JPH0627414A

JPH0627414A - ３ポート型光サーキュレータ

Info

Publication number: JPH0627414A
Application number: JP20193392A
Authority: JP
Inventors: Tomokazu Imura; 智和井村; Tsugio Tokumasu; 次雄徳増
Original assignee: FDK Corp
Current assignee: FDK Corp
Priority date: 1992-07-06
Filing date: 1992-07-06
Publication date: 1994-02-04

Abstract

(57)【要約】【目的】構成光部品の高精度加工が不要で、隣接ポー
ト間の間隔を広げられるため組立調整及び固定も容易に
行うことができ、各ポートにレンズを組み込めるため光
の結合効率が高く、また高アイソレーションを有する。【構成】第１の非相反部１０と第２の非相反部２０と
を縦続配置し、それらの光軸方向の一方に第２ポートＰ
₂を位置させ、他方に第１ポートＰ₁と第３ポートＰ₃
を並置する。第１の非相反部１０はファラデー回転子１
５の両側に楔状複屈折プリズム１６，１８を、第２の非
相反部２０はファラデー回転子２５の両側に楔状複屈折
プリズム２６，２８を配置する。両楔状複屈折プリズム
は互いの厚肉部と薄肉部とが相対向し、且つ対向面が傾
きの無い面であって、その面内にある光学軸が互いに４
５度をなすように組み合わせられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、２個の楔状複屈折プリ
ズムが４５度ファラデー回転子の両側に位置し、且つ両
楔状複屈折プリズムの厚肉部と薄肉部とが相対向するよ
うに組み合わせた非相反部を、２組縦続配置した構造の
３ポート型光サーキュレータに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光サーキュレータは、光通信システムや
光計測等で使用され、あるポートからの入射光を特定方
向の別のポートのみに出射する機能をもつ、多ポート受
動非相反素子である。

【０００３】従来の光サーキュレータの代表的なものと
しては、特開昭55−93120 号に示されている４ポート型
がある。この４ポート型光サーキュレータは、２個の偏
光ビームスプリッタの間に、ファラデー回転子と１／２
波長板とを配置した構成である。ここで偏光ビームスプ
リッタは偏光分離膜と全反射面を別々に加工したプリズ
ムを接着剤等により接合して形成する。偏光ビームスプ
リッタの加工精度が悪いと、偏光分離膜や全反射面で、
Ｐ偏光とＳ偏光が所定の反射角度を得られず、各ポート
に出射するＰ偏光とＳ偏光の結合が不十分となる。光軸
調整をするにしても限界があり、加工精度のレベルによ
っては所望の特性が得られない可能性もある。従って、
偏光ビームスプリッタには高精度加工が要求されるため
非常に高価な装置となっている。

【０００４】また、実用に供されている光サーキュレー
タでは、大部分が３ポートしか使用されていない。一般
の双方向伝送システムや反射光計測システムにおいて
は、発光素子を接続するポート、伝送用光ファイバある
いは被測定試料を接続するポート、受光素子を接続する
ポートの三つのポートがあれば十分である。上記４ポー
ト型光サーキュレータでは１ポート分が不要になってお
り、装置が高価であることを考慮すると大きな無駄とな
っている。３ポート型光サーキュレータとしては三角柱
状の反射体を用いた例（特開昭55−117124号）もある
が、構造が複雑で且つ全てのポートに偏光依存性があ
り、実用的とは言い難い。

【０００５】そこで最近、複屈折板を用いて構造を簡単
化した３ポート型光サーキュレータが提案された（1990
年電気情報通信学会秋季全国大会予稿集Ｃ−183 ）。こ
れは光学軸が面に対して約４５度の角度をなす複屈折板
を異常光が透過する際に光軸が横ずれすること、及びフ
ァラデー回転子の非相反性を利用したものである。３枚
の複屈折板（板厚比がほぼ１：２^1/2：１）を使用し、
それらの光学軸が互いに光軸の回りに４５度回転させて
配置し、それらの間にそれぞれ４５度ファラデー回転子
を介装する。そして、その結合体の一方の側に２本の光
ファイバを並置し、他方の側にレンズを介して１本の光
ファイバを設ける構成である。３本の各光ファイバがそ
れぞれポートとなる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の３ポー
ト型光サーキュレータは、偏光素子として平行平面の複
屈折板を用いており、そのためポート間隔が非常に狭い
問題がある。これは複屈折板による光線のシフト量、す
なわち常光と異常光の分離間隔が極めて少ないことが原
因である。そのためポートの固定が容易ではない。光線
のシフト量を大きくするためには、複屈折板を厚くする
ことが考えられるが、そうすると装置が大型化するばか
りでなく、高価なものとなる。

