(57)【要約】【課題】任意の偏光状態の光を別の任意の偏光状態の光に変換する。【解決手段】自動偏光調整器は、１／４波長板（ＱＷＰ）１００と、１／２波長板（ＨＷＰ）１０１と、出力光の一部を分岐させるビームスプリッタ（ＢＳ）１０２と、周波数ｆで回転し、ＢＳ１０２で分岐した光を偏光変調するＱＷＰ１０３と、ＱＷＰ１０３を通過した光をＰ偏光とＳ偏光に分離する偏光ビームスプリッタ１０４と、Ｐ偏光とＳ偏光を光電変換する光検出器１０５，１０６と、光検出器１０５，１０６の出力を差動増幅する差動増幅器１０７と、差動増幅器１０７の出力に含まれる直流成分のレベルが設定値になるようにＨＷＰ１０１を制御する第１の制御手段と、差動増幅器１０７の出力に含まれる周波数２ｆの成分が零になるようにＱＷＰ１００を制御する第２の制御手段とを備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
任意の偏光状態を有する入力光の独立な直線偏光成分に位相差９０度を与える第１の１／４波長板と、
この第１の１／４波長板を通過した光の独立な直線偏光成分に位相差１８０度を与える第１の１／２波長板と、
この第１の１／２波長板を通過した出力光の一部を分岐させる第１の分離素子と、
この第１の分離素子で分岐した光の進行方向と平行な軸を回転軸として一定の周波数ｆで回転し、前記分岐した光を通過させて偏光変調する第２の１／４波長板と、
この第２の１／４波長板を通過した光をＰ偏光とＳ偏光に分離する第２の分離素子と、
前記Ｐ偏光を光電変換する第１の光検出器と、
前記Ｓ偏光を光電変換する第２の光検出器と、
前記第１の光検出器の出力電気信号と前記第２の光検出器の出力電気信号とを差動増幅する差動増幅器と、
この差動増幅器の出力電気信号に含まれる直流成分のレベルが予め設定された値になるように前記第１の１／２波長板の角度を制御する第１の制御手段と、
前記差動増幅器の出力電気信号に含まれる周波数２ｆの成分が零になるように前記第１の１／４波長板の角度を制御する第２の制御手段とを備え、
前記第１の分離素子を通過した出力光が常に一定の直線偏光となるようにすることを特徴とする自動偏光調整器。
【請求項２】
任意の偏光状態を有する入力光の独立な直線偏光成分に位相差９０度を与える第１の１／４波長板と、
この第１の１／４波長板を通過した光の独立な直線偏光成分に位相差１８０度を与える第１の１／２波長板と、
この第１の１／２波長板を通過した出力光の一部を分岐させる第１の分離素子と、
この第１の分離素子で分岐した光の進行方向と平行な軸を回転軸として一定の周波数ｆで回転し、前記分岐した光を通過させて偏光変調する第２の１／４波長板と、
この第２の１／４波長板を通過した光をＰ偏光とＳ偏光に分離する第２の分離素子と、
前記Ｐ偏光を光電変換する第１の光検出器と、
前記Ｓ偏光を光電変換する第２の光検出器と、
前記第１の光検出器の出力電気信号と前記第２の光検出器の出力電気信号とを差動増幅する差動増幅器と、
この差動増幅器の出力電気信号に含まれる直流成分のレベルと周波数４ｆの成分の振幅との和または差を求め、この和または差が零になるように前記第１の１／２波長板の角度を制御する第１の制御手段と、
前記差動増幅器の出力電気信号に含まれる周波数２ｆの成分が零になるように前記第１の１／４波長板の角度を制御する第２の制御手段とを備え、
前記第１の分離素子を通過した出力光が常に一定の直線偏光となるようにすることを特徴とする自動偏光調整器。
【請求項３】
任意の偏光状態を有する入力光の独立な直線偏光成分に位相差９０度を与える第１の１／４波長板と、
この第１の１／４波長板を通過した光の独立な直線偏光成分に位相差１８０度を与える第１の１／２波長板と、
この第１の１／２波長板を通過した出力光の一部を分岐させる第１の分離素子と、
この第１の分離素子で分岐した光の進行方向と平行な軸を回転軸として一定の周波数ｆで回転し、前記分岐した光を通過させて偏光変調する第２の１／４波長板と、
この第２の１／４波長板を通過した光をＰ偏光とＳ偏光に分離する第２の分離素子と、
前記Ｐ偏光を光電変換する第１の光検出器と、
前記Ｓ偏光を光電変換する第２の光検出器と、
前記第１の光検出器の出力電気信号と前記第２の光検出器の出力電気信号とを差動増幅する差動増幅器と、
この差動増幅器の出力電気信号に含まれる直流成分のレベルと周波数４ｆの成分の振幅との比の絶対値が所定のしきい値以下になるように前記第１の１／２波長板の角度を制御する第１の制御手段と、
前記差動増幅器の出力電気信号に含まれる周波数２ｆの成分の振幅と周波数４ｆの成分の振幅との比が前記しきい値以下になるように前記第１の１／４波長板の角度を制御する第２の制御手段とを備え、
前記第１の分離素子を通過した出力光が常に一定の直線偏光となるようにすることを特徴とする自動偏光調整器。
【請求項４】
任意の偏光状態を有する入力光の独立な直線偏光成分に位相差９０度を与える第１の１／４波長板と、
この第１の１／４波長板を通過した光の独立な直線偏光成分に位相差１８０度を与える第１の１／２波長板と、
この第１の１／２波長板を通過した出力光の一部を分岐させる第１の分離素子と、
この第１の分離素子で分岐した光の進行方向と平行な軸を回転軸として一定の周波数ｆで回転し、前記分岐した光を通過させて偏光変調する第２の１／４波長板と、
この第２の１／４波長板を通過した光をＰ偏光とＳ偏光に分離する第２の分離素子と、
前記Ｐ偏光を光電変換する第１の光検出器と、
前記Ｓ偏光を光電変換する第２の光検出器と、
前記第１の光検出器の出力電気信号と前記第２の光検出器の出力電気信号とを差動増幅する差動増幅器と、
この差動増幅器の出力電気信号に含まれる直流成分のレベルと周波数４ｆの成分の振幅との和または差を求め、この和または差のレベルと周波数４ｆの成分の振幅との比の絶対値が所定のしきい値以下になるように前記第１の１／２波長板の角度を制御する第１の制御手段と、
前記差動増幅器の出力電気信号に含まれる周波数２ｆの成分の振幅と周波数４ｆの成分の振幅との比が前記しきい値以下になるように前記第１の１／４波長板の角度を制御する第２の制御手段とを備え、
前記第１の分離素子を通過した出力光が常に一定の直線偏光となるようにすることを特徴とする自動偏光調整器。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の自動偏光調整器において、
さらに、前記周波数ｆの信号を生成する発振器を備え、
前記第２の１／４波長板は、この発振器によって生成された信号に同期して回転し、
前記第１の制御手段および第２の制御手段は、前記差動増幅器の出力電気信号に含まれる周波数２ｆの成分の振幅および周波数４ｆの成分の振幅を抽出する際の局部発振波として前記発振器によって生成された信号を用いることを特徴とする自動偏光調整器。
【請求項６】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の自動偏光調整器において、
さらに、前記第２の１／４波長板が自律的に回転する周波数ｆに同期した信号を前記第２の１／４波長板の回転に基づいて生成する同期信号生成手段を備え、
前記第１の制御手段および第２の制御手段は、前記差動増幅器の出力電気信号に含まれる周波数２ｆの成分の振幅および周波数４ｆの成分の振幅を抽出する際の局部発振波として前記同期信号生成手段によって生成された同期信号を用いることを特徴とする自動偏光調整器。
【請求項７】
請求項６記載の自動偏光調整器において、
前記同期信号生成手段は、
前記第２の１／４波長板の周辺部に１／４周分の光透過部と１／４周分の光遮蔽部とが交互に配置されるように前記光遮蔽部を構成する２枚の光遮蔽板と、
前記第２の１／４波長板の周辺部に同期信号生成用の光を放射する光源と、
前記光源から出射して前記光透過部を通過した強度変調光を光電変換して前記同期信号を生成する第３の光検出器とからなることを特徴とする自動偏光調整器。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の自動偏光調整器において、
さらに、前記第１の分離素子を通過した光の独立な直線偏光成分に位相差９０度を与える第３の１／４波長板と、
この第３の１／４波長板を通過した光の独立な直線偏光成分に位相差１８０度を与える第２の１／２波長板と、
使用者の欲する偏光状態を指定する楕円率ηと方位角ψに基づいて、前記第３の１／４波長板の設定すべき角度θq をθq ＝ηにより計算して、前記第３の１／４波長板の角度がθq になるように制御する第３の制御手段と、
前記第２の１／２波長板の設定すべき角度θh をθh ＝η＋｛（ψ−η）／２｝により計算して、前記第２の１／２波長板の角度がθh になるように制御する第４の制御手段とを備え、
前記第２の１／２波長板を通過した出力光が前記使用者の欲する偏光状態の光となるようにすることを特徴とする自動偏光調整器。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の自動偏光調整器において、
前記第１の１／４波長板に入射する入力光は、偏光状態が時間的に変化し、かつその変化の周波数が複数存在する偏光変調光であり、
前記第１の制御手段および第２の制御手段による制御の応答周波数の最大値をｆC 、前記偏光状態の変化の周波数のうち任意の周波数をｆM とすると、ｆM＞ｆCを満たすことを特徴とする自動偏光調整器。
【請求項１０】
任意の偏光状態を有する入力光の独立な直線偏光成分に位相差９０度を与える第１の１／４波長板と、この第１の１／４波長板を通過した光の独立な直線偏光成分に位相差１８０度を与える第１の１／２波長板とを用いて、前記入力光を一定の偏光状態に保持して出力する偏光調整方法であって、
前記第１の１／２波長板を通過した出力光の一部を分岐させる第１の分離手順と、
前記分岐した光の進行方向と平行な軸を回転軸として一定の周波数ｆで回転する第２の１／４波長板により、前記分岐した光を偏光変調する変調手順と、
前記偏光変調した光をＰ偏光とＳ偏光に分離する第２の分離手順と、
