JPH11142789A - 光非相反回路装置及びそれを用いた光スイッチ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 偏光分離素子を用いない，光学素子の光軸調
整の不要な，偏光無依存の光アイソレータ及び偏光無依
存の光サーキュレータ等の光非相反回路装置とその光非
相反回路装置を用いた偏光無依存の光スイッチを提供す
ること。 【解決手段】 光非相反回路装置は，光の進行方向に対
して交差する方向に配設され，同一方向に透過する光に
対して，互いに逆方向に偏光面が回転するする特性を持
つ少なくとも２つのファラデー回転子３，４と，前記光
の進行方向に対して前記２つのファラデー回転子３，４
の各々に対して，その前後またはその前または後ろのい
ずれかに配置された少なくとも各１つの旋光性を有する
物質からなる旋光子５，６と，前記旋光子の両側に設け
られた光導波路及びレンズ機能を有するレンズ素子１，
２と，前記ファラデー回転子５，６に外部磁界を印加す
るための外部磁界印加手段としてのマグネット７とを有
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は，光アイソレータ及
び主に光通信分野で光信号の整理に用いられる光サーキ
ュレータ等の光非相反回路装置及びそれを用いた光スイ
ッチに関し，光通信分野で用いられる光受動部品である
光アイソレータ及び光信号の整理に用いられる光サーキ
ュレータ及び１：２光スイッチ，２：２光スイッチ等の
光スイッチに関する。

【０００２】

【従来の技術】光通信システムにおいては，近年光信号
を電気信号に置き換えることなく光信号のままで直接増
幅を行う，光ファイバ増幅器の使用が検討されている。
この場合，増幅器内に特定の長さのＥｒ添加光ファイバ
を設置し，そこに増幅する信号光と励起光とを透過させ
て増幅光を得る。この光ファイバ増幅器には，順方向の
透過光のみを低損失で透過させかつ逆方向の戻り光を遮
断する，光アイソレータの使用が不可欠となつている。

【０００３】光アイソレータには，順方向の透過光のう
ち特定の偏光成分のみを透過させる偏光依存型と，透過
光の全成分を透過する偏光無依存型とがある。光通信シ
ステムでは両方の光アイソレータが使われるが，偏光依
存型は光通信用レーザーの直近，偏光無依存型は信号光
が透過する光ファイバの中間へと使い分けられることが
多い。

【０００４】このうち構成が比較的複雑な偏光無依存型
光アイソレータについては，従来より複屈折平行平板を
用いるタイプ（特開昭５４−１５９２４５号公報，参
照），テーパ状の複屈折板を用いるタイプ（特公昭６１
−５８８０９号公報，参照）などいくつかの構造が提案
されてきた。

【０００５】図６は新宅らによって最近に提案された
（１９９７ 春電子情報通信学会総合大会 Ｃ−３−９
８，第２８３頁，新構造の偏波無依存光アイソレータ，
参照）偏光無依存型光アイソレータの例を示す図であ
る。図６に示すように，従来技術による光アイソレータ
は，１つのファラデー回転子５９，２つの１／２波長板
５７，５８，および２つのレンズ機構５４，５５を有し
ており，かつ両端に光ファイバ５２，５３が配置されて
いる。この従来技術による光アイソレータでは，光を２
つの経路に分割するが，２種の分離光は同じ偏光成分を
それぞれ同量だけ含み，光ファイバ５２からの順方向透
過光の場合，出射側レンズ透過後に図の光ファイバ５３
端面にて再び合成される。この場合，合成される２分離
光は同一偏光面をもち，かつ同位相となり，互いに強め
合う関係になっているので，入射光と同じ光強度の透過
光が得られる。

【０００６】逆に光ファイバ５３から入射した光は２つ
の経路に分割され，各々の経路の光学素子を透過した後
に互いに同一の偏光面を持ち，互いに１８０゜位相のず
れた関係になるため，光ファイバと結合せず光ファイバ
に光が透過することはない。以上から，この光デバイス
が光アイソレータとして機能することがわかる。

【０００７】なお，２枚のレンズ５４及び５５間のファ
ラデー回転子５９，１／２波長板５７及び５８を透過す
る際の光は平行光であることが最も望ましい。

【０００８】一方，光通信システムにおいては，光ファ
イバ増幅器の使用が盛んになるに従い，そこに必須で用
いられる光部品である光サーキュレータの需要が増大し
ている。

【０００９】現在は電気信号に一度変換する従来の方式
が光ファイバ増幅器を用いる方法に置き換えられつつあ
り，これが進めば大容量の光通信が可能な波長多重通信
の実現がより容易になると考えられている。波長多重通
信のシステムでは，狭帯域光フィルタと光サーキュレー
タとを組み合わせた構造を多量に必要とすると考えられ
ており，光サーキュレータは今後の光通信システムの実
現において，需要の非常に大きな光デバイスの１つと考
えられている。

【００１０】ところで，光サーキュレータには偏光依存
型と偏光無依存型の２種類の構造がある。このうち透過
光の光サーキュレータ内での減衰が小さい偏光無依存型
では，光学素子透過時の反射・散乱や損失などによる避
けられない減衰以外には損失は発生しない。

【００１１】図７は従来技術による偏光無依存の光サー
キュレータを示す要部断面図である。図７において，例
えば，ポートＩ´からの入射光は３ｄＢカプラ６２に
て，入射光と同位相の光と入射光に対して９０゜位相の
遅れた光の２つに分割される。分割された２つの光は強
度が同一で，各々入射光に対して１／２になる。３ｄＢ
カプラ６２で分割された光は，各々別の光学素子（１／
２波長板６８とフアラデー回転子７１，フアラデー回転
子７０と１／２波長板６９）を透過し，その後，再度３
ｄＢ光カプラ６３にて結合する。その際，３ｄＢ光カプ
ラ６３のポートの一方には，各々１８０゜位相の異なる
光が入射し，他方には同位相の光が入射する。このため
一方には光が透過せず，他方には元の入射光と同じ強度
を持つ光が透過する。

