JPH0534632A - 光アイソレータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 偏波分散が無く、しかも、損失が少なく、高
度、大容量の光ファイバ−通信に好適な光アイソレータ
を提供することを目的とする。 【構成】光入射側から光出射側に順次、第１の偏光結
晶、旋光性結晶、第２の偏光結晶、ファラデ−素子、第
１の検光結晶（複屈折素子）及び第２の検光結晶（複屈
折素子）を配列し、そして、前記第１及び第２の検光結
晶は、平行平板状の複屈折材料で構成されていることを
特徴とする光アイソレータである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光回路素子、特に、光
ファイバ−通信、光ファイバ−計測等に適する偏光無依
存型の光アイソレータに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来用いられてきた光アイソレ−タは、
その特性が入射光の偏光に依存しないようにするため
に、図１に示すような複屈折板を使用した図２に示すよ
うな構成であった。ところが、従来のこのような光アイ
ソレータでは、偏光分離手段として複屈折板を使用し、
入射光束を複屈折板により一度偏波分離し、所定の操作
を行なった後に、再度偏波合成する構成になっており、
複屈折板の常光線と異常光線の光路長の差が、０でな
く、有限な数値であるため、入射光束の偏光の変化とと
もに、アイソレータを光が通過する時間が一定でなく、
変化するという不具合があった。このことは、高度大容
量の光通信システムにおいては、システム補償し難いと
いうこともあり、特に、問題となっている。このことを
偏波分散と呼ぶ。

【０００３】図１に示す構成は、偏光分離手段での原理
を示し、入射光Ｃが入射されると、常光線と異常光線と
に分離されて、通過して、常光線Ａと異常光線Ｂに、分
離幅ｄで別かれる。尚、図示の結晶中に矢印で示したも
のは、結晶の光学軸、つまり、Ｃ軸を表わす。この結晶
の厚さはｔとする。通常、分離幅ｄは、約ｔ／１０であ
る。

【０００４】また、図２に示す従来の光アイソレータで
は、に示す無偏光性（即ち、ランダム偏光）の入射光
１は、複屈折結晶２に入射し、厚さｔ₁ の結晶２を通過
し、次に、に示す偏光性を光線となり、偏光性結晶３
を通過し、に示す偏光性を示す光線となり、次に、厚
さｔ₂ の複屈折結晶４を通過し、に示す偏光性を示す
光線となり、厚さｔ₃ の複屈折結晶５に入射し、再度、
合成されて、に示す偏光性を示す光線となる。各々の
厚さ、ｔ₁：ｔ₂：ｔ₃の比率は、√２：１：１である。
但し、√は平方根を示し、以下同様である。各々の光線
、、、、の偏光性は、順方向と逆方向で異な
り、図示のように、逆方向の光、即ち、外部で反射して
戻ってきた光は、偏光性が異なる。即ち、従来の光アイ
ソレータの構成においては、光路の順に沿い、順次、複
屈折結晶１つ、旋光性結晶、複屈折結晶２つが配列さ
れ、前記複屈折結晶には、平行平板状の複屈折性材料が
用いられている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の問題
点を解決するために為されたもので、特に、前記のよう
な従来の方式の欠点をなくし、偏波分散が無く、しか
も、損失が少なく、高度、大容量の光ファイバ−通信に
好適な光アイソレータを提供することを目的とする。ま
た、本発明は、平行平板の部品を使用しているため、制
作が容易で、コストを削減できる光アイソレータを提供
することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の技術的
な課題の解決のために成されたもので、光入射側から光
出射側に順次、第１の偏光結晶、旋光性結晶、第２の偏
光結晶、ファラデ−素子、第１の検光結晶及び第２の検
光結晶を配列し、そして、前記第１及び第２の検光結晶
は、平行平板状の複屈折材料で構成されていることを特
徴とする光アイソレータを提供する。また、その第１の
偏光結晶と第２の偏光結晶の厚さは同一であり、第１の
検光結晶と第２の検光結晶の厚さは、前記の偏光結晶の
厚さの√２（２の平方根）倍であるものが好適である。
更に、第１の偏光結晶の光学軸と第２の偏光結晶の光学
軸を対向させ、且つ、第１の検光結晶の光学軸と第２の
検光結晶の光学軸を対向させたものが好適である。

