JP2000039590A - 反射型光サーキュレータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高アイソレーション特性を呈し、且つ長さ及
び径の両方を小さくし、使用光学部品の小型化と部品点
数の低減により低廉化を実現する。 【解決手段】 ２個の複屈折素子１２，１４と、それら
の間に挿入した４５度ファラデー回転子１６及び１／２
波長板８とを一列に配列し、更にその列の一端に入出射
部２０を設け、前記の列の他端には、偏波面を往復で９
０度回転させる偏波回転素子（１／４波長板３２）と反
射体（ミラー３４）とを配列した反射型光サーキュレー
タである。入出射部は、３本以上のファイバ２２を有す
る多芯フェルール（３芯フェルール２４）と、共通のフ
ァイバ結合用のレンズ２６と、ファイバからの出射光を
光軸に平行なビームにすると共に戻り光である光軸に平
行なビームをファイバへ結合させる光路補正素子２８と
の配列からなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光通信や光計測な
どの分野において、伝送路を通る光を分離するための光
サーキュレータに関し、更に詳しく述べると、光サーキ
ュレータ本体部分の一端に多芯フェルールを用いた入出
射部を設け、他端にミラー等を設けて、光が該ミラーで
反射することで光サーキュレータ本体部分を往復して多
芯フェルールの異なるファイバに結合するように構成
し、小型化と高性能化を図った反射型光サーキュレータ
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光サーキュレータは、ポートからの入
射光をポートへ出射し、ポートからの入射光をポー
トへ出射するというように、あるポートからの光を特
定の他のポートのみに出射する光分離機能を有する光デ
バイスである。この種の光サーキュレータでは、ファラ
デー素子に永久磁石による固定磁界を印加するように構
成した４５度ファラデー回転子を用い、偏波面を４５度
回転させることによって光線の非相反性を実現してい
る。

【０００３】従来、様々な構成の光サーキュレータが開
発されている。その一例として、３個の複屈折素子を間
隔をあけて一列に配列し、それら複屈折素子の間にファ
ラデー素子と１／２波長板との組をそれぞれ挿入し、両
端にそれぞれ入出射部を設ける構成がある（特開平５−
６１００１号公報参照）。前記ファラデー素子には永久
磁石によって固定磁界を印加し、偏波面が４５度回転す
る４５度ファラデー回転子とする。これによって一端の
ポートからの出射光は反対端のポートに、ポート
からの出射光は反対端のポートに、更に必要があれば
ポートからの出射光を反対端のポートに結合させる
光サーキュレータが構成できる。ここで各ポートは、そ
れぞれファイバとレンズとの組み合わせからなる。

【０００４】ところで、現在実用に供されている光サー
キュレータは、大部分が３ポート型である。その理由
は、一般の双方向伝送システムや反射光計測システムに
おいては、発光素子を接続するポート、伝送用ファイ
バあるいは被測定試料を接続するポート、受光素子を
接続するポートの３つのポートがあれば十分な場合が
多いからである。従って、ポート→ポート、及びポ
ート→ポートという動作が実現できれば十分であ
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、従来複
数のポートをもつ光サーキュレータでは、各ポートは１
本のファイバにそれぞれ対応してレンズが組み合わされ
て構成されていた。つまり、各ファイバ毎に個別のレン
ズを組み合わせることによってコリメート結合をとって
いた。そのため、ファイバ同士の間隔として、レンズ径
に見合う距離が必要であり、必然的に光サーキュレータ
本体側の各光学素子を大きくしなければならず、光サー
キュレータの小型化、細径化、並びに低廉化の大きな障
害になっていた。

【０００６】また両端の複屈折素子としては同一形状の
ルチル単結晶を用い、対向配置することで、それぞれ偏
波分離、合成の機能をもたせている。しかし、それぞれ
の機能に１素子を使用しているために全長が長くなり、
その点も光サーキュレータの小型化、低廉化の障害にな
っている。

【０００７】本発明の目的は、高アイソレーション特性
を呈し、且つ長さ及び径の両方を小さくでき、使用光学
素子の小型化と部品点数の低減により低廉化を実現でき
る光サーキュレータを提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、２個の複屈折
素子と、それらの間に挿入した４５度ファラデー回転子
及び１／２波長板とを一列に配列し、更にその列の一端
に入出射部を設け、前記の列の他端には、偏波面を往復
で９０度回転させる偏波回転素子と反射体とを配列した
反射型光サーキュレータである。ここで入出射部は、３
本以上のファイバを有する多芯フェルールと、それらに
共通のファイバ結合用レンズと、ファイバからの出射光
を光軸に平行なビームにすると共に戻り光である光軸に
平行なビームをファイバへ結合させる光路補正素子との
配列からなる。

