JPH0627415A - ３ポート型光サーキュレータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 構成光部品の高精度加工が不要で、隣接ポー
ト間の間隔を広げられるため組立調整及び固定も容易に
行うことができ、各ポートにレンズを組み込めるため光
の結合効率が高く、高アイソレーションを有する。 【構成】 １／２波長板１０を介して第１の非相反部２
０と第２の非相反部３０とを縦続配置し、それらの光軸
方向の一方に第２ポートＰ₂ を位置させ、他方に第１ポ
ートＰ₁ と第３ポートＰ₃ を並置する。第１及び第２の
非相反部は、ファラデー回転子２５の両側に楔状複屈折
プリズム２６，２８を、ファラデー回転子３５の両側に
楔状複屈折プリズム３６，３８を配置する。両楔状複屈
折プリズムは互いの厚肉部と薄肉部とが相対向し、且つ
対向面が傾きのない面あって、その面内にある光学軸が
互いに４５度をなすように組み合わせられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、２個の楔状複屈折プリ
ズムが４５度ファラデー回転子の両側に位置し、且つ両
楔状複屈折プリズムの厚肉部と薄肉部とが相対向するよ
うに組み合わせた非相反部を、１／２波長板を介して２
組縦続配置した構造の３ポート型光サーキュレータに関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】光サーキュレータは、光通信システムや
光計測等で使用され、あるポートからの入射光を特定方
向の別のポートのみに出射する機能をもつ、多ポート受
動非相反素子である。

【０００３】従来の光サーキュレータの代表的なものと
しては、特開昭55−93120 号に示されている４ポート型
がある。この４ポート型光サーキュレータは、２個の偏
光ビームスプリッタの間に、ファラデー回転子と１／２
波長板とを配置した構成である。ここで偏光ビームスプ
リッタは偏光分離膜と全反射面を別々に加工したプリズ
ムを接着剤等により接合して形成する。偏光ビームスプ
リッタの加工精度が悪いと、偏光分離膜や全反射面で、
Ｐ偏光とＳ偏光が所定の反射角度を得られず、各ポート
に出射するＰ偏光とＳ偏光の結合が不十分となる。光軸
調整をするにしても限界があり、加工精度のレベルによ
っては所望の特性が得られない可能性もある。従って、
偏光ビームスプリッタには高精度加工が要求されるため
非常に高価な装置となっている。

【０００４】また、実用に供されている光サーキュレー
タでは、大部分が３ポートしか使用されていない。一般
の双方向伝送システムや反射光計測システムにおいて
は、発光素子を接続するポート、伝送用光ファイバある
いは被測定試料を接続するポート、受光素子を接続する
ポートの三つのポートがあれば十分である。上記４ポー
ト型光サーキュレータでは１ポート分が不要になってお
り、装置が高価であることを考慮すると大きな無駄とな
っている。３ポート型光サーキュレータとしては三角柱
状の反射体を用いた例（特開昭55−117124号）もある
が、構造が複雑で且つ全てのポートに偏光依存性があ
り、実用的とは言い難い。

【０００５】そこで最近、複屈折板を用いて構造を簡単
化した３ポート型光サーキュレータが提案された（1990
年電気情報通信学会秋季全国大会予稿集Ｃ−183 ）。こ
れは光学軸が面に対して約４５度の角度をなす複屈折板
を異常光が透過する際に光軸が横ずれすること、及びフ
ァラデー回転子の非相反性を利用したものである。３枚
の複屈折板（板厚比がほぼ１：２^1/2 ：１）を使用し、
それらの光学軸が互いに光軸の回りに４５度回転させて
配置し、それらの間にそれぞれ４５度ファラデー回転子
を介装する。そして、その結合体の一方の側に２本の光
ファイバを並置し、他方の側にレンズを介して１本の光
ファイバを設ける構成である。３本の各光ファイバがそ
れぞれポートとなる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の３ポー
ト型光サーキュレータは、偏光素子として平行平面の複
屈折板を用いており、そのためポート間隔が非常に狭い
問題がある。これは複屈折板による光線のシフト量、す
なわち常光と異常光の分離間隔が極めて少ないことが原
因である。そのためポートの固定が容易ではない。光線
のシフト量を大きくするためには、複屈折板を厚くする
ことが考えられるが、そうすると装置が大型化するばか
りでなく、高価なものとなる。

