JPS62226105A - フアイバ形光アイソレ−タ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の利用分野］ 本発明は、光アイソレータに関し、特に光ファイバとの
接続が容易なファイバ形光アイソレータに関する。

し従来技術］ 半導体レーザ（以下、単にレーザという）は自ら発した
レーザ光の戻り光により動作状態が不安定になる欠点が
ある。レーザ、光ファイバ、光学素子などにおける接続
面等の屈折率の変化のある面では、レーザ光が端面反射
し、この反射光がレーザに戻るとレーザの発振波長や出
力に変化を生じさせ、動作状態を不安定にさせる。光ア
イソレータはこの反射による戻り光を阻止するために使
用される。

従来の光アイソレータは第８図に示すように偏光子１、
ファラデー回転子２、検光子３の順に並べられて構成さ
れ、ファラデー回転子２には光軸に平行な均一磁界Ｈが
かけられる。このファラデー回転子２は光が磁界の方向
と平行に進行するとき直線偏光の偏光方法を回転させる
働きをし、その回転角度θはファラデー回転子の長ざノ
と磁界Ｈに比例し、θ＝Ｖｔ−１．ｅで表わされる。こ
こで、■はベルデ定数（Ｖｅｒｄｅｔ　Ｃｏｎ５ｔａｎ
ｔ　）と呼ばれ物質及び使用する光の波長により定まる
定数である。

第８図において、レーザ４から、出射され光ファイバ５
を伝搬してきた光Ｌ１は偏光子１を通ると直線偏光Ｌ２
となり、ファラデー回転子２では磁界Ｈの作用により偏
光方向が４５度（例えば時計方向）回転した直線偏光Ｌ
３となり、この直線偏光Ｌ３をそのまま通過させるよう
偏光子１に対して４５度回転させて配置した検光子３を
通って光ファイバ５に入射される。

これに対し、戻り光のうち検光子３を通過した光はファ
ラデー回転子２によりさらに４５度回転することになる
。これは入射直線偏光に対し偏光方向が９０度回転した
ことになり、そのため戻り光は偏光子１を通過すること
ができない。従って、戻り光がレーザ４に到着するのを
阻止できる。

このような従来の光アイソレータの偏光子及び検光子と
しては方解石をはり合わせたグラントムソンプリズム等
を用い、ファラデー回転子しとしては磁気光学結晶のＹ
ＩＧ　（Ｙ３　Ｆｅ５０１２）やビスマス置換希土類磁
性ガーイ、ット結晶（ＢｉｘＲ３−ｘＦｅ５０１２ここ
でＲは希土類イオン）、あるいは磁気光学ガラスの常磁
性ガラスや反磁性ガラス又は透明なアモルファス磁性材
料を含むガラス等を用いる。

一方、以上のようなバルク形光アイソレータに対し近年
ファイバ形光アイソレータが提供されている。その一つ
に、コア近傍に金属が存在すると電解が金属面に垂直な
モードは吸収され、平行なモードだけが透過するという
偏光作用を持ったファイバ形偏光子と応力付与光ファイ
バのビート長を利用したファイバ形位相板とが一体に形
成されるファイバ形光アイソレータがある。この場合、
レーザ光は偏光子を通過後直線偏光となって１７４位相
板に入射し、１７４位相板を通過すると円偏光となって
光ファイバに入射する。この光の一部が戻り光となって
１７４位相板に先とは逆方向から入射し、その戻り光が
逆の旋回方向の円偏光となっている場合、１７４位相板
から偏光子に戻る部分で先の入射直線偏光とは９０度傾
いた直線偏光となっているので偏光子を通過することが
できず、戻り光はレーザには達しないというものである
（特開昭５８−１９５８２４号、同５９−５３８０４号
）。

他の例としては、光ファイバのコア軸線と直角方向に弓
形溝を形成し、その溝に金属・誘電体の交互多層体を設
けて形成した偏光子とファラデー回転子とを組み合わせ
たファイバ形光アイソレータが提案されている（特開昭
６０−１８４２２５号）。

［発明が解決しようとする問題点］ 前述のバルク形光アイソレータは、偏光子、ファラデー
回転子、検光子の寸法が大きく、一方、これを接点を接
続するシングルモードファイバはコア径が数μ卯と極め
て細いものである。従って光軸合せが難しく、入射損失
も大きくなる。そのためレンズ等を用いて光を細く絞っ
て入射しなければならない。また光は屈折率の異なる媒
質の中を通るので反射による損失も大きくなる。従って
、量産性に欠け、価格的にも高価である。

