JPH07218866A - 光アイソレータ - Google Patents
光アイソレータInfo
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- JPH07218866A JPH07218866A JP6026048A JP2604894A JPH07218866A JP H07218866 A JPH07218866 A JP H07218866A JP 6026048 A JP6026048 A JP 6026048A JP 2604894 A JP2604894 A JP 2604894A JP H07218866 A JPH07218866 A JP H07218866A
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- G02B6/27—Optical coupling means with polarisation selective and adjusting means
- G02B6/2746—Optical coupling means with polarisation selective and adjusting means comprising non-reciprocal devices, e.g. isolators, FRM, circulators, quasi-isolators
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- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/24—Coupling light guides
- G02B6/26—Optical coupling means
- G02B6/27—Optical coupling means with polarisation selective and adjusting means
- G02B6/2706—Optical coupling means with polarisation selective and adjusting means as bulk elements, i.e. free space arrangements external to a light guide, e.g. polarising beam splitters
- G02B6/2713—Optical coupling means with polarisation selective and adjusting means as bulk elements, i.e. free space arrangements external to a light guide, e.g. polarising beam splitters cascade of polarisation selective or adjusting operations
- G02B6/272—Optical coupling means with polarisation selective and adjusting means as bulk elements, i.e. free space arrangements external to a light guide, e.g. polarising beam splitters cascade of polarisation selective or adjusting operations comprising polarisation means for beam splitting and combining
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- G02B6/2753—Optical coupling means with polarisation selective and adjusting means characterised by their function or use, i.e. of the complete device
- G02B6/2766—Manipulating the plane of polarisation from one input polarisation to another output polarisation, e.g. polarisation rotators, linear to circular polarisation converters
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- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/09—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on magneto-optical elements, e.g. exhibiting Faraday effect
- G02F1/093—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on magneto-optical elements, e.g. exhibiting Faraday effect used as non-reciprocal devices, e.g. optical isolators, circulators
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- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
