JPH04116616A - 光アイソレータ装置 - 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】 「産業上の利用分野」 本発明は、光通信などに用いられる偏波依存性のない光
フアイバ形光アイソレータ装置に関するものである、 「従来の技術」 第３図は従来の偏波依存性のなし１光ファイバ形先アイ
゛ル−タの構成例てめる。１°　ｌ、「２は先ファイバ
　Ｌｌ、Ｌ２はコリメートまたは集束用のレンズ、Ｒ１
は７１０等結晶に飽和磁界を加えたファラデー回転素子
、Ｂ１．Ｂ２　　Ｂ３はｌ軸性の複屈折結晶の平行平板
で構成される偏波分離素子である。

この光アイソレータの動作を第４図（イ）、（ロ）を用
いて説明する。

まず、光を通過させる順方向について（イ）により説明
する。光ファイバｆｌからの光はレンズＬｌによりコリ
メートビームに変換され、偏波分離素子Ｂ１により、そ
れぞれ偏波方向か直交する偏波成分Ｘ、（常光であり直
進する成分）、Ｙ、（異常光であり平行移動する成分）
からなる２つの平行なコリメートビームに分離される。

この例では偏波分離素子Ｂ！の光学軸が図中の紙面内に
あるとした。この時、紙面に平行な成分（Ｙｌ）のみが
異常光となりその光軸か紙面内で平行に移動される。な
お、その分離幅ｄはＢ１の長さしと複屈折りとの積に比
例する　（っまり、ｄ　＝ｋ　ＢＬとなる）。次に、偏
波成分×１と偏波成分Ｙ１はファラデー素子Ｒ１を通過
口、それぞれ偏波方向か４５゛回転（図では時計回り）
した後１合波側の［株］波分離素子Ｂ　２　、Ｂ　３に
入射する゛。偏波分離素子Ｂ２、Ｂ３の組合仕としては
いくつかの例か提案されているが、ここではその１例を
示す。

偏波分離素子Ｂ２．Ｂ３の厚さは偏波分離素子Ｂ１の１
／、ｆｆとする。まず、偏波分離素子Ｂ２については光
学軸を含む面を４５゛偏波の回転した成分Ｙ１の偏波方
向に合わせる。即ち、偏波分離素子Ｂ２の光学軸は偏波
分離素子Ｂｌのそれに対して光の進む光軸の回りに時計
方向に４５°回転させている。これにより、Ｙｌは、偏
波分離素子Ｂ２に対しても異常光となり、この偏波分離
素子Ｂ２を通過後は図のように直角２等辺三角形の短辺
（長辺を偏波分離素子Ｂｌによる移動方向とする）に沿
って先の分離幅ｄのＩ／ＶＴだけ移動して直角の頂点の
位置に達する。一方、偏波分離素子Ｂ３については光学
軸の面を偏波分離素子Ｂ２に対して±９０°回転さけて
偏波分離素子Ｂ２で直進した成分Ｘ、の偏波方向に合わ
Ｕろ、今１１１ｆｆは×１か異常光となるので、偏波分
離素子Ｂ３通向後は図のようにＸｌのみか移動して成分
Ｙ、の位置と合致する。即ち、偏波分離素子Ｂ　２　、
Ｂ　３の組合せにより２つの偏波成分Ｘ　、、Ｙ　、は
位置、方向とし完全に一致して一つのコリメートビーム
となる。このヒームは集光用のレンズＬ２により光ファ
イバｒ２に結合される。以上の動作原理により順方向は
全く偏波依存性がなく、原理的な通過損失もないことか
分かる。

次に、逆方向の特性について（ロ）により説明する。光
ファイバｒ２を通して戻る光はレンズＬ２によりコリメ
ートされて偏波分離素子Ｂ　３　、Ｂ　２を通過する。

通過した光は上記説明から理解できるように、順方向成
分Ｘ、、Ｙ、と全く同じ偏波方向および光軸の位置を有
する偏波成分Ｘｘ、Ｙｔに分離される。次に、Ｘ　ｔ　
、　Ｙ　ｔがファラデー素子Ｒ１を通過すると、回転方
向は光の入射方向に依存しないというファラデー回転の
特性より、偏波方向は更に時計方向に４５°回転してそ
れぞれＸＹｌの偏波方向と直交する。即ち、逆方向成分
か偏波分離素子Ｂｌに入射する時点ては、順方向で常光
成分の×１の位置（直進の位置）に異常光が入射し、異
常光成分のＹ、の位置（移動した所）には常光か入射す
ることになる。従ってＸ　、　、　Ｙ　。

