JPH08505961A

JPH08505961A - 偏光モード分散の低い光学装置

Info

Publication number: JPH08505961A
Application number: JP6517216A
Authority: JP
Inventors: パン，ジン・ジョン; シー，ミン
Original assignee: イー−テック・ダイナミックス・インコーポレイテッド
Priority date: 1993-01-21
Filing date: 1994-01-18
Publication date: 1996-06-25
Also published as: US5557692A; US5727109A

Abstract

(57)【要約】本発明は光アイソレータ内の複屈折板（２０）の形態での補償素子を提供し、これは入力光ファイバからの光信号を視準させるための第１のＧＲＩＮレンズと、第１の複屈折偏光子楔（１２）と、光学ファラデー旋光器（１３）と第２の複屈折偏光子楔（１４）と、出力光ファイバに光信号を再び視準させるための第２のＧＲＩＮレンズとを用いる。板（２０）の速光軸かファラデー旋光器（１３）の板（２０）と同じ側の偏光子（１２）の速光軸と垂直になるように配置し、かつ板（２０）の厚さ（ｄ）を予め定められた態様で選択することによって、光アイソレータを介した偏光モード分散が実質的に低減される。本発明はまた、アイソレータを介したある偏光モード分散に繋がる「ウォーク・オフ」を最小にすることを可能にする。

Description

【発明の詳細な説明】偏光モード分散の低い光学装置発明の背景本発明は光ファイバ技術に関し、より特定的には光ファイバを介してのレーザによって発生された光信号の反射をブロックするのに有用な光アイソレータに関する。光ファイバネットワークで繰返し起こる問題は、光ファイバ内の光学、すなわち光信号の分散である。分散によって光学信号の異なる成分が広がる。たとえば、距離によって光ファイバに沿って進む信号の分散が起こり得る。チェックされないか、または補償されないままにされると、伝送の際には鮮明であった信号が、受信の際にはぼけたまたははっきりしない信号として到達する。論理「１」および「０」のデジタル信号の列は、「４分の３」と「４分の１」の論理値の間のはっきりとしない一連の信号の振動として到達することとなり得る。分散は多くの異なる源から起こり得る。これらの問題の多くは本質的に解決されたか、または回避されている。しかしながら、これまでほとんど見逃されてきた発生源は、光ファイバネットワーク内の一般的な素子の１つ、すなわち光アイソレータである。今日の光ファイバ技術では、光信号を発生し、これを光ファイバ上で中継するのに典型的には半導体レーザが用いられている。これらのレーザは光信号の反射から特に影響を受けやすく、これによってレーザが不安定となったり、その雑音が大きくなったりする。これらの反射信号がレーザに至るのをブロックするのに光アイソレータが用いられる。理想的には、これらの光アイソレータは順方向にはすべての光信号を伝送し、逆方向にはすべての信号をブロックする。これらの光アイソレータのうちの多くは、反射信号をブロックする機構として光信号の偏光モードを用いる。本発明は、光学信号が伝送される距離が長くなるほど、かつ信号伝送速度が上昇するほど、これらの光アイソレータが分散の問題を引き起こし得ることを認めるものである。言い換えれば、今日、光アイソレータが広く応用され、高速の光通信ネットワークが長い距離に至るため、偏光モード分散の問題はより顕著になると考えられる。本発明は、偏光モード分散が低減された光アイソレータを提供することによってこれらの問題を解決する、または実質的に軽減する。発明の概要本発明は、光アイソレータにおける複屈折板の形態の補償素子を提供し、これは入力光ファイバからの光信号を視準する第１のＧＲＩＮレンズと、第１の複屈折偏光子楔と、光ファラデー旋光器と、第２の複屈折偏光子楔と、出力光ファイバへの光信号を再び視準する第２のＧＲＩＮレンズとを用いる。この光アイソレータを介した偏光モード分散は、板の速光軸をファラデー旋光器の板と同じ側の偏光子の速光軸に垂直に配置し、板の厚さを予め定められた態様で選択することによって実質的に低減される。この態様で、異なる偏光モードの光線の光学距離が等化される。本発明はまた、アイソレータを介した偏光モード分散につながる「ウォーク・オフ」の最小化もを可能にする。板は、ニオブ酸リチウムおよびルチル等の種々の複屈折材料から形成することができ、光学アイソレータの素子と種々の配置で設けられる。第２の偏光子楔に装着されるニオブ酸リチウムの板は、性能と簡単な製造アセンブリとの最良の組合せを与えると考えられる。