多入力多出力光偏波コントローラ
【目的】 可動部が不要で小型化が容易であり、入力光の偏波状態の変化に追従できる高速動作が可能な多入力多出力光偏波コントローラを実現する。
【構成】 印加電圧に応じて入力光の所定方向の電界の位相を個別に可変させる光素子を複数個集合させたアレイ光素子を形成し、交互に45度異なる方向の電界の位相を可変させるアレイ光素子を少なくとも３段に配列し、その両側に各光素子に対応する位置に複数組の光入出力端子を配置する。
【構成】 印加電圧に応じて入力光の所定方向の電界の位相を個別に可変させる光素子を複数個集合させたアレイ光素子を形成し、交互に45度異なる方向の電界の位相を可変させるアレイ光素子を少なくとも３段に配列し、その両側に各光素子に対応する位置に複数組の光入出力端子を配置する。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、入力光の偏波を制御する、例えば任意の偏波状態で入力される光を垂直偏光に制御する多入力多出力光偏波コントローラに関する。
【０００２】
【従来の技術】コヒーレント光通信で使用される単一モード光ファイバは、外乱の影響を受けて偏波状態が時間とともに不規則に変化する。したがって、入力光の偏波状態に応じて損失特性やクロストーク特性などが変化する偏波依存性のある光部品を使用する場合には、入力光の偏波状態を所定の偏波に制御する光偏波コントローラが必要になる。
【０００３】従来の光偏波コントローラとしては、入力光の特定方向の電界の位相を１／４波長遅らせる１／４波長板と、特定方向の電界の位相を１／２波長遅らせる１／２波長板置とを組み合わせ、それらを回転させることにより偏波を回転させるものがある。また、印加電界によって電気光学結晶の複屈折性を制御し、結晶を伝搬する光の偏波を回転させるものがある。また、光ファイバ内の応力によって生ずる複屈折を利用したり、光ファイバの磁気光学効果を利用して伝搬光の偏波を回転させるものがある。
【０００４】このような光偏波コントローラは、入力光の偏波状態を検出する検出器と組み合わせ、その出力に応じて１／４波長板および１／２波長板の回転角や電気光学結晶の印加電圧を制御することにより、入力光の偏波を自動補償するシステムが構成できる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】複数組の入出力端子をもつ多入力多出力光偏波コントローラとして、従来の光偏波コントローラを単純に集合させた構成では、装置規模が大きくなってしまう問題点があった。また、ステップモータなどの機械的な可動部を必要とするものでは、入力光の偏波状態の変化に追従させることが困難であった。
【０００６】本発明は、可動部が不要で小型化が容易であり、入力光の偏波状態の変化に追従できる高速動作が可能な多入力多出力光偏波コントローラを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明の多入力多出力光偏波コントローラは、印加電圧に応じて入力光の所定方向の電界の位相を個別に可変させる光素子を複数個集合させたアレイ光素子を形成し、交互に45度異なる方向の電界の位相を可変させるアレイ光素子を少なくとも３段に配列し、その両側に各光素子に対応する位置に複数組の光入出力端子を配置する。
【０００８】また、光素子として、入力光の所定方向に対応する屈折率が変化する液晶を用いる。
【０００９】
【作用】交互に45度異なる方向の電界の位相を可変させるアレイ光素子を少なくとも３段に配列することにより、それぞれに印加する電圧に応じて、例えば任意の偏波状態の入力光を所定の偏波に変換することができる。また、アレイ光素子を構成する各光素子を独立に制御することにより、複数組の入力光の偏波状態を独立して制御することができる。
【００１０】
【実施例】図１は、本発明の多入力多出力光偏波コントローラの実施例構成を示す。図において、１ａ，１ｂ，１ｃは、それぞれ入力光の水平方向に対する45度方向，０度方向，45度方向の電界の位相を個別に可変できる光素子を複数個集合させたアレイ光素子である。なお、一般的には交互に45度異なる電界の位相を可変できるアレイ光素子が３枚以上あればよい。２は複数個の光入力端子、３は複数個の光出力端子である。
