JP2002228984A - 光サーキュレータ - Google Patents

光サーキュレータ

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JP2002228984A
JP2002228984A JP2001031100A JP2001031100A JP2002228984A JP 2002228984 A JP2002228984 A JP 2002228984A JP 2001031100 A JP2001031100 A JP 2001031100A JP 2001031100 A JP2001031100 A JP 2001031100A JP 2002228984 A JP2002228984 A JP 2002228984A
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Hiroshi Honma
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NEC Tokin Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 小型で、逆方向損失に優れた、3ポート型
で、完全に循環する光サーキュレータを提供すること。 【解決手段】 3つの光入出射ポートが併置され、前記
光入出射ポートから順に、第1の複屈折ウォークオフ結
晶偏光子群、光進行方向に対して併置された2枚の1/
2波長板、非相反45度偏光面回転子、第2の複屈折ウ
ォークオフ結晶偏光子群、非相反45度偏光面回転子、
特定の光パスに対して機能する全反射ミラー、非相反4
5度偏光面回転子、第3の複屈折ウォークオフ結晶偏光
子群、非相反45度偏光面回転子、および全反射ミラー
が配置されて成る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、光受動部品とし
て、主に光通信装置などで光信号の経路の整理に用いら
れる光サーキュレータに係り、特に、光入出射ポートの
間で光が完全に循環する動作が可能な光サーキュレータ
の構造に関する。
【0002】
【従来の技術】完全に循環する動作が可能である光サー
キュレータの構造の従来例として、日本国特許第133
6074号記載の構造や、特願平11−86222号記
載の構造があげられる。
【0003】日本国特許第1336074号記載の構造
は、2つの全反射ミラー、2つのPBS(偏光ビームス
プリッタ)、1枚の45度ファラデー旋光子、1枚の光
学活性旋光子からなり、4ポート光サーキュレータとし
て動作する。
【0004】また、特願平11−86222号記載の構
造は、2つの全反射ミラー、2つの反射型偏光子、1枚
の45度ファラデー回転子からなり、4ポート光サーキ
ュレータとして動作する。
【0005】これらの光サーキュレータにおいては、任
意の光入出射ポートを第1ポートとしたとき、第4ポー
トからは、第1ポートへ光が進行する。言い換えると、
第1ポートからは第2ポートへ、第2ポートからは第3
ポートへ、第3ポートからは第4ポートへ、そして、第
4ポートからは第1ポートへと光が進行し、完全に循環
する動作が行われている。
【0006】なお、いずれの従来例についても、光学結
晶部(光非相反部)についてのみ述べたが、これらは光
ファイバ、レンズ他よりなる光学系と組み合わされ、光
サーキュレータとして動作する。
【0007】また、完全に循環する動作は不可能である
が、アメリカ合衆国特許US5,471,340のFIG
S.1A〜1C記載の構成は、光入出射ポートが、すべ
て同じ側に配置され、多段構成で、かつ消光比の低い部
材を使用しないために、小型で、高アイソレーションの
特性を満たす3ポート光サーキュレータの例として知ら
れる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】3ポート型で、かつ完
全に循環する光サーキュレータを実現するために、日本
国特許第1336074号記載の構造や、特願平11−
86222号記載の構造を用いるとすると、第4ポート
に相当する光入出射ポートに全反射ミラーを配置するな
どの必要が生じる。
【0009】また、上記2つの従来技術においては、組
み合わせる光ファイバとレンズの方向がポートによって
異なるため、結果として光サーキュレータ全体が大きく
なるという問題点がある。
【0010】さらに、上記2つの従来技術においては、
反射光の消光比が高くない反射型偏光分離合成素子を用
いているため、逆方向損失が35dB程度と低いという
問題点がある。
【0011】ところで、従来技術と併記して述べた、ア
メリカ合衆国特許US5,471,340のFIGS.1
A〜1C記載の構成においては、第3の光入出射ポート
から入射した光は、FIGS.1A〜1Cには不記載の
第4の光入出射ポートへ進行する。即ち、完全に循環す
る動作は行わない。
【0012】そこで、本発明の課題は、小型で、逆方向
損失に優れた、3ポート型で、かつ完全に循環する光サ
ーキュレータを提供することである。
【0013】
【課題を解決するための手段】アメリカ合衆国特許US
5,471,340のFIGS.1A〜1C記載の構成に
おいて、第3の光入出射ポートからの光は、FIGS.
