JP3502132B2 - 光サーキュレータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】本発明は、光通信機器および光計
測装置等の広範な光学分野に適用できる光学プリズムお
よび光学プリズムを包含する光サーキュレータに関す
る。 【０００２】 【従来の技術および課題】光通信機器等に利用される光
学装置において、長距離光通信網における光増幅システ
ムを装荷した光伝送技術が急速に発展し、大容量の信号
伝送が瞬時に世界中に分配することが実現されようとし
ている。すでに初期段階の技術的な困難さは実験室規模
ではほぼ解決されたが、実際の量産を考慮したポンプ光
源の合波・分波器や、光ファイバ間に配置する偏波無依
存型光アイソレータや双方向光通信等に必要とされる光
サーキュレータなどの光受動部品を実装する場合は、個
々の構成部品の仕上がり度合いや、形状公差が組立精
度，組立容易さに直接反映される。従ってそれらの光学
部品が簡単に高精度で組み立てられる構造であることが
必要条件である。 【０００３】例えば、光ファイバ間に、ある機能を持っ
たデバイスを挿入し、レンズを介して光学結合をはかる
とき、光線軸に対して光線伝播方向をＺ軸、直交する方
向にＸ軸，Ｙ軸と定めても、伝播光線結合軸整調（以
下、軸合わせと呼称する）はこれらＺ・Ｘ・Ｙ３方向だ
けでなく、Ｚ軸を中心軸とする経線方向をθ軸、経線に
直交する方向をφ軸とする角度調整も必要である。即ち
理想的には、軸合わせは空間的に５方向の調整を行わね
ばならないが、限られた空間に関連システムを凝縮しな
ければならない通信用交換器等の分野では、光アイソレ
ータ等の光受動部品に割り当てられる厚みはおよそ８m
m、あるいは８mm以下に制限されており、個々の部品を
自由に調整し光軸合わせが実施できるような空間は望め
ない。従って、構成部品の自由度を予め減らすことが要
求される。 【０００４】一方、光サーキュレータでは、例えば図２
（特開昭55-93120号公報）に示される様な略構造が発明
され、現在最も一般的な構成として市販化されている。
この構成では、それぞれの部品が独立した直列光学経路
を構成しているため、システム全体では部品点数が増
え、経済的にも高価な設備とならざる得ない。例えば、
図２では信号入出力ポート、、、を設け、一対
の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）、反射鏡（Ｍ）をそ
れぞれ対向させ、その間隙に光線非相反部５と光線相反
部６を設けて光線伝播方向が→、→、→、
→となるように設計されている。この構成では４箇
所の入出力ポート全てが効率よく機能しており、光学部
品が集積化されている。 【０００５】しかし、従来技術は工業規模で実用化する
場合、製造面の光学位置合わせや、利用上の長期信頼性
の観点から幾つかの欠点を内在する。即ち、対向するＰ
ＢＳの平行度が出射光線どうしの直角性を劣化させ、角
度合わせも加わってくる。しかもＰＢＳは角度依存性が
大きく、入出射ポート軸に対する角度も定まった公差内
に調整しなければならない。加えて、ＰＢＳ部の張り合
わせ面が樹脂固定してあるため、光線強度が高くなると
き損傷劣化をまねく等、信頼性の観点から疑問があっ
た。また相反部光素子６の波長変化，温度変化が大きく
広帯域化に難点がある。もちろん合わせプリズムではな
く、平板型ＰＢＳもあるが、部品が分離するため光軸合
わせが難しくなる。 【０００６】さらに光非相反水準を高度にするには、一
般に偏光子部分も含めて非相反部５を２段直列にして実
現しているが、図２の構成ではポート間の結合等、大形
化するため実際的ではない。これに対しＰＢＳを平行平
板型にし、貼り合わせに起因する信頼性劣化を改善する
試みも考えられるが、部品点数の増加，光結合の難化を