【００１２】図７のポートＩ´から順方向（紙面の左側
から右側の向き）透過光として入射した光（地点Ｆ）
は，図７の左側の３ｄＢ光カプラ６２によって，まず２
つに分離される（地点Ｇ）。この場合，図中の下側の経
路に分離された透過光は，真っ直ぐに進んだ透過光に比
べ位相が９０゜遅れることになる。次に，図７中の上側
の経路に分離された透過光は，１／２波長板６８により
位相が変化する。この従来技術では，１／２波長板６８
の光学軸の向きは順方向側から見て−２２．５゜の方向
としており，それに応じて位相が変化する。次に，光は
ファラデー回転子７１である磁性ガーネットを透過し，
磁性ガーネットへの印加磁界の向きを順方向の光透過方
向と定めているため，各々の位相が右向きに４５゜（４
５゜遅れる）回転する（地点Ｈ）。

【００１３】その後，次に図中の下側の経路に分離され
た透過光は，ファラデー回転子７０である磁性ガーネッ
トを透過し，磁性ガーネットへの印加磁界の向きを順方
向の光透過方向と定めているため，各々の位相が右向き
に４５゜（４５゜遅れる）回転する。１／２波長板６９
により位相が変化する。この従来技術では，１／２波長
板６９の光学軸の向きは順方向側から見て＋２２．５゜
の方向としており，それに応じて位相が変化する（地点
Ｈ）。最後に上下の経路の分離光は，それぞれ独立に図
の右側の３ｄＢ光カプラ６３に入射する。この透過時に
各分離光はそれぞれ相手側の経路に位相差が一９０゜の
光をさらに分離し，それらを合成した透過光が図７のポ
ートII´及びポートIV´から夫々出射することになる。
ここで，ポートIV´に達した２分離光は互いに逆位相の
光であるために打ち消し合い，実際には何も出射される
ことはない。一方ポートII´に達した２分離光は互いに
同位相の光であるために合成され，光サーキュレータの
出射光となる。光サーキュレータ内部での避けられない
減衰を除くと，この出射光の強度はポートＩ´への入射
光と同じである。ただしポートＩ´への入射光とポート
IV´からの出射光との位相は等しくない。両者の位相は
裏返しの関係となっており，例えば，入射光が右回りの
円偏光であったならば出射光は左回りの円偏光となって
いる。

【００１４】同様に図７のポートII´から入射した透過
光はポートIII ´から，ポートIII´から入射した透過
光はポートIV´から，ポートIV´から入射した透過光は
ポートＩ´からそれぞれ出射するが，それぞれの出射光
の強度は光サーキュレータ内部での避けられない減衰を
除くと，それぞれの入射光の強度に等しい。また各入射
光と出射光の位相が裏返しの関係となっている点も同じ
である。

【００１５】このような４端子光サーキュレータにおい
て，磁性ガーネットへの磁界印加手段を磁界印加の向き
が可変な構造とすれば２：２光スイッチとなる。

【００１６】磁界印加の向きを可変とするには，例え
ば，磁性ガーネットの上面に半硬質磁性材料のようなヒ
スレリシスの小さな磁性体のヨーク状の構造を置き，そ
の一部にコイルを巻いて電流を流せばよい。電流の向き
を逆にすれば，磁性ガーネットに加えられる磁界の向き
も逆になる。この磁界の強度が磁性ガーネットを磁気飽
和させるに十分な大きさであれば，このデバイスは光ス
イッチとして動作する。

【００１７】一般的な光サーキュレータの構成では，フ
アラデー回転子に加える磁界印加の向きを変えることで
透過光が出射するポートを変更することができるため，
容易に光スイッチの構成をとることができる。

【００１８】図７の従来技術による光サーキュレータの
磁界印加手段の部分を永久磁石のような磁界の向きが固
定されたデバイスから，電磁石のような磁界印加の向き
の変更可能なデバィスとする。磁界印加の向きを逆にす
ればポートＩ´→ポートII´の透過光の経路をボートＩ
´→ポートIV´と変更することができる。このように，
光サーキュレータの磁界印加手段以外のデバイス構成を
ほぼそのまま用いて，光スイッチを実現することが可能
である。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】前述した従来技術によ
る光アイソレータでは，組み立て時の精密な位置合わせ
が難しいために，光学特性の優れた光アイソレータを製
造することが困難である。その理由について以下に説明
する。

【００２０】従来技術による光アイソレータにおいて
は，１／２波長板を用いるため光軸調整が必須であり，
光アイソレータの作製の自動化，高精度化は困難であ
る。１／２波長板にはｓｌｏｗ軸と呼ぶ光軸があり，１
／２波長板を透過した光の偏光面は，１／２波長板を透
過する前の偏光面の角度をθとし，ｓｌｏｗ軸の角度を
αとすると，２α−θとなる。

【００２１】従来技術による光アイソレータでは，光の
経路が２分割され，その経路に各々１つ以上の１／２波
長板を用いるため，その二つの経路の１／２波長板のｓ
ｌｏｗ軸の角度が異なる場合，二つの経路を通った光が
正確な位相差をもたなくなり，挿入損失の増大，アイソ
レーション特性の悪化，光の透過しないはずのポートへ
の光の漏れなどが生じる。これを避けるため，高精度な
光軸調整が必要で，光アイソレータの低価格化，集積化
のために，光軸調整の不要な光アイソレータが，従来か
ら求められてきた。

