JP3737566B2

JP3737566B2 - 光デバイス

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Publication number: JP3737566B2
Application number: JP18726096A
Authority: JP
Inventors: 正孝白▲崎▼
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1996-06-20
Filing date: 1996-07-17
Publication date: 2006-01-18
Anticipated expiration: 2016-07-17
Also published as: EP0814361B1; EP0814361A1; DE69719117D1; JPH1068908A; DE69719117T2; US5982539A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光デバイスに係り、特には、光サーキュレータ及び磁気光学スイッチを構成する光デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光通信に対する期待が高まるにつれ、光通信を実現するために高性能で安価、かつ小型の光デバイスに対するニーズが高まっている。
【０００３】
図１１は、従来の光サーキュレータあるいは磁気光学スイッチを示す図である。
光サーキュレータやこれと類似の構成を有する磁気光学スイッチは、４５度ファラデー回転子の非相反性や磁化の反転を利用したもので、基本的には、図１１（ａ）の構成を取る。
【０００４】
すなわち、図１１（ａ）においては、光を出力したり入力したりするためのファイバ１００６−１〜１００６−４、光をコリメートあるいは集光するレンズ１００５−１〜１００５−４、光を偏光状態によって分岐／合波するプリズム１００１、１００４、及びプリズム１００１と１００４との間に設けられた１／２波長板１００２及び４５度ファラデー回転子１００３からなる。
【０００５】
プリズム１００１、１００４は入射光を２つの直交偏光成分に分解し、それぞれを平行な光路にして出力するもので、偏光分離の手段としては多層の干渉膜が一般的である。２つのプリズム１００１、１００４を対向させ、間に偏光面を相反的に４５度回転するための１／２波長板１００２と４５度ファラデー回転子１００３を挿入する。光が図１１（ａ）中ファイバ１００６−１から右へ進む時にはプリズム１００１で分岐された各偏光成分の両者の偏光面回転角は、１／２波長板１００２と４５度ファラデー回転子１００３とで互いに同一方向にそれぞれ４５度ずつ回転されるため４５度＋４５度で９０度となり、逆に右から左へ進むときには、４５度ファラデー回転子１００３と１／２波長板１００２とで互いに逆方向にそれぞれ４５度ずつ回転されるため４５度−４５度で０度となる。従って、ファイバ１００６ー１からの光はファイバ１００６−４へ進み、ファイバ１００６−４からの光はファイバ１００６−２へ進む。また、ファイバ１００６−２からの光はファイバ１００６−３へ進み、ファイバ１００６−３からの光はファイバ１００６−１へ進む。このように、光サーキュレータの機能が実現できる。
【０００６】
一方、４５度ファラデー回転子の磁場を電磁石で印加し、その磁化を反転すれば、ファラデー回転角が反転するので、ファイバ１００６−４からファイバ１００６−２へ進んでいた光がファイバ１００６−４からファイバ１００６ー１へ進むようになり、磁気光学スイッチの機能となる。
【０００７】
しかし、この構成では、４５度ファラデー回転子の偏光楕円化やプリズムの偏光分離不完全などにより、クロストークが生じるという問題があった。通常、クロストークの量は約−２５〜−３０ｄＢである。
【０００８】
これを改善するために、図１１（ｂ）のサーキュレータが提案された。
図１１（ｂ）の構成においては、光を入出力するファイバ１０１０−１〜１０１０−４が設けられ、それぞれレンズ１０１１−１〜１０１１−４で光をコリメートあるいは集光する。レンズ１０１１−１〜１０１１−４に面して複屈折結晶１０１３、１０１４が設けられる。更に、複屈折結晶１０１２が複屈折結晶１０１３と１０１４との間に設けられ、複屈折結晶１０１２と１０１３との間、及び複屈折結晶１０１２と１０１４との間には各光路にそれぞれ設けられた１／２波長板１０１６−１〜１０１６−４及び４５度ファラデー回転子１０１５−１、１０１５−２が挿入されている。
【０００９】
図１１（ｂ）の場合は、光が複屈折結晶１０１３で偏光分離され、次に偏光面が直交する２偏光がそれぞれ別の１／２波長板１０１６−１、１０１６ー２で偏光回転し、同一偏光となる。４５度ファラデー回転子１０１５−１によって偏光面が回転された後、光線の位置が複屈折結晶１０１２によって特定の方向へ移動させられ、２偏光がそれぞれ別の１／２波長板１０１６−３、１０１６−４で偏光回転して直交偏光となってから、複屈折結晶１０１４で偏光合成して出力する。逆方向の光は、中央の複屈折結晶１０１２での偏光方向が９０度異なるので、順方向の光路から分離して異なる出力光線となる。この構成では非相反部が２組あるので、１つの非相反部でのクロストークが１００分の１であるとすると、２組の非相反部を通過することによるクロストークは１００００分の１になるというように、クロストークは大幅に低減できる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前述したように、図１１（ａ）の構成では、４５度ファラデー回転子の偏光楕円化やプリズムの偏光分離不完全などにより、クロストークが生じるという問題があった。通常、クロストークの量は約−２５〜−３０ｄＢである。しかしながら、このクロストークの量は実用上の許容範囲より大きく、更に、クロストークを少なくする必要がある。
【００１１】
また、図１１（ｂ）の構成においては、クロストークの問題は改善されるものの、部品点数が多く、大型化してしまうと共に、光デバイス自体も高価なものになってしまう。
【００１２】
