(57)【要約】掃引波長光学システムの単掃引中に光学素子の複数の光学特性を測定する方法は、掃引波長光学システムの波長範囲内の光信号の光周波数を連続的に増分しながら、入力偏光状態を循環的に変化させる。測定された出力偏光状態から波長依存性ジョーンズ行列を計算し、ジョーンズ行列から複数の光学特性を決定する。該特性はＰＤＬおよびＤＧＤを含むことができる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学素子の複数の光学特性を測定するための方法であって、
掃引波長光信号の波長範囲での光周波数の各変化に対し、複数の定められた偏光状態の間で循環的に変化する偏光状態を有する掃引波長光信号を、前記光学素子の入力に印加するステップと、
前記光学素子の出力で偏光状態を測定して、光周波数の各変化に対するジョーンズベクトルを生成するステップと、
前記波長範囲での前記掃引波長光信号の単掃引から生成されたジョーンズベクトルから複数の光学特性を計算するステップと、
を含む方法。
【請求項２】
前記計算ステップが、前記測定された偏光状態から生成された前記ジョーンズベクトルから、前記光周波数の各変化時に前記定められた偏光状態の各々に対するジョーンズベクトルを補間す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】
前記計算ステップが、前記生成されかつ補間されたジョーンズベクトルから、前記光学素子の波長依存性ジョーンズ行列を生成するステップをさらに含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記計算ステップが、前記波長依存性ジョーンズ行列から複数の光学特性を計算するステップをさらに含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記複数の光学特性が偏光微分群遅延および偏光依存性損失を含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記定められた偏光状態が三つの定められた偏光状態を含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記三つの定められた偏光状態が、直線水平偏光状態、直線垂直偏光状態、および直線４５度偏光状態を含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
光学素子の複数の光学特性を決定するためのシステムであって、
掃引波長光信号を出力する光源と、
各変化に対し前記掃引波長光信号の入力偏光状態を複数の定められた変更状態の間で循環的に変化させて、前記光学素子に印加するための入力光信号を生成するための手段と、
光周波数の各変化時に、前記入力光信号に応答して前記光学素子によって出力される光信号から、出力偏光状態を測定するための手段と、
前記掃引波長光信号の単掃引で測定された出力偏光状態から、複数の光学特性を計算するための手段と、
を含むシステム。
【請求項９】
前記計算手段が、
光周波数の各変化に対し、前記出力偏光状態から対応する測定ジョーンズベクトルを生成するための手段と、
前記測定ジョーンズベクトルから前記光学素子の波長依存性ジョーンズ行列を計算するための手段と、
前記ジョーンズ行列から前記複数の光学特性を計算するための手段と、
を含む、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記波長依存性ジョーンズ行列計算手段が、
前記定められた偏光状態の各々に対する前記測定ジョーンズベクトルの間でジョーンズベクトルを補間するための手段と、
前記測定されかつ補間されたジョーンズベクトルから光周波数の各変化に対しジョーンズ行列を計算して、波長依存性ジョーンズ行列を生成するための手段と、
を含む、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記複数の光学特性が偏光依存性損失および偏光微分群遅延を含む、請求項８から１０のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１２】