一方、従来のファイバ形光アイソレータでは、阻止でき
る戻り光が円偏光でありしかも往路に対して旋回方向が
逆である場合だけであり、このような条件を満たさない
戻りの光はレーザに達してしまう欠点がおった。また、
光ファイバに溝を形成したり、その溝に組込むための金
属・誘電体の交互多層体を必要とするなど超精密加工を
必要とした。

本発明は、上述の従来の問題点に鑑みなされたもので、
精密な光軸合わせが不必要で、入射損失・反射損失が小
さく、高価な光学結晶を用いず、いかなる戻り光をも阻
止でき、また光ファイバとの接続が容易で量産性に優れ
た安価なファイバ形光アイソレータを提供するものであ
る。

Ｕ問題点を解決するための手段］ 本発明は、ファラデー回転子をコアとし、該コアより屈
折率の低いガラスをクラッドとすると共に、前記コアに
接して又は前記コアの近傍であって前記コアの片側又は
両側に、単位長さ当りのファラデー回転角度に等しいね
じれ角度で金属部を設けてなる。このような構成により
光導波路中に偏光子の機能とファラデー回転子の機能を
同時に持たせて上記問題点を解決した。

［作　用］ 上記構成の本発明のファイバ形光アイソレータのコアに
入射した光は、光軸に平行な均一磁場におかれているた
めファラデー回転子のファラデー効果により回転させら
れながら進むが、その回転角度に沿って金属部が設けら
れているため電界方向が金属面に垂直な偏光成分は常に
金属面に垂直に保たれながら進むため急激に減衰してゆ
き光アイソレータを通過することができない。一方、電
界方向が金属面に水平な偏光成分は常に金属面に水平な
状態で進むため減衰することなく光アイソレータを通過
することができる。従ってこの出射した光は直線偏光と
なっている。一方、出射した光の一部が反射光として戻
ってきた場合には、戻り光はファラデー回転子を通過中
ファラデー効果により往路に回転した方向にざらに回転
する（例えば、往路光の進行方向に向かって時計方向に
回転した場合、復路の戻り光は光の進行方向に向かって
反時計方向に回転する。）この戻り光のファラデー回転
方向はコアに近接した金属部分パねじれ方向″とは逆方
向すな、りち金属部分と交差する方向になるため戻り光
のうち電界方向が金属面に水平な偏光成分は進行するに
つれ金属面と水平な状態からずれ、次第に金属面との角
度を変えながら進み、従って次第に吸収されやすい状態
になりながら進むことになる。従って、偏光成分が金属
面と相対的にほぼ９０度回転した時には吸収され減衰し
てしまう。一方、電界方向が金属面に垂直な方向の偏光
成分の戻り光は入射と共に直ちに減衰してしまうため、
いずれの戻り光も光アイソレータを出射する前に減衰し
レーザまで到達することはない。

し実施例］ 第１図は本発明の一実施例のファイバ形光アイソレータ
で、コア６はファラデー回転能を有する磁気光学ガラス
、クラッド７はコア６より屈折率の低いガラスを用いた
ものでおる。溝８はクラッドの一部がコア６の近傍まで
、又はコア６が現われるまで取り除かれ、しかもその溝
の内側にごく薄い金属部が設けられている。溝８はファ
イバ単位長さ当たりのファラデー回転角度（以下、ファ
ラデー回転角度勾配という）に沿って設けられ、いわゆ
る“ねじれ構造″となる。ここで、ファラデー回転子の
ファラデー回転角度勾配は４５度以上必要となる。また
、ファラデー回転子の材料としては磁気光学ガラスや透
明なアモルファス磁性材料を含むガラスがある。後者の
場合透明性にやや欠けるが非常に大きなベルデ定数を有
しているので将来有望な材料である。前者の磁気光学ガ
ラスには、反磁性ガラスと常磁性ガラスがあり、反磁性
ガラスとしては高鉛含有ガラス（例えばＣｏｒｎｉｎｇ
社製８３６３　）やカルコゲナイドガラス（例えばＫｏ
ｄａｋ社製＾ｓ２　、　Ｓｅ３　、八ｓ２０３．　Ｔｅ
　０３系ガラス）やｌ−１０ＹＡ社製ＦＲ−２ガラス等
がある。

常磁性ガラスとしては、Ｔｂ−珪酸塩ガラス、Ｔｂ−硼
珪酸塩ガラス（例えば、ＨＯＹＡ社製１−ＩＲ−５）、
Ｔｂ−リン酸塩ガラス、Ｔｂ−化リン酸塩ガラス（例え
ば、ＨＯＹＡ社製ＦＲ−７＞　、ＨＯＹＡ社製ＦＲ−４
、その他界土類酸化物を多量に含有するガラスがある。

