(57)【要約】【課題】本発明の課題は、高速に変動する光信号の偏波状態を測定することができ、高速性及び低パワーの光信号も測定することができる高感度性を併せ持つ偏波状態測定器を提供することにある。【解決手段】本発明は、偏波分離素子１１，１２で信号光及びサンプリング光をそれぞれ偏波面が９０度異なるＰ偏波及びＳ偏波に分離し、分離されたＰ偏波同士及びＳ偏波同士が光９０度ハイブリッド３１，３２を介してバランス型受光器４１〜４４でＰ偏波に対応した第１、第２の電流、及びＳ偏波に対応した第３、第４の電流を出力し、演算処理装置７１，７２で第１〜４の電流を演算して信号光のＰ偏波成分、Ｓ偏波成分、及びＰ偏波同士及びＳ偏波同士の位相差を求めることを特徴とする。【選択図】図１
2007218628.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
繰り返し信号光を偏波面が９０度異なるＰ偏波及びＳ偏波に分離する第１の偏波分離素子と、
サンプリング光パルスを偏波面が９０度異なるＰ偏波及びＳ偏波に分離する第２の偏波分離素子と、
前記第１の偏波分離素子から出射されたＰ偏波及び前記第２の偏波分離素子から出射されたＰ偏波が第１の光９０度ハイブリッドを介して入射され、第１の電流及び第２の電流を出力する第１のバランス型受光器及び第２のバランス型受光器と、
前記第１の偏波分離素子から出射されたＳ偏波及び前記第２の偏波分離素子から出射されたＳ偏波が第２の光９０度ハイブリッドを介して入射され、第３の電流及び第４の電流を出力する第３のバランス型受光器及び第４のバランス型受光器と、
前記第１のバランス型受光器から出力された第１の電流の電流値及び前記第２のバランス型受光器から出力された第２の電流の電流値に対して演算処理を行って信号光のＰ偏波成分を求めると共に、前記第２の電流の電流値を前記第１の電流の電流値で除算して信号光とサンプリング光のＰ偏波同士の位相差を求める第１の演算処理装置と、
前記第３のバランス型受光器から出力された第３の電流の電流値及び前記第４のバランス型受光器から出力された第４の電流の電流値に対して演算処理を行って信号光のＳ偏波成分を求めると共に、前記第４の電流の電流値を前記第３の電流の電流値で除算して信号光とサンプリング光のＳ偏波同士の位相差を求める第２の演算処理装置と
を具備することを特徴とする偏波状態測定器。
【請求項２】
繰り返し信号光を偏波面が９０度異なるＰ偏波及びＳ偏波に分離する第１の偏波分離素子と、
サンプリング光パルスを偏波面が９０度異なるＰ偏波及びＳ偏波に分離する第２の偏波分離素子と、
前記第１の偏波分離素子から出射されたＰ偏波及び前記第２の偏波分離素子から出射されたＰ偏波が第１の光９０度ハイブリッドを介して入射され、第１の電流及び第２の電流を出力する第１のバランス型受光器及び第２のバランス型受光器と、
前記第１の偏波分離素子から出射されたＳ偏波及び前記第２の偏波分離素子から出射されたＳ偏波が第２の光９０度ハイブリッドを介して入射され、第３の電流及び第４の電流を出力する第３のバランス型受光器及び第４のバランス型受光器と、
前記第１のバランス型受光器から出力された第１の電流の電流値及び前記第２のバランス型受光器から出力された第２の電流の電流値に対して演算処理を行って信号光のＰ偏波成分を求めると共に、前記第３のバランス型受光器から出力された第３の電流の電流値及び前記第４のバランス型受光器から出力された第４の電流の電流値に対して演算処理を行って信号光のＳ偏波成分を求め、前記信号光のＰ偏波成分及びＳ偏波成分より信号光の振幅成分を求める演算処理装置と
を具備することを特徴とする光サンプリング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超高速光通信システムにおいて高速に変動する光信号の偏波状態を測定することのできる偏波状態測定器、及び光信号の偏波状態に依存することのない偏波無依存型の光サンプリング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光の偏波状態を測定することは、光通信、光計測、光物性の分野において非常に重要である。殊に、今後の光通信分野において信号速度はますます増加することが予想され、光伝送路や光部品の偏波分散（偏波状態により群速度が異なる現象）が光信号の信号品質を劣化させる要因として無視できなくなる。この偏波分散を評価・補償する上で、偏波状態の測定は不可欠になる。
【０００３】
