(57)【要約】【課題】  簡単な干渉光学系であっても、１回の波長掃引で光学特性を測定することができる光学特性測定装置を実現することにある。【解決手段】  本発明は、被測定対象の光学特性を測定する光学特性測定装置に改良を加えたものである。本装置は、波長掃引されるレーザ光の偏光状態を周期的に、直交する第１、第２の偏光に変換する偏波モード変換器と、この偏波モード変換器からの光を２分岐して異なる光路で合波して干渉光を出力し、一方の光路に被測定対象が設置される干渉光学系と、この干渉光学系からの干渉光を偏光状態が直交する第３、第４の偏光とに分岐する干渉光分岐部と、この干渉光分岐部で分岐された第３、第４の偏光それぞれを、偏波モード変換器の周期に基づいてサンプリングするサンプリング部とを設けたことを特徴とするものである。【選択図】                    図１
2006322758.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定対象の光学特性を測定する光学特性測定装置において、
波長掃引されるレーザ光の偏光状態を周期的に、第１の偏光とこの第１の偏光に直交する第２の偏光とに変換する偏波モード変換器と、
この偏波モード変換器からの光を２分岐して異なる光路で合波して干渉光を出力し、一方の光路に前記被測定対象が設置される干渉光学系と、
この干渉光学系からの干渉光を第３の偏光とこの第３の偏光に対して偏光状態が直交する第４の偏光とに分岐する干渉光分岐部と、
この干渉光分岐部で分岐された第３、第４の偏光それぞれを、前記偏波モード変換器の周期に基づいてサンプリングするサンプリング部と
を設けたことを特徴とする光学特性測定装置。
【請求項２】
偏波モード変換器は、レーザ光の偏光状態をｓ偏光とｐ偏光とに、周期的に変換することを特徴とする請求項１記載の光学特性測定装置。
【請求項３】
偏波モード変換器は、偏光状態を変換する周期が、干渉信号の周波数よりもはやいことを特徴とする請求項１または２記載の光学特性測定装置。
【請求項４】
サンプリング部は、
前記干渉光分岐部で分岐された第３の偏光を受光する第１の受光部と、
前記干渉光分岐部で分岐された第４の偏光を受光する第２の受光部と、
前記第１の受光部からの出力をサンプリングする第１、第２のサンプリングホールド回路と、
前記第２の受光部からの出力をサンプリングする第３、第４のサンプリングホールド回路と
を有することを特徴とする請求項１記載の光学特性測定装置。
【請求項５】
前記第１〜第４のサンプリングホールド回路の後段に、ロウパスフィルタまたはバンドパスフィルタを設けたことを特徴とする請求項４記載の光学特性測定装置。
【請求項６】
干渉光分岐部は、偏光ビームスプリッタであることを特徴とする請求項１記載の光学特性測定装置。
【請求項７】
干渉光学系は、分岐された他方の光路の光の偏光面を、偏光ビームスプリッタの光学軸に対して、４５°傾けて入射することを特徴とする請求項６記載の光学特性測定装置。
【請求項８】
干渉光学系は、空間光型の干渉計であることを特徴とする請求項１記載の光学特性測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定対象の光学特性、特に被測定対象の伝達関数行列（例えば、ジョーンズ行列）を求める光学特性測定装置に関するものであり、詳しくは、簡単な干渉光学系であっても、１回の波長掃引で光学特性を測定することができる光学特性測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光学特性測定装置とは、被測定対象（例えば、光学素子、光学装置、これら光学素子や光学装置の試験装置・測定装置等）の光学特性（例えば、挿入損失、反射率、透過率、偏光依存性、波長分散、偏波モード分散等）を求めるものであり、具体的には被測定対象の伝達関数行列（例えば、ジョーンズ行列）を測定によって求め、この伝達関数から被測定対象の光学特性を一括して、または必要な光学特性のみを求めるものである。