【０００７】また上記の構成ではポート間の間隔がとり
難いため、隣接する二つのポートでは光ファイバ芯線
（外径寸法１２５μｍ）を２本束ねる構成となってお
り、それぞれの光ファイバにレンズを１個ずつ配置する
ことができない。一般に結合効率を高めるためには、１
本の光ファイバに対して１個のレンズを組み合わせるの
が望ましい。しかし上記の光サーキュレータは３本の光
ファイバに対して唯１個のレンズを組み込んだものとな
り、自ずと光の結合効率向上には限界がある。

【０００８】そこで、楔状複屈折プリズムが４５度ファ
ラデー回転子の両側に位置し、且つ互いの厚肉部と薄肉
部が相対向するように組み合わせて非相反部とし、その
片側に第２ポートを、反対側に第１及び第３ポートをそ
れぞれ配置する構成も考えられる。この構成は、構造が
簡単で部品点数も少なくなる利点がある。しかし各ポー
トにレンズを組み込むためには、第１ポートと第３ポー
トのコリメータの角度を大きくする必要があり、そのた
めには楔状複屈折プリズムの頂角を大きく（例えばルチ
ル単結晶を用いた場合は１１〜３１度程度）するか、非
相反部と第１及び第３ポートとの距離を大きくとらねば
ならない。楔状複屈折プリズムの頂角を大きくすること
はコスト増大を招き、また距離を大きくすることは装置
の大型化をもたらす問題がある。更にこの構成では、必
ずしも挿入損失は小さくならず、アイソレーションも充
分大きくとれない。

【０００９】本発明の目的は、構成光部品の高精度加工
が不要で、隣接ポート間の間隔を広げられるため組立調
整及び固定も容易に行うことができ、各ポートにレンズ
を組み込めるため光の結合効率が高く、高アイソレーシ
ョンを有する実用的な３ポート型光サーキュレータを提
供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、第１の非相反
部と第２の非相反部とを縦続配置し、それらの片側に第
２ポートが位置し、反対側に第１ポートと第３ポートと
が位置する３ポート型光サーキュレータである。ここ
で、両非相反部は４５度ファラデー回転子の両側にそれ
ぞれ同一構造の楔状複屈折プリズムを配置した構造であ
る。両楔状複屈折プリズムは、互いの厚肉部と薄肉部と
が相対向し、且つ対向面が傾きの無い面であって、その
面内に光学軸があり、両光学軸が互いに４５度をなすよ
うに組み合わせられている。両非相反部のファラデー回
転子に印加される磁界は逆向きである。第１ポートに配
置する第１のファイバコリメータはレンズと偏波保存光
ファイバからなり、第２ポート及び第３ポートに配置す
る第２及び第３のファイバコリメータはそれぞれレンズ
と光ファイバとからなる。そして第１ポートからの直線
偏光信号光は両非相反部を通って第２ポートに結合し、
第２ポートからの信号光は両非相反部を通って第３ポー
トに結合する。

【００１１】この３ポート型光サーキュレータは、両非
相反部の隣接する関係にある楔状複屈折プリズムが、互
いの厚肉部と薄肉部とが相対向し、且つ互いの光学軸が
直交するように組み合わせてもよいし、互いの厚肉部同
士、薄肉部同士が相対向し、且つ互いの光学軸が同じ向
きとなるように組み合わせられている構造でもよい。

