JPH063622A

JPH063622A - 偏波無依存型光アイソレータ

Info

Publication number: JPH063622A
Application number: JP4161181A
Authority: JP
Inventors: Kazushi Shirai; 一志白井; Toshihiko Takano; 俊彦高野; Norio Takeda; 憲夫武田; Kozo Arii; 光三有井
Original assignee: Mitsubishi Gas Chemical Co Inc
Current assignee: Mitsubishi Gas Chemical Co Inc
Priority date: 1992-06-19
Filing date: 1992-06-19
Publication date: 1994-01-14
Also published as: EP0574749B1; DE69303987T2; EP0574749A2; EP0574749A3; US5345329A; DE69303987D1; CA2097140A1

Abstract

(57)【要約】【目的】高いアイソレーションを有し、しかも組立・製
造が容易な偏波無依存型光アイソレータを提供する。【構成】2個の複屈折板の間に、回転角が約45度の2個の
ファラデー回転子と、該ファラデー回転子の間に1個の
偏光子を配置し、該ファラデー回転子の二つの光路領域
の磁化方向が互いに逆向きになるように外部から磁界を
印加する。【効果】組立・製造が容易でしかも50dB以上のアイソレ
ーションを示す高性能偏波無依存型光アイソレータが得
られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光ファイバ間に配置さ
れる偏光方向に依存しない光アイソレータに関する。更
に詳しく言えば、本発明は、組立・調整操作が極めて容
易で、しかも、高いアイソレーションを有する偏波に依
存しない偏波無依存型光アイソレータに関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体レーザは、光応用機器や光通信装
置などのコヒーレントな光源として賞用されている。し
かし、半導体レーザには、半導体レーザ光源から放出さ
れた光線が、光学系、例えば、コネクタ等の端面などに
よって反射されて、再びこの半導体レーザ光源に戻る
と、レーザ発信が不安定になるという重大な欠点・問題
点がある。半導体レーザの有するこの問題点を解決す
る、換言すれば、半導体レーザ光源に反射光が戻らない
ようにするために、光出力側の光路に光アイソレータを
設けることが行われている。ここに用いられる光アイソ
レータとは、ファラデー効果によって半導体レーザ光源
から放出された光線と反射光線とを分離するためのファ
ラデー回転子を備えている光学装置〔図１参照〕のこと
を意味する。

【０００３】通常一般に、光アイソレータは、偏光子、
磁気光学素子〔ファラデー回転子〕、検光子、および、
永久磁石で構成〔図１参照〕されている。更に詳しく説
明すれば、図１において、符号1 は、コーニング社のポ
ーラコア等からなる偏光子を意味する。また、符号2
は、ビスマス置換磁性ガーネット単結晶等からなる磁気
光学素子〔ファラデー回転子〕を、符号3 は、コーニン
グ社のポーラコア等からなる検光子を、符号4 は、 Sm-
Co（サマリウム−コバルト）等の永久磁石を意味してい
る。ここに例示した図１の構成からなる光アイソレータ
の順方向の光a と逆方向の光b の偏波方向は、図２のよ
うである。図２において、符号、、、および、
は、図１の空間の位置を示す。半導体レーザ光源から放
出された順方向の光a は、偏光子1 で振動面が上下方向
の直線偏光となってファラデー回転子2 に入射する。フ
ァラデー回転子2 に入射した光は、ファラデー効果によ
って偏波面が回転する。偏波面の回転方向は、磁石の向
き、或いは、ファラデー回転子の材料種によって異なる
ので一義的には決められない。従って、本願発明では、
偏波面は、半導体レーザ光源側〔左側〕から見て45度右
回転するものとし、また、回転方向については、説明を
簡単・明瞭にするために、以後、特に断わらない限り、
常に左側、即ち、半導体レーザ光源側〔出光側〕から見
て時計回りを右回転、反時計回りを左回転と標記する。
ファラデー回転子2 に入射し透過した光は、検光子3 に
入射するが、検光子3の透過方向はファラデー回転子2
を透過した光の偏波面と一致させているので、光は検光
子3 で遮断されることなく透過する。従って、半導体レ
ーザ光源から放出された順方向の光a は、各素子、即
ち、偏光子1 、ファラデー回転子2 、および、検光子3
での僅かな吸収とフレネル反射以外には、何ら損失する
ことなく、そのまま光アイソレータを透過する。

【０００４】一方、逆方向の光b 、即ち、半導体レーザ
光源に帰還する半導体レーザの反射光〔反射戻り光〕
は、検光子3 を透過したのちファラデー回転子2 に入射
する。ファラデー回転子2 に入射した逆方向の光b の偏
波面は、順方向の光a と同様に45度の回転を受ける。逆
方向の光b の偏波面の回転方向は、ファラデー回転子の
特有の効果で、光の進行方向に係わらず同じ向きである
から右に回転する。従って、ファラデー回転子2 を透過
した逆方向の光b の偏波方向は、順方向の光a の偏波方
向と90度の角度を成す。拠って、ファラデー回転子2 を
透過した逆方向の光b 、即ち、半導体レーザ光源に向か
って帰還する反射光〔反射戻り光〕は、偏光子1 で遮断
されて半導体レーザ光源に戻ることが出来ない。光アイ
ソレータは、半導体レーザ光源側〔図１では左側〕から
入射する光、例えば、レーザ出射光は、そのまま透過さ
せる。しかし、反対側〔図１では右側〕から入射する
光、例えば、反射戻り光を透過させることはない。

