JP2009168894A - 光アイソレータ - Google Patents

Abstract

【課題】
柱状のファラデー回転子を使いつつ、光軸調整の容易な光アイソレータを実現する。
【解決手段】
４５度ファラデー回転子１０の一側（入力側）に楔型複屈折板１２を配置し、他側（出力側）には、楔型複屈折板１２の複屈折軸とは４５度異なる複屈折軸を持つ楔型複屈折板１４を配置する。円筒型磁石１６は、光軸１０ａ方向に平行な磁界をファラデー回転子１０に印加する。楔型複屈折板１２の外側に光学的等方性物質からなるプリズム２０を配置し、楔型複屈折板１４の外側にも、光学的等方性物質からなるプリズム２２を配置する。プリズム２０は、光軸１０ａに関して楔型複屈折板１２の楔頂角とは反対側に鋭角の頂角を有する。同様に、プリズム２２は、光軸１０ａに関して楔型複屈折板１４の楔頂角とは反対側に鋭角の頂角を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光アイソレータに関する。

光通信では、不要な戻り又は反射を除去するために、光アイソレータが使用される。例えば、２本の光ファイバの間、又は光ファイバの端面に、光アイソレータが配置される。光ファイバ通信では、光信号の偏波状態は、一般に不定であるので、光アイソレータは、偏波無依存型であるのが好ましい。

図３は、そのような偏波無依存型光アイソレータの概略断面構成図を示す。４５度ファラデー回転子５０の一側（入射側）に偏光子５２を配置し、他側（出射側）には、偏光子５２の偏波面とは４５度回転した偏波面を持つ偏光子（または検光子）５４を配置する。円筒型磁石５６が、ファラデー回転子５０の光軸５０ａ（光アイソレータの中心軸）方向に平行な磁界をファラデー回転子５０に印加する。なお、しばしば、図３に示す光アイソレータの両側又は片側に集光レンズ又はコリメータレンズが配置される。勿論、図３に示す光アイソレータの両側又は片側に光ファイバ端面又はピグテイルの端面を近接配置することもある。

光ファイバとの結合を考慮する場合、戻り光又は反射光が入射側光ファイバのコアと光結合しないようにすることでも、光アイソレーションを実現できる。そのような用途では、偏光子５２，５４として、楔型の複屈折板又は偏波分離素子を使用することができる（特許文献１参照）。複屈折板の場合、複屈折の遅波軸又は速波軸が、偏光子の偏波面と対比または同視しうる。入射ビームと出射ビームを平行にするために、偏光子５４の楔の頂角を、光軸５０ａに関して、偏光子５２のそれとは逆の側に配置する。

光ファイバ通信では、波長１３００ｎｍから１６００ｎｍの範囲の光が使用される。ファラデー回転子５０としては、この波長帯で光透過性が高いビスマス系ガーネット等の磁気光学材料が使用される。この波長帯でファラデー回転子５０として使用されるビスマス系ガーネット等は、フェリ磁性体であることもあって、ヴェルデ常数が大きい。これにより、厚み（光軸方向の寸法）が１ｍｍ以下でも、４５度のファラデー回転を得ることができ、偏光子５２，５４の間隔を３ｍｍ以下にすることができた。この場合、ファラデー回転子５０を構成する磁気光学素子の断面のサイズ（ファラデー回転子５０の中心光軸５０ａに直交する方向の寸法）を、厚み（光軸５０ａ方向の寸法）よりも十分に大きくでき、レーザビームがファラデー回転子５０内で角度を持って進行しても、特に問題は生じない。
特公昭６１−０５８８０９号公報

近年、より短い１０００ｎｍ近辺の波長のレーザ光に対して、逆方向入射を防止する光アイソレータの需要が出てきている。この波長帯では、ビスマス系ガーネットは光吸収が大きく、使用が困難である。他方、この波長帯で光損失が少ない光学磁性材料の多くは常磁性体であり、ヴェルデ常数が大きくない。例えば、比較的ヴェルデ常数が大きいのが、テルビウムガリウムガーネットＴｂ_３Ｇａ_５Ｏ_１２（以下、ＴＧＧと略す）であるが、そのヴェルデ常数は０．１２分／Ｏｅ・ｃｍである。７５００Ｏｅの磁界を印加した場合に、４５度回転を得るには、３ｃｍの長さ（光軸方向の厚み）を必要とする。

ＴＧＧは地上に潤沢に存在する物質ではなく、希少である。従って、厚みが増せば、断面積（光軸に直交する方向の寸法）を小さくせざるを得ない。即ち、ファラデー回転子５０を、図４に示すように、光軸５０ａの方向のサイズに比べて相対的に断面積が小さい細長い円筒柱状又は角柱状にせざるを得ない。

長さに比較して断面積を小さくした場合、図５に示すように、ファラデー回転子５０の光軸５０ａに対して斜めの角度でレーザ光を偏光子５２に入射しないと、レーザ光は、ファラデー回転子５０の反対端面に到達できず、偏光子５４から外れてしまう。現実的に、直径数ｍｍで長さ３０ｍｍ以上の円柱内を通過できるように３次元空間で斜め入射角を調整するのは、容易ではない。偏光子５２に入射する光ビーム、又は、偏光子５４から出力される光ビームの光軸５０ａに対する偏れ角は、２度以内であるのが望ましい。

