(57)【要約】【課題】本発明では安価かつ少数の部品を用い、簡略な製造工程で十分な精度を得られ、高性能な偏波モニタを容易に作製できる偏波モニタの実現を目的とする。【解決手段】平行ビームをプリズムで４分割し、各々のビームが１枚の基板上に形成された異なる軸方位を持つ３つ又は４つの偏光子領域に入射する偏波モニタであって、いずれかの偏光子領域に対するビームの透過率が最大になるとき、異なるいずれかの偏光子領域のビームの透過率が最小または最大値の約１／２になり、前記偏光子アレイの各領域の垂直入射における透過偏光方向の相対的な角度が０度またはπ／４の整数倍から有意な程度ずれている偏波モニタを用いる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平行ビーム源、少なくとも１つの光分岐手段と少なくとも１枚の１／４波長板、透過偏光方向の異なる少なくとも３つの領域を有する同一の基板上に形成された偏光子アレイ，４台のフォトダイオードを含む光学測定器であって、前記１つまたは２つの光分岐手段で平行ビームが４分割され、第１の分岐光路に１／４波長板と偏光子アレイの第１の領域が配置され、第２、第３、第４の光路のはそれぞれ偏光子アレイの第２、第３、第４の領域が配置され、前記偏光子アレイの各領域に対するビームの入射方向がすべて、または少なくとも２つの領域に入射するビームの入射方向がそれぞれ異なる方向であり、かついずれかの領域に対するビームの透過率が最大になるとき、異なるいずれかの領域のビームの透過率が最小または最大値の約１／２になり、前記偏光子アレイのうち少なくとも２つの領域における，垂直入射での透過偏光方向の相対的な角度が，０度またはπ／４の整数倍とは異なる角度に配置されたことを特徴とする光学測定器。
【請求項２】
元の平行ビームの進行方向をｚ方向とした直交座標系において、前記偏光子アレイの各領域に対する分岐光束の入射角が極座標表示におけるφ、θであって、ｘｙ平面に投影された偏光子アレイの透過偏光方向α１〜α４が、いずれかの透過偏光方向を基準となる透過偏光方向を０として（０，π／４，３π／４，π／２）のうち基準となる透過偏光方向を含む３つまたは４つの組み合わせからなり、前記偏光子アレイの領域の垂直入射における透過偏光方向αｎ’（ｎは偏光子の領域の番号とする）がαｎ’＝ａｒｃｔａｎ［｛ｃｏｓ（αｎ）ｃｏｓ（θｎ）ｓｉｎ（φｎ）＋ｓｉｎ（αｎ）ｃｏｓ（φｎ）｝／｛ｃｏｓ（αｎ）ｃｏｓ（θｎ）ｃｏｓ（φｎ）−ｓｉｎ（αｎ）ｓｉｎ（φｎ）｝］の関係を持つことを特徴とする請求項１記載の光学測定器。
【請求項３】
前記偏光子アレイの各領域に対する入射角の大きさが同一であり、かつ偏光子アレイの各領域の軸方位の間の角度が、α１’＝ａｒｃｔａｎ［｛ｃｏｓ（θ）ｓｉｎ（φ１）＋ｃｏｓ（φ１）｝／｛ｃｏｓ（θ）ｃｏｓ（φ１）−ｓｉｎ（φ１）｝］、α２’＝ａｒｃｔａｎ［｛ｃｏｓ（θ）ｓｉｎ（φ１）−ｃｏｓ（φ１）｝／｛ｃｏｓ（θ）ｃｏｓ（φ１）＋ｓｉｎ（φ１）｝］、α３’＝−ａｒｃｔａｎ［１／ｃｏｓ（θ）］、α４’＝ａｒｃｔａｎ［ｃｏｓ（θ）］の組み合わせを満たすことを特徴とする請求項２記載の光学測定器。
【請求項４】
前記偏光子アレイの各領域の軸方位の間の角度が、｜αｎ’−αｎ＋１’｜＝ａｒｃｔａｎ［ｃｏｓ（θ）］、｜αｎ’−αｎ＋２’｜＝ａｒｃｔａｎ［１／ｃｏｓ（θ）］、｜αｎ’−αｎ＋３’｜＝０，π／２を満たすことを特徴とする請求項２記載の光学測定器。
【請求項５】
前記偏光子アレイが２次元フォトニック結晶による偏光子であり，各領域の周期方向と軸方位が直交又は平行であり，各領域の周期方向の間になす角が，請求項１から請求項４のいずれかを所定の角度に対して±０．０５°の範囲で満たすことを特徴とする光学測定器
【請求項６】
請求項１から請求項５記載のいずれかの光学測定器に加えて，データ入出力機構，校正用データを記録した記録媒体，演算器を含むデータ補正機構を具備することを特徴とする光学測定器
【請求項７】