が偏波分離素子Ｂ１を通過すると、図に示すように、順
方向の光軸からそれぞれ上下にｄだけシフトした位置に
戻ることになる。光軸からの軸ずれのあるコリメートビ
ームはレンズし１で光ファイバｆｌのコアに対応する一
点に集束されるが、レンズの焦点距離をｆ、軸ずれ量を
ｄとすると、θ＝ｌｄの角度ずれが生じ、θが十分大き
ければ光ファイバとの結合で大きな損失となる。即ち、
順方向は損失が低く、逆方向は損失が大きな偏波依存性
のない光フアイバ形光アイソレータを構成できる。

この他の構成例として、同一厚さの偏波分離素子Ｂｌ、
Ｂ３と、偏波分離素子Ｂ２として偏波方向を±４５°回
転できるｌ／２波長板もしくは旋光子を用いて乙よい。

この場合、偏波分離素子Ｂ１．Ｂ３の光学軸と光軸とを
含む而（ヨ一致または１８０°回転さＵて配置されでい
ろことか上記例とは異なる。

「発明か解決しようとする課題− ここで、Ｆ記の光アイソレータの構成で十分なアイソレ
ーションを得るための条件とその問題点について説明す
る。戻り光のアイソレーションはファラデー回転素子Ｒ
１の性能を除外すると、偏波分離素子Ｂｌの長さして定
まる軸ずれ量ｄとコリメートされ１こビームの半径Ｗｅ
との比に依存する。戻り光のファイバへの結合を６０ｄ
Ｂ以下に抑えるには、ｄ／Ｗｃの値は理論的には約４以
上が必要になる。通常、回折による広がりの小さなコリ
メートビームのビーム半径Ｗｃは２５０μｍ以上が必要
であるので、分離幅としてｄ≧１ｍｍか必要条件になる
。ところで、複屈折りが大きくｄが大きく取れるルチル
や方解石結晶を用いてもｄ　千０．１Ｌ　　（Ｌ＝結晶
の長さ）である。これにより、従来の第３図の構成では
偏波分離素子としテｌ　Ｃｌ長以上の高価なルチルまた
は方解石結晶か複数個必要になることか分かる。

以上のことから、従来の先アイソレータでは高価でかつ
大きな複屈折結晶か不可欠なため、光アイソレータか極
めて高価になるとともに、偏波分離素子Ｂ１．Ｂ２．Ｂ
３を合わせると２．４ｃｍ以上の長さか必要なため小型
化も困難であるという欠点があった。

本発明は、薄い偏波分離素子の適用が可能であって、低
価格化と同時に小型化が可能な偏波依存性のない光アイ
ソレータを提供することを目的としている。

「課題を解決するための手段」 上記目的を達成するため、請求項１の発明は、入射用光
ファイバと、直交する偏波を平行にずらす平板状の第１
の偏波分離素子と、コリメート用の第１のレンズと、偏
波方向を４５°回転させるファラデー回転素子と、集束
用の第２のレンズと、平行にずれた２つの偏波を合わせ
る平板状の第２の偏波分離素子と、受光用光ファイバと
をこの順序に配列してなり、Ｆ記入射用先ファイバから
上記第１の偏波分離素子を通過さ０て出射し７−光を上
記第１のレンズにより概ねコリメートビーム、に変換し
、さらに上記ファラデー回転素子を通過した上記コリメ
ートビームを上記第２のレンズにより集束ビームに変換
して第２の偏波分離素子介して受光用ファイバに結合さ
せるようにした乙のである。

