JPH02238421A - 偏光制御方法 - Google Patents

偏光制御方法

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JPH02238421A
JPH02238421A JP1058731A JP5873189A JPH02238421A JP H02238421 A JPH02238421 A JP H02238421A JP 1058731 A JP1058731 A JP 1058731A JP 5873189 A JP5873189 A JP 5873189A JP H02238421 A JPH02238421 A JP H02238421A
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    • G02F1/00Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/0136Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  for the control of polarisation, e.g. state of polarisation [SOP] control, polarisation scrambling, TE-TM mode conversion or separation

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  • Optical Integrated Circuits (AREA)
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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、光通信システムや光ファイバセンサ等に利用
される偏光制御方法に関するものである。
(従来の技術) 光ヘテロダイン通信や光ファイバジャイロなどの光セン
サ等では、任意の偏光状態の光をある一定の偏光状態の
光または任意の偏光状態の光に変換する偏光制御装置が
必要とされる。特に単一モードファイバを用いた光ヘテ
ロダイン受信系では、温度変化などの外乱により単一モ
ードファイバ伝搬後の信号光の偏光状態、たとえば偏光
角が同一方向に回転し続けるなどの変動が考えられ、こ
れを任意の偏光状態の光に変換することが必要となる。
そこでこのような偏光変動にも対応できる偏光制御動作
に制限のない無限追尾可能な偏光制御装置が求められる
従来、任意の偏光を別の任意の偏光に変換する無限追尾
可能な偏光制御装置として、エヌ・ジー・ウォーカー(
N. G. Walker)らによりエレクトロニクス
レターズ(Electronics Letters)
、第23巻、1987年、290ページにおいて発表さ
れたものがある。これは、複屈折の生じる方向を互い違
いに45°傾けて直列に接続した4個の光位相変調器か
ら構成されたものである。有限の動作範囲をもつ各光位
相変調器を動作させて偏光制御を行ない、ある光位相変
調器の動作電圧が限界に達した場合に、他の光位相変調
器で偏光制御動作を行ないながら電圧のリセットを行な
う。
(発明が解決しようとする課題) エヌ・ジー・ウォーカーらの方法では、ある光位相変調
器(これを光位相変調器1とする)の電圧のリセットを
行なうのに際し、光位相変調器1の片側に連続して隣接
する2つの光位相変調器(このうち光位相変調器1に隣
接しない方を光位相変調器2とする)の電圧を変化させ
て、リセットにともなう出射偏光の変動を補償している
。ただし、このような補償が行なえるのは、光位相変調
器1による偏光の変化がポアンカレ球上に描く円弧の半
径の大きさが、光位相変調器2による偏光の変化がポア
ンカレ球上に描く円弧の半径よりも小さい場合のみであ
る。このような2つの円弧の大小関係は、光位相変調器
1の両側に隣接する光位相変調器等の電圧を変えること
により操作することはできるが、エヌ.ジー・ウォーカ