従来の偏波状態測定器としては、偏光子と波長板を用いたものが知られ、すでに製品化されている。この方法では、被測定光を４分岐した上で、偏光子と波長板等で構成された空間光学系を介して受光し、被測定光のｘ偏光成分の電界強度、ｙ偏光成分の電界強度、ｘ偏光とｙ偏光の位相差を求めた（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００４】
また、従来の光サンプリング光波形測定装置としては、例えば信号光とサンプリング光との線形な相関を観測することにより、低パワーで高速な繰り返し光信号の観測を行う技術が知られている（例えば、特許文献１及び２参照。）。
【０００５】
【特許文献１】特開平９−１６２８０８号公報
【特許文献２】特開２００４−１３２７１９号公報
【非特許文献１】アジレント・テクノロジー株式会社、「光測定器カタログ２０００−２００１」、ｐ８１−８５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の偏波状態測定器では、超高速光通信システムにおいて光線路や光デバイス中で高速に変動する光信号の偏波状態を測定することは不可能で、また信号光を複数に分岐して受光するため微弱な信号の偏波状態を測定することは困難であった。
【０００７】
また、従来の光サンプリング光波形測定装置では、光９０度ハイブリッドに入力される信号光の偏波面とサンプリング光の偏波面が、一方が直線偏波であり、もう一方が円偏波であり、２つの光の偏波面の方向が完全に直行しているとき、バランス型受光器からの出力強度は最大となる。したがって少しでも感度よく安定に波形観測を行いたい場合は、信号光とサンプリング光をそれぞれ偏光方向制御器により各偏波状態を調整し、その状態を安定に保つ必要がある。
【０００８】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、高速に変動する光信号の偏波状態を測定することができ、高速性及び低パワーの光信号も測定することができる高感度性を併せ持つ偏波状態測定器、及び光信号の偏波状態に依存することのない偏波無依存型の光サンプリング装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために本発明の偏波状態測定器は、繰り返し信号光を偏波面が９０度異なるＰ偏波及びＳ偏波に分離する第１の偏波分離素子と、サンプリング光パルスを偏波面が９０度異なるＰ偏波及びＳ偏波に分離する第２の偏波分離素子と、前記第１の偏波分離素子から出射されたＰ偏波及び前記第２の偏波分離素子から出射されたＰ偏波が第１の光９０度ハイブリッドを介して入射され、第１の電流及び第２の電流を出力する第１のバランス型受光器及び第２のバランス型受光器と、前記第１の偏波分離素子から出射されたＳ偏波及び前記第２の偏波分離素子から出射されたＳ偏波が第２の光９０度ハイブリッドを介して入射され、第３の電流及び第４の電流を出力する第３のバランス型受光器及び第４のバランス型受光器と、前記第１のバランス型受光器から出力された第１の電流の電流値及び前記第２のバランス型受光器から出力された第２の電流の電流値に対して演算処理を行って信号光のＰ偏波成分を求めると共に、前記第２の電流の電流値を前記第１の電流の電流値で除算して信号光とサンプリング光のＰ偏波同士の位相差を求める第１の演算処理装置と、前記第３のバランス型受光器から出力された第３の電流の電流値及び前記第４のバランス型受光器から出力された第４の電流の電流値に対して演算処理を行って信号光のＳ偏波成分を求めると共に、前記第４の電流の電流値を前記第３の電流の電流値で除算して信号光とサンプリング光のＳ偏波同士の位相差を求める第２の演算処理装置とを具備することを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明の光サンプリング装置は、繰り返し信号光を偏波面が９０度異なるＰ偏波及びＳ偏波に分離する第１の偏波分離素子と、サンプリング光パルスを偏波面が９０度異なるＰ偏波及びＳ偏波に分離する第２の偏波分離素子と、前記第１の偏波分離素子から出射されたＰ偏波及び前記第２の偏波分離素子から出射されたＰ偏波が第１の光９０度ハイブリッドを介して入射され、第１の電流及び第２の電流を出力する第１のバランス型受光器及び第２のバランス型受光器と、前記第１の偏波分離素子から出射されたＳ偏波及び前記第２の偏波分離素子から出射されたＳ偏波が第２の光９０度ハイブリッドを介して入射され、第３の電流及び第４の電流を出力する第３のバランス型受光器及び第４のバランス型受光器と、前記第１のバランス型受光器から出力された第１の電流の電流値及び前記第２のバランス型受光器から出力された第２の電流の電流値に対して