JP2004012771A - 非相反光デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】ファラデー回転子に起因するアイソレーションおよび挿入損失の波長依存性を低減した非相反光デバイスを提供すること。
【解決手段】少なくとも２枚のウォークオフ偏光子と、光進行方向に対して直列に配置される少なくとも２個のファラデー回転子と、少なくとも１枚のミラーとを含む非相反部を有する非相反光デバイスにおいて、前記ファラデー回転子のうちの２個は、互いに異なる材料組成を有し、かつ互いに逆向きの偏波面回転方向を有し、かつその間に偏光分離素子が介在しない非相反光デバイスとする。また、前記ファラデー回転子のうちの２個は、ＹＩＧ（イットリウム鉄ガーネット）結晶からなるファラデー回転子と、ビスマス置換希土類鉄ガーネット厚膜からなるファラデー回転子とすることができる。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信装置などで使用される光部品に係り、特に、光アイソレータまたは光サーキュレータとして好適な非相反光デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
非相反光デバイスのひとつである光サーキュレータにおいては、少なくとも３つの光入出力ポートに対して、ポート１→ポート２→ポート３という循環的な光入出力経路が形成されている。ポート３さらにはポート４から入力した光が出力するポートに関しては光サーキュレータの種類により種々の場合があるが、ポート１→ポート２→ポート３という光入出力経路については共通である。この光入出力経路を利用してポート２に光ファイバを介した反射型光部品が接続されて使用されることが多い。
【０００３】
その例としては、双方向伝送装置、短周期ファイバグレーティングと組み合わせた光ＡＤＭ装置や分散補償装置、ファイバの破断点で発生するフレネル反射を用いて破断点を特定するＯＴＤＲ装置、さらにポート２の先に、エルビウム添加ファイバ、信号光を反射するフィルタおよび励起光源等を配置した光アンプなどが挙げられる。
【０００４】
この様な光サーキュレータの特性を説明するために、まず、非相反光デバイスの１つである光アイソレータの特性に対してファラデー回転子の特性が与える影響について説明する。なお、光サーキュレータは、光アイソレータの逆方向から入射した光を１つの光ポートから取り出せるようにしたものといっても差し支えない。従って、ファラデー回転子の特性が光アイソレータの特性に与える影響と、ファラデー回転子の特性が光サーキュレータに与える影響はよく似ている。
【０００５】
図９に４５度ファラデー回転子１と２枚の偏光子（２、３）を用いた従来の一般的な光アイソレータを示す。図９の構成の光アイソレータにおけるアイソレーション特性の温度依存性および波長依存性は、デシベル表示では、およそ次式で表すことができる。
【０００６】
アイソレーション（ｄＢ）＝−１０×ｌｏｇ_１０Ｉ、
ただし、Ｉ＝１０^{−ＥＰ１／１０}＋１０^{−ＥＦＲ／１０}＋１０^{−ＥＰ２／１０}＋ｓｉｎ^２（Ｃ_λ×Δλ＋Ｃ_Ｔ×ΔＴ）。
【０００７】
ここで、ＥＰ１、ＥＰ２、ＥＦＲはそれぞれ第１の偏光子２、第２の偏光子３、４５度ファラデー回転子１の偏光消光比を表す。また、Ｃ_λとＣ_Ｔは、それぞれ、ある設定波長および設定温度において回転角が４５度であるファラデー回転子１の波長依存性の係数および温度依存性の係数である。すなわち、Ｃ_λは設定波長から１ｎｍだけ入射波長がずれた場合のファラデー回転角変化量（ｄｅｇ／ｎｍ）を表し、Ｃ_Ｔはある設定温度からｌＫだけ温度がずれた場合のファラデー回転角変化量（ｄｅｇ／Ｋ）を表す。また、△λ、△Ｔはそれぞれ設定波長、設定温度からのずれである。
【０００８】
ここで、ＥＰ１＝６０ｄＢ、ＥＰ２＝６０ｄＢ、ＥＦＲ＝４２ｄＢ、Ｃ_λ＝０．０７ｄｅｇ／ｎｍ、Ｃ_Ｔ＝０．０６ｄｅｇ／Ｋ、設定波長１５５０ｎｍ、Δλ＝−５０〜５０ｎｍ、設定温度２９６．１５Ｋ（２３．００℃）、ΔＴ＝０Ｋ、つまり温度一定とし、その計算結果のアイソレーション波長依存性のグラフを図１０に示す。なお、偏光子の偏光消光比は波長と温度にほとんど影響されない。
【０００９】
また、図９に示した光アイソレータを多数段直列に接続することでアイソレーションを段数倍にすることが可能である。さらに直列接続する２つの光アイソレータの設定波長（中心波長）を互いに異なる波長に設定する手法も存在する。例えば中心波長を１５００ｎｍと１６００ｎｍに設定した光アイソレータを直列接続した例のアイソレーション計算結果を図１１に示す。
