JP6622734B2 - 偏光解析装置および光スペクトラムアナライザ - Google Patents

Description

本発明は、被測定光の偏光状態を解析する偏光解析装置および光スペクトラムアナライザを、簡易で安価に構成するための技術に関する。

高速光通信システムでは、伝送信号光の偏光方向による光ファイバ内での光の伝搬スピードの違いによって発生する偏波モード分散が伝送信号を劣化させる。また、伝送装置を構成する各光学部品のＰＤＬ（Ｐｏ１ａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｌｏｓｓ：偏波依存性損失）特性も、伝送信号の劣化要因となる。

従って、伝送信号光の偏光度（ＤＯＰ：Ｄｅｇｒｅｅ Ｏｆ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）や偏波状態（ＳＯＰ：Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）、および、伝送線路である光ファイバや伝送装置を構成する光学部品の偏波特性を測定・把握することは、光通信にとって非常に重要な項目の１つである。

また、光増幅器を含む伝送線路においては、光増幅器から出力される増幅された自然放出光（ＡＳＥ）が信号品質を劣化させる。信号光は偏光した光であるのに対し、このＡＳＥ光は一般に無偏光であるため、偏光した光パワーと無偏光な光パワーの比から、光伝送信号光の品質を示す別の指標であるＯＳＮＲ（optical signa1-to-noise ratio）が計算される（例えば、米国特許７１０６４４３号参照）。

光の偏光状態を解析する従来技術として、図１３の偏光解析装置１０が知られている。この偏光解析装置１０は、被測定光Ｒを、レンズ１１により平行光Ｒ′にして、ビームスプリッタ１２ａ〜１２ｃとミラー１２ｄからなる光分岐部１２により、４つの光Ｒａ〜Ｒｄに分け、そのうちの光Ｒａをレンズ１３ａで集光して光検出器１４ａに入射して被測定光Ｒの全パワーＰ０を求め、別の光Ｒｂを方位角０度の偏光子１５に入射して０度の直線偏光成分を抽出し、レンズ１３ｂで集光して光検出器１４ｂに入射して、その０度の直線偏光成分のパワーＰ１を求める。

また、別の光Ｒｃを方位角４５度の偏光子１６に入射して４５度の直線偏光成分を抽出し、レンズ１３ｃで集光して光検出器１４ｃに入射し、その４５度の直線偏光成分のパワーＰ２を求め、別の光Ｒｄを、主軸方位４５度のλ／４板１７に入射し、その出射光を方位角９０度の偏光子１８に入射して、被測定光Ｒの右回り円偏光成分を抽出し、その右回り円偏光成分のパワーＰ３を求める。

この構成の偏光解析装置１０では、前記光パワーＰ０、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３から、被測定光ＲのストークスパラメータＳ０、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３は、以下の式にて計算される。

Ｓ０＝Ｐ０
Ｓ１＝２Ｐ１−Ｐ０
Ｓ２＝２Ｐ２−Ｐ０
Ｓ３＝２Ｐ３−Ｐ０

また、全光パワーのうち偏光している光パワーの割合を表す指標となる偏光度（ＤＯＰ）は次式にて計算される。
ＤＯＰ＝｛√（Ｓ１^２＋Ｓ２^２＋Ｓ３^２）｝／Ｓ０

さらに、被測定光のＯＳＮＲは、次式にて算出される。
ＯＳＮＲ＝Ｓ０×ＤＯＰ／｛Ｓ０（１−ＤＯＰ）｝＝ＤＯＰ／（１−ＤＯＰ）

なお、上記のように、被測定光を複数の光に分岐し、それぞれについて偏光子を用いた偏光成分の抽出を行い、それぞれを光検出器に入射させて、各偏光成分のパワーを求め、被測定光の偏光状態を表すストークスパラメータを測定する技術は、例えば特許文献１に開示されている。

特開平６−１８３３２号

しかしながら、上記した偏光解析装置１０では、被測定光を光分岐部１２で４分岐して、その３つに対して偏光子を用いた偏光成分の抽出を行い、それぞれをレンズで集光して光検出器に入射させる構成であるため、多くの光学部品を要し、高額となり、また小型化が困難であった。

また、上記構成の偏光解析装置１０は、被測定光が特定波長の信号光だけの場合には有効であるが、例えば、ＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing：波長分割多重）方式や、ＷＤＭとパス管理の技術を組み合わせたＲＯＡＤＭ（reconfigurable optical add/drop multiplexer）方式等で、一つの伝送路に伝送される複数の異なる波長の信号光（チャネル光）を被測定光として解析することができない。

これを実現するためには、上記偏光解析装置の構成に、波長選択機能を付加し、各波長ごとの光強度と偏光状態を求めることができる光スペクトラムアナライザとする必要があるが、装置全体の構成がさらに大掛かりとなり、高額となる。

本発明は、この課題を解決して、簡易で安価に構成できる偏光解析装置および光スペクトラムアナライザを提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明の請求項１の偏光解析装置は、
入射される光を偏光方向が互いに直交し且つ出射光軸が所定の分離角を成す２つの光に分離させて出射する複屈折素子が、入射光軸に沿って順に複数ｎ（ｎは３以上）配置され、該複数の複屈折素子のうち、被測定光が最初に入射される第１の複屈析素子以外の複屈折素子は、直前の複屈折素子から入射される直交した２つの偏光方向以外の方向の直交２偏光成分へ分離するよう互いの光学軸が成す角度が調整されており、前記第１の複屈折素子に入力された前記被測定光を２のｎ乗個の光に分離して最終の第ｎの複屈折素子から出射するように構成され、前記第ｎの複屈折素子から出射される２のｎ乗個の光のうち、前記第１の複屈折素子により分離された第１の光を基に分離された２の（ｎ−１）乗個の光のいずれかと、前記第１の複屈折素子により分離されたもう一方の第２の光を基に分離された２の（ｎ−１）乗個の光のいずれかとの組み合わせのうち、互いの出射光軸が平行となる組合せが複数個生じるように、前記複数の複屈折素子のそれぞれの分離角および分離方向が設定されている光分離部（２２）と、
前記光分離部から出射された２のｎ乗個の光を受け、その全ての偏光方向を揃えてそれぞれ出射する偏光方向変換手段（２４）と、
前記偏光方向変換手段から出射される２のｎ乗個の光のうち、前記出射光軸が平行となる光同士を合波して同一の位置である組合せ光集光位置にそれぞれ集光させ、それ以外の光を互いに独立した位置である単独光集光位置にそれぞれ集光させる集光手段（２６）と、
前記組合せ光集光位置と単独光集光位置に集光された光の強度を検出する光強度検出手段（３０）と、
前記光強度検出手段が検出した光の強度から、前記第１の光と第２の光の強度およびそれらの位相差を求める演算処理部（４０）とを備えている。

また、本発明の請求項２の偏光解析装置は、請求項１記載の偏光解析装置において、
前記光分離部は３つの複屈折素子（２２ａ〜２２ｃ）により構成されており、それぞれの複屈折素子は入力される入射光光軸方向と出射光光軸方向が全てある同一平面に対し平行となるように配置され、前記第１の複屈析素子の分離角が、残りのいずれかの複屈折素子の分離角と等しくなるように設定されていることを特徴とする。

また、本発明の請求項３の偏光解析装置は、請求項１または請求項２記載の偏光解析装置において、
前記偏光方向変換手段が、偏光子（２４）であることを特徴とする。

また、本発明の請求項４の偏光解析装置は、請求項１または請求項２記載の偏光解析装置において、
前記偏光方向変換手段が、
前記光分離部から出射された２のｎ乗個の光を受け、偏光方向が特定方向に揃えられた２のｎ乗個の光と、偏光方向が前記特定方向と直交する方向に揃えられた２のｎ乗個の光とに分けて、異なる方向に出射する偏光ビームスプリッタ（８０）により形成され、
前記集光手段は、
前記偏光ビームスプリッタから偏光方向が前記特定方向に揃えられて出射される２のｎ乗個の光のうち、前記出射光軸が平行となる光同士を合波して同一の位置である組合せ光集光位置にそれぞれ集光させ、それ以外の光を互いに独立した位置である単独光集光位置にそれぞれ集光させる第１集光手段（２６）と、前記偏光ビームスプリッタから偏光方向が前記特定方向と直交する方向に揃えられて出射される２のｎ乗個の光のうち、前記出射光軸が平行となる光同士を合波して同一の位置である組合せ光集光位置にそれぞれ集光させ、それ以外の光を互いに独立した位置である単独光集光位置にそれぞれ集光させる第２集光手段（２６′）とを含み、
前記光強度検出手段は、前記第１集光手段および前記第２集光手段によって前記組合せ光集光位置と単独光集光位置に集光された光の強度を検出するように構成されていることを特徴とする。