従って、本発明の課題は、光ファイバに接続するための光サーキュレータまたは磁気光学スイッチで、部品点数が少なく、構成が単純で、コストが低く、大きさが小さく、クロストークが小さい構成の光デバイスを提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の光デバイスは、入射光を偏光面が直交する第１及び第２の直線偏光に分解してそれぞれを互いに平行な第１の光路と第２の光路とに出力する第１の偏光プリズムと、第１の偏光プリズムの後段に設けられた第１の４５度ファラデー回転子と、第１の４５度ファラデー回転子の後段に設けられ、第１の直線偏光と第２の直線偏光に対して第１の偏向角を与えると共に、第１の直線偏光に直交する直線偏光と第２の直線偏光に直交する直線偏光に対して第１の偏向角とは異なる第２の偏向角を与える、少なくとも１つの複屈折楔板からなる偏向手段と、偏向手段の後段に設けられた第２の４５度ファラデー回転子と、第２の４５度ファラデー回転子の後段に設けられ、第１及び第２の光路中の、偏向手段により第１の偏向角を与えられた光を互いに合波して出力する第２の偏光プリズムと、を備える。
【００１４】
また、本発明の光デバイスの他の構成によれば、光を反射するための反射面と、入射光を偏光面が直交する第１及び第２の直線偏光に分解して、そのそれぞれを、反射面で折り返される互いに平行な第１の光路と第２の光路とに出力し、また、反射面で反射されて第１及び第２の光路を戻ってきた直線偏光を互いに合波して出力光として出力する偏光プリズムと、偏光プリズムと反射面との間に設けられた４５度ファラデー回転子と、４５度ファラデー回転子と反射面との間に設けられ、第１の直線偏光と第２の直線偏光に対して第１の偏向角を与えると共に、第１の直線偏光に直交する直線偏光と第２の直線偏光に直交する直線偏光に対して第１の偏向角とは異なる第２の偏向角を与える、少なくとも１つの複屈折楔板からなる偏向手段と、を備える。
【００１５】
このような構成によれば、光サーキュレータや磁気光学スイッチを形成する際に、部品点数が少なくて済むので、全体の大きさも小さくすることが出来る。また、１つの偏光プリズムと、１つの４５度ファラデー回転子と、偏向手段とからなる非相反部が２つ直列に配列された構成となっているので、クロストークを小さくすることができる。
【００１６】
また、反射面を用いることにより、２つ用いられていた偏光プリズムと４５度ファラデー回転子を１つにすることが出来るので、更に、部品点数を少なく、製造コストも下げることが出来る。しかも、偏光プリズム、４５度ファラデー回転子、複屈折楔板からなる非相反部を光が２回通ることになるので、クロストークも低く抑えることが出来る。
【００１７】
また、偏向手段が第１の直線偏光と第２の直線偏光に対して第１の偏向角を与えると共に、第１の直線偏光に直交する直線偏光と第２の直線偏光に直交する直線偏光に対して第１の偏向角とは異なる第２の偏向角を与えるように構成されているため、例えば、右から光が入射する場合に第１の偏向角を与えられ、左から光が入射する場合には第２の偏向角を与えられるように４５度ファラデー回転子を使って制御すると、右から来た光が受光される位置と左から来た光が受光される位置が異なるようになり、光サーキュレータを形成することができるようになる。
【００１８】
また４５度ファラデー回転子のファラデー回転角の回転方向を４５度ファラデー回転子の磁気光学結晶に印加される磁場の向きを反転させることにより、例えば、光デバイスの右から入射した光が第２の偏向角を与えられ、左から入射した光が第１の偏向角を与えられるようにすることが出来る。これにより、入射した光が受光される位置を切り換えることが出来るので、磁気光学スイッチとしての機能を達成することが出来る。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の光デバイスの第１の実施例を示す図である。
図１においては、光を入出力するファイバ１０１〜１０４、ファイバ１０１〜１０４から入出力される光をコリメートあるいは集光するレンズ１０５−１、１０５−２、直交する偏光を分離／合波する偏光プリズム１０６−１、１０６−２、光の偏光方向を４５度回転する４５度ファラデー回転子１０７−１、１０７−２、通過する光の偏光状態によって、光の偏向方向を変化させる複屈折楔板１０８−１、１０８−２とからなっている。図１に示されているように、この構成においては、非相反部が２つ直列に接続されているので、１つの非相反部のクロストークの２乗が全体のクロストークとなる。従って、図１の１つの非相反部のクロストークが１００分の１である場合には、全体のクロストークは１００００分の１とすることができ、クロストークの少ない構成とすることが出来る。
【００２０】
ファイバ１０１から入射した光はレンズ１０５−１で平行光線となり、偏光プリズム１０６−１に入射して直交する２つの直線偏光に分解される。分かれたそれぞれの光線は、偏光面の直交性を保ったまま偏光プリズム１０６−１から平行な２光路に沿って出力される。それらの光線は４５度ファラデー回転子１０７−１を通過することにより、それぞれ偏光面が４５度回転し、それぞれが別の複屈折楔板１０８−１、１０８−２に入射する。これらの複屈折楔板１０８−１、１０８−２は楔角度は同一であるが、その光学軸の方位はそれぞれの通過直線偏光の偏光面と平行であるので、結果的に２つの複屈折楔板１０８−１、１０８−２の光学軸方位は光の進行方向の回りに相互に９０度回転した関係になっている。どちらの偏光光線も複屈折楔板１０８−１，１０８−２を異常光として通過するので、どちらも異常光としての屈折を受け、複屈折楔板１０８−１、１０８−２通過後も２光線は平行である。さらに４５度ファラデー回転子１０７−２を通過した後もそれらは偏光面が直交しているので、偏光プリズム１０６−２で１本の光線となり、両偏光成分ともレンズ１０５−２でファイバ１０４へ結合する。この時、２つの４５度ファラデー回転子１０７−１、１０７−２の偏光面回転角が同じ方向であれば、全体として偏光面は９０度回転する。なお、偏光プリズム１０６−１、１０６−２と同一の機能は複屈折平板でも得られる。
