(57)【要約】本発明の装置は、基本的に、ＰＬＺＴなどの電気光学物質からなるプレート（６）に４つの電極（７ないし１０）をプリントしてなる。前記電極に電圧（Ｖ１ないしＶ４）を印加することにより電界が生じ、それにより回転軸を有する位相板が生成される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光リンク内の分極制御装置であって、分極を制御することが必要な光リンク内に、電界の作用により複屈折が変化する少なくとも１つの電気光学物質のブロック（６、１３、１３Ａ、２４、２７、３０、３７、３８、４６）を含み、当該ブロックの少なくとも１面に複数の電極（７ないし１０、１４、１５、１４Ａ、１５Ａ、２５、２８、３１、３５、３６、３９ないし４４、４７）が配置され、当該電極が分極軸に所望の回転に応じてこれら電極に印加される電圧を変化させる回路（５、２０、３４）に接続されていることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記電気光学物質は電界が存在しない状態で等方性であり、電界により当該物質の中立軸と複屈折をともに制御することが可能であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記電気光学物質は、ＰＬＺＴ、ＰｂＳＺＴ、ＢＬＴＮ、ＳＢＮ、電気光学ポリマー層、液晶および「ナノ液滴」ＰＤＬＣの１つであることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
電気光学ブロック（１３、１３Ａ）が、その最も大きな面のそれぞれに電極（１４、１５、１４Ａ、１５Ａ）を有し、それにより各面に回転軸を有する位相板を規定することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５】
同一の光路（２６、２９、３２）上に並べて配置された複数のブロックを備え、当該ブロックのそれぞれに電極（２５、２８、３１）が設けられていることにより永続的な分極制御が行われることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６】
分極制御は光ビームの分極方向に従動することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光リンク内の分極制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
波長多重技術を採用し、非常に大きなデータ転送速度で稼動する未来のファイバーネットワークにとって、光リンク内の分極制御は主要な目的である。これは、光ファイバーネットワークの多数のアクティブな構成要素が電波の分極状態に敏感であるためで、特に半導体増幅器やファイバー増幅器、およびＬｉＮｂＯ３の外部スイッチまたは変調器がそうである。後者は通常、電波の線形入射分極により最適に動作し、加えてこの分極方向を変調器の電気光学軸の１つと平行に保たねばならない。さらに、非常に重要な別の用途の１つが分極分散補償である。
【０００３】
電気光学分極制御装置は周知であるが、それらでは分極制御、つまり分極軸の回転と各軸方向の複屈折の制御を完全に達成することができない。同様に、既知のオプトメカニカル装置では完全な制御ができず、それらの応答時間は長すぎる。
【非特許文献１】
"Analysis of a reset-free polarization controller for fast automatic polarization stabilization in fiber optic transmission systems" by F. Heismann (Journal of Lightwave Technique, 12, 690, 1994)
【非特許文献２】
"Fast automatic polarization control" by F. Heismann and M.S.W. Whalen (IEEE Photonics Tech. Lett. 4, 503, 1992)
【非特許文献３】
"論文[Liquid-crystal electrooptic microstructures and applications]" by P. Joffre (INPG, 1991)