本発明は、このような要望を満たす光アイソレータを提示することを目的とする。

本発明に係る光アイソレータは、第１の楔型複屈折板と、当該第１の楔型複屈折板を透過した光が入射するファラデー回転子と、当該ファラデー回転子から出力される光が入射する楔型複屈折板であって、当該第１の楔型複屈折板に対して４５度、回転した偏波面を有する第２の楔型複屈折板とを具備する光アイソレータであって、当該第１の楔型複屈折板の外側に配置される等方性物質から成る第１のプリズム、及び、当該第２の楔型複屈折板の外側に配置される等方性物質から成る第２のプリズムの少なくとも一方を具備することを特徴とする。

本発明によれば、第１及び第２のプリズムの少なくも一方を具備することで、入射ビーム又は出射ビームの傾きを抑えつつ、ファラデー回転子内を伝搬する光ビームの傾きを小さくすることができる。これにより、ファラデー回転子として柱状のものを使用することが容易になる。

以下、図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施例の概略構成断面図を示す。４５度ファラデー回転子１０の一側（入力側）に楔型複屈折板１２を配置し、他側（出力側）には、楔型複屈折板１２の遅波軸（または速波軸）に対して４５度回転した遅波軸（または速波軸）を持つ楔型複屈折板１４を配置する。光アイソレータとしての動作上、複屈折板１２，１４の遅波軸又は速波軸は、偏光子の偏波面と対応する。楔型複屈折板１４の楔の頂角を、ファラデー回転子１０の光軸（光アイソレータの中心軸）１０ａに関して、楔型複屈折板１２のそれとは逆の側に配置する。円筒型磁石１６内にファラデー回転子１０を収容する。円筒型磁石１６は、光軸１０ａ方向に平行な磁界をファラデー回転子１０に印加する。円筒型磁石１６は、直流駆動されて必要な磁界を発生するコイルであってもよい。

本実施例では更に、楔型複屈折板１２の外側に光学的等方性物質からなるプリズム２０を配置する。楔型複屈折板１４の外側にも、光学的等方性物質からなるプリズム２２を配置する。プリズム２０，２２は具体的には、石英ガラスからなる。プリズム２０は、光軸１０ａに関して楔型複屈折板１２の楔頂角とは反対側に鋭角の頂角を有する。同様に、プリズム２２は、光軸１０ａに関して楔型複屈折板１４の楔頂角とは反対側に鋭角の頂角を有する。プリズム２０，２２の鋭角の頂角の角度は互いに等しい。楔型複屈折板１２の常光線と異常光線のどれもが、プリズム２０の入射ビームに対してファラデー回転子１０内で２度以内の傾きで伝搬するように、プリズム２０の鋭角の頂角を設定する。

例えば、波長１０６４ｎｍｍ用の光アイソレータとして、ファラデー回転子１０として直径５ｍｍ、長さ１５ｍｍのテルビウムガリウムガーネットの結晶を２本直列に並べたものとし、円筒型磁石１６により７，５００Ｏｅの磁界をファラデー回転子１０に印加して、波長１０６４ｎｍのレーザビームに対してファラデー回転角４５度を得るようにした。楔型複屈折板１２，１４として、楔角度が４度のルチルを採用する。

波長１０６４ｎｍでは、ルチルの屈折率は、異常光線に対して２．８２７、常光線に対して２．４８３であり、石英ガラスの屈折率は１．４５である。このとき、楔型複屈折板１２からファラデー回転子１０に入射してファラデー回転子１０内を伝搬する異常光線のレーザビームの角度が２度以内になるような、プリズム２２の鋭角の角度αは、１１．５８度以上である。また、常光線に対する同様条件でのプリズム２２の鋭角の角度αは、１６．８５度以下である。即ち、プリズム２２の鋭角の角度は、１１．５８度以上、１６．８５度以下であればよいことになる。

また、楔型複屈折板１２，１４と石英ガラスプリズム２０，２２とを設計上の正確な角度で成形又は加工した上で一枚のアルミナ平板３０，３２上に置き、エポキシ接着剤で、楔型複屈折板１２と石英ガラスプリズム２０、楔型複屈折板１４と石英ガラスプリズム２２とを相互に接着する。もちろん、接着剤は、光路上に残らないようにする。接着の際に、楔型複屈折板１２，１４と石英ガラスプリズム２０，２２間の角度を精密に調整しておく。これにより、本実施例の光アイソレータの組み立てと調整が容易になる。

図１に示す実施例では、出射光ビームの段階では、異常光線と常光線が互いに平行で分離している。その分離の距離が、出力側の光学素子との光結合、例えば、光ファイバのコアへの入射にとって無視できない場合、集光レンズを配置すればよい。