前記Ｐ偏光を光電変換する第１の光検出手順と、
前記Ｓ偏光を光電変換する第２の光検出手順と、
前記第１の光検出手順の出力電気信号と前記第２の光検出手順の出力電気信号とを差動増幅する差動増幅手順と、
この差動増幅手順の出力電気信号に含まれる直流成分のレベルが予め設定された値になるように前記第１の１／２波長板の角度を制御する第１の制御手順と、
前記差動増幅手順の出力電気信号に含まれる周波数２ｆの成分が零になるように前記第１の１／４波長板の角度を制御する第２の制御手順とを備え、
前記第１の分離手順を通過した出力光が常に一定の直線偏光となるようにすることを特徴とする偏光調整方法。
【請求項１１】
任意の偏光状態を有する入力光の独立な直線偏光成分に位相差９０度を与える第１の１／４波長板と、この第１の１／４波長板を通過した光の独立な直線偏光成分に位相差１８０度を与える第１の１／２波長板とを用いて、前記入力光を一定の偏光状態に保持して出力する偏光調整方法であって、
前記第１の１／２波長板を通過した出力光の一部を分岐させる第１の分離手順と、
前記分岐した光の進行方向と平行な軸を回転軸として一定の周波数ｆで回転する第２の１／４波長板により、前記分岐した光を偏光変調する変調手順と、
前記偏光変調した光をＰ偏光とＳ偏光に分離する第２の分離手順と、
前記Ｐ偏光を光電変換する第１の光検出手順と、
前記Ｓ偏光を光電変換する第２の光検出手順と、
前記第１の光検出手順の出力電気信号と前記第２の光検出手順の出力電気信号とを差動増幅する差動増幅手順と、
この差動増幅手順の出力電気信号に含まれる直流成分のレベルと周波数４ｆの成分の振幅との和または差を求め、この和または差が零になるように前記第１の１／２波長板の角度を制御する第１の制御手順と、
前記差動増幅手順の出力電気信号に含まれる周波数２ｆの成分が最小になるように前記第１の１／４波長板の角度を制御する第２の制御手順とを備え、
前記第１の分離手順を通過した出力光が常に一定の直線偏光となるようにすることを特徴とする偏光調整方法。
【請求項１２】
任意の偏光状態を有する入力光の独立な直線偏光成分に位相差９０度を与える第１の１／４波長板と、この第１の１／４波長板を通過した光の独立な直線偏光成分に位相差１８０度を与える第１の１／２波長板とを用いて、前記入力光を一定の偏光状態に保持して出力する偏光調整方法であって、
前記第１の１／２波長板を通過した出力光の一部を分岐させる第１の分離手順と、
前記分岐した光の進行方向と平行な軸を回転軸として一定の周波数ｆで回転する第２の１／４波長板により、前記分岐した光を偏光変調する変調手順と、
前記偏光変調した光をＰ偏光とＳ偏光に分離する第２の分離手順と、
前記Ｐ偏光を光電変換する第１の光検出手順と、
前記Ｓ偏光を光電変換する第２の光検出手順と、
前記第１の光検出手順の出力電気信号と前記第２の光検出手順の出力電気信号とを差動増幅する差動増幅手順と、
この差動増幅手順の出力電気信号に含まれる直流成分のレベルと周波数４ｆの成分の振幅との比の絶対値が所定のしきい値以下になるように前記第１の１／２波長板の角度を制御する第１の制御手順と、
前記差動増幅手順の出力電気信号に含まれる周波数２ｆの成分の振幅と周波数４ｆの成分の振幅との比が前記しきい値以下になるように前記第１の１／４波長板の角度を制御する第２の制御手順とを備え、
前記第１の分離手順を通過した出力光が常に一定の直線偏光となるようにすることを特徴とする偏光調整方法。
【請求項１３】
任意の偏光状態を有する入力光の独立な直線偏光成分に位相差９０度を与える第１の１／４波長板と、この第１の１／４波長板を通過した光の独立な直線偏光成分に位相差１８０度を与える第１の１／２波長板とを用いて、前記入力光を一定の偏光状態に保持して出力する偏光調整方法であって、
前記第１の１／２波長板を通過した出力光の一部を分岐させる第１の分離手順と、
前記分岐した光の進行方向と平行な軸を回転軸として一定の周波数ｆで回転する第２の１／４波長板により、前記分岐した光を偏光変調する変調手順と、
前記偏光変調した光をＰ偏光とＳ偏光に分離する第２の分離手順と、
前記Ｐ偏光を光電変換する第１の光検出手順と、
前記Ｓ偏光を光電変換する第２の光検出手順と、
前記第１の光検出手順の出力電気信号と前記第２の光検出手順の出力電気信号とを差動増幅する差動増幅手順と、
この差動増幅手順の出力電気信号に含まれる直流成分のレベルと周波数４ｆの成分の振幅との和または差を求め、この和または差のレベルと周波数４ｆの成分の振幅との比の絶対値が所定のしきい値以下になるように前記第１の１／２波長板の角度を制御する第１の制御手順と、
前記差動増幅手順の出力電気信号に含まれる周波数２ｆの成分の振幅と周波数４ｆの成分の振幅との比が前記しきい値以下になるように前記第１の１／４波長板の角度を制御する第２の制御手順とを備え、
前記第１の分離手順を通過した出力光が常に一定の直線偏光となるようにすることを特徴とする偏光調整方法。
【請求項１４】
請求項１０乃至１３のいずれか１項に記載の偏光調整方法において、
さらに、前記周波数ｆの信号を生成する発振手順を備え、
前記変調手順は、前記発振手順によって生成された信号に同期して前記第２の１／４波長板を回転させ、
前記第１の制御手順および第２の制御手順は、前記差動増幅手順の出力電気信号に含まれる周波数２ｆの成分の振幅および周波数４ｆの成分の振幅を抽出する際の局部発振波として前記発振手順によって生成された信号を用いることを特徴とする偏光調整方法。
【請求項１５】
請求項１０乃至１３のいずれか１項に記載の偏光調整方法において、
さらに、前記第２の１／４波長板が自律的に回転する周波数ｆに同期した信号を前記第２の１／４波長板の回転に基づいて生成する同期信号生成手順を備え、
前記第１の制御手順および第２の制御手順は、前記差動増幅手順の出力電気信号に含まれる周波数２ｆの成分の振幅および周波数４ｆの成分の振幅を抽出する際の局部発振波として前記同期信号生成手順によって生成された同期信号を用いることを特徴とする偏光調整方法。
【請求項１６】
請求項１５記載の偏光調整方法において、
前記同期信号生成手順は、前記第２の１／４波長板の周辺部に１／４周分の光透過部と１／４周分の光遮蔽部とを交互に配置し、前記第２の１／４波長板の周辺部に同期信号生成用の光を光源から放射して、前記光源から出射して前記光透過部を通過した強度変調光を光電変換して前記同期信号を生成することを特徴とする偏光調整方法。
【請求項１７】
請求項１０乃至１６のいずれか１項に記載の偏光調整方法において、
さらに、前記第１の分離手順を通過した光の独立な直線偏光成分に位相差９０度を与える第３の１／４波長板によって光の偏光状態を調整する第１の調整手順と、
前記第３の１／４波長板を通過した光の独立な直線偏光成分に位相差１８０度を与える第２の１／２波長板によって光の偏光状態を調整する第２の調整手順と、
使用者の欲する偏光状態を指定する楕円率ηと方位角ψに基づいて、前記第３の１／４波長板の設定すべき角度θq をθq ＝ηにより計算して、前記第３の１／４波長板の角度がθq になるように制御する第３の制御手順と、
前記第２の１／２波長板の設定すべき角度θh をθh ＝η＋｛（ψ−η）／２｝により計算して、前記第２の１／２波長板の角度がθh になるように制御する第４の制御手順とを備え、
前記第２の１／２波長板を通過した出力光が前記使用者の欲する偏光状態の光となるようにすることを特徴とする偏光調整方法。
【請求項１８】
請求項１０乃至１７のいずれか１項に記載の偏光調整方法において、
前記第１の１／４波長板に入射する入力光は、偏光状態が時間的に変化し、かつその変化の周波数が複数存在する偏光変調光であり、
前記第１の制御手順および第２の制御手順による制御の応答周波数の最大値をｆC 、前記偏光状態の変化の周波数のうち任意の周波数をｆM とすると、ｆM＞ｆCを満たすことを特徴とする偏光調整方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、偏光状態が刻々と変化する光を一定の偏光状態に保持して出力する自動偏光調整器および偏光調整方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
通信システムやセンサにおいては、光ファイバが盛んに使われている。しかし、光ファイバに応力が加わると、光ファイバ中を伝播する光の偏光状態が変化してしまう。したがって、光の偏光状態を利用するシステムにおいては偏光調整器が不可欠であるが、ほとんどの偏光調整器は手動調整式であり、何らかの手段で光の偏光状態を観測しながら人が調整しなければならないことが多い。
【０００３】
そのような問題に対処するための装置として、自動追尾型偏波コントローラという製品が市販されている（例えば、非特許文献１参照）。この自動追尾型偏波コントローラは、任意の偏光状態の光を直線偏光に変換して出力するものであり、入射光の偏光状態が変化した際にも、常に一定の強度の直線偏光を出力し続けることが可能である。
この自動追尾型偏波コントローラの構成を図１５に示す。コントローラに入射した光は、１／４波長板（Quarter-Wave Plate；QWP ）１０００と１／２波長板（Half-Wave Plate；HWP）１００１を通過した後に、偏光ビームスプリッタ（Polarizing-Beam Splitter；PBS ）１００２に入射する。ＰＢＳ１００２は、Ｐ偏光を透過させ、Ｓ偏光を反射する機能を有する素子である。ここで、Ｐ偏光とは図１５の紙面に平行な電界成分のみを有する直線偏光であり、Ｓ偏光とは紙面に垂直な電界成分のみを有する直線偏光である。
【０００４】
