JP4108564B2 - 偏波状態測定器 - Google Patents

Description

本発明は、ファイバあるいは導波路内を進行する光の偏波状態を、簡易にモニタ可能な小型・集積・アレイ化可能・低価格な偏波状態測定器に関する。

偏波制御器は、コヒーレント通信に必須のデバイスである。最近では４０Ｇｂｉｔ／ｓ以上の超高速通信における偏波モード分散補償に用いられている。
偏波モード分散補償を行うためには、偏波状態を測定し、偏光度を求めるのが有効である。このためには、ファイバ、ファイバアレイ、導波路内の光の偏波状態を通過する光の偏波に影響を及ぼすことなく、偏波状態をモニタする必要が生じている。しかも、多数のファイバ内の偏波状態を高速で、同時に測定する必要がある。
また、数Ｔｂｉｔ／ｓ以上の超大容量伝送には、波長多重に加えて偏波多重技術が用いられているが、偏波多重した信号を偏波分離するためには、ファイバ内の直線偏波を分離して、その強度をモニタする必要が在る。しかもアレイで同時に高速にモニタする必要がある。
即ち、カップラで分離して、ファイバあるいは導波路を介して偏波を測定すると、カップラ部、ファイバ部、導波路部で偏波状態は変化してしまう。このような制約があるため、偏波測定器はファイバ、導波路に集積化が可能で小型である必要がある。
さらに、ファイバや導波路はアレイ状であることが多く、複数の光の偏波状態を同時に測定する必要がある。しかし、光ファイバ内の偏波状態に変化を与えることなく、アレイ状で偏波状態を測定する技術はなかった。
従来の偏波測定器は、バルクのプリズムや偏光ビームスプリッタ、波長板、などを組み合わせた空間ビーム系を用いるタイプが多く、小型集積化に不向きであった。さらに、各光学部品が高価で、アライメントに労力を要するため、数１０万円から数１００万円と高価であった。

一方、波長多重通信は１本のファイバに多数の波長の光の信号を乗せて伝送できることから急速に普及が進んでいる。
光伝送においては、１：１の幹線系の通信、１：Ｎの局から家庭・オフィース、Ｎ×Ｎの光スイッチ・ルーティングなど種々の形態がある。
ファイバ内の波長多重された光のスペクトルを監視して、それぞれの波長ピークの強度が同じになるように補正したり、波長のずれがないかチェックする必要がある。このため、ファイバアレイあるいは導波路内の光のスペクトルを監視測定する必要が生じている。しかもアレイで高速に測定する必要がある。
しかし、ファイバ内の光スペクトルを通過する光に影響を及ぼすことなく、光スペクトルを測定する装置はなく、またアレイ状態でモニタできるものもなかった。
最近になって、ファイバ、ファイバアレイ内、導波路の光強度をモニタするタップ型のディテクタアレイが開発されている。
これは導波路内に分岐を設け、分岐した部分にマイクロピラミッドミラーとディテクタアレイを張り付けるという方法で行われたり（下記非特許文献１参照）、２本の同一方向を向いたファイバからの入射光をミラーで反射させて出射側ファイバヘカップリングし、ミラーから通過した一部の光をディテクタで受けるタップ型モニタ（下記非特許文献２参照）、導波路に斜めに溝を掘ってハーフミラーを挿入して反射光をディテクタで受けるというインライン形パワーモニタ（下記非特許文献３参照）がある。

なお、本願発明に関連する先行技術文献としては以下のものがある。
ＮＥＣ、小田、古宇田、北条、金子、花田、他「マイクロピラミッドミラーを用いたアレイ光導波路モニタチップ」、２００２年電情報通信学会総合大会Ｃ−３−１６、ｐ．１４８ サンテック（株） カタログ、タップＰＤモニタ 住友電工、佐々木、小宮、藤村、塩崎、瀬村、山林、西村「小型多チャンネル光信号強度モニタの開発」 ＳＥＩテクニカルレビュー 第159号（23）2001年9月

前述したように、光のパワーの監視装置は、一部開発されるようになってきたが、通過する光の状態を変化させることなく、アレイで光のスペクトル、光の偏波状態をモニタする装置は開発されていない。
本発明は、前記従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、ファイバ内を通過する光の偏波状態、スペクトル状態をアレイで安価にモニタすることが可能な技術を提供することにある。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記の通りである。
本発明では、ファイバアレイ・導波路に斜めに溝を形成し、当該溝内に、通過する光の偏波状態に影響を与えないように設計したハーフミラーを挿入固定して、その反射された光のアレイを、プリズム状に加工したマイクロレンズにより、コリメートして、機械的に回転する偏光子、フィルタ、波長板、あるいは電気的に屈折率を変化させる電気光学素子などに垂直に通過させて、その出力をディテクタ、ディテクタアレイで受けることにより、ファイバ内を通過する偏波の状態、光スペクトルの状態、その他光の状態をアレイで安価にモニタする。
本発明における、導波路に斜めに溝を形成し、ハーフミラーを挿入して反射光をディテクタアレイで受けるという手法は、前述の非特許文献３に開示されているインライン形パワーモニタに類似している。

しかしながら、前述の非特許文献３に開示されている方法では、ファイバから反射した光を斜めに出射させてレンズを介することなく斜めの光をディテクタに直接入射させている。パワーのみをモニタする場合はそれでよいが、光のスペクトル、偏光状態を測定するためには、波長板、フィルタ、電気光学素子、ディテクタなどの面に垂直にコリメートした光アレイを入射させる必要があり、そのため、本発明では、レンズアレイをプリズム状に加工し、ファイバで反射された光をコリメートするという手法を採用する。
即ち、本発明は、光取出手段により、ファイバあるいは導波路内の信号光の少なくとも一部を外部に取り出し、プリズムマイクロレンズアレイなどの光コリメート手段により、前記光取出手段で取り出された信号光をコリメートし、その後、可変波長フィルタ、電気光学効果素子、偏光子、波長板などに垂直に通過させ、ディテクタアレイで受け、光ファイバ内を伝送する光信号に影響を与えることなく、その内部の光のスペクトル、偏波状態、偏波の一部の強度、選択された波長の強度あるいはそれらを組み合わせたものを１チャンネル以上同時に測定する機能を持つことを特徴とする偏波状態測定器である。

本発明は最近の下記の技術の進展により、発明に至ったものである。
（一）液晶素子、ＰＬＺＴなど電気光学セラミクス等の大きな電気光学効果を有する位相制御素子の作製技術が進展し、民生用のディスプレイ、写真プリンタなどに用いられ、価格が大幅に低下してきた。
（二）通信用の１３００ｎｍ、１５５０ｎｍ帯半導体レーザが普及し、さらにその半分の波長の光のレーザ（６６０ｎｍ、７８０ｎｍの半導体レーザ）は民生用に普及し、特に後者のレーザの価格が大幅に低下した。
さらに、発光ダイオードの価格はさらに低下し、６５０ｎｍから６６０ｎｍ、７８０から８００ｎｎｍの発光ダイオードは数１０円であり、またディテクタもＳｉのフォトダイオードが非常に安価に入手できるようになった。
（三）ファイバアレイ、導波路アレイの技術の進展とともに、ディテクタアレイが比較的安価に入手可能になった。

本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記の通りである。
（１）本発明によれば、１本ないしアレイ・テープ・リボンファイバ内あるいは導波路アレイ内の偏波の状態、スペクトルの状態をアレイ一括で高速に容易にモニタすることが可能となる。
（２）本発明によれば、従来の偏波状態測定器に比べて、安価であるとともに、小型化、かつ、アレイ化が可能な偏波状態測定器を提供することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。
なお、実施例を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
［参考例１］
本発明の参考例１として、光スペクトルアナライザについて説明する。
本参考例のインライン型光スペクトルアナライザの基本構造を図１（ａ）〜図１（ｃ）に示す。
図１（ａ）において、１−１はハーフミラー、１−２はファイバアレイを固定するＶ溝アレイ、１−３はテープファイバ、１−４は斜めに形成された３０〜４０μｍ幅の溝であり、ここでは溝（１−４）の角度は、テープファイバ（１−３）の延長方向に垂直な直線に対して、２２．５度とされる。
１−５は、平面マイクロレンズアレイを４５度の頂角を持つプリズム状に加工したプリズムマイクロレンズアレイ、１−６はディテクタアレイ、１−７はファイバからの信号光をハーフミラーで反射された光をマイクロレンズアレイでコリメートしたビームアレイ、１−８はファイバコア、１−９はプリズム面に形成されたＡＲコートである。

