JPH07218889A

JPH07218889A - 旋光装置

Info

Publication number: JPH07218889A
Application number: JP1327595A
Authority: JP
Inventors: Ralph Stephen Jameson; ステファンジェイムソンラルフ
Original assignee: American Telephone and Telegraph Co Inc; AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1994-01-03
Filing date: 1995-01-04
Publication date: 1995-08-18
Also published as: EP0663604A1

Abstract

(57)【要約】【目的】純粋に電気的に動作可能であって可動機械部
品のない旋光器により、任意の偏光状態から任意の他の
可能な偏光状態に偏光面を回転させる。【構成】旋光装置は、互いに約４５度の向きの光軸を
有する３個の連続する可変旋光器からなる。実施例で
は、可変旋光器は、順に、０度、４５度、および０度の
向きの液晶セルからなり、各セルは、セルの両端に加え
る電圧の制御下で可変回転を行う。使用時には、各セル
によって与えられる回転の程度を制御するために各セル
の電極に所定の電圧が加えられ、それによって、与えら
れた偏光状態の入力偏光ビームが、３個のセルの通過後
に、すべての可能な偏光状態のうちの任意の偏光状態で
現れる。光デバイスの試験に使用するためには、上記の
ように、最小および最大の減衰を有する偏光状態を生成
するために、セル電圧を変化させ、光デバイスによる光
の減衰を測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、旋光器、すなわち、偏
光の偏光状態を変化させる装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】偏光のさまざまな用途において、光の偏
光状態を所定の偏光状態に、または、連続して異なるい
くつかの状態に変化させることが所望されることが多
い。後者の例には、光デバイス（例えば、光ファイバピ
グテール入力を有する光アイソレータ）の試験があり、
これは本発明が特に有用となるものである。

【０００３】このようなアイソレータでは、アイソレー
タを通過する光の減衰の程度は、光の偏光状態の関数で
ある。しかし、アイソレータは、未知のさまざまな偏光
状態の光に対して使用されるためのものであるため、減
衰の変動範囲は、できる限り小さく、かつ、少なくとも
所定の変動範囲内にあることが望ましい。このために、
製造制御の一部として、偏光をアイソレータに通過さ
せ、アイソレータから出力される光の強度を、入力光の
偏光状態の変化とともにモニタリングする。

【０００４】モニタリングプロセスにおいて要求される
実際のデータは、与えられた強度の入力光に対する最大
および最小の出力光強度である。必要なデータを取得す
るためには、アイソレータに供給される光には、アイソ
レータを最大および最小で透過するような偏光状態が含
まれることが必要である。

【０００５】一般に使用される試験手順は、試験される
デバイスに透過される光の偏光状態を試験手順中に回転
させ、デバイスによって最大および最小に減衰される状
態を含むさまざまな偏光状態を与えることである。これ
らの偏光状態は一般に熟練したオペレータによって操作
される旋光器によって生成される。このようにして、試
験デバイスを出る光の強度を測定する計器をモニタリン
グすることによって、オペレータは、試行錯誤により、
すなわち、試験光の偏光状態を実際には知ることなく、
旋光器から出てアイソレータを透過する光の偏光状態を
順次変えることにより、計器の示度を最大示度まで連続
的に増大させるか、または、最小示度まで連続的に減少
させる。このようにして、オペレータは、得られた最大
および最小の示度が、アイソレータによって与えられる
実際の最小および最大の減衰であることを確信する。

【０００６】あるタイプの、手動操作用の、一般に使用
される旋光器は、複数の連続するループに形成されたあ
る長さの連続した光ファイバからなる。各ループは、ル
ープの面内にある共通軸の周りの回転用に並んで装着さ
れたフラップのそれぞれに装着される。フラップを互い
に回転させることによって、２つのループの面間の角度
を連続的に変化させることができる。光ファイバが曲げ
られると、すなわち、ループにされると、ファイバの応
力が光の複屈折を生じる。ループ相互の角度を調節する
ことによって、ファイバを透過する光の偏光状態が変化
する。ループ角度を連続的に変化させることによって、
異なる偏光状態が生成される。

