(57)【要約】【課題】温度依存性が零で、波長依存性を小さく保ちながら、小型化と、構成部品同士の調芯作業の簡略化、及び部品点数の削減による低コスト化が図られた偏波面回転ミラーを実現する。【解決手段】偏波面回転ミラーを、光ファイバ、複屈折結晶、λ／４波長板、レンズ、及びミラーで構成する。光ファイバはシングルモード型とし、複屈折結晶に互いに平行な２つの面を形成し、更に光ファイバの光入出射端面を複屈折結晶の一方の面に対向させ、λ／４波長板の結晶軸と、複屈折結晶の光学面での結晶軸とのなす角度を45度に設定する。又、複屈折結晶の他方の面とλ／４波長板の一方の面とを面対向させ、λ／４波長板の他方の面には、レンズとミラーを配置する。レンズは、λ／４波長板の他方の面とミラーの間に配置する。【選択図】  図１
2008065111.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
偏波面回転ミラーが、
光ファイバと、複屈折結晶と、λ／４波長板（λ：前記偏波面回転ミラーに入射される光信号の波長）と、レンズと、ミラーを備え、
前記光ファイバはシングルモード型であり、
前記複屈折結晶は互いに平行な２つの面を有し、
前記光ファイバの光入出射端面は、前記複屈折結晶の一方の面に対向して配置され、
前記λ／４波長板の結晶軸と、前記複屈折結晶の光学面での結晶軸とのなす角度が45度に設定されると共に、
前記複屈折結晶の他方の面と前記λ／４波長板の一方の面とが面対向して前記λ／４波長板が配置され、
前記λ／４波長板の他方の面には前記レンズと前記ミラーとが配置されると共に、
前記レンズは、前記λ／４波長板の他方の面と前記ミラーの間に配置され、
更に、
前記光ファイバは無偏波な光信号を出射し、
前記光信号は前記複屈折結晶で、直線偏波の常光線と異常光線に分離され、
前記複屈折結晶から出射された前記常光線と前記異常光線は、前記λ／４波長板を通過することにより、電気ベクトルの先端の回転方向が互いに異なる円偏波に変換され、
２つの前記円偏波は、前記レンズによって集光されて、前記ミラーの表面上の一点で点対称に反射され、
反射された２つの前記円偏波が、再度、前記λ／４波長板を通過することにより、２つの前記円偏波は、電気ベクトルの振動方向が90度異なる２つの直線偏波に変換され、
２つの前記直線偏波が、再度、前記複屈折結晶に入射されることで１つの光信号に再合成され、
再合成された光信号が前記光ファイバに入射されることを特徴とする偏波面回転ミラー。
【請求項２】
偏波面回転ミラーが、
光ファイバと、第１の複屈折結晶と、第２の複屈折結晶と、λ／４波長板（λ：前記偏波面回転ミラーに入射される光信号の波長）と、レンズと、ミラーを備え、
前記光ファイバはシングルモード型であり、
前記第１の複屈折結晶と前記第２の複屈折結晶は、それぞれ互いに平行な２つの面を有し、
前記光ファイバの光入出射端面は、前記第１の複屈折結晶の一方の面に対向して配置され、
前記第１の複屈折結晶の他方の面と、前記第２の複屈折結晶の一方の面とが面対向して前記第２の複屈折結晶が配置され、
前記第２の複屈折結晶の光学面での結晶軸方向は、前記第１の複屈折結晶の光学面での結晶軸方向に対して、90度異なるように設定されると共に、
前記λ／４波長板の結晶軸と、前記第１の複屈折結晶及び前記第２の複屈折結晶の各々の光学面での結晶軸とのなす角度が45度に設定され、
更に、
前記第２の複屈折結晶の他方の面と前記λ／４波長板の一方の面とが面対向して前記λ／４波長板が配置され、
前記λ／４波長板の他方の面には前記レンズと前記ミラーとが配置されると共に、
前記レンズは、前記λ／４波長板の他方の面と前記ミラーの間に配置され、
更に、
前記光ファイバは無偏波な光信号を出射し、
前記光信号は前記第１の複屈折結晶で、直線偏波の常光線と異常光線の２つの光信号に分離され、
次に、前記第１の複屈折結晶から出射された前記常光線と前記異常光線が、前記第２の複屈折結晶を透過するときに、前記第１の複屈折結晶を常光線で透過した光信号は異常光線で透過されると共に、前記第１の複屈折結晶を異常光線で透過した光信号は常光線で透過され、
前記第１の複屈折結晶を透過時の前記異常光線と、前記第２の複屈折結晶を透過時の前記異常光線の、各シフト量が同一に設定され、
次に、前記２つの光信号が前記λ／４波長板を通過することにより、電気ベクトルの先端の回転方向が互いに異なる円偏波に変換され、
更に、２つの前記円偏波は前記レンズに入射され、前記レンズに入射された、２つの前記円偏波の各中心位置と前記レンズの光軸間の距離が等距離に設定されると共に、２つの前記円偏波が前記レンズによって集光されて、前記ミラーの表面上の一点で点対称に反射され、
反射された２つの前記円偏波が、再度、前記λ／４波長板を通過することにより、電気ベクトルの振動方向が90度異なる２つの直線偏波に変換され、
次に、前記λ／４波長板から出射された２つの前記直線偏波が前記第２の複屈折結晶を透過するときに、一方の前記直線偏波のみがシフトされ、
更に、前記第２の複屈折結晶から出射された２つの前記直線偏波が、前記第１の複屈折結晶を透過するときに、前記第２の複屈折結晶を常光線で透過した光信号は異常光線で透過されると共に、前記第２の複屈折結晶を異常光線で透過した光信号は常光線で透過され、
２つの前記直線偏波が、再度、前記第１の複屈折結晶に入射されることで１つの光信号に再合成され、
再合成された光信号が前記光ファイバに入射されることを特徴とする偏波面回転ミラー。
【請求項３】
前記光ファイバの前記光入出射端面が、斜めに形成されていることを特徴とする請求項１又は２の何れかに記載の偏波面回転ミラー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、伝送路で接続された送信部および受信部との間で量子暗号を伝送するための量子暗号装置や、光スイッチ、光源、アンプ、干渉計、アドドロップに使用される偏波面回転ミラーに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