コントローラに入射する光は一般に楕円偏光であり、Ｓ偏光およびＰ偏光の双方を有する。したがって、Ｓ偏光はＰＢＳ１００２で反射されて光検出器（Photo Detector；PD）１００４に入射し、Ｐ偏光はＰＢＳ１００２を透過してビームスプリッタ（Beam Splitter；BS ）１００３に入射する。Ｐ偏光の一部はＢＳ１００３で反射され、ＰＤ１００５で検出される。ＢＳ１００３を透過したＰ偏光は、コントローラの出力光として取り出される。制御回路１００６は、ＰＤ１００４と１００５の出力信号強度を比較し、ＰＤ１００４の出力信号強度がＰＤ１００５の出力信号強度に比べて十分小さくなるように、ＱＷＰ１０００とＨＷＰ１００１の角度を調整する。ＰＤ１００４の出力信号強度が十分小さくなれば、ＱＷＰ１０００とＨＷＰ１００１を通過した光はほとんどＰ偏光になっているはずなので、このような手法で直線偏光を得ることが可能である。
【０００５】
なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
【非特許文献１】“自動追尾型偏波コントローラ”，［online］，株式会社オプトクエスト，［平成１６年１月２７日検索］，インターネット＜http://www.optoquest.jp＞
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記に述べたように、任意の偏光状態の光を完全な直線偏光に変換するためには、すでに市販されている自動追尾型偏波コントローラは有効である。
しかし、この自動追尾型偏波コントローラは、偏光制御を必要とするあらゆるシステムに対して万能という訳ではない。例えば、「偏光状態が時間的に変化し、かつその変化の周波数が複数存在する偏光変調光を入力光として、高速の偏光変調光を出力する」という機能を有するデバイスを考える。このときの入力光には低速の偏光変化とこれよりも変化の速い高速の偏光変化とが含まれる。前記デバイスは、入力光に含まれる低速の偏光変化のみを打ち消す。これにより、低い周波数で観測すると特定の直線偏光状態を示し、かつ高い周波数で観測すると偏光状態の変化が観測されるといった、直線偏光を基準とする高速の偏光変調光を出力することができる。
【０００７】
このような直線偏光を基準とする高速の偏光変調光を光ファイバで伝送すると、低い周波数で観測すると楕円偏光状態を示し、かつ高い周波数で観測すると偏光状態の変化が観測されるといった、楕円偏光を基準とする高速の偏光変調光に変換されることになるが、多くのケースにおいては、この楕円偏光を基準とする高速の偏光変調光を直線偏光を基準とする高速の偏光変調光に再度変換し直す必要が生じる。
【０００８】
したがって、楕円偏光を基準とする高速の偏光変調光を直線偏光を基準とする高速の偏光変調光に変換する偏光調整器が望まれるところであるが、図１５に示した従来の自動追尾型偏波コントローラでは、楕円偏光を基準とする高速の偏光変調光を完全な直線偏光に変換することはできるものの、直線偏光を基準とする高速の偏光変調光に変換することはできないという問題点があった。その理由は、自動追尾型偏波コントローラ内でモニタ用の光を抽出するためにＰＢＳ１００２を用いていることによる。自動追尾型偏波コントローラに入射した偏光変調光はＰＢＳ１００２を通過することによって強度変調光に変換されてしまうので、偏光変調光を出力させることができないからである。
【０００９】
本発明は、上記のような問題点を解消するためになされたものであり、任意の偏光状態の光を別の任意の偏光状態の光に変換することが可能な自動偏光調整器および偏光調整方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、任意の偏光状態を基準とする高速の偏光変調光を別の任意の偏光状態を基準とする高速の偏光変調光に変換することが可能な自動偏光調整器および偏光調整方法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】
【００１０】
本発明の自動偏光調整器は、任意の偏光状態を有する入力光の独立な直線偏光成分に位相差９０度を与える第１の１／４波長板と、この第１の１／４波長板を通過した光の独立な直線偏光成分に位相差１８０度を与える第１の１／２波長板と、この第１の１／２波長板を通過した出力光の一部を分岐させる第１の分離素子と、この第１の分離素子で分岐した光の進行方向と平行な軸を回転軸として一定の周波数ｆで回転し、前記分岐した光を通過させて偏光変調する第２の１／４波長板と、この第２の１／４波長板を通過した光をＰ偏光とＳ偏光に分離する第２の分離素子と、前記Ｐ偏光を光電変換する第１の光検出器と、前記Ｓ偏光を光電変換する第２の光検出器と、前記第１の光検出器の出力電気信号と前記第２の光検出器の出力電気信号とを差動増幅する差動増幅器と、この差動増幅器の出力電気信号に含まれる直流成分のレベルが予め設定された値になるように前記第１の１／２波長板の角度を制御する第１の制御手段と、前記差動増幅器の出力電気信号に含まれる周波数２ｆの成分が零になるように前記第１の１／４波長板の角度を制御する第２の制御手段とを備えるものである。
また、本発明の自動偏光調整器は、任意の偏光状態を有する入力光の独立な直線偏光成分に位相差９０度を与える第１の１／４波長板と、この第１の１／４波長板を通過した光の独立な直線偏光成分に位相差１８０度を与える第１の１／２波長板と、この第１の１／２波長板を通過した出力光の一部を分岐させる第１の分離素子と、この第１の分離素子で分岐した光の進行方向と平行な軸を回転軸として一定の周波数ｆで回転し、前記分岐した光を通過させて偏光変調する第２の１／４波長板と、この第２の１／４波長板を通過した光をＰ偏光とＳ偏光に分離する第２の分離素子と、前記Ｐ偏光を光電変換する第１の光検出器と、前記Ｓ偏光を光電変換する第２の光検出器と、前記第１の光検出器の出力電気信号と前記第２の光検出器の出力電気信号とを差動増幅する差動増幅器と、この差動増幅器の出力電気信号に含まれる直流成分のレベルと周波数４ｆの成分の振幅との和または差を求め、この和または差が零になるように前記第１の１／２波長板の角度を制御する第１の制御手段と、前記差動増幅器の出力電気信号に含まれる周波数２ｆの成分が零になるように前記第１の１／４波長板の角度を制御する第２の制御手段とを備えるものである。
【００１１】
また、本発明の自動偏光調整器は、任意の偏光状態を有する入力光の独立な直線偏光成分に位相差９０度を与える第１の１／４波長板と、この第１の１／４波長板を通過した光の独立な直線偏光成分に位相差１８０度を与える第１の１／２波長板と、この第１の１／２波長板を通過した出力光の一部を分岐させる第１の分離素子と、この第１の分離素子で分岐した光の進行方向と平行な軸を回転軸として一定の周波数ｆで回転し、前記分岐した光を通過させて偏光変調する第２の１／４波長板と、この第２の１／４波長板を通過した光をＰ偏光とＳ偏光に分離する第２の分離素子と、前記Ｐ偏光を光電変換する第１の光検出器と、前記Ｓ偏光を光電変換する第２の光検出器と、前記第１の光検出器の出力電気信号と前記第２の光検出器の出力電気信号とを差動増幅する差動増幅器と、この差動増幅器の出力電気信号に含まれる直流成分のレベルと周波数４ｆの成分の振幅との比の絶対値が所定のしきい値以下になるように前記第１の１／２波長板の角度を制御する第１の制御手段と、前記差動増幅器の出力電気信号に含まれる周波数２ｆの成分の振幅と周波数４ｆの成分の振幅との比が前記しきい値以下になるように前記第１の１／４波長板の角度を制御する第２の制御手段とを備えるものである。
また、本発明の自動偏光調整器は、任意の偏光状態を有する入力光の独立な直線偏光成分に位相差９０度を与える第１の１／４波長板と、この第１の１／４波長板を通過した光の独立な直線偏光成分に位相差１８０度を与える第１の１／２波長板と、この第１の１／２波長板を通過した出力光の一部を分岐させる第１の分離素子と、この第１の分離素子で分岐した光の進行方向と平行な軸を回転軸として一定の周波数ｆで回転し、前記分岐した光を通過させて偏光変調する第２の１／４波長板と、この第２の１／４波長板を通過した光をＰ偏光とＳ偏光に分離する第２の分離素子と、前記Ｐ偏光を光電変換する第１の光検出器と、前記Ｓ偏光を光電変換する第２の光検出器と、前記第１の光検出器の出力電気信号と前記第２の光検出器の出力電気信号とを差動増幅する差動増幅器と、この差動増幅器の出力電気信号に含まれる直流成分のレベルと周波数４ｆの成分の振幅との和または差を求め、この和または差のレベルと周波数４ｆの成分の振幅との比の絶対値が所定のしきい値以下になるように前記第１の１／２波長板の角度を制御する第１の制御手段と、前記差動増幅器の出力電気信号に含まれる周波数２ｆの成分の振幅と周波数４ｆの成分の振幅との比が前記しきい値以下になるように前記第１の１／４波長板の角度を制御する第２の制御手段とを備えるものである。
【００１２】
また、本発明の自動偏光調整器の１構成例は、さらに、前記周波数ｆの信号を生成する発振器を備え、前記第２の１／４波長板は、この発振器によって生成された信号に同期して回転し、前記第１の制御手段および第２の制御手段は、前記差動増幅器の出力電気信号に含まれる周波数２ｆの成分の振幅および周波数４ｆの成分の振幅を抽出する際の局部発振波として前記発振器によって生成された信号を用いるものである。
また、本発明の自動偏光調整器の１構成例は、さらに、前記第２の１／４波長板が自律的に回転する周波数ｆに同期した信号を前記第２の１／４波長板の回転に基づいて生成する同期信号生成手段を備え、前記第１の制御手段および第２の制御手段は、前記差動増幅器の出力電気信号に含まれる周波数２ｆの成分の振幅および周波数４ｆの成分の振幅を抽出する際の局部発振波として前記同期信号生成手段によって生成された同期信号を用いるものである。
また、本発明の自動偏光調整器の１構成例において、前記同期信号生成手段は、前記第２の１／４波長板の周辺部に１／４周分の光透過部と１／４周分の光遮蔽部とが交互に配置されるように前記光遮蔽部を構成する２枚の光遮蔽板と、前記第２の１／４波長板の周辺部に同期信号生成用の光を放射する光源と、前記光源から出射して前記光透過部を通過した強度変調光を光電変換して前記同期信号を生成する第３の光検出器とからなるものである。
【００１３】
