JP2016008982A - 偏波制御素子 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、任意の偏波面を持つ偏波を常に特定の偏波面を持つ直線偏波に変換して出射することを可能な偏波制御素子を提供する。【解決手段】本発明の偏波制御素子は、入射した電磁波の偏波に応じて発生する電流を変化させるセンシング・電流発生部と、前記センシング・電流発生部に接続され、前記センシング・電流発生部で発生した電流に比例した磁場を発生する磁場発生部と、前記センシング・電流発生部及び前記磁場発生部が表面又は内部に設けられた媒質と、を含む複数の安定子を備え、複数の安定子は電磁波の進行方向に並んで配置されており、前記磁場発生部は、前記媒質の表面又は内部において電磁波の進行方向に垂直な平面上に設けられたループ状の導体で構成されていることを特徴とする。【選択図】図４

Description

本発明は光の偏波制御技術に関する。例えば光通信において偏波依存性を有する光学素子を光が通過する際の偏波を制御する偏波制御素子に関する。

光は電磁波の一種で、直交する電界と磁界が振動しながら伝搬する。電磁波の電界についてある規定軸に対する水平成分をＥ_ｘ、垂直成分をＥ_ｙとすると、Ｅ_ｘ及びＥ_ｙは、振幅Ｅ_０ｘ及びＥ_０ｙ、波数ａ、角周波数ω、進行方向座標ｚ、時間ｔ、位相差εを用いて、以下の（式１）及び（式２）のように示される。
Ｅ_ｘ＝Ｅ_０ｘｃｏｓ(ａｚ−ωｔ) （式１）
Ｅ_ｙ＝Ｅ_０ｙｃｏｓ(ａｚ−ωｔ＋ε) （式２）

偏波とは、（式１）及び（式２）が合成された電界の振動状態であり、振幅Ｅ_０ｘ、Ｅ_０ｙと位相差εとによって決定される。電界を含む面を電界振動面とすると、電界振動面が一定の偏波は直線偏波と呼ばれる。電界振動面が螺旋軌道を描く偏波は楕円偏波と呼ばれ、電磁波の進行方向への電界振動面の射影が円となるものを特に円偏波と呼ぶ。このとき、電磁波の進行方向への射影が描く楕円の長軸が水平軸となす面を偏波面とする。偏波面は、電磁波の電界振動面と一致し、偏波面が変化するとＥ_ｘ及びＥ_ｙの振幅比Ｅ_０ｘ／Ｅ_０ｙが変化する。直線偏波は、楕円偏波の短軸成分がないものと考えることができる。

光通信で用いる光ファイバはコアの真円からのずれや、外部応力などが原因でファイバ通過後の偏波面・位相差がランダムに時間変動するため、ファイバから出射される光の偏波はランダムに変化する。光通信で用いる光学素子は、偏波依存性を持つ場合が多い。例えば、液晶素子やＳｉ細線導波路のように、特定の偏波面を持つ直線偏波でないと損失が発生する光学素子が多数存在する。これらの光学素子を機能させるためには、入射する電磁波の偏波を制御することが必要であり、そのために偏光子やファラデー回転子が用いられている。

図１は、従来の偏光子の構成を示す。図１（ａ）及び（ｂ）には、複数の金属細線１０１が周期的な配列で構成された偏光子１００が示されている。金属細線１０１は、使用する電磁波の波長の半分以下の周期で配列される。例えば光通信で使用する波長１．５５μｍの電磁波に対して、金属細線１０１の配列周期は７７５ｎｍ以下となる。

図１（ａ）に示されるように、電磁波の電界１０２が金属細線１０１の長手方向に平行に入射してきたときに当該電磁波を遮断する。また、図１（ｂ）に示されるように、偏光子１００は、電磁波の電界１０２が金属細線１０１の長手方向に垂直に入射してきたときに当該電磁波を透過させる。このため、電磁波が任意の偏波面で入射しても、常に金属細線１０１の長手方向に垂直な成分を取り出し、この方向に偏波面を持つ直線偏波を出射することができる。一方で、金属細線１０１の長手方向に垂直でない偏波面を持つ成分を遮断してしまうため、電磁波のパワー損失が生じる。

