JP3718152B2 - 可変光アッテネータ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、反射型の可変光アッテネータに関し、更に詳しく述べると、分離合成用複屈折素子と、レンズと、反射鏡を配列し、入力ポートと出力ポートを分離合成用複屈折素子の側に設定して、分離合成用複屈折素子と反射鏡との間に設置した可変偏波回転手段で偏波方向の回転角度を制御することにより入射光の減衰量を調整可能とした可変光アッテネータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光通信システムあるいは光計測システムなどでは、透過光量を制御するための光アッテネータが必要である。この種の光アッテネータとしては、典型的には、ファラデー回転角可変装置の光軸上の前後（入力側と出力側）に偏光子と検光子とを設置する対向型の構成が採用されている。組み込まれているファラデー回転角可変装置は、ファラデー素子（ファラデー効果を有する磁性ガーネット単結晶膜など）に電磁石などにより外部磁界を印加し、その外部印加磁界を変化させることにより、ファラデー素子を透過する光線のファラデー回転角を制御するものである。光アッテネータでは、このファラデー回転角の制御によって、光の減衰量を可変制御する。
【０００３】
このような光アッテネータにおいて、偏光子及び検光子として、原理的には複合偏光プリズムを用いてもよいが、複合偏光プリズムを用いると入射光量が偏光子によってほぼ半減することになる。そこで、ファイバ結合型デバイスでは、通常、楔形複屈折結晶板（例えばルチル結晶）を用いて偏波無依存型とする方が実際的である。
【０００４】
入力ファイバからの入射光は、偏光子、ファラデー回転角可変装置のファラデー素子、検光子の順に通過し、出力ファイバに結合する。ファラデー素子に印加する可変磁界を制御することでファラデー回転角が変化し、それによって検光子を通過できる光量が制御されることになる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、偏光子と検光子に楔形複屈折結晶板を使用する構造の光アッテネータでは、対をなす楔形複屈折結晶板の寸法精度が極めて重要であり、ペア精度が悪いとアイソレーション特性に悪影響を及ぼす。そのため、加工が非常に難しく、コストと時間がかかる。更に、組み立て工程においては、楔形複屈折結晶板の光軸に直交する方向の位置合わせの精度が重要であり、その位置ずれもアイソレーション特性に悪影響を及ぼす。そのため、組み立て調整にも多くのコストがかかる。
【０００６】
ところで近年、波長多重通信が実用化され始めたことにより、挿入損失の均等化のために各波長毎に光アッテネータを組み込むことが行われている。そのような使用形態では、特に安価に製作でき、小型化できることが重要である。楔形複屈折結晶板の使用は、このような点では不利である。
【０００７】
また、このような従来の光アッテネータは、光がデバイスの一端側から他端側へと通過する対向型（入力ファイバと出力ファイバが反対側の端部に位置する構成）であるため、入出力を対向配置する場合以外はファイバ引き回しのために広いスペースが必要となり実装の自由度が低い問題もある。更に、ファラデー回転角可変装置の構成部品である電磁石のために、光軸に垂直な方向に大きな設置スペースが必要であり、薄型化し難い問題もある。
【０００８】
本発明の目的は、必要な部品点数が少なく、各光学部品の加工が容易で、組み立て易く、そのため安価に製作でき、また小型化でき、しかも偏波無依存型にできる可変光アッテネータを提供することである。本発明の他の目的は、入出力をデバイスの同じ側に設定することで、実装時の自由度が増し、薄型化に適した可変光アッテネータを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、偏波方向が直交関係にある同じ光路の光を分離し異なる光路の光を合成する平行平面型の分離合成用複屈折素子と、光収束性のレンズと、該レンズの焦点位置に配置した反射鏡とがその順序で配列され、前記分離合成用複屈折素子と反射鏡の間の任意の位置に可変偏波回転手段と固定偏波回転手段を設置し、前記分離合成用複屈折素子の端部側に入力ポートと出力ポートを設定し、可変偏波回転手段で偏波方向の回転角度を制御することにより反射出力光量を制御することを特徴とする可変光アッテネータである。