インターネットの爆発的普及、電子商取引の実用化を迎え、通信の秘密保持・改竄防止や個人の認証など暗号技術の社会的な必要性が高まっている。現在、DES（Data Encryption Standard）暗号のような共通鍵方式やRSA（Rivest Shamir Adleman）暗号をはじめとする公開鍵方式が広く用いられている。しかし、これらは「計算量的安全性」にその基盤を置いている。つまり、このような従来の暗号方式は計算機ハードウェアと暗号解読アルゴリズムの進歩に常に脅かされている。特に銀行間のトランザクションや軍事・外交にかかわる情報などの極めて高い安全性が要求される分野では、原理的に安全な暗号方式の実用化が望まれている。
【０００３】
情報理論で無条件安全性が証明されている暗号方式にワンタイムパッド法がある。ワンタイムパッド法は通信文と同じ長さの暗号鍵を用い、暗号鍵を１回で使い捨てることが特徴である。非特許文献１では、ワンタイムパッド法に使用する暗号鍵を安全に配送する具体的なプロトコルが提案された。これを契機に量子暗号の研究が盛んになっている。量子暗号は物理法則が暗号の安全性を保証するため、計算機の能力の限界に依存しない究極の安全性保証が可能になる。現在検討されている量子暗号は１ビットの情報を単一光子の状態として伝送する。このため、伝送路である光ファイバにより光子の状態が変化すると量子暗号の安全性は大きく損なわれる。
【０００４】
【非特許文献１】Bennett and Brassard, IEEE Int. Conf. on Computers, Systems, and Signal Processing, Bangalore, India, p. 175 (1984)
【０００５】
従来の量子暗号装置では特許文献１に記載されているように、送信側で光子パルスを光路差のある干渉系を用いて時間的に２分割し、互いの位相差を変調することにより暗号鍵となる乱数ビットを表現し、受信側で２分割された光子パルスを再び干渉させることにより伝送された乱数ビットを再生している。このため、送信側と受信側で用いる干渉系の光路差は完全に等しくなければならない。又、伝送路で偏波状態が変動すると干渉の明瞭度が低下し、受信誤り率の増大につながる。量子暗号では受信誤り率の増大を盗聴者検出の手段としているため、伝送路での偏波状態の変化による受信誤り率増大は盗聴者の発見確率を減少させ、結果として量子暗号の安全性を低下させる。
【０００６】
【特許文献１】特許２９５１４０８号
【０００７】
上述のような問題を解決するため、特許文献２またはこれを簡略にした非特許文献２に記載されているように、ファラデーミラーを用いて偏波方向の変動を補償する量子暗号装置が発明されている。この従来の量子暗号装置では、時間的に分割され偏波方向が直交した光信号を受信器から送信器に送り、送信器はファラデーミラーを用いて送られてきた光の進行方向を反転させ、同時に偏波方向を90度回転させた後、分割された光信号の間に位相変調器により位相差を与えて受信側に送り返すという構成をとっている。このような折り返し構成により、光信号を時間的に分割する干渉系と時間的に再び結合させる干渉系は同一のものになるため、干渉系の光路差が光信号の往復時間より長い時間だけ一定に保たれれば明瞭度の高い干渉が得られる。
【０００８】
途中の伝送路でいかなる偏波状態の擾乱を受けても、初めの状態が直線偏波状態であればファラデーミラーで反射されて戻った光信号の偏波方向は初めの状態に直交するため、伝送路での偏波状態の擾乱に対しても干渉信号の明瞭度は損なわれることはなく、量子暗号の安全性は保障される。
【０００９】
【特許文献２】特表２０００−５１７４９９号公報
【非特許文献２】Ribordy, Gautier, Gisin, Guinnard and Zbinden, Electronics                 Letters, Vol. 34 No.22, p.2116, 29th October 1998
【００１０】
しかしながら、特許文献２に開示された量子暗号装置でも、次のような問題があった。このシステムでは、折り返しにファラデーミラーを用いることにより、伝送路での偏波状態の擾乱に依存しないシステムが実現可能である。しかしながら、この方法は折り返し型であるため、往路における大きな強度を持つ光パルスが復路にある単一光子レベルの微弱光パルスと交差する場合に、光ファイバ中の後方散乱による迷光が発生し、システムのパフォーマンスを低下させるという問題がある。バーストパルス列を間欠的に伝送することにより、迷光の影響を避けることが可能であるが、その代償として鍵の生成レートが低下し、システムのパフォーマンスは改善しない。このような後方散乱による迷光は、量子暗号鍵伝送距離を制約する深刻な問題として知られている。
【００１１】
そこで、折り返し型のファラデーミラーに代わるミラーとして、光ファイバをループ状にした偏波面回転ミラー（以下、このような偏波面回転ミラーを、光ファイバループミラーと記す）が、特許文献３に開示されている。
【００１２】
【特許文献３】特開２００６−４１９０７号公報（第８頁、第４図）
【００１３】
前記光ファイバループミラーの一種が組み込まれた、量子暗号装置用の位相変調器を、図１１に示す。図１１に示すように位相変調器102は、幹線伝送路100から入射された光信号を枝線伝送路に分岐にし、その枝線伝送路106からの光信号を前記幹線伝送路100に戻す光サーキュレータ101と、前記枝線伝送路106を終端する光ファイバループミラーとから構成されている。前記光ファイバループミラーは、偏光ビームスプリッタ103と回転角90度のファラデー回転子104が、偏波面保存光ファイバ105により結合されることで構成される。
