(57)【要約】【課題】高速に変動する光信号の偏波状態を測定可能な技術を提供すること。【解決手段】光パルスの周期が信号光のパルスの周期と１／Δｆだけ異なり、光パルスの幅が信号光のパルスの幅より狭い、単一偏波面を有するサンプリング用の光パルスを発生させ、信号光と光パルスをそれぞれ偏波分離素子で偏波面が直交するＸ偏波成分とＹ偏波成分とに分離し、信号光のＸ偏波成分と光パルスのＸ偏波成分とを第１の光ハイブリッドに入射し、信号光のＹ偏波成分を分岐した一方の光信号と光パルスのＹ偏波成分を分岐した一方の光パルスとを第２の光ハイブリッドに入射し、信号光のＹ偏波成分を分岐した他方の光信号と前記光パルスのＹ偏波成分を分岐した他方の光パルスをさらにτだけ遅延させた光パルスとを第３の光ハイブリッドに入射し、第１〜第３の光ハイブリッドの出力光を第１〜第６のバランス型光受信器で受信し、第１〜第６のバランス型光受信器の出力値に基づき、信号光のＸ偏波成分およびＹ偏波成分の振幅と位相を求める。【選択図】      図１
2008191100.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号光の繰り返し周期と僅かに異なる周期を有し、パルス幅が信号光のパルス幅よりも短く、測定系におけるＸ偏波成分とＹ偏波成分とをほぼ均等に有する光パルスを発生するサンプリングパルス発生手段と、
前記信号光とサンプリングパルスとを、それぞれＸ偏波成分とＹ偏波成分に分離する手段と、
前記偏波分離された信号光とサンプリングパルスとのＹ偏波成分を第１のＹ偏波成分と第２のＹ偏波成分とに分岐する分岐手段と、
前記信号光及びサンプリングパルスの第２のＹ偏波成分のいずれかを所定時間遅延させる遅延手段と、
前記信号光及びサンプリングパルスのＸ偏波成分を入力し、前記信号光及びサンプリングパルスのＸ偏波成分のいずれか一方の位相をπ／２シフトさせる第１の光９０度ハイブリッドと、
前記信号光及びサンプリングパルスの第１のＹ偏波成分を入力し、前記信号光及びサンプリングパルスの第１のＹ偏波成分のいずれか一方の位相をπ／２シフトさせる第２の光９０度ハイブリッドと、
前記遅延手段の後段に配置され、前記信号光及びサンプリングパルスの第２のＹ偏波成分を入力し、前記信号光及びサンプリングパルスの第２のＹ偏波成分のいずれか一方の位相をπ／２シフトさせる第３の光９０度ハイブリッドと、
前記第１の光９０度ハイブリッドからの前記信号光及びサンプリングパルスのＸ偏波成分を受信して、第１及び第２の電流をそれぞれ出力する第１及び第２のバランス型光受信器と、
前記第２の光９０度ハイブリッドからの前記信号光及びサンプリングパルスの第１のＹ偏波成分を受信して、第３及び第４の電流をそれぞれ出力する第３及び第４のバランス型光受信器と、
前記第３の光９０度ハイブリッドからの前記信号光及びサンプリングパルスの第２のＹ偏波成分を受信して、第５及び第６の電流をそれぞれ出力する第５及び第６のバランス型光受信器と、
前記第１〜第６の電流の電流値に対して演算処理を行う演算処理装置と、を具備することを特徴とする光サンプリング装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光サンプリング装置において、前記演算処理装置は、
第１〜第６のバランス型光受信器からの出力電流値をそれぞれＰ1（ｔ0）、Ｐ2（ｔ0）、Ｐ3（ｔ0）、Ｐ4（ｔ0）、Ｐ5（ｔ0）、Ｐ6（ｔ0）とすると、
第１の電流値Ｐ1（ｔ0）と第２の電流値Ｐ2（ｔ0）を二乗和し、第３の電流値のＰ3（ｔ0）と第４の電流値Ｐ4（ｔ0）を二乗和し、この二乗和した２つの値に基づき信号光のＸ偏波成分とＹ偏波成分の振幅を算出し、
第１の電流値Ｐ1（ｔ0）を第２の電流値Ｐ2（ｔ0）で除算し、第３の電流値Ｐ3（ｔ0）を第４の電流値のＰ4（ｔ0）で除算し、第５の電流値Ｐ5（ｔ0）を第６の電流値のＰ6（ｔ0）で除算し、この除算した３つの値に基づき信号光のＸ偏波成分とＹ偏波成分の位相を算出することを特徴とする光サンプリング装置。
【請求項３】
前記信号光の繰り返し周期と僅かに異なる周期を有し、パルス幅が信号光のパルス幅よりも短く、測定系におけるＸ偏波成分とＹ偏波成分とをほぼ均等に有する光パルスを発生するサンプリングパルス発生手段と、
前記信号光とサンプリングパルスとを、それぞれＸ偏波成分とＹ偏波成分に分離する手段と、
前記信号光及びサンプリングパルスのＸ偏波成分を入力し、前記信号光及びサンプリングパルスのＸ偏波成分のいずれか一方の位相をπ／２シフトさせる第１の光９０度ハイブリッドと、
前記信号光及びサンプリングパルスのＹ偏波成分を入力し、前記信号光及びサンプリングパルスの第１のＹ偏波成分のいずれか一方の位相をπ／２シフトさせる第２の光９０度ハイブリッドと、