また、本発明の自動偏光調整器の１構成例は、さらに、前記第１の分離素子を通過した光の独立な直線偏光成分に位相差９０度を与える第３の１／４波長板と、この第３の１／４波長板を通過した光の独立な直線偏光成分に位相差１８０度を与える第２の１／２波長板と、使用者の欲する偏光状態を指定する楕円率ηと方位角ψに基づいて、前記第３の１／４波長板の設定すべき角度θq をθq ＝ηにより計算して、前記第３の１／４波長板の角度がθq になるように制御する第３の制御手段と、前記第２の１／２波長板の設定すべき角度θh をθh ＝η＋｛（ψ−η）／２｝により計算して、前記第２の１／２波長板の角度がθh になるように制御する第４の制御手段とを備え、前記第２の１／２波長板を通過した出力光が前記使用者の欲する偏光状態の光となるようにしたものである。
また、本発明の自動偏光調整器の１構成例において、前記第１の１／４波長板に入射する入力光は、偏光状態が時間的に変化し、かつその変化の周波数が複数存在する偏光変調光であり、前記第１の制御手段および第２の制御手段による制御の応答周波数の最大値をｆC 、前記偏光状態の変化の周波数のうち任意の周波数をｆM とすると、ｆM＞ｆCを満たすようにしたものである。
【００１４】
また、本発明は、任意の偏光状態を有する入力光の独立な直線偏光成分に位相差９０度を与える第１の１／４波長板と、この第１の１／４波長板を通過した光の独立な直線偏光成分に位相差１８０度を与える第１の１／２波長板とを用いて、前記入力光を一定の偏光状態に保持して出力する偏光調整方法であって、前記第１の１／２波長板を通過した出力光の一部を分岐させる第１の分離手順と、前記分岐した光の進行方向と平行な軸を回転軸として一定の周波数ｆで回転する第２の１／４波長板により、前記分岐した光を偏光変調する変調手順と、前記偏光変調した光をＰ偏光とＳ偏光に分離する第２の分離手順と、前記Ｐ偏光を光電変換する第１の光検出手順と、前記Ｓ偏光を光電変換する第２の光検出手順と、前記第１の光検出手順の出力電気信号と前記第２の光検出手順の出力電気信号とを差動増幅する差動増幅手順と、この差動増幅手順の出力電気信号に含まれる直流成分のレベルが予め設定された値になるように前記第１の１／２波長板の角度を制御する第１の制御手順と、前記差動増幅手順の出力電気信号に含まれる周波数２ｆの成分が零になるように前記第１の１／４波長板の角度を制御する第２の制御手順とを備えるものである。
また、本発明の偏光調整方法は、前記第１の１／２波長板を通過した出力光の一部を分岐させる第１の分離手順と、前記分岐した光の進行方向と平行な軸を回転軸として一定の周波数ｆで回転する第２の１／４波長板により、前記分岐した光を偏光変調する変調手順と、前記偏光変調した光をＰ偏光とＳ偏光に分離する第２の分離手順と、前記Ｐ偏光を光電変換する第１の光検出手順と、前記Ｓ偏光を光電変換する第２の光検出手順と、前記第１の光検出手順の出力電気信号と前記第２の光検出手順の出力電気信号とを差動増幅する差動増幅手順と、この差動増幅手順の出力電気信号に含まれる直流成分のレベルと周波数４ｆの成分の振幅との和または差を求め、この和または差が零になるように前記第１の１／２波長板の角度を制御する第１の制御手順と、前記差動増幅手順の出力電気信号に含まれる周波数２ｆの成分が最小になるように前記第１の１／４波長板の角度を制御する第２の制御手順とを備えるものである。
【００１５】
また、本発明の偏光調整方法は、前記第１の１／２波長板を通過した出力光の一部を分岐させる第１の分離手順と、前記分岐した光の進行方向と平行な軸を回転軸として一定の周波数ｆで回転する第２の１／４波長板により、前記分岐した光を偏光変調する変調手順と、前記偏光変調した光をＰ偏光とＳ偏光に分離する第２の分離手順と、前記Ｐ偏光を光電変換する第１の光検出手順と、前記Ｓ偏光を光電変換する第２の光検出手順と、前記第１の光検出手順の出力電気信号と前記第２の光検出手順の出力電気信号とを差動増幅する差動増幅手順と、この差動増幅手順の出力電気信号に含まれる直流成分のレベルと周波数４ｆの成分の振幅との比の絶対値が所定のしきい値以下になるように前記第１の１／２波長板の角度を制御する第１の制御手順と、前記差動増幅手順の出力電気信号に含まれる周波数２ｆの成分の振幅と周波数４ｆの成分の振幅との比が前記しきい値以下になるように前記第１の１／４波長板の角度を制御する第２の制御手順とを備えるものである。
また、本発明の偏光調整方法は、前記第１の１／２波長板を通過した出力光の一部を分岐させる第１の分離手順と、前記分岐した光の進行方向と平行な軸を回転軸として一定の周波数ｆで回転する第２の１／４波長板により、前記分岐した光を偏光変調する変調手順と、前記偏光変調した光をＰ偏光とＳ偏光に分離する第２の分離手順と、前記Ｐ偏光を光電変換する第１の光検出手順と、前記Ｓ偏光を光電変換する第２の光検出手順と、前記第１の光検出手順の出力電気信号と前記第２の光検出手順の出力電気信号とを差動増幅する差動増幅手順と、この差動増幅手順の出力電気信号に含まれる直流成分のレベルと周波数４ｆの成分の振幅との和または差を求め、この和または差のレベルと周波数４ｆの成分の振幅との比の絶対値が所定のしきい値以下になるように前記第１の１／２波長板の角度を制御する第１の制御手順と、前記差動増幅手順の出力電気信号に含まれる周波数２ｆの成分の振幅と周波数４ｆの成分の振幅との比が前記しきい値以下になるように前記第１の１／４波長板の角度を制御する第２の制御手順とを備えるものである。
【００１６】
また、本発明の偏光調整方法の１構成例は、さらに、前記周波数ｆの信号を生成する発振手順を備え、前記変調手順は、前記発振手順によって生成された信号に同期して前記第２の１／４波長板を回転させ、前記第１の制御手順および第２の制御手順は、前記差動増幅手順の出力電気信号に含まれる周波数２ｆの成分の振幅および周波数４ｆの成分の振幅を抽出する際の局部発振波として前記発振手順によって生成された信号を用いるようにしたものである。
また、本発明の偏光調整方法の１構成例は、さらに、前記第２の１／４波長板が自律的に回転する周波数ｆに同期した信号を前記第２の１／４波長板の回転に基づいて生成する同期信号生成手順を備え、前記第１の制御手順および第２の制御手順は、前記差動増幅手順の出力電気信号に含まれる周波数２ｆの成分の振幅および周波数４ｆの成分の振幅を抽出する際の局部発振波として前記同期信号生成手順によって生成された同期信号を用いるようにしたものである。
また、本発明の偏光調整方法の１構成例において、前記同期信号生成手順は、前記第２の１／４波長板の周辺部に１／４周分の光透過部と１／４周分の光遮蔽部とを交互に配置し、前記第２の１／４波長板の周辺部に同期信号生成用の光を光源から放射して、前記光源から出射して前記光透過部を通過した強度変調光を光電変換して前記同期信号を生成するようにしたものである。
【００１７】
また、本発明の偏光調整方法の１構成例は、さらに、前記第１の分離手順を通過した光の独立な直線偏光成分に位相差９０度を与える第３の１／４波長板によって光の偏光状態を調整する第１の調整手順と、前記第３の１／４波長板を通過した光の独立な直線偏光成分に位相差１８０度を与える第２の１／２波長板によって光の偏光状態を調整する第２の調整手順と、使用者の欲する偏光状態を指定する楕円率ηと方位角ψに基づいて、前記第３の１／４波長板の設定すべき角度θq をθq ＝ηにより計算して、前記第３の１／４波長板の角度がθq になるように制御する第３の制御手順と、前記第２の１／２波長板の設定すべき角度θh をθh ＝η＋｛（ψ−η）／２｝により計算して、前記第２の１／２波長板の角度がθh になるように制御する第４の制御手順とを備え、前記第２の１／２波長板を通過した出力光が前記使用者の欲する偏光状態の光となるようにしたものである。
また、本発明の偏光調整方法の１構成例において、前記第１の１／４波長板に入射する入力光は、偏光状態が時間的に変化し、かつその変化の周波数が複数存在する偏光変調光であり、前記第１の制御手順および第２の制御手順による制御の応答周波数の最大値をｆC 、前記偏光状態の変化の周波数のうち任意の周波数をｆM とすると、ｆM＞ｆCを満たすようにしたものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、第１の１／２波長板を通過した出力光の一部を第１の分離素子によってサンプル光として取り出し、一定の周波数で回転する第２の１／４波長板によってサンプル光を偏光変調し、この偏光変調光を第２の分離素子によって強度変調光に変換してから第１、第２の光検出器によって光電変換して第１の１／４波長板および第１の１／２波長板を制御するのに必要な信号を得るようにしたので、従来の自動追尾型偏波コントローラと異なり、自動偏光調整器の出力光は偏光ビームスプリッタを通過する必要がなくなる。したがって、自動偏光調整器に入力された偏光変調光を、任意の偏光状態を基準とする偏光変調光として出力することが可能になる。
【００１９】
また、第１の制御手段が、差動増幅器の出力電気信号に含まれる直流成分のレベルと周波数４ｆの成分の振幅との和または差を求め、この和または差が零になるように第１の１／２波長板の角度を制御し、第２の制御手段が、差動増幅器の出力電気信号に含まれる周波数２ｆの成分が零になるように第１の１／４波長板の角度を制御することにより、第１の１／４波長板と第１の１／２波長板とを容易に制御することができ、Ｓ偏光またはＰ偏光を容易に生成することができる。
【００２０】
また、第１の制御手段が、差動増幅器の出力電気信号に含まれる直流成分のレベルと周波数４ｆの成分の振幅との比の絶対値が所定のしきい値以下になるように第１の１／２波長板の角度を制御し、第２の制御手段が、差動増幅器の出力電気信号に含まれる周波数２ｆの成分の振幅と周波数４ｆの成分の振幅との比がしきい値以下になるように第１の１／４波長板の角度を制御することにより、光学素子の不完全性や電気回路の雑音に影響されることなく第１の１／４波長板と第１の１／２波長板とを制御して、直線偏光を生成することができる。