【発明の開示】
【０００４】
本発明は光リンク内の分極制御装置を対象とし、当該装置は、分極軸の回転と、各軸方向の複屈折とを共に制御することができ、応答時間が短く（例えば１ないし数マイクロ秒）、小型で挿入損が極わずかである。
【０００５】
本発明による装置は、分極を制御することが必要な光リンク内に、電界の作用により複屈折が変化する少なくとも１つの電気光学物質ブロックを含み、複数の電極がこのブロックの少なくとも1面に配置され、回路に接続されており、当該回路は分極軸の所望の回転に応じてこれら電極に印加される電圧を変化させる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
本発明のさらに深い理解のため、添付図面に示す複数の実施形態を、非限定的例示として後述で詳細に説明する。
【０００７】
後述では、非常に高速なデータ転送速度を有する電気通信ネットワークの光学部分（特に光ファイバー）を伝播する光波の分極制御に関して本発明を説明するが、当然本発明はそのような単一の用途に限定されるものではなく、光波の分極変調または当該分極の従動が必要とされる他の多くの用途に使用することができる。
【０００８】
図１ａは、本発明による装置１の基本要素を概略的に示す。本実施例では、本装置１は、光ファイバーにより搬送される光ビームの経路上に挿入される。処理対象となる分極２Ａを有する光ビームが光ファイバー２を介して装置１に到来し、装置１により処理された光ビーム３Ａは光ファイバー３を介して装置１を出てゆく。図を単純化するため、ファイバー２と３の間の光ビームと装置１を連結する光学要素は図示しない。この装置１は、基本的に、電気光学ブロック４と、ブロック４の電極にアドレスする電子回路５とを含む。
【０００９】
ブロック４は、例えば、光ファイバー２から発出する光ビームの分極状態にドリフトがあるとき、その都度電界の作用により当該ドリフトを補償することができる複屈折物質からなる長形の平行六面体ブロックである。ここで問題にしている応用例（本実施例においては電気通信ネットーク）では、光ビームの分極状態の変化は非常に急速（数マイクロ秒またはミリ秒内の変化）に起こる場合があり、特に温度、光ファイバーに掛かる機械的応力、ネットワークの再構成など、多くのパラメータに起こる変化によるものである。後述する電気光学ブロックを有する装置１により、光ビームの分極２Ａの変化に対する応答時間を非常に短く（１マイクロ秒から数マイクロ秒）することができる。
【００１０】
装置１は、分極２Ａの任意の形態を分極２Ｂという別の形態に変換する。図１ｂに示すように、分極の楕円形の形態を特徴付けるのは、２つの角度、すなわちαとβである。角度βは軸ＯｘとＯＡ（楕円形に外接する長方形の対角線）により決定する。すなわち、装置１は、いずれの入射分極２Ａについても、楕円の軸の方向と楕円率をそれぞれ別個に制御する。
【００１１】
先行技術（例えば非特許文献１および非特許文献２を参照）によれば、分極の制御は対応する軸の回転を制御した複数の複屈折プレートの組み合わせにより行わなければならないが、それでは応答時間が法外なものになる。対照的に、本発明では電気光学ブロック４を使用することにより、その電極に適当な電圧を印加するだけで十分にその物質の軸方向および複屈折を制御することができる。この装置１は光ビームの自由伝播を使用する。
【００１２】
ブロック４を形成する電気光学物質は、好適にはカー係数の値が高い物質である（例えば１０×１０１６ｍ２Ｖ−２）。この物質は、例えば、ＰＬＺＴ（Ｐｂ−ＬＡ−Ｚｎ−ＴｉＯ２）セラミックである。一般に、電気光学物質上に配置された２つの電極により生成される水平方向の電界が印加されるとき、複屈折の位相板が得られ、２つの直交する軸ＯｘとＯｙに沿うその指数ｎｘとｎｙはそれぞれ以下の数式で表される値を有する。
【数１】
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ここで、項Ｒは当該材質のカー係数を、項Ｅは電極間の電圧を、および項ｎｏは電界が存在しない状態における当該物質の指数である。
【００１３】
