可変光位相器
【課題】光位相の連続可変と高速制御が可能であり、環境条件からの影響を受けにくく、偏波無依存型、自由空間型、光ファイバ型への適応が容易な可変光位相器を提供する。
【解決手段】前方からの入力光を互いに直交する第１および第２の直線偏光に偏光分離する第１の偏光子４１が配置され、第１および第２の直線偏光が出力光として出射するまでの第１および第２の光路上に、入力した直線偏光を円偏光に変換する第１および第２の四分の一波長板（１１，１２）と、入力した円偏光の偏光面を回転させるファラデー回転子２０と、それぞれに入力された円偏光を互いに直交する直線偏光に変換して出力する第３および第４の四分の一波長板（１３，１４）と、入力された互いに直交する二つの直線偏光を偏光合成して出力光として出射する第２の偏光子４２が順に配置され、ファラデー回転子による回転角に応じて出力光の位相を変化させる。
【解決手段】前方からの入力光を互いに直交する第１および第２の直線偏光に偏光分離する第１の偏光子４１が配置され、第１および第２の直線偏光が出力光として出射するまでの第１および第２の光路上に、入力した直線偏光を円偏光に変換する第１および第２の四分の一波長板（１１，１２）と、入力した円偏光の偏光面を回転させるファラデー回転子２０と、それぞれに入力された円偏光を互いに直交する直線偏光に変換して出力する第３および第４の四分の一波長板（１３，１４）と、入力された互いに直交する二つの直線偏光を偏光合成して出力光として出射する第２の偏光子４２が順に配置され、ファラデー回転子による回転角に応じて出力光の位相を変化させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバや自由空間を伝播する光の位相を変化させる可変光位相器（光学位相シフタ）に関し、たとえば光通信や光測定に用いて有効なものに関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば、光通信では、情報を伝送するための変調方式として、情報を振幅に乗せるＡＳＫ（Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｓｈｉｆｔ ｋｅｙｉｎｇ）、周波数に乗せるＦＳＫ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｈｉｆｔ ｋｅｙｉｎｇ）、位相に乗せるＰＳＫ（Ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔ ｋｅｙｉｎｇ）などがある。
【０００３】
これらの変調方式は電気通信の技術として開発されたものであるが、近年は、光通信に応用されるようになってきた。その中でもとくに、位相に情報を乗せる位相変調方式は、通信の高速化（ワイドバンド化）に適した変調方式として有望視されている。
【０００４】
位相変調では、位相を変化させる位相変調器や位相の変化を検出する復調器が使用される。また、光通信や光測定では、光スイッチや光減衰器などの光デバイスが使用されるが、これらはマッハ・ツェンダ型干渉計などに位相シフタを組み合わせて構成されるものもある。
【０００５】
たとえば、特許文献１には、マッハ・ツェンダ干渉計と位相シフタを用いた差分４位相偏移変調の技術が開示されている。また、非特許文献１には、位相制御素子を用いて光アッテネータや光スイッチなどの光制御デバイスを構成する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２００４−５１６７４３号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】林智幸，定行勝，市川智徳，原田智也，袴田和喜，安間康弘： 「イオン交換型可変光アッテネータの開発」２００１年電子情報通信学会総合大会、 Ｃ−３−１１７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来、光の位相を制御する可変光位相器としては、導波路構造を用いた熱光学位相シフタ、導波路構造の電気光学結晶を用いた電気光学位相シフタ、液晶を用いた液晶光学位相シフタが知られている。しかし、熱光学位相シフタの場合、熱光学効果を利用しているため、応答速度が遅い、雰囲気温度の影響を受けやすいなどの課題があった。電気光学位相シフタの場合、電気光学結晶と光ファイバの屈折率差が大きいため、損失（とくに挿入損失）が大きくなるという課題があった。液晶光学位相シフタの場合は、液晶を利用しているため、応答速度が遅いことが課題となる。
【０００９】
光通信では通信速度の高速化が最大の目標課題となるが、これに使用する可変光位相器にはとくに高速の応答性能が要求される。また、通信の品質を確保するためには信号のレベル低下を最小限に抑える必要があるが、そのためにはできるだけ低損失（低挿入損失）であることが要求される。また、計測分野での利用では、温度等の環境条件からの影響（擾乱）を受けにくいことも要求される。これらの要求は、上述した従来の可変光位相器では満たすことができなかった。
【００１０】
本発明は以上のような課題を解決するものであって、その目的は、光位相の連続可変と高速制御が可能であるとともに、温度等の環境条件からの影響を受けにくく、さらに、偏波無依存型への適応および自由空間型や光ファイバ型への適応がいずれも無理なく行える可変光位相器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は以下のような解決手段を提供する。
（１）前方から後方に向かって入射した入力光の位相を変化させ、その位相を変化させた光を出力光として出射する可変光位相器であって、
前記入力光を互いに直交する第１および第２の直線偏光に偏光分離する第１の偏光子が配置されているとともに、
前記分離した第１および第２の直線偏光が前記出力光として出射するまでの第１および第２の光路上に、第１および第２の四分の一波長板と、ファラデー回転子と、第３および第４の四分の一波長板と、第２の偏光子とがこの順に配置され、
前記第１および第２の四分の一波長板は、入力した直線偏光を円偏光に変換し、
前記ファラデー回転子は、入力した円偏光の偏光面を回転させ、
前記第３および第４の四分の一波長板は、それぞれに入力された円偏光を互いに直交する直線偏光に変換して出力し、
前記第２の偏光子は、入力された互いに直交する二つの直線偏光を偏光合成して前記出力光として出射し、
前記ファラデー回転子による回転角に応じて前記出力光の位相を変化させる、
ことを特徴とする可変光位相器。
【００１２】
（２）上記手段（１）において、前記第１の偏光子と前記第１および第２の四分の一波長板との間と、前記第３および第４の四分の一波長板と前記第２の偏光子との間のそれぞれに、前記第１と第２の偏光子のそれぞれにて発生する偏波モード分散を補償する複屈折結晶からなる補償素子が介在していることを特徴とする可変光位相器。
【００１３】
（３）上記手段（１）において、前記ファラデー回転子の後方に、前記第１および第２の光路を逆進させる反射鏡を備え、前記第１の偏光子が前記第２の偏光子を兼ね、前記第１の四分の一波長板が前記第３の四分の一波長板を兼ね、前記第２の四分の一波長板が前記第４の四分の一波長板を兼ねている、ことを特徴とする可変光位相器。
【００１４】
（４）上記手段（１）において、前記第３および第４の四分の一波長板の後方に、前記第１および第２の光路を逆進させる反射鏡を備え、
前記第３および第４の四分の一波長板は、逆進してきた互いに直交する直線偏光を円偏光に変換して前方に出射し、
前記第１及び第２の四分の一波長板は、逆進してきた円偏光を互いに直交する二つの直線偏光に変換して前方に出射し、
前記第１の偏光子は前記第２の偏光子を兼ねて、逆進してきた互いに直交する二つの直線偏光を偏光合成して前方に出力光として出射する、
ことを特徴とする可変光位相器。
【００１５】
（５）上記手段（３）または（４）において、前記第１の偏光子と第１および第２の四分の一波長板との間に、当該第１の偏光子にて発生する偏波モード分散を補償する複屈折素子からなる補償素子が介在していることを特徴とする可変光位相器。
【００１６】
（６）上記手段（１）または（２）に記載の可変光位相器の光入力側と光出力側のそれぞれに、光フィァバに光結合された光コリメータを配置し、この光コリメータを介して光ファイバを伝播する光の位相をファラデー回転子の回転角に応じて変化させることを特徴とする光フィァバ付き可変光位相器。
