JP2003172901A - 光非相反デバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光学的な特性を損なうことなく低価格で製造
が容易な偏光子を備えた光非相反デバイスを提供する。 【解決手段】 光非相反デバイス１０は、フォトニック
結晶から成る反射型の第１の偏光子１、４５度ファラデ
ー回転子２、フォトニック結晶から成る反射型の第２の
偏光子３をこの順で配置しており、フォトニック結晶か
ら成る反射型の第１又は第２の偏光子１、３のどちらか
一方が４５度ファラデー回転子の上に形成される。反射
型の第１の偏光子１の透過偏光方向と反射型の第２の偏
光子３の透過偏光方向が互いに４５度の角度を成すよう
に設定されている。４５度ファラデー回転子２は磁性ガ
ーネット単結晶又は角形のヒステリシスカーブを持つ硬
磁性ガーネット単結晶からなり、永久磁石又は電磁石に
より磁界が付与される。フォトニック結晶から成る反射
型の偏光子は磁性ガーネットの上に形成された所定の凹
凸形状に従って凹凸形状を保持しながら堆積された高屈
折率媒質および低屈折率媒質の多層膜から成り、大面積
で光学研磨を必要としない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、主として光通信機
器や光情報処理機器等に用いられると共に、入射光を一
方向にのみ透過させ、逆方向には遮断する光学素子であ
る光アイソレータ、および入射光を透過又は遮断する光
スイッチ等の光非相反デバイスに関する。

【０００２】

【従来の技術】光非相反デバイスの１つである光アイソ
レータは、例えば２枚の偏光子と磁界が印加されたファ
ラデー回転子とを組み合わせて構成されている。実用化
されている光アイソレータの場合、通常偏光子の材料に
は、複屈折単結晶プリズム、金属粒子を含むガラス偏光
子、誘電体及び金属による複合多層膜等が用いられてい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上述した既存の光アイ
ソレータの場合、偏光子の材料が高価である上、偏光子
の製造に際して切断や研磨等の加工工程を要するため、
こうした要因によって製造コストを低減化することが困
難になっており、結果として光アイソレータ全体の価格
が高価なものになってしまうという問題（実際に偏光子
の製造コストが光アイソレータ全体の製造コストの約５
０％以上を占めることがある）がある。

【０００４】本発明は、このような問題点を解決すべく
なされたもので、その技術的課題は、既存のアイソレー
タ特性を保持できると共に、製造が容易で低価格な光ア
イソレータを提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、少なく
とも２つの偏光子と、少なくとも一つのファラデー回転
子とを互い違いに光軸上に配置した光非相反デバイスに
おいて、夫々の光学素子を、前記光軸に対して傾斜する
ように配置したことを特徴とする光非相反デバイス。

【０００６】また、本発明によれば、前記光非相反デバ
イスにおいて、フォトニック結晶から成る反射型の第１
の偏光子、ファラデー回転子、及びフォトニック結晶か
ら成る反射型の第２の偏光子をこの順で配置すると共
に、前記第１の偏光子と第２の偏光子が非平行に配置さ
れる光非相反デバイスであって、前記第１及び第２の偏
光子の内のいずれか一方が、前記ファラデー回転子上に
形成されて成ることを特徴とする光非相反デバイスが得
られる。

【０００７】また、本発明によれば、前記光非相反デバ
イスにおいて、前記ファラデー回転子は４５度ファラデ
ー回転子からなることを特徴とする光非相反デバイスが
得られる。

【０００８】また、本発明によれば、前記光非相反デバ
イスにおいて、第１の偏光子、ファラデー回転子、第２
の偏光子をこの順で配備固定して成ると共に、前記第１
及び第２の偏光子の内のいずれか一方は前記ファラデー
回転子上に形成されたフォトニック結晶から成る反射型
の偏光子であり、前記第１及び第２の偏光子の内の残り
の偏光子は吸収型の偏光子であることを特徴とする光非
相反デバイスが得られる。

【０００９】また、本発明によれば、前記光非相反デバ
イスにおいて、第１の偏光子、第１のファラデー回転
子、第２の偏光子、第２のファラデー回転子、及び第３
の偏光子をこの順に配置して成ると共に、前記第１から
第３の偏光子の内の少なくとも１つがファラデー回転子
上に形成されたフォトニック結晶からなる反射型の偏光
子であり、残りの偏光子は吸収型の偏光子であることを
特徴とする光非相反デバイスが得られる。

【００１０】また、本発明によれば、前記いずれか一つ
の光非相反デバイスにおいて、前記反射型の偏光子を成
すフォトニック結晶は、前記ファラデー回転子の表面上
に形成された所定の形状に従って堆積された高屈折率媒
質および低屈折率媒質の多層膜から成ることを特徴とす
る光非相反デバイスが得られる。

【００１１】また、本発明によれば、前記いずれか一つ
の光非相反デバイスにおいて、前記ファラデー回転子
は、磁気光学効果を有する磁性ガーネット単結晶と、前
記磁性ガーネット単結晶に磁界を付与する為の永久磁石
又は電磁石から成ることを特徴とする光非相反デバイス
が得られる。

【００１２】また、本発明によれば、前記いずれか一つ
の光非相反デバイスにおいて、前記ファラデー回転子
は、磁化曲線が角形のヒステリシスカーブを持つ硬磁性
ガーネット単結晶から成ることを特徴とする光非相反デ
バイスが得られる。

【００１３】また、本発明によれば、前記いずれか一つ
の光非相反デバイスにおいて、更に、光透過方向の出射
側にフェルール付きの光ファイバーが配置されているこ
とを特徴とする光非相反デバイスが得られる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下に幾つかの実施の形態を挙
げ、本発明の光非相反デバイスについて、図面を参照し
て詳細に説明する。

