JP6389381B2 - 偏波制御素子 - Google Patents

Description

本発明は光の偏波制御技術に関する。例えば光通信において偏波依存性を有する光学素子を光が通過する際の偏波を制御する偏波制御素子に関する。

光は電磁波の一種で、直交する電界と磁界が振動しながら伝搬する。電磁波の電界についてある規定軸に対する水平成分をＥ_ｘ、垂直成分をＥ_ｙとすると、Ｅ_ｘ及びＥ_ｙは、振幅Ｅ_０ｘ及びＥ_０ｙ、波数ａ、角周波数ω、進行方向座標ｚ、時間ｔ、位相差εを用いて、以下の（式１）及び（式２）のように示される。
Ｅ_ｘ＝Ｅ_０ｘｃｏｓ(ａｚ−ωｔ) （式１）
Ｅ_ｙ＝Ｅ_０ｙｃｏｓ(ａｚ−ωｔ＋ε) （式２）

偏波とは、（式１）及び（式２）が合成された電界の振動状態であり、振幅Ｅ_０ｘ、Ｅ_０ｙと位相差εとによって決定される。電界を含む面を電界振動面とすると、電界振動面が一定の偏波は直線偏波と呼ばれる。電界振動面が螺旋軌道を描く偏波は楕円偏波と呼ばれ、電磁波の進行方向への電界振動面の射影が円となるものを特に円偏波と呼ぶ。このとき、電磁波の進行方向への射影が描く楕円の長軸が水平軸となす面を偏波面とする。偏波面は、電磁波の電界振動面と一致し、偏波面が変化するとＥ_ｘ及びＥ_ｙの振幅比Ｅ_０ｘ／Ｅ_０ｙが変化する。直線偏波は、楕円偏波の短軸成分がないものと考えることができる。

光通信で用いる光ファイバはコアの真円からのずれや、外部応力などが原因でファイバ通過後の偏波面・位相差がランダムに時間変動するため、ファイバから出射される光の偏波はランダムに変化する。光通信で用いる光学素子は、偏波依存性を持つ場合が多い。例えば、液晶素子やＳｉ細線導波路のように、特定の偏波面を持つ直線偏波でないと損失が発生する光学素子が多数存在する。これらの光学素子を機能させるためには、入射する電磁波の偏波を制御することが必要であり、そのために偏光子やファラデー回転子が用いられている。そのために波長板やファラデー回転子が用いられている。

図１は、従来技術である波長板の構成を示す。図１に示す波長板１００は、複屈折結晶を利用して、入射した光の位相差εを変化せるものであり、位相子と呼ばれる。波長板１００は、入射した光に対して、波長板１００の入射面に配置された光学軸１０１に平行な成分と垂直な成分に屈折率差による位相差を発生させる。例えば、波長板１００を構成する材料として、６３３ｎｍの光に対して屈折率差０．０１の複屈折を有する水晶を使用することができる。波長板１００において位相差πを得るためには、水晶を３５μｍの厚さにすればよい。

図２は、従来技術であるファラデー回転子の構成を示す。図２に示されるように、ファラデー回転子２００は、素子２０１に電磁波の進行方向と平行に一定の磁場２０２を印加することで、偏波面を回転させる素子である。ファラデー回転子２００における回転面回転量θは、素子のヴェルデ定数ｖ、磁場強度Ｂ、素子の長さｌを用いて、θ＝ｖＢｌで表される。素子２０１は、使用する電磁波の周波数で電磁波を透過する磁性体であり、例えばイットリウム鉄ガーネット(ＹＩＧ：Yttrium Iron Garnet)などが使用される。偏波面を４５°回転させて回転角を得るためには、ＹＩＧの厚さは１ｍｍ程度となる。ファラデー回転子２００は、電磁波を遮断することなく偏波面を回転させることができる。一方で、回転角２０３は素子２０１の厚さや印加される磁場２０２により決定されるため、入射電磁波の偏波面に対し一定の回転角が加わって電磁波が出射されるのみであり、任意の電界振動面を有する直線偏波を常に一定の電界振動面を有する直線偏波に変換して出射することができない。

従来技術である波長板及びファラデー回転子による偏波面の変化を図３に示すポアンカレ球を用いて説明する。ポアンカレ球とは、図３（ａ）に示すように偏波を半径１の球上の点に対応させたものである。偏波を表現するストークスパラメータＳ_０、Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３について、振幅Ｅ_０ｘ及びＥ_０ｙと位相差εとの時間変化が十分小さいとき、電磁波の強度Ｓ_０＝Ｅ_０ｘ ^２＋Ｅ_０ｙ ^２は一定であり、ストークスパラメータＳ_１、Ｓ_２、Ｓ_３は以下の（式３）〜（式５）でそれぞれ示される。
Ｓ_１＝Ｅ_０ｘ ^２−Ｅ_０ｙ ^２ （式３）
Ｓ_２＝２Ｅ_０ｘＥ_０ｙｃｏｓε （式４）
Ｓ_３＝２Ｅ_０ｘＥ_０ｙｓｉｎε （式５）

