JP2007148309A - 偏光可変素子を用いた光デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】 電気光学素子を利用した光デバイスは、高速な応答性などにより、産業上の利用価値は大きい。従来の技術では部品点数が多くデバイスサイズが大きい、駆動電圧が大きいなどの問題があり、使用部品点数の低減、デバイスの小型化、駆動電圧の低減が課題であった。
【解決手段】 本発明の光デバイスは、多芯フェルール３により固定された入力ファイバ１、出力ファイバ２１および２２と、コリメートレンズ４１，４２，４３、光を反射する反射素子１１から構成される反射構造とし、さらに、集光レンズ９と電気光学素子１０を備え、該電気光学素子１０は該集光レンズ９の集光点付近に設置される。該電気光学素子１０の電極は、電極間距離が集光部に近いほど小さくなるような構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気光学素子を利用し、小型かつ低電圧駆動が可能な光路切り替え用途の光デバイスに関する。

近年、光通信においては、ＦＴＴＨの普及によりユーザ数が増加しており、その影響からネットワークが複雑化している。光信号のルーティングを担う光スイッチは大規模、小規模ともに重要な光デバイス位置づけられている。

従来は、機械的にプリズムを動かして駆動するタイプ（特開２００３−１５０５９）や液晶の偏光変化を利用したタイプ（特表２００１−５０５６６８）などによる光スイッチが知られている。

特開２００３−１５０５９に記載されている光スイッチは、入出力ポートの間に光路変換用のプリズムを挿抜することにより、光路を切り替えている。プリズムの挿抜は、電磁力を利用して機械的に動かしている。

また、特表２００１−５０５６６８で記載されている光スイッチは、偏光子の役割を果たしている偏光分離素子に入力する光線の偏光を、液晶を利用してコントロールすることにより、光路の切り替えを行っている。

本発明が解決しようとしている課題

ネットワークの複雑化と共に、ルーティング速度の向上が求められている。しかし、上記機械駆動タイプや液晶タイプの光スイッチは切り替えに数十ミリ秒以上必要とする。マイクロ秒以下の高速応答可能な電気光学素子を利用した光デバイス（米国特許６４０４５３８号）も発明されているが、駆動電圧が数百Ｖと高いため実用が難しいという問題があった。

また、光ネットワークの複雑化に伴い、機器の巨大化が進行し、小型化が課題となっている。

本発明は、以上のような実情を鑑み、光デバイスの光学的構造および電気光学素子部の改良を図ることで、光デバイスの駆動電圧の低減、小型化を実現するものである。

課題を解決するための手段

上記課題を解決するため、本発明の光デバイスは、反射構造とし、素子を往路、復路で利用できるため、部品点数を約半減による、小型化、低コストが実現する。さらに電圧による外部信号を印加することにより透過光の偏光状態が変化する偏光可変素子として機能する電気光学素子を集光レンズの集光点付近に設置する。電気光学素子は、電極間距離が集光部に近いほど小さくなるような対向電極構造とするため、電極間距離を小さくでき、低電圧化が実現できる。

上記請求項１の光デバイスは、入力光ファイバと、複数の出力光ファイバと、該入力光ファイバから出力された光をコリメート光にするコリメートレンズと、該コリメートレンズから出力した光の直交する偏光成分を分離する第一の偏光分離素子と、該第一の偏光分離素子から出力した二つの分離光のうち片方の偏光を９０度回転する第一の偏光回転素子と、該第一の偏光回転素子から出力した該二つの光の偏光状態を変換する第一の偏光変換素子と、該第一の偏光変換素子から出力した該二つの光を集光する集光レンズと、該集光レンズの集光点付近に設置され、該集光レンズで集光された光を透過するとともに、その透過光の偏光を外部入力信号に応じて可変する偏光可変素子と、該偏光可変素子から出力する光を反射し再び偏光可変素子へ入力する反射素子と、第二の偏光変換素子と、該反射素子で反射し、偏光可変素子から出力する光の偏光状態により光路を変更できる第二の偏光分離素子と、該第二の偏光分離素子を出力した該二つの光うちの片方の偏光を９０度回転する第二の偏光回転素子と、偏光が直交する該二つの光を一つに合成する偏光合成素子と、該偏光合成素子から出力した光を該出力光ファイバに結合させる結合レンズにより構成される。