【００１２】

【作用】偏波保存光ファイバを通って第１ポートから入
射した光線は、両非相反部における各光学部品で屈折あ
るいは偏光面が回転しながら第２ポートに出射する。第
２ポートから入射した光線は、第１の非相反部で常光・
異常光に分離して２本平行に出射し、第２の非相反部で
その距離が狭められ且つ平行に出射し、レンズで第３ポ
ートに結合する。第３ポートから入射した光線は、第２
の非相反部で開いて出射し、第１の非相反部で更にその
開きは大きくなって出射するため、第２ポートには結合
しない。従って本発明では、第１ポート→第２ポート、
第２ポート→第３ポートの光サーキュレーション動作が
行われることになる。

【００１３】非相反部を２組使用することにより光線の
屈折角度が大きくなるので、第３ポートと第１ポートの
角度も大きくなり、ファイバコリメータの固定自由度が
増加する。しかも第２ポートから第３ポートに出射する
場合、常光と異常光の分離間隔が小さくなり、ファイバ
コリメータのレンズ収差の影響が減少し、光の結合効率
が向上する。更に、非相反部とファイバコリメータとの
距離も狭められるので小型化が可能となる。また、第３
ポートから入射した光線は、第２の非相反部で光軸に平
行な漏洩光が生じても、第１の非相反部で開いて分離す
るため、高アイソレーションが得られる。

【００１４】

【実施例】図１に本発明に係る３ポート型光サーキュレ
ータの一実施例を示す。この光サーキュレータは、第１
の非相反部１０と第２の非相反部２０とを縦続配置し、
それらの光軸方向の一方に第２ポートＰ₂を位置させ、
他方に第１ポートＰ₁と第３ポートＰ₃を並置した構造
である。第１の非相反部１０は、円筒状の永久磁石１２
内に磁気光学素子１４を収容して４５度ファラデー回転
子１５とし、該ファラデー回転子１５の両側に第１の楔
状複屈折プリズム１６と第２の楔状複屈折プリズム１８
とを、それらの傾斜面が外向きで且つそれらの厚肉部と
薄肉部とが相対向するように配置した構造である。同様
に第２の非相反部２０も、円筒状の永久磁石２２内に磁
気光学素子２４を収容して４５度ファラデー回転子２５
とし、該ファラデー回転子２５の両側に第３の楔状複屈
折プリズム２６と第４の楔状複屈折プリズム２８とを、
それらの傾斜面が外向きで且つそれらの厚肉部と薄肉部
とが相対向するように配置した構造である。そして両非
相反部１０，２０の隣接する関係にある第２の楔状複屈
折プリズム１８と第３の楔状複屈折プリズム２６とを、
互いの厚肉部と薄肉部とが相対向するように配置してい
る。

【００１５】ここで第１の非相反部１０に使用する永久
磁石１２と第２の非相反部２０に使用する永久磁石２２
は、逆向きであり、それぞれの磁気光学素子１４，２４
に対して逆向きの磁界を印加する。磁気光学素子１４，
２４は、例えば基板に磁気光学結晶のＬＰＥ（液相エピ
タキシャル成長）膜を形成したものである。また各楔状
複屈折プリズム１６，１８，２６，２８は例えばルチル
単結晶などからなる。本実施例で用いる各楔状複屈折プ
リズムの光学軸を図２に示す。各楔状複屈折プリズムに
おいて、光学軸はいずれも傾きの無い面内にある。第１
及び第２の楔状複屈折プリズム１６，１８（図２のＡに
示す）は同一構造であり、図示のようにｘ軸及びｙ軸を
とった時、それらの光学軸はｘ方向に対してｙ方向に２
２．５度傾いている。また第３及び第４の楔状複屈折プ
リズム２６，２８（図２のＢに示す）も同一構造であ
り、それらの光学軸はｘ方向に対してｙ方向に６７．５
度傾いている。第１及び第２の楔状複屈折プリズム１
６，１８をそれぞれの厚肉部と薄肉部とが相対向するよ
うに配置したから、これらの光学軸は互いに４５度の角
度をなす。同様に、第３と第４の楔状複屈折プリズム２
６，２８の光学軸も互いに４５度の角度をなす。また第
２及び第３の楔状複屈折プリズム１８，２６をそれぞれ
の厚肉部と薄肉部とが相対向するように配置したから、
これらの光学軸は互いに９０度の角度をなす。