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- G02F2203/06—Polarisation independent
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- Optics & Photonics (AREA)
- Nonlinear Science (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 偏波無依存型光アイソレータにおいて、常
光，異常光の伝播経路が異なることから二光線間の位相
ずれにより発生する偏波分散をほぼ皆無とし、また複屈
折結晶板の数を減らして光学部品組立を容易にする。 【構成】 複数の複屈折結晶板と１個もしくは２個以上
のファラデー回転子およびファラデー回転子磁化用永久
磁石からなる光アイソレータにおいて、少なくとも一個
の複屈折結晶板が、結晶光学軸方位が他の複屈折結晶板
の光学軸方位と異なり、かつ前記他の複屈折結晶板を光
線が伝播する過程に生じた偏光の位相遅れに起因する偏
波分散効果を相殺するに必要な光学軸方位を有し、また
偏波無依存型光アイソレータとして順方向に損失なく光
学結合がとれ、さらに逆方向に光遮断機能をなすに必要
な板面法線方向板厚を有するように配置する。
光，異常光の伝播経路が異なることから二光線間の位相
ずれにより発生する偏波分散をほぼ皆無とし、また複屈
折結晶板の数を減らして光学部品組立を容易にする。 【構成】 複数の複屈折結晶板と１個もしくは２個以上
のファラデー回転子およびファラデー回転子磁化用永久
磁石からなる光アイソレータにおいて、少なくとも一個
の複屈折結晶板が、結晶光学軸方位が他の複屈折結晶板
の光学軸方位と異なり、かつ前記他の複屈折結晶板を光
線が伝播する過程に生じた偏光の位相遅れに起因する偏
波分散効果を相殺するに必要な光学軸方位を有し、また
偏波無依存型光アイソレータとして順方向に損失なく光
学結合がとれ、さらに逆方向に光遮断機能をなすに必要
な板面法線方向板厚を有するように配置する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光ファイバ通信等にお
ける光の偏波方向に依存しない光アイソレータに関す
る。
ける光の偏波方向に依存しない光アイソレータに関す
る。
【０００２】
【従来の技術】半導体レーザを信号光源とする光通信の
進歩に伴い、これまでは不可能であった数百メガヘルツ
を越える高速高密度な信号伝送が実用化され、かつ最近
の光増幅技術の目ざましい進展によって、光電変換の必
要なく膨大な情報伝達が光ファイバを経路として可能に
なり、ファイバ間に挿入する偏光方向に無関係な光アイ
ソレータや、光増幅用励起光の導入方法等に関する技術
的高度化、経済的低価格化の要求が高まり、様々な提案
がなされ、一部実用に供されている。
進歩に伴い、これまでは不可能であった数百メガヘルツ
を越える高速高密度な信号伝送が実用化され、かつ最近
の光増幅技術の目ざましい進展によって、光電変換の必
要なく膨大な情報伝達が光ファイバを経路として可能に
なり、ファイバ間に挿入する偏光方向に無関係な光アイ
ソレータや、光増幅用励起光の導入方法等に関する技術
的高度化、経済的低価格化の要求が高まり、様々な提案
がなされ、一部実用に供されている。
【０００３】図２は光線入出射面が平行平面であり、光
結合が比較的容易であること、かつ部品点数が複屈折結
晶板とファラデー回転子の二種類で足りる構成部品上の
利点も共有する光の偏波方向に光学特性が依存しない光
アイソレータ（以下偏波無依存型光アイソレータとい
う）を示し、順方向の光線透過状態を追跡した概略図で
ある。構成はファラデー回転子と３個の複屈折結晶板を
用いた構造（特公昭60-51690号公報参照）である。
結合が比較的容易であること、かつ部品点数が複屈折結
晶板とファラデー回転子の二種類で足りる構成部品上の
利点も共有する光の偏波方向に光学特性が依存しない光
アイソレータ（以下偏波無依存型光アイソレータとい
う）を示し、順方向の光線透過状態を追跡した概略図で
ある。構成はファラデー回転子と３個の複屈折結晶板を
用いた構造（特公昭60-51690号公報参照）である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図２の
構成は常光，異常光の伝播経路が異なることから、二光
線間の位相ずれが生じ、信号特性の偏波分散の原因とな
っている。実際にファイバ間に用いる偏波無依存型光ア
イソレータを伝播するとき誘起される偏波分散特性は、
一般に信号の分解能から0.2ps(ピコ秒)以下に抑制され
ることが望ましいとされている。しかし図２の構成の場
合、常光，異常光間に光線伝播速度差異があり、偏波分
散が必ず発生し、そのままでは今後予想される高速高密
度光通信用光学装置として無視できない問題になってい
る。
構成は常光，異常光の伝播経路が異なることから、二光
線間の位相ずれが生じ、信号特性の偏波分散の原因とな
っている。実際にファイバ間に用いる偏波無依存型光ア
イソレータを伝播するとき誘起される偏波分散特性は、
一般に信号の分解能から0.2ps(ピコ秒)以下に抑制され
ることが望ましいとされている。しかし図２の構成の場
合、常光，異常光間に光線伝播速度差異があり、偏波分
散が必ず発生し、そのままでは今後予想される高速高密
度光通信用光学装置として無視できない問題になってい
る。
【０００５】これらの問題を解決するために図３は光学