図１（ｂ）、（ｃ）において、１−１０はディスクフィルタであり、ディスクフィルタ（１−１０）は、円周方向に透過波長が変化している。
１−１１はファイバアレイとディテクタアレイを固定するジグ、１−１２はディスクフィルタの位置をモニタするセンサ部、１−１３は円周上に設けたマーカであり、このマーカ（１−１３）の数をカウントすることにより、その透過スペクトル波長を決定する。
本参考例では、プリズムマイクロレンズアレイ（１−５）として、イオン拡散によってガラス表面に屈折率分布を持たせてレンズとした平面マイクロレンズアレイを例に挙げて説明しているが、通常の凸形のレンズアレイでも構わない。
溝の角度は２２．５度を代表とし、出射角度は４５度が望ましいが、溝（１−４）の角度は、０度以上９０度以下であれば、反射光は上に取り出すことができる。

平面マイクロレンズアレイをプリズム状に加工する方法を図３に示す。
マイクロレンズアレイは種々開発されている。ガラス表面、プラスチック表面を凸あるいは凹状に加工したものが代表的である。
このマイクロレンズアレイをプリズム状に加工してもよいが、凹凸があるため、加工が比較的難しい。そこで、屈折率分布をもった平面マイクロレンズを用いるのが最もよい。
平面マイクロレンズは、日本板硝子が開発したレンズアレイであり、代表的には２５０μｍピッチで焦点距離は約０．６５ｍｍであり、石英硝子にマスクを塗って、屈折率が高くなるイオン中に浸してイオンを拡散させることによって作製される。
拡散させると表面が凸状になるが、研磨して平坦化している。液晶ディスプレイや通信用レンズとして広く使われている。
この平面マイクロレンズを図３（ａ）に示すように、表面のレンズ面を底辺とするように、プリズム状に加工する。
図３（ａ）において、３−１は平面マイクロレンズアレイ基板（通常２５０μｍピッチで配列）、３−２はレンズ面を底辺に持つようにプリズム状に切断研磨したプリズムマイクロレンズアレイ、３−３はファイバ、３−４はハーフミラー、３−５はプリズム形マイクロレンズアレイでコリメートされたビームアレイである。

ガラス厚は約１ｍｍであるので、ダイシングソーによって４５度で切断し、研磨することによって平面マイクロレンズアレイを底辺に持つプリズムマイクロレンズアレイ（３−２）が得られる。
このプリズムマイクロレンズアレイ（３−２）の頂点から底辺までの距離を０．８ｍｍ程度として、ファイバ（３−３）（あるいは、導波路）に２２．５°に形成した溝にハーフミラー（３−４）を挿入して光を反射させた上に、プリズムマイクロレンズアレイ（３−２）を屈折率が一致した接着剤で固定すると、反射点がちょうど平面マイクロレンズアレイの焦点（ガラス中では焦点距離は０．６５ｍｍ×１．４５＝０．９４ｍｍ）になり、光はコリメートされる。
ファイバの外直径が１２５μｍとすると、４５°プリズムの場合、一辺の長さは１．２７ｍｍに設定すると焦点距離の所にファイバとミラーの反射点が来る。
平面マイクロレンズアレイは２５０μｍピッチが標準であり、さらにはファイバアレイのピッチも２５０μｍが標準であるので、２５０μｍピッチのビームアレイを４５°方向に出射できる。
通常、テープファイバ（３−３）のアレイ数は４、８、１２、１６、３２とあるが、平面マイクロレンズ（３−１）のアレイ数はそれ以上に対応できている。
また、図３（ｂ）に示すように、平面マイクロレンズアレイ（３−１）を１００μｍから２００μｍ程度に薄く研磨し、市販のプリズム（３−７）に張り付けてもよい。
図３（ｂ）において、３−６は薄く研磨された平面マイクロレンズアレイ、３−７はプリズムである。図３（ｂ）に示す方法では、市販のプリズムを適用できるメリットがある。

誘電体多層膜フィルタの中で、その位置によって透過波長が変化する波長フィルタがあり、直線方向に線形に波長が変化するタイプと、円盤の円周方向に波長が変化するタイプ（参考文献、鈴木、阿部、橋本、片桐「ディスク形波長可変光フィルタを用いた絶対波長制御法の提案と検証」２００２年電子情報通信学会総合大会Ｃ−３−７９、ｐ．２１１）がある。
後者では、半値幅の限界は０．１ｎｍで可変波長範囲は１５０ｎｍ程度であり、消光比は４０ｄＢ以上、ロスは１ｄＢ程度である。
ここでは、図１に示すように、後者のフィルタ（本明細書では、ディスクフィルタという）を用いた場合について説明する。
２５０μｍピッチのファイバアレイ（１−３）をＶ溝に固定して、ハーフミラー（１−１）で反射させて、プリズムマイクロレンズアレイ（１−５）でコリメートビームアレイを形成し、ディスクフィルタ（１−１０）を通過させて、ディテクタアレイ（１−６）に入射させる。
ディスクフィルタ（１−１０）の外周には破線のマーカ（１−１３）が形成されており、このマーカ（１−１３）に光を透過させることにより、ディスクフィルタ（１−１０）を通過しているビームの光の波長の絶対値を読むことが可能である。
入射側のファイバは、ディスクフィルタ直近に来るため、図１（ｂ）に示すように、ディスクフィルタ（１−１０）に接触しないように若干曲げている。
本ディスクフィルタ（１−１０）を毎秒１０００回転で回転させると、１ｍｓで１５０ｎｍの操引を分解能０．ｌｎｍで行い、ディテクタアレイ（１−６）からの出力をＡＤコンバータで１ＭＨｚ以上の速度で取り込むことにより、多チャンネルのインライン型の光スペクトラムアナライザを実現できる。
波長スイッチ、レベルイコライザなどにおいて、各波長のチャンネルの波長の絶対値、ピークパワーなどを常にモニタして、異常があった場合、パソコンからエラーを出すようにプログラムを組むことが可能となる。

次に、液晶可変波長フィルタを用いる場合について説明する。
ディスクフィルタ（１−１０）は、機械回転式であるので信頼性が落ちるという欠点がある。そこでメカニカル部分のない、液晶可変波長光フィルタを用いてインライン型スペクトラムアナライザを構成する構造を、図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す。
図２（ａ）は、λ／４板（２−７）とミラー（２−６）を用いて偏波依存性を解消するタイプの液晶可変波長フィルタを示す図、図２（ｂ）は、偏光分離により偏波依存性を解消するタイプの液晶可変波長フィルタを示す図である。
図２（ｃ）は、液晶可変波長フィルタの正面を示す図である。
図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）において、２−１は２列のディテクタアレイ、２−２は平坦なガラス、２−３は透明電極、２−４は誘電体ミラー、２−５はネマチック液晶、２−６はミラー、２−７はλ／４板、２−８は入射する光ビーム、２−９は三角支持台、２−１０は平面マイクロレンズをプリズム状に加工したプリズムマイクロレンズアレイ、２−１１は方解石（カルサイト）を代表とする偏光分離素子、２−１２はλ／２板、２−１３は液晶フィルタを通過する光ビームアレイ、２−１４は容量をモニタするための分割された透明電極パターン、２−１５は液晶フィルタを駆動するための透明電極パターンである。