演算処理を行って信号光のＰ偏波成分を求めると共に、前記第３のバランス型受光器から出力された第３の電流の電流値及び前記第４のバランス型受光器から出力された第４の電流の電流値に対して演算処理を行って信号光のＳ偏波成分を求め、前記信号光のＰ偏波成分及びＳ偏波成分より信号光の振幅成分を求める演算処理装置とを具備することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の偏波状態測定器は、高速に変動する光信号の偏波状態を測定できるものであり、偏波分離素子によって信号光、サンプリング光をそれぞれＳ偏波、Ｐ偏波に分離し、分離された信号光とサンプリング光パルスのＳ偏波成分、Ｐ偏波成分それぞれにおいて線形な相関である干渉効果を検出するため、サンプリング光のパルス幅に依存した時間分解能を得ることができ高速に変動する信号光の偏波状態を測定することができる。また信号光の測定のために要求される強度は比較的小さくてよく、高速に変動する信号光の偏波状態を測定することのできる高速性及び低パワーの信号光も測定することができる高感度性を併せ持つ偏波状態測定器を実現できる。また同時に信号光の偏波状態に依存することのない偏波無依存型の光サンプリング装置も実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は本発明の一実施形態に係る偏波状態測定器を示す構成説明図である。図１において、１１，１２は例えば偏波ビームスプリッタ等よりなる偏波分離素子であり、第１の偏波分離素子１１には超高速光通信システムにおいて高速に変動する信号光が繰り返し入射される。前記偏波分離素子１１は入射した信号光のうち基準方向（０度方向）に対して９０度方向の偏光成分であるＰ偏波をそのまま通過させ、入射した信号光のうち基準方向の偏光成分であるＳ偏波を反射させる。前記偏波分離素子１１で分離された信号光のＰ偏波とＳ偏波は互いに偏波面が９０度異なる。
【００１３】
また、第２の偏波分離素子１２には前記信号光の繰り返し周期と僅かに異なる周期を有し光パルス幅が信号光の周波数変動の逆数よりも短い、基準方向に対して４５度方向を向く単一偏波面を有したサンプリング光パルスが入射される。前記偏波分離素子１２は入射したサンプリング光パルスのうち基準方向に対して９０度方向の偏光成分であるＰ偏波をそのまま通過させ、入射したサンプリング光パルスのうち基準方向の偏光成分であるＳ偏波を反射させる。前記偏波分離素子１２で分離されたサンプリング光パルスのＰ偏波とＳ偏波は互いに偏波面が９０度異なる。
【００１４】
前記偏波分離素子１１から分離出射された信号光のＰ偏波は第１の光９０度ハイブリッド３１に入射されると共に、前記偏波分離素子１２から分離出射されたサンプリング光パルスのＰ偏波は第１の光９０度ハイブリッド３１に入射される。第１の光９０度ハイブリッド３１は光カプラ２１〜２４より構成される。
【００１５】
また、前記偏波分離素子１１から分離出射された信号光のＳ偏波は第２の光９０度ハイブリッド３２に入射されると共に、前記偏波分離素子１２から分離出射されたサンプリング光パルスのＳ偏波は第２の光９０度ハイブリッド３２に入射される。第２の光９０度ハイブリッド３２は光カプラ２５〜２８より構成される。
【００１６】
前記第１の光９０度ハイブリッド３１からの出射光はフォトダイオードＤ１，Ｄ２よりなる第１のバランス型受光器４１及びフォトダイオードＤ３，Ｄ４よりなる第２のバランス型受光器４２にそれぞれ入射され、第１のバランス型受光器４１から第１の電流が出力されると共に第２のバランス型受光器４２から第２の電流が出力される。
【００１７】
また、前記第２の光９０度ハイブリッド３２からの出射光はフォトダイオードＤ５，Ｄ６よりなる第３のバランス型受光器４３及びフォトダイオードＤ７，Ｄ８よりなる第４のバランス型受光器４４にそれぞれ入射され、第３のバランス型受光器４３から第３の電流が出力されると共に第４のバランス型受光器４４から第４の電流が出力される。
【００１８】
前記第１のバランス型受光器４１から出力された第１の電流は第１の低域濾波フィルタ５１で波形等化された後、第１の数値化手段６１で数値化されてから、第１の演算処理装置７１に入力される。また、前記第２のバランス型受光器４２から出力された第２の電流は第２の低域濾波フィルタ５２で波形等化された後、第２の数値化手段６２で数値化されてから、第１の演算処理装置７１に入力される。
【００１９】