【００２１】
また、第１の制御手段が、差動増幅器の出力電気信号に含まれる直流成分のレベルと周波数４ｆの成分の振幅との和または差を求め、この和または差のレベルと周波数４ｆの成分の振幅との比の絶対値が所定のしきい値以下になるように第１の１／２波長板の角度を制御し、第２の制御手段が、差動増幅器の出力電気信号に含まれる周波数２ｆの成分の振幅と周波数４ｆの成分の振幅との比がしきい値以下になるように第１の１／４波長板の角度を制御することにより、光学素子の不完全性や電気回路の雑音に影響されることなく第１の１／４波長板と第１の１／２波長板とを制御して、Ｓ偏光またはＰ偏光を生成することができる。
【００２２】
また、周波数ｆの信号を生成する発振器を設け、第２の１／４波長板を発振器によって生成された信号に同期して回転させ、第１の制御手段および第２の制御手段が発振器によって生成された信号を局部発振波として用いることにより、差動増幅器の出力電気信号に含まれる周波数２ｆの成分の振幅および周波数４ｆの成分の振幅を抽出することができる。
【００２３】
また、同期信号を第２の１／４波長板の回転に基づいて生成する同期信号生成手段を設けることにより、第２の１／４波長板が周波数ｆで自律的に回転している場合であっても、差動増幅器の出力電気信号に含まれる周波数２ｆの成分の振幅および周波数４ｆの成分の振幅を抽出することができ、第１の１／４波長板および第１の１／２波長板の角度を制御することができる。
【００２４】
また、第３の１／４波長板と第２の１／２波長板と第３の制御手段と第４の制御手段とを設けることにより、第２の１／２波長板を通過した出力光が使用者の欲する偏光状態の光となるようにすることができる。
【００２５】
また、第１の制御手段および第２の制御手段による制御の応答周波数の最大値をｆC 、偏光状態の変化の周波数のうち任意の周波数をｆM としたとき、ｆM＞ｆCを満たすようにすることにより、第１の１／４波長板に入射する入力光の偏光状態が時間的に変化し、かつその変化の周波数が複数存在するような場合に、第１の制御手段および第２の制御手段による制御の応答周波数の最大値ｆC より低速の偏光変化のみを打ち消すフィルタリング処理を実現することができ、任意の周波数ｆM より高速の偏光変調光を出力することができる。その結果、低い周波数で観測すると一定の偏光状態を示し、かつ高い周波数で観測すると偏光状態の変化が観測されるといった高速の偏光変調光を出力することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態となる自動偏光調整器の構成例を示すブロック図である。本実施の形態の自動偏光調整器は、入力光の独立な直線偏光成分に位相差９０度を与える第１の１／４波長板（Quarter-Wave Plate、以下、ＱＷＰと略する）１００と、第１のＱＷＰ１００を通過した光の独立な直線偏光成分に位相差１８０度を与える第１の１／２波長板（Half-Wave Plate 、以下、ＨＷＰと略する）１０１と、ＨＷＰ１０１を通過した光の一部を分岐させる第１の分離素子であるビームスプリッタ（Beam Splitter 、以下、ＢＳと略する）１０２と、ＢＳ１０２で分岐した光を偏光変調する第２のＱＷＰ１０３と、第２のＱＷＰ１０３を通過した光をＰ偏光とＳ偏光に分離する第２の分離素子である偏光ビームスプリッタ（Polarizing-Beam Splitter、以下、ＰＢＳと略する）１０４と、ＰＢＳ１０４の２つの光出力を光電変換する第１、第２の光検出器（Photodetector 、以下、ＰＤと略する）１０５，１０６と、ＰＤ１０５の出力電気信号とＰＤ１０６の出力電気信号とを差動増幅する差動増幅器１０７と、差動増幅器１０７の出力電気信号から直流成分を抽出するローパスフィルタ（Low-pass filter、以下、ＬＰＦと略する）１０８と、ＬＰＦ１０８によって抽出された直流成分が予め設定された値になるようにＨＷＰ１０１の角度を制御する第１の制御回路１０９と、周波数ｆの信号を生成する発振器１１０と、発振器１１０の出力電気信号の２倍の周波数の電気信号を出力する周波数２倍器１１１と、差動増幅器１０７の出力電気信号から周波数２ｆの成分の振幅を抽出する第１のロックインアンプ１１２と、ロックインアンプ１１２によって抽出された周波数２ｆの成分の振幅が零になるように第１のＱＷＰ１００の角度を制御する第２の制御回路１１３とを有する。ＬＰＦ１０８と第１の制御回路１０９とは第１の制御手段を構成し、周波数２倍器１１１とロックインアンプ１１２と第２の制御回路１１３とは第２の制御手段を構成している。
【００２７】
任意の偏光状態（一般には楕円偏光）の入力光は、第１のＱＷＰ１００とＨＷＰ１０１を通過した後、ＢＳ１０２に入射する。ＢＳ１０２は、ＱＷＰ１００とＨＷＰ１０１を制御するのに必要な信号を抽出するための素子であり、入射した光の一部を反射して分岐させる。ＢＳ１０２で反射した光と透過した光の偏光状態は、ＢＳ１０２に入射した光の偏光状態と等しい。また、自動偏光調整器での光損失を少なくするために、ＢＳ１０２で分岐する光の強度は入射光強度の１０％以下であることが望ましい。
【００２８】
ＢＳ１０２で反射された光は、図１のｚ方向と平行な軸を回転軸として一定の周波数ｆで回転している第２のＱＷＰ１０３によって偏光変調される。
図１に示した座標軸と第２のＱＷＰ１０３の主軸との関係を図２に示す。図１では、ｘ−ｙ−ｚ系は右手系であり、光の進行方向（右手の親指と人差指と中指とを互いに直角にしたときの人差指の方向）をｚ軸、鉛直上向き（親指の方向）をｙ軸、水平方向（中指の方向）をｘ軸としている。図２のｓｌ，ｆａは、それぞれＱＷＰ１０３のスロー（slow）軸、ファスト（fast）軸を表す。スロー軸ｓｌがｘ軸となす角度をθとする。
【００２９】
このとき、ｘ軸に平行な電界成分を有する光（Ｐ偏光）の強度をＩx 、ｙ軸に平行な電界成分を有する光（Ｓ偏光）の強度をＩy とすると、強度Ｉx，Ｉyを以下の式で表すことが可能である。
【００３０】
【数１】
2005215541.tif 000003
【００３１】
【数２】
2005215541.tif 000004
【００３２】
【数３】
2005215541.tif 000005
【００３３】
【数４】
2005215541.tif 000006
【００３４】
ただし、第２のＱＷＰ１０３に入射するＰ偏光成分の振幅をＥx 、Ｓ偏光成分の振幅をＥy とすると、ｒはＱＷＰ１０３に入射するＳ偏光成分とＰ偏光成分の振幅比（Ｅy／Ｅx）であり、δはＱＷＰ１０３に入射するＰ偏光成分に対するＳ偏光成分の位相差である。また、Ｐ偏光の強度Ｉx とＳ偏光の強度Ｉy とは、ＰＢＳ１０４でＰ偏光とＳ偏光に分離される前の光強度を１として規格化されており、Ｉx ＋Ｉy ＝１という関係が成り立っている。つまり、強度Ｉx，Ｉyは、それぞれＰＤ１０５，１０６で検出される光の強度である。
したがって、差動増幅器１０７の規格化された出力電気信号Ｖdiffを次のように表すことができる。
【００３５】
【数５】
2005215541.tif 000007
【００３６】
第２のＱＷＰ１０３の回転速度は、発振器１１０から供給される信号に基づいて図示しない回転機構により制御される。ここでは、回転機構は、発振器１１０で生成された電気信号の周波数をｆとしたとき、ＱＷＰ１０３を角周波数ω＝２πｆで回転させるような機構であるとする。これにより、式（５）に示した差動増幅器１０７の出力電気信号Ｖdiffを時間ｔの関数として以下のように書き換えることができる。
【００３７】
【数６】
2005215541.tif 000008
【００３８】
つまり、差動増幅器１０７の出力電気信号Ｖdiff（ｔ）は、直流成分、角周波数２ω（周波数２ｆ）の成分、角周波数４ω（周波数４ｆ）の成分の３つの成分を含む。
ところで、直線偏光はＰ偏光とＳ偏光の位相差δが零であるので、直線偏光を生成するにはδ＝０となるように、つまり角周波数２ωの成分が零となるように何らかの制御をすればよい。また、第１のＱＷＰ１００の角度を適切に設定すると、任意の偏光状態の光を直線偏光に変換することが可能である（つまり、δ＝０とすることができる）。したがって、直線偏光を図１の自動偏光調整器で生成して出力するには、差動増幅器１０７の出力電気信号Ｖdiff（ｔ）における角周波数２ωの成分が零となるように、第１のＱＷＰ１００の角度を制御すればよい。
【００３９】
直線偏光の偏波面の角度に関する情報は、第２のＱＷＰ１０３に入射するＳ偏光成分とＰ偏光成分の振幅比ｒに含まれている。例えば、偏波面がｘ軸と４５度の角度をなす直線偏光であれば、ｒ＝１である。このとき、差動増幅器１０７の出力電気信号Ｖdiff（ｔ）の直流成分は零になる。また、ＨＷＰ１０１は、直線偏光の偏波面をｚ軸を回転軸として任意の角度で回転させることが可能である。したがって、偏波面がｘ軸と４５度の角度をなす直線偏光を自動偏光調整器で生成して出力するには、差動増幅器１０７の出力電気信号Ｖdiff（ｔ）の直流成分が零になるように、ＨＷＰ１０１の角度を制御すればよい。
【００４０】
また、ｘ軸に垂直な偏波面をもつ直線偏光（Ｓ偏光）であれば、振幅比ｒ＝∞であるので、差動増幅器１０７の出力電気信号Ｖdiff（ｔ）の直流成分の規格化したレベルは−０．５となり、最小値をとる。したがって、Ｓ偏光を自動偏光調整器で生成して出力するには、差動増幅器１０７の出力電気信号Ｖdiff（ｔ）の直流成分のレベルが最小になるように、ＨＷＰ１０１の角度を制御すればよい。
【００４１】
また、ｙ軸に垂直な偏波面をもつ直線偏光（Ｐ偏光）であれば、振幅比ｒ＝０であるので、差動増幅器１０７の出力電気信号Ｖdiff（ｔ）の直流成分の規格化したレベルは＋０．５となり、最大値をとる。したがって、Ｐ偏光を自動偏光調整器で生成して出力するには、差動増幅器１０７の出力電気信号Ｖdiff（ｔ）の直流成分のレベルが最大になるように、ＨＷＰ１０１の角度を制御すればよい。
【００４２】