平行ビームが１つ又は２つのプリズムで４分割され、かつ前記プリズムが互いに平行ではない３つの面を光パスとするプリズムまたはかつ前記プリズムが互いに平行ではない５つの面を光パスとするプリズムである、請求項１から請求項６のいずれかに記載の光学測定器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、光ファイバー通信、光計測、光制御などの分野で用いられる光学測定器のうち，特に偏波状態を測定する光学測定器に関する。
【背景技術】
【０００２】  光のパラメータとしては，波長，光パワー，偏波状態がある．そのうち通信では波長はＩＴＵなどで定められた波長を用い，パワーの大小によって信号伝達を行う．一方偏波状態は光信号波形の乱れの原因となる偏波モード分散の制御（補償）のためにモニタされることが多い．また一般的に偏波状態を測定する測定器は光パワーの測定器を兼ねるため，波長が固定されている環境下では，偏波モニタと呼ばれる光学測定器を用いれば光信号の状態を特定できる．このことから光学測定器として偏波モニタが重要であることがわかる【０００３】  従来の偏波モニタとして知られる構造は多いが、反射光を用いる構成は反射時の偏波状態変化、偏波依存性損失を伴うため正確な測定には適さない。また反射光を用いない構成としては、同一のビームを軸方位の異なる偏光子アレイ（ビームの一部は波長板も透過する）に入射する方法として特許文献１記載の構成、特許文献２記載の構成があげられる。またビームをプリズムで４分割し、その４分割されたビームを各々軸方位の異なる偏光子、偏光子と波長板の組み合わせ、または何も無い経路を経てフォトダイオード（以下ＰＤと呼称する）に受光させ、各々のＰＤの受光強度から偏波状態を算出する特許文献３記載の構成が知られている。
【特許文献１】アメリカ合衆国特許第４１５８５０６号
【特許文献２】国際特許広報ＷＯ２００４００８１９６号広報
【特許文献３】日本国特許第３１０３９５４号
【特許文献４】日本国特許第３３２５８２５号
【非特許文献１】橋本  直樹，青山  勉，佐藤  尚，石川  理，川上  彰二郎，フォトニック結晶偏波モニタ，２００４年秋季第６５回応用物理学会学術講演会，２ａ−ＺＣ−５，２００４年９月２日．
【非特許文献２】谷田貝豊彦著「応用光学  光計測入門」，ｐｐ４２−４５，丸善株式会社，平成１７年２月１５日
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】  特許文献１記載の構成では光受光部が６分割されているが、特許文献２、非特許文献１にも記載されるようにストークスパラメータ及びＤＯＰの測定に必要なデータは４つであり過剰である。【０００５】  特許文献２記載の構成では、偏光子の個別の軸調整が不要である点は優れているが、単体の受光素子に比べ高価な一体化された受光素子アレイを用いる必要があり、かつ４つの受光部の境界にビームの中心が入射するため、損失が大きいという問題がある。【０００６】  また特許文献３記載の構成では、４枚のくさびを接合して１つのプリズムを形成しているが、このようなプリズムは組み立てが困難で高価になりやすい。さらに前記特許文献１から特許文献３記載のいずれの偏波モニタにおいても偏光子間の角度は正確にπ／４（ｒａｄ）の整数倍の関係を要求しているが、このような場合偏光子の個別の軸調整が必要であり、実用に適する偏光度（ＤＯＰ）精度を満たすためには必要な軸あわせの精度が０．０５°以下であることを考慮すれば現実的でないことがわかる。