【０００７】図１は、一般的に、複屈折結晶に光線Ｃが
入射したとき、常光線Ａと異常光線Ｂに分離距離ｄ＝約
ｔ／１０で分離される様子を模式的に示す斜視図であ
る。そして、図２は、図２に示すように、第１ポ−ト１
から入射した光は、厚さｔ₁ の複屈折結晶２により、常
光線と異常光線に分離され、常光線は直進するが、異常
光線成分は、凡そｄだけ垂直方向に移動する。そして、
常光線は、非相反の旋光性結晶３に入射し、そして、旋
光性結晶（ファラデ−素子）３では（反時計方向に４５
度、偏波方向が回転され）、偏光方位が回転し、そし
て、約ｄだけ移動した異常光線の偏光性も４５°回転さ
れる。次に、両方とも光線は、複屈折結晶４に入射す
る。そして、複屈折結晶４を出射した２つの光線とも、
複屈折結晶５に入射し、再合成されて出射される。

【０００８】図３は、複屈折結晶２（方解石）に光線が
入射したときの屈折率の楕円体を示し、その複屈折結晶
２の端面２ａ及び２ｂで挾まれた部分が複屈折結晶とな
る。楕円体は、各々の方位での屈折率を表わし、ｎ
_e は、Ｚ軸方向の屈折率であり、ｎ₀ は、Ｘ軸方向の屈
折率である。そして、θは、光学軸（即ちＺ軸）と端面
をなす角度であり、γは常光線と異常光線との分離角度
である。そして、Ａは常光線を示し、Ｂは、異常光線を
示す。

【０００９】図４は、複屈折結晶の厚さをｌに置き替え
たとき、常光線と異常光線の分離幅をｄとして、分離角
をγとすると、異常光線の光路の幾何学長ｌ_e は、 ｌ_e ＝ｌ／cosγ である。このような光路差を厳密に考慮することによ
り、複屈折結晶における常光線と異常光線の光路差（分
散）が分かる。

【００１０】図５は、本発明の構成を示し、入射側から
光出射側に、光ビ−ム１１が順次、第１の偏光結晶１
２、旋光性結晶１３、第２の偏光結晶１４、ファラデ−
素子１５、第１の検光結晶１６及び第２の検光結晶１７
を透過する。そして、逆方向の光は、位置ズレして、逆
方向に進行し、位置１１に戻らない。尚、結晶の壁面に
記してある矢印は、結晶の光学軸（ｃ軸）を表わす。そ
のうち、実線は、示してある面上にあることであり、破
線は、その面上でないことを示す。

【００１１】即ち、順次に、図５の下半分に示すよう
に、第１ポ−ト１１から入射した光は、に示すように
ランダム偏光光線で、厚さｔの複屈折結晶１２により、
常光線と異常光線に分離され、常光線は直進するが、異
常光線成分は、凡そｄだけ垂直方向に移動する。即ち、
に示す偏光性の光線となる。そして、両方の光線は、
厚さｔ₁ の旋光性結晶１３に通過し、に示す偏光性の
光線となり、そして、更に、厚さｔ₂ の旋光性結晶１４
を通過し、に示す偏光性の光線となり、磁気光学結晶
（ファラデ−素子）１５では（反時計方向に４５度、偏
波方向が回転され）、偏光性が回転し、そして、異常光
線の偏光性も４５°回転される。即ち、に示す偏光性
の光線となる。次に、両方の光線は、厚さｔ₃ の複屈折
結晶１６を通過し、に示す偏光性の光線となり、更に
厚さｔ₄ の複屈折結晶１７に入射し、再合成されて出射
する。出射光線もランダム偏光であり、入射光線の偏光
状態によらない。

【００１２】一方、逆方向に（１８から）入射した光線
は、図５の下半分の下部に示すようになる。従って、逆
方向の光線は、良く分離されて、各々の光線を分離（除
去）することができる。

【００１３】即ち、図示の偏光結晶と旋光性結晶と複屈
折結晶１２、１４、１６、１７の厚さの比は、ｔ₁ ：ｔ
₂ ：ｔ₃ ：ｔ₄ ＝１：１：√２：√２とする。尚、旋光
性結晶は、入射光偏向を９０°旋光させる結晶である。
また、磁気光学結晶（１５）は、４５°非相反旋光させ
る結晶である。また、図５の記号Ｈは、磁場を示す。

