JP2001142040A

JP2001142040A - 光アッテネータ

Info

Publication number: JP2001142040A
Application number: JP32487899A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Honma; 洋本間; Nobuhiro Sasaki; 伸浩佐々木
Original assignee: Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 1999-11-16
Filing date: 1999-11-16
Publication date: 2001-05-25

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】入射する光の偏光状態による減衰量の変動を
小さくした光アッテネータを提供すること。【解決手段】第１の光ファイバ１と、偏光方向が互い
に直交する２つの直線偏光の光線方向を平行に保ったま
ま分離または合成する第１の偏光分離素子３と、コリメ
ータ用もしくは結像用の第１のレンズ５と、１枚もしく
は複数枚の磁気光学素子を組み合わせた磁気光学素子群
７と、収束用の第２のレンズ６と、偏光方向が互いに直
交する２つの直線偏光の光線方向を平行に保ったまま分
離または合成する第２の偏光分離素子４と、第２の光フ
ァイバ２をこの順に配列して成り、前記第１の光ファイ
バ１から出た光が、前記第１の偏光分離分離素子３によ
り、偏光方向が互いに直交する２つの直線偏光の光線に
分離された後、前記第１のレンズ５により進行方向を曲
げられ、前記磁気光学素子群７のほぼ同一の地点を透過
するような構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、主として、光通信
装置や光情報処理装置において、光強度を減衰させて調
整する光アッテネータに係わり、特に波長多重用の光フ
ァイバアンプにおいて、各波長における増幅率を補正す
るのに好適な磁気光学結晶を含むファラデー回転子を備
えてなる光アッテネータに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、磁気光学結晶を用いた光アッテネ
ータは、公開特許公報、平０６−０５１２５５(光アッ
テネータ)において記述されている構成が代表的なもの
である。その例を図８および図９に記す。まず、第１の
例においては、図８に示すように、磁気光学結晶８３
に、永久磁石８４および電磁石８５により互いに直交す
る向きに磁界が印加されていて、透過する直線偏光であ
る光ビーム８１は前記磁気光学結晶８３にてファラデー
回転を受けた後に、偏光子８２に入射する構成である。

【０００３】前記磁気光学結晶８３は、透過光と同じ向
きの永久磁石８４が発生させる印加磁界により常に磁気
飽和されているが、さらに透過光とは垂直な向きに可変
電流源８６で制御された電磁石８５から発生する印加磁
界が存在する。その結果、印加磁界の総和の向きが光ビ
ーム８１の透過する向きからずれることになり、ファラ
デー回転角が変化する。これにより偏光子８２を透過し
た後の光ビーム８１の光量は上記可変電流源８６によっ
て任意に制御できることになり、光アッテネータを構成
することができる。

【０００４】ところで、永久磁石８４を用いないで、透
過光と同じ向きの電磁石による磁界印加のみを行う方法
では、光アッテネータとして十分な機能を発揮すること
はできない。これは、磁気光学結晶８３として磁性ガー
ネット結晶であるビスマス置換ガドリニウム鉄ガーネッ
ト（ＧｄＢｉ）_３（ＦｅＡｌＧａ）_５Ｏ_１２などが用い
られているためで、これらの結晶は、一般に強いヒシテ
リシスを有するために、未飽和の状態では、印加した外
部磁界と、それにより生じるファラデー回転角の関係が
一意的に定まらないためである。そこで、これら磁気光
学結晶に一定の大きさ以上の外部磁界を常に印加して磁
気飽和させておき、その上で直交する外部磁界の大きさ
を変化させることでファラデー回転角を制御する方法が
開発された。この構成が同公報記載の光アッテネータの
発明の内容である。

【０００５】上記の第１の例では、入射する光ビームは
偏光方向の定まった直線偏光であることが前提となって
いる。入射光ビームが任意の偏光状態にあるときには、
その偏光状態に応じて減衰量が変化する。上記公開特許
公報、平０６−０５１２５５に記された第２の例は、入
射光が任意の偏光であっても、偏光状態による減衰が生
じることがない、いわば偏光無依存型の光アッテネータ
である。この例を図９に示す。