【０００７】このようなループファイバを使用して偏光
状態を変化させることは、ケーラー(Koeler)、バウワー
(Bower)、「インラインシングルモードファイバ偏光コ
ントローラ・・・(In-line Single-mode Fiber Polariz
ation Controllers ...)」、Applied Physics、第２４
巻第３号（１９８５年２月１日）に記載されている。

【０００８】一般に、上記の、手動操作のフラップ旋光
器を使用した試験プロセスは、旋光器からすべての可能
な偏光状態が使用可能である場合には、正確な試験結
果、すなわち、最大および最小の光強度を与える。しか
し、試験手順は遅く面倒であり、疲労および退屈さを伴
うため、熟練したオペレータであっても容易に誤りをす
る可能性がある。自動化をしても、このプロセスは、フ
ラップの物理的移動を伴うため、本質的に遅い。また、
ファイバの光の透過は、ファイバのねじれの程度の関数
であり、フラップの操作中にファイバねじれを変化させ
ることによって、変化する透過損失が導入され、これは
試験データを歪ませることがある。

【０００９】従って、所望される目標は、回転可能フラ
ップ旋光器をより実際的な装置、特に、純粋に電気的に
動作可能であって可動機械部品のないものに置き換える
ことである。これは本発明によって実現される。

【００１０】しかし、はじめに注意されるべきことであ
るが、電気的に動作可能な旋光器の使用は周知でありか
つ市販されており、特に本発明に関連する装置は「セナ
ーモント旋光器(Senarmont Rotator)」として知られて
いるものである。この旋光器は、透過する偏光を回転さ
せるのに有効であることが知られているねじれネマチッ
ク型の液晶セルを利用する。この旋光器では、液晶セル
は、固定した４分の１波長板に対して４５度の光軸で使
用される。４分の１波長板は、透過する偏光に一定の回
転角度を与え、液晶は、セルの電極に加える電圧に応じ
て、可変回転角度を与える。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】セナーモント旋光器の
目的は、既知の直線偏光状態にある入力光ビームを、他
の所定の直線偏光状態に対して回転させることである。
しかし、直線偏光状態は、すべての可能な偏光状態のう
ちのほんの小部分しか含まないため、セナーモント旋光
器は、上記のようなタイプの、未知の偏光状態の試験光
をすべての可能な偏光状態のうちの任意のものに回転さ
せることが要求される試験手順には使用されない。

【００１２】

【課題を解決するための手段】任意の偏光状態から任意
の他の可能な偏光状態に偏光を回転させるために、本発
明の装置は、互いに約４５度の向きの光軸を有する３個
の連続する可変旋光器からなる。好ましい実施例では、
可変旋光器は、順に、０度、４５度、および０度の向き
の液晶セルからなり、各セルは、セルの両端に加える電
圧の制御下で可変回転を行う。使用時には、各セルによ
って与えられる回転の程度を制御するために各セルの電
極に所定の電圧が加えられ、それによって、与えられた
偏光状態の入力偏光ビームが、３個のセルの通過後に、
すべての可能な偏光状態のうちの任意の偏光状態で現れ
る。

【００１３】光デバイスの試験に使用するためには、上
記のように、最小および最大の減衰を有する偏光状態を
生成するために、セル電圧を変化させ、光デバイスによ
る光の減衰を測定する。

【００１４】

【実施例】本発明の説明のために、「ポアンカレ球」を
利用する。ポアンカレ球は、例えば、ボルン(Born)、ヴ
ォルフ(Wolf)共著「光学の原理(Principles of Optic
s)」、第６版、ペルガモン・プレス、ニューヨーク（１
９８６年）第３０〜３６ページ、に記載されている。こ
の文献で説明されているように、単色平面波のあらゆる
可能な偏光状態に対して、ポアンカレ球の球面上の１点
が対応する。また、前掲のケーラーとバウワーの論文に
記載されているように、場合によっては、光ビームの偏
光状態の変化、すなわち、ポアンカレ球上の１点から他
の１点への変化を、ある特定の軸の周りの球面の回転に
よって生じる球面上に投影された線として、追跡するこ
とが可能である。例えば、４分の１波長板に偏光を通過
させた結果は、その４分の１波長板の方向によって定ま
る軸の周りにポアンカレ球を９０度回転させることによ
って表現することができる。

