JP4542321B2 - 偏光非依存性光タップにおいて使用する装置 - Google Patents
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Description
本発明は、光タップに関し、より具体的には、光タップの偏光依存を補償することに関する。
光タップは、ファイバまたはビームから光をサンプリングするために使用され、溶融カプラ、ブレーズド・ファイバ・ブラッグ回折格子、導波路、ビーム・スプリッタなどを基にすることができる。通常、これらの光タップは、偏光依存性である。伝送ファイバの偏光状態は、未知であり、時間と共に変化することがあるので、この偏光依存性により、サンプリングした光ビームのパワーに誤差が生じる。
光チャネル・モニタ（ＯＣＭ）は、よい例である。ＯＣＭは、ブレーズド・ファイバ・ブラッグ回折格子を介してファイバ・コアから放射モードに光を回折させることによって、単一モード・ファイバから光信号をサンプリングする。この回折プロセスは、ｐ偏光よりｓ偏光で強い。図１は、ミラー１０１から反射された偏光ビーム１０２を示す。入射面１０３は、入射ビーム１０２と反射ビーム１０４とを含む平面として画定される。また、入射面の法線１０６も示されている。両頭矢印１０５は、ｐ偏光を表し、この場合、電場ベクトルは、入射面に平行に、すなわち入射面内において振動する。ｓ偏光ビームの電場は、入射面に垂直に振動する。ｓ偏光ビームの電場ベクトルは、入射面に垂直に振動する。生じるパワーの誤差は、入射ビームをスクランブリングすることによって、偏光ダイバーシチを使用することによって、または受動補償によって、回避することができる。スクランブリングは、時間、空間、またはスペクトルの領域について偏光状態を変化させることによって実現することができる。スクランブリングは、実験室での応用に適しており、チャネル・モニタリングなどの応用では、通常費用効果は高くない。偏光ダイバーシチには、ｓ偏光状態とｐ偏光状態とを、２つの状態が等しい挿入損失を有するように、異なる光路を通るように経路規定することが含まれる。この手法は、コンパクトなパッケージに納まることがほとんどない複雑な光路を必要とする。この受動補償は、偏光依存損失（ＰＤＬ）を導入する光学要素を使用して、タップのＰＤＬを無効にする。
光チャネル・モニタは、受動補償を使用する。偏光により誘起されるパワーの誤差は、回折された自由空間ビームをミラーから反射させることによって回避される。このミラーは、回折格子におけるｓ偏光がミラーではｐ偏光になるように配置される。効果的に作用するように、このミラーの反射率は、回折格子のＰＤＬを波長の関数として補償しなければならない。このスペクトル依存性は、複雑な誘電体薄膜スタックで生成することができる。図２Ａは、一般的な帯域通過フィルタの高エネルギーの端付近のｓ偏光状態とｐ偏光状態の反射率をプロットしており、図２Ｂは、図２Ａの２つの曲線の比を表す。図２Ｂの比を使用して、Ｃ帯域における偏光を補償することができる。鮮明なスペクトル遷移は、製造変動の影響を受けるので、補償はしばしば不正確である。
Ｅ．Ｄ．Ｐａｌｉｋ、Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｎｓｔａｎｔｓ ｏｆ Ｓｏｌｉｄｓ、１９８５年、Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ
Ｅ．Ｄ．Ｐａｌｉｋ、Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｎｓｔａｎｔｓ ｏｆ Ｓｏｌｉｄｓ、１９８５年、Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ
光タップの偏光依存性を補償しようとする従来の構成に関するこれらおよび他の問題と制約は、独自の反射面を使用することによって解決される。
より具体的には、本出願人の発明は、複雑な誘電体薄膜スタックではなく、金属の固有の特性を使用することによって、光タップの誘起偏光を補償する反射面である。
より具体的には、本出願人の発明は、複雑な誘電体薄膜スタックではなく、金属の固有の特性を使用することによって、光タップの誘起偏光を補償する反射面である。
本発明の一実施形態では、規定金属膜である反射面が使用される。
本発明の他の実施形態では、研磨済みまたは研磨していない金属面が使用される。
一例では、金属は、タングステンであることが好ましいが、その理由は、タングステンは、ｓ偏光状態とｐ偏光状態とでは、反射率の分布に大きな違いを示すからである。
本発明の他の実施形態では、研磨済みまたは研磨していない金属面が使用される。
一例では、金属は、タングステンであることが好ましいが、その理由は、タングステンは、ｓ偏光状態とｐ偏光状態とでは、反射率の分布に大きな違いを示すからである。
一般に、２つの偏光状態ｓおよびｐの反射率（Ｒ）の比、すなわちＲｓ／Ｒｐのスペクトル依存性と大きさとは、４つの自由度から選択すること、適切な金属を選択すること、ミラーまたは金属面が偏光ビームを反射する角度を調節すること、誘電体層を金属膜の上に追加すること、および／または複数のミラーまたは金属面を使用すること、によって精確に整合させることができる。
図３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、および３Ｄは、本発明の実施形態を含んでいる光タップの自由空間において、入射誘導光モードすなわちビーム３０２を光ファイバ内において放射モードに回折するブラッグ回折格子３０３を示す。したがって、図３Ａの３次元（Ｘ、Ｙ、およびＺ平面）表示に示したように、この例では光ファイバ内の入射誘導光放射３０２は、ブレーズド・ファイバ・ブラッグ回折格子３０３に向けられ、この回折格子は、放射３０２を自由空間において光放射ビーム３０４に回折し、このビームは、この例では金属膜面を有する反射面３０１に向けられる。以下でより詳細に説明するように、反射面３０１の金属膜面は、従来の既知の誘電体薄膜スタックではなく、金属の固有の特性を使用して、回折格子３０３によって誘起された偏光を補償する。さらに、両頭矢印３０７は、回折格子３０３と自由空間３０４とにおけるｓタイプの偏光、すなわち電場が回折格子３０３の入射面に垂直であることを示すことに留意されたい。反射面３０１は、自由空間ビームをビーム３５としてＸＹ平面からＹ方向に沿って反射するので、電場は、反射面３０１では、入射面に平行である。その結果、回折格子３０３におけるｓ偏光は、反射面３０１ではｐ偏光になる。望むなら、ビーム３０５を検出器３０６に供給して使用する。
図３Ｂは、図３Ａに示した実施形態のＸ−Ｙ平面の部分を示す。唯一の視覚的な違いは、回折ビーム３０４が、入射誘導ビーム３０２の表示の上に重なっていることである。
同様に、図３Ｃは、図３Ａの実施形態のＸ−Ｙ平面の部分を示す。この図では、円で囲んだＸは、格子３０３での、かつ格子３０３からのｓ偏光を示す。図３Ｃに示した部分と図３Ａに示した実施形態の唯一の視覚的な違いは、反射面３０１から回折されたビームの反射光が、反射面３０１によって隠れていることである。
同様に、図３Ｃは、図３Ａの実施形態のＸ−Ｙ平面の部分を示す。この図では、円で囲んだＸは、格子３０３での、かつ格子３０３からのｓ偏光を示す。図３Ｃに示した部分と図３Ａに示した実施形態の唯一の視覚的な違いは、反射面３０１から回折されたビームの反射光が、反射面３０１によって隠れていることである。