前記第１の光９０度ハイブリッドまたは第２の光９０度ハイブリッドの前段に配置され、前記信号光またはサンプリングパルスのＸ偏波成分又はＹ偏波成分のいずれかを遅延させる遅延量が切替可能な可変遅延手段と、
前記第１の光９０度ハイブリッドからの前記信号光及びサンプリングパルスのＸ偏波成分を受信して、第１、第２及び第５、第６の電流をそれぞれ出力する第１及び第２のバランス型光受信器と、
前記第２の光９０度ハイブリッドからの前記信号光及びサンプリングパルスのＹ偏波成分を受信して、第３、第４及び第７、第８の電流をそれぞれ出力する第３及び第４のバランス型光受信器と、
前記第１〜第８の電流の電流値に対して演算処理を行う演算処理装置と、を具備することを特徴とする光サンプリング装置。
【請求項４】
請求項３に記載の光サンプリング装置において、前記演算処理手段は、
前記可変遅延手段の切替に応じて第１〜第４のバランス型光受信器から出力される前記第１〜第８の電流の電流値をそれぞれＱ1（ｔ0）、Ｑ2（ｔ0）、Ｑ3（ｔ0）、Ｑ4（ｔ0）、Ｑ5（ｔ0）、Ｑ6（ｔ0）、Ｑ7（ｔ0）、Ｑ8（ｔ0）とすると、
第１の電流値Ｑ1（ｔ0）と第２の電流値Ｑ2（ｔ0）を二乗和し、第３の電流値のＱ3（ｔ0）と第４の電流値Ｑ4（ｔ0）を二乗和し、この二乗和した２つの値に基づき信号光のＸ偏波成分とＹ偏波成分の振幅を算出し、
第１の電流値Ｑ1（ｔ0）を第２の電流値Ｑ2（ｔ0）で除算し、第３の電流値Ｑ3（ｔ0）を第４の電流値のＱ4（ｔ0）で除算し、第５の電流値Ｑ5（ｔ0）を第６の電流値のＱ6（ｔ0）で除算し、第７の電流値Ｑ7（ｔ0）を第８の電流値のＱ8（ｔ0）で除算し、この除算した値に基づき信号光のＸ偏波成分とＹ偏波成分の位相を算出することを特徴とする光サンプリング装置。
【請求項５】
信号光の繰り返し周期を僅かに異なる周期を有し、パルス幅が信号光のパルス幅よりも短く、測定系におけるＸ偏波成分とＹ偏波成分とをほぼ均等に有する光パルスを発生し、
前記信号光とサンプリングパルスとを、それぞれＸ偏波成分とＹ偏波成分に分離し、
前記偏波分離された信号光とサンプリングパルスとのＹ偏波成分を第１のＹ偏波成分と第２のＹ偏波成分とに分岐し、
前記信号光及びサンプリングパルスの第２のＹ偏波成分のいずれかを所定時間遅延させ、
前記信号光及びサンプリングパルスのＸ偏波成分のいずれか一方の位相をπ／２シフトさせ、
前記信号光及びサンプリングパルスの第１のＹ偏波成分のいずれか一方の位相をπ／２シフトさせ、
いずれか一方が遅延された前記信号光及びサンプリングパルスの第２のＹ偏波成分のいずれか一方の位相をπ／２シフトさせ、
いずれか一方の位相がシフトされた前記信号光及びサンプリングパルスのＸ偏波成分を第１及び第２の電流の電流値に変換し、
いずれか一方の位相がシフトされた前記信号光及びサンプリングパルスの第１のＹ偏波成分を第１及び第２の電流の電流値に変換し、
いずれか一方の位相がシフトされた前記信号光及びサンプリングパルスの第２のＹ偏波成分を第１及び第２の電流の電流値に変換し、
前記第１〜第６の電流の電流値に対して所定の演算処理を施して信号光のＸ偏波成分とＹ偏波成分の振幅と位相を求めること、を特徴とする光サンプリング方法。
【請求項６】
請求項５に記載の光サンプリング方法において、前記演算処理は、
第１〜第６のバランス型光受信器からの出力電流値をそれぞれＰ1（ｔ0）、Ｐ2（ｔ0）、Ｐ3（ｔ0）、Ｐ4（ｔ0）、Ｐ5（ｔ0）、Ｐ6（ｔ0）とすると、第１の電流値Ｐｌ（ｔ0）と第２の電流値Ｐ2（ｔ0）を二乗和し、第３の電流値のＰ3（ｔ0）と第４の電流値Ｐ4（ｔ0）を二乗和し、この二乗和した２つの値に基づき信号光のＸ偏波成分とＹ偏波成分の振幅を算出し、
第１の電流値Ｐ1（ｔ0）を第２の電流値Ｐ2（ｔ0）で除算し、第３の電流値Ｐ3（ｔ0）を第４の電流値のＰ4（ｔ0）で除算し、第５の電流値Ｐ5（ｔ0）を第６の電流値のＰ6（ｔ0）で除算し、この除算した３つの値を基づき信号光のＸ偏波成分とＹ偏波成分の位相を算出することを特徴とする光サンプリング方法。
【請求項７】
信号光の繰り返し周期を僅かに異なる周期を有し、パルス幅が信号光のパルス幅よりも短く、測定系におけるＸ偏波成分とＹ偏波成分とをほぼ均等に有する光パルスを発生し、
前記信号光とサンプリングパルスとを、それぞれＸ偏波成分とＹ偏波成分に分離し、
信号光またはサンプリングパルスのＸ偏波成分とＹ偏波成分のどちらか一方を、遅延量を切替可能に遅延し、
前記信号光及びサンプリングパルスのＸ偏波成分のいずれか一方の位相をπ／２シフトさせ、
前記信号光及びサンプリングパルスのＹ偏波成分のいずれか一方の位相をπ／２シフトさせ、
いずれか一方の位相がシフトされた前記信号光及びサンプリングパルスのＸ偏波成分及びＹ偏波成分を電流値に変換し、