【００１１】
入射した光は、分離合成用複屈折素子、レンズを通って反射鏡に集光して反射され、反射戻り光は、再びレンズ、分離合成用複屈折素子を通って出射する。その過程で、光は、可変偏波回転手段、又は可変偏波回転手段と固定偏波回転手段（実際にはそれらのファラデー素子の部分）を往復する。本発明では反射型の構成として、１個の複屈折素子がそれぞれ偏光子と検光子の２つの機能を兼用するように構成しているのである。
【００１２】
ここで、例えば入力ポートに入力ファイバが位置し、出力ポートに出力ファイバが位置するように、２芯フェルールを設置する。勿論、光ファイバに代えて光導波路などを用いてもよい。
【００１３】
可変偏波回転手段は、典型的には、２方向から磁界を印加しそれらの合成磁界を変化させることができる可変磁界印加手段と、その合成磁界に応じてファラデー回転角が変化する基本膜ファラデー素子からなる。また固定偏波回転手段は、典型的には、印加される合成磁界によらずファラデー回転角が一定である補償膜ファラデー素子を有する。基本膜ファラデー素子と補償膜ファラデー素子のファラデー回転方向は逆向きとなるように材料を選択する。これら可変偏波回転手段と固定偏波回転手段の磁界印加手段は、少なくとも一部を共用するのが好ましいが、個別に構成してもよい。基本膜ファラデー素子と補償膜ファラデー素子を組み合わせて配置し、光が進む方向に永久磁石などにより固定磁界を印加し、それに垂直な方向に電磁石などによって可変磁界を印加する。このような構成とすることで高減衰量を実現できる。
【００１４】
ファラデー回転角が４５度の基本膜ファラデー素子を用いた場合、本発明は反射型であり光がファラデー素子を往復するために、一方向のファラデー回転角が４５度でも往復で９０度回転することになる。光軸方向の固定磁界とそれに垂直方向の可変磁界との合成磁界を印加する場合には、合成磁界方向は光が進む方向に対して垂直にならないため、ファラデー回転角の可変幅は５〜９０度程度となり、減衰量の可変幅も小さくなってしまう。しかし、基本膜ファラデー素子と補償膜ファラデー素子を組み合わせた場合には、ファラデー回転角の可変幅が０〜９０度と大きくなるため、減衰量の可変幅も大きくなる。
【００１５】
平行平面型の分離合成用複屈折素子としては、例えばルチル結晶を用いる。ここで「平行平面型」とは、入射面と出射面が平行である形状（入射面が入射光に対して厳密に垂直である必要はない）をいい、平行平板形状のみならず平行四辺形のブロック形状あるいは直方体形状なども含まれる。
【００１６】
【実施例】
図１は本発明に係る可変光アッテネータの一実施例を示す光路説明図であり、図２はその各光学部品間での偏波状況の説明図である。説明を分かり易くするために、次のような座標軸を設定する。光学部品の配列方向（入射光が進む方向）をｚ方向（図面では右方向）とし、それに対して直交する２方向をｘ方向（水平方向）、ｙ方向（垂直方向）とする。従って、図１のＡは平面図、Ｂは正面図ということになる。図２のａ〜ｄで示す偏波状況は、図１のＢのａ〜ｄで示す位置での光が進む方向に見た図である。
【００１７】
この可変光アッテネータでは、ｚ方向に向かう偏波方向が直交関係にある同じ光路の光をｙ方向に分離し−ｚ方向に向かう異なる光路の光を−ｙ方向で合成する平行平面型の分離合成用複屈折素子１０と、凸レンズ１２と、基本膜ファラデー素子１４及び補償膜ファラデー素子１６と、前記凸レンズ１２の焦点位置に配置した反射鏡１８とが、その順序で配列されている。そして、前記分離合成用複屈折素子１０の側面（図面では左端の側面）に入力ポートと出力ポートを設定する。この実施例では、ｚ方向を見て下段右側光路の入力ポートに入力ファイバ２０が位置し、下段左側光路の出力ポートに出力ファイバ２２が位置するように、２芯フェルール２４を設置している。
【００１８】