図３Ｄは、図３Ａと同様の実施態様を示すが、図３Ａの反射面３０１が、反射面３０８および３１０と光ビーム経路３０９とに置き換わっている点が異なる。図示したように、複数の反射面３０８と３１０とを連続的に使用して、Ｒｓ／Ｒｐの大きさとスペクトル傾斜を調節する。例として、第１反射面３０８を使用して、平均Ｒｓ／Ｒｐレベルを調節し、第２反射面３１０を使用して、Ｒｓ／Ｒｐのスペクトル傾斜を生成する。２つの反射面３０８と３１０のこの組合せにより、一方の反射面３０８が、比較的大きいがスペクトルが平坦のＲｓ／Ｒｐを生成し、一方の他の反射面３１０が、比較的小さいがスペクトルが傾斜したＲｓ／Ｒｐを生成することが可能になる。
図４は、本発明を実施する際に使用することが可能である、研磨済みまたは研磨していない金属面４０１を備える反射面、すなわちミラーを示す。回折格子によって回折された後（図３参照）、光ビーム４０２と４０３とは、自由空間を伝播して、次いで金属基板４０１の面４０４から反射される。
図５は、本発明を実施する際に使用することが可能である誘電体層５０３でコーティングした図４の金属基板４０１（５０２）を備える反射面５０１、すなわちミラーを示す。また、誘電体層５０３の外側誘電体面から反射されている、自由空間回折光ビーム５０４および５０５も示されている。
図６は、本発明を実施する際に使用することが可能である、規定金属薄膜６０３でコーティングした研磨済みまたは研磨していないガラス基板６０２を備える反射面、すなわちミラー６０１を示す。また、誘電体層６０３の外側金属膜面から反射されている自由空間の回折光ビーム６０４および６０５も示されている。
図７は、本発明を実施する際に使用することが可能である、研磨済みまたは研磨していないガラス基板６０２（７０２）と、誘電体層７０４でコーティングした図６の金属薄膜６０３（７０３）とを含んでいる反射面を示す。また、誘電体層７０４の外側誘電体面から反射されている自由空間の回折光ビーム７０５および７０６も示されている。
後に記載するように、
図８Ａは、入射角度に対する、第１規定波長における金膜の反射率（ｓ、ｐおよびｓ−ｐ）を示すグラフであり、
図８Ｂは、図８Ａの金膜について、入射角度に対するｓ偏光とｐ偏光との比Ｒｓ／Ｒｐを示すグラフであり、
図８Ｃは、入射角度に対する、第２規定波長における金膜の反射率（ｓ、ｐ、およびｓ−ｐ）を示すグラフであり、
図８Ｄは、図８Ｃの金膜について、入射角度に対するｓ偏光とｐ偏光との比Ｒｓ／Ｒｐを示すグラフであり、
図９Ａは、入射角度に対する、第１規定波長におけるアルミニウム膜の反射率（ｓ、ｐ、およびｓ−ｐ）を示すグラフであり、
図９Ｂは、図９Ａのアルミニウム膜について、入射角度に対するｓ偏光とｐ偏光との比Ｒｓ／Ｒｐを示すグラフであり、
図９Ｃは、入射角度に対する、第２規定波長におけるアルミニウム膜の反射率（ｓ、ｐ、およびｓ−ｐ）を示すグラフであり、
図９Ｄは、図９Ｃのアルミニウム膜について、入射角度に対するｓ偏光とｐ偏光との比Ｒｓ／Ｒｐを示すグラフであり、
図１０Ａは、入射角度に対する、第１規定波長におけるニッケル膜の反射率（ｓ、ｐ、およびｓ−ｐ）を示すグラフであり、
図１０Ｂは、図１０Ａのニッケル膜について、ブレーズ角に対するｓ偏光とｐ偏光との比Ｒｓ／Ｒｐを示すグラフであり、
図１０Ｃは、入射角度に対する、第２規定波長におけるニッケル膜の反射率（ｓ、ｐ、およびｓ−ｐ）を示すグラフであり、
図１０Ｄは、図１０Ｃのニッケル膜について、入射角度に対するｓ偏光とｐ偏光との比Ｒｓ／Ｒｐを示すグラフであり、
図１１Ａは、入射角度に対する、第１規定波長におけるニッケル膜の反射率（ｓ、ｐ、およびｓ−ｐ）を示すグラフであり、
図１１Ｂは、図１１Ａのニッケル膜について、入射角度に対するｓ偏光とｐ偏光との比Ｒｓ／Ｒｐを示すグラフであり、
図１１Ｃは、入射角度に対する、第２規定波長におけるニッケル膜の反射率（ｓ、ｐ、ｓ−ｐ）を示すグラフであり、