【００１５】図１は本発明の第１の実施の形態に係る光
非相反デバイスの基本構成を示した側面図である。図１
を参照すると、光非相反デバイス１０は、それぞれ反射
型の第１の偏光子１、４５度ファラデー回転子２、及び
反射型の第２の偏光子３をこの順で入射光の光軸４に対
して傾けて配置して構成されるが、反射型の第１の偏光
子１は、４５度ファラデー回転子２の入射光学面上に形
成されている。又反射型の第２の偏光子２は、４５度フ
ァラデー回転子２とは別に設置され、石英ガラス等の透
明性の光学的等方物質上に形成されている。反射型の第
１の偏光子１と反射型の第２の偏光子３は共に反射型の
偏光子で、それぞれの透過偏光方向が互いに４５度の角
度を成すように設定され、４５度ファラデー回転子２に
は入射光の進行方向に沿った磁界Ｈが磁石５により印加
される。

【００１６】反射型の第１の偏光子１および第２の偏光
子３に用いられるフォトニック結晶は、一般には屈折率
がある一定の周期変化を持つことによりフォトニックバ
ンドギャップが生じる物体として知られるが、反射型偏
光子としては、透明な２種類の物質から成る２次元的な
周期構造を持つものであり、このフォトニック結晶の周
期構造を適切に設計すれば、同一波長の或る方向の偏光
成分はフォトニックバンドギャップに入ってフォトニッ
ク結晶内に存在し得ずに反射し、それと垂直な方向の偏
光成分はフォトニックバンドギャップに入らずにフォト
ニック結晶を透過するように動作させることが出来る。

【００１７】フォトニックバンドギャップを持つために
は、２種類の物質の屈折率比が２倍以上必要であるた
め、ここでは半導体であるＳｉ（屈折率３．４）とＳｉ
Ｏ_２（屈折率１．４４）との組み合わせを用いるものと
する。

【００１８】本発明では、フォトニック結晶による反射
型偏光子のどちらか一方は、４５度ファラデー回転子２
を構成する磁性ガーネット表面上に形成されるが、この
場合まず磁性ガーネット上に所定の断面形状を有する溝
又は梁を形成し、その後、磁性ガーネット上の溝又は梁
の形が保存されるようにバイアススパッタリングによっ
てＳｉとＳｉＯ_２とを交互に積層すれば良い。又もう片
方の反射型偏光子は、ＳｉＯ_２などの透明性光学的等方
体基板上に形成されるが、同様に溝又は梁を形成し、こ
の形状を保持するようにＳｉとＳｉＯ_２とを交互に積層
すれば良い。

【００１９】この様にフォトニック結晶による反射型偏
光子は、容易に製造可能であり、しかも大面積で構成可
能であると共に、研磨が不要であることによって製造コ
ストを安価にできる上、耐環境特性に優れている。

【００２０】図２はこの光非相反デバイス１０を光アイ
ソレータとして動作させたときにおける透過光の光路を
説明するために示した各光学素子の側面図で、同図
（ａ）は順方向の入射光に関するもの、同図（ｂ）は逆
方向の入射光に関するものである。尚、図２（ａ）並び
に図２（ｂ）中の各光学素子の近傍に示される円内の双
方向矢印は、各光学素子における入射光又は出射光の偏
光方向を示すものである。

【００２１】先ず、図２（ａ）を参照すれば、順方向の
入射光の場合、入射光軸４で示される光路に沿った入射
光が４５度ファラデー回転子２の表面に形成された反射
型の第１の偏光子１に入射した後、そのまま光路に沿っ
て反射型の第１の偏光子１、４５度ファラデー回転子
２、及び反射型の第２の偏光子３を透過してから出射す
る。入射光の偏光方向はある一定方向に固定されてお
り、反射型の第１の偏光子１は、透過偏光方向が入射偏
光方向に合致する様に設置される。反射型の第１の偏光
子１を透過した入射光は、４５度ファラデー回転子２に
よって偏光方向が４５度回転し、反射型の第２の偏光子
３に入射するが、反射型の第２の偏光子３の透過偏光方
向は、第１の偏光子１と４５度の角度を成すように設置
されており、４５度ファラデー回転子２を透過した透過
光の偏光方向に一致するので、結局反射型の第１の偏光
子１から入射した入射光は遮られることなく光アイソレ
ータを透過する。

【００２２】次に、図２（ｂ）を参照すれば、逆方向の
入射光の場合、逆方向入射光軸６で示される光路に沿っ
た入射光が反射型の第２の偏光子３に入射する際、一部
が斜め右下向き矢印で示される光路に沿って反射し、他
部は反射型の第２の偏光子３及び４５度ファラデー回転
子２を透過して反射型の第１の偏光子１に入射する。こ
のとき、反射型の第１の偏光子１に入射する光の偏光方
向は反射型の第１の偏光子１の透過方向から９０度回転
しており、反射型の第１の偏光子１に入射する光は４５
度ファラデー回転子２側に反射され、４５度ファラデー
回転子２透過して反射型の第２の偏光子３に入射する。
再び反射型の第２の偏光子３に入射した光は今度は入射
偏光方向が反射型の第２の偏光子３の透過方向から９０
度回転しており反射型の第２の偏光子３によって反射さ
れ、再び４５度ファラデー回転子２を透過して偏光方向
が４５度回転して再度反射型の第１の偏光子１に入射す
る。この段階で反射型の第１の偏光子１に入射した光の
偏光方向は、はじめに入射した場合と異なり反射型の第
１の偏光子１の透過偏光方向に一致しており、結局逆方
向から入射した入射光は、図２（ｂ）中に記載された光
軸シフト量７だけ逆方向入射光軸からずれてアイソレー
タから出射する。

【００２３】図３は上述の基本構成を基にした光アイソ
レータが使用された光学系装置の構成を例示した側面図
である。図３を参照すると、光学系装置７０は、レーザ
ダイオード８からのレーザ光を集光レンズ９を通して光
非相反デバイス１０である光アイソレータ（以下、光ア
イソレータも同様に符号１０で示す）に入射させ、光ア
イソレータ１０を通過した透過光を光ファイバ１１端に
結合させるように各部がレーザ光の光軸に合わせられて
配備されている。