【００２１】
一方、ファイバ１０４から入射した光はレンズ１０５−２で平行光線となり、偏光プリズム１０６−２で直交する２つの直線偏光に分解される。分かれたそれぞれの光線は、偏光面の直交性を保ったままプリズムから平行な２光路に沿って出力される。それらの光線は４５度ファラデー回転子１０７−２を通過して、それぞれ偏光面が４５度回転し、複屈折楔板１０８−１、１０８−２に入射する。この場合、どちらの偏光光線もファイバ１０１からファイバ１０４へ光が進行する場合に比較して偏光面が９０度回転しているため、複屈折楔板１０８−１、１０８−２の中では常光となり、常光としての屈折を受ける。さらに４５度ファラデー回転子１０７−１を通過した後、偏光プリズム１０６−１で１本の光線となる。この時、光は複屈折楔板１０８−１、１０８−２を常光として屈折したため、ファイバ１０１から出た光とは進行方向が異なる。従って、ファイバ１０２へ結合する。同様に、ファイバ１０２から入射した光は、ファイバ１０１から出力される光とはやや異なる方向から偏光プリズム１０６−１へ入射するので、偏光プリズム１０６−２から出射される場合もファイバ１０１から来た光とは異なる角度で出射され、ファイバ１０３へ結合し、光サーキュレータの機能が得られる。
【００２２】
ここで、ファイバ１０３から出た光はファイバ１０１、１０２のいずれにも結合せず、ファイバ１０１、１０２のある場所とは異なる方向に出力されるため、完全なサーキュレータではないが、実用上、上記した機能を有していればサーキュレータとして使用可能である。
【００２３】
なお、偏光プリズム１０６−１、１０６−２は、２つのプリズム状ガラスの間に偏光分離膜（多層の干渉膜）を挟むようにして接着することによって形成が可能である。また、複屈折楔板１０８−１、１０８−２の材質としては、二酸化チタンの単結晶や方解石を用いることが可能である。
【００２４】
また、図１の構成では、ファイバ１０１と１０２に共通にレンズ１０５−１が設けられ、ファイバ１０３と１０４に共通にレンズ１０５−２が設けられているが、それぞれのファイバに１つずつのレンズを設けても良い。更に、ファイバ１０１〜１０４にはフェルールを取り付けて、構成することも可能である。
【００２５】
上記説明では、２つの４５度ファラデー回転子のファラデー回転角が等しい方向に回転するものとして説明したが４５度ファラデー回転子１０７−１と１０７−２のファラデー回転角が互いに反対向きの回転とすることも可能である。この場合には、偏光プリズム１０６−１から出力される紙面に垂直に偏光した光は、偏光プリズム１０６−２に入射するときも紙面に垂直に偏光した光として入射し、偏光プリズム１０６−１から出力される紙面に平行に偏光した光は、偏光プリズム１０６−２に入射するときも紙面に平行に偏光した光として入射する。
【００２６】
従って、光の出力方向は図１の（１）で示される方向になり、この位置にレンズとファイバを設けて、光を受光するようにすればよい。
図２は、図１の丸で囲まれた各番号で示した部分の光路の断面を示し、同時に、光の偏光方向を示す図である。光の偏光方向は光の進行方向から見た様子を示している。すなわち、光が右方向へ進む場合には矢印Ａ（図１）方向から見た様子を示し、左方向へ進む場合には矢印Ｂ（図１）方向から見た様子を示している。なお、図２における複屈折楔板の配置は図２（ｃ）に示されるように、楔の先端部分が上向きになるように配置した構成とした。また、以下に説明するのは、実線の矢印で示されているものであり、点線の矢印で示されている場合は後に説明する。
【００２７】
図２（ａ）の▲１▼は、ファイバ１０１から入射された光がレンズ１０５−１で平行光線にされた後の光の進行方向と偏光状態を示している。▲１▼に示されるように、ファイバ１０１から出力される光は互いに直交する偏光状態を含んでいる。
【００２８】
次に、▲１▼で示される光が偏光プリズム１０６−１を通過すると、互いに直交している偏光成分の内、片方（ｐ偏光）は直進し、他方（ｓ偏光）は反射され、光路をかえられる。図２（ａ）の場合には、横方向の偏光が偏光プリズム１０６−１を直進して通過している。従って、▲２▼に示されるように、垂直方向に偏光した偏光成分と水平に偏光した偏光成分とは異なる光路を進むようになる。
【００２９】
偏光プリズム１０６−１によって分離されたそれぞれの偏光は４５度ファラデー回転子１０７−１を通過することによって、図２（ａ）の▲３▼に示されるように時計回りに４５度偏光面が回転され、それぞれ複屈折楔板１０８−１、１０８−２を通過する。図２（ａ）の▲３▼に示される偏光は、それぞれの複屈折楔板１０８−１、１０８−２の内部では異常光として通過するので、複屈折楔板１０８−１、１０８−２を出てきたときには、▲４▼で示されるように、進行方向が常光の場合に比べて大きく偏向されて出てくる。
【００３０】
複屈折楔板１０８−１、１０８−２を通過した光は４５度ファラデー回転子１０７ー２を通過するので、偏光面が時計回りに４５度回転され、▲５▼に示すように垂直に偏光した光と水平に偏光した光となって出力される。これらの光は偏光プリズム１０６−２で合波され、偏光プリズム１０６−２から出力される場合には、図２（ａ）の▲６▼に示されるように、▲１▼で入射された角度とは異なる角度で出力され、例えば、ファイバ１０４によって受光される。
【００３１】
逆に、ファイバ１０４から出力される光は、図２（ｂ）の▲６▼に示されるように、垂直偏光と水平偏光とを含んだ光として入力される。次に、偏光プリズム１０６−２によって、偏光分離され図２（ｂ）の▲５▼に示すようになり、４５度ファラデー回転子１０７−２を通過することによって、図２（ｂ）の▲４▼に示すように偏光面が反時計回りに回転される。
【００３２】
４５度ファラデー回転子１０７−２を通過した光は、次に、複屈折楔板１０８−１、１０８−２に入力される。今度の場合は、複屈折楔板１０８−１、１０８−２に入力される光は、図２（ｂ）の▲４▼に示されるように、複屈折楔板１０８−１、１０８−２内部で常光として透過するので図２（ａ）で説明した場合と異なった角度で出力される。従って、図２（ａ）の▲３▼から▲４▼で示したような角度の変化が、図２（ｂ）の▲４▼から▲３▼では、全くないように示されている。これは、実際には、角度の変化があるが、異常光と常光との屈折のされかたの違いを明確に示すために、あたかも全く角度の変化がないように示したものである。
