JPH02196930A - 偏光測定方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は電磁放射線束（ｐｅｎｃｉｌ）の偏光状態の測
定方法およびその装置に関するものである。

本発明は、特に（これに限定されるわけではないが）可
視スペクトル、またはこれに極めて近い領域における電
磁放射線束の偏光状態の測定方法および装置に関するも
のである。

（従来の技術） 電磁波の偏光状態は、偏りの楕円であられされ、その極
限状態で偏りの楕円は直線あるいは円に退化する。これ
らの２つの極限状態で、電磁波は直線状に偏光され或い
は円形に偏光される。波の偏光状態は、ストークスパラ
メータ（Ｓｔｏｋｅｓ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ）として知
られる４個のパラメータＳ、、Ｓ、、Ｓ２およびＳ３で
あられすことができる。パラメータＳ０は波の強さに比
例し、ｓ、、ｓ２およびＳＳは、偏りの楕円の方位を特
定する角度並びにその楕円性を特徴ずける角度および楕
円があられされる向きに関連する。波の偏光に関する他
のあられし方は、ポアンカレの球で、この場合には、パ
ラメータＳ０は球の半径をあられし、パラメータＳｌと
５２とＳＳは、波の偏光状態を独特の形態であられす球
上の点Ｐ０のデカルト座標である。

４個のストークスパラメータは、全体的に相互に無関係
のものではなく、互に次の関係を有している。

ＳＬ）′　謬ｓ、”　＋ｓ２”　＋ｓ、”従って、１つ
の波の偏光状態を実験的に定めるためには、その波につ
いて少くとも３個の測定を行なって、４個のストークス
パラメータを導き得る特性値を得る。しかし、実際上に
は、４つの測定を行なうのが普通で、これによって、・
ストークスパラメータ間の上記の関係によって、測定に
ついての一貫性のチエツクがなされる。このような目的
を満足させる方法および装置について幾多の提案がなさ
れた。このような方法および装置は、例えば、５ＰＩＥ
　　８８巻、３−ｌＯ頁（１９７Ｂ）に掲載されたＰ、
Ｓ、ｌｌａｇｕｅ氏の論文ｒｓｕｒｖｅｙ　ｏｆ　Ｍｅ
ｔｈｏｄｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　Ｃｏｎ＋ｐ！ｅｔｅＤｅ
ｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ　　ｏｆ　　ａ　　５ｔａｔｅ
　　ｏｆ　　Ｐｏ１ａｒｌｓａｔｌｏｎ」に記載されて
いて、現在使用可能な装置は、すべて、この文献に記載
されている幾つかの方法の１つによって動作する。この
文献以後に、この文献に記載された装置について勿論改
良がなされているが、この文献が古いにもかかわらず、
基本的動作方法に関する限り、これは未だに技術水準を
あられすものである。

しかし、Ｈａｇｕｅの文献に記載されている方法は、い
ずれも、欠点を有している。その重要な点は、その方法
で動作する装置の使用法によって生ずる。調整可能なり
ターダーおよびアナライザーを使用する技術（Ｈａｇｕ
ｅの文献における「方法１」）は、１つの波について４
個の測定を順次に行なわせるため、比較的長時間にわた
って実貢的に一定である偏光状態の波の存在を必要とし
、これらの４つの測定各々が、リターダ−またはアナラ
イザーまたはその両者の角的方位をリセットさせること
を必要とすることにある。このことは、必要な４つの測
定を完了するために必要で、従って波の偏光状態の正確
な計価を得るために必要な最小可能サンプリング時間に
数十秒程度の制限を加えることになる。

回転素子型の偏光計を使用すること（Ｈａｇｕｓの文献
における「方法２」）は、非常に高速な測定を可能とす
る。光軸にある４分の１波長板を連続的に回転させるこ
とによフて、光学的検出器によってつくられる電気信号
を用いてスペクトル解決を行なうことができ、この解析
は板の回転に調時される。このようにして、１秒程度の
サンプリング時間を得ることができる。さらに近時にお
いて、４分の１波長板の回転の電気光学的シミュレーシ
ョンについて提案がなされ、この場合には、適当な結晶
、例えばニオブ酸リチウムの結晶が、これを横切って２
つの直交電極対を有し、これが電子的に直角に駆動され
る。比較的高いレートで光学的検出器出力をサンプリン
グすると、このシステムについて約１５０　Ｈｚまでの
帯域中が得られた。