【００２４】光アイソレータ１０は、４５度ファラデー
回転子２、４５度ファラデー回転子２上に形成されたフ
ォトニック結晶による反射型の第１の偏光子１、透過性
の光学的等方材料である石英ガラス１２に形成されたフ
ォトニック結晶による反射型の第２の偏光子３、および
永久磁石５から構成されている。

【００２５】この光学系装置７０において、光アイソレ
ータ１０による逆方向における透過光の光路６の順方向
における入射光の光路４からの平行シフト量をＳとし、
集光レンズ９の像倍率をｍとすれば、逆方向における透
過光はレーザダイオード８の発光部分からｓ／ｍだけ離
れた位置に集光し、レーザダイオード８の発光部分に結
合しない。

【００２６】この光学系装置における光アイソレータ１
０の各構成要素（光学素子）を光学接着剤で貼り合わせ
た場合、平行シフト量ｓは、ｔ_ｆを４５度ファラデー回
転子２の厚さ、ｔ_ｇを透明性の光学的等方材質である石
英ガラス１２厚さ、ｎ_ｆを４５度ファラデー回転子３の
屈折率、ｎｇを透明性の光学的等方材質である石英ガラ
ス１２の屈折率、θを光アイソレータ１０の入射光に対
する傾き角度とした場合、近似的にＳ＝ｓｉｎθ｛３ｔ
_ｆ（ｎ_ｆ ^２−ｓｉｎ^２θ）^−１／２＋３ｔ_ｇ（ｎ_ｇ ^２−
ｓｉｎ^２θ）^−１／２−（ｔ_ｆ＋ｔ_ｇ）（１−ｓｉｎ^２
θ）^−１／２｝なる関係で表わすことができる。

【００２７】図４は、この光学系装置の光アイソレータ
１０における傾き角度θ（ｄｅｇ）に対する平行シフト
量Ｓ（μｍ）の関係を示したものである。但し、ここで
は４５度ファラデー回転子３の厚さｔ_ｆ＝４５０μｍ、
透明性の光学的等方材質である石英ガラス１２の厚さｔ
_ｇ＝０．５ｍｍ、４５度ファラデー回転子２の屈折率ｎ
_ｆ＝２．３、透明性の光学的等方材質である石英ガラス
１２の屈折率ｎ_ｇ＝１．５の場合の図となっている。

【００２８】図４からは、例えば光アイソレータ１０を
傾き角度５度で使用すると、約９５μｍの平行シフト量
ｓが得られることが判り、集光レンズ９の像倍率を３と
すると平行シフト量ｓは上述した関係式からレーザダイ
オード８の近くで約３２μｍの変位量が得られる。この
変位量は、逆方向における透過光をレーザダイオード８
の発光部に結合させないため十分なものである。

【００２９】以上に説明した光アイソレータ１０やそれ
を使用した光学系装置７０において、各光学素子を平行
に設置する方法は、光学的接着剤による接着や各光学素
子を保持する機構部品を用いて簡易に行うことが可能で
あり、量産に向くものとなっている。又、従来のアイソ
レータと比較して、使用される光学部品が３点から２点
に減少し、組み立てに要する工数を減らすことができる
ため低コスト化が可能となる。

【００３０】ところで、本実施の形態において、反射型
の第２の偏光子３が形成されている透明性の光学的等方
材質である石英ガラス１２の役割は、４５度ファラデー
回転子２の上に形成された反射型の第１の偏光子１と反
射型の第２の偏光子３との間の距離を大きくし、平行シ
フト量ｓを大きくすることである。従ってその材質は石
英ガラスに限定されず、光透過性と適切な屈折率を持っ
ていれば他の材料を用いても良い。また、反射型の第２
の偏光子３が形成されている透明性の光学的等方材質で
ある石英ガラス１２とは別に、透明性の光学的等方材質
からなる平行平板を、４５度ファラデー回転子２と透明
性の光学的等方材質である石英ガラス１２の間に挿入し
て、反射型の第１の偏光子１と反射型の第２の偏光子３
との間の距離を大きくする事も可能である。

【００３１】図５は本発明による第２の実施の形態に係
る光非相反デバイスの基本構成を示した側面図である。
図５を参照すると、光非相反デバイス２０は、フォトニ
ック結晶から成る反射型の第１の偏光子１４、４５度フ
ァラデー回転子１５、フォトニック結晶から成る反射型
の第２の偏光子１６、および４５度ファラデー回転子１
５に磁界Ｈを加える磁石５を配置して成るとともに、フ
ォトニック結晶より成る反射型の第２の偏光子１６は、
４５度ファラデー回転子１５を構成する磁性ガーネット
結晶の上に形成されており、フォトニック結晶から成る
反射型の第１の偏光子１４は、第１の実施の形態で説明
したものと同じく透明性の光学的等方材質である石英ガ
ラス上に形成されている。反射型の第１の偏光子１４の
透過偏光方向と反射型の第２の偏光子１６の反射偏光方
向が互いに４５度の角度を成すように設定されている。

【００３２】又この光非相反デバイス２０の順方向の入
射光軸１３は、反射型の第２の偏光子１６によって入射
光軸１３´に沿って反射し、光非相反デバイスを通過し
た光は４５度ファラデー回転子１５の光入射面と同じ面
から出射するように、反射型の第１の偏光子１４と４５
度ファラデー回転子１５の配置および入射光軸１３との
角度が設定される。

【００３３】図６（ａ）および（ｂ）は、それぞれ本実
施の形態の光非相反デバイス２０を光アイソレータとし
て動作させた場合の、順方向および逆方向の光路を示し
たものである。尚、図６（ａ）並びに図６（ｂ）中の各
光学素子の近傍に示される円内の双方向矢印は、各光学
素子における入射光又は出射光の偏光方向を示すもので
ある。

【００３４】まず、図６（ａ）を参照すれば、順方向の
入射光の場合、入射光軸１３で示される光路に沿った入
射光が、反射型の第１の偏光子１４に入射後そのまま経
路に従って反射型の第１の偏光子１４、４５度ファラデ
ー回転子１５を透過し、４５度ファラデー回転子１５の
上に形成されたフォトニック結晶から成る反射型の第２
の偏光子１６に入射する。ここで入射した光の偏光方向
は、４５度ファラデー回転子１５によって偏光方向が４
５度回転しているが、反射型の第２の偏光子１６は、偏
光方向が４５度回転した光を反射するように設置されて
いる。従って、入射した光は、反射型の第２の偏光子１
６で反射し、再度４５度ファラデー回転子１５を透過
し、順方向入射光線軸１３´に沿って出射する。