【００３３】
複屈折楔板１０８−１、１０８−２から出力された光は４５度ファラデー回転子１０７−１に入力され、偏光面が反時計回りに４５度回転されて、図２（ｂ）の▲２▼で示されるようになる。そして、偏光プリズム１０６−１で２つの互いに直交する光が合波され、レンズ１０５−１に出力される。図２（ａ）の▲１▼と、図２（ｂ）の▲１▼とを比較すると明らかなように、レンズ１０５−１から出力される光はファイバ１０１から入力される光（図２（ａ）の▲１▼）とは、異なる角度で出力される。従って、図２（ｂ）の▲１▼の光はファイバ１０１とは異なるファイバ１０２によって受光される。
【００３４】
このように、ファイバ１０１から入った光はファイバ１０４へ、ファイバ１０４から入った光はファイバ１０２へというようになり、図１の構成で、光サーキュレータを形成することが可能である。
【００３５】
図３は、図１の光デバイスから異なる角度で出力される光をそれぞれ受光するファイバ１０３、１０４の配置関係を示す図である。
図１の光デバイスにおいては、ファイバ１０１から入力された光とファイバ１０２から入力された光とが偏光プリズム１０６−２から出力される場合、異なる角度で出力される。例えば、複屈折楔板を図２（ｃ）のように配置する場合には、ファイバ１０３、１０４は図３の紙面に垂直方向に配列されるようになる。
【００３６】
図３において、図１の光デバイス３０１は図１で、偏光プリズム１０６−１、１０６−２、４５度ファラデー回転子１０７−１、１０７−２、及び複屈折楔板１０８−１、１０８−２からなる部分を示している。
【００３７】
ここで、光デバイス３０１から出力される、２つの異なる進行方向を有する光のなす角度をθとし、レンズ１０５−２の焦点距離をｆとすると、異なる進行方向を有する光をそれぞれ受光するために設けるファイバ１０３、１０４の間隔ｄは、ｄ＝ｆ×θで表される。ここで、θの角度の単位はラジアンとし、１よりもずっと小さいとする。
【００３８】
従って、上記式で表されるｄの間隔だけファイバ１０３と１０４を離して設ければ、図１の光デバイス３０１から出力される、進行方向が互いにθラジアンだけ異なる方向に出力される光を１個のレンズ１０５−２で集光して、それぞれファイバ１０３と１０４で別々に受光が可能である。
【００３９】
このように、本発明においては、図１１（ｂ）で示した従来の光デバイスのように光デバイス３０１の中を通る光の光路を空間的に異なる位置になるようにするのではなく、複屈折楔板１０８−１、１０８−２によって、偏光状態の異なる光の進行方向を異なる角度に偏向するようにしている。
【００４０】
図４は、図１の光デバイスに使用する４５度ファラデー回転子の構成を示した図である。
例えば、４５度ファラデー回転子は図４（ａ）に示すような永久磁石４０２で磁気光学結晶４０１を磁化して用いる構成が考えられ、この場合ファラデー回転角は固定している。図４（ａ）の構成においては、２つの永久磁石４０２のＮ極はそれぞれ上方を、Ｓ極はそれぞれ下方を向いて設けられており、入射光４０４の進行方向と平行な磁場を磁気光学結晶４０１に印加しており、４５度のファラデー回転角が得られるように構成している。このような４５度ファラデー回転子を用いる場合には、ファラデー回転角が固定されるので、光サーキュレータの機能も固定的なものとなる。
【００４１】
一方、図１の構成において、２つのファラデー回転子１０７−１、１０７−２を図４（ｂ）のような電磁石４０３で磁化する構成とすることも可能である。この場合には、電磁石４０３に流れる電流の向きを反転することによって、磁気光学結晶４０１に印加される磁場の向きを反転することが出来るので、ファラデー回転角を反転させることができる。ファラデー回転角を反転すると、複屈折楔板の中の偏光が常光と異常光の間で入れ代わるので、光を受光する結合ファイバが切り替わり、磁気光学スイッチとなる。
【００４２】
すなわち、ファイバ１０４から入力された光は図２（ｂ）の▲４▼において、それぞれの偏光が図示されているものとは垂直の偏光状態となるので、図２（ｂ）の▲４▼から▲３▼に至る間に、複屈折楔板１０８−１、１０８−２を通過するが、異常光として通過するので、図２（ｂ）の▲３▼の実線の矢印で示される角度とは異なる角度、すなわち、図２（ｂ）の▲３▼のうち、点線の矢印で示される状態となる。従って、図２（ｂ）の▲１▼の点線の矢印で示されるような角度で光が出力されるので、図１のファイバ１０２に光が出力されるのではなく、ファイバ１０１に光が出力されるようになる。
【００４３】
このように、４５度ファラデー回転子１０７−１、１０７−２のファラデー回転角を反転させることによって、１つのファイバから入射された光を異なるファイバに出力することができるので、磁気光学スイッチとして使用が可能になるというものである。
【００４４】
図４（ｂ）の電磁石４０３は、コイルと軟質磁性体を使っても良いが、コイルと半硬質磁性体を使って自己保持のできるスイッチとしてもよい。また、図１の構成では、光サーキュレータも磁気光学スイッチも、非相反部を２段使っているので、クロストークを低減できる。
【００４５】
図５は、光サーキュレータ及びこれを用いた磁気光学スイッチの概念を説明する図である。
図５（ａ）に示されているように、▲１▼から入射した光は▲２▼へ出力され、▲２▼から入射した光は▲３▼へ、▲３▼からは▲４▼へ、というように、光の入出力関係が▲１▼から回転するように切り換えられている。ここで、▲１▼が図１のファイバ１０１に対応するとすると、▲２▼はファイバ１０４に、▲３▼はファイバ１０２に、▲４▼はファイバ１０３に対応する。
【００４６】
これに対し、前述したように４５度ファラデー回転子のファラデー回転角を反転させると、同じ入射口から入射した光が異なる出力口に出力されるようになる。
【００４７】