【００１４】
位相変調器102は、図示しない光源により出力された光信号に対して、図示しない干渉系の遅延時間よりも短い時間の間だけ時間選択的に位相変調を与える装置である。位相変調器102で与える位相変調に対応する電気信号の大きさを一定にするため、位相変調器102の偏波面無依存化が行われる。この位相変調器102の動作を説明する。
【００１５】
幹線伝送路100から入射した光信号は、光サーキュレータ101によって枝線伝送路106に導かれる。枝線伝送路106に導かれた光信号は、偏光ビームスプリッタ103と偏波面保存光ファイバ105からなる光ファイバループミラーで終端された枝光路を一往復し、その過程で位相変調部102を２回通過して、光サーキュレータ101から幹線伝送路100に戻る。位相変調部102と光ファイバループミラー間のラウンドトリップタイムだけ時間的に離れた等振幅の２連電気パルスを位相変調部102に与えることにより、入力光の偏波面に依存しない位相変調を与えることが可能となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、従来の光ファイバループミラーに使用されている偏波面保存光ファイバ105は、曲げ損失を考慮して許容曲げ半径が30mm以上に設定されている光ファイバであった。このため、偏波面保存光ファイバ105から成るループ部分の曲げ半径を30mm未満にすることが不可能であったため、ループ部分で多くの占有空間を取ってしまい、このことが光ファイバループミラーの小型化を困難にしていた。
【００１７】
更に、図１２に示すように、従来の光ファイバループミラーでは、偏光ビームスプリッタ103と各光ファイバ（枝線伝送路106及び偏波面保存光ファイバ105）とを光学的に結合するために、偏光ビームスプリッタ103に対向している光ファイバの本数だけレンズ107が必要であった。従って、従来の光ファイバループミラーでは、レンズ107が最低３個必要であった。このように複数のレンズ107を使用するため、偏光ビームスプリッタ103と各光ファイバ間の調芯作業が煩雑化すると共に、部品点数の増加による光ファイバループミラーのコスト高も招いていた。
【００１８】
本発明は上記各課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、温度依存性が零で、波長依存性を小さく保ちながら、小型化と、構成部品同士の調芯作業の簡略化、及び部品点数の削減による低コスト化が図られた偏波面回転ミラーを実現することである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の請求項１記載の偏波面回転ミラーが、
光ファイバと、複屈折結晶と、λ／４波長板（λ：前記偏波面回転ミラーに入射される光信号の波長）と、レンズと、ミラーを備え、
前記光ファイバはシングルモード型であり、
前記複屈折結晶は互いに平行な２つの面を有し、
前記光ファイバの光入出射端面は、前記複屈折結晶の一方の面に対向して配置され、
前記λ／４波長板の結晶軸と、前記複屈折結晶の光学面での結晶軸とのなす角度が45度に設定されると共に、
前記複屈折結晶の他方の面と前記λ／４波長板の一方の面とが面対向して前記λ／４波長板が配置され、
前記λ／４波長板の他方の面には前記レンズと前記ミラーとが配置されると共に、
前記レンズは、前記λ／４波長板の他方の面と前記ミラーの間に配置され、
更に、
前記光ファイバは無偏波な光信号を出射し、
前記光信号は前記複屈折結晶で、直線偏波の常光線と異常光線に分離され、
前記複屈折結晶から出射された前記常光線と前記異常光線は、前記λ／４波長板を通過することにより、電気ベクトルの先端の回転方向が互いに異なる円偏波に変換され、
２つの前記円偏波は、前記レンズによって集光されて、前記ミラーの表面上の一点で点対称に反射され、
反射された２つの前記円偏波が、再度、前記λ／４波長板を通過することにより、２つの前記円偏波は、電気ベクトルの振動方向が90度異なる２つの直線偏波に変換され、
２つの前記直線偏波が、再度、前記複屈折結晶に入射されることで１つの光信号に再合成され、
再合成された光信号が前記光ファイバに入射されることを特徴とする偏波面回転ミラーである。
【００２０】
又、本発明の請求項２記載の偏波面回転ミラーが、
光ファイバと、第１の複屈折結晶と、第２の複屈折結晶と、λ／４波長板（λ：前記偏波面回転ミラーに入射される光信号の波長）と、レンズと、ミラーを備え、
前記光ファイバはシングルモード型であり、
前記第１の複屈折結晶と前記第２の複屈折結晶は、それぞれ互いに平行な２つの面を有し、
前記光ファイバの光入出射端面は、前記第１の複屈折結晶の一方の面に対向して配置され、
前記第１の複屈折結晶の他方の面と、前記第２の複屈折結晶の一方の面とが面対向して前記第２の複屈折結晶が配置され、
前記第２の複屈折結晶の光学面での結晶軸方向は、前記第１の複屈折結晶の光学面での結晶軸方向に対して、90度異なるように設定されると共に、
前記λ／４波長板の結晶軸と、前記第１の複屈折結晶及び前記第２の複屈折結晶の各々の光学面での結晶軸とのなす角度が45度に設定され、
更に、
前記第２の複屈折結晶の他方の面と前記λ／４波長板の一方の面とが面対向して前記λ／４波長板が配置され、
前記λ／４波長板の他方の面には前記レンズと前記ミラーとが配置されると共に、
前記レンズは、前記λ／４波長板の他方の面と前記ミラーの間に配置され、
更に、
前記光ファイバは無偏波な光信号を出射し、
前記光信号は前記第１の複屈折結晶で、直線偏波の常光線と異常光線の２つの光信号に分離され、
