JPH0119126Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は、任意の偏光の入射光を所望の方向の
直線偏光に変換することのできる偏光補償装置に
に関する。

近年、光通信システムや光情報処理システムの
実用化が進められているが、それらのシステムに
おいては、さらに情報量の増大やシステムの機能
の拡大が計られている。そこで、これら情報量の
増大やシステムの機能拡大に対処するために小形
で高速な導波形光素子の開発が進められている。
導波形光素子とは光導波路構造を有する光素子で
導波光がある特定の単一の偏光方向の時に効率良
く動作を行う光素子もしくは出射光の偏光方向が
単一であるような光素子を指し、導波形光スイツ
チ、導波形光変調器、レーザダイオードなどが例
としてあげられる。

一方、情報量の増大に対処する光フアイバ伝送
系としては、モード分散が原理的に零であり、高
速・広帯域の信号を遠距離にわたつて伝送するこ
とが可能な単一モードフアイバ伝送系があり、今
後この伝送系が支配的になるものと考えられる。

前述のように導波形光素子においては、通常導
波光の偏光方向によつて、その機能を発揮させる
ための効果の大きさが異なる。

たとえば、電気光学効果や音響光学効果を利用
した導波形光スイツチにおいては入射部ではTE
モード又はTMモードの一方のみを入射させてス
イツチングを行なわなければならない。しかし、
これら導波形光素子間の信号伝送系に単一モード
フアイバを用いると単一モードフアイバの入射端
で直線偏光を入射しても出射端では一般に直線偏
光とはならないので、導波形光素子に入射する前
に偏光の調整が必要となる。

従来、導波形光素子間の接続に単一モードフア
イバを用いる場合には、その単一モードフアイバ
に曲げやねじりなどの外的変形をほどこして偏光
の調整を行なう方法がとられているが、この方法
を用いると単一モードフアイバの周囲温度の変化
や外力の変化により偏光状態が変化し、その度毎
に手動で調整をし直す必要がある。また、導波形
光素子の入射側に偏光素子を挿入し、一定の偏光
成分だけを透過させ導波形光素子に入射する方法
もあるが、この方法を用いると不要な偏光成分す
べてが損失となつてしまう。そればかりか単一モ
ードフアイバ出射光の偏光状態は周囲温度や外力
の影響により刻々と変わることが考えられるので
導波形光素子への入射光量が時間的に変化するお
それがある。

上述のような欠点を除去せしめて単一モードフ
アイバ出射光を一定の方向の直線偏光に安定、低
損失に変換する偏光補償装置の従来技術として
は、第１図に示すような電気光学結晶（ニオブ酸
リチウム結晶）を用いた位相変調器２段と偏光検
出系および電気制御系より構成されたものがあ
る。

第１図に示した偏光補償装置においては、任意
の偏光状態の単一モードフアイバ１からの出射光
を第１段目のLiNbO₃位相変調器２によつて位相
差π／２で長軸がLiNbO₃結晶の光学軸方向の楕
円偏光、もしくはLiNbO₃結晶の光学軸方向ある
いはそれに直交する方向の直線偏光に変換する。

その後、第１段目のLiNbO₃位相変調器の光学
軸の方向に対して光学軸が45゜傾むくように設置
した第２段目のLiNbO₃位相変調器３によつて出
射光の偏光状態を第１段目のLiNbO₃位相変調器
の光学軸の方向に平行な直線偏光に変換する。第
１段目と第２段目の位相変調器に印加する電圧の
制御は、第２段目の位相変調器出射光の偏光状態
を２つの検出系で検出し、出射光の偏光状態が所
望のものとなるように２つの電気制御系を用いて
フイドバツクをかけることにより行なう。第１図
に示した偏光補償装置においては、第２段目の位
相変調器出射光を信号光と制御用の２本の光とに
分けるのに２個のハーフミラー４，５を用いてい
る。この２個のハーフミラーに要求される性能と
しては、制御用に光を分配することによる損失を
任意に設定できるように、透過光と反射光の配分
比を自由に設定でき、かつ入射光の偏光状態をハ
ーフミラー透過光と反射光が保つていることがあ
る。このような用途に誘電体膜を２枚のプリズム
で、はり合わせた構造のプリズム型ハーフミラー
を用いた場合光学系の光軸調整は容易であるが、
透過光と反射光の偏光状態を入射光のそれと同一
とすることは非常に困難である。これに対して誘
電体膜を表面に付けた板状のハーフミラーもしく
はガラス板を用い、入射角を小さくすれば、透過
光と反射光の偏光状態を入射光のそれとほぼ同一
に保つことができる。しかしながら第１図に示す
ような構成の偏光補償装置に適用する場合には２
枚のハーフミラーもしくはガラス板を必要とし、
２枚とも入射光の入射角に対する要求が厳しいた
め、光学系の調整が難しいという欠点があり、不
要な反射光を取り除くために無反射コーテイング
などを施す必要がある。