【０００３】
伝達関数行列を測定によって求めるには、被測定対象に周波数ｆｓの信号光を入射し、被測定対象から出力される信号光（透過光や反射光）を参照光（周波数ｆｒ）と合波して干渉させる。そして、干渉信号を受光部で受光して干渉信号の振幅と位相を測定する（いわゆるヘテロダイン検出）（例えば、特許文献１〜特許文献３参照）。
【０００４】
また信号光は、一般的に、偏光面が直交する２種類の直線偏光の光、例えば、ｓ偏光とｐ偏光を被測定対象に入射する。また、所定の測定波長範囲において伝達関数を求めるため、光源を波長掃引する。
【０００５】
測定方法には、ｓ偏光で波長掃引した後にｐ偏光で再度波長掃引して測定する場合と、ｓ偏光とｐ偏光を同時に被測定対象に入射し、１回の波長掃引で測定する場合がある。１回の波長掃引で測定する場合は、測定時間が短縮できると共に、１回目と２回目の波長掃引における再現性（例えば、波長再現性）から生じる誤差もなく、精度よく測定できる。
【０００６】
ただし、ｓ偏光とｐ偏光を被測定対象に同時に入射するので、ｓ偏光と参照光との干渉信号と、ｐ偏光と参照光との干渉信号とを分離する必要がある。分離には、ｓ偏光の干渉信号とｐ偏光の干渉信号それぞれを異なる測定光路長差にすることで、時間領域で分離する方法や（例えば、特許文献２参照）、ｓ偏光の干渉信号とｐ偏光の干渉信号それぞれを異なる周波数で強度変調し、強度変調する変調周波数の違いから分離する方法（例えば、特許文献３参照）がある。
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−２４３５８５号公報
【特許文献２】米国特許第６３７６８３０号
【特許文献３】特開２００４−２０５６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、ｓ偏光に基づく干渉信号とｐ偏光に基づく干渉信号とを分離するため、干渉光学系が複雑になるという問題があった。
【０００９】
そこで本発明の目的は、簡単な干渉光学系であっても、１回の波長掃引で光学特性を測定することができる光学特性測定装置を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１記載の発明は、
被測定対象の光学特性を測定する光学特性測定装置において、
波長掃引されるレーザ光の偏光状態を周期的に、第１の偏光とこの第１の偏光に直交する第２の偏光とに変換する偏波モード変換器と、
この偏波モード変換器からの光を２分岐して異なる光路で合波して干渉光を出力し、一方の光路に前記被測定対象が設置される干渉光学系と、
この干渉光学系からの干渉光を第３の偏光とこの第３の偏光に対して偏光状態が直交する第４の偏光とに分岐する干渉光分岐部と、
この干渉光分岐部で分岐された第３、第４の偏光それぞれを、前記偏波モード変換器の周期に基づいてサンプリングするサンプリング部と
を設けたことを特徴とするものである。
【００１１】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、
偏波モード変換器は、レーザ光の偏光状態をｓ偏光とｐ偏光とに、周期的に変換することを特徴とするものである。
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の発明において、
偏波モード変換器は、偏光状態を変換する周期が、干渉信号の周波数よりもはやいことを特徴とするものである。
