JP5897056B2 - 光学偏光計 - Google Patents

Description

［関連出願への相互参照］
本出願は、２０１３年３月１５日に出願した米国仮出願第６１／７９８，１５３号の利益を主張するものであり、参照により本明細書に組み込まれる。

本発明は、光学偏光計（ｏｐｔｉｃａｌ ｐｏｌａｒｉｍｅｔｅｒ）に関し、より詳細には、平均ストークス・ベクトルとストークス・ベクトル（Ｓｔｏｋｅｓ ｖｅｃｔｏｒ）を中心にした偏光状態の任意の回転を共に測定できる偏光計に関する。

偏光計は、入力光信号の偏光状態を測定する。光偏光および時間におけるその変化の測定は、電気通信およびファイバ・センサ（ｆｉｂｅｒ ｓｅｎｓｏｒ）を含む多くのフォトニック応用にとって重要である。アイソレータ、カプラ、増幅器等などのファイバ・ベースの光学デバイスの伝達特性は、ファイバ自体の偏光状態に依存する。したがって、これらのデバイスを完全に特徴付けるために、ファイバ・ベースのシステムの入力の偏光状態（ＳＯＰ：ｓｔａｔｅ ｏｆ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）と出力の偏光状態（ＳＯＰ）の間の関係が知られていなければならない。

光ビームのＳＯＰを測定する従来の方法は、ビームの光路中に波長板および直線偏光子を並べることを含む。この波長板は、光軸を中心にして回転可能であり、典型的には１／４波長板である。光検出器などの光学センサが、波長板および偏光子によって透過される光の強度を測定するように配置される。動作時、この波長板は、直線偏光子に対して光軸を中心にして最低でも４つの角度位置へ連続的に回転させられ、透過光の強度が、光検出器によって各位置で測定される。

この技術は、伝播している光信号のほんの僅かな散乱部分を吸収し、この信号の残りが各検出器に沿って移動し続け、次いで各検出器に当ることを可能にする４つのソリッドステート検出器のセットを利用する直列のファイバ偏光計の開発をもたらした。各検出器は、各検出器がファイバから吸収する光の偏光依存部分に比例した電気信号を生じさせる。次いで、これらの４つの電気出力信号は、較正によって決定されたインストルメント行列（ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｍａｔｒｉｘ）（ときには「較正行列」と呼ばれる）によってファイバ中の光の４つのストークス・パラメータを決定するために使用される。

４つのストークス・パラメータＳ_０、Ｓ_１、Ｓ_２、およびＳ_３（組み合わさって「ストークス・ベクトル」を形成する）は、一般的に以下のように定義される。Ｓ_０は全出力（ｔｏｔａｌ ｐｏｗｅｒ）であり、Ｓ_１は直線偏光の水平成分−直線偏光の垂直成分であり、Ｓ_２は直線偏光の４５度の成分−直線偏光の−４５度の成分であり、Ｓ_３は右回りの円偏光の成分−左回りの円偏光の成分である。したがって、４×４の較正行列Ｃは、一組の４つの検出器出力信号Ｄ_１、Ｄ_２、Ｄ_３、Ｄ_４と４つのストークス・パラメータＳ_０、Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３の間の関係

を定義するように発展させることができ、ただし、ストークス・ベクトルＳは、４つのパラメータの成分の合計である。

上記の偏光計などの従来の偏光計は、光源の時間平均偏光状態（ＳＯＰ）を正確に測定するように設計されている。偏光度（ＤＯＰ：ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）が１００％であるとき、時間平均偏光は、瞬間の偏光として見られる。例えば、信号が十分に狭い線幅を有するとき、時間平均ＳＯＰは、瞬間のＳＯＰと同じである。しかし、大抵の場合、光信号は、信号の偏光がそのスペクトル帯域幅にわたって変化するような範囲にわたって広がる有限の帯域幅を示す。したがって、いずれかの時点で、「実際の」（瞬間の）ＳＯＰは、測定した平均値とは異なり得る。言い換えると、信号の偏光は、従来の検出器が追跡するにはあまりに大きい速度で時間変化し得る。この場合には、ＤＯＰは、１００％未満となる。元の光信号が十分に大きい帯域幅を有する場合、ストークス・ベクトルＳの値は光信号のスペクトルにわたって変化することが可能であることが分かっている。この場合には、ＳＯＰから測定されるＤＯＰは、いずれかの所与の時間で１未満であり得る。

図１は、スペクトルにわたって存在し得る変化を示す平均ストークス・ベクトルＳのポアンカレ球表示であり、この変化は、偏光状態のスペクトル「列（ｓｔｒｉｎｇ）」ｓ、または単に「ＳＯＰ列（ＳＯＰ ｓｔｒｉｎｇ）」とも呼ばれる。ＳＯＰ列ｓを形成する偏光のセットは、「平均ＳＯＰ」とは対照的に、信号のＳＯＰとも呼ばれ得る。平均ストークス・ベクトルＳの太字の矢印表示は、標準的な偏光計によって測定される周波数／時間平均ベクトルである。例示的な単一の周波数成分ωについてのストークス・ベクトルの測定値は、図１中にＳ_ωとして表される。ストークス・ベクトルの時間領域表現について、（周波数の代わりに）時間の関数として変化する対応する列ｓも示され得、このストークス・ベクトルの時間領域表現は、スペクトル・データを時間データにフーリエ変換することから導かれることに留意されたい。