もたらす等の問題があった。 【０００７】 【課題を解決するための手段】本発明は、かかる現状問
題を解決するためになされたもので、本発明の光サーキ
ュレータは、光非相反部は従来の複屈折結晶板を用いた
偏波無依存型光アイソレータを採用し、光線の直角方向
旋回部分は、中間に配置した光アイソレータを中心に回
転対称位置に一対の五角柱光学プリズムを配置し、それ
ぞれの五角柱光学プリズムの傾斜面から反射され直交光
線が入出射する位置に１個もしくは２個の複屈折結晶板
を配置する構成からなる。 【０００８】図１は本発明に基づく４端子光サーキュレ
ータの一例であり、図３は本発明に必要な五角柱光学プ
リズムの斜視図である。また、図４、図５(a),(b)は本
発明の光サーキュレータを光ファイバと結合したときの
構造略図およびサーキュレータとしての動作原理図であ
る。さらに、図６(a),(b)は本発明の他の実施例を示す
光サーキュレータとしての動作原理図である。 【０００９】本光サーキュレータの構造説明として、本
発明に必要な一対の五角柱プリズム構造から解説する
と、図３において面３１のほぼ中央（A部）に光線透過
窓部を設け、その他は反射鏡を施す。製法は例えばA部
分以外を遮蔽して面３１に真空蒸着法で利用する光線波
長に係る反射防止膜を形成する。次にA部分を遮蔽し
て、残余部分に反射鏡を形成し、本発明に必要なほぼ中
央に光線透過窓部を有する反射鏡部が形成される。 【００１０】同様に45°の側斜面３２も反射鏡とし、そ
の他面３３、面３４、面３５は必要に応じて反射防止膜
を形成する。そして本五角柱プリズムを図１の構成に配
置する。すなわち五角柱プリズムの面３１の中央窓部に
適当な角度で光線を透過すると、面３３から入射光線と
同一方向に出射され、順方向に配置した偏波無依存型ア
イソレータへ伝播する構造とする。本構成に於いて、逆
方向から光アイソレータを経て出射した光線は常光、異
常光線に分割され、五角柱プリズムの面３３へ入射す
る。この時、面３１中央の光透過窓部の大きさが充分に
微小面積で、逆方向から２分割されたガウシアンビーム
光線束が、窓部から漏洩されないほど常光、異常光の間
隔が大きければ光線は面３１で反射される。 【００１１】この時光アイソレータに対して適当な角度
に傾けて配置しておけば、五角柱プリズム面３１で反射
された常光、異常光は、面３２で再度反射され面３４か
らプリズム外部に放射される。また、対向する五角形プ
リズムは構造が同一であり、ここで図１のように２光線
が再結合する方位に、適正な厚みの複屈折結晶板を配置
すれば、光サーキュレータとして機能する。即ち、図４
に略記したような直方体ホルダ１の４側面に光線入出射
端ポートＰ１からＰ４を配備し、偏波無依存光アイソレ
ータ２を中央に配備し、両側に光透過窓部を光線ポート
側に向け、光アイソレータを中心とした回転対称位置に
五角柱プリズム３、４を配備し、ポートＰ３、Ｐ４へ伝
播する光線の常光、異常光線が結合するように複屈折結
晶板を配置する構造である。この時、光アイソレータの
向きをＰ１からＰ２へ伝播する方向が順方向とすると、
光線が伝播するポート間は図１に示すように、Ｐ１から
Ｐ２、Ｐ２からＰ３、Ｐ３からＰ４およびＰ４からＰ１
の４種類の光線結合が可能な光ファイバへ伝播する４端
子サーキュレータとなる。 【００１２】図５は、図１の関係を偏波分離，結合状態
から追跡した原理説明図である。図１、図５の光線伝播
および偏波分離結合関係は、本発明を基とした光サーキ
ュレータの一例である。例えば、Ｐ→Ｐへ伝播する
とき、第一プリズムＰR１の光線透過窓Ａから入射し、
光アイソレータのＢ面からＦ面を経て再結合した後第二
プリズムＰR２の光線透過部Ｇ点からＰへ伝播する。
Ｐから入射する光線は光アイソレータから出射するＤ
