(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の入力光を、第１の直線偏光からなる第１の分岐光及び第１の直線偏光に直交する第２の直線偏光からなる第２の分岐光に偏光分離して出力する第１の偏光分離光学系と、
前記第１の入力光とは波長が異なる第２の入力光を、第２の直線偏光からなる第３の分岐光及び第１の直線偏光からなる第４の分岐光に偏光分離して出力する第２の偏光分離光学系と、
前記第１の分岐光と前記第３の分岐光とを合波して第１の合波光を出力する第１のＰＢＣと、
前記第２の分岐光と前記第４の分岐光を合波して第２の合波光を出力する第２のＰＢＣと、
前記第１の合波光の偏光を第１の直線偏光に変換して第１の変換光を出力する第１の偏光制御デバイスと、
前記第２の合波光の偏光を第２の直線偏光に変換して第２の変換光を出力する第２の偏光制御デバイスと、
前記第１の偏光制御デバイスから出力された前記第１の変換光と前記第２の偏光制御デバイスから出力された前記第２の変換光とを合波して出力光を出力する第３のＰＢＣと、
を備えたことを特徴とする光合波システム。
【請求項２】
それぞれ波長が異なる第１乃至第４の入力光を合波する光合波システムであって、
前記第１の入力光を、第１の直線偏光からなる第１の分岐光及び第１の直線偏光に直交する第２の直線偏光からなる第２の分岐光に偏光分離して出力する第１の偏光分離光学系と、
前記第２の入力光を、第２の直線偏光からなる第３の分岐光及び第１の直線偏光からなる第４の分岐光に偏光分離して出力する第２の偏光分離光学系と、
前記第３の入力光を、第１の直線偏光からなる第５の分岐光及び第２の直線偏光からなる第６の分岐光に偏光分離して出力する第３の偏光分離光学系と、
前記第４の入力光を、第２の直線偏光からなる第７の分岐光及び第１の直線偏光からなる第８の分岐光に偏光分離して出力する第４の偏光分離光学系と、
前記第１の分岐光と前記第３の分岐光とを合波して第１の合波光を出力する第１のＰＢＣと、
前記第２の分岐光と前記第４の分岐光を合波して第２の合波光を出力する第２のＰＢＣと、
前記第５の分岐光と前記第７の分岐光とを合波して第３の合波光を出力する第３のＰＢＣと、
前記第６の分岐光と前記第８の分岐光を合波して第４の合波光を出力する第４のＰＢＣと、
前記第１の合波光の偏光を第１の直線偏光に変換して第１の変換光を出力する第１の偏光制御デバイスと、
前記第２の合波光の偏光を第２の直線偏光に変換して第２の変換光を出力する第２の偏光制御デバイスと、
前記第３の合波光の偏光を第１の直線偏光に変換して第３の変換光を出力する第３の偏光制御デバイスと、
前記第４の合波光の偏光を第２の直線偏光に変換して第４の変換光を出力する第４の偏光制御デバイスと、
前記第１の偏光制御デバイスから出力された前記第１の変換光と前記第４の偏光制御デバイスから出力された前記第４の変換光とを合波して第５の合波光を出力する第５のＰＢＣと、
前記第２の偏光制御デバイスから出力された前記第２の変換光と前記第３の偏光制御デバイスから出力された前記第３の変換光とを合波して第６の合波光を出力する第６のＰＢＣと、
前記第５の合波光の偏光を第１の直線偏光に変換して第５の変換光を出力する第５の偏光制御デバイスと、
前記第６の合波光の偏光を第２の直線偏光に変換して第６の変換光を出力する第６の偏光制御デバイスと、
前記第５の偏光制御デバイスから出力された前記第５の変換光と前記第６の偏光制御デバイスから出力された前記第６の変換光とを合波して出力光を出力する第７のＰＢＣと、
を備えたことを特徴とする光合波システム。
【請求項３】
前記偏光分離光学系の少なくとも１つがＰＢＳであることを特徴とする請求項１又は２に記載の光合波システム。
【請求項４】
前記偏光制御デバイスは、自動偏光コントローラ又はＰＳＡであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光合波システム。
【請求項５】
前記第１の偏光制御デバイスは、自動偏光コントローラ又はＰＳＡであり、
前記第２の偏光制御デバイスは、偏光を第１の直線偏光に変換する第２のＰＳＡと、前記第２のＰＳＡの後段に設けられた２分の１波長板又は９０°ファラデー回転子とを含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光合波システム。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の光合波システムで構成された第１乃至第３の光合波部を備えた光合波システムであって、
前記第１の光合波部から出力される出力光は、前記第３の光合波部の前記第１の入力光として前記第３の光合波部に入力され、
前記第２の光合波部から出力される出力光は、前記第３の光合波部の前記第２の入力光として前記第３の光合波部に入力されることを特徴とする光合波システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光合波システムに関し、より詳細には、例えば光通信において信号光を合波する光合波システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
既存の光通信システムでは、信号光の合波時の損失が通信距離長延化の障壁となっている。図１は、従来の光通信システムの構成の概略図である。図１に示すように、宅内ＯＮＵ（Optical Network Unit）から局舎ＯＬＴ（Optical Line Terminal）に光信号が到達するまでにカプラを用いて、信号光を複数回合波する。
【０００３】
カプラには、光の干渉を利用したＰＬＣ（Planer lightwave circuit）型カプラ、ファイバを融着延伸して製造するファイバ型カプラ、反射率の偏光依存性を利用した偏光ビームコンバイナ（ＰＢＣ：Polarization Beam Combiner）などが存在する。