【００２２】一方，従来技術による光サーキュレータに
おいても従来技術による光アイソレータと同様な理由
で，１／２波長板を用いるため光軸調整が必須であり，
光サーキュレータの作製の自動化，高精度化は困難であ
る。そのため，従来技術による光アイソレータと同様
に，高精度な光軸調整が必要で，光サーキュレータの低
価格化，集積化のために，光軸調整の不要な光サーキュ
レータが，従来から求められてきた。

【００２３】そこで，本発明の一技術的課題は，偏光分
離素子を用いない，光学素子の光軸調整の不要な，偏光
無依存の光アイソレータ及び偏光無依存の光サーキュレ
ータ等の光非相反回路装置を提供することにある。

【００２４】また，本発明の他の技術的課題は，前記光
非相反回路装置を用いた偏光無依存の光スイッチを提供
することにある。

【００２５】

【課題を解決するための手段】本発明によれば，光の進
行方向に対して交差する方向に配設され，同一方向に透
過する光に対して，互いに逆方向に偏光面が回転するす
る特性を持つ少なくとも２つのファラデー回転子と，前
記光の進行方向に対して前記２つのファラデー回転子の
各々に対して，その前後またはその前または後ろのいず
れかに配置された少なくとも各１つの旋光性を有する物
質からなる旋光子とを備えた各第１種の光学素子と，前
記第１種の光学素子の両側に設けられた光導波路及びレ
ンズ機能を有するレンズ素子と，前記ファラデー回転子
に外部磁界を印加するための外部磁界印加手段と有する
ことを特徴とする光非相反回路装置が得られる。

【００２６】また，本発明によれば，前記光非相反回路
装置において，前記磁界印加手段は，並列に設置され，
互いに逆方向に着磁された一対からなり，前記磁界印加
手段の近傍に前記ファラデー回転子及び前記旋光子から
なる前記第１種の光学素子を１組づつ配設した構造を有
することを特徴とする光非相反回路装置が得られる。

【００２７】また，本発明によれば，前記光非相反回路
装置において，前記フアラデー回転子は，前記外部磁界
印加手段による一方向の印加磁界により，互いに逆方向
に偏光面を回転させるものを用いたことを特徴とする光
非相反回路装置が得られる。

【００２８】また，本発明によれば，前記いずれかの光
非相反回路装置において，前記ファラデー回転子および
前記旋光子からなる前記第１種の光学素子の各組を夫々
独立に光の進行方向に対して傾斜させたことを特徴とす
る光非相反回路装置が得られる。

【００２９】また，本発明によれば，前記いずれかの光
非相反回路装置を用いた光アイソレータであって，前記
光導波路が，光合分岐器を有しており，これにより光の
経路が２分割され，一方の経路を透過する光は，一つの
組の前記第１種の光学素子を透過し，他方の経路を透過
する光は，もう一の組の前記第１種の光学素子を透過す
るように，光の経路が配設されていることを特徴とする
光アイソレータが得られる。

【００３０】また，本発明によれば，前記いずれかの光
非相反回路装置を用いた光アイソレータであって，前記
光導波路及び前記レンズ素子の代わりに，前記光導波路
とレンズ機能を持つレンズ素子とを一体化した第２種の
光学素子を用いたことを特徴とする光アイソレータが得
られる。

【００３１】また，本発明によれば，前記いずれかの光
非相反回路装置を用いた光サーキュレータであって，前
記光導波路が，３ｄＢ光カプラを有しており，これによ
り光の経路が２分割され，一方の経路を透過する光は前
記一方の旋光子を透過し，他方の経路を透過する光は前
記もう一方の旋光子を透過するように，光の経路が配設
されていることを特徴とする光サーキュレータが得られ
る。

【００３２】また，本発明によれば，前記光サーキュレ
ータにおいて，前記光導波路及びレンズ機能を持つ前記
レンズ素子に替わって，光導波路とレンズ機能を持つレ
ンズ素子とを一体化した第２種の光学素子を用いること
を特徴とする光サーキュレータが得られる。

【００３３】また，本発明によれば，前記光サーキュレ
ータにおいて，前記光導波路とレンズ機能を持つ前記レ
ンズ素子を一体化した光学素子としてＰＬＣ構造を有す
る光導波路により構成されていることを特徴とする光サ
ーキュレータが得られる。

【００３４】また，本発明によれば，前記いずれかの光
非相反回路装置を用いたことを特徴とする光スイッチが
得られる。

【００３５】また，本発明によれば，前記いずれかの光
サーキュレータを用いたことを特徴とする光スイッチが
得られる。

【００３６】さらに，本発明によれば，前記いずれかの
光スイッチにおいて，前記磁界印加手段として磁場の方
向を，逆転させる機構を有する事により，磁界の反転に
より出力ポートを切り替える機能を有することを特徴と
する光スイッチが得られる。

【００３７】

【発明の実施の形態】以下，本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。

【００３８】（第１の実施の形態）図１（ａ）は本発明
の第１の実施の形態による非相反回路装置としての光ア
イソレータの要部を示す平面図，図１（ｂ）は側面図，
図１（ｃ）は斜視図で，図１（ｃ）においては，磁界印
加手段は除去されている。

【００３９】図１（ａ）を参照すると，同一方向の印加
磁界により互いに逆方向で同じ大きさで偏光面の回転を
生じる磁性ガーネットからなるファラデー回転子３，４
を用いている。第１種の光学素子は，ファラデー回転子
３及び旋光子５，及びファラデー回転子４及び旋光子６
の各組から構成されている。また，光導波路構造とレン
ズ機能を一体化した第２種の光学素子としてＴＥＣファ
イバ１，２を用いている。