任意のＥ_０ｘ、Ｅ_０ｙ、εに対して、Ｓ_１ ^２＋Ｓ_２ ^２＋Ｓ_３ ^２＝Ｓ_０ ^２が成り立つ。Ｓ_０＝１とすれば、Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３は−１〜１の値をとり、(Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３)を座標とする点は半径１のポアンカレ球上にあることがわかる。ポアンカレ球において、地球の北極・南極に対応する点がそれぞれ右回り・左回りの円偏波を表し、赤道上は直線偏波を表し、Ｓ_１軸と交わる点は、それぞれ水平・垂直な直線偏波を表す。任意の偏波面を有する偏波を特定の偏波面を有する偏波に変換して出射することは、ポアンカレ球上で偏波を任意の1点に集めることを意味する。

図３（ｂ）に示されるように、光学軸がｘ軸またはｙ軸に平行な波長板による変化は、Ｓ_１を軸とした回転で表される。波長板では、ポアンカレ球上での偏波の回転量は波長板の複屈折及び厚さによって決定される。波長板を用いた場合、偏波状態はポアンカレ球とＳ_１軸に垂直な平面の交わる円上しか移動できないことから、偏波を任意の１点に集めることはできないため、任意の偏波面を有する偏波を特定の偏波面を有する偏波に変換して出射することができない。

また、図３（ｃ）に示されるように、ファラデー回転子による偏波面回転は、位相差εを固定して振幅Ｅ_０ｘ及びＥ_０ｙを変化させることに対応するため、ポアンカレ球のＳ_３軸を中心とした回転軌道で表される。ポアンカレ球上でのファラデー回転子の回転量は、ファラデー回転子のヴェルデ定数、磁場及び厚さによって決定される。ファラデー回転子も波長板と同様に、偏波を任意の１点に集めることはできないため、任意の偏波面を有する偏波を特定の偏波面を有する偏波に変換して出射することができない。

さらに、図３（ｄ）に示されるように、波長板とファラデー回転子とを組み合わせた場合を考えても、偏波面回転量及び位相差が常に一定であって偏波をポアンカレ球上の任意の１点に集めることはできないため、任意の偏波面を有する偏波を特定の偏波面を有する偏波に変換して出射することができない。波長板とファラデー回転子とを組み合わせた場合において、一定の偏波面回転θ及び位相差φを発生させた場合の偏波状態の変化は、以下の（式６）で示されるベクトルを軸とした回転で表される。

尾崎義治、朝倉利光、"ヘクト 光学II −波動光学−"、第４版、丸善株式会社、平成１７年１０月５日、ｐ．１０４〜１１１、１２４〜１２８

本発明は、偏波をポアンカレ球上でらせん状に回転しながら１点に集めることにより、任意の偏波面を有する偏波を特定の偏波面を有する偏波に変換して出射することができることに加え、外乱への耐性を向上させた偏波制御素子を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の偏波制御素子は、入射した電磁波の偏波に応じて発生する電流を変化させるセンシング・電流発生部であって、光電変換素子の電磁波が入射する側の面を偏光子で覆って構成したセンシング・電流発生部と、前記センシング・電流発生部に接続され、前記センシング・電流発生部で発生した電流に比例した磁場を発生する磁場発生部と、前記センシング・電流発生部及び前記磁場発生部が表面又は内部に設けられた媒質と、を含む複数の安定子と、前記電磁波における垂直偏波と水平偏波との間に、２πの整数倍ではない所定の位相差を発生させる位相差発生部と、を備え、前記複数の安定子は、電磁波の進行方向に並んで配置されており、前記磁場発生部は、前記媒質の表面又は内部において電磁波の進行方向に垂直な平面上に設けられたループ状の導体で構成され、前記ループ状の導体の一端には前記光電変換素子の正極が接続され、前記ループ状の導体の他端には前記光電変換素子の負極が接続され、前記センシング・電流発生部は、前記センシング・電流発生部において発生した前記電流を前記ループ状の導体に流すことを特徴とする。