また、請求項２の発明は、上記第２の偏波分離素子とし
て、偏波による光軸のずれ量が第１の偏波分離素子のず
れ量のＩ／ｆｆとなる２つの分離素子を各々のずれ方向
が直交するように組み合わせて構成したり、または、偏
波方向を４５°口転させる波長板もしくは旋光子と、偏
波による光軸のずれ量が第１の偏波分離素子と等しい分
離素子とを組み合わせて構成したものである。

また、請求項３の発明は、請求項１または２に記載の先
アイソレータにおいて、入射用光ファイバをほぼ第！の
レンズの物空間焦点面の位置に配置し、第１のレンズと
第２のレンズの主面間の間隔をほぼ両との焦点距離の和
の位置に配置し、かっ出ｑ＝を用光ファイバをほぼ第２
のレンズの像空間用点面の位置に配置するようにしたＣ
）のである。

「作用　Ｊ 本発明の先アイソレータては、先ファイバとレンズの間
に第１の偏波分離素子を挿入した構成とした乙のである
。そして、光ファイバを出射したビームは、まず第１の
偏波分離素子によって常光成分と異常光成分とが平行に
ずれた二つのビームに分離され、第１のレンズでコリメ
ートされて偏波間の位置ずれが角度ずれに変換された後
、ファラデー回転素子Ｒ１により各成分の偏波方向がそ
れぞれ４５°回転し、更に、コリメートビームは第２の
レンズにより受光用光ファイバに集束するビームに変換
されるが、その時、両偏波間の角度ずれは再び位置ずれ
に変換され、それら集束ビームは第２の偏波分離素子に
より位置ずれを受けて、角度、位置ずれの無い一つのビ
ームになり、従って、両偏波とも受光用光ファイバに結
合される。

また、第２の偏波分離素子として、偏波による光軸のず
れ噴が第１の偏波分離素子のずれ量の１／ｎとなる２つ
の分離素子を各々のずれ方向か直交するように組み合わ
口゛で構成したり、まｊ：は、偏波方向を４５°回転さ
ｄ・る波長板（、シ＜は旋光子と、偏波による光軸のす
れ看か第１の偏波分離素子と等しい分離素子とを組み合
わせることにより、２つの偏波成分は位置、方向とも完
全に一致して一つのコリメートビームとなり、そのビー
ムが第２のレンズにより受光用光ファイバに結合される
。

さらに、入射用光ファイバをほぼ第１のレンズの物空間
焦点面の位置に配置し、第１のレンズと第２のレンズの
主面間の間隔をほぼ両者の焦点距離の和の位置に配置し
、かつ出射用光ファイバをほぼ第２のレンズの像空間焦
点面の位置に配置することにより、二つの偏波がそれら
二つのレンズで位置−角度変換、角度−位置変換を受け
るときに発生する光ファイバの位置での角度ずれが解消
する。

［実施例、１ 以下に本発明の詳細な説明する。第１図は本発明の一実
施例を示す構成図、第２図はその動作を説明するための
図である。

第１図に示されるように、本実施例の光アイソレータは
、入射用光ファイバ「Ｉと、直交する偏波を平行にずら
す平板状の第１の偏波針Ｍ稟千Ｂｌと、コリメート用の
第１のレンズＬ！と、偏波方向を４５°回転させるファ
ラデー回転素子Ｒ１と、集束用の第２のレンズＬ２と、
平行にずれた２つの偏波を合わせる平板状の第２の偏波
分離素子と、受光用光ファイバｒ２とがその順序に配列
された構成とされている。なお、上記第２の偏波分離素
子としては、偏波による光軸のずれ量が第１の偏波分離
素子Ｂｌのずれ量のｌ／ＪＴとなる２つの分離素子Ｂ　
２　、Ｂ　３が各々のずれ方向が直交するように組み合
わせられた構成とされているが、偏波方向を４５°回転
させる波長板もしくは旋光子と、偏波による光軸のずれ
量が第１の偏波分離素子Ｂｌと等しい分離素子とを組み
合わせるように構成しても良い。