【０００５】上述した光アイソレータの機能に関する説
明は、偏光子1 、および、検光子3として二色性偏光
子、例えば、コーニング社製商品名ポーラコアを使用
した場合を例にしたものである。今、偏光子、および、
検光子としてルチル単結晶等からなる複屈折板を用いて
も、実質的に同じ機能と効果を得ることができる。従っ
て、実用上の機能面での観点からすれば、偏光子、およ
び、検光子の材質を問題にする必要は全くない。今、敢
えて、その相違点を説明すると、既に詳述したように、
二色性偏光子の場合には、逆方向の光b 〔反射戻り光〕
が偏光子1 で吸収されることによって遮断される。これ
に対して、複屈折板の場合には、逆方向の光b 〔反射戻
り光〕の光路が複屈折板内で斜行し透過後の光路がずれ
て順方向の光a の入射位置とは全く別の位置に出射する
ことによって半導体レーザ光源・半導体レーザ出射点に
戻ることが阻止される。即ち、偏光子、検光子としての
機能と作用効果、更に具体的に言えば、逆方向の光b
〔反射戻り光〕が半導体レーザ光源・半導体レーザ出射
点へ戻ることを阻止すると言う観点では全く同じであ
り、唯、その作用効果発現の機構・メカニズムが異なる
のみである。

【０００６】半導体レーザの出射光は、ほぼ直線偏光で
ある。従って、半導体レーザ光源から放出された出射光
は、偏光子の偏波透過方向とレーザ光の偏波方向とを一
致させることによって、殆ど損失することなく、光アイ
ソレータを透過させることができる。しかし、今、光が
ほぼ無偏波で伝搬している光ファイバーの中間に図１に
例示した構成からなる光アイソレータを挿入すると、光
ファイバーを伝搬している光の内、偏光子の偏波透過方
向と一致しない偏波面の光は、偏光子1 で阻止・遮断さ
れて透過することができない。既に、偏光子で阻止・遮
断される光量、即ち、光損失の量が、3dB 程度に達する
ことが知られている。この光損失量は、半導体レーザの
実用化を図る上で、極めて重大な技術的問題点であると
言える。

【０００７】この問題点を解決するために、順方向のあ
らゆる偏波成分を透過させる光アイソレータとして、偏
波に依存しない偏波無依存型光アイソレータが提案され
ている。即ち、松井ら、および、松本は、複屈折板を３
枚組み合わせた装置〔特公昭60-51690（図３参照）、特
公昭58-28561〕を提案している。また、内田らは、複屈
折板２枚と旋光性素子とを組み合わせた装置〔特公昭60
-49297〕を提案している。更にまた、白崎は、テーパ状
複屈折板とレンズを用いた装置〔特公昭61-58809〕を提
案している。松井らの提案した偏波無依存型光アイソレ
ータの基本構成は、図３のようである。図３において、
符号5 は、ルチル単結晶等の一軸結晶から、その光軸が
表面から傾くように切り出して平行平板とした第１の複
屈折板である。符号6 は、45度のファラデー回転角を有
するビスマス置換磁性ガーネット単結晶等で形成された
ファラデー回転子である。符号7 は、表面と光軸との傾
き角が第１の複屈折板5 と同じで、入射光線a を軸とし
て第１の複屈折板5 から右回り方向に光軸が45度傾いた
第２複屈折板である。符号8 は、表面と光軸との傾き角
が第１の複屈折板5 と同じで、入射光線a を軸として第
１の複屈折板5 から左回り方向に光軸が45度傾いた第３
の複屈折板である。また、符号9 は、ファラデー回転子
を磁気的に飽和させるための永久磁石である。なお、第
１の複屈折板5 、ファラデー回転子6 、第２の複屈折板
7 、および、第３の複屈折板8 の出射面における光の位
置と偏波方向、および、複屈折板の光軸方向は、図４の
ようである。

【０００８】図３の構成からなる偏波無依存型光アイソ
レータの順方向の入射光a は、第１の複屈折板5 によっ
て、互いに垂直な振動面を有する常光線と異常光線との
２本の光線に分かれる。常光線は、第１の複屈折板5 を
直進する。異常光線は、第１の複屈折板5 を斜めに進行
する。常光線、および、異常光線は、第１の複屈折板5
を透過したのち、互いに平行に伝搬してファラデー回転
子6 に入射し、ファラデー回転子6 によって各々の偏波
面が45度の右回転を受けて透過する。磁気光学素6 を透
過した常光線、および、異常光線は、第２の複屈折板7
に入射する。第２の複屈折板7 は、その光軸が第１の複
屈折板5 の光軸に対して45度傾くように設置されてい
る。従って、第２の複屈折板7 の光軸と平行な偏波成分
が、この第２の複屈折板7 の結晶内を斜めに進行して透
過する。第２の複屈折板7 を透過した光は、第３の複屈
折板8 に入射する。第３の複屈折板8 は、その光軸が第
２の複屈折板7 の光軸に対して90度傾くように設置され
ている。従って、第３の複屈折板8 の光軸と平行な偏波
成分が、この第３の複屈折板の結晶内を斜めに進行して
透過する。今、第２の複屈折板7 と第３の複屈折板8 の
厚さを、第１の複屈折板5 の厚さの1/√2 とすると、第
１の複屈折板5 で分離された二つの光線は、再び、一本
の光線に合成される。一方、逆方向の光b は、第３の複
屈折板8 、および、第２の複屈折板7 を、順方向の光a
と同じ光路を逆方向に進行・透過してファラデー回転子
6 に入射する〔図５参照〕。ファラデー回転子6 を透過
した逆方向の光b の偏波方向は、ファラデー回転子によ
って45度右回転を受けて、結局、順方向の光a の偏波方
向と垂直を成すようになる。従って、第１の複屈折板5
を透過した逆方向の光b は、順方向の光線a の入射位置
とは違った場所から出射する。偏波無依存型光アイソレ
ータを使用する方式では、左方から入射する無偏波な光
a 、例えば、半導体レーザと、右方、即ち、アイソレー
タの反対側から入射する無偏波な光b とを完全に分離す
ることができる。