【０００４】
ここで、後述する説明の理解のために、偏光及びポアンカレ球について説明する。先ず、偏光について説明する。光は電磁波の一種であり、直交する電界と磁界が振動しながら伝搬する。電磁波の電界についてある規定軸に対する水平成分をＥｘ、垂直成分をＥｙとすると、Ｅｘ及びＥｙは、振幅Ｅ０ｘ及びＥ０ｙ、波数ｋ、角周波数ω、進行方向座標ｚ、時間ｔ、並びに位相差εを用いて、以下の（式１）及び（式２）のように示される。  
Ｅｘ＝Ｅ０ｘｃｏｓ(ｋｚ−ωｔ)      （式１）
Ｅｙ＝Ｅ０ｙｃｏｓ(ｋｚ−ωｔ＋ε)      （式２）
偏波とは、（式１）及び（式２）が合成された電界の振動状態であり、振幅Ｅ０ｘ及びＥ０ｙと位相差εとによって決定される。電界を含む面を電界振動面とすると、電界振動面が一定の偏波は直線偏波と呼ばれ、電界振動面が螺旋軌道を描く偏光は楕円偏光と呼ばれ、電磁波の伝搬方向への射影が円となるものは特に円偏光と呼ばれる。電磁波の伝搬方向への電界振動面の射影が描く楕円の長軸が水平軸となす面を偏波面とすると、偏波面は電磁波の電界振動面と一致する。偏波面が変化すると、Ｅｘ及びＥｙの振幅比Ｅ０ｘ／Ｅ０ｙが変化する。直線偏波は、楕円偏波の短軸成分がないものと考えることができる。以下、本明細書では、電界がＥｘのみの直線偏光をａ偏光とし、Ｅｙのみの直線偏光をｂ偏光とする。
【０００５】
次に、ポアンカレ球について図２を用いて説明する。ポアンカレ球とは、図２（ａ）に示すように偏波を半径１の球上の点に対応させたものである。偏波を表現するストークスパラメータＳ０、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３について、振幅Ｅ０ｘ、Ｅ０ｙ、位相差εの時間変化が十分小さいとき、電磁波の強度Ｓ０は一定であり、ストークスパラメータＳ０、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３は以下の（式３）〜（式６）でそれぞれ示される。  
Ｓ０＝Ｅ０ｘ２＋Ｅ０ｙ２      （式３）
Ｓ１＝Ｅ０ｘ２−Ｅ０ｙ２      （式４）
Ｓ２＝２Ｅ０ｘＥ０ｙｃｏｓε      （式５）
Ｓ３＝２Ｅ０ｘＥ０ｙｓｉｎε      （式６）
任意のＥ０ｘ、Ｅ０ｙ、εに対して、Ｓ１２＋Ｓ２２＋Ｓ３２＝Ｓ０２が成り立つ。Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３はＳ０で規格化するため、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３は−１〜１の値をとり、（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）を座標とする点は半径１のポアンカレ球上にあることがわかる。地球の北極・南極に対応する点がそれぞれ右回り・左回りの円偏波を表し、赤道上は直線偏波を表し、Ｓ１軸と交わる点は、それぞれ水平・垂直な直線偏波を表す。
【０００６】
偏光面の回転は、図２（ｂ）に示すように、ポアンカレ球のＳ３を軸とした回転軌道で表される。Ｅｘ及びＥｙ間の位相差の変化は、図２（ｃ）に示すように、Ｓ１を軸とした回転軌道で表される。一定の偏光面の回転と一定の位相差変化を繰り返す偏光の変化は、図２（ｄ）に示すように、偏光面の回転と位相差変化を表す以下の（式７）に示されるミュラーマトリクスの固有ベクトルｖを回転軸とした斜めの回転となる。ここで、θｃ及びφｃはそれぞれ一定の偏光面の回転量、位相差とする。
【０００７】
【数１】
0006322119.tif 000002
【０００８】
任意の偏光をａ偏光に変換して出射することは、ポアンカレ球上で任意の点を（Ｓ１,Ｓ２,Ｓ３）＝（１,０,０）に集めることを意味する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許３５８１６６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述したように、光通信システムにおいては、ＰＬＣ型カプラ、ファイバ型カプラ及びＰＢＣ等を用いて信号光を複数回合波する。ＰＬＣは、石英基板上にフォトリソグラフィやエッチングなどの微細加工技術を用いて作製した光導波路を組み合わせて、特定の光学特性を持たせたデバイスであり、その一つがＰＬＣ型カプラである。ＰＬＣ型カプラは、２つの光導波路を近接させ光の干渉を利用して光を合波するため、合波の際に分波時と同様に最低３ｄＢの損失が必ず発生する。
【００１１】
ファイバ型カプラは複数のファイバコアを近接融着してファイバ間のモード結合により合波するものであり、ＰＬＣ型同様に合波時に３ｄＢの結合損が発生する。
【００１２】
ＰＢＣは、反射率の偏光依存性を利用して互いに直交する２つの偏光を合波して出力するものであり、最近では、メタマテリアル技術を用いた右回りと左回りの円偏光を合波するＰＢＣも報告されている。光ファイバから出力される信号光の偏光はランダムに時間変化し、時間平均するとａ偏光の光及びｂ偏光の光を含むため、ＰＬＣ型カプラと同様にＰＢＣを用いた場合も３ｄＢの損失が生じる。
【００１３】
このように、図１に示すような従来の光通信システムでは、宅内の通信装置から局舎への通信装置の間に宅内の通信装置からの信号光を合波器により複数回合波して、光ファイバに集線しており、合波器としてＰＬＣ型カプラ、ファイバ型カプラ及びＰＢＣ等を用いた場合、結合損が発生してしまうという課題があった。
【００１４】