【００３５】次に、逆方向からの入射光の場合、図６
（ｂ）を参照すれば、逆方向入射光軸１７で示される光
路に沿って入射光が、４５度ファラデー回転子１５を透
過し、反射型の第２の偏光子１６に入射した際、反射型
の第２の偏光子１６の透過偏光偏光方向に一致する光は
そのままアイソレータを通過して図６（ｂ）の図中下方
に進行する。一方、反射型の第２の偏光子１６の反射偏
光方向に一致する光は、反射型の第２の偏光子１６で反
射されて再度４５度ファラデー回転子１５を透過して反
射型の第１の偏光子１４に入射する。ここで入射した光
の偏光方向は、反射型の第１の偏光子１４の反射偏光方
向と一致するため、光は反射型の第１の偏光子１４で反
射して図６（ｂ）の図中下方に進行し、結局図６（ａ）
の順方向入射光軸１３で示される光軸方向には、逆方向
から入射した光は到達しないので光アイソレータとして
機能する。

【００３６】図６（ｃ）および（ｄ）は、それぞれ本実
施の形態の光非相反デバイスを光スイッチとして動作さ
せた場合の出射ポート（Ａ）および出射ポート（Ｂ）へ
の光路を示したものである。ここでは、４５度ファラデ
ー回転子１５の偏光回転方向を逆転させるために、磁界
Ｈを磁性ガーネット単結晶に加える磁石として、電流の
方向を切り替えることが出来る電磁石１９を使用する。
又同様に各光学素子の近傍に示される円内の双方向矢印
は、各光学素子における入射光又は出射光の偏光方向を
示すものである。

【００３７】まず、図６（ｃ）を参照すれば、入射ポー
ト１８から出射ポート（Ａ）２１へ光を伝達させる場
合、入射光軸１３で示される光路に沿った入射光が、反
射型の第１の偏光子１４に入射後そのまま経路に従って
反射型の第１の偏光子１４、４５度ファラデー回転子１
５を透過し、４５度ファラデー回転子１５の上に形成さ
れたフォトニック結晶から成る反射型の第２の偏光子１
６に入射する。ここで入射した光の偏光方向は、４５度
ファラデー回転子１５によって偏光方向が右回りに４５
度回転しているが、反射型の第２の偏光子１６は、偏光
方向が右回りに４５度回転した光を反射するように設置
されている。従って入射した光は、反射型の第２の偏光
子１６で反射し、再度４５度ファラデー回転子１５を透
過し、出射ポート（Ａ）２１に出射する。

【００３８】次に、出射ポート（Ｂ）に光路を切り替え
る場合、図６（ｄ）を参照すれば、まず電磁石１９の電
流方向を逆転させ４５度ファラデー回転子１５に加えら
れている磁界Ｈの方向を反対向きに切り替える。この
時、入射光軸１３で示される光路に沿った入射光が、反
射型の第１の偏光子１４に入射後そのまま経路に従って
反射型の第１の偏光子１４、４５度ファラデー回転子１
５を透過し、４５度ファラデー回転子１５の上に形成さ
れたフォトニック結晶から成る反射型の第２の偏光子１
６に入射する。ここで入射した光の偏光方向は、４５度
ファラデー回転子１５によって偏光方向が左回りに４５
度回転しているが、反射型の第２の偏光子１６は、偏光
方向が右回りに４５度回転した光を反射し、左回りに４
５度回転した光は透過するように設置されている。従っ
て入射した光は、反射型の第２の偏光子１６を透過し、
出射ポート（Ｂ）２３に出射する。

【００３９】以上述べたように、本発明による光非相反
デバイスは、光アイソレータだけではなく、磁界を加え
る磁石に発生する磁界方向を変更できる電磁石を使用す
ることによって、光スイッチとしても機能させることが
出来る。

【００４０】図７は本発明の第３の実施の形態に係る光
非相反デバイスの基本構成を示した側面図である。図７
を参照すると、光非相反デバイス３４は、４５度ファラ
デー回転子２５の上に形成されたフォトニック結晶から
成る反射型の第１の偏光子２４、４５度ファラデー回転
子２５、フォトニック結晶から成る反射型の第２の偏光
子２６をこの順で並べて配備して成ると共に、反射型の
第１の偏光子２４及び反射型の第２の偏光子２６を非平
行に配置されている。

【００４１】このうち、反射型の第１の偏光子２４及び
反射型の第２の偏光子２６は、それぞれの透過偏光方向
が互いに４５度の角度を成すように設定され、且つ光学
面が非平行に設置されており、第１および反射型の第２
の偏光子２４、２６のフォトニック結晶は、それぞれ４
５度ファラデー回転子２５を構成する磁性ガーネット結
晶上および透明性の光学的等方材質の石英ガラス上に形
成され、所定の形状に従って凹凸形状を保持しながら堆
積された高屈折率媒質及び低屈折率媒質の多層膜から成
り、大面積での作成が容易で又光学研磨を必要としな
い。４５度ファラデー回転子２５は、ＬＰＥ法によって
育成されたＧｄＢｉＦｅガーネット厚膜から成り、光の
進行方向に沿った磁場Ｈが印加される。

【００４２】図８（ａ）および（ｂ）は、それぞれ本実
施の形態の光非相反デバイス３４を光アイソレータとし
て動作させた場合の順方向及び逆方向における透過光の
光路を示した側面図である。尚、図８（ａ）並びに図８
（ｂ）中の各光学素子の近傍に示される円内の双方向矢
印は、各光学素子における入射光又は出射光の偏光方向
を示すものである。