【０００９】

【発明の実施の形態】偏波面を往復で９０度回転させる
偏波回転素子は、１／４波長板でもよいし４５度ファラ
デー回転子でもよい。また光路補正素子は、例えば３芯
フェルールを用いる場合には、直方体の平行な隣り合う
２本の稜線部分を斜めに切り落とした形状のプリズムあ
るいは台形状のプリズムでもよいし、中央の間隙を介し
て対称的に配置した２個の直角三角形もしくは楔形のプ
リズムの組み合わせでもよい。３本並設されているファ
イバのうち外側のファイバから出射する光やそれに入射
する光はプリズムの斜面で屈折して適正な光路を辿り、
中央のファイバから出射する光やそれに入射する光はプ
リズムの中央の平行平面の部分を直進するか、あるいは
プリズム同士の間隙を直進することで適正な光路を辿る
ことになる。

【００１０】入出射部寄りの複屈折素子を２分割し、そ
れら両複屈折素子片の間に１／２波長板を挿入すると、
部品点数は多少増えるものの、往路と復路で生じていた
偏波分散を無くすことができる。

【００１１】

【実施例】図１は本発明に係る反射型光サーキュレータ
の一実施例を示す構成図であり、３ポート構成の一例で
ある。光サーキュレータ本体部分１０は、間隔をおいて
位置する第１の複屈折素子１２及び第２の複屈折素子１
４と、それらの間に挿入した４５度ファラデー回転子１
６及び１／２波長板１８を一列に配列した構成である。
ここでは両複屈折素子１２，１４はルチルからなり、両
端面が互いに平行な形状であって、それらの光学軸は光
軸との角度が４５度に設定されている。第１の複屈折素
子１２と第２の複屈折素子１４の光学軸は、光軸方向で
見て（後述する図２及び図３における紙面内で）垂直な
関係にある。１／２波長板１８の光学軸は、光軸方向で
見て（後述する図２及び図３において紙面内）水平軸か
ら±２２．５度の方向に設定する。ファラデー回転子１
６は、ファラデー素子に永久磁石によって外部磁界を印
加する構成であり、図面左手側のポートから見て偏波面
が左回り４５度となるように設定する。なお、図面を簡
略化するために、ファラデー回転子としてはファラデー
素子のみを図示し、永久磁石については図示するのを省
略している。

【００１２】この光サーキュレータ本体部分１０は、反
射を利用して光が往復することを前提に設計されてい
る。つまり、光サーキュレータ本体部分１０を構成して
いる列の一方の端（ここでは第１の複屈折素子１２寄り
の端）に入出射部２０を設け、他方の端（ここでは第２
の複屈折素子１４寄りの端）に反射部３０を設ける。こ
こで、第１の複屈折素子１２は偏波分離合成機能を持
ち、第２の複屈折素子１４は光路シフト機能を持つ。

【００１３】入出射部２０は、３本のファイバ２２を有
する３芯フェルール２４と、それらに共通のファイバ結
合用レンズ２６と、光路補正素子２８との配列からな
る。光路補正素子２８は、ファイバ２２からレンズ２６
を通った出射光を光軸に平行なビームにし、また戻り光
である光軸に平行なビームをレンズ２６を通してファイ
バ２２への入射光にして結合させる機能を果たす。

【００１４】また反射部３０は、偏波面を往復で９０度
回転させる偏波回転素子３２とミラー３４とで構成す
る。この偏波回転素子としては、例えば１／４波長板が
使用できる。１／４波長板の光学軸は、光軸方向で見て
（図２及び図３における紙面内で）水平軸から４５度の
方向に設定する。

【００１５】次に図２及び図３に具体的な偏波面の状態
と光学軸の方向を示し、それにより光サーキュレータの
動作について説明する。なお、図面における各矩形部分
は、それぞれの光学素子の出射面を表している。

