JP2001272638A - 可変光アッテネータおよび可変光アッテネータモジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 長期信頼性の高い可変光アッテネータを提供
する。 【解決手段】 光信号の入射側から出射側にむかって、
偏光分離素子（複屈折素子２）と、１／２波長板３と、
電気光学素子１と、偏光合波素子（複屈折素子２）とを
配置して可変光アッテネータを構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は可変光アッテネータ
（可変光減衰器）およびこれを用いた可変光アッテネー
タモジュールに関する。

【０００２】

【従来の技術】光増幅器は光信号の入力強度の変動によ
って増幅特性が変動する。また、波長多重伝送におい
て、光増幅器に入力する光信号の数（波長数）に変更が
あった場合にも同様に増幅特性が変化する。そこで、光
増幅器の光信号強度を一定に保ち、増幅特性を安定化さ
せるために可変光アッテネータが用いられる。可変光ア
ッテネータは入射光の振幅（強度）を減衰させる素子で
あって、減衰量を変化させることができるものである。

【０００３】従来の可変光アッテネータとしては、以下
のようなものが提案されている。 １）光路の一部を横切るように設けられた遮蔽板によ
り、伝搬する光の一部を遮って光量を減衰させるもの。
モータやピエゾ素子などのアクチュエータによって前記
遮蔽板を移動させて光路の遮蔽領域を機械的に変化させ
ることにより、減衰量を変化させることができる。 ２）円板状の遮蔽板あるいは光フィルタであって、その
面内において、円周方向の光学特性が連続的に変化して
いるものを、光路を横切るように配置したもの。モータ
やピエゾ素子などのアクチュエータによってこれら遮蔽
板あるいは光フィルタを円周方向に回転させたり傾ける
ことにより、その面内における光の入射位置を変化させ
たり、面方向に対する光の入射角度を変化させる。その
結果、減衰量を変化させることができる。

【０００４】３）ファラデー回転子と偏光子からなり、
直線偏光の偏光面をファラデー回転子によってファラデ
ー回転させた後、偏光子を透過させることによって、光
を構成する２つの偏光成分のうちの一方を取り出すも
の。ファイデー回転子に印加する磁界の強さによって、
直線偏光の回転角度が変化することを利用して、減衰量
を変化させることができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記
１）、２）の可変光アッテネータは、遮蔽板や光フィル
タを機械的に移動、回転させるため、長期的な特性維持
が困難である。よって、長期信頼性が要求される光通信
システムには不適である。特にモータを使用したものは
長期信頼性が乏しい。前記３）の可変光アッテネータに
おいては、機械的に移動、回転させる可動部が存在しな
いため、長期的な信頼性が高いが、ファラデー回転子に
磁界を印加するために多量の電流を流し続ける必要があ
る。よって、少数の信号数の偏光面を僅かに回転させる
用途には好適であるが、波長多重時のように信号数が多
数である場合の補正を行うには多量の電流が消費される
ため、経済的に不利である。また、ファラデー回転子の
吸収領域に近い波長領域の光は効率良くファラデー回転
させることができるが、前記吸収領域から離れた領域の
光を用いる場合は、ファラデー回転子中の光の透過距離
を長くする必要がある。そのため、挿入損失が大きくな
るという問題がある。また、ファラデー素子は偏光依存
性があるため、光を構成するふたつの偏光成分を分離し
て別々に処理する必要がある。したがって、構造が複雑
になるという問題がある。