【０００７】また上記の構成ではポート間の間隔がとり
難いため、隣接する二つのポートでは光ファイバ芯線
（外径寸法１２５μｍ）を２本束ねる構成となってお
り、それぞれの光ファイバにレンズを１個ずつ配置する
ことができない。一般に結合効率を高めるためには、１
本の光ファイバに対して１個のレンズを組み合わせるの
が望ましい。しかし上記の光サーキュレータは３本の光
ファイバに対して唯１個のレンズを組み込んだものとな
り、自ずと光の結合効率向上には限界がある。

【０００８】そこで、楔状複屈折プリズムが４５度ファ
ラデー回転子の両側に位置し、且つ互いの厚肉部と薄肉
部が相対向するように組み合わせて非相反部とし、その
片側に第２ポートを、反対側に第１及び第３ポートをそ
れぞれ配置する構成も考えられる。この構成は、構造が
簡単で部品点数も少なくなる利点がある。しかし各ポー
トにレンズを組み込むためには、第１ポートと第３ポー
トのコリメータの角度を大きくする必要があり、そのた
めには楔状複屈折プリズムの頂角を大きく（例えばルチ
ル単結晶を用いた場合は１１〜３１度程度）するか、非
相反部と第１及び第３ポートとの距離を大きくとらねば
ならない。楔状複屈折プリズムの頂角を大きくすること
はコスト増大を招き、また距離を大きくすることは装置
の大型化をもたらす問題がある。更にこの構成では、必
ずしも挿入損失は小さくならず、アイソレーションも充
分大きくとれない。

【０００９】本発明の目的は、構成光部品の高精度加工
が不要で、隣接ポート間の間隔を広げられるため組立調
整及び固定も容易に行うことができ、各ポートにレンズ
を組み込めるため光の結合効率が高く、高アイソレーシ
ョンを有する実用的な３ポート型光サーキュレータを提
供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、１／２波長板
を介して第１の非相反部と第２の非相反部とを縦続配置
し、それらの片側に第２ポートが位置し、反対側に第１
ポートと第３ポートとが位置する３ポート型光サーキュ
レータである。ここで、両非相反部は４５度ファラデー
回転子の両側にそれぞれ楔状複屈折プリズムを配置した
構造である。両楔状複屈折プリズムは、互いの厚肉部と
薄肉部とが相対向し、且つ対向面が傾きの無い面であっ
て、その面内に光学軸があり、両光学軸が互いに４５度
をなすように組み合わせられている。１／２波長板を介
して隣接する関係にある楔状複屈折プリズムは、両光学
軸が互いに４５度をなすように組み合わせられている。
第１ポートに配置する第１のファイバコリメータはレン
ズと偏波保存光ファイバからなり、第２ポート及び第３
ポートに配置する第２及び第３のファイバコリメータは
それぞれレンズと光ファイバとからなる。そして第１ポ
ートからの直線偏光信号光は両非相反部を通って第２ポ
ートに結合し、第２ポートからの信号光は両非相反部を
通って第３ポートに結合する。

【００１１】楔状複屈折プリズムとしては、楔形面に垂
直な方向にｙ軸、傾きの無い面内で該ｙ軸に垂直な方向
にｘ軸をとったときに、光学軸がｘ軸方向に対して２
２．５度傾いて設定した構造とするのが好ましい。これ
によって４個の楔状複屈折プリズムは全て同一構造とす
ることができる。