軸に直角に光線が伝播するように切り出した複屈折結晶
位相調整板を光線伝播経路に介在させた例（特願平4-33
6563号参照）であり、さらに図４は２個の45゜ファラデ
ー回転子と４個の複屈折結晶板を用い、常光，異常光の
光線経路長を一致させる構成が提案され（特開平4-5121
4号公報参照）、位相差に基づく偏波分散特性は大幅に
緩和され、0.1ps以下の偏波無依存型アイソレータも製
作可能になった。
軸に直角に光線が伝播するように切り出した複屈折結晶
位相調整板を光線伝播経路に介在させた例（特願平4-33
6563号参照）であり、さらに図４は２個の45゜ファラデ
ー回転子と４個の複屈折結晶板を用い、常光，異常光の
光線経路長を一致させる構成が提案され（特開平4-5121
4号公報参照）、位相差に基づく偏波分散特性は大幅に
緩和され、0.1ps以下の偏波無依存型アイソレータも製
作可能になった。
【０００６】以上の関係を図２の構成で説明すると、図
２では第一，第二の複屈折結晶板Ｐ21，Ｐ22の厚みをd
とすれば、第三の複屈折結晶板Ｐ23の厚みは√2dであ
る。第一から第三の複屈折結晶板を伝播したとき生ずる
偏波伝播状態を追跡するとき、まず第一の複屈折結晶板
Ｐ21に入射した光線が常光，異常光に分離される。次に
第二の複屈折結晶板Ｐ22に伝播するとき、Ｐ22はＰ21に
対して光学軸の向きが鏡面対象で、かつ光線伝播軸を回
転軸として45゜回転された状態だから、異常光だけが移
動する。
２では第一，第二の複屈折結晶板Ｐ21，Ｐ22の厚みをd
とすれば、第三の複屈折結晶板Ｐ23の厚みは√2dであ
る。第一から第三の複屈折結晶板を伝播したとき生ずる
偏波伝播状態を追跡するとき、まず第一の複屈折結晶板
Ｐ21に入射した光線が常光，異常光に分離される。次に
第二の複屈折結晶板Ｐ22に伝播するとき、Ｐ22はＰ21に
対して光学軸の向きが鏡面対象で、かつ光線伝播軸を回
転軸として45゜回転された状態だから、異常光だけが移
動する。
【０００７】次に第三の複屈折結晶板Ｐ23は、Ｐ22に対
して鏡面対象配置であるため、Ｐ22まで常光線であった
ものが異常光線となり、結局常光，異常光の位相遅れは
Ｐ21によって生じた成分が最後まで保留されることにな
る。そこでＰ21の位相遅れを補償するために第四の複屈
折結晶板を挿入すると、常光と異常光は再び分離するこ
とはできないので、複屈折による常光，異常光の分離が
なく、また常光と異常光の光線伝播速度が異なる結晶方
位を選択しなければならない。従ってＰ34に示されるよ
うに、光学軸方向が光線伝播軸に対して垂直になるとき
全ての要請が満たされ、常光，異常光の光線速度面が楕
円体切断面となる結晶切り出し面をもつ平行平板とな
る。
して鏡面対象配置であるため、Ｐ22まで常光線であった
ものが異常光線となり、結局常光，異常光の位相遅れは
Ｐ21によって生じた成分が最後まで保留されることにな
る。そこでＰ21の位相遅れを補償するために第四の複屈
折結晶板を挿入すると、常光と異常光は再び分離するこ
とはできないので、複屈折による常光，異常光の分離が
なく、また常光と異常光の光線伝播速度が異なる結晶方
位を選択しなければならない。従ってＰ34に示されるよ
うに、光学軸方向が光線伝播軸に対して垂直になるとき
全ての要請が満たされ、常光，異常光の光線速度面が楕
円体切断面となる結晶切り出し面をもつ平行平板とな
る。
【０００８】一方図４の構成ではファラデー回転子２
個、複屈折結晶板４個で偏波分散による位相遅れを解消
した提案である。この構成は前半のＰ41，Ｐ42を伝播す
るとき常光，異常光線の転換を生じない結晶方向に調整
され、後半のＰ43，Ｐ44を伝播する時点で常光，異常光
が転換する方位に複屈折結晶板を調整配置することから
図に示されるように常光，異常光が同じ光路を経てから
再結合するため位相遅れが最終的に相殺され、偏波分散
が生じない。しかし、上記引用例はいずれにしても高価
な複屈折結晶板が４枚必要になり製品価格面で問題であ
り、しかも部品点数が多く光学部品組立が難しくなる。
個、複屈折結晶板４個で偏波分散による位相遅れを解消
した提案である。この構成は前半のＰ41，Ｐ42を伝播す
るとき常光，異常光線の転換を生じない結晶方向に調整
され、後半のＰ43，Ｐ44を伝播する時点で常光，異常光
が転換する方位に複屈折結晶板を調整配置することから
図に示されるように常光，異常光が同じ光路を経てから
再結合するため位相遅れが最終的に相殺され、偏波分散
が生じない。しかし、上記引用例はいずれにしても高価
な複屈折結晶板が４枚必要になり製品価格面で問題であ
り、しかも部品点数が多く光学部品組立が難しくなる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、以上に説明し
たファイバ間に挿入するファイバ端子付き偏波無依存型
アイソレータにおける偏波分散を完全に消失せしめる新
規な構造を提案したものであり、前記光アイソレータに
搭載される複屈折結晶板の法線方向と結晶の光学軸との
なす角度が異なる二種以上の組み合わせから、複屈折結
晶板による偏波分離，再結合位置は支障なく、常光，異
常光の光路差および屈折率の違いを利用して最終的に一
対の光ファイバ間の順方向から入射した光線が偏波に係
わる位相遅れを生ぜずに、対向の光ファイバへ伝播させ
ることによって実現するものである。
たファイバ間に挿入するファイバ端子付き偏波無依存型
アイソレータにおける偏波分散を完全に消失せしめる新
規な構造を提案したものであり、前記光アイソレータに
搭載される複屈折結晶板の法線方向と結晶の光学軸との
なす角度が異なる二種以上の組み合わせから、複屈折結
晶板による偏波分離，再結合位置は支障なく、常光，異