【００４０】第１の実施の形態では，磁界印加手段とし
て用いたマグネット７が１個で構成が簡素になり，小型
化に適する。

【００４１】波長１．３μｍ用光アイソレータの場合，
光の透過方向に平行な同一方向の磁界に対して，一対の
フアラデー回転子３，４の（ＴｂＢｉ）₃ Ｆｅ₅ Ｏ₁₂結
晶と（ＧｄＢｉ）₃ （ＦｅＧａＡｌ）₅ Ｏ₁₂結晶は偏光
の回転方向は互いに逆で，４５゜回転するために要する
厚さは，どちらも約３７０μｍである。旋光子５，６と
しては，光透過方向でファラデー回転子３，４とは，偏
光面が逆回転する長さ１２ｍｍの右及び左水晶旋光子各
１個を用いた。

【００４２】図１（ｂ）は図１（ａ）を横方向から見た
図で，光学素子であるフアラデー回転子３，４と，旋光
子５，６とを光の入射方向に対して傾けた事により，素
子表面での反射戻り光の防止に非常に高い効果が得ら
れ，特性改善につながる。

【００４３】図１（ｃ）は図１（ａ）の光学素子である
ファラデー回転子３，４，及び旋光子５，６をガラス基
板８上に形成した溝９の上に埋め込み，光導波路を同じ
くガラス基板８上に形成したＶ字型の溝９に埋め込んだ
変形例を示している。この構造はＴＥＣ構造を有する光
導波路を用いる際に非常に有効で，作製の精度の向上と
簡便化を図ることができる。ＴＥＣ構造を有する光導波
路を用いることで部品点数の削減，それによる小型化，
高精度化が実現できる。

【００４４】この実施の形態で用いられたＴＥＣファイ
バの他に，第２種の光学素子としては，先球付き光導波
路，ＰＬＣ構造を有する光導波路などがあり，図１
（ｃ）に示したＴＥＣ構造を有する光導波路に替えてこ
れらの光学素子を用いても同様の効果が得られる。

【００４５】以上を用いた本発明の第１の実施の形態に
よる光アイソレータの特性は，挿入損失１．０ｄＢ，ア
イソレーション４０ｄＢ程度となる。

【００４６】次に，本発明の第１の実施の形態による光
アイソレータの動作について説明する。

【００４７】図１（ａ）を参照すると，ファラデー回転
子３は，偏光面を右回りに向きに４５゜回転させるよう
に設定してある。同じくファラデー回転子４は，ファラ
デー回転子３と逆方向に４５゜偏光面を回転させるよう
に設定してある。また，旋光子５，６は，旋光結晶から
なり，旋光子５は図中の左側から入射した光に対して
は，左回りに４５゜偏光面を回転させるように設定し，
旋光子６は図中の左側から入射した光に対しては，右回
りに４５゜偏光面を回転させるように設定してある。

【００４８】また，光導波路１から光学素子３，４に入
射する光は，その光の径のほぼ中央部で光学素子３，４
で分割される。その後，磁性ガーネット３に入射した光
は，偏光面を右回りに４５゜回転し，その後旋光子５で
左回りに４５゜回転する。磁性ガーネット４に入射した
光は磁性ガーネット４で左回りに４５゜，旋光子６で右
回りに４５゜偏光面を回転させる。

【００４９】よって，図中の上段を透過した光と下段を
透過した光は同一偏光面，同位相を持つため光導波路２
に結合し透過する。

【００５０】逆に光導波路２から入射した光は，図１
（ａ）中の上の経路では，旋光子５で右回りに４５゜，
ファラデー回転子３で右回りに４５゜偏光面が回転す
る。また図中の下の経路では旋光子６で左回りに４５
゜，磁性ガーネットで左回りに４５゜偏光面が回転す
る。よって，図中の上の段を透過した光と下の段を透過
した光は偏光面は同一であるが，位相が互いに逆とな
り，光導波路と結合しない。以上から光アイソレータと
して動作する事がわかる。

【００５１】ここで，本発明の第１の実施の形態におい
て，旋光現象は入射光の偏光状態に依存しないためにこ
の光アイソレータの光学素子は，光の進行方向に対して
ファラデー回転子と旋光子のどちらが先に来るかは問題
にならず，以下に示す関係を素子が満たすことが条件と
なる。

【００５２】旋光子は，相反素子でありファラデー回転
子は，非相反素子である。光アイソレータとして動作す
るには，一方から入射した光が二つの経路に分離し，１
つ以上の旋光結晶からなる旋光子とファラデー回転子を
透過した後に，互いに同一偏光面と同位相をもち，その
逆から入射した光が旋光結晶と，ファラデー回転子を透
過した後に，同一偏光面で互いに逆位相を持つことが必
要になる。その条件をもとに旋光子とファラデー回転子
に求められる偏光面の回転角を求める。偏光面の回転角
をθとする。

【００５３】求められる条件は順方向で２つの経路を透
過した光の位相が等しいことである。

【００５４】

【数１】 同じく逆方向に２つの経路を透過した光の位相に±π＋
２ｎπの差がある事が条件となる。但しｎは整数を表
す。

【００５５】

【数２】 旋光子は，相反素子であり，ファラデー回転子は非相反
素子であるため上記数１式及び数２式のようになる。こ
の関係から数１式＋数２式より，次の数３式が導かれ
る。

【００５６】

【数３】 偏光面の回転の角度の絶対値がπを越えるほどの厚さの
結晶を用意するのはあまり現実的ではないので，簡単の
ためｎ＝０を考える。その場合，次の数４式のようにな
る。