この電流値に基づいて信号光のＸ偏波成分とＹ偏波成分の振幅と位相を求める光サンプリング方法であって、
前記遅延量が０に設定されたときは、いずれか一方の位相がシフトされた前記信号光及びサンプリングパルスのＸ偏波成分を第１及び第２の電流の電流値に変換し、かつ、いずれか一方の位相がシフトされた前記信号光及びサンプリングパルスのＹ偏波成分を第３及び第４の電流の電流値に変換し、
前記遅延量が所定の遅延量に設定されたときは、いずれか一方の位相がシフトされた前記信号光及びサンプリングパルスのＸ偏波成分を第５及び第６の電流の電流値に変換し、かつ、いずれか一方の位相がシフトされた前記信号光及びサンプリングパルスのＹ偏波成分を第７及び第８の電流の電流値に変換し、
前記遅延量に応じた前記第１〜第８の電流の電流値に対して演算処理が行われること、を特徴とする光サンプリング方法。
【請求項８】
請求項７に記載の光サンプリング方法において、前記演算処理は、
前記可変遅延手段の切替に応じて２回に分けて入力される前記第１〜第４のバランス型光受信器から出力される前記第１〜第８の電流の電流値をそれぞれＱ1、（ｔ0）、Ｑ2（ｔ0）、Ｑ3（ｔ0）、Ｑ4（ｔ0）、Ｑ5（ｔ0）、Ｑ6（ｔ0）、Ｑ7（ｔ0）、Ｑ8（ｔ0）とすると、第１の電流値Ｑ1（ｔ0）と第２の電流値Ｑ2（ｔ0）を二乗和し、第３の電流値のＱ3（ｔ0）と第４の電流値Ｑ4（ｔ0）を二乗和し、この二乗和した２つの値に基づき信号光のＸ偏波成分とＹ偏波成分の振幅を算出し、
第１の電流値Ｑ1（ｔ0）を第２の電流値Ｑ2（ｔ0）で除算し、第３の電流値Ｑ3（ｔ0）を第４の電流値のＱ4（ｔ0）で除算し、第５の電流値Ｑ5（ｔ0）を第６の電流値のＱ6（ｔ0）で除算し、第７の電流値Ｑ7（ｔ0）を第８の電流値のＱ8（ｔ0）で除算し、この除算した値を基づき信号光のＸ偏波成分とＹ偏波成分の位相を算出することを特徴とする光サンプリング方法。
【請求項９】
請求項５および請求項７記載の光サンプリング方法において、前記時間の関数として算出された信号光のＸ偏波成分とＹ偏波成分の振幅と位相、すなわちＸ偏波成分とＹ偏波成分の複素振幅をフーリエ変換して周波数の関数に変換し、この値に基づいてＰＭＤベクトルを算出することを特徴とする光サンプリング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光サンプリング技術、特に、超高速光通信システムにおいて高速に変動する信号光の偏波状態を測定する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
１チャンネル当りの伝送速度が４０ギガビット毎秒以上の超高速光通信システムにおいて、光ファイバの分散特性、特に偏波モード分散の管理が重要な課題となっている。通常の光ファイバは、熱、張力、圧力といった様々な外的要因によりコア径が理想的円形からくずれ、コア内部に複屈折が存在し、偏波モード分散が生じる。これらの外的要因の変化によって高速に変動する偏波モード分散は超高速光通信システムにおいて主な伝送容量制限の要因となる。この偏波モード分散を評価・補償する上で、高速に変動する信号光の偏波状態を測定することは不可欠である。
【０００３】
偏波状態測定器として、偏光子と波長板を用いたものが知られ、既に製品化されている。この方法では、被測定光である信号光を４分岐した上で、偏光子や波長板等で構成された空間光学系を介して受光し、信号光のＸ偏波成分の振幅、Ｙ偏波成分の振幅、Ｘ偏波成分とＹ偏波成分の位相差を求めている（非特許文献１参照）。  
しかし、この偏波状態測定器の測定レートは３５００毎秒以上であることから、超高速光通信シスデムの光伝送路や光デバイス中で高速に変動する信号光の偏波状態を測定することは不可能である。
【０００４】
なお、光サンプリングに関する技術として、信号光と局発光パルスとの線形相関を観測することにより、局発パルスのパルス幅を時間分解能とする、信号光の強度変調成分と周波数変調成分を同時に観測する技術が知られている（たとえば、特許文献１および特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開平９−１６２８０８号公報
【０００６】
【特許文献２】特開２００４−１３２７１９号公報
【０００７】