ーらの方法では、偏光制御装置ヘの入射および出射光の
偏光状態によっては、先に述べた操作を自由に行なうこ
とはできない。すなわち、彼らの方法では、偏光制御装
置への入射および出射光の偏光状態によってリセットが
制限される。また、リセットを行なえる条件でリセット
を開始しても、リセット動作中に入射または出射光の変
動によりその条件が満たされなくなる可能性がある。こ
のような場合、リセットを中断しなければならず、もし
そのままリセットを続けると所望の出射偏光が得られな
くなってパワペナルティが生じ、安定したリセット動作
が得られない。
本発明の目的は、偏光制御装置への入射および出射光の
偏光状態によらず常に電圧のリセットを行なうため、安
定したリセット動作が得られる偏光制御方法を提供する
ことにある。
(課題を解決するための手段) 本発明による偏光制御方法では、光の伝搬方向に垂直な
面内の任意の方向の基準に対して、実効的な複屈折の主
軸の方向がそれぞれ0°、45°、0°、45°、0°
の角度をなして直列に接続された5個の各光位相変調器
における第1、第2、第3、第4、第5の実効的な複屈
折の大きさの変化により、伝搬光において前記複屈折の
主軸の方向およびそれに直交する方向の偏光間に与える
位相差Φ1、Φ2、Φ3、Φ4、φ5を変化させて、任
意の入射偏光を別の任意な偏光に変換する偏光制御方法
であって、特に所望の出射偏光を得るのに最適な値にな
るように前記位相差Φ2、Φ3、Φ4をそれぞれ調整し
て行なう偏光制御動作において、 (イ)前記位相差φ2が動作限界に達した場合、前記位
相差Φ3、Φ4、Φ5を変化させて偏光制御を行ないな
がら前記位相差Φ2を任意の大きさだけ動作範囲内に戻
し、以後前記位相差Φ2、Φ3、Φ4を変化させて偏光
制御を行なう状態に復帰し、 (口)前記位相差Φ3がその動作限界に達した場合、前
記位相差Φ1、Φ2、Φ4、Φ5を変化させて偏光制御
を行ないながら前記位相差Φ3を任意の大きさだけ動作
範囲内に戻し、以後前記位相差Φ2、Φ3、Φ4を変化
させて偏光制御を行なう状態に復帰し、?ハ)前記位相
差Φ4その動作限界に達した場合、前記位相差Φ■、Φ
2、Φ3を変化させて偏光制御を行ないながら前記位相
差Φ4を任意の大きさだけ動作範囲内に戻し、以後前記
位相差Φ2、Φ3、Φ4を変化させて偏光制御を行なう
状態に復帰することにより前述の課題を解決した。
(作用) 本発明による偏光制御方法では、通常、偏光制御動作を
行なうために変化させる3つの位相差Φ2、Φ3、Φ4
のほかに、リセット時に動作させる2つの位相差Φ1、
Φ5を用いている。この位相差Φ1、Φ5により第2、
第3、第4の光位相変調器への入射および出射偏光を変
化させることができるため、偏光制御装置への入射およ
び出射光の偏光状態によらず、常にリセットにかかわる
2つの円弧の大小関係を自由に操作することができる。
したがって、パワペナルティの生じない条件でリセット
を開始することができる。また、リセットの途中で偏光
制御装置への入射および出射偏光が変化しても、パワペ
ナルティの生じない条件を維持することができる。すな
わち、本方法では、偏光制御装置への入射および出射光
の偏光状態によらず常に位相差のノセットを行なうこと
ができるため、安定したりセノト動作が得られる。
(実施例) 以下に本発明において図面を用いて詳細に説明する。
第1図は本発明の方法を実施するのに好適な偏光制御装
置のブロック図である。
光の伝搬方向に垂直な面内に存在する水平線を基準とし
た実効的な複屈折の主軸の方向が、それぞれ0°、45
°、0°、45°、0°の角度をなして直列に第1、第
2、第3、第4、第5の光位相変調器100a, 10
0b,100c, 100d, 100eが接続されて
いる。各光位相変調器の複屈折により伝搬光において複
屈折の主軸の方向とそれに直交する方向の偏光間に位相
差Φ1、Φ2、Φ3、Φ4、Φ5が生じる。各光位相変
調器の複屈折は、制御回路101により本発明の偏光制
御方法に従って制御される。各光位相変調器による偏光
変換作用を第2図に示したボアンカレ球を用いて簡単に