【０００７】  以上を鑑み、本発明では安価かつ少数の部品を用い、簡略な製造工程で十分な精度を得られ、高性能な偏波モニタを容易に作製できる偏波モニタの実現を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】  本発明では、平行ビーム源、少なくとも１つのプリズムと少なくとも１枚の１／４波長板、同一の基板上に形成された偏光子アレイを含む偏波モニタであって、前記１つまたは２つのプリズムで平行ビームが４分割され、第１の分岐光路に１／４波長板と偏光子アレイの第１の領域が配置され、第２、第３、第４の光路のはそれぞれ偏光子アレイの第２、第３、第４の領域が配置され、前記偏光子アレイの各領域に対するビームの入射方向がすべて、または少なくとも２つの領域に入射するビームの入射方向がそれぞれ異なる方向であり、かついずれかの領域に対するビームの透過率が最大になるとき、異なるいずれかの領域のビームの透過率が最小または最大値の約１／２になり、前記偏光子アレイの各領域の垂直入射における透過偏光方向の相対的な角度が０度またはπ／４の整数倍から有意な程度ずれている偏波モニタを用いる。【０００９】  かつ偏光子の軸の角度αｎ’はビームの入射角θｎに対して、数１の関係を満たす偏光子アレイを用いる。【００１０】  さらに前記偏光子アレイの各領域に対する入射角θの大きさが同一であり、かつ偏光子アレイの各領域の軸方位の間の角度が数２、数３、数４、数５の組み合わせを満たす偏光子アレイを用いることも有効である。【００１１】  さらに前記偏光子アレイの各領域の軸方位の間の角度が、数６、数７、数８を満たす偏光子アレイを用いることが有効である。【００１２】  また本発明では、平行ビ−ムを互いに平行ではない５つの面を光パスとする四角錐型プリズムで４分割し、前記偏光子アレイの境界線に対して対称の位置にビームを入射させる。または２つの互いに平行ではない３つの面を光パスとする５角柱型プリズムを用いて平行ビームを４分割し、前記偏光子アレイの境界線に対して対称の位置にビームを入射させる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】（実施例１）【００１４】  本発明の第１の実施形態を図１から図３を用いて説明する。図１は本発明の第１の実施形態の構成を示す斜視図である。光ファイバ１０１、コリメートレンズ１０２、５角柱型プリズム１０３、５角柱型プリズム１０４、１／４波長板１０５、フォトニック結晶偏光子アレイ１０６、レンズ付きＰＤ１０７、レンズ付きＰＤ１０８、レンズ付きＰＤ１０９、レンズ付きＰＤ１１０からなる。【００１５】  図２は図１に光ビームの進行を加えた図である。光ファイバ１０１から出射した光はコリメートレンズ１０２で平行ビームに変換され、ビームの中心が５角柱型プリズム１０３の頂点に重なるよう入射し、ビームは２分割され斜め方向に出射する。ついで２つのビームの中心が５角柱型プリズム１０４の頂点に重なるよう入射し、個々のビームは２分割され斜め方向に出射し、併せて４分割される。その後ビーム２０１のみ１／４波長板１０５を透過したうえで、４つのビーム２０１〜２０４はフォトニック結晶偏光子アレイ１０６に入射する。ついで、入射偏波状態によって透過率が異なるものの各々ＰＤ１０７〜１１０に入射する。４つのＰＤ１０７〜１１０の受光光強度を解析することで入射偏波状態を知ることができる。なお入射偏波状態のパラメータ（ストークスパラメータ）については、一般的な事柄について非特許文献１、特に偏波モニタに関する事項については非特許文献２に説明されている。【００１６】  次にフォトニック結晶偏光子アレイ１０６の軸方向、透過偏光方向について説明する。図３は用いたフォトニック結晶偏光子アレイの模式図で、領域３０１は軸方位が０．２１°、領域３０２は軸方位が−８９．７９°、領域３０３軸方位が４５°、領域３０４は軸方位が−４５°である。なお入射角θの大きさは各々７°である。各領域の軸方位の相対的な角度はπ／４の整数倍から有意な程度はずれているものの、光ファイバ１０１からの出力光の偏波状態が領域３０３に対して透過率が最大になる偏波状態であるとき，領域３０４の透過率は最小，領域３０２の透過率は最大値の１／２，領域３０１の透過率は最大値の１／２となることが特徴である。（各ビームが感じる透過偏光方向の相対的な角度は、π／４の整数倍になっている）【００１７】  ついで，より一般的な説明を行う。本実施例では４つのビームは偏光子アレイの各領域に対して各々異なる方向で各々同一の入射角にて入射する（４方向に４分岐）が、ビームの入射方向と偏光子の軸方位、実際に透過する偏光方向の間には、極角θｎ、方位角φｎ、偏光子の軸方位αｎ’に対して、透過偏光方向数９は関係を持つことから、数１を満たす。