1A〜1Cには不記載の第4の光入出射ポートへ進行す
ることは、既に述べたとおりであるが、この第3の光入
出射ポートからの光を、第1の光入出射ポートへ進行さ
せるための光路を設けることで上記課題を解決すること
ができる。
【0014】具体的には、アメリカ合衆国特許US5,
471,340のFIGS.1A〜1C中の36として記
載される、100%反射ミラーに替えて、第1,第2の
光入出射ポートからの光が入射する箇所のみ、100%
反射ミラー機能を有し、他の箇所は100%の透過率を
有する光学部品とし、その後に45度ファラデー回転
子、光路制御素子としての複屈折ウォークオフ結晶偏光
子、45度ファラデー回転子、および100%反射ミラ
ーからなる迂回路を設ける。
【0015】また、上記の場合、ファラデー回転子の枚
数が多すぎて、損失が大き過ぎる場合が生じることもあ
る。この対策として、ミラーと隣り合うファラデー回転
子に替えて、1/4波長板を使用することも可能であ
る。ファラデー回転子と1/4波長板の使い分けは、ア
イソレーションとロスの双方を比べ、使用目的に合わせ
て、決められる。
【0016】但し、本解決手段を用いる場合、各ポート
間の距離が一致しないため、使用できる光学系はコリメ
ートビーム系に限られる。更に光入出射ポートと隣り合
う偏光分離素子で分離された2つのビームが、各々、別
々に入射する隣り合う2枚の1/2波長板がなす境目に
ぶつかる事による損失を抑えるために、前記コリメート
ビーム系を成す光ファイバはコア拡大ファイバであるこ
とが望ましい。
【0017】また、隣り合う光入出射ポートをなすレン
ズあるいはファイバの間隔を実質的に広げるために、レ
ンズと前述の光学素子部の間にプリズムを設けることは
有効である。
【0018】即ち、本発明の光サーキュレータは、3つ
の光入出射ポートが実質的に併置され、前記光入出射ポ
ートから順に、第1の複屈折ウォークオフ結晶偏光子
群、光進行方向に対して併置された2枚の1/2波長
板、第1の非相反45度偏光面回転子、第2の複屈折ウ
ォークオフ結晶偏光子群、第2の非相反45度偏光面回
転子、特定の光パスに対してだけ機能する全反射ミラ
ー、第3の非相反45度偏光面回転子、第3の複屈折ウ
ォークオフ結晶偏光子群、第4の非相反45度偏光面回
転子、および全反射ミラーが配置されて成る。
【0019】また、本発明の光サーキュレータは、3つ
の光入出射ポートが実質的に併置され、前記光入出射ポ
ートから順に、第1の複屈折ウォークオフ結晶偏光子
群、光進行方向に対して併置された2枚の1/2波長
板、第1の非相反45度偏光面回転子、第2の複屈折ウ
ォークオフ結晶偏光子群、第2の非相反45度偏光面回
転子、特定の光パスに対してだけ機能する全反射ミラ
ー、第3の非相反45度偏光面回転子、第3の複屈折ウ
ォークオフ結晶偏光子群、1/4波長板、および全反射
ミラーが配置されて成る。
【0020】また、前記の特定の光パスに対してだけ機
能する全反射ミラーの前後に配置される第2および第3
の非相反45度偏光面回転子に替えて、1/4波長板を
用いることもできる。
【0021】また、前記併置される2枚の1/2波長板
には、前記第1の複屈折ウォークオフ結晶偏光子群で分
離された偏光成分が別々に入射し、かつ2枚の1/2波
長板のc軸方向が互いに45°の角度をなすものを用い
ることができる。
【0022】また、同一の前記複屈折ウォークオフ結晶
偏光子群に含まれる複屈折ウォークオフ結晶偏光子が全
て同一の異常光分離方向を有し、かつ3つの光入出射ポ
ートが並ぶ面と、第1の複屈折ウォークオフ結晶偏光子
群の異常光分離方向がほぼ直交し、かつ併置される2枚
の1/2波長板のなす境界線が3つの光入出射ポートが
並ぶ面とほぼ平行であり、かつ3つの光入出射ポートが
並ぶ面と、第2の複屈折ウォークオフ結晶偏光子群の異
常光分離方向がほぼ平行であり、かつ第2の複屈折ウォ
ークオフ結晶偏光子群の異常光分離方向と、第3の複屈
折ウォークオフ結晶偏光子群の異常光分離方向がほぼ同
一方向であり、かつ第2の複屈折ウォークオフ結晶偏光
子群の異常光分離距離に対し、第3の複屈折ウォークオ