【０００６】この図９において、光ファイバ９１から出
射した任意の偏光状態にある光ビーム９８は、レンズ９
３によって集光されて平行光となり、テーパ状複屈折結
晶９５に入射する。そこで、互いに直交する２成分の直
線偏光に分離し、ファラデー回転子９７を透過した後
に、テーパ状複屈折結晶９６、レンズ９４を順に透過し
て集光され、光ファイバ９２に達し、再び１本の光ビー
ムに合成される。

【０００７】ここで、ファラデー回転子９７は、上記第
１の例における磁気光学結晶８３、永久磁石８４、電磁
石８５および可変電流源８６を総合したものに相当し、
可変電流源８６を操作することにより、そのファラデー
回転角を制御して、光ファイバ９２に結合する透過光の
割合を変化させる。この透過光が最大となる場合は、各
光学素子の透過損失や光学系の結合損失を除き、透過光
の２つの偏光成分は光ファイバ９２に達し、上記第１の
例とは異なり、入射光の偏光状態に起因する減衰を受け
ることはない。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】図９に示す上記の公開
特許公報、平０６−０５１２５５の第２の例では、光フ
ァイバ９１から出射した任意の偏光である光ビーム９８
は、テーパ状複屈折結晶９５において互いに直交する２
成分の直線偏光に分離した後、ファラデー回転子９７に
入射する。この場合、ファラデー回転子９７を構成する
磁気光学結晶を透過する際に、図９にも示されるよう
に、偏光分離された２種類の直線偏光の光ビームは、一
般に互いに離れた位置を透過することになる。

【０００９】ところで、ファラデー回転子を構成する磁
気光学結晶に互いに直交する２方向の磁界を印加し、磁
化方向を変化させた場合、透過光に対するファラデー回
転角の場所によるばらつきが無視できなくなり、結果と
して、偏光分離された２種類の直線偏光が、それぞれ受
ける磁気光学効果に特性の差が生じる。

【００１０】図４に、光アッテネータに一般的に用いら
れる磁気光学結晶におけるファラデー回転角の場所によ
るばらつきの一例を示す。この測定は、透過光と同じ向
きに磁界印加する永久磁石、および透過光に対し直交す
る方向に磁界を印加する電磁石を用い、この電磁石に５
０ｍＡの電流を流して行ったもので、この電流値は透過
光に直交する向きに約５００Ｇの磁界を印加したことに
相当する。磁気光学結晶は、透過光に垂直な面が１ｍｍ
×１ｍｍの正方形をなすビスマス置換ガドリニウム鉄ガ
ーネット［（ＧｄＢｉ）_３（ＦｅＡｌＧａ）_５Ｏ_１２］
素子であり、透過光と同じ向きに磁界印加する永久磁石
により磁気飽和していて、その印加磁界強度は、磁気光
学結晶の磁気飽和に必要な磁界強度を上回る２５０Ｇ程
度となっている。

【００１１】図４に示した測定値は、前記磁気光学結晶
における、光透過面の中心付近の４００μｍ×４００μ
ｍの領域におけるファラデー回転角の測定値の分布であ
る。図４によれば、磁気光学結晶の中心付近においてさ
え、互いに１００μｍ離れた位置で、ファラデー回転角
の相違が１ｄｅｇに達する場合がある。この現象は、光
アッテネータの減衰量に対し、その減衰量が小さい場合
は殆ど影響を与えないが、減衰量が大きい場合には、減
衰特性の偏光依存性として現れる。言い換えれば、光ア
ッテネータに直線偏光を入射して、入射光の偏光面を回
転させると、光減衰量が大きく変動する現象となる。従
って、上記の公開特許公報、平０６−０５１２５５の第
２の例として示された各光学素子の構成は、偏光に依存
する減衰量の変動を小さくすることに関しては問題があ
った。

