JPH04218735A

JPH04218735A - 偏光測定装置及び方法

Info

Publication number: JPH04218735A
Application number: JP1948991A
Authority: JP
Inventors: Brian L Heffner; ブライアン・リー・ヘフナー
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1990-01-22
Filing date: 1991-01-18
Publication date: 1992-08-10
Also published as: EP0439127A3; EP0439127A2

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】

【０００１】

【発明の技術分野】本発明は一般に光ビームの偏光を測
定する装置と方法とに関し、特に光ビームの偏光の急激
な変化を検出することができる前記装置と方法とに関す
る。

【０００２】

【従来技術とその問題点】多くの論文や文献に記載され
ている、光ビームの偏光を測定する従来の方法は光路に
波長板と直線偏光子を配置するものである。波長板は光
軸を中心に回転可能に設計されており、代表的には四分
の一波長板、又はバビネット又はソレイル補償器のよう
な厚み変更可能なものである。場合によっては偏光子を
回転可能にすることも好適である。光検出器は波長板と
偏光子から発する光線の強さを測定するために下流に配
置される。波長板は光軸を中心に偏光子に対して複数の
角位置に回転され、透過された光の強さがそれらの位置
で測定される。偏光を完全に判定するには少なくとも４
箇所の異なる角度位置での光の強さ測定が必要である。公知の方法を用いて、これらの測定値から光ビームの偏
光を計算できる。例えば、米国特許明細書第４，３０６
，８０９号（アザム（Ａｚｚａｍ））はミューラー・マ
トリクスを測定することにより材料の偏光特性を判定す
るため自動的に回転する装置を開示している。この装置
は明らかに偏光計としても利用できる。この技術は波長
板を機械的に移動させることが必要であり、測定の速度
は波長板の回転速度により限定されるという明白な欠点
を有している。従ってこのような装置は偏光が前記の限
度よりも急速に変化する光ビームには有効ではない。この方法で測定可能な偏光の変化の限界周波数は現在の
技術水準ではキロヘルツの範囲内である。

【０００３】偏光を測定するための“ヘテロダイン方式
”と呼ばれる第２の技術は米国特許明細書第４，６７１
，６５７号（カルバニ（Ｃａｌｖａｎｉ）他）と、欧州
特許出願第８７１１３９３．２号（カルバニ他）に記載
されている。この方法では、光ビームは二つの分岐光路
に分割され、下流で再度結合される。基準ビームを作成
するため一つの分岐には直線偏光計が挿入される。他の
分岐光路は代表的には音響光学変成器である周波数シフ
ト装置を通過し、元のビームの偏光は結果として生じた
光ビームのうなり信号を測定することによって決定でき
る。この形式の装置の測定周波数も、この場合は一般に
１００ＭＨｚである最大音響周波数によって限定される
。更にこの装置の精度は他の干渉計と同様に機械的な変
動や位置合わせ誤差によって影響されやすい。

【０００４】これらの限界の幾つかを克服する測定技術
は米国特許明細書第４，６８１，４５０号（アザム）、
及びＲ．Ｍ．アザム他著の「４台の検出器を用いた偏光
計の構造、校正及び検査」と題する論文（Ｒｅｖ．Ｓｃ
ｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ５９（１）、１９８８年１
月号８４−８８ページ）に開示されている。この装置は
測定される光ビームの径路内に順次配置された４台の光
検出器を備えている。ビームは最初の３台の検出器に各
々連続して斜めに当たり、その一部が正反射する。検出
器はビームのエネルギの吸収された部分に比例する信号
を生成する。ビームは４番目の検出器にほぼ完全に吸収
される。４台の光検出器によって生成された信号は入射
ビームのストークス・パラメタを計算するのに利用され
、それによって偏光が完全に決定される。この装置は機
械的な運動がないので、前述のシステムの周波数による
限界がないことは明らかである。

【０００５】しかし、アザムの装置は光検出器の表面反
射の各々における偏光作用が基本的に波長に左右され、
周知の異なる偏光の、４つの校正用光ビームを用いて装
置を校正しなければならないという欠点を有している。この校正は異なる波長ごとに繰り返さなければならない
。更に、少なくとも一つの校正用ビームは直線的に偏光
してはならない。このようなビームは精密に作成するの
は困難である。従ってアザムの装置の校正は極めて困難
な仕事である。このような欠点により、特に幾つかの異
なる光ビームの偏光を測定する場合、装置の効率と精度
が制約される。