上記請求項２の光デバイスは、入力光ファイバと、複数の出力光ファイバと、該入力光ファイバから出力された光をコリメート光にするコリメートレンズと、該コリメート光の波面内成分のうち、該入力ファイバの中心と該出力ファイバの中心を結ぶ線と垂直な成分のみを集光する一方向集光レンズと、該コリメートレンズから出力した光の直交する偏光成分を分離する第一の偏光分離素子と、該第一の偏光分離素子から出力した二つの光のうち片方の偏光を９０度回転する第一の偏光回転素子と、該第一の偏光回転素子から出力した該二つの光の偏光状態を変換する第一の偏光変換素子と、該第一の偏光変換素子から出力した該二つの光の光路を変更する光路変換素子と、該集光レンズの集光点付近に設置され、該集光レンズで集光された光を透過するとともに、その透過光の偏光を外部入力信号に応じて可変する偏光可変素子と、該偏光可変素子から出力する光を反射し、再び偏光可変素子へ入力する反射素子と、第二の偏光変換素子と、該反射素子で反射し、偏光可変素子から出力する光の偏光状態により光路を変更できる第二の偏光分離素子と、該第二の偏光分離素子を出力した該二つの光うちの片方の偏光を９０度回転する第二の偏光回転素子と、偏光が直交する該二つの光を一つに合成する偏光合成素子と、該偏光合成素子から出力した光を該出力光ファイバに結合させる結合レンズにより構成される。

反射構造をとることにより、集光レンズを往路復路で兼用できることから部品点数による小型化だけでなく、コリメートレンズや入出力ファイバのアレイ化が可能になるなど構造的にも小型化を実現できる。さらには、入出力のファイバが同方向にそろっていることで、光デバイス実装の観点から、高密度実装が可能となり、光デバイスを搭載する装置の小型化に寄与することになる。

電気光学素子の電極間距離を小さくするほど、電界が効率的に印加されるため低電圧化が実現できる。しかし、電極間に光線を通す必要があることから、光線の径よりも電極間距離を小さくすることはできない。本発明ではコリメート光を集光し、その焦点付近に電気光学素子を配置することにより、電極間距離をコリメート光の径よりも遙かに小さくすることが可能となり、その結果、低電圧化が実現している。

上記の工夫により、「反射構造」による小型化、低コスト化と「集光」による低電圧化を両立させている。

上記の光デバイスでは、偏光可変素子が集光点付近に配置されることが特徴となっているため、偏光可変素子の電極を、集光される光線の形状に応じて、その電極間距離が集光点に近いほど狭く、離れるほど広くするような形状とすることができる。従って、最も広い光線幅に合わせて設定する必要のある平行電極の時よりもさらに低電圧化が実現できる。上記の構成は、「反射構造」と「集光」の組み合わせにより得られる小型化、低電圧化のメリットに加え、さらなる低電圧化の価値を付加するものである。

なお、本発明に記載されている、「集光点付近」とは、集光点から±１ｍｍ以内の範囲とする。

発明の効果

以上のように、本発明によれば、光ファイバの光路切り替えを、高速、低電圧駆動、小型な光デバイスにより実現可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図面にもとづいて説明する。

図１は、本発明にかかる光デバイスの第一の実施形態を示す構成図である。多芯フェルール３で固定された入力ファイバ１、出力ファイバＡ２１、出力ファイバＢ２２、入力ファイバに対応したコリメートレンズ４１、出力ファイバＡに対応したコリメートレンズ４２，出力ファイバＢに対応したコリメートレンズ４３、第一偏光分離素子および偏光合成素子として機能する平行平板型複屈折性結晶素子５、第一の偏光回転素子および第二の偏光回転素子として機能するλ／２板６１、第二の偏光回転素子として機能するλ／２板６２第二の偏光分離素子として機能する平行平板型複屈折性結晶素子７、第一の偏光変換素子および第二の偏光変換素子として機能するλ／２板８、集光レンズとして機能するレンズ９、偏光可変素子として機能する電気光学素子１０、反射素子として機能する電気光学素子に成膜された全反射膜１１から構成されている。