すなわち、図５（ｂ）に示されているように、▲１▼から入射された光は▲４▼から出射されるようになる。同様に、▲４▼からは▲３▼へ、▲３▼からは▲２▼へ、というように、図５（ａ）とは逆回りに、光路の変更が行われるようになる。従って、例えば、▲１▼から光を入射していた場合、４５度ファラデー回転子のファラデー回転角を反転させることにより、▲２▼に出力されていた光を▲４▼に切り換えることができる。このように、光サーキュレータと同じ構成で、４５度ファラデー回転子がファラデー回転角を反転できるようにするだけで、磁気光学スイッチを構成することができる。
【００４８】
図６は、複屈折楔板の変形例を示す図（その１）である。
複屈折楔板については、その作用による偏向方向が平行２光線を含む面に平行でも垂直でもそれ以外でも良いが、平行な場合の例を図６（ａ）と図６（ｃ）に、垂直な場合の例を図６（ｂ）と図６（ｄ）に示す。図６において、矢印は複屈折楔板の光学軸の方向を示す。
【００４９】
図６（ａ）と図６（ｂ）では、複屈折楔板の楔角度は同一だが、光学軸が４５度と−４５度になっている。一方、図６（ｃ）と図６（ｄ）では、図６（ａ）や図６（ｂ）に加えて、楔角度が符号が反対で光学軸が直交する複屈折楔板がそれぞれの光路に入っており、最初の複屈折楔板による屈折が平均的には次の複屈折楔板による屈折で打ち消され、２枚の複屈折楔板を通過した後の偏光の異なる２本の光線の方向の平均は複屈折楔板入射前と同じであり、偏向による分離角度のみが加算されて残る。ここで、２本の光線の方向の平均とは、２本の光線のなす角度の２等分線の方向のことを述べており、この２等分線の方向が光が複屈折楔板に入射する前と同じとなる。すなわち、図１の偏光プリズム１０６−２から出てくる光の進行方向が図１の点線の矢印で示される方向に対し、両側に同じ角度で広がることを示している。
【００５０】
図６（ｅ）は、複屈折楔板の更なる変形例であり、特に、この例では１／２波長板を使用している。図６（ｅ）に示されている構成によれば、複屈折楔板は縦方向に光学軸を有する１つの楔板からなっている。この場合、光学軸の向きは縦方向でも横方向でもよく、また、図６（ｅ）に１つの楔板として描かれている複屈折楔板は同じ光学軸の方向を有する２つの複屈折楔板で構成しても良い。
【００５１】
この構成においては、所望の機能を得るために複屈折楔板の他に偏光プリズムで分岐されたそれぞれの光の通り道に主軸が２２．５度、垂直から傾いた１／２波長板を設ける。１／２波長板では直交する２つの主軸の内の一方が光学軸となる。例えば、１／２波長板６０１と６０２はその主軸が互いに反対方向に垂直から２２．５度傾いた構成となっている。また、１／２波長板６０３は６０１と、６０４は６０２とそれぞれ同じ方向に主軸が２２．５度傾いており、１／２波長板６０１と６０２によって回転された偏光面を元に戻す役割をする。この様な構成は構成要素数が多くなるが、図６（ａ）や図６（ｂ）の複屈折楔板と同じ機能を果たすことが出来る。
【００５２】
図７は、複屈折楔板の変形例を示す図（その２）である。
図７（ａ）は、複屈折楔板の更なる変形例であり、楔の方向が互いに反対向きになっている構成を示す。楔の方向が互いに反対向きであるとは図７（ａ）に示されるように、楔のとがった部分同士を向かい合わせている状態、あるいは、楔の底の部分を互いに向かい合わせている状態を示している。このような状態を楔角度が互いに反対符号であるという。
【００５３】
このような構成によっても、常光と異常光との屈折角の平均を光が当該複屈折楔板に入射した方向と一致させることが出来る。この場合、第１の複屈折楔板と第２の複屈折楔板の楔角度は符号が反対で、大きさが同じとする。また、２つの第１の複屈折楔板の光学軸は同じ方向とし、２つの第２の複屈折楔板の光学軸は第１の複屈折楔板の光学軸に直交した方向で、それぞれは同じ方向とする。
【００５４】
図７（ｂ）は図７（ａ）の第１の複屈折楔板と第２の複屈折楔板の位置を入れ替えた構成を示している。このような構成においても、第１の複屈折楔板で屈折された光の進行方向を第２の複屈折楔板で補正してやり、常光と異常光の屈折角の平均が光の入射方向と同一になるようにすることができる。
【００５５】
また、図７（ｃ）に示されているように、図６や図７（ａ）、（ｂ）において２枚目の複屈折楔板をガラスなどの等方的な材料でできた楔で置き換えても、楔板を通過した後の光線方向の平均を楔板入射前と同じにすることは出来る。ガラスの楔板を使用する場合には、結晶の光学軸の方位という問題がないので、２つの光路それぞれに別個に楔を設ける必要はなく、図７（ｃ）に示されるように、１つのガラスの楔を用いればよい。但し、それぞれの光路に対し、別々にガラスの楔を設けても良い。また、この場合、ガラスの楔の楔角度は複屈折楔板の平均屈折率とガラスの楔の屈折率の比の値だけ大きくするようにし、楔の方向も図７（ｃ）に示されるように、反対を向くように構成する。このように、複屈折楔板の楔の向きとガラスの楔板の楔の向きとが反対を向いている場合に、複屈折楔板の楔角度とガラスの楔板の楔角度は互いに符号が反対という。
【００５６】
図７（ｄ）はガラスの楔の楔角度と複屈折楔板の楔角度との関係を示す図である。
常光と異常光とでは複屈折楔板によって屈折される角度が異なる。従って、複屈折楔板の屈折率は常光と異常光とで異なる。ここで、ある光が複屈折楔板の常光の屈折率と異常光の屈折率との平均の屈折率で偏向を受けたとすると、この光（１）は、図７（ｄ）に示されるように、異常光が進む光路と常光が進む光路との中間の光路を進む。
【００５７】
これに対し、ガラスの楔の屈折率が上記平均の屈折率と同じであった場合には、ガラスの楔の楔角度の大きさは複屈折結晶のものと同じでよいが、ガラスの楔の屈折率が上記平均の屈折率よりも小さい場合には、ガラスの楔の楔角度の大きさを大きくしなくては、光（１）の光路は複屈折楔板に入射した光の進行方向と平行にならない。逆に、平行にするためには、ガラスの楔の楔角度の大きさを大きくすればよい。このガラスの楔の楔角度の増加分は、上記したように、複屈折楔板の常光と異常光に対する屈折率の平均とガラスの屈折率の比によって与えられる。これにより、異常光と常光の角度分離は複屈折楔板への光の入射方向を中心として対称にすることが出来る。