図３は、従来技術における伝搬光損失の補填方法を例示する。図３に示すように、カプラによって光が合波されるが、カプラにおいて約３ｄＢの損失が生じ、合波光におけるａ偏光及びｂ偏光の強度も合波前と比較して小さくなっている。図３に示す従来技術では、カプラで生じた損失は、エルビウムドープトファイバ光増幅器を用いて合波光を増幅することで補っているが、エルビウムドープトファイバ光増幅器をシステムに追加する分、システムの大型化を招いていた。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の光合波システムは、第１の入力光を、第１の直線偏光からなる第１の分岐光及び第１の直線偏光に直交する第２の直線偏光からなる第２の分岐光に偏光分離して出力する第１の偏光分離光学系と、前記第１の入力光とは波長が異なる第２の入力光を、第２の直線偏光からなる第３の分岐光及び第１の直線偏光からなる第４の分岐光に偏光分離して出力する第２の偏光分離光学系と、前記第１の分岐光と前記第３の分岐光とを合波して第１の合波光を出力する第１のＰＢＣと、前記第２の分岐光と前記第４の分岐光を合波して第２の合波光を出力する第２のＰＢＣと、前記第１の合波光の偏光を第１の直線偏光に変換して第１の変換光を出力する第１の偏光制御デバイスと、前記第２の合波光の偏光を第２の直線偏光に変換して第２の変換光を出力する第２の偏光制御デバイスと、前記第１の偏光制御デバイスから出力された前記第１の変換光と前記第２の偏光制御デバイスから出力された前記第２の変換光とを合波して出力光を出力する第３のＰＢＣと、を備えたことを特徴とする。
【００１７】
請求項２に記載の光合波システムは、それぞれ波長が異なる第１乃至第４の入力光を合波する光合波システムであって、前記第１の入力光を、第１の直線偏光からなる第１の分岐光及び第１の直線偏光に直交する第２の直線偏光からなる第２の分岐光に偏光分離して出力する第１の偏光分離光学系と、前記第２の入力光を、第２の直線偏光からなる第３の分岐光及び第１の直線偏光からなる第４の分岐光に偏光分離して出力する第２の偏光分離光学系と、前記第３の入力光を、第１の直線偏光からなる第５の分岐光及び第２の直線偏光からなる第６の分岐光に偏光分離して出力する第３の偏光分離光学系と、前記第４の入力光を、第２の直線偏光からなる第７の分岐光及び第１の直線偏光からなる第８の分岐光に偏光分離して出力する第４の偏光分離光学系と、前記第１の分岐光と前記第３の分岐光とを合波して第１の合波光を出力する第１のＰＢＣと、前記第２の分岐光と前記第４の分岐光を合波して第２の合波光を出力する第２のＰＢＣと、前記第５の分岐光と前記第７の分岐光とを合波して第３の合波光を出力する第３のＰＢＣと、前記第６の分岐光と前記第８の分岐光を合波して第４の合波光を出力する第４のＰＢＣと、前記第１の合波光の偏光を第１の直線偏光に変換して第１の変換光を出力する第１の偏光制御デバイスと、前記第２の合波光の偏光を第２の直線偏光に変換して第２の変換光を出力する第２の偏光制御デバイスと、前記第３の合波光の偏光を第１の直線偏光に変換して第３の変換光を出力する第３の偏光制御デバイスと、前記第４の合波光の偏光を第２の直線偏光に変換して第４の変換光を出力する第４の偏光制御デバイスと、前記第１の偏光制御デバイスから出力された前記第１の変換光と前記第４の偏光制御デバイスから出力された前記第４の変換光とを合波して第５の合波光を出力する第５のＰＢＣと、前記第２の偏光制御デバイスから出力された前記第２の変換光と前記第３の偏光制御デバイスから出力された前記第３の変換光とを合波して第６の合波光を出力する第６のＰＢＣと、前記第５の合波光の偏光を第１の直線偏光に変換して第５の変換光を出力する第５の偏光制御デバイスと、前記第６の合波光の偏光を第２の直線偏光に変換して第６の変換光を出力する第６の偏光制御デバイスと、前記第５の偏光制御デバイスから出力された前記第５の変換光と前記第６の偏光制御デバイスから出力された前記第６の変換光とを合波して出力光を出力する第７のＰＢＣと、を備えたことを特徴とする。
【００１８】
請求項３に記載の光合波システムは、請求項１又は２に記載の光合波システムであって、前記偏光分離光学系の少なくとも１つがＰＢＳであることを特徴とする。
【００１９】
請求項４に記載の光合波システムは、請求項１乃至３のいずれかに記載の光合波システムであって、前記偏光制御デバイスは、自動偏光コントローラ又はＰＳＡであることを特徴とする。
【００２０】
請求項５に記載の光合波システムは、請求項１乃至３のいずれかに記載の光合波システムであって、前記第１の偏光制御デバイスは、自動偏光コントローラ又はＰＳＡであり、前記第２の偏光制御デバイスは、偏光を第１の直線偏光に変換する第２のＰＳＡと、前記第２のＰＳＡの後段に設けられた２分の１波長板又は９０°ファラデー回転子とを含むことを特徴とする。
【００２１】
請求項６に記載の光合波システムは、請求項１乃至５のいずれかに記載の光合波システムで構成された第１乃至第３の光合波部を備えた光合波システムであって、前記第１の光合波部から出力される出力光は、前記第３の光合波部の前記第１の入力光として前記第３の光合波部に入力され、前記第２の光合波部から出力される出力光は、前記第３の光合波部の前記第２の入力光として前記第３の光合波部に入力されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明に係る光合波システムによると、光ファイバを伝搬してきた信号光を合波する前に、偏光制御デバイスを用いて一方の信号光をａ偏光、他方の信号光をｂ偏光に変換し、ＰＢＣを用いて信号光を合波するため、信号光を無損失で合波することができる。
【００２３】
従来では結合損失を補填する際には光増幅器を用いることが一般的であったが、本発明では、光を実質的に無損失で合波するために、光の合波前に偏波を直交させてＰＢＣを用いて合波している。そのため、光増幅器を光合波システムに追加する必要がないため、光合波システムの小型化を図ることも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】従来の光通信システムの構成の概略図である。