次に、前記第１の複屈折結晶から出射された前記常光線と前記異常光線が、前記第２の複屈折結晶を透過するときに、前記第１の複屈折結晶を常光線で透過した光信号は異常光線で透過されると共に、前記第１の複屈折結晶を異常光線で透過した光信号は常光線で透過され、
前記第１の複屈折結晶を透過時の前記異常光線と、前記第２の複屈折結晶を透過時の前記異常光線の、各シフト量が同一に設定され、
次に、前記２つの光信号が前記λ／４波長板を通過することにより、電気ベクトルの先端の回転方向が互いに異なる円偏波に変換され、
更に、２つの前記円偏波は前記レンズに入射され、前記レンズに入射された、２つの前記円偏波の各中心位置と前記レンズの光軸間の距離が等距離に設定されると共に、２つの前記円偏波が前記レンズによって集光されて、前記ミラーの表面上の一点で点対称に反射され、
反射された２つの前記円偏波が、再度、前記λ／４波長板を通過することにより、電気ベクトルの振動方向が90度異なる２つの直線偏波に変換され、
次に、前記λ／４波長板から出射された２つの前記直線偏波が前記第２の複屈折結晶を透過するときに、一方の前記直線偏波のみがシフトされ、
更に、前記第２の複屈折結晶から出射された２つの前記直線偏波が、前記第１の複屈折結晶を透過するときに、前記第２の複屈折結晶を常光線で透過した光信号は異常光線で透過されると共に、前記第２の複屈折結晶を異常光線で透過した光信号は常光線で透過され、
２つの前記直線偏波が、再度、前記第１の複屈折結晶に入射されることで１つの光信号に再合成され、
再合成された光信号が前記光ファイバに入射されることを特徴とする偏波面回転ミラーである。
【００２１】
更に、本発明の請求項３記載の偏波面回転ミラーは、前記光ファイバの前記光入出射端面が、斜めに形成されていることを特徴とする請求項１又は２の何れかに記載の偏波面回転ミラーである。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の請求項１及び請求項２に記載の偏波面回転ミラーに依れば、偏波面保存光ファイバを使用することなく、偏波面回転ミラーを構成するので、偏波面保存光ファイバのループ部分の最小曲げ半径の寸法制約を受けることが無い。従って、偏波面保存光ファイバから成るループ部分の占有空間を皆無とすることができ、偏波面保存ミラーの小型化が可能となる。
【００２３】
更に、請求項１及び請求項２に記載の偏波面回転ミラーは、その光学系を、レンズが１つで成立するように構成しているので、従来の偏波面回転ミラーと比べてレンズの個数が減少されるため、偏波面回転ミラーの構成部品同士の調芯作業が簡略化される。又、レンズ個数の削減に伴い、偏波面回転ミラーの低コスト化も実現可能となる。
【００２４】
更に、偏波面回転ミラーを、ファラデー回転子を使用することなく構成することにより、温度依存性が零で、波長依存性を小さく保つことが可能となる。
【００２５】
更に、本発明の請求項２に記載の偏波面回転ミラーに依れば、上記各効果に加えて、第１の複屈折結晶で分離された２つの光信号の偏波依存損失（PDL：Polarization Dependent Loss）を解消することが可能となる。  
【００２６】
更に、本発明の請求項３に記載の偏波面回転ミラーに依れば、光ファイバの光入出射端面を斜めに形成しているので、光ファイバから出射した光の一部が、複屈折結晶（又は第１の複屈折結晶）の表面で反射しても、反射した光信号がコアへ結合することが抑止される。従って、光ファイバへの戻り光が防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
＜第１の実施の形態＞
以下、本発明の第１の実施形態に係る偏波面回転ミラーを図１〜図６に基づいて詳細に説明する。各図のx軸、y軸、z軸はそれぞれ一対一に対応している。図１において、偏波面回転ミラー１は、光ファイバ２と、互いに平行な２つの面3a及び3bを有する複屈折結晶３、λ／４波長板４、１個のレンズ５、及びミラー６を備えて構成されている。
【００２８】
光ファイバ２の光入出射端面2aは、研磨加工により斜めに形成されていると共に、前記複屈折結晶４の一方の面4aに対向されて配置されている。光入出射端面2aの斜め形成の角度φ（即ち、コア2bの軸方向に垂直な方向に対する角度）は、約６〜８度程度に設定される。光ファイバ２は、コア2b、及びコア2bの屈折率より低い屈折率を有するクラッド2cが、前記コア2bの周囲を囲むことで構成され、等方的な屈折率分布を有するシングルモード型の光ファイバであり、例えば石英系光ファイバや、プラスチック光ファイバを用いることが出来る。
【００２９】
複屈折結晶３は一軸性複屈折結晶体であり、結晶軸X31が面3aに対して角度αで傾斜するように調整されると共に、光学面（面3a）での結晶軸X32がy軸と平行に配置される。複屈折結晶３としては、例えば、ルチル（TiO2）、方解石（CaCO3）、YVO4、BBO等を用いることができる。ここで、BBOとは、BaとBとOを含んだ結晶をいう。上記の結晶の中でも、特に硬くて傷が付きにくく、また潮解性のないルチルを用いることが好ましい。複屈折結晶３にルチルを使用する場合、面法線と結晶軸との角度α（図１の結晶軸X31方向に該当）は47.8度に設定する。又、複屈折後の常光線及び異常光線を平行に出射するために、２つの面3a及び3bは平行に設定する。なお、複屈折結晶３の表面には、各種のコーティング、例えば耐空気ARコートを施しても良い。
【００３０】
そして、わずかな隙間を介して光ファイバ２と複屈折結晶３の間を、レンズを介さずに直接、光信号が伝搬する。
【００３１】