【００５８】
このようにして、楔板によって光路が角度分離するので、それぞれを別のファイバで受けることが出来る。特に、進行方向が微妙に異なる平行光線は、同一のレンズで集光すると集光位置が異なるので、それぞれの集光点にファイバを配置することによって個別に受けることが可能となる。
【００５９】
図７（ｅ）は複屈折楔板の更に別の配置を示す図である。
図７（ｅ）においては、複屈折楔板７０１、７０２自身が水平から４５度傾斜して設けられており、図７（ｅ）に矢印で示される光学軸は複屈折楔板７０１の場合は、楔の底の部分に平行に設定され、複屈折楔板７０２の場合には、くさびの底の部分に垂直に設定されている。
【００６０】
一般に、複屈折楔板に光が入射する場合、楔の傾斜部分の表面に対し、光の入射が垂直からずれるが、光学軸が楔の傾斜部分の表面の法線と光入射方向を含む面に垂直または平行であれば、垂直入射でなくても、完全に偏光分離が出来る。図７（ｅ）の複屈折楔板の配置においては、複屈折楔板７０１の場合は、光学軸が楔の傾斜部分の表面の法線と光入射方向を含む面に垂直に、複屈折楔板７０２の場合は、平行になっている。従って、複屈折楔板７０１、７０２の楔の傾斜部分の表面において、異常光あるいは常光として通過する光の偏光方向が互いに垂直となる。よって、複屈折楔板を光が通過した場合にもクロストークを低減することが出来、理想的にはクロストークをなくすことが出来る。
【００６１】
以上の構成は、２つのファラデー回転子を使っているが、途中で折り返す構成として１つのファラデー回転子で２回分を共用することができる。
図８は、本発明の光デバイスの第２の実施例を示す図である。
【００６２】
図８の構成においては、反射面７０６、複屈折楔板７０５、４５度ファラデー回転子７０４、偏光プリズム７０３、レンズ７０２−１、７０２−２、ファイバ７０１−１〜７０１−４からなっている。
【００６３】
ファイバ７０１−１から入力された光はレンズ７０２−１によって、コリメートされ、偏光プリズム７０３に入力される。偏光プリズム７０３では、互いに直交する偏光が分離され、図面の紙面に平行な偏光方向を持つ光は光路１へ、紙面に垂直な偏光方向を持つ光は光路２へと導かれる。次に、それぞれの光は４５度ファラデー回転子７０４によって、図８の下方に記載されているように、偏光面を反時計回りに４５度回転させられる。これにより、光路１及び２の光の偏光面は、同じく図８の下方に記載されている複屈折楔板７０５の光学軸と平行となり、異常光として屈折をうける。複屈折楔板７０５から出力された光は反射面７０６によって反射され、再び複屈折楔板７０５によって、異常光としての屈折を受ける。そして、４５度ファラデー回転子によって偏光面が４５度回転されて、光路１の光は紙面に垂直な偏光方向を持ち、光路２の光は紙面に平行な偏光方向を持って、偏光プリズム７０３に入力される。これにより、光路１と２を通ってきた光は合波され、レンズ７０２−２の方向に出力される。そして、ファイバ７０１ー４によって受光される。
【００６４】
一方、ファイバ７０１−４から出力された光は、同様に、レンズ７０２−２によって、コリメートされ、偏光プリズム７０３によって分岐される。今度の場合は、光路１には紙面に垂直な方向に偏光した光が現れ、光路２には紙面に平行な方向に偏光した光が現れる。これらが４５度ファラデー回転子によって回転された後には、複屈折楔板７０５の光軸と垂直となり、常光としての屈折を受ける。反射面７０６によって、反射された後に更に複屈折楔板７０５によって屈折を受け、４５度ファラデー回転子７０４によって偏光面を回転される。これにより、光路１には紙面に平行に偏光した光が現れ、光路２には紙面に垂直に偏光した光が現れる。したがって、これらの光は、レンズ７０２−１の方向に出力され、ファイバ７０１−２に入力される。
【００６５】
ファイバ７０１−２から出力された光はファイバ７０１−１から出力された光と同様の作用を受けるが、ファイバ７０１−１とファイバ７０１−２の位置が異なっているために、レンズ７０２−２から出力される場合にも、ファイバ７０１−１から出力された光とは異なる角度で出力され、ファイバ７０１−３に結合される。
【００６６】
このように、図８の構成においても図１の光デバイスと同様の作用を得ることが出来、光サーキュレータあるいは磁気光学スイッチとしての機能を達成することが出来る。
【００６７】
なお、同図の構成においては、反射面７０６が別途設けられる構成を説明したが、複屈折楔板７０５と一体成形する構成としても良い。すなわち、複屈折楔板７０５の一つの面に反射膜を形成するなどが可能である。
【００６８】
図９は、本発明の光デバイスの第３の実施例を示す図である。
図９において、図１と同じ参照番号が付されている構成要素は、図１と同じ構成要素を示す。図９においては、図１の偏光プリズムの代わりに複屈折結晶８０１及び８０２が設けられている。図９に点線で示されているように、ファイバ１０１あるいは１０２から出力された光は複屈折結晶８０１によって、互いに直交する偏光を持つ異常光と常光に分岐される。複屈折結晶８０１を通過すると、直交する偏光面を持つ２つの光線は平行になり、４５度ファラデー回転子１０７−１によって偏光面を４５度回転させられ、複屈折楔板１０８−１、１０８−２に異常光として入射する。複屈折楔板１０８−１、１０８−２では、異常光として屈折され、４５度ファラデー回転子１０７−２で更に偏光面が回転され、図９の紙面に垂直な偏光方向の光と紙面に平行な偏光方向の光とに変換される。そして、複屈折結晶８０２に入力されて、直交した偏光が互いに合波されて、レンズ１０５−２に出力される。
【００６９】
出力された光がファイバ１０３とファイバ１０４のいずれに入るかはファイバ１０１から出た光か、ファイバ１０２から出た光かによって異なり、例えば、ファイバ１０１から出力された光はファイバ１０４へ入力され、ファイバ１０２から出力された光はファイバ１０３へ入力される。このように、ファイバ１０１とファイバ１０２との配置がずれているため、複屈折楔板１０８−１で屈折されて光が出力される方向がずれることになる。
【００７０】
図１０は、本発明の光サーキュレータとしての光デバイスの応用例を示した図である。