また、本発明の請求項５の光スペクトラムアナライザは、
入射される光を偏光方向が互いに直交し且つ出射光軸が所定の分離角を成す２つの光に分離させて出射する複屈折素子が、入射光軸に沿って順に複数ｎ（ｎは３以上）配置され、該複数の複屈折素子のうち、被測定光が最初に入射される第１の複屈析素子以外の複屈折素子は、直前の複屈折素子から入射される直交した２つの偏光方向以外の方向の直交２偏光成分へ分離するよう互いの光学軸が成す角度が調整されており、前記第１の複屈折素子に入力された前記被測定光を２のｎ乗個の光に分離して最終の第ｎの複屈折素子から出射するように構成され、前記第ｎの複屈折素子から出射される２のｎ乗個の光のうち、前記第１の複屈折素子により分離された第１の光を基に分離された２の（ｎ−１）乗個の光のいずれかと、前記第１の複屈折素子により分離されたもう一方の第２の光を基に分離された２の（ｎ−１）乗個の光のいずれかとの組み合わせのうち、互いの出射光軸が平行となる組合せが複数個生じるように、前記複数の複屈折素子のそれぞれの分離角および分離方向が設定されている光分離部（２２）と、
前記光分離部から出射された２のｎ乗個の光を受け、その全ての偏光方向を揃えてそれぞれ出射する偏光方向変換手段（２４）と、
前記偏光方向変換手段から出射された２のｎ乗個の光に含まれる波長成分を、所定波長範囲で抽出する波長成分抽出部（５１）と
前記波長成分抽出部から出射される２のｎ乗個の光の波長成分のうち、前記出射光軸が平行となる光の波長成分同士を合波して同一の位置である組合せ光集光位置にそれぞれ集光させ、それ以外の光の波長成分を互いに独立した位置である単独光集光位置にそれぞれ集光させる集光手段（２６）と、
前記組合せ光集光位置と単独光集光位置に集光された光の波長成分の強度を検出する光強度検出手段（３０）と、
前記光強度検出手段が検出した光の波長成分の強度から、波長毎の前記第１の光と第２の光の強度およびそれらの位相差を求める演算処理部（６０）とを備えている。

また、本発明の請求項６の光スペクトラムアナライザは、請求項５記載の光スペクトラムアナライザにおいて、
前記光分離部は３つの複屈折素子（２２ａ〜２２ｃ）により構成されており、それぞれの複屈折素子は入力される入射光光軸方向と出射光光軸方向が全てある同一平面に対し平行となるように配置され、前記第１の複屈析素子の分離角が、残りのいずれかの複屈折素子の分離角と等しくなるように設定されていることを特微とする。

また、本発明の請求項７の光スペクトラムアナライザは、請求項５または請求項６記載の光スペクトラムアナライザにおいて、
前記波長成分抽出部は、
回折用の溝が形成された回折面で入射光を受け、該入射光に含まれる波長成分を、波長に応じた出射角で出射させる回折格子（５２）を含んでおり、
前記波長成分抽出部の前記回折格子が、前記光分離部から出射された光の偏光方向を揃えて出射する前記偏光方向変換手段を兼ねていることを特徴とする。

このように、本発明の偏光解析装置は、最小限の光学系として、最小で３つの複屈折素子、偏光方向変換手段、集光手段および光強度検出手段だけで構成することができ、従来装置に比べて格段に簡易に且つ安価に構成することができる。

また、偏光方向変換手段として偏光ビームスプリッタを用い、偏光方向が特定方向に揃えられた複数の光と、偏光方向が特定方向に直交する方向に揃えられた複数の光をそれぞれ集光させ、その強度を検出するようにしたものでは、光強度検出用の受光素子のオフセット成分などの同相雑音の影響を抑え、精度の良い測定が可能となり、ひいては、被測定光の偏波状態をより高精度に特定する事が可能となる。

また、本発明の光スペクトラムアナライザは、上記偏光解析装置の構成に、光学系として波長成分抽出部を付加しただけで簡易に且つ安価に構成でき、波長が異なる複数の信号光が含まれる被測定光についてのスペクトラム解析だけでなく、各信号光のストークスパラメータおよびＯＳＮＲを容易に算出できる。

また、波長成分抽出部として、回折格子を用いた場合、回折格子が入射光に対して回折する光の偏光方向を変える作用を利用することで偏光方向変換手段を兼ねることができ、光スペクトラムアナライザとしての構成をさらに簡単化できる。

本発明の偏光解析装置の実施形態の構成図 実施形態の光強度検出手段の別の構成例を示す図 光分離部の複数の複屈折素子に傾きを与えた構成例を示す図 入射側のコリメートレンズを省略した構成例を示す図 入射側のコリメートレンズの代わりに集光用レンズを用いた構成例を示す図 偏光子の代わりに、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を用いた構成例を示す図 本発明の光スペクトラムアナライザの実施形態の構成図 波長成分抽出部の構成例を示す図 受光素子の前にスリットを設けた例を示す図 波長成分抽出部の別の構成例を示す図 波長成分抽出部の回折格子を偏光方向変換手段として用いた場合の構成例を示す図 波長の異なる複数の信号光を含む被測定光に対する測定結果の一例を示すスペクトラム図 従来の偏光解析装置の構成例を示す図

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明を適用した偏光解析装置２０の基本構成図である。

この偏光解析装置２０は、ＳＭ（single mode）型の光ファイバ１の一端側から出射される被測定光Ｒをコリメートレンズ２１により平行光Ｒ′にしてから、光分離部２２に入射する。

光分離部２２は、第１〜第３の複屈折素子２２ａ〜２２ｃによって構成されている。複屈折素子は、例えば二つの楔形状の人工水晶をその光学軸が互いに直交するように貼り合わせた素子であり、一端面に入射された光を、偏光方向が互いに直交する２つの光に分離し、入射光軸を含む基準平面内で、入射光軸に対して所定（微小）の分離角（分離された２つの光の光軸が成す角）をもって他端面から出射する機能を有している。

この偏光解析装置２０では、３つの複屈折素子を用いて、被測定光Ｒに含まれる偏光方向が互いに直交する光の分離角を拡げるとともに、光軸方向の同じ光同士を偏光子を通した後に集光する位置を複数設定して、短い光路長で偏光状態の算出に必要な光の強度を検出している。なお、後述するように、光分離部２２を構成する複屈折素子の数は３以上であれば任意である。

第１〜第３の複屈折素子２２ａ〜２２ｃは、被測定光Ｒの入射光軸に沿って順番に並んで配置されており、平行光Ｒ′を第１の複屈折素子２２ａの一端面で受ける。なお、ここでは、被測定光Ｒの入射方向（各光学素子の並び方向）をＺ、それに直交する方向をＸ（水平方向）、Ｙ（垂直方向）、各複屈折素子で分離される光の光軸が含まれる基準平面をＸＺ平面として説明するが、光学素子による反射、屈折、回折等により変化する場合がある。

第１の複屈折素子２２ａは、一端面に入射した光Ｒ′を偏光方向が互いに直交する第１の光Ｒ１と第２の光Ｒ２に分け、光Ｒ′の入射光軸（この場合Ｚ）に対してそれぞれ第１の分離角±φ１をなす光軸で他端面から出射する。

この第１の複屈折素子２２ａは、入射側結晶の光学軸が例えばＹ軸と平行な方向に、出射側結晶の光学軸がＸ軸と平行な方向となる様に配置されており、第１の分離角±φ１で分離された第１の光Ｒ１の偏光方向がＸ方向、第２の光Ｒ２の偏光方向がＹ方向となる。

第２の複屈折素子２２ｂは、第１の複屈折素子２２ａから出射された第１の光Ｒ１と第２の光Ｒ２を一端面で受け、第１の光Ｒ１を偏光方向が互いに直交する第３の光Ｒ３と第４の光Ｒ４に分け、第１の光Ｒ１の光軸に対してそれぞれ第２の分離角±φ２をなす光軸で他端面から出射する。また、入射された第２の光Ｒ２を偏光方向が互いに直交する第５の光Ｒ５と第６の光Ｒ６に分け、第２の光の光軸に対してそれぞれ第２の分離角±φ２をなす光軸で他端面から出射する。

この第２の複屈折素子２２ｂは、入射側結晶の光学軸が例えば−４５度の方向に、出射側結晶の光学軸が＋４５度の方向となる様に配置されており、第３の光Ｒ３の偏光方向がＸ軸に対して＋４５度の方向、第４の光Ｒ４の偏光方向がＸ軸に対して−４５度の方向となり、第５の光Ｒ５の偏光方向がＸ軸に対し＋４５度の方向、第６の光Ｒ６の偏光方向がＸ軸に対して−４５度の方向となる。

第３の複屈折素子２２ｃは、第２の複屈折素子２２ｂから出射された第３〜第６の光Ｒ３〜Ｒ６を一端面で受け、第３の光Ｒ３を偏光方向が互いに直交する第７の光Ｒ７と第８の光Ｒ８に分け、第３の光Ｒ３の光軸に対してそれぞれ第３の分離角±φ３をなす光軸で他端面から出射し、第４の光Ｒ４を偏光方向が互いに直交する第９の光Ｒ９と第１０の光Ｒ１０に分け、第４の光Ｒ４の光軸に対してそれぞれ第３の分離角±φ３をなす光軸で他端面から出射する。また、第５の光Ｒ５を偏光方向が互いに直交する第１１の光Ｒ１１と第１２の光Ｒ１２に分け、第５の光Ｒ５の光軸に対してそれぞれ第３の分離角±φ３をなす光軸で他端面から出射し、第６の光Ｒ６を偏光方向が互いに直交する第１３の光Ｒ１３と第１４の光Ｒ１４に分け、第６の光Ｒ６の光軸に対してそれぞれ第３の分離角±φ３をなす光軸で他端面から出射する。