請求項２に記載の偏波制御素子は、請求項１に記載の偏波制御素子であって、前記位相差発生部は、前記電磁波の進行方向と垂直な磁場成分を有する磁場を発生して前記媒質に印加することにより、前記位相差を発生させることを特徴とする。

請求項３に記載の偏波制御素子は、請求項１に記載の偏波制御素子であって、前記位相差発生部は、前記電磁波の進行方向と垂直な磁場成分及び水平な磁場成分を有する磁場を発生して前記媒質に印加することにより、前記位相差を発生させるとともに前記偏波に一定の偏波面回転をさらに発生させることを特徴とする。

請求項４に記載の偏波制御素子は、請求項１に記載の偏波制御素子であって、前記位相差発生部は、位相子であり、前記安定子と前記位相子とが前記電磁波の進行方向に対して交互に並べられていることを特徴とする。

請求項５に記載の偏波制御素子は、請求項４に記載の偏波制御素子であって、前記偏波に一定の偏波面回転を発生させる磁場を生成する偏波面回転発生部をさらに含むことを特徴とする請求項４に記載の偏波制御素子。

請求項６に記載の偏波制御素子は、請求項１乃至３のいずれかに記載の偏波制御素子であって、前記位相差発生部は、永久磁石又はコイルを用いて磁場を発生させることを特徴とする。

請求項７に記載の偏波制御素子は、請求項５に記載の偏波制御素子であって、前記偏波面回転発生部は、永久磁石又はコイルを用いて磁場を発生させることを特徴とする。

本発明によると、光を本発明に係る複数の安定子に入射させて、電磁波の振幅の垂直成分の２乗に比例した偏波面の回転と一定の位相差とを繰り返し光に作用させることで、偏波をポアンカレ球上でらせん状に回転しながら１点に集めることができる。また、ポアンカレ球上の移動経路がらせん軌道なため外乱に対する耐性を向上させることができる。さらに、一定の偏波面回転が加わった状態とすることで、安定点を操作できるため、偏波を安定点に集めるのに必要な安定子の個数を少なくすることができる。

従来技術である波長板の構成を示す図である。 従来技術であるファラデー回転子の構成を示す図である。 従来技術であるファラデー回転子による偏波面の変化をポアンカレ球を用いて説明するための図である。 参考例に係る安定子の構成を示す図である。 安定子の構成例を示す図である。 安定子を複数個並べた安定子群を示す図である。 図６に示す安定子群を垂直偏波が通過する際の偏波の変化をポアンカレ球を用いて説明するための図である。 本発明の実施例１に係る偏波制御素子の構成を示す図である。 本発明の実施例１に係る偏波制御素子の具体的な構成について説明するための図である。 本発明の実施例１に係る偏波制御素子の具体的な構成について説明するための図である。 本発明の実施例１に係る偏波制御素子の具体的な構成を示す図である。 本発明の実施例１に係る偏波制御素子を垂直偏波が通過する際の偏波の変化をポアンカレ球を用いて説明するための図である。 本発明の実施例２に係る偏波制御素子の構成を示す図である。 本発明の実施例３に係る偏波制御素子の構成を示す図である。 本発明の実施例４に係る偏波制御素子の構成を示す図である。 本発明の実施例４に係る偏波制御素子の具体的な構成について説明するための図である。 本発明の実施例４に係る偏波制御素子の具体的な構成について説明するための図である。 本発明の実施例４に係る偏波制御素子を垂直偏波が通過する際の偏波の変化をポアンカレ球を用いて説明するための図である。 本発明の実施例５に係る偏波制御素子の構成を示す図である。 本発明の実施例６に係る偏波制御素子の構成を示す図である。 本発明の実施例６に係る偏波制御素子の具体的な構成を示す図である。 本発明の実施例７に係る偏波制御素子の構成を示す図である。 立体リングを用いた安定子の構成を例示する図である。

（参考例）
図４は、参考例に係る安定子の構成を示す。図４には、入射した電磁波の偏波に応じて発生する電流を変化させるセンシング・電流発生部４０２と、センシング・電流発生部４０２に接続され、センシング・電流発生部４０２に発生した電流に比例した磁場を発生させる磁場発生部４０３と、センシング・電流発生部４０２及び磁場発生部４０３が表面又は内部に設けられた媒質４０１と、を備えた安定子４００が示されている。

図４に示されるように、参考例に係る安定子４００では、磁場発生部４０３は媒体４０１内部において電磁波の入射方向に垂直な平面上に設けられたループ状の導体で構成され、磁場発生部４０３を構成するループ状の導体の両端にセンシング・電流発生部４０２が接続されている。電磁波が磁場発生部４０３のループ内を通過することにより、電磁波の偏波に応じて電磁波の進行方向に対して平行な磁場を発生することができ、入射電磁波にその偏波面によって異なる回転角が加わる。