【図２】ポアンカレ球の説明図である。
【図３】従来技術における伝搬光損失の補填方法を例示する図である。
【図４】本発明の実施例１に係る光合波システムを例示する図である。
【図５】本発明で使用する偏光制御デバイスの具体例を説明するための図である。
【図６】本発明の実施例２に係る光合波システムを例示する図である。
【図７】本発明の実施例３に係る光合波システムを例示する図である。
【図８】本発明の実施例３に係る光合波システムの他の例を例示する図である。
【図９】本発明の実施例４に係る光合波システムを例示する図である。
【図１０】本発明で使用する偏光制御デバイスの他の例を説明するための図である。
【図１１】本発明で使用する偏光制御デバイスの他の例を説明するための図である。
【図１２】単位素子を複数個並べた実施例５に係るＰＳＡを示す図である。
【図１３】図１２に示すＰＳＡを光が通過する際の偏光の変化をポアンカレ球を用いて説明するための図である。
【図１４】図１２に示すＰＳＡを利用した実施例５に係る光合波システムを示す図である。
【図１５】図１２に示すＰＳＡを利用した実施例５に係る光合波システムの他の例を示す図である。
【図１６】本発明の実施例６に係る光合波システムを例示する図である。
【図１７】本発明の実施例６に係る光合波システムの他の例を例示する図である。
【図１８】本発明の実施例６に係る光合波システムの他の例を例示する図である。
【図１９】本発明の実施例６に係る光合波システムの他の例を例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、図面を参照しながら本発明の各実施例について詳細に説明する。
【００２６】
（実施例１）
以下、波長λnの信号光ｎのａ偏光をａnとし、ｂ偏光をｂnとし、本発明の光合波システムに係る各構成要素間は偏光が変化しないように偏波保持光ファイバなどを用いて接続されているものとする。
【００２７】
図４を用いて、本発明の実施例１に係る光合波システムについて説明する。本発明の実施例１に係る光合波システムにおいては、偏光制御デバイス及びＰＢＣを用いて、偏波多重されていない信号光を無損失で合波することが可能である。実施例１では、偏波多重されていない波長λ1の信号光１及びλ2の信号光２を合波する場合について考える。光ファイバを伝搬中の偏光はランダムに時間変化するため、信号光１及び２は、時間平均するとａ偏光及びｂ偏光の両成分を有する。
【００２８】
図４には、信号光１を入力して信号光１の偏光を一意の偏光に変換して出力する第１の偏光制御デバイス４０１と、信号光２を入力して信号光２の偏光を一意の偏光に変換して出力する第２の偏光制御デバイス４０２と、ＰＢＣ４０３とを備えた光合波システム４００が示されている。
【００２９】
図４に示すように、第１及び第２の偏光制御デバイス４０１及び４０２がＰＢＣ４０３の前段に設けられており、第１の偏光制御デバイス４０１により信号光１の偏光がｂ1偏光に変換され、第２の偏光制御デバイス４０２により信号光２の偏光がａ2偏光に変換されて、それぞれＰＢＣ４０３に出力される。ここで、信号光１及び２として偏波多重されていないＷＤＭ信号を想定した場合、第１及び第２の偏光制御デバイス４０１及び４０２で偏光を一意に変換しても信号は劣化しない。
【００３０】
ｂ1偏光及びａ2偏光にそれぞれ変換された信号光１及び２は、ＰＢＣ４０３で合波される。信号光１はｂ1偏光のみに変換され、信号光２はａ2偏光のみに変換されており、ＰＢＣ４０３はｂ偏光成分を透過し、ａ偏光成分を反射するため、合波時に損失は発生しない。ＰＢＣ４０３で合波した後の信号光１及び２は、直交する偏光成分が互いに干渉しないことからＡＷＧ（Arrayed-Waveguide Grating）などを用いて波長毎に分波可能である。そのため、ＰＢＣ４０３から出力された合波光を分波することにより信号光１及び２をそれぞれ受信可能である。
【００３１】
図５を用いて、本発明で使用する偏光制御デバイスの具体的な例を説明する。図５（ａ）に示すように、偏光制御デバイスは、入射してきた信号光の偏光を変化させる光学素子部５０１と、偏光を測定するモニタリング部５０２と、光学素子部５０１を制御して偏光の変化を調整する制御部５０３とを含む。
【００３２】
光学素子部５０１は、例えば図５（ｂ）に示すように、λ／２波長板をλ／４波長板で挟んだ構成をしており、光の進行方向に垂直な面内で光軸を回転させることで入射光を任意の偏光に変換して出射することができる。モニタリング部５０２は、通過してきた偏光を測定する。制御部５０３は、例えば、モニタリング部５０２で測定した偏光を所望の偏光に変換するようにアクチュエータなどを用いて光学素子部５０１の波長板を機械的に回転させることにより、光学素子部５０１の偏光の変化を調整することができる。以上のように構成される偏光制御デバイスは、自動偏光コントローラと呼ばれ、任意の偏光を所望の偏光に変換することができる。
【００３３】
光学素子部５０１及び制御部５０３としては、方解石などの屈折率の一軸異方性をもつ結晶材料や光ファイバに圧力を印加したものを機械的に駆動して偏光を制御するタイプのものや、ＬＮや液晶への印加電圧を変化させて偏光を制御するタイプのものなども存在するが、本発明で使用する自動偏光コントローラは、光学素子部、モニタリング部、制御部のタイプによって制限されないことは言うまでもない。
【００３４】
（実施例２）
図６を用いて、本発明の実施例２に係る光合波システムについて説明する。本発明の実施例２に係る光合波システムにおいては、偏光制御デバイスと、ＰＢＣと、ａ偏光及びｂ偏光が混在する光を入力するとａ偏光及びｂ偏光に分波して出力する素子である偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ：Polarization Beam Splitter）とを用いて、偏波多重された信号光を無損失で合波することが可能である。実施例２では、偏波多重された波長λ3を有する信号光３とλ4を有する信号光４とを合波する場合を考える。偏波多重された信号光はａ偏光成分及びｂ偏光成分の両方が情報をもつため、上記実施例１のようにそのまま偏光を一意に変換すると偏波多重信号が復調不能になる。