回転軸を有する位相板機能を得るには、例えば図２に示すようなブロック６を製造する。このブロックは、大きな面が正方形である薄い長形の平行六面体形状である。ブロック６の大きな面の１つには、同一の電極４つ（例えば７ないし１０）をプリントするか、固定する。これらの電極はＴ字型で、その「横方向の」辺により、当該面の中央に正方形が画定される。電極７ないし１０は、それぞれ電位Ｖ１ないしＶ４に接続される。回転軸を有する位相板機能は、電極７ないし１０に回転する電界を印加することにより得られる（非特許文献３参照）。この回転する電界は、一対の対向する電極７と８の間に電位差Ｖ１−Ｖ２を印加する一方、別の一対の対向する電極９と１０の間に、電位差Ｖ３−Ｖ４を印加し、これら電位を変化させることにより得られる。図３はファイバー２から発出した光ビームの跡１１を示し、図４は２つの対向する電極（例えば７と８）により生成された電界線を示す。図５は、電極７ないし１０に印加される電位の３つの異なる組み合わせについて生成された電界線の３例をしめす。
【００１４】
図５の左から右へ順に、以下の電位をそれぞれ電極７ないし１０に印加した場合を示す：
（ａ）：  ０，０，−Ｖｏ，Ｖｏ
（ｂ）：  −Ｖｏ，−Ｖｏ，−Ｖｏ，Ｖｏ
（ｃ）：  −Ｖｏ，Ｖｏ，０，０
【００１５】
電極７ないし１０により画定される正方形の中央において電界線は、上記３例に応じて、（図に示すように）ほぼ垂直方向か、正方形の対角線にほぼ平行であるか、またはほぼ水平方向である。このように、ブロック６の中央部近傍に、中央に対して回転する電界の相当物が得られる。よってこの電界は位相板の機能を生成し、その軸Ｏｘの回転θは電界の回転に従う。ブロック６を「変調器」と呼んでもよく、当該ブロックはファイバー２を発出した入射ビームの分極を変調する。ブロック６の入射面における光ビームの軸ＯｘとＯｙに沿った光学的指数の値ｎｘおよびｎｙは以下の数式により求められる。
【数２】
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【００１６】
上記の数式において：
−  θは制御（または補正）するビームの楕円の軸Ｏｘと、電極７および８（基準軸ＯＥｘ）の中央を通るブロック６の軸との間の角度であり、
−  ｄは、（入射する光ビームが集中する中心Ｏに対して対称に配置される）電極７と８の間、または９と１０の間の距離であり、
−  Ｒはブロック６の物質のカー係数であり、
−  ｎｏはＯｙに沿ったブロック６の光学的指数である。
【００１７】
電極７ないし１０により画定された正方形内部、具体的にはその中心部に発生するブロック６の位相変調器の機能は、角度θおよび変動複屈折Δφで回転する軸を有する位相板に相当する。これらのパラメータは、電極７ないし１０に印加される電圧Ｖ１からＶ４の関数であり、以下の数式により求められる。
【数３】
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【００１８】
このようにして得られる位相板の軸は、以下の数式により規定される角速度Ωで回転する。
【数４】
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【００１９】
実現に際して、ブロック６は様々な方法で作成することができる。第１の実施形態では、電気光学的用途に適切な組成を有するＰＬＺＴセラミックの薄いディスクを使用する。例えば、このセラミックの組成はＰｂ１−ｘＬａｘＺｒｙＴｉ１−ｙＯ２（ｘ＝０．０９、およびｙ＝０．６５）とすることができる。このセラミックはカー係数が高く、ヒステリシスの値は有意でない。このセラミックの１面に、例えば金属を真空蒸着することにより２対の電極（７−８、および９−１０）を設置する。これらの電極は、例えばＡｕまたはＡｌから形成することができる。
【００２０】
１つの実施形態では、上述のパラメータの値は以下の通りである：
Ｄ＝１００μｍ、λ＝１．５μｍ、Ｒ＝１０．１０１６ｍ２V−２、ｎｏ＝２．５。Ｖｏ＝１００Ｖのとき二分の一波長板（Δφ＝π）が、Ｖｏ＝５０Ｖのとき四分の一波長板（Δφ＝π／２）が得られる。
【００２１】