説明する。第1、第3、第5の光位相変調器100a,
100c, 100eによる偏光変換作用は、球の中心
Oと赤道上の水平直線偏光を表す点Hを通る軸の回りの
回転で表される。一方、これら3つの光位相変調器と複
屈折の主軸の方向が45°の角度をなしている第2、第
4の光位相変調100b, 100dの場合は、球の中
心Oと赤道上の45°直線偏光表す点Qを通る軸の回り
の回転で表される。この時の回転角は、位相差φ1,φ
2,Φ3,Φ4,Φ5の大きさに比例する。図で点Vは
垂直直線偏光を表す。なお、ボアンカレ球については例
えば、W. A.シャークリフ、“偏光とその応用”′
、共立出版、1965年、14ページから18ページに
詳しい。
第3図に第1図に示した偏光制御装置の一実施例を示す
。第1、第2、第3、第4、第5のファイバスクイザ−
200a, 200b’、200c、200d、200
e、はそれぞれ第1、第2、第3、第4、第5、の光位
相変調器100a, 100b, 100c、100d
、100eに対応するものであり、圧電アクチュエータ
により単一モードファイバ201に側圧を印加して複屈
折を生じさせる。ここで側圧の方向は、水平方向に対し
て、順に00、45°、0°、45°、0°、となって
いる。制御回路101では、マイクロプロセッサを用い
て、本発明の偏光制御方法に基づいて各圧電アクチュエ
ー夕を駆動する。以上の偏光制御装置における本発明の
偏光制御方法の一実施例を以下に述べる。第4図は本実
施例のフローチャートである。通常、位相差Φ2,φ3
,Φ4を変化させて偏光制御を行なう場合の各位相差の
動作範囲は0から3nである。位相差Φ2,Φ3,Φ4
をそれぞれ最適化して、任意の入射偏光を別の任意な出
射偏光に変換する偏光制御を行なう。ここで位相差φ2
,Φ3,Φ4を最適な値にするための方法は以下の通り
である。
本偏光制御装置を光ヘテロダイン受信器における偏光補
償のために用いた時のIF信号強度などを用いて、出射
光における所望の偏光成分の強度をモニタする。ここで
まず、位相差φ2の大きさに微小変化を与えて、所望の
偏光強度が極大となるように調整する。次に位相差Φ3
,Φ4に関しても同様な操作を行なった後、再び位相差
Φ2,Φ3,Φ4の順でこの操作を繰り返すことにより
、位相差Φ2,Φ3,Φ4をそれぞれの最適値に漸近さ
せる。この方法については、例えばアール、シー、アル
ファーネス、″エレクトロオブティックガイデッドーウ
エーブデバイスフオージエネラルボラリゼイショントラ
ンスフオーメイションズ”、アイ・イー・イー・イージ
ャーナルオブカンタムエレクトロン(R. C. Al
ferness,“Electrooptic gui
ded−wave device for Gener
alpolarization transforma
tions”, IEEE J. QuantumEl
ectron.), 1981, vol, QE−1
7, p965−969に詳しい。位相差Φ2,Φ3,
Φ4が動作範囲の限界である3■または、0に達した場
合、それぞれそこから2■だけ離れたnまたは2nにそ
れらをリセットする。このリセット動作は以下に述べる
ように、他の光位相変調器で偏光制御動作を行ないなが
ら行なわれるため、リセットに伴うパワペナルティは生
じない。
次に、位相差Φ2,Φ3,Φ4のリセットについて説明
する。第5図(a)、(b)、(e)は位相差Φ2,Φ
3,Φ4のリセットのフローチャートである。まず、位
相差Φ2のリセットでは、リセットを行なう際にリセッ
トにともなう出射偏光の変動を補償するために位相差Φ
3,Φ4,Φ5の最適化を行なう。このリセットは常に
パワペナルティなしに行なわれる。以下にその理由につ
いて説明する。第6図は、位相差Φ1,Φ2,Φ51Φ
4,Φ5による偏光の変化をポアンカレ球上に示したも
のである。第1のファイバスクイーザへの入射偏光を点
Aとし、第5のファイバスクイーザからの出射偏光を点
Fとする。点Aから点Fへの経路が初めA, B, C
, D, E, Fであったとする。ここでリセットの