【００５７】

【数４】 上記数４式から，ファラデー回転子が２枚必要である事
が判明する。θ_F1とθ_F2の絶対値を等しくすると，次の
数５式とするのが適当である。

【００５８】

【数５】 数３式を数１式または数２式に代入すると結果として，
次の数６式のようにすることが適当であると判明する。

【００５９】

【数６】

【００６０】（第２の実施の形態）図２は本発明の第２
の実施の形態による光非相反回路装置としての光アイソ
レータを示す平面断面図である。図２に示すように，フ
ァラデー回転子１６，１７として同一組成の磁性ガーネ
ットを用いて，磁界印加手段として用いるマグネットと
してマグネット２０及び２０´の２つを使用したもので
ある。ファラデー回転子１６，１７に，印加される磁界
の方向は互いに逆である。第１種の光学素子は，夫々フ
ァラデー回転子１６及び旋光子１８の組み合わせ，ファ
ラデー回転子１７及び旋光子１９の組み合わせからな
る。この第２の実施の形態において，光合分波器１０，
１１を用いて光を同じ強度で２分割してから，第１種の
光学素子であるファラデー回転子１６及び旋光子１８と
第１種の光学素子であるファラデー回転子１７及び旋光
子１９に入射することが適当といえる。

【００６１】１．３μｍ用の光アイソレータでは，ファ
ラデー回転子１６，１７として３７０μｍ厚の（ＴｂＢ
ｉ）₃ Ｆｅ₅ Ｏ₁₂結晶板２枚，及び旋光子１８，１９と
して１２ｍｍの右及び左水晶旋光子を各１個づつ使用し
て，挿入損失０．８ｄＢ，アイソレーション特性４０ｄ
Ｂの結果を得た。また，第１の実施の形態では，光の中
心が光学素子の境界部を透過して，挿入損失を生じてい
たがこれによりほぼ完全に解決される。

【００６２】（第３の実施の形態）図３（ａ）及び
（ｂ）は本発明の第３の実施の形態による光非相反回路
装置としての光サーキュレータを示す図であり，図３
（ａ）は，光学素子や光導波路の構成を上方向から見た
場合について示した図，図３（ｂ）は，この光学素子部
分を透過光の光路に対し斜め置きした構成の場合の光サ
ーキュレータを横方向から見た図であり，図３（ａ）の
構成をガラス基板の上に実現したもである。

【００６３】図３（ａ）及び（ｂ）に示す光サーキュレ
ータは，４端子光サーキュレータと呼ばれるものであ
る。この基板材料としては，ガラスの他Ｓｉ等が適す
る。ここで，第２種の光学素子として，ＴＥＣ構造を有
する光導波路２３，２４，２５，２６を用いているが，
ここにＴＥＣ構造を有する光導波路を用いると光サーキ
ュレータの部品点数を削減する事ができるとともに，高
精度化，低損失化が実現できる。

【００６４】第３の実施の形態による光サーキュレータ
は，波長１．３μｍ用光サーキュレータのもので，用い
られている旋光子２９，３０は，１２ｍｍ厚の右及び左
水晶旋光子で，ファラデー回転子２７，２８として用い
られている磁性ガーネットは３７０μｍ厚の（ＴｂＢ
ｉ）₃ Ｆｅ₅ Ｏ₁₂結晶である。これらを組み合わせるに
は，第１種の光学素子である旋光子とファラデー回転子
との各組を接着剤で張り合わせるか，半田等で接合する
ことが適当である。

【００６５】以上で作製された光サーキュレータは，各
入出力ポートで挿入損失０．８ｄＢ，アイソレーション
特性４０ｄＢを実現する。

【００６６】次，図３を用いて本発明の第３の実施の形
態による４端子型光サーキュレータの動作について説明
する。図３をもとに各ボートＩ〜IVら透過光が入射した
場合の透過光の偏光面と位相について述べる。図３のポ
ートＩから順方向（紙面の左側から右側の向き）透過光
として入射した光（地点Ａ）は，３ｄＢ光カプラ２１に
よってまず２つに分離される（地点Ｂ）。この場合，図
中の下側の経路に分離された透過光は，真っ直ぐに進ん
だ透過光に比べ位相が９０゜遅れることになる。次に，
図中の上側の経路に分離された透過光は，磁性ガーネッ
トからなるファラデー回転子２７を透過し，ファラデー
回転子２７ヘの印加磁界の向きを順方向の光透過方向と
定めているため，各々の偏光面が右向きに４５゜（４５
゜遅れる）回転する（地点Ｃ）。次に，旋光子２９によ
り偏光面が変化する。

【００６７】第３の実施の形態においては，旋光子２９
の旋光の角度は光の進行方向が順方向では−４５゜とし
ており，それに応じて偏光面が変化する（地点Ｄ）。

【００６８】次に，図中の下側の経路に分離された透過
光は，磁性ガーネットからなるファラデー回転子２８を
透過し，下段のファラデー回転子２８への印加磁界の向
きを順方向の光透過方向と定めているため，各々の偏光
面が右向きに−４５゜（−４５゜遅れる）回転する。次
に，旋光子３０により位相が変化する。

【００６９】第３の実施の形態において，下段の旋光子
３０の旋光の角度は，光の進行方向が順方向では４５゜
としており，第３の実施の形態においては，旋光子の旋
光の角度は４５゜としており，それに応じて位相が変化
する（地点Ｅ）。