常光の光路差および屈折率の違いを利用して最終的に一
対の光ファイバ間の順方向から入射した光線が偏波に係
わる位相遅れを生ぜずに、対向の光ファイバへ伝播させ
ることによって実現するものである。
【００１０】一般に複屈折結晶板の常光，異常光の屈折
率の違いに基づく位相ずれは数式１および数式２で表わ
される。ωは光線の角速度、ｔei、ｔoはそれぞれ異常
光，常光の伝播時間である。
率の違いに基づく位相ずれは数式１および数式２で表わ
される。ωは光線の角速度、ｔei、ｔoはそれぞれ異常
光，常光の伝播時間である。
【数１】
【数２】 λは光線波長としたとき、位相遅れτは数式１の関係を
用いて数式２によって表現される。式中、ｎei、ｎoは異
常光、常光の屈折率であり、結晶の厚みをｄ、光速度ｃ
および使用する光波長λとして導かれた関係である。
用いて数式２によって表現される。式中、ｎei、ｎoは異
常光、常光の屈折率であり、結晶の厚みをｄ、光速度ｃ
および使用する光波長λとして導かれた関係である。
【００１１】ただしｎeiは複屈折結晶板の法線方向と結
晶の光学軸とのなす角度θに依存するもので、異常光の
屈折率をｎe とするときｎeiは数式３の関係から導か
れ、それは複屈折結晶板法線方向と光学軸とのなす任意
の角度θに対して成り立ち、その方位に対応する異常光
線の屈折率ｎeiおよび、その時の位相遅れδは数式４で
示される。ただし図１において光線伝播方向（複屈折結
晶板法線方向）をｚ軸、紙面上下方向をｙ軸、紙面垂直
方向をｘ軸としたとき、光学軸はｙｚ面に平行であり、
入射光線もｙｚ面に平行でｘｙ面に垂直入射した条件で
ある。
晶の光学軸とのなす角度θに依存するもので、異常光の
屈折率をｎe とするときｎeiは数式３の関係から導か
れ、それは複屈折結晶板法線方向と光学軸とのなす任意
の角度θに対して成り立ち、その方位に対応する異常光
線の屈折率ｎeiおよび、その時の位相遅れδは数式４で
示される。ただし図１において光線伝播方向（複屈折結
晶板法線方向）をｚ軸、紙面上下方向をｙ軸、紙面垂直
方向をｘ軸としたとき、光学軸はｙｚ面に平行であり、
入射光線もｙｚ面に平行でｘｙ面に垂直入射した条件で
ある。
【００１２】
【数３】
【数４】 ｄの厚みの複屈折結晶板を伝播したとき常光，異常光の
分離幅ｓおよびｓが最大になる角度θmaxは、数式５お
よび数式６となる。
分離幅ｓおよびｓが最大になる角度θmaxは、数式５お
よび数式６となる。
【数５】
【数６】
【００１３】ただし、図５に示すようにαはｘｙ面に対
する入射角度である。実際に偏波無依存型光アイソレー
タを一対のレンズによってファイバ間の光結合が形成さ
れている間隙に挿入した場合、端面の反射光がファイバ
に取り込まれないように数度分程度ｘｙ面に対する法線
方向（ｚ軸）からずらして固定されるためcosα成分が
加わる。この場合当然位相遅れを示す関係も数式７のよ
うに変化する。
する入射角度である。実際に偏波無依存型光アイソレー
タを一対のレンズによってファイバ間の光結合が形成さ
れている間隙に挿入した場合、端面の反射光がファイバ
に取り込まれないように数度分程度ｘｙ面に対する法線
方向（ｚ軸）からずらして固定されるためcosα成分が
加わる。この場合当然位相遅れを示す関係も数式７のよ
うに変化する。
【数７】 ここでβは入射光が複屈折結晶板へ伝播したときの常光
の屈折角度であり、γは同じく異常光とｚ軸とのなす角
度であり、それぞれ数式８および数式９によって導かれ
る。
の屈折角度であり、γは同じく異常光とｚ軸とのなす角
度であり、それぞれ数式８および数式９によって導かれ
る。
【００１４】
【数８】
【数９】 以上の関係において入射角α，分離幅ｓが決まれば、あ
る定まった位相遅れ（偏波モード分散と呼称し、以下Ｐ
ＭＤという）を補償するため、本発明はある適当な複屈
折結晶板の光学軸に対する切り出し角度を変動させ、ち
ょうど同じ分離幅ｓを有しＰＭＤが相殺される板厚に設
計することを提案するものである。ＰＭＤは何れも複屈
折結晶板を作製するときの光学軸方位角θと板厚に依存
するため、複屈折結晶板の条件を選択するときによって
調整できる。
る定まった位相遅れ（偏波モード分散と呼称し、以下Ｐ
ＭＤという）を補償するため、本発明はある適当な複屈
折結晶板の光学軸に対する切り出し角度を変動させ、ち
ょうど同じ分離幅ｓを有しＰＭＤが相殺される板厚に設
計することを提案するものである。ＰＭＤは何れも複屈
折結晶板を作製するときの光学軸方位角θと板厚に依存
するため、複屈折結晶板の条件を選択するときによって
調整できる。
【００１５】例えば一般に複屈折結晶板によって常光，
異常光を分離する用途は最小板厚で最大分離幅ｓmaxを
要求されるので、例えば光通信分野で採用されている波
長帯域λ＝1.55μmの場合、常光，異常光の屈折率をそ
れぞれ、ｎo＝2.453，ｎe＝2.709とすると数式６からθ
max＝47.8゜となり、ｓmax＝0.0999dが得られ、複屈折
結晶板厚みｄの約一割となる。もちろん入射光がαの角
度で投射される場合は数式７の関係からＰＭＤが推定で
きる。
異常光を分離する用途は最小板厚で最大分離幅ｓmaxを
要求されるので、例えば光通信分野で採用されている波
長帯域λ＝1.55μmの場合、常光，異常光の屈折率をそ
れぞれ、ｎo＝2.453，ｎe＝2.709とすると数式６からθ
max＝47.8゜となり、ｓmax＝0.0999dが得られ、複屈折
結晶板厚みｄの約一割となる。もちろん入射光がαの角
度で投射される場合は数式７の関係からＰＭＤが推定で
きる。
【００１６】例えば図２における構造の偏波無依存型ア
イソレータに本発明を適用すると、図中Ｐ21、Ｐ22、Ｐ