ために位相差Φ2を変化させると第2のファイバスクイ
ーザからの出射偏光を表す点Cが移動し、結果的に点F
が移動して偏光制御装置からの出射偏光が所望の偏光か
らずれるので、パワペナルティが生じることになる。と
ころが点Fの移動は位相差Φ3,Φ4を調整することに
より補償できる。例えば位相差Φ2が増加した場合、系
路A, B, C’, D’, E, FまたはA,B
, C”, D”, E, Fなどを通るように位相差
Φ3,Φ4を変化させれば点Fの移動は補償される。こ
のように点Fの位置を一定に保ちながら、すなわちパワ
ペナルティなしに位相差Φ2のリセットを行なうことが
できる。点Fの位置を一定に保ちながら位相差Φ2を2
nだけ変化させると、位相差φ3,Φ4の値は元に戻る
この間の位相差Φ3,Φ4の変化は最大でーnから■で
ある。このように最終的に他の位相差を変えずに位相差
φ2を2■でリセットすることができる。
以上に述べたようなパワペナルティの生じないリセット
は、位相差Φ2による偏光の変化がポアンカレ球上に描
く円弧の半径の大きさが、位相差Φ4による偏光の変化
がボアンカレ球上に描く円弧の半径の大きさよりも小さ
いことが条件となる。この点については、先に述べたエ
ヌ・ジー・ウォーカーらの論文に詳しい。この条件を満
たさない状態でリセットを行なうと出射偏光を所望の偏
光に変換できなくなり、パワペナルティが生じる。そこ
で上の条件を満たしてない状態で位相差Φ2のリセット
を開始した場合を考える。第7図(a),(b),(c
),(d)は、位相差φ1,Φ2,Φ3,Φ4,Φ5に
よる偏光の他の変化例をボアンカレ球上に示したもので
ある。第7図(a)は位相差φ2のリセットを開始する
時点の噛光の状態を表したものである。ここでは、位相
差Φ2による偏光の変化がボアンカレ球上に描く円弧の
半径の大きさは、位相差Φ4による偏光の変化がポアン
カレ球上に描く円弧の半径の大きさよりも大きくなって
いる。リセットのために位相差φ2を変化させると、パ
ワペナルティが生じないように位相差φ3,Φ4が変化
する。しかし、従来例ではこのような位相差Φ3,Φ4
による偏光変動の補償は、第7図(b)に示すような、
位相差Φ3からの出射偏光(点D’)がボアンカレ球上
の赤道に達するまでしか行なうことができず、それ以後
は補償不可能になる。しかし本願ではさらにこの状態か
ら、位相差Φ2を変化させると点Fの位置を一定に保つ
ため、位相差Φ5も変化して第7図(e)、さらには第
7図(d)のように自動的に最適変化することになる。
第7図(d)では、位相差Φ2による偏光の変化がボア
ンカレ球上に描く円弧の半径の大きさは、位相差Φ4に
よる偏光の変化がポアンカレ球上に描く円弧の半径の大
きさよりも小さくなっており、位相差Φ3,Φ4のみで
偏光変動を補償できる状態になっている。以上のように
、位相差Φ2のリセット開始時点で、位相差Φ2による
偏光の変化がボアンカレ球上に描く円弧の半径の大きさ
が、位相差はΦ4による偏光の変化がボアンカレ球上に
描く円弧の半径の大きさよりも大きい場合でも、第7図
(a)から(d)のような過程を経ることにより点Fは
一定に保たれ、すなわちパワペナルティなしに位相差Φ
2のリセットが行なわれる。
以上に述べたように、偏光制御装置への入射および出射
偏光にかかわらず、パワペナルティなしに位相差Φ2の
リセットを行なうことができる。また、リセットを途中
で偏光制御装置への入射および出射偏光が変化してもそ
れに対応して位相差Φ3,Φ4,Φ5が変化し、パワペ
ナルティのないリセットを続けることができる。さらに
、位相差Φ2のリセット前後で他の位相差は変わらない
位相差Φ3のリセットも位相差Φ2のリセットと基本的
に同じ過程によりパワペナルティなしで行なわれる。位
相差Φ3のリセットでは、リセットと同時に位相差Φ1
,Φ2,Φ4,Φ5による偏光制御を行なう。
位相差φ3による偏光の変化がボアンカレ球上に描く円
弧の半径の大きさが、位相差φ1またはΦ5による偏光
の変化がボアンカレ球上に描く円弧の半径の大きさより
