CN103003738A - 反射型可变光衰减器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种使法拉第转子磁饱和的机构等小型化、简化的可变光衰减器。该可变光衰减器沿光轴依次设置光输入输出口、双折射元件(11)、可变偏振波旋转机构(14)、反射体(15)。可变偏振波旋转机构包括：永久磁铁(21)，该永久磁铁对法拉第转子(20)的面内方向施加固定磁场，以便实现磁饱和；以及螺旋管(22)，其对法拉第转子的光轴方向施加可变磁场。另外，永久磁铁的固定磁场在容易磁饱和的<211>方向施加。由此，可通过1000e左右的小磁场实现饱和，永久磁铁可采用磁力弱的铁氧体类，可变磁场小也无妨，因此可通过空芯的线圈而实现。

Description

反射型可变光衰减器

技术领域

本发明涉及光通信领域、光计量仪等所采用的反射型可变光衰减器。

背景技术

在光通信领域，作为用于控制透过光量的光器件的可变光衰减器是必要的。作为可变光衰减器的一个例子，包括有在专利文献1等中公开的反射型。该反射型的可变光衰减器按照在入射光的行进方向以规定顺序而排列有光学部件的方式构成。具体来说，光学部件的排列采用下述的结构，其中，在安装输入光纤1和输出光纤2的双芯套圈3的前端外侧，按照从光的射入射出面起的顺序设置双折射元件4、光收敛性的透镜(凸透镜)5、可变偏振波旋转机构6、反射镜7。为了方便起见，将光学部件的排列方向(入射光行进方向)作为z方向(图中的右方向)，将与其相垂直的两个方向作为x方向(水平方向)、y方向(垂直方向)。于是，图2(a)表示平面、图2(b)表示正面。

输入光纤1和输出光纤2在x方向并列而平行地设置。这里，采用下述的结构，其中，从z方向观看，在右侧光路上设置输入光纤1，在左侧光路上设置输出光纤2。双折射元件4采用下述的平行平面型的偏振波分离合成用的双折射元件，在该元件中，将朝向z方向的偏振波方向处于正交关系的相同光路的光沿y方向分离，将在朝向-z方向的不同的光路的光合成。反射镜7设置于透镜5的焦点处。

可变偏振波旋转机构6为下述的结构，其包括法拉第转子6a、从两个方向对该法拉第转子6a施加固定磁场和可变磁场的合成磁场。固定磁场通过设置于反射镜7背后的圆板状永久磁铁6b，在光的行进方向施加。可变磁场通过电磁铁6c，在与光行进方向相垂直的方向施加。该两个磁场施加于法拉第转子6a上，对应于该合成磁场，法拉第转子6a的法拉第旋转角变化。

采用上述结构的反射型可变光衰减器的动作原理如下所述。从输入光纤1射入的光通过双折射元件4、透镜5汇聚于反射镜7而反射。反射而返回的光再次通过透镜5、双折射元件4而射出。在该过程中，光在可变偏振波旋转机构6的法拉第转子6a中往复。另外，通过该可变偏振波旋转机构6控制偏振波方向的旋转角，由此，控制反射输出光量。

即，从输入光纤1向z方向射入的光通过双折射元件4，在y方向分离为寻常光和非寻常光。接着，通过透镜5而汇聚，在汇聚中途通过法拉第转子6a。在法拉第旋转角为0度时，通过透镜焦点位置的反射镜7，使偏振波方向不旋转而反射。在-z方向返回的反射光再次通过法拉第转子6a和透镜5，但同样在此时，偏振波方向不旋转。然而，反射光的寻常光和非寻常光的位置，在xy平面以焦点位置为中心，而在对角位置错开。另外，在双折射元件4中，全部的寻常光和非寻常光进一步在y方向分离。于是，来自输入光纤1的入射光几乎不在输出光纤2中耦合。即，来自输入光纤1的入射光量中的几乎全部被衰减。