23における板厚はＰ21をｄとすると比率は1：1：√2で
ある。またそれぞれの偏波モード分散をＰＭＤ１，ＰＭ
Ｄ２，ＰＭＤ３とすると全体のＰＭＤは図２から明らか
なようにＰＭＤ＝（ＰＭＤ２＋ＰＭＤ３）−ＰＭＤ１で
あり、結局ＰＭＤ３に生ずる成分が残余として発生す
る。よってＰ21の光学軸と複屈折結晶板の法線との角度
（θk）をＰ22、Ｐ23と異なる方位に設定した複屈折結
晶板Ｐ21eとすると、このＰ21eをＰ21の替わりに配置す
れば、偏波モード分散の条件（ＰＭＤ２＋ＰＭＤ３）＝
ＰＭＤ１が実現される。このとき異常光の屈折率はＰ2
2、Ｐ23がｎei、Ｐ21eはｎeii、法線方向の板厚がｄiと
して前述の条件を満たすと同時に、Ｐ21eを透過した光
線はｄiの板厚を伝播する過程でＰ21で得られたものと
同じ方位に、同じ大きさの常光，異常光分離が見込めな
ければならない。
イソレータに本発明を適用すると、図中Ｐ21、Ｐ22、Ｐ
23における板厚はＰ21をｄとすると比率は1：1：√2で
ある。またそれぞれの偏波モード分散をＰＭＤ１，ＰＭ
Ｄ２，ＰＭＤ３とすると全体のＰＭＤは図２から明らか
なようにＰＭＤ＝（ＰＭＤ２＋ＰＭＤ３）−ＰＭＤ１で
あり、結局ＰＭＤ３に生ずる成分が残余として発生す
る。よってＰ21の光学軸と複屈折結晶板の法線との角度
（θk）をＰ22、Ｐ23と異なる方位に設定した複屈折結
晶板Ｐ21eとすると、このＰ21eをＰ21の替わりに配置す
れば、偏波モード分散の条件（ＰＭＤ２＋ＰＭＤ３）＝
ＰＭＤ１が実現される。このとき異常光の屈折率はＰ2
2、Ｐ23がｎei、Ｐ21eはｎeii、法線方向の板厚がｄiと
して前述の条件を満たすと同時に、Ｐ21eを透過した光
線はｄiの板厚を伝播する過程でＰ21で得られたものと
同じ方位に、同じ大きさの常光，異常光分離が見込めな
ければならない。
【００１７】数式１０および数式１１はそれぞれＰ21と
Ｐ21eの分離幅が一致する条件と、Ｐ22およびＰ23の合
成ＰＭＤとＰ21eのＰＭＤが相殺する条件からｄiをθk
の関数として導いた式であり、この２式が等しい条件か
らθk が導かれ、図６に示されるように数式１０(Ａ)お
よび数式１１(Ｂ)の交点における光学軸角度および複屈
折結晶板の厚みｄiが理論的に存在する。
Ｐ21eの分離幅が一致する条件と、Ｐ22およびＰ23の合
成ＰＭＤとＰ21eのＰＭＤが相殺する条件からｄiをθk
の関数として導いた式であり、この２式が等しい条件か
らθk が導かれ、図６に示されるように数式１０(Ａ)お
よび数式１１(Ｂ)の交点における光学軸角度および複屈
折結晶板の厚みｄiが理論的に存在する。
【００１８】
【数１０】
【数１１】
【００１９】以下の関係をさらに一般化すると、本発明
においては基本的に３個の複屈折結晶板Ｐi（i＝l，m，
n）が必要であり、それぞれの板面法線方向に対する光
学軸方位角をθi（i＝l，m，n）とする。θiは少なくと
も１つは異なる角度でなければならない。例えばθi＝
θnとすれば、θn≠θl＝θmまたはθn≠θl，θn≠θm
およびθl≠θmが考えられる。すなわち方位角が全て同
一でないことが第一要素である。
においては基本的に３個の複屈折結晶板Ｐi（i＝l，m，
n）が必要であり、それぞれの板面法線方向に対する光
学軸方位角をθi（i＝l，m，n）とする。θiは少なくと
も１つは異なる角度でなければならない。例えばθi＝
θnとすれば、θn≠θl＝θmまたはθn≠θl，θn≠θm
およびθl≠θmが考えられる。すなわち方位角が全て同
一でないことが第一要素である。
【００２０】一方光アイソレータとして第一の複屈折結
晶板にて常光線，異常光線に分離した光線が再結合しな
ければならないので、それぞれの分離幅ｓi（i＝l，m，
n）は以下の関係、
晶板にて常光線，異常光線に分離した光線が再結合しな
ければならないので、それぞれの分離幅ｓi（i＝l，m，
n）は以下の関係、
【数１２】 となり、ここでiは便宜上つけたもので、本質的に３個
の複屈折結晶板における分離幅には、 １：１：√2 の比例関係がなければならない。これら２つの条件に加
えて ＰＭＤl＋ＰＭＤm＝ＰＭＤn となる複屈折結晶板の厚みｄl，ｄm，ｄnが必然的に決
定される。
の複屈折結晶板における分離幅には、 １：１：√2 の比例関係がなければならない。これら２つの条件に加
えて ＰＭＤl＋ＰＭＤm＝ＰＭＤn となる複屈折結晶板の厚みｄl，ｄm，ｄnが必然的に決
定される。
【００２１】これらの条件は、 ｕ＝ｎo 2ｎe 2cos2θi−ｎo 2sin2αi ｖ＝−2ｎo 2ｎe 2cosθi・sinθi ｗ＝ｎo 2ｎe 2sin2θi−ｎei 2sin2αi とし、
【数１３】 と定義すると下記数式１４で与えられるθiiに対して、
【数１４】 偏波分散の関係
【数１５】
【数１６】 から一義的に規定されるθiとｄiを保持することが本発
明の構成要素である。
明の構成要素である。
【００２２】本発明の要旨を具体化する複屈折結晶板の
組み合わせやその法線方向と光学軸との組み合わせは多
様な配列が考えられるが、本発明に係わる偏波無依存型
アイソレータ構成として以下の条件が包含されてなけれ
ばならない。すなわち、 ：少なくとも一個の複屈折結晶板の光学軸方位が残余
の複屈折結晶板の光学軸方位と異なること、 ：に係わる複屈折結晶板を光線が伝播するとき誘起
される偏波モード分散は残余複屈折結晶板に起因する偏
波モード分散と分散度合いは同等で分散方向が互いに逆
方向であること、 ：光非相反効果を保持し、順方向損失は殆どなく、逆
方向損失は30dBを越える光アイソレータ機能を兼ね備え
ること が必要条件であり、以上の要素から所望の効果が得られ
る。したがって複屈折結晶板の光学軸方位やそれらの組