【００１８】  よって各々の光経路の透過偏光方向αｎ’の間の角度が０、π／４、π／２のいずれかを満たす必要がある場合であって、さらに本実施例のように極角が共通、かつ方位角が９０度おきと決まっている場合には、偏光子アレイの各領域の軸方位の角度は数２、数３、数４、数５の組み合わせを満たすことが必要となるが本実施例の領域３０１〜３０４は十分な精度を持って満たしているといえる。なお本構成において偏光子アレイの各領域の番号付けは便宜的なものであり、偏光子アレイの各領域、たとえば領域３０２と領域３０４の配置を入���替えても何ら問題がないことは当業者には容易に理解できるであろう。【００１９】  次にフォトニック結晶偏光子アレイ１０６の製造方法について説明する。フォトニック結晶アレイ１０６は特許文献２及び特許文献４に基づいて、ＥＢ描画とエッチングを組み合わせたプロセスで凹凸を形成した石英基板の上に水素化アモルファスシリコンと２酸化珪素（以下ＳｉＯ２）を交互に１４周期成膜した自己クローニング型２次元フォトニック結晶であり、動作波長は通信波長向けで１．５５μｍである。面内の０．５μｍで各領域で共通で、積層周期は０．６３μｍ、水素化アモルファスシリコンとＳｉＯ２の膜厚比は４：６である。水素化アモルファスシリコンとＳｉＯ２による周期多層膜の他に最上層と最下層にＮｂ２Ｏ５とＳｉＯ２による反射防止膜が積層されている。消光比は５０ｄＢ以上、挿入損失は０．５ｄＢ以下である。【００２０】  次に光線とその他の光学部品の設計について説明する。【００２１】  まず５角柱型プリズム１０３、１０４の頂角は１５０°で中心にビームを入射したときの分離角は約１４°である。本実施例では２つの５角柱型プリズムを用いているが、同様の作用を持つ四角錐（ピラミッド）型プリズムに比べ製造が容易であり、結果として安価である。ただし全体寸法が大きくなるデメリットも同時に有するが、本実施例のように２つの５角柱型プリズムを使用する程度であれば実用上問題ない。またビーム径はプリズムの稜線での散乱等による損失と全体の寸法を考慮して７８０μｍとした。またＰＤは各ビームに対して１つずつ個別のＰＤを用いているが、前述の通り、４つのＰＤが一体化されたものに比べ位置あわせの許容精度が大きい。また各ビームはＰＤに対して斜め入射しているが、反射戻り光を排除するのに有効である。【００２２】  ５角柱プリズムに求められる工作精度についてさらに説明する．５角柱型プリズム１０３、１０４の頂角の公差を±０．２°以内した場合，フォトニック結晶偏光子アレイ１０６の各領域に対する入射角は±０．１°の範囲でばらつくことになる．この程度の入射角のばらつきはＤＯＰ精度に影響を与えない．【００２３】  本実施形態では安価な５角柱型プリズムを用いてビームを斜め方向に４分割し、偏光子アレイの軸方位をビームの入射方向に合わせ、通常の角度関係からあえてずらすことで、精度を犠牲にすることなく安価な偏波モニタが実現できる。さらに偏光子の軸あわせが不要であるため製造コストも小さい。なお波長板の軸あわせについては機構精度程度のずれ量ならばキャリブレーションで補償できるため、こちらの軸あわせの必要も特にない。さらに各５角柱型プリズム、レンズ付きＰＤの位置あわせについてもキャリブレーションによる補償が有効である上に十分なトレランスを確保していることから容易である。本実施例ではＤＯＰ精度１％以下を実現できる。【００２４】  なお、図中には記載しないが、本実施例を構成する部品を支持するホルダやケースは当然に必要であり、部品、ホルダ、ケースは各々接着剤、半田、ＹＡＧ溶接などで接合される。【００２５】（実施例２）【００２６】  本発明の第２の実施形態を図４及び図５を用いて説明する。図４は本発明の第２の実施形態の構成を示す斜視図である。光ファイバ４０１、コリメートレンズ４０２、５角柱型プリズム４０３、５角柱型プリズム４０４、５角柱型プリズム４０５、１／４波長板４０６、フォトニック結晶偏光子アレイ４０７、ＰＤ４０８〜４１１からなる。