従来の偏光計は、平均偏光状態を測定することができるが、この偏光計は、時間平均ＳＯＰについてのＳＯＰ列の回転を測定することができない。伝播している光信号の偏光状態が時間の関数として変化する場合、（例えば、回転式半波長板および回転式１／４波長板を用いることによって測定される）平均ストークス・ベクトルＳは一定のままである一方、基底スペクトル列はこの平均値を中心にして回転することが可能である。図２は、ｓ’に対する球上の角度αによって例示的な列ｓの回転を示す一方、ストークス・ベクトルＳは一定のままである（図２の場合については、スペクトル列（ｓｐｅｃｔｒａｌ ｓｔｒｉｎｇ）の形状も一定のままである）この時間依存特性のポアンカレ球表示である。

帯域幅が比較的大きいまたは偏光の時間依存変化が大きい（または両方の）場合、平均ＳＯＰに対するスペクトル（および／または時間）のＳＯＰ列の回転についての情報は、従来の偏光計によって認識されず、測定を不完全にさせる。平均ＳＯＰ値を中心にしてＳＯＰ列を回転させる偏光変換に対して偏光計を敏感にさせるように偏光計に機能を加えることが望ましい。

従来技術の分光偏光計は、広帯域応用のためにストークス・ベクトルの測定値を波長の関数として与えるように開発された。これらの構成（ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔｓ）では、波長のフィルタリング（または、十分な波長分散を有する偏光感受要素の使用）が、偏光特性が波長の関数として記録できるように使用されることが求められる。しかし、そのような測定は、複雑で分散的な要素、移動可能な偏光要素、大きい検出器アレイ、および／または低速でスキャンするフィルタを必要とし、それらすべてが、得られるデバイスを、大きく、低速で、高価で、および複雑なものにする。また、そのような分光偏光計は、平均ＳＯＰを中心にしたＳＯＰの回転に関する情報を与えること必ずしも必要でない。したがって、平均ＳＯＰに対するＳＯＰ列の回転に関する情報を与えるためのより効率的でコンパクトであると共により高速である構成が必要とされている。

特開２０１２−０１８１６５号公報

従来技術に存在するこの必要性が、本発明によって対処されており、本発明は、光学偏光計に関し、より詳細には、平均ストークス・ベクトルと、平均ストークス・ベクトル値周りの偏光状態の任意の回転を共に決定するために追加のストークス・パラメータ測定値を利用する偏光計に関する。

本発明によれば、従来の平均ストークス・ベクトルと少なくとも１つの条件に依存したストークス・ベクトルを共にもたらす複数の異なる条件下でＳＯＰを測定する光学偏光計が形成され、観測される平均ストークス・ベクトル値に対する伝播している光信号の偏光状態の何らかの波長依存変化および／または時間依存変化を可能にする。

一実施形態では、従来の直列のファイバ・ベースの光学偏光計は、第２のストークス測定構成（Ｓｔｏｋｅｓ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）、ある場合には、「条件に依存した」ストークス・ベクトルを生成するために従来の回折格子および検出器のペアと組み合わされて使用されるスペクトル・フィルタを含むように強化され、この場合の「条件」はフィルタ特性である。第２のストークス測定構成を含めることは、ストークス・ベクトルの波長に依存した見方（すなわち、スペクトル「列」）をもたらす伝播している光信号の別個のセットの測定値を与える。加えて、測定が経時的に行われている場合、時間の関数としてのスペクトル列の変化についての情報が、伝播している信号の偏光状態および時間依存関数を定めるために計算および使用される。

別の実施形態では、複数の異なるフィルタが利用され、それぞれは、異なる特性のセットを有し、したがって異なるセットの測定値をもたらす。フィルタ自体は、任意の所望の形態をとることができ、実際には、電気的フィルタリングは、ストークス・ベクトルを計算する前に光検出器出力信号をフィルタ処理するために使用することができる。本発明のさらに別の実施形態は、単一の検出器／フィルタのペアを第２のストークス測定構成として利用する。したがって、概して、単一の測定が（したがって任意の追加の情報を含まない）第１のストークス測定構成によって測定される平均ストークス・ベクトルと平行ではない限り、第２のストークス・ベクトルの測定値を生成するためには、単一の測定が使用できる。

本明細書に提示される偏光計の例は、直列の偏光計を形成するためにファイバ・ベースの回折格子を利用することを述べるが、他のタイプの偏光計構成が使用されてもよいことを理解されたい。これらの構成は、回転式波長板偏光計および振幅分割偏光計を含むが、これらに限定されない。

本発明の偏光計の第２のストークス・ベクトル測定構成は、第１のストークス・ベクトル測定構成（すなわち、従来の偏光計の部分）に対して光信号経路の別個の部分に配設することができ、または従来の偏光計と同じ信号に沿った軸方向位置であるが従来の偏光計から空間的に分離して配設することができる（すなわち、ファイバ・ベースの偏光計の中で、第２の構成は、第１の構成から方位角方向に分離している）。