み合わせは、本発明の末梢的な要素であり特に言及しな
いが、本発明の要旨，効果を開示するため、以下実施例
に沿って詳述する。
組み合わせやその法線方向と光学軸との組み合わせは多
様な配列が考えられるが、本発明に係わる偏波無依存型
アイソレータ構成として以下の条件が包含されてなけれ
ばならない。すなわち、 ：少なくとも一個の複屈折結晶板の光学軸方位が残余
の複屈折結晶板の光学軸方位と異なること、 ：に係わる複屈折結晶板を光線が伝播するとき誘起
される偏波モード分散は残余複屈折結晶板に起因する偏
波モード分散と分散度合いは同等で分散方向が互いに逆
方向であること、 ：光非相反効果を保持し、順方向損失は殆どなく、逆
方向損失は30dBを越える光アイソレータ機能を兼ね備え
ること が必要条件であり、以上の要素から所望の効果が得られ
る。したがって複屈折結晶板の光学軸方位やそれらの組
み合わせは、本発明の末梢的な要素であり特に言及しな
いが、本発明の要旨，効果を開示するため、以下実施例
に沿って詳述する。
【００２３】
【実施例１】図１は、本発明を適用した無偏波光アイソ
レータの構造である。基本構成は複屈折結晶板Ｐ11，Ｐ
12，Ｐ13eとしてルチル結晶を採用し、複屈折結晶板の
切り出し角度（板面の法線方向と光学軸方向との角度）
はルチル結晶の光学軸に対してＰ11、Ｐ12はθ1＝47.8
゜、Ｐ13eはθ2＝69.8゜とした。ルチル結晶は正の一軸
結晶であり結晶の光学軸方位を図１に示す方向に配置す
る。それぞれの寸法はＰ11が3mm×3mm、厚さ1.41mmであ
り、Ｐ12は断面寸法は3mm×3mmであり、厚さはＰ11の√
2倍で、ちょうど2mmとした。Ｐ13eの厚みは数式１０、
数式１１から推定値2.02mmとした。
レータの構造である。基本構成は複屈折結晶板Ｐ11，Ｐ
12，Ｐ13eとしてルチル結晶を採用し、複屈折結晶板の
切り出し角度（板面の法線方向と光学軸方向との角度）
はルチル結晶の光学軸に対してＰ11、Ｐ12はθ1＝47.8
゜、Ｐ13eはθ2＝69.8゜とした。ルチル結晶は正の一軸
結晶であり結晶の光学軸方位を図１に示す方向に配置す
る。それぞれの寸法はＰ11が3mm×3mm、厚さ1.41mmであ
り、Ｐ12は断面寸法は3mm×3mmであり、厚さはＰ11の√
2倍で、ちょうど2mmとした。Ｐ13eの厚みは数式１０、
数式１１から推定値2.02mmとした。
【００２４】ファラデー回転子Ｆ1、Ｆ2は断面寸法が3m
m×3mm、厚さ約350μmで使用波長λ＝1550nmに設定した
ＬＰＥ法でＧＧＧ基板上に育成したBi置換希土類鉄ガー
ネットを用いた。ファラデー回転子による偏波分散性は
極微弱なので、複屈折結晶板における寄与だけ推定する
とき、光線軸に対して47.8゜に切り出された複屈折結晶
板Ｐ11、Ｐ12に垂直入射光線によって生じる偏波分散
は、その異常光線屈折率ｎe'は、ｎe'＝2.584となり、
δ＝1.565×10-12sすなわち、約1.56psとなる。Ｐ13eは
光学軸方位が69.8゜だから、同様にしてｎeii＝2.674、
δ＝1.533×10-12すなわち1.53psとなり偏波分散として
△δ＝0.02psとなる。
m×3mm、厚さ約350μmで使用波長λ＝1550nmに設定した
ＬＰＥ法でＧＧＧ基板上に育成したBi置換希土類鉄ガー
ネットを用いた。ファラデー回転子による偏波分散性は
極微弱なので、複屈折結晶板における寄与だけ推定する
とき、光線軸に対して47.8゜に切り出された複屈折結晶
板Ｐ11、Ｐ12に垂直入射光線によって生じる偏波分散
は、その異常光線屈折率ｎe'は、ｎe'＝2.584となり、
δ＝1.565×10-12sすなわち、約1.56psとなる。Ｐ13eは
光学軸方位が69.8゜だから、同様にしてｎeii＝2.674、
δ＝1.533×10-12すなわち1.53psとなり偏波分散として
△δ＝0.02psとなる。
【００２５】実際に干渉光強度交流同期検波方式による
偏波分散測定では0.01psであり、ほぼ予想通りの数値で
あった。もちろん、偏波分散の関係式から複屈折結晶板
の厚みが薄くなれば、偏波分散はそれだけ微弱に抑制で
きるが、光アイソレータとしての逆方向挿入損失を支配
する光線分離幅が小さくなり、結果として、消光比が劣
化するため意味をなさない。このとき光アイソレータの
挿入損失は0.6dB、消光比68.4dBを得た。基本的にファ
ラデー回転子を２個用いた２段構造になっているが光線
の結合効率は従来構造と同等であり、しかも図４の構造
より部品点数が少ないこと、磁化方向を互いに逆向きに
構成できるため温度特性，波長特性とも広帯域化が達成
できる。
偏波分散測定では0.01psであり、ほぼ予想通りの数値で
あった。もちろん、偏波分散の関係式から複屈折結晶板
の厚みが薄くなれば、偏波分散はそれだけ微弱に抑制で
きるが、光アイソレータとしての逆方向挿入損失を支配
する光線分離幅が小さくなり、結果として、消光比が劣
化するため意味をなさない。このとき光アイソレータの
挿入損失は0.6dB、消光比68.4dBを得た。基本的にファ
ラデー回転子を２個用いた２段構造になっているが光線
の結合効率は従来構造と同等であり、しかも図４の構造
より部品点数が少ないこと、磁化方向を互いに逆向きに
構成できるため温度特性，波長特性とも広帯域化が達成
できる。
【００２６】
【実施例２】図２の構成について従来構成と本発明の構
成を比較するため、二種類の偏波無依存型アイソレータ
を製作した。複屈折結晶板はルチル結晶でファラデー回
転子は実施例１と同様にBi置換希土類鉄ガーネット膜を
採用した。もちろんバルク結晶から切り出したＹＩＧ
（イットリウム鉄ガーネット）でも差し支えない。
