JP4706017B2

JP4706017B2 - 偏波保持光ファイバへの光入射装置

Info

Publication number: JP4706017B2
Application number: JP2004031564A
Authority: JP
Inventors: 立田　　光廣
Original assignee: 国立大学法人千葉大学
Priority date: 2004-02-09
Filing date: 2004-02-09
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2024-02-09
Also published as: JP2005221913A

Description

本発明は、偏波保持光ファイバへの光入射装置に関する。

光ファイバは、通信はもちろんのこと、さまざまな光計測に用いられている。一般に光ファイバにはわずかながら複屈折があるため、光ファイバ内に入射された光の偏光状態は光ファイバを伝搬するに従い、直線偏波から楕円偏波へと、数メートルから数十メートルを周期として変化する。この偏光状態変化の程度は入射光の偏光状態や、入射光の偏光主軸と光ファイバの複屈折主軸の相対角度、さらには温度や応力状態など、光ファイバのおかれた環境などにも依存する。通信、計測のいずれにおいても、光ファイバ出射光のパワーのみを対象とする場合にはこの偏光状態変化はあまり問題とされないが、長距離通信やヘテロダイン検波、干渉計測などにおいてはその影響が大きく、重大な問題とされる。

偏波保持光ファイバは、１０^−４程度の大きな複屈折をもつ光ファイバであって、その複屈折主軸に平行な直線偏波が入射されるとき、光ファイバの長さに全く依存せず、光ファイバ内での偏光状態は常に直線偏波状態が保たれる。このことに着目し、偏光状態を一定に保つ必要のある光ファイバ増幅器の励起光入力部や、光源から干渉計測系への導入部などに偏波保持光ファイバがすでに活用されており、また、新規な提案もなされている（特許文献１〜３）。

前述のように、偏波保持光ファイバの特徴を生かすためにはその複屈折主軸に平行に直線偏光を入射する必要がある。特許文献４には半導体レーザと偏波保持光ファイバの間に磁性ガーネットを挟み、これを取り巻く電磁石の磁力調整により半導体レーザ出射光の偏光方向を偏波保持光ファイバの偏光主軸に一致させるデバイスが開示されている。しかしながら、光源と偏波保持光ファイバが空間的に離れていたり、光源を取り替えて特性を比較したい場合など、光源と偏波保持光ファイバが直結されない場合には前記方法は使えない。そこで従来は、このために、図１に示すような光学系が用いられている。

光源１の光は、平行光束として取り出されこれを光源１の直近に配置した偏波保持光ファイバに入射する場合もあるが、多くの場合は一旦光ファイバコード２により取り出され、偏波保持光ファイバ７の近くまで導かれる。光ファイバコード２から出射する発散光はコリメート用第１のレンズ３により平行光束にされる。光源１としては通常レーザ光源が使われる。レーザ光源出射直後の光はほぼ完全な直線偏光であるが、光ファイバコード２を通過する際に偏光状態は乱され、一般に楕円偏光となる。そこで、この楕円偏光を偏光子５を用いて直線偏光にしたのち、第２のレンズ６を用いて偏波保持光ファイバ７に入射させる。その際、偏波保持光ファイバ７の偏光主軸と偏光子５の透過軸が一致するように、偏波保持光ファイバ７あるいは偏光子５を光軸まわりに回転させて、調整される。

入射光束の偏光主軸（長軸）方向をψ、偏光子透過軸方向をθとすると、偏光子透過光パワーは一般に図２に示すようにθに依存して変化する。平行光束が偏光子５を効率よく透過するためには、平行光束の偏光主軸（長軸）を偏光子５の透過軸と一致させる（すなわち、θ＝φとする）必要があるため、第１のレンズ３と偏光子５との間に１/２波長板４を挿入する。すなわち、１/２波長板４の主軸をΘだけ回転させると平行光束の偏光主軸が２Θだけ回転する性質を用いて偏光子５の透過軸と入射光の偏光主軸（長軸）を一致させる。
特開２００２−１７６２１７号公報特開平１１−２７１０２８号公報特開２００１−１２７７３７号公報特開平５−２５７１０６号公報

上記従来法の装置構成では、１/２波長板４と偏光子５の順序を入れ替えることは可能であり、そのようにしても結果は全く同じである。この場合、第１のレンズ３出射光の偏光主軸（長軸）と偏光子５の透過軸を一致させるが、一般には光ファイバコード２出射光の偏光主軸方向が未知なので偏光子５の透過軸方向を光源１の状態毎に調整する必要がある。いずれの場合にも、１/２波長板４の挿入とその軸方向調整は不可欠となる。