図面の簡単な説明図１は、現在用いられているタイプの光アイソレータの図である。図２Ａは、図１の光アイソレータの中央の素子を介した光線の順方向の経路を示し、図２Ｂは、図２Ａの光アイソレータの中央の素子を通る光線の逆方向の経路を示す。図３は、本発明の一実施例に従う光アイソレータの中央の素子を通る光線の順方向の経路を示す。図４は、図３の光アイソレータの中央の素子の種々のパラメータ間の関係を示すグラフである。図５Ａ−５Ｃは、本発明に従う補償板の異なる配置を示す。図６は、本発明の別の実施例に従う光アイソレータの中央の素子を通る光線の順方向の経路を示す。図７Ａは、図６に示される光アイソレータ内のニオブ酸リチウムから形成される補償板の厚さの関数としての時間遅延およびウォーク・オフを示すグラフであり、図７Ｂは、補償板がルチルから形成される場合の同様のグラフである。図８は、本発明の光アイソレータにおける複屈折素子に用いることができる材料およびその屈折率の表である。図９は、本発明から利点を受ける光学スイッチ／減衰器の図である。図１０は、図９の光学スイッチ／減衰器の素子の光軸の配向を示す。図１１Ａは、オンにされたときの光学スイッチ／減衰器内の液晶セルの動作を示し、図１１Ｂは、オフにされたときの液晶セルの動作を示す。図１２Ａは、図９のスイッチ／減衰器の液晶セルの正面図であり、図１２Ｂは、図１２Ａの液晶セルの断面図である。図１３Ａおよび図１３Ｂは、本発明に従う、種々の位置での補償板を備えた光学スイッチ／減衰器の概略の側面図である。図１４Ａおよび図１４Ｂは、本発明に従う、種々の位置での傾斜した補償板を備えた光学スイッチ／減衰器の概略の側面図である。好ましい実施例の説明図１は、一方向伝送について入来する光学信号の偏光モードを用いるタイプの代表的な光アイソレータの断面図である。光アイソレータは、ここでは入力ファイバ１７および出力ファイバ１８として示される光ファイバの経路に置かれて、入力ファイバ１７から出力ファイバ１８に光信号を伝送し、出力ファイバ１８から入力ファイバ１７への光信号をブロックする。これらの光信号の偏光モードは、いかなる反射信号をもブロックするように用いられる。光アイソレータはガラスのフェルール１０を有し、これに入力ファイバ１７が挿入される。フェルール１０はファイバ１７を整列させるのを助ける。入力ファイバ１７の端部からの信号は、第１のＧＲＩＮ（グレーデッドインデックス）レンズ１１によって伝送され、このレンズがファイバ１７の端部からの光を視準する。ＧＲＩＮレンズ１１からの視準された光は、複屈折結晶楔の形態の偏光子１２を通過する。光アイソレータの動作をよりよく示す図２Ａに示されるように、視準された光は偏光子１２への入射ビーム４０によって表わされる。偏光子１２はＧＲＩＮレンズ１１からの入射光を、結晶の光軸に沿って偏光されて常光線として示される図２Ａの光線４２で表わされる第１の光線と、光軸に垂直に偏光されて異常光線として示される図２Ａの光線４１として表わされる第２の光線とに分離する。分離は、複屈折結晶が２つの屈折率、すなわち光軸に沿って偏光された光の屈折率ｎ_oと光軸に垂直に偏光された光の屈折率ｎ_eとを有するために起こる。より小さい屈折率を有する複屈折材料の軸は、より大きな屈折率を有する軸と比較して、「速」軸と称することがある。光線４１および４２の双方とも、すなわち偏光子１２からの光は、その後ファラデー旋光器１３によって４５°回転される。旋光器１３は典型的には不純物がドープされたガーネット、またはその代わりにＹＩＧから形成され、ブロック１９によって表わされる永久磁石内に置かれる。回転された光は、アナライザと称することもある第２の偏光子１４によってさらに分離され、再び視準される。偏光子１２と同様に、第２の偏光子１４は複屈折結晶楔で形成される。この複屈折結晶の光軸は、第１の偏光子１２の光軸に関して４５°だけ配向される。したがって、第１の偏光子１２からの常光線４２は第２の偏光子１４の常光線４２でもあり、第１の偏光子１２からの異常光線４１は第２の偏光子１４の異常光線４１でもある。正味の結果は、第１の偏光子１２から第２の偏光子１４を介して移動した後、２つの視準された光線は互いから変位されることになる。２つの光線は次に組合されて、第２のＧＲＩＮレンズ１５によって出力ファイバ１８の端部上の点に再び焦点を合わされる。やはり、出力ファイバ１８はガラスのフェルール１６によって整列される。図２Ｂに示されるように、逆方向においては、光線４５によって表わされる出力ファイバ１８からの光は偏光子１４によって２つ、すなわち偏光子１４の光軸に沿って偏光される常光線４３と光軸に垂直に偏光される異常光線４４とに分離される。