【非特許文献１】日本ヒューレット・パッカード株式会社、「光測定器カタログ１９９８−１９９９」、ｐ．８０−８４、１９９８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、高速に変動する光信号の偏波状態を測定可能な技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の局面に係る光サンプリング装置は、信号光の繰り返し周期と僅かに異なる周期を有し、パルス幅が信号光のパルス幅よりも短く、測定系におけるＸ偏波成分とＹ偏波成分とをほぼ均等に有する光パルスを発生するサンプリングパルス発生手段と、前記信号光とサンプリングパルスとを、それぞれＸ偏波成分とＹ偏波成分に分離する手段と、前記偏波分離された信号光とサンプリングパルスとのＹ偏波成分を第１のＹ偏波成分と第２のＹ偏波成分とに分岐する分岐手段と、前記信号光及びサンプリングパルスの第２のＹ偏波成分のいずれかを所定時間遅延させる遅延手段と、前記信号光及びサンプリングパルスのＸ偏波成分を入力し、前記信号光及びサンプリングパルスのＸ偏波成分のいずれか一方の位相をπ／２シフトさせる第１の光９０度ハイブリッドと、前記信号光及びサンプリングパルスの第１のＹ偏波成分を入力し、前記信号光及びサンプリングパルスの第１のＹ偏波成分のいずれか一方の位相をπ／２シフトさせる第２の光９０度ハイブリッドと、前記遅延手段の後段に配置され、前記信号光及びサンプリングパルスの第２のＹ偏波成分を入力し、前記信号光及びサンプリングパルスの第２のＹ偏波成分のいずれか一方の位相をπ／２シフトさせる第３の光９０度ハイブリッドと、前記第１の光９０度ハイブリッドからの前記信号光及びサンプリングパルスのＸ偏波成分を受信して、第１及び第２の電流をそれぞれ出力する第１及び第２のバランス型光受信器と、前記第２の光９０度ハイブリッドからの前記信号光及びサンプリングパルスの第１のＹ偏波成分を受信して、第３及び第４の電流をそれぞれ出力する第３及び第４のバランス型光受信器と、前記第３の光９０度ハイブリッドからの前記信号光及びサンプリングパルスの第２のＹ偏波成分を受信して、第５及び第６の電流をそれぞれ出力する第５及び第６のバランス型光受信器と、前記第１〜第６の電流の電流値に対して演算処理を行う演算処理装置と、を具備することを特徴とする。本発明は、装置に限らず、装置で実現される方法の発明としても成立する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、高速に変動する光信号の偏波状態を測定することができる。すなわち、信号光のＸ偏波成分とＹ偏波成分それぞれに対して、サンプリングパルスのＸ偏波成分とＹ偏波成分との線形な相関である干渉効果を検出する光サンプリングが実現でき、信号光のＸ偏波成分とＹ偏波成分の振幅と位相を観測することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る光サンプリング装置の概略構成を示す図である。本実施形態に係る光サンプリング装置は、サンプリングパルス発生手段１と、偏波分離素子２−１及び２−２と、分岐素子３−１及び３−２と、遅延手段４−２と、第１から第３の光９０度ハイブリッド５−１〜５−３と、第１から第６のバランス型受光器６−１〜６−６と、第１から第６の低域通過濾波器７−１〜７−６と、第１から第６の数値化手段８−１〜８−６と、演算処理装置９とを備えている。
【００１２】
サンプリングパルス発生手段１は、繰り返し信号光（以下、単に「信号光」と称する）の繰り返し周期１／ｆに、オフセット△ｆを加えた周期１／（ｆ＋△ｆ）を有するサンプリングパルスを発生する。このサンプリングパルスは、測定系にくくりつけられたＸ−Ｙ座標に対してＸ偏波成分とＹ偏波成分の両方の成分をほぼ均等に持っている。ここで、オフセットΔｆの設定は観測対象となる信号光に応じて変化させるものとするが、オフセットΔｆの値によって信号が次のように観測される。オフセットΔｆを増加させると観測（表示）できる信号パルスの数は増加するが、観測された各々の信号パルスは粗くなる。一方、オフセットΔｆを減少させると信号光を細かく観測できるが、観測できる信号パルスの数は減少する。これらの関係は一定のメモリ（サンプリング数）に対してトレードオフの関係にある。即ち、任意の信号光に対して、測定結果の拡大率（すなわち、信号光の観察の細かさ）を上げるためには、オフセットΔｆを減少させればよい。このため、本発明では、測定系の時間分解能及び空間分解能に依存するが、サブピコレベルの高速な測定が可能となっている。
【００１３】
サンプリングパルス発生手段１から出力される局発光パルスであるサンプリングパルスは偏波分離素子２−１で、信号光は偏波分離素子２−２で、それぞれ互いに偏波面が９０度異なるＸ偏波成分とＹ偏波成分とに分離される。偏波分離素子２−１及び２−２として、例えば偏波ビームスプリッタやルチル、方解石等の偏光素子を利用することができる。これらの偏波分離素子は、入射された信号光およびサンプリングパルスを基準方向（０度方向）の偏波成分（Ｘ偏波）と基準方向に対して９０度方向の偏波成分（Ｙ偏波）に分離する。