【００１５】図１に、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の周りに形成さ
れたポアンカレ球を示す。球面上の各点は、特定の偏光
状態に対応する一意的な３つの座標のセットを有する。
ボルンとヴォルフの前掲書の第３１ページに説明されて
いるように、直線偏光は、赤道面内の点によって、すな
わち、Ｘ−Ｙ平面内にある大円（Ｅ）上にある点によっ
て表現される。

【００１６】図１は、上記のセナーモント旋光器の動作
を示している。セナーモント旋光器は、可変波長板旋光
器１０（例えば、液晶セル）と、４分の１波長板１２と
からなる（図２）。入力光ビームＰは、２つの旋光器１
０および１２を連続して通過する。セナーモント旋光器
は、指定した偏光面の直線偏光の入力ビームを、所定の
偏光面の直線偏光の出力ビームに回転するために使用さ
れる。分析のために、この指定した平面は、任意に、垂
直に向いたものとして定義される。これは、入力光Ｐを
表す点Ｐ₁（図１）をＸ軸の直上（赤道円Ｅ上０度）に
置く。第１の旋光器１０（図２）は、入力光の偏光面に
対して４５度の光軸の向きを有する。

【００１７】ここでは、旋光器の光軸は、旋光器が入射
光の偏光を回転しないように、入射直線偏光の偏光の向
きである。

【００１８】ケーラーとバウワーの前掲論文に記載され
ているように、所定の基準方向に対してある角度Ａの向
きの旋光器に光を通過させることは、その基準方向を表
す点から角度２Ａの位置にある軸の周りのポアンカレ球
の回転に対応する光の回転を生じる。従って、点Ｐ
₁（基準方向として０度に選択されている）に対して第
１の旋光器１０の向きを４５度とすることにより、ポア
ンカレ球の回転軸はＰ₁から９０度離れた軸、すなわ
ち、ポアンカレ球のＹ軸上にある。

【００１９】ポアンカレ球の回転量は、旋光器によって
与えられる回転量の関数である。セナーモント旋光器で
は、液晶セル旋光器１０は、セルの２つの電極に加える
電圧の振幅の制御下にある可変旋光器である。従って、
旋光器１０の光に対する効果は、図１では、点Ｐ₁を、
Ｘ−Ｚ平面内の大円Ｆに沿ってある点Ｐ₂まで移動する
Ｙ軸の周りのポアンカレ球の部分回転として図示され
る。このようにして、Ｐ₁は、大円Ｆ上の任意の点まで
回転すなわち「写像」されることが可能である。

【００２０】球面上のＰ₂にある回転された光は、次
に、光の一定回転を行う４分の１波長板１２を通過す
る。旋光器１２は、入力光に対して０度の向きであり、
従って、この旋光器による光の回転は、Ｘ軸の周りのポ
アンカレ球の９０度の回転に対応する。よって、点Ｐ₂
は、大円Ｆ上のどこに位置していても、赤道の大円Ｅへ
と回転され、この例では点Ｐ₃に回転される。このよう
にして、第１の旋光器１０によって与えられる回転量を
選択することによって、直線偏光入力ビーム（点Ｐ₁）
は大円Ｆ上の任意の点に回転され、さらにそこから、赤
道円Ｅ上の対応する点に回転されることにより、任意の
可能な直線偏光状態に回転される。

【００２１】セナーモント旋光器では、直線偏光は他の
すべての可能な直線偏光状態に回転することができる。
しかし、このことは、上記のような、ポアンカレ球の言
葉でいえば、球面上の任意の点から球面上の他の任意の
点への回転を必要とするようなタイプの旋光器に対する
要求はほとんど満足することにならない。