【００１１】このような光素子は、印加電界に応じて入力光の特定方向の屈折率を変化させ、その方向の電界の位相を可変できる液晶によって実現される。また、アレイ光素子は、複数の液晶および電極をアレイ化することにより実現される。液晶の応答速度は数十ミリ秒から数百マイクロ秒程度であり、極めて高速動作が可能である。また、１組の入出力光に対応する大きさは、１組の光ビームが占める面積と３枚の液晶を重ねた厚さで決まるので、多数の入出力光に対応する構成でも大幅に小型化することができる。
【００１２】以下、本実施例の構成により入力光の偏波状態を制御できる原理について説明する。任意の偏波をもつ光は、ストークスパラメータｓ＝（ｓ11，ｓ12，ｓ13）を用いて、 ｓ11＝cos(２φ1)・cos(２φ2) …(1) ｓ12＝cos(２φ1)・sin(２φ2) …(2) ｓ13＝sin(２φ1) …(3) のように記述される。φ1 は偏波状態を記述する楕円の回転方向（楕円率）を決める角（−π/4≦φ1 ≦π/4）、φ2 は楕円の軸の方向を決める角（０≦φ2 ＜π）である（辻内、「光学概論II」、朝倉書店）。
【００１３】一方、本実施例の光偏波コントローラに垂直偏波の光（ｓ11＝−１，ｓ12＝０，ｓ13＝０）を入力したときに出力される光の偏波状態は、ストークスパラメータｓout ＝（ｓ(out)11 ，ｓ(out)12 ，ｓ(out)13 ）を用いて、 ｓ(out)11＝cos(θ1)・cos(θ3)＋sin(θ1)・cos(θ2)・sin(θ3) …(4) ｓ(out)12＝sin(θ1)・sin(θ2) …(5) ｓ(out)13＝cos(θ1)・sin(θ3)＋sin(θ1)・cos(θ2)・cos(θ3) …(6)のように記述される。θ1 ，θ2 ，θ3 は、アレイ光素子１ａ，１ｂ，１ｃにおける水平方向に対して45度方向，０度方向，45度方向の光の電界の位相遅れ角を示す。
【００１４】ここで例えば、 sin(θ1)・cos(θ3)＝０ …(7) および cos(θ1)＝sin(２φ1) …(8) sin(θ1)＝cos(２φ2) …(9) を仮定すると、 θ1 ＝(π／２)−２φ1 …(10) θ2 ＝２φ2 …(11) θ3 ＝π／２ …(12)が解となる。このとき、ｓ＝ｓout が成立する。
【００１５】すなわち、アレイ光素子１ａ，１ｂ，１ｃに対して、式(10), (11)，(12)に示すθ1 ，θ2 ，θ3 を設定する電圧を印加することにより、垂直偏波の光を任意の偏波状態の光に変換することができる。また、このことは、ｓout のような任意の偏波状態の光を逆方向から入力することにより、垂直偏波の光に変換できることを示している。
【００１６】したがって、入力光の偏波状態からφ1 ，φ2 を検出し、式(10), (11)，(12)に基づいてθ1 ，θ2 ，θ3 を算出し、そのθ1 ，θ2 ，θ3 を設定する電圧をアレイ光素子１ａ，１ｂ，１ｃに印加することにより、任意の偏波状態の光を垂直偏波の光に変換することができる。また、同様にして任意の偏波状態から任意の偏波状態への変換も可能である。
【００１７】図２は、本発明による偏波制御システムの構成例を示す。なお、ここでは１チャネル分の偏波制御システムについて示す。(a) は、偏波制御システムの全体構成の一例を示す。光ファイバ等で偏波状態が変化した入力光は、ビームスプリッタ１１でその一部が分岐されて制御部１２に入力され、残りが本発明による光偏波コントローラ１０に入力される。制御部１２は、入力光の偏波状態（φ1 ，φ2 ）を検出し、光偏波コントローラ１０の各光素子に印加する電圧に変換し、各光素子における入力光の電界の位相遅れ角θ1 ，θ2 ，θ3 を設定する。これにより、入力光を垂直偏波その他に変換して出力することができる。
【００１８】(b) は、制御部１２の構成例を示す。入力光はビームスプリッタ１３で２分岐され、一方は偏光プリズム（＋45°，−45°）１４−１に入力され、他方は１／４波長板１５を介して偏光プリズム（０°，90°）１４−２に入力される。偏光プリズム１４−１の出力光は光検出器１５−１，１５−２で検出され、それぞれ受信器１６−１，１６−２に入力される。偏光プリズム１４−２の出力光は光検出器１５−３，１５−４で検出され、それぞれ受信器１６−３，１６−４に入力される。演算部１７は、受信器１６−１，１６−２の出力Ｐa ，Ｐb からｓ11（＝Ｐa＋Ｐb）およびｓ12（＝Ｐa−Ｐb）を算出し、受信器１６−３，１６−４の出力Ｐc ，Ｐd からｓ13／ｓ11（＝（Ｐc−Ｐd)／(Ｐc＋Ｐd））を算出する。さらに、演算部１７は、ｓ11，ｓ12，ｓ13／ｓ11から式(1)〜(3)に基づいてφ1 ，φ2 を算出し、さらに例えば式(10)〜(12)に基づくθ1 ，θ2 ，θ3 を算出する。光素子駆動部１８は、光偏波コントローラ１０の各光素子に設定される電圧値とθ1 ，θ2 ，θ3 との関係をテーブルとしてもち、テーブルから読みだした電圧値に応じた電圧を各光素子に印加する。