【００１７】
（７）上記手段（３）〜（５）のいずれかに記載の可変光位相器の前方に、第１の光ファイバに光結合された入力光コリメータと、第２の光ファイバに光結合された出力光コリメータとを配置し、
前記入力光コリメータは、第１の光ファイバを伝播してきた入力光を前記第１の偏光子に入光させ、
前記出力光コリメータは、前記第２の偏光子を兼ねる前記第１の偏光子で偏光合成された出力光を前記第２の光ファイバに伝播させる、
ことを特徴とする光フィァバ付き可変光位相器。
【００１８】
（８）上記手段（３）〜（５）のいずれかに記載の可変光位相器の前方に、入出力光ファイバに光結合された入出力光コリメータを配置し、当該入出力光ファイバを伝播してきた入力光を前記入出力光コリメータから前記第１の偏光子に入光させる一方、前記第２の偏光子を兼ねる当該第１の偏光子で偏光合成された出力光を前記入出力光コリメータを介して前記入出力光ファイバに伝播させることを特徴とする光フィァバ付き可変光位相器。
【発明の効果】
【００１９】
光位相の連続可変と高速制御が可能であるとともに、温度等の環境条件からの影響を受けにくく、さらに、偏波無依存型への適応および自由空間型や光ファイバ型への適応がいずれも無理なく行える可変光位相器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】第１の比較例に係る可変光位相器の要部を概念的に示す斜視図である。
【図２】第２の比較例に係る可変光位相器の要部を概念的に示す斜視図である。
【図３】本発明による可変光位相器の第１実施形態の要部を概念的に示す斜視図である。
【図４】本発明による可変光位相器の第２実施形態の要部を概念的に示す斜視図である。
【図５】本発明による可変光位相器の第３実施形態の要部を概念的に示す斜視図である。
【図６】本発明による可変光位相器の第４実施形態の要部を概念的に示す斜視図である。
【図７】本発明による可変光位相器の第５実施形態の要部を概念的に示す斜視図である。
【図８】本発明による可変光位相器の第６実施形態の要部を概念的に示す斜視図である。
【図９】本発明による可変光位相器の第７実施形態の要部を概念的に示す側面図である。
【図１０】本発明による可変光位相器の第８実施形態の要部を概念的に示す側面図である。
【図１１】本発明による可変光位相器の第９実施形態の要部を概念的に示す側面図である。
【図１２】本発明による可変光位相器の外観構成例を示す要部斜視図である。
【図１３】図１２の可変光位相器を配置した干渉計の光学構成を示す平面図である。
【図１４】図１３の干渉計において干渉パターンの変化状態を示す干渉パターン写真である。
【図１５】図１３の干渉計を用いて測定した可変光位相器の位相変化状態を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
＝＝＝第１比較形態＝＝＝
本発明の実施形態に係る可変光位相器に対する比較形態として、図１に、第１比較形態に係る可変光位相器を示した。同図の（ａ）と（ｂ）は共に同じ可変光位相器であって、位相制御状態だけが異なる。同図に示す可変光位相器は、第１および第２の２つの四分の一波長板１１，１２と、この２つの四分の一波長板１１と１２の間に介在するファラデー回転子２０によって構成されている。
【００２２】
前方から入射させられた入力光は、第１の四分の一波長板１１、ファラデー回転子２０、第２の四分の一波長板１２を順次透過した後、出力光として後方へ出射される。
【００２３】
この場合、入力光は直線偏光であって、第１の四分の一波長板１１は、その直線偏光の偏光方向に対して、光学軸が面内で４５度回転していることにより、その直線偏光を円偏光に変換する。この変換は可逆である。
【００２４】
ファラデー回転子２０は、第１の四分の一波長板１１にて直線偏光から変換された円偏光を、透過させる。このファラデー回転子２０はファラデー回転角が可変であって、たとえば同図の（ａ）と（ｂ）に示すように、ファラデー回転角を４５度＋０度から４５度＋９０度まで無段階で変化させることができ、円偏光が透過した場合は円偏光の位相を＋０度から＋９０度まで無段階で変化させることができる。この位相の変化は、ファラデー回転子を構成する磁気光学結晶への印加磁界の方向と強度によって操作することができ、その印加磁界は励磁コイルの通電電流によって制御することができる。
【００２５】
ファラデー回転子２０を透過した円偏光は、第２の四分の一波長板１２で直線偏光に変換され、出力光として後方へ出射される。このとき、ファラデー回転子２０にて偏光面の相対的な方向が制御された円偏光は、第２の四分の一波長板１２でその偏光面の方向に対応した位相で直線偏光に変換される。すなわち、たとえば同図の（ａ）と（ｂ）に示すように、ファラデー回転子２０のファラデー回転角を変化させることにより、円偏光から直線偏光に変換された出力光の位相を変化させることができる。たとえば、同図の（ａ）と（ｂ）とでは９０度の位相差が生じているが、この位相差はファラデー回転子２０の回転角に応じて連続的に変化する。
【００２６】
ここで注目すべきことは、出力光の位相変化は、ファラデー回転子２０でのファラデー回転角の変化によってもたらされることである。ファラデー回転子２０のファラデー回転角は、印加磁界の方向と強度によって連続的に可変させることができるが、その印加磁界の方向と強度は励磁コイルの通電電流によって任意の大きさに高速で可変制御することができる。
【００２７】
この第１比較形態では、光位相の連続可変と高速制御が可能であるとともに、温度等の環境条件からの影響を受けにくい可変光位相器を構成することができる。さらに、この可変光位相器は、導波路構造の電気光学結晶などを用いていないため、光ファイバとの屈折率差等によって生じる挿入損失を低く抑えることができる。このため、自由空間型と光ファイバ型のどちらの用途にも無理なく適応可能である。そして、本発明の実施形態に係る可変光位相器では、この第１比較形態の構成を基本としながら、さらに構成や構造を工夫することで、偏波無依存型にも適応できるようになっている。なお、偏波無依存型への適用については後述する。
【００２８】
可変光位相器の大きさについては、この第１実施形態の場合、全体を５ｍｍ×５ｍｍ×５ｍｍのサイズに無理なく収めることができた。これにより、自由空間型と光ファイバ型のどちらの用途においても、光回路の実装密度を高めこと、あるいは応用製品の小型化をはかることなどが可能になる。
【００２９】
＝＝＝第２比較形態＝＝＝
図２に、本発明の実施形態に係る可変光位相器に対する第２比較形態に係る可変光位相器を示した。同図に示す可変光位相器は、四分の一波長板１１と、ファラデー回転子２０と、反射鏡３０を用いて構成されている。
【００３０】
四分の一波長板１１は、入力光である直線偏光を円偏光に変換する。ファラデー回転子２０はファラデー回転角が可変であって、四分の一波長板１１にて直線偏光から変換された円偏光を、その位相を変化させながら透過させる。反射鏡３０は、ファラデー回転子２０を透過させられた円偏光を反射して光路を逆進させる。
【００３１】
反射鏡３０で反射された円偏光は、ファラデー回転子２０を逆方向に透過させられるが、その逆方向の透過でも位相が変化させられる。このようにしてファラデー回転子２０の往路と復路とで位相が変化させられた円偏光は、四分の一波長板１１を逆に透過させられることにより直線偏光に変換される。これにより、ファラデー回転子２０の往路と復路でのファラデー回転に応じて位相が変化させられた出力光が前方へ出射される。
【００３２】
この第２実施形態では、ファラデー回転子２０を透過した円偏光を反射鏡３０で反射してそのファラデー回転子２０に再度透過させることにより、ファラデー回転子２０の光路方向での厚みが実質的に２倍に増したのと同等の効果を得ることができる。これにより、ファラデー回転子２０の小型化（薄型化）が可能になる。
【００３３】
また、四分の一波長板１１は、順方向にて直線偏光を円偏光に変換する一方、逆方向では円偏光をその偏光面の回転方向に応じた位相の直線偏光に変換する。したがって、四分の一波長板１１の設置は１つだけでよく、これにより、部品点数の削減、低コスト化、および小型化が可能になる。
【００３４】
＝＝＝第１実施形態＝＝＝
