JPH11344686A - 偏波無依存型光アイソレータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】挿入損失が少なく、消光性能が優れ、量産性が
あり小型で安価な偏波無依存型光アイソレータを提供す
る。 【解決手段】偏波無依存型光アイソレータは、ファラデ
ー回転子３の一面の一部分に第一の１／２波長板１が重
ね合わされ、ファラデー回転子３の別な面であって第一
の１／２波長板１が重ね合わされていない部分に第二の
１／２波長板２が重ね合わされた偏波無依存型光アイソ
レータであり、ファラデー回転子３の回転角がπ／４で
あり、第一の１／２波長板１および第二の１／２波長板
２がともにリチウムタンタレートからなる複屈折結晶で
あり、第一の１／２波長板１の遅相軸と第二の１／２波
長板２の遅相軸とのなす角がπ／４である。この光アイ
ソレータは、コヒーレントな平行光を光の干渉作用によ
り順方向には透過するが、逆方向には遮断する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光通信システムの
なかに組み込まれる光アイソレータであって、小型で高
性能な偏波無依存型光アイソレータに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】光通信システムのなかに組み込まれる光
学部品として、光を伝送の順方向には通すが、逆方向に
は通さない光アイソレータがあり、偏波依存型と偏波無
依存型のものが知られている。偏波依存型光アイソレー
タは、特定な偏波面を持つ偏光だけが順方向に透過し、
その反射光となって戻る逆方向の光は偏光の性質を利用
して遮断するものであるから、光アイソレータとしての
本来の機能である消光性能は優れているが、光源が偏光
でない順方向の透過率（挿入損失）は悪くなる。これに
対し偏波無依存型光アイソレータは、偏波面には影響さ
れることなく凡ゆる偏光成分の光を順方向に透過させ、
逆方向の光は入射面に結像させない構造であるから、挿
入損失は少ない。

【０００３】従来、挿入損失の改善を重視する見地から
偏波無依存型光アイソレータが主に開発されてきた。例
えば特公昭６１−５８８０９号公報には、２つのくさび
形複屈折結晶板の間にファラデー回転子を配置した偏波
無依存型光アイソレータが開示されている。

【０００４】一方、１９９７年電子情報通信学会総合大
会Ｃ−３−９８において、新構造の偏波無依存型光アイ
ソレータが発表された。その偏波無依存型光アイソレー
タは、シングルモード光ファイバーから出射した光をレ
ンズでコリメートし半分に分け、それぞれの光を４５゜
ファラデー回転子とλ／２板に上側と下側で順番を変え
て透過させる。光が右に進む方向（順方向）をｚ軸、ｚ
軸に垂直な面内で紙面に垂直な方向をｘ軸、水平な方向
をｙ軸とすると、ｘ軸からのλ／２板のslow軸角度を上
側は２２．５゜、下側は−２２．５゜にしてある。順方
向の光は、上側では４５゜ファラデー回転子→１／２波
長板の順に、下側では１／２波長板→４５゜ファラデー
回転子の順に透過すると、レンズで光ファイバーに結像
されるとき上側と下側で干渉し強め合う。しかし逆方向
の光は、光ファイバーから出射し、レンズでコリメート
し、上側では１／２波長板→４５゜ファラデー回転子の
順に、下側では４５゜ファラデー回転子→１／２波長板
の順に透過させると、レンズで光ファイバーに結像され
るとき上側と下側で干渉し弱め合う。したがって、順方
向に進む光は透過するが逆方向には透過しないという光
アイソレータの機能を実現できる。

【０００５】このような干渉の原理に基づく偏波無依存
型光アイソレータは、前記公報に開示されたようなサイ
ズが大きく加工が困難な形の複屈折結晶板を使用しない
ため、小型にでき、低廉化できる可能性を示唆してい
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前記の偏波無依存型光
アイソレータには、１／２波長板として水晶の素材が使
用されている。一方、通信として汎用されている波長λ
＝１．５５μｍであるから、１／２波長板は０．７７５
±０．００５μｍ程度のリターデーション精度を持たな
ければ干渉作用が不十分となってしまう。これを水晶の
１／２波長板にあてはめると、水晶の常光線と異常光線
の屈折率差は０．０１４７であるから、厚さｄ_０＝
（０．７７５±０．００５）／０．０１４７＝５２．７
μｍ±０．３４μｍの加工精度に仕上げる必要がある。
１／２波長板は研磨加工で仕上げられているが、水晶を
このように薄くしかも僅かな許容誤差範囲内に歩留り良
く仕上げるのは困難である。

【０００７】本発明はこのような問題点を解消するため
なされたもので、挿入損失が少なく、光アイソレータと
しての本来の機能である消光性能が優れ、量産性があり
小型で安価な偏波無依存型光アイソレータを提供するこ
とを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めになされた本発明の偏波無依存型光アイソレータは、
実施例に対応する図１に示すとおり、ファラデー回転子
３の一面の一部分に第一の１／２波長板１が重ね合わさ
れ、ファラデー回転子３の別な面であって第一の１／２
波長板１が重ね合わされていない部分に第二の１／２波
長板２が重ね合わされた偏波無依存型光アイソレータで
あり、ファラデー回転子３の回転角がπ／４であり、第
一の１／２波長板１および第二の１／２波長板２がとも
にリチウムタンタレートからなる複屈折結晶であり、第
一の１／２波長板１の遅相軸θ_１（図３参照）と第二の
１／２波長板２の遅相軸θ_２とのなす角θ_１＋θ_２がπ
／４であることを特徴とする。

