JP2777262B2 - 光アイソレータ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、光通信等に用いられる光アイソレータ装置
の構成に関するものである。

（従来の技術） 第２図は、くさび形複屈折結晶と45度ファラデー回転
子からなる従来の光アイソレータ装置の構成図であっ
て、同図の（ａ）は１段構成の場合を、同図の（ｂ）は
２段構成の場合をそれぞれ示している（特公昭61−5881
1号公報 参照）。また、第３図の（ａ）および（ｂ）
は、１段構成の光アイソレータ装置の動作を、第４図の
（ａ）および（ｂ）は２段構成の光アイソレータ装置の
動作を説明するための図である。

第２図乃至第４図において、F1,F2は光ファイバ、L1,
L2は光学レンズ、B1,B2,B3,B4はくさび形複屈折結晶、R
1,R2は45度ファラデー回転子である。さらに、第３図お
よび第４図中（ア），（イ），（ウ），（エ），（オ）
は光軸に対して垂直な面での通過点における光線の分布
状態を、C_B1〜C_B4はくさび形複屈折結晶B1〜B4の光学軸
をそれぞれ示している。

従来の光アイソレータ装置において、１段構成の場合
は、くさび形複屈折結晶B1およびB2間に45度ファラデー
回転子R1を配置し、かつ、くさび形複屈折結晶B2の光学
軸をくさび形複屈折結晶B1の光学軸に対して偏光の回転
と同じ方向に45度回転させて構成されている。

また、同じく２段構成の場合は、くさび形複屈折結晶
B1およびB2間に45度ファラデー回転子R1を配置した１段
目の光アイソレータと、くさび形複屈折結晶B3およびB4
間に45度ファラデー回転子R2を配置した２段目の光アイ
ソレータとを直列に配置し、かつ、１段目の光アイソレ
ータのくさび形複屈折結晶の傾斜方向と２段目の光アイ
ソレータとくさび形複屈折結晶の傾斜方向とを90度ずら
して構成されている。

次に、上記構成による動作を第３図および第４図を用
いて説明する。

まず、第３図に基づいて１段構成の光アイソレータ装
置の動作を説明する。

光線の伝搬方向が光ファイバF1からF2の方向（以下、
順方向という）の場合、第３図の（ａ）に示すように、
光ファイバF1からレンズL1を経由してくさび形複屈折結
晶B1に入射した光線が、くさび形複屈折結晶B1を通過す
るとき常光線ｏと異常光線ｅとに分離され、異なる角度
で屈折する。

次いで、45度ファラデー回転子R1により常光線、異常
光線とも偏光方向が45度回転させられた後、くさび形複
屈折結晶B2に入射する。このとき、くさび形複屈折結晶
B2の光学軸は、くさび形複屈折結晶B1の光学軸に対して
偏光の回転と同じ方向に45度回転しているので、常光
線、異常光線はくさび形複屈折結晶B2に対しても常光
線、異常光線となっている。従って、くさび形複屈折結
晶B2を通過した常光線、異常光線は、２本の平行光線と
なる。

次に、これら２本の平行光線は、レンズL2によって集
光され、光ファイバF2に結合される。

また、順方向とは逆方向に光線が進行する場合は、第
３図の（ｂ）に示すように、光ファイバF2からレンズL2
を経由してくさび形複屈折結晶B2に入射した光は、常光
線ｏと異常光線ｅとに分離され、異なる角度で屈折す
る。

次いで、45度ファラデー回転子R1により常光線、異常
光線とも偏光方向が45度回転させられるが、上記した順
方向の動作の場合と逆の方向に回転するため、くさび形
複屈折結晶B1の光学軸に対して常光線、異常光線が入れ
替わることになる。

従って、これら２光線は、くさび形複屈折結晶B1にて
さらに分離するように屈折するため、レンズL1を通して
も光ファイバF1には結合しない。

次に、第４図に基づいて２段構成の光アイソレータ装
置の動作を説明する。

順方向に光線が進行する場合は、第４図の（ａ）に示
すように、光ファイバF1からレンズL1を経由してくさび
形複屈折結晶B1に入射した光線は、くさび形複屈折結晶
B1、45度ファラデー回転子R1およびくさび形複屈折結晶
B2を透過する間に２光線に分離され、さらに２段目の光
アイソレータを通過する間にそれぞれが２光線に分離さ
れる。