請求項４記載の発明は、請求項１記載の発明において、
サンプリング部は、
前記干渉光分岐部で分岐された第３の偏光を受光する第１の受光部と、
前記干渉光分岐部で分岐された第４の偏光を受光する第２の受光部と、
前記第１の受光部からの出力をサンプリングする第１、第２のサンプリングホールド回路と、
前記第２の受光部からの出力をサンプリングする第３、第４のサンプリングホールド回路と
を有することを特徴とするものである。
請求項５記載の発明は、請求項４記載の発明において、
前記第１〜第４のサンプリングホールド回路の後段に、ロウパスフィルタまたはバンドパスフィルタを設けたことを特徴とするものである。
請求項６記載の発明は、請求項１記載の発明において、
干渉光分岐部は、偏光ビームスプリッタであることを特徴とするものである。
請求項７記載の発明は、請求項６記載の発明において、
干渉光学系は、分岐された他方の光路の光の偏光面を、偏光ビームスプリッタの光学軸に対して、４５°傾けて入射することを特徴とするものである。
請求項８記載の発明は、請求項１記載の発明において、
干渉光学系は、空間光型の干渉計であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、以下のような効果がある。
請求項１〜８によれば、偏波モード変換器が、波長掃引されるレーザ光を、所定の周期で直交する二つの偏光状態の光に交互に変換して出力する。そして、被測定対象を通った一方の光と通らない他方の光とを合波した干渉光を、干渉光分岐部が、直交する偏光状態の光に分岐し、この分岐した光それぞれをサンプリング部が所定の周期でサンプリングする。これにより、被測定対象に入射する第１の偏光に関する干渉信号と、被測定対象に入射する第２の偏光に関する干渉信号とが分離される。従って、被測定対象に入射する光の偏光状態ごとに光路を変えたり、変調周波数を変えたりする必要がなく、簡単な干渉光学系であっても、１回の波長掃引で光学特性を測定することができる。
【００１３】
請求項５によれば、ローパスフィルタまたはバンドパスフィルタが、サンプリングによる高周波ノイズを除去するので、精度よく光学特性を求めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の一実施例を示した構成図である。図１において、波長可変光源１は、所定の波長掃引速度で波長掃引しながら連続してレーザ光を出力する。偏波モード変換器２は、波長可変光源１からの出力光の偏光状態をｓ偏光（第１の偏光）とｐ偏光（第２の偏光）とに周期的に変換させる。
【００１５】
分岐部３は、例えば、無偏光ビームスプリッタ、ハーフミラー、光カプラ等であり、偏波モード変換器２からの光を２分岐する。なお、分岐部３が分岐した一方の光を信号光とし、他方の光を参照光とする。
【００１６】
合波部４は、例えば、無偏光ビームスプリッタ、ハーフミラー、光カプラ等であり、分岐部３が分岐した信号光と参照光とを合波する。光路ＯＰ１は、分岐部３で分岐された信号光が合波部４に伝送される経路である。光路ＯＰ２は、分岐部３で分岐された参照光が合波部４に伝送される経路である。なお、光路ＯＰ１と光路ＯＰ２とは、光路長が異なる。例えば、（光路ＯＰ１（信号光側）の光路長）＜（光路ＯＰ２（参照光側）の光路長）である。
【００１７】
被測定対象５は、光路ＯＰ１に設置され、分岐部３からの信号光が入射される。従って、光路ＯＰ１の光路長は、被測定対象５の光路を含んだものとなる。また、被測定対象５に入射したｓ偏光、ｐ偏光それぞれの光の偏光状態は、被測定対象５の光学特性によって変化して出射する。
【００１８】