光フアイバー通信システムの出現とともに、波の偏光状
態の測定が最も重要となってきた。

このような通信システムの次世代は、例えば、受信機の
感度を増大し、或いは、まとめられた波長分割マルチプ
レクシング装置を可能とするために、ホそダインまたは
ヘテロダインの形態のコヒーレントな検出をすることで
あろう、ことことを達成しようとすれば、光学的検出器
において、信号とローカルオシレータの波の偏光状態を
マツチさせることが必、要である。

実験によると、明確な直線偏光波が送信器から「リアル
な」長い光フアイバーケーブルに送られると、該ケーブ
ルから出て来る波の偏光状態がランダムに変動すること
が示される。このことは、実際上、受信した光信号に関
連した偏光ノイズを構成し、このことは、ローカルオシ
レ−タ偏光を連続的に変化させて、これを受信した光信
号の変動する偏光状態に正確にマツチさせた状態に維持
するように、偏光トラッキングループの一部として偏光
制御装置を設ける必要を生ずる。

かくして、一方においては適当な偏光制御器を開発する
ことを可能とし、他方では光フアイバー通信システムに
関連する偏光ノイズを特性化するために、比較的小さい
光ビームの偏光状態を正確且つ迅速に測定することが可
能な偏光測定装置の必要がある。

１つの波の偏光状態を定める基本的方法は、その波につ
いて少くとも３つ、しかし実際には４つの別々の透過強
度を測定することで、これには、毎回波の強度検出器へ
の光路における異なるフィルタ装置を用いる。このよう
なストークスパラメータの誘導が単に一組のフィルター
に続゛く光路における光の強度測定から行い得るような
フィルターの組を、以後、ストークスフィルタの組と称
する。このように定義したフィルターの第１のフィルタ
は、偏光には完全に非感受性で一般に５０％の透過率を
もつが、このフィルターは、その後の偏光状態の解析に
適当な補正を行なう場合には、他の透過率（１００％ま
で、即ち例えば透明開口）を用い得る。第２および第３
のフィルタは、相互に４５”の透過軸をもつ直線状偏光
子で、第４のフィルタは、左旋円形偏光に対して不透明
な円形偏光子である。

上記のような特定のフィルターの組の例は、前述のスト
ークスフィルターの組の定義を溝なし得る無限のフィル
ター組のただ１つの例を示すにすぎないことを強調しな
ければならない。

このようなストークスフィルターの組は光フアイバーケ
ーブルから出る光ビームの偏光状態を測定するのに用い
得る。しかしながら、予備実験によると、このような光
ビームの偏光ノイズスペクトルは、おそらく２−３にＨ
ｚに達することが知られ、このようなノイズは明らかに
ストークスフィルターの組を用いてＨａｇｕｅの技術に
よって構成された公知の偏光計の測定能力を超えている
。４分の１波長板の電子的シェミレーシＢンを含むスト
ークスフィルターの組を用いるシステムは、理論的には
約８　ＫＨｚの帯域中の測定が可能であるであろうが、
このような偏光計は非常に高価で、おそらく実験室的装
置に用い得るだけであろう、このような偏光計を、商業
的で強固で使用し易く自動的で且つ静的および動的の双
方の測定用の偏光計として構成することは実際的でない
。

〔発明の構成〕

本発明の主要な目的は、公知の偏光計技術における上記
のような欠点を本質的に排除することのできる比較的狭
い波の偏光状態の測定方法および装置を提供することに
ある。