また、前記第３のバランス型受光器４３から出力された第３の電流は第３の低域濾波フィルタ５３で波形等化された後、第３の数値化手段６３で数値化されてから、第２の演算処理装置７２に入力される。また、前記第４のバランス型受光器４４から出力された第４の電流は第４の低域濾波フィルタ５４で波形等化された後、第４の数値化手段６４で数値化されてから、第２の演算処理装置７２に入力される。
【００２０】
前記第１の演算処理装置７１では第１の数値化手段６１で数値化された第１の電流の電流値及び第２の数値化手段６２で数値化された第２の電流の電流値に対して演算処理を行って信号光の振幅のＰ偏波成分を求め、また、前記第２の演算処理装置７２では第３の数値化手段６３で数値化された第３の電流の電流値及び第４の数値化手段６４で数値化された第４の電流の電流値に対して演算処理を行って信号光の振幅のＳ偏波成分を求める。
【００２１】
また、前記第１の演算処理装置７１は第２の数値化手段６２で数値化された第２の電流の電流値を第１の数値化手段６１で数値化された第１の電流の電流値で除算して、信号光とサンプリング光のＰ偏波同士の相対的な位相差を求め、また、前記第２の演算処理装置７２は第４の数値化手段６４で数値化された第４の電流の電流値を第３の数値化手段６３で数値化された第３の電流の電流値で除算して、信号光とサンプリング光のＳ偏波同士の相対的な位相差を求める。
【００２２】
すなわち、信号光の任意の時刻における偏波状態は、信号光の振幅のＰ偏波成分及びＳ偏波成分、信号光とサンプリング光のＰ偏波同士及びＳ偏波同士それぞれの相対的な位相差により決定される。したがって、超高速光通信システムにおいて高速に変動する光信号の偏波状態を測定することのできる偏波状態測定器を実現できる。
【００２３】
図１の偏波状態測定器は、信号光とサンプリング光パルスの分離されたＳ偏波成分、Ｐ偏波成分それぞれにおいて線形な相関である干渉効果を検出するため、サンプリング光のパルス幅に依存した時間分解能を得ることができ高速に変動する信号光の偏波状態を測定することができる。また信号光の測定のため要求される強度は比較的小さくてよく、高感度かつ時間分解能に優れた偏波状態の測定を行うことができることを特徴とする。
【００２４】
図２は本発明の一実施形態に係る偏波無依存型光サンプリング装置を示す構成説明図である。図２中、図１と同一部分は同一符号を付してその説明を省略する。図２において、７３は演算処理装置であり、信号光の振幅のＰ偏波成分及びＳ偏波成分を求め、前記信号光の振幅のＰ偏波成分及びＳ偏波成分より、信号光の電界を求めることにより、信号光の振幅成分を求めることができる。すなわち、信号光の振幅のＰ偏波成分及びＳ偏波成分より信号光の強度変調情報を得ることができるので、信号光とサンプリング光をそれぞれ偏光方向制御器により各偏波状態を調整することを必要としない、つまり信号光の偏波状態に依存することのない偏波無依存型で光サンプリングを行うことができる。したがって、低パワーで高速な繰り返し光信号の観測を行う光サンプリング装置を実現できる。
【００２５】
次に、上述したように構成される本実施形態の偏波状態測定器および偏波無依存型の光サンプリング装置の具体的動作について説明する。局発光パルスであるサンプリング光パルスは、次の条件を満足する必要がある。これらの条件及び光９０度ハイブリッドの作用は、従来の技術（例えば、特許文献１及び２参照）と同様である。
【００２６】
［条件１］信号光の強度は、サンプリング光パルスのパルス幅の時間内においてはほとんど変化しないこと。
［条件２］信号光の周波数は、サンプリング光パルスのパルス幅の時間内においてはほとんど変化しないこと。
［条件３］サンプリング光の中心周波数は、信号光の中心周波数と一致していること。
【００２７】
上記条件１，２より、高速に変動する信号光の偏波状態を測定するためには要求される時間分解能よりも短いサンプリング光パルスを用意する必要がある。上記条件が満足される場合には、本実施形態の偏波状態測定器および光サンプリング装置によって信号の偏波状態および振幅が正しく検出されることを以下に説明する。
【００２８】
まず、第１の偏波分離素子１１及び第２の偏波分離素子１２により分離された信号光および基準方向に対して４５度方向を向く単一偏波面を有したサンプリング光パルスのＰ偏波成分、Ｓ偏波成分の波形は、次式で表される。
【数１】
2007218628.tif 000003
【００２９】
ここで、Ｅ（ｓ）ｐ（ｔ）、Ｅ（ｓ）ｓ（ｔ）は信号光の振幅のＰ偏波成分、Ｓ偏波成分であり、φ（ｓ）ｐ、φ（ｓ）ｓは信号光とサンプリング光のＰ偏波同士、Ｓ偏波同士の相対的な位相差である。ωは両者の中心周波数である。信号光の任意の時刻における偏波状態は、これら４つのパラメータ｛Ｅ（ｓ）ｐ（ｔ）、Ｅ（ｓ）ｓ（ｔ）、φ（ｓ）ｐ、φ（ｓ）ｓ｝により一意に決定される。