つまり、入射ｓ偏光に対する出射ｓ偏光と出射ｐ偏光が存在し、入射ｐ偏光に対する出射ｓ偏光と出射ｐ偏光が存在する。なお、入射ｓ偏光とは、被測定対象５に入射するｓ偏光のことであり、出射ｓ偏光とは、被測定対象５から出射するｓ偏光のことである。入射ｐ偏光、出射ｐ偏光も同様に、被測定対象５に入射、出射するｐ偏光のことである。
【００１９】
従って、被測定対象５の入出力特性の伝達関数行列を２行２列のジョーンズ行列で示すと下記の式（１）で表される。
【００２０】
【数１】
2006322758.tif 000003
【００２１】
ここで、Ｔ１１は、入射ｓ偏光に対する出射ｓ偏光の関係を表し、Ｔ２１は、入射ｓ偏光に対する出射ｐ偏光の関係を表し、Ｔ１２は、入射ｐ偏光に対する出射ｓ偏光の関係を表し、Ｔ２２は、入射ｐ偏光に対する出射ｐ偏光の関係を表す。つまり、Ｔｘｙのうち、ｘは出射側の偏光状態（ｘ＝１がｓ偏光、ｘ＝２がｐ偏光）を表し、ｙは入射側の偏光状態（ｙ＝１がｓ偏光、ｙ＝２がｐ偏光）を表している。
【００２２】
従って、被測定対象５の出射光は、入射する信号光がｓ偏光であればＴ１１とＴ２１が合わさった光となり、入射する信号光がｐ偏光であればＴ１２とＴ２２が合わさった光となる。
【００２３】
なお、分岐部３、合波部４、被測定対象５、光路ＯＰ１，ＯＰ２で、マッハツェンダ型の干渉光学系１００を形成している。
【００２４】
偏光ビームスプリッタ６は、干渉光分岐部であり、干渉光学系１００で合波された干渉光をｓ偏光（第３の偏光）とｐ偏光（第４の偏光）に分岐する。第１の受光部７は、分岐されたｓ偏光を受光する。第２の受光部８は、分岐されたｐ偏光を受光する。
【００２５】
なお、光路ＯＰ２は、偏光ビームスプリッタ６の光学軸に対して参照光の偏光面が４５°傾いて入射するように配置される。例えば、光路ＯＰ２上に偏光面回転手段、例えば、λ／２波長板（図示せず）を設け、波長板の光学軸を参照光の偏光面に対して２２．５［°］傾けて設置する。
【００２６】
第１のサンプリングホールド（以下、Ｓ／Ｈと略す）回路９、第２のＳ／Ｈ回路１０は、受光部７からの出力信号が入力される。第３のＳ／Ｈ回路１１、第４のＳ／Ｈ回路１２は、受光部８からの出力信号が入力される。なお、受光部７、８、Ｓ／Ｈ回路９〜１２で、サンプリング部を形成し、偏光ビームスプリッタ６で分岐されたｓ偏光、ｐ偏光それぞれを、偏波モード変換器２の周期に基づいてサンプリングする。
【００２７】
このような装置の動作を説明する。
一例として、波長可変光源１の波長掃引速度を１０［ｎｍ／ｓ］、被測定対象５を通る信号光の光路ＯＰ１と参照光の光路ＯＰ２との光路長差を１０［ｍ］、偏波モード変換器２の変換周期を２０［ＭＨｚ］として説明する。従って、受光部７、８で測定される干渉光（ビート信号）の周波数は、４０［ｋＨｚ］程度になる。
【００２８】
波長可変光源１からのレーザ光が、偏波モード変換器２に入射する。そして、偏波モード変換器２が、レーザ光の偏光状態を周期的（２０［ＭＨｚ］）に変換し、直交する二つの直線偏光状態（ｓ偏光とｐ偏光）の光を周期的に出力する。ここで、図２は、偏波モード変換器２の出力光を示した図である。図２において、横軸は時間軸であり、縦軸は光パワーである。また、図２中（ａ）は、偏波モード変換器２のｓ偏光の出力であり、（ｂ）は、ｐ偏光の出力である。図２に示すように、２０［ＭＨｚ］周期（０．０５［μｓ］間隔）で、ｓ偏光とｐ偏光が交互に出力される。
【００２９】
そして、分岐部３が、偏波モード変換器２からの出力光を信号光と参照光とに２分岐し、信号光を光路ＯＰ１上の被測定対象５に出力し、参照光を光路ＯＰ２に出力する。そして、被測定対象５からの信号光と、他方の光路ＯＰ２を通った参照光とが合波部５で合波され干渉する。さらに、偏光ビームスプリッタ６によって、合波後の干渉光が、ｓ偏光とｐ偏光に分岐される。なお、参照光は、偏光ビームスプリッタ６の光学軸に対して偏光面が４５［°］傾いて入射するので、参照光も受光部７、８に入射する。