ここで、反射構造を採用していることから、第一偏光分離素子と偏光合成素子、第一の偏光変換素子と第二の偏光変換素子が、それそれ一つの素子で兼用されている。

平行平板型複屈折性結晶素子５および平行平板型複屈折性結晶素子７の材料としてはルチルを使用し、λ／２板６１、λ／２板６２およびλ／２板７の材料としては水晶を使用しているが、同様の機能を有する素子であれば材料は限定しない。本実施例では、電気光学素子１０として、一対の電極１０２に挟まれた電気光学結晶１０１を使用しており、電気光学結晶としては［化１］（Ｐｂ_１−ｘ，Ｌａ_ｘ）（Ｚｒ_ｙ，Ｔｉ_ｚ）_{１−ｘ／４}Ｏ_３で表記されるＰＬＺＴを用いている。コリメートレンズ４１、コリメートレンズ４２、コリメートレンズ４３やレンズ９は非球面レンズが好ましいが、球レンズやＧＲＩＮレンズなどで置き換えることは可能である。また、第一の偏光回転素子および第二の偏光回転素子は、λ／２板としているが、９０°回転するファラデー回転子に置き換えることが可能である。さらには、第一の偏光変換素子および第二の偏光変換素子は、λ／２板としているが、４５°回転するファラデー回転子に置き換えることが可能である。

まずは、一対の電極１０２に挟まれた電気光学結晶１０１で構成されている電気光学素子１０から成る偏光可変素子の挙動について説明する。

偏光可変素子として、ＰＬＺＴを使用する場合、二次の電気光学効果であるカー効果が大きいことが好ましい。大きいカー効果とは、カー定数が１×１０−１６（ｍ／Ｖ）^２以上とする。［化１］（Ｐｂ_１−ｘ，Ｌａ_ｘ）（Ｚｒ_ｙ，Ｔｉ_ｚ）_{１−ｘ／４}Ｏ_３で表記されるＰＬＺＴの組成のうち、（ｘ、ｙ、ｚ）＝（９，６５，３５）程度が適した組成となる。カー効果の大きなＰＬＺＴでは、電圧印加方向とそれと垂直な方向で位相差が生じることにより偏光を可変する機能を持たせることができる。詳細は後述するが、光路の切り替えを行うためには、位相差は０°から１８０°まで変化することが必要となる。一例として、ＰＬＺＴ結晶を使用しているが、同様の効果を有する素子であれば、置き換えは可能である。

図２に電気光学素子１０から成る偏光可変素子の実施例を示す。ＰＬＺＴ材料からなる電気光学結晶１０１が互いに平行な電極１０２に挟まれた構造になっている。入力光線波長をλ、印加電圧をＶ、ＰＬＺＴの屈折率をｎ、ＰＬＺＴのカー定数をＲ、電極間距離をｄ、ＰＬＺＴ素子長をＬとすると、ＰＬＺＴ素子透過前後における電界と平行な偏光成分、それと垂直な偏光成分間の位相差は下記のように表すことができる。

λ＝１．５５μｍ、ｎ＝２．５、Ｒ＝８×１０^−１６（ｍ／Ｖ）^２、電極間距離ｄを６０μｍ、ＰＬＺＴ素子長Ｌを０．８ｍｍとした場合、位相差が１８０°となる半波長電圧は、２４Ｖ程度となる。

図３は、別の形態の偏光可変素子の実施例を示す構成図である。電極１０１がハの字状の電気光学素子１０で構成されており、焦点付近が電極間距離が狭く、焦点から離れるほど電極間距離を広くしている。広口部ｄ１を６０μｍ、狭口部ｄ２を３０μｍとし、ＰＬＺＴ素子長Ｌを１ｍｍとしたとき、図２の実施形態と比較して、電極構造により光線に対して効率的に電界が印加できるため、半波長電圧を１６Ｖ近くに低減することができる。