この第３の複屈折素子２２ｃは、入射側結晶の光学軸が例えばＹ軸と平行な方向に、出射側結晶の光学軸がＸ軸と平行な方向となる様に配置されており、第７の光Ｒ７の偏光方向はＸ方向、第８の光Ｒ８の偏光方向はＹ方向、第９の光Ｒ９の偏光方向はＸ方向、第１０の光Ｒ１０の偏光方向はＹ方向、第１１の光Ｒ１１の偏光方向はＸ方向、第１２の光Ｒ１２の偏光方向はＹ方向、第１３の光Ｒ１３の偏光方向はＸ方向、第１４の光Ｒ１４の偏光方向はＹ方向となる。

したがって、第３の複屈折素子２２ｃから出射される光Ｒ７〜Ｒ１４のうち、光Ｒ１から分離された第７〜第１０の光Ｒ７〜Ｒ１０の光軸のＺ軸に対する角度∠Ｒ７〜∠Ｒ１０は、
∠Ｒ７＝φ１＋φ２＋φ３
∠Ｒ８＝φ１＋φ２−φ３
∠Ｒ９＝φ１−φ２＋φ３
∠Ｒ１０＝φ１−φ２−φ３
となる。

また、光Ｒ２から分離された光Ｒ１１〜Ｒ１４の光軸の角度∠Ｒ１１〜∠Ｒ１４は、
∠Ｒ１１＝−φ１＋φ２＋Φ３
∠Ｒ１２＝−φ１＋φ２−φ３
∠Ｒ１３＝−φ１−φ２＋φ３
∠Ｒ１４＝−φ１−φ２−φ３
となる。

光分離部２２は、第３の複屈折素子２２ｃから出射される光のうち、光Ｒ１から分離された光Ｒ７〜Ｒ１０のいずれかと、光Ｒ２から分離された光Ｒ１１〜Ｒ１４のいずれかの組合せのうち、光軸が平行となる組合せが複数組（２組あるいは３組）生じるように、第１〜第３の複屈折素子２２ａ〜２２ｃの分離角が設定されている。

この条件を満たす分離角については種々考えられるが、３つの複屈折素子を用いた図１の実施形態では、φ２＝２・φ１、φ３＝φ１の例を示しており、この場合、光Ｒ１から分離された光Ｒ７〜Ｒ１０については、
∠Ｒ７＝４・φ１
∠Ｒ８＝２・φ１
∠Ｒ９＝０
∠Ｒ１０＝−２・Φ１
となり、光Ｒ２から分離された光Ｒ１１〜Ｒ１４については、
∠Ｒ１１＝２・φ１
∠Ｒ１２＝０
∠Ｒ１３＝−２・φ１
∠Ｒ１４＝−４・φ１
となる。

したがって、この場合、光（Ｒ８，Ｒ１１）の組、光（Ｒ９，Ｒ１２）の組、光（Ｒ１０，Ｒ１３）の組でそれぞれ光軸が平行となり、光（Ｒ７，Ｒ１４）の組は、光軸が非平行となる。

光分離部２２から出射された光Ｒ７〜Ｒ１４は、偏光方向変換手段としての偏光子２４に入射され、偏光方向が同一に揃えられて、それぞれ第１５〜第２２の光Ｒ７′〜Ｒ１４′として出射される。

ここで、光分離部２２から出射された光Ｒ７〜Ｒ１４の偏光方向は、Ｘ方向あるいはＹ方向であるので、偏光子２４として光学軸がＸ軸に対して＋４５度傾いたものを用いれば、入射した光Ｒ７〜Ｒ１４の全てが、偏光方向がＸ軸に対して＋４５度の光Ｒ７′〜Ｒ１４に変換されることになる。なお、偏光子２４を光が通過する際にその光軸の方向に変化がないものとする。したがって、偏光子２４からは、入射した光Ｒ７、Ｒ１４に対応した光Ｒ７′、Ｒ１４′の光軸が最も外側で非平行となり、その間に光軸がある光Ｒ８′〜Ｒ１３′のうち、光（Ｒ８′，Ｒ１１′）、（Ｒ９′，Ｒ１２′）、光（Ｒ１０′，Ｒ１３′）の組が互いに平行に出射されることになる。

なお、３つの複屈折素子２２ａ〜２２ｃおよび偏光子２４による偏光方向の組合せは上記実施形態に限定されない。例えば、第１の複屈折素子２２ａから偏光方向が±４５度の光Ｒ１、Ｒ２を出射させ、第２の複屈折素子２２ｂから偏光方向がＸ方向とＹ方向の光Ｒ３〜Ｒ６を出射させ、第３の複屈折素子２２ｃから偏光方向が±４５度の光Ｒ７〜Ｒ１４を出射させ、偏光子２４から偏光方向がＸ方向（水平方向）あるいはＹ方向（垂直方向）の光Ｒ７′〜Ｒ１４′を出射させてもよい。また、ここでは、分離される光の光軸が含まれる基準平面をＸＺ平面（水平面）としているが、ＹＺ平面（垂直面）でもよく、その中間でもよい。

偏光子２４から出射された光Ｒ７′〜Ｒ１４′は、集光手段としての凸型のレンズ２６に入射される。レンズ２６は焦点距離Ｆを有しており、その光学中心軸がＺ軸方向に一致し、かつＸＹ座標の原点を通過する位置に配置される。

一般的にレンズに入射される平行な光は、その光軸とレンズ光学軸とが成す角度に応じた焦点位置に象を結ぶ。したがって、互いに光軸が平行な光は同一焦点上に集光されることになる。

即ち、入射される光Ｒ７′〜Ｒ１４のうち、光軸の成す角度がともに＋２・φ１の角度をなす互いに平行な１組の光Ｒ８′、Ｒ１１′は、Ｚ軸に垂直な（即ち、ＸＹ平面と平行な）レンズ２６の焦点面上の、Ｘ＝＋Ｆ・tan（２・φ１）、Ｙ＝０の位置Ｐ１に集光され、光軸の成す角度がともに０で互いに平行な１組の光Ｒ９′、Ｒ１２′は、前記焦点面上の、Ｘ＝０、Ｙ＝０の位置Ｐ２に集光され、更に、光軸の成す角度がともに−２・φ１の角度をなす互いに平行な１組の光Ｒ１０′、Ｒ１３′は、前記焦点面上の、Ｘ＝−Ｆ・tan（２・φ１）、Ｙ＝０の位置Ｐ３に集光される。以下、これらの３つ位置Ｐ１〜Ｐ３を、２つの互いに平行な光が収束されて交わる組合せ光集光位置と呼ぶ。

各組合せ光集光位置Ｐ１〜Ｐ３に入射される光は、被測定光Ｒに含まれる直交偏光成分からそれぞれ分離され、偏光方向が揃えられた光同士の組合せであるため、互いに干渉し、それぞれの光強度および互いの位相差により同集光位置に照射される光の強度が決まることになる。

これに対し、Ｚ軸に対して±４・φｌの角度をなすいずれの光とも非平行な光Ｒ７′、Ｒ１４′は、前記焦点面上の、Ｘ＝±Ｆ・tan（４・φ１）、Ｙ＝０の位置Ｐ４、Ｐ５にそれぞれ単独で集光される。

これら、光軸が非平行の光Ｒ７′、Ｒ１４′は、前記した位置Ｐ４、Ｐ５にそれぞれ単独で集光されることになる。以下、この位置Ｐ４、Ｐ５を単独光集光位置と呼ぶ。

３つの組合せ光集光位置Ｐ１〜Ｐ３と２つ単独光集光位置Ｐ４、Ｐ５に入射する光の強度は、光強度検出手段３０により検出される。この実施形態では、光強度検出手段３０を、各集光位置Ｐ１〜Ｐ５に配置した受光素子３１〜３５により入射光の強度をそれぞれ検出する構成としているが、図２のように、各集光位置Ｐ１〜Ｐ５に入射する光をアレイ状に配置された光ファイバ３６ａ〜３６ｅの一端側で受けて、その他端側から任意の位置に配置された受光素子３１〜３５に入射させてもよい。また、後述するように、組合せ光集光位置としては２つ以上あればよく、３つの組合せ光集光位置全ての入射光強度を検出しなくてもよい。