ファラデー旋光器１３を介して逆方向に通る際に、光線４３および４４の双方における光は４５°だけ回転される。この回転は順方向の光の回転と非相反であり、そのため第２の偏光子１４からの常光線４３は第１の偏光子１２の光軸に垂直に偏光され、第２の偏光子１４からの異常光線４４は第１の偏光子１２の光軸で偏光される。第１の偏光子１２に入射する第２の偏光子１４からの常光線および異常光線４３および４４は、その場所が入替わっている。偏光子１２において、常光線は参照符号４３Ａで示され、異常光線は４４Ａで示されて、これらの光線がそのそれぞれの偏光面から９０°だけ偏光されることを示している。この入替えのために、第１の偏光子１２を通過する際に光は偏光子１２を平行光線として射出しない。これは、偏光子１２を射出する２つの光線４３Ａおよび４４Ａについての異なる屈折角θ±Δθによって示される。この非平行の光はＧＲＩＮレンズ１１によって入力ファイバ１０の端部には位置しない点に焦点を合わされる。したがって、逆方向の光は入力ファイバ１０には戻らない。このタイプの光アイソレータのより詳細な説明を得るには、1991年11月1日に本発明者によって出願され、本譲受人に譲受された「改良された光アイソレータ」（AN IMP ROVED OPTICAL IS OLATOR」と題する米国特許出願連続番号第07/ 786,434号を参照されたい。その定義では、複屈折結晶には２つの異なる屈折率があり、常光線および異常光線をもたらす。本発明は、光アイソレータを介した分割された光線の経路が２つの異なる光学距離を有し得ることを認めるものである。したがって、信号が後にＧＲＩＮレンズ１５によって再び組合せられても、この信号は他方よりも先、または後の偏光モードを有する。２つの偏光モード間には時間遅延があり、信号は分散されている。長い距離にわたって光学信号が通過し、光ファイバを介して信号が移動する際に、分散効果が増大される。さらに、光ファイバネットワーク内のアイソレータを備えた多くの光中継器がこの問題をさらに助長する。図２Ａは、別の、より微妙な分散源をも示す。入射ビーム４０が分割され、２つの光線４１および４２は第２の偏光子１４を射出して、第２のＧＲＩＮレンズ１５によって組合される。２つの光線４１および４２は、それぞれｓ₁およびｓ₁ ＋ｓ₂だけ入射ビーム４０の元の進行ラインから変位することに注目されたい。異常光線４１と常光線４２との間の変位の差ｓ₂を、「ウォーク・オフ」と称することがある。公称上は互いに平行である２つの光線４１および４２はウォーク・オフのためにＧＲＩＮレンズ１５に同じ点では入射しないので、２つの線はＧＲＩＮレンズ１５によって完全には再び組合せられない。これによって出力ファイバ１８において光学信号の分散が起こる。したがって、ウォーク・オフが最小にされることが望ましい。本発明では、信号の２つの偏光モードの光路の距離が等化されるように、説明した光アイソレータの中央素子、すなわち第１および第２の偏光子と旋光器とともに補償板が配置される。この板は厚さｄを有し、定義では２つの異なる屈折率を有する複屈折結晶で形成される。旋光器の一方側または他方側に配置された板は、その速軸が旋光器の同じ側の偏光子の速軸に垂直であるように配置される。板の厚さは、アイソレータにおける２つの偏光モードの光学距離が実質的に等化され、ウォーク・オフを最小にするように選択される。補償板は偏光子と同じ材料から形成されてもよい。このような場合には、それが速軸であろうとなかろうと、板の光軸が旋光器の同じ側の偏光子の光軸に垂直に配置される。逆に、補償板は、第１および第２の偏光子の複屈折結晶と反対である屈折率の相対的大きさを有する材料から形成されてもよい。たとえば、本発明の一実施例で企図されているように、偏光子は、その常光線の屈折率が異常光線の屈折率を上回る（ｎ_o＞ｎ_e）ニオブ酸リチウムから形成される。補償板は、その常光線の屈折率が異常光線の屈折率を下回る（ｎ_o ＜ｎ_e ）ルチルから形成される。このような場合には、ルチルの補償板の光軸が旋光器の同じ側の偏光子の光軸に平行に配置される。板の速軸はここでも偏光子の速軸に垂直に配置されることに注目されたい。本発明の一実施例が図３に示される。順方向の光線がトレースされ、本発明の動作を示している。わかりやすくするために、先の図面で述べたのと同じ機能を果たす素子には、この図面およびこの後の図面にも同じ参照符号が用いられている。図３に示されるように、補償板２０が第１の偏光子１２とファラデー旋光器１３との間に配置される。第１および第２の偏光子１２および１４は角度θの楔型であり、その中点での厚さは１wである。板２０は厚さｄを有し、旋光器１３は厚さｔ_fを有する。永久磁石のためのブロック１９は図示されていない。