図１１Ｄは、図１１Ｃのニッケル膜について、入射角度に対するｓ偏光とｐ偏光との比Ｒｓ／Ｒｐを示すグラフである。
図８Ａは、入射角度に対する、第１規定波長における金膜の反射率（ｓ、ｐおよびｓ−ｐ）を示すグラフであり、
図８Ｂは、図８Ａの金膜について、入射角度に対するｓ偏光とｐ偏光との比Ｒｓ／Ｒｐを示すグラフであり、
図８Ｃは、入射角度に対する、第２規定波長における金膜の反射率（ｓ、ｐ、およびｓ−ｐ）を示すグラフであり、
図８Ｄは、図８Ｃの金膜について、入射角度に対するｓ偏光とｐ偏光との比Ｒｓ／Ｒｐを示すグラフであり、
図９Ａは、入射角度に対する、第１規定波長におけるアルミニウム膜の反射率（ｓ、ｐ、およびｓ−ｐ）を示すグラフであり、
図９Ｂは、図９Ａのアルミニウム膜について、入射角度に対するｓ偏光とｐ偏光との比Ｒｓ／Ｒｐを示すグラフであり、
図９Ｃは、入射角度に対する、第２規定波長におけるアルミニウム膜の反射率（ｓ、ｐ、およびｓ−ｐ）を示すグラフであり、
図９Ｄは、図９Ｃのアルミニウム膜について、入射角度に対するｓ偏光とｐ偏光との比Ｒｓ／Ｒｐを示すグラフであり、
図１０Ａは、入射角度に対する、第１規定波長におけるニッケル膜の反射率（ｓ、ｐ、およびｓ−ｐ）を示すグラフであり、
図１０Ｂは、図１０Ａのニッケル膜について、ブレーズ角に対するｓ偏光とｐ偏光との比Ｒｓ／Ｒｐを示すグラフであり、
図１０Ｃは、入射角度に対する、第２規定波長におけるニッケル膜の反射率（ｓ、ｐ、およびｓ−ｐ）を示すグラフであり、
図１０Ｄは、図１０Ｃのニッケル膜について、入射角度に対するｓ偏光とｐ偏光との比Ｒｓ／Ｒｐを示すグラフであり、
図１１Ａは、入射角度に対する、第１規定波長におけるニッケル膜の反射率（ｓ、ｐ、およびｓ−ｐ）を示すグラフであり、
図１１Ｂは、図１１Ａのニッケル膜について、入射角度に対するｓ偏光とｐ偏光との比Ｒｓ／Ｒｐを示すグラフであり、
図１１Ｃは、入射角度に対する、第２規定波長におけるニッケル膜の反射率（ｓ、ｐ、ｓ−ｐ）を示すグラフであり、
図１１Ｄは、図１１Ｃのニッケル膜について、入射角度に対するｓ偏光とｐ偏光との比Ｒｓ／Ｒｐを示すグラフである。
図８Ａから１１Ｄに示したように、ニッケルおよびタングステンなどの金属は、ｐ偏光よりｓ偏光をはるかに強く偏光する。対照的に、貴金属（銅、銀、および金）は、２つの偏向をほとんど同じ強度で反射し、アルミニウムは、中間的な場合である。これは、屈折率（ｎ）の実数部分と虚数部分の相対的なサイズによる。例として、１６３０ｎｍでは、金の屈折率は、ｎ＝０．６０９＋ｉ１０．３であり、タングステンの屈折率は、ｎ＝１．９７＋ｉ５．２７である。屈折率の実数部分と虚数部分との相対的なサイズは、自由電子と束縛電子との間の競合によって影響を受ける。虚数指標は、自由電子が優勢な金属で高く、一方、中間遷移によって影響を受ける金属では、実数部分と虚数部分とはほぼ同じ値を有する（Ｅ．Ｄ．Ｐａｌｉｋ、Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｎｓｔａｎｔｓ ｏｆ Ｓｏｌｉｄｓ、１９８５年、Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓを参照されたい）。上記の注釈は、たとえば図４に示した大きな金属、およびたとえば図６に示した滑らかなガラス基板の上に付着された薄い金属膜に当てはまる。
金属薄膜は、注目の波長に対して不透過性であるような厚さを有するべきである。たとえばタングステンなどの金属では、金属薄膜は、約１０００から２０００オングストロームの厚さを有するべきである。使用時、誘電体層は、注目の波長とほぼ同じ厚さを有するべきである。
膜は、蒸着、スパッタリング、または化学蒸着などの標準的な技術によって、基板の上に付着することができる。反射面の微視的な寸法は、光学的光ビーム全体を所望の入射角度において包含するように十分大きくあるべきである。