分離合成用複屈折素子１０は、平行平板型のルチル結晶からなる。基本膜ファラデー素子１４は、２方向からの印加磁界による合成磁界に応じてファラデー回転角が変化するものであり、補償膜ファラデー素子１６は、合成磁界によらずファラデー回転角がほぼ一定を保ち且つ基本膜ファラデー素子とはファラデー回転方向が異なるものである。磁界印加手段は、図示するのを省略するが、光が進む方向に永久磁石により固定磁界を印加し、それに垂直な方向に電磁石によって可変磁界を印加する構成である。ここでは、これら固定磁界と可変磁界の両方が基本膜ファラデー素子と補償膜ファラデー素子に印加されるような配置とする。
【００１９】
次に、この可変光アッテネータの動作について説明する。
【００２０】
（ファラデー回転角：４５度）
まず、基本膜ファラデー素子１４と補償膜ファラデー素子１６とによる合計のファラデー回転角が４５度の場合を図２のＡに示す。入力ファイバ２０からｚ方向に入射する光は、分離合成用複屈折素子１０で常光は直進し、異常光は屈折してｙ方向に光分離する。そして凸レンズ１２で集光し、その途中で補償膜ファラデー素子１６及び基本膜ファラデー素子１４を通過する。ファラデー回転角が４５度に設定されているので、偏波方向が４５度回転し、レンズ焦点位置の反射鏡１８に達して反射する。−ｚ方向に戻る反射光は、再び基本膜ファラデー素子１４及び補償膜ファラデー素子１６を通過し、その際に偏波方向が更に４５度（従って合計で９０度）回転し、凸レンズ１２で平行光になる。分離合成用複屈折素子１０で下段光路の常光は直進し、上段光路の異常光は−ｙ方向に屈折するため、すべての光が偏波合成され出力ファイバ２２に結合する。このようにして、ファラデー回転角が４５度の場合は、入力ファイバ２０からの入射光量は、殆ど減衰することなくほぼ全光量が出力ファイバ２２へと出射することになる。
【００２１】
（ファラデー回転角：０度）
次に、基本膜ファラデー素子１４と補償膜ファラデー素子１６とによる合計のファラデー回転角が０度の場合を図２のＣに示す。入力ファイバ２０からｚ方向に入射する光は、分離合成用複屈折素子１０で常光は直進し、異常光は屈折してｙ方向に光分離する。そして凸レンズ１２で集光し、その途中で補償膜ファラデー素子１６及び基本膜ファラデー素子１４を通過する。ファラデー回転角が０度に設定されているので、偏波方向は回転せず、レンズ焦点位置の反射鏡１８に達し反射する。−ｚ方向に戻る反射光は、再び基本膜ファラデー素子１４及び補償膜ファラデー素子１６を通過するが、その際も偏波方向は回転せず、凸レンズ１２で平行光になる。そして、分離合成用複屈折素子１０で、上段光路の常光は直進し、下段光路の異常光は−ｙ方向に屈折する。従って、入力ファイバ２０からの入射光は、殆ど出力ファイバ２２には結合しない。つまり、入力ファイバからの入射光量の殆ど全てが減衰することになる。
【００２２】
（ファラデー回転角：２２．５度）
基本膜ファラデー素子１４と補償膜ファラデー素子１６とによる合計のファラデー回転角が０〜４５度の間の任意の角度の時は、次のようになる。例えば２２．５度の時を図２のＢに示す。入力ファイバ２０からｚ方向に入射する光は、分離合成用複屈折素子１０で常光は直進し、異常光は屈折してｙ方向に光分離する。そして凸レンズ１２で集光し、その途中で補償膜ファラデー素子１６及び基本膜ファラデー素子１４を通過する。偏波方向は、補償膜ファラデー素子１６及び基本膜ファラデー素子１４とによって任意の角度（図２のＢでは２２．５度）回転し、レンズ焦点位置の反射鏡１８に達して反射する。−ｚ方向に戻る反射光は、再び基本膜ファラデー素子１４及び補償膜ファラデー素子１６を通過し、その際にも偏波方向が更に同じ角度（ここでは２２．５度：従って合計で４５度）回転し、凸レンズ１２で平行光になる。そして分離合成用複屈折素子１０で下段光路の常光成分は直進し、上段光路の異常光成分は−ｙ方向に屈折するため、それらの成分は偏波合成されて出力ファイバ２２に結合する。しかし、上段光路の常光成分は直進し、下段光路の異常光成分は−ｙ方向に屈折するため、これらの成分は出力ファイバには結合しない。従って、入力ファイバ２０からの入射光は減衰して（ファラデー回転角を２２．５度に設定した場合は、入射光量がほぼ半減して）出力ファイバ２２へと出射することになる。
