１を構成するルチル複合複屈折素子２の厚さと、複屈折素子５の厚さとの比が１：２になるように、これら複合複屈折素子５の厚さと、ルチル複屈折素子２の厚さとを設定することにより、偏光方向変換時の損失を小さくしながら、偏光無依存型偏光子１から予め設定されている偏光方向を持つ１つの偏光を出射させることができる。
【００３８】
《他の実施の形態》
また、このような構造の光伝送装置１０以外の光処理装置として、例えば偏光無依存型偏光子１の出力側に偏光依存特性を持つ通常の光アイソレータを挿入して、偏光無依存型の光アイソレータを構成することもできる。
【００３９】
また、上述した各実施の形態では、偏光無依存型偏光子１から出射される２つの偏光に位相差を無視することができることを前提にして、偏光無依存型偏光子１や光伝送装置１０などを説明しているが、これら各偏光の位相差を無視することができない場合には、ルチル複屈折素子２と複合複屈折素子５との間に、位相差を補償する素子を配置して、複合複屈折素子５から出射される各偏光の位相差をゼロにするようにしても良い。
【００４０】
また、上述した各実施の形態では、非偏光、円偏光または直線偏光のいずれかが入射されたとき、偏光無依存型偏光子１から予め設定されている偏光方向を持つ偏光を出射させるようにしているが、偏光無依存型偏光子１の後に、１／４波長板や１／２波長板を配置して、異常光Ｅの偏光方向に対し、９０度回転させた偏光方向を持つ偏光を出射させるようにしても良い。
【００４１】
また、上述した各実施の形態においては、非偏光、円偏光または直線偏光を異常光Ｅと、常光Ｏとに分離する素子として、ルチル複屈折素子２を使用するようにしているが、このようなルチル複屈折素子２以外の複屈折素子、例えば方解石などの複屈折素子を使用するようにしても良い。
【００４２】
この場合、ＯＡ方向と異なる方向に光学軸を持つように、複屈折素子の光軸を配置することにより、上述した各実施の形態と同様な効果を得ることができる。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、請求項１の偏光無依存型偏光子では、非偏光、円偏光または直線偏光が入射されたとき、高い変換効率で、これら非偏光、円偏光または直線偏光を、予め設定されている偏光方向を持つ偏光に変換することができる。
【００４４】
また、請求項２の偏光無依存型偏光子では、非偏光、円偏光または直線偏光が入射されたとき、これら非偏光、円偏光または直線偏光を、予め設定されている偏光方向を持つ偏光に変換する際の損失を小さくすることができるとともに、偏光方向変換処理で得られた各偏光の光軸を一致させることができる。
【００４５】
また、請求項３の光処理装置では、低い損失で、安定的に光を伝送することができ、これによって画像などの長距離伝送を行なうことができる。
【００４６】
また、請求項４の光処理装置では、偏光方向のみならず、光軸をも整えて、低い損失で、安定的に光を伝送することができ、これによって画像などの長距離伝送を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による偏光無依存型偏光子の一実施の形態を示す概略構成図である。
【図２】図１に示す偏光無依存型偏光子を構成する各部の入射光、出射光の一例を示す模式図である。
【図３】図１に示す偏光無依存型偏光子の効果例を示すグラフである。
【図４】本発明による光処理装置の一実施の形態を示す光伝送装置の概略構成図である。
【図５】図４に示す光伝送装置の伝送特性を調べるときのシステム例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１：偏光無依存型偏光子
２：ルチル複屈折素子（複屈折素子）
３：１／２波長板（偏光方向回転素子）
４ａ、４ｂ：複屈折素子
５：複合複屈折素子
１０：光伝送装置（光処理装置）
１１：発振器
１２：半導体レーザ素子
１３：コリメートレンズ
１４：シングルモード光ファイバ
１５：光検出器
１６：プリアンプ
１７：グラントムソンプリズム
１８：光伝送装置
１９：オシロスコープ

Claims

非偏光、円偏光または直線偏光された入射光を、予め設定されている偏光方向を持つ偏光光に変換する偏光無依存型偏光子において、
前記入射光を複屈折させて、偏光面が互いに直交した２つの偏光光に分離する第１の複屈折素子と、
第１の複屈折素子から出射される各偏光光の内、一方の偏光方向を９０度回転させる偏光方向回転素子と、
第１の複屈折素子から出射される他方の光を入射光とする第２の複屈折素子と、前記偏光方向回転素子から出射される光を入射光とする第３の複屈折素子とを張り合わせて構成され、前記第１の複屈折素子から出射される光と前記偏光方向回転素子から出射される光とを合成して、１つの偏光光として出射する複合複屈折素子と、
を備えたことを特徴とする偏光無依存型偏光子。
請求項１に記載の偏光無依存型偏光子において、
前記複合複屈折素子の厚さは、前記第１の複屈折素子の厚さの半分であることを特徴とする偏光無依存型偏光子。
非偏光、円偏光または直線偏光された入射光の偏光方向を整える光処理装置において、
前記入射光を複屈折させて、偏光面が互いに直交した２つの偏光光に分離する第１の複屈折素子と、第１の複屈折素子から出射される各偏光光の内、一方の偏光方向を９０度回転させる偏光方向回転素子と、第１の複屈折素子から出射される他方の光を入射光とする第２の複屈折素子と、前記偏光方向回転素子から出射される光を入射光とする第３の複屈折素子とを張り合わせて構成され、前記第１の複屈折素子から出射される光と前記偏光方向回転素子から出射される光とを合成して、１つの偏光光として出射する複合複屈折素子とを有する偏光無依存型偏光子を備え、
この偏光無依存型偏光子によって、非偏光、円偏光または直線偏光の偏光方向を整えることを特徴とする光処理装置。
請求項３に記載の光処理装置において、
前記複合複屈折素子の厚さは、前記第１の複屈折素子の厚さの半分であることを特徴とする光処理装置。