液晶可変波長フィルタは偏波依存性があるため、偏波無依存化する必要がある。
但し、ディテクタで直接受けるため、偏光分離した２本のビームを再度１本のビームに戻す必要はなく、２列のディテクタアレイ（２−１）に分離した２列の光ビームアレイをディテクタアレイ（２−１）に入射させればよい。
偏光分離の方法は、図２（ｂ）に示すように、偏光分離素子（カルサイトあるいは偏光ビームスプリッタ＋プリズム）（２−１１）によって、２本のｐ、ｓ偏波に分離し、片方のビームをλ／２板（２−１２）で９０°回転させて、２本とも液晶の配向と同じ偏光方向にして液晶可変波長フィルタを通過させる方法と、図２（ａ）に示すように、液晶可変波長フィルタの入射側にλ／４板（２−７）とミラー（２−６）を張り付け、入射した光の内、透過された光以外の波長を反射させこれをλ／４板（２−７）とミラー（２−６）によって再度液晶可変波長フィルタに入射させる方法がある。
液晶可変波長フィルタは、配向膜／誘電体ミラー（２−４）／透明電極（２−３）／ガラス基板（２−２）でネマチック液晶（２−５）を挟んだ液晶エタロンの構造を持ち、誘電体ミラー（２−４）の平行度を高精度に調整したものであり、数Ｖ電圧を印加するだけで波長は１５０ｎｍ以上変化する。フィネスは１５０程度であるので、分解能は１ｎｍとディスクフィルタに比べると低い。

面型の可変波長フィルタとして動作するので、コリメータビームアレイを液晶フィルタに通過させて、ディテクタアレイにカップリングさせる。
ディテクタアレイ（２−１）は２列のアレイであり、２本に分離した１対の光ビームが入射する。電気に変換された後、２つの電気出力をパソコン上で足し算することによって偏波無依存化することが可能である。
前述のディスクフィルタ（１−１０）と同様にスペクトラムアナライザアレイを実現できる。
しかし、液晶可変波長フィルタは面内で少し波長分布を持ち、また温度によって透過波長が変化する。
このため、図２（ｃ）に示すように、光が通過する近傍に数カ所ＩＴＯをパターニングすることにより、透明電極パターン（２−１４）を形成して、□のコンデンサを作り、コンデンサの容量を常にモニタすることにより、温度、外部応力等によってギャップや屈折率が変化しても、常にその位置の正確な波長をモニタして、光スペクトラムアナライザを実現できる（特願平７−１４７４７２号「液晶可変波長フィルタの駆動電源装置」参考）。
２本のビームは偏光分離の場合と同様に２列のディテクタアレイ（２−１）に入射させることによって、偏波無依存のインライン形のスペクトラムアナライザを実現できる。
このように、本参考例では、ファイバアレイ、導波路アレイ内の光信号のスペクトルをアレイで測定することができる。

［実施例１］
本発明の実施例１として、インライン型偏波状態測定器について説明する。
光の偏光状態を測定するためには、λ／４板あるいはλ／２板、旋光子、直線偏光子を組み合わせ、その通過した４つの出力から偏光状態を知ることができる。
例えば、図４に示すように、円盤の上に０°方向の偏光子、λ／４板＋９０°方向の偏光子、９０°方向の偏光子、および４５°方向の偏光子を張り合わせる。
図４において、４−１は直線偏光子、４−２は、４５°方向の偏光子、４−３は上側に配置した０°方向の直線偏光子、４−４はλ／４板、４−５は９０°方向の直線偏光子、４−６は回転式円盤、４−７は破線マーカである。
４−８は、破線マーカで円盤の回転角度をモニタする部分であり、４−９はディテクタアレイ、４−１０は溝に挿入したハーフミラー、４−１１はテープファイバであり、テープファイバ（４−１１）は、円盤（４−６）に接触しないように、さらに偏波の状態を変化させない程度に曲げられている。４−１２はプリズム台、４−１３は出射側テープファイバである。
これらの４つの部品を通過した光のパワーを測定することにより、ストークスベクトルを計算できる。この計算方法については後述する。
円盤（４−６）には、１組以上の該偏光子と波長板の組み合わせを張り合わせ、高速で回転させることにより、高速にストークスベクトルを計算できる。
ファイバアレイからの出力を、平面マイクロレンズをプリズム状に加工したプリズムマイクロレンズアレイでコリメートビームアレイにして、円盤（４−６）を回転しながら、ディテクタアレイ（４−９）で出力をモニタして、その出力をＡＤコンバータでパソコンヘ転送することにより、１ｍｓ以下の速度で１６ｃｈ以上のファイバアレイ内の偏波状態を同時に測定できる。
また、円盤上に乗せる波長板、偏光子の組み合わせはこれ以外にも複数あり、種々の組み合わせからストークスベクトルを計算して出力することができる。

［実施例２］
本発明の実施例２として、インライン型直線偏波モニタについて説明する。
インライン型の直線偏波モニタは、その前段に、偏波制御素子アレイを付けて、（１）ファイバアレイ内の偏波を常に直線偏波に変換するためのモニタとして用いたり、（２）偏波モード分散制御において直線偏光子を通過した高速に変調された光信号の高次モードの電気ＲＦパワーをモニタしてそのパワーを最大にするように制御することにより、偏波モード分散制御する（参考文献：M.Hayashi,H.Tanaka,and M.Suzuki,"40Gb/s demonstration of wide range PMD-compensation using a polarizer" OECC2001,48-49,2001）ために用いられる。
従来、１本でコリメータとして、その間に偏光ビームスプリッタを付けることによって、直線偏波成分をモニタしていたが、多チャンネルのコリメータがないため多チャンネル化ができなかった。
本発明では多チャンネル化が可能である。固定の偏光子をディテクタの前に配置する際、コリメートレンズを付けた場合と付けない場合について説明する。

固定型偏光子を用いて偏波を安定化させた場合
図５（ａ）に示すように、ハーフミラーから反射された光をコリメートレンズを付けずに偏光子を通してディテクタアレイで受けてもよい。
図５（ａ）において、５−１はハーフミラー、５−２はディテクタアレイ、５−３はＶ溝アレイを形成したガラス基板、５−４は斜めに形成した溝、５−５はテープファイバ、５−６は直線偏光子であり、５−７は直線偏光子の偏光軸の方向を示す。
一般に、偏光子は、通常その面に垂直に光を通過させた場合に最も消光比が高くなるように設計されている。
図５（ａ）のように、光ビームが偏光子に対して約４５°の角度で入射すると消光比は低下する。ポーラコア（コーニング製直線偏光子）を用いた場合には、長波長側の特性が低下する。２００μｍ厚の偏光子ポーラコアは本来６０ｄＢ程度の消光比を持つが４５°傾けているため、長波長側で消光比が２０ｄＢ程度と低下する。
ここでは、偏光子の偏光軸をファイバと平行に配置しているが、直交させて配置するとさらに消光比は低下してしまう。
１５５０ｎｍ以下であれば消光比は１８ｄＢ程度得られるため、コリメートレンズを挿入する必要はないが、図５（ｂ）に示すように、平面マイクロレンズをプリズム状に加工したプリズムマイクロレンズアレイ（５−８）を配置して、４５°方向に光を反射させて光が垂直に入射するように直線偏光子（５−６）とディテクタアレイ（５−２）を配置することにより、消光比を劣化させることなく、直線偏波成分をファイバを通過する光に何ら影響を及ぼすことなくモニタすることが可能となり、（１）偏波安定化、（２）偏波モード分散制御のアレイ化に非常に有効である。

回転型偏光子を用いて、任意の方向の直線偏波の成分をモニタする場合
先の例では、直線偏光子（５−６）の向きは決まっていたため、決まった方向の直線偏波成分しかモニタできなかった。
本例では、前述の参考例１で示したように、円盤型に直線偏光子を加工し、平面マイクロレンズをプリズム状に加工したプリズムマイクロレンズアレイとディテクタアレイの間に配置し、円盤状の偏光子を回転させることにより、その直線偏光子の方向を任意に変えることにより、任意の方向の直線偏波の成分をアレイでモニタすることが可能となる。図６にその構造を示す。
図６において、６−１は円盤状に加工した直線偏光子、６−２はその周図に付けた偏光子の軸の方向をモニタするためのマーカ、６−３はディテクタアレイ、６−４はマーカモニタ、６−５はファイバアレイを固定したＶ溝ガラス基板、６−６は溝に挿入したハーフミラー、６−７は平面マイクロレンズをプリズム状に加工したプリズムマイクロレンズアレイ、６−８はファイバアレイから反射されてコリメートされた光ビームアレイ、６−９はこれらの部品を支持する固定ジグである。
直線偏光子（６−１）を回転させ、マーカ（６−２）の数をカウントすることにより、その直線偏光子（６−１）の角度を読みとり、その角度の直線偏光成分をディテクタアレイ（６−３）でモニタすることが可能となる。
このため、任意の角度の直線偏波を得るために、このインライン形のディテクタアレイを用いると、その強度を最大あるいは最小にすることにより、所望の方向の直線偏波に制御することが可能となる。