フ結晶偏光子群の異常光分離距離が約3倍となるように
することができる。
【0023】また、前記光入出射ポートがレンズとコア
拡大光ファイバからなるファイバコリメータであっても
よい。
【0024】また、前記光入出射ポートが個別の光ファ
イバとレンズからなり、かつレンズと第1の複屈折ウォ
ークオフ結晶偏光子群の間に、プリズムが配置されてい
てもよい。
【0025】
【発明の実施の形態】以下に、図を用いて、本発明にお
ける実施の形態を説明する。
【0026】(実施の形態1)図1(a)は本発明にお
ける実施の形態1の光学的な構成を示す側面図であり、
図1(b)は、その上面図である。
【0027】コア拡大光ファイバ(TECファイバ)
1,2,3のMFD(モードフィールド直径)は30μ
mであり、レンズ4,5,6は焦点距離1.8mmの非
球面レンズである。これらは、ビームウェスト直径約1
20μmのファイバコリメータを成す。ルチル平行平板
7は、厚さ2.0mm、ウォークオフ量約200μmの
偏光合成分離素子である。水晶1/2波長板8,9は厚
さ約92μmで、波長1.55μmにおいて、1/2波長
板として、機能する。45度ファラデー回転子10,1
1,12,13はビスマス置換ガドリニウム鉄ガーネッ
ト厚膜で、波長1.55μmにおいて、所定の回転角を
有する。
【0028】 ルチル平行平板14は、厚さ1.5m
m、ウォークオフ量約150μmで、光路決定手段とし
て用いられる。ミラー31は、図8に示すように、全反
射ミラー16がガラス基板17上の内、ファイバ1,2
からのビームの入射位置近辺のみに形成され、他の部分
には無反射コート膜が形成されたものである。また、ル
チル平行平板15は厚さ4.5mm、ウォークオフ量約
450μmで、光路決定手段として用いられる。そし
て、全反射ミラー18は全面にわたって形成された誘電
体多層膜ミラーである。
【0029】図2(a)は、光入射ポート側から見た、
光学素子の結晶軸、偏光面の回転方向を表す図である。
また、全反射ミラー16,18は斜線部分において、全
反射ミラーとしての機能を有する。
【0030】図2(b),図2(c),図2(d)は、
各々、ポート1→ポート2、ポート2→ポート3、およ
びポート3→ポート1への光の進行における各部材前後
における偏光状態と、光入出射位置を表し、光入出射ポ
ート側から見た図である。各々、上段が往路を、下段が
復路を表す。ポート1→ポート2、およびポート2→ポ
ート3においては、アメリカ合衆国特許US5,471,
340のFIGS.1A〜1C記載の構成と同様の動作
である。
【0031】図3(a)は本形態における光ビームの進
行経路を示す側面図であり、ポート1→ポート2、ポー
ト2→ポート3、およびポート3→ポート1への進行の
いずれにおいても共通である。言い換えると、側面から
は、重なって見える。図3(b),図3(c),図3
(d)は、各々、ポート1→ポート2、ポート2→ポー
ト3、およびポート3→ポート1への進行における光ビ
ームの進行経路を示す上面図である。
【0032】(実施の形態2)次に、図4〜図5を用い
て、本発明の実施の形態2について説明する。図4
(a)は、光入射ポート側から見た、光学素子の結晶
軸、偏光面の回転方向を表す図である。また、全反射ミ
ラー16,18は斜線部分が、全反射ミラーとしての機
能を有する。
【0033】本実施の形態においては、図2(a)記載
のファラデー回転子13に替えて、ルチル平行平板15
の偏光分離方向と45度の光学軸角度を有する1/4波
長板19を用いる。
【0034】ところで、直線偏光子、その直線偏光子の
偏光面と光学軸が±45度の角度を有する1/4波長
板、および垂直入射の全反射ミラーは、反射型の光アイ
ソレータを構成する。
【0035】本実施例において、ルチル平行平板15に
入射する2つのビームは、必ず、同一かつ一定方向の偏
波面を有する直線偏光であるので、ルチル平行平板1
5、1/4波長板19、および全反射ミラー18も反射
型光アイソレータを構成していると言える。
【0036】ただし、ルチル平行平板は吸収型でなく、
直線偏光のシフト作用による偏光子であるので、ルチル
