(57)【要約】【課題】複屈折材料の偏光消光比（ＰＥＲ）の改善【解決手段】偏光消光比を改善するための方法には、空間的に不均一な偏光状態を含んでいる光ビームの偏光状態を変化させるステップと、光ビームを空間フィルタリングして、空間的に不均一な偏光状態を取り除くステップが含まれる。空間フィルタリングは、光ビームを偏波保存単一モードファイバ(818)に通過させることにより光ビームの波面をフィルタリングすること、または光ビームを開口(832)に通すことにより光ビームの振幅をフィルタリングすることを含む。【選択図】図９
2005062865.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
偏光消光比を改善するための方法であって、
少なくとも１つの光ビームの偏光状態を変化させるステップであって、その光ビームの一部が空間的に不均一な偏光状態を含む、ステップと、および
前記空間的に不均一な偏光状態を有する光ビームの一部を取り除くために、前記光ビームを空間フィルタリングするステップとを含む、方法。
【請求項２】
前記光ビームと、別の公称直交偏光ビームをヘテロダイン干渉計に送るステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記空間フィルタリングの後、
偏光子を通じて、前記光ビームと前記別の光ビームとの干渉によって生じるビート信号を検出するステップと、
偏光変更装置（８１２）に対する制御信号を発生して、出力の偏光状態を変化させるステップとをさらに含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記光ビームを空間フィルタリングするステップが、前記光ビームの波面と前記光ビームの振幅の少なくとも一方をフィルタリングするステップを含む、請求項１、２、または３に記載の方法。
【請求項５】
前記光ビームの波面をフィルタリングするステップが、偏波保存単一モードファイバ、単一モードファイバ、プレーナ型導波路、および集積光導波路からなるグループから選択された空間フィルタ（８１８）に前記光ビームを通過させるステップを含み、および
前記光ビームの振幅をフィルタリングするステップが、前記光ビームを開口（８３２）に通すステップを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記光ビームの偏光状態を変化させるステップが、液晶、電気光学結晶、光弾性変調器からなるグループから選択された複屈折材料に前記光ビームを通過させるステップを含む、請求項１、２、または３に記載の方法。
【請求項７】
前記光ビームの偏光状態を変化させるステップが、偏光コントローラ、偏光状態変調器、偏光スクランブラ、可変光減衰器、および光スイッチからなるグループから選択された偏光変更装置（８１２）に前記光ビームを通過させるステップを含む、請求項１、２、または３に記載の方法。
【請求項８】
前記空間的に不均一な偏光状態が、空間的に不均一な複屈折特性によって生じる、請求項１、２、または３に記載の方法。
【請求項９】
システムであって、
少なくとも１つの光ビームを出力する偏光変更装置（８１２）であって、その光ビームの一部が空間的に不均一な偏光状態を含む、偏光変更装置（８１２）と、および
前記光ビームを受光して、前記空間的に不均一な偏光状態を有する光ビームの一部をフィルタリングして除去する空間フィルタ（８１４、８３２）とを含む、システム。
【請求項１０】
前記光ビームと、別の公称直交偏光ビームを受光するヘテロダイン干渉計をさらに含む、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記光ビームと前記別の光ビームを受光し、前記光ビームと前記別の光ビームの最終偏光状態に応答して、前記偏光変更装置（８１２）に対する制御信号を発生するフィードバックコントローラ（８５４）をさらに含む、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記空間フィルタが、波面フィルタ（８１８）と振幅フィルタ（８３２）の少なくとも一方からなる、請求項９、１０、または１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記波面フィルタが、偏波保存単一モードファイバ（８１８）、単一モードファイバ、プレーナ型導波路、および集積光導波路からなるグループから選択され、および
前記振幅フィルタが、開口（８３２）を含む、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記偏光変更装置が、液晶、電気光学結晶、および光弾性変調器からなるグループから選択された複屈折材料を含む、請求項９、１０、または１１に記載のシステム。
【請求項１５】
前記偏光変更装置が、偏光コントローラ、偏光状態変調器、偏光スクランブラ、可変光減衰器、および光スイッチからなるグループから選択される、請求項９、１０、または１１に記載のシステム。
【請求項１６】
前記空間的に不均一な偏光状態が、前記偏光変更装置（８１２）の空間的に不均一な複屈折特性によって生じる、請求項９、１０、または１１に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、その偏光消光比（ＰＥＲ）がその複屈折特性の空間的不均一性によって制限される、偏光変更装置（polarization-altering device）のＰＥＲの改善に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの用途において、入射偏光状態を全体的に異なる出射偏光状態に変更する一方で、高い偏光消光比（ＰＥＲ）を維持することが必要とされる場合が多い。直接的または間接的に偏光状態の変化を利用する装置の例としては、偏光コントローラ、偏光状態変調器、偏光スクランブラ、可変光減衰器、および光スイッチがある。これらの装置の多くは、液晶、電気光学結晶、および光弾性変調器のような複屈折材料を用いて、偏光に変化を生じさせる。入射光の偏光状態は、ほとんどの場合、印加電界である外力に呼応した材料の複屈折特性の変化を通じて変更される。印加電界を変化させることによって、偏光の変化を制御することができる。