本発明による可変光位相器の第１実施形態を図３に示す。上述した第１および第２比較形態との相違に着目すると、この第１実施形態の可変光位相器は、同図に示すように、入力光を直交する２つの直線偏光に偏光分離する第１の偏光子４１と、直交する２つの直線偏光を偏光合成する第１の偏光子４２を備える。これにより、偏波無依存型の可変光位相器が構成されている。
【００３５】
すなわち、同図に示す可変光位相器は、第１の偏光子４１、第１〜第４の四分の一波長板１１〜１４、ファラデー回転角が可変のファラデー回転子２０により構成されている。
【００３６】
第１の偏光子４１は、入力光を互いに直交する第１および第２の直線偏光に偏光分離する。第１および第２の四分の一波長板１１，１２は、第１の偏光子４１によって偏光分離された第１および第２の直線偏光をそれぞれ円偏光に変換する。
【００３７】
ファラデー回転子２０は、第１および第２の四分の一波長板１１，１２にてそれぞれに直線偏光から変換された第１および第２の円偏光をそれぞれその位相を変化させながら透過させる。第３および第４の四分の一波長板１３，１４は、ファラデー回転子２０を透過させられた第１および第２の円偏光をそれぞれ第３および第４の直線偏光に変換して出力する。
【００３８】
第２の偏光子４２は、第３および第４の四分の一波長板１３，１４によって変換された第３および第４の直線偏光を偏光合成する。この第２の偏光子４２にて偏光合成された出力光の位相が、上記ファラデー回転子の回転角に応じて変化させられる。
【００３９】
この第１実施形態の可変光位相器は、上述したように、偏光分離と偏光合成を行う偏光子４１，４２を備えることにより、偏波無依存型に構成されている。
【００４０】
＝＝＝第２実施形態＝＝＝
本発明による可変光位相器の第２実施形態を図４に示す。上述した第１実施形態との相違に着目すると、この第２実施形態では、同図に示すように、第１の偏光子４１の偏光分離出光路および第２の偏光子４２の偏光合成入光路にそれぞれ、偏光子４１，４２にて発生する偏波モード分散を、複屈折結晶を用いて補償する補償素子５１，５２を介在させてある。
【００４１】
偏波モード分散は偏光モード間で光波の群速度が異なることにより生じるが、複屈折によって偏光の分離／偏合成を行う偏光子４１，４２では、偏光モード（偏波成分軸方向）の違いによる光の伝播速度差によって偏波モード分散が生じる。この偏波モード分散は、光の伝播速度が遅い偏波成分軸である遅軸と、速い偏波成分軸である速軸に対し、上記遅軸には速軸、上記速軸には遅軸がそれぞれ配されるように設置された複屈折結晶板によって補償することができる。
【００４２】
この複屈折結晶板を用いた補償素子５１，５２を配置することにより、偏波モード分散を抑制した偏波無依存型の可変光位相器を構成することができる。
【００４３】
＝＝＝第３実施形態＝＝＝
本発明による可変光位相器の第３実施形態を図５に示す。上述した第１実施形態との相違に着目すると、この第３実施形態では、同図に示すように、このファラデー回転子２０を透過させられた第１および第２の円偏光をそれぞれ反射して光路を逆進させる反射鏡３０を備えている。
【００４４】
すなわち、この第３実施形態の可変光位相器は、入力光を互いに直交する第１および第２の直線偏光に偏光分離する偏光子４１と、偏光分離された第１および第２の直線偏光をそれぞれ円偏光に変換する第１および第２の四分の一波長板１１，１２と、直線偏光から変換された第１および第２の円偏光をそれぞれその位相を変化させながら透過させるファラデー回転角が可変のファラデー回転子２０と、このファラデー回転子２０を透過させられた第１および第２の円偏光をそれぞれ反射して光路を逆進させる反射鏡３０とにより構成され、上記偏光子４１を逆進して偏光合成された出力光の位相を、上記ファラデー回転子２０の回転角に応じて変化させる。
【００４５】
この第３実施形態の可変光位相器では、ファラデー回転子２０を透過した円偏光を反射鏡３０で反射してそのファラデー回転子２０に再度透過させることにより、ファラデー回転子２０の光路方向での厚みが実質的に２倍に増したのと同等の効果を得ることができる。これとともに、偏光子や四分の一波長板の数を減らして、部品点数の削減、低コスト化、および小型化が可能になる。
【００４６】
＝＝＝第４実施形態＝＝＝
本発明による可変光位相器の第４実施形態を図６に示す。同図に示すように、この第４実施形態の可変光位相器も、上記第３実施形態と同様、光路を逆進させる反射鏡３０を備えている。
【００４７】
この第４実施形態の可変光位相器は、入力光を互いに直交する第１および第２の直線偏光に偏光分離する偏光子４１と、上記第１および第２の直線偏光をそれぞれ第１および第２の円偏光に変換する第１および第２の四分の一波長板１１，１２と、上記第１および第２の円偏光をそれぞれその偏光面を回転させながら透過させるファラデー回転角が可変のファラデー回転子２０と、このファラデー回転子２０を透過させられた第１および第２の円偏光をそれぞれ第３および第４の直線偏光に変換する第３および第４の四分の一波長板１３，１４と、上記第４の直線偏光をそれぞれ反射して光路を逆進させる反射鏡３０を備え、上記偏光子４１を逆進して偏光合成された出力光の位相を、上記ファラデー回転子２０の回転角に応じて変化させる。
【００４８】
この第４実施形態の可変光位相器でも、ファラデー回転子２０に光を往復透過させることにより、ファラデー回転子２０の光路方向での厚みが実質的に２倍に増したのと同等の効果を得ることができる。
【００４９】
＝＝＝第５および第６実施形態＝＝＝
本発明による可変光位相器の第５および第６実施形態を図７および図８に示す。まず、図７に示す第５実施形態の可変光位相器は、図５に示した第３実施形態の可変光位相器において、偏光子４１と第１および第２の四分の一波長板１１，１２との間の光路に、偏光子４１にて発生する偏波モード分散を複屈折結晶を用いて補償する補償素子５１を介在させたものである。
【００５０】
また、図８に示す第６実施形態の可変光位相器は、上記第５実施形態と同様、図６に示した第４実施形態の可変光位相器において、偏光子４１と第１および第２の四分の一波長板１１，１２との間の光路に、偏光子４１にて発生する偏波モード分散を複屈折結晶を用いて補償する補償素子５１を介在させたものである。
【００５１】
＝＝＝第７実施形態＝＝＝
図９は、本発明による可変光位相器の第７実施形態を示す。同図に示す可変光位相器は、光入力側と光出力側にそれぞれ、光フィァバ６１，６４に光結合された光コリメータ６２，６３を配置し、この光コリメータ６２，６３を介して光ファイバ６１，６４を伝播する光の位相をファラデー回転子２０の回転角に応じて変化させるようにした光フィァバ付き可変光位相器である。
【００５２】
可変光位相器の本体部分は、第１の偏光子４１、偏波モード分散を複屈折結晶を用いて補償する第１の補償素子５１、第１および第２の四分の一波長板１１，１２、ファラデー回転角が可変のファラデー回転子２０、第３および第４の四分の一波長板１３，１４、第２の補償素子５２、第１の偏光子４２が順次配置されて構成されている。
【００５３】
この実施形態のように、本発明による可変光位相器は、自由空間型以外に、光ファイバ型に構成するのにも適している。
【００５４】
＝＝＝第８実施形態＝＝＝
図１０は、本発明による可変光位相器の第８実施形態を示す。同図に示す可変光位相器は、反射鏡３０で光路を逆進させる構造の可変光位相器において、偏光分離と合成を行う偏光子４１の前方に、それぞれに光ファイバ６１，６４に光結合された入力光コリメータ６２と出力光コリメータ６３を配置し、入力光コリメータ６２は光ファイバ６１を伝播してきた入力光を上記偏光子４１に入光させ、出力光コリメータ６３は上記偏光子４１で偏光合成された出力光を光ファイバ６４に伝播させる。
【００５５】
この実施形態によれば、入力光を伝播する光ファイバ６１と出力光を伝播する光ファイバ６４を共に同じ側に引き出すことができる。
【００５６】
＝＝＝第９実施形態＝＝＝
図１１は、本発明による可変光位相器の第９実施形態を示す。同図に示す可変光位相器は、反射鏡３０で光路を逆進させる構造の可変光位相器において、偏光分離と合成を行う偏光子４１の前方に、入出力光ファイバ６５に光結合された入出力光コリメータ６６を配置し、入出力光ファイバ６５を伝播してきた入力光を上記入出力光コリメータ６６から上記偏光子に入光させる一方、上記偏光子４１で偏光合成された出力光を上記入出力光コリメータ６６を介して上記入出力光ファイバ６５に伝播させる。つまり、入力光と出力光は共に同じ光ファイバ６５と光コリメータ６６を伝播させられる。
