JP2000284225A - 光アイソレータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 研磨が不要な偏光子を用い、従来の光アイソ
レータと同程度の挿入損失および逆方向損失を有し、さ
らに偏波分散が零であるにもかかわらず、従来より低価
格の光アイソレータを提供すること。 【解決手段】 第１の反射型偏光子１は、順方向の入射
光を偏光成分に応じて、透過または反射させることによ
り分離し、反射光を第１の反射ミラー３により、順方向
の入射光の進行方向と平行な方向に変換し、４５゜ファ
ラデー回転子５に入射させた後、第２の偏光子２に入射
させるとともに、第１の偏光子１を透過した偏光成分に
対しては、４５゜ファラデー回転子５を透過させた後、
第２の反射ミラー４によって反射させて、第２の偏光子
２に導き、この光を反射させるとき、第１の偏光子１に
よって反射された後、第２の偏光子２に導かれ透過した
光と合波させ、これら２つの経路の光路長が等しくなる
ように構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光通信機器、光情
報処理機器等に用いられ、光を一方向にのみ透過させ、
逆方向には遮断する素子である光アイソレータに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、実用的に、よく使用されている偏
光無依存型光アイソレータには、平行平板の複屈折結晶
と４５°ファラデー回転子の組合せによるもの、楔型の
複屈折単結晶と４５°ファラデー回転子を組み合わせた
ものなどがある。例えば、４枚の平行平板複屈折結晶と
４５°ファラデー回転子を組み合わせた構成が特開平３
−１８５４１９号公報（以下、従来技術１と呼ぶ）に開
示されている。

【０００３】図３は従来技術１による光アイソレータの
概略構成を示す図である。図３を参照すると、第１の平
行平板複屈折結晶５１と、第５の平行平板複屈折結晶５
５の厚さは等しく、第２の平行平板複屈折結晶５２と第
３の平行平板複屈折結晶５４の厚さは等しく、第１の平
行平板複屈折結晶５１と第２の平行平板複屈折結晶５２
における異常光と常光の分離距離の比が１：ｔａｎ（２
２．５゜）である。

【０００４】これら２組の平行平板複屈折結晶と１枚の
４５°ファラデー回転子によって、偏光無依伴型先アイ
ソレータが構成されている。この光アイソレータは直交
する２偏光に対して、等しい光路長を有し、原理的に偏
波分散が零である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の偏光子は、材料が高価であったり、切断、研磨などの
加工工程に高精度を要し、製造コストの低減が困難であ
った。その結果、偏光無依存型の光アイソレータは高価
であった。

【０００６】そこで、本発明の技術的課題は、研磨が不
要な偏光子を用い、従来の光アイソレータと同程度の挿
入損失および逆方向損失を有し、さらに偏波分散が零で
あるにもかかわらず、従来より低価格の光アイソレータ
を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、直交す
る２偏光の一方を反射させ、他方を透過させる、第１お
よび第２の反射型偏光子、４５゜ファラデー回転子、第
１および第２の反射ミラーからなる偏光無依存型光アイ
ソレータであって、前記第１の反射型偏光子は、順方向
の入射光を偏光成分に応じて、透過または反射させるこ
とにより分離し、前記第１の反射型偏光子によって分離
された反射光を前記第１の反射ミラーにより、順方向の
入射光の進行方向と平行な方向に変換し、前記４５゜フ
ァラデー回転子に入射させた後、前記第２の偏光子に入
射させるとともに、前記第１の偏光子を透過した偏光成
分に対しては、前記４５゜ファラデー回転子を透過させ
た後、前記第２の反射ミラーによって反射させて、前記
第２の偏光子に導き、前記第２の偏光子によって、この
光を反射させるとき、この光と、前記第１の偏光子によ
って反射された後に前記第２の偏光子に導かれ透過した
光とを合波させ、これら２つの経路の光路長が等しくな
るように構成したことを特徴とする光アイソレータが得
られる。

【０００８】また、本発明によれば、前記光アイソレー
タにおいて、前記第１及び第２の反射型の偏光子と前記
第１及び第２反射ミラーは、同一の平行平面基板の両面
にそれぞれ作製されていることを特徴とする光アイソレ
ータが得られる。

【０００９】また、本発明によれば、前記いずれかの光
アイソレータにおいて、前記第１及び第２の反射型の偏
光子がフォトニック結晶からなることを特徴とする光ア
イソレータが得られる。