分離された４光線は平行であり、これらがレンズL2に
よって集光され、光ファイバF2に結合される。

また、逆方向に光線が進行する場合は、第４図の
（ｂ）に示すように、２段目の光アイソレータを逆に通
過する間に２光線に分離され、さらに１段目の光アイソ
レータを通過する間にそれぞれが２光線に分離される。
これにより得られた４光線は、いずれも位置ずれ、角度
ずれを生じるため、光ファイバF1には結合しない。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、従来の装置では、順方向に光線が進行
すると、１段構成の光アイソレータ装置の場合、レンズ
L2に入射するまえの光線は平行な２光線に分離されてい
るため、第３図中（ウ）に示すように、光ファイバへ集
光するときに角度ずれが生じ、光ファイバL2への結合効
率が劣化する。従って、順方向の挿入損失が低くなった
り、偏波方向による損失の差が生じてしまうという欠点
があった。

第５図は、平行光線をレンズＬを用いて光ファイバＦ
へ結合する様子を示したものである。第５図に示すよう
に、角度ずれをθ、光ファイバのコア半径をω_０、光の
波長をλとすると、結合効率ηは次式で表される。

η＝exp（−ω₀ ²π^２θ²/λ^２）……（１） ここで、例えば、角度ずれθを３度、光ファイバのコア
半径ω^０を５μｍとし、光の波長λを1.55μｍとした
時、結合効率ηは上記（１）式により76％（−1.2dB）
となる。

２段構成の光アイソレータの場合も同様に、第４図中
（エ）に示すように、４つの平行線に分離されるため、
さらに結合効率が劣化し、順方向の挿入損失や偏波無依
存性が劣化してしまうという欠点があった。

逆に、１段構成、２段構成のいずれの場合も、高い結
合効率を得るため、くさび形複屈折結晶の傾斜を緩くす
ることも考えられるが、これでは逆方向での角度ずれを
大きくとれないため、高いアイソレーションを得ること
が困難であるという欠点があった。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、
その目的は、順方向挿入損失および偏波依存存在が低
く、アイソレーションが高い光アイソレータ装置を提供
することにある。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するため、請求項（１）では、くさび
形複屈折結晶およびプリズム形複屈折結晶および45度フ
ァラデー回転子よりなる光アイソレータ装置において、
第１のくさび形複屈折結晶、第１の45度ファラデー回転
子、第２のくさび形複屈折結晶を表記した順に配置して
なる第１の光アイソレータユニットと第３のくさび形複
屈折結晶、第２の45度ファラデー回転子、第４のくさび
形複屈折結晶を表記した順に配置してなる第２の光アイ
ソレータユニットとを備え、第２のくさび形複屈折結晶
と第３のくさび形複屈折結晶とが相対するように、第１
の光アイソレータユニットと第２の光アイソレータユニ
ットとを直列に配置し、かつ、第１のくさび形複屈折結
晶と第２のくさび形複屈折結晶の対向面およびその背面
の傾斜方向を等しくなるように配置するとともに、第３
のくさび形複屈折結晶と第４のくさび形複屈折結晶の対
向面およびその背面の傾斜方向を等しくなるように配置
し、さらに、第２のくさび形複屈折結晶と第３のくさび
形複屈折結晶との対向面同士が、互いに光学軸に垂直な
面に対して逆方向に傾くように配置した。

また、請求項（２）では、請求項（１）の構成におい
て、第２のくさび形複屈折結晶と第３のくさび形複屈折
結晶との光学軸を一致させた。

また、請求項（３）では、第２のくさび形複屈折結晶
と第３のくさび形複屈折結晶との対向面同士を、請求項
（１）の構成に代えて、互いに光学軸に垂直な面に対し
て同一方向に傾くように配置した。