その他Ｃｅ３＋、Ｅｕ２＋イオンを含有するガラスやＥ
ｕＯを含有するアミノ硼珪酸塩ガラスを還元雰囲気中で
溶解して得られるガラス等がある。溝８に設けられる金
属としては、金、白金、銀、銅、錫、鉛、ア°ルミニウ
ム等、及びその合金、またアモルファスメタルファイバ
用材料ＦｅＰ、　ＦｅＢ　、Ｆｅ５ｉＢ　、　ＦｅＣｒ
５ｉＢ　、　ＦｅＮ１Ｂ　１旧Ｐ　、　Ｎ１ＦｅＰ　、
　ＣｏＦｅ３、ＣｏＨｎＳｉＢ　１ＣｒＦｅＢ　、等の
合金等多くの金属や合金が利用できる。

第２図は本発明の他の実施例のファイバ形光アイソレー
タで第１図の溝８の代りにトンネル部９としたものであ
る。トンネル部９のねじれ構造及び内壁の金属部は第１
図の場合と同様である。

第３図は本発明のファイバ形光アイソレータをシングル
モード光ファイバ５に接続した状態を示す。ファイバ形
光アイソレータ１０をシングルモード光ファイバ５に接
続するには市販のシングルモード光ファイバ融着装置が
使用できる。また、光アイソレータ１０にはその光軸に
均一な磁界Ｈを供給するため所望の磁場発生装置（図示
せず）を設ける。

図示しないレーザから発射された光りは光ファイバ５を
通って光アイソレータ１０のコア６に入射される。光ア
イソレータ１０には光軸に平行に均一な磁界Ｈがかかつ
ているので、入射した光はコア６の７アイデ一回転子の
ファラデー効果により回転させられながら進む。ところ
が、ファラデー回転角度に沿って金属部を有する溝８が
設けられているため磁界方向が金属面に垂直な偏光成分
は常に金属面に垂直に保たれながら進むため急激に減衰
してゆき光アイソレータ１０を通過することができない
。一方、電界方向が金属面に水平な偏光成分は常に金属
面に水平な状態で進むため減衰することなく光アイソレ
ータ１０を通過することができる。従ってこの出射した
光は直線偏光となっている。一方、出射した光の一部が
反射光として戻ってきた場合には、戻り光はファラデー
回転子のコア６を通過中ファラデー効果により往路に回
転した方向にざらに回転する。この戻り光のファラデー
回転方向はコアに近接した金属部分の′ねじれ方向″と
は逆方向すなわち金属部と交差する方向になるため戻り
光のうち電界方向が金属面に水平な偏光成分は進行する
につれ金属面と水平な状態からずれ、次第に金属面との
角度を変えながら進み、従って偏光成分が金属部と相対
的にほぼ９０度回転した時には吸収され減衰してしまう
。一方電界方向が金属面に垂直な方向の偏光成分の戻り
光は入射と共に直ちに減衰してしまうため、いずれの戻
り光も光アイソレータ１０を出る前に減衰しレーザまで
到着することはない。

ところで、ファラデー回転子のファラデー回転角度が４
５度未満の場合は戻り光に対する減衰効果が小さくなる
ので、この角度は４５度以上を必要とする。

次に、本発明に係るファイバ形光アイソレータの製造方
法について述べる。第４図は本発明にかかる光アイソレ
ータ用ファイバ母材の加工例を説明するための断面図で
、母材１１は、径０．８ｍの常磁性ファラデー回転ガラ
ス（１−（ＯＹＡ社製ＦＲ−５゜屈折率１．６８８　、
ベルデ定数Ｖ＝０．１１９　ｍｍ／θｅ−ｃｍ、レーザ
の波長λ＝０．８５μｍ）を用いたコア１２及び外径１
４．の石英ガラス（Ｓｉ　０２屈折率１．４６）を用い
たクラッド１３から成っている（第４図（ａ））。この
母材１１のクラッド１３にダイヤモンドドリルで径５緬
の穴１４を開ける（第４図（ｂ））。穴１４の中心とコ
ア６の中心間距離は３．４ｒｒｒｍである。この穴１４
に外形４．６．のＳｉ　０２−１−＋３２０３　　（８
２０３濃度は９モル％）ガラス円柱１５を挿入する（第
４図（Ｃ））。このように加工された母材１１を次に加
熱炉（図示せず）で１９００〜２０００℃に加熱し一体
化する。