以上に説明したように、従来法では偏波保持光ファイバに入射したい光の状態に依存して、光入射の都度１/２波長板の主軸方向の回転調整が必要不可欠であるという課題があった。

この課題を解決するために、本発明は、入射すべき光の偏光状態に全く依存せずに、すなわち、偏光楕円率ならびに偏光主軸方向が任意の光に対して、追加の調整をすることなく偏波保持光ファイバへ該光ファイバの複屈折主軸方向の直線偏光を入射可能とする、偏波保持光ファイバへの光入射装置を提供することを目的とする。

本発明者らは、鋭意研究した結果、主軸が互いに４５°の角度をなす１/４波長板と偏光子の組を光源と偏波保持光ファイバの間に挿入することを本質的な構成要件とし、これに光源からの光の取り出しと偏波保持光ファイバへの集光のためのレンズを各々１つずつ備えた装置とすることで、上記目的を達成できることを見出し、本発明をなした。すなわち、本発明は、以下のとおりである。
（発明項１）光源から出射した光を平行光束として出力する第１のレンズと、前記平行光束を順次通過させる１/４波長板および偏光子と、該偏光子からの出射光を偏波保持光ファイバに入射させる第２のレンズとを有してなり、前記１/４波長板の速い軸と前記偏光子の透過軸は互いに４５°の角度をなし、かつ前記偏光子の透過軸を前記偏波保持光ファイバの速い軸と平行または直交させたことを特徴とする偏波保持光ファイバへの光入射装置。
（発明項２）前記１/４波長板および偏光子を一体に保持して光軸のまわりに回転可能とする１/４波長板・偏光子一体回転機構を有することを特徴とする発明項１記載の偏波保持光ファイバへの光入射装置。
（発明項３）前記偏波保持光ファイバの速い軸を光軸のまわりに回転可能とする偏波保持光ファイバ回転機構を有することを特徴とする発明項１または２記載の偏波保持光ファイバへの光入射装置。

従来法では、光源や光源とコリメート用レンズとを結ぶ光ファイバコードを取替えるたびに、１/２波長板の偏光主軸の調整を必要としたのに対し、本発明によれば、光ファイバコードのねじれなどによる第１のレンズへの入射光の偏光主軸の回転の影響を全く受けないから、一旦組み立ててしまえばその後の調整は一切必要なくなるという優れた効果を奏する。

図３は、本発明の実施形態の１例の光学系を示す模式図である。光源１の光は光ファイバコード２により取り出され、偏波保持光ファイバ７近くまで導かれる。光ファイバコード２から出射する発散光はコリメート用第１のレンズ３により平行光束にされる。ここまでの光ファイバコード２ならびに第１のレンズ３の役割は従来法と全く同一であって、第１のレンズ３で得られる平行光束は一般に楕円偏光となり、その主軸方向は未知である。

第１のレンズ３と後述する第２のレンズ６の間に挿入された１/４波長板８と偏光子５はその主軸方向が互いに４５°の角度をなすようにあらかじめ調整されており、これらが一体として共通の光軸の回りに回転可能となっている。この主軸角調整は本装置を組立てるに際して一度限り行えば十分であり、光源１の取替えや光を入射すべき偏波保持ファイバ７を取替える度に再調整する必要が一切ないことを強調しておく。

以下、さらに少し詳しく説明する。１/４波長板８はその光軸（すなわち光線が通り抜ける方向）に直交する面内に速い軸および遅い軸と呼ばれる２つの軸をもち、これらの軸は互いに直交している。また、偏光子５はやはり光軸に直交する面内に特定の電界振動方向をもつ光のみを透過させる透過軸を１つもつ。１/４波長板８の速い軸と偏光子５の透過軸が４５°の角度をなすように配置し、これら２つの光学素子の光軸を一致させると、１/４波長板８側から入射する任意の偏光状態の光に対して、その偏光主軸の方向によらず、偏光子５出射光のパワーが一定不変となる。

この著しい特性については、入射光が直線偏光の場合については本発明者による「偏光面回転装置」と題する特許１２８７５９６号（特公昭５５−１２５６３号公報）に開示されている。さらに、この原理の一般論ならびに実験的検証結果については、たとえば本発明者による「受動光学素子で構成する定偏光変換装置」（電子情報通信学会光ファイバ応用技術研究会技術報告ＯＦＴ２００１−３、２００１年５月）および“Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｓｔａｔｅｆｉｘｅｒｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆｐａｓｓｉｖｅｏｐｔｉｃａｌｄｅｖｉｃｅｓ”、（ＪＯＳＡＡ、Ｖｏｌ．２０、Ｎｏ．２、ｐｐ．３４２−３４６、２００３）に開示されている。これら論文によれば、１/４波長板への入射光が直線偏光に限らず任意の楕円偏光であっても、その偏光主軸の回転によらず、偏光子を出射する光は直線偏光となり、その偏光方向とパワーは常に一定に保たれることが、理論・実験ともに明らかにされている。