【００１９】このような構成により、入力光の偏波状態が高速に変化しても追従できる偏波制御システムが実現される。なお、制御部１２の構成は、文献（“Polarizationfluctuation in optical fibers based on probability ", T. Imai, et al.,Optics Letters, vol.12, no.9, p.723 ）に記載されている。光偏波コントローラ１０の部分がアレイ光素子１ａ，１ｂ，１ｃとなる多チャネル対応の偏波制御システムでは、制御部１２は各チャネルに対応して設けられる。ただし、ビームスプリッタ１１は１つで対応可能である。
【００２０】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の多入力多出力光偏波コントローラは、光素子に印加する電圧の制御により入力光の偏波状態を可変させることができるので、多入力多出力構成であっても小型化することができる。しかも、入力光の偏波状態の変化に追従できる高速動作が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の多入力多出力光偏波コントローラの実施例構成を示す図。
【図２】本発明による偏波制御システムの構成例を示す図。
【符号の説明】
１ａ，１ｂ，１ｃ アレイ光素子
１０ 光偏波コントローラ
１１ ビームスプリッタ
１２ 制御部
１３ ビームスプリッタ
１４ 偏光プリズム
１５ 光検出器
１６ 受信器
１７ 演算部
１８ 光素子駆動部
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、入力光の偏波を制御する、例えば任意の偏波状態で入力される光を垂直偏光に制御する多入力多出力光偏波コントローラに関する。
【０００２】
【従来の技術】コヒーレント光通信で使用される単一モード光ファイバは、外乱の影響を受けて偏波状態が時間とともに不規則に変化する。したがって、入力光の偏波状態に応じて損失特性やクロストーク特性などが変化する偏波依存性のある光部品を使用する場合には、入力光の偏波状態を所定の偏波に制御する光偏波コントローラが必要になる。
【０００３】従来の光偏波コントローラとしては、入力光の特定方向の電界の位相を１／４波長遅らせる１／４波長板と、特定方向の電界の位相を１／２波長遅らせる１／２波長板置とを組み合わせ、それらを回転させることにより偏波を回転させるものがある。また、印加電界によって電気光学結晶の複屈折性を制御し、結晶を伝搬する光の偏波を回転させるものがある。また、光ファイバ内の応力によって生ずる複屈折を利用したり、光ファイバの磁気光学効果を利用して伝搬光の偏波を回転させるものがある。
【０００４】このような光偏波コントローラは、入力光の偏波状態を検出する検出器と組み合わせ、その出力に応じて１／４波長板および１／２波長板の回転角や電気光学結晶の印加電圧を制御することにより、入力光の偏波を自動補償するシステムが構成できる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】複数組の入出力端子をもつ多入力多出力光偏波コントローラとして、従来の光偏波コントローラを単純に集合させた構成では、装置規模が大きくなってしまう問題点があった。また、ステップモータなどの機械的な可動部を必要とするものでは、入力光の偏波状態の変化に追従させることが困難であった。
【０００６】本発明は、可動部が不要で小型化が容易であり、入力光の偏波状態の変化に追従できる高速動作が可能な多入力多出力光偏波コントローラを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明の多入力多出力光偏波コントローラは、印加電圧に応じて入力光の所定方向の電界の位相を個別に可変させる光素子を複数個集合させたアレイ光素子を形成し、交互に45度異なる方向の電界の位相を可変させるアレイ光素子を少なくとも３段に配列し、その両側に各光素子に対応する位置に複数組の光入出力端子を配置する。
【０００８】また、光素子として、入力光の所定方向に対応する屈折率が変化する液晶を用いる。
【０００９】