【００１４】
分離素子２−１で分離されたサンプリングパルスのＹ偏波成分は分岐手段３−１で第１のＹ偏波成分と第２のＹ偏波成分に分岐され、信号光のＹ偏波成分は分岐手段３−１で第１のＹ偏波成分と第２のＹ偏波成分に分岐される。そして、サンプリングパルスの第１のＹ偏波成分は、詳細は後述する補正手段４−１で位相が補正され、サンプリングパルスの第２のＹ偏波成分は遅延手段４−２で所定時間遅延される。ここで、遅延手段４−２は、サンプリングパルスの第２のＹ偏波成分を遅延させているが、サンプリングパルスと信号光との相対的な時間遅延を制御するものであるので、サンプリングパルスの第２のＹ偏波成分に代わり信号光の第２のＹ偏波成分を所定時間遅延させてもよい。また、Ｙ偏波成分ではなくＸ偏波成分を第１と第２の偏波成分に分岐して、その一方に対して遅延手段を設けて同様の作用を実現することもできる。
【００１５】
偏波分離素子２−１および２−２で分離された信号光のＸ偏波成分とサンプリングパルスのＸ偏波成分は、第１の光ハイブリッド５−１に入射して、信号光のＸ偏波成分とサンプリングパルスのＸ偏波成分のいずれか一方の位相が、第１の光ハイブリッド５−１でπ／２シフトされる。  
また、信号光の第１のＹ偏波成分とサンプリングパルスの第１のＹ偏波成分は、第２の光ハイブリッド５−２に入射して、信号光の第１のＹ偏波成分とサンプリングパルスの第１のＹ偏波成分のいずれか一方の位相が、第２の光ハイブリッド５−２でπ／２シフトされる。  
また、信号光の第２のＹ偏波成分とサンプリングパルスの第２のＹ偏波成分は、第３の光ハイブリッド５−３に入射して、信号光の第２のＹ偏波成分とサンプリングパルスの第２のＹ偏波成分のいずれか一方の位相が第３の光ハイブリッド５−３でπ／２シフトされる。  
上記の第１〜第３の光９０度ハイブリッド５−１〜５−３は、例えばハーフミラーと偏波分離素子を用いた空間光学系や集積された光回路によって実現することが知られている。
【００１６】
第１〜第３の光ハイブリッド５−１〜５−３からの出力光は、第１〜第６のバランス型光受信器６−１〜６−６で受信される。この第１〜第６のバランス型光受信器６−１〜６−６からの出力は、サンプリングパルスの繰り返し周期程度に設定された第１〜第６の低域通過濾波器７−１〜７−６で波形等化された後に、第１から第６の数値化手段８−１〜８−６で数値化されてから、演算処理装置９に入力する。演算処理装置９は、入力された６つの数値化された信号、すなわち第１〜第６のバランス型光受信器に生じた６つの電流値に対して下記に説明するような演算処理を行い、信号光のＸ偏波成分とＹ偏波成分の振幅と位相を求める。
【００１７】
次に、上記のように構成された本実施形態の光サンプリング装置の動作について説明する。  
サンプリングパルスは、次の条件を満足する必要がある。これらの条件及び光ハイブリッドの作用は、従来の光サンプリング技術（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）と同様である。  
（条件１）信号光の強度は、サンプリング光パルスのパルス幅の時間内においてはほとんど変化しないこと。  
（条件２）信号光の周波数は、サンプリング光パルスのパルス幅の時間内においてはほとんど変化しないこと。  
（条件３）サンプリング光の中心周波数は、信号光の中心周波数と一致していること。  
上記の条件１、２より、高速に変動する信号光の偏波状態を測定するためには要求される時間分解能よりも十分に短いサンプリング光パルスを用意する必要がある。上記の条件が満足される場合には、本発明の光サンプリング装置によって信号のＸ偏波成分とＹ偏波成分の振幅と位相が正しく検出されることを以下に説明する。
まず、信号光の偏波状態は次式で表される。  
【数１】
2008191100.tif 000003
ここで、ａsx（ｔ）、ａsy（ｔ）は信号光のＸ、Ｙ偏波成分の振幅であり、φsx（ｔ）、φsy（ｔ）は信号光のＸ、Ｙ偏波成分の位相である。
一方、上記条件を満たす基準方向に対して４５度方向を向く単一偏波面を有したサンプリングパルスの偏波状態は、次式で表される。  
【数２】
2008191100.tif 000004
ここで、ａp（ｔ）、φpはサンプリングパルスのＸ、Ｙ偏波成分の振幅とＸ、Ｙ偏波成分の位相であり、ｔ0はパルスの中心位置である。上記条件３より両者の中心周波数をω0と置く。
【００１８】
信号光のＸ、Ｙ偏波成分の相対位相差をδxy（ｔ）とすると、任意の時刻における信号光の偏波状態を示すジョーンズベクトルは、上記３つのパラメータ｛ａsx（ｔ）、ａsy（ｔ）、δxy（ｔ）｝により一意に決定される。  