【００１６】各ポートＰ₁，Ｐ₂，Ｐ₃には、レンズと
フェルール付き光ファイバとを金属製スリーブ内に収容
したファイバコリメータ３０，３２，３４を配置する。
第２及び第３ポートＰ₂，Ｐ₃に配置した第２及び第３
のファイバコリメータ３２，３４の光ファイバはともに
シングルモードファイバ（ＳＭＦ）であり、第１ポート
Ｐ₁に配置した第１のファイバコリメータ３０の光ファ
イバには偏波保存ファイバ（ＰＭＦ）を使用する。第２
及び第３のファイバコリメータ３２，３４はともに光軸
に平行である。

【００１７】図３には各ポートから信号光を入射したと
きの光の経路を模式的に示す。まず図３のＡに示すよう
に、第２ポートＰ₂から入射した光線は、第１及び第２
の非相反部１０，２０を通って、偏光無依存で第３ポー
トＰ₃へ出射する。即ち第２ポートＰ₂に配置した第２
のファイバコリメータ３２からの入射光は、第１の楔状
複屈折プリズム１６によって偏光面が互いに直交する常
光と異常光に分離される。常光は偏光方向が波面法線と
光学軸を含む面に垂直である直線偏光であり、異常光は
偏光方向が波面法線と光学軸を含む面に平行である直線
偏光である。この分離光は、ファラデー回転子１５によ
り偏光面が４５度回転（例えば、第２ポートＰ₂側から
見て左回転）し、第２の楔状複屈折プリズム１８により
それぞれ平行光となるが、分離間隔はやや拡がり（実測
ではプリズム頂角２１度で１８０μｍ）、第２の非相反
部２０に入射する。ここで第３の楔状複屈折プリズム２
６の光学軸は第２の楔状複屈折プリズム１８の光学軸に
対して直交している。従って、第３の楔状複屈折プリズ
ム２６に入射した分離光は常光が異常光に、異常光が常
光となって屈折する。第１の非相反部１０と第２の非相
反部２０とでは磁界Ｈの向きが逆であるので、ファラデ
ー回転子２５では偏光面が−４５度回転（第２ポートＰ
₂側から見て右回転）する。そして分離光は、第４の楔
状複屈折プリズム２８で屈折して分離間隔が縮まり（実
測では約２０〜３０μｍ）、且つ平行光となる。こうし
て第３ポートＰ₃へ出射し、第３のファイバコリメータ
３４のレンズに入射する。

【００１８】次に図３のＢに示すように、第１ポートＰ
₁に配置した第１のファイバコリメータ３０から直線偏
光信号、例えば異常光を第２の非相反部２０に入射する
と、第４の楔状複屈折プリズム２８により屈折してファ
ラデー回転子２５に達し、ファラデー回転子２５の非相
反性によって偏光面が−４５度回転（第２ポートＰ₂側
から見て右回転）する。第３の楔状複屈折プリズム２６
の光学軸は第４の楔状複屈折プリズム２８の光学軸に対
して４５度回転（第２ポートＰ₂側から見て左回転）し
ているので、光線の偏光面は第３の楔状複屈折プリズム
２６の光学軸に対して直交することになる。即ち異常光
は常光に変換される。こうして変換された光線は、第３
の楔状複屈折プリズム２６で常光として屈折して第１の
非相反部１０に出射する。ここで、第３の楔状複屈折プ
リズム２６の光学軸と第２の楔状複屈折プリズム１８の
光学軸とは直交しているので、第２の楔状複屈折プリズ
ム１８では常光が異常光に再変換される。第２の非相反
部２０と同様に、光線は第２の楔状複屈折プリズム１８
で屈折してファラデー回転子１５に達する。ファラデー
回転子１５の非相反性によって偏光面が４５度回転（第
２ポートＰ₂側から見て左回転）し、第１の楔状複屈折
プリズム１６の光学軸は第２の楔状複屈折プリズム１８
の光学軸に対して−４５度回転（第２ポートＰ₂側から
見て右回転）しているので、光線の偏光面は第１の楔状
複屈折プリズム１６の光学軸に対して直交することにな
る。即ち異常光は常光に変換される。こうして常光に変
換された光線は第１の楔状複屈折プリズム１６で屈折し
て第２ポートＰ₂に配置した第２のファイバコリメータ
３２へ出射する。逆に言うと、変換された光が丁度第２
ポートＰ₂に出射するように第１ポートＰ₁の位置が決
められている。従って第１ポートＰ₁から第２ポートＰ
₂に出射する場合は偏光依存となる。