【０００６】本発明は前記事情に鑑てなされたもので、
長期信頼性の高い可変光アッテネータを提供することを
目的とする。また、消費電力が小さく、経済的な可変光
アッテネータを提供することを目的とする。また、挿入
損失が小さい可変光アッテネータを提供することを目的
とする。さらに、構造が簡単で製造が容易な可変光アッ
テネータを提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明においては、光信号の入射側から出射側にむ
かって、偏光分離素子と、電気光学素子と、偏光合波素
子とが配置されてなることを特徴とする可変光アッテネ
ータを提案する。また、このに可変光アッテネータにお
いて、偏光分離素子と電気光学素子との間に１／２波長
板が挿入されていることを特徴とする可変光アッテネー
タを提案する。また、これらの可変光アッテネータと、
外部の光導波路から該可変光アッテネータに光信号を入
射するためのレンズと、該可変光アッテネータから出射
する光信号を、外部の光導波路に入射するためのレンズ
とを備えていることを特徴とする可変光アッテネータモ
ジュールを構成すると好ましい。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明の特徴である電気光学素子
とは、電気光学結晶に電界を加えるための制御電源回路
を設けたものである。すなわち、透明な結晶に電界を加
えたとき、屈折率が変化し、この変化が加えた電界の強
さに比例する効果を示すものを電気光学結晶とよぶ。電
気光学結晶としては、例えば結晶点群４２ｍに属するＫ
ＤＰ（ＫＨ₂ＰＯ₄）、ＡＤＰ（ＮＨ₄Ｈ₂ＰＯ₄）、化学
式ＡＢＯ₃ で表される強誘電体結晶のＬｉＮｂＯ₃、Ｌ
ｉＴａＯ₃ 、ＢａＴｉＯ₃ 、化合物半導体のＣｄＴｅ、
ＺｎＴｅ、ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ₄）、強誘電体セラミ
ックスであるＰＺＴ、ＰＬＺＴなどが用いられる。ＰＺ
Ｔはチタン酸鉛とジルコン酸鉛との固溶体結晶である。
ＰＬＺＴはチタン酸鉛とジルコン酸鉛とランタンの固溶
体結晶である。ＰＺＴ、ＰＬＺＴなどはセラミックスな
ので、スパッタ法のような真空製膜や粉体を焼結させる
ホットプレス法などによって強誘電体セラミックスウェ
ハーからなる電気光学素子を形成することができる。よ
って、製造操作が容易で安価である。

【０００９】電気光学素子は透明であり、透過光の吸収
が少ない。また、電界印加型なので、消費電力が少な
い。そして、印加する電圧を変化させることによって屈
折率変化量が変化するため、後述する可変光アッテネー
タにおいて、光の減衰量を変化させることができる。

【００１０】また、偏光分離素子、偏光合波素子とは、
入射する光信号のふたつの偏光成分を分離あるいは合成
（合波）する作用を備えたものである。これらは同様の
ものであって、光信号の入射方向と出射方向とを逆にす
ることにより、いずれかの作用が得られる。

【００１１】偏光分離素子、偏光合波素子としては、例
えば複屈折素子、偏光ビームスプリッタなどがある。複
屈折素子は、一軸異方性を備えた媒質であり、光信号を
ふたつの偏光成分に分離するものである。一軸異方性を
備えた材料としては従来方解石、ルチル、水晶、雲母な
どが知られている。

【００１２】偏光ビームスプリッタは、プリズム上に製
膜された誘電体多層膜をもうひとつのプリズムで挟み込
んで直方体状に一体化したものである。偏光ビームスプ
リッタ（偏光ビームスプリッタ）においては、通常一方
の偏光成分が直進し、他方の偏光成分が反射し、直角に
曲がって進行することにより、これらの偏光成分が分離
される。これらの誘電体薄膜の材料としてはシリカ（Ｓ
ｉＯ₂）、チタニア（ＴｉＯ₂）ジルコニア（ＺｒＯ₂）
およびタンタニア（Ｔａ₂Ｏ₅）などが用いられる。ま
た、プリズムは石英ガラス、クラウンガラス（例えばＢ
ＳＣ７（ＨＯＹＡ製（通称：ＢＫ７））、フリントガラ
ス（ＦＤＳ９０（ＨＯＹＡ製））などからなるものが用
いられる。