另一方面，在法拉第旋转角设定在45度时，光通过透镜焦点位置的反射镜7，按照偏振波方向旋转45度的方式反射。此时，寻常光和非寻常光的位置在xy平面中以焦点位置为中心而在对角位置错开。在-z方向返回的反射光再次通过法拉第转子6a和透镜5，此时，偏振波方向进一步旋转45度(因此，共计90度)。接着，通过双折射元件4的光的偏振波方向旋转90度，进一步在对角位置错开的寻常光和非寻常光在y方向进行偏振波合成。如此，对于来自输入光纤1的入射光，在几乎不衰减的情况下，几乎全部的量射出到输出光纤2。

另外，可通过调整以电磁铁6c而产生的磁场，借助反射型可变光衰减器6使偏振波方向按照任意的角度旋转。比如，如按照旋转22.5度而调整，则光通过透镜焦点位置的反射镜7以偏振波方向旋转22.5度而反射。在-z方向返回的反射光再次通过法拉第转子6a和透镜12，即使在此时，偏振波方向进一步以作为相同角度的22.5度而旋转，共计以45度而旋转。于是，在双折射元件4中，部分寻常光和非寻常光在y方向进行偏振波合成，在射出光纤2中耦合，但剩余的寻常光和非寻常光因进一步在y方向进行偏振波分离，而不在输出光纤中耦合。于是，在将法拉第旋转角设定为22.5度时，来自输入光纤1的入射光衰减，入射光量基本减半，射出到射出光纤2。通过像这样，通过可变偏振波旋转机构6控制偏振波方向的旋转角度，可自由地调整入射光的衰减量(换言之，反射射出光量)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2007-199112号公报

发明内容

发明要解决的课题

在上述已有的方案中，采用下述的结构，其中，对法拉第转子6a，在光的透过方向(z方向)施加由永久磁铁6b产生的固定磁场，在法拉第转子6a的面内方向(x方向)施加由电磁铁6c而产生的可变磁场。另外，为了不使各磁场发生机构构成入射光和反射光的光路障碍，永久磁铁6b设置于反射镜7的外侧。如果要采用铁氧体类的永久磁铁等的磁力弱的永久磁铁使法拉第转子6a发生磁饱和，则体积必须大，导致装置尺寸增加。由此，采用磁力强的钐钴磁铁、钕磁铁的稀土类的永久磁铁。但由于稀土类磁铁为生锈材料，故必须要求防锈处理。

另外，法拉第旋转角通过由固定磁场和可变磁场制作的合成磁场而控制，但如果相对可变磁场使固定磁场相对过大，则只产生微小的旋转角。由此，必须要求两者的磁场强度。由此，必须要求将两者的磁场强度合并。另外，由于稀土类磁铁为磁通密度高的材料，故为了以使法拉第转子发生磁饱和所必需的充分的程度抑制永久磁铁的饱和磁场，必须将永久磁铁设置于离开法拉第转子6a较远的位置，或极力地减小永久磁铁。如此构成，在将前者的永久磁铁设置于较远离的位置时，装置整体大，导致要求减小尺寸的弊病。另外，在减小后者的永久磁铁的形状时，由于稀土类磁铁脆，故薄板等的微小加工困难。

另外，为了以某程度而增加可变磁场，作为构成电磁铁6c的磁回路的磁芯6c’，考虑采用透磁率高的材料，或增加线圈的圈数。但透磁率高的材料为生锈的材料，仍必须要求防锈处理。另外，在增加线圈的圈数时，具有某种程度的限制，并且导致装置的整体尺寸增加。

本发明提供使法拉第转子磁饱和的机构等小型化、简化的反射型可变光衰减器。

用于解决课题的技术方案

为了解决上述课题，本发明的反射型可变光衰减器为下述结构，(1)一种反射型可变光衰减器，其沿光轴依次设置：光输入输出部、具有法拉第转子的光衰减机构部、反射体，上述光衰减机构部包括：永久磁铁，该永久磁铁对上述法拉第转子的面内方向施加固定磁场，以便实现磁饱和；可变磁场发生机构，该可变磁场发生机构对上述法拉第转子的光轴方向施加可变磁场，上述永久磁铁通过与上述法拉第转子的光轴相交叉的方向的侧面相对来设置。光输入输出部在本实施方式中，包括具有双芯套圈、兼有偏振件和检偏镜的功能的双折射元件11等。光衰减机构部与实施方式的可变偏振波旋转机构14相对应。