【００１６】図２は、外側のポートから中央のポート
へ光が伝送される状態を示している。ポートからの
光は、第１の複屈折素子１２で常光と異常光に分離さ
れ、ファラデー回転子１６及び１／２波長板１８を通過
する。その際、異常光は偏波面が９０度回転するが、常
光は偏波面が元の状態に戻るため結果的に回転しない。
第２の複屈折素子１４に対しては異常光になるので、光
は光路シフトして進む。１／４波長板３２では直線偏波
が円偏波に変換され、ミラー３４で反射した戻り光は、
１／４波長板３２で再び直線偏波に変換される。結局、
１／４波長板３２では、光が往復する間に偏波面が９０
度回転し、第２の複屈折素子１４に対しては常光とな
る。それぞれの光ビームは、１／２波長板１８及びファ
ラデー回転子１６で偏波面が一方は９０度回転するが、
他方は回転しない。そして、第１の複屈折素子１２で常
光と異常光が合成さて１本の光ビームとなり、中央のポ
ートに出射する。このようにポートからの出射光は
ポートに結合し、ポートには戻らないし、ポート
にも結合しない。

【００１７】図３は、中央のポートから外側のポート
へ光が伝送される状態を示している。この場合も前記
ポートからポートへ光が伝送される状態と全く同様
である。ポートからの光は、第１の複屈折素子１２で
常光と異常光に分離され、ファラデー回転子１６及び１
／２波長板１８を通過する。その際、異常光は偏波面が
９０度回転するが、常光は偏波面が元の状態に戻るため
結果的に回転しない。第２の複屈折素子１４に対しては
異常光になるので、光は光路シフトして進む。１／４波
長板３２では直線偏波が円偏波に変換され、ミラー３４
で反射した戻り光は、再び１／４波長板３２で直線偏波
に変換される。結局、１／４波長板３２では、光が往復
する間に偏波面が９０度回転し、第２の複屈折素子１４
に対しては常光となる。それぞれの光ビームは、１／２
波長板１８及びファラデー回転子１６で偏波面が一方は
９０度回転するが、他方は回転しない。そして、第１の
複屈折素子１２で常光と異常光が合成さて１本の光ビー
ムとなり、外側のポートに出射する。このようにポー
トからの出射光はポートに結合し、ポートには戻
らないし、ポートにも結合しない。

【００１８】ポートから光が出射しても、光サーキュ
レータ本体部分等を通過し、ミラーで反射されて、再度
光サーキュレータ本体部分等を通過するという光路を辿
って戻ってくることはできるが、結合するポートが存在
しない。従って、ポート及びには結合しない。

【００１９】図１に示す実施例では、偏波面を往復で９
０度回転させる偏波回転素子として１／４波長板を使用
しているが、それに代えて４５度ファラデー回転子を用
いることもできる。光がファラデー回転子→ミラー→フ
ァラデー回転子と往復する間に、偏波面を９０度回転さ
せることができる。

【００２０】入出射部２０の詳細について、図４により
説明する。前述のように入出射部２０は、３本のファイ
バ２２を１個のフェルールに収めた３芯フェルール２４
と、それら３本のファイバ２２に対して共通の１個のフ
ァイバ結合用レンズ２６と、光路補正素子２８との配列
からなる。光路補正素子２８は、外側のファイバからの
出射光がレンズ２６によって斜めの平行ビームになった
ものを光軸に平行なビームにすると共に戻り光のうちの
オフセットしている（光軸から離れている）光軸に平行
なビームをレンズ２６へ斜めに入射させて外側のファイ
バに結合させる機能を果たすものである。また光路補正
素子２８は、中央のファイバからレンズ２６の中心に向
かう出射光を、そのまま角度変化無しに光軸に沿った平
行ビームにし、戻り光のうちレンズ２６の中心に向かう
光軸に沿った平行ビームも、そのまま角度変化無しに中
央のファイバへ入射させて結合する機能も有する。光路
補正素子２８としては、両側の平行ビームに対してはそ
れぞれ傾斜面を透過し、中央の平行ビームに対しては垂
直面を透過するプリズムを用いる。ここでは直方体（正
方形平板体）の平行で且つ隣接する２稜線部分を斜めに
切り落として斜面としたような形状の一体構造のプリズ
ムを用いているが、断面台形状のプリズムでもよい。