【００１０】
ところで、光アイソレータにおける波長特性の改善手段としてこれまで多くの提案がなされている。相澤らにより１９９２年電子情報通信学会春季大会予稿集Ｃ−２４９に示されている例では、水晶の旋光性の波長依存性とファラデー回転子の回転角の波長依存性の相殺が提案された。この方法は通常のファラデー回転子に換えて、ファラデー回転子と旋光子からなる偏波面回転部を用いる。
【００１１】
また、高山らによる特開２０００−２９２７４２号ではファラデー回転子と１／２波長板からなる偏波面回転部を２つ用いた２段型構成において、前記１／２波長板のＣ軸方向をずらすことによる改善手段が開示された。
【００１２】
温度依存性の改善に関しては、岩塚らにより１９９２年電子情報通信学会春季大会予稿集Ｃ−２４８に示されているように未飽和磁界のもとにガーネット膜を配置する方法が知られる。この方法ではファラデー回転角の温度係数は−０．０１４％／Ｋ（波長１３１０ｎｍにおいて）が実現されたと報告されている。なお、同様の内容は特開平４−３１８２１号にも記載されている。
【００１３】
また、町田らにより提案された、機能材料（１９８７年１０月号）のｐｐ．１３からｐｐ．２０に示された、ファラデー回転角θＦの温度係数の符号の異なった材料を組み合わせる方法が知られる。
【００１４】
次に他の非相反光素子である光サーキュレータの構造の従来例について述べる。
【００１５】
日本国特許第１３３６０７４号記載の構成、あるいは特開２０００−２８４２２７号記載の構成はいわゆる１段構成の光サーキュレータの例である。
【００１６】
日本国特許第２５３９５６３号記載の構成および米国特許第５，４７１，３４０号のＦＩＧ．ｌＡ〜ＦＩＧ．１Ｃに示された構成は、小型、高アイソレーション特性を満たす多段構成の光サーキュレータの従来例として知られる。ここではファラデー回転子が複数枚使用され、光アイソレータを多数段直列に接続することと同様の効果が含まれているためである。
【００１７】
日本国特許第２５３９５６３号の図９の構成は要約すれば、複屈折結晶偏光子（ウォークオフ偏光子）の間に、２組の分離された直交する偏光をもつビームが別々に入射し、ビームの偏光方向をそろえるか同一の偏光をもつビームが別々に入射しビームの偏光方向を直交する偏波に変換する機構と、４５度非相反偏波面回転子との組み合わせがあり、さらにその間に複屈折結晶偏光子による光路決定機構がある構成と言うことができる。
【００１８】
米国特許第５，４７１，３４０号のＦＩＧ．１Ａ〜ＦＩＧ．ｌＣに示された構成は、光入出射ポートがすべて同じ側に配置され、各ポート間を光が進行する間に４５度ファラデー回転子を４度通過するため、小型、高アイソレーション特性を満たす優れた光サーキュレータの従来例として知られる。
【００１９】
なお、日本国特許第２５３９５６３号と米国特許第５，４７１，３４０号のＦＩＧ．１Ａ〜ＦＩＧ．ｌＣの構成は、偏光分離後に、偏波面をそろえるという点では共通している。
【００２０】
さらに、上記いずれの光サーキュレータも、ファラデー回転の方向を逆転させることで、ビームの入出力ポートが切り替わり、光スイッチとして動作する。
【００２１】
ところで、現在ＷＤＭ技術の進歩や光ファイバアンプの広帯域化により光サーキュレータに対しても広帯域への対応が求められているが、従来は複数の光サーキュレータを、各バンドに用いて対応してきた。
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】
今日、ＷＤＭ技術や光ファイバアンプの広帯域化は急速に進展しており、ＩＴＵ−Ｔ（国際電気通信連合、通信標準化部門）において２００３年に規定されようとしている光通信波長帯は１２６０ｎｍから１６２５ｎｍ（Ｏバンド〜Ｌバンド）となっている。さらにメンテナンス用の波長帯とされるＵバンドも含めると１６７５ｎｍまで広がる。
【００２３】
しかしながら、従来は各バンド用の光サーキュレータのみが提供され、広帯域化要求に対して単独では対応できなかった。そのため各バンドの合成分離装置を必要とするなど、システムの価格上昇の要因となっている。
【００２４】
また、各バンド用の光サーキュレータを必要とするため、特にファラデー回転子を各バンド用に別個に必要とし、製造管理コストなど光サーキュレータそのものの価格低減の妨げにもなっている。
【００２５】
そのため光サーキュレータの広帯域化が必要になる。このとき特にアイソレーション特性の広帯域化が重要である。
【００２６】