第１および第２の偏光子１２および１４の間の分離はＳであり、偏光子１２と板２０との間隔はｔ₁であり、板２０と旋光器１３との間隔はｔ₂であり、旋光器１３と第２の偏光子１４との間隔はｔ₃である。第１の偏光子１２、板２０、旋光器１３および第２の偏光子１４の屈折率はそれぞれ、ｎ₁₂、ｎ_d、ｎ_f、およびｎ₁₄である。アイソレータの中央素子を介した光線の屈折および入射の種々の角度は、θ₁ないしθ₇として示される。スネルの法則より、アイソレータの中央素子を介して順方向に光線が移動する総光学距離は、以下のように計算される。ここで１_kは媒質ｋを介して光線が進む物理的距離であり、ｎ_kは媒質ｋに関する屈折率である。図３の実施例では、７つの媒質がある。もちろん、複屈折素子は２つの屈折率を有し、空気の屈折率は１である。光アイソレータの中央の素子を介して光線が移動する時間は、以下の式によって与えられる。ここでＣは真空での光の速度である。常光線と異常光線との間の時間分散は、補償板２０、ならびに偏光子１２および１４の複屈折材料の常光線および異常光線屈折率から生じる時間の差によって決定される。この差は、以下の直接的な式によってかなり正確に与えられる。小さい角度（θ≦１５°）に関しては完璧な近似である１次近似によって、以下のとおりとなる。ここでΔｎは、複屈折偏光子１２および１４の屈折率の差を表わし、Δｎ_dは板２０の屈折率の差である。等式（４）の第１の項は、補償板２０なしで発生された２つの偏光モード間の時間遅延を表わし、第２の項は補償板２０から発生した時間遅延を表わす。袖償板２０なしでの従来の光アイソレータ（Δｎ＝0.1 かつ１w＝0.8mm）に関する時間分散を計算すると、約５３ピコ秒の時間遅延となる。偏光モード分散を最小にする、またはこれを避けるために、時間遅延τ_dはできるだけ小さくなくてはならない。これは、（１）補償板２０の速軸が旋光器１３の同じ側の偏光子、この場合には第１の偏光子１２の速軸に垂直であるとき（または、言い換えれば、補償板２０が、２つの光線に対するその動作がアイソレータの他の素子の分散効果を相殺するように配置される）、かつ（２）板２０の厚さｄが以下のように決定されるときに起こる。図４は、楔形偏光子１２および１４の中点での幅１_wのいくつかの異なる値に関しての板２０の厚さｄと複屈折率の割合Δｎ／Δｎ_dとの関係を示す。図５Ａ−５Ｃは、光アイソレータ内の補償板２０の種々の配置を示す。もちろん、これらのすべての配置において、板２０の速軸はファラデー旋光器１３の同じ側の偏光子の速軸に垂直である。たとえば、図５Ａでは、板２０の速軸は第２の偏光子１４の速軸に垂直である。図３と同じ配置である図５Ｂでは、板２０の速軸は第１の偏光子１２の速軸に垂直であり、図５Ｃでは板２０の速軸は偏光子１４に垂直である。これらの配置はすべて偏光モード分散を効果的に低減する。これらは、所望のようにその挿入損失が小さい。図５Ａおよび５Ｂの配置は高い反射を有するが、図５Ｃでは低い。（言い換えれば、図５Ａおよび５Ｂの配置では入力戻損失が低く、図５Ｃでは高い。）最後に、図５Ｃの配置は図５Ａおよび５Ｂの配置よりもウォーク・オフを低減するのにより効果的であることがわかった。組立を簡単にするために、典型的には、補償板２０が、２つの素子の速軸がそれで配置される偏光子に接することが望ましい。図５Ｂの配置では、組立を簡単にするために光学板２０が偏光子１２から分離されていてもよいが、図５Ｃの配置は、板２０が偏光子１４から分離されていると組立が非常に難しい。これらを考慮すると、図５Ｃの光アイソレータの配置が、偏光モード分散が低く、簡単に組立てられることとなる。図６は、偏光板２０が第２の偏光子１４と直接接触する、このような配置の詳細を示している。図３の配置と同様に、第１の偏光子１２、ファラデー旋光器１３、第２の偏光子１４、偏光板２０を介して入射光がトレースされ、光学距離、結果としての時間分散およびウォーク・オフがスネルの法則を用いていかに計算され得るかを示している。図３と実質的に同じ基準パラメータを用いて、図６の配置に関する光学距離は以下のとおりとなる。これは、第１の偏光子１２から始まる７つの媒質を介した光線の移動に関する。図３に関して説明したように、時間分散τ_dは常光線および異常光線に関して、２つの光線の光学距離の差と光の速度で除算することとによって計算できる。ｎ₇ １₇ における差、常光線および異常光線が板２０を出る際に空気中を必ず移動することによるわずかな差を考慮に入れる微妙な点によって、この計算を厳密なものにしている。図６に示されるように、１₇＝ｈ₄・ｔａｎθであり、ｎ₇＝1.0 である。常光線および異常光線からのウォーク・オフδは以下のとおりである。ここでｈ_oおよびｈ_eは、それぞれ元の進行ライン３０からの常光線および異常光線の全変位である。