この時、第１の光ハイブリッド５−１を介して第１及び第２のバランス型光受信器６−１、６−２から出力される電流の電流値Ｐ1（ｔ）、Ｐ2（ｔ）はそれぞれ次のように表される。  
【数３】
2008191100.tif 000005
【００１９】
上記の電流値を用いて、Ｘ偏波成分とＹ偏波成分の（瞬時）振幅を求めるための流れを図２に、Ｘ偏波成分とＹ偏波成分の位相を求めるための流れを図３に示す。なお、図２及び図３における測定値Ｐ1（ｔ）〜Ｐ6（ｔ）は、第１から第６の数値化手段８−１〜８−６から出力されたものであるものとして、以下の説明を行う。従って、図２及び図３に示す処理は、全て演算処理装置９で実行されるものとする。
【００２０】
図２に示すように、Ｘ偏波成分の振幅は、第１の光ハイブリッド介して第１及び第２のバランス型光受信器６−１、６−２から出力されるサンプリングパルス及び信号光のＸ偏波成分の電流値Ｐ1（ｔ）とＰ2（ｔ）をそれぞれ２乗（ステップＡ１１、Ａ１２）した後に加算（ステップＡ２１）して、その平方根（ステップＡ３１）をとることにより求められる（ステップＡ４１）。従って、信号光のＸ偏波成分の振幅ａsx（ｔ0）は、  
【数４】
2008191100.tif 000006
となる。  
同様に、第２の光ハイブリッド５−２を介して第３及び第４のバランス型光受信器６−３、６−４から出力される電流の電流値Ｐ3（ｔ）、Ｐ4（ｔ）より求められる信号光のＹ偏波成分の振幅ａsy（ｔ）は、  
【数５】
2008191100.tif 000007
となる（ステップＡ１３、Ａ１４、Ａ２２、Ａ３２、Ａ４２）。
【００２１】
次に、Ｘ偏波成分の位相とＹ偏波成分の位相は、図３に示すように求められる。  
まず、第１の光ハイブリッド５−１を介して第１及び第２のバランス型光受信器６−１、６−２から出力される電流の電流値Ｐ1（ｔ）、Ｐ2（ｔ）と、第２の光ハイブリッド５−２を介して第３及び第４のバランス型光受信器６−３、６−４から出力される電流の電流値Ｐ3（ｔ）、Ｐ4（ｔ）と、第３の光ハイブリッド５−３を介して第５及び第６のバランス型光受信器６−５、６−６から出力される電流の電流値Ｐ5（ｔ）、Ｐ6（ｔ）のそれぞれの比を計算して、その結果に対して第１から第３の逆正接（アークタンジェント）が計算される（ステップＢ１１〜Ｂ１３）。例えば、第１の光ハイブリッド５−１を介して第１及び第２のバランス型光受信器６−１、６−２から出力される電流の電流値Ｐ1（ｔ）、Ｐ2（ｔ）から、信号光のＸ偏波成分の位相φsx（ｔ）とサンプリングパルスのＸ偏波成分の位相φpの位相差φsx（ｔ）−φpが求められ、  
【００２２】
【数６】
2008191100.tif 000008
となる（ステップＢ１１）。  
【００２３】
そして、第２の光ハイブリッド５−２を介して第３及び第４のバランス型光受信器６−３、６−４から出力される電流の電流値Ｐ3（ｔ）、Ｐ4（ｔ）から、信号光のＹ偏波成分の位相φsy（ｔ）とサンプリングパルスのＹ偏波成分の位相φpの位相差φsy（ｔ）−φpが求められ、  
【数７】
2008191100.tif 000009
となる（ステップＢ１２）。式（６）において、φoffは第１の光ハイブリッドと第２の光ハイブリッド間の光路差によって生じる相対的な位相差であり、補正手段４−１で補正された位相分である。この第１の光ハイブリッドと第２の光ハイブリッド間の光路差によって生じる相対的な位相差φoffは、測定開始前に予め求めておく必要がある。この位相差は、例えば、Ｘ−Ｙ座標に対して４５°傾いた直線偏波を信号光として入力することで予測することができる。
【００２４】
第２の光ハイブリッドと第３の光ハイブリッド間では、遅延τに相当する光路差を設けて、その光路差（時間遅延）によって生じた位相変化量から、単位時間当たりの位相変化（瞬時周波数）と、さらにＹ偏波成分の位相を求める。第１の光ハイブリッドと第２の光ハイブリッドの光路差はφoffで補正され、上記で求められたＹ偏波成分の位相に基づき、Ｘ偏波成分の位相を求めることができる。
【００２５】
なお、第１と第２と第３の光ハイブリッド間の光路差はφoffとτとで関係付けられるため、第１の光ハイブリッドと第３の光ハイブリッド間の光路差によって生じる相対的な位相差は、直接、考慮する必要はない。
【００２６】
また、第３の光ハイブリッド５−３を介して第５及び第６のバランス型光受信器６−５、６−６から出力される電流の電流値Ｐ5（ｔ）、Ｐ6（ｔ）より求められる信号光のＹ偏波成分の位相φsy（ｔ＋τ）とサンプリングパルスのＹ偏波成分の位相φpの位相差φsy（ｔ＋τ）−φpは次のように表される（ステップＢ１３）。  
【数８】
2008191100.tif 000010
【００２７】