【００１３】図１は偏光分離素子、偏光合波素子として
複屈折素子を用いた本発明の可変光アッテネータの構成
の一例を示したものである。図中符号１は直方体状の電
気光学素子であって、この電気光学素子１の前後に、そ
れぞれ直方体状の複屈折素子２、２が配置されて、この
可変光アッテネータが構成されている。

【００１４】以下、光信号のふたつの直交する偏光成分
を、便宜上、それぞれＸ偏光、Ｙ偏光とよぶ。どのよう
な光信号もＸ偏光とＹ偏光との合成（ベクトル和）で表
わすことができる。図中にはｘ軸とこれに直交するｙ軸
によって光信号の偏光成分がどのように変化するかが示
されている。Ｘ偏光はｘ軸と重なる位置、Ｙ偏光はｙ軸
と重なる位置に表される。

【００１５】なお、光信号の進行方向は、矢印が示され
ているように図中左から右である。また、予め電気光学
素子１には、所定の減衰量が得られるように、所定の電
圧を印加し、屈折率変化を生じさせておく。通常の光通
信システムにおいて、光ファイバなどの光導波路を伝搬
してくる光信号は無偏光である。この光信号ＡのＸ偏光
成分とＹ偏光成分とを合成したものが、ｘ軸から角度θ
の位置に直線で表されている。

【００１６】光信号Ａが複屈折素子２に入射すると、そ
の入射面において、複屈折素子２の偏光分離角にしたが
ってＹ偏光のみが曲がり、Ｘ偏光は直進する。その結
果、Ｙ偏光からなる光信号Ｂと、Ｘ偏光からなる光信号
Ｃとに分離する。光信号Ｂは複屈折素子２の出射面で再
び曲がり、光信号Ｃと平行方向に出射する。偏光分離角
は複屈折素子２の材料の選択、複屈折素子２における光
信号の透過距離、複屈折素子２への光信号の入射角度な
どによって変化させることができる。この例においては
複屈折素子２はルチルから構成され、複屈折素子２の光
信号の透過距離は０．５〜１ｍｍである。

【００１７】さらにこれらの光信号Ｂ、Ｃが電気光学素
子１を透過すると、電気光学素子１の屈折率変化によ
て、光信号Ｂにおいては、ｙ軸から角度φだけ回転せし
められて光信号Ｄとなる。光信号Ｃにおいては、ｘ軸か
ら角度φだけ回転せしめられて光信号Ｅとなる。

【００１８】これらの光信号Ｄ、Ｅがさらに複屈折素子
２に入射すると、その入射面において、それぞれＹ偏光
成分が偏光分離角にしたがって曲がり、Ｘ偏光とＹ偏光
とに分離される。これらのＹ偏光は、さらに複屈折素子
２の出射面にて曲がり、直進するＸ偏光と平行方向に出
射する。このとき、光信号ＤのＹ偏光を光信号Ｆ、Ｘ偏
光を光信号Ｇとする。また、光信号ＥのＹ偏光を光信号
Ｈ、Ｘ偏光を光信号Ｉとする。そして、複屈折素子２か
ら出射する際に、光信号Ｇと光信号Ｈとが合波する。よ
って、この合波光のみを受光すれば、受光されなかった
光信号Ｆ、Ｉの分の強度が減衰した光信号を得ることが
できる。

【００１９】ところで、一般に電気光学素子１において
回転せしめられる角度は４５度よりも小さく設定され
る。よって、光信号Ｄにおいては、Ｙ偏光成分の強度が
大きい。このＹ偏光成分は後に光信号Ｆとなり、光ファ
イバなどの出射側の導波路に接続されず、光信号Ｄは減
衰せしめられる。また、光信号Ｅにおいては、Ｘ偏光成
分の強度が大きい。このＸ偏光成分は複屈折素子２を透
過した後に光信号Ｉとなり、光ファイバなどの出射側の
導波路に接続されず、光信号Ｄは減衰せしめられる。し
たがって、この可変光アッテネータにおいては、電気光
学素子１の回転角度の大きさ（印加電圧の大きさ）と光
信号の減衰量は反比例する。可変光アッテネータは、上
述のように光信号の入力強度の変動などの微妙な調整に
用いられる場合が多く、光の減衰量は比較的小さい。よ
って、このような用途においては、回転角度が大きくな
り、多くの電圧を印加する必要が生じ、効率が悪い。