従って、本発明は、 入来する電磁放射線のコリメートされたビームの゛偏光
状態を測定する方法において、ビームをビームエキスパ
ンダ１３．１４に通して、入来するコリメートされたビ
ームの直径より大きい拡大されたコリメートビームを１
５をつくり、 拡大されたビームの複数の部分を同時的に４個の別々の
ストークスフィルタＦ１、　Ｆ２．　Ｆ３．　Ｆ４に通
し、 分割された各ビーム部分がそれぞれのストークスフィル
タを通った後に、各ビーム部２１゜２２．２３．２４の
強さを測定し、 測定された強さを分析して、入来ビームの偏光状態の指
示を生じる、 ことを特徴とする偏光状態測定方法を提供する。

さらに、本発明は、 入来する電磁放射線のコリメートされたビームの偏光状
態を測定する装置において、入来する光のビーム１２の
有効径を増大するビームエクスパンダ１３，１４、 上記の拡大されたビームの４個の部分がそれぞれストー
クスフィルタＦ１、　Ｆ２．　Ｆ３．　Ｆ４の各々を通
るように該ビームの部分を指向させるように、ビームエ
クスパンダから出る拡大されたビーム１５の光路内に一
組のストークスフィルタＦ１、　Ｆ２．　Ｆ３．　Ｆ４
を装着する手段１６、上記のストークスフィルの各々と
１つづつ組合され、フィルタを通ったビーム部分２１．
２２゜２３、２４の強さを検出し、これに応じた出力を
発生する４個の強さ検出器１７．１８．１９．２Ｇ、を
備えたことを特徴とする偏光状態測定装置を提供する。

本発明における上記の方法および装置は共に種々の場合
、特に光ファイバーからもたらされる光ビームの偏光状
態の測定に有効である。このような光ビームは一般に発
散性であり、従って発散性ビームを典型的には直径が約
１ないし２−の細い光束にコリメートするためにコリメ
ーティングレンズを設けなければならない。

以下、さらに、このような細い光ビームに関して詳細に
説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

本発明の装置においては、４個のストークスフィルタを
１つにまとめて実質的に同じ平面上に設けるのが好都合
である０例えば、これらのフィルタはいずれも円形で、
４つのフィルタを装置の光軸に対して対称的に配置する
ように、これを１つのキシリヤの開口部に配置すること
が望ましい。

４個のフィルタを上記のように配置するのが望ましいが
、他の配置も可能である。

各強度検出器は、各ビーム部分の光路上に設けられたレ
ンズと感光素子より成る。各感光素子を連結し、その後
の処理のために十分な大きさの電子信号を得るための増
巾器を設けることができる。

４個のストークスパラメータの誘導には計算機を用いる
のが便利である０例えば、増巾された出力をアナログデ
ィジタルコンバータに導き、ここで任意の時点における
強度検出器の４つの出力に対応する４つのディジタル信
号を発する。

このような操作によって、本発明の偏光測定装置におけ
る帯域巾は、このようなアナログディジタルコンバータ
における変換率によって定まる。

本発明を光フアイバーケーブルと共に用いる時には、装
置はビーム増巾器の光軸上に設けられたグリンロッド（
ＧＲＩＮＲＯＤ）あるいは他の光のコリメートされたビ
ームをつくるレンズと共働するファイバーカプラーを設
けねばならない。

このようにして、本発明装置は、数１０Ｋ）Ｉｇまでの
娠動数の入来光波の偏光状態の連続的なモニターに用し
得る。

本発明は、入来ビームが部分的に大きくても、直接同時
的に４つのそれぞれのストークスフィルタを通して得る
という利点をもつ。

（実施例） 例示により本発明の実施態様を添付図面と共に以下に詳
述する。

′Ｍ１，２図について説明する。これには本発明により
作動する様に構成された偏光計の構成を略図で示す、こ
の偏光計はファイバカップラ及びグリンロッド（ＧＲＩ
ＮＲＯＤ）　レンズ組立体１０より成り、光学ファイバ
１１から発する波からコリメートされたペンシル光を作
る。１対のレンズ１３．１４より成るビームエキスパン
ダがペンシル１２の光路上に設けられペンシル１２の直
径より遥かに何倍も大きい直径のコリメートされたビー
ム１５を発生する。４つのストークスフィルタＦ１．Ｆ
２．Ｆ３及びＦ４とをまとめたフィルタ保持体１６がビ
ームエキスパンダの光軸上に配置され、このビームの４
つの別々の部分はフィルタＦ＋、Ｆ＊、Ｆｓ、Ｆ４夫々
を通過する。４つの光強度検出器１７，１８，１９．２
０は４つのフィルタされたビーム部分２１，２２，２３
゜２４を受ける様に設けられ、これら光強度検出器はレ
ンズ２５及び光検出器２６より成り、これに対し各々の
ビーム部分がレンズ２５により集光される。各光検出器
の出力は夫々の増巾器２フに供給され、４つの全部の増
巾器の出力はアナログ−デジタルコンバータｚ８に供給
される。コンバータ２８からのデジタル信号出力は次の
処理のためにコンピュータに送られる。