ここで、１つの組合せ光集光位置で検出される光の強度は、その位置に入射する２つの光の強度および互いの位相差に依存する。この位相差は、第１の複屈折素子２２ａにて互いに直交する偏波成分に分離された光Ｒ１、Ｒ２間の位相差（被測定光Ｒに起因する位相差）と、同複屈折素子２２ａにて分離されてから、その組み合わせ光集光位置に至るまでの光路長の差（光学系に起因）とによって決まる。また、２つの単独光集光位置で検出される光の強度は、光Ｒ１、Ｒ２の強度にそれぞれ依存する。

上記した光学系の特性が既知であれば、複屈折素子２２ａから各組合せ光集光位置に至る光路長は既知となるので、各組合せ光集光位置および単独光集光位置で検出される光の強度から、被測定光Ｒの直交偏光成分Ｒ１、Ｒ２の強度および位相差を求めることができ、これらの値から、被測定光Ｒの偏光状態を表すストークスパラメータやＯＳＮＲを求めることができる。

演算処理部４０は、光強度検出手段３０の各受光素子３１〜３５が検出した光の強度から、被測定光Ｒの直交偏光成分Ｒ１、Ｒ２の強度および位相差を求め、さらに、これらの値から、被測定光Ｒの偏光状態を表すストークスパラメータやＯＳＮＲを求める。

この演算処理について簡単に説明する。被測定光ＲのパワーＰtotal は、それに含まれる偏光した信号光のパワーＰsig と無偏光成分（ノイズ）のパワーＰｎとの和で表され、信号光のパワーＰsig は、偏光方向が互いに直交する成分Ｐｘ、Ｐｙの和で表される。

したがって、
Ｐtotal ＝Ｐsig ＋Ｐｎ＝Ｐｘ＋Ｐｙ＋Ｐｎ
となり、この被測定光Ｒが、第１の複屈折素子２２に入射されて互いに直交する偏光成分に分けられるので、偏光した信号光パワーはＰｘとＰｙに、無偏光成分Ｐｎは、等しいパワーに等分されるので、第１の複屈折素子２２ａから出射される光Ｒ１、Ｒ２のパワーＰｒ１、Ｐｒ２は、
Ｐｒ１＝Ｐｘ＋Ｐｎ／２
Ｐｒ２＝Ｐｙ＋Ｐｎ／２
となる。

第２の複屈折素子２２ｂから出射される光Ｒ３〜Ｒ６のパワーＰｒ３〜Ｐｒ６は、入射光と出射光の偏光方向が４５度をなしているため、入射する光のパワーがそれぞれ等分されて、
Ｐｒ３＝Ｐｒ４＝Ｐｘ／２＋Ｐｎ／４
Ｐｒ５＝Ｐｒ６＝Ｐｙ／２＋Ｐｎ／４
となる。

同様に、第３の複屈折素子２２ｃから出射される光Ｒ７〜Ｒ１４のパワーＰｒ７〜Ｐｒ１４は、入射する光のパワーがそれぞれ等分されて、
Ｐｒ７＝Ｐｒ８＝Ｐｒ９＝Ｐｒ１０＝Ｐｘ／４＋Ｐｎ／８
Ｐｒ１１＝Ｐｒ１２＝Ｐｒ１３＝Ｐｒ１４＝Ｐｙ／４＋Ｐｎ／８
となる。

さらに、偏光子２４から出射される光Ｒ７′〜Ｒ１４′のパワーＰｒ７′〜Ｐｒ１４′は、
Ｐｒ７′＝Ｐｒ８′＝Ｐｒ９′＝Ｐｒ１０′＝Ｐｘ／８＋Ｐｎ／１６
Ｐｒ１１′＝Ｐｒ１２′＝Ｐｒ１３′＝Ｐｒ１４′＝Ｐｙ／８＋Ｐｎ／１６
となる。

そして、８つの光Ｒ７′〜Ｒ１４′のうち、光軸が最も外側で非平行となる光Ｒ７′、Ｒ１４′は、レンズ２６によって単独光集光位置Ｐ４、Ｐ５にそれぞれ入射され、光軸が平行な光（Ｒ８′，Ｒ１１′）、（Ｒ９′，Ｒ１２′）、（Ｒ１０′，Ｒ１３′）の組が、組合せ光集光位置Ｐ１〜Ｐ３にそれぞれ入射される。

そして、受光素子３４、３５により、単独光集光位置Ｐ４、Ｐ５にそれぞれ単独に入射した光Ｒ７′、Ｒ１４′のパワーに比例した強度Ｉｘ、Ｉｙが検出される。この比例係数（散乱等による光学系の損失は無視できるものとし、受光系の変換係数を１とすると）を８とし、
Ｉｘ＝Ｐｘ＋Ｐｎ／２ ……（１）
Ｉｙ＝Ｐｙ＋Ｐｎ／２ ……（２）
となる。

一方、例えば、偏光子２４から平行な光軸で出射された光Ｒ８分、Ｒ１１′は、レンズ２６によって組合せ光集光位置Ｐ１に集光され、受光素子３１により、それぞれの光強度および位相差に応じた強度Ｉｘｙ１が検出される。

ここで光Ｒ８′、Ｒ１１′間の位相差は、被測定光Ｒが複屈折素子２２ａによって分離された位置における２つの光Ｒ１、Ｒ２間の位相差θに、複屈折素子２２ａによって分離されてから組合せ光集光位置Ｐ１に至るまでの光路長差に起因する位相差△１が加わっている。

但し、光Ｒ１、Ｒ２に含まれる信号光Ｒの無偏光成分Ｐｎについては、位相差は時間的にランダムに変化しており、たとえ同一偏光となっても干渉はおこらず、それぞれの和のパワーが観測されるだけである。

従って、受光素子３１にて検出される強度Ｉｘｙ１は、前記したように比例係数を８とし、次のように表される。
Ｉｘｙ１＝Ｐｘ＋Ｐｙ＋Ｐｎ＋２√（Ｐｘ×Ｐｙ）cos （θ＋Δ１）
……（３）

同様に、組合せ光集光位置Ｐ２において受光素子３２で検出される強度Ｉｘｙ２は、複屈折素子２２ａによって分離されてから組合せ光集光位置Ｐ２に至るまでの光路長差に起因する位相差を△２とすると、
Ｉｘｙ２＝Ｐｘ＋Ｐｙ＋Ｐｎ＋２√（Ｐｘ×Ｐｙ）cos （θ＋Δ２）
……（４）
と表される。

また、組合せ光集光位置Ｐ３において受光素子３３で検出される強度Ｉｘｙ３は、複屈折素子２２ａによって分離されてから組合せ光集光位置Ｐ３に至るまでの光路長差に起因する位相差を△３とすると、
Ｉｘｙ３＝Ｐｘ＋Ｐｙ＋Ｐｎ＋２√（Ｐｘ×Ｐｙ）cos （θ＋Δ３）
……（５）
と表される。

ここで、Ｉｘ、Ｉｙ、Ｉｘｙ１〜Ｉｘｙ３は、受光素子３１〜３５の出力値で既知であり、複屈折素子２２ａによって分離されてから各組合せ光集光位置に至るまでの光路長差に起因する位相差Δ１〜Δ３も、光学系が決まれば既知となるから、これら既知の値を上記５つの式の少なくとも４つに代入し、所定の演算を行なえば、４つの未知数Ｐｘ、Ｐｙ、Ｐｎ、θを求めることができる。

演算処理部４０は、上記したように、５つの受光素子３１〜３５で検出される強度Ｉｘ、Ｉｙ、Ｉｘｙ１〜Ｉｘｙ３の情報から、被測定光Ｒに含まれる信号光の直交偏光成分の強度と位相差を求める第１の演算手段４１と、これらの値から被測定光ＲのストークスパラメータやＯＳＮＲを算出する第２の演算手段４２によって構成される。

次に、この演算処理部４０が行う計算の一例について説明する。
例えば、式(３)、(４)を位相差θについて解き、下記を得る。
θ＝arctan(ｘ0，ｙ0)＋ｋπ
ｘ0＝(Ｉｘ＋Ｉｙ−Ｉｘｙ１)sin△２−(Ｉｘ＋Ｉｙ−Ｉｘｙ２)sin△１
ｙ0＝(Ｉｘ＋Ｉｙ−Ｉｘｙ１)cos△２−(Ｉｘ＋Ｉｙ−Ｉｘｙ２)cos△１
ｋ＝{０：０＜sin(△１−△２)、１：０＞sin(△１−△２)}
ここで、arctan(ｘ0，ｙ0)は、象限を考慮した逆正接関数である。

次に、被測定光Ｒに含まれる信号光の直交偏光成分のパワーＰｘ、Ｐｙは、式(１)、(２)も使って解くと、下記を得る。

Ｐｘ＝ｃ＋√（ｃ^２＋ｄ）
Ｐｙ＝−ｃ＋√（ｃ^２＋ｄ）
ｃ＝(Ｉｘ−Ｉｙ）／２
ｄ＝｛(Ｉｘｙ１−Ｉｘｙ２)／［２cos(θ＋△１)−２cos(θ＋△２)］｝^２

最後に、例えば再び式（１）を使って、被測定光Ｒに含まれる無偏光なノイズ成分Ｐｎを次のように得る。
Ｐｎ＝２（Ｉｘ−Ｐｘ)