［実施例３］
本発明の実施例３として、ハーフミラーの反射率の偏波依存性を解消する方法を説明する。
ストークスベクトルを正確に求める場合、ハーフミラー（図１の１−１）で反射された光の偏波および通過する光の偏波は同じであり、また位相差が生じないようにする必要がある。このため、ハーフミラーを構成する誘電体ミラーの層構成を最適設計する必要がある。
ハーフミラーの角度、反射率を設定して、誘電体ミラーの高屈折率層と低屈折率層の膜厚を振って、ある波長領域でｐ、ｓ偏波に対する反射率を計算し、その偏波依存性が最低になるようにシミュレーションする。その結果、最低２０層以上の膜を形成することにより、計算および実験結果からほぼ偏波依存性のない反射率を得られることがわかった。
Ｔａ_２Ｏ_５／ＳｉＯ_２多層膜とし、それらの厚さをλ／４からλ／２近くの厚さにして、その層数を２５層として、反射率の計算値と実測値および位相差の計算値の結果を図７に示す。
本実施例の誘電体ミラーでは、溝の角度が２２．５°で反射率が１５％になり、位相差が最低になり、ｐ、ｓ偏波の反射率が１５％になるように設計した。
層の総数は２５層であり、約６μｍの厚さがある。実際の測定値も図７に示す。このようにミラーの層厚を２０層以上とし、それぞれの膜厚を調整することによって、反射率のｐ、ｓ偏波依存性がなく、位相差が生じない誘電体ミラーを形成できる。

［実施例４］
本発明の実施例４として、誘電体ミラーの層構成、溝へ挿入固定の接着剤の屈折率マッチィングについて説明する。
誘電体ミラー（図１の１−１）を、Ｔａ_２Ｏ_５／ＳｉＯ_２多層膜とし、それらの厚さをλ／４からλ／２近くの厚さにして、その層数を２５層として研磨後、屈折率がファイバの屈折率１．４５と一致した接着剤で、溝に挿入して接着した。透過の偏波依存性は０．０６ｄＢであり、反射の偏波依存性は０．０２ｄＢであった。
これに対して、接着剤が１．５の物を用いると、透過の偏波依存性は０．２ｄＢ、反射の偏波依存性も０．５ｄＢ以上と大きくなった。このため、偏波依存性がなく、位相差が生じない誘電体ミラーは、層の数は２０層以上で、溝に挿入−固定する際の接着剤はファイバ−導波路の屈折率に一致していることが必要となる。

［参考例２］
本発明の参考例２として、回折格子を持つ光スペクトラムアナライザについて説明する。
先の実施例では、円盤形可変波長フィルタ、液晶可変波長フィルタを用いたが、回折格子（グレーティング）でも同様に光スペクトルを測定することができる。図８にその構造を示す。
図８において、８−１はグレーティング、８−２はレンズ、８−３は２次元ディテクタアレイ、８−４はプリズムレンズアレイ、８−５はハーフミラー、８−６はテープファイバ、８−７は分光した光である。
ハーフミラー（８−５）で反射した光はグレーティング（８−１）によって回折されて、分光され、２次元のディテクタアレイ（８−３）に入射し、ディテクタアレイ（８−３）で光スペクトルを測定できる。
なお、図８では、固定のグレーティングを記載しているが、回転形グレーティングを用いると、１次元のディテクタアレイを配置することにより、光スペクトラムアナライザアレイを実現することができる。

［実施例５］
本発明の実施例５として、先の実施例２で作製したインライン形固定偏光子付きディテクタアレイを用いて、ファイバアレイ内の偏波を常にＴＥ偏波に変換して、光導波路に入力する系を図９に示す。
図９では、液晶偏波制御素子により、ファイバアレイ内の偏波を制御している。（特願２００２−０６８８８０号「導波路型光素子及びその作製方法」参照）
図９において、９−１は光導波路の光導入部であり、９−２は実施例２で作製したインライン形偏光子付きディテクタアレイである。
９−３はファイバアレイに固定したファイバアレイに２本の溝を形成して薄い液晶偏波制御素子を挿入した偏波制御回路であり、インライン形偏光子付きディテクタアレイ（９−２）の直線偏光子を通過した光のパワーを最小にするようにフィードバックをかけることにより、常に導波路に入力する偏波がＴＥ偏波になる。
導波路自体は大きな複屈折を持つため、ＴＥ偏波が入力されるとＴＥ偏波のままで導波路内を伝搬するので、導波路の偏波依存性がなくなるという大きなメリットがある。

［実施例６］
先の実施例１から実施例５、参考例１、参考例２までは、ファイバアレイ・導波路アレイ内の光の偏波状態、スペクトル状態をアレイでモニタするものについて説明した。
これらの光アレイの状態をモニタした後、その結果を持って制御をする必要が出てくる。例えば、偏波状態をモニタした場合には、その結果を基に偏波制御する。フィードフォワード方式において、偏波をモニタした位置での偏波を制御する必要がある。
具体的には、コヒーレント通信におけるフィードフォワード偏波制御、あるいは偏波モード分散補償がこれに当たる。
しかし、偏波状態モニタの後、テープファイバで偏波制御器を接続すると、ファイバが固定されていないため、偏波状態が変化してしまっている。
そこで、本実施例の偏波状態測定器を作製したファイバ基板・導波路の同一基板上に偏波制御器を設置することが必要である。
そのためには、本実施例の偏波測定器、参考例の光スペクトラム測定器を作製した時と同様に、同一基板上のファイバ・導波路アレイに溝を形成して、アクティブ面型素子（例えば、液晶の偏波制御器アレイあるいは薄いＰＬＺＴ偏波制御器アレイなどの偏波制御器）を挿入すればよい。（参考文献：K.Hirabayashi, and C.Amamo, "Liquid-Crystal Polarization Controller Arrays on Planar Waveguide Circuits," IEEE PTL vol.14,No.4,April p.504-506,2002、K.Hirabayashi,and C.Amano, "Variable and Rotatable Waveplates of PLZT Electro-Optic Ceramic Material on Planar Waveguide Circuits,"IEEE PTL vol.14,No.7,July, p.956-958,2002）
このようにすることにより、偏波をモニタした箇所で直接偏波制御が可能となる。また、スペクトル状態をモニタした場合には、薄型の可変減衰器などのアクティブ面型素子を溝に挿入することにより、選択された波長の強度を制御することができる。

［実施例７］
図１０は、本発明の実施例７の偏波状態測定器を示す図であり、同図（ａ）は正面図、同図（ｂ）は斜視図、同図（ｃ）は偏波測定部のみの外観図、同図（ｄ）は偏波測定部の側面図である。
同図において、１１−１は位相制御素子を構成する電気光学セラミクス、１１−２は電気光学セラミクス（１１−１）を挟む２つの電極、１１−３はファイバあるいは導波路を固定する固定板、１１−４はファイバあるいは導波路のコア、１１−５は固定板（１１−３）に形成された溝に挿入される誘電体ミラー、１１−６はプリズム、１１−７は平面マイクロレンズ、１１−８は偏光分離素子、１１−９は２個のディテクタ、１１−１０は電気光学セラミクス（１１−１）を乗せる三角形状の台、１１−１１は入出力ファイバ、１１−１２は誘電体ミラーで反射された光ビーム、１１−１３はモニタ光を作るコリメータ付きレーザダイオード、１１−１４はモニタビーム、１１−１５はモニタ光用ディテクタ、１１−１６はモニタ光用の４５°の方向を向いた直線偏光子、１１−１７はモニタ光用の−４５°の方向を向いた直線偏光子、１１−１８は電気光学セラミクス（１１−１）に電圧を印加するパルス電源である。
なお、本実施例では、電気光学セラミクス（１１−１）として、ＰＬＺＴを使用している。
また、平面マイクロレンズ（１１−７）は、通常のマクロレンズでもよく、さらに、偏光分離素子（１１−８）は直交方向に分離するタイプもので、方解石などの異方性光学結晶、あるいは偏光ビームスプリッタが使用される。
また、平面マイクロレンズ（１１−７）とプリズム（１１−６）に代えて、前述のプリズムマイクロレンズアレイを使用することもできる。