成を比較するため、二種類の偏波無依存型アイソレータ
を製作した。複屈折結晶板はルチル結晶でファラデー回
転子は実施例１と同様にBi置換希土類鉄ガーネット膜を
採用した。もちろんバルク結晶から切り出したＹＩＧ
（イットリウム鉄ガーネット）でも差し支えない。
【００２７】二種類の構成において異なる部分は、図２
中Ｐ21を本発明に基づくＰ21eに差し替えた箇所であ
る。表１はそれぞれの構成比較および実測した偏波分散
結果を表示したものである。本実施例も複屈折結晶板の
光学軸方位を69.8゜に設定した複屈折単板を用いた。従
来方式に比較して偏波分散特性が大幅に抑制されてい
る。光線の順逆方向は組立方式によるもので図７(a)お
よび(b)に示されるような配列が可能である。
中Ｐ21を本発明に基づくＰ21eに差し替えた箇所であ
る。表１はそれぞれの構成比較および実測した偏波分散
結果を表示したものである。本実施例も複屈折結晶板の
光学軸方位を69.8゜に設定した複屈折単板を用いた。従
来方式に比較して偏波分散特性が大幅に抑制されてい
る。光線の順逆方向は組立方式によるもので図７(a)お
よび(b)に示されるような配列が可能である。
【００２８】
【表１】
【００２９】
【実施例３】表２は実施例２に係わる一段型構造偏波無
依存アイソレータを例として、複屈折結晶板条件を組み
替えた場合の構成とその性能を表記したものである。例
−31は２個の複屈折結晶板光学軸を45゜とし、ＰＭＤ補
償用複屈折結晶板は67.8゜に設定した場合であり、例−
32は全ての複屈折結晶板光学軸方位が異なる組み合わせ
である。いずれにしても光アイソレータ特性は所望の性
能が得られる。従って、どのような複屈折結晶板の組み
合わせを採用するかは、その他の設計因子、例えば、光
線伝播方向を短縮しファイバ間光結合を高めることを優
先するか、消光特性を高くするため常光，異常光の分離
幅を大きくすることを優先するか、あるいは価格的制約
から使用する複屈折結晶板の体積を最小限にする、等に
依存して自由な構成が自在に設計できる。
依存アイソレータを例として、複屈折結晶板条件を組み
替えた場合の構成とその性能を表記したものである。例
−31は２個の複屈折結晶板光学軸を45゜とし、ＰＭＤ補
償用複屈折結晶板は67.8゜に設定した場合であり、例−
32は全ての複屈折結晶板光学軸方位が異なる組み合わせ
である。いずれにしても光アイソレータ特性は所望の性
能が得られる。従って、どのような複屈折結晶板の組み
合わせを採用するかは、その他の設計因子、例えば、光
線伝播方向を短縮しファイバ間光結合を高めることを優
先するか、消光特性を高くするため常光，異常光の分離
幅を大きくすることを優先するか、あるいは価格的制約
から使用する複屈折結晶板の体積を最小限にする、等に
依存して自由な構成が自在に設計できる。
【００３０】
【表２】
【００３１】
【発明の効果】本発明は、従来部品点数を追加して対処
していた偏波分散抑圧型偏波無依存光アイソレータにお
いて、複屈折結晶板の厚みとその光学軸方位を選択する
ことから偏波分散をほぼ皆無にさせる構成を提示したも
のであり、部品の単純さ、組立の容易さ、構成原価低減
化が見込まれ、今後光増幅を導入した高速高密度光通信
システムにおける伝播信号の信頼性を高めることに貢献
すると共に、経済的利点の波及効果として光伝送システ
ム構築のための経済的負担を低減できることに多大な貢
献が期待できる。
していた偏波分散抑圧型偏波無依存光アイソレータにお
いて、複屈折結晶板の厚みとその光学軸方位を選択する
ことから偏波分散をほぼ皆無にさせる構成を提示したも
のであり、部品の単純さ、組立の容易さ、構成原価低減
化が見込まれ、今後光増幅を導入した高速高密度光通信
システムにおける伝播信号の信頼性を高めることに貢献
すると共に、経済的利点の波及効果として光伝送システ
ム構築のための経済的負担を低減できることに多大な貢
献が期待できる。
【図１】本発明の光アイソレータの構成例の概略図
【図２】従来の偏光無依存型光アイソレータの偏波分散
説明図
説明図
【図３】従来の一段構成で偏波分散補償用複屈折結晶板
を適用した構成例の概略図
を適用した構成例の概略図
【図４】二段構成で偏波分散特性を考慮した従来構成例
の概略図
の概略図
【図５】本発明による複屈折結晶板の光路説明図
【図６】偏波分散補償点を示す計算値のグラフ
【図７】本発明の光アイソレータの他の構成例
Ｐ 複屈折結晶板 Ｆ ファラデー回転子 θ 結晶光学軸方位角
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成６年３月９日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１４】
【数８】
【数９】 以上の関係において入射角α，分離幅ｓが決まれば、あ
る定まった位相遅れ（偏波モード分散と呼称し、以下Ｐ
ＭＤという）を補償するため、本発明はある適当な複屈
折結晶板の光学軸に対する切り出し角度を変動させ、ち
ょうど同じ分離幅ｓを有しＰＭＤが相殺される板厚に設
計することを提案するものである。ＰＭＤは何れも複屈
折結晶板を作製するときの光学軸方位角θと板厚に依存
するため、複屈折結晶板の条件を選択するときによって
調整できる。
る定まった位相遅れ（偏波モード分散と呼称し、以下Ｐ
ＭＤという）を補償するため、本発明はある適当な複屈
折結晶板の光学軸に対する切り出し角度を変動させ、ち
ょうど同じ分離幅ｓを有しＰＭＤが相殺される板厚に設
計することを提案するものである。ＰＭＤは何れも複屈
折結晶板を作製するときの光学軸方位角θと板厚に依存
するため、複屈折結晶板の条件を選択するときによって