【００１０】また、本発明によれば、前記いずれかの光
アイソレータにおいて、前記第１及び第２の反射ミラー
のうち、順方向の光路において、前記４５゜ファラデー
回転子よりも、手前に位置する反射ミラーを第３の反射
型偏光子で置き換えたことを特徴とする光アイソレータ
が得られる。

【００１１】また、本発明によれば、前記光アイソレー
タにおいて、前記第１及び第３の反射型偏光子を平行平
面基板の両面に作製したことを特徴とする光アイソレー
タが得られる。

【００１２】さらに、本発明によれば、前記いずれかの
光アイソレータにおいて、前記第１、第２、及び第３の
反射型偏光子はフォトニック結晶からなることを特徴と
する光アイソレータが得られる。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を述べる前に
本発明の原理について説明する。

【００１４】まず、本発明の光アイソレータに使用した
反射型偏光子のうち、優れた光学特性を持つ、フォトニ
ック結晶から成る偏光子について説明する。

【００１５】近年、高屈折率媒質と低屈折率媒質から成
る人工的な周期構造体における、フォトンの状態密度が
研究されている。互いに直交する２つの直線偏光におい
て、それぞれが独立に周波数と波動べクトルの関係を持
っている。バンドギャップ、すなわち、フォトンの状態
密度が零となる周波数帯域も、それぞれの偏光に固有で
ある。ある周波数帯域において、一方の偏光に対する状
態密度が零であり、他方の偏光に対する状態密度が零に
ならない場合がある。この周波数帯域においては、偏光
子としての作用が可能である。すなわち、この周期構造
体は一方の偏光を反射し、他方の偏光を波動ベクトルを
保存しながら透過させる。

【００１６】特に、フォトニック結晶からなる偏光子の
なかでも、基板表面に形成された凹凸形状を保存しなが
ら堆積させた高屈折率媒質と低屈折率媒質の多層膜から
成るフォトニック結晶は光アイソレータ用の偏光子とし
て、優れた特質を備えている。

【００１７】なお、フォトニック結晶からなる偏光子の
構造、特性、作製方法の詳細は、特願平１０−２５７４
２６号（発明者：川上彰二郎、大寺康夫、川嶋貴之、出
願人：川上彰二郎、発明の名称「偏光子とその作製方
法」）を参照されたい。

【００１８】本発明の光アイソレータは、フォトニック
結晶などから成る反射型の偏光子を構成要素として含
み、その偏光子の特長を生かすための構造を具備してい
る。

【００１９】それでは、本発明の実施の形態について説
明する。ここで、用いた偏光子は、直交する２偏光の一
方を透過させ、他方を反射させるために、偏光分離素子
として用いることができる。

【００２０】さらに、非相反素子を透過した２偏光を合
波することもできる。その結果、偏光無依存型光アイソ
レータの動作を可能にする。

【００２１】それでは、本発明の実施の形態について説
明する。

【００２２】図１は、本発明の実施の形態によるアイソ
レータの構成を示す図である。図２（ａ）及び（ｂ）
は、図１の第１及び第２の反射型偏光子１、２における
透過偏光方向と反射偏光方向を示す図である。

【００２３】図１において、第１の反射型偏光子１と第
２の反射型偏光子２（以下、それぞれを単に第１及び第
２の偏光子と呼ぶ）は、フォトニック結晶からなり、偏
光分離素子として作用する。

【００２４】図１及び図２（ａ）及び（ｂ）を参照する
と、第１の偏光子１は入射光線に対して、角度θだけ傾
けてセットされている。

【００２５】また、第２の偏光子２，第１の全反射ミラ
ー３，及び第２の全反射ミラー４は、第１の偏光子１に
平行にセットされている。なお、以下の説明において、
第１及び第２の全反射ミラー３，４をそれぞれ単に第１
及び第２のミラーと呼ぶ。

【００２６】４５°ファラデー回転子５は、第１の偏光
子１を透過した光と、第１の偏光子１で反射され、第１
のミラー３で反射された光の両方を異なる領域で透過さ
せる。

