JPH04331929A - 光増幅用モジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光ファイバ通信等におけ
る光増幅用モジュールであり、反射戻り光の遮断機能お
よび励起光導入機能を一体化した光学部品に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体レーザを信号光源とする光通信の
進歩に伴い、これまでは不可能であった数百ＭＨｚを越
える高速高密度な信号伝送が実用化され、かつ最近の光
増幅技術の目ざましい進展によって、光電変換の必要な
く膨大な情報伝達が光ファイバを経路として可能になり
、光ファイバ間に挿入する偏光方向に無関係な光アイソ
レータや、光増幅用励起光の導入方式等に関する技術的
高度化，経済的低価格化の要求が高まり、様々な提案が
なされ一部実用に供されている。

【０００３】しかしながら結合レンズ，光コネクタ，そ
の他の光学部品から回帰する反射戻り光が半導体レーザ
の発振モードに影響を及ぼすため、反射戻り光を遮断す
る各種の光アイソレータが提案された。一般的な光アイ
ソレータは、半導体レーザ光を光ファイバへ結合するモ
ジュール部分に配置されるが、近年の光増幅技術の急速
な進歩に伴って、光ファイバ間に挿入する光アイソレー
タの必要性が高まってきた。光ファイバ間を伝送されて
くる光は偏光方向が一定ではないため、偏光方向に無関
係な光アイソレータが必要であり、これまで各種の提案
があった。

【０００４】たとえば図２はファラデー回転子と３個の
複屈折結晶板を用いた構造（特公昭６０−５１６９０号
公報参照）であり、図３はファラデー回転子のほかに２
個の複屈折結晶板と１個の旋光子を用いた構造（特公昭
５８−２８５６１号公報参照）である。これらの光学部
品が１個または２個のレンズを介して光ファイバに結合
される。前者において複屈折結晶板１’　は１に対して
１／√２の厚さである。後者において１’と１は同厚で
あるが、１’　は１に対しｘ軸のまわりに１８０゜回転
した構造であり、それらの間にファラデー回転子２，旋
光子３を配置した構成である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】図２，図３の構成は、
逆方向の光が複屈折結晶板１の厚みに比例した分離幅を
とり、入射光線軸から見た常光，異常光の変位幅が消光
特性を決定する。したがって十分高い消光特性を得るに
は複屈折結晶板の厚みを大きくしなければならないし、
フアイバ間の光学結合損失も大きくなる欠点がある。し
かも図３の構成は旋光子を必要とするが、工業規模で生
産されている代表的な旋光物質の水晶を用いると、４５
゜偏光面を回転するには１３００ｎｍ帯で約４゜／ｍｍ
の旋光能であるため、１１．２５ｍｍ程度必要とし、小
型構成には向かない。

【０００６】これに対して、図４は代表的な偏光無依存
型光アイソレータの構造を示す。この構造はレンズ間に
テーパ状の一対の複屈折結晶板４を配し、常光，異常光
が逆方向ではテーパ角度に起因するある角度で出射され
るため、単純，小型な構造で高い消光特性が得られる。 しかしテーパ状複屈折結晶板を加工する煩雑さ、複雑な
光線経路を追跡しながら調芯して組立てる微妙な組立技
術を要する等の量産面の欠点があった。

【０００７】またこれらの偏光無依存型光アイソレータ
を光ファイバ間に結合するためレンズ、光ファイバ端等
の光学部品が必要であるが、光増幅システムでは雑音レ
ベルを抑えるため、反射減衰量を−５０ｄＢ以下に抑制
することが要求されている。現在実用化されている方式
は、図４に示すように光ファイバ端に片端斜面ガラスを
接着し、反射光が直接戻らないように構成されている。 この場合−６０ｄＢ前後の反射減衰量まで減少できるが
、両端に斜面部分があり、さらにレンズがそれぞれ配置
されるため、結合部分だけ考慮しても反射面が８面あり
、反射防止膜の形成，光軸調整の煩雑さが増大し、量産
性，価格対応性を損なう要因にもなっている。