由于以用于施加使法拉第转子发生磁饱和的偏置磁场(固定磁场)的方向为面内方向，故永久磁铁可接近地设置于与脱离光轴的法拉第转子的外侧侧面相对的位置。另外，可变磁场发生机构可采用线圈和其它的电磁铁等而实现，但是由于对法拉第转子沿光轴方向施加磁场，故比如，可通过按照包围法拉第转子的周围的方式设置的筒状的线圈等而实现。于是，即使与图1等所示的现有类型相比较，可将施加磁场的机构的整体设计紧凑，谋求装置的整体尺寸的减小。另外，由于永久磁铁接近法拉第转子，故可采用产生透磁率小的微小磁场的永久磁铁。比如，铁氧体类的磁铁等因价格低而容易获得，最好采用该材料。

(2)上述永久磁铁为铁氧体类永久磁铁，上述可变磁场发生机构为空芯线圈，可在上述空芯线圈的内部空间内部设置上述法拉第转子和上述永久磁铁。比如，铁氧体类永久磁铁不生锈，因此无需防锈处理即可简单地制造。另外，通过形成空芯线圈，磁芯等也不需要，可形成简单的结构。

(3)上述法拉第转子可为稀土类铁榴石单晶体，上述固定磁场的施加方向为上述法拉第转子的<211>方向，上述可变磁场的施加方向为法拉第转子的<111>方向。由于法拉第转子的<211>方向为容易发生磁饱和的方向，故以更小的磁场(比如，小于100奥斯特)进行磁饱和。伴随该情况，同样对于用于旋转法拉第旋转角的可变磁场，小磁力便可。于是，可以更小的结构实现。

(4)上述法拉第转子为稀土类铁榴石单晶体，上述固定磁场的施加方向相对上述法拉第转子的<211>方向在5～20度的范围内，上述可变磁场的施加方向为法拉第转子的<111>方向。对于小于5度的范围，损耗大，如果大于20度，则饱和磁场大于150奥斯特。于是，如果所要求的规格严格，则可采用该范围。

(5)可包括设置于上述光轴上的旋转角补偿用法拉第转子以及用于设定该旋转角补偿用法拉第转子的法拉第旋转角的磁场施加机构，按照下述方式设定上述法拉第转子的法拉第旋转角与上述转角补偿用法拉第转子的法拉第旋转角，该方式为：在上述可变磁场为零时，从上述光输入输出部而输入的入射光通过上述反射体而反射，返回的反射光从上述输入输出部以100%被输出或遮挡。如此构成，即使通过构成光衰减部的单独的法拉第转子无法获得所希望的法拉第旋转角范围时，仍可适当地设定旋转角补偿用法拉第转子的法拉第旋转角，通过反射型可变光衰减器整体获得所希望的特性。

发明的效果

按照本发明，可使实现法拉第转子的磁饱和的机构整体尺寸减小、简化，伴随该情况，还可简化施加可变磁场的结构。另外，在法拉第转子采用稀土类铁榴石单晶体的场合，法拉第转子的磁饱和方向为法拉第转子的<211>方向，可减小饱和磁场。由此，相对必须要求防锈处理的稀土类磁铁，产生饱和磁场的机构可采用不必要求防锈处理的铁氧体类的永久磁铁。另外，由于饱和磁场小，故可变磁场也小，作为产生可变磁场的机构，不必要求采用透磁率高的材料的磁回路，可提供小型的价格低的反射可变光衰减器。