上記演算を行なうことで、被測定光Ｒに含まれる信号光の直交偏光成分のパワーＰｘ、Ｐｙと位相差θ、および、無偏光成分（ノイズ成分）のパワーＰｎが得られるから、これらを用いて、被測定光Ｒの偏光状態を表す４種類のストークスパラメータＳ０〜Ｓ３を以下のように得ることができる。

Ｓ０＝Ｐｘ＋Ｐｙ＋Ｐｎ （全パワー）
Ｓ１＝Ｐｘ−Ｐｙ
Ｓ２＝２√（ＰｘＰｙ）cos θ
Ｓ３＝２√（ＰｘＰｙ）sin θ

また、被測定光ＲのＯＳＮＲを次の計算によって求めることができる。
ＯＳＮＲ＝（Ｐｘ＋Ｐｙ）／Ｐｎ

なお、前述の位相差△１〜△３は、それら位相差の差がπの整数倍に等しくならない様に選ぶ必要がある。これは、例えば図３のように、複屈折素子２２ａ〜２２ｃを適時傾ける事により容易に達成する事が出来る。

上記演算では、式（１）、（２）の他に式（３）、（４）を用いて４つの未知数θ、Ｐｘ、Ｐｙ、Ｐｎを求めていたが、式（１）、（２）の他に、式（４）、（５）あるいは式（３）、（５）を用いて４つの未知数θ、Ｐｘ、Ｐｙ、Ｐｎを求めてもよく、これらの全ての組合せで得られたθ、Ｐｘ、Ｐｙ、Ｐｎについての平均化処理により、測定精度を高めることもできる。また、演算処理部４０による各位置における光強度Ｉｘ、Ｉｙ、Ｉｘｙ１〜Ｉｘｙ３を用いて、未知数を求める前記計算方法は一例に過ぎず、他にもさまざまな計算方法が考えられる。

このように、実施形態の偏光解析装置２０は、少なくとも３つの複屈折素子２２ａ〜２２ｃ、偏光子２４、レンズ２６、受光素子３１〜３５という極めて小規模な光学系の構成で、小型に且つ安価に、被測定光Ｒの偏光状態およびＯＳＮＲをリアルタイムに測定することができる。

さらに、図１の構成例では、光分離部２２は３つの複屈折素子により、光強度検出手段３０は５つの受光素子にて構成していたが、より多くの複屈折素子および受光素子により４組以上の組合せ光集光位置における干渉強度を測定するように構成する事も出来る。

この場合、より多くの測定結果を基に被測定光Ｒの互いに直交した偏光成分パワーＰｘ、Ｐｙとそれらの位相差θ、および、無偏光成分パワーＰｎを計算できるため、更に測定精度を高める事が出来る。

なお、光分離部２２を構成する複屈折素子の数をｎ（ｎは３以上）とすると、被測定光Ｒは光分離部２２によって最終的に２のｎ乗個の光に分離されることになり、第１の複屈折素子２２ａで分離された光Ｒ１を基とする２の（ｎ−１）乗個の光と、光Ｒ２を基とする２の（ｎ−１）乗個の光との組み合わせのうち、光軸同士が平行な光を組合せ光集光位置に集光させ、それ以外の光を単独光集光位置に集光させて、その強度を検出すればよい。

また、前記実施形態では、最小構成となる３つの複屈折素子からなる光分離部２２の第２の分離角±φ２が第１の分離角±φ１の２倍、第３の分離角±φ３が第１の分離角±φ１に等しく設定された例を示したが、第３の複屈折素子２２ｃから出射される光のうち、光軸が最も外側の第７の光Ｒ７と第１４の光Ｒ１４を除いて、第１の光Ｒ１から分離された第８〜第１０の光Ｒ８〜Ｒ１０のいずれかと、第２の光Ｒ２から分離された第１１〜１３の光Ｒ１１〜Ｒ１３のいずれかの組合せのうち、光軸が互いに平行となる組合せが複数組（２組あるいは３組）生じるように、第１〜第３の複屈折素子２２ａ〜２２ｃの分離角が設定されていればよい。

この分離角の組合せについて考察する。
φ１に対するφ２、φ３の倍率をＭ、Ｎとすると、Ｚ軸に対する各光Ｒ７〜Ｒ１４の光軸の角度∠Ｒ７〜∠Ｒ１４は、
∠Ｒ７＝（１＋Ｍ＋Ｎ）φ１
∠Ｒ８＝（１＋Ｍ−Ｎ）φ１
∠Ｒ９＝（１−Ｍ＋Ｎ）φ１
∠Ｒ１０＝（１−Ｍ−Ｎ）φ１
∠Ｒ１１＝（−１＋Ｍ＋Ｎ）φ１
∠Ｒ１２＝（−１＋Ｍ−Ｎ）φ１
∠Ｒ１３＝（−１−Ｍ＋Ｎ）φ１
∠Ｒ１４＝（−１−Ｍ−Ｎ）φ１
となる。

ここで、光Ｒ１から分離した光Ｒ７〜Ｒ１０のうちで最も内側の光Ｒ１０と、光Ｒ２から分離した光Ｒ１１〜Ｒ１４のうちで最も内側の光Ｒ１１とが平行になってしまうと、それ以外の光Ｒ７〜Ｒ９のいずれかと光Ｒ１２〜Ｒ１４のいずれかとが平行となる組合せは得られない。したがって、この光Ｒ１０、光Ｒ１１が平行となる組合せを除外する。

そこで、例えば、光Ｒ８、Ｒ１１の組が平行となる条件を求めると、
（１＋Ｍ−Ｎ）φ１＝（−１＋Ｍ＋Ｎ）φ１
から、Ｎ＝１が得られる。つまり、Ｎ＝１であれば、Ｍに関わらず、光Ｒ８、Ｒ１１の組が平行となり、その対称性から光Ｒ１０、Ｒ１３の組も平行となる。

また、Ｎ＝１のとき、光Ｒ９、Ｒ１２の角度は、
∠Ｒ９＝（２−Ｍ）・φ１
∠Ｒ１２＝−（２−Ｍ）・φ１
となり、Ｍ＝２で両者が等しくなる。この条件、Ｎ＝１、Ｍ＝２は、前記実施例の場合を表している。

前記したように、光Ｒ８、Ｒ１１の組と、光Ｒ１０、Ｒ１３の組が平行になる条件は、Ｎ＝１であるから、第１の分離角±φ１と第３の分離角±φ３が等しい場合であれば、第２の分離角±φ２によらず（倍率Ｍによらず）、必ず光Ｒ８、Ｒ１１の組と光Ｒ１０、Ｒ１３の組が平行となる。

また、別の組合せとして、例えば、光Ｒ９、Ｒ１１の組が平行となる条件を求めると、
（１−Ｍ＋Ｎ）φ１＝（−１＋Ｍ＋Ｎ）φ１
から、Ｍ＝１が得られる。つまり、Ｍ＝１であれば、Ｎに関わらず、光Ｒ９、Ｒ１１の組が平行となり、その対称性から光Ｒ１０、Ｒ１２の組も平行となる。

ここで、特別な例として、Ｍ＝Ｎ＝１とすると、
∠Ｒ７＝３・φ１
∠Ｒ８＝φ１
∠Ｒ９＝φ１
∠Ｒ１０＝−φ１
∠Ｒ１１＝φ１
∠Ｒ１２＝−φ１
∠Ｒ１３＝−φ１
∠Ｒ１４＝−３・φ１
となる。

この場合、∠Ｒ８＝∠Ｒ９＝∠Ｒ１１＝φ１、∠Ｒ１０＝∠Ｒ１２＝∠Ｒ１３＝−φ１となり、光Ｒ１から分離された２つの光と光Ｒ２から分離された１つの光が一つの集光位置に入射され、光Ｒ１から分離された１つの光と光Ｒ２から分離された２つの光が別の一つの集光位置に入射されることになる。

この例の様な場合にも、光Ｒ１から分離された２つの光の合波光と光Ｒ２から分離された１つの光との干渉と、光Ｒ２から分離された１つの光と光Ｒ２から分離された２つの光の合波光との干渉をそれぞれ考えれぱよい。以下、順に説明する。

先ず、偏光子２４透過後の光Ｒ８′、Ｒ９′の合波光Ｒ８９′について考える。これら２つの光は同一偏光状態であるので互いに干渉し、第２の複屈折素子２２ｂにて光Ｒ１から等分されレンズ２６の焦点面上の同一集光位置Ｐ１に至るまでの互いの光路の光路長差に起因する位相差（△ａとする）に応じた光強度となる。２つの光Ｒ８′、Ｒ９′は、同一の直線偏光Ｒ１から分離したものであるので、この干渉は被測定光Ｒに含まれていた無偏光成分Ｐｎについても偏光成分Ｐｘと同様に生じるため、この合波光Ｒ８９′の光強度をＰａとすると、
Ｐａ＝（Ｐｘ／４＋Ｐｎ／８）（１＋cos△ａ）
となる。