【０００８】一方光増幅用モジュールは、現在は試作的
段階ではあるが、一例として図５の構成が報告されてい
る（長沼，安部：１９９１信学春大会分冊４Ｃ−２６４
）。この方式はモジュール前方にＥｒドープ光ファイバ
が接続する前方励起光方式である。偏光結合用プリズム
５が二個、テーパ状複屈折結晶板使用光アイソレータ６
および斜面研磨フェルールと球レンズ一体型コリメータ
光ファイバ入出射端７−１，７−２，７−３，７−４か
ら構成されている。この方式では光合分波器，偏光ビー
ムスプリッタ，偏光無依存型光アイソレータが結合され
ている。しかし部品点数が多くなり価格的に問題である
。本発明は以上に説明したような従来構成の欠点を補い
、高性能かつ小型で調整の簡素化，単純構造および低価
格化を同時に実現する光増幅用モジュールを提供するも
のである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】図１は本発明の構成要素
を示すものである。本発明の光増幅用モジュールは、結
晶光軸が表面に対して傾いた複屈折結晶板Ｐ１とファラ
デー回転子Ｆ，Ｐ１より厚みが√２　倍で、光線軸に垂
直な断面が小さく、光線軸の回りに４５゜回転して配置
される複屈折結晶板Ｐ２、および直角をなす二面が反射
面Ｒに形成された直角プリズムＭ１の順に光線軸上に構
成され、直角プリズムＭ１の直角をなす二面が入射光に
対して１／２　直角をなすようにして、光線軸の回りに
同様に４５゜回転して配置する。この構造により複屈折
結晶板Ｐ２から出射された光線を直角プリズムで折返し
、複屈折結晶板Ｐ２は透過せず、ファラデー回転子Ｆお
よび複屈折結晶板Ｐ１へ回帰する構造の偏光無依存型光
アイソレータ部分となる。

【００１０】本発明はさらに、前記直角プリズムＭ１の
一方の面は励起光のみ透過可能な波長選択膜ＢＰを施し
、外径が励起光導入用偏波保存光ファイバと同一で、先
端が球レンズで光ファイバと融着接合された均一屈折率
の励起光導入端（光ポート：ＬＦ１，ＬＦ２）から、互
いに直交する二つの直線偏光をそれぞれの偏光面が、被
増幅信号光の偏光面と一致するように接続し、かつ偏光
無依存型光アイソレータとして機能するように、信号光
の入射，出射位置に単一モード光ファイバおよび先端が
球レンズで、外径が同一の均一屈折率部分の融着一体型
信号光導入出端（光ポート：ＬＦ３，ＬＦ４）から形成
される。

【００１１】波長選択膜は図１のように第二の直角プリ
ズムＭ２の斜面部に形成し、Ｍ１と接合することも可能
である。すなわち本発明では合分波器，波長選択フィル
タ，信号光に対する偏光無依存光アイソレータ，励起光
に対する通常光アイソレータの４種類の機能をモジュー
ル化したものとなる。

【００１２】

【作用】以下これらの作用を図１により説明する。合分
波器および波長選択フィルタとしての機能は直角プリズ
ムＭ１の反射面およびＭ２に形成された波長選択膜ＢＰ
により作用する。信号光は順方向に沿って伝播するとき
、Ｍ１によってＰ２を通過しない位置に反転回帰する。 この時点で光ポートＬＦ１，ＬＦ２からＢＰを透過でき
る励起光を偏波面を一致させて合波する。波長選択フィ
ルタは、スパッタ，蒸着などにより数十層から構成され
る誘電体多層膜を形成するのが一般的である。また光ポ
ートＬＦ４からの戻り光の場合、ＢＰ面で励起光が分波
され光ポートＬＦ１，ＬＦ２へ戻り、信号光はＰ２へ進
み、合波分波効果が得られる。

【００１３】次に偏光無依存型光アイソレータとしての
作用を説明する。図６は本発明の動作原理を偏光方向の
変化から説明するものであり、（ａ）は透過方向、（ｂ
）は遮断方向から光線を導入したときの偏光状態である
。■から■の記号は図１に示されるように、透過方向光
線の通過順番を意味する。したがって遮断方向からきた
光は■から■へ進行する。（ａ）においてはＭ１で２回
反射した偏光成分はＰ２を透過しないように配置されて
おり、そのままＦ，Ｐ１へ戻るため入射時点とは９０゜
偏光方向が回転するが、いかなる偏光状態でもこの関係
が保存されるため偏光無依存型光アイソレータとして動
作することがわかる。

【００１４】遮断方向光線は（ｂ）で示されるようにＰ
１の厚さをＤとし、Ｐ１による常光，異常光の分離幅を
ｄとすれば、ほぼｄ＝Ｄ／１０だけ異常光が紙面上方へ
ずれ、さらにＦを透過すると時計方向に４５゜偏光方向
が回転する。この時点で透過方向の場合とは完全に９０
゜偏光方向が異なる。次にＰ２が欠損した空間を伝搬し
■面に入り、対称配置に転換した状態で反射されてＰ２
へ向かう。