図４は、さらに別の形態の実施例を示す構成図である。電極１０２をステップ形状にして電極間距離を変える構造となっている。低電圧効果はステップ数によるが、図４のように３段構成として、広口部ｄ１を６０μｍ、中間部ｄ２を４０μｍ、狭口部ｄ３を３０μｍにした場合、半波長電圧は１７Ｖ近くとなり、図３の実施例とほぼ同等の低電圧化が可能になる。

次に、図１を用いて、上記の可変偏光素子を使用した光デバイスの第一の実施形態における、入力ファイバ１から出力ファイバＡ２１、出力ファイバＢ２２に至る光路および光路切り替えの原理について説明する。入力ファイバ１を出射した光線は、コリメートレンズ４１を経てコリメート光となり、ルチルから成る平行平板型複屈折性結晶素子５に入射して、ｘ方向に振動する直線偏光光線ｏ（常光）、ｙ方向に振動する直線偏光光線ｅ（異常光）に偏光分離される。ここで、ｘ軸は入出力ファイバの中心を結ぶ方向、ｙ軸は光線進行方向に垂直かつｘ軸に垂直な方向、ｚ軸は光線進行方向と定義する。光学軸は平行平板型複屈折性結晶素子５、平行平板型複屈折性結晶素子７ともにｘｚ平面内であり、同じ方向とする。光線ｅは、λ／２板６１を透過して光線ｏと同じ直線偏光に変換される。ここでλ／２板６１の光学軸は、ｘ軸と４５°の角度をなす方向とする。
平行平板型複屈折性結晶素子７を透過した２本の光線はλ／２板８を透過することにより、ｘ方向に対し４５°の直線偏光に変換される。ここでλ／２板８の光学軸は、ｙ軸と２２．５°の角度をなす方向とする。２本の光線はほぼ平行であるため、レンズ９によりで同一点上に集光される。電気光学素子１０の光線入力面と反対面に施された全反射膜が反射素子１１として作用するため、光線は電気光学素子１０の光線入力面から再び出力される。ここで、全反射素子１１はレンズ９の焦点位置に配置するのが望ましい。

電気光学素子１０に電圧が印加されない場合、電気光学素子１０を透過する前後で光線の偏光状態に変化は無い。２本の光線がλ／２板８を透過することにより、往路と同じ常光状態で平行平板型複屈折性結晶素子７に入力するため、光線ｏｏおよびｅｏとなる。光線ｏｏはλ／２板６２を透過することにより偏光が９０°回転するため、平行平板型複屈折性結晶素子５では異常光として振舞う。一方、光線ｅｏはλ／２板６１およびλ／２板６２を透過しないため、平行平板型複屈折性結晶素子５では常光として振舞う。その結果、光線ｏｏと光線ｅｏは一つの光線として偏波合成され、コリメートレンズ４３により出力ファイバＢ２２に結合する。
ここで、全反射素子１１はレンズ９の焦点位置に配置するのが望ましい。

電気光学素子１０に往復で偏光が９０°変わる電圧が印加された場合、電気光学素子１０を透過する前後で光線の偏光状態は９０°変わる。２本の光線がλ／２板８を透過することにより、往路と９０°異なる常光状態で平行平板型複屈折性結晶素子７に入力するため、光線ｏｅおよびｅｅとなる。光線ｅｅはλ／２板６１を透過することにより偏光が９０°回転するため、平行平板型複屈折性結晶素子５では常光として振舞う。一方、光線ｏｅはλ／２板６１およびλ／２板６２を透過しないため、平行平板型複屈折性結晶素子５では異常光として振舞う。その結果、光線ｏｅと光線ｅｅも一つの光線として偏波合成され、コリメートレンズ４２により出力ファイバＡ２１に結合する。

図５はｘ軸方向から、見た場合の光路図である。電気光学素子１０においては、レンズ９により集光された光線が入力しているため、集光しない場合と比較して、ｙ方向の電極間距離を小さくすることを可能としている。