λ／４波長板４は、複屈折結晶３を透過して入射してくる光信号の各偏波成分（常光線と異常光線）の偏波面を円偏波に変換するものである。前記λは、偏波面回転ミラー１に入射される光信号の波長を表す。λ／４波長板４としては、石英やλ／４波長フィルム、０次単プレート、０次２枚構成の水晶板、又は、λ／４の位相差を生じるゼロオーダーの光学ガラス位相板などが適当である。高次の波長板を使用すると、波長特性と温度特性が悪くなる。図２に示すように、λ／４波長板４の結晶軸X4方向が、複屈折結晶３の光学面での結晶軸X32に対してθ1＝45度の角度をなして傾くように設定して、λ／４波長板４を配置する。配置の際は、複屈折結晶３の他方の面3bと、λ／４波長板４の一方の面4aとを面対向させて、複屈折結晶３とλ／４波長板４を配置する。
【００３２】
一方、λ／４波長板４の他方の面4bには、レンズ５とミラー６とが順に配置される。レンズ５は、λ／４波長板４とミラー６の間に配置され、入射する光信号のコリメーション又は集光を行う。レンズ５としては、非球面レンズ、ボールレンズ、平凸レンズ、或いは、屈折率分布レンズ等を用いることが好ましい。又、レンズ５の材料としては、例えば、ガラスやプラスチックを用いる。
【００３３】
ミラー６は、レンズ５で集光された光信号を反射する部品で、本実施の形態では、一例として、基板の表面にSiO2/TiO2をコーティングした全反射ミラーを用いた。
【００３４】
次に、偏波面回転ミラー１の動作について図３〜図６を参照して説明を行う。前記のように、光ファイバ２は等方的な屈折率分布を有しているため、コア2b内部では無偏波で、波長がλの光信号が伝搬される。更に、光入出射端面2aから、その光信号が一定の広がり角で出射されて、複屈折結晶３に入射される。説明の便宜上、光ファイバ２から入射された直後の光信号の偏波状態を、図３に示すように、電気ベクトルの先端の回転方向が反時計回りの楕円偏波とする。前記の通り、光入出射端面2aに角度φを設けているので、複屈折結晶３の表面で光信号の一部が反射しても、コア2bに反射した光信号は結合しないので、光ファイバ２への戻り光が防止される。
【００３５】
複屈折結晶３に入射した光信号は、y軸方向に沿って配置されている結晶軸X32方向に沿って分波され、図４(A)に示すように、互いに偏波方向が直交する直線偏波の常光線と異常光線に分離される。ここで、常光線の伝搬方向における複屈折結晶３の厚み（結晶長）Ｄは、
【００３６】
【数１】
2008065111.tif 000003
【００３７】
で表される。但し、ｎ0：複屈折結晶３中における常光線の屈折率、ｎe：複屈折結晶３中における異常光線の屈折率、θ：複屈折結晶３の結晶軸X31と、常光線の伝搬方向に垂直な面とのなす角度、dc：常光線と異常光線の分離幅、をそれぞれ示している。
【００３８】
複屈折結晶３が正結晶（ルチル等）の場合には、結晶軸X31は常光線及び異常光線の伝搬方向と同一平面上にあり、異常光線の入射方向に近づくように配向し、図１の右下がりの直線となる。一方、負結晶（方解石等）の場合、結晶軸X31は常光線及び異常光線の伝搬方向と同一平面上にあって、常光線の入射方向に近づくように配向する。
【００３９】
上述のように厚みＤを規定した場合、結晶毎にｎ0、ｎeが変動しても、それに応じて最適な厚みを設定し、面3bから分離光を出射させることが可能となる。また、結晶軸X31の方向を調整すれば、厚みＤを小さくすることが可能となる。なお、ｎ0、ｎeやdcが一定で複屈折結晶３がルチルの場合、理論上はαが47.8度のとき、厚みＤを最小に抑えつつ、常光線と異常光線の分離幅を最大にすることが可能となるので、αは47.8度が最も好ましい。
【００４０】
分波された常光線と異常光線は、複屈折結晶３の他方の面3bから出射され、λ／４波長板４に入射して透過される。前記の通り、λ／４波長板４の結晶軸X4は、複屈折結晶３の結晶軸X32に対して45度傾くように設定されている。従って、複屈折結晶３から出射された前記異常光線の電気ベクトルの振動方向に対して、結晶軸X4方向は、z軸方向に見て反時計回りに45度傾く。よって、λ／４波長板４を通過した前記異常光線は、図４(B)の引き出し番号7bで示すような、反時計回りの円偏波となる。一方、複屈折結晶３から出射された前記常光線の電気ベクトルの振動方向に対して、結晶軸X4方向は、z軸方向に見て時計回りに45度傾く。よって、λ／４波長板４を通過した前記常光線は、図４(B)の引き出し番号7aで示すような、時計回りの円偏波となる。即ち、λ／４波長板４を通過した前記常光線と異常光線は、図４(B)に示すような、電気ベクトルの先端の回転方向が互いに異なる、２つの円偏波7a、7bに変換される。
【００４１】
λ／４波長板４から出射した２つの円偏波7a、7bは、レンズ５で所定角度屈折して集光されるが、偏波状態は変化しない。このときの屈折角は、レンズ５の光軸X5から光信号の中心位置と、レンズ５の焦点距離により決まる。
【００４２】
レンズ５で集光された２つの円偏波7a、7bは、入射角と反対側に、ミラー６の表面上の一点Rで、ミラー６によって点対称に反射され、図５(B)に示すように上下位置で円偏波7a、7bが入れ替わる。図１から分かるように、偏波面回転ミラー１では、ミラー６における反射点（前記、一点R）と、レンズ５の光軸X5とが、光信号の伝搬方向（z軸方向）において同一直線上に来るように、ミラー６とレンズ５とを位置決めして配置している。
【００４３】
反射された光信号は、再度レンズ５を透過して、レンズ５の光軸X5に関して対称の位置に出射される。このとき、レンズ５の前後で円偏波7a、7bの偏波状態は変化しない。
【００４４】
２つの円偏波7a、7bは、再度、λ／４波長板４を通過することにより、図５(A)に示すように、電気ベクトルの振動方向が90度異なる２つの直線偏波に変換される。円偏波7aが変換されると、偏波方向が結晶軸X32方向に対して直交する直線偏波となり、一方の円偏波7bが変換されると、偏波方向が結晶軸X32方向に対して平行な直線偏波となる。従って、円偏波7aから変換された直線偏波は、複屈折結晶３内部では異常光線となり、円偏波7bから変換された直線偏波は、複屈折結晶３内部では常光線となる。