図６の変位の符号ｈ_iを用いると以下のようになる。板２０の厚さｄ対時間分散τ_dのニオブ酸リチウムの補償板についての結果が図７Ａにプロットされる。偏光子１２および１４もまた、８°の楔角度でニオブ酸リチウムから形成され、分離距離Ｓは２ｍｍであり、ファラデー旋光器１３は１ｍｍの厚さｔ_fを有する。同じグラフがまた、プレート２０の厚さｄ対ウォーク・オフδを示す。図７Ｂは補償板２０がルチルから形成される場合のプロットを示す。他の動作パラメータはすべて図７Ａと同じである。図８は、異なる信号波長での３つの異なる複屈折材料であるルチル、方解石およびニオブ酸リチウムの屈折率の表である。おもしろい観察結果としては、ルチルの異常光線の屈折率は常光線よりも大きいが、方解石およびニオブ酸リチウムの屈折率はその逆であることである。この表から、本発明の利点を達成するようにその特定の要件に従ってアイソレータを構成するのに、第１の偏光子、第２の偏光子および補償板に種々の材料を選択できることが明らかである。適切なパラメータを選択することによって、時間分散τ_dを排除し、光アイソレータを介したウォーク・オフを最小にすることが可能である。偏光モード分散は実質的に低減される。本発明はまた、光アイソレータ以外の複屈折性に依存する装置にも適用できる。このような装置の１つである、新規な光学スイッチ／減衰器が本発明の利点を受け、Ｊ・Ｊ・パン（J.J.Pan）によって同日に出願され、本譲受人に譲受された「偏光に左右されない光学スイッチ／減衰器」（A POLARIZATION-INDEPENDENT OPTICAL SWITCH/ATTENUATOR）と題した特許出願に開示される。この特許出願はここに引用によって援用される。図９は、光学スイッチ／減衰器の要素を断面で示す図である。光学スイッチ／減衰器は上述の光アイソレータと同様の構成を有する。入力光ファイバ５７と関連する第１のＧＲＩＮ（グレーデッドインデックス）レンズ５１と、出力光ファイバ５８と関連する第２のＧＲＩＮレンズ５５と、第１の楔形複屈折偏光子５２と、液晶セル５０と、第２の楔形複屈折偏光子５４とが存在する。たとえば図１に示されるようなファイバ５７および５８を保持するためのフェルールは図示されていない。制御信号に応答して、液晶セル５０は第１のＧＲＩＮレンズ５１からの光信号を制御可能に回転させる。液晶セル５０の結果としての状態に依存して、光学信号は出力ファイバ５８に伝送されるかもしれないし、またされないかもしれない。言い換えれば、光学スイッチが説明されたことになる。この信号の強さは、装置が減衰器として動作するように調整することができる。図１０は、図９の液晶セル５０と偏光子５２および５４との種々の光軸の配向を示す。第１の偏光子５２の光軸は、第１のＧＲＩＮレンズ５１からの視準された光の進行ラインに垂直である任意の方向に配置される。第２の偏光子５４の光軸は、これが第１の偏光子５２の光軸から９０°だけ回転されて視準される光ビームの進行ラインに垂直になるように配置される。セル５０がオンになると、液晶の光軸は第１の偏光子５２の光軸から４５°にあり、セル５０は、光信号がセル５０を介して進む際にその１８０°の位相のリターデーションがあるような厚さを有する。本発明に従う光学スイッチの動作は図１１Ａおよび１１Ｂに示される。図１１Ａにおいて、セル５０がオンにされると、セル５０内の液晶が整列される。入射ビーム６０が第１の複屈折偏光子５１に当り、２つの偏光モードに分割され、その一方は異常光線に関し、他方は常光線に関する。液晶セル５０がオンになると、光信号は９０°だけ回転される。言い換えれば、異常光線は第１の偏光子５１の常光線の軸に沿って偏光され、常光線はここで偏光子５１の異常光軸に沿って偏光される。図１１Ｂは、液晶セル５０がオフにされたときのスイッチの動作を示す。先の場合のように、第１の偏光子５１は入射光６０を、偏光子５１の異常光軸および常光軸に沿った偏光モードで２つの光線に分割する。液晶セル５０がオンにされていないので、第１の偏光子５１からの光は効果なく通過する。第２の偏光子５４は、第１の偏光子５１の光軸に関して９０°で配置された光軸を有するので、第１の偏光子５１の異常光軸に沿って偏光された異常光線は、偏光子５４の常光軸と一致する。偏光子５１の常光軸に沿って偏光された光である常光線は、第２の偏光子５４の異常光軸と一致する。したがって、各光線が第１および第２の偏光子５１および５４において異なる屈折率を有する。したがって、光線は第１のＧＲＩＮレンズ５１からの元の進行ラインから偏向される。コリメータ／リコリメータとして作用するＧＲＩＮレンズへの入射角に対して非常に敏感であるため、異常光線および常光線の双方に関して小さな偏向角度δ が大きな減衰を生む。