附图说明

图1为表示已有例子的图；

图2为说明反射型可变光衰减器的动作原理的图；

图3为表示反射型可变光衰减器的优选的一个实施方式的图；

图4(a)为说明法拉第转子的磁场的施加方向的图，图4(b)为说明根据固定磁场H1、可变磁场H2确定法拉第旋转角的图；

图5为表示为了使法拉第转子磁饱和而施加的磁场和损耗的关系的曲线图；

图6为表示可变磁场与固定磁场的合成旋转角的关系的曲线图；

图7为说明法拉第转子20和旋转角补偿用法拉第转子12的旋转方向的组合的图；

图8为表示相对<211>方向的角度的饱和磁场和最大衰减量的关系的曲线图。

具体实施方式

下相对本发明的优选实施方式进行说明。图3表示本发明的反射型可变光衰减器10的优选的一个实施方式。本实施方式的反射型可变光衰减器10按照下述顺序进行配置，由图示省略的双芯套圈构成的输入输出口相对的方式设置双折射元件11，沿在该双折射元件11的后侧，从输入口(输入光纤)射入的入射光行进的方向依次地设置旋转角补偿用法拉第转子12、光收敛性的透镜13、可变偏振波旋转机构14、反射体15。

图示省略的双芯套圈可采用与图1所示的现有类型相同的结构。即，如果入射光的行进方向为z方向，与该z方向相垂直的水平方向为x方向、垂直方向为y方向，则输入光纤和输出光纤按照与x方向平行并列的方式设置，其前端安装于双芯套圈上，指定输入输出口的位置。双折射元件11由金红石单晶体构成，具有作为偏振件和检偏镜的功能。该双折射元件11可采用与在专利文献1等中公开的现有类型基本相同的类型。透镜13也采用凸透镜等，在其焦点位置设置反射体15。它们的基本结构与现有的相同，其具体说明省略。

旋转角补偿用法拉第转子12插入而设置于圆筒状的永久磁铁17的在轴向形成的通孔内，通过其永久磁铁17的磁力发生磁饱和。在没有可变磁场的单调增加型的光衰减器中，在旋转角补偿用法拉第转子12和法拉第转子20中往复的光的偏振波面旋转90度后，在双折射元件11中进行100%耦合，输出到输出口。

这里，在本发明中，可变偏振波旋转机构14的组成元件像下述这样构成。即，与现有的相同，首先按照与入射光行进的光路相垂直的方式设置扁平矩形状的法拉第转子20。

另外，采用下述的结构，其中，从与法拉第转子20相垂直的两个方向施加固定磁场和可变磁场的合成磁场。此外，固定磁场H1为用于使法拉第转子20磁饱和的磁场，按照在法拉第转子20的面内方向施加的方式设定；可变磁场H2为用于控制法拉第转子20的法拉第旋转角的磁场，按照在法拉第转子20的光轴方向(z方向)施加的方式设定(参照图4(a))。法拉第旋转角通过合成旋转角α确定，该合成旋转角α根据固定磁场H1和可变磁场H2的合成磁场确定，法拉第旋转角可通过改变可变磁场H2的强度而控制(参照图4(b))。

在用于外加各磁场的具体的结构中，在法拉第转子20的水平方向左右两侧设置一对永久磁铁21。该对永久磁铁21为平板状，与法拉第转子20的侧面相对的整个面为S极或N极。于是，一个永久磁铁21的与法拉第转子20的相对面为N极，另一永久磁铁21的相对面为S极，在一对永久磁铁21之间产生的固定磁场H1在法拉第转子20的面内方向被施加。

根据附图可以清楚得知，一对永久磁铁21设置于法拉第转子20的侧面外侧，由此，无论设置于哪个位置，均位于入射光、反射光的光路之外。于是，永久磁铁21可接近而设置于法拉第转子20上。即使通过小的磁力，仍使法拉第转子20实现磁饱和。由此，在本实施方式中，可采用磁力小的铁氧体类的永久磁铁而构成。由于铁氧体类的永久磁铁不生锈，故也可不进行防锈处理，另外价格低，容易以低价格进行可变偏振波旋转机构14、进而制造反射型可变光衰减器10。