【００３５】
図６には、ａ3偏光及びｂ3偏光を有する信号光３を入力してａ3偏光とｂ3偏光とに分岐する第１のＰＢＳ６０１と、ａ4偏光及びｂ4偏光を有する信号光４を入力してａ4偏光とｂ4偏光とに分岐する第２のＰＢＳ６０２と、第１のＰＢＳ６０１で分岐されたｂ3偏光と第２のＰＢＳ６０２で分岐されたａ4偏光とを合波して第１の合波光を出力する第１のＰＢＣ６０３と、第１のＰＢＳ６０１で分岐されたａ3偏光と第２のＰＢＳ６０２で分岐されたｂ4偏光とを合波して第２の合波光を出力する第２のＰＢＣ６０４と、第１の合波光を入力して第１の合波光の偏光を一意の偏光に変換して出力する第１の偏光制御デバイス６０５と、第２の合波光を入力して第２の合波光の偏光を一意の偏光に変換して出力する第２の偏光制御デバイス６０６と、第１及び第２の偏光制御デバイス６０５及び６０６からの出力を合波する第３のＰＢＣ６０７とを備えた光合波システム６００が示されている。
【００３６】
図６に示されるように、第１のＰＢＳ６０１に入力された信号光３は、ｂ3偏光が透過され、ａ3偏光が反射されることによって２つに分岐される。第２のＰＢＳ６０２に入力された信号光４は、ｂ4偏光が透過され、ａ4偏光が反射されることによって２つに分岐される。
【００３７】
第１のＰＢＳ６０１で分岐されたｂ3偏光及び第２のＰＢＳ６０２で分岐されたａ4偏光は、第１のＰＢＣ６０３に入力され、ｂ3偏光が透過され、ａ4偏光が反射されることによって合波され、ａ4偏光及びｂ3偏光を含む第１の合波光として出力される。第１のＰＢＳ６０１で分岐されたａ3偏光及び第２のＰＢＳ６０２で分岐されたｂ4偏光は、第２のＰＢＣ６０４に入力され、ｂ4偏光が透過され、ａ3偏光が反射されることによって合波され、ａ3偏光及びｂ4偏光を含む第２の合波光として出力される。
【００３８】
第１の合波光は、第１の偏光制御デバイス６０５によりａ4偏光がｂ4偏光に変換されてｂ3,4偏光として出力され、第２の合波光は、第２の偏光制御デバイス６０６によりｂ4偏光がａ4偏光に変換されてａ3,4偏光として出力される。ａ3偏光及びｂ4偏光、ａ4偏光及びｂ3偏光は異なる波長の信号であるため、偏光制御デバイスにより偏光を一意に変換しても信号は破壊されない。
【００３９】
第１及び第２の偏光制御デバイス６０５及び６０６からそれぞれ出力されたｂ3,4偏光及びａ3,4偏光は、第３のＰＢＣ６０７に入力され、ｂ3,4偏光が透過され、ａ3,4偏光が反射されることによって合波される。第３のＰＢＣ６０７に入射した信号光はａ偏光またはｂ偏光のみに変換されており、第３のＰＢＣ６０７はｂ偏光成分を透過し、ａ偏光成分を反射するため、第３のＰＢＣ６０７による合波時に損失は発生しない。
【００４０】
第３のＰＢＣ６０７で合波後の信号光３及び４は、直交する偏光成分は互いに干渉せず、ＡＷＧなどを用いて波長毎に分波可能である。そのため、第３のＰＢＣ６０７から出力された合波光を分波することにより信号光３及び４をそれぞれ受信可能である。
【００４１】
なお、実施例２においては、偏光制御デバイスとして図５で例示した自動偏光コントローラを用いることができる。
【００４２】
また、実施例２においてはＰＢＳを用いた例を示したが、入力した光を偏光分離する任意の偏光分離光学系を用いて光合波システムを構成してもよい。以下の実施例でも同様とする。
【００４３】
（実施例３）
図７を用いて、本発明の実施例３に係る光合波システムについて説明する。本発明の実施例３に係る光合波システムにおいては、４つ以上のＷＤＭ信号光を無損失で合波することが可能である。図７では、波長λ5を有する信号光５と、λ6を有する信号光６と、波長λ7を有する信号光７と、λ8を有する信号光８とからなる波長の異なる偏波多重されていない４つの信号光を合波する場合を考える。
【００４４】
図７には、信号光５及び６を入力する第１の光合波部４００1と、信号光７及び８を入力する第２の光合波部４００2と、第１及び第２の光合波部４００1及び４００2からそれぞれ出力された合波光を入力して合波する第３の光合波部４００3とを備えた光合波システムが示されている。第１、第２及び第３の光合波部４００1、４００2及び４００3の構成は、実施例１に係る光合波システムの構成と同様であり、それぞれ、第１の偏光制御デバイス４０１と、第２の偏光制御デバイス４０２と、ＰＢＣ４０３とを含む。第１、第２及び第３の光合波部４００1、４００2及び４００3において光を合波する過程及び原理は、実施例１で上述した光合波システムと同様であるため、その同様の点については説明を省略する。
【００４５】
図７に示すように、信号光５及び６は第１の光合波部４００1で合波されてａ6偏光及びｂ5偏光を含む第１の合波光として出力され、信号光７及び８は第２の光合波部４００2で合波されてａ8偏光及びｂ7偏光を含む第２の合波光として出力される。第１及び第２の合波光を第３の光合波部４００3の入力光として使用して合波することで、波長の異なる偏波多重されていない４つの信号光を損失なく合波することができる。
【００４６】
また、図８を用いて、本発明の実施例３に係る光合波システムの他の例について説明する。図８では、波長λ9を有する信号光９と、λ10を有する信号光１０と、波長λ11を有する信号光１１と、λ12を有する信号光１２とからなる波長の異なる偏波多重された４つの信号光を合波する場合を考える。
【００４７】