図１２Ａは、第１規定入射角度における、波長に対するタングステンの反射率（ｓ、ｐ）を示すグラフである。
図１２Ｂは、タングステンについて、第１規定入射角度における、波長に対するｓ偏光とｐ偏光との比Ｒｓ／Ｒｐを示すグラフである。
図１２Ｂは、タングステンについて、第１規定入射角度における、波長に対するｓ偏光とｐ偏光との比Ｒｓ／Ｒｐを示すグラフである。
図１３Ａは、第２規定入射角度における、波長に対するタングステンの反射率（ｓ、ｐ）を示すグラフである。
図１３Ｂは、タングステンについて、第２規定入射角度における、波長に対するｓ偏光とｐ偏光との比Ｒｓ／Ｒｐを示すグラフである。
図１３Ｂは、タングステンについて、第２規定入射角度における、波長に対するｓ偏光とｐ偏光との比Ｒｓ／Ｒｐを示すグラフである。
図１４Ａは、第３規定入射角度における、波長に対するタングステンの反射率（ｓ、ｐ）を示すグラフである。
図１４Ｂは、タングステンについて、第３規定入射角度における、波長に対するｓ偏光とｐ偏光との比Ｒｓ／Ｒｐを示すグラフである。
図１４Ｂは、タングステンについて、第３規定入射角度における、波長に対するｓ偏光とｐ偏光との比Ｒｓ／Ｒｐを示すグラフである。
図１２、１３、および１４に示したように、入射角度を使用して、所与の金属について、Ｒｓ／Ｒｐ比の大きさを調節することもできる。
さらに、金属のＲｓ／Ｒｐ比は、誘電体コーティングによって修正することもでき、たとえば図５および７を参照されたい。数千オングストロームの窒化ケイ素が金属面の上に付着されている場合、光は、空気／誘電体の境界と誘電体／金属の境界との両方から反射される。これらの反射光の干渉を使用して、Ｒｓ／Ｒｐ比のスペクトル分布を最適化することができ、たとえば図１５Ａおよび１５Ｂを参照されたい。
さらに、金属のＲｓ／Ｒｐ比は、誘電体コーティングによって修正することもでき、たとえば図５および７を参照されたい。数千オングストロームの窒化ケイ素が金属面の上に付着されている場合、光は、空気／誘電体の境界と誘電体／金属の境界との両方から反射される。これらの反射光の干渉を使用して、Ｒｓ／Ｒｐ比のスペクトル分布を最適化することができ、たとえば図１５Ａおよび１５Ｂを参照されたい。
異なる波長は、異なる角度で回折格子３０３（図３）から回折されるので、回折格子誘起偏光依存損失（ＰＤＬ）は、波長の関数である（たとえば、２つの偏光の反射率の比Ｒｓ／Ｒｐは、Ｃ帯域上では約１．２４から１．０８まで変化することがある）。Ｒｓ／Ｒｐのスペクトル依存性と大きさとは、４つの自由度から選択すること、適切な金属を選択すること、ミラー面が偏光ビームを反射する角度を調節すること、誘電体層を金属膜の上に追加すること、および／または複数の反射面を使用すること、によって正確に整合させることができる。
タングステンをコーティングしたミラー面は、通常の回折格子のＲｓ／Ｒｐに波長に関数としてほぼ整合させることができる。他の遷移金属（Ｎｉ、Ｍｏ、Ｖ（バナジウム）、Ｆｅ、Ｔａなど）と遷移金属化合物（ＴｉＣ、ＴｉＮなど）は、ある範囲のＲｓ／Ｒｐ比を生成する。また、金属合金を使用して、所与の応用に対してＲｓ／Ｒｐを調節することもできる。注目のスペクトル帯域にわたって中間から高い値までの範囲の反射率を有する金属は、Ｒｓ／Ｒｐについてより大きなスペクトル傾斜を提供する。図８Ａ〜１１Ｄに示したように、反射面における入射角度（図１の法線１０６と入射ビーム１０２の間の角度）を変更して、Ｒｓ／Ｒｐを変化させることもできる。図１２Ａと１２Ｂ、１３Ａと１３Ｂ、および１４Ａと１４Ｂは、それぞれ、入射角度が４２度、４５度、および４７度における、タングステン（Ｗ）の波長に対する反射率ｓおよびｐとＲｓ／Ｒｐとを示す。