【００１２】

【作用】偏波保存光ファイバを通って第１ポートから入
射した光線は、両非相反部における各光学部品及び１／
２波長板で、屈折あるいは偏光面が回転しながら第２ポ
ートに出射する。第２ポートから入射した光線は、第１
の非相反部で常光・異常光に分離して２本平行に出射
し、１／２波長板を通過するとき偏光面が４５度回転し
て出射し、第２の非相反部で一本に重なって出射し、レ
ンズで第３ポートに結合する。第３ポートから入射した
光線は、第２の非相反部で開いて出射し、第１の非相反
部で更にその開きは大きくなって出射するため、第２ポ
ートには結合しない。従って本発明では、第１ポート→
第２ポート、第２ポート→第３ポートの光サーキュレー
ション動作が行われることになる。

【００１３】非相反部を２組使用することにより光線の
屈折角度が大きくなるので、第３ポートと第１ポートの
角度も大きくなり、ファイバコリメータの固定自由度が
増加する。しかも第２ポートから第３ポートに出射する
場合、常光と異常光が一本に重なるため、ファイバコリ
メータのレンズ収差の影響が減少し、光の結合効率が向
上する。更に、非相反部とファイバコリメータとの距離
も狭められるので小型化が可能となる。また第３ポート
から入射した光線は、第２の非相反部で光軸に平行な漏
洩光が生じても、第１の非相反部で開いて分離するた
め、高アイソレーションが得られる。

【００１４】

【実施例】図１に本発明に係る３ポート型光サーキュレ
ータの一実施例を示す。この光サーキュレータは、１／
２波長板１０を介して第１の非相反部２０と第２の非相
反部３０とを縦続配置し、それらの光軸方向の一方に第
２ポートＰ₂ を位置させ、他方に第１ポートＰ₁ と第３
ポートＰ₃ を並置した構造である。第１の非相反部２０
は、円筒状の永久磁石２２内に磁気光学素子２４を収容
して４５度ファラデー回転子２５とし、該ファラデー回
転子２５の両側に第１の楔状複屈折プリズム２６と第２
の楔状複屈折プリズム２８とを、それらの傾斜面が外向
きで且つそれらの厚肉部と薄肉部とが相対向するように
配置した構造である。同様に、第２の非相反部３０も、
円筒状の永久磁石３２内に磁気光学素子３４を収容して
４５度ファラデー回転子３５とし、該ファラデー回転子
３５の両側に第３の楔状複屈折プリズム３６と第４の楔
状複屈折プリズム３８とを、それらの傾斜面が外向きで
且つそれらの厚肉部と薄肉部とが相対向するように配置
した構造である。そして１／２波長板を介して隣接する
関係にある第２の楔状複屈折プリズム２８と第３の楔状
複屈折プリズム３６とを、それらの厚肉部と薄肉部とが
相対向するように配置している。

【００１５】ここで、第１の非相反部２０に使用する永
久磁石２２と第２の非相反部３０に使用する永久磁石３
２は、同じ向きであり、それぞれの磁気光学素子２４，
３４に対して同じ向きの磁界を印加する。磁気光学素子
２４，３４は例えば基板に磁気光学結晶のＬＰＥ（液相
エピタキシャル成長）膜を形成したものである。また各
楔状複屈折プリズム２６，２８，３６，３８は例えばル
チル単結晶などからなる。本実施例で用いる各楔状複屈
折プリズムの光学軸を図２に示す。各楔状複屈折プリズ
ムにおいて、光学軸はいずれも傾きの無い面内にあり、
且つ同一構造である。図示のように、楔形面に垂直な方
向にｙ軸、傾きの無い面内で該ｙ軸に垂直な方向にｘ軸
をとったときに、それらの光学軸はｘ軸方向に対してｙ
軸方向に２２．５度傾いている。第１及び第２の楔状複
屈折プリズム２６，２８をそれぞれの厚肉部と薄肉部と
が相対向するように配置したから、これらの光学軸は互
いに４５度の角度をなす。同様に第３と第４の楔状複屈
折プリズム３６，３８の光学軸も互いに４５度の角度を
なす。また第２の楔状複屈折プリズム２８と第３の楔状
複屈折プリズム３６も互いの厚肉部と薄肉部とが相対向
するように配置してあるから、これらの光学軸も互いに
４５度の角度をなす。