本実施例の偏波状態測定器は、ファイバあるいはファイバアレイあるいは導波路のコア（１１−４）を横切るように、固定板（１１−３）に形成した溝に誘電体ミラー（ハーフミラー）（１１−５）を挿入し、当該誘電体ミラー（１１−５）で反射させた光を、コリメートレンズ（１１−７）でコリメートし、この光ビームを、２枚の電極（１１−２）で挟んだ１枚の電気光学セラミクス（１１−１）を通過させる。
また、電気光学セラミクス（１１−１）の後段に、ｐ偏波とｓ偏波の２つに分離する偏光分離素子（１１−８）を配置し、ｐ偏波とｓ偏波の出力を２個のディテクタ（１１−９）で検出するようになし、電気光学セラミクス（１１−１）に、０Ｖと１／４波長電圧（位相がπ／２）、半波長電圧（位相がπ）を印加し、そのときの２個のディテクタ（１１−９）の出力からストークスパラメータを算出する。
ファイバあるいは導波路の光を外部に取り出す際、誘電体ミラー（１１−５）によって偏波が変化しないように、誘電体ミラー（１１−５）を挿入する溝の角度は３０°以下が望ましく（この角度を、２２．５°に設定すると、反射した光は４５°の角度になり、プリズムなど、汎用品をそのまま用いることが可能である）、さらに、誘電体ミラー（１１−５）における誘電体多層膜の膜構成を最適に設計しておく必要がある。
なお、本実施例において、電気光学セラミクス（１１−１）に代えて、ニオブ酸リチウムなどの電気光学結晶や、平行配向の液晶素子を用いても構わない。
ＰＬＺＴのカー定数は、Ｒ＝７×１０^−３（μｍ／Ｖ）^２で与えられ、その屈折率変化は、下記（１）式で与えられる。

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ （１）
ここで、Ｅは印加される電界である。
通常、ＰＬＺＴ基板は０．５ｍｍ厚研磨品が標準であるので、本実施例では、これを長さ１０ｍｍに切断し、この基板の両側に電極を蒸着で付け、１．５５μｍの光信号を光ビーム（ビーム直径２００−３００μｍ）として通過させる。
その際、光ビームの位相シフト量が、０、π／４、π／２、πシフトする電圧は、０Ｖ、４０．９Ｖ、５８．８Ｖ、８１．８Ｖとなる。
高耐圧のオペアンプを用いることによって、電圧を印加するが、電流は流れないので、１個数万円のオペアンプで電源を作製でき、電源の価格が高くなることはない。
さらに、ＰＬＺＴの長さを２０ｍｍにすれば、それぞれの電圧は、これらの半分の値になり、より安価なオペアンプを使用できる。

電気光学セラミクス（１１−１）、偏光分離素子（１１−８）、およびディテクタ（１１−９，１１−１５）からなる偏光測定部の大きさは、ＰＬＺＴ板に、偏光分離素子（１１−８）とディテクタ（１１−９，１１−１５）を付けるのみなので、最大でも、２０ｍｍ×１０ｍｍ×１０ｍｍの大きさで済み、従来に比べて非常に小型化が可能である。
なお、図１０では、１本の光ビームしか図示していないが、ファイバあるいは導波路からの反射光をレンズアレイにより、コリメートビームアレイとし、そのピッチを０．２５ｍｍから１ｍｍピッチとして、８チャンネル、あるいは１６チャンネルのディテクタアレイで受けても、モジュールの大きさはほぼ１チャンネルと同じである。
但し、ＰＬＺＴは、位相一電圧特性にヒステリシスを持つ場合があるので、電圧を上昇させた場合と下降させた場合で、数Ｖの差が生じる。
したがって、本実施例のように、正確に位相量を変化させる必要がある場合には、印加電圧は上昇時のみ、あるいは下降時のみの電圧を印加した場合の、ディテクタの出力を読む必要がある。

以下、入射光のストークスベクトル（ｗ、ｘ、ｙ、ｚ）を算出する方法を説明する。
計算を簡単にするために、絶対座標に対して、電気光学セラミクス（ここでは、ＰＬＺＴ）からなる位相制御素子が、任意の方向（本実施例では、固定板の法線方向）に対して２２．５°傾いており、偏光分離素子（１１−８）の方向が０°と９０°であるとする。
本実施例の偏光測定部では、作製上の都合から、電気光学セラミクス（ＰＬＺＴ基板）（１１−１）の軸（ＰＬＺＴ基板に印加する電界方向）が、固定板の法線方向と同一方向（固定板の法線方向に対して０°方向）、偏光分離素子（１１−８）が、固定板の法線方向に対して２２．５°傾いている。
従って、本計算で得られたストークスベクトルは、本来のストークスベクトルに変換するために、固定板の法線方向に対して−２２．５度回転座標変換させる必要がある。
入力光のストークスベクトルを（ｗ、ｘ、ｙ、ｚ）とすると、位相Δが０の時の２個のディテクタ（１１−９）の出力１、２は下記（２）式の通りとなる。なお、ｗ＝√（ｘ^２＋Ｙ^２＋ｚ^２）である。
［数２］
出力１（Δ＝０）：−ｗ／２＋ｘ／２
出力２（Δ＝０）：ｗ／２＋ｘ／２
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ （２）

位相Δがπの時の２個のディテクタ（１１−９）の出力１、２のストークスベクトルは、それぞれ下記（３）式の通りとなる。
［数３］
｛（ｗ／２−ｙ／２）、（−ｗ／２＋ｙ／２）、０、０｝
｛（ｗ／２＋ｙ／２）、（ｗ／２＋ｙ／２）、０、０｝
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ （３）
従って、位相がπの時の２個のディテクタ（１１−９）の出力１、２は、下記（４）式の通りとなる。
［数４］
出力１（Δ＝π）：−ｗ／２＋ｙ／２
出力２（Δ＝π）：ｗ／２＋ｙ／２
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ （４）
位相π／２の時の２個のディテクタ（１１−９）の出力１、２のストークスベクトルは、それぞれ下記（５）式の通りとなる。
従って、位相がπ／２の時の２個のディテクタ（１１−９）の出力１、２は、それぞれ下記（６）式の通りとなる。

以上、６つの出力からストークスベクトル（ｗ、ｘ、ｙ、ｚ）を求めることができる。なお、先に述べたように、求められたストークスベクトルを−２２．５°回転座標変換しておく必要がある。

次に、電気光学セラミクス（１１−１）における、光ビームの位相シフト量が、０、π／４、π／２、πとなる印加電圧を求める方法を説明する。
図１１（ａ）に示すように、モニタ光を信号光と同じ波長とすると、クロスニコルの状態で、０Ｖで光ビームの位相シフト量は０であり、電圧を印加させていくとモニタ光の出力はｓｉｎ^２（Θ）のカーブに乗る。
出力が最大になるように電圧を調整した時の電圧（計算では８１．８Ｖ）が半波長電圧（位相π）となる。
１／４波長シフトの電圧（π／２）は出力がｓｉｎ^２（Θ）に載ることから、最大値の半分の値になる時の電圧値（計算では５８．８Ｖ）を求めればよい。
また、モニタ光が、測定する信号光の波長の半分の波長の光、例えば、１．５５μｍの波長が信号光であれば、７８０ｎｍのレーザ光をモニタ光とする。７８０ｎｍのレーザは非常に安価に入手可能である。
信号光が１３００ｎｍであれば、さらに安価な赤のレーザポインタ用の６５０ｎｍの半導体レーザがモニタ光として使用可能である。さらに安価な発光ダイオードを用いてもよい。
この場合には、図１１（ｂ）に示すように、出力が最大になる時が１／４波長（π／２）電圧、さらに電圧を上げて出力が最低になるときの電圧が１／２波長電圧（π）となる。