【００２７】第２の偏光子２は、第１のミラー３て反射
された後、４５゜ファラデー回転子５により偏光面の回
転を受けた光を透過させるとともに、第１の偏光子１を
透過し、４５°ファラデー回転子５により偏光面の回転
を受け、ミラー４によって進行方向を変えられた光を反
射させ、同一の光路７に合波させる。

【００２８】次に、順方向の光の偏光方向の変化につい
て説明する。

【００２９】図２（ａ）に示すように、第１の偏光子１
の透過偏光１２の方向は、入射光線と第１の偏光子１の
光透過面の垂線によって定められる平面から左ネジの向
きに４５゜だけ回転している。

【００３０】一方、反射偏光１１の方向は、入射光線と
第１の偏光子１の光透過面の垂線によって定められる平
面から、右ネジの向きに４５゜だけ回転している。

【００３１】ところで、第１の偏光子１は入射光線に対
してθだけ傾けてセットされているため、入射光線の方
向から見た、第１の偏光子１の透過偏光１２の方向と反
射偏光１１の方向のなす角度φ＝１８０−２ｔａｎ
^-1（ｃｏｓθ）は、９０゜より大きい。しかし、その差
によってもたらされるロスは、θ＝１０゜のときに、
０．００１ｄＢ程度であり、無視することができる。

【００３２】さらに、第１の偏光子１で反射された光
は、さらに第１のミラー３により反射され、入射光の光
路６に平行に進む。次に、４５゜ファラデー回転子５に
より、偏光面の回転を受ける。ここで、図２（ｂ）に示
すように、第２の偏光子２の透過偏光１３の方向は、第
２の偏光子２の光透過面の垂線方向と入射光線方向によ
って、定められた平面に平行に設定されているので、そ
の光は透過する。

【００３３】一方、第１の偏光子１を透過した光は４５
゜ファラデー回転子５によって偏光面の回転を受けた
後、第２のミラー４により反射され、第２の偏光子２に
入射する。ここで、光の偏光方向が、図２（ｂ）に示す
ように、第２の偏光子２の反射偏光１４の方向に一致し
ているので、反射される。

【００３４】ところで、第１及び第２のミラー３，４と
いう２つのミラーと、第１及び第２の偏光子１，２とい
う２つ偏光子は、それぞれ互いに平行に設定されている
ので、第１の偏光子１によって分離された光は、第２の
偏光子２によって合波される。

【００３５】一方、これらの２つ光路長は等しいので、
原理的に偏波分散は零である。

【００３６】次に、逆方向の光の偏光方向の変化につい
て述べる。

【００３７】４５゜フアラデー回転子による偏光面の回
転方向が磁化の方向にのみ依存することと、図２（ａ）
及び（ｂ）に示す第１及び第２の偏光子１、２の透過偏
光１２，１３方向と反射偏光１１，１４方向の関係か
ら、第２の偏光子２で反射された光は、第１の偏光子１
で反射され、第２の偏光子２を透過した光は、第１の偏
光子１を透過する。その結果、いずれの光も順方向の入
射光の光路に結合することはない。すなわち、偏光無依
存型光アイソレータの動作が可能である。

【００３８】ところで、第１のミラー３を、第１の偏光
子１及び第２の偏光子２と同じ、フォトニック結晶から
なる反射型の偏光子で置き換え、その反射偏光方向を調
整することにより、アイソレーションを向上させること
ができる。その理由は、次のとおりである。

【００３９】温度と波長が中心値からずれたとき、ファ
ラデー回転子５の回転角度が４５°からずれる。そのと
き、逆方向から第２の偏光子２を透過した光に、第１の
偏光子１を透過しないで反射され、入射光の光路６に結
合する偏光成分が発生する。この偏光成分を、第１のミ
ラー３に変えて設置された反射型の偏光子は除去するこ
とができるからである。

【００４０】さらに、本発明の実施の形態においては、
フォトニック結晶から成る反射型の第１の偏光子１と第
１のミラー３を１枚の平行平面基板の両側に形成する
と、それらを平行に調節する機構が不要になる。

【００４１】また、フォトニック結晶から成る反射型の
第２の偏光子２と第２のミラー４に対しても同様であ
り、反射ミラー３がフォトニック結晶から成る反射型の
偏光子に置き換えられている場合は、平行平面基板の両
面にフォトニック結晶から成る反射型の偏光子を形成す
るとよい。