以上説明したように、任意の直線偏光を生成するには、差動増幅器１０７の出力電気信号Ｖdiff（ｔ）の直流成分および角周波数２ωの成分を抽出し、これらに応じて第１のＱＷＰ１００とＨＷＰ１０１の角度を制御する必要がある。
本実施の形態では、差動増幅器１０７の出力電気信号Ｖdiff（ｔ）から直流成分を抽出してＨＷＰ１０１を制御するために、ＬＰＦ１０８と第１の制御回路１０９とを用いている。すなわち、ＬＰＦ１０８は、電気信号Ｖdiff（ｔ）から直流成分を抽出し、第１の制御回路１０９は、抽出された直流成分のレベルに基づいてＨＷＰ１０１の角度を制御する。所望の直線偏光を生成するためには、抽出された直流成分のレベルに応じて前述のとおりＨＷＰ１０１を制御すればよい。
【００４３】
また、本実施の形態では、差動増幅器１０７の出力電気信号Ｖdiff（ｔ）から角周波数２ωの成分を抽出して第１のＱＷＰ１００を制御するために、発振器１１０と周波数２倍器１１１とロックインアンプ１１２と第２の制御回路１１３とを用いている。
周波数２倍器１１１は、発振器１１０の出力電気信号の２倍の周波数の電気信号を参照信号Ｖｒｅｆ（ｔ）として出力する。
【００４４】
図３にロックインアンプ１１２の機能を示す。ロックインアンプ１１２は、差動増幅器１０７の出力電気信号Ｖdiff（ｔ）の中から周波数２倍器１１１の参照信号Ｖｒｅｔ（ｔ）と同一周波数の成分のみを抽出し、この抽出した成分の振幅を示す電圧値の信号Ｖｏｕｔ（ｔ）を出力する。したがって、ロックインアンプ１１２は、式（６）におけるｓｉｎ２ωｔの項の係数の絶対値（＝振幅）を出力することになる。なお、図３では、ロックインアンプ１１２の機能を一般化して記載しており、差動増幅器１０７の出力電気信号Ｖdiff（ｔ）のうち角周波数２ωの成分のみを被測定信号Ｖｉｎ（ｔ）として表している。また、図３における角周波数Ωは、本実施の形態では２ωである。
第２の制御回路１１３は、ロックインアンプ１１２の出力信号Ｖｏｕｔ（ｔ）が零になるように、第１のＱＷＰ１００の角度を制御する。
【００４５】
本実施の形態によれば、ＨＷＰ１０１を通過した出力光の一部をＢＳ１０２によってサンプル光として取り出し、一定の周波数で回転する第２のＱＷＰ１０３によってサンプル光を偏光変調し、この偏光変調光をＰＢＳ１０４によって強度変調光に変換してからＰＤ１０５，１０６によって光電変換して第１のＱＷＰ１００およびＨＷＰ１０１を制御するのに必要な信号を得るようにしたので、従来の自動追尾型偏波コントローラと異なり、自動偏光調整器の出力光は偏光ビームスプリッタを通過する必要がなくなる。したがって、自動偏光調整器に入力された偏光変調光を、任意の偏光状態の偏光変調光として出力することが可能になる。
【００４６】
［第２の実施の形態］
次に、本実施の形態の第２の実施の形態について説明する。図４は、本発明の第２の実施の形態となる自動偏光調整器の構成例を示すブロック図であり、図１と同一の構成には同一の符号を付してある。
本実施の形態は、図１の自動偏光調整器に対して、発振器１１０の出力電気信号の４倍の周波数の電気信号を出力する周波数４倍器１１４と、差動増幅器１０７の出力電気信号から周波数４ｆの成分の振幅を抽出する第２のロックインアンプ１１５と、差動増幅器１０７の出力電気信号に含まれる直流成分のレベルと周波数４ｆの成分の振幅との和または差を求める演算器１１６とを追加したものである。ＬＰＦ１０８と周波数４倍器１１４と第２のロックインアンプ１１５と演算器１１６と第１の制御回路１０９とは第１の制御手段を構成し、周波数２倍器１１１とロックインアンプ１１２と第２の制御回路１１３とは第２の制御手段を構成している。
【００４７】
第１の実施の形態では、Ｓ偏光またはＰ偏光を生成して出力する場合、差動増幅器１０７の出力電気信号Ｖdiff（ｔ）の直流成分が最小または最大になるようにＨＷＰ１０１を制御しているが、現実的には電気信号Ｖdiff（ｔ）のレベルを最小値または最大値に保つのは必ずしも簡単ではなく、信号レベルを零に保つほうが容易である。
【００４８】
第１の実施の形態では、Ｓ偏光を生成する場合、数式（６）から差動増幅器１０７の出力電気信号Ｖdiff（ｔ）の直流成分の規格化したレベルは−０．５となり、出力電気信号Ｖdiff（ｔ）の角周波数４ωの成分の規格化した振幅は＋０．５となる。そこで、Ｓ偏光を生成する場合には、周波数４倍器１１４と第２のロックインアンプ１１５とを用いて差動増幅器１０７の出力電気信号Ｖdiff（ｔ）から角周波数４ωの成分を抽出し、この４ωの成分の振幅と直流成分のレベルとの和を演算器１１６で求め、演算器１１６の出力電気信号のレベルが零になるように制御すればよい。
【００４９】
すなわち、周波数４倍器１１４は、発振器１１０の出力電気信号の４倍の周波数の電気信号を参照信号として出力し、ロックインアンプ１１５は、差動増幅器１０７の出力電気信号Ｖdiff（ｔ）の中から周波数４倍器１１４の参照信号と同一周波数の成分のみを抽出し、この抽出した成分の振幅を示す電圧値の信号を出力する。演算器１１６は、ローパスフィルタ１０８の出力電気信号と第２のロックインアンプ１１５の出力電気信号との和を求めて出力し、第１の制御回路１０９は、演算器１１６の出力電気信号が零になるように、ＨＷＰ１０１の角度を制御する。
【００５０】
また、第１の実施の形態において、Ｐ偏光を生成する場合、差動増幅器１０７の出力電気信号Ｖdiff（ｔ）の直流成分の規格化したレベルは＋０．５となり、出力電気信号Ｖdiff（ｔ）の角周波数４ωの成分の規格化した振幅も＋０．５となる。そこで、Ｐ偏光を生成する場合、演算器１１６は、ローパスフィルタ１０８の出力電気信号と第２のロックインアンプ１１５の出力電気信号との差を求めて出力し、第１の制御回路１０９は、演算器１１６の出力電気信号のレベルが零になるように、ＨＷＰ１０１の角度を制御すればよい。
本実施の形態によれば、第１のＱＷＰ１００と第１のＨＷＰの角度を第１の実施の形態よりも容易に制御することができ、Ｓ偏光またはＰ偏光を容易に生成することができる。
【００５１】
［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。図５は、本発明の第３の実施の形態となる自動偏光調整器の構成例を示すブロック図であり、図１、図４と同一の構成には同一の符号を付してある。
本実施の形態の自動偏光調整器は、第１のＱＷＰ１００と、ＨＷＰ１０１と、ＢＳ１０２と、第２のＱＷＰ１０３と、ＰＢＳ１０４と、ＰＤ１０５，１０６と、差動増幅器１０７と、ＬＰＦ１０８と、発振器１１０と、周波数２倍器１１１と、第１のロックインアンプ１１２と、周波数４倍器１１４と、第２のロックインアンプ１１５と、ＬＰＦ１０８によって抽出された直流成分のレベルと第２のロックインアンプ１１５によって抽出された周波数４ｆの成分の振幅との比の絶対値が所定のしきい値以下になるようにＨＷＰ１０１の角度を制御する第１の制御回路１０９ａと、第１のロックインアンプ１１２によって抽出された周波数２ｆの成分の振幅と第２のロックインアンプ１１５によって抽出された周波数４ｆの成分の振幅との比がしきい値以下になるように第１のＱＷＰ１００の角度を制御する第２の制御回路１１３ａとを有する。ＬＰＦ１０８と周波数４倍器１１４と第２のロックインアンプ１１５と第１の制御回路１０９ａとは第１の制御手段を構成し、周波数２倍器１１１と第１のロックインアンプ１１２と周波数４倍器１１４と第２のロックインアンプ１１５と第２の制御回路１１３ａとは第２の制御手段を構成している。
【００５２】
第１の実施の形態では、例えば偏波面がｘ軸と４５度の角度をなす直線偏光を生成する場合、差動増幅器１０７の出力電気信号Ｖdiff（ｔ）の直流成分と角周波数２ωの成分とが共に零になるように第１のＱＷＰ１００とＨＷＰ１０１とを制御していた。しかし、現実には、光学素子の不完全性や電気回路の雑音などにより、信号レベルを完全に零にするのが困難な場合がある。そこで、本実施の形態では、差動増幅器１０７の出力電気信号Ｖdiff（ｔ）の直流成分と角周波数２ωの成分とが角周波数４ωの成分に対して相対的に小さくなるように調整することで、第１の実施の形態と同等の制御を実現する。
【００５３】
すなわち、本実施の形態では、ＬＰＦ１０８によって抽出した差動増幅器１０７の出力電気信号Ｖdiff（ｔ）の直流成分のレベルと、第２のロックインアンプ１１５によって抽出した電気信号Ｖdiff（ｔ）の角周波数４ωの成分の振幅とを第１の制御回路１０９ａで比較し、また第１のロックインアンプ１１２によって抽出した電気信号Ｖdiff（ｔ）の角周波数２ωの成分の振幅と、第２のロックインアンプ１１５によって抽出した角周波数４ωの成分の振幅とを第２の制御回路１１３ａで比較する。
【００５４】
そして、第１の制御回路１０９ａは、直流成分のレベルと角周波数４ωの成分の振幅との比の絶対値が所定のしきい値以下になるように、ＨＷＰ１０１の角度を制御し、第２の制御回路１１３ａは、角周波数２ωの成分の振幅と角周波数４ωの成分の振幅との比が前記しきい値以下になるように、第１のＱＷＰ１００の角度を制御する。
本実施の形態によれば、光学素子の不完全性や電気回路の雑音に影響されることなく、第１のＱＷＰ１００と第１のＨＷＰ１０１とを制御して、直線偏光を生成することができる。
【００５５】
［第４の実施の形態］
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。第３の実施の形態では、差動増幅器１０７の出力電気信号に含まれる直流成分を零にする場合、すなわち偏波面がｘ軸と４５度の角度を保つ直線偏光を生成する場合について説明したが、第２の実施の形態を応用してＳ偏光またはＰ偏光を生成することもできる。
【００５６】