【００１９】図３のＣに示すように、第３ポートＰ₃に
配置した第３のファイバコリメータ３４から入射した光
線は、第４の楔状複屈折プリズム２８によって常光と異
常光に分離され、ファラデー回転子２５の非相反性によ
って偏光面が−４５度回転（第２ポートＰ₂側から見て
右回転）する。第３の楔状複屈折プリズム２６の光学軸
は、第４の楔状複屈折プリズム２８の光学軸に対して４
５度回転（第２ポートＰ₂側から見て左回転）している
ので、分離光の偏光面は第３の楔状複屈折プリズム２６
の光学軸に対して直交している。即ち、第３の楔状複屈
折プリズム２６において常光は異常光に、異常光は常光
に変換される。このため、第３の楔状複屈折プリズム２
６を通過した後は、分離光は平行とならず分離間隔が拡
がる。この分離光は、第２の楔状複屈折プリズム１８に
入射する。ここで第２の楔状複屈折プリズム１８と第３
の楔状複屈折プリズム２６は光学軸が直交しているた
め、常光は異常光に、異常光は常光に再変換される。分
離光は第１のファラデー回転子１５により偏光面が４５
度回転（第２ポートＰ₂側から見て左回転）する。第１
の楔状複屈折プリズム１６の光学軸は、第２の楔状複屈
折プリズム１８の光学軸に対して−４５度回転（第２ポ
ートＰ₂側から見て右回転）しているので、分離光の偏
光面は第１の楔状複屈折プリズム１６の光学軸に対して
直交している。従って、第１の楔状複屈折プリズム１６
において常光は異常光としての屈折を行い、異常光は常
光としての屈折を行うため、第１の楔状複屈折プリズム
１６を通過した後は、更に分離光間の距離が拡がる。こ
のため光線は第２ポートＰ₂に配置した第２のファイバ
コリメータ３２に結合しないから、第３ポートＰ₃から
入射した光線に対しては高アイソレーションが得られ
る。

【００２０】本実施例では第２ポートＰ₂から出射した
信号光が第３ポートＰ₃に入射する際、分離光は一致し
ないが、分離間隔は非常に狭まるため、レンズ収差の影
響が低減され、非相反部が２段であるにもかかわらず、
結合効率は高まる。また、光軸方向の楔状複屈折プリズ
ムとポートとの距離を大きく短縮できるので、長さ約３
mm程度の非相反部を２段にしても、光サーキュレータ全
体の光軸方向長さは大幅に短縮できる。また第１の非相
反部１０と第２の非相反部２０とで常光・異常光が変換
するため、偏波分散が生じない利点もある。更に第１と
第２の楔状複屈折プリズム１６，１８は同一構造、第３
と第４の楔状複屈折プリズム２６，２８も同一構造であ
るので、２種類の楔状複屈折プリズムを用意すればよ
く、製作も容易である。

【００２１】第１の非相反部１０と第２の非相反部２０
を入れ換えても何ら問題はない。また、前記実施例では
第１ポートＰ₁から第４の楔状複屈折プリズム２８に対
して異常光を入射する構成となっているが、図４に示す
ように、常光を入射する構成としてもよい。その場合、
第１ポートＰ₁は、第３ポートＰ₃に近接して、第４の
楔状複屈折プリズム２８の薄肉部側に配置する。