また、請求項（４）では、請求項（３）の構成におい
て、第２のくさび形複屈折結晶と第３のくさび形複屈折
結晶の光学軸とを互いに直交させた。

（作 用） 請求項（１）によれば、第１のくさび形複屈折結晶に
入射した順方向の光線が、第１のくさび形複屈折結晶を
通過するとき、常光線と異常光線とに分離され、異なる
角度で屈折する。

次いで、第１の45度ファラデー回転子により常光線、
異常光線とも偏光方向が45度回転させられた後、第２の
くさび形複屈折結晶に入射する。このとき、常光線、異
常光線は第２のくさび形複屈折結晶に対しても常光線、
異常光線となっている。

従って、第１の光アイソレータユニットの第２のくさ
び形複屈折結晶を透過した常光線、異常光線は、２本の
平行光線に分離され、第２の光アイソレータユニットの
第３のくさび形複屈折結晶に入射する。また、第２のく
さびく形複屈折結晶と第３のくさび形複屈折結晶との対
向面同士は、光学軸に垂直な面に対して互いに逆方向に
傾斜しているので、常光線、異常光線は合波する方向に
屈折する。

次に、これら２光線は、第２の45度ファラデー回転子
により45度回転させられた後、第４のくさび形複屈折結
晶に入射する。このとき、常光線、異常光線は、第４の
くさび形複屈折結晶に対しても常光線、異常光線であ
る。

従って、常光線、異常光線は、第２の光アイソレータ
ユニットの出射時に同一軸上で合波される。

一方、第４のくさび形複屈折結晶に入射した逆方向に
進行する光線は、常光線と異常光線とに分離され、異な
る角度で屈折する。

次いで、第２の45度ファラデー回転子により常光線、
異常光線とも偏光方向が45度回転させられるが、上記し
た順方向動作の場合と逆の方向に回転するため、第３の
くさび形複屈折結晶の光学軸に対して常光線、異常光線
が入れ替わることになる。

従って、２つの光線は、第３のくさび形複屈折結晶に
より、さらに分離するように屈折するため、順方向に進
行する光線を出射する光ファイバ端面等には結合しな
い。

また、請求項（２）によれば、第２のくさび形複屈折
結晶を出射した２光線は、第２のくさび形複屈折結晶と
第３のくさび形複屈折結晶の光学軸方向が一致している
ため、常光線、異常光線は第３のくさび形複屈折結晶に
対しても確実に常光線、異常光線になっている。

従って、常光線、異常光線は、第２の光アイソレータ
ユニットの出射時、同一軸上で良好に合波される。

また、請求項（３）によれば、第１のくさび形複屈折
結晶に入射した順方向の光線が、第１のくさび形複屈折
結晶を通過するとき、常光線と異常光線とに分離され、
異なる角度で屈折する。

次いで、これら２光線は、第１の45度ファラデー回転
子、さらには第２のくさび形複屈折結晶を通過する間に
２本の平行光線に分離され、第１の光アイソレータユニ
ットを出射した後、第２の光アイソレータユニットの第
３のくさび形複屈折結晶に入射する。このとき、常光
線、異常光線は、第３のくさび形複屈折結晶に対して、
異常光線、常光線に入れ替わる。

その後、第１の光アイソレータユニットの場合と同様
に、常光線、異常光線は、第４のくさび形複屈折結晶に
対しても常光線、異常光線として屈折する。

従って、第１の光アイソレータユニットで分離された
２本の光線は、それぞれ他方の光線が第１の光アイソレ
ータユニットで経た過程を第２の光アイソレータユニッ
トで経るため、第２の光アイソレータユニットを出射後
は１光線に合波される。

一方、光線が逆方向に進行する場合、第２の光アイソ
レータユニットを上記とは逆方向に通過する間に、異な
る角度で２光線に分離され、さらに、第１の光アイソレ
ータユニットを通過する間に、それぞれが異なる角度で
２光線に分離される。

また、請求項（４）によれば、第２のくさび形複屈折
結晶と第３のくさび形複屈折結晶の光学軸は、互いに直
交しているので、常光線、異常光線は、第３のくさび形
複屈折結晶B3に対して、異常光線、常光線に確実に入れ
替わる。