【００５７】
この実施形態によれば、入力光と出力光を同じ光ファイバ６５と光コリメータ６６で伝播させることにより、部品点数を少なくすることができるとともに、光回路の実装密度を高めることができるという利点が得られる。この場合、同一の光ファイバ６５を伝播する入力光と出力光は、その進行方向が逆であることから、たとえば光サーキュレータ等によって簡単に分離あるいは弁別することができる。
【００５８】
＝＝＝可変光位相器の使用例＝＝＝
図１２は、本発明による可変光位相器の外観構成例を示す。同図に示す可変光位相器は、ファラデー回転子２０の両面に四分の一波長板１１，１２が配置されている。四分の一波長板１１と１２はその光学軸が互いに４５度回転していて、ファラデー回転子２０の入光側では直線偏光を円偏光に変換し、出光側では円偏光を直線偏光に変換する。
【００５９】
ファラデー回転子２０は、ファラデー回転材料として液相エピタキシャル法で育成したビスマス置換磁性ガーネット単結晶膜を用いて構成され、透過光に対し、永久磁石２１と励磁コイル（電磁石）２２によって発生される磁界に応じたファラデー回転を生じさせる。したがって、そのファラデー回転角は励磁コイル２２への通電電流によって可変制御することができる。
【００６０】
励磁コイル２２への通電は可変定電流源２３によって行われるが、その通電電流は位相制御信号により可変制御（変調制御）される。
【００６１】
図１３は、図１２の可変光位相器１０１を配置した干渉計の光学構成を示す。この干渉計はマッハ・ツェンダ干渉計であって、入力光コリメータ１１１から導入される入力光を、対物レンズ１１２、偏光子１１６、収束レンズ１１３を介して第１のハーフミラー（ビームスプリッタ）１１７に入射させ、２方向に分岐させる。
【００６２】
第１のハーフミラー１１７の一方の分岐光は、固定ミラー１１９で方向転換された後、上記可変光位相器１０１を通って第２のハーフミラー１１８に入射される。第１のハーフミラー１１７の他方の分岐光は、可動ミラー１２０で方向転換された後、上記第２のハーフミラー１１８に入射される。
【００６３】
第２のハーフミラー１１８は、別々の光路を進行させられた２つの分岐光を合成する。この合成により、２つの分岐光の位相差による干渉が生じるが、この干渉の状態は、レンズ１１４，１１５を介して、撮像装置１２１により撮像される。
【００６４】
可動ミラー１２０は、その反射角度が微調整可能であって、上記干渉の状態が縞模様の干渉パターンとして顕著に現れるよう、その反射角度が微調整される。
【００６５】
図１４は、上記撮像装置１２１により撮像された干渉パターンを示す。この干渉パターンの模様は、同図に示すように、上記可変光位相器１０１の励磁コイル２２への通電電流（コイル電流）によって変化する。
【００６６】
ここで、上記光コリメータ１１１から波長１．５５μｍの光を入射させてファラデー回転角を測定したところ、ファラデー回転角はコイル電流に応じて直線的に増加し、これにともない、位相もそのコイル電流に応じて直線的に変化させることができた。
【００６７】
図１５は、図１２に示した可変光位相器１０１の位相シフト量とコイル電流の関係を示す特性グラフであるが、同図に示すように、可変光位相器１０１の位相はコイル電流に応じて直線的に変化させられるとともに、±７０ｍＡのコイル電流変化に対して±４０度の位相シフトを行わせることができた。
【００６８】
＝＝＝他の実施形態について＝＝＝
本発明で使用する四分の一波長板は、直線偏光と円偏光の変換を行うものであれば、その四分の一波長板は｛（λ／４）×（２ｎ＋１），［ｎ＝０，１，２，・・・］｝波長板が使用可能である。つまり、波長の次数（ｎ）は任意である。
【００６９】
また、本発明で使用するファラデー回転子は、可変のファラデー回転角を与えるものであればよく、そのためにはたとえば、ファラデー回転を生じさせる磁界の発生源として、電磁石と永久磁石の組み合わせ以外に、電磁石だけを用いるものでもよい。
【符号の説明】
【００７０】
１１〜１４ 四分の一波長板
２０ ファラデー回転子
３０ 反射鏡
４１，４２ 偏光子
５１，５２ 偏波モード分散補償素子
６１，６４，６５ 光フィァバ
６２，６３，６６ 光コリメータ
２１ 永久磁石
２２ 励磁コイル（電磁石）
２３ 可変定電流源
１０１ 可変光位相器
１１１ 入力光コリメータ
１１２〜１１５ レンズ
１１６ 偏光子
１１７，１１８ ハーフミラー
１１９ 固定ミラー
１２０ 可動ミラー
１２１ 撮像装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバや自由空間を伝播する光の位相を変化させる可変光位相器（光学位相シフタ）に関し、たとえば光通信や光測定に用いて有効なものに関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば、光通信では、情報を伝送するための変調方式として、情報を振幅に乗せるＡＳＫ（Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｓｈｉｆｔ ｋｅｙｉｎｇ）、周波数に乗せるＦＳＫ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｈｉｆｔ ｋｅｙｉｎｇ）、位相に乗せるＰＳＫ（Ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔ ｋｅｙｉｎｇ）などがある。
【０００３】
これらの変調方式は電気通信の技術として開発されたものであるが、近年は、光通信に応用されるようになってきた。その中でもとくに、位相に情報を乗せる位相変調方式は、通信の高速化（ワイドバンド化）に適した変調方式として有望視されている。
【０００４】
位相変調では、位相を変化させる位相変調器や位相の変化を検出する復調器が使用される。また、光通信や光測定では、光スイッチや光減衰器などの光デバイスが使用されるが、これらはマッハ・ツェンダ型干渉計などに位相シフタを組み合わせて構成されるものもある。
【０００５】
たとえば、特許文献１には、マッハ・ツェンダ干渉計と位相シフタを用いた差分４位相偏移変調の技術が開示されている。また、非特許文献１には、位相制御素子を用いて光アッテネータや光スイッチなどの光制御デバイスを構成する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２００４−５１６７４３号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】林智幸，定行勝，市川智徳，原田智也，袴田和喜，安間康弘： 「イオン交換型可変光アッテネータの開発」２００１年電子情報通信学会総合大会、 Ｃ−３−１１７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来、光の位相を制御する可変光位相器としては、導波路構造を用いた熱光学位相シフタ、導波路構造の電気光学結晶を用いた電気光学位相シフタ、液晶を用いた液晶光学位相シフタが知られている。しかし、熱光学位相シフタの場合、熱光学効果を利用しているため、応答速度が遅い、雰囲気温度の影響を受けやすいなどの課題があった。電気光学位相シフタの場合、電気光学結晶と光ファイバの屈折率差が大きいため、損失（とくに挿入損失）が大きくなるという課題があった。液晶光学位相シフタの場合は、液晶を利用しているため、応答速度が遅いことが課題となる。
【０００９】
光通信では通信速度の高速化が最大の目標課題となるが、これに使用する可変光位相器にはとくに高速の応答性能が要求される。また、通信の品質を確保するためには信号のレベル低下を最小限に抑える必要があるが、そのためにはできるだけ低損失（低挿入損失）であることが要求される。また、計測分野での利用では、温度等の環境条件からの影響（擾乱）を受けにくいことも要求される。これらの要求は、上述した従来の可変光位相器では満たすことができなかった。
【００１０】
本発明は以上のような課題を解決するものであって、その目的は、光位相の連続可変と高速制御が可能であるとともに、温度等の環境条件からの影響を受けにくく、さらに、偏波無依存型への適応および自由空間型や光ファイバ型への適応がいずれも無理なく行える可変光位相器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は以下のような解決手段を提供する。