【００１６】各ポートＰ₁ ，Ｐ₂ ，Ｐ₃ には、レンズと
フェルール付き光ファイバとを金属製スリーブ内に収容
したファイバコリメータ４０，４２，４４を配置する。
第２及び第３ポートＰ₂ ，Ｐ₃ に配置した第２及び第３
のファイバコリメータ４２，４４の光ファイバはともに
シングルモードファイバ（ＳＭＦ）であり、第１ポート
Ｐ₁ に配置した第１のファイバコリメータ４０の光ファ
イバには偏波保存ファイバ（ＰＭＦ）を使用する。第２
及び第３のファイバコリメータ４２，４４はともに光軸
に平行である。

【００１７】図３には、各ポートから光を入射したとき
の光の経路を模式的に示す。まず、図３のＡに示すよう
に、第２ポートＰ₂ から入射した信号光は、第１の非相
反部２０、１／２波長板１０及び第２の非相反部３０を
通って、偏光無依存で第３ポートＰ₃ へ出射する。即ち
第２ポートＰ₂ に配置した第２のファイバコリメータ４
２からの入射光は、第１の楔状複屈折プリズム２６によ
って偏光面が互いに直交する常光と異常光に分離され
る。常光は偏光方向が波面法線と光学軸を含む面に垂直
である直線偏光であり、異常光は偏光方向が波面法線と
光学軸を含む面に平行である直線偏光である。この分離
光は、ファラデー回転子２５により偏光面が４５度回転
（第２ポートＰ₂ 側から見て左回転）し、第２の楔状複
屈折プリズム２８によりそれぞれ平行光となるが、分離
距離はやや拡がって１／２波長板１０に入射する。ここ
で分離光の偏光面は４５度回転（第２ポートＰ₂ 側から
見て左回転）し、第２の非相反部３０に入射する。第３
の楔状複屈折プリズム３６の光学軸は第２の楔状複屈折
プリズム２８の光学軸に対して−４５度回転（第２ポー
トＰ₂ 側から見て右回転）しているから、分離光の偏光
面は第３の楔状複屈折プリズム３６の光学軸と直交して
いる。従って、第３の楔状複屈折プリズム３６に入射し
た分離光は、常光が異常光に、異常光が常光となって屈
折する。分離光は、ファラデー回転子３５で偏光面が４
５度回転（第２ポートＰ₂ 側から見て左回転）し、第４
の楔状複屈折プリズム３８で屈折して、常光と異常光が
一本に重なる。こうして、第３ポートに配置した第３の
ファイバコリメータ４４のレンズに入射する。この光路
では第１の非相反部２０と第２の非相反部３０とで常光
・異常光が切り換わるため、偏波分散が生じない。