図５を用いて、安定子によって発生する磁場について説明する。図５は、安定子の具体的な構成例を示す。図５には、センシング・電流発生部５０２と、電磁波の進行方向と垂直な平面上に配置されたリング型導体で構成された磁場発生部５０３とを媒質５０１の表面又は内部に配置した安定子５００が例示されている。以下、図５に示すように、電磁波の進行方向にｚ軸をとり、伝播方向に垂直な面内にｘ軸、ｙ軸をとる。電磁波の電界成分のうち、電磁波の進行方向に対する水平成分Ｅ_ｘとし、水平成分Ｅ_ｘに対して垂直な成分を垂直成分Ｅ_ｙとする。

図５（ａ）に示されるように、磁場発生部５０３はリング型導体で構成されている。磁場発生部５０３を構成するループ状のリング型導体の一端にはセンシング・電流発生部５０２の正極が接続され、他端にはセンシング・電流発生部５０２の負極が接続されている。

図５（ｂ）は、電磁波が入射する側から見たセンシング・電流発生部５０２の平面図を示す。図５（ｂ）に示すように、センシング・電流発生部５０２としては、例えば、光電変換素子５０５の電磁波が入射する側の面を偏光子５０４で覆ったものを用いることができる。偏光子５０４は垂直成分Ｅ_ｙを透過し水平成分Ｅ_ｘを遮断するため、光電変換素子５０５は電磁波を振幅Ｅ_0ｙ ²に比例した直流電流に変換する。光電変換素子５０５としては、例えばフォトダイオード（ＰＤ）を用いることができ、正極と負極が取り出される。

リング型導体と同径の電磁波が安定子５００に入射した場合を考える。図５（ｃ）に示されるように、安定子５００に入射した電磁波の一部は、センシング・電流発生部５０２に入射する。センシング・電流発生部５０２の光電変換素子５０５は、偏光子５０４を介して入射した電磁波の振幅Ｅ_0ｙ ²に比例した直流電流５０６を発生させる。図５（ｄ）に示されるように、直流電流５０６は、磁場発生部５０３において電磁波の進行方向に対して平行な磁場５０７を発生させる。安定子５００に入射した電磁波は、磁場５０７によるファラデー効果を受けて偏波面が回転する。このため、安定子５００は、比例係数をｋ、偏波面回転量をθとすると、θ＝ｋＥ_0ｙ ²を発生する。

安定子５００による偏波の変化をポアンカレ球を用いて説明する。電界の振幅Ｅ_0ｙは、ポアンカレ球のＳ_０、Ｓ_１の値を用いて以下の（式７）で示される。
Ｅ_0ｙ ²＝（Ｓ_０−Ｓ_１）／２＝（１−Ｓ_１）／２ （式７）
（式７）より、発生する偏波面回転量θは、以下の（式８）で示される。
θ（Ｓ_１）＝ｋ（１−Ｓ_１）／２ （式８）

（式８）より、垂直直線偏波であるＳ_１＝−１に近いほど大きな偏波面回転を発生させ、水平直線偏波であるＳ_１＝１に近いほど小さな偏波面回転を発生させることがわかる。偏波面回転は、位相差εを固定して振幅Ｅ_０ｘ、Ｅ_０ｙを変化させることに対応するため、ポアンカレ球のＳ_３を軸とした回転軌道で表される。

例えば図６に示すような複数個の安定子５００_１〜５００_ｎを電磁波の進行方向に並べた安定子群６００を垂直偏波（Ｓ_１＝−１）が通過する際の偏波の変化を、図７に示すポアンカレ球を用いて説明する。垂直偏波が安定子５００_１を通過した場合、図７に示されるように、偏波がＳ_１＝−１からＳ_１＝１に向かってポアンカレ球上をＳ_３軸回りに回転する。続けて偏波が安定子５００_２を通過すると、偏波のＳ_３軸回りの回転は小さくなるが、さらにＳ_１＝１に近づく。この変化を繰り返すことで、徐々にＳ_１＝１に近づき、Ｓ_１＝１となったところで電磁波の垂直成分がなくなるため、偏波状態が変化しない安定状態となる（以下、ポアンカレ球上で安定状態となる点を安定点とする）。このため、安定子群６００は、任意の偏波面を持つ直線偏波を水平偏波に変換することができる。