【００１２】そこで、本発明は、入射する光の偏光状態
に起因する減衰量の変動を小さくした光アッテネータを
提供することを課題としている。

【００１３】

【課題を解決するための手段】図４に示した磁気光学結
晶のファラデー回転角の場所によるばらつきの測定例で
は、測定値は実際にはなめらかに連続的に変化してい
る。従って、光アッテネータを構成する各光学素子のう
ち、磁気光学結晶に入射する偏光分離された２種類の直
線偏光が互いにごく近接した位置を透過するならば、フ
ァラデー回転角が磁気光学結晶内で場所により異なって
いることの影響を抑えることが出来る。２種類の直線偏
光をできるだけ近接させるために、２つの光ファイバの
間の構成として、第１の平行平板複屈折結晶と、コリメ
ータ用または結像用レンズ、および単独または複数の磁
気光学結晶、収束用レンズ、第２の平行平板複屈折結晶
を、この順に組み合わせて用いることで、磁気光学結晶
に入射する２成分の直線偏光が、互いに近接した位置を
透過し得る構成が実現可能である。

【００１４】なお、第１の光ファイバと第１の平行平板
複屈折結晶と、コリメータ用の１枚のレンズ、１枚のフ
ァラデー回転子、収束用の１枚のレンズ、第２および第
３の平行平板複屈折結晶と第２の光ファイバをこの順に
配列し、偏光方向が直交する２成分の直線偏光が磁気光
学素子内のほぼ同一の地点を透過する光デバイスとして
は、特許公報、第２９０５８４７号、光アイソレータ装
置がある。しかし、同発明が解決した課題は、高価な偏
光分離素子の厚さを小さくすることであり、偏光方向が
直交する２成分の直線偏光を磁気光学素子内のほぼ同一
の地点で透過させることではなかった。

【００１５】即ち、本発明の光アッテネータは、第１の
光ファイバと、偏光方向が互いに直交する２つの直線偏
光の光線方向を平行に保ったまま分離または合成する第
１の偏光分離素子と、コリメータ用もしくは結像用の第
１のレンズと、１枚もしくは複数枚の磁気光学素子を組
み合わせた磁気光学素子群と、収束用の第２のレンズ
と、偏光方向が互いに直交する２つの直線偏光の光線方
向を平行に保ったまま分離または合成する第２の偏光分
離素子と、第２の光ファイバをこの順に配列してなり、
前記磁気光学素子群に対する外部磁界の印加手段が、定
常磁界の印加手段と、前記定常磁界にほぼ直交する磁界
強度可変の磁界印加手段によって構成され、前記第１の
光ファイバから出た光が、前記第１の偏光分離素子によ
り、偏光方向が互いに直交する２つの直線偏光の光線に
分離した後、前記第１のレンズにより曲げられ前記磁気
光学素子群の位置で交差し、前記磁気光学素子群のほぼ
同一の地点を透過することを特徴とする。

【００１６】また、本発明の光アッテネータは、前記第
１と第２の偏光分離素子による偏光分離の方向を、ほぼ
逆方向にして構成することができる。

【００１７】さらに、本発明の光アッテネータは、前記
第１と第２のレンズの主面間の間隔をほぼ両者の焦点距
離の和とする構成にすることができる。

【００１８】また、本発明の光アッテネータは、前記定
常磁界の印加手段は永久磁石であり、前記磁界強度可変
の磁界印加手段は電磁石とすることができる。

【００１９】さらには、本発明の光アッテネータは、前
記定常磁界とほぼ直交する可変磁界の強度が零であると
きの前記磁気光学素子群のファラデー回転角をπ／２ｒ
ａｄ以上とすることにより減衰量の可変範囲を大きくと
ることができる。

【００２０】

【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。

【００２１】図１は、本発明の光アッテネータにおける
各光学素子の配置構成の一例を示した模式的な側面図で
ある。この図で、平行平板複屈折結晶３、４の中の矢印
は、異常光の光線が常光の光線から分離する方向を示し
ている。即ち、平行平板複屈折結晶３における分離方向
は上方向であり、平行平板複屈折結晶４における分離方
向は下方向である。そして、それらの分離の幅は等しく
なっている。

【００２２】図２は、図１に示す光アッテネータにおけ
る直交する２成分の偏光ビームの振る舞いを示してい
る。図２において、平行平板複屈折結晶３、４は、光ビ
ームを互いに直交する２成分の直線偏光に分離もしくは
合成する役割を担っている。また、第１のレンズ３は、
第１の光ファイバ１から出射した光を結像する作用また
は平行光に変換する作用を担い、かつ２つの直交する偏
光を磁気光学結晶７の位置にてほぼ交差させる作用を担
う。