図８には、信号光９及び１０を入力する第１の光合波部６００1と、信号光１１及び１２を入力する第２の光合波部６００2と、第１及び第２の光合波部６００1及び６００2からそれぞれ出力された合波光を入力して合波する第３の光合波部６００3とを備えた光合波システムが示されている。第１、第２及び第３の光合波部６００1、６００2及び６００3の構成は、実施例２に係る光合波システムの構成と同様であり、それぞれ、第１のＰＢＳ６０１と、第２のＰＢＳ６０２と、第１のＰＢＣ６０３と、第２のＰＢＣ６０４と、第１の偏光制御デバイス６０５と、第２の偏光制御デバイス６０６と、第２のＰＢＣ６０７とを含む。第１、第２及び第３の光合波部６００1、６００2及び６００3において光を合波する過程及び原理は、実施例２で上述した光合波システムと同様であるため、その同様の点については説明を省略する。
【００４８】
図８に示すように、信号光９及び１０は第１の光合波部６００1で合波されてａ9,10偏光及びｂ9,10偏光を含む第１の合波光として出力され、信号光１１及び１２は第２の光合波部６００2で合波されてａ11,12偏光及びｂ11,12偏光を含む第２の合波光として出力される。第１及び第２の合波光を第３の光合波部６００3の入力光として使用して合波することで、波長の異なる偏波多重された４つの信号光を損失なく合波することができる。
【００４９】
また、図７及び図８に示す光合波システムを同様に繰り返すことで２n個の信号光を損失なく合波することができる。ｎは繰返し数とする。
【００５０】
なお、実施例３においては、偏光制御デバイスとして図５で例示した自動偏光コントローラを用いることができる。
【００５１】
（実施例４）
図９を用いて、本発明の実施例４に係る光合波システムについて説明する。本発明の実施例４に係る光合波システムにおいては、偏波多重された４つ以上の信号光を無損失で合波することが可能である。図９では、図８で示した場合と同様に、波長λ9を有する信号光９と、λ10を有する信号光１０と、波長λ11を有する信号光１１と、λ12を有する信号光１２とからなる波長の異なる偏波多重された４つの信号光を合波する場合を考える。
【００５２】
図９には、信号光９をａ9偏光とｂ9偏光とに分岐する第１のＰＢＳ９０１と、信号光１０をａ10偏光とｂ10偏光とに分岐する第２のＰＢＳ９０２と、第１及び第２のＰＢＳ９０１及び９０２でそれぞれ分岐されたｂ9偏光とａ10偏光とを合波して第１の合波光を出力する第１のＰＢＣ９０３と、第１及び第２のＰＢＳ９０１及び９０２でそれぞれ分岐されたａ9偏光とｂ10偏光とを合波して第２の合波光を出力する第２のＰＢＣ９０４と、第１の合波光の偏光を一意の偏光に変換して出力する第１の偏光制御デバイス９０５と、第２の合波光の偏光を一意の偏光に変換して出力する第２の偏光制御デバイス９０６と、信号光１１をａ11偏光とｂ11偏光とに分岐する第３のＰＢＳ９０７と、信号光１２をａ12偏光とｂ12偏光とに分岐する第４のＰＢＳ９０８と、第３及び第４のＰＢＳ９０７及び９０８でそれぞれ分岐されたｂ11偏光とａ12偏光とを合波して第３の合波光を出力する第３のＰＢＣ９０９と、第３及び第４のＰＢＳ９０７及び９０８でそれぞれ分岐されたａ11偏光とｂ12偏光とを合波して第４の合波光を出力する第４のＰＢＣ９１０と、第３の合波光の偏光を一意の偏光に変換して出力する第３の偏光制御デバイス９１１と、第４の合波光の偏光を一意の偏光に変換して出力する第４の偏光制御デバイス９１２と、第１及び第４の偏光制御デバイス９０５及び９１２からの出力を合波して第５の合波光を出力する第５のＰＢＣ９１３と、第２及び第３の偏光制御デバイス９０６及び９１１からの出力を合波して第６の合波光を出力する第６のＰＢＣ９１４と、第５の合波光の偏光を一意の偏光に変換して出力する第５の偏光制御デバイス９１５と、第６の合波光の偏光を一意の偏光に変換して出力する第６の偏光制御デバイス９１６と、第５及び第６の偏光制御デバイス９１５及び９１６からの出力を合波して出力する第７のＰＢＣ９１７とを備えた光合波システム９００が示されている。
【００５３】
図６に示されるように、第１のＰＢＳ９０１に入力された信号光９は、ｂ9偏光が透過され、ａ9偏光が反射されることによって２つに分岐される。第２のＰＢＳ９０２に入力された信号光１０は、ｂ10偏光が透過され、ａ10偏光が反射されることによって２つに分岐される。
【００５４】
第１のＰＢＳ９０１で分岐されたｂ9偏光及び第２のＰＢＳ９０２で分岐されたａ10偏光は、第１のＰＢＣ９０３に入力され、ｂ9偏光が透過され、ａ10偏光が反射されることによって合波され、ａ10偏光及びｂ9偏光を含む第１の合波光として出力される。第１のＰＢＳ９０１で分岐されたａ9偏光及び第２のＰＢＳ９０２で分岐されたｂ10偏光は、第２のＰＢＣ９０４に入力され、ｂ10偏光が透過され、ａ9偏光が反射されることによって合波され、ａ9偏光及びｂ10偏光を含む第２の合波光として出力される。
【００５５】
第１の合波光は、第１の偏光制御デバイス９０５によりａ10偏光がｂ10偏光に変換されてｂ9,10偏光として出力される。第２の合波光は、第２の偏光制御デバイス９０６によりｂ10偏光がａ10偏光に変換されてａ9,10偏光として出力される。ａ9偏光及びｂ10偏光、ａ10偏光及びｂ9偏光は異なる波長の信号であるため、偏光制御デバイスにより偏光を一意に変換しても信号は破壊されない。
【００５６】
信号光１１及び信号光１２も同様にして、それぞれ、第３及び第４のＰＢＳ９０７及び９０８、第３及び第４のＰＢＣ９０９及び９１０を介して第３及び第４の合波光として第３及び第４の偏光制御デバイス９１１及び９１２に出力される。第３及び第４の合波光は、第３及び第４の偏光制御デバイス９１１及び９１２を介して偏光が変換され、第３の偏光制御デバイス９１１からｂ11,12偏光として出力され、第４の偏光制御デバイス９１２からａ11,12偏光として出力される。
【００５７】