【００３０】
そして、受光部７が、分岐されたｓ偏光を受光し、受光部８が、分岐されたｐ偏光を受光する。すなわち、受光部７では、Ｔ１１またはＴ１２の作用を受けた信号光と参照光との干渉光が入力される。受光部８では、Ｔ２１またはＴ２２の作用を受けた信号光と参照光との干渉光が入力される。
【００３１】
さらに、受光部７が、干渉光の光パワーに応じた出力信号をＳ／Ｈ回路９、１０に出力する。同様に、受光部８が、干渉光の光パワーに応じた出力信号をＳ／Ｈ回路１１、１２に出力する。
【００３２】
そして、Ｓ／Ｈ回路９〜１２が、入射ｓ偏光、入射ｐ偏光を分離し、後段の図示しない演算部でジョーンズ行列を求める。
【００３３】
次に、Ｓ／Ｈ回路９〜１２の動作を詳細に説明する。
Ｓ／Ｈ回路９、１１が同期して受光部７、８の出力信号をサンプリング（標本化）し、Ｓ／Ｈ回路１０、１２が同期してサンプリングし、ホールドを行なう。ここで、図３は、受光部７、Ｓ／Ｈ回路９、１０の動作を示した図であり、横軸は時間軸である。また、図３中（ａ）は、受光部７への入射光であり、縦軸は、光パワーである。（ｂ）は、Ｓ／Ｈ回路９のサンプリングのタイミングであり、（ｃ）は、Ｓ／Ｈ回路１０のサンプリングのタイミングである。
【００３４】
図３に示すように、受光部７が、０．０５［μｓ］ごとに、入射ｓ偏光に対する出射ｓ偏光の干渉光、入射ｐ偏光に対する出射ｓ偏光の干渉光を受光し、干渉光の光パワーに応じた干渉信号を出力する。
【００３５】
そして、Ｓ／Ｈ回路９、１０のそれぞれには、偏波モード変換器２の変換周期（２０［ＭＨｚ］）の半分の周期（１０［ＭＨｚ］）となった入射ｓ偏光に対する干渉信号と、入射ｐ偏光に対する干渉信号とが入力される。
【００３６】
同様に受光部８も、０．０５［μｓ］ごとに、入射ｓ偏光に対する出射ｐ偏光の干渉光、入射ｐ偏光に対する出射ｐ偏光の干渉光を受光し、干渉光の光パワーに応じた干渉信号を、Ｓ／Ｈ回路１１、１２に出力する。
【００３７】
さらに、Ｓ／Ｈ回路９〜１２のそれぞれが、１０［ＭＨｚ］周期（つまり、０．１［μｓ］間隔）でサンプリングする。そして、Ｓ／Ｈ回路９、１１とＳ／Ｈ回路１０、１２とは、０．０５［μｓ］間隔で交互にサンプリングする。すなわち、図３に示すように、Ｓ／Ｈ回路９、１１が、ｔ０、ｔ２、ｔ４、ｔ６、ｔ８、ｔ１０…でサンプリングし、Ｓ／Ｈ回路１０、１２が、ｔ１、ｔ３、ｔ５、ｔ７、ｔ９、ｔ１１…でサンプリングする。なお、時刻ｔ０〜ｔ１１それぞれの時間間隔は、０．０５［μｓ］である。
【００３８】
これにより、Ｓ／Ｈ回路９のサンプリング後のデータは、入射ｓ偏光に対する出射ｓ偏光の干渉信号、すなわち、ジョーンズ行列中のＴ１１の影響をうけた信号のみが抽出される。
【００３９】
同様に、Ｓ／Ｈ回路１０〜１２それぞれのサンプリング後のデータは、入射ｐ偏光に対する出射ｓ偏光の干渉信号（Ｔ１２）、入射ｓ偏光に対する出射ｐ偏光の干渉信号（Ｔ２１）、入射ｐ偏光に対する出射ｐ偏光の干渉信号（Ｔ２２）が抽出される。
【００４０】
そして、上述したように、各Ｓ／Ｈ回路９〜１２の後段の図示しない演算手段が、Ｓ／Ｈ回路９〜１２からの干渉信号の振幅と位相から、ジョーンズ行列の各要素を求め、このジョーンズ行列から被測定対象５の光学特性を求める。
【００４１】
このように、偏波モード変換器２が、直交する二つの直線偏光状態（ｓ偏光、ｐ偏光）の光を所定の周期で出力する。そして、参照光と被測定対象からの信号光とを合波した干渉光を、偏光ビームスプリッタ６が、ｓ偏光、ｐ偏光に分岐し、受光部７、８がそれぞれを受光する。さらに、Ｓ／Ｈホールド回路９〜１２が所定の周期（偏波モード変換器２の変換速度の１／２）で干渉信号をサンプリングする。これにより、入射ｓ偏光に関する干渉信号と、入射ｐ偏光に対する干渉信号とが分離される。従って、入射ｓ偏光、入射ｐ偏光によって光路を変えたり、強度変調する変調周波数を変えたりする必要がなく、簡単な干渉光学系１００であっても、１回の波長掃引で光学特性を測定することができる。