次に、この母材１１から第１図に示すファイバ形光アイ
ソレータを作る方法を以下に説明する。

第５図は、母材１１からファバ形光アイソレータを作る
ためのファイバ線引装置の概略構成図である。線引きに
際し、あらかじめファラデー回転子の単位長さ当りのね
じれ角度（以下、ねじれ角度勾配という）θ／ノおよび
ファラデー回転子の長さ１を求めておく。ファラデー回
転子角度θ＝４５度、磁界の強ざＨ＝２０５９０ｅとす
るとと、θ／１＝４．０９　ｄｅｃＪ／ｃｍ、ノ＝１１
ｃｍとなる。

ファイバ線引装置にセットされた母材１１は加熱炉５１
で加熱されファイバ状となりキャプスタン５２を経由し
てファイバ巻取装置５３に巻き取られる。

このとき母材１１は回転ギヤ５４．５５を介してモータ
Ｍによって回転可能となっている。制御装置５６はモー
タＭの回転及びキャプスタン５２によるファイバ巻取速
度を制御してθ／　Ｊ２　＝　４．０９　ｄｅ（Ｊ／　
ｃｍのねじれ角度勾配をファイバに与えるようとしてい
る。

このねじれ角度勾配はゆるやかであり、ファイバには応
力はほとんどかからず、従って、複屈折によるアイソレ
ーションによる劣化は生じない。なお、ファイバ外径は
ファイバ外径測定部５７の測定信号を受けて制御装置５
６によってコントロールされる。

第６図は光アイソレータ用ファイバの加工例を説明する
ためのファイバ断面図で、ファイバ線引装置で線引きさ
れた光アイソレータ用ファイバ（第６図（ａ））は、コ
ア６の径が７μＴｎ、、クラッド７の外径が１２３μｍ
となる。この光アイソレータ用ファイバを長さ１５ｃｍ
に切断し４９％弗化水素酸（以下、ＨＦという）で約８
分間エツチングし、さらにＨＦ−ＮＨ４Ｆでゆっくりと
エツチングしてコア６の外周近くまでエラキングする。

その結果、光アイソレータ用ファイバに′、マ溝８がで
きる（第６図（ｂ））。４９％１−ＩＦのエツチング速
度は５ｉ０２が１．５６μｍ／分であるのに対してｓ＊
　０２　＋８２０３　　（８２０３９モル％含有）は約
１５μＴｒｔ／分と非常に速い。このエツチング後、光
アイソレータ用ファイバの周囲に真空蒸着法によりアル
モニウムを一様な厚さに蒸着し金属層１６を設ける（第
６図（Ｃ））。この場合、偏光作用に寄与する金属層は
コア近傍であるが、特にそれ以外の金属層を除去する必
要はない。コア６の近傍の金属＠１６の厚さは０．０２
μｍ以下では偏光作用が悪く（消光比が低く）なるが、
それ以上であれば良く、特に０．０５μｍ以上であれば
十分な効果が得られる。厚さの上限はなく実用的な厚さ
であればよい。

なお、ここでは真空蒸着の例を示したが、スパッタ法、
ＣＶＤ法（化学気相堆積法）、デツプ法、溶融金属を加
圧流入する方法、アモルファスメタルファイバを製造す
る時のティラー法などが利用できる。ティラー法とは金
属の融点がガラスの作業点と同程度で、ガラスとのぬれ
性の良い金属をガラス母材中に入れ加熱溶融しながらフ
ァイバ線引きしてメタルファイバを作る方法である。

第６図（Ｃ）に示す光アイソレータ用ファイバの両端を
切断し長さノ＝１１ｃｍとすれば第１図に示すような長
さ方向に対してθ／　、ｆｌ　＝４．０９　ｄｅｃ＋／
ｃｙｎの勾配でねじれた溝形構造のファイバ形光アイソ
レータが完成する。

第７図は本発明に係るファイバ形光アイソレータを作る
ための他の母材及び線引き後のファイバの断面図を示す
。第４図の母材の穴１４をコア中心に対して対称の位置
に穴１４−を設け、ガラス円柱１５と同様のガラス円柱
１５−を穴１４−に挿入する（第７図（ａ））。以後第
６図の場合と同様に処理してコア中心に対して上下に溝
８，８−を得、かつ表面に金属蒸着した光アイソレータ
用ファイバを得る（第７図（ｂ））。

第４図、第５図及び第６図の説明では、レーザの光波長
がλ＝０．８５μｍの時のファイバ形光アイソレータの
制作について説明したが、次にλ＝０．７８のレーザを
使用する場合のファイバ形光アイソレータの制作につい
て説明する。