【０００３】
出射偏光のＰＥＲを制限する主な要因の１つは、材料の複屈折特性の空間的不均一性である。こうした不均一性は、屈折率の固有の空間的不均等性、および複屈折特性の変化を引き起こす外部電界の不均一な空間分布といった、いくつかの要因から生じる可能性がある。その結果、ＰＥＲ全体を制限する空間的に不均一な偏光特性を備えた出射ビームになる。
【０００４】
固有の不均等性の問題に対処する解決法の１つは、不均等性の度合いの低い材料を選択することである。しかしながら、これらの材料には、通常、他の問題もある。例えば、リン酸二重水素化カリウム（ＫＤＰ）の典型的な消光比は、１０，０００：１を超えるが、ＫＤＰは軟質で、吸湿性である。
【非特許文献１】Serge Huard著、「Polarization of Light」、John Wiley ＆ Sons、1997年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、複屈折材料の複屈折特性の空間的不均一性によって制限される、複屈折材料のＰＥＲを改善するための一般的な技術を提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一実施形態において、偏光消光比を改善するための方法には、光ビームの一部が空間的に不均一な偏光状態を含んでいる可能性のある、少なくとも１つの光ビームの偏光状態を変化させるステップと、光ビームを空間フィルタリングして、空間的に不均一な偏光状態を有する光ビームの一部を取り除くステップが含まれる。空間フィルタリングは、波面フィルタリング（例えば、光ビームを偏波保存単一モードファイバに結合する）、または振幅フィルタリング（例えば、開口を介して光ビームを伝搬する）によって達成され得る。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、複屈折材料の偏光消光比（ＰＥＲ）を改善することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図９には、本発明の一実施形態において、偏光変更装置の偏光消光比（ＰＥＲ）を改善するためのシステム８００が例示されている。偏光変更装置８１２は、所与の偏光状態を有する光学場Ｅ１’を受光する。一実施形態では、偏光変更装置８１２は、偏光コントローラ、偏光状態変調器、偏光スクランブラ、可変光減衰器、または光スイッチである。一実施形態では、偏光変更装置８１２には、偏光状態を変更するために使用される複屈折材料が含まれる。複屈折材料は、液晶、電気光学結晶、または光弾性変調器とすることができる。複屈折材料は、一般に空間的に不均一な複屈折特性を有する。結果として、偏光変更装置８１２は、空間的に不均一な偏光状態になった光学場Ｅ２’を出力する。
【０００９】
空間フィルタ８１４は、光学場Ｅ２’を受け取り、偏光の不均一性を改善された光学場Ｅ４’を出力する。一実施形態では、空間フィルタ８１４には、光学場Ｅ２’を受光して、集束された光学場Ｅ３’を波面フィルタ８１８に出射するレンズ８１６が含まれる。波面フィルタ８１８は、偏光状態の変動に関連した平坦でない波面歪みをフィルタリングして取り除くことによって、空間的に不均一な偏光状態を有する光学場の一部を除去する。波面フィルタ８１８は、レンズ８２０によって受光される光ビームを出力する。レンズ８２０は、光ビームを平行化して、光学場Ｅ４’を出力する。
【００１０】
波面フィルタ８１８は、以下のように、偏光変更装置８１２の偏光消光比（ＰＥＲ）を改善する。偏光変更装置８１２を出射すると、光学場Ｅ２’は、固有の場合もあれば、または外部から誘発される場合もある、材料の屈折率の空間的不均一性のために、空間的に不均一な偏光状態になる。同時に、同じ理由から、光学場Ｅ２’は、関連する歪んだ波面も被ることになる。関連する歪んだ波面の形状は、屈折率の空間的変動に左右される。
【００１１】
波面フィルタリングを利用したＰＥＲ改善の鍵は、空間的に不均一な複屈折特性を有する複屈折材料を通過した後の出射ビームに、空間的に不均一な偏光状態と共に、波面歪みが存在するという点である。こうした波面歪みは、偏光の変化と空間的に相関しているので、平坦でない波面歪みをフィルタリングして除去することが可能な任意の波面フィルタ８１８によって、出射光ビームにおける関連する偏光の不均一性もフィルタリングされて除去される。波面フィルタリングの後、光学場は、平坦な波面、ひいてはビームにわたる均一な偏光特性、および改善されたＰＥＲを有する一部だけが残される。ＰＥＲの改善が、この場合には、ＰＭファイバのＰＥＲによって（＜−４０ｄＢが可能）、または一般に空間フィルタのＰＥＲによって制限されるという点に留意されたい。
【００１２】
一実施形態では、波面フィルタ８１８は、偏波保存（ＰＭ）単一モードファイバである。ＰＭ単一モードファイバの基本モードは、平坦な波面を有するので、平坦な波面（およびこのモードの強度分布に一致する強度分布）を有する入射光学場の一部だけが、このモードに効率よく結合する。これらの部分は、最小限の減衰でファイバを通過するが、ビームの他の部分は、かなり減衰する（ファイバが、エバネッセントモードが消滅するのに適度に長い場合）。計算によって明らかなように、ある仮定の事例では、結合が完全であると仮定すると、ＰＭファイバによって、ＰＥＲが−３０ｄＢから＜−９０ｄＢに改善され、損失は＜−０．０１ｄＢになる。実際には、損失は、ファイバ結合損失および減衰損失によって制限されることになる。
【００１３】