【００２３】
このようにして、基本膜ファラデー素子１４で偏波方向の回転角度を制御することによって、入射光の減衰量（言い換えれば反射出力光量）を自由に調整できることになる。
【００２４】
４５度基本膜ファラデー素子のみを用いた時の電磁石磁界強度とファラデー回転角の関係を図３に、また電磁石磁界強度と減衰量特性の関係を図４に示す。４５度基本膜ファラデー素子のみを用いた場合でも可変光アッテネータとして機能するが、ファラデー回転角の可変幅が、電磁石の能力上（合成磁界が完全に光軸に垂直方向を向かないため）８〜９０度程度になるため、最大減衰量は１５ｄＢ程度になる。
【００２５】
それに対して５５度基本膜ファラデー素子と−１０度補償膜ファラデー素子を組み合わせた時の電磁石磁界強度とファラデー回転角の関係を図５に、また電磁石磁界強度と減衰量特性の関係を図６に示す。ここで基本膜ファラデー素子は例えばＴｂ_1.00Ｙ_0.65Ｂｉ_1.35Ｆｅ_4.05Ｇａ_0.95Ｏ₁₂なる組成の磁性ガーネットＬＰＥ膜であり、補償膜ファラデー素子は例えばＧｄ_1.00Ｙ_0.75Ｂｉ_1.25Ｆｅ_4.00Ｇａ_1.00Ｏ₁₂なる組成の磁性ガーネットＬＰＥ膜である。このような組み合わせにすると、ファラデー回転角の可変幅が、−１０〜９０度と大きくなり、最大減衰量も４０ｄＢ程度まで大きくできる。
【００２６】
以上、本発明の一実施例について説明したが、本発明はかかる構成のみに限定されるものではない。基本膜ファラデー素子と補償膜ファラデー素子の挿入位置は、図１の例に限られるものではない。図７は、他の実施例を示している。説明を簡略化するために、図１と対応する光学部品については同一符号を付す。
【００２７】
図７のＡに示す例では、基本膜ファラデー素子１４と補償膜ファラデー素子１６を、分離合成用複屈折素子１０とレンズ１２との間に配置している。図１の場合も同様であるが、基本膜ファラデー素子１４と補償膜ファラデー素子１６の順序は逆でもよい。図７のＢに示す例では、基本膜ファラデー素子１４をレンズ１２と反射鏡１８との間に、補償膜ファラデー素子１６を分離合成用複屈折素子１０とレンズ１２との間に配置している。図７のＣに示す例では、逆に、基本膜ファラデー素子１４を分離合成用複屈折素子１０とレンズ１２との間に、補償膜ファラデー素子１６をレンズ１２と反射鏡１８との間に配置している。
【００２８】
基本膜ファラデー素子及び補償膜ファラデー素子が複数に及んだ場合でも、分離合成用複屈折素子１０と反射鏡１８との間であれば、どの位置に配置してもよい。例えば図７のＤに示す例では、２枚の基本膜ファラデー素子と１枚の補償膜ファラデー素子を、基本膜ファラデー素子１４、補償膜ファラデー素子１６、基本膜ファラデー素子１４の順に重ねて、レンズ１２と反射鏡１８との間に配置している。
【００２９】
電磁石磁界強度０での挿入損失が１ｄＢ以下になる基本膜回転角と補償膜回転角の関係を調査した結果を表１に示す。また基本膜回転角が６１度以下の場合は補償膜回転角が−３度以下、基本膜回転角が６１度以上の場合は表１に示した範囲内であれば２５ｄＢ以上の高減衰量を得ることができる。
【００３０】
【表１】

【００３１】
電磁石磁界強度０での挿入損失が小さく、且つ高減衰量を得ることができる基本膜ファラデー素子と補償膜ファラデー素子のファラデー回転角の関係を示したのが図８の斜線で示す領域である。数式で示すと、基本膜ファラデー素子による最大回転角をθ₁ 、補償膜ファラデー素子による最大回転角をθ₂ としたとき、
θ₁ ≦６１度の場合、
３２−θ₁ ≦θ₂ ≦−３
θ₁ ≧６１度の場合、
３２−θ₁ ≦θ₂ ≦５８−θ₁
なる関係を満たすようにすることが望ましい。
【００３２】
具体的には、固定磁界印加手段は、軸方向に着磁した円環状の永久磁石を光軸上に配置することで構成し、可変磁界印加手段は、Ｃ型の磁心にコイルを巻装した電磁石として、そのギャップ内に基本膜ファラデー素子が位置するような構成とする。本発明は反射型であり、反射鏡の裏面側には光路が存在しないので、その反射鏡の裏側のスペースを利用して電磁石を配置することで、平面的な部品配置が可能となり、可変光アッテネータの薄型化に有効である。