前記定められた偏光状態が三つの定められた偏光状態を含む、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記三つの定められた偏光状態が、直線水平偏光状態、直線垂直偏光状態、および直線４５度偏光状態を含む、請求項１２に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
背景技術
本発明は、試験対象の光学素子の光学特性の測定に関し、さらに詳しくは、ジョーンズ行列固有解析を使用して、掃引波長システムの単掃引により複数の光学特性を測定するための方法および装置に関する。
【０００２】
任意の二ポート光学素子のジョーンズ行列が、三つの既知の入力偏光状態を使用しかつ結果的に得られる出力偏光状態を測定することによって測定されることは、当業界で周知である。偏光光は、二要素複素ベクトルつまりジョーンズベクトルで表わされる。その要素は、空間内の特定の点における電界のｘおよびｙ成分の大きさおよび位相を指定する。光学素子のジョーンズ行列は、入力および出力ジョーンズベクトルを相互に関係付ける。ジョーンズ行列表現は、三つの既知の入力刺激偏光状態つまり入力ジョーンズベクトルに応答する、三つの出力ジョーンズベクトルを測定することによって見出される（「Ｆｉｂｅｒ  Ｏｐｔｉｃ  Ｔｅｓｔ  ａｎｄ  Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ（ファイバ光学の試験と測定）」、デニス・ディクソン（Ｄｅｎｎｉｓ  Ｄｅｒｉｃｋｓｏｎ）、プレンティスホール（Ｐｒｅｎｔｉｃｅ  Ｈａｌｌ）、１９９８年、２２５頁）。刺激（stimuli）が図１に示すように０度、４５度、および９０度に向けられた直線偏光である場合、数学的計算は最も単純であるが、任意の三つの異なる刺激を使用することができる。
【０００３】
図１に示す表記を使用して、特定の光周波数における試験対象の光学素子（ＤＵＴ）のジョーンズ行列は、次式から計算することができる。
【数１】
2006523848.tif 000002
【０００４】
ここでジョーンズ行列の異なる成分は、
【数２】
2006523848.tif 000003
【０００５】
によって与えられ、
【数３】
2006523848.tif 000004
【０００６】
は入力直線水平偏光状態に対する出力ジョーンズベクトルであり、
【数４】
2006523848.tif 000005
【０００７】
は入力垂直偏光状態に対する出力ジョーンズベクトルであり、
【数５】
2006523848.tif 000006
【０００８】
は入力直線４５度偏光状態に対する出力ジョーンズベクトルである。ジョーンズ行列方程式において、因数Ｃは不要の未定の定数位相／振幅乗数であり、偏光依存性損失（ＰＤＬ）または偏光微分群遅延（ＤＧＤ）を測定するために必要ではない。実際には、上述したディクソンの教科書に示すように、光学技術の当業者には周知の通り、出力ストークスベクトルが測定され、次いでジョーンズベクトルが計算される。
【０００９】
また、波長依存性ジョーンズ行列は、固定入力水平偏光状態を使用して波長範囲を掃引しながら、各波長増分で出力偏光状態を測定し、次いで異なる固定入力垂直偏光状態を使用して同一波長範囲を掃引しながら、各波長で出力偏光状態を測定し、かつ三回目にさらに別の固定入力偏光状態を使用して同一波長範囲を掃引しながら、出力偏光状態を測定することによって、測定することができることも周知である。次いで、各掃引の同一波長の様々な出力偏光状態から掃引を正確に位置合わせすることによって、ジョーンズ行列は、上記方程式を使用して各波長で計算される。
【００１０】
さらに、固定波長で三つの異なる入力偏光状態に対する三つの出力偏光状態を測定し、次いでその波長におけるジョーンズ行列を計算することができることも周知である。次いで波長を間欠送りして、該プロセスを繰り返して、波長の関数としてジョーンズ行列を計算することができる。ジョーンズ行列を波長の関数として知ることは、偏光依存性損失（ＰＤＬ）および偏光依存性群遅延（ＤＧＤ）のような波長依存性光学特性の決定が可能になるので、重要である。これらは光学素子の重要な特性であり、光学素子が光通信システムをどの程度劣化するかを決定するのに役立つ。ジョーンズ行列が与えられると、ＰＤＬは次式から見出すことができる。