【００４５】
λ／４波長板４から出射された２つの直線偏波は、一定の広がり角で広がりながら伝搬し、再度、面3bから複屈折結晶３に入射される。前記の通り、２つの直線偏波は、複屈折結晶３内部ではそれぞれ常光線と異常光線になり、異常光線のみシフトされて、１つの光信号に再合成される。再合成により形成された無偏波の光信号は、複屈折結晶３の一方の面3aから出射され、光ファイバ２のコア2bに入射される。
【００４６】
光ファイバ２に入射される直前の光信号は、図６に示すように、電気ベクトルの先端の回転方向が、図３の光信号とは逆方向に変換された楕円偏波の光信号である。コア2bに入射された光信号は、コア2b内部では光ファイバ２の等方的な屈折率分布により、無偏波の状態で伝搬される。
【００４７】
図４(B)及び図５(B)に示すように、２つの円偏波7a、7bの偏波方向は、一点Rでの点対称反射によって、ミラー６への反射前及び反射後では、それぞれ逆方向に変換される。従って、その合成光の電気ベクトルの先端の回転方向も、図３と図６を比較すれば分かるように、光ファイバ２からの出射後と、光ファイバ２への入射前で逆方向に変換される。
【００４８】
以上のように、本実施形態の偏波面回転ミラー１では、偏波面保存光ファイバを使用することなく、偏波面回転ミラー１を構成している。これにより、偏波面回転ミラー１は、従来の偏波面回転ミラー（即ち、光ファイバループミラー）のように、偏波面保存光ファイバのループ部分の最小曲げ半径の寸法制約を受けることが無い。従って、偏波面保存光ファイバから成るループ部分の占有空間を皆無とすることができ、偏波面保存ミラー１の小型化が可能となる。
【００４９】
更に、偏波面回転ミラー１の光学系を、レンズが１つで成立するように構成している（従来の偏波面回転ミラーは３つのレンズが必要であったのに対し、偏波面回転ミラー１ではレンズは１つのみである）。従って、従来の偏波面回転ミラーと比べてレンズの個数が減少できるので、偏波面回転ミラー１の構成部品同士の調芯作業が簡略化される。又、レンズ個数の削減に伴い、偏波面回転ミラー１の低コスト化も実現可能となる。
【００５０】
更に、偏波面回転ミラー１の光学系を、ファラデー回転子を使用することなく構成しているので、温度依存性が零で、波長依存性を小さく保つ事が出来る。
【００５１】
＜第２の実施の形態＞
【００５２】
次に、本発明の第２の実施形態に係る偏波面回転ミラーを図７〜図１０及び図３、図６に基づいて詳細に説明する。各図のx軸、y軸、z軸はそれぞれ一対一に対応している。なお、第一の実施形態と同一箇所には同一番号を付し、重複する説明は省略もしくは簡略化して記述する。
【００５３】
図７において、本発明の第２の実施形態に係る偏波面回転ミラー８が前記偏波面回転ミラーと異なる点は、複屈折結晶３とλ／４波長板４の光路の間に、第２の複屈折結晶９が備えられる点である。第２の複屈折結晶９も互いに平行な２つの面9a及び9bを有する。
以下、説明の便宜上、複屈折結晶３を第１の複屈折結晶３と記載する。
【００５４】
第２の複屈折結晶９も第１の複屈折結晶３と同様に、一軸性複屈折結晶体であり、結晶軸X91がz軸方向に対して角度αで傾斜するように調整されると共に、光学面（面9a）での結晶軸X92がx軸と平行に配置される。従って、光ファイバ２から見たときの第２の複屈折結晶９の結晶軸X92方向は、第１の複屈折結晶３の結晶軸X32方向に対して90度異なるように設定される。第２の複屈折結晶９を第１の複屈折結晶３に対して配置する際は、第１の複屈折結晶３の他方の面3bと、第２の複屈折結晶の一方の面9aとを面対向させる。
【００５５】
第２の複屈折結晶９にも、ルチル（TiO2）、方解石（CaCO3）、YVO4、BBO等を用いることができる。上記の結晶の中でも、特に硬くて傷が付きにくく、また潮解性のないルチルを用いることが好ましい。第２の複屈折結晶９にルチルを使用する場合、面法線と結晶軸との角度α（図８の結晶軸X91方向に該当）は47.8度に設定する。又、複屈折後の常光線及び異常光線を平行に出射するために、２つの面9a及び9bは平行に設定する。なお、第２の複屈折結晶９の表面にも、各種のコーティング、例えば耐空気ARコートを施して良い。
【００５６】
λ／４波長板４のλは、偏波面回転ミラー８に入射される光信号の波長を表す。図８に示すように、λ／４波長板４の結晶軸X4方向は、第１の複屈折結晶３の光学面での結晶軸X32に対してθ1＝45度の角度をなして傾くように設定する。前記のように、第２の複屈折結晶９の光学面での結晶軸X92方向は、前記結晶軸X32方向に対して90度異なるように設定されている。従って、前記結晶軸X4方向は、前記結晶軸X92に対しても45度の角度をなして傾くように設定される事になる。λ／４波長板４を配置する際は、第２の複屈折結晶９の他方の面9bと、λ／４波長板４の一方の面4aとを面対向させる。
【００５７】
次に、偏波面回転ミラー８の動作について図９、図１０、及び図３、図６を参照して説明を行う。まず光ファイバ２の光入出射端面2aから、光信号が一定の広がり角で出射されて、第１の複屈折結晶３に入射される。光ファイバ２から入射された直後の光信号の偏波状態は、図３に示すように、電気ベクトルの先端の回転方向が反時計回りの楕円偏波と仮定する。
【００５８】
第１の複屈折結晶３に入射した光信号は、y軸方向に沿って配置されている結晶軸X32方向に沿って分波され、図９(A)に示すように、互いに偏波方向が直交する直線偏波の常光線と異常光線の２つの光信号に分離される。
【００５９】