【０００９】近年、光ファイバ通信の発展に不可欠な光
の直接増幅技術、例えば、エルビウムドープ光ファイバ
による光増幅技術が急速に進展している。エルビウムド
ープ光ファイバによる光の直接増幅技術とは、励起用の
光と 1.55 μm 帯の信号光をエルビウムドープ光ファイ
バに導くと、励起用の光によって 1.55 μm 帯の信号光
がエルビウムドープ光ファイバを透過する間に数オーダ
ーも増幅されるという画期的な技術である。このエルビ
ウムドープ光ファイバ増幅器には、光ファイバコネクタ
端面などからの反射光が増幅器に戻ると、信号の増幅が
不安定になるという重大な問題点・技術的課題がある。
故に、エルビムドープ光ファイバ増幅器の安定化を図る
ために、エルビムドープ光ファイバの両端に反射戻り光
を阻止するための光アイソレータを設置する必要がある
〔電気情報通信学会誌、Vol.74,No3,221-224(1991)〕。
このエルビムドープ光ファイバの両端に設置される光ア
イソレータは、その設置の目的から、当該光ファイバ中
を伝搬する無偏光な光に対して、順方向の光は殆ど損失
なく透過させるが、反射戻り光はほほ完全に遮断する機
能を有するもの、即ち、偏波無依存型光アイソレータで
なければならない。エルビウムドープ光ファイバによる
光の直接増幅器は、僅かな反射戻り光によっても増幅機
能の安定性に重大な影響を及ぼすため、ここに使用され
る偏波無依存型光アイソレータのアイソレーションは、
少なくとも、 50dB 以上であることが望まれている。

【００１０】現在、既に、種々の偏波無依存型光アイソ
レータが提案されている〔特公昭60-51690、特公昭58-2
8561、特公昭60-49297、特公昭61-58809〕。偏波無依存
型光アイソレータのアイソレーションの上限値は、ほ
ぼ、ファラデー回転子の消光比で決まることが知られて
いる。ここに提案されている偏波無依存型光アイソレー
タのアイソレーションの上限値は、その明細書の記載か
ら、ほぼ 40dB 程度である。また、偏波無依存型光アイ
ソレータのアイソレーションは、ファラデー回転子のフ
ァラデー回転角の温度依存性と波長依存性のために、使
用環境温度の変動や、光源として使用する半導体レーザ
の波長変動によっても大きく低下する。

【００１１】チャン〔Kok Wai Chang 〕は、高いアイソ
レーションを有する偏波無依存型光アイソレータとし
て、図６の構成を提案している〔European Patent 3520
02〕。図６において、符号10、11、12は、ルチル単結晶
などの一軸結晶から、その光軸が表面から傾くように切
り出された第１の複屈折板、第２の複屈折板、および、
第３の複屈折板である。また、符号13、14は、約45度の
ファラデー回転角を有するビスマス置換磁性ガーネット
単結晶などで形成された第１のファラデー回転子と第２
のファラデー回転子である。ここに提案された偏波無依
存型光アイソレータの順方向の光線に対する各複屈折板
とファラデー回転子の端面における光の位置と偏光方
向、および、複屈折板の光軸方向は、図７のようであ
る。更に補足説明を行うと、今、第１の複屈折板10に入
射した順方向の光40は、第１の複屈折板10によって偏光
方向が光軸に平行な成分40a と垂直な成分40b とに分離
される。第１のファラデー回転子13に入射した光線40a
と光線40b は、各々、偏波面が45度だけ左回転する。偏
光方向が第２の複屈折板の光軸に平行な光線40a は、第
２の複屈折板11を斜めに進行して光線40a'になる。次い
で、光線40a'と光線40b の偏波面が、第２のファラデー
回転子14で、更に左に45度だけ回転する。その結果、光
線40a'の偏波面は、第３の複屈折板12の光軸に対して平
行となる。一方、光線40b の偏波面は、第３の複屈折板
3 の光軸に対して垂直になる。従って、光線40a'と光線
40b は、第３の複屈折板12を透過したのちに合流して光
線40' となる。

【００１２】一方、偏波無依存型光アイソレータの逆方
向の光線に対する各複屈折板とファラデー回転子の端面
における光の位置と偏光方向は、図８のようである。即
ち、今、第3 の複屈折板12に入射した逆方向の光線50
は、偏光方向が光軸に平行な成分50a と垂直な成分50b
に分離される。第２のファラデー回転子14に入射した光
線50a と光線50b は、各々、偏波面が45度左回転する。
故に、第２の複屈折板11を透過する光線50a は、そのま
ま入射した位置と同じ位置から出射するが、光線50b
は、第２の複屈折板11を斜行する。今、仮に、第２のフ
ァラデー回転子14のファラデー回転角が、基準角度の45
度から df₁度だけずれているものと仮定すると、光線50
a 、および、光線50b の中には、強度がsin²(df₁) で、
偏光方向が偏波面と直交する成分、即ち、成分50a'と成
分50b'とが存在することになる。