（１）前方から後方に向かって入射した入力光の位相を変化させ、その位相を変化させた光を出力光として出射する可変光位相器であって、
前記入力光を互いに直交する第１および第２の直線偏光に偏光分離する第１の偏光子が配置されているとともに、
前記分離した第１および第２の直線偏光が前記出力光として出射するまでの第１および第２の光路上に、第１および第２の四分の一波長板と、ファラデー回転子と、第３および第４の四分の一波長板と、第２の偏光子とがこの順に配置され、
前記第１および第２の四分の一波長板は、入力した直線偏光を円偏光に変換し、
前記ファラデー回転子は、入力した円偏光の偏光面を回転させ、
前記第３および第４の四分の一波長板は、それぞれに入力された円偏光を互いに直交する直線偏光に変換して出力し、
前記第２の偏光子は、入力された互いに直交する二つの直線偏光を偏光合成して前記出力光として出射し、
前記ファラデー回転子による回転角に応じて前記出力光の位相を変化させる、
ことを特徴とする可変光位相器。
【００１２】
（２）上記手段（１）において、前記第１の偏光子と前記第１および第２の四分の一波長板との間と、前記第３および第４の四分の一波長板と前記第２の偏光子との間のそれぞれに、前記第１と第２の偏光子のそれぞれにて発生する偏波モード分散を補償する複屈折結晶からなる補償素子が介在していることを特徴とする可変光位相器。
【００１３】
（３）上記手段（１）において、前記ファラデー回転子の後方に、前記第１および第２の光路を逆進させる反射鏡を備え、前記第１の偏光子が前記第２の偏光子を兼ね、前記第１の四分の一波長板が前記第３の四分の一波長板を兼ね、前記第２の四分の一波長板が前記第４の四分の一波長板を兼ねている、ことを特徴とする可変光位相器。
【００１４】
（４）上記手段（１）において、前記第３および第４の四分の一波長板の後方に、前記第１および第２の光路を逆進させる反射鏡を備え、
前記第３および第４の四分の一波長板は、逆進してきた互いに直交する直線偏光を円偏光に変換して前方に出射し、
前記第１及び第２の四分の一波長板は、逆進してきた円偏光を互いに直交する二つの直線偏光に変換して前方に出射し、
前記第１の偏光子は前記第２の偏光子を兼ねて、逆進してきた互いに直交する二つの直線偏光を偏光合成して前方に出力光として出射する、
ことを特徴とする可変光位相器。
【００１５】
（５）上記手段（３）または（４）において、前記第１の偏光子と第１および第２の四分の一波長板との間に、当該第１の偏光子にて発生する偏波モード分散を補償する複屈折素子からなる補償素子が介在していることを特徴とする可変光位相器。
【００１６】
（６）上記手段（１）または（２）に記載の可変光位相器の光入力側と光出力側のそれぞれに、光フィァバに光結合された光コリメータを配置し、この光コリメータを介して光ファイバを伝播する光の位相をファラデー回転子の回転角に応じて変化させることを特徴とする光フィァバ付き可変光位相器。
【００１７】
（７）上記手段（３）〜（５）のいずれかに記載の可変光位相器の前方に、第１の光ファイバに光結合された入力光コリメータと、第２の光ファイバに光結合された出力光コリメータとを配置し、
前記入力光コリメータは、第１の光ファイバを伝播してきた入力光を前記第１の偏光子に入光させ、
前記出力光コリメータは、前記第２の偏光子を兼ねる前記第１の偏光子で偏光合成された出力光を前記第２の光ファイバに伝播させる、
ことを特徴とする光フィァバ付き可変光位相器。
【００１８】
（８）上記手段（３）〜（５）のいずれかに記載の可変光位相器の前方に、入出力光ファイバに光結合された入出力光コリメータを配置し、当該入出力光ファイバを伝播してきた入力光を前記入出力光コリメータから前記第１の偏光子に入光させる一方、前記第２の偏光子を兼ねる当該第１の偏光子で偏光合成された出力光を前記入出力光コリメータを介して前記入出力光ファイバに伝播させることを特徴とする光フィァバ付き可変光位相器。
【発明の効果】
【００１９】
光位相の連続可変と高速制御が可能であるとともに、温度等の環境条件からの影響を受けにくく、さらに、偏波無依存型への適応および自由空間型や光ファイバ型への適応がいずれも無理なく行える可変光位相器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】第１の比較例に係る可変光位相器の要部を概念的に示す斜視図である。
【図２】第２の比較例に係る可変光位相器の要部を概念的に示す斜視図である。
【図３】本発明による可変光位相器の第１実施形態の要部を概念的に示す斜視図である。
【図４】本発明による可変光位相器の第２実施形態の要部を概念的に示す斜視図である。
【図５】本発明による可変光位相器の第３実施形態の要部を概念的に示す斜視図である。
【図６】本発明による可変光位相器の第４実施形態の要部を概念的に示す斜視図である。
【図７】本発明による可変光位相器の第５実施形態の要部を概念的に示す斜視図である。
【図８】本発明による可変光位相器の第６実施形態の要部を概念的に示す斜視図である。
【図９】本発明による可変光位相器の第７実施形態の要部を概念的に示す側面図である。
【図１０】本発明による可変光位相器の第８実施形態の要部を概念的に示す側面図である。
【図１１】本発明による可変光位相器の第９実施形態の要部を概念的に示す側面図である。
【図１２】本発明による可変光位相器の外観構成例を示す要部斜視図である。
【図１３】図１２の可変光位相器を配置した干渉計の光学構成を示す平面図である。
【図１４】図１３の干渉計において干渉パターンの変化状態を示す干渉パターン写真である。
【図１５】図１３の干渉計を用いて測定した可変光位相器の位相変化状態を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
＝＝＝第１比較形態＝＝＝
本発明の実施形態に係る可変光位相器に対する比較形態として、図１に、第１比較形態に係る可変光位相器を示した。同図の（ａ）と（ｂ）は共に同じ可変光位相器であって、位相制御状態だけが異なる。同図に示す可変光位相器は、第１および第２の２つの四分の一波長板１１，１２と、この２つの四分の一波長板１１と１２の間に介在するファラデー回転子２０によって構成されている。
【００２２】
前方から入射させられた入力光は、第１の四分の一波長板１１、ファラデー回転子２０、第２の四分の一波長板１２を順次透過した後、出力光として後方へ出射される。
【００２３】
この場合、入力光は直線偏光であって、第１の四分の一波長板１１は、その直線偏光の偏光方向に対して、光学軸が面内で４５度回転していることにより、その直線偏光を円偏光に変換する。この変換は可逆である。
【００２４】
ファラデー回転子２０は、第１の四分の一波長板１１にて直線偏光から変換された円偏光を、透過させる。このファラデー回転子２０はファラデー回転角が可変であって、たとえば同図の（ａ）と（ｂ）に示すように、ファラデー回転角を４５度＋０度から４５度＋９０度まで無段階で変化させることができ、円偏光が透過した場合は円偏光の位相を＋０度から＋９０度まで無段階で変化させることができる。この位相の変化は、ファラデー回転子を構成する磁気光学結晶への印加磁界の方向と強度によって操作することができ、その印加磁界は励磁コイルの通電電流によって制御することができる。
【００２５】
ファラデー回転子２０を透過した円偏光は、第２の四分の一波長板１２で直線偏光に変換され、出力光として後方へ出射される。このとき、ファラデー回転子２０にて偏光面の相対的な方向が制御された円偏光は、第２の四分の一波長板１２でその偏光面の方向に対応した位相で直線偏光に変換される。すなわち、たとえば同図の（ａ）と（ｂ）に示すように、ファラデー回転子２０のファラデー回転角を変化させることにより、円偏光から直線偏光に変換された出力光の位相を変化させることができる。たとえば、同図の（ａ）と（ｂ）とでは９０度の位相差が生じているが、この位相差はファラデー回転子２０の回転角に応じて連続的に変化する。
【００２６】
ここで注目すべきことは、出力光の位相変化は、ファラデー回転子２０でのファラデー回転角の変化によってもたらされることである。ファラデー回転子２０のファラデー回転角は、印加磁界の方向と強度によって連続的に可変させることができるが、その印加磁界の方向と強度は励磁コイルの通電電流によって任意の大きさに高速で可変制御することができる。