本考案の目的は、上述のような欠点を除去せし
めて制御用光への分配を偏光状態を保存したまま
行なうことができ、かつ調整が容易な光学系を有
し、単一モードフアイバ出射光の偏光状態の変化
に対して出射光量が安定で、かつ損失の少ない偏
光補償装置を提供して導波形光素子と単一モード
フアイバの接続を容易ならしめることにある。

本考案では縦続に２段接続された光波の互いに
直交する２つの偏光成分の間の位相差を変化させ
る装置と前記装置の出射光の偏光状態を検出する
手段と検出された偏光状態に応じて前記位相差の
変化量の大きさを制御するフイードバツク制御系
より偏光補償装置を構成するが、前記の位相差を
変化させる装置の出射光を信号光と各々の段に対
応する２本の制御用光に分離する手段として１個
のガラスブロツクを用いる。この構成を用いる
と、入射光の偏光状態がどのように変化しても出
射光量には変化は生じず、また偏光状態を検出す
るために少量の光を取り出す以外には損失の要因
となるものはほとんど生じないので、低損失の偏
光補償装置を構成することができる。しかも、位
相差を変化させる装置の出射光を信号光と各々の
段に対応する２本の制御用光に分離する手段とし
て２個のハーフミラーの替わりに１個のガラスブ
ロツクを用いるので光学系の調整が容易で安価な
偏光補償装置を構成することができる。さらに、
このガラスブロツクにはミラーとして動作させる
ための誘電体膜のコーテイングや無反射コーテイ
ングなどの特殊な膜のコーテイングが一切不要で
あるので作製が容易である。

以下、図面を参照して本考案を詳細に説明す
る。

第２図は本考案による偏光補償装置の一実施例
を示す。第２図において単一モードフアイバ２１
より出射された光波は電気光学効果を利用した第
１段目のLiNbO₃（ニオブ酸リチウム）位相変調
器２２に入射する。LiNbO₃位相変調器２２には
フイードバツク制御系により適当な電圧が印加さ
れている。第１段目のLiNbO₃位相変調器２２の
出射光はLiNbO₃位相変調器２２に対して45゜傾け
て設置された第２段目のLiNbO₃位相変調器２３
に入射する。LiNbO₃位相変調器２３にも同様に
フイードバツク制御系により適当な電圧が印加さ
れている。LiNbO₃位相変調器２３出射光は、そ
の光軸に対して10゜程度傾けて設置されたガラス
ブロツク２４に入射するが、そのほとんどはガラ
スブロツク２４中に透過し、一部がガラスブロツ
ク２４の表面で反射する。ガラスブロツク２４中
へ透過した光は、もう一方のガラス表面で２本の
光に分かれる。光量の大部分は透過するが、一部
はガラスブロツク２４表面で反射し、再びガラス
ブロツク２４中を伝搬した後、ガラスブロツク２
４から出射する。

ガラスブロツク２４からの出射光３本のうち透
過光３５は偏波保存フアイバ３４に入射する。

また、２本の反射光３６および３７はそれぞれ
λ／４板２６と偏光ビームスプリツタ２５へ入射
する。λ／４板２６の出射光は偏光ビームスプリ
ツタ２７へ入射され、直交する２つの偏光成分に
分解された後、それぞれ光検出器３０および３１
へ入射し、それぞれの光強度が起電力に変換され
る。