単一モードＰＭファイバは、振幅フィルタリングと波面フィルタリングの両方を行うが、一般に、波面フィルタリングが、ＰＥＲの改善の大部分の役割を果たしている。後述するように、振幅フィルタリングは、ＰＥＲの改善に役立つ場合もあれば、役立たない場合もある。ＰＭファイバの偏光軸の向きは、温度および機械的応力といったいくつかの要因で変化するので、安定した出射偏光状態Ｅ４’（良好なＰＥＲに加えて）を得るには、通常、フィードバック制御が必要になる。このシステム全体に付加される面倒な問題は、より良好なＰＥＲと引き換えになるトレードオフである。フィードバック制御システムのいくつかの実施形態については、後述することにする。
【００１４】
ＰＭ単一モードファイバの代わりに、波面フィルタ８１８は、平坦でない波面歪みをフィルタリングして除去することが可能な任意の装置になることができる。重要な点は、その装置が、光学場の波面（位相）における任意の高次（２次以上）の空間周波数成分をフィルタリングして除去しなければならないという点である。波面フィルタリングを実現するための一般的な態様は、モードフィルタリング、すなわち、平坦な波面を有する導波路モードに結合することである。単一モード（ＰＭまたは非ＰＭ）ファイバは、導波路の一例である。他の例には、プレーナ型導波路および集積光導波路が含まれる。導波路は、最適な性能を得るための動作波長で単一モード動作するように設計されるべきである。これら２つのタイプの導波路において、導波路の複屈折軸の向きは、固定された導波路幾何学的構成によって決定される。結果として、偏光安定性に関する要件次第では、フィードバック制御が不要になる可能性がある。
【００１５】
図１０には、本発明の一実施形態における偏光変更装置の偏光消光比（ＰＥＲ）を改善するためのシステム８３０が示されている。図１０のシステム８３０は、空間フィルタ８３２が空間フィルタ８１４に取って代わったという点を除けば、図９のシステム８００に類似する。一実施形態では、空間フィルタ８３２は、開口のような振幅フィルタである。開口８３２は、以下のように、偏光変更装置８１２の偏光消光比（ＰＥＲ）を改善する。
【００１６】
図１０において、全ての波面（位相）歪みおよび付随する偏光の変化は、フィルタリングされない開口を通って依然として伝搬する。従って、この場合には、波面フィルタに関して上述した改善のどれにも当てはまらない。それにもかかわらず、単純な開口でも、特定の場合には、振幅フィルタリングを通じて、制限されたＰＥＲの改善をもたらすことが可能である。電気光学結晶の例を取り上げてみることにする。有限電極を用いた電圧の印加に起因するフリンジ電界は、通常、結晶のエッジの近くに集中する。開口をビームの中心に配置して、結晶から出る光を空間フィルタリングすることによって、「テール」（すなわち、エッジ近くの光）が阻止される。従って、偏光の不均一度が最大のテールにおける光は、フィルタリングされて除去される。
【００１７】
機械的応力は、結晶の中心ではなく、エッジ近くに集中する傾向があるので、開口は、機械的応力によって誘発される複屈折に起因する偏光の変化の一部をフィルタリングして除去することもできる。
【００１８】
円形開口は、制限されたＰＥＲの改善をもたらすが、余分な損失も導入するので、最適ではない。さらに、開口によるビームクリッピングによって、ビームプロファイルに回折リングを生じさせる可能性がある。計算から明らかなように、ある仮定の事例では、フリンジ電界が存在する状態で、ニオブ酸リチウムの結晶を利用すると、円形開口によって、さらなる〜−５．３ｄＢの挿入損失という犠牲を払って、ＰＥＲが−３０ｄＢから−４０ｄＢに改善される。ある最適な構成においては、さらに、＜−０．０１ｄＢの損失を受けるはずである（不均一な偏光特性を有する光だけがフィルタリングされて除去される場合）。
【００１９】
所与のサイズおよび形状の開口が、必ずしもうまく機能するとは限らないのは明らかであり、実際には、一般に、必ずしもうまくいくとは限らない。理論的には、常に最適なフィルタリングを提供する開口は、均一な偏光状態を有する光だけを透過して、光の残りの部分を阻止するマスクである。さらに、偏光の不均一性を生じさせるメカニズムが時間と共に変化する場合、開口マスクは、動的に再構成可能であるべきである。こうした開口は、複雑か、コストが高くつくか、実現不可能か、または製造しにくくなる可能性がある。最も実用的で、実現可能な開口は、円形または正方形の開口のような比較的単純な幾何学的形状のものである。上述の理由から、こうした開口は、特定の事例において、余分な挿入損失を導入するという犠牲を払って、制限されたＰＥＲの改善をもたらすことが可能である。
【００２０】
本発明のある特定の応用例は、正確な距離測定値を得るために、テストビームと基準ビームの両方に関して高いＰＥＲを必要とする距離測定ヘテロダイン干渉計に使用することである。図１１には、２つの直交偏光Ｅ１’およびＥ５’が偏光変更装置８１２を通って伝搬し、引き続いて偏波保存ファイバ８１８によって、測定サイトに伝えられることになる、ヘテロダイン干渉計システム８５０の一実施形態が例示されている。看取されるように、光の一部は、ビームスプリッタ８５２によって反射されて、偏光変更装置８１２を制御する偏光検出およびフィードバックコントローラ８５４に送られる。
【００２１】
光源からの温度勾配が測定値に影響を及ぼさないように、光源を測定サイトから遠く離して配置することができるので、ＰＭファイバ８１８の利用が望ましい。偏光変更装置８１２の使用により、ファイバの出力において安定した偏光状態を得るために、偏光状態の能動制御が可能になる。同時に、偏光変更装置８１２およびＰＭファイバ８１８を組み合わせると、ＰＥＲが改善されて、ファイバの出力における光のＰＥＲが偏光変更装置のＰＥＲにより制限されないようになるが、代わりにＰＭファイバのＰＥＲにより制限されるようになる。ヘテロダイン干渉計システムにおける２つの直交偏光の能動制御に関する実施形態については、図１〜図８に関連して後述する。
【００２２】