部までＰ→Ｐの光線動作と同じ挙動を有するが、Ｆ
Rを透過した時点で常光，異常光が逆転し、Ｂ1を透過し
たときＰ→Ｐの光線伝播軸を中心に、点対称位置に
分離したままＰR１へ投射されるため、ＰR１の透過窓部
には戻らないで反射面ＡおよびＭ1によって反射を繰り
返し、複屈折結晶板Ｂ4に導かれる。Ｂ4は分離状態の常
光，異常光を再結合するため光線強度を損失することな
くＰ3に伝達導入できる。Ｐから入射される光線はＰ
→Ｐの光線伝播と同一経路をＦR部まで回帰し、ＦR
を透過したとき常光，異常光が反転する。従ってＢ2、
Ｂ3を経てから透過するときＰ→Ｐの光線伝播軸を
中心に点対称位置に分離して第二プリズムへ投射され、
Ｇ面およびＭ2面で反射されＢ5、Ｂ6を透過後に再結合
されＰへ伝播する。Ｐから入射した光線に対しては
Ｐ→Ｐの光線伝播とＦR部までは同一経路を経てＦR
部まで回帰するが、透過後にＢ1に対する常光，異常光
が逆転し、最初に説明したＰ→Ｐ経路に重畳され、
ＰR１の透過窓Ａ部からＰに伝播する。 【００１３】ここにおいて他ポート間の漏話量はＡおよ
びＧ面に形成された透過窓に取り込まれるガウシャンビ
ーム裾野部分の取り込み、およびファラデ回転子を透過
したとき発生する直線偏波の楕円成分が主たる要素であ
る。現在製作されているファラデー回転子の楕円率は40
dB以上になっており、偏波無依存型光アイソレータが直
列連結した二段構成でなくとも用途によっては充分な特
性である。もちろん、多段連結した高消光特性アイソレ
ータを搭載すれば漏話量は大幅に改善できる。さらに、
搭載する偏波無依存型光アイソレータは、複屈折結晶板
と45゜偏波面回転ファラデー回転子を用いた常光，異常
光の平行分離効果を非相反部に適用する構成ならば、ア
イソレータの種類に関係なく本発明が開示するサーキュ
レータ機能を示す。 【００１４】本発明に係わる４端子光サーキュレータ
は、従来方式に対して以下の点に関し優れた特徴を具備
する。第一に、この構成の最大の利点として、図４に示
すように４箇所の光線入出射口をポートＰからポート
Ｐとするとき、平行度・直角度が精度よく形成された
長方形ケース内に配置する２個の五角柱プリズムおよび
偏波無依存型光アイソレータの調芯固定はおおよその方
位を合わせるだけでポート間の光学結合が達成される。 【００１５】例えば、光線Ｐ→Ｐへ伝播するとき光
線伝播方向は光線の平行移動は生じるが平行性は保存さ
れており、また光線Ｐ→Ｐに於いてポートＰへ投
射される光線は他ポートと直交するので、構成光学素子
を図４に示すような矩形ホルダに収納し、ホルダ側面に
光線貫通口があり、かつ光線に対して直交するとき、ど
のポートに対してもファイバ間の光結合はホルダ側面
内、即ち本発明に係わる五角柱プリズムはプリズム面に
対する光線角度が変位しても透過光、反射光の平行度，
直角度は維持されるので（特願平5-261896号参照）、光
線が平行光線もしくは平行光線と同等な光学結合が得ら
れる収束性光線とするとき、それぞれのポートが固定さ
れるホルダ側平面内の２軸調整から最適結合が得られ
る。 【００１６】つまり、ホルダの１側面で光線の直交性が
調整されれば、その他の３箇所の光線ポートは収納する
光学部品の精密位置合わせをせずに目測程度で配置した
としても必然的にホルダ面と光線の直交性が保存されて
おり、組立調整が上述のように簡単である。もちろん五
角柱プリズムの隣接側面や上下面と側面との直角度、斜
側面と側面の45゜傾斜角の精度は大きくとも数十秒に抑
制することが要求されるが、プリズムの精度および収納
ホルダの精度は機械加工精度から充分実現できる水準で
あり、従来のペンタプリズムに比較すれば、四角柱から
製作できるので精度制御は容易であるし、サーキュレー
タ組立に関しても従来のような５軸調整に比較すれば組