上記実施例では、図示しない光学素子からプリズム２２に入射する戻り光又は反射光は、その偏波がファラデー回転子１０で更に４５度回転され、最終的に入射ビームに対しては合計９０度回転した状態になる。このように９０度、偏波が回転したビームが偏光子１２に入射すると、偏光子１２から出力する段階では、２本の光ビームに分離し、その２本の光ビームは、入射光ビームの出力元とは離れた方向に出射される。これにより、高性能の光アイソレーションが実現される。

光軸調整が容易であれば、プリズム２０，２２の一方を省略してもよい。

異常光線の出射光ビームと常光線の出射光ビームを同軸上の１本の光ビームにまとめたい場合には、図２に示すように、プリズム２２の外側に、異常光線と常光線を合波する複屈折性結晶平板２４を配置すれば良い。複屈折性結晶平板２４は、偏光面が互いに垂直な２本の光ビームの離隔距離に応じた複屈折力を具備する通称サバール板からなる。２本のビームを含む面が偏光面と平行または垂直な場合には、１枚のサバール板でよい。

また、この実施例では、ファラデー回転子１０を光軸１０ａの方向で、必要な長さの半分の長さを有するファラデー回転子２６ａ，２６ｂに２分割し、円筒型磁石１６を光軸１０ａの方向に３つの円筒型磁石１６ａ，１６ｃ，１６ｂに分割する。そして、円筒型磁石１６ａ内にファラデー回転子２６ａを配置し、円筒磁石１６ｂ内にファラデー回転子２６ｂを配置する。

後述する光軸１０ａ方向の移動のために、円筒磁石１６ａとファラデー回転子２６ａを一体にし、円筒磁石１６ｂとファラデー回転子２６ｂを一体にする。円筒型磁石１６ａ，１６ｂの磁化方向を同じとし、円筒型磁石１６ｃの磁化方向を円筒型磁石１６ａ，１６ｂのそれとは逆にする。そして、円筒型磁石１６ａと円筒型磁石１６ｃとの間の距離、及び／又は、円筒型磁石１６ｂと円筒型磁石１６ｂとの距離を調節自在とする。即ち、円筒型磁石１６ａ，１６ｃ，１６ｂのいずれを光軸１０ａの方向に移動自在とする。

円筒型磁石１６ａと円筒型磁石１６ｃとの間の距離、及び／又は、円筒型磁石１６ｂと円筒型磁石１６ｃとの距離を調節することで、ファラデー素子２６ａ，２６ｂに印加される磁界強度を調節でき、これにより、ファラデー素子２６ａ，２６ｂ自体の厚み（光軸１０ａ方向の長さ）を調節することなしに、４５度のファラデー回転を得ることが可能になる。逆極性の円筒型磁石１６ｃを近接配置することで、ファラデー素子２６ａ，２６ｂに印加される磁界を強めることができる。

特定の説明用の実施例を参照して本発明を説明したが、特許請求の範囲に規定される本発明の技術的範囲を逸脱しないで、上述の実施例に種々の変更・修整を施しうることは、本発明の属する分野の技術者にとって自明であり、このような変更・修整も本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明の実施例１の概略構成断面図である。 本発明の実施例２の概略構成断面図である。 従来例の概略構成断面図である。 円筒状又は柱状のファラデー回転子を使用する従来例とその光線配置を示す図である。 従来例の光アイソレータに斜め入射した場合の光線図である。

符号の説明

１０：４５度ファラデー回転子
１０ａ：光軸
１２，１４：楔型複屈折板
１６，１６ａ，１６ｂ，１６ｃ：円筒型磁石
２０，２２：プリズム
２４：複屈折性結晶平板
２６ａ，２６ｂ：ファラデー回転子
３０，３２：アルミナ平板
５０：４５度ファラデー回転子
５０ａ：光軸
５２，５４：偏光子
５６：円筒型磁石

Claims (3)

1. 第１の楔型複屈折板（１２）と、
   当該第１の楔型複屈折板を透過した光が入射するファラデー回転子（１０）と、
   当該ファラデー回転子から出力される光が入射する楔型複屈折板であって、当該第１の楔型複屈折板に対して４５度、回転した偏波面を有する第２の楔型複屈折板（１４）
   とを具備する光アイソレータであって、
   当該第１の楔型複屈折板（１２）の外側に配置される等方性物質から成る第１のプリズム（２０）、及び、当該第２の楔型複屈折板（１４）の外側に配置される等方性物質から成る第２のプリズム（２２）の少なくとも一方を具備する
   ことを特徴とする光アイソレータ。
2. 当該第１の楔型複屈折板（１２）の外側に配置される等方性物質から成る第１のプリズム（２０）、及び、当該第２の楔型複屈折板（１４）の外側に配置される等方性物質から成る第２のプリズム（２２）の両方を具備することを特徴とする請求項１に記載の光アイソレータ。
3. 更に、当該第２のプリズム（２２）の外側に配置され、当該第１及び第２の楔型複屈折板（１２，１４）による２つの光ビームを合波する光合波手段（２４）を具備することを特徴とする請求項１又は２に記載の光アイソレータ。

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