ヘテロダイン干渉計システムにおける２つの直交偏光の能動制御に関する実施形態を詳細に説明する前に、いくつかの重要な用語について以下に定義する。リターダ（または波長板）は、光波を２つの直交偏光成分に分解し、それらの間に移相（リターダンスと定義される）を生じさせる光デバイスである。結果として生じる光波は、一般に、異なる偏光形態からなる。本明細書におけるリターダの全ての角度の配向は、水平軸（ｘ軸）に対する遅軸の向きを表わしている。可変リターダは、例えば、電圧の印加といった、外部手段によってそのリターダンスを変化させることが可能なリターダである。
【００２３】
偏光状態変調器（ＰＳＭ）は、入射偏光状態を出射偏光状態に変換する装置である。出射偏光状態は、例えば、電圧のような、ＰＳＭに加えられる１つまたは複数の外部入力によって制御される。出射偏光状態は、一般に、入射偏光状態とは異なる。例えば、ＰＳＭは、複数の可変リターダからなることができる。
【００２４】
図１には、本発明の一実施形態における偏光制御システム１０が例示されている。システム１０は遠隔操作構成で実現され、この場合、偏光状態変調器が、変位を測定するためのインターフェロメトリシステムに供給するファイバから上流に配置される。
【００２５】
光源１２は、（１）偏光状態Ｐ１、および周波数ω１を有する光ビームＥ１と、（２）偏光状態Ｐ２、および周波数ω２を有する光ビームＥ２とを発生する。一実施形態では、光源１２には、所望の偏光および周波数を発生するのに必要なヘリウムネオン（ＨｅＮｅ）レーザと電気光学コンポーネントが含まれる。例えば、光源１２は、アジレントテクノロジ社製の５５１７Ｄレーザである。電圧制御式偏光状態変調器（ＰＳＭ）１４は、光ビームＥ１およびＥ２を受光し、それぞれ、その偏光状態をＰ１’およびＰ２’に調整してから、ファイバ１６に送り込む。電圧制御式ＰＳＭ１４は、任意の入射偏光状態を任意の所望の出射偏光状態に変更するように動作可能である。一実施形態では、電圧制御式ＰＳＭ１４には、０°に配向された（oriented）電圧制御式可変リターダ１８、４５°に配向された電圧制御式可変リターダ２０、および０°に配向された電圧制御式可変リターダ２２が含まれる。リターダ１８、２０、および２２は、電圧Ｖ１、Ｖ２、およびＶ３によって制御され、それぞれ、リターダンスΓ１、Γ２、およびΓ３を生成する。
【００２６】
ファイバ１６は、光ビームＥ１およびＥ２を下流の測定サイトまで伝送する。一実施形態では、ファイバ１６は、偏波保存（ＰＭ）ファイバである。実験によって、光ファイバ１６は、温度変動、ファイバの機械的変形、および機械的振動に起因して、光ビームＥ１およびＥ２の偏光状態を、それぞれ、Ｐ１”およびＰ２”に変化させることがわかっている。それにもかかわらず、ファイバ１６が光ビームＥ１とＥ２の偏光状態間における直交関係にもたらす変化は、ごくわずかである。
【００２７】
測定サイトにおいて、ビームスプリッタ２４は、光ビームＥ１およびＥ２を２つの光路に分割する。出射光路２６は、光ビームＥ１およびＥ２を距離測定インターフェロメトリ（以降、「ＤＭＩ」と称する）システムに伝送する。モニタ光路２８は、後述する光ビームＥ１およびＥ２の偏光状態をモニタし、かつ維持するコンポーネントに光ビームＥ１およびＥ２を伝送する。これらのコンポーネントの一部または全ては、測定サイトに配置されることもできるし、または測定サイトから離して配置されることもできる。例えば、コンポーネント３８、５２、および６２を出射する光は、それぞれ、測定サイトから離れた検出コンポーネントに導く集束レンズと共に、多モードファイバに結合され得る。
【００２８】
ビームスプリッタ３０は、光路２８から光ビームＥ１およびＥ２を受光して、２つの光路に分割する。光路３２は、光ビームＥ１およびＥ２を第１の検出器光路３４に伝送し、光路３６は、光ビームＥ１およびＥ２を他の検出器光路に伝送する。第１の検出器光路３４には、選択された偏光状態Ｐ３の光ビームＥ１およびＥ２の成分が光検出器４０に到達できるようにする偏光子３８が含まれる。偏光子３８と光検出器４０との間に集束レンズが挿入され、光を集束させることができる。光検出器４０は、受光した光の強度に応答して、（ω１−ω２）のビートトーン周波数のビート信号Ｂ１を振幅検知装置４２に送る。ビート信号Ｂ１は、検出された光パワーを表す。光検出器４０と振幅検知装置４２との間に増幅器を挿入して、ビート信号Ｂ１を増幅することができる。第１の検出器光路３４は、必要に応じて、偏光子３８の前に、１つまたは複数の波長板３７を含むことができる。波長板３７および偏光子３８は、光ビームＥ１およびＥ２の出射偏光状態の所望の向きに従って選択される。
【００２９】
ビームスプリッタ４４は、光路３６から光ビームＥ１およびＥ２を受光して、２つの光路に分割する。光路４６は、光ビームＥ１およびＥ２を第２の検出器光路４８に伝送し、光路５０は、光ビームＥ１およびＥ２を別の検出器光路に伝送する。第２の検出器光路４８には、選択された偏光状態Ｐ４の光ビームＥ１およびＥ２の成分が光検出器５４に到達できるようにする偏光子５２が含まれる。偏光子５２と光検出器５４との間に集束レンズを挿入することができる。光検出器５４は、受光した光の強度に応答して、位相検出器５６にビート信号Ｂ２を送る。光検出器５４と位相検出器５６との間に増幅器を挿入することができる。第２の検出器光路４８は、必要に応じて、偏光子５２の前に、１つまたは複数の波長板５１を含む。波長板５１および偏光子５２は、光ビームＥ１およびＥ２の出射偏光状態の所望の向きに従って、大きなビート信号Ｂ２を発生するように選択される。
【００３０】
光路５０は、光ビームＥ１およびＥ２を第３の検出器光路５８に伝送する。第３の検出器光路５８には、選択された偏光状態Ｐ５の光ビームＥ１およびＥ２の成分が光検出器６４に到達できるようにする偏光子６２が含まれる。偏光子６２と光検出器６４との間に集束レンズを挿入することができる。光検出器６４は、受光した光の強度に応答して、位相検出器５６にビート信号Ｂ３を送る。光検出器６４と位相検出器５６との間に増幅器を挿入することができる。第３の検出器光路５８は、必要に応じて、偏光子６２の前に、１つまたは複数の波長板６０を含む。波長板６０および偏光子６２は、第１の検出器光路３４において振幅検知装置４２によって検出される最小振幅に対応する、Ｅ１およびＥ２の可能性のある２つの解のそれぞれについて、ビート信号Ｂ２と異なる位相関係を有するビート信号Ｂ３を発生するように選択される。一実施形態では、位相関係は、位相が９０°ずれる（すなわち、ビート信号Ｂ２およびＢ３が直角位相の状態である）。