【００１８】次に、図３のＢに示すように、第１ポート
Ｐ₁ から直線偏光信号光、例えば異常光を第２の非相反
部３０に入射すると、第４の楔状複屈折プリズム３８に
より屈折してファラデー回転子３５に達し、ファラデー
回転子の非相反性によって偏光面が４５度回転（第２ポ
ートＰ₂ 側から見て左回転）する。第３の楔状複屈折プ
リズム３６の光学軸は第４の楔状複屈折プリズム３８の
光学軸に対して−４５度回転（第２ポートＰ₂ 側から見
て右回転）しているので、光線の偏光面は第３の楔状複
屈折プリズム３６の光学軸に対して直交することにな
る。即ち異常光は常光に変換される。こうして変換され
た光線は第３の楔状複屈折プリズム３６で常光として屈
折して１／２波長板１０に出射する。ここで常光の偏光
面は、−４５度回転（第２ポートＰ₂ 側から見て右回
転）し、第１の非相反部２０に出射する。第２の楔状複
屈折プリズム２８の光学軸は第３の楔状複屈折プリズム
３６に対して４５度回転（第２ポートＰ₂ 側から見て左
回転）しているから、光線の偏光面は第２の楔状複屈折
プリズム２８の光学軸に直交している。従って第２の楔
状複屈折プリズム２８では、常光が異常光として屈折
し、ファラデー回転子２５に達する。ファラデー回転子
２５の非相反性によって偏光面が４５度回転（第２ポー
トＰ₂ 側から見て左回転）し、第１の楔状複屈折プリズ
ム２６の光学軸は第２の楔状複屈折プリズム２８の光学
軸に対して−４５度回転（第２ポートＰ₂ 側から見て右
回転）しているので、光線の偏光面は第１の楔状複屈折
プリズム２６の光学軸に対して直交することになる。即
ち異常光は常光に変換される。こうして常光に変換され
た光線は第１の楔状複屈折プリズム２６で屈折して第２
ポートＰ₂ に出射する。逆に言うと、変換された光線が
丁度第２ポートＰ₂ に出射するように第１ポートＰ₁ の
位置が決められている。従って、第１ポートＰ₁ から第
２ポートＰ₂ に出射する場合は偏光依存となる。

【００１９】図３のＣに示すように、第３ポートＰ₃ か
ら入射した光線は、第４の楔状複屈折プリズム３８によ
って常光と異常光に分離され、ファラデー回転子３５の
非相反性によって偏光面が４５度回転（第２ポートＰ₂
側から見て左回転）する。第３の楔状複屈折プリズム３
６の光学軸は、第４の楔状複屈折プリズム３８の光学軸
に対して−４５度回転（第２ポートＰ₂ 側から見て右回
転）しているので、分離光の偏光面は第３の楔状複屈折
プリズム３６の光学軸に対して直交している。即ち、第
３の楔状複屈折プリズム３６において常光は異常光に、
異常光は常光に変換される。このため第３の楔状複屈折
プリズム３６を通過した後は、分離光は平行とならず、
分離距離が拡がる。この分離光は、１／２波長板１０に
入射し、偏光面が−４５度回転（第２ポートＰ₂ 側から
見て右回転）し、第１の非相反部２０に入射する。第２
の楔状複屈折プリズム２８の光学軸は第３の楔状複屈折
プリズム３６に対して４５度回転（第２ポートＰ₂ 側か
ら見て左回転）しているから、光線の偏光面は第２の楔
状複屈折プリズム２８の光学軸に直交している。従っ
て、第２の楔状複屈折プリズム２８において、常光が異
常光に、異常光が常光に変換され、屈折し、ファラデー
回転子２５に達する。光線はファラデー回転子２５によ
り偏光面が４５度回転（第２ポートＰ₂ 側から見て左回
転）する。第１の楔状複屈折プリズム２６の光学軸は、
第２の楔状複屈折プリズム２８の光学軸に対して−４５
度回転（第２ポートＰ₂ 側から見て右回転）しているの
で、分離光の偏光面は第１の楔状複屈折プリズム２６の
光学軸に対して直交している。従って第１の楔状複屈折
プリズム２６において常光は異常光としての屈折を行
い、異常光は常光としての屈折を行うため、第１の楔状
複屈折プリズム２６を通過した後は更に分離光間の距離
が拡がる。このため光線は第２ポートＰ₂ に結合しない
から、第３ポートＰ₃ から入射した光線に対しては高ア
イソレーションが得られる。

【００２０】本実施例では第２ポートＰ₂ から出射した
信号光が第３ポートＰ₃ に入射する際、分離光は一本に
重なるため、光軸調整が容易で、且つレンズ収差の影響
が低減され、非相反部が２段であるにもかかわらず、結
合効率は高まる。また、光軸方向の楔状複屈折プリズム
とポートとの距離を大きく短縮できるので、長さ約３mm
程度の非相反部を２段にしても光サーキュレータ全体の
光軸方向長さは大幅に短縮できる。更に第１〜第４の楔
状複屈折プリズムは同一構造であるので、１種類の楔状
複屈折プリズムを用意すればよく、製作も容易である。