図２は、従来技術であるファラデー回転子の構成を示す。図２に示されるように、ファラデー回転子２００は、素子２０１に電磁波の進行方向と平行に一定の磁場２０２を印加することで、偏波面を回転させる素子である。素子２０１は、使用する電磁波の周波数で電磁波を透過する磁性体であり、例えばイットリウム鉄ガーネット(ＹＩＧ：Yttrium Iron Garnet)などが使用される。偏波面を４５°回転させるには、ＹＩＧの厚さは１ｍｍ程度となる。ファラデー回転子２００は、電磁波を遮断することなく偏波面を回転させることができる。一方で、回転角２０３は素子２０１の厚さや印加される磁場２０２により決定されるため、入射電磁波の偏波面に対し一定の回転角が加わって電磁波が出射されるのみであり、任意の偏波面を有する偏波を常に一定の偏波面を有する直線偏波に変換して出射することができない。

従来技術であるファラデー回転子による偏波面の変化を図３に示すポアンカレ球を用いて説明する。ポアンカレ球とは、図３（ａ）に示すように偏波を半径１の球上の点に対応させたものである。偏波を表現するストークスパラメータＳ_０、Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３について、振幅Ｅ_０ｘ、Ｅ_０ｙと位相差εの時間変化が十分小さいとき、電磁波の強度Ｓ_０＝Ｅ_０ｘ ^２＋Ｅ_０ｙ ^２は一定であり、ストークスパラメータＳ_１、Ｓ_２、Ｓ_３は以下の（式３）〜（式５）でそれぞれ示される。
Ｓ_１＝Ｅ_０ｘ ^２−Ｅ_０ｙ ^２ （式３）
Ｓ_２＝２Ｅ_０ｘＥ_０ｙｃｏｓε （式４）
Ｓ_３＝２Ｅ_０ｘＥ_０ｙｓｉｎε （式５）

任意のＥ_０ｘ、Ｅ_０ｙ、εに対して、Ｓ_１ ^２＋Ｓ_２ ^２＋Ｓ_３ ^２＝Ｓ_０ ^２が成り立つ。Ｓ_０＝１とすれば、Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３は−１〜１の値をとり、(Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３)を座標とする点は半径１のポアンカレ球上にあることがわかる。地球の北極・南極に対応する点がそれぞれ右回り・左回りの円偏波を表し、赤道上は直線偏波を表し、Ｓ_１軸と交わる点は、それぞれ水平・垂直な直線偏波を表す。

ファラデー回転子による偏波面回転は、位相差εは固定で振幅Ｅ_０ｘ及びＥ_０ｙを変化させることなので、図３（ｂ）に示されるように、ポアンカレ球のＳ_３を軸とした回転軌道で表される。

Thorlabs Inc、"Wire Grid Polarizers on Glass Substrates"、[on line]、２０１４年４月２２日検索、インターネット<http://www.thorlabs.com/newgrouppage9_pf.cfm?guide=10&category_id=133&objectgroup_id=5510> 尾崎義治、朝倉利光、"ヘクト 光学II −波動光学−"、第４版、丸善株式会社、平成１７年１０月５日、ｐ．１２４〜１２８