立困難さは無視できる程度である。 【００１７】本発明のサーキュレータにおいて、第一と
第二の五角柱プリズムの配置は、それぞれのアイソレー
タに対する設置角度がずれていたとしても光線方位が平
行に変位するに留まるので、ＰとＰのホルダ面にお
ける平面上の位置合わせから充分な光結合が形成でき
る。 【００１８】第二の利点は先に詳述したように光アイソ
レータ部分は常光，異常光の平行分離方式であればいか
なる構造でも許容できることで、例えば遮断特性を高め
るためにアイソレータ部に２段連結型を搭載することも
サーキュレータ機能を高度化することであり、何等構造
的欠陥をもたらすものではない。 【００１９】第三は光路中にＰＢＳのような光学接合部
がないので長期信頼性、光強度損傷等が生じない。第四
は五角柱プリズムに２面の反射膜を形成するため、二枚
の独立した反射鏡を個別に調整する方式に対して本発明
構成では殆ど無調整でホルダに固定すれば光結合が得ら
れることである。さらに、図６(a),(b)に本発明の他の
実施例を示す４端子光サーキュレータの光線伝播状態を
示すが、図５と同様の特性を示す。以下に本発明の要旨
を実施例に沿って詳述する。 【００２０】 【実施例】本発明に係わる光サーキュレータ例として、
図１に関する構成を踏まえて説明する。図１に於いて偏
波無依存型光アイソレータ部分は光線方向厚みの比がＢ
1：Ｂ2：Ｂ3＝1：1/√2：1／√2である３個のルチルを
用いた複屈折結晶板と非相反素子としてＬＰＥ成膜法で
得たファラデー回転子を含む構成である。その他の複屈
折結晶板Ｂ4、Ｂ5、Ｂ6の厚みはＢ1に対して2：√2：√
2の場合に分離結合が実現される。プリズム窓部は反射
防止膜を形成し、適当な遮蔽膜を付着後に窓部以外に反
射鏡膜を形成した。膜物質はAuやAl等の金属膜や誘電体
多層膜が利用できる。プリズムや直方体ホルダは平行
度，直角度が重要であり、本実施例では角度誤差±30秒
以内に制限した。部品精度はファイバポート間の光結合
に直接寄与するので結合損失を低く押さえるには小さい
ほどよい。 【００２１】ファイバポートは全てホルダ面に対して直
角に出射するようにファイバとレンズを作成した。もち
ろん角度調整を製造工程中に含めるならば直角出射は必
須条件ではない。本実施例では直方体光学部材収納ホル
ダの側面に内部にファイバとレンズを包含するヨーク付
き光結合部を形成し、ヨークを側面に押し当てながら滑
らせて最適結合点を見いだした。なお、Ａ面窓部は直径
約150μmに設計し、光線はビームウェイスト位置で約80
μm、Ｐ1、Ｐ2間の間隔は約14mm、光学部品収納ホルダ
の寸法は長さ12mm、幅12mm、高さ８mmである。適用光線
波長は1550nmである。半導体レーザ光源および光パワー
メータを用いて各ポート間の結合損失を計測したとき、
以下の数値を得た。 【００２２】 伝播方向 ポート間光結合損失 Ｐ1→Ｐ2 0.7dB Ｐ1→Ｐ3 53dB Ｐ1→Ｐ4 45dB Ｐ2→Ｐ1 39dB Ｐ2→Ｐ3 1.2dB Ｐ2→Ｐ4 55dB Ｐ3→Ｐ1 41dB Ｐ3→Ｐ2 38dB Ｐ3→Ｐ4 1.4dB Ｐ4→Ｐ1 1.1dB Ｐ4→Ｐ2 40dB Ｐ4→Ｐ3 43dB 以上の結果から、本発明の提唱する構成が４端子光サー
キュレータとして機能することが確認できた。漏話量は
アイソレータを連結すればさらに高度に遮断できるがポ
ート間伝播距離が長くなるため、光結合度が低くなるの
でビーム直径を太くしたり、伝播距離を最小限に設計す
る等の調整が必要である。 【００２３】また、図６に本発明の他の実施例を示す
が、ルチル平板と五角柱プリズムの配置を変えただけ
で、図５に示した実施例と同様の効果を示す。さらに、
本発明は以上の例によって何等限定されるものでなく、
この五角柱プリズムを利用することによって色々な組み