好ましい実施形態は直列の全ファイバ型偏光計を含むが、必要なら、個別要素から本発明の光学偏光計を形成することが可能である。

本発明の特定の実施形態は、光信号経路に沿って伝播している光信号の偏光状態を定める平均ストークス・ベクトルＳを生成する第１のストークス測定構成と、少なくとも１つのフィルタ要素（ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔ）を含む第２のストークス測定構成であって、第２のストークス成分が平均ストークス・ベクトルＳの部分集合（ｓｕｂｓｅｔ）であるように少なくとも１つのフィルタ要素の存在によって変更される（スカラ量またはベクトル量であり得る）第２のストークス成分を生成するように構成される第２のストークス測定構成とを備え、平均ストークス・ベクトルＳと第２のストークス・ベクトルＳ’の組み合わせによって伝播している光信号の偏光変換に関する情報を与える、伝播している光信号の偏光変換を特定する光学偏光計として定義することができる。

本発明の別の特定の実施形態は、光信号の偏光変換を測定する方法であって、（１）光信号の一部に第１のストークス・ベクトル測定構成を通過させて伝播している光信号の偏光状態を定める平均ストークス・ベクトルＳを測定する工程と、（２）光信号の一部に少なくとも１つのフィルタ要素を含む第２のストークス測定構成を通過させ、第２の構成が、平均ストークス・ベクトルの部分集合である第２の測定されたストークス成分を与える工程と、（３）波長および時間に対して平均ストークス・ベクトルＳの変化に関する情報を与える工程とを含む方法として定義することができる。

本発明の他のおよびさらなる実施形態および態様は、以下の説明の過程中におよび添付図面を参照することによって明らかになる。

次に、図面を参照する。

平均ストークス・ベクトル、ならびに特定の周波数で測定した単一のストークス・ベクトルと、関連するスペクトルにわたるストークス・ベクトルの移動を示す関連するスペクトル列との３次元表示を示すポアンカレ球の図である。 この場合には、（一定の）平均ストークス・ベクトルを中心とした、時間の関数として生じ得るスペクトル列の回転を示す図１のものと同様の図である。 条件の部分集合を用いて生成される少なくとも１つの追加のストークス・ベクトルＳ’の生成に関連した本発明の態様のポアンカレ球表示であって、少なくとも１つの追加のストークス・ベクトルＳ’の利用に関連した追加の情報を示す表示である。 第２のストークス・ベクトルＳ’を生成するために光学フィルタを用いる本発明により形成された例示的な光学偏光計の図である。 光ファイバの長さに沿って同じ位置でそこから円周方向に変位して形成された第１のストークス測定構成と第２のストークス測定構成を共に有する偏光計を示す本発明の例示的な実施形態の端面図である。 平均ストークス・ベクトルＳを用いた分析に使用するための２つの異なるストークス・ベクトルＳ’およびＳ’’を形成する２つの別個のフィルタを利用する本発明の代替の実施形態を示す高レベルの図である。 この場合には１つだけの回折格子および関連した光検出器を第２のストークス測定構成として使用する本発明の別の実施形態を示す図である。 本発明の実施形態による第２のストークス測定構成に使用可能な３つの異なるフィルタ特性のセットを示す図である。 この場合では第２のストークス・ベクトルＳ’を形成するために電気的フィルタを利用する本発明のさらに別の実施形態を示す図である。 従来技術の偏光制御器の構成を示す図である。 図１０の従来技術の構成に関連した出力ストークス・ベクトルのポアンカレ球表示である。 偏光計が２つの別個の測定を行うと共に、フィードバック経路がこれらの２つの測定を使用して偏光制御器用の制御信号を生成する、本発明により形成された偏光制御器の構成の図である。 図１２の構成のポアンカレ球表示である。

上述のように、本発明は、従来の光学偏光計によって測定された従来の平均ストークス・ベクトルを補う追加のストークス・ベクトルを生成するように複数の異なる条件下で偏光状態（ＳＯＰ）を測定することを含む。図３は、ポアンカレ球表示において本発明の前提を示す。前述と同様に、平均ストークス・ベクトルＳおよびスペクトル列ｓが示されている。本発明によれば、第２のストークス・ベクトルＳ’は、おそらくフィルタ処理済の波長の部分集合を用いて測定され、Ｓ’についてのより細い線の使用は、その部分集合の性質を示す。第２の測定値は平均ストークス・ベクトルＳの部分集合であるので、それは条件が変更される（すなわち、偏光変換が、経時的に帯域幅にわたって等で信号に適用される）ときに変化することになる。この「変化」は、列ｓの回転と同様に、Ｓを中心にしたＳ’の回転として現れる。したがって、Ｓ’（およびおそらく、追加の部分集合をもたらす図３に示されたような追加のベクトルＳ’’、Ｓ’’’など）を用いてこの追加の測定機会（ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｐｐｏｒｔｕｎｉｔｙ）をもたらすことによって、平均ＳＯＰを中心にして回転する信号の偏光変換を検出することができる。この回転は、図３中の角度αによって示されている。