平行平板15、1/4波長板19、および全反射ミラー
18は光路を切り替える機構となる。なお、1/4波長
板19と全反射ミラー18の間では、進行光は右回りま
たは左回りの円偏光となる。
【0037】図4(b),図4(c),図4(d)は、
各々、ポート1→ポート2、ポート2→ポート3、およ
びポート3→ポート1への光の進行における各部材前後
における偏光状態と、光入出射位置を表し、光入出射ポ
ート側から見た図である。各々、上段が往路を、下段が
復路を表す。ポート1→ポート2、およびポート2→ポ
ート3の経路においては、1/4波長板19に関係する
光路を持たないため、光の進行は実施の形態1と同様で
ある。
【0038】図5(a)は、本形態における光ビームの
進行経路を示す側面図であり、ポート1→ポート2、ポ
ート2→ポート3、およびポート3→ポート1への進行
のいずれにおいても共通である。言い換えると、側面か
らは、重なって見える。図6(b),図6(c),図6
(d)は、各々、ポート1→ポート2、ポート2→ポー
ト3、およびポート3→ポート1への進行における光ビ
ームの進行経路を示す上面図である。
【0039】(実施の形態3)次に、図6を用いて、本
発明の実施の形態3について説明する。図6(a)は光
入出射ポート側から見た結晶軸、偏光面回転方向を表す
図である。本実施の形態においては、まず、図2(a)
記載のファラデー回転子13に替えて、ルチル平行平板
15の偏光分離方向と45度の光学軸角度を有する1/
4波長板19を用いる。この機構と作用は実施の形態2
において、記述したとおりである。
【0040】さらに、本実施の形態においては、図2
(a)記載のファラデー回転子11,12に替えて、ル
チル平行平板14の偏光分離方向と45度の光学軸角度
を有する1/4波長板20,21を用いる。
【0041】この構成において、ルチル平行平板14に
入射する2つの光ビームは、必ず、同一かつ一定方向の
偏波面を有する直線偏光であるので、ルチル平行平板1
4、1/4波長板20、および全反射ミラー16も反射
型光アイソレータを構成していると言える。
【0042】ただし、ルチル平行平板14は吸収型でな
く、直線偏光のシフト作用による偏光子であるので、ル
チル平行平板14、1/4波長板20、および全反射ミ
ラー16は光路を切り替える機構となる。この作用はポ
ート1→ポート2、およびポート2→ポート3への進行
において機能する。
【0043】また、全反射ミラー16の有効領域を迂回
するポート3→ポート1への進行においては、1/4波
長板20と1/4波長板21が同一の光学軸方向を有
し、且つその間に偏光状態に作用する光学素子がないた
め、実質、1/2波長板として、動作する。
【0044】1/4波長板20と1/4波長板21はとも
に、ルチル平行平板14の偏光分離方向と45度の光学
軸角度を有するため、1/4波長板20と1/4波長板2
1は入射する直線偏光の偏波面を90度回転させる。ま
た、復路において、ルチル平行平板15から入射する際
も同様である。これらの作用はファラデー回転子11,
12の2枚がなす作用と実質同じである。
【0045】図6(b),図6(c),図6(d)は、
各々、ポート1→ポート2、ポート2→ポート3、およ
びポート3→ポート1への進行における各部材の前後に
おける偏光状態と、光の入出射位置を表す。
【0046】(実施の形態4)次に、図7を用いて、本
発明の実施の形態4について説明する。図7(a),図
7(b)は、実施の形態3記載の構成に第1のおよび第
3の光入出射ポートとルチル平行平板との間に全反射ミ
ラーからなるプリズム22,23を加え、隣り合う光入
出射ポートをなすレンズおよびファイバの間隔を実質的
に広げた実施の形態を説明する図である。図7(a)は
側面図、図7(b)は上面図であり、光学的な構成と光
の経路が示されている。
【0047】本実施の形態での光学特性を、中心波長で
ある1.55μmで測定した。その結果、ポート1→ポ
ート2間の損失が0.7dB、PDL(偏波依存損失)
が0.08dB、アイソレーションが50dBであり、
ポート2→ポート3間の損失が0.7dB、PDLが0.