第２図にはフィルタ保持体１Ｇが示され、これは全体的
に円型であり、そして円形のアパーチャ３０を有し、こ
こに４つのフィルタＦＩ＊Ｆ１＋Ｆ、、Ｆ、が設けられ
る。これら４つのフィルタは前述した様にストークスフ
ィルタであるがＦｌは単なる穴でもよい、若しフィルタ
Ｆ、が５ｏ％透過性のフィルタであり、他の３つが前述
したフィルタとすれば４つのストークスパラメータＳＯ
，Ｓ１．Ｓ２．ＳＩは次の式より導出される。但し１ｏ
、Ｉ＋、Ｉｓ、ＩｓはフィルタＦ＊、Ｆｚ、Ｆｓ、Ｆ４
による濾波に続くビーム部分の光強度検出値である。

Ｓｏ”２１゜ ＳＩ−２１＋−２１゜ ５２門２１＊−２１゜ Ｓ、−２１３−２１゜ 第３図について説明する。ここには本発明の偏光計の実
例が示されるが第１．２図と同様な部品については同じ
記号数字で示すので詳述はしない。

ファイバ保持体及びグリンロッドレンズ１０が適当なフ
レーム３３に支持されたバレル３２の１端に支持される
。バレル３２はビームエキスパンダの２つのレンズ１３
．１４をも支持し、レンズ１３の支持体３４は可調でエ
キスパンダの精確なフォーカシングが出来るようにする
。

フレーム３３にはフィルタ保持体１６も設置してあり、
更に別の強度検出器１７〜２０用の保持体も設ける。フ
レーム３３はエンドプレート３６を支持しこれには検出
器２６からの電線用の適当なコネクタを取付ける。

上述から明らかな様に本発明による偏光計の実施例では
光学ファイバから発する到来光波の偏光状態の測定値を
迅速に作る。

本発明装置のバンド巾は４つの検出器の出力の処理スピ
ードにより実際には制限されるが数１０にＨｚのバンド
巾が達成されよう。

可調アイリスダイヤフラム３６がフレーム３３に設けら
れるがこれはフィルタ保持体１６と他の保持体３５との
間にあり４つのフィルタされたビーム全部に等しい減衰
を与える。

これは偏光計のダイナミックレンズを増大する。そして
到来ビームが特に強かった時の検出器の飽和及び或いは
これに屈する増巾器の飽和を阻止する。中性密度のフィ
ルタが可調アイリスダイヤフラムの代りに用いる事も出
来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による偏光測定装置の作動原理を示すブ
ロック図、第２図は第１図示の偏光測定装置に用いるフ
ィルタ組立体の端面図、第３図は本発明偏光測定装置の
実施例の垂直断面図である。 １０・・・ＧＲＩＮＲＯＤレンズ　　１１・・・光ファ
イバ１２．１５・・・コリメートされたビーム１３．１
４．２５・・・レンズ １６・・・フィルタ保持体 Ｆ＋、Ｆｔ、Ｆｓ、Ｆ４・・・ストークスフィルタ１７
．１１　１９．２０・・・光強度検出器２６・・・フォ
トデテクタ　　３２・・・バレル他３名 手続補正書 平成７年７月４１日 も件の表示 １゜ 事件の表示 平成 年 特許 願 第１９θ３？３号 平成７年 特 許 願 第ｔ’ｔｏｉＴｗ号 ２゜ 発明の名称 補正をする者 ３゜ 補正をする者 勢ｆ↑との関係 出 願 人 事件との関係 出 願 人 十−ブ←→ヤー台− 氏 名（名称）ユニ６”ｙ−＞テ４オブエセックス氏　名（
名称）ニーうＹ−”／”ｒ４７ｒ７”　ｘセ１．２フス
代 理 人 ４゜ 代 理 人 住 所 東京都千代田区丸の内２丁目６番２号丸の内へ重洲ビル
３３０住 所 東京都千代田区丸の内２丁目６番２号丸の内へ重洲ビル
３３０平成 ７年ｌρ月 ３１日 ７゜ 補正の対象