図６は、本発明にかかる光デバイスの第二の実施形態を示す構成図である。多芯フェルール３で固定された入力ファイバ１、出力ファイバＡ２１、出力ファイバＢ２２、入力ファイバに対応したコリメートレンズ４１、出力ファイバＡに対応したコリメートレンズ４２，出力ファイバＢに対応したコリメートレンズ４３、一方向集光レンズとして機能するシリンドリカルレンズ１２、第一偏光分離素子および偏光合成素子として機能する平行平板型複屈折性結晶素子５、第一の偏光回転素子および第二の偏光回転素子として機能するλ／２板６１、第二の偏光回転素子として機能するλ／２板６２第二の偏光分離素子として機能する平行平板型複屈折性結晶素子７、第一の偏光変換素子および第二の偏光変換素子として機能するλ／２板８、光路変換素子として機能するプリズム１３、偏光可変素子として機能する電気光学素子１０、反射素子として機能する電気光学素子に成膜された全反射膜１１から構成されている。

光路切り替えの原理は、図１記載の第一の実施例と同様となる。

本実施例では、該シリンドリカルレンズ１２は、電気光学素子１０付近に設置しているが、コリメートレンズ４１から４３とプリズム１３の間であればどこに設置しても構わない。

該シリンドリカルレンズ１２の焦点距離が小さい方が、電気光学素子１０における集光サイズが小さくなり、電極間距離を小さくできるため、できるだけ電気光学素子１０に近い位置が低電圧化には有利である。

一方で、図７に示すように、該コリメートレンズ近くに該シリンドリカルレンズ１２を設置する場合、該コリメートレンズと該シリンドリカルレンズを一体化した成型レンズ１４を使用できるため、調整個所が減り、製造が容易になる利点がある。

また、第一の偏光変換素子と第二の偏光変換素子として機能するλ／２板８の代わりにλ／４板を使用することも可能である。この場合の光路は図７に示されるように、上記図５の場合とは逆に、電圧印加しない時に出力ファイバＡ２１に結合し、該電気光学素子１０に往復で偏光が９０°変わる電圧が印加された時に出力ファイバＢ２２に結合する。

図８から図９は、上記第一の実施例及び第二の実施例において、出力ファイバＢと出力ファイバＢに対応するコリメートレンズを取り外した第三および第四の光デバイスの実施例を示している。いずれの実施例も、光スイッチではなく、電圧印加に応じて出力ファイバへの結合光量が可変できる可変光減衰器や光シャッターとして機能する光デバイスとなる。

図１０から図１１は、上記第一の実施例及び第二の実施例において、出力ファイバＢの位置にフォトダイオード１５を配置した第五および第六の光デバイスの実施例を示している。第三および第四の実施例と同様に可変光減衰器や光シャッターとして機能する光デバイスであるが、出力光以外の光量をフォトダイオード１５でモニタして、入力光量とモニタ光量の差分をとることにより、出力光の光量をモニタすることが可能になる。

第一の実施例から第六の実施例は、電圧の印加方法により、可変光減衰器、光シャッター、変調器として機能させることができる。

また、上記図１、図６、図８〜図１１に示す光デバイスの実施例では、コリメートレンズとして機能する非球面レンズの焦点距離は０．７ｍｍ、集光レンズとして機能するレンズの焦点距離は０．７ｍｍ、シリンドリカルレンズの焦点距離は０．７ｍｍとしている。また、ＰＬＺＴから成る電気光学素子１０は、図２から図４のいずれかの実施例で示された素子を使用する。入力ファイバ、出力ファイバはともに、シングルモードファイバとするが、マルチモードファイバや偏波保持ファイバとすることも可能である。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されず、発明の趣旨を逸脱しない範囲における変形による実施は可能である。

本発明によれば、光スイッチ、可変光減衰器や光シャッター、光変調器が実現できるため、光通信機器として利用することが可能である。

本発明の第一の実施形態としての光デバイスの構成を示す上面図である。 本実施形態の可変偏光素子の一実施形態を示す図である。 本実施形態の可変偏光素子の別の実施形態を示す図である。 本実施形態の可変偏光素子の別の実施形態を示す図である。 本発明の第一の実施形態としての光デバイスの構成を示す側面図である。 本発明の第二の実施形態としての光デバイスの構成を示す上面図である。 本発明の第二の実施形態としての光デバイスの別構成を示す上面図である。 本発明の第三の実施形態としての光デバイスの構成を示す上面図である。 本発明の第四の実施形態としての光デバイスの構成を示す上面図である。 本発明の第五の実施形態としての光デバイスの構成を示す上面図である。 本発明の第六の実施形態としての光デバイスの構成を示す上面図である。