従って、常光線、異常光線は、第２の光アイソレータ
ユニットの出射時、同一軸上で良好に合波される。

（実施例１） 第1A図は、本発明に係る光アイソレータ装置の第１の
実施例を示す構成図、第1B図は第1A図の動作を説明する
ための図であって、第1B図の（ａ）は順方向に進行する
光線に対する動作を、第1B図の（ｂ）は逆方向に進行す
る光線に対する動作を説明するための図である。

なお、第1A図および第1B図においては、従来例を示す
第２図と同一構成部分は同一符号をもって表している。
即ち、F1,F2は光ファイバ、L1,L2は光学レンズ、B1は第
１のくさび形複屈折結晶、B2は第２のくさび形複屈折結
晶、B3は第３のくさび形複屈折結晶、B4は第４のくさび
形複屈折結晶、R1は第１の45度ファラデー回転子、R2は
第２の45度ファラデー回転子である。また、第1B図中、
（ア），（イ）、（ウ），（エ），（オ）は通過点にお
ける光線の断面分布図、C_B1〜C_B4は第１乃至第４のくさ
び形複屈折結晶B1〜B4の光学軸をそれぞれを示してい
る。

第1A図の光アイソレータ装置は、第１のくさび形複屈
折結晶B1、第１の45度ファラデー回転子R1、第２のくさ
び形複屈折結晶B2を表記した順に配置して第１の光アイ
ソレータユニットIS1を構成するとともに、第３のくさ
び形複屈折結晶B3、第２の45度ファラデー回転子R2、第
４のくさび形複屈折結晶B4を表記した順に配置して第２
の光アイソレータユニットIS2を構成し、さらに、第２
のくさび形複屈折結晶B2と第３のくさび形複屈折結晶B3
とが相対するように、第１の光アイソレータユニットIS
1と第２の光アイソレータユニットIS2とを光線の順方向
進行に対して表記した順に直列に配置することによって
構成されている。この場合、第２のくさび形複屈折結晶
B2と第３のくさび形複屈折結晶B3との光学軸は一致させ
てある。

この構成における各素子の配置関係は、第１のくさび
形複屈折結晶B1と第２のくさび形複屈折結晶B2と対向面
およびその背面の傾斜方向が等しくなるように配置され
るとともに、第３のくさび形複屈折結晶B3と第４のくさ
び形複屈折結晶B4の対向面およびその背面の傾斜方向を
等しくなるように配置され、かつ、第２のくさび形複屈
折結晶B2と第３のくさび形複屈折結晶B3との対向面同士
が、互いに光学軸に垂直な面に対して逆方向に傾くよう
に配置されている。

次に、上記構成による動作を第1B図を用いて説明す
る。

まず、第1B図の（ａ）に基づいて光線が順方向に進行
する場合の動作を説明する。

光ファイバF1からレンズL1を経由して第１のくさび形
複屈折結晶B1に入射した順方向の光線が、第１のくさび
形複屈折結晶B1を通過するとき、常光線ｏと異常光線ｅ
とに分離され、異なる角度で屈折する。

次いで、第１の45度ファラデー回転子R1により常光
線、異常光線とも偏光方向が45度回転させられた後、第
２のくさび形複屈折結晶B2に入射する。このとき、第２
のくさび形複屈折結晶B2と光学軸は、第１のくさび形複
屈折結晶B1の光学軸に対して偏光が回転した同一の方向
に45度回転しているので、常光線、異常光線は第２のく
さび形複屈折結晶B2に対しても常光線、異常光線となっ
ている。

従って、第２のくさび形複屈折結晶B2を透過した常光
線、異常光線は、２本の平行線に分離する。このとき、
第２のくさび形複屈折結晶B2と第３のくさび形複屈折結
晶B3の光学軸方向は一致しているため、常光線、異常光
線は第３のくさび形複屈折結晶B3に対しても常光線、異
常光線になっている。また、第２のくさび形複屈折結晶
B2と第３のくさび形複屈折結晶B3との対向面同士は、光
学軸に垂直な面に対して互いに逆方向に傾斜しているの
で、常光線、異常光線は合波する方向に屈折する。