【００２７】
この第１比較形態では、光位相の連続可変と高速制御が可能であるとともに、温度等の環境条件からの影響を受けにくい可変光位相器を構成することができる。さらに、この可変光位相器は、導波路構造の電気光学結晶などを用いていないため、光ファイバとの屈折率差等によって生じる挿入損失を低く抑えることができる。このため、自由空間型と光ファイバ型のどちらの用途にも無理なく適応可能である。そして、本発明の実施形態に係る可変光位相器では、この第１比較形態の構成を基本としながら、さらに構成や構造を工夫することで、偏波無依存型にも適応できるようになっている。なお、偏波無依存型への適用については後述する。
【００２８】
可変光位相器の大きさについては、この第１実施形態の場合、全体を５ｍｍ×５ｍｍ×５ｍｍのサイズに無理なく収めることができた。これにより、自由空間型と光ファイバ型のどちらの用途においても、光回路の実装密度を高めこと、あるいは応用製品の小型化をはかることなどが可能になる。
【００２９】
＝＝＝第２比較形態＝＝＝
図２に、本発明の実施形態に係る可変光位相器に対する第２比較形態に係る可変光位相器を示した。同図に示す可変光位相器は、四分の一波長板１１と、ファラデー回転子２０と、反射鏡３０を用いて構成されている。
【００３０】
四分の一波長板１１は、入力光である直線偏光を円偏光に変換する。ファラデー回転子２０はファラデー回転角が可変であって、四分の一波長板１１にて直線偏光から変換された円偏光を、その位相を変化させながら透過させる。反射鏡３０は、ファラデー回転子２０を透過させられた円偏光を反射して光路を逆進させる。
【００３１】
反射鏡３０で反射された円偏光は、ファラデー回転子２０を逆方向に透過させられるが、その逆方向の透過でも位相が変化させられる。このようにしてファラデー回転子２０の往路と復路とで位相が変化させられた円偏光は、四分の一波長板１１を逆に透過させられることにより直線偏光に変換される。これにより、ファラデー回転子２０の往路と復路でのファラデー回転に応じて位相が変化させられた出力光が前方へ出射される。
【００３２】
この第２実施形態では、ファラデー回転子２０を透過した円偏光を反射鏡３０で反射してそのファラデー回転子２０に再度透過させることにより、ファラデー回転子２０の光路方向での厚みが実質的に２倍に増したのと同等の効果を得ることができる。これにより、ファラデー回転子２０の小型化（薄型化）が可能になる。
【００３３】
また、四分の一波長板１１は、順方向にて直線偏光を円偏光に変換する一方、逆方向では円偏光をその偏光面の回転方向に応じた位相の直線偏光に変換する。したがって、四分の一波長板１１の設置は１つだけでよく、これにより、部品点数の削減、低コスト化、および小型化が可能になる。
【００３４】
＝＝＝第１実施形態＝＝＝
本発明による可変光位相器の第１実施形態を図３に示す。上述した第１および第２比較形態との相違に着目すると、この第１実施形態の可変光位相器は、同図に示すように、入力光を直交する２つの直線偏光に偏光分離する第１の偏光子４１と、直交する２つの直線偏光を偏光合成する第１の偏光子４２を備える。これにより、偏波無依存型の可変光位相器が構成されている。
【００３５】
すなわち、同図に示す可変光位相器は、第１の偏光子４１、第１〜第４の四分の一波長板１１〜１４、ファラデー回転角が可変のファラデー回転子２０により構成されている。
【００３６】
第１の偏光子４１は、入力光を互いに直交する第１および第２の直線偏光に偏光分離する。第１および第２の四分の一波長板１１，１２は、第１の偏光子４１によって偏光分離された第１および第２の直線偏光をそれぞれ円偏光に変換する。
【００３７】
ファラデー回転子２０は、第１および第２の四分の一波長板１１，１２にてそれぞれに直線偏光から変換された第１および第２の円偏光をそれぞれその位相を変化させながら透過させる。第３および第４の四分の一波長板１３，１４は、ファラデー回転子２０を透過させられた第１および第２の円偏光をそれぞれ第３および第４の直線偏光に変換して出力する。
【００３８】
第２の偏光子４２は、第３および第４の四分の一波長板１３，１４によって変換された第３および第４の直線偏光を偏光合成する。この第２の偏光子４２にて偏光合成された出力光の位相が、上記ファラデー回転子の回転角に応じて変化させられる。
【００３９】
この第１実施形態の可変光位相器は、上述したように、偏光分離と偏光合成を行う偏光子４１，４２を備えることにより、偏波無依存型に構成されている。
【００４０】
＝＝＝第２実施形態＝＝＝
本発明による可変光位相器の第２実施形態を図４に示す。上述した第１実施形態との相違に着目すると、この第２実施形態では、同図に示すように、第１の偏光子４１の偏光分離出光路および第２の偏光子４２の偏光合成入光路にそれぞれ、偏光子４１，４２にて発生する偏波モード分散を、複屈折結晶を用いて補償する補償素子５１，５２を介在させてある。
【００４１】
偏波モード分散は偏光モード間で光波の群速度が異なることにより生じるが、複屈折によって偏光の分離／偏合成を行う偏光子４１，４２では、偏光モード（偏波成分軸方向）の違いによる光の伝播速度差によって偏波モード分散が生じる。この偏波モード分散は、光の伝播速度が遅い偏波成分軸である遅軸と、速い偏波成分軸である速軸に対し、上記遅軸には速軸、上記速軸には遅軸がそれぞれ配されるように設置された複屈折結晶板によって補償することができる。
【００４２】
この複屈折結晶板を用いた補償素子５１，５２を配置することにより、偏波モード分散を抑制した偏波無依存型の可変光位相器を構成することができる。
【００４３】
＝＝＝第３実施形態＝＝＝
本発明による可変光位相器の第３実施形態を図５に示す。上述した第１実施形態との相違に着目すると、この第３実施形態では、同図に示すように、このファラデー回転子２０を透過させられた第１および第２の円偏光をそれぞれ反射して光路を逆進させる反射鏡３０を備えている。
【００４４】
すなわち、この第３実施形態の可変光位相器は、入力光を互いに直交する第１および第２の直線偏光に偏光分離する偏光子４１と、偏光分離された第１および第２の直線偏光をそれぞれ円偏光に変換する第１および第２の四分の一波長板１１，１２と、直線偏光から変換された第１および第２の円偏光をそれぞれその位相を変化させながら透過させるファラデー回転角が可変のファラデー回転子２０と、このファラデー回転子２０を透過させられた第１および第２の円偏光をそれぞれ反射して光路を逆進させる反射鏡３０とにより構成され、上記偏光子４１を逆進して偏光合成された出力光の位相を、上記ファラデー回転子２０の回転角に応じて変化させる。
【００４５】
この第３実施形態の可変光位相器では、ファラデー回転子２０を透過した円偏光を反射鏡３０で反射してそのファラデー回転子２０に再度透過させることにより、ファラデー回転子２０の光路方向での厚みが実質的に２倍に増したのと同等の効果を得ることができる。これとともに、偏光子や四分の一波長板の数を減らして、部品点数の削減、低コスト化、および小型化が可能になる。
【００４６】
＝＝＝第４実施形態＝＝＝
本発明による可変光位相器の第４実施形態を図６に示す。同図に示すように、この第４実施形態の可変光位相器も、上記第３実施形態と同様、光路を逆進させる反射鏡３０を備えている。
【００４７】
この第４実施形態の可変光位相器は、入力光を互いに直交する第１および第２の直線偏光に偏光分離する偏光子４１と、上記第１および第２の直線偏光をそれぞれ第１および第２の円偏光に変換する第１および第２の四分の一波長板１１，１２と、上記第１および第２の円偏光をそれぞれその偏光面を回転させながら透過させるファラデー回転角が可変のファラデー回転子２０と、このファラデー回転子２０を透過させられた第１および第２の円偏光をそれぞれ第３および第４の直線偏光に変換する第３および第４の四分の一波長板１３，１４と、上記第４の直線偏光をそれぞれ反射して光路を逆進させる反射鏡３０を備え、上記偏光子４１を逆進して偏光合成された出力光の位相を、上記ファラデー回転子２０の回転角に応じて変化させる。
【００４８】
この第４実施形態の可変光位相器でも、ファラデー回転子２０に光を往復透過させることにより、ファラデー回転子２０の光路方向での厚みが実質的に２倍に増したのと同等の効果を得ることができる。