【０００６】偏光測定用の別の電子装置は米国特許明細
書第４，１５８，５０６号（コレット（Ｃｏｌｌｅｔｔ
）に開示されている。この装置はナノ秒単位の光パルス
の偏光を測定するのに適しているものとして特許請求さ
れており、６個の偏光素子の対応するアセンブリの背後
に配置された６個の光検出器のアセンブリから成ってい
る。光ビームは偏光子の全てを同時に通過し、各素子を
透過した光の強さが対応する光検出器によって検出され
、かつ測定される。６個の検出器からの電気信号が入射
ビームのストークス・パラメタを決定するために利用さ
れる。

【０００７】コレットの装置の動作は明らかに光学素子
と検出器に対する光ビームの位置合わせによって大きく
左右される。すなわち素子の全てが同じビームを検出す
る必要がある。前記の明細書からはこの位置合わせをど
のように達成するのかは明確ではない。

【０００８】

【発明の目的】本発明の目的は急激に変化する光信号の
偏光を完璧に測定できる偏光計を提供することである。本発明の別の目的はほとんどの波長範囲にわたって前記
偏光を測定する偏光計を提供することである。本発明の
さらに別の目的は正確に校正し易い偏光計を提供するこ
とである。

【０００９】

【発明の概要】本発明は光ビームを４つのビームに分割
し、それらのビームのうちの３つは光学素子を透過させ
る。電子検出器によって４つのビームの全ての透過強度
を測定することによって光ビームの偏光を完璧に測定す
るものである。ストークス・パラメタはこれらの測定の
結果から計算される。光学素子の一つは水平直線偏光計
であり、第２の素子は第一の素子に対して光軸から４５
°を向いた偏光方向を有する直線偏光子であり、第３の
素子は円形偏光子である。４番目のビームを測定するこ
とにより、全体の入射強度に比例する規格化係数が得ら
れ、それによって４つの全てのストークス・パラメタを
決定することができる。この決定は電子回路によって行
われる。入射ビームは、別の光学素子とともに装置を通
過するビームの位置合わせを制御する，空間フィルタと
して機能する単一モード光ファイバを通って装置内に入
る。

【００１０】

【発明の実施例】第１図を参照すると、入射ビームは周
知の現象に基づいてビームを空間的にろ波するように設
計された単一モード光ファイバ１を通って装置に入る。ビームはビーム分割器２に進行し、これがビームを図示
のとおり４つの別個のビームに分割する。次にこれらの
ビームは図面では単一の素子として図示されているレン
ズ３によって平行にされる。４つのビームは径路によっ
て異なる光学素子を配置できるように互いに充分に分離
している。明確にするため図面ではビームには“ａ”，
“ｂ”，“ｃ”及び“ｄ”の文字が付されている。 “ｂ”と記されたビームは水平の偏光軸を有する直線偏
光子４を通過する。ビーム“ｂ”は偏光子４に対して４
５°だけ光軸からずらした偏光軸を有する同様の直線偏
光子５を通過する。ビーム“ｄ”は４分の一波長板７を
通過し、次に偏光子５と同じ方向を向いた直線偏光子６
を通過する。この組合せは円形偏光子である。最後にビ
ーム“ａ”の経路には偏光素子がない。

【００１１】次に４つのビームはレンズ８によって４個
の検出器配列へと集束される。ビームａ−ｄの各々はそ
れぞれの光検出器９−１２にて集束され、ほぼ吸収され
る。各検出器の検出器により吸収された光の強さに比例
する電気信号を生成する。このように、図面では検出器
１０は振幅Ｔの電気信号を生成し、検出器１０は振幅Ｈ
の信号を生成し、検出器１１は振幅Ｆの信号を生成し、
検出器１２は振幅Ｃの信号を生成する。検出器９−１２
の出力信号は図示のとおり比率計１３−１５に伝送され
る。（図面は概略図なので、比率計は別個の素子として
図示してある。しかし、本発明の実際の構成では、これ
らの素子はディジタル・コンピュータのような別の電子
素子の分離できない部品であってもよい。）

【００１２
】振幅Ｔの信号と振幅Ｈの信号は比率計１３に伝送され
、この比率計が振幅比Ｈ／Ｔの出力電気信号を生成する
。同様に振幅Ｔの信号と振幅Ｆの信号が比率計１４に伝
送され、この比率計が振幅比Ｆ／Ｔを生成し、振幅Ｔの
信号と振幅Ｃの信号が比率計１５に伝送され、これがＣ
／Ｔを生成する。これらの電子部品はここでは詳細には
説明しない。これらはこの分野では公知であり、当業者
には自明な方法に従って構成することができるからであ
る。比率計１３−１５によって生成された電気信号の振
幅は元の光ビームのストークス・パラメタを決定するの
に利用される。