光ファイバ４０１、コリメートレンズ４０２、５角柱型プリズム４０３、５角柱型プリズム４０４は実施例１記載のものと共通で、さらに５角柱型プリズム４０４、５角柱型プリズム４０５は同一のものを用いる。【００２７】  本構成では５角柱型プリズム４０５を透過したビームはｙ方向の距離は一定になるのでＰＤ４０８とＰＤ４１１の間隔を実施例１に比べ小さくできる。本実施例は幅（ｘ軸方向）についてはサイズ制限が少なく、高さ（ｙ方向）についてのサイズ制限が厳しい用途に適する。【００２８】  次にフォトニック結晶偏光子アレイ４０７の軸方向、透過偏光方向について説明する。図５は用いたフォトニック結晶偏光子アレイの模式図で、領域５０１は軸方位が０°、領域５０２は軸方位が０°、領域５０３軸方位が４５．２１°、領域５０４は軸方位が−４４．７９°である。なお入射角θの大きさは各々７°である。各領域の軸方位の相対的な角度はπ／４の整数倍から有意な程度はずれているものの、各ビームが感じる透過偏光方向は、π／４の整数倍になっていることが特徴である。【００２９】  本実施例では４つのビームは偏光子アレイの各領域に対して２つづつのビームがｙｚ平面に対して対称な異なる方向で各々同一の入射角にて入射する（２方向に４分岐）が、ビームの入射方向と偏光子の軸方位、実際に透過する偏光方向の間には、極角θｎ、方位角φｎ、偏光子の軸方位αｎ’に対して、透過偏光方向αｎは数９の関係を持ち、各々の光経路の透過偏光方向αｎ’の間の角度が０、π／４、π／２のいずれかを満たす必要があることから、偏光子アレイの各領域の軸方位の間の角度が数６、数７、数８を満たす必要がある。本実施例の領域５０１〜５０４は十分な精度を持って満たしているといえる。【００３０】  本実施例の従来例に対する利点及び特性は実施例１とほぼ同じであるが、部品点数分コストが上昇している代わりに必要とされるサイズが減少している。【００３１】（実施例３）【００３２】  本発明の第３の実施形態を図６から図８を用いて説明する。図６は本発明の第３の実施形態の構成を示す斜視図である。光ファイバ″６０１、コリメートレンズ″６０２、四角錐型プリズム″６０３、１／４波長板″６０４、フォトニック結晶偏光子アレイ６０５、四角錐型プリズム″６０６、ＰＤ６０７〜６１０からなる。【００３３】  図７は図６に光路を加えた斜視図である。光ファイバ６０１から出射した光はコリメートレンズ６０２で平行光に変換され、ビームの中心が四角錐型プリズム６０３の頂点に重なるよう入射し、ビームは４分割され斜め方向に出射する。ついで四角錐型プリズム６０３に分割されたビームは、図７中のビーム６０１のみ１／４波長板６０４を透過したうえで、フォトニック結晶偏光子アレイ６０５に入射する。【００３４】  ついで、各々四角錐型プリズム６０６に入射し、４つのビームの進行方向が同一になって入射偏波状態によって透過率が異なるものの各々ＰＤ６０７〜６１０に入射する。先に述べた４つのＰＤ６０７〜６１０���受光光強度を解析することで入射偏波状態を知ることができる。【００３５】  図７は図５で用いたフォトニック結晶偏光子アレイ６０５の正面模式図で、第１領域８０１は軸方位が９０°、第２領域８０２は軸方位が−４４．７９°、第３領域８０３軸方位が９０°で第１領域８０１と同じ、第４領域７０４は軸方位が４４．２１°であり４つの領域に分割されている。フォトニック結晶偏光子アレイ６０５内の各領域の軸方位については実施例１と同様に決定される。波長板を透過したビームが入射するのは第１領域８０１である。このフォトニック結晶偏光子アレイ６０５はＥＢ描画とエッチングを組み合わせたプロセスで凹凸を形成した石英基板の上に水素化アモルファスシリコンとＳｉＯ２を交互に成膜した自己クローニング型２次元フォトニック結晶からなる。【００３６】  次に光線の設計について説明する。まず四角錐型プリズム６０３、６０６の頂角は１５０°で中心にビームを入射したときの分離角は上下方向、左右方向ともに約１４°（ｚ軸に対して対称に７°ずつ）である。