【００２１】３本のファイバ２２を収めた３芯フェルー
ル２４（両側の２芯の間隔をｘとする）からの出射光
は、光軸が互いに平行に、それぞれ広がりをもって出射
する。レンズ２６を通過すると、中心からのオフセット
に対応した角度αが生じる。レンズ２６の焦点距離をｆ
とすると、この角度αは、レンズの中心軸に対してα＝
tan^-1（ｘ／ｆ）である。プリズムは、この斜めの光を
光軸に平行なビームにする機能を果たす。プリズムの傾
斜面の角度Ａが、屈折率をｎとしたとき、 Ａ＝ sin^-1（ｎ・sin(Ａ− sin^-1(sinα／ｎ)) の関係が成り立つときに０度（平行ビーム）となる。例
えば、プリズムに屈折率１．５の材料（例えばＢＫ７
材、波長１．５５μｍ）を用いたとすると、角度Ａ≒２
・αのときに光軸に平行となる。またレンズ２６と光路
補正素子２８との距離は、ビーム間隔ｄがビームウエス
ト径（現在、通常約５０μｍ）の６倍低度となるように
設定しておけば、隣接ポートへの漏れ光は−５０ｄＢ以
下となることが期待できる。

【００２２】このような３芯フェルール２４、共通の単
一レンズ２６及び光路補正素子２８の組み合わせを前記
の光サーキュレータ本体部分１０に適用して図１のよう
な構成にすると、３ポート全てを同時に調整できるし、
各光学素子は、ビーム径の６倍程度の距離に対応した有
効径、厚さで済むため、著しい小型化が可能となる。例
えば前記のように複屈折素子としてルチルを使用し、そ
の光学軸が４５度光軸から傾いているとすると、複屈折
素子の厚さ（光軸方向の長さ）の１／１０程度の光路シ
フト量が得られる。この光路シフト量も、ビームウエス
ト径の６倍程度あればよいので、ビームウエスト径を５
０μｍとすれば、複屈折素子は３mm程度の厚さで、１．
５mm角程度の有効径があればよいことになる。更に本発
明では、反射型で光の往復を利用しているために、光サ
ーキュレータ本体部分も短縮化される。これらのことか
ら、従来技術に比べて大幅な小型化（短縮化及び細径
化）を図ることが可能となる。

【００２３】また上記の実施例では、光路補正素子とし
て一体構造のプリズムを使用しているが、図５に示すよ
うに２個のプリズムの組み合わせでもよい。この光路補
正素子は、中央の間隙をおいて対称的に配置した２個の
楔形状のプリズム２９の組み合わせである。楔形状のプ
リズム２９に代えて直角三角形プリズムを用いてもよ
い。外側のファイバからの出射光は、レンズ２６を通っ
て平行ビームになるが、斜めに出射する。この斜めの出
射ビームが楔形状のプリズム２９を通過する際に、その
斜面で屈折して、光軸に平行なビームとなる。中央のフ
ァイバからの出射光は、レンズ２６中心を通って平行ビ
ームになり出射する。この出射ビームは、そのまま２個
の楔形状のプリズム２９同士の隙間を通過することにな
る。なお、戻り光（ファイバへの入射光）も、同様に、
オフセットしている光軸に平行なビームはプリズムで屈
折して外側のファイバと結合し、オフセットしていない
ビームはプリズム同士の間隙を通過して中央のファイバ
と結合する。

【００２４】この光路補正素子の構成は、部品点数は多
くなるが、同一形状のプリズムを組み合わせればよいた
め、大きなコストアップにはならない。また中央のビー
ムはプリズム内に入らないので、迷光などの影響を受け
難くなる利点が生じる。

【００２５】図６は、本発明の他の実施例を示す説明図
である。図１における入出射部寄りの複屈折素子を２等
分割し、それら両複屈折素子片４２，４４の間に１／２
波長板４６を挿入したものである。符号４０で示した部
分が、図１において複屈折素子１２であった部分であ
る。それ以外の構成は図１と同じであってよいので、そ
れらについては対応する部品について同一符号を付し、
説明は省略する。複屈折素子片４２、１／２波長板４
６、及び複屈折素子片４４の組み合わせが、１個の複屈
折素子として機能し、これによって、往路、復路ともに
光路長が等しくなり、偏波分散が生じなくなる。つまり
２個の複屈折素子片間で１／２波長板４６によって偏波
の入れ替えを行って、光路長差を零にしているのであ
る。

【００２６】図７に示すように、第１の複屈折素子片４
２においては、常光ｏと異常光ｅとに分離され、１／２
波長板４６で偏波面が９０度回転する。分割した第２の
複屈折素子片４４では、異常光ｅと常光ｏの関係に反転
し、更に大きく分離する。２個の複屈折素子片４２，４
４の厚さ（光軸方向長さ）を同一に（図１に示す複屈折
素子１２の厚さの丁度半分）に設定し、光学軸は光軸中
心に１８０度回転した関係にすると、分離した光ビーム
の往路と復路での光路長は同一となり、偏波分散の無い
（分散補償方式の）反射型光サーキュレータが構成でき
る。確かに部品点数は増加するが、分割した複屈折素子
片４２，４４は図１の複屈折素子１２の半分の寸法でよ
いため１／２波長板４６を間に挿入しても、寸法的には
さほど増加しないし、大幅なコストアップにもならずに
済む。