【００７０】最後に上下の経路の分離光はそれぞれ独立
に図の右側の３ｄＢ光カプラ２２に入射する。この透過
時に各分離光はそれぞれ相手側の経路に位相差が−９０
゜の光をさらに分離し，それらを合成した透過光が図の
ポートII，ポートIVら出射することになる。ここで，ポ
ートIVに達した２分離光は互いに逆位相の光であるため
に打ち消し合い，実際には何も出射されることはない。

【００７１】一方ポートIIに達した２分離光は互いに同
位相の光であるために合成され，光サーキュレータの出
射光となる。光サーキュレータ内部での避けられない減
衰を除くとこの出射光の強度はポートＩへの入射光と同
じである。ただしポートＩへの入射光とポートIVからの
出射光との位相は等しくない。両者の位相は裏返しの関
係となっており，例えば入射光が右回りの円偏光であっ
たならば出射光は左回りの円偏光となっている。

【００７２】同様に図のポートIIから入射した透過光は
ポートIII から，ポートIII から入射した透過光はポー
トIVから，ポートIVから入射した透過光はポートＩから
それぞれ出射するが，それぞれの出射光の強度は光サー
キュレータ内部での避けられない減衰を除くと，それぞ
れの入射光の強度に等しい。また各入射光と出射光の位
相が裏返しの関係となつている点も同じである。

【００７３】なお，旋光現象は入射光の偏光状態に依存
しないために，この光サーキュレータの光学素子部は光
の進行方向に対して，フアラデー回転子と旋光結晶板の
どちらが先に来るかは問題ではなく，以下に示す関係を
素子が満たすことが条件となる。

【００７４】ここで，偏光面の回転角をθとする。簡単
のためにファラデー回転子，旋光子ともに図中上段を添
え字１下段を添え字２として，またファラデー回転子の
添え字をＦとする。求められる条件は順方向で２つの経
路を透過した光の位相が等しいことである。即ち，次の
数７式に示される。

【００７５】

【数７】 同じく逆方向に２つの経路を透過した光の位相に±π＋
２ｎπの差がある事が条件となる。但しｎは整数を表
す。

【００７６】

【数８】 旋光結晶板は，相反素子であり，フアラデー回転子は非
相反素子であるため，上記数７式及び数８式のようにな
る。この関係から，数７式＋数８式より次の数９式が成
り立つ。

【００７７】

【数９】 偏光面の回転の角度の絶対値がπを越えるほどの厚さの
結晶を用意するのは，あまり現実的ではないので，簡単
のためｎ＝０を考える。その場合，次の数１０式が成り
立つ。

【００７８】

【数１０】 これよりファラデー回転子が２枚必要である事が判明す
る。θ_F1とθ_F2の絶対値を等しくすると次の数１１式の
ようにすることが適当である。

【００７９】

【数１１】 また，数９式を数７式又は数８式に代入すると結果とし
て，数１２式とすることが適当と判明する。

【００８０】

【数１２】 このような４端子光サーキュレータにおいて，磁性ガー
ネットからなるファラデー回転子への磁界印加手段を磁
界印加の向きが可変な構造とすれば２：２光スイッチと
なる。

【００８１】磁界印加の向きを可変とするには，例え
ば，磁性ガーネットからなるファラデー回転子の上面に
半硬質磁性材料のようなヒステリシスの小さな磁性体の
ヨーク状の構造を置き，その一部にコイルを巻いて電流
を流せばよい。電流の向きを逆にすれば，ファラデー回
転子に加えられる磁界の向きも逆になる。この磁界の強
度がファラデー回転子の磁性ガーネットを磁気飽和させ
るに十分な大きさであれば，このデバイスは光スイッチ
として動作する。

【００８２】具体的な動作は，図３に示す光サーキュレ
ータの磁界印加手段を，上記の磁気回路またはファラデ
ー回転子の偏光面の回転角が４５゜になる強度の磁界を
発生するコイルなどに変更して，磁界の方向を逆転させ
ると，ポートＩからポートIIではなく，ポートＩからポ
ートIVとなる様な動作である。

【００８３】（第４の実施の形態）図４（ａ）及び
（ｂ）は本発明の第４の実施の形態による光非相反回路
装置としての光サーキュレータを示す平面図及び側面図
である。図４（ａ）及び（ｂ）において，同一方向の磁
界のもとで，お互いに逆方向に光の偏光面を回転させる
ファラデー回転子３５，３６を使用して，磁界印加手段
１９として永久磁石マグネットを１つとしたものに加え
て，３ｄＢカプラの機能を持つＰＬＣ構造を持つ光導波
路３４を用いた光サーキュレータである。第１種の光学
素子として，ファラデー回転子３５及び旋光子３７との
組合せ，及びファラデー回転子３６及び旋光子３８との
組合せを用いている。

【００８４】波長１．３μｍ用光サーキュレータの場
合，光の透過方向に平行な同一方向の磁界に対して，フ
ァラデー回転子３５，３６の（ＴｂＢｉ）₃ Ｆｅ₅ Ｏ₁₂
結晶と（ＧｄＢｉ）₃ （ＦｅＧａＡｌ）₅ Ｏ₁₂結晶は，
偏光の回転方向は互いに逆で，４５゜回転するために要
する厚さは，実施の形態の場合，どちらもほぼ３７０μ
ｍである。旋光子３７，３８としては光透過方向でファ
ラデー回転子３５，３６とは偏光面が逆回転する長さ１
２ｍｍの右及び左水晶旋光子各１個を用いた。

【００８５】ＰＬＣ構造を有する光導波路は図４からわ
かるように１：２の３ｄＢ光カプラ３３と同等の光学的
振舞いを示す素子である。３ｄＢ光カプラ３３をＰＬＣ
構造を有する光導波路に置き換えると光デバイスの外形
の小型化を図ることができるという利点がある。