【００２２】図５は本発明の更に他の実施例を示してい
る。第１の非相反部１０は前記実施例と同様の構成であ
るが、第２の非相反部３０は、楔状複屈折プリズムの構
造が異なる。第２の非相反部３０で用いる第３及び第４
の楔状複屈折プリズム３６，３８は、図６に示すよう
に、光学軸がｘ方向に対して−ｙ方向に２２．５度傾い
ている。この光サーキュレータでは、第２の楔状複屈折
プリズム１８と第３の楔状複屈折プリズム３６を厚肉部
同士、薄肉部同士が相対向するように配置する。第１ポ
ートＰ₁から第４の楔状複屈折プリズム３８に対して異
常光を入射する場合、第１ポートＰ₁は、第４の楔状複
屈折プリズム３８の薄肉部側に配置する。常光を入射す
る場合、厚肉部側に配置する。第２ポートＰ₂から第３
ポートＰ₃に出射する場合、第３の楔状複屈折プリズム
３６では、常光は常光として屈折し異常光は異常光とし
て屈折する。従って、この実施例の構成では、図１の実
施例とは異なり、光線は第３ポートＰ₃で一体になるた
め結合効率が一層向上する利点がある。しかし、第２ポ
ートＰ₂からの光線が第３ポートＰ₃に向かう際に、第
１の非相反部１０で分離した常光・異常光が、第２の非
相反部でもそのまま常光・異常光として進むため、偏波
分散がある。

【００２３】

【発明の効果】本発明の３ポート型光サーキュレータ
は、楔状複屈折プリズムが４５度ファラデー回転子の両
側に位置し、且つ両複屈折プリズムの厚肉部と薄肉部と
が相対向するように組み合わせた非相反部を２組有する
構成であるから、非相反部の同じ側に配置されるポート
間隔を広げられるし、ポート間のなす角度を大きくでき
るため組立調整及び固定を容易に行うことができ、各ポ
ートにレンズを組み込めるため、光の結合効率が向上す
る。更に第３ポートにおけるビーム分離間隔を狭められ
るので、レンズ収差の影響を低減できるため、光の結合
効率は一層向上し、光軸調整も容易である。同時に光軸
方向寸法を大幅に短縮でき、第３ポートから入射する光
線は２段の非相反部で広がって進むため、第２ポートに
は結合せず、高アイソレーションが得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る３ポート型光サーキュレータの一
実施例を示す説明図。

【図２】それに用いる楔状複屈折プリズムの説明図。

【図３】図１に示す３ポート型光サーキュレータの動作
説明図。

【図４】本発明に係る３ポート型光サーキュレータの他
の実施例を示す説明図。

【図５】本発明に係る３ポート型光サーキュレータの更
に他の実施例を示す説明図。

【図６】それに用いる楔状複屈折プリズムの説明図。

【符号の説明】

１０第１の非相反部１５ファラデー回転子１６第１の楔状複屈折プリズム１８第２の楔状複屈折プリズム２０第２の非相反部２５ファラデー回転子２６第３の楔状複屈折プリズム２８第４の楔状複屈折プリズム３０第１のファイバコリメータ３２第２のファイバコリメータ３４第３のファイバコリメータ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の非相反部と第２の非相反部とを縦
続配置し、それらの片側に第２ポートが位置し、反対側
に第１ポートと第３ポートとが位置する３ポート型光サ
ーキュレータであって、両非相反部は４５度ファラデー
回転子の両側にそれぞれ同一構造の楔状複屈折プリズム
を配置した構造であり、両楔状複屈折プリズムは互いの
厚肉部と薄肉部とが相対向し、且つ対向面が傾きの無い
面であって、その面内に光学軸があり、両光学軸が互い
に４５度をなすように組み合わせられており、両非相反
部のファラデー回転子に印加される磁界は逆向きであっ
て、第１ポートに配置する第１のファイバコリメータは
レンズと偏波保存光ファイバからなり、第２ポート及び
第３ポートに配置する第２及び第３のファイバコリメー
タはそれぞれレンズと光ファイバとからなり、第１ポー
トからの直線偏光信号光は両非相反部を通って第２ポー
トに結合し、第２ポートからの信号光は両非相反部を通
って第３ポートに結合する３ポート型光サーキュレー
タ。
【請求項２】両非相反部の隣接する関係にある楔状複
屈折プリズムは、互いの厚肉部と薄肉部とが相対向し、
且つ互いの光学軸が直交するように組み合わせられてい
る請求項１記載の３ポート型光サーキュレータ。
【請求項３】両非相反部の隣接する関係にある楔状複
屈折プリズムは、互いの厚肉部同士、薄肉部同士が相対
向し、且つ互いの光学軸が同じ向きとなるように組み合
わせられている請求項１記載の３ポート型光サーキュレ
ータ。