【００３１】
位相検出器５６は、ビート信号Ｂ２とＢ３との位相差ΔΨを求める。振幅検知装置４２は、ビートトーン周波数（すなわち、ω１−ω２）におけるビート信号Ｂ１の振幅Ｂ１’を求める。コントローラ４３は、振幅Ｂ１’および位相差ΔΨを用いて、光ビームＥ１およびＥ２がファイバ１６から出射する際に、それらの所望の偏光状態を実現するために、ＰＳＭ１４に印加される制御電圧を発生する。コントローラ４３とＰＳＭ１４との間に増幅器を挿入して、制御信号を増幅することができる。コントローラ４３は、アナログコンポーネントおよびディジタルコンポーネントを用いて実現され得る。
【００３２】
特に、コントローラ４３は、ビートトーン振幅Ｂ１’が２つの局所極小値の一方に達するまで、ＰＳＭ１４を調整する。Ｅ１およびＥ２の直交偏光状態の全てをシステムに加える場合、ビートトーン関数は、Ｅ１およびＥ２の考えられる２つの向きに対応する２つの退化解を有するので、ビートトーン振幅Ｂ１’に２つの局所極小値があることが分るであろう。位相差ΔΨは、Ｅ１およびＥ２の２つの向きに対応する２つの極小値において異なる値を有するので、コントローラ４３は、位相差ΔΨを使用して、Ｅ１およびＥ２の偏光状態を一意的に求める。位相差ΔΨの値とＥ１およびＥ２の向きとの間の正確な対応は、通常、ジョーンズ法（Jones calculus）を用いて導出され得る。例えば、非特許文献１を参照されたい。
【００３３】
図２には、一実施形態において、システム１０を使用して、所望の偏光の向きにロックするための方法１００が例示されている。ステップ１０４では、コントローラ４３は、正しい偏光の向きで局所極小値を生成するリターダンスΓ１、Γ２、およびΓ３の初期解に対してグローバルサーチを実行する。初期解におけるΓ１、Γ２、およびΓ３の値は、初期リターダンス値として使用される。ステップ１０４の一実施形態については、図３に関連して後述する。
【００３４】
ステップ１０６からステップ１１４において、コントローラ４３は、リタ−ダ１８のリターダンスΓ１を調整して、リターダンスΓ１で達成され得るビートトーン振幅Ｂ１’の極小値を見つける。具体的には、ステップ１０６では、コントローラ４３はリターダ１８を選択する。ステップ１０８では、コントローラ４３は、電圧Ｖ１を調整することにより、リターダンスΓ１をインクリメントする。ステップ１１０では、コントローラ４３は、ビートトーン振幅Ｂ１’が減少したか否かを判定する。減少している場合、ステップ１１０からステップ１０８に進む。減少していない場合、ステップ１１０からステップ１１２に進む。
【００３５】
ステップ１１２では、コントローラ４３は、電圧Ｖ１を調整することにより、リターダンスΓ１をデクリメントする。ステップ１１４では、コントローラ４３は、ビートトーン振幅Ｂ１’が減少したか否かを判定する。減少している場合、ステップ１１４からステップ１１２に進む。減少していない場合、ステップ１１４からステップ１１６に進む。
【００３６】
ステップ１１６からステップ１２４において、コントローラ４３は、リタ−ダ２０のリターダンスΓ２を調整して、リターダンスΓ２で達成され得るビートトーン振幅Ｂ１’の極小値を見つける。ビートトーン振幅Ｂ１’の極小値が得られると、ステップ１２４からステップ１２６に進む。ステップ１２６からステップ１３４において、コントローラ４３は、リタ−ダ２２のリターダンスΓ３を調整して、リターダンスΓ３で達成され得るビートトーン振幅Ｂ１’の極小値を見つける。ビートトーン振幅Ｂ１’の極小値が得られると、ステップ１３４からステップ１３６に進む。
【００３７】
ステップ１３６では、コントローラ４３は、現在の反復に関するビートトーン振幅Ｂ１’の値を記録する。ステップ１３８では、コントローラ４３は、ビート信号Ｂ２とビート信号Ｂ３との間の位相差ΔΨを求める。ステップ１４０では、コントローラ４３は、位相差ΔΨの値がＥ１およびＥ２の所望の出射偏光状態に対応するか否かを判定する。Ｅ１およびＥ２の偏光状態に大きな突然の変化を引き起こす大きな突然の変化がファイバ１６の状態に存在すると、位相差ΔΨが所望の出射偏光状態に対応しないことがあり、これにより制御ループが一時的にロックを失い、ひいては本システムがその後にその同一の初期解にロックされない場合がある。このような場合には、ステップ１４０からステップ１０４に進み、リターダンスΓ１、Γ２、およびΓ３の別の初期解をサーチするために方法１００を繰り返す。一方、位相差ΔΨがＥ１およびＥ２の所望の出射偏光状態に対応する場合には、ステップ１４０からステップ１４２に進む。
【００３８】
ステップ１４２では、コントローラ４３は、現在のビートトーン振幅Ｂ１’が以前の反復によって記録されたビートトーン振幅Ｂ１’と同じであるか否かを判定する。そして、同じである場合には、ステップ１４２からステップ１３６に進み、ビートトーン振幅Ｂ１’の値が変化するまで、方法１００はループする。現在のビートトーン振幅Ｂ１’が前回の反復によって記録されたビートトーン振幅Ｂ１’と同じでない場合には、ステップ１４２からステップ１０６に進み、別の最小ビートトーン振幅Ｂ１’をサーチするために方法１００が繰り返される。
【００３９】