【００１１】
ＰＤＬ＝１０＊Ｌｏｇ（λ１／λ２）
ここでλ１およびλ２は（Ｊ＊）ＴＪの固有値である。ＤＧＤもジョーンズ行列から次のように見出される。
【００１２】
ＤＧＤ（ω）＝｜ａｒｇ（ρ１／ρ２）／Δω｜
ここでρ１およびρ２はＪ（ω＋Δω）＊Ｊ−１（ω）の固有値である。
【００１３】
これらの記述から、波長による試験が遅いことは明らかである。第一のプロセスは、波長範囲に対し三回の異なる走査を必要とする。各走査にＮ個の波長がある場合、第一の方法はＮ＊３個の出力偏光状態を測定する必要がある。第二の方法は、波長を一回しか通過しないが、これは各波長で三つの異なる偏光状態を測定するために休止しながら歩進的に進まなければならない。再び、出力偏光状態の個数はＮ＊３である。
【００１４】
求められているものは、出力偏光状態の測定回数がより少なくてすむ、光学素子の複数の光学特性を測定するより高速の方法であり、さらに詳しくは、波長範囲を一回走査して、複数の光学特性がそこから同時に計算される、光学素子の波長依存性ジョーンズ行列を決定する方法である。
【００１５】
発明の概要
したがって、本発明は、掃引波長システムの波長範囲内で光周波数が増分されると、連続光周波数の既知の入力偏光状態を循環的に変化させる掃引波長システムを使用して、光学素子の複数の光学特性の単掃引測定を提供する。測定された出力偏光状態から、光学素子の波長依存性ジョーンズ行列が計算され、ジョーンズ行列から複数の光学特性が決定され、該特性はＰＤＬおよびＤＧＤを含むことができる。
【００１６】
本発明の目的、利点、および他の新規の特徴は、以下の詳細な説明を付属する請求の範囲および添付の図面と共に読むと、明らかである。
【００１７】
発明の詳細な説明
下の表１は、波長ω０〜ωｎの範囲の掃引光学試験システムの単掃引で試験対象の光学素子に対して行なわれた複数の測定から、最初の九つの測定を示す。Ｈは入力直線水平偏光状態（ＳＯＰ）を表わし、Ｖは入力直線垂直ＳＯＰを表わし、Ｆは入力直線４５度ＳＯＰを表わす。
【表１】
2006523848.tif 000007
【数６】
2006523848.tif 000008
【００１８】
は、掃引波長範囲ω０．．．ωｎ内のｉ番目の光周波数で測定されたｉ番目のジョーンズベクトルである。直線補間を使用する各光周波数のジョーンズ行列の成分の方程式は、次の通りである。
【数７】
2006523848.tif 000009
【００１９】
計算は、ｉ＝０およびｋ＝０、１、２で開始される。三つの入力偏光状態の場合、ｋ＝０は、特定の入力偏光状態におけるｉ番目の光周波数の測定ジョーンズベクトルのジョーンズ行列成分に相当し、ｋ＝１および２は、ｉ＋１番目およびｉ＋２番目の光周波数における同じ特定の入力偏光状態の補間されたジョーンズ行列成分を提供する。換言すると、図２に示すように、Ｋ１０は、測定されたジョーンズベクトル
【数８】
2006523848.tif 000010
【００２０】
に基づく直線水平偏光（Ｈ）における０番目の光周波数（ω０）のジョーンズ行列成分を提供し、次いで第一および第二の光周波数（ω１およびω２）のＫ１１およびＫ１２は、０番目および３番目（ω３）の光周波数の測定ジョーンズベクトル
【数９】
2006523848.tif 000011
【００２１】
の間の補間によって導出される。
【００２２】
次いで、ｉは３単位で間欠送りされ、ｋ＝０、１、２で計算が繰り返される。再びｉは３単位でｋ＝０、１、２で増分される。このプロセスは、Ｈ偏光の全ての測定ジョーンズベクトルが使用されるまで続行される。該プロセスは同時に他の入力偏光状態ＶおよびＦに対して実行され、Ｋ２およびＫ３の値が得られる。その結果、各光周波数に対しＫ１、Ｋ２、およびＫ３の値が得られ、そのうちの一つの値は測定ジョーンズベクトルに基づいており、残りの二つは測定ジョーンズベクトルから補間される。ｉ番目の光周波数における波長依存性ジョーンズ行列は次の通りである。
【数１０】
2006523848.tif 000012
【００２３】