【００１３】光線50a 、光線50b 、光線50a'、および、
光線50b'は、第１のファラデー回転子13で、それぞれ約
45度左回転する。第１の複屈折板10を透過する光線50b
と光線50a'は、そのまま入射した位置と同じ位置から出
射するが、光線50a と光線50b'は、第１の複屈折板10を
斜行する。そのため光線50a と光線50b'は、順方向の入
射光位置とは別の場所から出射することになる。今、仮
に、第１のファラデー回転子13のファラデー回転角が、
基準角度の45度から df₂度だけずれているものと仮定す
ると、光線50a'には、強度が sin²(df₂)・sin²(df₁)
で、光線50a'の偏波面に直交する成分50a'' が、また、
光線50b'には、強度が sin²(df₂)・sin²(df₁) で、光線
50b'の偏波面に直交する成分50b''が存在することにな
る。これらの光は、第１の複屈折板10を透過したのち、
順方向の入射光位置から出射する。

【００１４】今、各偏光子とファラデー回転子の光損失
を無視することができるものと仮定すると、図６の構成
からなる光アイソレータの理論アイソレーションは、 -10 × log〔sin²(df₂)・ sin²(df₁)〕で与えられる。現在、通常一般に市販されている磁気光
学素子の回転角のずれは、１度程度である。今仮に、磁
気光学素子の回転角のずれを、各々１度〔 df₁=1、df₂=
1 〕と仮定すると、上式より、理論アイソレーションは
70dB となり、非常に高い値が得られるものと期待する
ことができる。

【００１５】実際問題として、偏波無依存型光アイソレ
ータには、更に、偏波分散という大きな問題点・技術的
困難が残されている。偏波分散とは、順方向の光信号
が、第１の複屈折板10で二つの光に分離されて、再び第
３の複屈折板12によって合成されるまでの間の光路の長
さの差異によって生じる通過時間の遅れのことである。
偏波無依存型光アイソレータの構造から、順方向の光信
号が、光アイソレータを通過する際に生じる通過時間の
遅れを皆無にすることは不可能である。ここに生じる偏
波分散は、光信号の密度と伝達速度の低下をもたらす。
従って、高速光通信の実用化を図るためには、偏波分散
の少ない高性能の偏波無依存光アイソレータの開発が必
須であり、急務であると言える。

【００１６】白石らは、偏波分散が小さく、アイソレー
ションの高い偏波無依存型光アイソレータを提案〔1991
年電子情報通信学会春期全国大会 c-290〕した〔図９参
照〕。即ち、図９において、符号15と符号16は、ルチル
単結晶等からなる複屈折板である。符号17と符号18は水
晶等からなるλ/2板である。また、符号19と符号20は、
偏波依存型光アイソレータである。図９において、順方
向の光a は、第１の複屈折板15によって常光線と異常光
線とに分離される。今、常光線の光路をｃ、異常光線の
光路をｄと表示するものとする。異常光線は、異常光線
の光路d に挿入されたλ/2板17によって偏波方向が90度
回転して、常光線と同じ向きになる。従って、光路c を
通過する光と、光路d を通過する光は、偏波依存型の光
アイソレータ19と、偏波依存型の光アイソレータ20を透
過することができる。光アイソレータ19に入射する前
と、光アイソレータ20を透過した後の二つの光の偏波面
は、光アイソレータ19と、光アイソレータ20を選択して
適宜に組み合わせるこによって、同じ向きになるように
操作することができる。次に、光路c を通過する光は光
路c に挿入されたλ/2板18によって偏波面が90度回転す
るので、結局異常光線となる。光路d を通過する光は、
常光線であるから、両者は第２の複屈折板16で合成され
ることになる。一方、逆方向の反射戻り光は、偏波依存
型光アイソレータ19と偏波依存型光アイソレータ20で遮
断される。従って、図９の偏波無依存型光アイソレータ
では、２台の偏波依存型光アイソレータによって高いア
イソレーションが得られるものと思われる。また、複屈
折板で分離された二つの光の光路長も等しいため、偏波
分散も小さいものと推測される。

【００１７】しかし、白石らの提案している偏波無依存
型光アイソレータ〔図９〕は、２個の複屈折板と２個の
λ/2板、および、２個の偏光子と１個のファラデー回転
子と２個の永久磁石とで構成された偏波依存型光アイソ
レータ〔図１〕を２台必要とするため、明らかに部品の
数が従来型の偏波無依存型光アイソレータに比べて多
く、経済的に不利であることは明白である。

【００１８】また、今泉らは、偏波面が互いに直交した
光を分離・結合するための２個の複屈折板の間に、永久
磁石内に配置した回転角が約45度の２個のファラデー回
転子と、そのファラデー回転子の間に複屈折板の光路の
分離中心を境にして偏波遮断方向が90度異なる２個の偏
光素子を並列に配置した光アイソレータを提案している
〔特公開平4-77713 、図10参照〕。図10において、符号
21、22は、ルチル単結晶等からなる複屈折板である。符
号23、24は、ビスマス置換磁性ガーネット等からなるフ
ァラデー回転子である。符号25、26は、コーニング社の
ポーラコア等からなる薄膜偏光素子である。また、符号
27、28は、Sm-Co 等からなる永久磁石を意味し、磁化の
向きが同じ方向に向くように配置されている。