08dB、アイソレーションが50dB、 ポート3→
ポート1間の損失が1.0dB、PDLが0.12dB、
アイソレーションが45dBとなった。
【0048】この数値は一般的な光サーキュレータとし
ては、特に優れているとはいえないが、完全に循環する
動作が確認できた。完全に循環させていることを考慮に
入れれば、よい特性であると言える。また、光学素子部
を納めるホルダは、幅30mm、奥行き20mm、厚さ
5mmとなった。このサイズも筐体部としては、大きい
と言えるが、ファイバがすべて同じ側に存在するため、
実用上は光サーキュレータ全体としては小さいといえ
る。
【0049】
【発明の効果】以上示したように、本発明によって、完
全に循環する動作が可能であり、良好なアイソレーショ
ンを有し、かつ実質的に小型である光サーキュレータの
提供が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施の形態1における光学部材の配置を示す
図。図1(a)は側面図、図1(b)は上面図。
【図2】実施の形態1における光の進行と偏光状態を示
す図。図2(a)は光入出射ポート側から見た結晶軸、
偏光面回転方向、および全反射ミラー面を示す図。図2
(b)はポート1からポート2への進行における各部材
前後における偏光状態と、光入出射位置を示す図。図2
(c)はポート2からポート3への進行における各部材
前後における偏光状態と、光入出射位置を示す図。図2
(d)はポート3からポート1への進行における各部材
前後における偏光状態と、光入出射位置を示す図。
【図3】実施の形態1における光ビームの進行経路を示
す図。図3(a)は側面図。図3(b)はポート1から
ポート2への進行における各部材前後における偏光状態
と、光入出射位置を示す上面図。図3(c)はポート2
からポート3への進行における各部材前後における偏光
状態と、光入出射位置を示す上面図。図3(d)はポー
ト3からポート1への進行における各部材前後における
偏光状態と、光入出射位置を示す上面図。
【図4】実施の形態2における光の進行と偏光状態を示
す図。図4(a)は光入出射ポート側から見た結晶軸、
偏光面回転方向、および全反射ミラー面を示す図。図4
(b)はポート1からポート2への進行における各部材
前後における偏光状態と、光入出射位置を示す図。図4
(c)はポート2からポート3への進行における各部材
前後における偏光状態と、光入出射位置を示す図。図4
(d)はポート3からポート1への進行における各部材
前後における偏光状態と、光入出射位置を示す図。
【図5】実施の形態2における光ビームの進行経路を示
す図。図5(a)は側面図。図5(b)は上面図。
【図6】実施の形態3における光の進行と偏光状態を示
す図。図6(a)は光入出射ポート側から見た結晶軸、
偏光面回転方向、および全反射ミラー面を示す図。図6
(b)はポート1からポート2への進行における各部材
前後における偏光状態と、光入出射位置を示す図。図6
(c)はポート2からポート3への進行における各部材
前後における偏光状態と、光入出射位置を示す図。図6
(d)はポート3からポート1への進行における各部材
前後における偏光状態と、光入出射位置を示す図。
【図7】実施の形態4における光ビームの進行経路を示
す図。図7(a)は側面図。図7(b)は上面図。
【図8】全反射ミラー面と透過面を有するミラーの斜視
図。
【符号の説明】
1,2,3 コア拡大光ファイバ 4,5,6 レンズ 7,14,15 ルチル平行平板の複屈折ウォークオ
フ結晶偏光子 8,9 水晶1/2波長板 10,11,12,13 45度ファラデー回転子 16,18 全反射ミラー 17 ガラス基板 19,20,21 水晶1/4波長板 22,23 プリズム