上記構成の先アイソレータの動作を第２図（イ）（ロ）
により説明する。

まず、順方向の動作について（イ）により説明する。先
ファイバ「ｌを出射したビームは、第３図で説明した従
来の方法と同様の動作原理により、偏波分離素子Ｂｌて
常光成分Ｘ１、異常光成分Ｙ１が平行にｄだけずれたビ
ームに分離される。（すし、その分離幅は小さく、かつ
、光ファイバからの出射光は回折により大きく広がるの
で（その状態は図示せず）、偏波分離素子Ｂ１を通過し
てもＸおよびＹ、の成分は空間的に分離されたビームと
はならない。従って、レンズＬｌでコリメートされた光
のビームはほぼ１つのビームに見える。但し、直交する
偏波間の位置ずれｄは、コリメート後は位置ずれｄとレ
ンズの焦点距Ｍｆの比で決まる角度ずれθに変換される
。次に、ファラデー回転素子Ｒ１により、Ｘ３、Ｙ、成
分はそれぞれ偏波方向が４５°回転する。更に、レンズ
Ｌ２により、コリメートビームは先ファイバへ集束する
ビームに変換される　（図示せず）。この時、両偏波間
の角度ずれθはｍび位置ずれｄに変換される。これら集
束ビームは偏波分離素子Ｂ２．Ｂ３により従来の場合と
同様の位置ずれを受け、角度、位置ずれの無い一つのビ
ームになる。従って、両偏波とも光ファイバ「２に結合
される。ここで、レンズＬ１とレンズＬ２の焦点距Ｍ　
ｒ　１．　ｒ　！を等しく１．でおくと、同一のモード
フィールド径を有する入射側と出射側光ファイバの低損
失結合が実現できる。

以上の動作説明では、二つの偏波がレンズＬｌ、レンズ
Ｌ２で位置−角度変換、角度−位置変換を受ける時に発
生する光ファイバの位置での角度ずれの発生を無視した
。しかし、これはレンズＬｌとレンズＬ２の間隔を二つ
の焦点距離の和に等しくする共焦点系を採用すると完全
に零にできる。

第２図はその特例である。

ここで、上記共焦点系からのずれの影響について考察す
る。間隔りの共焦点系からずれをΔ、レンズＬ１．Ｌ２
の焦点距離をｆとすると、二つの偏波間の光ファイバに
入射される点における角度ずれΔθは次式で与えられる
。

ΔＯγ　（ｄ／ｌ’）（Δ／「）　　　　　　　　　・
　　（］）已し、〔１は偏波分離素子Ｂ］て生りる１ケ
置すれ槓である。これにより、角度すれΔθはΔに比例
して大きくなるか、ｄを小さくする二とて結合損失の増
加を低減することかできる。例えば、△θに対中ろ結合
効率η　（Δθ）は次式で与えられる。

η（Δθ）　＝　ｅｘｐニー　　（π・ω・Δθ／λ）
″）＝　ｅＸｐｐ−（π＋　（ＩＪ　・ｄ　・Δ／ｒ２
λ）２）・・・・・（２） ここで、ωは先ファイバのモードフィールド半径（−５
μｍ）である。そして、レンズの焦点距離をｆ＝２＋ｎ
ｎ＋、分離幅をｄ＝５０μｍ、波長λ−１，５５ｕｍと
すると、結合効率ηはΔの関数となり、以下の式で表さ
れる。

η　（Δ）　＝ｅｘｐ（（Ｑ、１２７ＸΔ　（Ｉ！ｍ）
　）　’）・・・・・　（３） この場合、Δ＝２ｍｍまたは１ｍｍとしても、それぞれ
０．２７９ｄＢ、０．０７ｄＢの損失と小さくなり、共
惧点系からのずれに対して角度誤差による損失を十分低
減できる。

即し、従来は光ファイバからの出射ビームをし７ズてコ
リメートする前に偏波分離素子で位置ずれを加えろと、
コリメートされた２つのビームが互いに平行にならない
ため、両偏波の結合効率に差か生しると信しられていた
が、共焦点系を採用することてこの差異はなくせるもの
である。また、分離幅ｄを小さくすることで、共焦点か
らのずれを比較的大きくできることか分かる。