図４は、スペクトル（光学）フィルタ１２を含む本発明により形成された例示的な光学偏光計１０であって、このスペクトル（光学）フィルタ１２が、スペクトル列の特性の測定を行うために完全な平均ストークス・ベクトルＳの「部分集合」が本発明による第２のストークス・ベクトルＳ’として生成される条件を作り出すためのものである、光学偏光計１０を示す。図４に示された特定の実施形態は、光信号が光ファイバ１４のコア領域１６に結合される「全ファイバ型」偏光計である。光ファイバ１４は、平均ストークス・ベクトルの測定中に偏光回転が生じることを確実にするためにある程度の複屈折を示すように選択される。代替として、本発明の偏光計は、個別部品で形成されてもよいことを理解されたい。実際には、これは、本発明の単なる１つの例示的な実施形態であり、一方、他のものは、以下に詳細に説明されることになる。

図４を参照すると、従来のファイバ・ベースの光学偏光計に見られた構成要素を含む第１のストークス測定構成２０を備える光学偏光計１０が示されている。詳細には、第１のストークス測定構成２０は、光ファイバ１４のコア領域１６内に形成された特定の特性の４つの回折格子２２_１〜２２_４のセットを含む（例えば、各回折格子は、光軸ＯＡに対して異なる向きで直線偏光される）。伝播している光信号が回折格子２２_１〜２２_４を通過するときに、ビームの一部は、出力結合され（ｏｕｔ−ｃｏｕｐｌｅｄ）、１対１の関係で回折格子２２に関連した関連光検出器２４_１〜２４_４のセットに向けられる。検出器出力信号Ｄ_１、Ｄ_２、Ｄ_３およびＤ_４は、完全を期すために上述すると共に以下に示すような４×４のインストルメント行列Ｃを用いることによって平均ストークス・ベクトルＳを生成するために使用される電気信号であり、

ただし、Ｅ_ｉは所与の検出器２４_ｉにおける電場である。示された「時間」平均は、すべての時間にわたってとられているが、検出器２４として使用される特定のデバイスに適切である所与の時間間隔に一般化することができる。

本発明によれば、光学偏光計１０は、第２のストークス成分、この場合には、平均ストークス・ベクトルを生成するために使用される情報の部分集合に基づいて生成されているベクトルＳ’を測定するために使用される第２のストークス測定構成３０をさらに備えるように形成される。この図４の実施形態では、第２のストークス測定構成３０は、スペクトル（波長）フィルタ１２を含むように形成されており、したがって、このスペクトル（波長）フィルタ１２が、平均ストークス・ベクトルＳの形成に利用される波長値の一部を取り除き、波長値の部分集合に基づいて第２のストークス・ベクトルＳ’を生成する。

第１のストークス測定構成２０と同様に、第２のストークス測定構成３０は、伝播している光信号の一部を出力結合するために使用されるコア領域１６の一部に沿って配設された回折格子３２_１〜３２_４のセットを含む。本発明の本実施形態によれば、まず、出力結合された信号の一部は、光検出器３４_１〜３４_４のセットに入る前に光学フィルタ１２を通過し、このようにして光検出器３４に伝えられる信号のスペクトル特性を変更する。図８に関連して以下により詳細に述べられる光学フィルタ１２は、検出器３４の通過および検出器３４への到達が許容される特定の波長を制限する帯域通過フィルタを含む様々な異なる形態をとることができる。

図４の実施形態は、光ファイバ１４の別個の部分に沿って位置する（すなわち、光軸ＯＡに沿って長手方向に分離した）ストークス測定構成２０および３０を示すが、このストークス測定構成２０および３０は、ファイバ１４に沿った実質的に同じ長手方向の位置に設けられてもよく、この場合には、ファイバの周囲の周りで空間的に分離される（すなわち、円周方向に分離される）ことが可能である。図５には、この円周方向に分離した実施形態の端面図が示されている。

長手方向に分離されたまたは円周方向に分離されたストークス測定構成のいずれ場合にも、第２のストークス測定構成３０の一部としての光学フィルタ１２の存在は、（検出器２４に到達する信号と比べると）検出器３４に到達する信号を変更する。結果として、第２のストークス・ベクトルＳ’は、元の平均ストークス・ベクトルＳとは異なることになり、実際には元の平均ストークス・ベクトルＳの部分集合であり、ただし、Ｓ’は、以下のように定義され、すなわち、

であり、ただし、Ｆ（ω）は、フィルタ応答である。図３に示されるように、Ｓ’がＳに平行でない限り、Ｓを中心にした回転は、Ｓ’の変化の測定によって測定することができる。特に、Ｓ’ベクトルは、Ｓに平行な成分および垂直な成分に分割することができる。Ｓに垂直である成分は、Ｓを中心にしたＳＯＰの回転を与える。

図４に示されている実施形態は、第２のストークス測定構成３０内の４つの検出器のセットを利用するが、測定精度を改善するために、この４つのセットを上回る追加の検出器が加えられてもよいことを理解されたい（概して、追加の検出器は、構成２０または３０に加えることができる）。