【００１３】これを説明する目的で公知の文献「Ｐｒｉ
ｎｃｉｐｌｅｓ　　ｏｆ　　Ｏｐｔｉｃｓ」（Ｍ．Ｂｏ
ｒｎ、Ｅ．Ｗｏｌｆ著、Ｐｅｒｇａｍａｎ　　Ｐｒｅｓ
ｓ、第４版、１９７０年刊、ロンドン；３０−３２ペー
ジ）に記載されているストークス・パラメタの定義を参
照する。これらのパラメタは記号“ｓ０　”，“ｓ１　
”，“ｓ２　”及び“ｓ３　”によって表記され、これ
らの４つの量を全て特定することにより光ビームの偏光
の状態を完全に判定できる。量ｓ０　は単に総体の光の
強さである。偏光の度合いＤは次の公式で表される。（１）Ｄ＝（ｓ１２＋ｓ２２＋ｓ３２）０．５／ｓ０　
比率計の電気出力信号と振幅Ｔは次の公式に基づいてス
トークス・パラメタと相関する。（２）ｓ１　＝２Ｔ（Ｈ／Ｔ−１／２）；（３）ｓ２　
＝２Ｔ（Ｆ／Ｔ−１／２）（４）ｓ３　＝２Ｔ（Ｃ／Ｔ
−１／２）ここでｓ０　＝Ｔ従ってストークス・パラメタ“ｓ１　”，“ｓ２　”及
び“ｓ３　”は前記公式によって比率計の出力信号から
決定できる。このような計算はアナログ又はディジタル
装置によって自動的に行われ、所望の任意の形式で表示
される。これらの計算を実施するのに必要な電子部品及
び回路は本発明の分野の当業者には公知であり、更に詳
細に説明する必要はない。この技術の例は前述の参考文
献に記載されている。

【００１４】アザム及びコレットの装置に付随するビー
ムの位置合わせと整列の問題は本発明では光ビームを偏
光計に誘導するのに単一モードの光ファイバを使用する
ことによって解決される。このような光ファイバは空間
フィルタとして作用するので、入射ビームの方向と配分
を好適に決定できるとは公知である。しかし、このよう
なファイバは曲げのような機械的ひずみにより複屈折を
示し、入射光ビームの偏光及び偏光測定の精度に影響す
ることも周知の事実である。従って本発明の計器を適正
に構成してファイバによる偏光への影響を補償しなけれ
ばならない。これは次のように実施する。ファイバは偏
光の度合いを変えないので、ファイバの偏光作用は一般
に記号〔Ｔ〕で表記される３×３マトリクスとして表す
ことができる。列マトリクス〔Ｐ〕で表される偏光の度
合いの入射ビームは偏光の度合〔Ｐ’〕出力ビームに変
換され、〔Ｐ〕と〔Ｐ’〕の双方ともその要素が比率：
ｓ１　／ｓ０　，ｓ２　／ｓ０　，ｓ３　／ｓ０　であ
る３つの行を有している。変換はマトリクス積、（５）〔Ｐ’〕＝〔Ｔ〕×〔Ｐ〕として表記できる。又、マトリクス〔Ｔ〕の要素の全て
を知ることによって行うべき補正を決定できる。これは
公知の方法で実施できる。〔Ｔ〕は直交マトリクスであ
るので、５つの要素だけが独立しており、〔Ｔ〕は〔Ｔ
−１〕と表記する逆行列を有している。

【００１５】直線的に偏光する光線の２つの異なるビー
ムを連続的に誘導し、この偏光計で偏光を測定すること
によって完壁にマトリクス〔Ｔ〕を判定することができ
る。これらの２つのビームの偏光方法は互いに４５°の
角度であることが好ましい。第１のビームが水平に偏光
し、第２のビームが４５°の角度で偏光するものと仮定
すると、ファイバから出る第１のビームの偏光は３−行
の列マトリクス〔Ｈ〕として表記され、第２のビームの
偏光は列マトリクス〔Ｆ〕として表記される。〔Ｈ〕及
び〔Ｆ〕は実際にはマトリクス〔Ｔ〕の最初の２列であ
る。このマトリクスの３番目の列は入射ビームが円偏光
した場合にファイバから出るビームの偏光であり、〔Ｔ
〕が直交であるので〔Ｈ〕及び〔Ｆ〕により完全に決定
される。従ってこれらの２つの測定によってファイバの
偏光作用に関して実施すべき補正を定めることができる
。所望の偏光状態は測定された偏光状態〔Ｐ〕ｍに〔Ｔ
−１〕を乗算することによって得られる。（６）〔Ｐ〕＝〔Ｔ−１〕×〔Ｐ〕ｍこの校正修正の計
算は公知の技術によって電子的に自動的に実施できるの
で、ここでは詳細には説明しない。異なる波長での偏光
計の校正は明らかに簡単である。