合わせの多端子光サーキュレータが可能である。 【００２４】 【発明の効果】本発明の構成は樹脂固定する部分は必要
としないため信頼性が高く、組立時に個別の偏場光とし
て調整できるのでポート間のクロストーク、挿入損失が
最適位置に制御できる。また従来のＰＢＳを用いるサー
キュレータに比べて複屈折結晶板、ファラデー回転子等
の寸法を小さくすることが容易であり、低価格対応が見
込まれる。さらに、光増幅モジュールの一部に搭載した
り、レンズ一体型光ファィバ端末を連結して簡略な光学
装置を形成することも容易に実装できる光学装置用サー
キュレータとして優れた波及効果を期待できるものであ
る。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の４端子光サーキュレータの一例の構成
図。 【図２】従来の光サーキュレータの概略図。 【図３】本発明の光サーキュレータにおける五角柱光学
プリズムの概略図。 【図４】本発明の光サーキュレータの説明図。 【図５】本発明の光サーキュレータを光ファイバと結合
したときの光線伝播状態の説明図(a)、及び光サーキュ
レータとしての偏波状態図(b)である。 【図６】本発明の他の実施例を示す光サーキュレータを
光ファイバと結合したときの光線伝播状態の説明図
(a)、及び光サーキュレータとしての偏波状態図(b)であ
る。 【符号の説明】 １ 直方体ホルダ ２ 光アイソレータ ３，４ 五角柱プリズム ５ 光線非相反部 ６ 光線相反部 Ａ，Ｇ 光線透過窓部 31,32,33,34、35 五角柱プリズム面 Ｐ1,Ｐ2,Ｐ3,Ｐ4 ポート ＦR ファラデー回転子 ＰＢＳ 偏光ビームスプリッタ Ｂ1,Ｂ2,Ｂ3,Ｂ4,Ｂ5,Ｂ6 ルチル平板 Ｍ 反射鏡

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−100016（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−50215（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−92429（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 27/28 G02F 1/09

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 長方形もしくは正方形角柱の一角柱稜線
   部分が、角柱側面に対して45°の角度を有する平面を形
   成するように削除された光線反射側斜面であり、前記光
   線反射側斜面に対向し、互いに90°の角度で隣接する二
   角柱側面の何れか一方は、面内中央部の光線透過用窓部
   と、窓部以外の反射鏡部からなる光線反射側面を有する
   ２個の五角柱プリズムが、光線透過窓部を外側にして対
   称位置に配置され、前記プリズム間に平板複屈折結晶を
   用いた偏波無依存型光アイソレータが配置され、前記光
   アイソレータに入射された光線は常光と異常光に分離さ
   れ、前記光アイソレータから前記プリズムに出射される
   光線のうち、伝播ポートに応じて前記常光、異常光の間
   隔が前記窓部の大きさよりも小さい場合は前記光線は前
   記窓部から出射され、大きい場合は前記反射鏡部で反射
   され更に前記光線反射側斜面によって反射され、その光
   線が前記プリズムから出射されて、前記光アイソレータ
   から前記プリズムに出射された光線に対し直角方向に伝
   播し、その伝播光線が入射される位置に、前記伝播光線
   を分離や結合するのに必要な結晶の方位と厚みを有する
   一個もしくは複数個の複屈折結晶板を配することを特徴
   とした光サーキュレータ。