【００４３】先ず、光非相反デバイス３４を光アイソレ
ータ（以下、同じ符号３４で示す）として用い、この光
アイソレータ３４の順方向における透過光について説明
する。順方向における入射光は、光路２８に沿って反射
型の第１の偏光子２４に入射した後、反射型の第１の偏
光子２４、４５度ファラデー回転子２５、及び反射型の
第２の偏光子２６を透過した後、第２の偏光子２６から
出射する。このとき入射光の偏光方向はある一定方向に
固定されており、反射型の第１の偏光子２４の透過偏光
方向は入射光の偏光方向に合致する様に設置される。反
射型の第１の偏光子２４を透過した入射光は、４５度フ
ァラデー回転子２５によって偏光方向が４５度回転し、
反射型の第２の偏光子２６に入射するが、反射型の第２
の偏光子２６の透過偏光方向は、反射型の第１の偏光子
２４と４５度の角度を成すように設置されており、４５
度ファラデー回転子２５を透過した透過光の偏光方向に
一致するので、結局反射型の第２の偏光子２６に入射し
た光は遮られることなく反射型の第２の偏光子２６透過
し、アイソレータを透過する。

【００４４】次に、この光アイソレータの逆方向におけ
る透過光について説明する。逆方向における入射光は、
光路３１′に沿って反射型の第２の偏光子２６に入射し
た際、一方の偏光成分が光路３０の方向に沿って反射光
として反射されると共に、他方の偏光成分が反射型の第
２の偏光子２６及び４５度ファラデー回転子２５を透過
して反射型の第１の偏光子２４に至る。この光の偏光成
分は偏光方向が第１の偏光子２４の透過方向から９０度
回転しているため、入射光は反射型の第１の偏光子２４
で反射された後、４５度ファラデー回転子２５を透過し
て反射型の第２の偏光子２６に至る。このときの光の偏
光成分は偏光方向が反射型の第２の偏光子２６の透過方
向から９０度回転しているため、入射光は反射型の第２
の偏光子２６で反射された後、４５度ファラデー回転子
２５を透過して再度反射型の第１の偏光子２４に入射す
る。この入射光は偏光方向が反射型の第１の偏光子２４
の透過方向に今度は一致しているため、反射型の第１の
偏光子２４を透過して光路３１に沿って透過光として出
射する。この逆方向における透過光の光路３１は、順方
向における入射光の光路２８に対して反射型の第１の偏
光子２４及び反射型の第２の偏光子２６が成す角度θの
２倍だけ傾いたものとなっている。

【００４５】図９は、このような光アイソレータ３４を
使用した光学系装置３０の構成を例示した側面図であ
る。この光学系装置３０は、レーザダイオード３２から
のレーザ光を凸レンズ３３を通して光アイソレータ３４
に入射させ、光アイソレータ３４を通過した透過光を凸
レンズ３５を通して光ファイバ３６端に結合させるよう
に各部がレーザ光の光軸に合わせられて配備されてい
る。

【００４６】この光学系装置において、光アイソレータ
３４には、ほぼ平行光束のレーザ光が入射する。逆方向
における光アイソレータ３４を透過する光の光路３８と
順方向における透過光の光路３７とが成す角度をθと
し、凸レンズ３３の焦点距離をｆとすると、逆方向にお
ける透過光の集光点はレーザダイオード３２の発光部分
の中心から約ｆ×ｔａｎθだけ変位する。通常の光アイ
ソレータでは順方向における透過光に対する逆方向にお
ける透過光の角度変化が１度以上あれば、高い逆方向損
失が得られるため、この光学系装置の光アイソレータ３
４は充分な基本機能が確保される。

【００４７】尚、図７及び図８に示した第３の実施の形
態の光アイソレータ３４では、反射型の第１の偏光子２
４を４５度ファラデー回転子２５の上に形成し、反射型
の第２の偏光子２６をこれらに対して非平行になる配置
構成を説明したが、これに代えて反射型の第２の偏光子
を４５度ファラデー回転子２５の上に形成し、反射型の
第１の偏光子２４をこれらに対して非平行になる配置構
成としても良い。

【００４８】図１０は、本発明の第４の実施の形態に係
る光非相反デバイスの基本構成を示した側面図である。
図１０を参照すると、光非相反デバイス４０は、吸収型
の第１の偏光子４１、４５度ファラデー回転子４２、お
よび４５度ファラデー回転子４２の上に形成されたフォ
トニック結晶から成る反射型の第２の偏光子４１´をこ
の順で並べて配置されて成る。又吸収型の第１の偏光子
４１の透過偏光方向と、反射型の第２の偏光子４1´の
透過偏光方向は互いに４５度の角度を成すように設定さ
れている。

【００４９】反射型の第２の偏光子４１′は、４５度フ
ァラデー回転子４２を構成する磁性ガーネット単結晶の
上に形成されたフォトニック結晶で、所定の凹凸形状を
保持しながら堆積された高屈折率媒質と低屈折率媒質の
多層膜から成り、大面積での作成が容易でかつその表面
は光学的な研磨を必要としない。又、４５度ファラデー
回転子４２を構成する磁性ガーネット単結晶は、ＬＰＥ
法によって育成されるＧｄＢｉＦｅガーネット厚膜から
成り、光の進行方向に沿った磁場Ｈが磁石４３によって
印加される。

【００５０】図１１（ａ）および（ｂ）は、それぞれ本
実施の形態の光非相反デバイス４０を光アイソレータ
（以下、同様に符号４０で示す）として動作させた場合
の、順方向および逆方向の光路を示したものである。
尚、図１１（ａ）および（ｂ）中の、各光学素子近傍に
示される円内の双方向矢印は、各光学素子における入射
光または出射光の偏光方向を示すものである。

【００５１】まず、図１１（ａ）を参照すれば、順方向
の入射光の場合、入射光軸３９で示される光路に沿った
入射光が、吸収型の第１の偏光子４１に入射後そのまま
経路に従って吸収型の第１の偏光子４１、４５度ファラ
デー回転子４２を透過し、４５度ファラデー回転子４２
の上に形成されたフォトニック結晶から成る反射型の第
２の偏光子４１´に入射する。ここで入射した光は４５
度ファラデー回転子４２によって偏光方向が第１の偏光
子４１の透過偏光方向から４５度回転しているが、反射
型の第２の偏光子４１′の透過偏光方向は、第１の偏光
子４１と互いに４５度の角度で設定されているので、反
射型の第２の偏光子４１´に入射した光はそのまま透過
して、入射光軸３９に沿ってアイソレータから出射す
る。