【００２０】そこで、図２に示したように、電気光学素
子１とその前方の複屈折素子２との間に１／２波長板３
を挿入した構成とすることができる。すなわち、入射側
の複屈折素子２においてＹ偏光とＸ偏光とを分離した
後、λ／２波長板３を透過させてＹ偏光をＸ偏光に、Ｘ
偏光をＹ偏光に変換する。その結果、電気光学素子１の
回転角度の大きさと光信号の減衰量が比例し、効率のよ
い減衰が可能となる。１／２波長板３は雲母板、バビネ
ット補償板やソレイユ補償板などの水晶板、ポリイミド
板などから形成される直方体板状のものである。

【００２１】図３は、偏光分離素子、偏光合波素子とし
て偏光ビームスプリッタを用いた例を示したものであ
る。この例においては、ふたつの偏光ビームスプリッタ
４Ａ、偏光ビームスプリッタ４Ｂとふたつのミラー５、
５が、それぞれ長方形の対角線状に配置され、光路の中
央付近に電気光学素子１が配置されている。すなわち、
無偏光の光信号Ｊを偏光ビームスプリッタ４Ａに入力す
るとＹ偏光は直進し、Ｘ偏光は反射して直角に曲がる。
その結果Ｙ偏光からなる光信号Ｋと、Ｘ偏光からなる光
信号Ｌとに分離される。その後、光信号Ｌはミラー５に
て反射して直角に曲がり、光信号Ｋと平行に進行する。

【００２２】これらの光信号Ｋ、Ｌが電気光学素子１を
透過すると、光信号Ｋはｙ軸から角度φだけ回転せしめ
られて光信号Ｍとなる。光信号Ｌはｘ軸から角度φだけ
回転せしめられて光信号Ｎとなる。よって、光信号Ｍは
Ｙ偏波成分の強度が大きく、Ｘ偏波成分の強度が小さ
い。一方、光信号ＮはＸ偏波成分の強度が大きく、Ｙ偏
波成分の強度が小さい。

【００２３】ついで、光信号Ｎは、その光路上に配置さ
れた偏光ビームスプリッタ４Ｂに入射し、光信号Ｍはミ
ラー５にて反射して直角に曲がり、この偏光ビームスプ
リッタ４Ｂに入射する。その結果、偏光ビームスプリッ
タ４Ｂにおいて、光信号Ｍ、ＮのそれぞれのＸ偏波が反
射して直角に曲がり、Ｙ偏波が直進する。そして、光信
号ＭのＸ偏波と光信号ＮのＹ偏波が合波した光信号Ｏ
と、光信号ＭのＹ偏波と光信号ＮのＸ偏波とが合波した
光信号Ｐが得られる。

【００２４】光信号Ｏは強度の小さい偏波成分どうしが
合波したものであり、光信号Ｐは強度の大きい偏波成分
どうしが合波したものである。よって、好ましくは光信
号Ｐを受光することにより、光信号Ｏの強度が減衰した
光信号を効率よく得ることができる。この場合は、光信
号Ｊの入射方向と、光信号Ｐの出射方向とが直交する。
なお、光信号Ｋ、Ｍと、光信号Ｌ、Ｎは、偏光ビームス
プリッタＡから偏光ビームコンバイナ４Ｂにおいて、い
ずれも１回ずつミラー５によって反射され、曲がってい
る。よってこれらの光路長は等しくなっている。