式（３）〜式（６）より信号光の偏波状態を表すジョーンズベクトル［ａsx（ｔ），ａsy（ｔ）exp｛ｉδxy（ｔ0）」を求める演算を以下のように行う。
【００２８】
まず、δxy（ｔ0）は、式（５）と式（６）より次式のように計算される。
【数９】
2008191100.tif 000011
【００２９】
また、式（６）と式（７）より次式が得られる（ステップＢ３）。
【数１０】
2008191100.tif 000012
【００３０】
これは時間遅延τでのＹ偏波成分の位相の変化量であり、瞬時周波数に相当する。そして、この瞬時周波数を積分することにより（ステップＢ４）信号光のＹ偏波成分の位相φsy（ｔ）が求められる（ステップＢ５）。また、信号光のＸ偏波成分の位相φsx（ｔ）も式（８）より、式（９）によって計算される（ステップＢ６）。  
【数１１】
2008191100.tif 000013
【００３１】
したがって、上述したような演算処理を行うことにより、信号光のＸ、Ｙ偏波成分の振幅と位相を求めることができる。
【００３２】
なお、上記演算処理で求められた信号光のＸ、Ｙ偏波成分の振幅ａsx（ｔ）、ａsy（ｔ）から、  
【数１２】
2008191100.tif 000014
なる計算を行うことにより、強度変調成分Ｉ（ｔ0）を得ることができる。
【００３３】
本実施形態では、信号光がＸ偏波のみの場合には、φsy（ｔ0＋τ）−φsy（ｔ0）を得ることができないが、信号光を入力する前に、偏光回転子を用いることにより、そのような状況は回避することができる。
【００３４】
本発明の第２の実施形態に係る光サンプリング装置を、図４を参照して説明する。図４は、本発明の第２の実施形態に係る光サンプリング装置の概略構成を示す図である。本実施形態において、可変遅延手段１０で付与される時間遅延を０に設定した場合でも、第１の光ハイブリッドと第２の光ハイブリッド間の光路差によって生じる相対的な位相差は０ではない。このため、図４ではφoffを省略して記載しているが、本実施形態においても、第１の実施形態と同様、φoffを考慮する必要がある。なお、図４において、図１と同じものには同じ符号を付している。
【００３５】
サンプリングパルス発生手段１は、信号光の繰り返し周期１／ｆにオフセット△ｆを加えた周期１／（ｆ＋△ｆ）のサンプリングパルスを発生する。
サンプリングパルス発生手段１から出力される局発光パルスであるサンプリングパルスは偏波分離素子２−１で、信号光は偏波分離素子２−２で、それぞれ互いに偏波面が９０度異なるＸ偏波成分とＹ偏波成分とに分離される。分離されたサンプリングパルスのＸ偏波成分と信号光のＸ偏波成分は、第１の光ハイブリッド５−１に入射する。可変遅延手段１０で所定時間遅延させられたサンプリングパルスのＹ偏波成分と遅延させられていない信号光のＹ偏波成分は第２の光ハイブリッド５−３に入射する。
【００３６】
第１及び第２の光ハイブリッド５−１、５−２からの出力光は、第１〜第４のバランス型光受信器６−１〜６−４で受信される。この第１〜第４のバランス型光受信器からの出力電流は、遮断周波数がサンプリングパルスの繰り返し周期程度に設定された第１〜第４の低域通過濾波器７−１〜７−４で波形等化された後、第１から第４の数値化手段８−１〜８−４で数値化されてから、演算処理装置９に入力される。
【００３７】
上記のように構成された本実施形態に係る光サンプリング装置の動作について説明する。  
可変遅延手段１０で付与される時間遅延をゼロと設定した場合、第１〜第４のバランス型光受信器からの出力電流はそれぞれの第１の実施形態における第１〜第４のバランス型光受信器からの出力電流の電流値Ｐ1（ｔ）〜Ｐ4（ｔ）に相当する。したがって、式（３）〜式（６）が得られる。
【００３８】
次に、可変遅延手段１０の時間遅延をτと設定した場合、第３及び第４のバランス型光受信器６−３、６−４からの出力電流はそれぞれの第１の実施形態における第５及び第６のバランス型光受信器６−５、６−６からの出力電流の電流値Ｐ5（ｔ）、Ｐ6（ｔ）に相当する。したがって、式（７）が得られる。
【００３９】
演算処理装置９は、上記のように２回に分けて入力される６つの電流値に対して演算処理を行い、信号光のＸ偏波成分とＹ偏波成分の振幅と位相を求める。しかし、信号光のＸ偏波成分は、遅延時間τに依存せずに求めることができるので、図５に示すように、第１の実施形態と同様に求められる。
【００４０】