も小さい場合は、それぞれ位相差Φ1,Φ2または位相
差Φ4,φ5により出射偏光の変動の補償を行ないなが
ら位相差Φ3のリセントを行なう。
方、位相差Φ3による偏光の変化がポアンカレ球上に描
く円弧の半径の大きさが、位相差Φ1またはΦ5による
偏光の変化がポアンカレ球上に描く円弧の半径の大きさ
よりも大きい場合は、以下のような過程により位相差Φ
3のリセットが行なわれる。
第8図(a), (b), (c). (d)は、位相
差Φ1,Φ2,Φ3,Φ4,Φ5による偏光の変化をポ
アンカレ球上に示したものである。なお、図において点
Rは偏光角−45°の直線偏光を表す。第8図(a)は
位相差φ3のリセットを開始する時点の偏光の状態を表
したものである。ここでは、位相差Φ3による偏光の変
化がポアンカレ球上に描く円弧の半径の大きさは、位相
差φ1またはΦ5による偏光の変化がボアンカレ球上に
描く円弧の半径の大きさよりも大きくなっている。リセ
ットのために位相差Φ3を変化させると、パワペナルテ
ィが生じないように位相差Φ1,Φ2または位相差Φ4
,Φ5あるいはこれら両方が変化する。ここでは簡単の
ために位相差Φ4,Φ5が変化するものとする。ところ
が、このような位相差Φ4,Φ5による偏光変動の補償
は、第8図(b)に示すような、位相差φ4からの出射
偏光(点E’)がポアンカレ球上の赤道に達するまでし
か行なうことができない。さらにこの状態から、位相差
Φ3を変化させると点Fの位置を一定に保つため、本願
では位相差Φ2が自動的に最適値に調整される結果、第
8図(C)、さらには第8図(d)のようになる。ここ
では、位相差Φ3による偏光の変化がボアンカレ球上に
描く円弧の半径の大きさは、位相差Φ5による偏光の変
化がポアンカレ球上に描く円弧の半径の大きさよりも小
さくなっており、位相差Φ4,Φ5のみで偏光変動を補
償できる状態になっている。以上のように、第8図(a
)から(d)のような過程を経ることにより点Fは一定
に保たれ、すなわちパワペナルティなしに位相差Φ3の
リセットが行なわれる。また、位相差Φ3による偏光の
変化がポアンカレ球上に描く円弧の半径の大きさが、位
相差Φ1による偏光の変化がポアンカレ球上に描く円弧
の半径の太きさよりも小さくなった場合には、位相差Φ
1,Φ2のみで偏光変動を補償できる。
以上に述べたように、偏光制御装置への入射および出射
偏光にかかわらず、位相差Φ、,Φ2,φ4,φ5を調
整しながらパワペナルティなしに位相差Φ3のリセント
を行なうことができる。また、リセノトの途中で偏光制
御装置への入射および出射偏光か変化してもそれに対応
して位相差Φ1,Φ2,Φ4,Φ5が変化し、パワペナ
ルティのないリセットを続けることができる。
位相差Φ4のリセソトは、位相差φ2のリセノトと同様
に行なわれ、位相差Φ2のリセットの説明において、位
相差Φ1,Φ2,φ3,Φ4,Φ5をそれぞれ位相差Φ
5,Φ4,Φ3,Φ2,φ1に読み変えることにより、
位相差Φ4のリセットの説明となる。
位相差Φ2,Φ3,Φ4のリセノト量を21とした場合
、上述のようにリセットの前後で他の位相差は変わらな
い。この時リセットにともなう偏光変動を補償するため
に変化する他の位相差の変化は、最大で−■から■であ
る。したがって、位相差Φ1,Φ5の動作範囲は2nに
、また、位相差Φ2,Φ3,Φ4の動作範囲は、通常の
偏光制御時の3Hにリセット時の2nを加えて5■とな
る。このように各位相差とも有限の動作範囲で、偏光制
御動作を行なうことが可能である。
以上に説明したように本実施例では、入射および出射偏
光によらず、常に位相差のリセットが行なえるため安定
したリセット動作が得られる。
本発明の方法を実施するのに好適な偏光制御装置の一実
施例として、圧電アクチュエー夕を用いたファイバスク
イーザにより構成されたものを述べたか、電磁石を用い
たものでも良い。また、ファイバスクイーザの代わりに
、電気光学効果を用いたバルク型または導波路型の光位
相変調器を用いても良い。
通常の偏光制御時の位相差Φ2,Φ3,Φ4の動作範囲
は3nとしたが、2n以上であればいくらでも良い。