一方、偏光ビームスプリツタ２５へ入射した光
は、直交する２つの偏光成分に分解された後、そ
れぞれ光検出器２８および２９に入射し、それぞ
れの光強度が起電力に変換される。電気制御系３
３においては光検出器３１と３２の起電力が入力
され、両者が等くなるように第２段目の位相変調
器２３へ適当な電圧を印加する。電気制御系３２
においては光検出器２８と２９の起電力が入力さ
れ両者が等しくなるように第１段目の位相変調器
２２へ適当な電圧を印加する。以上により本考案
による偏光補償装置が構成される。

単一モードフアイバ２１の出射光の偏光状態は
温度、外力などにより刻々と変化するが、
LiNbO₃位相変調器２２に適当な電圧を印加する
と電気光学効果により光波の互いに直交する２つ
の成分の間の位相差を変化させることができるの
で、LiNbO₃位相変調器２２の出射光をLiNbO₃
結晶の光学軸方向に長軸を持つ位相差π／２の楕
円偏光もしくは直線偏光をすることができる。
LiNbO₃位相変調器２２の出射光は第２段目の
LiNbO₃位相変調器２３に入射するが、LiNbO₃
位相変調器２３は、その光学軸が第１段目の
LiNbO₃位相変調器２２の光学軸に対して45゜傾く
ように設置されている。したがつて第２段目の
LiNbO₃位相変調器２３に入射する光の偏光状態
は光学軸に対して45゜傾いた位相差π／２の楕円
偏光もしくは直線偏光となるので、LiNbO₃位相
変調器２３に適当な電圧を印加することによりそ
の出射光の偏光状態をLiNbO₃位相変調器２４の
光学軸に対して45゜傾いた方向の直線偏光とする
ことができる。第２段目のLiNbO₃位相変調器２
３の出射光はガラスブロツク２４により３本のビ
ーム３５，３６及び３７に分配される。

ガラスブロツク２４はLiNbO₃位相変調器２３
の出射光の光軸に対して傾けて設置されており、
ガラスブロツク２４への入射光の入射角が10゜程
度となるように置かれている。このようにするこ
とにより入射光を３本のビーム３５，３６および
３７に分配することができる。３本のビームのう
ち透過光３５は信号光として用いられ、次段の導
波形光素子との接続のための偏波保存フアイバ３
４に結合される。他の２本の反射光３６及び３７
は、それぞれ第２段目および第３段目のLiNbO₃
位相変調器に印加する電圧を制御するための制御
用光として用いられる。前述のようにガラスブロ
ツク２４は入射光の入射角が10゜程度となるよう
に設置されている。このようにすると低入射角で
ガラス等の光学物質に光を入射すると大部分が透
過し、しかも透過光と反射光の偏光状態は入射光
の偏光状態が、ほぼ保たれるという特徴があるの
で、ガラスブロツク２４の入射光の偏光状態を保
つたまま入射光を３本のビームに分配し、しかも
光量の配分比を信号光として用いる透過光のそれ
が大部分となるようにすることができる。例え
ば、ガラスブロツク２４の屈折率が1.5のとき、
入射光が11゜の角度で入射すると、３本の出射光
３５，３６および３７の光量比は24.9：1.1：１
となり、しかも３本の出射光の偏光状態は入射光
の偏光状態が、ほぼ保存される。

たとえば、Ｐ波とＳ波の光量比が１：１の光
が、ガラスブロツク２４に入射した場合、ガラス
ブロツク透過光３５のＰ波とＳ波の光量比は１：
１、反射光３６のＰ波とＳ波の光量比は0.92：
１、反射光３７のＰ波とＳ波の光量比は0.89：１
となる。したがつて、ガラスブロツク２４、１個
を用いて第１図に示した従来例におけるハーフミ
ラー４とハーフミラー５の機能を代行させること
ができる。