予め、この電圧を手動で求めておき、図１２に示すように、０、１／４波長電圧（Ｖ（π／２））、１／２波長電圧（Ｖ（π））の３つの電圧を繰り返して印加し、そのタイミング時の２個のディテクタ（１１−９）の２出力を測定することにより、ほぼリアルタイムで、信号光の偏波状態をモニタすることが可能となる。
ＰＬＺＴは、応答測度が非常に速く、ｎｓで応答するが、電源やＡＤコンバータの速度が１μｓ程度であるので、１ＭＨｚ程度のクロックで測定し、約１００ｋＨｚで偏波状態を算出できる。
なお、本実施例では、位相制御素子として、電気光学セラミクス（ＰＬＺＴ）を用いたが、位相制御素子としては、ネマチック平行配向液晶を代表とする液晶素子でも、あるいはニオブ酸リチウムを代表とする電気光学結晶を使用してもよい。
液晶素子を用いると、さらに低電圧化できるが、応答測度がｍｓ程度であるので、高速な偏波測定はできず、約１００Ｈｚでの偏波状態を出力できる。
また、位相制御素子の方向、分離偏光素子の方向は、前述の説明以外に種々の組み合わせがあるが、ここではその１例を示したのみで、本発明は全ての組み合わせを包含する。また光ビームは１本としたが、複数であっても、ディテクタアレイで受けることによって一括で偏波状態を知ることが可能である。

［実施例８］
図１３は、本発明の実施例８の偏波状態測定器を示す図であり、同図（ａ）は偏波測定部のみの外観図、同図（ｂ）は偏波測定部の側面図、同図（ｃ）は斜視図である。
同図において、１２−１はそれぞれ配向方向が±２２．５°の２枚の平行配向液晶素子、１２−２は入射光ビーム、１２−３は０°方向の直線偏光子、１２−４はディテクタ、１２−５はモニタ光用の６７．５°の方向を向いた直線偏光子、１２−６はモニタ光用の−２２．５°の方向を向いた直線偏光子、１２−７はモニタ用レーザあるいは発光ダイオード、１２−８はパルス電源、１１−５は固定板（１１−３）に形成された溝に挿入される誘電体ミラー、１１−６はプリズム、１１−７は平面マイクロレンズまたは平面マイクロレンズアレイ、１１−１０は偏波測定部を乗せる三角形状の台、１１−１１は入出力ファイバである。
本実施例において、光信号は、液晶素子１あるいは液晶素子２の両方を通過し、モニタ光は、液晶素子１あるいは液晶素子２のそれぞれ１つしか通過しないように配置する。
液晶素子１および液晶素子２の２枚の液晶素子（１２−１）板のそれぞれの液晶の配向方向を固定板の法線方向に対して、±２２．５°に設定し、その後ろに、固定板の法線方向に対して０°方向に設定した直線偏光子（１２−３）を配置し、その後ろに、ディテクタ（１２−４）を配置する。
この際、液晶素子１および液晶素子２による光ビームの位相シフト量（Δ，Φ）を、０、π／２、πに設定することにより、その組み合わせの出力から偏波状態を測定することができる。
入力される信号光のストークスベクトルを（ｗ、ｘ、ｙ、ｚ）とし、液晶素子１および液晶素子２による光ビームの位相シフト量（Δ，Φ）を、０、π／２、πに設定すると、その時に、信号光を受光するディテクタ（１２−４）の出力は下記（７）式の通りとなる。

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ （７）

したがって、下記（８）式の計算により、ｗ、ｘ、ｙを求めることができる。
［数７］
ＯＵＴ１＋ＯＵＴ６＝ｗ
ＯＵＴ１−ＯＵＴ６＝ｘ
ＯＵＴ３−ＯＵＴ５＝ｙ
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ （８）
また、ｘ、ｙが分かれば、ＯＵＴ２とＯＵＴ４とからｚを求めることができる。その他の組み合わせでも、ストークスベクトル（ｗ，ｘ，ｙ，ｚ）を求めることが可能である。
モニタ光を信号光と同じ波長に設定した場合には、光ビームの位相シフト量０、および位相シフト量がπのときの電圧は、クロスニコル状態に配置される直線偏光子（１２−５，１２−６）からの出力を受光するモニタ光用ディテクタ（１２−４）の出力が、最小値、最大値になった電圧であり、最大値の１／２の値になる電圧が１／４波長電圧となる。
モニタ光の波長を信号光の半分に設定した場合、例えば、信号光が１．５５μｍの場合、７８０ｎｍの安価なレーザ、あるいはさらに安価な発光ダイオードを用い、クロスニコル状態に配置される直線偏光子（１２−５，１２−６）からの出力を、モニタ光用ディテクタ（１２−４）として、安価なＳｉフォトダイオードを使用して受光することができる。
特に、液晶素子は薄いため、発光ダイオードにレンズを付けただけでコリメートビームを作ることが可能である。

図１４に、モニタ光を信号光の半分の波長とした場合の液晶素子の位相と電圧、クロスニコルのモニタ光の出力の関係を示す。
液晶素子の場合には、飽和電圧を印加すると位相シフト量が０に近くなる。
平行配向液晶は、そのギャップと充填する液晶のΔｎによって、位相変化量を調整できる。
約１０μｍのギャップで、Δｎが約０．２５の液晶を充填すると位相シフト（変化）量は約２．２πとなり、本発明のように、０からπ変化させるには十分である。
電圧を十分印加（約１０Ｖ）してモニタ出力が最低になった時の電圧を飽和電圧とし、次に、ここから電圧を下げて、モニタ出力が最大になる電圧が１／４波長電圧（位相π／２）、さらに電圧を下げて出力が０になるときの電圧が１／２波長電圧（位相π）である。
さらに電圧を低下させて、再度出力が０になったときの電圧が位相２πあるいは０の電圧である。
このように手動で３つの電圧を設定し、この３つの電圧を繰り返し印加することによって、その組み合わせの出力から偏波状態をモニタすることが可能となる。
液晶の駆動電圧は通常５Ｖ程度であり、飽和電圧も１０Ｖ程度であるので、これらの電圧を電源に記憶させて繰り返し電圧印加できる電源は、非常に安価である。
液晶の応答速度は数ｍｓであるので、ＡＤコンバータも低速のものを用いることが可能である。
通常、ノートパソコンなどに接続できるＵＳＢタイプのＡＤコンバータのデータ取り込み速度は、１０チャンネルから２０チャンネルのもので１ｍｓ程度であるので、これらの安価なＡＤコンバータを用いれば十分である。
但し、液晶素子の場合にはヒステリシスがでることがないので、印加電圧は上昇時でも下降時でも、電圧−位相特性は同じになる。

液晶素子の場合には、モニタ光を用いなくても、簡易に位相をキャパシタンスによってモニタすることが可能である。
その方法を以下に説明する。この方法は、液晶可変波長フィルタの波長（位相）とキャパシタンスが１：１に対応することを応用したものである。（K.Hirabayashi "Relationship between optical and electrics properties of LC optical devices," Opt.Lett.,21(1996)pp.1484-1486参照）
液晶素子中の液晶分子を、図１５（ａ）のように示すと、入射光の感じる屈折率は、ｐ偏波、ｓ偏波それぞれに対して、下記（９）式の通りとなる。
［数８］
ｐ：ｎ_ｅ＝一Δｎ×ｓｉｎ^２（φ）＋η_ｏ
ｓ：ｎ_ｏ
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ （９）
さらに、液晶素子の誘電率は、印加電界に対して、下記（１０）式の通りとなる。
［数９］
ε_ｅ＝Δε×ｃｏｓ^２（φ）＋ε_ｏ
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ （１０）
従って、下記（１１）式のように表される。
［数１０］
（−（ｎ_ｅ−ｎ_ｏ）／Δ_ｍａｘ＋（ε_ｅ−ε_ｏ）／Δ_ｍａｘ）＝１
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ （１１）
液晶素子のキャパシタンスＣは、Ｃ＝ε_ｅＳ／ｄで表される。ここで、ｄはセルギャップ、Ｓは面積である。
従って、キャパシタンスの変化ΔＣと位相の変化Δｎは下記（１２）式の関係で表される。
［数１１］
Δｎ＝−（Δｎ_ｍａｘ／ΔＣ_ｍａｘ）ΔＣ＋Δｎ_ｍａｘ
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ （１２）