【００３３】
【発明の効果】
本発明は上記のように構成した反射型の可変光アッテネータであるので、従来の対向型の光アッテネータと比較して、部品点数が少なく省スペースでありながら同等の性能を発現しうる。また本発明に係る可変光アッテネータは、入力ポートと出力ポートが同一方向となるため、実装の自由度が増し、薄型化にも適した構造が得られる。更に部品点数が少ないため、低価格で製造することが可能となる。
【００３４】
また本発明では、光が往復で通過するためにファラデー素子の厚みを従来の対向型の場合に比し半減でき、その点でも低コスト化できる。更に、基本膜ファラデー素子と補償膜ファラデー素子とを組み合わせる構成とすると、ファラデー回転角の可変幅が大きくなり、最大減衰量を４０ｄＢ程度まで大きくでき、良好な特性が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る可変光アッテネータの一実施例を示す光路説明図。
【図２】その各光学部品間での偏波状況の説明図。
【図３】４５度基本膜ファラデー素子のみを用いた時の電磁石磁界強度とファラデー回転角の関係を示すグラフ。
【図４】４５度基本膜ファラデー素子のみを用いた時の電磁石磁界強度と減衰特性の関係を示すグラフ。
【図５】５５度基本膜ファラデー素子と−１０度補償膜ファラデー素子を組み合わせた時の電磁石磁界強度とファラデー回転角の関係を示すグラフ。
【図６】５５度基本膜ファラデー素子と−１０度補償膜ファラデー素子を組み合わせた時の電磁石磁界強度と減衰特性の関係を示すグラフ。
【図７】本発明に係る可変光アッテネータの他の実施例を示す光路説明図。
【図８】電磁石磁界強度０での挿入損失が小さく且つ高減衰量を得ることができる基本膜ファラデー素子と補償膜ファラデー素子のファラデー回転角の関係を示す説明図。
【符号の説明】
１０ 分離合成用複屈折素子
１２ 凸レンズ
１４ 基本膜ファラデー素子
１６ 補償膜ファラデー素子
１８ 反射鏡
２０ 入力ファイバ
２２ 出力ファイバ
２４ ２芯フェルール

Claims (5)

1. 偏波方向が直交関係にある同じ光路の光を分離し異なる光路の光を合成する平行平面型の分離合成用複屈折素子と、光収束性のレンズと、該レンズの焦点位置に配置した反射鏡とがその順序で配列され、前記分離合成用複屈折素子と反射鏡の間の任意の位置に可変偏波回転手段と固定偏波回転手段を設置し、前記可変偏波回転手段は、可変合成磁界に応じてファラデー回転角が変化する基本膜ファラデー素子と、該基本膜ファラデー素子に２方向以上から外部磁界を印加してそれらの合成磁界を可変する磁界印加手段を具備し、前記固定偏波回転手段は、前記基本膜ファラデー素子とはファラデー回転方向が異なる補償膜ファラデー素子と、該補償膜ファラデー素子に１方向以上から外部磁界を印加する磁界印加手段を具備しており、前記分離合成用複屈折素子の端部側に入力ポートと出力ポートを設定し、前記可変偏波回転手段で偏波方向の回転角度を制御することにより反射出力光量を制御することを特徴とする可変光アッテネータ。
2. 入力ポートに入力ファイバが位置し、出力ポートに出力ファイバが位置するように、２芯フェルールを設置した請求項１記載の可変光アッテネータ。
3. 補償膜ファラデー素子は、可変合成磁界に対して殆どファラデー回転角が変化しない特性を呈するものである請求項１又は２記載の可変光アッテネータ。
4. 基本膜ファラデー素子による最大回転角をθ₁ 、補償膜ファラデー素子による最大回転角をθ₂ としたとき、θ₁ ≦６１度の場合、
   ３２−θ₁ ≦θ₂ ≦−３
   θ₁ ≧６１度の場合、
   ３２−θ₁ ≦θ₂ ≦５８−θ₁
   なる関係を満たす請求項３記載の可変光アッテネータ。
5. 平行平面型の分離合成用複屈折素子がルチル結晶からなる請求項１乃至４のいずれかに記載の可変光アッテネータ。

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