前述のようにガラスブロツク２４の２本の反射
光３７および３６は、それぞれ２つのLiNbO₃位
相変調器２２および２３の印加電圧を制御するた
めの光として用いられる。反射光３７は偏光ビー
ムスプリツタ２５により、LiNbO₃位相変調器２
２の光学軸に対して45゜傾いた方向の成分および
それに対して垂直な方向の成分に分けられ、各々
の成分の強度が光検出器２８と２９によつて検出
される。光検出器２８および２９の発生する起電
力は、電気制御系３２に入力されるが、電気制御
系３２は両起電力の差が零となるように、即ち、
LiNbO₃位相変調器２２出射光の偏光状態が
LiNbO₃位相変調器２２の光学軸の方向に長軸を
持つ位相差π／２の楕円偏光あるいは光学軸方向
の直線偏光となるようにLiNbO₃位相変調器２２
に印加する電圧をフイードバツク制御する。一
方、反射光３６はλ／４板２６を通過した後、偏
光ビームスプリツタ２７に入射する。λ／４板２
６はその光学軸がLiNbO₃位相変調器２３の光学
軸に平行となるように設置され、LiNbO₃位相変
調器２３の出射光がLiNbO₃位相変調器２３の光
学軸に対して45゜傾いた直線偏光のときにλ／４
板２６出射光が円偏光となるようにしておく。ま
た、偏光ビームスプリツタ２７はλ／４板２６の
出射光をλ／４板２６の光学軸に対して45゜傾い
た方向の成分と、それに対して垂直な方向の成分
に分配するように設置され、その各々の成分の強
度を光検出器３０，３１でそれぞれ検出する。電
気制御系３３は光検出器３０および３１が発生す
る起電力が等しくなるように、即ちλ／４板２６
出射光が円偏光となるようにLiNbO₃位相変調器
２３に印加する電圧をフイードバツク制御する。

本構成の偏光補償装置においては、単一モード
出射光を制御用の光と信号伝送用の光にガラスブ
ロツクを分配し、小量の制御用の光を用いて偏光
補償動作を行なわせる。したがつて、挿入損の小
さい偏光補償装置を構成することができる。

例えば、ガラスブロツクの屈折率が1.5のとき、
入射光が角度11゜で入射するようにガラスブロツ
クを設置した場合には、前述のようにガラスブロ
ツクにより分配される３本のビームの光量比は、
24.9：1.1：１となる。この時制御用に光を分配
することによる損失は、0.5dBとなる。

本構成において、他に損失を生ずる要因として
は、レンズ系の挿入損失、LiNbO₃位相変調器の
挿入損失、λ／４板や偏光ビームスプリツタの挿
入損失などであるが、いづれも小さい。したがつ
て挿入損失の小さい偏光補償装置を構成すること
が可能である。なお、ガラスブロツクへの入射角
を大きくすると制御用光の分配比が大きくなり偏
光補償装置挿入損が大きくなるばかりでなく、ガ
ラスブロツク出射光の偏光状態が入射光の偏光状
態と異なつてしまう。この傾向は入射角がブリユ
ースター角に近づくほど顕著となるので、入射角
はブリユースター角よりも十分小さいことが望ま
しい。屈折率が1.5〜1.9程度のガラスブロツクを
本構成の偏光補償装置の制御用光分配用に使用す
る場合には、ガラスブロツクへの入射角を10゜前
後以下とすることが、偏光保存の点およびガラス
ブロツク挿入損の点から望ましい。しかしながら
ガラスブロツクは入射面と出射面を平行に保つよ
うに研磨しておくことのみを考慮しておけば良い
ので、誘電体膜を表面に付けたハーフミラーもし
くはガラス板を２枚用いる時のような光学系調整
の困難さはない。また、ガラスブロツクとしては
ごく普通のガラス材料のガラスブロツクを用いれ
ば良く、誘電体膜のコーテイングや無反射コーテ
イングなどの特殊な膜のコーテイングが一切不要
であるので、製作が安易で安価である。

以上、述べたように、本実施例においては、制
御用の光を分配する手段としてハーフミラーを２
個用いる替わりにガラスブロツク１個を用いるこ
とにより、信号光の偏光状態を保つたまま制御光
を分配するという目的が安価に行なうことがで
き、かつ低損失、入射光の偏光状態にかかわらず
出射光量が安定な偏光補償装置を得ることができ
る。

第３図は本考案による他の実施例を示す。第３
図において単一モードフアイバ４１より出射され
た光波は円筒状圧電素子４３に巻きつけられた偏
波保存フアイバ４２に入射される。偏波保存フア
イバ４２の出射光はフアイバ主軸が互いに45゜傾
いているように設置された偏波保存フアイバ４４
に結合される。偏波保存フアイバ４４の出射光は
レンズにより平行光とされた後、ガラスブロツク
４６より３本の光ビームに分けられる。ガラスブ
ロツク４６透過光は信号光として、次段の導波形
光素子との接続用の偏波保存フアイバ５６へ結合
される。