調整できる。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１８】
【数１０】
【数１１】
Claims (3)
- 【請求項１】 複数の複屈折結晶板と１個もしくは２個
以上のファラデー回転子およびファラデー回転子磁化用
永久磁石からなる偏波方向に依存しない光アイソレータ
において、少なくとも一個の複屈折結晶板が、結晶光学
軸方位が他の複屈折結晶板の光学軸方位と異なり、かつ
前記他の複屈折結晶板を光線が伝播する過程に生じた偏
光の位相遅れに起因する偏波分散効果を相殺するに必要
な光学軸方位を有し、また偏波無依存型光アイソレータ
として順方向に損失なく光学結合がとれ、さらに逆方向
に光遮断機能をなすに必要な板面法線方向板厚を有する
ように配置することを特徴とした偏波無依存型光アイソ
レータ。 - 【請求項２】 第一、第二および第三の複屈折結晶板と
ファラデー回転子およびファラデー回転子磁化用永久磁
石からなる偏波方向に依存しない光アイソレータにおい
て、第一、第二の複屈折結晶板は板面法線方向に対する
結晶光学軸方位が同じで、板面法線方向板厚が√２：1
の比率であり、第三の複屈折結晶板は第一、第二複屈折
結晶板によって誘起される偏波分散を相殺するに必要な
結晶光学軸方位と厚みを具備することを特徴とした偏波
無依存型光アイソレータ。 - 【請求項３】 第一、第二および第三の複屈折結晶板と
前記複屈折結晶板間に挿入される第一、第二のファラデ
ー回転子およびファラデー回転子磁化用永久磁石からな
る偏波方向に依存しない光アイソレータにおいて、第
一、第二の複屈折結晶板は板面法線方向に対する結晶光
学軸方位が同じで、板面法線方向板厚が１：√２の比率
であり、第三の複屈折結晶板は第一、第二の複屈折結晶
板によって誘起される偏波分散を相殺するに必要な結晶
光学軸方位と厚みを具備することを特徴とした偏波無依
存型光アイソレータ。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP02604894A JP3647892B2 (ja) | 1994-01-28 | 1994-01-28 | 光アイソレータ |
| CA002141109A CA2141109C (en) | 1994-01-28 | 1995-01-25 | Polarization independent optical isolator |
| DE69506922T DE69506922T2 (de) | 1994-01-28 | 1995-01-27 | Polarisationsunabhängiger optischer Isolator |
| EP95101148A EP0665452B1 (en) | 1994-01-28 | 1995-01-27 | Polarization independent optical isolator |
| US08/709,626 US5774264A (en) | 1994-01-28 | 1996-09-09 | Polarization independent optical isolator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP02604894A JP3647892B2 (ja) | 1994-01-28 | 1994-01-28 | 光アイソレータ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07218866A true JPH07218866A (ja) | 1995-08-18 |
| JP3647892B2 JP3647892B2 (ja) | 2005-05-18 |
Family
ID=12182811
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP02604894A Expired - Lifetime JP3647892B2 (ja) | 1994-01-28 | 1994-01-28 | 光アイソレータ |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5774264A (ja) |
| EP (1) | EP0665452B1 (ja) |
| JP (1) | JP3647892B2 (ja) |
| CA (1) | CA2141109C (ja) |
| DE (1) | DE69506922T2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005241992A (ja) * | 2004-02-26 | 2005-09-08 | Namiki Precision Jewel Co Ltd | 光アイソレータ及び光学装置 |
| JP2025541236A (ja) * | 2023-02-06 | 2025-12-18 | ノースロップ グラマン システムズ コーポレーション | 光アイソレータシステム |
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| US5999240A (en) | 1995-05-23 | 1999-12-07 | Colorlink, Inc. | Optical retarder stack pair for transforming input light into polarization states having saturated color spectra |
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