【００１９】図10において、半導体レーザ光源から出射
された光線a は、第１の複屈折板21に入射して、互いに
垂直な振動面を持った２本の光線に分かれて第１の複屈
折板21を透過する。第１の複屈折板21を透過した２つの
光線は、平行に伝搬して第１のファラデー回転子23に入
射する。第１のファラデー回転子23に入射した各光線
は、各々、偏波面が45度の右回転を受ける。第１のファ
ラデー回転子23を透過した各光線は、順方向の入射光の
偏波面と透過方向が一致するように配置された偏光子2
5、および、偏光子26に入射して透過し、第２のファラ
デー回転子24に入射する。第２のファラデー回転子24に
入射した各光線は、偏波面が45度右回転して透過する。
第２のファラデー回転子24を透過した各光線は、第２の
複屈折板22に入射し、そこで光は結合される。一方、逆
方向から入射した反射光b は、第２の複屈折板22により
２本の光線に分かれて透過し、第２のファラデー回転子
24に入射する。第２のファラデー回転子24に入射した反
射光b は、それぞれ偏波面が順方向のとき、即ち、光線
a と同じ方向に45度回転して透過する。第２のファラデ
ー回転子24を透過した２つの光線の偏波面は、順方向の
光線の偏波面と90度を成す。従って、逆方向の光線は、
偏光子25、および、偏光子26によって、それぞれ遮断さ
れる。ファラデー回転子24のファラデー回転角が標準値
の45度からズレている場合には、偏光子25、26を透過す
る光が存在することになる。図６の偏波無依存光アイソ
レータの戻り光の説明で詳細に述べたように、偏光子2
5、26を透過する光の大部分は、第１の複屈折板21を透
過する際に順方向の入射位置とは異なる場所から出射す
る。従って、本構成からなる偏波無依存型光アイソレー
タは、図６、および、図８に示した偏波無依存型光アイ
ソレータと同様に高いアイソレーションを示すものと推
定される。また、偏波分散も小さいものと推定される。

【００２０】しかし、今泉らの提案〔図10〕を実施する
ためには、偏光子を２個並列に配置し、しかも、偏波方
向を、それぞれ90度傾けるという極めて困難な組立作業
が必須である。しかも、二つに分離された光路の分離中
心と二つの偏光子突き当て位置とを精密・厳密に合致さ
せなければならないため、光路の設定・調整作業が極め
て困難であることは、容易に推測することができる。

【００２１】上述したように、今泉らの提案している偏
波無依存型光アイソレータを製造するためには、極めて
緻密で困難な組立作業を実施しなければならない。この
組立作業は、その作業内容からして、適合に関する判断
力を必要とするため、現在の工業用組立ロボットでは、
対処することができない。即ち、組立作業の自動化・無
人化は、実質的に不可能である。拠って、ＲＲらの提案
している偏波無依存型光アイソレータには、大量に生産
して安価に提供することができないと言う問題点を残し
ている。

【００２２】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
の偏波無依存型光アイソレータには、高速光通信に悪影
響を及ぼす偏波分散が見られるとか、部品の数が多い、
或いは、組立・調整作業が極めて困難であり、経済的に
不利であるという重大な問題を有している。本願発明者
らは、アイソレーションが高く、組立・調整作業、操作
が容易で、しかも、より少ない部品数で構成される偏波
無依存型光アイソレータを開発するべく鋭意研究を行っ
た結果、本発明を完成させた。即ち、本願発明は、高い
アイソレーションを示す高品質の光アイソレータを、工
業的規模で大量に、しかも、安価に提供して、光通信の
実用化と普及に寄与することを目的としている。

【００２３】

【課題を解決するための手段】本願発明者らは、上記し
た種々の技術的課題を解決するために鋭意研究を行った
結果、偏波面が互いに直交した光の光路を空間的に分離
・結合するための２個の複屈折板の間に、回転角が約45
度の２個のファラデー回転子と、該ファラデー回転子の
間に１個の偏光子を配置し、該ファラデー回転子の二つ
の光路領域の磁化方向が互いに逆向きになるように外部
から磁界を印加することでによって、偏波分散が小さ
く、高性能で、しかも組立作業が極めて容易な偏波無依
存型光アイソレータを得ることができるとの知見を得
て、更に、改良研究を行い本発明を完成させた。本願発
明による光アイソレータの構成を模式的に図示すると、
図11のようである。符号29、30は、ルチル単結晶等から
なる複屈折板である。符号31、32は、ビスマス置換希土
類磁性ガーネットなどからなるファラデー回転子であ
る。符号33は、コーニング社のポーラコア等からなる薄
膜偏光子である。また、符号34、35、36、37は、Sm-Co
などからなる永久磁石を意味している。