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 3つの光入出射ポートが実質的に併置さ
    れ、前記光入出射ポートから順に、第1の複屈折ウォー
    クオフ結晶偏光子群、光進行方向に対して併置された2
    枚の1/2波長板、第1の非相反45度偏光面回転子、
    第2の複屈折ウォークオフ結晶偏光子群、第2の非相反
    45度偏光面回転子、特定の光パスに対してだけ機能す
    る全反射ミラー、第3の非相反45度偏光面回転子、第
    3の複屈折ウォークオフ結晶偏光子群、第4の非相反4
    5度偏光面回転子、および、全反射ミラーが配置されて
    成ることを特徴とする光サーキュレータ。
  2. 【請求項2】 3つの光入出射ポートが実質的に併置さ
    れ、前記光入出射ポートから順に、第1の複屈折ウォー
    クオフ結晶偏光子群、光進行方向に対して併置された2
    枚の1/2波長板、第1の非相反45度偏光面回転子、
    第2の複屈折ウォークオフ結晶偏光子群、第2の非相反
    45度偏光面回転子、特定の光パスに対してだけ機能す
    る全反射ミラー、第3の非相反45度偏光面回転子、第
    3の複屈折ウォークオフ結晶偏光子群、1/4波長板、
    および、全反射ミラーが配置されて成ることを特徴とす
    る光サーキュレータ。
  3. 【請求項3】 前記の特定の光パスに対してだけ機能す
    る全反射ミラーの前後に配置される第2および第3の非
    相反45度偏光面回転子に替えて、2枚の1/4波長板
    を用いることを特徴とする請求項1または2記載の光サ
    ーキュレータ。
  4. 【請求項4】 前記併置される2枚の1/2波長板に
    は、前記第1の複屈折ウォークオフ結晶偏光子群で分離
    された偏光成分が別々に入射し、かつ2枚の1/2波長
    板のc軸方向が互いに45°の角度をなすことを特徴と
    する請求項1〜3いずれか記載の光サーキュレータ。
  5. 【請求項5】 同一の前記複屈折ウォークオフ結晶偏光
    子群に含まれる複屈折ウォークオフ結晶偏光子が全て同
    一の異常光分離方向を有し、かつ3つの光入出射ポート
    が並ぶ面と、第1の複屈折ウォークオフ結晶偏光子群の
    異常光分離方向がほぼ直交し、かつ併置される2枚の1
    /2波長板のなす境界線が3つの光入出射ポートが並ぶ
    面とほぼ平行であり、かつ3つの光入出射ポートが並ぶ
    面と、第2の複屈折ウォークオフ結晶偏光子群の異常光
    分離方向がほぼ平行であり、かつ第2の複屈折ウォーク
    オフ結晶偏光子群の異常光分離方向と、第3の複屈折ウ
    ォークオフ結晶偏光子群の異常光分離方向がほぼ同一方
    向であり、かつ第2の複屈折ウォークオフ結晶偏光子群
    の異常光分離距離に対し、第3の複屈折ウォークオフ結
    晶偏光子群の異常光分離距離が約3倍であることを特徴
    とする請求項1〜4いずれか記載の光サーキュレータ。
  6. 【請求項6】 前記光入出射ポートがレンズとコア拡大
    光ファイバからなるファイバコリメータであることを特
    徴とする請求項1〜5いずれか記載の光サーキュレー
    タ。
  7. 【請求項7】 前記光入出射ポートが個別の光ファイバ
    とレンズからなり、かつレンズと第1の複屈折ウォーク
    オフ結晶偏光子群の間に、プリズムが配置されて成るこ
    とを特徴とする請求項1〜5いずれか記載の光サーキュ
    レータ。
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