【００８６】第４の実施の形態によるサーキュレータの
動作は，第３の実施の形態のポートIVに終端処理を施し
たものと同等であり，構成が単純化された事で，調整が
簡略化され特性の向上，低コスト化が可能となる。

【００８７】以上から作製された本発明の第４の実施の
形態による光サーキュレータの特性は，１．３μｍにお
いて各ポートで挿入損失０．９ｄＢ，アイソレーション
特性４０ｄＢを実現する。この例ではバルク構成を示し
たが，光導波路への適用にも有効である。

【００８８】（第５の実施の形態）図５は本発明の第５
の実施の形態による光スイッチを示す斜視図である。図
５に示す光スイッチは，２：２光スイッチと呼ばれるも
ので，磁界印加手段としてヨーク形状の半硬質磁性材料
４０を用いた場合を示している。ここで２：２光サーキ
ュレータのポートIVに終端処理を行えば，容易に１：２
光サーキュレータとなる。図５の２：２光スイッチの光
学素子や光導波路の構成の構成は第３の実施の形態を示
す図３の構成と同一であるため，その図は割愛する。

【００８９】図５に記した該光学素子への磁界印加手段
であるヨーク形状の半硬質磁性材料４０は，ヒステリシ
スの小さな磁性材料であり，その一部にコイルを形成
し，適切な強さの電流を流すことによって，ヨーク形状
に沿った磁界を形成することができる。この磁界の強度
が，ファラデー回転子の磁性ガーネットの磁気飽和に十
分な大きさであれば，その内部の透過光の位相を４５゜
回転させることができる。

【００９０】また，コイル４１ヘの電流の向きを変える
と磁気飽和の向きも逆になり，透過光の位相の４５゜回
転の向きも逆になる。これにより，光スイッチを透過す
る光の出力端を切り替える動作が可能になる。

【００９１】光学素子の構成は，第３の実施の形態に記
載の光サーキュレータと同一であるため，１．３μｍ用
の光スイッチの特性は，挿入損失０．９ｄＢ，アイソレ
ーシヨン４０ｄＢとなる。なお，この光スイッチにおい
て磁界印加手段はコイルのみで構成する事も十分可能で
あるが，常時電流供給が必要になるため，光スイッチの
温度上昇が問題になる。

【００９２】ここで，図３では，光デバイス内部で透過
光を導く手段としてＴＥＣ構造を有する光導波路を用い
る場合について例示したものであるが，この光導波路は
ＴＥＣ構造を有する光導波路のほかに先球レンズ付き光
導波路，非球面レンズと光ファイバの組み合わせ，また
はその他の光導波路構造であっても，その透過光を低損
失で導きうる構成ならば差し支えない。ただし旋光結晶
板からなる旋光子および磁性ガーネットからなるファラ
デー回転子を透過する光学素子の領域には，導波路構造
を設けることができず，またこれら光学素子と導波路構
造との結合損失を抑えるために透過光は平行光，若しく
はそれに準じた光でなくてはならないため，この結合個
所には，何らかのレンズ構造を光導波路側に設ける必要
がある。

【００９３】図３〜図５に示す各実施の形態による光サ
ーキュレータ，光スイッチ内部において，各図中の上下
２系統の光導波構造の光学的な光路長が，２個の３ｄＢ
光カプラの間の領域においてそれぞれ等しいか，または
透過光の波長の逓倍であることが要求される。透過光の
位相はその進行と共に変化してしまうので，もしこの関
係が満たされていなければ本実施例の光デバイスは光サ
ーキュレータ，光スイッチとしての機能を有することに
ならない。

【００９４】なお，光学素子表面に対し透過光が垂直に
入出射する場合には，光学素子表面での反射光が戻り光
となってもとの導波路に入り込んでしまい，光デバイス
としての機能を阻害することがある。これを防止するた
めには各光学素子を傾けて設置する方法が有効である。
ファラデー回転子や旋光結晶板を用いる光デバイスの楊
合，その傾き角度は４゜〜８゜であることが多い。上記
光デバイスの場合，図３（ｂ）に示すように該光学素子
を上下方向，または左右方向のいずれかの向きに傾けて
設置すればよい。

【００９５】

【発明の効果】以上説明した通り，本発明により，光学
素子の光軸調整の必要のない光アイソレータが作製で
き，光アイソレータの低価格化が実現される。

【００９６】また，本発明によれば，光通信システムに
おいて構成デバイスとして用いられる光サーキュレー
タ，および光スイッチにおいて，そのコストダウン，小
型化，集積化を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の第１の実施の形態による光非
相反回路装置としての光アイソレータを示す平面図であ
る。（ｂ）は（ａ）の光アイソレータの側面図である。
（ｃ）は（ａ）の光アイソレータの斜視図である。