図３には、Ｅ１およびＥ２の偏光状態の所望の向きを生じさせるリターダンスΓ１、Γ２、およびΓ３の初期解を得るために、コントローラ４３がＥ１およびＥ２の偏光状態の一部または全てをサーチするステップ１０４の一実施形態が例示されている。ステップ１７４では、コントローラ４３は、リターダンスΓ１、Γ２、およびΓ３を０に初期化する。ここでは、ゼロのリターダンスの極小値を仮定しているが、このサーチは、リターダによって達成可能な、またはサーチされることを所望されるリターダンスΓ１、Γ２、およびΓ３の任意の極小値から開始してもよい。ステップ１７６では、コントローラ４３が、リターダンスΓ１、Γ２、およびΓ３の現在の値によって生成されたビート信号Ｂ２とビート信号Ｂ３との間の位相差ΔΨを記録する。ステップ１７８では、コントローラ４３は、リターダンスΓ３がその最大値より大きいか否かを判定する。この最大値は、リターダが達成できる、またはサーチされることを所望される最大のリターダンスとすることができる。リターダンスΓ３がその最大値より大きい場合には、ステップ１７８からステップ１８２に進む。リターダンスΓ３がその最大値より大きくない場合には、ステップ１７８からステップ１８０に進む。ステップ１８０では、コントローラ４３が、電圧Ｖ３を調整することにより、リターダンスΓ３をインクリメントする。ステップ１８０からステップ１７６に進み、リターダンスΓ３がその最大値より大きくなるまで、上記のステップがループする。
【００４０】
ステップ１８２では、コントローラ４３が、Γ３を０に再初期化する。ステップ１８４では、コントローラ４３が、電圧Ｖ２を調整することにより、リターダンスΓ２をインクリメントする。ステップ１８６では、コントローラ４３は、リターダンスΓ２がその最大値より大きいか否かを判定する。大きい場合には、ステップ１８６からステップ１８８に進む。リターダンスΓ２がその最大値より大きくない場合には、ステップ１８６からステップ１７６に進み、リターダンスΓ３とΓ２の両方がそれらの最大値より大きくなるまで、上記のステップがループする。
【００４１】
ステップ１８８では、コントローラ４３が、Γ２を０に再初期化する。ステップ１９０では、コントローラ４３が、電圧Ｖ１を調整することにより、リターダンスΓ１をインクリメントする。ステップ１９２では、コントローラ４３は、リターダンスΓ１がその最大値より大きいか否かを判定する。大きい場合には、ステップ１９２からステップ１９４に進む。リターダンスΓ１がその最大値より大きくない場合には、ステップ１９２からステップ１７６に進み、リターダンスΓ３、Γ２、およびΓ１がそれらの最大値より大きくなるまで、上記のステップがループする。ステップ１９４では、コントローラ４３が、方法１００の初期解として、Ｅ１およびＥ２の所望の出射偏光状態に対応した所望の位相差ΔΨ０を生じさせる、リターダンスΓ３、Γ２、およびΓ１の値を選択する。
【００４２】
図４には、図１におけるシステム１０の一具現化態様（以降、これをシステム１０Ａと称する）が例示されており、これは、本発明の一実施形態において、特定の向きの偏光状態に適用することができる。システム１０Ａにおいて、光源１２は、垂直直線偏光（ＶＬＰ）Ｅ１および水平直線偏光（ＨＬＰ）Ｅ２を発生する。システム１０Ａにおいて、ファイバ１６の出力におけるＥ１およびＥ２の偏光状態を維持することが望ましい。従って、偏光子３８は９０°に配向され、偏光子５２は４５°に配向され、波長板６０には、４５°に配向された四分の一波長板が選択され、偏光子６２は９０°に配向される。
【００４３】
図５には、システム１０Ａ（図４）におけるＥ１およびＥ２の偏光状態を調整するために使用されるＰＳＭ１４Ａの一実施形態が例示されている。ＰＳＭ１４Ａは、光がｚ方向に伝搬し、電圧がｘ方向およびｙ方向に印加される、ニオブ酸リチウム結晶（ＬｉＮｂＯ３）のような電気光学結晶から作成された回転可能な可変リターダである。ＬｉＮｂＯ３の編光軸およびリターダンスは、電圧ＶｘおよびＶｙを変化させることによって制御され、この結果、電圧ＶｘおよびＶｙの両方を範囲［−Ｖπ，Ｖπ］にわたって操作する場合に、任意の入射偏光状態を任意の出射偏光状態に変換することができる。この場合、半波長電圧Ｖπ＝λｄ／（２ｎ０３ｒ２２Ｌ）であり、λは光ビームの波長であり、ｄはＬｉＮｂＯ３の幅および高さであり、ｎ０はＬｉＮｂＯ３の常光線屈折率であり、Ｌは結晶の長さであり、ｒ２２はＬｉＮｂＯ３の電気光学係数である。
【００４４】
一実施形態において、システム１０Ａは、方法１００（図２および図３）と類似した方法を使用して、Ｅ１およびＥ２の所望の偏光状態を維持することができる。コントローラ４３は、まず、グローバルサーチを実行して、所望の位相差ΔΨ０を生じさせる電圧ＶｘおよびＶｙの初期値を見つける。次いで、コントローラ４３は、最小限のサーチを連続的に実行し、所望の位相差ΔΨ０に対応する極小値にロックする。
【００４５】
ＰＭファイバが上述のシステムに使用される場合、Ｅ１およびＥ２は、一般に、小さい偏光の変化（例えば、偏光子による２０％未満のパワー変化）を受ける。従って、所望の出射偏光状態を見つけてロックするために、可能な入射偏光状態のすべてを生成できるＰＳＭが必要とされない場合がある。実際には、適切な設計によれば、サーチされる必要のある偏光状態の範囲を低減することができ、これにより、いくつかの可変リターダ、および場合によっては、直角位相検出を排除することが可能になる。例えば、ポアンカレ球（全ての偏光状態を表す数学的構造）の半分に及ぶ偏光状態だけしかサーチされる必要がない可能性がある。
【００４６】
図６Ａには、図１のシステム１０の一具現化態様（以降、システム１０Ｂと称する）が例示され、これは、本発明の一実施形態において、偏光状態の小さな変化に適用することができる。システム１０Ｂにおいて、光源１２は、ＶＬＰ  Ｅ１およびＨＬＰ  Ｅ２を発生する。システム１０Ｂにおいて、ファイバ１６の出力におけるＥ１およびＥ２の偏光状態を維持するのが望ましい。
【００４７】
リターダ２５２およびＰＳＭ  １４Ｂを使用して、Ｅ１およびＥ２の可能な偏光状態のサブセットが生成される。リターダ２５２は、２２．５°に配向された二分の一波長板である。ＰＳＭ１４Ｂには、（１）０°に配向され、０〜λ／２の範囲の可変リターダンスを有する可変リターダ２５４と、（２）４５°に配向され、０〜λ／２の範囲の可変リターダンスを有する可変リターダ２５６とが含まれる。リターダ２５２とＰＳＭ  １４Ｂは、ポアンカレ球のほぼ半分のサーチを可能にしており、その結果、他の解が設計により排除されているので、システム１０Ｂは、ビートトーン振幅Ｂ１’の２つの極小値の一方だけにロックすることになる。さらに、リターダ２５２およびＰＳＭ  １４Ｂは、対象となる領域（例えば、ポアンカレ球の半分）内で途切れることなしに、偏光状態を連続的に走査することを可能にしており、もしそうでなければ、エンドレスな（すなわち、リセットの無い）偏光制御を行うために、１つまたは複数の追加の可変リターダが必要とされる。