次に、これら２光線は、第２の45度ファラデー回転子
R2により45度回転させられた後、第４のくさび形複屈折
結晶B4に入射する。このとき、第４のくさび形複屈折結
晶B4の光学軸は、第３のくさび形複屈折結晶B3の光学軸
に対して偏光の回転方向と同じ方向に45度回転している
ので、常光線、異常光線は、第４のくさび形複屈折結晶
B4に対しても常光線、異常光線である。

従って、常光線、異常光線は、同一軸上で合波され、
光学レンズL2により光ファイバF2に結合される。

このように上記構成における順方向動作では、光線の
分離による角度ずれが起きないため、結合効率の偏波依
存性がなく、かつ、光ファイバへの結合効率が高い。

次に、第1B図の（ｂ）に基づいて光線が逆方向に進行
する場合の動作を説明する。

光ファイバF2からレンズL2を経由して第４のくさび形
複屈折結晶B4に入射した光線は、常光線ｏと異常光線ｅ
とに分離され、異なる角度で屈折する。

次いで、第２の45度ファラデー回転子R2により常光
線、異常光線とも偏光方向が45度回転させられるが、上
記した順方向動作の場合と逆の方向に回転するため、第
３のくさび形複屈折結晶B3の光学軸に対して常光線、異
常光線が入れ替わることになる。

従って、２つの光線は、第３のくさび形複屈折結晶B3
により、さらに分離するように屈折するため、光ファイ
バF1には結合しない。

また、第２の45度ファラデー回転子R2の不完全性によ
り生じた漏れ光も、第１の45度ファラデー回転子R1およ
び第１のくさび形複屈折結晶B1によって角度ずれが起き
るため、光ファイバF1には結合しない。

以上説明したように、本実施例によれば、順方向での
光線の分離による角度ずれが起きないため、くさび形複
屈折結晶の傾斜を従来よりかなり大きくとることが可能
である。従って、逆方向の場合の角度ずれが大きくな
り、従来より高いアイソレーションと良好な偏波無依存
性を持つ光アイソレータ装置を実現できる。

（実施例２） 第6A図は、本発明に係る光アイソレータ装置の第２の
実施例を示す構成図、第6B図は第6A図の動作を説明する
ための図であって、第6B図の（ａ）は順方向に進行する
光線に対する動作を、第6B図の（ｂ）は逆方向に進行す
る光線に対する動作を説明するための図である。

本第２の実施例が前記第１に実施例と異なる点は、第
２のくさび形複屈折結晶B2と第３のくさび形複屈折結晶
B3との対向面同士を、互いに光学軸に垂直な面に対して
同一方向に傾くように配置し、かつ、第２のくさび形複
屈折結晶B2と第３のくさび形複屈折結晶B3の光学軸とを
互いに直交させたことにある。

次に、上記構成による動作を第6B図を用いて説明す
る。

光線が順方向に進行する場合、第6B図の（ａ）に示す
ように、光ファイバF1からレンズL1を経由して第１のく
さび形複屈折結晶B1に入射した順方向の光線が、第１の
くさび形複屈折結晶B1を通過するとき、常光線ｏと異常
光線ｅとに分離され、異なる角度で屈折する。

次いで、これら２光線は、第１の45度ファラデー回転
子R1、さらには第２のくさび形複屈折結晶B2を通過する
間に２本の平行光線に分離され、第３のくさび形複屈折
結晶B3に入射する。このとき、第２のくさび形複屈折結
晶B2と第３のくさび形複屈折結晶B3の光学軸は、互いに
直交しているので、常光線、異常光線は、第３のくさび
形複屈折結晶B3に対して、異常光線、常光線に入れ替わ
る。

その後、第１の光アイソレータユニットIS1の場合と
同様に、常光線、異常光線は、第４のくさび形複屈折結
晶B4に対しても常光線、異常光線として屈折する。

従って、第１の光アイソレータユニットIS1で分離さ
れた２本の光線は、それぞれ他方の光線が第１の光アイ
ソレータユニットIS1で経た過程を第２の光アイソレー
タユニットIS2で経るため、第２の光アイソレータユニ
ットIS2を出射後は１光線に合波され、レンズL2によい
光ファイバF2の結合される。