【００２３】図２（ａ）は、減衰量が最小となる場合の
２つの偏光成分ビームの振る舞いを示す。この実施形態
では、光が出入射する第１の光ファイバ１と第２の光フ
ァイバ２の間にレンズを２枚設けた結合光学系が構成さ
れており、透過光は第２の光ファイバ２の端面に集光し
て同ファイバ内に入射する。第１の光ファイバ１から出
射した光ビームは、まず平行平板複屈折結晶３にて互い
に直交する２成分の直線偏光に分離され、レンズ５を透
過した後、両直線偏光は互いに交差するが、その交差位
置に磁気光学結晶７が配置される。そして、磁気光学結
晶７によってπ／２程度のファラデー回転を受けた２成
分の直線偏光は、レンズ６にて収束光に変換され、平行
平板複屈折結晶４を透過して再び単一の光ビームに合成
され、光路８を経由して、光ファイバの端面に達する。

【００２４】図２（ｂ）は、減衰量が最大になる場合の
２つの偏光成分ビームの振る舞いを示す。この場合、磁
気光学結晶７によるファラデー回転が、ほぼ零になって
いる結果、平行平板複屈折結晶３を異常光として通過し
た光ビームは、平行平板複屈折結晶４を同じく異常光と
して通過する。また、平行平板複屈折結晶３を常光とし
て通過した光ビームは、平行平板複屈折結晶４を同じく
常光として通過する。そのときの光路は９、１０で示さ
れ、第２の光ファイバ２には結合しない。

【００２５】次に、中間の減衰量が得られるときの動作
状態について説明する。磁気光学結晶７では、直交する
２成分の直線偏光は、それぞれ最大時にはπ／２ｒａｄ
を越えたファラデー回転を受ける。そして、磁気光学結
晶７に印加する磁界の向きを光透過方向から傾けると、
ファラデー回転角は減少し、平行平板複屈折結晶４に入
射する２つの直線偏光の偏光方向は、平行平板複屈折結
晶４の常光と異常光のいずれの偏光方向とも一致しなく
なる。その結果、入射したそれぞれの直線偏光に偏光分
離が生じ、平行平板複屈折結晶４を透過した後の光ビー
ムの経路は、図２(ａ）の光路８、図２(ｂ)の光路９お
よび１０の３種類となる。このうち、光路８を通過した
ものだけが第２の光ファイバ２に結合する。

【００２６】ところで、ファラデー回転角を０からπ／
２ｒａｄまで変化させることができれば、減衰量の可変
範囲を大きくとることができる。しかしながら、実際に
は、電磁石による磁界を強くしても、光の進行方向と磁
化方向を直交させることは、容易ではない。その結果、
ファラデー回転角は零にならず、減衰量が大きくとれな
いことになる。そこで、偏光分離素子の偏光分離方向と
光の偏光方向が少しずれても、それによる損失は、あま
り大きくないということに着目する。そして、減衰量の
最小値を、やや犠牲にして減衰量の最大値を確保すると
いう手段をとる。そのためには、ファラデー回転角をπ
／２ｒａｄよりも大きくし、２つの偏光分離素子の偏光
分離方向をπｒａｄから、ずらせるとよい。そうする
と、そのずれ分とファラデー回転角が一致したとき、即
ち、ファラデー回転角が零になる前に減衰量を最大にす
ることができる。

【００２７】また、第１および第２の偏光分離素子とし
て、光学軸（常光と異常光の屈折率が等しくなる結晶軸
の方向）を光線方向から傾けた平行平板の１軸性複屈折
結晶が有用である。しかし、これに限らず、周期的な屈
折率分布を持つ人工的な複屈折物質を用いることもでき
る。

【００２８】さらには、結合光学系としては、第１と第
２のレンズの主面間の距離をそれらのレンズの焦点距離
の和とする共焦点系が有用である。そうすると、組立時
の、位置ずれに対する許容度を大きくとることができ
る。また、光ファイバに、ＴＥＣ（コア拡大）ファイバ
を用いると、レンズ間の中央部でのスポットサイズを小
さくし、しかも位置ずれに対する許容度の大きな光学系
を得ることができる。