よって、この合波光Ｒ８９′と光Ｒ１１′の干渉光強度をＩｘｙａとすると、前述の比例係数を８とし
Ｉｘｙａ＝２（１＋cos△ａ）Ｐｘ＋Ｐｙ＋Ｐｎ（３／２＋cos△ａ）
＋２√［２（１＋cos△ａ）Ｐｘ・Ｐｙ]cos（θ＋△ａ′）……（３ａ）
を得る。

ここで、△ａ′は、第１の複屈折素子２２ａから前述の集光位置Ｐ１′に至るまでの光Ｒ８′、Ｒ９′の２つの光路の平均光路長と、光Ｒ１１′の光路の光路長との差に起因する位相差である。

同様にして、光Ｒ１０′、Ｒ１２′およびＲ１３′による干渉光強度Ｉｘｙｂは、
Ｉｘｙｂ＝Ｐｘ＋２（１＋cos△ｂ）Ｐｙ＋Ｐｎ（３／２＋cos△ｂ）
＋２√［Ｐｘ・２（１＋cos△ｂ）Ｐｙ]cos（θ＋△ｂ′）……（３ｂ）
を得る。

ここで、Δｂは第２の複屈折素子２２ｂにて光Ｒ２から等分されレンズ２６の焦点面上の同一集光位置Ｐ２′に至るまでの光Ｒ１２′、Ｒ１３′の互いの光路の光路長差に起因する位相差、△ｂ′は第１の複屈折素子２２ａから前述の集光位置Ｐ２′に至るまでの光Ｒ１２′、Ｒ１３′の２つの光路の平均光路長と、光Ｒ１０′の光路の光路長との差に起因する位相差である。これらの位相差△ａ、Δａ′、Δｂ、Δｂ′は光学系によって決まる値であり、事前の測定等による既知の値である。

従って、式（１）、（２）、（３ａ）、（３ｂ）を解く事で前述の説明同様に４つの未知数θ、Ｐｘ、Ｐｙ、Ｐｎを求める事が出来る。

以上をまとめると、Ｎ＝１、Ｍ≠１で、光Ｒ８、Ｒ１１の組と光Ｒ１０、Ｒ１３の組が必ず平行となり、Ｍ＝１、Ｎ≠１で、光Ｒ８、Ｒ１１の組と光Ｒ１０、Ｒ１３の組が必ず平行となる。また、上記例に限らず、Ｍ、Ｎの値を、例えば、１／２等のように１より小さい倍率にしてもよく、２を超える値（整数に限らない）にしてもよい。また、光軸が平行な光の組が２組だけの場合、光Ｒ７、Ｒ１４以外にも光軸が非平行な光の組が存在することになり、これを単独光集光位置に入射して、その強度を検出してもよい。

上記説明した実施形態の偏光解析装置２０は、ＳＭ型の光ファイバ１の一端側から出射される被測定光Ｒをコリメートレンズ２１にて平行光Ｒ′にしてから、第１の複屈析素子２２ａの一端面に入射しているが、図４に示すように、コリメートレンズ２１を省略して、ＳＭ型の光ファイバ１の一端側から出射される被測定光Ｒを、直接第１の複屈析素子２２ａの一端面に入射する構成としても良いし、図５に示すように、ＳＭ型の光ファイバ１の直後に集光用のレンズ２６を配置する事や、複屈折素子２２ａ〜２２ｃの間にレンズ２６を配置する事も出来る。

更に、集光手段としてはレンズ以外にも、球面ミラーや放物面鏡等を随意用いる事も出来る。

また、例えば、図６のように、偏光子２４の代わりに偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）８０を用い、複屈折素子２２ｃから出射された光Ｒ７〜Ｒ１４を、それぞれ偏光方向が直交する二つの光に分け、偏光方向が揃った光同士を互いに異なる方向へ出射させ、二つの集光用のレンズ２６、２６′にて光強度検出手段３０を構成する１０個の受光素子３１〜３５、３１′〜３５′へ照射する構成も考えられる。

この場合、例えば、複屈折素子２２ａとしては−４５度と＋４５度の光学軸を組み合わせたものを用い、被測定光ＲをＸ軸に対して偏光方向が＋４５度の光Ｒ１と−４５度の光Ｒ２に分離して複屈折素子２２ｂへ入力させる。

複屈折素子２２ｂとしては、９０度と０度の光学軸を組み合わせたものを用い、光Ｒ１をＸ軸に対して偏光方向が０度の光Ｒ３と９０度の光Ｒ４とに分離し、光Ｒ２をＸ軸に対して偏光方向が０度の光Ｒ５と９０度の光Ｒ６とに分離して、複屈折素子２２ｃへ入射させる。

複屈折素子２２ｃとしては、−４５度と＋４５度の光学軸を組み合わせたものを用い、光Ｒ３をＸ軸に対して偏光方向が＋４５度の光Ｒ７と−４５度の光Ｒ８とに分離し、光Ｒ４をＸ軸に対して偏光方向が＋４５度の光Ｒ９と−４５度の光Ｒ１０とに分離して、光Ｒ５をＸ軸に対して偏光方向が＋４５度の光Ｒ１１と−４５度の光Ｒ１２とに分離し、光Ｒ６をＸ軸に対して偏光方向が＋４５度の光Ｒ１３と−４５度の光Ｒ１４とに分離して、ＰＢＳ８０へ入射させる。

ＰＢＳ８０は光Ｒ７〜Ｒ１４をおのおのＸ軸に対して０度と９０度の偏光成分に分離し、分離された０度の偏光成分Ｒ７′〜Ｒ１４′をＰＢＳ８０の一方の端面（この例ではＺ軸に直交する端面）から出射させ集光用のレンズ２６に照射し、分離された９０度の偏光成分Ｒ７″〜Ｒ１４″をＰＢＳ８０の別の端面（この例ではＸ軸に直交する端面）から出射させ、別の集光用のレンズ２６′へ照射する。

集光用のレンズ２６に照射された偏光方向が０度の光Ｒ７′〜Ｒ１４′のうち、図１の構成と同様に、光軸が最も外側のＲ７′、Ｒ１４′は、前述の単独光集光位置Ｐ４、Ｐ５にそれぞれ配置された受光素子３４、３５へ集光され、それらの光パワーに比例した強度ｌｘ′、ｌｙ′に変換され、互いに平行な３組の光（Ｒ８′，Ｒ１１′）、（Ｒ９′，Ｒ１２′）、（Ｒ１０′，Ｒ１３′）は、前述の３つの組合せ光集光位置Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３に配置された受光素子３１〜３３により、それぞれ互いの光パワーと位相差に応じた光強度Ｉｘｙｌ′、Ｉｘｙ２′、Ｉｘｙ３′に変換される。

同様に、もう一方の集光用のレンズ２６′に照射された偏光方向が９０度の光Ｒ７″〜Ｒ１４″のうち、前述と同様にして、光軸が最も外側のＲ７″、Ｒ１４″が、レンズ２６′の焦点面上で中心からＺ軸方向に±Ｆ・tan（４・φ１）だけ離れた単独光集光位置Ｐ４′、Ｐ５′にそれぞれ配置された受光素子３４′、３５′へ集光され、それらの光パワーに比例した強度ｌｘ″、Ｉｙ″に変換され、互いに平行な３組の光（Ｒ８″，Ｒ１１″）、（Ｒ９″，Ｒ１２″）、（Ｒ１０″，Ｒ１３″）は、レンズ２６′の焦点面上でＺ軸方向に中心からそれぞれ＋Ｆ・tan（２・φ１）、０、−Ｆ・tan（２・φ１）だけ離れた３つの組合せ光集光位置Ｐ１′、Ｐ２′、Ｐ３′に配置された受光素子３１′〜３３′により、それぞれ互いの光パワーと位相差に応じた光強度Ｉｘｙ１″、Ｉｘｙ２″、Ｉｘｙ３″に変換される。

第１の演算手段４１は、これら受光素子３１〜３５、３１′〜３５′の出力が、前述の比例係数を４とし、次の関係を満たすことを利用して、被測定光Ｒの直交偏光成分のパワーＰｘ、Ｐｙ、それらの位相差θ、および無偏光成分のパワーＰｎを前述同様に計算する。

Ｉｘ＝Ｉｘ′＋Ｉｘ″＝Ｐｘ＋Ｐｎ／２ ……（１′）
Ｉｙ＝ｌｙ′＋Ｉｙ″＝Ｐｙ＋Ｐｎ／２ ……（２′）
Ｉｘｙｌ＝Ｉｘｙ１′−Ｉｘｙ１″
＝４√（Ｐｘ・Ｐｙ）cos（θ＋△１）…（３′）
Ｉｘｙ２＝Ｉｘｙ２′−Ｉｘｙ２″
＝４√（Ｐｘ・Ｐｙ）cos（θ＋△２）…（４′）
Ｉｘｙ３＝Ｉｘｙ３′−Ｉｘｙ３″
＝４√（Ｐｘ・Ｐｙ）cos（θ＋△３）…（５′）