【００２４】図11において、半導体レーザ光源から出射
された光線a は、第１の複屈折板29に入射して、互いに
垂直な振動面を持った２本の光線、即ち、常光線と異常
光線とに分かれて第１の複屈折板29を透過する。第１の
複屈折板29を透過した２本の光線は、平行に伝搬して第
１のファラデー回転子31に入射する。第１のファラデー
回転子31に入射した常光線は、偏波面が45度の左回転
を、異常光線は45度の右回転を受ける。従って、第１の
ファラデー回転子31を透過した二つの光線の偏波面は一
致する。偏光子33は、その偏波透過方向がこの二つの光
線の偏波面と一致するように配置されている。従って、
第１のファラデー回転子31を透過した二つの光線は、偏
光子33を透過し、第２のファラデー回転子32に入射す
る。第２のファラデー回転子32に入射した常光線の偏波
面は、左に45度回転して異常光線となる。第２のファラ
デー回転子32に入射した異常光線の偏波面は、右に45度
回転して常光線となる。かくして、二つの光線は、第２
の複屈折板30によって結合される。一方、逆方向から入
射した反射光b は、第２の複屈折板30により２本の光線
に分かれて透過し、第２のファラデー回転子32に入射す
る。第２のファラデー回転子32に入射した反射光b は、
それぞれ偏波面が順方向の場合、即ち、光線a と同一の
方向に45度回転して透過する。第２のファラデー回転子
32を透過した２本の光線は、その偏波面が偏光子33の遮
断方向と一致するので、偏光子33で遮断される。また、
ファラデー回転子32のファラデー回転角が45度からズレ
ている場合には、偏光子33を透過する光が存在すること
になるが、図６の偏波無依存光アイソレータの戻り光の
説明で詳細に述べたように、偏光子33を透過する光の大
部分は、第１の複屈折板29を透過する際に、順方向の入
射位置とは異なる場所から出射する。

【００２５】本願発明の偏波無依存型光アイソレータ
は、アイソレーションが非常に高く、しかも、偏波分散
が小さいという優れた特徴を有している。更に、本発明
の光アイソレータは、その構造から、環境温度の変化や
波長の変化に対するアイソレーション低下の度合が極め
て小さいという特徴ある性質・効果を有している。この
ことは、当該技術分野において、驚異的な技術的改良・
進歩であると言っても過言ではなく、光通信の実用化と
普及に寄与するところ極めて大である。

【００２６】本願発明を実施するとき、複屈折板は、特
に特殊なものである必要はなく、通常一般に、複屈折板
として市販されているものの中から、所望によって適宜
に選んで用いれば良く、品質、および、入手の容易さの
点で、その素材としては、方解石やルチル単結晶が好適
である。本願発明を実施するとき、ファラデー回転子の
間に配置する偏光素子は、特に特殊なものである必要は
なく、通常一般に市販されているものの中から、所望に
よって適宜に選んで用いれば良く、その性能の点で、特
に、二色性偏光子が好適である。本願発明を実施すると
き、ファラデー回転素子は特に特殊なもので有る必要は
なく、通常一般に市販されているものの中から、所望に
よって適宜に選んで用いれば良く、品質、および、入手
の容易さの点で、その素材としては、ビスマス置換磁性
ガーネット単結晶が好適である。その場合、ビスマス置
換磁性ガーネットはファラデー回転係数が大きく、また
飽和磁界が小さいものが特に好ましい。本願発明を実施
するとき、ファラデー回転素子の品質、即ち、ファラデ
ー回転角度は、45±5 度、より好ましくは、45±3 度の
範囲内に選ぶのが好ましい。ファラデー回転素子のファ
ラデー回転角度のずれが5度以上になると、順方向の光
線の挿入損失が大きくなり過ぎるため好ましくない。

【００２７】本願発明を実施するとき、磁石とファラデ
ー回転子の配置には、いくつかの組み合わせが可能であ
る。その具体的な例を図12に例示する。図12において、
符号34、35、36、37は、Sm-Co 等からなる永久磁石であ
る。符号31、32は、ビスマス置換磁性ガーネット単結晶
等からなるファラデー回転子である。符号33は、コーニ
ング社のポーラコア等からなる偏光子である。磁石34と
磁石35によって、ファラデー回転子31とファラデー回転
子32の上部の磁化が飽和され磁化方向が右向きとなる。
一方、磁石36と磁石37によってファラデー回転子31とフ
ァラデー回転子32の下部の磁化が飽和され磁化方向が左
向きとなる。

【００２８】既に詳述したように、本願発明の光アイソ
レータは、基本的に偏波無依存型であるが、所望によ
り、偏波依存型としても使用できることは言うまでもな
い。以下、本発明を実施例によってその実施態様等を具
体的に、かつ詳細に説明するが、以下の例は、具体的に
説明するためのものであって、本発明の実施態様や発明
の範囲を限定するものとしては意図されていない。