これまで、特定の電界成分を遮断することなく、任意の偏波面を持つ直線偏波を特定の偏波面を持つ直線偏波に変換して出射することは不可能であった。

本発明は、上記課題を解決するためのものであり、ファラデー回転子の偏波面回転角を発生させる磁場を、直線偏波の偏波面に応じて自動的に調整する機能を追加することにより、任意の偏波面を持つ直線偏波を常に特定の偏波面を持つ直線偏波に変換して出射することを可能な偏波制御素子を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載の偏波制御素子は、入射した電磁波の偏波に応じて発生する電流を変化させるセンシング・電流発生部と、前記センシング・電流発生部に接続され、前記センシング・電流発生部で発生した電流に比例した磁場を発生する磁場発生部と、前記センシング・電流発生部及び前記磁場発生部が表面又は内部に設けられた媒質と、を含む複数の安定子を備え、前記複数の安定子は、電磁波の進行方向に並んで配置されており、前記磁場発生部は、前記媒質の表面又は内部において電磁波の進行方向に垂直な平面上に設けられたループ状の導体で構成されていることを特徴とする。

請求項２に記載の偏波制御素子は、請求項１に記載の偏波制御素子であって、前記磁場発生部は、リング型の導体であり、前記センシング・電流発生部は、前記磁場発生部を構成する前記リング型の導体の両端に接続されていることを特徴とする。

請求項３に記載の偏波制御素子は、請求項２に記載の偏波制御素子であって、前記磁場発生部を構成する前記リング型の導体の巻き数が２以上であることを特徴とする。

請求項４に記載の偏波制御素子は、請求項１乃至３のいずれかに記載の偏波制御素子であって、前記センシング・電流発生部は、偏光子及び光電変換素子を含むことを特徴とする。

本発明に係る偏波制御素子は、電磁波が通過する際に電磁波の進行方向と平行な磁場を発生させる構造を有し、発生した磁場により電磁波の偏波面をファラデー効果により回転させることができる。それにより、本発明の偏波制御素子では、入射電磁波がその偏波面によって異なる回転角を加えることができ、直線偏波が特定の偏波面となったところで磁場が消滅して回転を止めて出射されるため、任意の偏波面を持つ直線偏波の入射電磁波を常に特定の偏波面を持つ直線偏波に変換して出射を行うことができる。

従来の偏光子の構成を示す図である。 従来技術であるファラデー回転子の構成を示す図である。 従来技術であるファラデー回転子による偏波面の変化をポアンカレ球を用いて説明するための図である。 本発明に係る安定子の構成を示す図である。 本発明の実施例１に係る安定子の構成を示す図である。 本発明の実施例１に係る安定子を複数個並べた偏波制御素子６００を示す図である。 図６に示す偏波制御素子を垂直偏波が通過する際の偏波の変化をポアンカレ球を用いて説明するための図である。 本発明の実施例２に係る安定子の構成を示す図である。

本発明に係る偏波制御素子について図面を用いて説明する。図４は、本発明に係る安定子の構成を示す。図４には、入射した電磁波の偏波に応じて、発生する電流を変化させるセンシング・電流発生部４０２と、センシング・電流発生部４０２に接続され、センシング・電流発生部４０２に発生した電流に比例した磁場を発生させる磁場発生部４０３と、が媒質４０１の表面又は内部に設けられた安定子４００が示されている。

図４に示されるように、本発明に係る安定子４００では、磁場発生部４０３は媒体４０１内部において電磁波の入射方向に垂直な平面上に設けられたループ状の導体で構成され、磁場発生部４０３を構成するループ状の導体の両端にセンシング・電流発生部４０２が接続されている。電磁波が磁場発生部４０３のループ内を通過することにより、電磁波の偏波に応じた電流がループ状の導体に流れる。ビオサバールの法則より、電流に比例した磁場が磁場発生部４０３に発生するため、電磁波の進行方向に対して平行な磁場を発生することができ、入射電磁波にその偏波面によって異なる回転角を加えることができる。

（実施例１）
図５は、本発明の実施例１に係る安定子を示す。図５には、センシング・電流発生部５０２と、電磁波の進行方向と垂直な平面上に配置されたリング型導体で構成された磁場発生部５０３とを媒質５０１の表面又は内部に配置した実施例１に係る安定子５００が示されている。以下、図５に示すように、電磁波の進行方向にｚ軸をとり、伝播方向に垂直な面内にｘ軸、ｙ軸をとる。電磁波の電界成分のうち、電磁波の進行方向に対する水平成分Ｅ_ｘとし、水平成分Ｅ_ｘに対して垂直な成分を垂直成分Ｅ_ｙとする。