【００２５】図４は偏光ビームスプリッタを用いた可変
光アッテネータにおいて、光信号の入射方向と光信号の
出射方向が平行になるようにした装置構成例を示したも
ので、偏光ビームスプリッタ４Ａと電気光学素子１との
間にλ／２波長板３が挿入されている以外は図３に示し
た構成と同様である。すなわち、無偏光の光信号が、偏
光ビームスプリッタ４ＡにおいてＹ偏光とＸ偏光に分離
した後、１／２波長板３を透過し、Ｙ偏光がＸ偏光に、
Ｘ偏光がＹ偏光に変換する。その結果、光信号Ｊの入射
方向と平行方向に出射する光信号Ｑの強度が大きくな
り、これと直交する方向に出射する光信号Ｒの強度が小
さくなる。図３、図４に示したように、入射方向と出射
方向をどのように設定するかは、可変光アッテネータを
挿入するシステムの配置などによって適宜選択可能であ
る。

【００２６】図５に示した例においては偏光ビームスプ
リッタ４Ａとミラー５、および偏光ビームスプリッタ４
Ｂとミラー５が、それぞれ長方形の対角線状に配置され
ている。この場合、光信号Ｊは偏光ビームスプリッタ４
Ａにて、そのＸ偏波が反射して直角に曲がり、このＸ偏
波はミラー５にて反射され、直角に曲がり、電気光学素
子１を透過して所定角度回転せしめられ、さらにミラー
５にて反射して直角に曲がり、偏光ビームスプリッタ４
ＢにてＸ偏波とＹ偏波とに分離する。一方、偏光ビーム
スプリッタ４Ａにて分離した光信号ＪのＹ偏波は直進
し、電気光学素子１にて回転せしめられ、さらに偏光ビ
ームスプリッタ４ＢにてＸ偏光とＹ偏光とに分離する。

【００２７】すなわち、偏光ビームスプリッタ４Ａから
偏光ビームスプリッタ４Ｂまでの間において、偏光ビー
ムスプリッタ４Ａにて反射して直角に曲がったＸ偏波
は、その後２回ミラー５にて反射されるため、光路長が
長い。一方Ｙ偏波は直進するのみなので、光路長が短
い。そのため、これらの光路長差によって偏波モード分
散が発生するという不都合がある。よって、上述の図
３、４に示した例のように、偏光ビームスプリッタ４Ａ
から偏光ビームスプリッタ４Ｂまでの間のふたつの光路
の長さが等しくなるように、偏光ビームスプリッタ４Ａ
と偏光ビームスプリッタ４Ｂとを対角線状に配置し、ミ
ラー５、５を対角線状に配置すると好ましい。

【００２８】このように本発明の可変光アッテネータに
おいては、機械的に駆動する部分がない。そのため、長
期的な信頼性が高く、また、駆動部分の調節などが必要
ないため、製造が容易である。また、電気光学素子は透
明であり、透過光の吸収が少ないため、挿入損失が小さ
い。また、電界印加型なので、消費電力が少ない。そし
て、印加する電圧を変化させることによって屈折率変化
量が変化するため、光の減衰量を自由に変化させること
ができる。

【００２９】なお、本発明の可変光アッテネータに外部
の光導波路から光信号を入射し、この可変光アッテネー
タから出射する光信号を外部の光導波路に入射して伝搬
させるためには、可変光アッテネータモジュールを構成
すると好ましい。可変光アッテネータモジュールは、例
えば可変光アッテネータと、この可変光アッテネータに
外部の光導波路から光信号を入射するためのレンズと、
この可変光アッテネータから出射する光信号を、外部の
光導波路に入射するためのレンズとを備えたものであ
る。レンズとしては、例えばコヒメートリーレンズなど
が用いられる。光導波路としては、光ファイバが代表的
である。例えば後述する光合分波器の出力ポートに接続
された光ファイバの端部から出射する光信号を、コヒメ
ートリーレンズを介して平行光とし、可変光アッテネー
タの偏光分離素子に入射する。一方、可変光アッテネー
タの偏光合波素子から出射する光信号を、出射側に設け
たコヒメートリーレンズを介して、外部の光ファイバの
端部に集光して、この光ファイバを伝搬させる。