【００１６】この偏光計は入力ファイバ１が単一の伝播
モードを保持する波長範囲で動作することができる。例
えば、１．３ミクロン伝送用のコーニング・ガラス製の
標準型長距離通信用光ファイバは１．２−１．６ミクロ
ンの波長にわたって単一の伝播モードを保持することが
できる。この偏光計には可動部品がないので、その測定
周波数は光検出器の周波数レスポンスによってのみ限定
れさ、それは１ＧＨｚを容易に超えることができる。こ
の偏光計は製造が簡単で安価であり、急激に変化する光
信号の測定に特に適している。コリメーティングレズ及
び集束レンズをここでは単一の要素として説明してきた
が、他の光学伝送素子と共にこのようなレンズを複数個
使用できることも自明であろう。更にこれらのレンズは
本発明の基本的な特徴を損なわずにミラーのような等価
の部品で代用することも可能であろう。更に、これらの
光学素子は本発明の完全性を保持したまま他の素子と種
々に組み合わせることも可能である。例えば、図２はビ
ーム分割器２とレンズ３，８の代わりに独立して移動可
能な四象限１６，１７，１８及び１９に区分した集束凹
面鏡を利用した本発明の別の実施例を示している。各象
限は光学素個４−７を介して入射する光ビームの部分を
対応する検出器９−１２へと集束するように調整されて
いる。四象限ミラー部分の調整機構は当業者には容易に
設計できるので、この概略図には図示していない。本発
明のこの実施態様の効率と精度は前述の実施例と同様に
、光が検出用象限に均一に配分されるようにする単一モ
ードの光ファイバの空間ろ波機能によって改善される。

【００１７】本発明のこれまでの記述は例示と説明の目
的で行ったものである。それは説明した厳密な形式に本
発明を限定することを意図するものではなく、上記の教
示の範囲内で多くの修正と変更が可能であることは明ら
かであろう。上記の実施態様を選択したのは本発明の原
理と応用を最良に説明するためであり、当業者が特定の
用途に適した多くの実施態様で、多くの修正を加えて活
用することが可能である。

【００１８】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の実施によ
り機械的可動部を含まないことによる高速偏光測定が可
能となる。さらに、測定可能波長範囲が広く、正確な校
正が容易になされるので実用に供して有益である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例の偏光測定装置の概略図であ
る。

【図２】本発明の他の実施例の偏光測定装置の概略図で
ある。

【符号の説明】

１：光ファイバ２：ビーム分割器３，８：レンズ４，５，６：直線偏光子７：４分一波長板９，１０，１１，１２：光検出器１３，１４，１５：比率計

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】後記（イ）及至（ニ）より成る入射光の偏
光測定装置。（イ）前記入射光を４以上の部分ビームに分割する手段
。（ロ）前記部分ビームのうちの３つの部分ビームのそれ
ぞれの通過径路に配置され、それぞれの部分ビームに単
位、偏光を与える複数の光学素子。（ハ）前記部分ビームの強度を測定するために前記部分
ビームのそれぞれの通過径路のそれぞれに配置された光
検出器。（ニ）前記部分ビームの透過強度を前記光検出器から受
信して前記入射光の偏光を計算するための計算手段。
【請求項２】後記（イ）及至（ト）のステップより成る
入射光ビームの偏光測定方法。（イ）前記入射光ビームを第１，第２，第３及び第４の
部分ビームに分割するステップ。（ロ）前記第１の部分ビームを直線偏光させるステップ
（ハ）前記第２の部分ビームを前記第１の部分ビームの
偏光方向と４５°の角度を成す方向へ直線偏光させるス
テップ。（ニ）前記第３の部分ビームを円偏光させるステップ。（ホ）前記偏光させられた前記第１，第２，第３の部分
ビームと前記第４の部分ビームの強度をそれぞれ測定す
るステップ。（ヘ）前記第１，第２，第３の部分ビームのそれぞれの
前記強度を前記第４の部分ビームの前記強度で割算して
、それぞれの商を求めるステップ。（ト）前記商から前記入射光ビームのストークス・パラ
メタを計算するステップ。