図５（ａ）に示されるように、磁場発生部５０３はリング型導体で構成されている。磁場発生部５０３を構成するループ状のリング型導体の一端にはセンシング・電流発生部５０２の正極が接続され、他端にはセンシング・電流発生部５０２の負極が接続されている。

図５（ｂ）は、電磁波が入射する側から見たセンシング・電流発生部５０２の平面図を示す。図５（ｂ）に示すように、センシング・電流発生部５０２としては、例えば、光電変換素子５０５の電磁波が入射する側の面を複数の金属細線で構成された偏光子５０４で覆ったものを用いることができる。偏光子５０４は垂直成分Ｅ_ｙを透過し水平成分Ｅ_ｘを遮断するため、光電変換素子５０５は電磁波を振幅Ｅ_0ｙ ²に比例した直流電流に変換する。光電変換素子５０５としては、例えばフォトダイオードを用いることができ、正極と負極が取り出される。

リング型導体と同径の電磁波が安定子５００に入射した場合を考える。図５（ｃ）に示されるように、安定子５００に入射した電磁波の一部は、センシング・電流発生部５０２に入射する。センシング・電流発生部５０２の光電変換素子５０５は、偏光子５０４を介して入射した電磁波の振幅Ｅ_0ｙ ²に比例した直流電流５０６を発生させる。図５（ｄ）に示されるように、直流電流５０６は、磁場発生部５０３において電磁波の進行方向に対して平行な磁場５０７を発生させる。発生する磁場５０７の大きさは、電磁波の電界垂直成分に応じて変わる。安定子５００に入射した電磁波は、磁場５０７によるファラデー効果を受けて偏波面が回転する。このため、安定子５００は、比例係数をｋ、偏波面回転量をθとすると、θ＝ｋＥ_0ｙ ^２を発生する。

安定子５００による偏波の変化をポアンカレ球を用いて説明する。電界の振幅Ｅ_0ｙは、ポアンカレ球のＳ_０、Ｓ_１の値を用いて以下の（式６）で示される。
Ｅ_0ｙ ^２＝（Ｓ_０−Ｓ_１）／２＝（１−Ｓ_１）／２ （式６）
（式６）より、発生する偏波面回転量θは、以下の（式７）で示される。
θ（Ｓ_１）＝ｋ（１−Ｓ_１）／２ （式７）

（式７）より、垂直直線偏波であるＳ_１＝−１に近いほど大きな偏波面回転を発生させ、水平直線偏波であるＳ_１＝１に近いほど小さな偏波面回転を発生させることがわかる。偏波面回転は、ポアンカレ球のＳ_３を軸とした回転軌道で表される。

例えば図６に示すような複数個の安定子５００_１〜５００_ｎを電磁波の進行方向に並べた本発明に係る偏波制御素子６００を垂直偏波（Ｓ_１＝−１）が通過する際の偏波の変化を、図７に示すポアンカレ球を用いて説明する。垂直偏波が安定子５００_１を通過した場合、Ｓ_１＝１に向かってポアンカレ球上をＳ_３軸回りに回転する。続けて安定子５００_２を通過すると、Ｓ_３軸回りの回転は小さくなるが、さらにＳ_１＝１に近づく。この変化を繰り返すことで、徐々にＳ_１＝１に近づき、Ｓ_１＝１となったところで電磁波の垂直成分がなくなるため、偏波状態が変化しない安定状態となる。このため、本発明に係る偏波制御素子６００は、任意の直線偏波を水平偏波に変換することができる。