分波された常光線と異常光線は、第１の複屈折結晶３の他方の面3bから出射され、その後、第２の複屈折結晶９に入射される。前述の通り結晶軸X92方向は、結晶軸X32方向に対して90度異なるように設定されている。従って、第１の複屈折結晶３で常光線だった光信号の偏波面は、結晶軸X32方向と平行になる。よって、第１の複屈折結晶３を常光線で透過した光信号が、第２の複屈折結晶９では異常光線となるので、その光信号は図９(B)に示すように水平方向にシフトされて透過される。一方、第１の複屈折結晶３を異常光線で透過した光信号の偏波面は、結晶軸X92に対し垂直となるのでシフトされず、第２の複屈折結晶９を常光線として、直進して透過する。
【００６０】
以上のように、分離される２つの光信号が、第１の複屈折結晶３と第２の複屈折結晶９とを透過するときに、必ず常光線と異常光線の両方の偏波状態をとるように、結晶軸X32方向と結晶軸X92方向、及び第１の複屈折結晶３の厚みＤと、第２の複屈折結晶９の厚みＤとを設定する。
【００６１】
ここで、常光線の伝搬方向における第２の複屈折結晶９の厚み（結晶長）Ｄは、第１の複屈折結晶の厚みＤと同様に、
【００６２】
【数２】
2008065111.tif 000004
【００６３】
に設定される。第１の複屈折結晶３を透過する時の異常光線と、第２の複屈折結晶９を
透過する時の異常光線の、それぞれのシフト量が同一となるように、偏波面回転ミラー８
の光学系を組む。従って、前記のように２つの複屈折結晶３、９の厚みを同一値：Ｄに設
定すると共に、２つの複屈折結晶３、９を同一の材料で構成することが望ましい。
【００６４】
次に、２つの光信号はλ／４波長板４に入射して透過される。前記の通り、λ／４波長板４の結晶軸X4は、第２の複屈折結晶９の結晶軸X92に対して45度傾くように設定されている。従って、第２の複屈折結晶９を常光線として透過した光信号の電気ベクトルの振動方向に対して、結晶軸X4方向は、z軸方向に見て反時計回りに45度傾く。よって、λ／４波長板４を通過した前記常光線は、図９(C)の引き出し番号10bで示すような、反時計回りの円偏波となる。一方、第２の複屈折結晶９を異常光線として透過した光信号の電気ベクトルの振動方向に対して、結晶軸X4方向は、z軸方向に見て時計回りに45度傾く。よって、λ／４波長板４を通過した前記異常光線は、図９(C)の引き出し番号10aで示すような時計回りの円偏波となる。即ち、λ／４波長板４を通過した前記常光線と異常光線は、図９(C)に示すような電気ベクトルの先端の回転方向が互いに異なる、２つの円偏波10a、10bに変換される。
【００６５】
λ／４波長板４から出射した２つの円偏波10a、10bは、レンズ５で所定角度屈折して集光されるが、偏波状態は変化しない。このときの屈折角は、レンズ５の光軸X5から光信号の中心位置と、レンズ５の焦点距離により決まる。レンズ５の位置決めは、２つの円偏波10a、10bの各中心位置C10a, C10bを、レンズ５の光軸X5から等距離（中心C10aと光軸X5間の距離と、中心C10bと光軸X5間の距離とが等しい状態）となるように行う。
【００６６】
レンズ５で集光された２つの円偏波10a、10bは、入射角と反対側に、ミラー６の表面上の一点Rで、ミラー６によって点対称に反射され、図10(C)に示すように円偏波10a、10bの光路が入れ替わる。
【００６７】
前記のように、中心C10aと光軸X5間の距離と、中心C10bと光軸X5間の距離とは等距離に設定されているので、レンズ５から出射した円偏波10aと一点Rとの光路長と、同じく、レンズ５から出射した円偏波10bと一点Rとの光路長は等しくなる。又、レンズ５に入射する前に、２つの円偏波10a、10bは２つの複屈折結晶３、９によって同一距離だけシフトされている。従って、第１の複屈折結晶３の分離の際に発生する２つの光信号の光路長差が、２つの円偏波10a、10bがミラー６で反射する前に解消される。
【００６８】
反射された光信号は、再度レンズ５を透過して、レンズ５の光軸X5に関して対称の位置に出射される。従って、反射後、レンズ５に入射した円偏波10aと一点Rとの光路長と、同じくレンズ５に入射した円偏波10bと一点Rとの光路長は等しくなる。又、レンズ５の前後で円偏波10a、10bの偏波状態は変化しない。
【００６９】
レンズ５から出射された２つの円偏波10a、10bは、再度、λ／４波長板４を通過することにより、図１０(B)に示すように、電気ベクトルの振動方向が90度異なる２つの直線偏波に変換される。円偏波10aが変換されると、偏波方向が結晶軸X92方向に対して直交する直線偏波となり、一方の円偏波10bが変換されると、偏波方向が結晶軸X92方向に対して平行な直線偏波となる。従って、円偏波10bから変換された直線偏波が、第２の複屈折結晶９内部では異常光線となり、円偏波10aから変換された直線偏波が、第２の複屈折結晶９内部では常光線となる。
【００７０】
λ／４波長板４から出射された２つの直線偏波は、一定の広がり角で広がりながら伝搬し、面9bから第２の複屈折結晶９に入射する。第２の複屈折結晶９内部では、円偏波10bから変換された直線偏波が異常光線となり、図１０(A)、(B)に示すように水平方向にシフトされる。一方、円偏波10aから変換された直線偏波はシフトされず、常光線として直進する。
【００７１】
次に２つの直線偏波は、再度、面3bから第１の複屈折結晶３に入射される。第２の複屈折結晶９で常光線だった光信号の偏波面は、結晶軸X32方向と平行になる。よって、第２の複屈折結晶９を常光線で透過した光信号が、第１の複屈折結晶３では異常光線となるので、その光信号はy軸方向にシフトされる。一方、第２の複屈折結晶９を異常光線で透過した光信号の偏波面は、結晶軸X92に対し垂直となるのでシフトされず、第１の複屈折結晶３を常光線として直進して透過する。このようにして、２つの直線偏波は、１つの光信号に再合成される。再合成により形成された無偏波の光信号は、第１の複屈折結晶３の一方の面3aから出射され、光ファイバ２のコア2bに入射される。