【００２９】実施例１先ず、容量 4000ml の白金製ルツボに、酸化鉛［PbO 、
4N］6.30kg、酸化ビスマス［Bi₂O₃ 、4N］7.50kg、酸化
第２鉄［Fe₂O₃ 、4N］830g、酸化ほう素［B₂O₃、5N］28
0g、酸化ガドリニウム［Gd₂O₃ 、3N］90g 、酸化ガリウ
ム［Ga₂O₃ 、3N］16.3g 、および、酸化アルミニウム
［Al₂O₃ 、3N］44g 、を仕込んだ。白金製ルツボを精密
縦型管状電気炉の所定の位置に設置し、1000℃に加熱し
て溶融し、十分に撹拌して均一に混合させたのち、融液
温度 800℃にまで冷却してビスマス置換磁性ガーネット
単結晶育成用融液とした。次いで、常法に従って、ここ
に得られた融液の表面に、厚さ 480μm 、大きさ２イン
チの (111)ガーネット単結晶［(GdCa)₃(GaMgZr)₅O₁₂ ］
基板〔格子定数：12.497±0.002 〕の片面を接触させ
て、融液温度を 800℃に維持しながら、22時間のエピタ
キシャル成長を行った。その結果、膜厚が 420μm の
(GdBi)₃(FeGaAl)₅O₁₂単結晶膜を得た。ここに得られた
単結晶膜の表面を常法に従って研磨して膜厚さ 331μm
の研磨膜を得た。次いで、常法に従って、所定の大きさ
〔 2mm×2mm 〕に裁断し、波長1.31μm を中心波長とす
る反射防止膜を施して、波長1.31μm の光に対するファ
ラデー回転角45.7 度のファラデー回転子〔図14参照、
符号31、32〕を得た。ここに得られたファラデー回転子
31、32を、接着剤を用いて金属治具51、52に取り付けて
固定して、ファラデー回転子ブロックを得た〔図14参
照〕。同様にして、波長1.31μm を中心波長とする反射
防止膜を施した偏光子〔コーニング社製、商品名ポーラ
コア〕33を、金属治具53に取り付けて固定して、偏光子
ブロックを得た〔図14参照〕。永久磁石〔 Sm-Co磁石、
TDK 社製、商品名REC-21、2mm ×4mm ×6mm 〕 36 の上
に、波長1.31μm を中心波長とする反射防止膜を施した
ルチル単結晶からなる複屈折板〔秩父セメント社製、2m
m ×2mm ×7.5mm 〕29を積み重ねた。次いで、金属製ス
ペーサー41と金属製スペーサー42を取り付けた。最後
に、永久磁石〔 Sm-Co磁石、TDK 社製、商品名REC-21、
2mm ×4mm ×6mm 〕34を積み重ねて接着剤で固定して複
屈折板−磁石ブロック〔符号Ａ〕を得た〔図13参照〕。
また、同様にして、複屈折板−磁石ブロック〔符号Ａ'
〕を得た〔図13、図14参照〕。ここに得られたファラ
デー回転子ブロック〔51、52〕と偏光子ブロック〔53〕
と複屈折板−磁石ブロック〔符号Ａ、符号Ａ' 〕を、金
属製台座49に取り付けて接着剤で固定して、光アイソレ
ータブロックを得た。円筒状の金属治具47の所定の位置
に、波長1.31μm を中心波長とする反射防止膜を施した
分布屈折率型レンズ〔日本板硝子製、商品名セルホック
マイクロレンズ〕45とコア系10μm のシングルモード光
ファイバー43を取り付けて光ファイバーブロックを得
た。同様にして、円筒状の金属治具48の所定の位置に、
分布屈折率型レンズ46とシングルモード光ファイバー44
を取り付けて光ファイバーブロックを得た。ここに得ら
れた光ファイバーブロックを光アイソレータブロックの
所定の位置に取り付けて偏波無依存型光アイソレータを
得た。なお、分布屈折率型レンズ45と分布屈折率型レン
ズ46との面間距離は、約20.2mmであった。ここに得られ
た偏波無依存型光アイソレータの光ファイバ43に、半導
体レーザ光源〔サンテック製、商品名広帯域波長可変Ｌ
Ｄ光源、TSL-80型〕を、光ファイバ44に光検出器〔アン
リツ製、商品名パワーメータ、ML9001A 型〕を接続した
〔恒温室：周囲環境温度（室温）25℃〕。半導体レーザ
光源から、波長1.31μm のレーザ光を出射させて、光パ
ワーメーで受光する光強度が最も強くなるように、金属
治具47と金属治具48の位置を注意深く、微調整を行っ
た。ここに得られた調整操作済の偏波無依存型光アイソ
レータの光損失は、順方向（ａ方向）で 1.5dB、逆方向
（ｂ方向）で 56.2dB であった。即ち、ここに得られた
調整操作済の偏波無依存型光アイソレータのアイソレー
ションは 54.7dB であった。次いで、測定温度を25℃に
固定したまま、測定波長を 1280nm から 1340nm まで変
化させてみたが、アイソレーションは 50dB 以上を保っ
ていた。また、測定波長を 1310nm に固定したまま、周
囲環境温度を 0℃から50℃まで変化させてみたが、アイ
ソレーションは 50dB 以上を保っていた。

【００３０】実施例２実施例１において、波長1.31μm の光に対するファラデ
ー回転角 45.7 度のファラデー回転子の替わりに、波長
1.31μm の光に対するファラデー回転角 43.2度と 46.5
度のファラデー回転子を使用した以外は、全て実施例
１と同様に処理・操作して調整操作済の偏波無依存型光
アイソレータを得た。ここに得られた調整操作済偏波無
依存型光アイソレータの順方向の光損失〔挿入損失〕
1.7dB、アイソレーション 53.6dB であった。