【作用】交互に45度異なる方向の電界の位相を可変させるアレイ光素子を少なくとも３段に配列することにより、それぞれに印加する電圧に応じて、例えば任意の偏波状態の入力光を所定の偏波に変換することができる。また、アレイ光素子を構成する各光素子を独立に制御することにより、複数組の入力光の偏波状態を独立して制御することができる。
【００１０】
【実施例】図１は、本発明の多入力多出力光偏波コントローラの実施例構成を示す。図において、１ａ，１ｂ，１ｃは、それぞれ入力光の水平方向に対する45度方向，０度方向，45度方向の電界の位相を個別に可変できる光素子を複数個集合させたアレイ光素子である。なお、一般的には交互に45度異なる電界の位相を可変できるアレイ光素子が３枚以上あればよい。２は複数個の光入力端子、３は複数個の光出力端子である。
【００１１】このような光素子は、印加電界に応じて入力光の特定方向の屈折率を変化させ、その方向の電界の位相を可変できる液晶によって実現される。また、アレイ光素子は、複数の液晶および電極をアレイ化することにより実現される。液晶の応答速度は数十ミリ秒から数百マイクロ秒程度であり、極めて高速動作が可能である。また、１組の入出力光に対応する大きさは、１組の光ビームが占める面積と３枚の液晶を重ねた厚さで決まるので、多数の入出力光に対応する構成でも大幅に小型化することができる。
【００１２】以下、本実施例の構成により入力光の偏波状態を制御できる原理について説明する。任意の偏波をもつ光は、ストークスパラメータｓ＝（ｓ11，ｓ12，ｓ13）を用いて、 ｓ11＝cos(２φ1)・cos(２φ2) …(1) ｓ12＝cos(２φ1)・sin(２φ2) …(2) ｓ13＝sin(２φ1) …(3) のように記述される。φ1 は偏波状態を記述する楕円の回転方向（楕円率）を決める角（−π/4≦φ1 ≦π/4）、φ2 は楕円の軸の方向を決める角（０≦φ2 ＜π）である（辻内、「光学概論II」、朝倉書店）。
【００１３】一方、本実施例の光偏波コントローラに垂直偏波の光（ｓ11＝−１，ｓ12＝０，ｓ13＝０）を入力したときに出力される光の偏波状態は、ストークスパラメータｓout ＝（ｓ(out)11 ，ｓ(out)12 ，ｓ(out)13 ）を用いて、 ｓ(out)11＝cos(θ1)・cos(θ3)＋sin(θ1)・cos(θ2)・sin(θ3) …(4) ｓ(out)12＝sin(θ1)・sin(θ2) …(5) ｓ(out)13＝cos(θ1)・sin(θ3)＋sin(θ1)・cos(θ2)・cos(θ3) …(6)のように記述される。θ1 ，θ2 ，θ3 は、アレイ光素子１ａ，１ｂ，１ｃにおける水平方向に対して45度方向，０度方向，45度方向の光の電界の位相遅れ角を示す。
【００１４】ここで例えば、 sin(θ1)・cos(θ3)＝０ …(7) および cos(θ1)＝sin(２φ1) …(8) sin(θ1)＝cos(２φ2) …(9) を仮定すると、 θ1 ＝(π／２)−２φ1 …(10) θ2 ＝２φ2 …(11) θ3 ＝π／２ …(12)が解となる。このとき、ｓ＝ｓout が成立する。
【００１５】すなわち、アレイ光素子１ａ，１ｂ，１ｃに対して、式(10), (11)，(12)に示すθ1 ，θ2 ，θ3 を設定する電圧を印加することにより、垂直偏波の光を任意の偏波状態の光に変換することができる。また、このことは、ｓout のような任意の偏波状態の光を逆方向から入力することにより、垂直偏波の光に変換できることを示している。
【００１６】したがって、入力光の偏波状態からφ1 ，φ2 を検出し、式(10), (11)，(12)に基づいてθ1 ，θ2 ，θ3 を算出し、そのθ1 ，θ2 ，θ3 を設定する電圧をアレイ光素子１ａ，１ｂ，１ｃに印加することにより、任意の偏波状態の光を垂直偏波の光に変換することができる。また、同様にして任意の偏波状態から任意の偏波状態への変換も可能である。
【００１７】図２は、本発明による偏波制御システムの構成例を示す。なお、ここでは１チャネル分の偏波制御システムについて示す。(a) は、偏波制御システムの全体構成の一例を示す。光ファイバ等で偏波状態が変化した入力光は、ビームスプリッタ１１でその一部が分岐されて制御部１２に入力され、残りが本発明による光偏波コントローラ１０に入力される。制御部１２は、入力光の偏波状態（φ1 ，φ2 ）を検出し、光偏波コントローラ１０の各光素子に印加する電圧に変換し、各光素子における入力光の電界の位相遅れ角θ1 ，θ2 ，θ3 を設定する。これにより、入力光を垂直偏波その他に変換して出力することができる。