【００３０】また、本発明の可変光アッテネータおよび
可変光アッテネータモジュールは、上述のように、光増
幅器の光信号強度を一定に保ち、増幅特性を安定化させ
るために用いられる他、複数の光導波路に同時に光信号
を入力する際などに用いられる光合分波器などの特性制
御にも適用できる。光合分波器としては、例えばＡＷＧ
（アレイ型導波路格子）などが用いられる。複数の光導
波路は、例えばＳｉや石英などの基板上に光ファイバと
の接合のための入力用の導波路、スラブ型導波路、長さ
が徐々に異なる導波路を並べた導波路格子、出力用導波
路などから構成される。光合分波器は、例えば１つの出
力ポートと複数の光導波路からなる複数の入力ポートを
備えており、この複数の入力ポートのそれぞれに波長の
異なる複数の光信号を入力すると、これらの光信号が合
波され、この合波光が出力ポートから出力する。そし
て、これらの複数の入力ポートを透過する光信号の強度
にばらつきがある場合に、この強度が大きい入力ポート
の手前に可変光アッテネータモジュールを挿入し、強す
ぎる光信号を調節して、光信号の強度を均一にする。ま
た、出力ポートの後方に可変光アッテネータモジュール
を挿入し、出力ポート間における光信号のばらつきを低
減することもできる。この場合、入力ポートに入力した
光信号間の強度のばらつきを均一にすることもできる。
また、光合分波器は温度依存性がある場合が多いが、本
発明においては、可変光アッテネータに印加する電圧を
変化させることによって、環境温度などの変化に対する
制御を行うことができる。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように本発明の可変光アッ
テネータは、機械的に駆動する部分がない。そのため、
長期的な信頼性が高く、また、駆動部分の調節などが必
要ないため、製造が容易である。また、電気光学素子は
透明であり、透過光の吸収が少ないため、挿入損失が小
さい。また、電界印加型なので、消費電力が少ない。そ
して、印加する電圧を変化させることによって屈折率変
化量が変化するため、光の減衰量を自由に変化させるこ
とができる。また、１／２波長板の挿入により、さらに
効率のよい減衰などが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 偏光分離素子、偏光合波素子として複屈折素
子を用いた本発明の可変光アッテネータの構成の一例を
示した概略構成図である。

【図２】 図１に示した構成例において１／２波長板を
挿入したものを示した概略構成図である。

【図３】 偏光分離素子、偏光合波素子として偏光ビー
ムスプリッタ、偏光ビームスプリッタを用いた例を示し
た概略構成図である。

【図４】 図３に示した構成例において１／２波長板を
挿入したものを示した概略構成図である。

【図５】 図３に示した構成例において、偏光ビームス
プリッタとミラー、および偏光ビームスプリッタとミラ
ーが、それぞれ長方形の対角線状に配置された例を示し
た概略構成図である。

【符号の説明】

１…電気光学素子、２…複屈折素子（偏光分離素子、偏
光合波素子）、３…１／２波長板、４Ａ…偏光ビームス
プリッタ（偏光分離素子）、４Ｂ…偏光ビームスプリッ
タ（偏光合波素子）。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光信号の入射側から出射側にむかって、
   偏光分離素子と、電気光学素子と、偏光合波素子とが配
   置されてなることを特徴とする可変光アッテネータ。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の可変光アッテネータに
   おいて、偏光分離素子と電気光学素子との間に１／２波
   長板が挿入されていることを特徴とする可変光アッテネ
   ータ。
3. 【請求項３】 請求項１または２に記載の可変光アッテ
   ネータと、外部の光導波路から該可変光アッテネータに
   光信号を入射するためのレンズと、該可変光アッテネー
   タから出射する光信号を、外部の光導波路に入射するた
   めのレンズとを備えていることを特徴とする可変光アッ
   テネータモジュール。