しかし、上記安定子は、任意の偏波面を有する直線偏波を特定の偏波面を有する直線偏波に変換することができるが、垂直偏波と水平偏波との間に位相差がある楕円偏波を特定の偏波に変換することはできなかった。また、上記安定子では、ポアンカレ球のＳ_１−Ｓ_２平面とポアンカレ球とが交わる円上でしか偏波を制御できず、偏波をポアンカレ球上で自由に移動させることができなかった。さらに、上記安定子は、直線偏波をポアンカレ球上で一方向に回転させて１点に集めることから、外乱により安定点を通過してしまうと偏波が再び回転を始めるため、外乱に対する耐性がなかった。

（実施例１）
図８を用いて、本発明の実施例１に係る偏波制御素子の構成を説明する。図８には、入射した電磁波の偏波に応じて発生する電流を変化させるセンシング・電流発生部８０２、センシング・電流発生部８０２に接続され、センシング・電流発生部８０２に発生した電流に比例した磁場を発生させる磁場発生部８０３、並びにセンシング・電流発生部８０２及び磁場発生部８０３が表面又は内部に設けられた媒質８０１を含む複数の安定子からなる安定子群と、媒質８０１の内部あるいは近傍に設けられ、垂直偏波と水平偏波との間に位相差を生じさせる位相差発生部８０４と、を備えた偏波制御素子８００が示されている。位相差発生部８０４は、垂直偏波と水平偏波との間の位相差を制御することができる。

本発明の偏波制御素子を電磁波が繰り返し通過することで、偏波回転量が入射電磁波の垂直成分によって変化しつつ一定の位相差を与えることができる。そのため、任意の偏波をポアンカレ球上でらせん状に回転させながら１点に集めることができ、外乱の影響を受けて安定点を通過しても偏波を再び一点に集めることができるため、外乱に対する耐性を向上させることができる。

図９〜図１２を用いて、本発明の実施例１に係る偏波制御素子の具体的な構成について説明する。まず、図９に示すように媒質９０２を電磁波９０１が通過する場合を考える。媒質９０２に光の進行方向と垂直な方向に磁場９０３を印加すると、磁場９０３による屈折率の一軸異方性が発生するため、媒質９０２内に光学軸９０４が形成される。このため、光学軸９０４に平行な成分に対して垂直な成分に位相差が発生する。このような電磁波９０１の進行方向と磁場９０３の向きとの位置関係をフォークト配置、位相差が生じる効果をコットンムートン効果と呼ぶ。本実施例では、位相差発生部は、媒質９０２に光の進行方向と垂直な方向に磁場９０３を印加することによって位相差を発生させることができる。

次に、図１０に示されるように、ＰＤを用いた安定子１００４を電磁波の進行方向に複数個並べた安定子群１０００に、電磁波１００１の進行方向と垂直な磁場１００３を印加することにより、水平偏波１００２を出射する場合を考える。例えば、図１１（ａ）及び図１１（ｂ）に示されるように、位相差発生部として永久磁石を用いることにより、電磁波１００１の進行方向に垂直で一様な磁場１００３を発生させることができる。図１１は、本発明の実施例１に係る偏波制御素子の例を示す。

図１１（ａ）では、２つの永久磁石１００５を用いて位相差発生部を構成した例が示されており、２つの永久磁石１００５の間に安定子群１０００が設けられている。図１１（ｂ）では、円筒形状の永久磁石１００６を用いて位相差発生部を構成した例が示されており、円筒形状の永久磁石１００６内部に安定子群１０００が設けられている。

永久磁石は、光の進行方向に対して垂直な磁場成分及び進行方向に平行な磁場成分が一定の磁場を発生させるものであれば、形状、個数、材料を問わないことは言うまでもない。ここで、図１１（ａ）の構成では、入射電磁波が出射する方向に永久磁石１００５を配置しているが、実際には、電磁波の安定子群１０００への入射は、永久磁石１００５を避けるようにレンズ系を組んで行われる。

安定子群１０００に入射した光は、安定子１００４を通過する毎に、安定子１００４による電界の垂直成分に比例した偏波面回転量θと位相差発生部による一定の位相差φを受けて偏波状態が変化する。この時の偏波の変化を図１２に示すポアンカレ球を用いて説明する。偏波状態の変化は、上記（式８）で与えられる偏波面回転と一定の位相差を、上記（式６）に代入して得られるベクトルを軸とした回転で表される。入射電磁波の垂直成分の変化により安定子１００４で発生する偏波回転量が一定でなく、また偏波回転量θの変化により（式６）から回転軸は安定子１００４毎に変化するため、図３(ｂ)〜(ｄ)の場合と異なり、図１２に示すように偏波はポアンカレ球上で閉じた軌道を描かない。このため、偏波は、徐々にθが小さくなるＳ_１＝１に向かってポアンカレ球上をらせん状に移動し、１点に収束する。従って、安定子群１０００に磁場１００３を印加することで、任意の偏波面を有する偏波を水平偏波に変換して出射することができる。