【００１４】図６は、本発明の光アイソレータの上記の
ような原理を更に良く説明するために示した模式的断面
図である。即ち、本発明の光アイソレータは、光入射側
から光出射側に順次、第１の偏光結晶１２、旋光性結晶
１３、第２の偏光結晶１４、ファラデ−素子１５、第１
の複屈折結晶１６及び第２の複屈折結晶１７と配置され
ている。そして、入射光線１１は、この発明による平行
平板状の複屈折材料中を実線矢印で示すように進行す
る。そのために点１８では、同一進行波となり、経路に
よる差はなく、そして、外部で反射されてきた光線は、
破線矢印に示すように、進行し、本発明の光アイソレー
タを出射するときは、図示のように分離される。従っ
て、各々の光線を分離することができる。また、図示の
偏光結晶１２、１４、１６、１７の厚さの比は、ｔ₁ ：
ｔ₂ ：ｔ₃ ：ｔ₄ ＝１：１：√２：√２とする。

【００１５】本発明の構成によると、入射光束の偏光が
変化しても、光の通過時間が変化しない、即ち、偏波分
散がないという、偏光無依存型のアイソレータが得られ
る。即ち、本発明の光アイソレータにおいては、従来技
術のアイソレータの３個の複屈折結晶のうち、常光線と
異常光線の光路長に差のある偏光結晶（第１の複屈折結
晶）の代わりに、厚みが半分の偏光結晶を２個用いて、
それらの光学軸を対向させて、配置し、更に、それらの
偏光結晶の間に、９０度の旋光性結晶を配置して、複屈
折結晶の常光線と異常光線の光路長の差を０にして、ア
イソレータの入射偏光による分散を、０にした点にあ
る。

【００１６】本発明の構成によると、光アイソレータへ
の入射光束の偏光が、変化しても、光の通過時間が変化
しない即ち、偏波分散がないという、偏光無依存型の光
アイソレータが得られる。そのために、偏光に依存しな
いで、且つ、分離、結合度の良い光アイソレータを高精
度に実現できたものである。

【００１７】次に、図面を用いて、本発明の光アイソレ
ータを具体的に実施例により説明するが、本発明はそれ
らによって限定されるものではない。

【００１８】

【実施例】図１は、複屈折板としての方解石１にランダ
ムな偏光光束を入射した時に、光束が常光線と異常光線
の直交する２つの偏光光束に分割される様子の模式的斜
視図である。このとき、２つの光束の進行方向を分離角
と称し、γとする。光アイソレータとして、複屈折結晶
を使用するならば、分離角γは、大きい程良い。方解石
においては、”劈開”を使用して、複屈折結晶を作成す
るのは通例であるが、このときの劈開の角度が、複屈折
結晶としての理想に近いので、分離角γは、劈開の角度
で決まる。

【００１９】その劈開の角度をθとする。即ち、光学軸
と劈開面の角度θは、４５°２４’であり、光束は、劈
開面に対して、垂直に入射させるものとする。このと
き、方解石の複屈折性により、光束は、その結晶中
で、”常光線”と”異常光線”とに分割される。

【００２０】この時の分離角γは、方解石の屈折率は、
各々、ｎ₀ ＝１．６６３とｎ_e ＝１．４７７（入射光線
の波長λ＝１．５５μｍに対して）として、 γ＝ψ−tan^-1{(ｎ₀／ｎ_e)²×tanψ｝ （但し、ψは、θの補角であり、ψ＝９０°−θであ
る。）の式により求めることができる。従って、γ＝
５．７２°即ち、５°４３’１９”（入射光線の波長λ
＝１．５５μｍに対して）となる。

【００２１】更に、異常光線に対する屈折率は、屈折率
楕円体を成す異常光線の偏光方位の半径の長さに相当す
るものである。従って、ｎ_e’が異常光線に対する屈折
率とすると、 ｎ_e’＝(ｎ₀×ｎ_e)／√(ｎ_e ²×sin²ψ＋ｎ_e ²×cos²ψ) （但し、√は、その平方根を示す）従って、ｎ_e’は、
１．５５０２と計算される。

【００２２】また、方解石の厚み（即ち、光線の通過す
る長さ）を、ｌとしたとき、常光線の光路の空気換算長
ｌ₀ は、ｌ₀ ＝ｌ／ｎ₀である。一方、異常光線の光路
の空気換算長ｌ_eは、ｌ_e ＝ｌ／ｎ’₀／cosγで与えら
れる。

【００２３】従って、本発明の構成について、図１、
３、４を参照して、計算すると、方解石の厚みｌを１ｍ
ｍとして、ｎ₀＝１．６３３、ｎ_e＝１．４７７とする
と、ｌ₀ ＝ｌ／１．６３３＝０．６１２４（ｍｍ）とな
り、ｌ_e ＝ｌ／ｎ’₀／cosγ＝１／１．５５０２／０．
９９５＝０．６４８３（ｍｍ）となる。従って、△ｌ＝
｜ｌ₀−ｌ_e｜＝０．０３５９（ｍｍ）となる。