【０００９】この偏波無依存型光アイソレータに１／２
波長板として使用されるリチウムタンタレートは、常光
線と異常光線の屈折率差△＝０．００３７である。これ
を通信に汎用の波長λ＝１．５５μｍで１／２波長板が
十分な干渉性を持つリターデーション精度（０．７７５
±０．００５μｍ）について適用すると、厚さｄ＝
（０．７７５±０．００５）／０．００３７＝２０９μ
ｍ±１．３μｍに仕上げることになる。この厚さおよび
許容誤差は、前記した水晶の場合の厚さおよび許容誤差
（ｄ_０＝５２．７μｍ±０．３４μｍ）の約４倍程度あ
る。この程度の加工精度は現今の加工技術からしてさほ
ど困難ではない。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を詳細に説
明する。本発明を適用する偏波無依存型光アイソレータ
の好ましい実施例の構成が図１に示してある。

【００１１】図１に示す偏波無依存型光アイソレータ
は、正方形のファラデー回転子３のＡ側下半分には長方
形の１／２波長板２が貼り付けられ、同じくＢ側上半分
には長方形の１／２波長板１が貼り付けられている。こ
のように一体となっている１／２波長板２、ファラデー
回転子３、１／２波長板１は円筒磁石４の内部に配置さ
れる。

【００１２】１／２波長板１および２はリチウムタンタ
レートの複屈折結晶からなる。１／２波長板１の遅相軸
（結晶軸）は長辺に対して時計回り方向に角度θ_１＝１
／８π（２２．５°）傾き、１／２波長板２の遅相軸は
長辺に対して反時計回り方向に角度θ_２＝１／８π（２
２．５°）傾き、したがって１／２波長板１の遅相軸と
１／２波長板２の遅相軸とのなす角θ_１＋θ_２はπ／４
（４５°）である。ファラデー回転子３は、テルビウム
−ビスマス系のガーネットまたはビスマス置換型鉄ガー
ネットからなり、円筒磁石４の磁界により、透過光の偏
光面を時計回り方向にπ／４（＝４５°）回転させる長
さになっている。

【００１３】この偏波無依存型光アイソレータは、図２
に示すとおり、シングルモード光ファイバー７を焦点に
合わせたコリメータレンズ５とシングルモード光ファイ
バー８を焦点に合わせたコリメータレンズ６の中間に配
置されて使用される。図示のＡ→Ｂが順方向、Ｂ→Ａは
逆方向である。順方向の光透過では、光ファイバー７が
レーザー（不図示）に繋がれ、光ファイバー８が光検出
器（不図示）に繋がれる。逆方向の光透過では、光ファ
イバー８がレーザーに繋がれ、光ファイバー７が光検出
器に繋がれる。

【００１４】このように配置された本発明の偏波無依存
型光アイソレータの動作を図３を用いて説明する。図３
は上側の図Ａ→Ｂが順方向の光透過、下側の図Ｂ→Ａが
逆方向の光透過を説明している。尚、図３のＡ→Ｂおよ
びＢ→Ａにおいて、矢印で示されているファラデー回転
子３の回転方向（４５°）、１／２波長板１の遅相軸方
向θ_１（２２．５°）、１／２波長板２の遅相軸方向θ
_２（−２２．５°）は、ともにＡからＢ方向を視た向き
で描いてある。また、符号６０〜７０および８０〜９０
の円に囲まれた実線の矢印と点線の矢印は偏波面の方向
であり、順方向の光透過、逆方向の光透過に拘わらず、
ＡからＢ方向を視た向きで示している。

【００１５】順方向（Ａ→Ｂ）では、光ファイバー５か
ら出たコヒーレント光（偏波面方向６０）がコリメータ
レンズ５で平行光に拡げられ、光アイソレータに全面に
入射する。光アイソレータの上半分に入射する光（偏波
面方向６１）は先ずファラデー回転子３を透過して偏波
面が４５°回転し偏波面方向６３になる。その光が１／
２波長板１を透過するとき、偏波面は遅相軸方向θ_１に
関して面対称の方向になり、実線の偏波面は−４５°、
点線の偏波面は１３５°回転し、偏波面方向６５とな
る。光アイソレータの下半分に入射する光（偏波面方向
６２）は先ず１／２波長板２を透過し、そのとき偏波面
は遅相軸方向θ_２に関して面対称の方向になり、実線の
偏波面は−４５°、点線の偏波面は１３５°回転する
（偏波面方向６４）。さらにファラデー回転子３を透過
して偏波面が４５°回転し、偏波面方向６６になる。し
たがって光アイソレータの上半分を順方向透過した平行
光の偏波面方向６５と下半分を順方向透過した平行光の
偏波面方向６６は同一の偏波面となっており、コリメー
タレンズ６で光ファイバー８の端面に集光され（偏波面
方向７０）、干渉により強めあう。その結果、光ファイ
バー７から出たコヒーレント光（偏波面方向６０）は光
アイソレータの存在により殆ど弱められることなく、偏
波面方向は変わるがコヒーレント光（偏波面方向６０）
のまま光ファイバー８に入射してゆく。