セラミックのオプトエレクトリック装置の典型的応答時間は１μ秒程度である。研磨したＰＬＺＴ基板から、厚さ約０．５から１ｍｍのブロックを得る。最近、大型（例えば５ｃｍ２以上）の構成要素を製造するために、「ソル−ゲル」技術または液相エピタキシによりＰＬＺＴフィルムを蒸着させる方法が発達した。図６に示すように、電気光学的セラミック基板１３の各面上に、２つの電気光学機能、例えば回転軸を有するλ／２プレートとλ／４プレートを生成することができる。この基板の各面には、例えば、図２と同じ構成の電極がプリントされる。基板１３の１つの面上の電極を参照番号１４で、それと反対側の面上の電極を同１５で示す。集束オプティック１７（例えばグレーデッド形微小レンズ）で終端するモノモードの光ファイバー１６は、基板１３の電極１４を備える面の中央に光ビームを送り、一方基板の別の面から発出するビームは、出口側のモノモード光ファイバー１９に連結するオプティック１８（オプティック１７と類似または同一）により回収される。電極１４および１５は、例えば、回転軸を有するλ／４プレートが電極１４側に、回転軸を有するλ／２プレートが電極１５側に形成されるように、回路２０により制御される。当然、位相板の他の組み合わせも同様につくることができる。
【００２２】
図７は図６に示した装置を小型化したものを示す。この変形例は図６と同様の構成要素を使用しており、それらは図６と同じ参照番号の後ろに「Ａ」を付けて示す。制御回路２０Ａは、回路２０と同様に、それぞれ電極１４Ａと１５Ａを有する２つの変調器を制御し、それにより２つの変調器を（回転軸を止めることなしに）永続的に作動させる。
【００２３】
データ転送が高速で行われる電気通信分野において、例えば、続いてネットワークの分極状態を起こし、高速で再構築することが必要となる動作上の制約を最適に満たすために、図８に示す装置２１のような装置を使用することができる。この装置２１は、集束オプティック２３で終端する光ファイバー２２から光ビームを受光する。集束オプティック２３の隣には、１組の電極２５を備える第１変調器２４が配置され、次いで第２集束オプティック２６、複数の電極２８を備える第２変調器２７、第３集束オプティック２９、複数の電極３１を備える第３変調器３０、および第４集束オプティック３２が順に配置され、第４集束オプティック３２は出力光ファイバー３３に連結している。変調器２４、２７および３０は、例えば、図２に示した種類の変調器である。電極２５、２８および３１は制御回路３４に接続している。変調器２４、２７および３０のそれぞれは、電気光学的位相板として機能する。これらの位相板により、それぞれの軸を電気光学的に回転させること、および／またはそれぞれの軸方向についてその複屈折を電気光学的に制御することが可能となり、よって複屈折および方向の変更が可能な電気光学的アセンブリを構成することができる。制御回路３４により複数の電極の組２５、２８および３１に電圧が印加され、既知の方法により入射ビームの分極制御機能が生成される。
【００２４】
本発明の電気光学ブロックの材料は、ＰＬＺＴでなくとも、電気光学係数（カー係数）が高い物質であればよい。例えば、ＰｂＳＺＴ、ＢＬＴＮ、ＳＢＮなどのセラミックか、あるいは電気光学的ポリマーの層、または液晶装置（ただし、液晶の応答時間は数μ秒以上と長過ぎる）、または後述する図１２ないし１４で参照するようなＰＤＬＣ（ポリマー分散液晶）が挙げられる。
【００２５】
図９および１０は本発明の変調装置の別の実施形態を示す。ここでは、同一の電極３５および３６が電気光学的基板３７の両面に配置されている。この場合、この変形例は、２つの位相板（例えばλ／４とλ／２）を組み合わせるためでなく、変調器の効率を向上させるために使用されている。これは、電極３５、３６の各構成が、電極３５、３６に印加される同じ組み合わせの電圧により制御され、同一の「作動厚」（図９のｅ１およびｅ２）を有するためである。この作動厚とは、電極の面から測定した電気光学物質の厚みであり、これら電極によって生成された電界が基板３７を通過する光ビームの分極制御に関して有効な厚みである。このように、単一の作動厚ｅ１またはｅ２を有するのでなく、２つの組み合わせにより分極が制御される。
【００２６】