図６の図中の高レベルの形態に示されるように、この構成に第２のフィルタを加えることによって追加の測定をもたらすこともでき、これによって平均ストークス・ベクトルに対するＳＯＰの回転を観察するために使用することができる測定値の第２の「部分集合」をもたらす。図６の上側部分Ｉは、図４に示された本発明の実施形態に相当し、平均ストークス・ベクトルＳおよび第２のストークス・ベクトルＳ’ （すなわち、波長値の部分集合からもたらされた「フィルタ処理済」のバージョン）の相対位置も示す。上述のように、異なる波長が伝播している光信号の瞬間の偏光状態の変化によって影響を受けるので、第２のストークス・ベクトルＳ’は、平均ストークス・ベクトルＳを中心にして経時的に回転する（この回転は、従来の平均ストークス・ベクトルの生成において「失われる」）。

図６の下側部分ＩＩは、第３のストークス測定構成４０が上記の構成に加えられると共に、（光学フィルタ１２とは異なる特性を有する）第２の光学フィルタ４２を備える本発明の実施形態を示す。異なるフィルタリングを用いることによって、波長の異なる部分集合が、測定値の中に含まれることになり、異なるストークス・ベクトルＳ’’を生成する。下側部分ＩＩに関連したポアンカレ球は、平均ストークス・ベクトルＳに対するＳ’とＳ’’の両方の位置が示された本実施形態を示す（ただし、Ｓ’とＳ’’の両方は、それらが値の部分集合に基づいているので「より細い」ベクトルとして示される）。Ｓ’とＳ’’の両方は、フィルタリングによってもたらされたので、両方は、周波数依存となる。したがって、Ｓ、Ｓ’およびＳ’’の組み合わせを使用して、時間平均ストークス・ベクトルＳの基になる完全なスペクトル列を近似することができる。

説明したような本発明の実施形態は、第２のストークス・ベクトルの生成においてこのように回折格子および検出器の完全なセットを大いに使用したが、より少ない数の回折格子／検出器のペアが使用されてもよく、実際には、本発明により形成された例示的な第２のストークス測定構成は、（例えば、単一の回折格子／検出器のペアによって与えられるような）１つだけの（フィルタ処理済の）測定の利用に基づいて使用することができることを理解されたい。

図７は、本発明のこの「単一の測定」の実施形態により形成された例示的な光学偏光計１００を示す。図示されるように、光学偏光計１００は、上記の構成２０と同様である第１のストークス測定構成２００を含む。しかし、偏光計１００の構成では、第２のストークス測定構成３００が、伝播している光信号の一部を出力結合し、それをフィルタ１２を通じて光検出器１１２に向けるために使用される１つだけの回折格子１１０を備えるものとして示されている。本実施形態では、光検出器１１２は、回折格子１１０に関連した偏光状態へのＳ’の投影を測定しており、この投影は、スカラ値Ｓ_ｇｒとして示される。Ｓ’はＳ_ｇｒに沿ったいくらかの成分有する（すなわち、Ｓ’は、Ｓ_ｇｒに平行でない）限り、本発明の単一検出器の実施形態は、（Ｓ’が、測定された偏光と並ばない限り）Ｓを中心にした偏光回転に関するいくらかの情報を与える。

このことは、較正行列Ｃの逆行列が単に測定偏光Ｓ^ｉである行の要素を有し、ストークス・ベクトルが検出器Ｄ_ｉの投影に使用されるので理解することができる。したがって、この場合には、検出器の値Ｄ_ｉは、単に、測定偏光と入力ストークス・ベクトルＳのドット積

である。Ｓを中心にした回転は、１つの検出器出力信号

でもその変化をもたらすことが示され得る。したがって、図７の単一の検出器構成は、この状況に対処するのに適した実施形態である。例えば、一般性を失うことなく、以下のパラメータ、ポアンカレ球上での

を考え、Ｒ_Ｓは一定のストークス・ベクトルＳを中心にした角度αの回転であり、Ｓ’は図７に示された構成に関連したストークス・ベクトルとすると、

である。従来技術の従来の光学偏光計では、α、つまりストークス・ベクトルＳに関連したスペクトル列の回転を測定することは可能でなかった。しかし、

は、この回転に敏感である限り、本発明の教示に従って測定を見出すことができる。すなわち、

である。

したがって、

は、図７に示されるように、Ｓ’の生成に１つだけの検出器が使用される場合でも、平均ストークス・ベクトルＳを中心にした回転に依存する。さらに、検出器および偏光光学系（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｐｔｉｃｓ）の較正が十分である場合、この単一の検出器の実施形態を用いてそのようなデータの時系列からαを評価することができる。もちろん、