あらゆる意図および目的のために、どの光も入力ファイバ５７から出力ファイバ５８に受取られない。入力ファイバ５７からの光は出力ファイバ５８からブロックされる。図１２Ａおよび１２Ｂは、液晶セル５０の構成の詳細を示す。図９に示されるように、第１のＧＲＩＮレンズ５１の方に向いたセル５０の表面は、性能をよりよくするために反射防止膜で被覆されている。図１２Ａは、板７０が観察者に最も近い状態でのセル５０の正面図を示す。網がかけられた領域４７は、液晶材料を含むセルの領域を表わす。セルの側面図は、図１２Ａの点線１２Ｂ−１２Ｂによって示される図１２Ｂに図示される。セル５０はガラス板７０および７１を有し、その各々が、他方に面してインジウム酸化第１錫のコーティング７２および７３でそれぞれ被覆された表面を有する。図面に示されるように、板７０および７１は互いからずらされて、コーティング７２および７３の一部を露出させ、これらがセル５０のための透明電極を形成する。ポリマーの絶縁層７４および７５が、互いに面するコーティング７２および７３の部分を被覆する。層７４および７５にポリイミドを用いてもよい。板７０と７１との間のポリスチレンビーズで形成されるスペーサ７６は、板の間の厳密な分離を維持し、セル５０の液晶のための空洞を形成する。アイオワ州、ワーリントン（Warrington）のポリサイエンス社（Polysciences）の直径15.8μｍのビーズが、スペーサ材料としてよく機能することがわかった。スペーサ７６の厚さに依存して、マイラー、カプトン、ポリプロピレンおよびポリカーボネート等の種々の材料の薄膜およびファイバロッドがスペーサとして用いられ得る。ＵＶ（紫外光）で硬化されたエポキシが、スペーサ７６をポリマー層７４および７５（ならびに板７０および７１）に結合させる。板７０および７１は互いにきっちりと整列されるわけではないので、導電性コーティング７２および７３のある部分は露出される。これによって、制御端子７８および７９が、示されるようにコーティングに接続されることが可能となる。制御電極７８および７９上の信号が、セル５０の制御された動作のためのコーティング電極間の電界を形成する。端子７８および７９における信号が一方または他方の方向で結晶を整列させる電界を形成し、セル５０の「オン」および「オフ」状態を形成する。もちろん、これらの制御信号は複数であるものの、制御端子７８および７９のうちの一方を基準電位、たとえば接地に接続して、残りの制御端子を接地された端子に関して正または負に駆動することによって、単一の制御信号にしてもよい。セル７０の内容物に関して、ネマティックおよびスメクティック液晶のいずれを用いてもよい。しかしながら、スメクティックＣ^*型液晶が好ましい。これらの液晶は強誘電性である、すなわちこれらは自己偏光性であり、外部から与えられる電界での再配向が可能である。このような強誘電性液晶は、ネマティック液晶の約1,000倍早く切換えることができることがわかった。これらの強誘電性液晶はまた、より低いしきい値電圧を有する。本発明は、偏光に依存しない光学減衰器として動作するように適合させることもできる。第１の偏光子５２、第２の偏光子５５およびセル５０の軸を適切に整列させることによって、入力ファイバ５７から出力ファイバ５８への光学信号のパワーが予め定められた量だけ低減され得る。ある意味で、スイッチは減衰が完全な減衰器である。減衰器の一例は、アナログ制御信号に応答するセル５０を有する。制御信号の強さに応答して、液晶の光軸は、第１の偏光子からの光信号か９０°だけ回転されるまで、回転される。このように、入力ファイバ５７から出力ファイバ５８への光信号は、制御信号の強さに直接比例して減衰される。フルの強さで、信号は完全にブロックされる。信号が段階的に減衰されるように、制御信号をデジタル化した態様で動作させることも可能である。説明したスイッチの変形例では、偏光子５２および５５の軸を互いに関して再び整列させる。液晶セルがオンにされたときでも、すべての光がブロックされるわけではない。このように、軸の再整列に依存して、セル５０がオンにされたときに、光の予め定められた部分のみがブロックされる。この効果は、オンにされたときに液晶の光軸を再整列されることによっても達成できる。このスイッチ／減衰器は複屈折偏光子５１および５５の動作によって動作するので、先に説明した偏光モード分散の源として作用する。図１３Ａおよび１３Ｂに示されるように、複屈折材料の補償板８０が液晶セル５０のいずれの側に配置されても、偏光モード分散は実質的に低減できる。図１４Ａおよび１４Ｂは他の配置を示し、補償板８０が傾斜して、第２の偏光子５４と接した配置（図１４Ａ）と第２の偏光子５４から離れた配置（図１４Ｂ）とを示す。