ガラスブロツク４６の２本の反射光は制御用光
として、それぞれ偏光ビームスプリツタ４７およ
びλ／４板５０へと導かれる。偏光ビームスプリ
ツタ４７に入射した光は直交した２つの偏光成分
に分解されそれぞれ光検出器４８と４９に入射す
る。光検出器４８および４９の起電力は電気制御
系５４に入力され電気制御系５４は両起電力の差
が零となるように円筒状圧電素子４３に電圧を印
加する。一方、λ／４板５０の出射光は偏光ビー
ムスプリツタ５１へと入射され、互いに直交する
２つの偏光成分に分けられた後、それぞれの偏光
成分の強度が光検出器５２および５３によつて検
出される。光検出器５２および５３の起電力は電
気制御系５５に入力され、電気制御系５５は両起
電力の差が零となるように円筒状圧電素子４５に
電圧を印加する。以上により本考案による偏光補
償装置が構成される。

単一モードフアイバ４１の出射光の偏光状態は
温度、外力などにより刻々と変化するが、偏波保
存フアイバ４２を巻き付けた円筒状圧電素子４３
に適当な電圧を印加し、円筒状圧電素子４３を径
方向に伸び縮みさせると、偏波保存フアイバ４２
に伸びおよび圧力が印加され、伝搬光の位相差を
変化させることができるので、偏波保存フアイバ
４２の出射光をフアイバの主軸方向に長軸を持つ
楕円偏光もしくは直線偏光とすることができる。
円筒状圧電素子４３に印加する電圧の制御は、偏
光ビームスプリツタ４７により偏波保存フアイバ
４２の主軸に対して45゜傾いた方向の成分と、そ
れに対して垂直な方向の成分に分け、それぞれを
光検出器４８および４９で受光し、２つの光検出
器４８および４９の起電力が等しくなるように電
気制御系５４が行なう。

以上の制御により偏波保存フアイバ４２の出射
光の偏光状態は、位相差π／２の楕円偏光、フア
イバ主軸方向の直線偏光、フアイバ主軸に垂直な
方向の直線偏光のいずれかとなる。第２段目の円
筒上圧電素子３に巻きつけた偏波保存フアイバ４
４は、そのフアイバ主軸が偏波保存フアイバ４２
の主軸と45゜の角度をなすように接続されている。
したがつて円筒状圧電素子４５に適当な電圧を印
加して円筒状圧電素子４５を径方向に伸び縮みさ
せ、偏波保存フアイバ４４に伸びおよび圧力を印
加することによつて、偏波保存フアイバ４４の出
射光の偏光状態をフアイバ主軸の方向に対して
45゜傾いた直線偏光とすることができる。円筒状
圧電素子４５に印加する電圧の制御について以下
に述べる。

偏波保存フアイバ４４出射光を一旦λ／４板５
０を通過させた後、偏光ビームスプリツタ５１に
入射させる。λ／４板５０はその光学軸が偏波保
存フアイバ１６の出射端のフアイバ主軸に平行と
なるように配置され、偏波保存フアイバ４４の出
射光がフアイバ主軸に対して45゜傾いた直線偏光
となるとき、λ／４板５０の出射光は円偏光とな
るようにしておく。