光サーキュレータ９０１の用途は、図１０（ａ）に示したように、光源９０２から伝送路９０３へ光を送り、同一の伝送路９０３からの光を受光器９０４で受ける構成が考えられる。このような構成によれば、光源９０２から信号として送られてきた光を伝送路９０３に伝送することが出来ると共に、同じ伝送路９０３を送信されてきた光信号を受光器９０４で受光することが可能となる。従って、図１０（ａ）に示されている構成を光通信の端局に設けることによって、送受信機能を有する光送受信機を構成することが出来る。
【００７１】
また、図１０（ｂ）に示すように、伝送路９０３からの光をファイバグレーティング９０５などへ送って、特定の波長の反射光を受光することも可能である。すなわち、光は伝送路９０３からサーキュレータ９０１に入力され、ファイバグレーティング９０５に送られる。そして、特定の波長だけが反射され、受光器９０４へと送られて、受光される。このように、伝送路９０３から送られてきた複数の光の内、特定の波長の光を取り出すことが出来るので、波長分割多重通信において、各チャネルの受光器として使用が可能である。
【００７２】
更に、本発明の光デバイスを磁気光学スイッチとして使用する場合の用途は、図１０（ｃ）に示したように、伝送路▲１▼〜▲２▼の光を必要に応じて光路を切り換え、例えば、▲３▼へ出力されるようにすれば、光信号を送受できる端末９０６を用意しておくことによって、光信号を送受信することが出来ると共に、伝送されてきた光信号に基づいた処理を行った結果を再び光信号として、伝送路▲４▼から伝送路▲２▼へ送信するなどを行うことができる。
【００７３】
【発明の効果】
本発明によれば、部品点数が少なく、構成が簡単で、クロストークの少ない光デバイス、特に、光サーキュレータ、あるいは磁気光学スイッチを提供することが出来る。
【００７４】
また、部品点数が少ないため、小型化が可能であり、製造コストを少なくすることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光デバイスの第１の実施例を示す図である。
【図２】図１の丸で囲まれた各番号で示した部分の光路の断面を示し、同時に、光の偏光方向を示す図である。
【図３】図１の光デバイスから異なる角度で出力される光をそれぞれ受光するファイバ１０３、１０４の配置関係を示す図である。
【図４】図１の光デバイスに使用する４５度ファラデー回転子の構成を示した図である。
【図５】光サーキュレータ及びこれを用いた磁気光学スイッチの概念を説明する図である。
【図６】複屈折楔板の変形例を示す図（その１）である。
【図７】複屈折楔板の変形例を示す図（その２）である。
【図８】本発明の光デバイスの第２の実施例を示す図である。
【図９】本発明の光デバイスの第３の実施例を示す図である。
【図１０】本発明の光サーキュレータとしての光デバイスの応用例を示した図である。
【図１１】従来の光サーキュレータあるいは磁気光学スイッチを示す図である。
【符号の説明】
１０１〜１０４、７０１−１〜７０１−４、１００６−１〜１００６−４、１０１０−１〜１０１０−４ファイバ
１０５−１、１０５−２、７０２−１、７０２−２、１００５−１〜１００５−４、１０１１−１〜１０１１−４レンズ
１０６−１、１０６−２、７０３、１００１、１００４偏光プリズム
１０７−１、１０７−２、７０４、１００３、１０１５−１、１０１５−２４５度ファラデー回転子
１０８−１、１０８−２、７０５複屈折楔板
８０１、８０２、１０１２、１０１３、１０１４複屈折結晶
４０１磁気光学結晶
４０２永久磁石
４０３電磁石
４０４入射光
６０１〜６０４１／２波長板
９０１サーキュレータ
９０２光源
９０３伝送路
９０４受光器
９０５ファイバグレーティング
９０６端末
１００２、１０１６−１〜１０１６−４１／２波長板

Claims

入射光を偏光面が直交する第１及び第２の直線偏光に分解してそれぞれを互いに平行な第１の光路と第２の光路とに出力する第１の偏光プリズムと、
前記第１の偏光プリズムの後段に設けられた第１の４５度ファラデー回転子と、
前記第１の４５度ファラデー回転子の後段に設けられ、前記第１の直線偏光と前記第２の直線偏光に対して第１の偏向角を与えると共に、前記第１の直線偏光に直交する直線偏光と前記第２の直線偏光に直交する直線偏光に対して前記第１の偏向角とは異なる第２の偏向角を与える、少なくとも１つの複屈折楔板からなる偏向手段と、
前記偏向手段の後段に設けられた第２の４５度ファラデー回転子と、
前記第２の４５度ファラデー回転子の後段に設けられ、前記第１及び第２の光路中の、前記偏向手段により前記第１の偏向角を与えられた光を互いに合波して出力する第２の偏光プリズムと、
を備えた光デバイス。
前記偏向手段の偏向方向が、前記互いに平行な第１の光路及び第２の光路を含む面に対して垂直であることを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
前記偏向手段の偏向方向が、前記互いに平行な第１の光路及び第２の光路を含む面に対して平行であることを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
前記偏向手段の偏向方向が、前記互いに平行な第１の光路及び第２の光路を含む面に対して４５゜方向であることを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
前記入射光が平行光線であることを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
ファイバから与えられた前記入射光をレンズで平行光線として前記第１及び第２の偏光プリズムの１つへ入射し、前記第１及び第２の偏光プリズムの他の１つから平行光線として出力された出力光をレンズで集光してファイバに結合することを特徴とする請求項５に記載の光デバイス。
２つの直交する直線偏光が前記偏向手段で受ける異なる偏向角に対応したそれぞれの光の進行位置に、個別の集光用のレンズおよび入出力用のファイバを配置したことを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