光アイソレータに関して説明した同じ計算を用いて、補償板の正しい寸法およびパラメータを決定できる。しかしながら、多くの液晶材料が複屈折の特性を有するので、通過の際にセル５０が偏光モード分散のさらなる源となり得ることに注目されたい。このような液晶を選択すると、スイッチ／減衰器の種々の素子の寸法、パラメータおよび配置の決定が光アイソレータの場合よりも複雑になる。本発明の好ましい実施例を完全に説明したが、種々の代替例、変形例および均等物を用いることができる。本発明は上述の実施例に適切な変更を加えることによっても同じように適用できる。したがって、上述の説明は、添付の請求の範囲によって規定される本発明の範囲を制限するものと理解されるべきではない。

Claims

【特許請求の範囲】１．光ファイバのための光アイソレータであって、複屈折材料の第１の偏光子を備え、前記偏光子は、前記偏光子を介して前記材料の光軸に沿った偏光モードでの光学信号の光路距離が前記光軸に垂直な偏光モードでの前記光学信号の光路距離とは異なるように２つの屈折率を有し、さらに前記２つの光路に配置される複屈折材料の板を備え、前記材料は、前記第１の偏光子および前記板を介した一方の偏光モードでの前記光学信号と他方の偏光モードでの前記光学信号との光路の差が実質的に低減されるように選択された屈折率を有し、それによって前記アイソレータを介した前記光学信号の偏光モード分散が実質的に低減される、光アイソレータ。２．前記第１の偏光子および前記板の各々が速軸を有し、前記偏光子の前記速軸が前記板の前記速軸に垂直に整列される、請求項１に記載の光アイソレータ。３．前記アイソレータがファラデー旋光器をさらに含み、前記第１の偏光子および前記板は前記液晶セルの同じ側に配置される、請求項２に記載の光アイソレータ。４．前記第１の偏光子がニオブ酸リチウムを含み、前記複屈折材料の板がルチルを含み、偏光モード分散が実質的に低減されるように配置される、請求項１に記載の光アイソレータ。５．ニオブ酸リチウムの第２の偏光子をさらに備える、請求項４に記載の光アイソレータ。６．前記第１の偏光子がニオブ酸リチウムを含み、前記複屈折材料の板がニオブ酸リチウムを含み、偏光モード分散が実質的に低減されるように配置される、請求項１に記載の光アイソレータ。７．ニオブ酸リチウムの第２の偏光子をさらに備える、請求項６に記載の光アイソレータ。８．少なくとも１つの複屈折ニオブ酸リチウム結晶偏光素子を有する光アイソレータであって、その改良点が、前記光アイソレータを介した偏光モード分散が実質的に低減されるように、前記１つの複屈折ニオブ酸リチウム結晶偏光素子に関して配置されるルチル結晶を含む、光アイソレータ。９．少なくとも１つの複屈折ニオブ酸リチウム結晶偏光素子を有する光アイソレータであって、その改良点が、前記光アイソレータを介した偏光モード分散が実質的に低減されるように、前記１つの複屈折ニオブ酸リチウム結晶偏光素子に関して配置される第２のニオブ酸リチウム結晶を含む、光アイソレータ。１０．第１の光ファイバを保持するための第１のスリーブと、第１のＧＲＩＮレンズと、第１の偏光子と、光学ファラデー旋光器と、第２の偏光子と、第２のＧＲＩＮレンズと、第２の光ファイバを保持するための第２のスリーブとを有する光ファイバのための改良された光アイソレータにおいて、その改良点として、前記光アイソレータを介した偏光モード分散を実質的に低減するための手段を前記光アイソレータがさらに備える、改良された光アイソレータ。１１．少なくとも１つの前記偏光子が、速光軸を有するニオブ酸リチウムの複屈折結晶を含み、前記実質的に低減する手段が、前記アイソレータを介した偏光モード分散が実質的に低減されるように前記ニオブ酸リチウムの速光軸に垂直に配置される速光軸を有する複屈折材料を含む、請求項１０に記載の改良された光アイソレータ。１２．前記第１および第２の偏光子がニオブ酸リチウムの複屈折結晶を含む、請求項１１に記載の改良された光アイソレータ。１３．前記実質的に低減する手段が、前記第１の偏光子と前記ファラデー旋光器との間に配置されたニオブ酸リチウムの板を含む、請求項１２に記載の改良された光アイソレータ。１４．前記実質的に低減する手段が、前記第１の偏光子と前記ファラデー旋光器との間に配置されたルチルの板を含む、請求項１２に記載の改良された光アイソレータ。１５．前記実質的に低減する手段が、前記ファラデー旋光器と前記ニオブ酸リチウムの板との間に配置された前記第２の偏光子を有するニオブ酸リチウムの板を含む、請求項１２に記載の改良された光アイソレータ。１６．前記ニオブ酸リチウムの板が前記第２の偏光子に接触する、請求項１５に記載の改良された光アイソレータ。１７．