第１の偏光制御デバイス９０５から出力されたｂ9,10偏光及び第４の偏光制御デバイス９１２から出力されたａ11,12偏光は、第５のＰＢＣ９１３に入力されて合波されてａ11,12偏光及びｂ9,10偏光を含む第５の合波光として第５の偏光制御デバイス９１５に出力される。第２の偏光制御デバイス９０６から出力されたａ9,10偏光及び第３の偏光制御デバイス９１１から出力されたｂ11,12偏光は、第６のＰＢＣ９１４に入力されて合波されてａ9,10偏光及びｂ11,12偏光を含む第６の合波光として第６の偏光制御デバイス９１６に出力される。
【００５８】
第５の合波光は、第５の偏光制御デバイス９１５によりａ11,12偏光がｂ11,12偏光に変換されてｂ9,10,11,12偏光として出力される。第６の合波光は、第６の偏光制御デバイス９１６によりｂ11,12偏光がａ11,12偏光に変換されてａ9,10,11,12偏光として出力される。ａ9,10偏光及びｂ11,12偏光、ａ11,12偏光及びｂ9,10偏光は異なる波長の信号であるため、偏光制御デバイスにより偏光を一意に変換しても信号は破壊されない。
【００５９】
第５及び第６の偏光制御デバイス９１５及び９１６からそれぞれ出力されたｂ9,10,11,12及びａ9,10,11,12偏光は、第７のＰＢＣ９１７に入力され、ｂ9,10,11,12が透過され、ａ9,10,11,12偏光が反射されることによって合波される。
【００６０】
図９に示すように、実施例４では、図８に示す構成とは異なり、偏光制御デバイスで一意の偏光に変換されたａ9,10偏光とｂ9,10偏光、ａ11,12偏光とｂ11,12偏光をＰＢＣで合波することなく、ａ9,10偏光とｂ11,1偏光2、ａ11,12偏光とｂ9,10偏光をＰＢＣを用いて合波する。第５及び第６の合波光は、第５及び第６の偏光制御デバイスでａ9,10,11,12偏光とｂ9,10,11,12偏光にそれぞれ変換され、第７のＰＢＣ９１７を用いて損失なく合波される。
【００６１】
本実施例では、図８に示す光合波システムと比べて必要なＰＢＣ及びＰＢＳの個数を減らすことができるため、システムの小型化が可能となる。また、ａ9,10,11,12偏光とｂ9,10,11,12偏光を次の入力として、本実施例４に係る光合波システムを繰り返すことで２n個の信号光を損失なく合波することができる。
【００６２】
なお、実施例４においては、偏光制御デバイスとして図５で例示した自動偏光コントローラを用いることができる。
【００６３】
（実施例５）
図１０乃至１５を用いて、実施例５に係る小型で外部電源が不要な偏光制御デバイスを利用した光合波システムについて説明する。実施例１乃至４では偏光制御デバイスとして図５に示した自動偏光コントローラを用いたが、本実施例で示す任意の偏光を一意の偏光に自動的に変換するＰＳＡ（Polarization Self-Aligner）を用いることもできる。
【００６４】
図１０には、媒質１００１と、偏光に応じて発生する電流を変化させるセンシング・電流発生部１００２と、センシング・電流発生部１００２に接続され、発生した電流に比例した磁場を発生させる磁場発生部１００３と、偏光間に位相差を生じさせる位相差発生部１００４とを含む単位素子１０００が示されている。センシング・電流発生部１００２及び磁場発生部１００３は媒質１００１の表面又は内部に設けられ、位相差発生部１００４は媒質１００１の内部あるいは近傍に設けられている。
【００６５】
本実施例に係るＰＳＡは、単位素子１０００を光の進行方向に２つ以上配置した構成をしている。センシング・電流発生部１００２及び磁場発生部１００３により偏光面の回転が特定の状態に変換され、位相差発生部１００４により位相差が特定の状態に変換されるため、任意の偏光を特定の偏光に変換することができる。
【００６６】
具体的な例を、図１１を用いて説明する。図１１（ａ）に示すように、ＰＳＡの単位素子１１００は、光の進行方向に対して垂直な平面に設けられたリング型導体を用いた磁場発生部１１０３と、磁場発生部１１０３に直結したセンシング・電流発生部１１０２とを媒質１１０１の表面あるいは内部に配置し、位相差発生部１１０４を媒質１１０１に対して光の進行方向後方に配置したものである。
【００６７】
センシング・電流発生部１１０２は、例えば、図１１（ｂ）に示すように光電変換素子１１０６の受光面を偏光子１１０５で覆ったものである。偏光子１１０５は、電磁波の電界成分のうち、垂直成分Ｅｙを透過し、水平成分Ｅｘを遮断するため、電磁波の垂直成分Ｅoy2に比例して電磁波を直流電流に変換する。図１１（ａ）に示すように、進行方向がｚ軸に平行で、リング型導体と同径の電磁波１１１０が単位素子１１００に入射した場合を考える。図１１（ｃ）に示すように、単位素子１１００に入射した電磁波１１１０の一部は、センシング・電流発生部１１０２に入射し、電磁波の垂直成分Ｅoy2に比例した直流電流１１１１を発生させる。図１１（ｄ）に示すように、直流電流１１１１は磁場発生部１１０３において電磁波の進行方向に磁場１１１２を発生させ、磁場１１１２に比例して入射光の偏光面が回転する（ファラデー効果）。
【００６８】
位相差発生部１１０４は、例えば方解石などを光軸がｘ軸またはｙ軸に水平になるように配置することにより構成される。これにより、偏光の電界垂直成分と水平成分間に位相差が生じる。このため、単位素子１１００は、比例係数をｐ、偏光面回転量をθ、位相差変化量をφとすると、θ＝ｐ・Ｅoy2とφ＝φc（φc：定数）を発生する。
【００６９】
単位素子１１００による偏光の変化をポアンカレ球を用いて説明する。電界の垂直成分であるＥoy2は、ポアンカレ球のＳ０、Ｓ１の値を用いて、以下の（式８）のように表される。
【００７０】
【数２】
0006322119.tif 000003
【００７１】
Ｓ１はＳ０で規格化されるため、単位素子で発生する偏光面回転量θは、以下の（式９）のように表される。
【００７２】
【数３】
0006322119.tif 000004