入射電磁波のパワーをＰ＝Ｅ_０ｘ ^２＋Ｅ_０ｙ ^２＝Ｐ_ｘ＋Ｐ_ｙ、センシング・電流発生部５０２の面積をＳ、偏光子５０４は水平成分を遮断し、垂直成分を透過するとし、光電変換素子５０５に入射した電磁波が透過しないとすると、安定子５００において発生する損失は以下の（式８）で与えられる。Ｐ_ｘ(ｎ)、Ｐ_ｙ(ｎ)は、それぞれｎ番目の安定子に入射する電磁波のパワーとする。
｛Ｐ_ｘ(ｎ)＋Ｐ_ｙ(ｎ)｝Ｓ/（導体リングの面積） （式８）

また、光電変換素子５０５として、フォトダイオード（ＰＤ）が知られているが、電磁波のエネルギーを直流電流に変換するものであれば、その材料や電流発生原理を限定するものではない。ただし、光電変換素子５０５としてＰＤを用いる場合、入射電磁波の波長は、存在するＰＤの最低バンドギャップを超えるエネルギーをもつものとする。

（実施例２）
図８は、本発明の実施例２に係る安定子の構成を示す。図８には、センシング・電流発生部８０２と、電磁波の進行方向と垂直な平面上に配置されたリング型導体で構成された磁場発生部８０３とを媒質８０１の表面あるいは内部に配置した安定子８００が示されている。安定子８００を図６に示すように電磁波の進行方向に複数個並べることにより、本発明の実施例２に係る偏波制御素子を構成することができる。

安定子による偏波面回転が大きいと、偏波を安定状態にするのに必要な安定子の個数が少なくなる場合があり、偏波制御素子の小型化が可能となるため、安定子当たりの偏波面回転量を大きくするように、偏波面回転の比例係数ｋを増加させる方法を考える。図８に示すように、磁場発生部８０３を構成するリング型の導体の巻き数を２以上にしたものを使用する。磁場発生部８０３に生じる磁場は単位長さあたりの巻き数に比例するため、これにより偏波面回転の比例係数ｋを増加させることができる。

本発明に係る偏波制御素子で使用する媒質としては、電磁波を透過し、ヴェルデ定数が大きい、例えばＹＩＧ（ヴェルデ定数νが１．９ｄｅｇ／Ａ）などの材料が好ましいが、クラウンガラス（ヴェルデ定数νが４×１０^−４ｄｅｇ／Ａ）や窒素（ヴェルデ定数νが１．３×１０^−７ｄｅｇ／Ａ）などでもよく、材料は限定されない。

偏光子 １００、５０４
金属細線 １０１
ファラデー回転子 ２００
安定子 ４００、５００、８００
媒質 ４０１、５０１、８０１
センシング・電流発生部 ４０２、５０２、８０２
磁場発生部 ４０３、５０３、８０３
光電変換素子 ５０５
偏波制御素子 ６００

Claims (4)

1. 入射した電磁波の偏波に応じて発生する電流を変化させるセンシング・電流発生部と、
   前記センシング・電流発生部に接続され、前記センシング・電流発生部で発生した電流に比例した磁場を発生する磁場発生部と、
   前記センシング・電流発生部及び前記磁場発生部が表面又は内部に設けられた媒質と、
   を含む複数の安定子を備え、
   前記複数の安定子は、電磁波の進行方向に並んで配置されており、
   前記磁場発生部は、前記媒質の表面又は内部において電磁波の進行方向に垂直な平面上に設けられたループ状の導体で構成されていることを特徴とする偏波制御素子。
2. 前記磁場発生部は、リング型の導体であり、
   前記センシング・電流発生部は、前記磁場発生部を構成する前記リング型の導体の両端に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の偏波制御素子。
3. 前記磁場発生部を構成する前記リング型の導体の巻き数が２以上であることを特徴とする請求項２に記載の偏波制御素子。
4. 前記センシング・電流発生部は、偏光子及び光電変換素子を含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の偏波制御素子。

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