また、位相差Φ2,Φ3,φ4のリセット量は2nとし
たが、一般には任意の量で良い。ただし、この場合はリ
セットの終了時に他の位相差に変化量が残る。リセット
量を2nn(nは1以上の整数)とすると、他の位相差
がリセットの前後で変わらなくなり、効率よくリセット
を行なうことができる。
(発明の効果) 以上のように本発明によれば、入射および出射偏光によ
らず常に安定なリセット動作を行なえる無限追尾可能な
偏光制御方法が得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の方法を実施するのに好適な偏光制御装
置のブロック図、第2図は、光位相変調器による偏光変
換作用を示すボアンカレ球の図、第3図は本発明による
偏光制御装置の一実施例を示す図、第4図は本発明の偏
光制御方法の一実施例のフローチャート、第5図(a)
, (b), (c)は本発明の偏光制御方法における
位相差のリセット方法のフローチャート、第6図はリセ
ットにおける各位相差による偏光の変化をボアンカレ球
上に示した図、第7図(a), (b), (c), 
(d)および第8図(a), (b), (c), (
d)は、位相差Φl,Φ2,Φ3,φ4,Φ5による偏
光の変化をボアンカレ球上に示した図である。 図において、 100a, 100b, 100c, 100d, 1
00e−・・光位相変調器、101・・・制御回路、2
00a, 200b, 200c, 200d, 20
0e・・・ファイバスクイーザ、201...単一モー
ドファイバ、Φ1,Φ2,Φ3,Φ4,Φ5・・・光位
相変調器(ファイバスクイーザ)に生じる実効的な複屈
折により、伝搬光において複屈折の主軸の方向およびそ
れに直交する方向の偏光間に与える位相差、H, V,
 Q, R・・・ボアンカレ球上において、それぞれ水
平直線偏光、垂直直線偏光、偏光角45°の直線偏光、
−45°の直線偏光を表す点、0・・・ボアンカレ球の
中心、A, B, C, D, E, F・・・ポアン
カレ球上において、各ファイバスクイーザにおける入射
および出射偏光を表す点。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 光の伝搬方向に垂直な面内の任意の方向の基準に対して
    、実効的な複屈折の主軸の方向がそれぞれ0°、45°
    、0°、45°、0°の角度をなして直列に接続された
    5個の各光位相変調器における第1、第2、第3、第4
    、第5の実効的な複屈折の大きさの変化により、伝搬光
    において前記複屈折の主軸の方向およびそれに直交する
    方向の偏光間に与える位相差Φ1、Φ2、Φ3、Φ4、
    Φ5を変化させて、任意の入射偏光を別の任意な偏光に
    変換する偏光制御方法であって、特に所望の出射偏光を
    得るのに最適な値になるように前記位相差Φ2、Φ3、
    Φ4をそれぞれ調整して行なう偏光制御動作において、 (イ)前記位相差Φ2が動作限界に達した場合、前記位
    相差Φ3、Φ4、Φ5を変化させて偏光制御を行ないな
    がら前記位相差Φ2を任意の大きさだけ動作範囲内に戻
    し、以後前記位相差Φ2、Φ3、Φ4を変化させて偏光
    制御を行なう状態に復帰し、 (ロ)前記位相差Φ3がその動作限界に達した場合、前
    記位相差Φ1、Φ2、Φ4、Φ5を変化させて偏光制御
    を行ないながら前記位相差Φ3を任意の大きさだけ動作
    範囲内に戻し、以後前記位相差Φ2、Φ3、Φ4を変化
    させて偏光制御を行なう状態に復帰し、 (ハ)前記位相差Φ4がその動作限界に達した場合、前
    記位相差Φ1、Φ2、Φ3を変化させて偏光制御を行な
    いながら前記位相差Φ4を任意の大きさだけ動作範囲内
    に戻し、以後前記位相差Φ2、Φ3、Φ4を変化させて
    偏光制御を行なう状態に復帰することを特徴とする偏光
    制御方法。
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