【００７３】
上記（式９）より、垂直偏光であるＳ１＝−１に近いほど大きな偏光面回転を発生させ、水平偏光であるＳ１＝１に近いほど小さな偏光面回転を発生させることがわかる。
【００７４】
図１２は、単位素子１１００を複数個並べた本実施例に係るＰＳＡ１２００を例示する。図１２に示すＰＳＡ１２００を光が通過する際の偏光の変化を、図１３に示すポアンカレ球を用いて説明する。図１３に示すように、偏光状態の変化は、上記（式９）で与えられる偏光面回転θと一定の位相差φcを上記（式７）に代入して得られるベクトルｖを軸とした回転で表される。単位素子１１００で発生する偏光面の回転量が一定でないため、図２（ｄ）に示す場合と異なり閉じた軌道を描かない。また、回転軸は単位素子１１００を通過する毎に変化する。偏光は、徐々にθが小さくなるＳ１＝１に向かって移動し、１点に収束する。このため、ＰＳＡ１２００は、任意の偏光をａ偏光に変換して出射することができる。ただし、位相差発生部１１０４で生じる位相差φがφ＝２π×ｎ(ｎ＝０,１,２,・・・)の場合、偏光はポアンカレ球上を１周し同一点にきて１点に収束しないため、位相差発生部１１０４で生じる位相差φ＝２π×ｎとしないようにする必要がある。
【００７５】
図１１に示す偏光子１１０５を９０度回転させて光電変換素子１１０６の受光面に配置した場合、センシング・電流発生部１１０２が電界水平成分Ｅox2に比例した偏光面の回転を発生するため、ＰＳＡ１２００は任意の偏光をｂ偏光に変換して出射することができる。以下、任意の偏光をａ偏光に変換して出射するＰＳＡをＰＳＡa、偏光子１１０５を９０度回転させて任意の偏光をｂ偏光に変換して出射するＰＳＡをＰＳＡbとする。
【００７６】
図１４及び図１５は、偏光制御デバイスとしてＰＳＡa及びＰＳＡbを適用した本実施例に係る光合波システムを示す。図１４に示す光合波システムは実施例１に係る光合波システムの偏光制御デバイスとしてＰＳＡa及びＰＳＡbを使用した構成に対応し、図１５に示す光合波システムは実施例２に係る光合波システムの偏光制御デバイスとしてＰＳＡa及びＰＳＡbを使用した構成に対応する。偏光制御デバイスとしてＰＳＡa及びＰＳＡbを図１４及び図１５に示すように配置することで、実施例１及び２の場合と同様に、偏光を損失なくＰＢＣで合波することができる。このようなＰＳＡを用いることにより、自動偏光コントローラでは必要であったモニタリング部及び制御部が不要となるため、システムの小型化が可能となる。
【００７７】
（実施例６）
図１６乃至図１９を用いて、実施例６に係る光合波システムについて説明する。図１６及び図１７に示す光合波システムは、実施例１及び２に係る光合波システムの第１の偏光制御デバイスとしてＰＳＡbを使用し、第２の偏光制御デバイスとしてＰＳＡbとその後段にλ/２波長板を接続したものを使用した構成にそれぞれ対応する。図１８及び図１９に示す光合波システムは、実施例１及び２に係る光合波システムの第１の偏光制御デバイスとしてＰＳＡbを使用し、第２の偏光制御デバイスとしてＰＳＡbとその後段に９０°ファラデー回転子を接続したものを使用した構成にそれぞれ対応する。
【００７８】
上述した実施例５では、ＰＳＡの偏光子の向きを変えることによりＰＳＡを通過した光の偏光をｂ偏光とａ偏光に変換した。本実施例６では、図１６乃至図１９に示すように、ＰＳＡbの後段にλ/２波長板又は９０°ファラデー回転子を接続し、ｂ偏光をａ偏光に変換することができる。
【００７９】
なお、λ/２波長板、９０°ファラデー回転子は、材料を問わないことは言うまでもない。
【００８０】
また、上記各実施例では、ＰＢＣ及びＰＢＳはｂ偏光を透過しａ偏光を反射するように構成した例を示したが、ＰＢＣ及びＰＢＳがａ偏光を透過しｂ偏光を反射するように構成してもよい。
【００８１】
また、上記各実施例では、偏光制御デバイスとして自動偏光コントローラ及びＰＳＡのいずれかのみを用いた例を示したが、これらを適宜組み合わせて構成してもよい。
【００８２】
また、上記各実施例では、ＰＢＣにおいて互いに直交した偏光を合波した構成を示したが、４５°〜１３５°の間であれば、結合損は生じるものの、３ｄＢ以下の損失になるので従来よりも結合損を低減する効果を得ることができる。結合損を低減するという観点からは、直線偏光である必要はなく、ポアンカレ球をＳ２＝０の平面で２分した半球の片側ずつに、２つの信号光の偏光が存在すればよい。
【符号の説明】
【００８３】
光合波システム  ４００、６００、９００
偏光制御デバイス  ４０１、４０２、６０５、６０６、９０５、９０６、９１１、９１２、９１５、９１６
ＰＢＣ  ４０３、６０３、６０４、６０７、９０３、９０４、９０９、９１０、９１３、９１４、９１７
光学素子部  ５０１
モニタリング部  ５０２
制御部  ５０３
ＰＢＳ  ６０１、６０２、９０１、９０２、９０７、９０８
単位素子１０００、１１００
媒質  １００１、１１０１
センシング・電流発生部  １００２、１１０２
磁場発生部  １００３、１１０３
位相差発生部  １００４、１１０４
ＰＳＡ  １２００
【図１】
0006322119.tif 000005
【図２】
0006322119.tif 000006
【図３】
0006322119.tif 000007
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0006322119.tif 000011
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
0006322119.tif 000021
【図１８】
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【図１９】
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