【００１８】(b) は、制御部１２の構成例を示す。入力光はビームスプリッタ１３で２分岐され、一方は偏光プリズム（＋45°，−45°）１４−１に入力され、他方は１／４波長板１５を介して偏光プリズム（０°，90°）１４−２に入力される。偏光プリズム１４−１の出力光は光検出器１５−１，１５−２で検出され、それぞれ受信器１６−１，１６−２に入力される。偏光プリズム１４−２の出力光は光検出器１５−３，１５−４で検出され、それぞれ受信器１６−３，１６−４に入力される。演算部１７は、受信器１６−１，１６−２の出力Ｐa ，Ｐb からｓ11（＝Ｐa＋Ｐb）およびｓ12（＝Ｐa−Ｐb）を算出し、受信器１６−３，１６−４の出力Ｐc ，Ｐd からｓ13／ｓ11（＝（Ｐc−Ｐd)／(Ｐc＋Ｐd））を算出する。さらに、演算部１７は、ｓ11，ｓ12，ｓ13／ｓ11から式(1)〜(3)に基づいてφ1 ，φ2 を算出し、さらに例えば式(10)〜(12)に基づくθ1 ，θ2 ，θ3 を算出する。光素子駆動部１８は、光偏波コントローラ１０の各光素子に設定される電圧値とθ1 ，θ2 ，θ3 との関係をテーブルとしてもち、テーブルから読みだした電圧値に応じた電圧を各光素子に印加する。
【００１９】このような構成により、入力光の偏波状態が高速に変化しても追従できる偏波制御システムが実現される。なお、制御部１２の構成は、文献（“Polarizationfluctuation in optical fibers based on probability ", T. Imai, et al.,Optics Letters, vol.12, no.9, p.723 ）に記載されている。光偏波コントローラ１０の部分がアレイ光素子１ａ，１ｂ，１ｃとなる多チャネル対応の偏波制御システムでは、制御部１２は各チャネルに対応して設けられる。ただし、ビームスプリッタ１１は１つで対応可能である。
【００２０】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の多入力多出力光偏波コントローラは、光素子に印加する電圧の制御により入力光の偏波状態を可変させることができるので、多入力多出力構成であっても小型化することができる。しかも、入力光の偏波状態の変化に追従できる高速動作が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の多入力多出力光偏波コントローラの実施例構成を示す図。
【図２】本発明による偏波制御システムの構成例を示す図。
【符号の説明】
１ａ，１ｂ，１ｃ アレイ光素子
１０ 光偏波コントローラ
１１ ビームスプリッタ
１２ 制御部
１３ ビームスプリッタ
１４ 偏光プリズム
１５ 光検出器
１６ 受信器
１７ 演算部
１８ 光素子駆動部
【特許請求の範囲】
【請求項１】 印加電圧に応じて入力光の所定方向の電界の位相を個別に可変させる光素子を複数個集合させたアレイ光素子を形成し、交互に45度異なる方向の電界の位相を可変させるアレイ光素子を少なくとも３段に配列し、その両側に各光素子に対応する位置に複数組の光入出力端子を配置した構成であることを特徴とする多入力多出力光偏波コントローラ。
【請求項２】 請求項１に記載の光素子は、入力光の所定方向に対応する屈折率が変化する液晶で構成したことを特徴とする多入力多出力光偏波コントローラ。
【請求項１】 印加電圧に応じて入力光の所定方向の電界の位相を個別に可変させる光素子を複数個集合させたアレイ光素子を形成し、交互に45度異なる方向の電界の位相を可変させるアレイ光素子を少なくとも３段に配列し、その両側に各光素子に対応する位置に複数組の光入出力端子を配置した構成であることを特徴とする多入力多出力光偏波コントローラ。
【請求項２】 請求項１に記載の光素子は、入力光の所定方向に対応する屈折率が変化する液晶で構成したことを特徴とする多入力多出力光偏波コントローラ。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開平８−２６２３９４
【公開日】平成８年（１９９６）１０月１１日
【国際特許分類】
【出願番号】特願平７−６９７７０
【出願日】平成７年（１９９５）３月２８日
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【公開日】平成８年（１９９６）１０月１１日
【国際特許分類】
【出願日】平成７年（１９９５）３月２８日
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
[ Back to top ]