【００２９】

【実施例】次に、本発明を実施例によって詳細に説明す
る。

【００３０】図３に、本発明の一実施例である光アッテ
ネータの筐体内部の構造を示す。この図は、透過光の光
路を含む水平面で切断した断面図を示している。筐体４
２の左右に取り付けられた光ファイバ３１、３２の間の
光路上に、集光用のレンズ３５、３６、平行平板複屈折
結晶としてルチル結晶３１、３４、磁気光学素子３９と
してビスマス置換ガドリニウム鉄ガーネット［（ＧｄＢ
ｉ）_３（ＦｅＡｌＧａ）_５Ｏ_１２］をそれぞれ配置す
る。なお、同ガーネットは、永久磁石３７、３８によっ
て磁気飽和している。また、光路に直交する方向に可変
磁界を印加するためのヨーク柱４０が設置され、さら
に、その周囲に導線が数百ターン巻かれたコイル４１が
配置される。上記の各光学素子の配置は、図１に示した
光学素子の配置構成の一例と基本的に同一構成であり、
各光学素子の透過光の有効入射領域は、すべて１.０×
１.０ｍｍとしている。

【００３１】ビスマス置換ガドリニウム鉄ガーネット３
９のファラデー回転角は、ヨーク柱４０から生じる磁界
強度が零の時にπ／２ｒａｄ以上とする。同ガーネット
は液層エピタキシャル法にて作製されるが、光アッテネ
ータが用いられる光波長領域に対応する素子の場合、同
方法では現状では最大でも１ｒａｄ程度のファラデー回
転角が得られる厚さの素子しか作製できない。そこで、
複数枚の素子を貼り合わせるか、光透過方向に並べて配
置することで、合計でπ／２ｒａｄ以上のファラデー回
転角を得られる構成とする方法が一般的である。ただ
し、本実施例の光アッテネータにおいては、同ガーネッ
トの表面の光損傷を避けるために、複数枚のビスマス置
換ガドリニウム鉄ガーネットは光路面内に接着剤の介在
しない方法で固定される。即ち、ホルダと半田にて固定
される。

【００３２】一方、各ルチル平行平板、各レンズは、同
じくヨーク柱から生じる磁界強度が零の状態で、透過光
の光ファイバへの透過損失が最小になるように設定され
る。即ち、ルチル平行平板に関しては、その異常光の分
離方向が逆であり、レンズに関しては、レンズは同一種
類のレンズを使用し、光ファイバも同一種類のものを用
いている。そして、ボビンに巻かれたコイル線に電流を
加え、その値を増加させると、ヨーク柱により印加され
る可変磁界が増加し、それに従って同ガーネットにおけ
るファラデー回転角は徐々に減少し、光ファイバへの光
ビームの結合損失が増加する。言い換えると、透過減衰
量が増加する。

【００３３】以上のようにして作製した光アッテネータ
において、印加した電流と光アッテネータの減衰量の関
係、および印加した電流と光アッテネータの減衰量の偏
光依存性との関係について測定した。その結果を図９で
示したテーパ型ルチル板を用いた光アッテネータ（以
下、従来例と称する）の測定結果とともに、図５と図６
に示した。また、図７は、光アッテネータ内の電磁石に
流す電流と、その電磁石により実際に発生する磁界強度
との関係を示す図である。本発明における光アッテネー
タの実施例および従来例の双方で共にこの関係は同一と
なっている。なお、本発明における光アッテネータの実
施例および従来例では、磁気光学結晶として前記のとお
り同一組成のビスマス置換ガドリニウム鉄ガーネットが
用いられており、磁気飽和のために印加される永久磁石
の印加磁界強度も共に約２５０Ｇと同一条件である。