【００５２】次に、逆方向からの入射光の場合、図１１
（ｂ）を参照すれば、逆方向入射光軸４４に沿った入射
光が反射型の第２の偏光子４１´に入射する。この入射
光の内、反射型の第２の偏光子４１´の反射偏光方向と
一致する偏光方向を持つ成分は、光軸４５に沿って反射
され、透過偏光方向と一致する成分だけが光軸４４に沿
って第２の偏光子４１´と４５度ファラデー回転子４２
を透過し、吸収型の第１の偏光子４１に入射する。この
とき吸収型の第１の偏光子４１に入射する光の偏光方向
は、吸収型の第１の偏光子４１の透過偏光方向からは９
０度回転しており、吸収型の第１の偏光子４１に入射す
る光は吸収される。

【００５３】このように、本実施の形態による光アイソ
レータ４０は、逆方向から入射する光の如何なる偏光成
分をも吸収または反射させ順方向の入射側には光を通さ
ないので、吸収型の偏光子だけが使用される従来の光ア
イソレータと同等の使用方法が可能であり、従来の光ア
イソレータと置き換えることができる。

【００５４】尚、図１０および図１１で示した光アイソ
レータにおいて、吸収型の偏光子を第１の偏光子４１と
して設置したが、これに代えて第１の偏光子を反射型偏
光子として４５度ファラデー回転子４２の上に形成し、
吸収型の偏光子を第２の偏光子４１′とする配置構成で
あっても良い。

【００５５】図１２は、本発明による第５の実施の形態
に係る光非相反デバイスの構造を示す。この光非相反デ
バイス５０は、図１０に示した光アイソレータ４０を、
ホルダ５１を用いてフェルール付きの光ファイバ４９に
結合して構成される光ファイバー付き光アイソレータで
ある。

【００５６】本実施の形態で、光アイソレータは、吸収
型の第１の偏光子４６、４５度ファラデー回転子４７、
４５度ファラデー回転子４７の上に形成されたフォトニ
ック結晶から成る反射型の第２の偏光子４８から構成さ
れ、第１の偏光子４６の透過偏光方向と、第２の偏光子
４８の透過偏光方向は互いに４５度の角度を成すように
設定され、第１の偏光子４６と４５度ファラデー回転子
４７は、光学接着剤で張り合わせてホルダ５１固定され
ている。４５度ファラデー回転子４７の磁性ガーネット
は、ＬＰＥ法によるＧｄＢｉＦｅガーネット厚膜から成
り、ホルダ５１に固定されている永久磁石５２によって
磁場が与えられている。ホルダ５１は、フェルール４９
の端面に接合固定されている。この接合には通常ＹＡＧ
レーザーによるスポット溶接が用いられる。

【００５７】この光ファイバー付き光アイソレータ５０
において、フェルール付き光ファイバ４９の端面６１か
ら出射する反射戻り光は、図１１（ｂ）で示したよう
に、光アイソレータによって反射または吸収され、逆方
向への光は遮断される。

【００５８】図１３は、本発明の第６の実施の形態に係
る光非相反デバイスの基本構成を示した側面図である。
図１３を参照すると、光非相反デバイス６０は、それぞ
れ反射型の第１の偏光子５３、第１の４５度ファラデー
回転子５４、吸収型の第２の偏光子５５、第２の４５度
ファラデー回転子５６、及び反射型の第３の偏光子５７
をこの順で配備して構成されるもので、第１の偏光子５
３及び吸収型の第２の偏光子５５及び反射型の第３の偏
光子５７とはそれぞれの透過偏光方向が互いに４５度の
角度を成すように設定される。

【００５９】このうち、反射型の第１及び第３の偏光子
５３、５７はフォトニック結晶から成り、それぞれ４５
度ファラデー回転子５４、５６の上に形成されている。
４５度ファラデー回転子５４、５６は角形ヒステリシス
カーブを持つ硬磁性ガーネットであるＥｕ_０．９Ｈｏ
_１．１Ｆｅ_４．２Ｇａ_０．８Ｏ_１２ガーネット厚膜から
成る。この角形ヒステリシスカーブを持つ硬磁性ガーネ
ットは、一度外部から磁界を加えて磁化させた後は磁界
を取り去っても磁化を保持する性質を有するため、光非
相反デバイスとして磁石を配備する必要がない。

【００６０】このフォトニック結晶による反射型の第１
及び第３の偏光子５３、５７は、容易に製造可能であ
り、しかも大面積で構成可能であると共に、研磨が不要
であることによって製造コストを安価にできる上、対環
境特性に優れることが特徴となっている。さらに従来の
吸収型の偏光子を使用する場合、本実施の形態の構成を
実現するためには、合計５つの光学素子と一つ以上の磁
石を使用する必要があるが、本発明による光非相反デバ
イスでは合計３つの光学素子のみを固定するだけで本実
施の形態を構成することができるので、デバイス製作工
数の大幅な削減により製造コストをさらに安価にするこ
とが可能である。

【００６１】図１４（ａ）と（ｂ）は、それぞれこの光
非相反デバイス６０を光アイソレータ（以下、同様に符
号６０で示す）として動作させたときの、順方向と逆方
向の透過光の光路を説明するために示した各光学素子の
側面図である。尚、図２（ａ）並びに図２（ｂ）中の各
光学素子の近傍に示される円内の双方向の矢印は、各光
学素子における入射光又は出射光の偏光方向を示すもの
である。

【００６２】先ず、図１４（ａ）を参照すれば、順方向
の入射光の場合、入射光軸５２に沿った入射光が反射型
の第１の偏光子５３に入射した後、そのまま光路に沿っ
て反射型の第１の偏光子５３、第１の４５度ファラデー
回転子５４、吸収型の第２の偏光子５５、第２の４５度
ファラデー回転子５６、及び反射型の第２の偏光子５７
を透過して光アイソレータ６０から出射する。