【００１５】透過方向（ａ）の■面に示すように入射光
線位置を原点にとり、紙面横方向をｘ軸，上下方向をｙ
軸とすれば、遮断方向光線が■面に達したときの光線位
置は異常光が入射光線軸上原点にあり、常光がｘ軸上−
ｄの点上に位置する。■面に達したときは異常光だけ原
点からｙ＝ｘ線上√２ｄ、座標点（ｄ，ｄ）まで移動す
る。Ｆを透過すると、偏光方向はさらに４５゜時計方向
に旋回するので、Ｐ１に対して常光，異常光の関係が逆
転し、■面まで座標点（−ｄ，０）に位置した常光成分
がＰ１を透過後に座標点（−ｄ，−ｄ）へ移動する。

【００１６】結局、常光，異常光とも原点、すなわち入
射光線軸上から√２ｄの位置に出射し、遮断されること
になる。このとき光線をガウス分布と仮定したとき、分
布広がりを考慮した移動幅を考えれば消光特性と、複屈
折結晶板の厚みや全体構成が決定できる。また図２，図
３の構成はファラデー回転子の楕円成分が存在する場合
、入射光線軸上をそのまま回帰するため消光特性がファ
ラデー回転子の楕円成分に支配される。

【００１７】本発明では、図６（ｂ）をもとに検討する
と、主な楕円成分（図中小さな矢印で示したもの）はフ
ァラデー回転子を透過する毎に発生するので、図中■面
と■面で２回生じ、全部で４種の楕円成分光が発生する
ことになる。しかし■面にみられるように、４種の楕円
成分光がすべて原点からｄだけ分離した位置に来るため
、入射光線軸上へ戻ることはない。すなわち偏光無依存
型の光アイソレータとして機能することが確認できる。 本発明では原理的に従来の複屈折結晶板方式では不可能
であった高い消光特性が容易に実現できる。一方波長選
択膜ＢＰを透過した励起光は、ＬＦ１，ＬＦ２へ回帰し
た光線の偏波面が出射光と直交し、偏波保存光ファイバ
の偏波面と直交するため光ファイバへは伝播せず遮断さ
れるので、励起光に対しても光アイソレータとして十分
機能する。

【００１８】

【実施例】光源は本構成の中間点の直角プリズム反射鏡
Ｍ１でビームウェィストを有する光ファイバコリメータ
を採用し、出射点の光束が約１００μｍである、１５５
０ｎｍの波長帯を用いた。またビームウェィスト点にお
けるビーム径は約８０μｍであった。複屈折結晶板Ｐ１
は断面２ｍｍ×２ｍｍ、厚さ２ｍｍで、Ｐ２は断面２ｍ
ｍ×１ｍｍ、厚さ２．８３ｍｍのルチル単結晶を用いた
。結晶光軸は断面に対して約４５゜の方位になるよう切
り出した。反射鏡Ｍ１は２ｍｍ立方体を対角線で分割し
た直角プリズムを、Ｍ２は斜面長が２ｍｍである直角プ
リズムを採用し、Ｍ１の励起光導入面には、波長選択膜
ＢＰを形成した直角プリズムＭ２を接合した。波長選択
膜ＢＰは、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２の多層電子ビーム蒸着を
用いたもので、１５００〜１５２０ｎｍで透過損失が立
ち上がり、１５５０ｎｍでは完全に反射し１４８０ｎｍ
では透過できる性質をもつ。

【００１９】ファラデー回転子はＬＰＥ成長によるＢｉ
ＲＦｅ系ガーネツト膜（２ｍｍ×２ｍｍ、厚み約３５０
μｍ）を用い、Ｓｍ−Ｃｏ磁石で飽和磁化した。さらに
Ｍ２の直角面の片側に厚み３．２ｍｍの複屈折結晶板Ｐ
３を接合した。Ｐ３により前述では偏波保存ファイバと
の直交性が励起光に対するアイソレーション機能であっ
たものが、２００〜３００μｍ光ファイバ光軸からそれ
るため、励起光の戻り光防止効果も付加される。光ポー
トＬＦ１、ＬＦ２は先端球レンズ（曲率２６０μｍ）が
並列できる間隔約０．５ｍｍのＶグルーブに固定した。 またＬＦ３，ＬＦ４も間隔約１ｍｍのＶグルーブに固定
し、Ｍ１の位置，回転角度を調整することから芯合わせ
を行った。