この構成の場合、受光素子３１〜３３、３１′〜３３′にて集光される光強度は、それぞれ互いに相補的な関係にあり、式（３′）〜（５′）が示す通り、それらの光強度の差には被測定光Ｒの直交偏光成分間の干渉成分のみが現れる。したがって、受光素子のオフセット成分などの同相雑音の影響を抑え、精度の良い測定が可能となり、ひいては、被測定光Ｒの偏波状態を更に高精度に特定する事が可能となる。

次に、上記偏光解析装置の構成に波長抽出機能を持たせた光スペクトラムアナライザについて説明する。図７は、この光スペクトラムアナライザ５０の全体構成図である。

この光スペクトラムアナライザ５０は、図１に示した偏光解析装置２０の偏光方向変換手段としての偏光子２４と受光素子３１〜３５の間に、波長成分抽出部５１を配置したものである。ただし、前記した偏光解析装置２０は、３つの複屈折素子２２ａ〜２２ｃにより分離される光の光軸が含まれる基準平面をＸＺ平面（水平面）としていたが、この光スペクトラムアナライザ５０の場合、後述する回折格子５２の回折用の溝５２ａの方向をＹ軸方向としている関係で、３つの複屈折素子２２ａ〜２２ｃにより分離される光の光軸が含まれる基準平面をＹＺ平面（垂直面）としている。なお、後述するように、偏光方向変換手段として波長成分抽出部５１の回折格子５２を兼用すれば、偏光子２４を省略した構成とすることができる。

波長成分抽出部５１は、偏光子２４から出射された光Ｒ７′〜Ｒ１４′に含まれる波長成分を、所定の波長範囲に渡って所定の分解能で順次抽出する。この波長範囲は、被測定光Ｒが、例えばＷＤＭ方式のように、波長が異なる複数の信号光（チャネル光）が含まれた光の場合、その複数のチャネル光が存在する範囲全体をカバーするように設定される。

この波長成分抽出部５１としては、一面側に回折用の溝が微細な間隔で設けられている回折格子の分光作用、即ち、所定入射角で回折面に入射される光に含まれる波長成分を、その波長に応じた出射角で出射させる作用を利用したものが一般的である。

その具体的な構造例の一つは、図８に示すように、回折格子５２に対する光Ｒ７′〜Ｒ１４′の入射角αを、回折格子５２を回動させる回動装置５３（波長掃引手段）により可変させ、その回折光のうち、回折角βの特定方向（Ｚ′方向）に出射される光Ｒ７′（λ）〜Ｒ１４′（λ）の波長を可変させる方式である。

この場合、回折格子５２は、その回折用の溝５２ａの長さ方向が、入射する８つの光Ｒ７′〜Ｒ１４′の光軸の並び方向（この例ではＹ軸方向）に一致する向きで配置され、その溝５２ａに平行な軸で回動され、回折格子５２により特定方向に出射される光の波長が所定範囲内で連続的に変化するように、各部が配置されているものとする。回動装置５３は、抽出波長λと回折格子５２の回転角（入射角α）との関係を予め記憶しているコントローラ５４とともに波長選択手段を形成するものであり、抽出波長λに対応した回転角αの情報を回動装置５３に与えるとともに、その抽出波長λの情報を演算処理部６０に与える。

回折格子５２により特定方向に出射された光Ｒ７′（λ）〜Ｒ１４′（λ）は、前記同様に、レンズ２６に入射されて、そのうちの光軸が最も外側の光Ｒ７′（λ）、Ｒ１４′（λ）がそれぞれ単独光集光位置Ｐ４、Ｐ５に集光され、光軸が平行な３組の光［Ｒ８′（λ），Ｒ１１′（λ）］、［Ｒ９′（λ），Ｒ１２′（λ）］、［Ｒ１０′（λ），Ｒ１３′（λ）］が、組合せ光集光位置Ｐ１〜Ｐ３にそれぞれ集光されて、各集光位置Ｐ１〜Ｐ５の強度Ｉｘ（λ）、Ｉｙ（λ）、Ｉｘｙ１（λ）〜Ｉｘｙ３（λ）が検出されることになる。

なお、上記実施例では、抽出する波長幅は受光素子３１〜３５の有効幅の影響を受けるが、図９に示すように、回折格子５２により特定方向へ出射される光Ｒ７′（λ）〜Ｒ１４′（λ）がレンズ２６によって集光される各集光位置（すなわちＰ１〜Ｐ５）にスリット５５を配置し、そのスリット５５を通過した光を受光素子３１〜３５にて受光するように構成することが出来る。

この場合、光Ｒ７′（λ）〜Ｒ１４′（λ）の集光位置Ｐ１〜Ｐ５の並び方向が、スリット５５の長手方向となる様にスリット５５を配置する。

このような構成とし、特定の幅を有するスリット５５を用いる事で、受光素子３１〜３５の有効幅の影響を受けることなく、所望する抽出波長幅を実現する事が出来る。

また、波長成分抽出部５１の別の構造例を図１０に示す。この構成の場合、波長成分抽出部５１では、固定された回折格子５２に一定の入射角で光Ｒ７′〜Ｒ１４′を入射させ、その回折光を反射体５６に出射する。反射体５６は、回折格子５２の回折用の溝５２ａの長さ方向（Ｙ軸方向）に対して±４５度の傾きを持つ反射面５６ａ、５６ｂが互いに直交し、回折格子５２側に向かって開くように一体化され、回動装置５７により、回折格子５２の溝５２ａと平行な軸で回動される。

回折格子５２に入射された光Ｒ７′〜Ｒ１４′の回折光はそれぞれの波長に応じた出射角で反射体５６側に出射され、反射体５６の上側の反射面５６ａおよび下側の反射面５６ｂを経由して回折格子５２に再入射し、２度目の回折を受けることになる。なお、図１０では、光軸が平行な３組の光（Ｒ８′，Ｒ１１′）、（Ｒ９′，Ｒ１２′）、（Ｒ１０′，Ｒ１３′）およびその波長成分については、光軸を１本の線で表している。

この２度目の回折を受けた光のうち、特定方向に出射される光の波長が、回折格子５２に対する反射体５６の角度αによって連続的に変化するように各部が配置されている。したがって、この特定方向に出射される光Ｒ７′（λ）〜Ｒ１４′（λ）の波長λを反射体５６の角度αにより連続的に可変できる。前記同様に回動装置５７は、抽出波長λと反射体５６の角度αとの関係を予め記憶しているコントローラ５８とともに波長選択手段を形成するものであり、抽出波長λに対応した回転角αの情報を回動装置５７に与えるとともに、その抽出波長λの情報を演算処理部６０に与える。

図１０に示した波長成分抽出部５１の構成は、所望波長の光を抽出するために、回折格子５２の分光作用を２度利用しているので、高い波長分解能が得られる。この構成の場合も、図９で示したように各集光位置にスリットを配置することができる。

なお、上記波長成分抽出部５１に用いられる回折格子５２の回折作用は、光波長、入射角、溝形状や溝表面材質、および、入射光偏波状態に依存して変化する。したがって、特定の溝形状や溝表面材質、入射角を選ぶことにより、所望の波長範囲において、例えば、回折格子の溝に直交する偏光成分に対して回折効率が最大となり、逆に、溝に平行な偏光成分に対しては回折効率が最小（理論的には０）とする事が出来る。

したがって、前記構成のように、波長成分抽出部５１の前段に偏光子２４を用いる場合、８つの光Ｒ７′〜Ｒ１４′の偏光方向を、回折格子５２の回折用の溝５２ａに直交するＸ方向（水平方向）に変換してやれば最も効率的である。

また、回折格子５２の回折作用は、回折用の溝５２ａに直交する偏光成分に対して現れるので、回折面の溝５２ａに対して、偏光方向が＋４５度傾いた光と−４５度傾いた光を回折格子５２に入射した場合に、回折格子５２から出射される回折光の偏光方向は、回折用の溝５２ａに直交するＸ方向（水平方向）に揃えられることになる。

つまり、回折格子５２は、偏光方向が互いに直交する２つの光を、偏光が揃った２つの光（回折光）に変換する偏光方向変換手段の機能を有していることになる。

よって、図１１に示す光スペクトラムアナライザ５０′のように、偏光子２４を省略し、第３の複屈折素子２２ｃから、波長成分抽出部５１の回折格子５２の溝５２ａに対して偏光が±４５度となる光Ｒ７〜Ｒ１４を入射させ、回折格子５２から偏光方向が水平方向の回折光Ｒ７（λ）〜Ｒ１４（λ）を出射させる構成も可能である。このようにすれば、装置全体をより簡易に構成できる。

なお、光スペクトラムアナライザ５０、５０′の演算処理部６０の第１の演算手段６１は、上記したように抽出した波長成分毎に得られる各集光位置Ｐ１〜Ｐ５の光強度から、各波長毎に、前記した直交偏光成分のパワーＰｘ（λ）、Ｐｙ（λ）、位相差θ（λ）、無偏光成分（ノイズ成分）のパワーＰｎ（λ）を求め、第２の演算手段６２は、第１の演算手段６１で得られた波長毎の値から波長毎のストークスパラメータ、および、ＯＳＮＲを算出する。ただし、単純に被測定光Ｒのスペクトラム波形を得て、これを表示する場合には、被測定光Ｒの全パワー（＝Ｐｘ＋Ｐｙ＋Ｐｎ）を波長毎に求め、例えば、図１２のように、波長軸上に表示すれぱよい。