【００７２】
光ファイバ２に入射される直前の光信号は、図６に示すように、電気ベクトルの先端の回転方向が、図３の光信号とは逆方向に変換された楕円偏波の光信号となる。コア2bに入射された光信号は、コア2b内部では光ファイバ２の等方的な屈折率分布により、無偏波の状態で伝搬される。
【００７３】
図９(C)及び図１０(C)に示すように、２つの円偏波10a、10bの偏波方向は、一点Rでの点対称反射によって、ミラー６への反射前及び反射後では、それぞれ逆方向に変換される。従って、その合成光の電気ベクトルの先端の回転方向も、図３と図６を比較すれば分かるように、光ファイバ２からの出射後と、光ファイバ２への入射前で逆方向に変換される。
【００７４】
前記のように、偏波面回転ミラー８では、レンズ５に入射した円偏波10aと一点Rとの光路長と、同じくレンズ５に入射した円偏波10bと一点Rとの光路長が等しく設定される。又、ミラー６で反射後、光ファイバ２に入射する前に、２つの光信号は２つの複屈折結晶３、９によって同一距離だけシフトされる。従って、前記再合成された無偏波の光信号が光ファイバ２に入射する前に、ミラー６で反射した２つの光信号の光路長差が解消される。
前記のように、第１の複屈折結晶３の分離の際に発生する２つの光信号の光路長差も、２つの円偏波10a、10bがミラー６で反射する前に解消される。以上により、偏波面回転ミラー８では、第１の複屈折結晶３で分離された２つの光信号の偏波依存損失（PDL：Polarization Dependent Loss）を解消することが可能となる。
【００７５】
勿論、偏波面回転ミラー８も、前記偏波面回転ミラー１が有する効果を有する。
【００７６】
なお、本発明の偏波面回転ミラー１又は８は、その技術的思想に基づいて種々変更可能であり、例えば、光ファイバ２にTECファイバを使用しても良い。光ファイバ２をTECファイバとした場合、出射光が更に広がるので、光ファイバ２とレンズ５の間の距離を狭めることができ、偏波面回転ミラー１の長さを短小化することが可能となる。
【００７７】
又、結晶軸X32及びX92の方向も実施形態に限定されず、任意に設定可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明の偏波面回転ミラーは、量子暗号装置や光スイッチ、光源、アンプ、干渉計、アドドロップに用いることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る偏波面回転ミラーの構成図。
【図２】図１の偏波面回転ミラーの複屈折結晶とλ／４波長板の配置を示す斜視図。
【図３】本発明の偏波面回転ミラーを構成する光ファイバから出射された直後の光信        号の偏波状態を表す模式図。
【図４】(A)  図１の面(A)で見た、ミラーで反射する前の二つの光信号の偏波状態を表す模式図。      (B)  図１の面(B)で見た、ミラーで反射する前の二つの光信号の偏波状態を表す模式図。
【図５】(A)  図１の面(A)で見た、ミラーで反射した後の二つの光信号の偏波状態を表す模式図。      (B)  図１の面(B)で見た、ミラーで反射した後の二つの光信号の偏波状態を表す模式図。
【図６】本発明の偏波面回転ミラーを構成する光ファイバに入射される直前の光信号        の偏波状態を表す模式図。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係る偏波面回転ミラーの構成図。
【図８】図７の偏波面回転ミラーの、第１の複屈折結晶と第２の複屈折結晶、及びλ        ／４波長板の配置を示す斜視図。
【図９】(A)  図７の面(A)で見た、ミラーで反射する前の二つの光信号の偏波状態を表す模式図。      (B)  図７の面(B)で見た、ミラーで反射する前の二つの光信号の偏波状態を表す模式図。      (C)  図７の面(C)で見た、ミラーで反射する前の二つの光信号の偏波状態を表す模式図。
【図１０】(A)  図７の面(A)で見た、ミラーで反射した後の二つの光信号の偏波状態を表す模式図。       (B)  図７の面(B)で見た、ミラーで反射した後の二つの光信号の偏波状態を表す模式図。       (C)  図７の面(C)で見た、ミラーで反射した後の二つの光信号の偏波状態を表す模式図。
【図１１】従来の光ファイバループミラーを用いた位相変調器の構成例を示す模式図。
【図１２】図１１の詳細な構成を示す模式図。
【符号の説明】
【００８０】
１、８               偏波面回転ミラー
２                   光ファイバ
３                   複屈折結晶、第１の複屈折結晶
４                   λ／４波長板
５                   レンズ
６                   ミラー
7a,7b, 10a,10b       円偏波
９                   第２の複屈折結晶
【図１】
2008065111.tif 000005
【図２】
2008065111.tif 000006
【図３】
2008065111.tif 000007
【図４】
2008065111.tif 000008
【図５】
2008065111.tif 000009
【図６】
2008065111.tif 000010
【図７】
2008065111.tif 000011
【図８】
2008065111.tif 000012
【図９】
2008065111.tif 000013
【図１０】
2008065111.tif 000014
【図１１】
2008065111.tif 000015
【図１２】
2008065111.tif 000016