【００２４】図４は、複屈折結晶即ち方解石の厚さを、
ｌに置き替えた場合、常光線と異常光線の分離幅をｄと
して、分離角をγとすると、異常光線の光路の幾何学長
ｌ_e は、 ｌ_e ＝ｌ／cosγ である。

【００２５】図５は、本発明の光アイソレータの構成を
概念的に示した説明図である。即ち、入射側から光出射
側に順次、第１の偏光結晶１２、旋光性結晶１３、第２
の偏光結晶１４、ファラデ−素子１５、第１の検光結晶
１６及び第２の検光結晶１７よりなる平行平板状の複屈
折材料で構成されている。以上の構成について、その中
での各光線の進行路を詳細に図６に示される。

【００２６】本発明の光アイソレータでは、以上説明し
たように、また、図面に示すように、光は、平行平板の
光学素子中を伝搬させる。更に、本発明の光アイソレー
タでは、構成する光学部品は、すべて、平行平面板であ
るので、組立てが非常に容易になる。例えば、使用する
各々の複屈折板は、軸出しをして平行平面に研磨して作
成すれば良く、例えば、方解石ならば、劈開面を研磨す
るだけで良い。そして、使用する旋光性結晶には、例え
ば、水晶旋光子を用い、所望の回転角を与える長さに平
行平面に研磨するだけで良い。

【００２７】従って、部品、結晶装置は全て平行平面板
であるために、組立てるときは、表面を合わせて光学接
着剤で貼り合わせるだけで作成できる。また、多量に作
成するときは、複屈折結晶や旋光結晶を大板のまま（サ
イズの大きいまま）、接着し、その後に、小さく切断す
る作成方法を行なうことができる。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光アイソ
レータにより、前記のような効果が得られた。それらを
まとめると、次のような顕著な技術的効果となる。即
ち、第１に、挿入損失が少なく、偏光依存性が無く、し
かも、偏波分散も無いという高度大容量光ファイバ−通
信に好適な光アイソレータが実現できる。

【００２９】第２に、安価で、精度良く作製でき、光学
部品をすべて平行平面板とし、平行平板の部品の透過光
のみを使用するだけで、光アイソレータを構成できる。
第３に、主部品である複合偏光結晶は、同一寸法の平行
平板であるため、大板複屈折結晶を軸調整接着固定した
後、切断することで一度の調整で、多数の光アイソレー
タ素子を作製することが可能であり、光アイソレータの
作製を容易にし、また原価を削減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】通常の複屈折板としての方解石の光路を説明す
る模式構成図である。

【図２】従来の光アイソレータの技術を示す模式的構成
図である。

【図３】本発明の光アイソレータで使用される１軸性結
晶；方解石の屈折率楕円体を示す説明図である。

【図４】本発明の光アイソレータで用いた常光線線と異
常光線線との光路差を計算するための説明である。

【図５】本発明の光アイソレータの１例の構成を示す模
式的斜視図である。

【図６】本発明の光アイソレータの原理を説明する模式
図である。

【符号の説明】

１２ 第１の偏光結晶 １３ 旋光性結晶 １４ 第２の偏光結晶 １５ ファラデ−素子 １６ 第１の検出結晶 １７ 第２の検出結晶 １８ 反射点

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光入射側から光出射側に順次、第１の偏
   光結晶、旋光性結晶、第２の偏光結晶、ファラデ−素
   子、第１の検光結晶（複屈折素子）及び第２の検光結晶
   （複屈折素子）を配列し、そして、前記第１及び第２の
   検光結晶は、平行平板状の複屈折材料で構成されている
   ことを特徴とする光アイソレータ。
2. 【請求項２】前記の第１の偏光結晶と第２の偏光結晶の
   厚さは同一であり、第１の検光結晶と第２の検光結晶の
   厚さは、前記の偏光結晶の厚さの√２（２の平方根）倍
   であることを特徴とする請求項１に記載の光アイソレー
   タ。
3. 【請求項３】第１の偏光結晶の光学軸と第２の偏光結晶
   の光学軸を対向させ、且つ、第１の検光結晶の光学軸と
   第２の検光結晶の光学軸を対向させたことを特徴とする
   請求項１或いは２に記載の光アイソレータ。