次に、逆方向の動作特性について（ロ）により説明する
。この場合も偏波分離素子の動作は第４図に示した従来
系と同じである。しかし、偏波分離素子がレンズと先フ
ァイバの間に挿入されているため、逆方向の二つの偏波
が光ファイバに集束される様子が異なる。即ち、逆方向
のＸｔ、Ｙｖ偏波は、位置ずれｄを受けた後レンズＬ２
でコリメートされると、角度ずれθに変換され、レンズ
Ｌ！で集束されると再び位置ずれｄに戻されて偏波分離
素子Ｂｌに入射する。この時、常光、異常光の関係が入
れ替わっているので、光ファイバに集束される位置では
、Ｘ　ｔ　、　Ｙ　ｔは順方向の光軸からそイ１ぞれ上
下にｄだけソフトする。また、多１Ｇ焦点系に近ければ
、：’Ｃｔ、Ｙｚとら角度すイコ（よ発生しない。

これに対して、従来の場合には、光ファイバに入射する
点ては位置すれはなく、角変ずれのみを初用してアイソ
レーションを得でいる。

次に、必要な位置ずれｌｄについて言及する。

光ファイバのモードフィールド早産をωとすると、位置
ずれＩｄに対する結合効率ηは次式で与えられろ。

ｙ７　　（ｄ　）　＝　　ｅｘｐ（−（ｄ　／ω）”３
　　−　　（４）これより、位置ずれ量ｄとモードフィ
ールド半径ωの比をｄ／ω≧４とすると、理論的には６
９ｄＢ以上のアイソレーションか得られる。また、安全
係数を見込んでこの比を５以上と仮定しても、ωか５μ
ｍと小さいため、偏波分離素子の分離幅ｄは２５μｍと
極めて小さな値でも十分になる。

これにより、分離素子の厚さは２５０μｌ程麿と極めて
薄くすることが可能になる。これに対して、従来におい
てはωの大きなコリメートビームの中にプリズムを挿入
していたため、本質的に分離幅の大きな結品が必要であ
ったのである。

「発明の効果」 以上で詳細に説明したように、本発明によれば、偏波分
離素子を先ファイバとレンズの間に挿入する構成とした
ので、高価な偏波分離素子の長さを著しく小さくでき、
したがって、従来のものに比して十分にコンパクトであ
るとともに著しく安価な偏波無依存形の光ファイバ形光
アイソレータを実現できる、という優れた効果を奏する
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の構成図、第２図（イ）。 （ロ）はその動作を説明するための図、第３図は従来の
光アイソレータの構成図、第４図（イ）、（ロ）はその
動作を説明するための図である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）入射用光ファイバと、直交する偏波を平行にずら
   す平板状の第１の偏波分離素子と、コリメート用の第１
   のレンズと、偏波方向を４５°回転させるファラデー回
   転素子と、集束用の第２のレンズと、平行にずれた２つ
   の偏波を合わせる平板状の第２の偏波分離素子と、受光
   用光ファイバとをこの順序に配列してなり、上記入射用
   光ファイバから上記第１の偏波分離素子を通過して出射
   した光を上記第１のレンズにより概ねコリメートビーム
   に変換し、上記ファラデー回転素子を通過した上記コリ
   メートビームを上記第２のレンズにより集束ビームに変
   換し、第２の偏波分離素子を通過させて受光用ファイバ
   に結合させることを特徴とする光アイソレータ装置。
2. （２）上記第２の偏波分離素子として、偏波による光軸
   のずれ量が第１の偏波分離素子のずれ量の１／√２とな
   る２つの分離素子を各々のずれ方向が直交するように組
   み合わせること、または、偏波方向を４５°回転させる
   波長板もしくは旋光子と、偏波による光軸のずれ量が第
   １の偏波分離素子と等しい分離素子とを組み合わせるこ
   とを特徴とする請求項１に記載の光アイソレータ装置。
3. （３）入射用光ファイバをほぼ第１のレンズの物空間焦
   点面の位置に配置し、第１のレンズと第２のレンズの主
   面間の間隔をほぼ両者の焦点距離の和の位置に配置し、
   かつ出射用光ファイバをほぼ第２のレンズの像空間焦点
   面の位置に配置することを特徴とする請求項１または２
   に記載の光アイソレータ装置。