次に、第２の実施形態では、１回目の測定値（図６における第１の測定：時間遅延０の場合）と２回目の測定値（図６における第２の測定：時間遅延τの場合）の時間軸を一致させて対応付ける必要がある。このため、１回目の測定値と２回目の測定値のそれぞれから信号光のＸ偏波成分の振幅波形を求め（ステップＢ７２）、それの振幅波形を比較し、最も相関がとれている時間を求める。そして、その時間に基づき１回目の測定値と２回目の測定値の時間軸を一致させて、１回目の測定値と２回目の測定値とを対応付けることとする（ステップＢ８）。以降の処理は、図４と同様であるので、説明は省略する。
【００４１】
以下、第１および第２の実施形態の演算処理において算出されたＸ偏波成分とＹ偏波成分の複素振幅を使って、複屈折媒体の偏波モード分散ベクトルを測定する偏波モード分散ベクトルの測定方法について説明する。
【００４２】
連続した複屈折媒体で構成される光通信システムにおいて、全体的な偏波モード分散の影響は、個々の複屈折媒体のＰＭＤベクトルの総和として評価することができる。
【００４３】
偏波モード分散ベクトルはストークス空間（ポアンカレ球）において、ストークスベクトルとして定義されるものであり、方向は複屈折媒体から出力光の遅い主偏波状態を示すストークスベクトルに平行で、大きさは群遅延量τである。  
【数１３】
2008191100.tif 000015
【００４４】
また、光周波数ｕを変化させた時の偏波の運動は次式で表される。
【数１４】
2008191100.tif 000016
【００４５】
式（１２）よりＰＭＤベクトルは次式で表される
【数１５】
2008191100.tif 000017
【００４６】
ある偏波状態の信号光を媒体複屈折媒体に入力し出力側での出力光の偏波状態を［ｘout（ｔ）、ｙout（ｔ）］とし、前記時間の関数として表された出力光の偏波状態をフーリエ変換したものを［ｘout（ω）、ｙout（ω）］とすると、これは周波数空間でのジョーンズベクトルとみなすことができる。これをストークスベクトルに変換すれば、周波数の関数としてストークス空間での出力光の偏波状態が求められる。
【００４７】
本発明では、第１および第２の実施形態の演算処理において、式（１）に示す信号光のＸ偏波成分とＹ偏波成分の複素振幅｛ａsx（ｔ），ａsy（ｔ），φsx（ｔ）、φsy（ｔ）｝、すなわち出力光の偏波状態を［ｘout（ｔ）、ｙout（ｔ）］を完全に測定することが可能である。したがって、媒体複屈折媒体からの出力光のＸ偏波成分とＹ偏波成分の複素振幅とその時間変化を測定することで、複屈折媒体からの出力光の偏波状態を示すストークスベクトルＳとＳの変化量ｄＳ／ｄωを得ることが可能となり、これらの値を用いて、式（１３）と式（１４）よりＰＭＤベクトルτを求めることができる。
【００４８】
以上説明したように、本実施形態に係る光サンプリング装置は高速に変動する光信号の偏波状態を測定できる。また、信号光とサンプリングパルスの線形な相関である干渉効果を検出して光サンプリングを実現でき、高速な信号光の波形の測定と同時に、信号光の偏波状態の測定が可能となる。
【００４９】
本発明は、上記各実施の形態に限ることなく、その他、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々の変形を実施し得ることが可能である。さらに、上記各実施形態には、種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組合せにより種々の発明が抽出され得る。  
また、例えば各実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る光サンプリング装置の概略構成を示す図である。
【図２】Ｘ偏波成分とＹ偏波成分の（瞬時）振幅を求めるための流れを示す図である。
【図３】Ｘ偏波成分とＹ偏波成分の位相を求めるための流れを示す図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る光サンプリング装置の概略構成を示す図である。
【図５】Ｘ偏波成分とＹ偏波成分の（瞬時）振幅を求めるための流れを示す図である。
【図６】Ｘ偏波成分とＹ偏波成分の位相を求めるための流れを示す図である。
【符号の説明】
【００５１】
１…サンプリングパルス発生手段
２−１、２−２…偏波分離素子
３−１、３−２…分岐素子
４−１…補正手段
４−２…遅延手段
５−１〜５−３…光９０度ハイブリッド
６−１〜６−６…バランス型受光器
７−１〜７−６…低域通過濾波器
８−１〜８−６…数値化手段
９…演算処理装置
１０…可変遅延手段
【図１】
2008191100.tif 000018
【図２】
2008191100.tif 000019
【図３】
2008191100.tif 000020
【図４】
2008191100.tif 000021
【図５】
2008191100.tif 000022
【図６】
2008191100.tif 000023