【００３０】
このとき、第１のバランス型受光器４１及び第２のバランス型受光器４２に各々流れる電流Ｐ１（ｔ）、Ｐ２（ｔ）は次のように表される。
【数２】
2007218628.tif 000004
【００３１】
サンプリング光パルスは、時間τの近傍でのみ値を持ち、それ以外は零である。
【数３】
2007218628.tif 000005
【００３２】
上述したように計算される電流値Ｐ１（ｔ）、Ｐ２（ｔ）は第１のバランス型受光器４１及び第２のバランス型受光器４２からの出力であり、それぞれ対応して第１の低域濾波フィルタ５１及び第２の低域濾波フィルタ５２で低域濾過され、第１の数値化手段６１及び第２の数値化手段６２で数値化され、第１の演算処理装置７１に供給される。
【００３３】
これにより、信号光のＰ偏波成分Ｅ（ｓ）ｐ（ｔ）は
【数４】
2007218628.tif 000006
となり、また、信号光のＰ偏波成分の位相φ（ｓ）ｐは
【数５】
2007218628.tif 000007
となる。上記演算処理は第１の演算処理装置７１で行われるものとする。
【００３４】
同様に第３のバランス型受光器４３及び第４のバランス型受光器４４に各々流れる電流値Ｐ３（ｔ）、Ｐ４（ｔ）は次のように表される。
【数６】
2007218628.tif 000008
【００３５】
上述したように計算される電流値Ｐ３（ｔ）、Ｐ４（ｔ）は第３のバランス型受光器４３及び第４のバランス型受光器４４からの出力であり、それぞれ対応して第３の低域濾波フィルタ５３及び第４の低域濾波フィルタ５４で低域濾過され、第３の数値化手段６３及び第４の数値化手段６４で数値化され、第２の演算処理装置７２に供給される。
【００３６】
これより信号光のｓ偏波成分Ｅ（ｓ）ｓ（ｔ）は
【数７】
2007218628.tif 000009
となり、またＳ偏波の位相φ（ｓ）ｓは
【数８】
2007218628.tif 000010
となる。上記演算処理は第２の演算処理装置７２で行われるものとする。
【００３７】
また、信号光の電界Ｅ（ｓ）（ｔ）は
【数９】
2007218628.tif 000011
となり、これより信号光の振幅成分を求めることができる。上記演算処理は演算処理装置７３で行われるものとする。
【００３８】
また、第１の偏波分離素子１１から第１の光９０度ハイブリッド３１までの行路長をＬ１、第２の偏波分離素子１２から第１の光９０度ハイブリッド３１までの行路長をＬ２、第１の偏波分離素子１１から第２の光９０度ハイブリッド３２までの行路長をＬ３、第２の偏波分離素子１２から第２の光９０度ハイブリッド３２までの行路長をＬ４とおくと、経路差｜Ｌ１−Ｌ２｜、｜Ｌ３−Ｌ４｜は次式のような条件を満たす必要がある。
【００３９】
｜Ｌ１−Ｌ２｜＝｜Ｌ３−Ｌ４｜
上記条件が満足されない場合は、偏波状態が既知であるサンプリング光のみを実験系に入射し、行路長差に依存した初期の位相差を求め、その値を基準値として更正すればよい。
【００４０】
なお、本発明は、上記実施形態例そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態例に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態例に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態例に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の一実施形態に係る偏波状態測定器を示す構成説明図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る偏波無依存型光サンプリング装置を示す構成説明図である。
【符号の説明】
【００４２】
１１…第１の偏波分離素子、１２…第２の偏波分離素子、２１〜２８…光カプラ、３１…第１の光９０度ハイブリッド、３２…第２の光９０度ハイブリッド、４１…第１のバランス型受光器、４２…第２のバランス型受光器、４３…第３のバランス型受光器、４４…第４のバランス型受光器、５１…第１の低域濾波フィルタ、５２…第２の低域濾波フィルタ、５３…第３の低域濾波フィルタ、５４…第４の低域濾波フィルタ、６１…第１の数値化手段、６２…第２の数値化手段、６３…第３の数値化手段、６４…第４の数値化手段、７１…第１の演算処理装置、７２…第２の演算処理装置、７３…演算処理装置。
【図１】
2007218628.tif 000012
【図２】
2007218628.tif 000013