【００２７】なお上記の各実施例では、３本のファイバ
を有する３芯フェルールを用いた場合であるが、必要が
あれば、４本以上のファイバを並設した多芯フェルール
を用いて多ポート光サーキュレータを構成することもで
きる。

【００２８】

【発明の効果】本発明は上記のように、光サーキュレー
タ本体部分の一方の端部に偏波回転素子と反射体を組み
込み反射型としたことによって、実質的に２段型の高ア
イソレーションを得ながら、部品点数を低減できるし、
長さ寸法を短縮できる効果が生じる。また多芯フェルー
ルを使用して多ポートにし、それ対して共通のレンズを
組み合わせ、光路補正素子で光路を適正に修正している
ので、その点でも部品点数が少なく済み、且つ同時に多
ポート分の組み立てが行えるために組立工数の削減を図
ることができる。更に、ビーム間隔を非常に狭くできる
ために、使用する光学素子の厚さ（光軸方向長さ）及び
光軸に垂直な断面積が小さくてよく、光サーキュレータ
の著しい小型化（長さ寸法の短縮と細径化）が可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る反射型光サーキュレータの一実施
例を示す全体構成図。

【図２】そのポート→ポートの動作説明図。

【図３】そのポート→ポートの動作説明図。

【図４】入出射部の一例を示す説明図。

【図５】入出射部の他の例を示す説明図。

【図６】本発明に係る分散補償方式の反射型光サーキュ
レータの一実施例を示す全体構成図。

【図７】その要部の説明図。

【符号の説明】

１０ 光サーキュレータ本体部分 １２，１４ 複屈折素子 １６ ファラデー回転子 １８ １／２波長板 ２０ 入出射部 ２２ ファイバ ２４ ３芯フェルール ２６ レンズ ２８ 光路補正素子 ３０ 反射部 ３２ 偏波回転素子 ３４ ミラー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 増田 昭宏 東京都港区新橋５丁目36番11号 富士電気 化学株式会社内 (72)発明者 徳増 次雄 東京都港区新橋５丁目36番11号 富士電気 化学株式会社内 Ｆターム(参考） 2H099 BA06 CA06 CA07 CA08

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２個の複屈折素子と、それらの間に挿入
   した４５度ファラデー回転子及び１／２波長板とを一列
   に配列し、更にその列の一端に入出射部を設け、前記の
   列の他端には、偏波面を往復で９０度回転させる偏波回
   転素子と反射体とを配列し、 前記入出射部は、３本以上のファイバを有する多芯フェ
   ルールと、それらに共通のファイバ結合用レンズと、フ
   ァイバからの出射光を光軸に平行なビームにすると共に
   戻り光である光軸に平行なビームをファイバへ結合させ
   る光路補正素子との配列からなることを特徴とする反射
   型光サーキュレータ。
2. 【請求項２】 偏波面を往復で９０度回転させる偏波回
   転素子が、１／４波長板である請求項１記載の反射型光
   サーキュレータ。
3. 【請求項３】 偏波面を往復で９０度回転させる偏波回
   転素子が、４５度ファラデー回転子である請求項１記載
   の反射型光サーキュレータ。
4. 【請求項４】 多芯フェルールとして３芯フェルールを
   用い、光路補正素子が、直方体の平行な隣り合う２本の
   稜線部分を斜めに切除した形状のプリズムあるいは台形
   状のプリズムである請求項１乃至３のいずれかに記載の
   反射型光サーキュレータ。
5. 【請求項５】 多芯フェルールとして３芯フェルールを
   用い、光路補正素子が、中央の間隙をおいて対称的に配
   置した２個の直角三角形又は楔形のプリズムの組み合わ
   せからなる請求項１乃至３のいずれかに記載の反射型光
   サーキュレータ。
6. 【請求項６】 入出射部寄りの複屈折素子を２分割し
   て、それら両複屈折素子片の間に１／２波長板を挿入し
   た配列とし、偏波分散を無くした請求項１乃至５のいず
   れかに記載の反射型光サーキュレータ。