前記実質的に低減する手段が、前記ファラデー旋光器と前記ルチルの板との間に配置された前記第２の偏光子を有するルチルの板を含む、請求項１２に記載の改良された光アイソレータ。１８．前記ニオブ酸ルチルの板が前記第２の偏光子に接触する、請求項１５に記載の改良された光アイソレータ。１９．入力光ファイバと出力光ファイバとの間の接続のための光アイソレータであって、前記アイソレータは複屈折材料から形成される第１の偏光子素子を備え、そのため、前記第１の偏光子素子を介して通る前記入力ファイバからの光学信号に関して、前記光学信号が、前記材料の光軸に沿った光学信号偏光モードと前記光軸に垂直の偏光モードとに関して前記第１の偏光素子を介した異なる光路距離を有し、さらに複屈折材料から形成される補償素子を備え、前記補償素子は、前記第１の偏光子素子材料の前記光軸に沿った前記光学信号の偏光モードと前記光軸に垂直な前記偏光モードとについて前記第１の偏光子素子を介した光路距離の差が補償されるように配置され、それによって前記入力ファイバから前記出力ファイバへの前記アイソレータを介した前記光学信号の偏光モード分散が実質的に低減され得る、光アイソレータ。２０．前記第１の偏光子素子が、光軸に沿った第１の屈折率と前記光軸に垂直な第２の屈折率とを有する複屈折材料を含み、前記第１の率は前記第２の率に等しくなく、前記補償素子は、光軸に沿った第３の屈折率と前記光軸に垂直な第４の屈折率とを有する複屈折材料を含み、前記第３の率は前記第４の率と等しくなく、かつ前記第１の率および前記第２の率の前記不均等に反対に前記第４の率と関連し、前記補償素子は、その光軸が前記第１の偏光子素子の前記光軸と平行になるように配置される、請求項１９に記載の光アイソレータ。２１．前記第１の偏光子がニオブ酸リチウムを含み、前記補償素子がルチルを含む、請求項２０に記載の光アイソレータ。２２．ニオブ酸リチウムから形成される第２の偏光子素子をさらに備える、請求項２１に記載の光アイソレータ。２３．前記補償素子が、前記第１および第２の偏光子素子間に配置された板の形態である、請求項２２に記載の光アイソレータ。２４．前記第１の偏光子素子が、光軸に沿った第１の屈折率と前記光軸に垂直な第２の屈折率とを有する複屈折材料を含み、前記第１の率は前記第２の率に等しくなく、前記補償素子が、光軸に沿った第３の屈折率と前記光軸に垂直な第４の屈折率とを有する複屈折材料を含み、前記第３の率は前記第４の率と等しくなく、かつ前記第１の率対前記第２の率と同じ不均等の関係を前記第４の率に対して有し、前記補償素子は、その光軸が前記第１の偏光子素子の前記光軸に垂直になるように配置される、請求項１９に記載の光アイソレータ。２５．前記第１の偏光子および前記補償素子がニオブ酸リチウムを含む、請求項２４に記載の光アイソレータ。２６．ニオブ酸リチウムから形成される第２の偏光子素子をさらに備える、請求項２５に記載の光アイソレータ。２７．前記補償素子が、前記第１および第２の偏光素子間に位置される板の形態である、請求項２６に記載の光アイソレータ。２８．光ファイバのための光学スイッチ／減衰器であって、前記スイッチ／減衰器は第１および第２の複屈折偏光子と、その間の液晶セルとを有し、前記スイッチ／減衰器は前記複屈折偏光子のうちの一方が２つの屈折率を有し、そのため前記一方の偏光子を介した前記材料の光軸に沿った偏光モードにおける光学信号の光路距離が、前記光軸に垂直な偏光モードにおける前記光学信号の光路距離とは異なり、前記２つの光路に配置される複屈折材料の板を備え、前記材料は、前記一方の偏光子および前記板を介した一方の偏光モードにおける前記光学信号と他方の偏光モードでの前記光学信号との光路の差が実質的に低減されるように選択された屈折率を有し、それによって前記スイッチ／減衰器を介した前記光学信号の偏光モード分散が実質的に低減される、光学スイッチ／減衰器。２９．前記一方の偏光子および前記板の各々が速軸を有し、前記一方の偏光子の前記速軸が前記板の前記速軸に垂直に整列される、請求項２８に記載の光学スイッチ／減衰器。３０．前記一方の偏光子および前記板が、前記液晶セルの同じ側に位置する、請求項２９に記載の光学スイッチ／減衰器。３１．前記一方の偏光子がニオブ酸リチウムを含み、前記複屈折材料の板がルチルを含み、偏光モード分散が実質的に低減されるように配置される、請求項２８に記載の光アイソレータ。３２．前記偏光子の他方がニオブ酸リチウムを含む、請求項３１に記載の光アイソレータ。３３．前記一方の偏光子がニオブ酸リチウムを含み、前記複屈折材料の板がニオブ酸リチウムを含み、偏光モード分散が実質的に低減されるように配置される、請求項２８に記載の光アイソレータ。３４．前記偏光子の他方がニオブ酸リチウムを含む、請求項３３に記載の光アイソレータ。