【００４２】
なお、本発明はこれに限定されるものではなく、以下に示すようなものでもよい。
偏波モード変換器２が、波長掃引されるレーザ光の偏光状態を周期的に、直線偏光であるｓ偏光（第１の偏光）、ｐ偏光（第２の偏光）とに変換する構成を示したが、直線偏光で変換しなくてもよく、第１の偏光と第２の偏光の偏光状態が直交していればよい。
【００４３】
干渉光分岐部に偏光ビームスプリッタ６を用いて、干渉光学系１００からの干渉光を直線偏光であるｓ偏光（第３の偏光）、ｐ偏光（第４の偏光）とに分岐する構成を示したが、直線偏光で分岐しなくてもよく、第３の偏光と第４の偏光の偏光状態が直行していればよい。そして、第１の偏光と第３の偏光の偏光状態が同じでなくともよい
【００４４】
また、Ｓ／Ｈ回路９〜１２の後段、すなわち、Ｓ／Ｈ回路９〜１２と図示しない演算手段の間に、ローパスフィルタまたはバンドパスフィルタを設け、１０［ＭＨｚ］のサンプリングによる高周波ノイズを除去してもよい。具体的には、ローパスフィルタで１０［ＭＨｚ］未満の信号を通過させるとよい。または、バンドパスフィルタを用いて、４０［ｋＨｚ］近傍のみの信号を通過させるとよい。これにより、精度よく光学特性を求めることができる。
【００４５】
また、光路ＯＰ１と光路ＯＰ２との光路長差が異なる構成を示したが、光路ＯＰ１と光路ＯＰ２の光路長差は同じでもよい。この場合、ローパスフィルタ、バンドパスフィルタのそれぞれは、直流成分近傍の信号を通過させるとよい。
【００４６】
また、偏波モード変換器２が変換する周期とＳ／Ｈ回路９〜１２のサンプリングのタイミングとの同期を、図示しない同期回路で図ってもよい。
【００４７】
また、偏波モード変換器２が、２０［ＭＨｚ］周期で偏光状態を変換する構成を示したが、変換速度は、干渉信号（ビート信号）の周波数よりも高ければよい。すなわち、干渉信号の周波数は、波長可変光源１の波長掃引速度、光路ＯＰ１，ＯＰ２の光路長差で決まる。従って、偏波モード変換器２の変換速度は、波長掃引速度、光路長差を考慮し、干渉信号の周波数よりもはやくすればよい。もちろん、波長掃引速度、光路長差も、１０［ｎｍ／ｓ］、１０［ｍ］以外の値でもよい。
【００４８】
また、干渉光学系１００は、空間光型の干渉計にしてもよい。具体的には、偏波モード変換器２から空間光を平行光に変換し、分岐部３で分岐し、信号光を被測定対象５に入射する。また、参照光を鏡などで折り返して所定の光路長差をえるとよい。そして、偏光ビームスプリッタ６と受光部７、８の間に集光手段を設け、受光部７、８に集光させるとよい。このように、空間光型の干渉計にすることにより、光学系が小型化でき、振動にも強くなる。
【００４９】
さらに、干渉光学系１００は、マッハ・ツェンダー型の干渉計を用いる構成を示したが、どのような２光束干渉計を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の一実施例を示した構成図である。
【図２】偏波モード変換器２の動作を説明した図である。
【図３】受光部７、Ｓ／Ｈ回路９、１０の動作を説明した図である。
【符号の説明】
【００５１】
１  光源
２  偏波モード変換器
５  被測定対象
６  偏光ビームスプリッタ
７、８  受光部
９〜１２  Ｓ／Ｈ回路
１００  干渉光学系
【図１】
2006322758.tif 000004
【図２】
2006322758.tif 000005
【図３】
2006322758.tif 000006