また、偏光ビームスプリツタ５１はλ／４板５
０の出射光をλ／４板５０の光学軸に対して45゜
傾いた方向の成分とそれに対して垂直な方向の成
分に分離するように配置され、その各々を光検出
器５２および５３で、それぞれ検出する。電気制
御系５５は光検出器５２および５３の起電力が等
しくなるようなすなわちλ／４板５０出射光が円
偏光となるような電圧を円筒状圧電素子４５に印
加する。以上が本偏光補償装置の円筒状圧電素子
への印加電圧制御方法であり、このようにして偏
光補償された信号光がガラスブロツク４６を透過
し、次段の導波形光素子との接続用の偏波保存フ
アイバ５６へと結合される。本構成の偏光補償装
置においては、偏波保存フアイバを円筒状圧電素
子に巻きつけて偏光補償を行なう。そのため伝送
系の単一モードフアイバと偏光補償装置用のフア
イバを融着接続することが可能で低損失に単一モ
ードフアイバ伝送系と偏光補償装置の接続が可能
である。また、単一モードフアイバ出射光を制御
用の光ビームと信号伝送用の光ビームにガラスブ
ロツクで分離し、小量の制御用の光ビームを用い
て偏光補償を行なう。前述のように屈折率1.5の
ガラスブロツクを用い、ガラスブロツクへの入射
光の入射角を11゜とすると制御用の光ビームを分
離することによる損失は0.5dBで済ませることが
できる。本構成においては、他に挿入損を生ずる
要因としては、レンズ系の挿入損失、フアイバ同
士の接続損失、λ／４板や偏光ビームスプリツタ
の挿入損失などがあるが、いずれも小さい。した
がつて挿入損失の小さい偏光補償装置を構成する
ことが可能である。また、本構成の偏光補償装置
においては、単一モードフアイバ出射光中のTE
モードとTMモードの比率が、いかなるものであ
ろうとも偏光補償装置出射光量は一定となる。し
たがつて、たとえ周囲温度変化や外力の変化によ
り単一モード出射光の偏光状態が時間的に変化し
ようとも偏光補償装置出射光量として安定なもの
が得られる。本実施例においては圧電素子に巻き
つけるフアイバとして偏波保存フアイバを用いる
が、これを用いると複屈折の大きさが大きいの
で、単一モードフアイバを用いる場合に比べて位
相差を変化させるための外力が小さくてすみ、円
筒状圧電素子に印加する電圧が小さくてすむとい
う利点がある。なお、圧電素子に印加しなければ
ならない電圧は偏波保存フアイバのビート長に比
例するので、ビート長が短くなるほど印加電圧は
低減可能となる。

以上、述べたように本実施例においては、光波
の互いに直交する２つの偏光成分の間の位相差を
変化させる装置として偏波保存フアイバを巻きつ
けた圧電素子を用い、前記装置の出射光を信号光
と２本の制御用光に分離する手段としてガラスブ
ロツクを用いることにより、低損失かつ単一モー
ド出射光の偏光状態に依らず出射光量が安定で信
号光の偏光状態を保つたまま制御光を分離すると
いう目的を達成する手段を安価に行なうことがで
きる偏光補償装置を得ることができる。

本考案は上記の実施例に限定されるものではな
い。例えば、他の実施例としては光波の互いに直
交する２つの偏光成分の間の位相差を変化させる
装置として板状の圧電素子で光フアイバに圧力、
伸びを印加する装置を用いた偏光補償装置や前記
装置として電圧印加用電極を具備した導波形位相
変調器を用いた偏光補償装置などが構成できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は電気光学効果を利用した位相変調器を
用いた偏光補償装置の公知例を示す図、第２図は
本考案による電気光学効果を利用した位相変調器
を用いた偏光補償装置を示す図、第３図は本考案
によるフアイバ型位相変調器を用いた偏光補償装
置の詳細を示す図である。 １，２１，４１……単一モードフアイバ、２，
３，２２，２３……LiNbO₃位相変調器、４，５
……ハーフミラー、２６，５０……λ／４板、２
５，２７……偏光ビームスプリツタ、２８，２
９，３０，３１，４８，４９，５２，５３……光
検出器、３２，３３，５４，５５……電気制御
系、３４，５６，４２，４４……偏波保存フアイ
バ、２４，４６……ガラスブロツク、４３，４５
……円筒状圧電素子。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 縦続に２段接続された光波の互いに直交する２
   つの偏光成分の間の位相差を変化させる装置と前
   記装置の出射光を信号光と２つの制御用光とに分
   離する手段と前記各モニター光を検出し、検出さ
   れた制御用光の偏光状態に応じて前記位相差の変
   化量の大きさを制御するフイードバツク制御系と
   より構成される偏光補償装置において、前記の２
   つの偏光成分の間の位相差を変化させる装置から
   の出射光を信号光と２つの制御用光に分離する手
   段として１個のガラスブロツクを用いることを特
   徴とする偏光補償装置。