【００４２】なお、フォトニック結晶を用いた反射型の
偏光子は、挿入損失が、０．２ｄＢ以下、消光比が４５
ｄＢ以上の優れた偏光特性を持っている。また、上記実
施の形態で用いたフォトニック結晶による反射型の偏光
子を金属と誘電体の複合体などを用いた反射型の偏光子
で置き換えても、同様に動作する偏光無依存型光アイソ
レータが得られる。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したように、一般に、フォトニ
ック結晶などを用いた反射型の偏光子は、一般に薄膜型
で、大面積が可能であり、本発明においては、この偏光
子を偏光分離素子として使用することにより、構成要素
が少なく、低価格の偏光無依存型光アイソレータを実現
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態による光アイソレータの構
成を示す図である。

【図２】（ａ）及び（ｂ）は、図１の第１及び第２の偏
光子の透過偏光方向と反射偏光方向を夫々示す図であ
る。

【図３】従来技術による偏光無依存型光アイソレータの
構成を示す図である。

【符号の説明】

１ 第１の偏光子 ２ 第２の偏光子 ３ 第１のミラー ４ 第２のミラー ５ ４５゜ファラデー回転子 ６ 順方向の入射光の光路 ７ 順方向の出射光の光路 １０，５０ 光アイソレータ ５１ 第１の平行平板複屈折結晶 ５２ 第２の平行平板複屈折結晶 ５３ ４５°ファラテー回転子 ５４ 第３の平行平板複屈折結晶 ５５ 第４の平行平板複屈折結晶

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 本間 洋 宮城県仙台市太白区郡山六丁目７番１号 株式会社トーキン内 (72)発明者 土屋 治彦 宮城県仙台市太白区郡山六丁目７番１号 株式会社トーキン内 (72)発明者 佐藤 尚 宮城県仙台市青葉区荒巻神明町25−６ コ ーポラス神明202号 (72)発明者 川上 彰二郎 宮城県仙台市若林区土樋236番地 愛宕橋 マンションファラオＣ−09 Ｆターム(参考） 2H099 AA01 BA02 CA01

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直交する２偏光の一方を反射させ、他方
   を透過させる、第１および第２の反射型偏光子、４５゜
   ファラデー回転子、第１および第２の反射ミラーからな
   る偏光無依存型光アイソレータであって、 前記第１の反射型偏光子は、順方向の入射光を偏光成分
   に応じて、透過または反射させることにより分離し、 前記第１の反射型偏光子によって分離された反射光を前
   記第１の反射ミラーにより、順方向の入射光の進行方向
   と平行な方向に変換し、前記４５゜ファラデー回転子に
   入射させた後、前記第２の偏光子に入射させるととも
   に、 前記第１の偏光子を透過した偏光成分に対しては、前記
   ４５゜ファラデー回転子を透過させた後、前記第２の反
   射ミラーによって反射させて、前記第２の偏光子に導
   き、前記第２の偏光子によって、この光を反射させると
   き、この光と、前記第１の偏光子によって反射された後
   に前記第２の偏光子に導かれ透過した光とを合波させ、
   これら２つの経路の光路長が等しくなるように構成した
   ことを特徴とする光アイソレータ。
2. 【請求項２】 請求項１記載の光アイソレータにおい
   て、前記第１及び第２の反射型の偏光子と前記第１及び
   第２反射ミラーは、同一の平行平面基板の両面にそれぞ
   れ作製されていることを特徴とする光アイソレータ。
3. 【請求項３】 請求項１又は２記載の光アイソレータに
   おいて、前記第１及び第２の反射型の偏光子がフォトニ
   ック結晶からなることを特徴とする光アイソレータ。
4. 【請求項４】 請求項１又は２記載の光アイソレータに
   おいて、前記第１及び第２の反射ミラーのうち、順方向
   の光路において、前記４５゜ファラデー回転子よりも、
   手前に位置する反射ミラーを第３の反射型偏光子で置き
   換えたことを特徴とする光アイソレータ。
5. 【請求項５】 請求項４記載の光アイソレータにおい
   て、前記第１及び第３の反射型偏光子を平行平面基板の
   両面に作製したことを特徴とする光アイソレータ。
6. 【請求項６】 請求項４又は５記載の光アイソレータに
   おいて、前記第１、第２、及び第３の反射型偏光子はフ
   ォトニック結晶からなることを特徴とする光アイソレー
   タ。