【００１６】逆方向（Ｂ→Ａ）の透過では、光ファイバ
ー８からの光（偏波面方向８０）がコリメータレンズ６
で平行光に拡げられ、光アイソレータに全面に入射す
る。光アイソレータの上半分に入射する光（偏波面方向
８１）は１／２波長板１を透過し、そのとき偏波面は遅
相軸方向θ_１に関して面対称の方向になり、実線の偏波
面は４５°、点線の偏波面は−１３５°回転する（偏波
面方向８３）。さらにファラデー回転子３を透過して偏
波面が４５°回転し、偏波面方向８５になる。光アイソ
レータの下半分に入射する光（偏波面方向８２）は先ず
ファラデー回転子３を透過して偏波面が４５°回転し、
偏波面方向８４となる。その光が１／２波長板２を透過
するとき、偏波面は遅相軸方向θ_２に関して面対称の方
向になり、実線の偏波面は−１３５°、点線の偏波面は
４５°回転し、偏波面方向８６となる。光アイソレータ
の上半分を逆方向に透過した平行光の偏波面方向８５と
同じく下半分を逆方向透過した平行光の偏波面方向８６
とを比較すると、実線の偏波面および点線の偏波面とも
逆向きになっている。そのため、この平行光をコリメー
タレンズ５で集光した光は、逆向き成分を持つ偏波面方
向９０となっており、干渉により弱められる。したがっ
て光ファイバー８からの光は、この光アイソレータによ
り遮断され光ファイバー７に入射することがない。

【００１７】本発明の偏波無依存型光アイソレータを以
下のとおり試作し、性能を測定した。リチウムタンタレ
ート単結晶ウェハを１０ｍｍ角に切り出し、２０９μｍ
の厚さにし、表面を鏡面に仕上げ１／２波長板を得た。
一方の表面には対接着剤の無反射コート、他方の表面に
は対空気の無反射コートを施した。その後さらに１×２
ｍｍ角に切断した。ファラデー回転子として、テルビウ
ム−ビスマス系のガーネットを液相エピタキシャル法に
よって成長させた単結晶膜を２ｍｍ角に切断して表面を
鏡面に仕上げた。その両表面に各々対接着剤と対空気の
無反射コートを行った。このファラデー回転子の片面一
方に寄せて１／２波長板を貼り合わせ、ファラデー回転
子のもう一方の面であって前記の１／２波長板が貼り合
わされていない方に寄せてもう１枚の１／２波長板を貼
り合わせた。これをＳｍＣｏの円筒磁石内に配置した。
このようにして光アイソレータを１０台試作した。この
光アイソレータに波長λ＝１．５５μｍのレーザー光を
３００μｍφの平行ビームにして入射させ光学特性を測
定した。その結果、順方向の挿入損失は１０台平均で
０．２５ｄＢ、消光比は同じく４２ｄＢであった。

【００１８】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように本発明を適
用する偏波無依存型光アイソレータは、従来の偏波無依
存型光アイソレータようにくさび形複屈折結晶板を使用
せず、平行平板である１／２波長板を使用しているので
極めて小型で量産性があるため安価に製造できる。また
１／２波長板としてリチウムタンタレート結晶を採用し
たことにより、１／２波長板の厚さを厚くすることがで
き、干渉作用を得るための許容誤差が大きくなり、加工
精度をさほど上げなくても、性能の良い偏波無依存型光
アイソレータを製造することが可能になった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用する偏波無依存型光アイソレータ
の実施例を示す斜視図である。

【図２】本発明を適用する偏波無依存型光アイソレータ
の使用状態を示す側面図である。

【図３】本発明を適用する偏波無依存型光アイソレータ
の動作原理を説明する図である。

【符号の説明】

１・２は１／２波長板、３はファラデー回転子、４は磁
石、５・６はコリメータレンズ、７・８はシングルモー
ド光ファイバー、６０〜７０および８０〜９０は偏波面
方向である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ファラデー回転子の一面の一部分に第
   一の１／２波長板が重ね合わされ、該ファラデー回転子
   の別な面であって第一の１／２波長板が重ね合わされて
   いない部分に第二の１／２波長板が重ね合わされた偏波
   無依存型光アイソレータにおいて、該ファラデー回転子
   の回転角がπ／４であり、第一の１／２波長板および第
   二の１／２波長板がともにリチウムタンタレートからな
   る複屈折結晶であり、第一の１／２波長板の遅相軸と第
   二の１／２波長板の遅相軸とのなす角がπ／４であるこ
   とを特徴とする偏波無依存型光アイソレータ。