另外，由于通过永久磁铁21而施加于法拉第转子20上的偏置磁场小，故即使通过小的可变磁场H2，仍可按照充分的量使法拉第旋转角旋转。于是，本实施方式通过由空芯线圈构成的螺线管22，对法拉第转子20施加可变磁场H2。即，在圆筒状的螺线管22的内部空间内，按照其螺线管22的轴心和法拉第转子20的光轴一致的方式设置法拉第转子20。由此，如果电流流过螺旋管22，由于在螺旋管22的内部空间内沿轴心而产生磁场，故可在法拉第转子20的光轴(z方向)施加磁场。此外，可通过控制对螺旋管22的通电量，控制可变磁场H2的磁场的强度。另外，在本实施方式中，由于永久磁铁21接近设置于法拉第转子20上，故其永久磁铁21也设置于螺线管22的内部空间内。

由于用于施加可变磁场H2的机构可通过由空芯线圈形成的螺线管22实现，故像现有那样的透磁率高的磁芯也是不需要的，还伴随有可减小通电量的情况，用于施加可变磁场H2的磁场发生机构也可为小型而简单的结构，并且特别的防锈处理也是不需要的。

于是，由于固定磁场和可变磁场中的任意者产生小磁场，由基于小磁场的合成磁场使法拉第转子20的旋转角旋转，故可变磁场的磁力的控制、调整也可瞬间地进行，在反射型可变光衰减器10中，可进行更加高速的反应。另外，由于可变偏振波旋转机构14采用下述的结构，其中，如上所述，用于施加构成偏置磁场的固定磁场H1的永久磁铁21接近而设置于法拉第转子20上，按照覆盖该法拉第转子20和永久磁铁21的周围的方式设置螺旋管22，故其整体的外形尺寸形状与螺旋管22的外形一致，这样，整体尺寸紧凑，谋求整体尺寸的减小。另外，由于可减小通电量，故反射型可变光衰减器10的耗电量也可降低。

本实施方式的反射型可变光衰减器10的动作原理，基本与采用图2而说明的现有基本相同。即，虽然用于施加可变偏振波旋转机构14中的固定磁场H1和可变磁场H2的机构不同于过去，但是，由此，法拉第转子20的法拉第旋转角旋转，形成所需的法拉第旋转角。由此，可从输出口100%地输出反射光，或不完全地输出，或者通过它们的中间的适合的衰减量而输出。

另外，在本实施方式中，法拉第转子采用稀土类铁榴石单晶体，如图4(a)所示，按照下述方式设定，即通过永久磁铁21而施加于法拉第转子20上的固定磁场H1(偏置磁场)的方向为法拉第转子的<211>方向，通过螺旋管22而施加的可变磁场H2的方向为法拉第转子的<111>方向。即，关于构成法拉第转子的稀土类铁榴石单晶体，对作为与光线方向相垂直的方向的面内方向的饱和磁场强度进行调查时，此时可确认<211>方向最小。于是，按照固定磁场H1在饱和磁场强度小的<211>方向施加的方式调整，由此，永久磁铁21的磁力可更小，可为更小的尺寸。另外，可伴随该情况，由可变磁场H2产生的磁力也较小。

图5(a)表示在<211>方向施加面内磁场的场合的磁场-散射损耗特性，图5(b)表示在<110>方向施加面内磁场的场合的磁场-散射损耗特性。由于如果被称之为散射损耗(ΔL)为0则发生磁性饱和，故在<211>方向的类型的场合，可确认如果在-10℃～75℃的通常的使用环境中，具有100奥斯特的磁场的强度，则发生磁性饱和。相对该情况，在<110>方向的场合，在75℃的高温的环境中，以100奥斯特的磁场强度发生磁性饱和，如果考虑室温(25℃)、-10度的低温度的环境，则必须要求300奥斯特。

图6表示构成偏置磁场的固定磁场H1相对分别为100奥斯特时和300奥斯特时的可变磁场H2的合成旋转角的特性。当然，在固定磁场H1＝可变磁场H2时，合成旋转角为45度，固定磁场H1越小，合成旋转角相对可变磁场的变化量越大。换言之，为了使合成旋转角的角度范围相同，固定磁场H1越小，使可变磁场H2的变化范围越小即可。