本発明はこの性質を活用するものである。すなわち、前述したように、光源１から光ファイバコード２により導かれて第１のレンズ３を出射する平行光束は通常楕円偏光であり、その偏光主軸方向は未知である。さらに光ファイバコード２のねじれなどにより、偏光主軸方向には時間的な変動も生じる。しかしながら、上述した１/４波長板８と偏光子５の作用により、偏光子５出射光は常に一定のパワーをもち、また当然ながら偏光子５の透過軸方向に偏光主軸をもつ直線偏光が出射される。

偏光子５を出射した光は、第２のレンズ６により偏波保持光ファイバ７のコアに集光される。その際、偏波保持光ファイバ７の速い軸あるいは遅い軸のいずれかと偏光子５の透過軸を一致させる。この一致させるプロセスを容易に実行可能とするために、本発明の好適形態では、１/４波長板８および偏光子５を一体に保持して光軸のまわりに回転可能とする１/４波長板・偏光子一体回転機構９を備えた。なお、これに代えて、あるいはこれと共に、偏波保持光ファイバ７の速い軸を光軸のまわりに回転可能とする偏波保持光ファイバ回転機構（図示省略）を備えてもよい。かかる偏波保持光ファイバ回転機構を備えると、１/４波長板８と偏光子５は固定したままとし、波長保持光ファイバ７の偏光主軸を回転させることによっても前記一致させるプロセスを実行することができる。

この偏光子透過軸を偏波保持光ファイバの速い軸あるいは遅い軸と一致させるプロセス自体は従来法と同様であり、例えば、次のようにして実行される。図４に示すように、偏波保持光ファイバ７の出射端に透過軸方向θが回転可能な検光子１０（素子としては偏光子５と全く同じであるが、その使い方により検光子と呼ばれる。）を配置し、これを透過した光パワーを受光器１１で測定すると、図５に示すように、受光パワーＰ（φ）は検光子透過軸方向φに依存して変化する。θを固定し、φを変化させたときの受光パワーの最小値をＰｍｉｎ（θ）とすると、図６に示すようにＰｍｉｎ（θ）はθにより変化する。そこで偏光子透過軸θを回転させＰｍｉｎ（θ）を最小とする角度位置θ_０で偏光子を固定する。

本発明は、光ファイバ通信や光計測の分野に利用することができる。

従来法による偏波保持光ファイバへの光入射装置の光学系を示す模式図である。偏光子透過パワーの偏光子透過軸方向依存性を示す特性図である。本発明の実施形態の１例の光学系を示す模式図である。偏光子透過軸と偏波保持光ファイバの偏光主軸の合致方法を示す説明図である。検光子透過パワーの検光子透過軸回転角φ依存性を示す特性図である。検光子透過最小パワーの偏光子透過軸θ依存性を示す特性図である。

符号の説明

１光源
２光ファイバコード
３第１のレンズ
４１/２波長板
５偏光子
６第２のレンズ
７偏波保持光ファイバ
８１/４波長板
９１/４波長板・偏光子一体回転機構
１０検光子
１１受光器

Claims

光ファイバコードを介して取り出される光源からの光を平行光束として出力する第１のレンズと、前記平行光束を順次通過させる１／４波長板および偏光子と、該偏光子からの出射光を偏波保持光ファイバに入射させる第２のレンズとを有してなり、
前記１／４波長板及び前記偏光子を一体に保持して光軸のまわりに回転可能とする１／４波長板・偏光子一体回転機構を有し、
前記１／４波長板の速い軸と前記偏光子の透過軸は互いに４５°の角度をなし、かつ前記偏光子の透過軸を前記偏波保持光ファイバの速い軸と平行または直交させたことを特徴とする偏波保持光ファイバへの光入射装置。
光ファイバコードを介して取り出される光源からの光を平行光束として出力する第１のレンズと、前記平行光束を順次通過させる１／４波長板および偏光子と、該偏光子からの出射光を偏波保持光ファイバに入射させる第２のレンズとを有してなり、
前記偏波保持光ファイバの速い軸を光軸のまわりに回転可能とする偏波保持光ファイバ回転機構を有し、
前記１／４波長板の速い軸と前記偏光子の透過軸は互いに４５°の角度をなし、かつ前記偏光子の透過軸を前記偏波保持光ファイバの速い軸と平行または直交させたことを特徴とする偏波保持光ファイバへの光入射装置。