符号の説明

１ 入力ファイバ
２１，２２，２３ 出力ファイバ
３ 多芯フェルール
４１，４２，４３ コリメートレンズ
５，７ 平行平板型複屈折性結晶素子
６１，６２，８ λ／２板
９ 集光レンズ
１０ 電気光学素子
１０１ ＰＬＺＴ
１０２ 電極
１１ 反射素子

Claims (6)

1. 入力光ファイバと、
   出力光ファイバと、
   該入力光ファイバから出力された光をコリメート光にするコリメートレンズと、
   該コリメートレンズから出力した光の直交する偏光成分を分離する第一の偏光分離素子と、
   該第一の偏光分離素子から出力した二つの分離光のうち片方の偏光を９０度回転する第一の偏光回転素子と、
   該第一の偏光回転素子から出力した該二つの光の偏光状態を変換する第一の偏光変換素子と、
   該第一の偏光変換素子から出力した該二つの光を集光する集光レンズと、
   該集光レンズの集光点付近に設置され、該集光レンズで集光された光を透過するとともに、その透過光の偏光を外部入力信号に応じて可変する偏光可変素子と、
   該偏光可変素子から出力する光を反射し再び偏光可変素子へ入力する反射素子と、
   第二の偏光変換素子と、
   該反射素子で反射し、偏光可変素子から出力する光の偏光状態により光路を変更できる第二の偏光分離素子と、
   該第二の偏光分離素子を出力した該二つの光うちの片方の偏光を９０度回転する第二の偏光回転素子と、
   偏光が直交する該二つの光を一つに合成する偏光合成素子と、
   該偏光合成素子から出力した光を該出力光ファイバに結合させる結合レンズとを備えたことを特徴とする光デバイス。
2. 入力光ファイバと、
   出力光ファイバと、
   該入力光ファイバから出力された光をコリメート光にするコリメートレンズと、
   該コリメート光の波面内成分のうち、該入力ファイバの中心と該出力ファイバの中心を結ぶ線と垂直な成分のみを集光する一方向集光レンズと、
   該コリメートレンズから出力した光の直交する偏光成分を分離する第一の偏光分離素子と、
   該第一の偏光分離素子から出力した二つの光のうち片方の偏光を９０度回転する第一の偏光回転素子と、
   該第一の偏光回転素子から出力した該二つの光の偏光状態を変換する第一の偏光変換素子と、
   該第一の偏光変換素子から出力した該二つの光の光路を変更する光路変換素子と、
   該集光レンズの集光点付近に設置され、該集光レンズで集光された光を透過するとともに、その透過光の偏光を外部入力信号に応じて可変する偏光可変素子と、
   該偏光可変素子から出力する光を反射し、再び偏光可変素子へ入力する反射素子と、
   第二の偏光変換素子と、
   該反射素子で反射し、偏光可変素子から出力する光の偏光状態により光路を変更できる第二の偏光分離素子と、
   該第二の偏光分離素子を出力した該二つの光うちの片方の偏光を９０度回転する第二の偏光回転素子と、
   偏光が直交する該二つの光を一つに合成する偏光合成素子と、
   該偏光合成素子から出力した光を該出力光ファイバに結合させる結合レンズを備えることを特徴とする光デバイス。
3. 請求項２に記載の光デバイスにおける、該コリメートレンズと該一方向集光レンズと該結合レンズが一つのレンズで兼用されることを特徴とする光デバイス。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の光デバイスにおける該出力光ファイバに替えてフォトダイオードを設置することを特徴とする光デバイス。
5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載の光デバイスにおける該偏光可変素子が、光線方向および該入力ファイバの中心と該出力ファイバの中心とを結ぶ方向と垂直な方向において対向する電極に挟まれた電気光学素子であることを特徴とする光デバイス。
6. 請求項１から請求項５のいずれかに記載の光デバイスの該偏光可変素子において、該対向する電極の電極間距離が、一定ではなく、光の焦点付近で最も小さくなるような構造であることを特徴とする光デバイス。

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