変化はなく、単一の検出器はαを測定するのに十分なデータを与えるには不十分である。検出器の個数を増やすことが、この問題を克服することになるのは明らかである。

本発明の偏光計においては（１つまたは複数の）追加のストークス・ベクトルを形成するのに使用される光学フィルタの形状に対する制約はないことを理解することも大切である。例えば、フィルタは、周期的であってもよく、準周期的であってもよく、静的であってもよく、またはさらには周波数ωの関数として値が任意に変化してもよい。ある特殊な場合では、フィルタは、所定の自由スペクトル領域（ＦＳＲ）およびフィネス値（ｆｉｎｅｓｓｅ ｖａｌｕｅ）を用いたファブリ・ペロ・フィルタ（Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ ｆｉｌｔｅｒ）などの周期的なフィルタとすることができ、ただし、ＦＳＲは、２つの連続した反射信号または伝達信号の間の光周波数（または波長）の間隔として定義され、フィネスは、ＦＭＨＷ帯域幅によって割られたＦＳＲとして定義される。この場合には、信号があるＦＳＲ程度である場合、検出器は主としてある周波数成分を見ることになり、したがってＳ’はその成分でのストークス・ベクトルとなることが予期できる。実際には、この値は、フィルタのフィネスに依存するが、一般には、周波数（または時間）の平均ストークス・ベクトルＳと同じストークス・ベクトルではない。

そのような周期的なフィルタの適切な使用の大切な例は、伝播している光信号が知られたチャンネル間隔で分離されているＷＤＭシステムである。この場合には、ＦＳＲが知られたチャンネル間隔に設定される場合、Ｆ（ω）は、チャンネル帯域幅内の所与の点でストークス・ベクトルを測定する。したがって、本実施形態における光学偏光計は、列の回転角度を測定する能力を有する高度な「カラーレス（ｃｏｌｏｒｌｅｓｓ）」の（すなわち、波長から独立した）偏光計として動作する。

図８は、本発明の偏光計に使用できる様々な他のフィルタの形態を示す。図８（ａ）は、ステップ・エッジ（ｓｔｅｐ ｅｄｇｅ）が伝播している光信号の帯域幅内にある帯域通過フィルタを示す。図８（ｂ）は、所定のＦＳＲを有する周期的なフィルタを示し、図８（ｃ）は、任意のフィルタ形状を示す。概して、本発明の偏光計に使用される光学フィルタは、薄膜エタロン（ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｅｔａｌｏｎ）、アレイ導波管（ＡＷＧ）スプリッタ（ｓｐｌｉｔｔｅｒ）、ファイバのブラッグ回折格子、長周期回折格子、バルク回折格子（ｂｕｌｋ ｇｒａｔｉｎｇ）、薄膜フィルタなどを含むことができる。

本発明のさらに別の態様では、フィルタが、ＳとＳ’の間の距離を最大にするように調整できる場合、やはり有利と考えらえる。この調整は、信号のスペクトルがフィルタと重なることを確実にする。また、Ｓ’が平均ストークス・ベクトルＳにとても近いことが明らかである場合、フィルタを調整してＳから離れるようにＳ’を移動させる能力が役に立つ。この調整は、その波長のシフト、その帯域幅の変更、またはこれらのパラメータの組み合わせによって達成することができる。調整が完了した後にフィルタが安定であり限り、適切な測定を行うことができる。

前述のように、第２のストークス測定構成の構成において、光学フィルタリングの使用を電気的フィルタリングに置き換えることが可能である。この場合には、元の平均ストークス・ベクトルＳに関連したスペクトル列および（もしあれば）回転についての追加の情報を与えるのに使用するために、検出器からの電気出力信号（Ｄ）のフィルタリングを使用して追加のストークス・ベクトルＳ’、Ｓ’’等を生成する。図９は、第２のストークス・ベクトルＳ’を生成するために電気的フィルタリングを利用する本発明の例示的な光学偏光計５００を示す。図示されるように、偏光計５００の第１のストークス測定構成５２０は、上記の「第１の」ストークス測定構成と同じままであり、平均ストークス・ベクトルＳを生成するために使用される。図９を参照すると、第１のストークス測定構成５２０は、平均ストークス・ベクトルＳを測定するために４つの検出器５２４のセットと組み合わせて使用される４つの回折格子５２２のセットを含むものとして示される。

この特定の実施形態では、第２のストークス測定構成５３０は、４つの回折格子５３２のセットを含み、回折格子５３２によって出力結合された様々な散乱信号が、４つの光検出器５３４の関連したセットへの入力として直接加えられる。回折格子５３２が回折格子５２２と同じように向けられている限り、光検出器５３４によって受け取られる光信号は、光検出器５３２によって受け取られ、平均ストークス・ベクトルＳを生成するために使用されるものと実質的に同じものとなる。

本発明の本実施形態によれば、平均ストークス・ベクトルの「部分集合」は、電気的フィルタ５１０を利用することによって第２のストークス測定構成５３０内で生成される。図９に示されるように、電気的フィルタ５１０は、検出器の出力に配置されて、信号Ｄ_１〜Ｄ_４を電気的にフィルタ処理し、固有の電気出力信号Ｄ_ｅ１、Ｄ_ｅ２、Ｄ_ｅ３、Ｄ_ｅ４のセットを生成する。前と同じ較正行列Ｃを用いて、固有のフィルタ処理済のストークス・ベクトルＳ’が形成され、それを使用して上記のような追加の列／回転情報を与える。電気的フィルタ５１０（または複数の電気的フィルタ）は、第２のストークス・ベクトルＳ’を発生させるために使用される信号の部分集合を生成するために様々な形態で構成することができ、ただし、フィルタ５１０には、低域フィルタ、帯域通過フィルタ等が含まれ得る。フィルタは、フィルタ特性の観点で「一定」とすることができ、または平均ストークス・ベクトルＳと第２のストークス・ベクトルＳ’の間に所望の分離をもたらすために上記のように調整可能であってもよい。実際には、本発明の一実施形態は、光学的フィルタリングと電気的フィルタリングの両方の組み合わせを利用して、追加のストークス・ベクトル測定値を生成することができると考えられる。