【００２２】これは、本発明によれば、以下のようにし
て達成される。図３に示すように、旋光装置２０は、３
個の連続する可変旋光器２２、２４、および２６からな
る。これらの旋光器は、周知のタイプのもの、すなわ
ち、上記のセナーモント旋光器の可変旋光器１０に使用
されたようなねじれネマチック型の液晶セルでよい。

【００２３】図３に概略的に示したように、可変電圧源
３０が各液晶セルの電極に接続され、それによって、各
セルに加える電圧を、他のセルに加える電圧とは独立に
変化させることができる。このようにして、各セルによ
って与えられる光の回転を独立に変化させることができ
る。

【００２４】これらの３個の旋光器は、互いにおよそ
（これについては後述）４５度、すなわち、それぞれ０
度、４５度、０度の向きである。入力偏光はこれらの３
個の可変旋光器を通過し、各旋光器を通る光の回転は、
ポアンカレ球の回転としては（図４）、最初にＸ軸（０
度）の周り、次にＹ軸（４５度）の周り、次に再びＸ軸
（０度）の周りという連続回転によって表現される。旋
光器の向きを０度、４５度および９０度にしても、Ｘ
軸、Ｙ軸およびＸ軸の周りの連続回転を生じる。

【００２５】各セルの２つの電極に加える電圧の制御下
でそれぞれ可変なこのようなポアンカレ球回転の結果、
球面上の任意の（すなわち、未知の）点Ｑを球面上の他
の任意の点に写像することができる。この例を、図４と
ともに説明する。

【００２６】図４の点Ｑ₁はある楕円偏光ビームに対応
する。この光ビームを第１の旋光器２２に通過させるこ
とは、ポアンカレ球のＸ軸の周りの回転に対応し、点Ｑ
₁は弧Ｈに沿ってある大円Ｆ上の点Ｑ₂に移動する。次
に、ポアンカレ球のＹ軸の周りの回転（旋光器２４を通
過させること）により点Ｑ₂は大円Ｆに沿って大円Ｆ上
の任意の点Ｑ₃に移動する。再びポアンカレ球のＸ軸の
周りの回転（旋光器２６）により点Ｑ₃は弧Ｊに沿って
その弧上の任意の点Ｑ₄に移動する。

【００２７】明らかなように、この３個の連続するポア
ンカレ球回転によって、球面上の任意の点は球面上の他
の任意の点に到達することができる。おそらく自明でな
いことは、このような回転が２個だけではなく３個必要
であるということであろう。２個の連続回転では十分で
ない場合の例を図５とともに説明する。

【００２８】０度の直線偏光がまず０度の旋光器に入射
し、次に４５度の旋光器に入射する場合、第１の旋光器
（２２）はその光の偏光状態には何の効果も及ぼさな
い。従って、大円Ｆによって表される偏光状態のみが第
２の偏光器（２４）による回転によって到達しうる。よ
って、ポアンカレ球全体に到達するには第３の偏光器が
必要となる。

【００２９】上記のように、可変旋光液晶セルは既知で
ある。このようなセルは、例えば、メドウラーク・オプ
ティクス(Meadowlark Optics)、米国コロラド州ロング
モント、から市販されている。

【００３０】また、現時点では可変液晶旋光器が好まし
いが、他の知られている電気的に動作可能な可変旋光器
も使用可能である。一例としては、可変応力水晶板があ
る。これは、板を通過する光の回転の程度が板の機械的
応力の関数であるようなものである。可変の機械的応力
は、板の表面に電気的に動作するピエゾ電気トランスデ
ューサを装着することによって得られる。

【００３１】上記のように、本発明の可変旋光器は、液
晶セルの電極に加える電圧を変化させることによって動
作する。これは、前記の回転可能フラップ旋光器の場合
と同様に行うことが可能である。すなわち、オペレータ
は、出力光の偏光状態、すなわち、試験中のデバイスを
通過する光の振幅をモニタリングし、生じた結果に応じ
て異なる電極電圧に変化させることができる。このプロ
セスは、適当にプログラムされたコンピュータ手段を使
用して自動化することもできる。