【００２０】光学部品の表面は反射防止処理を施してあ
る。この構成の場合入射光線軸上からの常光，異常光の
シフト幅は約２８０μｍあり、ガウス光線の裾野部分を
考慮しても十分な消光特性がとれる。その光学特性は逆
挿入損失が−４５ｄＢ、順方向挿入損失が、ほとんど光
ファイバコリメータ間の結合損失で約−２ｄＢであった
。また励起光１４８０ｎｍ帯に対する合波状態はＬＦ４
に取り込まれる光強度が最大になるように設定し、ＬＦ
１，ＬＦ２固定Ｖグルーブを接合した。このアイソレー
ション特性はＬＦ１側が−３４ｄＢ、ＬＦ２側が−３１
ｄＢであった。

【００２１】

【発明の効果】本発明は比較的単純な構造で小型高消光
特性が得られると共に、波長フィルタ，分波器，偏光無
依存光アイソレータ，励起光用アイソレータの複合機能
が一体化されており、光増幅用モジュールとして低価格
で量産容易な構成となっており、今後発展が期待されて
いる光増幅技術、特にＥｒドープファイバ光増幅を用い
た光伝送に多大な貢献が期待できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における偏光無依存型光アイソレータの
斜視図である。

【図２】従来の偏光無依存型光アイソレータの構成図で
ある。

【図３】従来の偏光無依存型光アイソレータの構成図で
ある。

【図４】従来の偏光無依存型光アイソレータの構成図で
ある。

【図５】従来の光増幅用モジュールの概略図である。

【図６】本発明における透過方向（ａ），遮断方向（ｂ
）の各光学素子間の常光，異常光の偏光方向の変化を示
す図である。

【符号の説明】

１　　複屈折結晶板 １’　複屈折結晶板 ２　　ファラデー回転子 ３　　旋光子 ４　　テーパ状複屈折結晶板 ５　　偏光結合用プリズム ６　　テーパ状複屈折結晶板使用光アイソレータ７　　
光ファイバ入出射端 Ｐ１　　複屈折結晶板 Ｐ２　　複屈折結晶板 Ｆ　　ファラデー回転子 Ｍ１　　反射膜形成プリズム Ｒ　　反射面 Ｍ２　　波長選択膜形成プリズム Ｐ３　　複屈折結晶板

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　励起光を導入して信号光を増幅する光
   増幅光学系において、結晶光軸が表面に対して傾いた第
   一の複屈折結晶板，偏光面を４５゜回転するためのファ
   ラデー回転子，第二の複屈折結晶板および第一の直角プ
   リズムの順に光線軸上に配置され、前記第二の複屈折結
   晶板は第一の複屈折結晶板より光線軸に垂直な断面積が
   小さく、かつ√２倍の厚みをなし、光線軸の回りに４５
   　゜回転して配置し、第一の直角プリズムは直角をなす
   二反射面の一方の面において信号光は反射し、励起光は
   透過させる波長選択膜を形成することにより、励起光を
   信号光に重畳できる構造をなし、前記二反射面が光線軸
   に対して１／２直角をなし、光線軸の回りに４５゜回転
   して配置することにより、前記第二の複屈折結晶板から
   出射された光線を直角プリズムで折返し、第二の複屈折
   結晶板は透過せずに、前記ファラデー回転子および第一
   の複屈折結晶板へ回帰することを特徴とした光増幅用モ
   ジュール。
2. 【請求項２】　　波長選択膜を第二の直角プリズムの斜
   面に形成し、第一の直角プリズムの前記二反射面の一面
   に接合した請求項１の光増幅用モジュール。
3. 【請求項３】　　互いに直交する二直線偏光励起光の分
   離幅を信号光分離幅に合致させるための、結晶光軸が表
   面に対して傾いた第三の複屈折結晶板を、第二の直角プ
   リズムの励起光導入面に接合した請求項２の光増幅用モ
   ジュール。
4. 【請求項４】　　レンズおよび光ファイバ部が、光ファ
   イバと同一外径で、光導入部および曲率半径２００μｍ
   以上の集束用球レンズからなる、均一屈折率光ファイバ
   と融着一体構造である請求項３の光増幅用モジュール。
5. 【請求項５】　　信号光の入出射端および互いに直交す
   る二つの直線偏光からなる励起光の入射端が、レンズお
   よび光ファイバから形成される請求項３の光増幅用モジ
   ュール。