【００４９】
＝＝＝第５および第６実施形態＝＝＝
本発明による可変光位相器の第５および第６実施形態を図７および図８に示す。まず、図７に示す第５実施形態の可変光位相器は、図５に示した第３実施形態の可変光位相器において、偏光子４１と第１および第２の四分の一波長板１１，１２との間の光路に、偏光子４１にて発生する偏波モード分散を複屈折結晶を用いて補償する補償素子５１を介在させたものである。
【００５０】
また、図８に示す第６実施形態の可変光位相器は、上記第５実施形態と同様、図６に示した第４実施形態の可変光位相器において、偏光子４１と第１および第２の四分の一波長板１１，１２との間の光路に、偏光子４１にて発生する偏波モード分散を複屈折結晶を用いて補償する補償素子５１を介在させたものである。
【００５１】
＝＝＝第７実施形態＝＝＝
図９は、本発明による可変光位相器の第７実施形態を示す。同図に示す可変光位相器は、光入力側と光出力側にそれぞれ、光フィァバ６１，６４に光結合された光コリメータ６２，６３を配置し、この光コリメータ６２，６３を介して光ファイバ６１，６４を伝播する光の位相をファラデー回転子２０の回転角に応じて変化させるようにした光フィァバ付き可変光位相器である。
【００５２】
可変光位相器の本体部分は、第１の偏光子４１、偏波モード分散を複屈折結晶を用いて補償する第１の補償素子５１、第１および第２の四分の一波長板１１，１２、ファラデー回転角が可変のファラデー回転子２０、第３および第４の四分の一波長板１３，１４、第２の補償素子５２、第１の偏光子４２が順次配置されて構成されている。
【００５３】
この実施形態のように、本発明による可変光位相器は、自由空間型以外に、光ファイバ型に構成するのにも適している。
【００５４】
＝＝＝第８実施形態＝＝＝
図１０は、本発明による可変光位相器の第８実施形態を示す。同図に示す可変光位相器は、反射鏡３０で光路を逆進させる構造の可変光位相器において、偏光分離と合成を行う偏光子４１の前方に、それぞれに光ファイバ６１，６４に光結合された入力光コリメータ６２と出力光コリメータ６３を配置し、入力光コリメータ６２は光ファイバ６１を伝播してきた入力光を上記偏光子４１に入光させ、出力光コリメータ６３は上記偏光子４１で偏光合成された出力光を光ファイバ６４に伝播させる。
【００５５】
この実施形態によれば、入力光を伝播する光ファイバ６１と出力光を伝播する光ファイバ６４を共に同じ側に引き出すことができる。
【００５６】
＝＝＝第９実施形態＝＝＝
図１１は、本発明による可変光位相器の第９実施形態を示す。同図に示す可変光位相器は、反射鏡３０で光路を逆進させる構造の可変光位相器において、偏光分離と合成を行う偏光子４１の前方に、入出力光ファイバ６５に光結合された入出力光コリメータ６６を配置し、入出力光ファイバ６５を伝播してきた入力光を上記入出力光コリメータ６６から上記偏光子に入光させる一方、上記偏光子４１で偏光合成された出力光を上記入出力光コリメータ６６を介して上記入出力光ファイバ６５に伝播させる。つまり、入力光と出力光は共に同じ光ファイバ６５と光コリメータ６６を伝播させられる。
【００５７】
この実施形態によれば、入力光と出力光を同じ光ファイバ６５と光コリメータ６６で伝播させることにより、部品点数を少なくすることができるとともに、光回路の実装密度を高めることができるという利点が得られる。この場合、同一の光ファイバ６５を伝播する入力光と出力光は、その進行方向が逆であることから、たとえば光サーキュレータ等によって簡単に分離あるいは弁別することができる。
【００５８】
＝＝＝可変光位相器の使用例＝＝＝
図１２は、本発明による可変光位相器の外観構成例を示す。同図に示す可変光位相器は、ファラデー回転子２０の両面に四分の一波長板１１，１２が配置されている。四分の一波長板１１と１２はその光学軸が互いに４５度回転していて、ファラデー回転子２０の入光側では直線偏光を円偏光に変換し、出光側では円偏光を直線偏光に変換する。
【００５９】
ファラデー回転子２０は、ファラデー回転材料として液相エピタキシャル法で育成したビスマス置換磁性ガーネット単結晶膜を用いて構成され、透過光に対し、永久磁石２１と励磁コイル（電磁石）２２によって発生される磁界に応じたファラデー回転を生じさせる。したがって、そのファラデー回転角は励磁コイル２２への通電電流によって可変制御することができる。
【００６０】
励磁コイル２２への通電は可変定電流源２３によって行われるが、その通電電流は位相制御信号により可変制御（変調制御）される。
【００６１】
図１３は、図１２の可変光位相器１０１を配置した干渉計の光学構成を示す。この干渉計はマッハ・ツェンダ干渉計であって、入力光コリメータ１１１から導入される入力光を、対物レンズ１１２、偏光子１１６、収束レンズ１１３を介して第１のハーフミラー（ビームスプリッタ）１１７に入射させ、２方向に分岐させる。
【００６２】
第１のハーフミラー１１７の一方の分岐光は、固定ミラー１１９で方向転換された後、上記可変光位相器１０１を通って第２のハーフミラー１１８に入射される。第１のハーフミラー１１７の他方の分岐光は、可動ミラー１２０で方向転換された後、上記第２のハーフミラー１１８に入射される。
【００６３】
第２のハーフミラー１１８は、別々の光路を進行させられた２つの分岐光を合成する。この合成により、２つの分岐光の位相差による干渉が生じるが、この干渉の状態は、レンズ１１４，１１５を介して、撮像装置１２１により撮像される。
【００６４】
可動ミラー１２０は、その反射角度が微調整可能であって、上記干渉の状態が縞模様の干渉パターンとして顕著に現れるよう、その反射角度が微調整される。
【００６５】
図１４は、上記撮像装置１２１により撮像された干渉パターンを示す。この干渉パターンの模様は、同図に示すように、上記可変光位相器１０１の励磁コイル２２への通電電流（コイル電流）によって変化する。
【００６６】
ここで、上記光コリメータ１１１から波長１．５５μｍの光を入射させてファラデー回転角を測定したところ、ファラデー回転角はコイル電流に応じて直線的に増加し、これにともない、位相もそのコイル電流に応じて直線的に変化させることができた。
【００６７】
図１５は、図１２に示した可変光位相器１０１の位相シフト量とコイル電流の関係を示す特性グラフであるが、同図に示すように、可変光位相器１０１の位相はコイル電流に応じて直線的に変化させられるとともに、±７０ｍＡのコイル電流変化に対して±４０度の位相シフトを行わせることができた。
【００６８】
＝＝＝他の実施形態について＝＝＝
本発明で使用する四分の一波長板は、直線偏光と円偏光の変換を行うものであれば、その四分の一波長板は｛（λ／４）×（２ｎ＋１），［ｎ＝０，１，２，・・・］｝波長板が使用可能である。つまり、波長の次数（ｎ）は任意である。
【００６９】
また、本発明で使用するファラデー回転子は、可変のファラデー回転角を与えるものであればよく、そのためにはたとえば、ファラデー回転を生じさせる磁界の発生源として、電磁石と永久磁石の組み合わせ以外に、電磁石だけを用いるものでもよい。
【符号の説明】
【００７０】
１１〜１４ 四分の一波長板
２０ ファラデー回転子
３０ 反射鏡
４１，４２ 偏光子
５１，５２ 偏波モード分散補償素子
６１，６４，６５ 光フィァバ
６２，６３，６６ 光コリメータ
２１ 永久磁石
２２ 励磁コイル（電磁石）
２３ 可変定電流源
１０１ 可変光位相器
１１１ 入力光コリメータ
１１２〜１１５ レンズ
１１６ 偏光子
１１７，１１８ ハーフミラー
１１９ 固定ミラー
１２０ 可動ミラー
１２１ 撮像装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
前方から後方に向かって入射した入力光の位相を変化させ、その位相を変化させた光を出力光として出射する可変光位相器であって、
前記入力光を互いに直交する第１および第２の直線偏光に偏光分離する第１の偏光子が配置されているとともに、
前記分離した第１および第２の直線偏光が前記出力光として出射するまでの第１および第２の光路上に、第１および第２の四分の一波長板と、ファラデー回転子と、第３および第４の四分の一波長板と、第２の偏光子とがこの順に配置され、
前記第１および第２の四分の一波長板は、入力した直線偏光を円偏光に変換し、