この式は、波長範囲に対する各光周波数での試験対象素子の所要のジョーンズ行列を表わし、そこからＰＤＬおよびＤＧＤ方程式を使用して、それぞれの波長依存性光学特性を同時に決定することができる。
【００２４】
したがって、波長依存性ジョーンズ行列の決定は、波長範囲に対し一回の走査を使用して実行され、合計Ｎ個の測定出力偏光状態が得られ、結果的に先行技術に対し速度が三倍速くなる。
【００２５】
上述の通り、入力における同様の偏光状態の間では、つまりこの例では第三光周波数毎に、ジョーンズ行列の成分は介在する光周波数に対し補間することができるので、掃引波長範囲内で各光周波数に対し複数の光学特性が計算される。多くの代替的補間方法がある。一つのそのような代替的方法は、表１に記載した同じ入力偏光状態のジョーンズベクトルのｘおよびｙ偏光状態の実数および虚数成分に曲線を当てはめるものであり、この当てはめ曲線テンプレートから、そのような偏光状態の場合の介在する光周波数におけるジョーンズベクトルの値を決定することができる。例えば水平偏光光の出力ジョーンズベクトル
【数１１】
2006523848.tif 000013
【００２６】
を光周波数ω０、ω３、ω６等で測定する。これらの周波数の出力ジョーンズベクトルの成分をプロットし、曲線当てはめを適用することによって、水平偏光光ω１、ω２、ω４等に対するジョーンズベクトルの成分の値を決定する。同様の手順を、各入力偏光状態に使用することができる。この手順を通して、三つの入力偏光状態に対する任意の光周波数の出力偏光状態が決定され、これらから、上に示した通り、各光周波数のジョーンズ行列を計算することができる。次いで、同じく上に示した通り、ＤＧＤおよびＰＤＬが決定される。補間は、上記のＫ１ｋ＋ｉ、Ｋ２ｋ＋ｉ、およびＫ３ｋ＋ｉの方程式にある通り、比例の直線補間、これらの比例の曲線補間、ジョーンズベクトルの成分の曲線補間等とすることができる。
【００２７】
典型的な試験システムを図３に示す。ここで掃引光源１２は、指定された波長範囲で光周波数を増分または走査する光信号を提供する。光信号は、上の表１に示すように直線水平、直線垂直、および＋直線４５度偏光状態のような定められた偏光状態の間で、光周波数の各増分変化に対し、光信号の偏光状態を循環的に変化させる、偏光制御装置１４に入力される。結果的に得られる偏光光信号は次いで、試験対象の光学素子（ＤＵＴ）１６に入力される。ＤＵＴ１４からの光信号出力は偏光計１８に入力される。偏光計１８からの測定出力はデジタル信号処理装置（ＤＳＰ）のような処理装置２０に入力され、そこで波長範囲における光信号の各光周波数のジョーンズ行列が、上に示した通り、計算される。次いでＤＳＰ２０は出力として、ジョーンズ行列から決定されるＰＤＬおよびＤＧＤのような、ＤＵＴ１６の波長依存性光学特性を提供する。本書では三つの特定の直線偏光状態に言及したが、そこからジョーンズベクトルを測定することのできる任意の三つの異なる偏光状態を使用することができる。
【００２８】
したがって、本発明は、掃引波長光学システムを使用して、波長走査の連続的光周波数増分により光信号の入力偏光状態を循環的に変化させ、かつ光学素子からの出力偏光状態を測定することによって、光学素子の複数の光学特性の単掃引同時測定を実行する方法であって、該測定から波長依存性ジョーンズ行列が計算され、次いで波長依存性ジョーンズ行列を使用して、光学素子の複数の光学特性が同時に決定されるように構成された方法を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】先行技術で公知の試験対象の光学素子のジョーンズ行列を測定するための一般的表記を示すグラフ図。
【図２】本発明に係る光学素子の波長依存性ジョーンズ行列パラメータの補間を示すグラフ図。
【図３】本発明に従って一範囲の波長で光周波数の単掃引により光学素子の様々な光学特性を測定するためのシステムのブロック図。
【図１】
2006523848.tif 000014
【図２】
2006523848.tif 000015
【図３】
2006523848.tif 000016
【国際調査報告】
2006523848.tif 000017
2006523848.tif 000018