またビーム径はプリズムの稜線でのけられによる損失と全体の寸法を考慮して７８０μｍとした。この場合ケラレによる損失は０．３ｄＢ以下に抑えられている。またＰＤは各ビームに対して１つずつ個別のＰＤを用いているが、入射ビームに対して各々２°程度傾けて配置し、ＰＤとフォトニック結晶偏光子アレイ間の多重反射並びにＰＤ反射光が他のＰＤに入射することを防止することも有効である。また反射光を遮断する筒をＰＤの周辺に付け加えることも有効である。【００３７】  本実施例の従来例に対する利点及び特性は実施例１とほぼ同じであるが、部品コストが上昇している代わりに必要とされるサイズが減少している。本実施形態は第１の実施形態に比べ、ｘ方向（幅）、ｙ方向（高さ）の寸法が小さくなる利点がある。
【産業上の利用可能性】
【００３８】  以上に示したように本発明によれば、高性能な偏波モニタを容易に作製できる。さらに安価な部品を用い、かつ部品点数も少ないこと、偏光子の軸あわせが不要であることから安価でもある。また以上幾つかの実施例によって本発明を説明してきたが、本発明は、その請求の範囲内において種々に変形可能であることは、当業者にとっては明らかなことである。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】第１の実施形態の構成を示す斜視図
【図２】図１に光ビームを加えた斜視図
【図３】フォトニック結晶偏光子アレイ１０６の正面図
【図４】第２の実施形態の構成を示す斜視図
【図５】フォトニック結晶偏光子アレイ４０７の正面図
【図６】図３の実施形態の構成を示す斜視図
【図７】図５に光ビームを加えた斜視図
【図８】フォトニック結晶アレイ６０５の正面図
【００４０】
【数１】
2006267078.tif 000003
【数２】
2006267078.tif 000004
【数３】
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【数４】
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【数５】
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【数６】
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【数７】
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【数８】
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【数９】
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【符号の説明】
【００４１】１０１  光ファイバ
１０２  コリメートレンズ゛
１０３  角柱型プリズム
１０４  ５角柱型プリズム１０４
１０５  １／４波長板
１０６  フォトニック結晶偏光子アレイ
１０７〜１１０  レンズ付きＰＤ
２０１〜２０４  ビーム
３０１〜３０４  フォトニック結晶偏光子アレイの領域
４０１  光ファイバ
４０２  コリメートレンズ
４０３  ５角柱型プリズム
４０４  ５角柱型プリズム
４０５  ５角柱型プリズム
４０６  １／４波長板
４０７  フォトニック結晶偏光子アレイ
４０８〜４１１  レンズ付きＰＤ
５０１〜５０４  フォトニック結晶偏光子アレイの領域
６０１  光ファイバ
６０２  コリメートレンズ
６０３  四角錐型プリズム
６０４  １／４波長板
６０５  フォトニック結晶偏光子アレイ
６０６  四角錐型プリズム
６０７〜６１０  レンズ付きＰＤ
７０１〜７０４  ビーム
８０１〜８０４  フォトニック結晶偏光子アレイの領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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