このように本第２の実施例における順方向動作におい
ても、光線の分離による角度ずれが起きないため、結合
効率の偏波依存性がなく、かつ、光ファイバへの結合効
率が高い。

一方、光線が逆方向に進行する場合、第２の光アイソ
レータユニットIS2を上記とは逆方向に通過する間に、
異なる角度で２光線に分離され、さらに、第１の光アイ
ソレータユニットIS1を通過する間に、それぞれが異な
る角度で２光線に分離される。

従って、本第２の実施例においても、逆方向の場合の
角度ずれが大きくなり、従来装置に比べて、高いアイソ
レーションと良好な偏波無依存性を持つ光アイソレータ
装置を実現できる。

（発明の効果） 以上説明したように、請求項（１），（２），（３）
または（４）によれば、順方向の光線の位置ずれおよび
角度ずれを起こさないため、順方向の挿入損失が低くて
偏波依存性を持たず、高いアイソレーションを有する光
アイソレータ装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第1A図は本発明に係る光アイソレータ装置の第１の実施
例を示す構成図、第1B図は第1A図の動作を説明するため
の図、第２図は従来の光アイソレータ装置の構成図、第
３図は第２図の（ａ）の動作を説明するための図、第４
図は第２図の（ｂ）の動作を説明するための図、第５図
はレンズによる平行光線の光ファイバへの結合の様子を
示す図、第6A図は本発明に係る光アイソレータ装置の第
２の実施例を示す構成図、第6B図は第6A図の動作を説明
するための図である。 図中、F1,F2……光ファイバ、L1,L2……光学レンズ、B1
……第１のくさび形複屈折結晶、B2……第２のくさび形
複屈折結晶、B3……第３のくさび形複屈折結晶、B4……
第４のくさび形複屈折結晶、R1……第１の45度ファラデ
ー回転子、R2……第２の45度ファラデー回転子。

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】くさび形複屈折結晶およびプリズム形複屈
   折結晶および45度ファラデー回転子よりなる光アイソレ
   ータ装置において、 第１のくさび形複屈折結晶、第１の45度ファラデー回転
   子、第２のくさび形複屈折結晶を表記した順に配置して
   なる第１の光アイソレータユニットと、 第３のくさび形複屈折結晶、第２の45度ファラデー回転
   子、第４のくさび形複屈折結晶を表記した順に配置して
   なる第２の光アイソレータユニットとを備え、 第２のくさび形複屈折結晶と第３のくさび形複屈折結晶
   とが相対するように、第１の光アイソレータユニットと
   第２の光アイソレータユニットとを直列に配置し、 かつ、第１のくさび形複屈折結晶と第２のくさび形複屈
   折結晶の対向面およびその背面の傾斜方向を等しくなる
   ように配置するとともに、第３のくさび形複屈折結晶と
   第４のくさび形複屈折結晶の対向面およびその背面の傾
   斜方向を等しくなるように配置し、 さらに、第２のくさび形複屈折結晶と第３のくさび形複
   屈折結晶との対向面同士が、互いに光学軸に垂直な面に
   対して逆方向に傾くように配置した ことを特徴とする光アイソレータ装置。
2. 【請求項２】第２のくさび形複屈折結晶と第３のくさび
   形複屈折結晶との光学軸を一致させた請求項（１）記載
   の光アイソレータ装置。
3. 【請求項３】第２のくさび形複屈折結晶と第３のくさび
   形複屈折結晶との対向面同士を、請求項（１）の構成に
   代えて、互いに光学軸に垂直な面に対して同一方向に傾
   くように配置した請求項（１）記載の光アイソレータ装
   置。
4. 【請求項４】第２のくさび形複屈折結晶と第３のくさび
   形複屈折結晶の光学軸とを互いに直交させた請求項
   （３）記載の光アイソレータ装置。