本発明により形成された偏光計は、従来技術の自動偏光制御器よりも性能が改善される自動偏光制御器を構築するのに利用することができることも考えられる。図１０は、従来技術の偏光制御ループの構成を示す。ＯＳ_ｉｎで示される変化する偏光を伴う入力光信号が、偏光制御器６００（例えば、ファイバ・スクイーザ（ｆｉｂｅｒ ｓｑｕｅｅｚｅｒ）、またはＬｉＮｂＯ_３）を通じて送信され、次いで、出力光信号ＯＳ_ｏｕｔのその偏光状態を測定する偏光計６１０への入力として加えられる。出力光信号ＯＳ_ｏｕｔの一部は、取り出され、フィードバック要素（ｆｅｅｄｂａｃｋ ｅｌｅｍｅｎｔ）６２０へ入力として加えられることになり、ただし、フィードバック要素６２０は、偏光制御ループの偏光「設定点」として定められている入力として信号Ｓ_ｓｅｔも有する。フィードバック要素は、コンピュータ制御の要素とすることができる。次いで、電気制御信号Ｃは、差｜Ｓ_ｏｕｔ−Ｓ_ｓｅｔ｜を決定することによって生成され、偏光制御器６００に入力として加えられる。最終的に、Ｓ_ｏｕｔ＝Ｓ_ｓｅｔであるときに、制御信号Ｃはゼロの値を有することになり、偏光制御器に対するさらなる変更は必要なくなる。

図１１は、ループが安定化されてＳ_ｏｕｔ＝Ｓ_ｓｅｔになっているときの図１０の構成の出力ストークス・ベクトルを示す。上述のように、偏光列Ｓ_ｏｕｔが、（偏光状態において他の変化がなく）Ｓ_ｓｅｔを中心にして回転する場合、誤差信号は変化しない。すなわち、Ｓ_ｏｕｔの値は一定であり、これらの偏光列の回転は、ループが安定化されているときでも自由に起こり得る。

図１２は、本発明の開示した偏光計を用いた改良型の偏光制御ループを示す。本実施形態では、Ｓを中心にした回転に対して敏感である追加の測定値Ｓ’を含むフィードバック信号が生成される。この制御ループは、図１０に示された従来技術の構成の制御器６００に類似した従来の偏光制御器７００を含み、変化する偏光状態を伴った入力光信号ＯＳ_ｉｎが、入力として偏光制御器７００に加えられる。次いで、偏光制御器７００からの出力は、２つの別個の測定値ＳおよびＳ’を行う本発明により形成された偏光計７１０を通過させられる。追加の測定値Ｓ’によって、Ｓ_ｓｅｔを中心にした偏光例ＯＳ_ｏｕｔの回転を防ぐ誤差信号を生成することが可能になる。特に、制御信号Ｃは、｜Ｓ_ｏｕｔ−Ｓ_ｓｅｔ｜＋｜Ｓ_ｏｕｔ’−Ｓ_ｓｅｔ’｜の量として定義される。したがって、フィードバック・ループが安定化させられるとき、ストークス・ベクトルが安定化されるだけでなく、ストークス・ベクトルを中心とした任意の回転も安定化される。図１３には、このフィードバック・ループの安定化した出力が示されている。Ｓ_ｓｅｔの値は一定とすることができる、または適用に応じて時間の関数として変化することができることを理解されたい。

これは、フィードバック・ループの単なる一例であることに留意されたい。種々の誤差信号、偏光制御器、および電子回路構成も可能であり得る。測定値Ｓ’は、上記のように完全な偏光の測定でなくてもよい。例えば、たった１つまたはことによって２つの追加の検出器がある場合、図１２の強化されたフィードバック・ループは、従来技術の自動偏光制御器と同様の速度および複雑さとなり得る。フィード・フォワードの構成も可能であり得る。この例の意図は、本発明により形成された複数の測定偏光計を用いた強化された制御ループを示すことである。

実際、偏光状態の回転を利用する他の多くの偏光計の代替形態、変更形態、および改変形態が、上記の教示に鑑みて当業者には明らかであろう。もちろん、当業者は、本明細書に記載したものを超えて本発明の多数の応用例が存在することを容易に認識するであろう。１つまたは複数の特定の実施形態を参照して本発明を説明してきたが、当業者は、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、多くの変更が本発明になされてもよいことを認識するであろう。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物の範囲内においては、本発明は、本明細書に具体的に記載されたものとは異なる他のやり方で実施されてもよいことを理解されたい。

Claims (19)