【００４８】
システム１０Ｂには、１つの検出器光路、すなわちビート信号Ｂ１を生じさせる第１の検出器光路３４のみが含まれる。コントローラ４３は、ビート信号Ｂ１のみを使用して、ＰＳＭ  １４Ｂにより生成され得る入射偏光状態内の唯一の極小値にロックする。リターダプレート２５２とＰＳＭ  １４Ｂにより生成され得る入射偏光状態内においては、１つの極小値のみがアクセス可能であるため、初期解のグローバルサーチは不要である。
【００４９】
図６Ｂには、本発明の一実施形態における、異なるリターダおよび異なるＰＳＭを除いて、システム１０Ｂに類似したシステム１０Ｃが例示されている。システム１０Ｃには、−４５°に配向された四分の一波長板２６２とＰＳＭ  １４Ａ（図５）とが含まれる。上述のように、ＰＳＭ  １４Ａは、電圧ＶｘおよびＶｙによって制御される回転可能な可変リターダであり、この場合、電圧Ｖｘは、範囲［０，Ｖπ］にわたって操作され、電圧Ｖｙは、範囲［−Ｖπ，Ｖπ］にわたって操作される。リターダ２６２およびＰＳＭ  １４Ａは、偏光状態において、途切れることなしにポアンカレ球のほぼ半分を連続的にサーチすることを可能にしており、もしそうでなければ、エンドレスな偏光制御を行うために、１つまたは複数の追加の回転可能な可変リターダが必要とされる。
【００５０】
ヘテロダイン干渉法に望ましい偏光状態は、一般に、ＶＬＰ  Ｅ１およびＨＬＰ  Ｅ２に対応するが、Ｅ１およびＥ２をＶＬＰおよびＨＬＰ以外の偏光状態にロックし、Ｅ１およびＥ２が干渉計に入射する前に、ＶＬＰおよびＨＬＰ状態を取得するシステムを設計することが可能である。図６Ｃには、本発明の一実施形態におけるこのようなシステム１０Ｄが例示されている。システム１０Ｄは、後述する変更点を除いて、システム１０Ｂおよび１０Ｃに類似している。入力偏光状態は、ＶＬＰ  Ｅ１およびＨＬＰ  Ｅ２である。システム１０Ｄでは、リターダ２５２（図６Ａ）およびリターダ２６２（図６Ｂ）は使用されない。ＰＳＭ  １４Ｄには、（１）４５°に配向され、０〜λ／２のリターダンス範囲にわたって動作する可変リターダ２５４Ｄと、（２）０°に配向され、λ／２〜３λ／２のリターダンス範囲にわたって動作する可変リターダ２５６Ｄとが含まれる。検出器光路３４内には、最小ビート振幅が、左円偏光（ＬＣＰ）状態のＥ１および右円偏光（ＲＣＰ）状態のＥ２に対応するように、偏光子３８の前に、４５°に配向された四分の一波長板６００が含まれる。光路２６内には、干渉計への入射前に、ＬＣＰ  Ｅ１およびＲＣＰ  Ｅ２をＶＬＰ  Ｅ１およびＨＬＰ  Ｅ２に変換するために、４５°に配向された第２の四分の一波長板６０２が含まれる。
【００５１】
図６Ｄには、本発明の一実施形態におけるシステム１０Ｂとシステム１０Ｄの要素を組み合わせたシステム１０Ｅが例示されている。システム１０Ｅにおいて、光源１２は、用途に応じた偏光状態を有するＥ１およびＥ２を発生する。システム１０Ｂと同様に、リターダ２５２ＥおよびＰＳＭ  １４Ｅを用いて、Ｅ１およびＥ２の可能な偏光状態のサブセットが生成される。リターダ２５２Ｅのリターダンスと向きは、Ｅ１およびＥ２の入射偏光状態および所望の出射偏光状態に依存する。システム１０Ｄと同様に、検出器光路３４内には、最小ビート振幅がＥ１とＥ２の所望の偏光状態に対応するように、偏光子３８の前に、リターダ６００Ｅが含まれる。光路２６内には、干渉計への入射前に、Ｅ１およびＥ２を所望の偏光状態に変換するために、リターダ６０２Ｅが含まれる。やはり、リターダ６０２Ｅのリターダンスと向きは、Ｅ１およびＥ２の所望の偏光状態に依存する。
【００５２】
上述した偏光制御システムの様々な実施形態は全て、遠隔動作構成で示されており、この場合、ＰＳＭがファイバおよび測定サイトの上流に配置される。図７には、非遠隔偏光制御システム３００の一実施形態が例示され、この場合、ＰＳＭ３１４がファイバ３１６から下流に測定サイトに配置される。看取されるように、光源３１２は、直交偏光状態を有し周波数が異なる２つの光ビームをファイバ３１６に送り込む。次いで、ファイバ３１６は、２つの光ビームをＰＳＭ３１４に伝送する。ＰＳＭ３１４は、出射光路およびモニタ光路に送出する前に、２つの光ビームの偏光状態を調整する。ＰＳＭ３１４は、図１、図４、図５、図６Ａ、および図６Ｂにおいて上述したように実施され得る。出射光路は、変位を測定するためのインターフェロメトリシステムにつながる。モニタ光路は、２つの光ビームの所望の出射偏光状態を維持するためにＰＳＭ３１４へのフィードバック制御をもたらす検出および制御ブロック３３４につながる。ブロック３３４は、図１、図４、図６Ａ、および図６Ｂにおいて説明されたように実施され得る。
【００５３】
図８には、ディザリングを使用して、所望のビートトーン振幅Ｂ１’にロックする、図１のシステム１０の一具現化態様（以降、システム１０Ｆと称する）が例示されている。ディザリングの技術によれば、検出信号の導関数（符号を含む）の検出を支援するために、各制御信号に小さいな変調項が生成される。また、この技術によれば、機械的な振動および温度の変動などの他の要因に起因して、振幅検知装置４２によって検出される振幅の変化が、フィルタリングによって除去される。システム１０Ｆは、信号生成器４０２、４０４、および４０６、ならびに加算器４０８、４１０、および４１２が追加されている点を除いて、システム１０と類似する。信号生成器４０２、４０４、および４０６は、小さな直交変調信号ｓ１、ｓ２、ｓ３（これらは、周波数ｆ１、ｆ２、およびｆ３の正弦波とすることができる）を生成する。コントローラ４３は、信号ｓ１、ｓ２、ｓ３を検出し、相関技術を用いて３つの信号４１４、４１６、および４１８を生成し、これら３つの信号は対応する制御ディザ信号ｓ１、ｓ２、およびｓ３に加算され、可変リターダ１８、２０、および２２に対する制御信号Ｖ１、Ｖ２、およびＶ３がそれぞれ生成される。