本発明による装置のまた別の実施形態を図１１に示す。本実施形態において、基板３８の一面に形成される電極の数は５つ以上である。図１１に示す実施例では、この数が６つとなっている。これらの電極には３９ないし４４までの参照番号を付した。電極は基板３８の一面の中心を囲んで均等に配置されており、６角形を画定している。このように電極の数が多いことにより、各電極に（４つの電極を使用する場合より）弱い電圧を印加したとき、結果として６角形の中心に生じる電界はより強く、均一度の高いものとなる。電極を制御するための装置の複雑性は４つの電極を使用する構成よりも大きい。当然、電気光学的基板の面にさらに多くの電極を配置することも考えることができるが、電気的制御装置の複雑性が大きくなってしまう。したがって、用途に応じて制御装置の複雑性と変調器の効果の間で最良のバランスをとることが必要となる。
【００２７】
本発明による装置のまた別の実施形態によれば、ＰＬＺＴ型の電気光学ブロックに替えて「ナノ液滴」物質と呼ばれる特定のＰＤＬＣ物質を使用することができる。
【００２８】
この物質は、図１２ないし１４に概略的に示すように、ＵＶ照射を用いるなどの高速硬化行程により、ポリマーマトリクス４６に含まれた液晶の液滴４５（図１２参照）を備える。前記行程により、１μｍ未満の液晶の液滴を得ることが可能である。このようにして得られた媒体は不均一で液晶とポリマーの指数は異なるが、媒体は完全に分散しているわけではない。これは、本実施例の場合、液滴４５の大きさが媒体を通過する光ビームの波長よりはるかに小さいためである。したがって、当該物質は等方性の電気光学的セラミックであるかのように動作する。この場合の電気光学的効果は、電界の作用の下での、液滴中に存在する液晶分子の向きかえに起因する。この現象を図１３および１４に示す。図１３には、電界が存在しない状態で、ランダムな方向を向く数個の液晶分子が概略的に示されている。電極４７に電圧を印加すると、媒体４６中に電界が生成され、分子が電界線４８と平行となる。
【００２９】
このＰＤＬＣ装置の複屈折は、電極４７間の距離（ｄ）を１００μｍとし、数１０から約１００ボルトの電圧をこれら電極に印加した場合、数１０−３程度となる。この種の物質に得られる応答時間は、物質の厚さが数百μｍのとき、約１０から数１０μ秒である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１ａは本発明による制御装置を概略的に示す斜視図であり、図１ｂは図１ａの装置における光波の分極の特徴を示す図である。
【図２】図１ａの装置に使用可能な電気光学ブロックの第１実施形態の平面図である。
【図３】図２のブロックの概略的正面図である。
【図４】図２のブロックの概略的側面図であり、ブロック内の電界線の経路を概略的に示す。
【図５】図５ａ、図５ｂおよび図５ｃは、電極に印加する電圧によって図２のブロックの電界線が変化する様子を概略的に示す。
【図６】図２のブロックの別の実施形態である。
【図７】図２のブロックの別の実施形態である。
【図８】連続して配置した本発明による３つの電気光学ブロックを示す。
【図９】ブロックの対抗する両面上に電極が配置された、本発明による電気光学ブロックの別の実施形態の断面図である。
【図１０】ブロックの対抗する両面上に電極が配置された、本発明による電気光学ブロックの別の実施形態の平面図である。
【図１１】電極を６つ使用する本発明による電気光学ブロックの別の実施形態の平面図である。
【図１２】「ＰＤＬＣ」型の物質を使用した本発明による電気光学ブロックの別の実施形態の概略的断面図である。
【図１３】「ＰＤＬＣ」型の物質を使用した本発明による電気光学ブロックの別の実施形態の概略的断面図である。
【図１４】「ＰＤＬＣ」型の物質を使用した本発明による電気光学ブロックの別の実施形態の概略的断面図である。
【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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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
2004534259.tif 000038
2004534259.tif 000039
2004534259.tif 000040
2004534259.tif 000041
2004534259.tif 000042
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