【００３１】実施例３実施例１において、22時間のエピタキシャル成長の替わ
りに、28時間のエピタキシャル成長を行なって膜厚が 5
30μm の (GdBi)₃(FeGaAl)₅O₁₂単結晶膜を得て、波長1.
55μm の光に対するファラデー回転角 44.0 度のファラ
デー回転子を使用した以外は、全て実施例１と同様に処
理・操作して調整操作済の偏波無依存型光アイソレータ
を得た。ここに得られた調整操作済偏波無依存型光アイ
ソレータの順方向の光損失〔挿入損失〕 1.4dB、アイソ
レーション 53.0dB であった。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、従来の偏波無依存型光
アイソレータでは必須であつた微調整操作がほとんど不
要で、かつ、より少ない部品数で、光アイソレータに要
求される性能50dB以上を達成することができる。また、
光アイソレータ内の二つの光路の長さにほとんど差異が
ないため、高速光通信に悪影響を及ぼす偏波分散を非常
に小さくすることができる。

【００３３】

【図面の簡単な説明】

【図１】半導体レーザへの反射戻り光を遮断する偏波依
存型光アイソレータの基本構成を示した模式図である。

【図２】半導体レーザへの反射戻り光を遮断する偏波依
存型光アイソレータにおける順方向と逆方向の光の偏波
方向を説明するための模式図である。

【図３】特公昭60-51690に開示された偏波無依存光アイ
ソレータの基本構成と順方向の光路とを示した模式図で
ある。

【図４】特公昭60-51690に開示された偏波無依存光アイ
ソレータの順方向の光の各素子表面における出射位置と
偏波方向を示した模式図である。

【図５】特公昭60-51690に開示された偏波無依存光アイ
ソレータの基本構成と逆方向の光路を示した模式図であ
る。

【図６】ヨーロッパ特許第 0352002号に開示された偏波
無依存光アイソレータの基本構成と光路とを示した模式
図である。

【図７】ヨーロッパ特許第 0352002に開示された偏波無
依存光アイソレータの順方向の光の各素子表面における
出射位置と偏波方向とを示した模式図である。

【図８】ヨーロッパ特許第 0352002に開示された偏波無
依存光アイソレータの逆方向の光の各素子表面における
出射位置と偏波方向とを示した模式図である。

【図９】1991年電子情報通信学会春期全国大会C-290 に
おいて開示された偏波無依存光アイソレータの基本構成
と光路とを示した模式図である。

【図１０】特開平4-77713 に開示された偏波無依存光ア
イソレータの基本構成と順方向および逆方向の光の光路
と偏波方向とを示した模式図である。

【図１１】本発明の偏波無依存型光アイソレータの基本
構成と順方向および逆方向の光の光路と偏波方向とを示
した模式図である。

【図１２】本発明の偏波無依存型光アイソレータにおけ
る磁石の位置とファラデー素子内の磁力線の状況を具体
的に例示し、説明するための模式図である。

【図１３】本発明の偏波無依存型光アイソレータの実施
において、永久磁石と複屈折板とを金属製スペーサーに
挟んで一体化する操作・工程を説明するための模式図で
ある。

【図１４】本発明の偏波無依存型光アイソレータの横断
面［構造・構成］、および、実施態様の例を模式的に示
す概念図である。

【符号の説明】１・・・偏光子２・・・ファラデー回転子３・・・検光子４・・・永久磁石５・・・第１の複屈折板６・・・ファラデー回転子７・・・第２の複屈折板８・・・第３の複屈折板１０・・・第１の複屈折板１１・・・第２の複屈折板１２・・・第３の複屈折板１３・・・第１のファラデー回転子１４・・・第２のファラデー回転子１５・・・第１の複屈折板１６・・・第２の複屈折板１７・・・λ/2板１８・・・λ/2板１９・・・偏波依存型光アイソレータ２０・・・偏波依存型光アイソレータ２１・・・第１の複屈折板２２・・・第２の複屈折板２３・・・第１のファラデー回転子２４・・・第２のファラデー回転子２５・・・偏光子２６・・・偏光子２７・・・永久磁石２８・・・永久磁石２９・・・第１の複屈折板３０・・・第２の複屈折板３１・・・第１のファラデー回転子３２・・・第２のファラデー回転子３３・・・偏光子３４・・・永久磁石３５・・・永久磁石３６・・・永久磁石３７・・・永久磁石４１・・・金属製スペーサー４２・・・金属製スペーサー４３・・・シングルモード光ファイバ４４・・・シングルモード光ファイバ４５・・・分布屈折率レンズ４６・・・分布屈折率レンズ４７・・・金属製治具４８・・・金属製治具４９・・・金属製台座５１・・・金属製治具５２・・・金属製治具５３・・・金属製治具

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成５年４月１３日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２１】上述したように、今泉らの提案している偏
波無依存型光アイソレータを製造するためには、極めて
緻密で困難な組立作業を実施しなければならない。この
組立作業は、その作業内容からして、適合に関する判断
力を必要とするため、現在の工業用組立ロボットでは、
対処することができない。即ち、組立作業の自動化・無
人化は、実質的に不可能である。拠って、今泉らの提案
している偏波無依存型光アイソレータには、大量に生産
して安価に提供することができないと言う問題点を残し
ている。 ─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成５年８月５日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図面の簡単な説明

【補正方法】変更

【補正内容】

【図面の簡単な説明】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者有井光三東京都葛飾区新宿六丁目１番１号三菱瓦斯化学株式会社東京研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】偏波面が互いに直交した光の光路を空間
的に分離・結合するための２個の複屈折板の間に、回転
角が約45度の２個のファラデー回転子と該ファラデー回
転子の間に１個の偏光子とを配置し、且つ、該ファラデ
ー回転子の二つの光路領域の磁化方向が互いに逆向きに
なるように外部から磁界を印加するように構成したこと
を特徴とする光アイソレータ。