Ｓ偏光を生成するためには、第２の実施の形態で説明したとおり、差動増幅器１０７の出力電気信号Ｖdiff（ｔ）の直流成分のレベルと角周波数４ωの成分の振幅との和が零になるようにＨＷＰ１０１の角度を制御すればよい。そこで、図５に示した第３の実施の形態の自動偏光調整器において、第１の制御回路１０９ａは、ＬＰＦ１０８によって抽出された電気信号Ｖdiff（ｔ）の直流成分のレベルと第２のロックインアンプ１１５によって抽出された電気信号Ｖdiff（ｔ）の角周波数４ωの成分の振幅との和を内部の演算器（不図示）によって求める。そして、第１の制御回路１０９ａは、演算器で求めた和のレベルと角周波数４ωの成分の振幅との比の絶対値が所定のしきい値以下になるように、ＨＷＰ１０１の角度を制御する。第２の制御回路１１３ａの動作は第３の実施の形態と同じである。こうして、Ｓ偏光を生成することができる。
【００５７】
また、Ｐ偏光を生成するためには、第２の実施の形態で説明したとおり、差動増幅器１０７の出力電気信号Ｖdiff（ｔ）の直流成分のレベルと角周波数４ωの成分の振幅との差が零になるようにＨＷＰ１０１の角度を制御すればよい。すなわち、第３の実施の形態の自動偏光調整器において、第１の制御回路１０９ａは、ＬＰＦ１０８によって抽出された電気信号Ｖdiff（ｔ）の直流成分のレベルと第２のロックインアンプ１１５によって抽出された電気信号Ｖdiff（ｔ）の角周波数４ωの成分の振幅との差を内部の演算器によって求める。そして、第１の制御回路１０９ａは、演算器で求めた差のレベルと角周波数４ωの成分の振幅との比の絶対値が前述のしきい値以下になるように、ＨＷＰ１０１の角度を制御する。こうして、Ｐ偏光を生成することができる。
【００５８】
本実施の形態によれば、光学素子の不完全性や電気回路の雑音に影響されることなく、第１のＱＷＰ１００と第１のＨＷＰ１０１とを制御して、Ｓ偏光またはＰ偏光を生成することができる。
【００５９】
［第５の実施の形態］
次に、本発明の第５の実施の形態について説明する。図６は、本発明の第５の実施の形態となる自動偏光調整器の構成例を示すブロック図であり、図１、図４、図５と同一の構成には同一の符号を付してある。
本実施の形態の自動偏光調整器は、第１のＱＷＰ１００と、ＨＷＰ１０１と、ＢＳ１０２と、ＰＢＳ１０４と、ＰＤ１０５，１０６と、差動増幅器１０７と、ＬＰＦ１０８と、第１の制御回路１０９ａと、第１のロックインアンプ１１２と、第２の制御回路１１３ａと、第２のロックインアンプ１１５と、一定の周波数ｆで自律的に回転し、ＢＳ１０２で分岐した光を偏光変調する第２のＱＷＰ１０３ａと、第２のＱＷＰ１０３ａの周辺部に同期信号生成用の光を放射する光源１１８と、光源１１８から出射して第２のＱＷＰ１０３ａの周辺の光透過部を通過した強度変調光を光電変換する第３のＰＤ１１９と、第３のＰＤ１１９から出力された同期信号から周波数２ｆを成分を抽出する第１のバンドパスフィルタ（Band-pass filtr 、以下、ＢＰＦと略する）１２０と、第３のＰＤ１１９から出力された同期信号から周波数４ｆを成分を抽出する第２のＢＰＦ１２１とを有する。ＬＰＦ１０８と第２のＢＰＦ１２１と第２のロックインアンプ１１５と第１の制御回路１０９ａとは第１の制御手段を構成し、第１のＢＰＦ１２０と第１のロックインアンプ１１２と第２のＢＰＦ１２１と第２のロックインアンプ１１５と第２の制御回路１１３ａとは第２の制御手段を構成している。
【００６０】
本実施の形態においては、第２のＱＷＰ１０３ａは、発振器の出力信号に同期しているのではなく、図示しない回転機構の制御により、一定の周波数ｆで自律的に回転を続けている。このため、その周波数に同期した同期信号を得るために、同期信号取得用の光源１１８とＰＤ１１９とを用いる。本実施の形態の第２のＱＷＰ１０３ａの構造を図７に示す。
【００６１】
光源１１８から出射した光は、ＱＷＰ１０３ａの本体とそのホルダ１０３０との間の部分に向かう。ホルダ１０３０は、ＱＷＰ１０３ａを回転自在に支える固定部材である。ＱＷＰ１０３ａの周辺部には、１／４周分の光遮蔽部１０３１と１／４周分の光透過部１０３２とが交互に配置されている。２つの光遮蔽部１０３１は、２枚の光遮蔽板によって実現される。ＱＷＰ１０３ａの本体と光遮蔽板とは一体になっており、角周波数ω＝２πｆで回転する。
【００６２】
その結果、光源１１８から出射して光透過部１０３２を通過してＰＤ１１９に達した光を光電変換した結果得られるＰＤ１１９の出力電気信号は、図８（ａ）のようになる。図８において、ＴはＴ＝２π／ω＝１／ｆであり、ＱＷＰ１０３ａおよび光遮蔽板が一回転するのに要する時間を表す。
【００６３】
ＰＤ１１９から出力された同期信号は、周波数２ｆの整数倍の周波数成分を含む。したがって、第２のＱＷＰ１０３ａが回転する周波数ｆの２倍の周波数２ｆの成分を第１のＢＰＦ１２０によって図８（ｂ）のように抽出し、４倍の周波数４ｆの成分を第２のＢＰＦ１２１によって図８（ｃ）のように抽出することができる。第１のＢＰＦ１２０は、抽出した成分を第１のロックインアンプ１１２用の参照信号として出力し、第２のＢＰＦ１２１は、抽出した成分を第２のロックインアンプ１１５用の参照信号として出力する。
【００６４】
第１のロックインアンプ１１２は、差動増幅器１０７の出力電気信号Ｖdiff（ｔ）の中からＢＰＦ１２０の参照信号と同一の周波数２ｆの成分を抽出し、この抽出した成分の振幅を示す電圧値の信号を出力し、第２のロックインアンプ１１５は、電気信号Ｖdiff（ｔ）の中からＢＰＦ１２１の参照信号と同一の周波数４ｆの成分を抽出し、この抽出した成分の振幅を示す電圧値の信号を出力する。第１の制御回路１０９ａと第２の制御回路１１３ａの動作は、第３の実施の形態または第４の実施の形態で説明したとおりである。
【００６５】
本実施の形態によれば、第２のＱＷＰ１０３ａが一定の周波数ｆで自律的に回転している場合であっても、このＱＷＰ１０３ａの回転に基づいて同期信号を生成し、この同期信号に基づいて、差動増幅器１０７の出力電気信号Ｖdiff（ｔ）に含まれる周波数２ｆの成分および周波数４ｆの成分を抽出することができ、第１のＱＷＰ１００および第１のＨＷＰ１０１の角度を制御することができる。
【００６６】
［第６の実施の形態］
次に、本発明の第６の実施の形態について説明する。図９は、本発明の第６の実施の形態となる自動偏光調整器の構成例を示すブロック図であり、図１と同一の構成には同一の符号を付してある。
本実施の形態の自動偏光調整器は、第１の実施の形態の自動偏光調整器に対して、ＢＳ１０２を通過した光の独立な直線偏光成分に位相差９０度を与える第３のＱＷＰ１２２と、第３のＱＷＰ１２２を通過した光の独立な直線偏光成分に位相差１８０度を与える第２のＨＷＰ１２３と、使用者の欲する偏光状態を指定する楕円率と方位角に基づいて第３のＱＷＰ１２２および第２のＨＷＰ１２３の設定すべき角度を計算して、第３のＱＷＰ１２２および第２のＨＷＰ１２３の角度を制御する計算機１２４と、使用者が所望の偏光状態を指定するための入力用インタフェース１２５とを加えることで、直線偏光だけでなく任意の偏光を出力できるようにしたものである。計算機１２４と入力用インタフェース１２５とは、第３の制御手段と第４の制御手段とを構成している。
【００６７】
一般に、ＱＷＰおよびＨＷＰの角度を適当に設定することにより、直線偏光を任意の偏光状態に変換することが可能である。本実施の形態では、まず使用者が出力したい光の偏光状態を入力用インタフェース１２５に入力する。第１の実施の形態で説明したとおり、第２のＱＷＰ１０３に入射するＳ偏光成分とＰ偏光成分の振幅比ｒと、第２のＱＷＰ１０３に入射するＰ偏光成分とＳ偏光成分の位相差δとを指定することによって所望の偏光状態を指定することができるが、より直感的にわかりやすいパラメータとして、出力したい光の偏光状態の楕円率ηと方位角ψとを指定する。
【００６８】
出力光の偏光状態の楕円率ηと方位角ψの定義を図１０に示す。ただし、楕円率ηの定義域は−π／４≦η≦π／４であり、楕円率ηが正のときは右回り偏光、負のときは左回り偏光と定義する。方位角ψは、楕円の長軸とｘ軸のなす角であり、その定義域は−π／２≦ψ≦π／２である。
【００６９】
第３のＱＷＰ１２２の角度を適当に設定することにより、直線偏光を任意の楕円率を有する偏光に変換することができるが、変換された偏光の方位角を調整することはできない。一方、第２のＨＷＰ１２３の角度を適当に設定することにより、任意の偏光の方位角を変換することが可能であるが、楕円率ηの符号（回転方向）が反転する。この様子を図１１に示す。ここでは、ｘ軸に平行な電界成分を有する直線偏光を、楕円率η、方位角ψの楕円偏光に変換する例を示している。
【００７０】
図１１（ａ）において、ｓｌq，ｆａqはそれぞれ第３のＱＷＰ１２２のスロー軸、ファスト軸を表す。スロー軸ｓｌq がｘ軸となす角度をθq とする。図１１（ａ）に示したように、まず第３のＱＷＰ１２２のスロー軸ｓｌqがｘ軸となす角度θq をηに設定し、楕円率が−ηで方位角がηの楕円偏光を生成する。
【００７１】
次に、図１１（ｂ）に示したように第２のＨＷＰ１２３によって方位角を調整する。図１１（ｂ）において、ｓｌh，ｆａhはそれぞれ第２のＨＷＰ１２３のスロー軸、ファスト軸を表す。スロー軸ｓｌh がｘ軸となす角度をθh とする。第２のＨＷＰ１２３は、スロー軸ｓｌh に対して対称な位置に楕円の方位角ψを変換し、さらに楕円率ηの絶対値を保ちつつ、楕円率ηの符号を反転させるという機能を有する。このようなＨＷＰ１２３とＱＷＰ１２２の機能を考慮した場合、入力用インタフェース１２５に入力されたパラメータである楕円率ηと方位角ψに対して、θq ＝η、θh ＝η＋｛（ψ−η）／２｝とすれば、入力されたパラメータを有する偏光を得ることができる。
【００７２】
計算機１２４は、入力用インタフェース１２５から入力された楕円率ηと方位角ψに基づいて上記のように角度θqとθh を計算し、第３のＱＷＰ１２２のスロー軸ｓｌqとｘ軸とのなす角が計算した角度θq になるように、第３のＱＷＰ１２２の角度を制御すると共に、第２のＨＷＰ１２３のスロー軸ｓｌh とｘ軸とのなす角が計算した角度θh になるように、第２のＨＷＰ１２３の角度を制御する。
【００７３】
こうして、本実施の形態によれば、使用者が指定したパラメータを有する偏光状態の光を安定に出力することが可能になる。