【００５４】
所望の出射偏光状態が、光源から出射する入射偏光状態と同じである必要がないという点に留意されたい。例えば、図６Ａのシステム１０Ｂの一実施形態は、レーザからの左円偏光Ｅ１および右円偏光Ｅ２に対応する入射偏光状態に使用されることができ、また、ＶＬＰ  Ｅ１およびＨＬＰ  Ｅ２に対応する所望の出射偏光状態の生成に使用され得る。このような実施形態において、リターダ２５２は、９０°に配向された四分の一波長板である。同様に、図６Ｂにおけるシステム１０Ｃの一実施形態は、レーザからの左円偏光Ｅ１および右円偏光Ｅ２に対応する入射偏光状態に使用されることができ、また、ＶＬＰ  Ｅ１およびＨＬＰ  Ｅ２に対応する所望の出射偏光状態の生成に使用され得る。このような実施形態において、リターダ２６２は不要である。
【００５５】
ＰＳＭの各種実施形態について上述したが、ＰＳＭのさらなる実施形態も使用することができる。ＰＳＭの一実施形態は、複屈折特性が機械的応力の印加により変化する、２つまたはそれより多いファイバスクイーザを含む。機械的応力は、コントローラ４３からの制御信号に応答して、ファイバスクイーザに加えられる。ＰＳＭの別の実施形態は、そのリターダンスおよび／または偏光軸がコントローラ４３からの制御信号に応答して変わる、２つまたはそれより多い液晶セルを含む。ＰＳＭのさらに別の実施形態は、固定されたリターダンスを有する、２つまたはそれより多い機械的に回転可能な波長板を含む。波長板は、コントローラ４３からの制御信号に応答して回転する。ＰＳＭのさらに別の実施形態は、機械的応力の印加によって線形複屈折が誘起される、２つまたはそれより多い光弾性変調器を含む。機械的応力は、コントローラ４３からの制御信号に応答して、これらの光弾性変調器に加えられる。
【００５６】
いくつかの用途において、特に、ヘテロダインインターフェロメトリにおいて、テストビームおよび基準ビームが直交偏光を有することが望ましい場合が多い。しかしながら、光源から出射する２つの光ビームの偏光は、空間的に不均一な偏光状態を有する可能性があり、ひいては完全には直交しない可能性がある。こうした場合、波面フィルタリングも、２つの光ビームの偏光の直交性を改善するのに役立つ。これは、波面フィルタリングの後、光ビームのそれぞれのＰＥＲが改善されるという事実の直接的な結果である。
【００５７】
開示された実施形態の特徴に関する他のさまざまな改変および組み合わせは、本発明の範囲内にある。上述の本発明の実施形態は、偏光変更装置８１２を実現するために使用されるいかなる特定の種類の材料または技術にも制限されない。上述の本発明の実施形態は、空間フィルタを実現するために使用されるいかなる特定の種類の材料または技術にも制限されない。それどころか、本発明の実施形態は、ＰＥＲが空間的に不均一な偏光状態によって制限され、制限されたＰＥＲが、光の波面または振幅、あるいはその両方の空間フィルタリグによって改善されるときはいつでも有効である。例えば、本発明の実施形態によれば、偏光変更装置の複屈折特性によって生じない、空間的に不均一な偏光状態を発生する偏光変更装置のＰＥＲが改善される。添付の特許請求の範囲には、多くの実施形態が包含される。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の一実施形態における２つの直交偏光ビームの任意の偏光状態を維持するための偏光制御システムを例示した図である。
【図２】本発明の一実施形態における図１の偏光制御システムを動作させるための方法のフローチャートである。
【図３】本発明の一実施形態における図１の偏光制御システムを動作させるための方法のフローチャートである。
【図４】本発明の一実施形態における２つの直交直線偏光ビームの偏光状態を維持するための偏光制御システムを例示した図である。
【図５】図４の偏光制御システムにおける偏光状態変調器を例示した図である。
【図６Ａ】本発明の実施形態における２つの直交直線偏光ビームの偏光状態を維持するための偏光制御システムを例示した図である。
【図６Ｂ】本発明の実施形態における２つの直交直線偏光ビームの偏光状態を維持するための偏光制御システムを例示した図である。
【図６Ｃ】本発明の実施形態における２つの直交直線偏光ビームの偏光状態を維持するための偏光制御システムを例示した図である。
【図６Ｄ】本発明の実施形態における２つの直交直線偏光ビームの偏光状態を維持するための偏光制御システムを例示した図である。
【図７】本発明の一実施形態における偏光制御システムの非遠隔構成を例示した図である。
【図８】本発明の一実施形態における、ディザリングを利用して、２つの直交偏光ビームの任意の偏光状態を維持する偏光制御システムを例示した図である。
【図９】本発明の一実施形態における偏光変更装置の偏光消光比（ＰＥＲ）を改善するためのシステムを例示した図である。
【図１０】本発明の一実施形態における偏光変更装置の偏光消光比（ＰＥＲ）を改善するためのシステムを例示した図である。
【図１１】本発明の一実施形態における、２つの直交偏光が利用される、ヘテロダイン干渉計に対する本発明の応用例を例示した図である。
【符号の説明】
【００５９】
８１２  偏光変更装置
８１４  空間フィルタ
８１８、８３２  空間フィルタ
８５４  フィードバックコントローラ
【図１】
2005062865.tif 000003
【図２】
2005062865.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
2005062865.tif 000009
【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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