前記ファラデー回転子は、入力した円偏光の偏光面を回転させ、
前記第３および第４の四分の一波長板は、それぞれに入力された円偏光を互いに直交する直線偏光に変換して出力し、
前記第２の偏光子は、入力された互いに直交する二つの直線偏光を偏光合成して前記出力光として出射し、
前記ファラデー回転子による回転角に応じて前記出力光の位相を変化させる、
ことを特徴とする可変光位相器。
【請求項２】
請求項１において、前記第１の偏光子と前記第１および第２の四分の一波長板との間と、前記第３および第４の四分の一波長板と前記第２の偏光子との間のそれぞれに、前記第１と第２の偏光子のそれぞれにて発生する偏波モード分散を補償する複屈折結晶からなる補償素子が介在していることを特徴とする可変光位相器。
【請求項３】
請求項１において、前記ファラデー回転子の後方に、前記第１および第２の光路を逆進させる反射鏡を備え、前記第１の偏光子が前記第２の偏光子を兼ね、前記第１の四分の一波長板が前記第３の四分の一波長板を兼ね、前記第２の四分の一波長板が前記第４の四分の一波長板を兼ねている、ことを特徴とする可変光位相器。
【請求項４】
請求項１において、前記第３および第４の四分の一波長板の後方に、前記第１および第２の光路を逆進させる反射鏡を備え、
前記第３および第４の四分の一波長板は、逆進してきた互いに直交する直線偏光を円偏光に変換して前方に出射し、
前記第１及び第２の四分の一波長板は、逆進してきた円偏光を互いに直交する二つの直線偏光に変換して前方に出射し、
前記第１の偏光子は前記第２の偏光子を兼ねて、逆進してきた互いに直交する二つの直線偏光を偏光合成して前方に出力光として出射する、
ことを特徴とする可変光位相器。
【請求項５】
請求項３または４において、前記第１の偏光子と第１および第２の四分の一波長板との間に、当該第１の偏光子にて発生する偏波モード分散を補償する複屈折素子からなる補償素子が介在していることを特徴とする可変光位相器。
【請求項６】
請求項１または２に記載の可変光位相器の光入力側と光出力側のそれぞれに、光フィァバに光結合された光コリメータを配置し、この光コリメータを介して光ファイバを伝播する光の位相をファラデー回転子の回転角に応じて変化させることを特徴とする光フィァバ付き可変光位相器。
【請求項７】
請求項３〜５のいずれかに記載の可変光位相器の前方に、第１の光ファイバに光結合された入力光コリメータと、第２の光ファイバに光結合された出力光コリメータとを配置し、
前記入力光コリメータは、第１の光ファイバを伝播してきた入力光を前記第１の偏光子に入光させ、
前記出力光コリメータは、前記第２の偏光子を兼ねる前記第１の偏光子で偏光合成された出力光を前記第２の光ファイバに伝播させる、
ことを特徴とする光フィァバ付き可変光位相器。
【請求項８】
請求項３〜５のいずれかに記載の可変光位相器の前方に、入出力光ファイバに光結合された入出力光コリメータを配置し、当該入出力光ファイバを伝播してきた入力光を前記入出力光コリメータから前記第１の偏光子に入光させる一方、前記第２の偏光子を兼ねる当該第１の偏光子で偏光合成された出力光を前記入出力光コリメータを介して前記入出力光ファイバに伝播させることを特徴とする光フィァバ付き可変光位相器。
【請求項１】
前方から後方に向かって入射した入力光の位相を変化させ、その位相を変化させた光を出力光として出射する可変光位相器であって、
前記入力光を互いに直交する第１および第２の直線偏光に偏光分離する第１の偏光子が配置されているとともに、
前記分離した第１および第２の直線偏光が前記出力光として出射するまでの第１および第２の光路上に、第１および第２の四分の一波長板と、ファラデー回転子と、第３および第４の四分の一波長板と、第２の偏光子とがこの順に配置され、
前記第１および第２の四分の一波長板は、入力した直線偏光を円偏光に変換し、
前記ファラデー回転子は、入力した円偏光の偏光面を回転させ、
前記第３および第４の四分の一波長板は、それぞれに入力された円偏光を互いに直交する直線偏光に変換して出力し、
前記第２の偏光子は、入力された互いに直交する二つの直線偏光を偏光合成して前記出力光として出射し、
前記ファラデー回転子による回転角に応じて前記出力光の位相を変化させる、
ことを特徴とする可変光位相器。
【請求項２】
請求項１において、前記第１の偏光子と前記第１および第２の四分の一波長板との間と、前記第３および第４の四分の一波長板と前記第２の偏光子との間のそれぞれに、前記第１と第２の偏光子のそれぞれにて発生する偏波モード分散を補償する複屈折結晶からなる補償素子が介在していることを特徴とする可変光位相器。
【請求項３】
請求項１において、前記ファラデー回転子の後方に、前記第１および第２の光路を逆進させる反射鏡を備え、前記第１の偏光子が前記第２の偏光子を兼ね、前記第１の四分の一波長板が前記第３の四分の一波長板を兼ね、前記第２の四分の一波長板が前記第４の四分の一波長板を兼ねている、ことを特徴とする可変光位相器。
【請求項４】
請求項１において、前記第３および第４の四分の一波長板の後方に、前記第１および第２の光路を逆進させる反射鏡を備え、
前記第３および第４の四分の一波長板は、逆進してきた互いに直交する直線偏光を円偏光に変換して前方に出射し、
前記第１及び第２の四分の一波長板は、逆進してきた円偏光を互いに直交する二つの直線偏光に変換して前方に出射し、
前記第１の偏光子は前記第２の偏光子を兼ねて、逆進してきた互いに直交する二つの直線偏光を偏光合成して前方に出力光として出射する、
ことを特徴とする可変光位相器。
【請求項５】
請求項３または４において、前記第１の偏光子と第１および第２の四分の一波長板との間に、当該第１の偏光子にて発生する偏波モード分散を補償する複屈折素子からなる補償素子が介在していることを特徴とする可変光位相器。
【請求項６】
請求項１または２に記載の可変光位相器の光入力側と光出力側のそれぞれに、光フィァバに光結合された光コリメータを配置し、この光コリメータを介して光ファイバを伝播する光の位相をファラデー回転子の回転角に応じて変化させることを特徴とする光フィァバ付き可変光位相器。
【請求項７】
請求項３〜５のいずれかに記載の可変光位相器の前方に、第１の光ファイバに光結合された入力光コリメータと、第２の光ファイバに光結合された出力光コリメータとを配置し、
前記入力光コリメータは、第１の光ファイバを伝播してきた入力光を前記第１の偏光子に入光させ、
前記出力光コリメータは、前記第２の偏光子を兼ねる前記第１の偏光子で偏光合成された出力光を前記第２の光ファイバに伝播させる、
ことを特徴とする光フィァバ付き可変光位相器。
【請求項８】
請求項３〜５のいずれかに記載の可変光位相器の前方に、入出力光ファイバに光結合された入出力光コリメータを配置し、当該入出力光ファイバを伝播してきた入力光を前記入出力光コリメータから前記第１の偏光子に入光させる一方、前記第２の偏光子を兼ねる当該第１の偏光子で偏光合成された出力光を前記入出力光コリメータを介して前記入出力光ファイバに伝播させることを特徴とする光フィァバ付き可変光位相器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１５】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１５】
【図１４】
【公開番号】特開２０１３−１０１４１３（Ｐ２０１３−１０１４１３Ａ）
【公開日】平成２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１３−４６４９６（Ｐ２０１３−４６４９６）
【出願日】平成２５年３月８日（２０１３．３．８）
【分割の表示】特願２００９−１５７８８３（Ｐ２００９−１５７８８３）の分割
【原出願日】平成２１年７月２日（２００９．７．２）
【出願人】（０００２３７７２１）ＦＤＫ株式会社 (449)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２５年３月８日（２０１３．３．８）
【分割の表示】特願２００９−１５７８８３（Ｐ２００９−１５７８８３）の分割
【原出願日】平成２１年７月２日（２００９．７．２）
【出願人】（０００２３７７２１）ＦＤＫ株式会社 (449)
【Ｆターム（参考）】
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