ここで、位相差発生部で生じる位相差φがφ＝２π×ｎ(ｎ＝０,１,２,・・・)の場合、偏波はポアンカレ球上を１周して同一点にきて１点に収束しないため、位相差発生部で生じる位相差φ＝２π×ｎとしないようにする必要がある。以下の各実施例でも同様である。

（実施例２）
図１３を用いて、本発明の実施例２に係る偏波制御素子の構成について説明する。実施例１に係る偏波制御素子では位相差発生部として永久磁石を用いたが、本実施例２に係る偏波制御素子では、図１３に示すように位相差発生部としてコイル１３１０を用いており、コイル１３１０内に安定子群１０００を設けている。コイル１３１０により、電磁波の進行方向と垂直な磁場１３０１を安定子１０００に印加することができる。

本実施例２に係る偏波制御素子では、実施例２に係る偏波制御素子と同様、安定子群１０００を通過した任意の偏波面を有する偏波を水平偏波に変換して出射することができる。位相差発生部で発生する磁場１３０１はコイル１３１０に印加する電圧により制御可能なため、発生する位相差を容易に制御することができる。

（実施例３）
図１４を用いて、本発明の実施例３に係る偏波制御素子の構成について説明する。実施例１及び２に係る偏波制御素子では媒質に磁場を印加することにより位相差発生部を構成したが、本実施例３に係る偏波制御素子では、図１４に示すように、波長板などの位相差を変化させる素子である位相子１４０２を用いて構成している。

本実施例３に係る偏波制御素子では、安定子群１４００を構成する安定子１４０１と位相子１４０２を交互に光の進行方向に並べることで、一定の位相差φが生じるため、任意の偏波面を有する偏波を水平偏波に変換して出射することができる。位相子１４０２は、光学軸がｘ軸またはｙ軸に平行になるように配置する。位相子１４０２は、一軸の光学軸をもち、位相差を発生させるものであれば、材料、形状を問わない。

（実施例４）
図１５を用いて、本発明の実施例４に係る偏波制御素子の構成について説明する。図１５には、センシング・電流発生部１５０２、磁場発生部１５０３、並びにセンシング・電流発生部１５０２及び磁場発生部１５０３が表面又は内部に設けられた媒質１５０１を含む複数の安定子からなる安定子群と、媒質１５０１の内部あるいは近傍に設けられた一定の位相差を発生し偏波面に一定の回転を生じさせる位相差・偏波面回転発生部１５０４と、を備えた偏波制御素子１５００が示されている。上記実施例に係る偏波制御素子では任意の偏波面を有する偏波を偏波面回転がなくなる水平偏波に変換して出射したが、実施例５に係る偏波制御素子１５００では、任意の偏波面を有する偏波を位相差・偏波面回転発生部１５０４で生じる一定の偏波面回転を加えることにより安定点が決定される偏波に変換して出射することができる。

図１６〜図１８を用いて、本発明の実施例４に係る偏波制御素子の具体的な構成について説明する。図１６に示されるように、ＰＤを用いた安定子１６０４を電磁波１６０１の進行方向に複数個並べた安定子群１６００に、磁場１６０３を印加して水平偏波１６０２を出射する場合を考える。このとき、電磁波１６０１の進行方向と垂直な成分及び進行方向に平行な成分をもつ磁場１６０３は、位相差・偏波面回転発生部によって発生される。

例えば、図１７（ａ）及び図１７（ｂ）に示されるように、位相差・偏波面回転発生部として永久磁石１６０５を用いることにより、磁場１６０３を発生させることができる。図１７（ａ）では、２つの永久磁石１６０５を用いて位相差・偏波面回転発生部を構成した例が示されており、２つの永久磁石１６０５の間に安定子群１６００が設けられている。図１７（ｂ）では、円筒形状の永久磁石１６０６を用いて位相差・偏波面回転発生部を構成した例が示されており、円筒形状の永久磁石１６０６内部に安定子群１６００が設けられている。永久磁石は、光の進行方向垂直成分、進行方向平行成分が一定の磁場を発生させるものであれば形状、個数、材料を問わないことは言うまでもない。

磁場１６０３の進行方向平行成分により、ＰＤを用いた安定子１６０４を通過する毎に、偏波に一定の偏波面回転θ_０が加えられる。この時の偏波の変化を図１８に示すポアンカレ球を用いて説明する。偏波状態の変化は、（式８）で示される偏波面回転量θと位相差φを（式３）に代入して得られるベクトルを軸とした回転で表される。