【００６３】次に、図１４（ｂ）を参照すれば、逆方向
の入射光の場合、逆方向入射光軸５８で示される光路に
沿った入射光が反射型の第２の偏光子５７に入射する
際、一部が反射光軸５９で示される光路に沿って反射
し、他部が逆方向入射光軸５８で示される光路に沿って
反射型の第３の偏光子５７及び第２の４５度ファラデー
回転子５６を透過して吸収型の第２の偏光子５５に入射
する。このとき、吸収型の第２の偏光子５５に入射する
光の偏光方向は反射型の第３偏光子５７の透過方向から
４５度回転しており、吸収型の第２の偏光子５５に入射
する光は大部分が吸収される。

【００６４】又、吸収型の第２の偏光子５５で吸収し切
れなかった光は、逆方向入射光軸５８で示される光路に
沿って吸収型の第２の偏光子５５及び第１の４５度ファ
ラデー回転子５４を透過して反射型の第１の偏光子５３
に入射する。このとき、反射型の第１の偏光子５３に入
射する光の偏光方向は、吸収型の第２の偏光子５５の透
過方向から４５度回転しており反射型の第１の偏光子５
３の反射偏光方向に一致するするので、入射する光は反
射型の第１の偏光子５３により反射光軸５９で示される
光路に沿って反射する。

【００６５】更に、反射型の第１の偏光子５３で反射し
た光は、第１の４５度ファラデー回転子５４を透過して
再度吸収型の第２の偏光子５５に入射する。このとき吸
収型の第２の偏光子５５に入射する光の偏光方向は、吸
収型の第２の偏光子５５の透過偏光方向から９０度回転
しており、吸収型の第２の偏光子５５に入射する光は吸
収される。

【００６６】このように、本実施の形態による光アイソ
レータは、逆方向から入射する光の如何なる偏光成分を
も吸収または反射させ順方向の入射側には光を通さない
ので、吸収型の偏光子だけが使用される従来の光アイソ
レータと同等の使用方法が可能であり、従来の吸収型の
偏光子を使用した光アイソレータと置き換えることがで
きる。又この光アイソレータの場合、一般的な２段型構
成の場合と同様な理由でファラデー回転角の温度特性や
波長特性によるアイソレーションの劣化を改善すること
が可能である。結果として、中心波長で５０ｄＢのアイ
ソレーション、波長範囲±３０ｎｍにおいてアイソレー
ション３５ｄＢが具現される。又、この光アイソレータ
の場合、反射型の第１及び第３の偏光子５３、５７の間
に挟まれるように配備された４５度ファラデー回転子５
４、５６間に吸収型の第２の偏光子５５が配備された構
成であるため、順方向入射光の直線偏光の度合いが悪い
場合でも戻り光が発生せず、これによってレーザダイオ
ードの直近に配設する場合に適当となる。

【００６７】

【発明の効果】以上に述べた通り、本発明の光非相反デ
バイスによれば、従来の複屈折単結晶のプリズム、金属
粒子を含むガラス、誘電体及び金属の複合多層膜等から
成る偏光子の材料を改良してフォトニック結晶を用いた
反射型の偏光子を用いており、このフォトニック結晶は
４５度ファラデー回転子の上に形成された所定の形状に
従って凹凸形状を保持しながら堆積された高屈折率媒質
及び低屈折率媒質の多層膜から成る大面積で光学研磨を
必要としないものであるため、光学的な特性を損うこと
無く製造上において低価格で量産可能になる。

【００６８】さらに、４５度ファラデー回転子の上に形
成されるため光学素子の部品点数を削減でき組み立て工
数を削減することができる。結果として、既存の光アイ
ソレータと同程度の光学的な特性（挿入損失及び逆方向
損失）を有し、従来よりも簡易にして低価格に光アイソ
レータを製造できるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る光非相反デバ
イスの基本構成を示す図である。

【図２】（ａ）及び（ｂ）は図１の第１の実施の形態の
動作を示す図である。

【図３】図１の実施の形態の光非相反デバイスを使用し
た光学装置の構成例を示す図である。

【図４】図３の光学装置におけるアイソレータの光学軸
傾き角度に対する光軸シフト量の関係を示す図である。

【図５】本発明の第２の実施の形態に係る光非相反デバ
イスの基本構成を示す図である。

【図６】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）は本発明の
第２の実施の形態の動作を示す図である。