また、ストークスパラメータやＯＳＮＲは、被測定光Ｒに含まれる信号光（チャネル光）について求める場合が多いので、図１２の（ａ）のように得られたスペクトラム波形のうちそのパワーが極大となる波長（あるいは既知の信号光波長）λ１、λ２、λ３、λ４についての各測定値から、各信号光についてのストークスパラメータおよびＯＳＮＲを算出すればよく、これらの算出値の表示方法等は任意である。

なお、実施形態の光スペクトラムアナライザ５０、５０′では、各波長毎に直交偏光成分のパワーＰｘ（λ）、Ｐｙ（λ）、位相差θ（λ）、無偏光成分（ノイズ成分）のパワーＰｎ（λ）を求め、それに基づいてＳＮ比を算出しているから、図１２の（ａ）のように、全ての信号光のノイズレベルがほぼ同一の場合だけでなく、図１２の（ｂ）のように、異なる伝送経路を伝搬して合波されたことにより、信号光毎のノイズレベルが異なるような場合であっても、各信号光のＯＳＮＲを正確に算出できる。

上記実施形態の光スペクトラムアナライザ５０、５０′では、各集光位置に入射する光の強度を検出する光強度検出手段３０として受光素子３１〜３５を用いていたが、図２に示したように、アレイ状に並べた光ファイバ経由で各集光位置の光強度を検出する構成であってもよい。

２０、２０′……偏光解析装置、２１……コリメートレンズ、２２……光分離部、２２ａ……第１の複屈折素子、２２ｂ……第２の複屈折素子、２２ｃ……第３の複屈折素子、２４……偏光子、２６、２６′……レンズ、３０……光強度検出手段、３１〜３５、３１′〜３５′……受光素子、４０、６０……演算処理部、４１、６１……第１の演算手段、４２、６２……第２の演算手段、５０、５０′……光スペクトラムアナライザ、５１……波長成分抽出部、５２……回折格子、５３、５７……回動装置、５４、５８……コントローラ、５５……スリット、５６……反射体、８０……偏向ビームスプリッタ

Claims (7)

1. 入射される光を偏光方向が互いに直交し且つ出射光軸が所定の分離角を成す２つの光に分離させて出射する複屈折素子が、入射光軸に沿って順に複数ｎ（ｎは３以上）配置され、該複数の複屈折素子のうち、被測定光が最初に入射される第１の複屈析素子以外の複屈折素子は、直前の複屈折素子から入射される直交した２つの偏光方向以外の方向の直交２偏光成分へ分離するよう互いの光学軸が成す角度が調整されており、前記第１の複屈折素子に入力された前記被測定光を２のｎ乗個の光に分離して最終の第ｎの複屈折素子から出射するように構成され、前記第ｎの複屈折素子から出射される２のｎ乗個の光のうち、前記第１の複屈折素子により分離された第１の光を基に分離された２の（ｎ−１）乗個の光のいずれかと、前記第１の複屈折素子により分離されたもう一方の第２の光を基に分離された２の（ｎ−１）乗個の光のいずれかとの組み合わせのうち、互いの出射光軸が平行となる組合せが複数個生じるように、前記複数の複屈折素子のそれぞれの分離角および分離方向が設定されている光分離部（２２）と、
   前記光分離部から出射された２のｎ乗個の光を受け、その全ての偏光方向を揃えてそれぞれ出射する偏光方向変換手段（２４）と、
   前記偏光方向変換手段から出射される２のｎ乗個の光のうち、前記出射光軸が平行となる光同士を合波して同一の位置である組合せ光集光位置にそれぞれ集光させ、それ以外の光を互いに独立した位置である単独光集光位置にそれぞれ集光させる集光手段（２６）と、
   前記組合せ光集光位置と単独光集光位置に集光された光の強度を検出する光強度検出手段（３０）と、
   前記光強度検出手段が検出した光の強度から、前記第１の光と第２の光の強度およびそれらの位相差を求める演算処理部（４０）とを備えた偏光解析装置。
2. 前記光分離部は３つの複屈折素子（２２ａ〜２２ｃ）により構成されており、それぞれの複屈折素子は入力される入射光光軸方向と出射光光軸方向が全てある同一平面に対し平行となるように配置され、前記第１の複屈析素子の分離角が、残りのいずれかの複屈折素子の分離角と等しくなるように設定されていることを特徴とする請求項１記載の偏光解析装置。
3. 前記偏光方向変換手段が、偏光子（２４）であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の偏光解析装置。
4. 前記偏光方向変換手段が、
   前記光分離部から出射された２のｎ乗個の光を受け、偏光方向が特定方向に揃えられた２のｎ乗個の光と、偏光方向が前記特定方向と直交する方向に揃えられた２のｎ乗個の光とに分けて、異なる方向に出射する偏光ビームスプリッタ（８０）により形成され、
   前記集光手段は、
   前記偏光ビームスプリッタから偏光方向が前記特定方向に揃えられて出射される２のｎ乗個の光のうち、前記出射光軸が平行となる光同士を合波して同一の位置である組合せ光集光位置にそれぞれ集光させ、それ以外の光を互いに独立した位置である単独光集光位置にそれぞれ集光させる第１集光手段（２６）と、前記偏光ビームスプリッタから偏光方向が前記特定方向と直交する方向に揃えられて出射される２のｎ乗個の光のうち、前記出射光軸が平行となる光同士を合波して同一の位置である組合せ光集光位置にそれぞれ集光させ、それ以外の光を互いに独立した位置である単独光集光位置にそれぞれ集光させる第２集光手段（２６′）とを含み、
   前記光強度検出手段は、前記第１集光手段および前記第２集光手段によって前記組合せ光集光位置と単独光集光位置に集光された光の強度を検出するように構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の偏光解析装置。
5. 入射される光を偏光方向が互いに直交し且つ出射光軸が所定の分離角を成す２つの光に分離させて出射する複屈折素子が、入射光軸に沿って順に複数ｎ（ｎは３以上）配置され、該複数の複屈折素子のうち、被測定光が最初に入射される第１の複屈析素子以外の複屈折素子は、直前の複屈折素子から入射される直交した２つの偏光方向以外の方向の直交２偏光成分へ分離するよう互いの光学軸が成す角度が調整されており、前記第１の複屈折素子に入力された前記被測定光を２のｎ乗個の光に分離して最終の第ｎの複屈折素子から出射するように構成され、前記第ｎの複屈折素子から出射される２のｎ乗個の光のうち、前記第１の複屈折素子により分離された第１の光を基に分離された２の（ｎ−１）乗個の光のいずれかと、前記第１の複屈折素子により分離されたもう一方の第２の光を基に分離された２の（ｎ−１）乗個の光のいずれかとの組み合わせのうち、互いの出射光軸が平行となる組合せが複数個生じるように、前記複数の複屈折素子のそれぞれの分離角および分離方向が設定されている光分離部（２２）と、
   前記光分離部から出射された２のｎ乗個の光を受け、その全ての偏光方向を揃えてそれぞれ出射する偏光方向変換手段（２４）と、
   前記偏光方向変換手段から出射された２のｎ乗個の光に含まれる波長成分を、所定波長範囲で抽出する波長成分抽出部（５１）と
   前記波長成分抽出部から出射される２のｎ乗個の光の波長成分のうち、前記出射光軸が平行となる光の波長成分同士を合波して同一の位置である組合せ光集光位置にそれぞれ集光させ、それ以外の光の波長成分を互いに独立した位置である単独光集光位置にそれぞれ集光させる集光手段（２６）と、
   前記組合せ光集光位置と単独光集光位置に集光された光の波長成分の強度を検出する光強度検出手段（３０）と、
   前記光強度検出手段が検出した光の波長成分の強度から、波長毎の前記第１の光と第２の光の強度およびそれらの位相差を求める演算処理部（６０）とを備えた光スペクトラムアナライザ。
6. 前記光分離部は３つの複屈折素子（２２ａ〜２２ｃ）により構成されており、それぞれの複屈折素子は入力される入射光光軸方向と出射光光軸方向が全てある同一平面に対し平行となるように配置され、前記第１の複屈析素子の分離角が、残りのいずれかの複屈折素子の分離角と等しくなるように設定されていることを特微とする請求項５記載の光スペクトラムアナライザ。
7. 前記波長成分抽出部は、
   回折用の溝が形成された回折面で入射光を受け、該入射光に含まれる波長成分を、波長に応じた出射角で出射させる回折格子（５２）を含んでおり、
   前記波長成分抽出部の前記回折格子が、前記光分離部から出射された光の偏光方向を揃えて出射する前記偏光方向変換手段を兼ねていることを特徴とする請求項５または請求項６記載の光スペクトラムアナライザ。

Images