図１５（ｂ）に示すように、Δｎは電圧印加とともに減少して、０に近づき、ΔＣは増大する。
従って位相Δは、下記（１３）式のように簡単な式で表される。
［数１２］
Δ＝（−（Δｎ_ｍａｘ／ΔＣ_ｍａｘ）ΔＣ＋Δｎ_ｍａｘ）×（ｄ／ｎλ）
Δ＝ａ×Ｃ＋ｂ
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ （１３）
予め、液晶素子の位相シフト量とキャパシタンスを実測して、図１６の関係を求めて置けば、ａとｂの値がわかり、キャパシタンスを測定するのみで、位相を求めることができる。この関係は温度が変化しても有効に成り立つ。
液晶素子のキャパシタンスは数ｎＦであるので、温度依存性が少なく正確にキャパシタンスがわかっているコンデンサを液晶素子に直列に接続し、液晶とこのコンデンサに印加される印加電圧を測定することによって、キャパシタンスを実測できる。
この位相シフト量が、０、π／２、π／４になる電圧に設定し、この電圧を繰り返して液晶素子１、２に印加して、その時のディテクタの出力から偏波状態を算出することができる。

また、図１７に示すように、ファイバアレイ、あるいは、導波路アレイからのアレイ状の信号光をアレイレンズでコリメートアレイにして、その光をディテクタアレイ（１２−９）で受光することにより、アレイ状の信号光の偏波状態をモニタすることが可能となる。
図１７では、４チャンネルの場合を図示しているが、市販のＡＤコンバータは８チャンネル、１６チャンネルのものが安価で市販されており、また、ディテクタアレイ（１２−９）は４０チャンネルのものも市販されているので、それらのＡＤコンバータを用いることにより、８チャンネル、１６チャンネルの偏波モニタを実現することが可能である。
以上説明したように、本実施例の偏波状態測定器によれば、電気光学効果を持つ位相制御素子（例えば、ニオブ酸リチウムを代表とする電気光学結晶、ＰＬＺＴを代表とする電気光学セラミクス、液晶素子）による光ビームの位相シフト量を、モニタ光を用いることにより、正確に０、π／２、πに繰り返し設定して、その後ろに設けた偏光子付きのディテクタの出力から偏波状態を計算するようにしたので、従来の偏波状態測定器に比べて、安価であるとともに、小型化、かつ、アレイ化が可能となる。
以上、本発明者によってなされた発明を、前記実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。

インライン型光スペクトルアナライザアレイの基本構造を示す図である。 インライン型光スペクトルアナライザアレイの基本構造を示す図である。 ディスクフィルタの構造を示す図である。 λ／４板とミラーを用いて偏波依存性を解消するタイプの液晶可変波長フィルタを示す図である。 偏光分離により偏波依存性を解消するタイプの液晶可変波長フィルタを示す図である。 液晶可変波長フィルタの正面を示す図である。 平面マイクロレンズアレイをプリズム状に加工しプリズムマイクロレンズアレイを作成する方法を説明するための図である。 平面マイクロレンズアレイからプリズムマイクロレンズアレイを作成する方法を説明するための図である。 円盤の上に、０°方向の偏光子、λ／４板＋９０°方向の偏光子、９０°方向の偏光子、および４５°方向の偏光子を、回転させることによって偏波状態をモニタする構造を示す図である。 プリズムコリメートレンズ無しの固定偏光子付き偏波モニタの構造を示す図である。 プリズムコリメートレンズ有りの固定偏光子付き偏波モニタの構造を示す図である。 回転型偏光子付き偏波モニタの構造を示す図である。 ｐ、ｓ偏波に対して偏波依存性がなく、位相差が生じないハーフミラーの反射率の計算値と実測値および位相差の計算値を示すグラフである。 グレーティング形インラインスペクトラムアナライザの構造を示す図である。 本発明の実施例２で作製したインライン形固定偏光子付きディテクタアレイを用いて、ファイバアレイ内の偏波を常にＴＥ偏波に変換して、光導波路に入力する系を示す図である。 本発明の実施例７の偏波状態測定器を示す図である。 ＰＬＺＴに印加する印加電圧とモニタ出力の関係を示すグラフである。 本発明の実施例７の偏波状態測定器において、電気光学セラミクス（ＰＬＺＴ）に印加する印加電圧、２個のディテクタの出力１、２およびクロックの関係を示すグラフである。 本発明の実施例８の偏波状態測定器を示す図である。 モニタ光の波長が、信号光の波長の半分である場合、液晶素子の印加電圧と位相、クロスニコルの出力の関係を示すグラフである。 液晶素子の分子、および液晶素子の電圧−位相シフト量−キャパシタンスの関係を示すグラフである。 液晶素子の位相−キャパシタンスの関係を示すグラフである。 本発明の実施例８の偏波状態測定器の変形例を示す図である。

符号の説明

１−１ ハーフミラー
１−２ ファイバアレイを固定するＶ溝アレイ
１−３ テープファイバ
１−４ 溝
１−５ プリズムマイクロレンズアレイ
１−６ ディテクタアレイ
１−７ プリズムマイクロレンズアレイでコリメートされたビームアレイ
１−８ ファイバコア
１−９ プリズム面に形成されたＡＲコート
１−１０ ディスクフィルタ
１−１１ ファイバアレイとディテクタアレイを固定するジグ
１−１２ ディスクフィルタの位置をモニタするセンサ部
１−１３ 円周上に設けたマーカ
２−１ ２列のディテクタアレイ
２−２ 平坦なガラス
２−３ 透明電極
２−４ 誘電体ミラー
２−５ ネマチック液晶
２−６ ミラー
２−７ λ／４板
２−８ 入射する光ビーム
２−９ 三角支持台
２−１０ プリズム状に加工されたレンズアレイ
２−１１ 偏光分離素子
２−１２ λ／２板
２−１３ 液晶フィルタを通過する光ビームアレイ
２−１４ 容量をモニタするための分轄された透明電極パターン
２ー１５ 液晶フィルタを駆動するための透明電極パターン
３−１ 平面マイクロレンズアレイ基板
３−２ プリズムマイクロレンズアレイ
３−３ ファイバ
３−４ ハーフミラー
３−５ プリズムマイクロレンズアレイでコリメートされたビームアレイ
３−６ 薄く研磨された平面マイクロレンズアレイ
３−７ プリズム
４−１ 直線偏光子
４−２ ４５°方向の直線偏光子
４−３ 上側に配置した直線偏光子
４−４ 下側に配置したλ／４板
４−５ ９０°方向の直線偏光子
４−６ 回転式円盤
４−７ 破線マーカ
４−８ 破線マーカで円盤の回転角度をモニタする部分
４−９ ディテクタアレイ
４−１０ ハーフミラー
４−１１ テープファイバ
４−１２ プリズム台
４−１３ 出射側テープファイバ
５−１ ハーフミラー
５−２ ディテクタアレイ
５−３ Ｖ溝アレイを形成したガラス基板
５−４ 溝
５−５ テープファイバ
５−６ 直線偏光子
５−７ 直線偏光子の偏光軸の方向
５−８ プリズムマイクロレンズアレイ
６−１ 円盤状に加工した直線偏光子
６−２ 偏光子の軸の方向をモニタするためのマーカ
６−３ ディテクタアレイ
６−４ マーカモニタ
６−５ ファイバアレイを固定したＶ溝ガラス基板
６−６ ハーフミラー
６−７ プリズムマイクロレンズアレイ
６−８ ファイバアレイから反射されてコリメートされた光ビームアレイ
６−９ 固定ジグ
８−１ グレーティング
８−２ レンズ
８−３ ２次元ディテクタアレイ
８−４ プリズムレンズアレイ
８−５ ハーフミラー
８−６ テープファイバ
８−７ 分光した光
９−１ 光導波路の光導入部
９−２ 実施例３で作製したインライン形偏光子ディテクタアレイ
９−３ 偏波制御回路
１０ コリメートレンズ
１１−１ 電気光学セラミクス（ＰＬＺＴ）
１１−２ 電極
１１−３ 導波路あるいはファイバを固定する固定板
１１−４ 導波路あるいはファイバのコア
１１−５ 誘電体ミラー
１１−６ プリズム
１１−７ 平面マイクロレンズ（またはマクロレンズ）
１１−８ 偏光分離素子（方解石あるいは偏光ビームスプリッタ）
１１−９ ディテクタ
１１−１０ 三角形状の台
１１−１１ 入出力ファイバ
１１−１２ 誘電体ミラーで反射された光ビーム
１１−１３ モニタ光を作るコリメータ付きレーザダイオード
１１−１４ モニタビーム
１１−１５ ディテクタ
１１−１６ 直線偏光子
１１−１７ 直線偏光子
１１−１８ パルス電源
１１ 入出力ファイバ
１２−１ 平行配向液晶素子
１２−２ 入射光ビーム
１２−３ 直線偏光子
１２−４ ディテクタ
１２−５ 直線偏光子
１２−６ 直線偏光子
１２−７ モニタ用レーザあるいは発光ダイオード
１２−８ パルス電源
１２−９ ディテクタアレイ