【図７】本発明の第３の実施の形態に係る光非相反デバ
イスの基本構成を示す図である。

【図８】（ａ）及び（ｂ）は本発明の第３の実施の形態
の動作を示す図である。

【図９】本発明の第３の実施の形態による光非相反デバ
イスを使用した光学装置の構成例を示す図である。

【図１０】本発明の第４の実施の形態に係る光非相反デ
バイスの基本構成を示す図である。

【図１１】（ａ）及び（ｂ）は本発明の第４の実施の形
態の動作を示す図である。

【図１２】本発明の第５の実施の形態に係る光非相反デ
バイスの基本構成を示す図である。

【図１３】本発明の第６の実施の形態に係る光非相反デ
バイスの基本構成を示す図である。

【図１４】（ａ）及び（ｂ）は第６の実施の形態の動作
を示す図である。

【符号の説明】

１ ４５度ファラデー回転子の上に形成された反射型の
偏光子 ２ ４５度ファラデー回転子 ３ 反射型の偏光子 ４ 順方向入射光軸 ５ 磁石 ６ 逆方向入射光軸 ７ 光軸シフト量 ８ レーザダイオード ９ レンズ １０ 光アイソレータ（光非相反デバイス） １１ 光ファイバ １２ 透明な光学的等方材料 １３ 順方向入射光軸 １３´ 光軸 １４ 反射型の偏光子 １５ ４５度ファラデー回転子 １６ ４５度ファラデー回転子の上に形成された反射
型の偏光子 １７ 逆方向入射光軸 １８ 入射ポート １９ 電磁石 ２０ 光非相反デバイス ２１ 出射ポートＡ ２２ 出射光軸 ２３ 出射ポートＢ ２４ ４５度ファラデー回転子の上に形成された反射
型の偏光子 ２５ ４５度ファラデー回転子 ２６ 反射型の偏光子 ２７ 磁石 ２８ 順方向入射光軸（光路） ３０ 光学系装置 ３１ 光路 ３１´ 反射光軸（光路） ３２ レーザダイオード ３３ 凸レンズ ３４ 光アイソレータ（光非相反デバイス） ３５ 凸レンズ ３６ 光ファイバ ３７ 順方向光軸 ３８ 光路 ３９ 順方向光軸 ４０ 光アイソレータ ４１ 吸収型の偏光子 ４１′ ４５度ファラデー回転子の上に形成された反
射型の偏光子 ４２ ４５度ファラデー回転子 ４３ 磁石 ４４ 逆方向入射光軸 ４５ 反射光軸 ４６ 吸収型の偏光子 ４７ ４５度ファラデー回転子 ４８ ４５度ファラデー回転子の上に形成された反射
型の偏光子 ４９ フェルール付き光ファイバ ５０ 光非相反デバイス ５１ ホルダ ５２ 入射光軸 ５３ ４５度ファラデー回転子の上に形成された反射
型の偏光子 ５４ ４５度ファラデー回転子 ５５ 吸収型の偏光子 ５６ ４５度ファラデー回転子 ５７ ４５度ファラデー回転子の上に形成された反射
型の偏光子 ５８ 逆方向入射光軸 ５９ 反射光軸 ６０ 光アイソレータ（光非相反デバイス） ６１ フェルール端面 ６２ 反射光軸 ７０ 光学系装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 土屋 治彦 宮城県仙台市太白区郡山六丁目７番１号 株式会社トーキン内 (72)発明者 東海林 利男 宮城県仙台市太白区郡山六丁目７番１号 株式会社トーキン内 (72)発明者 宮崎 紀子 宮城県仙台市太白区郡山六丁目７番１号 株式会社トーキン内 (72)発明者 川上 彰二郎 宮城県仙台市若林区土樋236番地 愛宕橋 マンションファラオＣ−09 (72)発明者 佐藤 尚 宮城県仙台市太白区富沢南１−２−５ ボ ナール富沢302 (72)発明者 石川 理 宮城県宮城郡七ヶ浜町汐見台南２−21−８ (72)発明者 川嶋 貴之 宮城県仙台市若林区南小泉三丁目２−11 グレースコートＳ102号 Ｆターム(参考） 2H049 BA08 BA42 BA43 BA47 BB03 BB62 BC25 2H079 AA03 AA12 BA02 CA05 CA08 DA13 EB18 KA05 KA20 2H099 AA01 BA02 CA01 DA00 DA07

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも２つの偏光子と、少なくとも
   一つのファラデー回転子とを互い違いに光軸上に配置し
   た光非相反デバイスにおいて、夫々の光学素子を、前記
   光軸に対して傾斜するように配置したことを特徴とする
   光非相反デバイス。
2. 【請求項２】 請求項１記載の光非相反デバイスにおい
   て、フォトニック結晶から成る反射型の第１の偏光子、
   ファラデー回転子、及びフォトニック結晶から成る反射
   型の第２の偏光子をこの順で配置すると共に、前記第１
   の偏光子と第２の偏光子が非平行に配置される光非相反
   デバイスであって、前記第１及び第２の偏光子の内のい
   ずれか一方が、前記ファラデー回転子上に形成されて成
   ることを特徴とする光非相反デバイス。
3. 【請求項３】 請求項２記載の光非相反デバイスにおい
   て、前記ファラデー回転子は４５度ファラデー回転子か
   らなることを特徴とする光非相反デバイス。
4. 【請求項４】 請求項１記載の光非相反デバイスにおい
   て、第１の偏光子、ファラデー回転子、第２の偏光子を
   この順で配備固定して成ると共に、前記第１及び第２の
   偏光子の内のいずれか一方は前記ファラデー回転子上に
   形成されたフォトニック結晶から成る反射型の偏光子で
   あり、前記第１及び第２の偏光子の内の残りの偏光子は
   吸収型の偏光子であることを特徴とする光非相反デバイ
   ス。
5. 【請求項５】 請求項１記載の光非相反デバイスにおい
   て、第１の偏光子、第１のファラデー回転子、第２の偏
   光子、第２のファラデー回転子、及び第３の偏光子をこ
   の順に配置して成ると共に、前記第１から第３の偏光子
   の内の少なくとも１つがファラデー回転子上に形成され
   たフォトニック結晶からなる反射型の偏光子であり、残
   りの偏光子は吸収型の偏光子であることを特徴とする光
   非相反デバイス。
6. 【請求項６】 請求項２から５の内のいずれか一つに記
   載の光非相反デバイスにおいて、前記反射型の偏光子を
   成すフォトニック結晶は、前記ファラデー回転子の表面
   上に形成された所定の形状に従って堆積された高屈折率
   媒質および低屈折率媒質の多層膜から成ることを特徴と
   する光非相反デバイス。
7. 【請求項７】 請求項２から６の内のいずれか一つに記
   載の光非相反デバイスにおいて、前記ファラデー回転子
   は、磁気光学効果を有する磁性ガーネット単結晶と、前
   記磁性ガーネット単結晶に磁界を付与する為の永久磁石
   又は電磁石から成ることを特徴とする光非相反デバイ
   ス。
8. 【請求項８】 請求項２から６の内のいずれか一つに記
   載の光非相反デバイスにおいて、前記ファラデー回転子
   は、磁化曲線が角形のヒステリシスカーブを持つ硬磁性
   ガーネット単結晶から成ることを特徴とする光非相反デ
   バイス。
9. 【請求項９】 請求項２から８の内のいずれか一つに記
   載の光非相反デバイスにおいて、更に、光透過方向の出
   射側にフェルール付きの光ファイバーが配置されている
   ことを特徴とする光非相反デバイス。