【図２】本発明の第２の実施の形態による光非相反回路
装置としての光アイソレータを示す平面図である。

【図３】（ａ）は本発明の第３の実施の形態による光非
相反回路装置としての光サーキュレータを示す平面図で
ある。（ｂ）は（ａ）の光サーキュレータの側面図であ
る。

【図４】（ａ）は本発明の第４の実施の形態による光非
相反回路装置としての光サーキュレータを示す平面図で
ある。（ｂ）は（ａ）の光サーキュレータの側面図であ
る。

【図５】本発明の第５の実施の形態による光スイッチを
示す斜視図である。

【図６】従来技術による光アイソレータを示す図であ
る。

【図７】従来技術による光サーキュレータを示す図であ
る。

【符号の説明】

１，２ 光導波路（ＴＥＣ構造を有する） ３，４ ファラデー回転子 ５，６ 旋光子 ７ マグネット ８ 基板 ９ Ｖ字型溝 １０，１１ 光合分波器 １２，１３，１４，１５ 光導波路（ＴＥＣ構造） １６，１７ ファラデー回転子 １８，１９ 旋光子 ２０，２０´ マグネット ２１，２２ ３ｄＢ光カプラ ２３，２４，２５，２６ 光導波路（ＴＥＣ構造） ２７，２８ ファラデー回転子 ２９，３０ 旋光子 ３１，３２ マグネット ３３ ３ｄＢ光カプラ ３４ 光導波路（ＰＬＣ構造） ３５，３６ ファラデー回転子 ３９ 磁界印加手段 ４０ 半硬質磁性材料 ４１ コイル ４２ 基板 ５２，５３ 光ファイバ ５４，５５ レンズ ５７，５８ １／２波長板 ５９ ファラデー回転子 ６０ マグネット ６２，６３ ３ｄＢ光カプラ ６４，６５ レンズ ６８，６９ １／２波長板 ７０，７１ ファラデー回転子 ７２ マグネット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川村 卓也 宮城県仙台市太白区郡山六丁目７番１号 株式会社トーキン内 (72)発明者 白木 健一 宮城県仙台市太白区郡山六丁目７番１号 株式会社トーキン内 (72)発明者 新宅 敏宏 東京都新宿区西新宿三丁目19番２号 日本 電信電話株式会社内 (72)発明者 下小園 真 東京都新宿区西新宿三丁目19番２号 日本 電信電話株式会社内 (72)発明者 館 彰之 東京都新宿区西新宿三丁目19番２号 日本 電信電話株式会社内

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光の進行方向に対して交差する方向に配
   設され，同一方向に透過する光に対して，互いに逆方向
   に偏光面が回転するする特性を持つ少なくとも２つのフ
   ァラデー回転子と，前記光の進行方向に対して前記ファ
   ラデー回転子の各々に対して，その前後またはその前ま
   たは後ろのいずれかに配置された少なくとも各１つの旋
   光性を有する物質からなる旋光子とを備えた各組の第１
   種の光学素子と，前記第１種の光学素子の各組を挟み込
   むように両側に設けられた光導波路及びレンズ機能を有
   するレンズ素子と，前記ファラデー回転子に外部磁界を
   印加するための外部磁界印加手段と有することを特徴と
   する光非相反回路装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の光非相反回路装置におい
   て，前記磁界印加手段は，並列に設置され，互いに逆方
   向に着磁された一対からなり，前記磁界印加手段の近傍
   に前記ファラデー回転子及び前記旋光子からなる第１種
   の光学素子を１組づつ配設した構造を有することを特徴
   とする光非相反回路装置。
3. 【請求項３】 請求項１記載の光非相反回路装置におい
   て，前記フアラデー回転子は，前記外部磁界印加手段に
   よる一方向の印加磁界により，互いに逆方向に偏光面を
   回転させるものを用いたことを特徴とする光非相反回路
   装置。
4. 【請求項４】 請求項１乃至３の内のいずれかに記載の
   光非相反回路装置において，前記ファラデー回転子及び
   前記旋光子からなる前記第１種の光学素子の各組を夫々
   独立に光の進行方向に対して傾斜させたことを特徴とす
   る光非相反回路装置。
5. 【請求項５】 請求項１乃至４の内のいずれかに記載の
   光非相反回路装置を用いた光アイソレータであって，前
   記光導波路が光合分岐器を有しており，これにより光の
   経路が２分割され，一方の経路を透過する光は，一つの
   組の第１種の光学素子を透過し，他方の経路を透過する
   光は，もう一方の組の第１種の光学素子を透過するよう
   に，光の経路が配設されていることを特徴とする光アイ
   ソレータ。
6. 【請求項６】 請求項１乃至４の内のいずれかに記載の
   光非相反回路装置を用いた光アイソレータであって，前
   記光導波路及び前記レンズ素子の代わりに，前記光導波
   路とレンズ機能を持つレンズ素子とを一体化した第２種
   の光学素子を用いたことを特徴とする光アイソレータ。
7. 【請求項７】 請求項１乃至４の内のいずれかに記載の
   光非相反回路装置を用いた光サーキュレータであって，
   前記光導波路が，３ｄＢ光カプラを有しており，これに
   より光の経路が２分割され，一方の経路を透過する光は
   前記一方の旋光子を透過し，他方の経路を透過する光は
   前記もう一方の旋光子を透過するように，光の経路が配
   設されていることを特徴とする光サーキュレータ。
8. 【請求項８】 請求項７記載の光サーキュレータにおい
   て，前記光導波路及びレンズ機能を持つ前記レンズ素子
   に替わって，前記光導波路とレンズ機能を持つレンズ素
   子とを一体化した第２種の光学素子を用いることを特徴
   とする光サーキュレータ。
9. 【請求項９】 請求項８記載の光サーキュレータにおい
   て，前記光導波路とレンズ機能を持つ前記レンズ素子を
   一体化した第２種の光学素子としてＰＬＣ構造を有する
   光導波路により構成されていることを特徴とする光サー
   キュレータ。
10. 【請求項１０】 請求項１乃至４の内のいずれかに記載
    の光非相反回路装置を用いたことを特徴とする光スイッ
    チ。
11. 【請求項１１】 請求項７乃至９の内のいずれかに記載
    の光サーキュレータを用いたことを特徴とする光スイッ
    チ。
12. 【請求項１２】 請求項１０又は１１記載の光スイッチ
    において，前記磁界印加手段として磁場の方向を，逆転
    させる機構を有する事により，磁界の反転により出力ポ
    ートを切り替える機能を有することを特徴とする光スイ
    ッチ。