図１８に示されるように、実施例４に係る偏波制御素子では、安定子によって発生する電磁波の垂直成分によって変動する偏波面回転に加え、位相差・偏波面回転発生部により一定の位相差と偏波面回転もさらに印加される。このため、位相差・偏波面回転発生部により発生した一定の偏波面回転により安定点が変動するため、安定点は水平直線偏波ではなく、楕円偏波となることから、Ｓ_１＝１以外の点が安定点となる。ここで、Ｓ_１＝１近傍は偏波回転量が小さいことから、Ｓ_１＝１以外の点が安定点にできることにより、偏波を１点に集めるのに必要な安定子の個数を上記実施例１〜３に係る偏波制御素子と比べて少なくすることができる。また、安定子群１６００の磁場１６０３に対する角度を変化させることで、進行方向磁場と垂直方向磁場との強度比を容易に変化させることができる。

（実施例５）
図１９を用いて、本発明の実施例５に係る偏波制御素子の構成について説明する。実施例４に係る偏波制御素子では位相差・偏波面回転発生部として永久磁石を用いたが、本実施例５に係る偏波制御素子では、図１９に示すように位相差・偏波面回転発生部としてコイル１９１０を用いており、コイル１９１０内に安定子群１６００を設けている。

本実施例５に係る偏波制御素子では、実施例４に係る偏波制御素子と同様、安定子群１６００を通過した任意の偏波面を有する偏波を特定の偏波面を有する偏波に変換して出射することができる。また、本実施例５に係る偏波制御素子では、実施例４と同様に、実施例１〜３に係る偏波制御素子とは異なり、Ｓ_１＝１以外の点が安定点となるため、偏波を１点に集めるのに必要な安定子の個数を実施例１〜３に係る偏波制御素子と比べて少なくすることができる。また、安定子群１６００の磁場１９０１に対する角度を変化させることで、磁場の進行方向平行成分と垂直成分との強度比を容易に変化させることができる。さらに、発生する磁場はコイル１９１０に印加する電圧により制御可能なため、発生する位相差及び偏波面回転の絶対値を容易に操作できる。

（実施例６）
図２０及び図２１を用いて、本発明の実施例６に係る偏波制御素子の構成について説明する。実施例４及び５に係る偏波制御素子では、電磁波の進行方向と垂直方向の両成分を持つ磁場により位相差・偏波面回転発生部を実現したが、本実施例６に係る偏波制御素子では位相差発生を位相子、偏波面回転発生を光の進行方向磁場をそれぞれ用いて実現する。

図２０に示されるように、ＰＤを用いた安定子２００４と位相子２００５を電磁波２００１の進行方向に２つ以上交互に並べた安定子群２０００に、磁場２００３を印加する場合を考える。このとき、安定子によって発生する電磁波の垂直成分によって変動する偏波面回転を発生することに加え、電磁波２００１の進行方向と平行な外部磁場により一定の偏波面回転がさらに生じる。また、安定子群２０００では位相子２００５により一定の位相差が発生する。

例えば、図２１（ａ）及び図２１（ｂ）に示されるように、偏波面回転発生部として永久磁石を用いることにより、磁場２１０３を発生させることができる。図２１（ａ）では、２つの永久磁石２１０５を用いて偏波面回転を発生した例が示されており、２つの永久磁石２１０５の間に安定子群２０００が設けられている。図２１（ｂ）では、円筒形状の永久磁石２１０６を用いて一定の偏波面回転を発生させた例が示されており、円筒形状の永久磁石２１０６内部に安定子群２０００が設けられている。永久磁石は、光の進行方向に一定の磁場を発生させるものであれば形状、個数、材料を問わないことは言うまでもない。

実施例６に係る偏波制御素子によると、上記実施例と同様に、任意の偏波面を有する偏波を特定の偏波面を有する偏波２２０２に変換することが可能となる。実施例１〜３に係る偏波制御素子とは異なり、Ｓ_１＝１以外の点が安定点となるため、偏波を１点に集めるのに必要な安定子の個数を実施例１〜３に係る偏波制御素子と比べて変化させることができる。

（実施例７）
図２２を用いて、本発明の実施例７に係る偏波制御素子について説明する。実施例６では、永久磁石を用いて光の進行方向に一定の磁場を印加したが、本実施例では、図２２に示すようにコイル２２１０を用いて磁場２２０３を発生することにより一定の偏波回転を発生する。安定子群２０００は安定子によって発生する電磁波の垂直成分によって変動する偏波面回転を発生することに加え、光の進行方向と平行な外部磁場により一定の偏波面回転、位相子により一定の位相差が発生する。