Claims (17)

1. ファイバあるいは導波路内の信号光の少なくとも一部を外部に取り出す光取出手段と、
   前記光取出手段で取り出された信号光をコリメートして光ビームとする光コリメート手段と、
   前記光ビームが垂直に入射される偏波制御手段と、
   前記偏波制御手段を通過した光が入射されるディテクタアレイとを有し、
   前記光取出手段は、ファイバあるいは導波路内の光を通過する部分を切断するように、前記ファイバあるいは導波路の延長方向に垂直な直線に対して、２２．５°の角度で斜めに、前記ファイバあるいは導波路に設けられる第１の溝と、
   当該第１の溝内に挿入されるハーフミラーとを有し、
   前記光コリメート手段は、前記ハーフミラーで反射された光を、コリメートして出射するプリズム状のレンズアレイであることを特徴とする偏波状態測定器。
2. 前記プリズム状のレンズアレイは、頂角角度が４５°であり、斜め側面がレンズアレイとされたプリズムマイクロレンズアレイ、あるいは、斜め側面にマイクロレンズアレイを有するプリズムであることを特徴とする請求項１に記載の偏波状態測定器。
3. 前記偏波制御手段は、回転機構を持つ円盤と、
   前記円盤上に設けられる、０°方向の偏光子、４５°方向の偏光子、λ／４板＋９０°方向の偏光子、および９０°方向の偏光子、あるいは任意の方向の直交する偏光子２枚および波長板を備えた偏光子を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の偏波状態測定器。
4. 前記偏波制御手段は、直線偏光子、あるいは、直線偏光子を円盤型に加工した回転型偏光子であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の偏波状態測定器。
5. 前記ファイバあるいは導波路内の光を通過する部分を切断するように、前記ファイバあるいは導波路に設けられる第２の溝と、
   前記第２の溝に挿入されるアクティブ面型素子とを有することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の偏波状態測定器。
6. 前記偏波制御手段は、前記光ビームが入射される位置に、軸がある任意の方向になるように配置され、ｍ、ｎを整数とするとき、通過する光ビームの位相を、２ｎπ＋ｍπ／４だけシフトさせる位相制御素子と、
   前記位相制御素子の後段に配置され、ｐ偏波とｓ偏波に分離する偏光分離素子とを有し、
   前記ディテクタアレイは、前記偏光分離素子の前記２つの偏波の出力部に配置される２個のディテクタであり、
   前記ｍを３つ以上ふって、前記位相制御素子を通過する光ビームの位相をシフトさせた時の前記２個のディテクタの出力に基づき、光ビームの偏光状態を測定する測定手段とを備えることを特徴する請求項１に記載の偏波状態測定器。
7. 前記偏光分離素子は、軸が前記任意の方向に対してθだけ傾けて配置されることを特徴とする請求項６に記載の偏波状態測定器。
8. 前記偏波制御手段は、前記光ビームが入射される位置に、それぞれの軸がある任意の方向に対して±θ方向となるように配置され、ｋ、ｌ、ｍ、ｎを整数とするとき、通過する光ビームの位相を、２ｎπ＋ｍπ／４、および、２ｌπ＋ｋπ／４だけシフトさせる第１および第２の位相制御素子と、
   前記第１および第２の位相制御素子の後段に、軸が前記任意の方向となるように配置される直線偏光子とを有し、
   前記ディテクタアレイは、前記直線偏光子の後段に配置されるディテクタであり、
   前記ｋ、ｍをそれぞれ３つ以上ふって、前記第１および第２の位相制御素子を通過する光ビームの位相をシフトさせたときの、前記第１の位相制御素子を通過する光ビームの位相シフト量と前記第２の位相制御素子を通過する光ビームの位相シフト量との組み合わせの中の少なくとも６つの組み合わせの時の、前記ディテクタの出力に基づき、光ビームの偏光状態を測定する測定手段とを備えることを特徴する請求項１に記載の偏波状態測定器。
9. 前記直線偏光子は、シート状の偏光子であることを特徴とする請求項８に記載の偏波状態測定器。
10. 前記ファイバあるいは導波路を固定する固定板を備え、
    前記任意の方向は、前記固定板の第１の面の法線方向であり、
    前記位相制御素子は、前記固定板の第１の面上に配置されることを特徴とする請求項６ないし請求項９のいずれか１項に記載の偏波状態測定器。
11. 前記θの値は、２２．５°×ｎ（ｎは整数）であることを特徴とする請求項７ないし請求項１０のいずれか１項に記載の偏波状態測定器。
12. 前記位相制御素子の前記光ビームが通過する以外の部分に、前記光ビームに平行なモニタ光を通過させるモニタ光源と、
    前記モニタ光を受光するモニタ光用ディテクタと、
    前記位相制御素子のモニタ光の入射面および出射面に配置されるクロスニコル状態の偏光子とを備え、
    前記位相制御素子は、印加電圧により位相シフト量を変化させる位相制御素子であり、
    前記モニタ光は、前記信号光と同じ波長あるいはその半分の波長の光であり、
    前記測定手段は、前記モニタ光ディテクタの出力が、最大あるいは最小となる印加電圧を、前記位相制御素子を通過する光ビームの位相シフト量が、２ｎπ＋ｍπ／４となる電圧として記憶しておき、前記記憶した電圧を前記位相制御素子に印加し、前記位相制御素子を通過する光ビームの位相をシフトさせて、光ビームの偏光状態を測定することを特徴とする請求項６ないし請求項１１のいずれか１項に記載の偏波状態測定器。
13. 前記モニタ光源は、発光ダイオードであることを特徴とする請求項１２に記載の偏波状態測定器。
14. 前記位相制御素子は、電気光学結晶板であり、
    前記位相制御素子の軸は、前記電気光学結晶板の結晶軸方向であることを特徴とする請求項６ないし請求項１３のいずれか１項に記載の偏波状態測定器。
15. 前記位相制御素子は、電気光学セラミクス板であり、
    前記位相制御素子の軸は、前記電気光学セラミクス板に印加する電界方向であることを特徴とする請求項６ないし請求項１３のいずれか１項に記載の偏波状態測定器。
16. 前記位相制御素子は、液晶素子であり、
    前記位相制御素子の軸は、前記液晶素子の液晶分子の配向方向であることを特徴とする請求項６ないし請求項１３のいずれか１項に記載の偏波状態測定器。
17. 前記位相制御素子は、液晶素子であり、
    前記液晶素子のキャパシタンスを測定する測定手段を備え、
    前記測定手段の測定結果に基づき、前記位相制御素子を通過する前記光ビームの位相シフト量を、２ｎπ＋ｍπ／４に制御することを特徴とする請求項６ないし請求項１３のいずれか１項に記載の偏波状態測定器。

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