【００３２】このような試験処理では、入力光の偏光状
態は一般に未知である。これは、たとえ光源からの偏光
の状態は既知であっても、光が柔軟な光ファイバケーブ
ルを通過して試験中のデバイスに到達するまでに偏光状
態の回転は変動しうる。従って、試験手順においては、
旋光器は任意の入力状態からすべての可能な偏光状態を
生成することが可能でなければならない。

【００３３】逆に、入力状態および出力状態が既知であ
れば、３個のセルに加える電圧は、以前の経験に基づ
き、参照表を使用することによって、事前に選択するこ
とが可能である。

【００３４】上記のように、３個の旋光器の光軸は互い
に４５度の向きである。３個の旋光器は、到達可能な出
力状態におけるいかなるギャップもさけるために使用さ
れる。しかし、３個の旋光器の使用は、ある程度の冗長
性すなわちオーバーラップを生じる。すなわち、球面上
のほとんどの入力点は、いくつかの異なる経路で球面上
の任意の他の点に到達しうる。これが意味することは、
これらの旋光器の光軸が互いに厳密に４５度ずれていな
くても、すべての可能な入力状態からのすべての可能な
出力状態のフォールオフ率は比較的ゆっくりと生じる。
実際には、連続する旋光器の光軸が互いに４５度±７．
５度に配置されれば、概して十分な結果が得られる。

【００３５】本発明の可変旋光器はここでは概略的に説
明したが、実際の装置をどのようにして構成するかは当
業者には明らかである。その理由は、旋光器は一般に既
知であり、特に、可変の電気的に動作可能な液晶セル旋
光器は、市販され、光学装置で一般に使用されているか
らである。

【００３６】最後に、可変旋光器の使用は既知である
が、このような旋光器は前記の機械的フラップ旋光器の
電気的等価物ではない。このようなフラップ旋光器で
は、各フラップによる光リターデーションの程度は固定
されており、異なる回転量は、異なるフラップ間のリタ
ーデーションの角度を変化させることによって実現され
る。これに対して、可変旋光器（例えば、本発明で使用
される液晶旋光器）では、旋光器の光リターデーション
の角度は固定されているが、リターデーションの程度は
可変である。

【００３７】

【発明の効果】以上述べたごとく、本発明によれば、純
粋に電気的に動作可能であって可動機械部品のない旋光
器により、任意の偏光状態から任意の他の可能な偏光状
態に偏光面を回転させることが実現される。

【図面の簡単な説明】

【図１】旋光器の機能を解析するために使用されるポア
ンカレ球として知られる数学的構成の図である。

【図２】セナーモント旋光器の概略図である。

【図３】本発明による旋光器の概略図である。

【図４】旋光器の機能を解析するために使用されるポア
ンカレ球として知られる数学的構成の図である。

【図５】旋光器の機能を解析するために使用されるポア
ンカレ球として知られる数学的構成の図である。

【符号の説明】

１０可変波長板旋光器１２４分の１波長板２０旋光装置２２可変旋光器２４可変旋光器２６可変旋光器３０可変電圧源

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】入力光ビームが通る光路に沿って連続し
て配置され、隣どうしが相互に約４５度ずれた光軸を有
する３個の可変旋光器と、各旋光器による旋光量を独立に変化させる変化手段とか
らなる、入力光ビームの偏光状態を他の任意の偏光状態
に変化させる旋光装置。
【請求項２】各旋光器の旋光量が、その旋光器に加え
られる電圧の振幅の関数であり、前記変化手段が、各旋
光器に接続された可変電圧源からなることを特徴とする
請求項１の装置。
【請求項３】各旋光器が液晶セルからなることを特徴
とする請求項２の装置。
【請求項４】前記光軸が相互に４５度±７．５度ずれ
ていることを特徴とする請求項１の装置。
【請求項５】各旋光器が可変応力水晶板からなること
を特徴とする請求項２の装置。