まず光アイソレータ用ファイバのねじれ角度勾配を求め
ると、λ＝０．７８μｍのときのベルデ定数は■＝０．
１４６５　ｍｉｎｌｏｅ−ｃｍとなる。そして、このと
きの均一磁場の磁界をＨ＝２０１５０ｅとすると、ねじ
れ角度勾配はθ／　１　＝　４．９２ｄｅ（Ｊ　／　ｃ
ｍとなる。

また）１ラディ回転角をθ＝４５度とすると１中９．２
ｃｍとなる。

従って、先の例の工程によりねじれ角度勾配θ／　１　
＝　４．９２ｄｅ（Ｊ　／　ｃｍで１＝９．２ｃｍのフ
ァイバ形光アイソレータを制作できる。

また、第４図ではクラッド１３に穴１４を貫通させてあ
けその中にガラス円柱１５を挿入した母材であったが、
穴１４を貫通させず母材の下部の一部は残しておぎ、こ
の穴１４の中にアルミニウム棒を挿入して母材としても
よい。この母材を第５図のファイバ線引装置にて加熱線
引きすると金属棒は加熱溶融するので前述と同様に線引
きすることができる。もちろん適当なねじれ角度勾配（
θ／１＝ＶＨ）を与えることはいうまでもない。

このようにして得た光アイソレータ用ファイバはコアの
片側に金属部を有しねじれ構造となっている。これを必
要な長さに切断することによってファイバ形光アイソレ
ータを得る。もらろん、コアの両端に金属部を有するね
じれ構造に適用できることは言うまでもない。

次に第２図に示すファイバ形光アイソレータの製造方法
を簡単に述べる。

この実施例の場合は、第４図（ｂ）が光アイソレータ用
ファイバ母材となる。つまり、穴１４は穴開き状態のま
まである。この母材は、第５図のファイバ線引装置にセ
ットされ前述同様所望のねじれ角度勾配を与えられなが
らファイバ線引きされる。このようにして線引きされた
光アイソレータ用ファイバは適当な長さに切断される。

次にトンネル部９（第２図）に金属を流し込むか金属メ
ッキを施して金属部を有するトンネル部を形成し、その
後光アイソレータとして必要な長さに切断しファイバ形
光アイソレータを完成する。

ここで、トンネル部は中空である必要はなく金属で充た
されていてもよい。また、第７図で説明したと同様にコ
アに対して両側にトンネル部を形成してもよいとはいう
までもない。

なお、コアの両側に金属部を有する方が偏光性能は向上
する。

［効　果］ 以上説明したように、本発明のファイバ形光アイソレー
タはファラデー回転子をコアに持ち、コアの片側又は両
側のコア近傍またはコアに接して金属部を有し、またこ
の金属部はファラデー回転角度勾配に一致した角度勾配
でコア軸に対して“ねじれ構造″を有して光アイソレー
タを実現したことにより、入射損失が少なく、精密な光
軸合せが不要でシングルモード光ファイバとの接続も容
易となり、大量生産が可能となる。また、高価な光学結
晶を必要としないので安価な光アイソレータを得ること
ができる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のファイバ形光アイソレータ
、第２図は本発明の他の実施例のファイバ形光アイソレ
ータ、第３図は本発明のファイバ形光アイソレータをシ
ングルモード光ファイバに接続した状態図、第４図は本
発明に係る光アイソレータ用ファイバ母材の加工例を説
明するための母材断面図、第５図はファイバ線引装置の
概略構成図、第６図は光アイソレータ用ファイバの加工
例を説明するためのファイバ断面図、第７図は本発明に
係る他の母材及びファイバの断面図、第８図は従来のバ
ルク形光アイソレータである。 １・・・偏光子、　　２・・・ファラデー回転子、　　
３・・・検光子、　　４・・・半導体レーザ、　　５・
・・シングルモード光ファイバ、　　６，１２・・・コ
ア、　　７，１３・・・クラッド、　　８・・・溝、　
　９・・・トンネル部、　１０・・・ファイバ形光アイ
ソレータ、　１１・・・母材、　１４・・・穴、１５・
・・ガラス柱、　１６・・・金属層、　Ｍ・・・モータ
、５１・・・加熱炉、　５２・・・キャプスタン、　５
３・・・ファイバ巻取装置、　５４．５５・・・ギヤ、
　５６・・・制御装置、５７・・・ファイバ外径測定部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ファラデー回転子をコアとし、該コアより屈折率の低い
   ガラスをクラッドとすると共に、前記コアに接して又は
   前記コアの近傍であって前記コアの片側又は両端に、単
   位長さ当りのファラデー回転角度に等しいねじれ角度で
   金属部を設けたことを特徴とするファイバ形光アイソレ
   ータ。