1. 伝播している光信号の偏光変換を特定する光学偏光計であって、
   光信号経路に沿って伝播している光信号の偏光状態を定める平均ストークス・ベクトルＳを第１のストークス成分として生成するように構成された第１のストークス測定構成と、
   少なくとも１つのフィルタ要素を含む第２のストークス測定構成であって、第２のストークス成分が前記平均ストークス・ベクトルＳの部分集合であるように前記少なくとも１つのフィルタ要素の存在によって変更される前記第２のストークス成分を生成するように構成される第２のストークス測定構成と
   を備え、前記平均ストークス・ベクトルＳと前記第２のストークス成分の組み合わせによって前記伝播している光信号の偏光変換に関する情報を与える光学偏光計。
2. 前記第２のストークス測定構成が、単一のフィルタ要素を含み、スカラのストークス成分Ｓ_ｇｒの形態で第２のストークス成分を生成する、請求項１に記載の光学偏光計。
3. 前記第２のストークス測定構成が、２つ以上のフィルタ要素を含み、第２のストークス・ベクトルＳ’の形態で第２のストークス成分を生成する、請求項１に記載の光学偏光計。
4. 前記第１のストークス測定構成が、
   前記伝播している光信号の光軸に対して異なる信号経路の向きを示す複数の光信号部分の方向を前記光軸に垂直な方向に変える出力結合構成と、
   前記複数の光信号部分を前記複数の光信号部分の電気表現に変換して前記平均ストークス・ベクトルＳを生成する複数の光電子デバイスと
   を備える、請求項１に記載の光学偏光計。
5. 前記出力結合構成が、前記光軸に対して異なる向きに配設された複数の回折格子を含む、請求項４に記載の光学偏光計。
6. 前記第２のストークス測定構成が、
   前記伝播している光信号の少なくとも１つの部分の方向を光軸に垂直な方向に変える出力結合構成と、
   前記伝播している光信号の前記少なくとも１つの部分を電気的に等価なものに変換する少なくとも１つの光電子デバイスと
   を備える、請求項１に記載の光学偏光計。
7. 前記出力結合構成が、前記第２のストークス成分Ｓ_ｇｒを生成するための単一の回折格子を含む、請求項６に記載の光学偏光計。
8. 前記出力結合構成が、前記第２のストークス成分Ｓ’を生成するための一対の回折格子および一対の光検出器を含む、請求項６に記載の光学偏光計。
9. 前記少なくとも１つのフィルタ要素が、少なくとも１つの光学フィルタを含む、請求項１に記載の光学偏光計。
10. 前記少なくとも１つの光学フィルタが、複数の光学フィルタを含み、それぞれが異なるフィルタリング特性を示す、請求項９に記載の光学偏光計。
11. 前記少なくとも１つのフィルタ要素が、少なくとも１つの電気的フィルタを含む、請求項１に記載の光学偏光計。
12. 前記少なくとも１つの電気的フィルタが、複数の電気的フィルタを含み、各フィルタが異なるフィルタリング特性を示す、請求項１１に記載の光学偏光計。
13. 前記少なくとも１つの電気的フィルタが、単一の電気的フィルタを含む、請求項１１に記載の光学偏光計。
14. コア領域を有し、前記コア領域に沿って長手方向に伝播する前記光信号の偏光回転を確実にするのに十分な複屈折を示す光ファイバに沿って前記光学偏光計が形成される、請求項１に記載の光学偏光計。
15. 前記第１のストークス測定構成および前記第２のストークス測定構成が、前記光ファイバの光軸に沿って別個の位置に配設されている、請求項１４に記載の光学偏光計。
16. 前記第１のストークス測定構成および前記第２のストークス測定構成が、前記光ファイバの円周の周りの別個の軸方向位置に配設されている、請求項１４に記載の光学偏光計。
17. 調節可能な偏光制御器と、
    伝播している光信号の偏光変換を特定する光学偏光計であって、前記調節可能な偏光制御器の出力に結合され、
    光信号経路に沿って伝播している光信号の偏光状態を定める平均ストークス・ベクトルＳを生成する第１のストークス測定構成と、
    少なくとも１つのフィルタ要素を含む第２のストークス測定構成であって、第２のストークス成分が前記平均ストークス・ベクトルＳの部分集合であるように前記少なくとも１つのフィルタ要素の存在によって変更される前記第２のストークス成分を生成するように構成される第２のストークス測定構成と
    を含み、前記平均ストークス・ベクトルＳと前記第２のストークス成分の組み合わせによって、前記伝播している光信号の偏光変換に関する情報を与える光学偏光計と、
    前記光学偏光計から出力された第１のストークス測定値および第２のストークス測定値に応答するフィードバック要素であって、前記第１のストークス測定値と前記第２のストークス測定値を共に所定の偏光の設定点の値Ｓ_ｓｅｔおよびＳ_ｓｅｔ’と比較し、値｜Ｓ−Ｓ_ｓｅｔ｜および｜Ｓ’−Ｓ_ｓｅｔ’｜に基づいて前記偏光制御器に入力される制御信号を供給するフィードバック要素と
    を備える偏光制御ループ。
18. 前記設定点の値Ｓ_ｓｅｔが、時間の関数として一定である、請求項１７に記載の偏光制御ループ。
19. 前記設定点の値Ｓ_ｓｅｔが、時間の関数として調節される、請求項１７に記載の偏光制御ループ。

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