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　入来する電磁放射線のコリメートされたビームの偏
   光状態を測定する方法において、ビームをビームエキス
   パンダ（１３、１４）に通して、入来するコリメートさ
   れたビームの直径より大きい拡大されたコリメートビー
   ムを（１５）をつくり、 拡大されたビームの複数の部分を同時的に ４個の別々のストークスフィルタ（Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、
   Ｆ４）に通し、 分割された各ビーム部分がそれぞれのス トークスフィルタを通った後に、各ビーム部（２１、２
   ２、２３、２４）の強さを測定し、測定された強さを分
   析して、入来ビームの偏光状態の指示を生じる、 ことを特徴とする偏光状態測定方法。 ２　４個の分割されたビーム部分（２１、２２、２３、
   ２４）は、すべて、強さの測定以前に、同等に減衰され
   る請求項１記載の方法。 ３　入来する電磁放射線のコリメートされたビームの偏
   光状態を測定する装置において、入来する光のビーム（
   １２）の有効径を増大するビームエクスパンダ（１３、
   １４）、 上記の拡大されたビームの４個の部分がそ れぞれストークスフィルタ（Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４）
   の各々を通るように該ビームの部分を指向させるように
   、ビームエクスパンダから出る拡大されたビーム（１５
   ）の光路内に一組のストークスフィルタ（Ｆ１、Ｆ２、
   Ｆ３、Ｆ４）を装着する手段（１６）、 上記のストークスフィルの各々と１つづつ 組合わされ、フィルタを通ったビーム部分 （２１、２２、２３、２４）の強さを検出し、これに応
   じた出力を発生する４個の強さ検出器（１７、１８、１
   ９、２０）、 を備えたことを特徴とする偏光状態測定装 置。 ４　上記の一組の４個のストークスフィルタ（Ｆ１、Ｆ
   ２、Ｆ３、Ｆ４）は、グループをなし、実質的に同平面
   内に配置された請求項３記載の装 置。 ５　上記の一組のフィルタ（Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４）
   の各々は円形であって、４個のすべてのフィルタが装置
   の光軸に関して対称的に配置されるようにキャリヤ（１
   ６）のアパーチャ内に組合された請求項４記載の装置。 ６　強さ検出器の各々は、ビームのそれぞれの部分（２
   １、２２、２３、２４）の光路上に装着されたレンズ（
   ２５）と、このレンズによって該レンズを通るビーム部
   分が収束（フォーカス）される光電素子（２６）とを備
   え、該光電素子（２６）は、ビーム部分の強さに相当す
   る電気信号を発生する請求項３ないし５のいずれかに記
   載の装置。 ７　増巾器が各光電素子にそれぞれ組合され、各増巾器
   により発生された電気信号はアナログディジタルコンバ
   ータに送られて、強さ検出器の４個の出力に対応する４
   個のディジタル信号を生じる請求項６記載の装置。 ８　ファイバーオプティックカプラ（１０）が設けられ
   、これにレンズが組合されて、接続されたファイバーオ
   プティックから出る光からコリメートされたビームを生
   じ、これがその光軸上にあるビームエクスパンダに投射
   される請求項３ないし７のいずれかに記載の装置。 ９　一組のフィルタのそれぞれのフィルタを通った後に
   、４個のビーム部分の全部を均一に減衰する減衰手段（
   ３６）が設けられた請求項３ないし８のいずれに記載の
   装置。 １０　上記の減衰手段は、調節可能なアイリスの絞りを
   備えた請求項９記載の装置。