図からわかるように、入射角度を変更することにより、スペクトル傾斜を変化させずに、Ｒｓ／Ｒｐは、上方および下方に主に調整される。Ｃ帯域回折格子について、図１５Ｂは、約８０００Ａの窒化ケイ素でコーティングしたタングステン反射面を使用することによって、所望のＲｓ／Ｒｐスペクトル依存性を示す。二酸化ケイ素およびシリコンなどの他のコーティング剤も使用することができる。これらの二重層のタイプは、他の応用ではすばらしい安定性を示した（光熱太陽変換）。最後に、複数の反射面を連続的に使用して、Ｒｓ／Ｒｐの大きさとスペクトル傾斜を調節することもできる。
本発明のこの反射面の実施形態は、光チャネル・モニタ（ＯＣＭ）と他の光タップのＰＤＬを、たとえば０．２ｄｂより下に維持することができるように、ブレーズド・ファイバ・ブラッグ回折格子の偏光を補償する。金属膜は、不透過性であることのみが必要なので、付着条件は制御が容易である。対照的に、電流使用下の複雑な誘電体スタックは、鮮明なスペクトル・エッジを使用して、所望のＲｓ／Ｒｐ比を生成する。この鮮明なエッジは、制御が困難である。したがって、金属膜は、ＰＤＬを補償するより堅牢な方法を提供する。さらに、大きな角度にブレーズされた回折格子からの大きなＰＤＬ値は、適切な設計で補償することもできる。最後に、二重回折格子設計のチャネル・モニタ（複雑なＲｓ／Ｒｐスペクトルの形状に必要なことによる追加の課題）は、金属反射面で適切に補償することができる。
さらに、本発明の補償技術は、ファイバ回折格子ではなく、自由空間回折格子を使用するチャネル・モニタにおいて有用である。
上述した実施形態は、当然、本発明の原理の単なる例示である。実際、本発明の精神および範囲から逸脱せずに、当業者によって多くの他の方法と装置を考案することが可能である。
上述した実施形態は、当然、本発明の原理の単なる例示である。実際、本発明の精神および範囲から逸脱せずに、当業者によって多くの他の方法と装置を考案することが可能である。
Claims (10)
- 光タップ、及び、
光ビームに対する前記光タップの偏光依存性を補償するための遷移金属要素を有する第１の反射面(３０１)を含む装置。 - 前記第１の反射面が、前記遷移金属要素の金属膜からなるミラー面（６０６）を含む、請求項１に記載の装置。
- 前記第１の反射面が、前記遷移金属要素の金属薄膜でコーティングされたガラス基板を含む、請求項２に記載の装置。
- 前記金属薄膜が、誘電体材料でコーティングされる、請求項２に記載の装置。
- 前記第１の反射面が、誘電材料でコーティングされた、前記遷移金属要素からなる金属基板を含む、請求項１に記載の装置。
- 前記遷移金属要素が、遷移金属化合物又は遷移金属の合金を含む、請求項１に記載の装置。
- 前記第１の反射面が、前記遷移金属要素の金属膜でコーティングされた基板からなり、前記金属膜が、誘電体材料でコーティングされる、請求項１に記載の装置。
- 前記光タップの偏光依存性を補償するための遷移金属要素を含む第２の反射面を含み、前記第２の反射面が、前記第１の反射面から反射された供給光を反射するように配置される、請求項１に記載の装置。
- 光タップの偏光依存性を補償する方法であって、光ビームに対する光タップの偏光依存性を補償するための遷移金属要素を有する反射面を提供することを含む方法。
- 光ビームに対する光タップの偏光依存性を補償するための遷移金属要素を有する反射面を提供する前記ステップが、光タップの前記光ビームを回折するために使用される格子のｓ−偏光とｐ−偏光の反射率比のスペクトル依存性及び大きさに対する前記反射面のｓ−偏光とｐ−偏光の反射率比のスペクトル依存性及び大きさを整合させることを含む請求項９記載の方法。
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