なお、第３のＱＷＰ１２２には常に方位角が一定の直線偏光が入射するので、角度θqとθh をいったん設定した後は、第３のＱＷＰ１２２と第２のＨＷＰ１２３を第１のＱＷＰ１００や第１のＨＷＰ１０１のように動的に制御する必要はない。
また、本実施の形態では、第１の実施の形態に適用した場合を例に挙げて説明したが、これに限るものではなく、第２の実施の形態〜第５の実施の形態に適用してもよい。
【００７４】
［第７の実施の形態］
次に、本発明の第７の実施の形態について説明する。図１２は、本発明の第７の実施の形態となる磁界センサの構成例を示すブロック図である。
図１２の磁界センサは、第１の実施の形態〜第６の実施の形態の自動偏光調整器を応用した例を示し、磁気光学結晶１３１を備えるセンサヘッド部１１と、センサヘッド部１１の出力に基づいて被測定磁界を検出する信号処理部１２と、信号処理部１２からの光をセンサヘッド部１１に伝送する偏波保持ファイバ（Polarization-maintaining fiber、以下、ＰＭＦと略する）１３と、センサヘッド部１１からの光を信号処理部１２に伝送する光ファイバ１４とからなる。
【００７５】
センサヘッド部１１は、ＰＭＦ１３から出射した光ビームを平行光に変換して磁気光学結晶１３１の第１面に入射させるレンズ１３０と、磁気光学結晶１３１と、磁気光学結晶１３１中を伝搬して磁気光学結晶１３１の第１面と対向する第２面から出射した光を集光して光ファイバ４に入射させるレンズ１３２とを有する。
【００７６】
信号処理部１２は、直線偏光を放射する光源２００と、光ファイバ１４によって伝送された光を予め設定された角度の偏波面を有する直線偏光に変換する直線偏光生成器２０１と、直線偏光生成器２０１の出力光をＳ偏光とＰ偏光に分離するＰＢＳ２０３と、ＰＢＳ２０３の２つの光出力を光電変換するＰＤ２０４，２０５と、ＰＤ２０４と２０５の出力電気信号を差動増幅する差動増幅器２０６と、差動増幅器２０６の出力電気信号に基づいて被測定電界を検出する電気信号測定器２０７とを有する。
【００７７】
本実施の形態の磁界センサでは、光ファイバ４によって直線偏光生成器２０１に伝送される偏光変調光の偏光状態が、光ファイバ４の温度変化や光ファイバ４に加わる応力によりランダムに変化する。
このため、光ファイバ４に加わった応力や光ファイバ４の温度変化に起因する低速の偏光変化を打ち消し、被測定磁界に起因する高速の偏光変化がそのまま出力されるようにする必要がある。このような機能を有する手段が直線偏光生成器２０１であり、本実施の形態は直線偏光生成器２０１の構成として、第１の実施の形態〜第６の実施の形態の自動偏光調整器を用いたものである。
【００７８】
光源２００を出射した直線偏光は、ＰＭＦ１３によって直線偏光のままセンサヘッド部１１に伝送され、センサヘッド部１１内のレンズ１３０によって平行光に変換され、磁気光学結晶１３１に入射する。磁気光学結晶１３１は、被測定磁界の振幅に応じて直線偏光の偏波面を回転させるという機能を有する。図１２のＡ点、Ｃ点における光の偏光状態を図１３（ａ）〜図１３（ｄ）に示し、図１２のＢ点における光の偏光状態を図１３（ｅ）〜図１３（ｈ）に示す。また、図１３（ｉ）は、時刻ｔの関数として被測定磁界Ｈ（ｔ）を表したものであり、Ｈ（ｔ1 ）＝０、Ｈ（ｔ2 ）＞０、Ｈ（ｔ3 ）＝０、Ｈ（ｔ4 ）＜０であることを表している。
【００７９】
磁気光学結晶１３１を通過した図１２のＡ点における光の偏光状態は、被測定磁界Ｈ（ｔ）に応じて図１３（ａ）〜図１３（ｄ）のように変化する。このような偏光変調光を光ファイバ１４で伝送すると、図１２のＢ点における光の偏光状態は、被測定磁界Ｈ（ｔ）に応じて図１３（ｅ）〜図１３（ｈ）のように変化する。
【００８０】
第１の実施の形態〜第６の実施の形態で説明した自動偏光調整器（直線偏光生成器２０１）の制御機構が有効に働く応答周波数の最大値をｆC 、被測定磁界Ｈ（ｔ）の周波数をｆM とすると、ｆM＞ｆCを満たしている場合は、被測定磁界Ｈ（ｔ）に起因する光の偏光変化に直線偏光生成器２０１の制御が追随できないため、図１２のＣ点における光の偏光状態はＡ点における状態と等しくなる。本実施の形態における直線偏光生成器２０１の機能は、光ファイバ１４内を伝播することによって生じた静的な偏光変化を補償するためのものであるので、ｆC を大きくする必要は無く、ｆM＞ｆCを満たすように設定することは十分可能である。
【００８１】
図１４（ａ）に被測定磁界Ｈ（ｔ）の波形を示す。そして、第１の実施の形態〜第６の実施の形態の自動偏光調整器を図１２の直線偏光生成器２０１として用いた場合のＰＤ２０４，２０５の出力電気信号Ｖ1（ｔ），Ｖ2（ｔ）、差動増幅器２０６の出力電気信号ΔＶ（ｔ）をそれぞれ図１４（ｂ）、図１４（ｃ）、図１４（ｄ）に示す。ＰＤ２０４，２０５は、ＰＢＳ２０３によって分割されたＳ偏光およびＰ偏光の強度に比例した電気信号Ｖ1（ｔ），Ｖ2（ｔ）を出力する。差動増幅器２０６の出力電気信号ΔＶ（ｔ）は、被測定磁界Ｈ（ｔ）と同じ波形であるので、電気信号測定器２０７により電気信号ΔＶ（ｔ）を検出することにより、被測定磁界Ｈ（ｔ）を検出することができる。
【００８２】
また、直線偏光生成器２０１の構成に自動偏光調整器を用いなかった場合のＰＤ２０４，２０５の出力電気信号Ｖ1（ｔ），Ｖ2（ｔ）、差動増幅器２０６の出力電気信号ΔＶ（ｔ）をそれぞれ図１４（ｅ）、図１４（ｆ）、図１４（ｇ）に示す。図１４（ｄ）と図１４（ｇ）を比べると、本発明の自動偏光調整器を用いることによって振幅の大きい信号を得ることができるばかりでなく、直流成分（オフセット）を含まない電気信号△Ｖ（ｔ）を得ることができるので、後段の電気信号測定器２０７に余計な負荷をかけずに高感度な検出を行うことが可能になる。
【００８３】
以上のように、本実施の形態によれば、直線偏光生成器２０１の応答周波数の最大値をｆC 、直線偏光生成器２０１に入射する光の偏光変化の周波数のうち任意の周波数をｆM としたとき、ｆM＞ｆCを満たすようにすることにより、応答周波数の最大値ｆC より低速の偏光変化のみを打ち消すフィルタリング処理を実現することができ、周波数ｆM より高速の偏光変調光を直線偏光生成器２０１から出力することができる。
【００８４】
なお、本実施の形態では、磁気光学結晶を用いた磁界センサについて説明したが、電気光学結晶を用いた電界センサに対しても、第１の実施の形態〜第６の実施の形態の自動偏光調整器を本実施の形態と同様に適用することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
本発明は、通信システムやセンサに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本発明の第１の実施の形態となる自動偏光調整器の構成例を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態における座標軸と第２の１／４波長板の主軸との関係を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態におけるロックインアンプの機能を説明するための図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態となる自動偏光調整器の構成例を示すブロック図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態となる自動偏光調整器の構成例を示すブロック図である。
【図６】本発明の第５の実施の形態となる自動偏光調整器の構成例を示すブロック図である。
【図７】本発明の第５の実施の形態における第２の１／４波長板の構造を示す平面図である。
【図８】本発明の第５の実施の形態における第３の光検出器、第１のバンドパスフィルタおよび第２のバンドパスフィルタの出力電気信号の信号波形図である。
【図９】本発明の第６の実施の形態となる自動偏光調整器の構成例を示すブロック図である。
【図１０】本発明の第６の実施の形態において出力光の偏光状態の楕円率と方位角の定義を示す図である。
【図１１】本発明の第６の実施の形態において第３の１／４波長板と第２の１／２波長板による偏光の変換の様子を示す図である。
【図１２】本発明の第７の実施の形態となる磁界センサの構成例を示すブロック図である。
【図１３】本発明の第７の実施の形態において磁気光学結晶を出射した光、直線偏光生成器に入射する光および直線偏光生成器を出射した光の偏光状態を示す図である。
【図１４】本発明の第７の実施の形態における光検出器および差動増幅器の出力電気信号を示す波形図である。
【図１５】従来の自動追尾型偏波コントローラの構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００８７】
１００…第１の１／４波長板、１０１…１／２波長板、１０２…ビームスプリッタ、１０３、１０３ａ…第２の１／４波長板、１０４、２０３…偏光ビームスプリッタ、１０５、１０６、１１９、２０４、２０５…光検出器、１０７、２０６…差動増幅器、１０８…ローパスフィルタ、１０９、１０９ａ…第１の制御回路、１１０…発振器、１１１…周波数２倍器、１１２…第１のロックインアンプ、１１３、１１３ａ…第２の制御回路、１１４…周波数４倍器、１１５…第２のロックインアンプ、１１６…演算器、１１８、２００…光源、１２０…第１のバンドパスフィルタ、１２１…第２のバンドパスフィルタ、１２２…第３の１／４波長板、１２３…第２の１／２波長板、１２４…計算機、１２５…入力用インタフェース、１１…センサヘッド部、１２…信号処理部、１３…偏波保持ファイバ、１４…光ファイバ、１３０、１３２…レンズ、１３１…磁気光学結晶、２０１…直線偏光生成器、２０７…電気信号測定器。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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