【００２１】本発明は、このような構成のみに限定され
るものではない。第１ポートＰ₁ から常光を入射する構
成としてもよい。その場合、図４に示すように、第１ポ
ートＰ₁ は第３ポートＰ₃ に近接して、第４の楔状複屈
折プリズム３８の薄肉部側に配置する。

【００２２】

【発明の効果】本発明の３ポート型光サーキュレータ
は、楔状複屈折プリズムが４５度ファラデー回転子の両
側に位置し且つ両複屈折プリズムの厚肉部と薄肉部とが
相対向するように組み合わせた非相反部を２組有する構
成であるから、非相反部の同じ側に配置されるポート間
隔を広げられるし、ポート間のなす角度を大きくできる
ため、組立調整及び固定を容易に行うことができるし、
各ポートにレンズを組み込めるため、光の結合効率が向
上する。更に第３ポートにおいて分離した常光及び異常
光が一本に重なるので、レンズ収差の影響を低減できる
ため、光の結合効率は一層向上し、光軸調整も容易であ
る。同時に光軸方向寸法を大幅に短縮でき、第３ポート
から入射する光線は２段の非相反部で広がって進むた
め、第２ポートには結合せず、高アイソレーションが得
られる。４個の楔状複屈折プリズムを同一構造とするの
が可能であるから、１種類の楔状複屈折プリズムを用意
すればよく、製作が容易となり且つコストも削減でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る３ポート型光サーキュレータの一
実施例を示す説明図。

【図２】それに用いる楔状複屈折プリズムの説明図。

【図３】図１に示す３ポート型光サーキュレータの動作
説明図。

【図４】本発明に係る３ポート型光サーキュレータの他
の実施例を示す説明図。

【符号の説明】

１０ １／２波長板 ２０ 第１の非相反部 ２５ ファラデー回転子 ２６ 第１の楔状複屈折プリズム ２８ 第２の楔状複屈折プリズム ３０ 第２の非相反部 ３５ ファラデー回転子 ３６ 第３の楔状複屈折プリズム ３８ 第４の楔状複屈折プリズム ４０ 第１のファイバコリメータ ４２ 第２のファイバコリメータ ４４ 第３のファイバコリメータ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 １／２波長板を介して第１の非相反部と
   第２の非相反部とを縦続配置し、それらの片側に第２ポ
   ートが位置し、反対側に第１ポートと第３ポートとが位
   置する３ポート型光サーキュレータであって、両非相反
   部は４５度ファラデー回転子の両側にそれぞれ楔状複屈
   折プリズムを配置した構造であり、両楔状複屈折プリズ
   ムは互いの厚肉部と薄肉部とが相対向し、且つ対向面が
   傾きの無い面であって、その面内に光学軸があり、両光
   学軸が互いに４５度をなすように組み合わせられてお
   り、１／２波長板を介して隣接する関係にある楔状複屈
   折プリズムは両光学軸が互いに４５度をなすように組み
   合わせられており、第１ポートに配置する第１のファイ
   バコリメータはレンズと偏波保存光ファイバからなり、
   第２ポート及び第３ポートに配置する第２及び第３のフ
   ァイバコリメータはそれぞれレンズと光ファイバとから
   なり、第１ポートからの直線偏光信号光は両非相反部を
   通って第２ポートに結合し、第２ポートからの信号光は
   両非相反部を通って第３ポートに結合する３ポート型光
   サーキュレータ。
2. 【請求項２】 ４個の楔状複屈折プリズムは全て同一構
   造であり、その光学軸は、楔形面に垂直な方向にｙ軸、
   傾きの無い面内で該ｙ軸に垂直な方向にｘ軸をとったと
   きに、ｘ軸方向に対して２２．５度傾いて設定されてい
   る請求項１記載の３ポート型光サーキュレータ。