２つの直交する直線偏光が前記偏向手段で受ける異なる偏向角に対応したそれぞれの光のレンズによる集光位置に、個別の入出力用のファイバを配置したことを特徴とする請求項６に記載の光デバイス。
個別の入出力ファイバを１つのフェルールに取り付け、複数のファイバへの光結合に１つのレンズを使うことを特徴とする請求項８に記載の光デバイス。
前記偏向手段として、前記互いに平行な第１の光路及び第２の光路のそれぞれに対して方位の異なる光学軸を有する同一楔角度の複屈折楔板１枚ずつを個別に配置し、それぞれの複屈折楔板の光学軸の方位が光の進行方向の回りに互いに９０度回転していることを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
前記偏向手段として、前記互いに平行な第１の光路及び第２の光路のそれぞれに対して互いに方位の異なる光学軸を有する第１の複屈折楔板及び第２の複屈折楔板を配置し、
前記第１の光路と前記第２の光路とに設けられる前記第１の複屈折楔板は互いに同一の楔角度を有すると共にその光学軸の方位が光の進行方向の回りに互いに９０度回転しており、
前記第１の光路と前記第２の光路とに設けられる前記第２の複屈折板はそれぞれ同じ光路内の第１の複屈折楔板に比べて大きさが同じで符号が反対の楔角度を有すると共にその光学軸の方位が前記第１の複屈折楔板に対し光の進行方向の回りに９０度回転していることを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
前記偏向手段として、前記互いに平行な第１の光路及び第２の光路のそれぞれに対して楔角度が互いに反対符号の第１の複屈折楔板と第２の複屈折楔板を配置し、
前記第１の光路及び前記第２の光路のそれぞれの光路にある第１の複屈折楔板が大きさが同じで符号が反対の楔角度を有すると共にその光学軸方位が同一で、
前記第１の光路及び前記第２の光路のそれぞれの光路にある第２の複屈折楔板はそれぞれ同じ光路内の第１の複屈折楔板に比べて大きさが同じで符号が反対の楔角度を有すると共にその光学軸の方位が前記第１の複屈折楔板に対し光の進行方向の回りに９０度回転していることを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
前記偏向手段として、前記互いに平行な第１の光路及び第２の光路のそれぞれに対して複屈折楔板１枚を配置すると共に、等方的材料で出来た楔板１枚を配置し、
各複屈折楔板は楔角度が同一でその光学軸の方位が光の進行方向の回りに互いに９０度回転しており、
等方的材料の楔板は複屈折楔板に比べて楔角度の大きさが複屈折楔板の平均屈折率と等方的材料の屈折率の比の値だけ大きく、符号が反対であることを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
前記偏向手段として、前記互いに平行な第１の光路及び第２の光路のそれぞれに対して、互いに光学軸の方向が等しい複屈折楔板を配置し、
前記互いに平行な第１の光路及び第２の光路のそれぞれに前記複屈折楔板を挟むように、２つずつの１／２波長板を設け、
前記第１の光路に設けられる第１の１／２波長板の主軸は、前記第２の光路に設けられる第１の１／２波長板の主軸と互いに反対方向に垂直から２２．５度傾いており、前記第１の光路及び前記第２の光路のそれぞれに設けられる第２の１／２波長板の主軸は、それぞれの光路に設けられる第１の１／２波長板の主軸とそれぞれ同じ方向を向いていることを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
前記互いに光学軸の方向が等しい複屈折楔板は、前記第１と第２の光路にまたがる１つの複屈折楔板で構成されることを特徴とする請求項１４に記載の光デバイス。
複屈折楔板の材料が二酸化チタンの単結晶であることを特徴とする請求項１０〜１５のいずれか１つに記載の光デバイス。
複屈折楔板の材料が方解石であることを特徴とする請求項１０〜１５のいずれか１つに記載の光デバイス。
前記第１及び第２の４５度ファラデー回転子のファラデー回転角が同一の符号であることを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
前記第１及び第２の４５度ファラデー回転子のファラデー回転角が反対の符号であることを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
前記偏光プリズムがガラスプリズムを貼り合わせたもので、その間隙にある多層の光学干渉膜によって偏光分離をすることを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
前記偏光プリズムが複屈折材料でできており、光をその光学軸方位に対して約４５度の方向に進行させることにより、常光と異常光の光路を分離することを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
光を反射するための反射面と、
入射光を偏光面が直交する第１及び第２の直線偏光に分解して、そのそれぞれを、前記反射面で折り返される互いに平行な第１の光路と第２の光路とに出力し、また、前記反射面で反射されて前記第１及び第２の光路を戻ってきた直線偏光を互いに合波して出力光として出力する偏光プリズムと、
前記偏光プリズムと前記反射面との間に設けられた４５度ファラデー回転子と、
前記４５度ファラデー回転子と前記反射面との間に設けられ、前記第１の直線偏光と前記第２の直線偏光に対して第１の偏向角を与えると共に、前記第１の直線偏光に直交する直線偏光と前記第２の直線偏光に直交する直線偏光に対して前記第１の偏向角とは異なる第２の偏向角を与える、少なくとも１つの複屈折楔板からなる偏向手段と、
を備えた光デバイス。
前記反射面は前記偏向手段に一体成形されていることを特徴とする請求項２２に記載の光デバイス。
２つの４５度ファラデー回転子の磁化を同時に反転させる電磁石を配置し、光路の切り替え機能を併せ持つことを特徴とする請求項１〜２３のいずれか１つに記載の光デバイス。