実施例７に係る偏波制御素子によると、上記実施例と同様に、任意の偏波面を有する偏波を特定の偏波面を有する偏波に変換することが可能となる。実施例１〜３に係る偏波制御素子とは異なり、Ｓ_１＝１以外の点が安定点となるため、偏波を１点に集めるのに必要な安定子の個数を実施例１〜３に係る偏波制御素子と比べて変化させることができる。発生する磁場はコイル２２１０に印加する電圧により制御可能なため、発生する偏波面回転量を容易に操作できる。

本発明に係る偏波制御素子で使用する媒質としては、電磁波を透過し、ヴェルデ定数が大きい、例えばＹＩＧ（ヴェルデ定数νが１．９ｄｅｇ／Ａ）などの材料が好ましいが、クラウンガラス（ヴェルデ定数νが４×１０^−４ｄｅｇ／Ａ）や窒素（ヴェルデ定数νが１．３×１０^−７ｄｅｇ／Ａ）などでもよく、材料は限定されない。

なお、上記実施例では、ＰＤを用いた安定子を例に説明したが、図２３に示すような、金属線から成る金属スプリットリング共振器２３０２が媒質２３０１の表面又は内部に設けられた、立体リングを用いた安定子２３００を用いてもよいことは言うまでもない。

波長板 １００
ファラデー回転子 ２００
偏波制御素子 ８００、１５００ 媒質 ４０１、５０１、８０１、９０２、１５０１、２３０１
センシング・電流発生部 ４０２、５０２、８０２、１５０２
磁場発生部 ４０３、５０３、８０３、１５０３
偏光子 ５０４
光電変換素子 ５０５
安定子群 ６００、１０００、１４００、１６００、２０００
位相差発生部 ８０４
安定子 ４００、５００、１００４、１４０１、１６０４、２００４、２３００
永久磁石 １００５、１００６、１６０５、１６０６、２１０５、２１０６
コイル １３１０、１９１０、２２１０
位相子 １４０２、２００５
位相差・偏波面回転発生部 １５０４
金属スプリットリング共振器 ２３０２

Claims (7)

1. 入射した電磁波の偏波に応じて発生する電流を変化させるセンシング・電流発生部であって、光電変換素子の電磁波が入射する側の面を偏光子で覆って構成したセンシング・電流発生部と、
   前記センシング・電流発生部に接続され、前記センシング・電流発生部で発生した電流に比例した磁場を発生する磁場発生部と、
   前記センシング・電流発生部及び前記磁場発生部が表面又は内部に設けられた媒質と、
   を含む複数の安定子と、
   前記電磁波における垂直偏波と水平偏波との間に、２πの整数倍ではない所定の位相差を発生させる位相差発生部と、
   を備え、
   前記複数の安定子は、電磁波の進行方向に並んで配置されており、
   前記磁場発生部は、前記媒質の表面又は内部において電磁波の進行方向に垂直な平面上に設けられたループ状の導体で構成され、
   前記ループ状の導体の一端には前記光電変換素子の正極が接続され、前記ループ状の導体の他端には前記光電変換素子の負極が接続され、
   前記センシング・電流発生部は、前記センシング・電流発生部において発生した前記電流を前記ループ状の導体に流すことを特徴とする偏波制御素子。
2. 前記位相差発生部は、前記電磁波の進行方向と垂直な磁場成分を有する磁場を発生して前記媒質に印加することにより、前記位相差を発生させることを特徴とする請求項１に記載の偏波制御素子。
3. 前記位相差発生部は、前記電磁波の進行方向と垂直な磁場成分及び水平な磁場成分を有する磁場を発生して前記媒質に印加することにより、前記位相差を発生させるとともに前記偏波に一定の偏波面回転をさらに発生させることを特徴とする請求項１に記載の偏波制御素子。
4. 前記位相差発生部は、位相子であり、
   前記安定子と前記位相子とが前記電磁波の進行方向に対して交互に並べられていることを特徴とする請求項１に記載の偏波制御素子。
5. 前記偏波に一定の偏波面回転を発生させる磁場を生成する偏波面回転発生部をさらに含むことを特徴とする請求項４に記載の偏波制御素子。
6. 前記位相差発生部は、永久磁石又はコイルを用いて磁場を発生させることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の偏波制御素子。
7. 前記偏波面回転発生部は、永久磁石又はコイルを用いて磁場を発生させることを特徴とする請求項５に記載の偏波制御素子。

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