于是，通过像本实施方式那样，形成在<211>方向施加固定磁场H1的结构，与在<110>方向的场合施加固定磁场H1的场合相比较，可将由永久磁铁21和螺线管22的相应的磁场发生机构产生的磁力抑制在较小程度。

在上述实施方式中，固定磁场H1的磁场施加方向为<211>方向，但是，可相对<211>方向，在5～20度的范围内。即，对于<211>方向，由于像上述那样饱和磁场小便可，故优选，但是，在磁场位移通路中具有困难轴，消光比劣化。具体来说，最大衰减量小于30dB。于是，具有根据所要求的规格，无法使用到<211>方向的情况。另一方面，像实现的那样，在<110>方向的场合，饱和磁场大的场合的消光比不劣化。于是，在<211>方向～<110>方向之间改变磁场的施加方向的角度，对法拉第转子施加固定磁场，测定此时的插入损耗(饱和磁场)与消光比(最大衰减量)。于是，针对饱和磁场，获得图8(a)所示的结果，关于最大衰减量，获得图8(b)所示的结果。

由图可清楚得知，如果所要求的规格在-10℃～75℃的温度范围内，插入损耗小于永久磁铁的磁场的150奥斯特，则相对<211>方向的角度小于20度，构成上限。同样，在要求小于100奥斯特的场合，15度以下(更加确实说，10度以下)为优选的范围内。另一方面，在要求消光比(最大衰减量)大于30dB的规格的场合，相对<211>方向的角度大于5度这一点构成下限。于是，相对上述<211>方向，5～20度的范围为更良好的范围。

标号的说明：

标号10表示反射型可变光衰减器；

标号11表示双折射元件；

标号12表示旋转角补偿用法拉第转子；

标号13表示透镜；

标号14表示可变偏振波旋转机构；

标号15表示反射体；

标号20表示法拉第转子；

标号21表示永久磁铁；

标号22表示螺线管。

Claims (5)

1.一种反射型可变光衰减器，其沿光轴依次设置：光输入输出部、具有法拉第转子的光衰减机构部、反射体，

上述光衰减机构部包括：永久磁铁，该永久磁铁对上述法拉第转子的面内方向施加固定磁场，以便实现磁饱和；以及可变磁场发生机构，该可变磁场发生机构对上述法拉第转子的光轴方向施加可变磁场；

上述永久磁铁通过与上述法拉第转子的光轴相交叉的方向的侧面相对来设置。

2.根据权利要求1所述的反射型可变光衰减器，其特征在于，上述永久磁铁为铁氧体类永久磁铁，

上述可变磁场发生机构为空芯线圈，

在上述空芯线圈的内部空间内部设置上述法拉第转子和上述永久磁铁。

3.根据权利要求1或2所述的反射型可变光衰减器，其特征在于，上述法拉第转子为稀土类铁榴石单晶体，上述固定磁场的施加方向为上述法拉第转子的<211>方向，上述可变磁场的施加方向为法拉第转子的<111>方向。

4.根据权利要求1或2所述的反射型可变光衰减器，其特征在于，上述法拉第转子为稀土类铁榴石单晶体，上述固定磁场的施加方向相对上述法拉第转子的<211>方向在5～20度的范围内，上述可变磁场的施加方向为法拉第转子的<111>方向。

5.根据权利要求1～4中的任意一项所述的反射型可变光衰减器，其特征在于，包括设置于上述光轴上的旋转角补偿用法拉第转子以及用于设定该旋转角补偿用法拉第转子的法拉第旋转角的磁场施加机构，

按照下述方式设定上述法拉第转子的法拉第旋转角与上述转角补偿用法拉第转子的法拉第旋转角，该方式为，在上述可变磁场为零时，从上述光输入输出部而输入的入射光通过上述反射体而反射，返回的反射光从上述输入输出部以100%被输出或遮挡。

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