【００３４】図５によれば、印加する電流に対する減衰
量の特性は、本実施例と従来例において、ほぼ同等とい
える。次に、図６を用いて、減衰量の偏光依存性につい
て、本実施例と従来例を比較する。この図の縦軸は、Ｐ
ＤＬ（偏光依存性損失、Polarization Dependent Los
s）を示す。ここで、ＰＤＬとは、入射光の偏光状態を
ポアンカレ球上のあらゆる点をとるように変化させたと
きの最大減衰量と最小減衰量の差である。同図によれ
ば、従来例では、電流の上昇、即ち、減衰量の増加と共
にＰＤＬ（偏光依存性損失）が増大しているが、本発明
の構成による光アッテネータにおいては、この数値の増
加を大きく低減することができた。即ち、入射光に対
し、その消光比や偏光面の向きに依らず、一定の減衰量
を与えることのできる光アッテネータを開発することが
できた。

【００３５】

【発明の効果】以上示したように、本発明によれば、ど
のような減衰量の場合であっても、入射光の消光比や偏
光面の向きなどの偏光状態に起因する減衰量の変動が小
さい光アッテネータを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光アッテネータの構成を示す模式的な
側面図。

【図２】本発明の光アッテネータにおける透過光線の振
る舞いを示す図。図２（ａ）は、減衰量が最小の場合の
透過光線の振る舞いを示す図であり、図２（ｂ）は減衰
量が最大の場合の透過光線の振る舞いを示す図。

【図３】本発明の光アッテネータの筐体内部の部品配置
を示す模式図。

【図４】磁気光学素子のファラデー回転角の光学面内ば
らつきの一例を示す図。

【図５】減衰量と電磁石に流す電流との関係を示す図。

【図６】ＰＤＬ（偏波依存性損失）と電磁石に流す電流
との関係を示す図。

【図７】電磁石による磁界強度と電流の関係を示す図。

【図８】従来の光アッテネータの第１の例における構造
を示す図。

【図９】従来の光アッテネータの第２の例における構成
と動作を示す図。

【符号の説明】

１第１の光ファイバ２第２の光ファイバ３第１の偏光分離素子４第２の偏光分離素子５第１のレンズ６第２のレンズ７磁気光学素子８，９，１０光路３１，３２光ファイバ３３，３４平行平板複屈折結晶３５，３６レンズ３７，３８永久磁石３９ガーネット４０ヨーク柱４１コイル４２筐体８１光ビーム８２偏光子８３磁気光学結晶８４永久磁石８５電磁石８６可変電流源９１，９２光ファイバ９３，９４レンズ９５，９６テーパ状複屈折結晶９７ファラデー回転子９８光ビーム

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の光ファイバと、偏光方向が互いに
直交する２つの直線偏光の光線方向を平行に保ったまま
分離または合成する第１の偏光分離素子と、コリメータ
用もしくは結像用の第１のレンズと、１枚もしくは複数
枚の磁気光学素子を組み合わせた磁気光学素子群と、収
束用の第２のレンズと、偏光方向が互いに直交する２つ
の直線偏光の光線方向を平行に保ったまま分離または合
成する第２の偏光分離素子と、第２の光ファイバをこの
順に配列してなり、前記磁気光学素子群に対する外部磁
界の印加手段が、定常磁界の印加手段と、前記定常磁界
にほぼ直交する磁界強度可変の磁界印加手段によって構
成され、前記第１の光ファイバから出た光が、前記第１
の偏光分離素子により、偏光方向が互いに直交する２つ
の直線偏光の光線に分離した後、前記第１のレンズによ
り進行方向を曲げられ前記磁気光学素子群の位置で交差
し、前記磁気光学素子群のほぼ同一の地点を透過するこ
とを特徴とする光アッテネータ。
【請求項２】前記第１と第２の偏光分離素子による偏
光分離の方向が、ほぼ逆方向であることを特徴とする請
求項１記載の光アッテネータ。
【請求項３】前記第１と第２のレンズの主面間の間隔
をほぼ両者の焦点距離の和とすることを特徴とする請求
項１ないし２記載の光アッテネータ。
【請求項４】前記定常磁界の印加手段は永久磁石であ
り、前記磁界強度可変の磁界印加手段は電磁石であるこ
とを特徴とする請求項１ないし３記載のアッテネータ。
【請求項５】前記定常磁界とほぼ直交する可変磁界の
強度が零であるときの前記磁気光学素子群のファラデー
回転角がπ／２ｒａｄ以上であることを特徴とする請求
項１ないし４記載の光アッテネータ。