まず、ファラデー回転子に起因するアイソレーションの波長依存性について述べる。光アイソレータにおいて、１段構成では図１０より３０ｄＢ以上のアイソレーションを得られるのは中心波長から±２５ｎｍ程度の範囲であることがわかる。なお、図１０の計算結果は最良の状態であって、実際の波長依存性は図１０の場合よりも劣ることが多い。
【００２７】
また、既述の通り、多数段直列に接続することでアイソレーションを段数倍にすることが可能であるが、挿入損失も同時に段数倍になることと、部品点数が多くなり高価な偏光子とファラデー回転子のコスト、さらにアセンブリ費用が増大するため、段数を増やす手法は事実上２段程度が限界となる。また、損失も１段構成の段数倍になって不利である。
【００２８】
さらに図１１の場合は１５５０ｎｍ±１００ｎｍの波長範囲で４０ｄＢ近いアイソレーションが得られるが、単純な２段構成よりも損失が増大する。前述の町田らにより提案された、機能材料（１９８７年１０月号、ｐｐ．１３からｐｐ．２０）に記載の方法は、温度依存性に関するものである。波長依存性への展開については温度係数の符号が異なる材料という点を波長係数の符号の異なる材料に置き換えることで可能といえるが、波長依存係数の符号が異なる材料自体が現在存在しないため実現できない。
【００２９】
また、最も基本的な改善法は、ファラデー回転子材料の波長依存性を抑えることであるが、従来の技術では実現が困難である。
【００３０】
前述の相澤らによる１９９２年電子情報通信学会春季大会予稿集Ｃ−２４９に示されている、水晶の旋光性の波長依存性とファラデー回転子の回転角の波長依存性の相殺による波長依存性の改善法は、顕著な効果が見込めるが、例えば水晶旋光子を用いた場合、１０ｍｍを越える長さの水晶が必要になり、大幅な部材費増の原因となる。
【００３１】
また、前記改善法は、アイソレーションまたは挿入損失の一方にだけ波長依存性の相殺が可能であり、もう一方の波長依存性は逆に倍になる。この様なアイソレーションまたは挿入損失の一方にだけ波長依存性の相殺が可能であることは、相反性偏波面回転子を用いることに起因するため、特開２０００−２９２７４２号の例でも同様である。
【００３２】
以上から４０ｄＢ以上のアイソレーションを２００ｎｍの波長範囲で要求する高増幅度の光ファイバアンプなどに低コストで対応でき、かつ損失の波長依存性も小さい光アイソレータは実現が非常に困難である。同様に光サーキュレータでも４０ｄＢ以上のアイソレーションを２００ｎｍの波長範囲で確保することは非常に困難である。
【００３３】
なお、日本国特許第１３３６０７４号記載の構造、あるいは特開２０００−２８４２２７号に記載の構造は、１段型であるため、ピークアイソレーションが４０ｄＢ程度に抑制され、高アイソレーションを必要とする使用形態には適さない。
【００３４】
以上を簡約すると本発明の課題は、光アイソレータあるいは光サーキュレータなどの非相反光デバイスに用いられるファラデー回転子の偏波面回転角の波長依存性および温度依存性が原因で生じるアイソレーションおよび挿入損失の波長依存性を低減した非相反光デバイスを提供することにある。
【００３５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の非相反光デバイスは、以下の特徴を備える。
【００３６】
すなわち本発明の非相反光デバイスは少なくとも２枚のウォークオフ偏光子と、光進行方向に対して直列に配置される少なくとも２個のファラデー回転子と、少なくとも１枚のミラーとを含む非相反部を有する非相反光デバイスであって、前記ファラデー回転子のうちの２個は、互いに異なる材料組成を有し、かつ互いに逆向きの偏波面回転方向を有し、かつその間に偏光分離素子が介在しない非相反光デバイスである。
【００３７】
前記ファラデー回転子のうちの２個は、ＹＩＧ（イットリウム鉄ガーネット）結晶からなるファラデー回転子とビスマス置換希土類鉄ガーネット厚膜からなるファラデー回転子とすることができる。
【００３８】
また、前記非相反部は、２枚のウォークオフ偏光子と、光進行方向に対して併置される２枚の相反性偏波面回転子と、光進行方向に対して直列に配置される少なくとも２個のファラデー回転子と、１枚の１／４波長板と、１枚のミラーとを含んで光サーキュレータの非相反部となることができる。
【００３９】
また、前記相反性偏波面回転子は１／２波長板とすることができる。
【００４０】
また、前記１／２波長板と前記１／４波長板は、各々複数の材料の波長板を組み合わせて構成することができる。
【００４１】
また、前記ファラデー回転子の偏波面回転角の合計はほぼ４５度またはほぼ−４５度とすることができる。
【００４２】
また、前記偏波面回転角の合計がほぼ４５度またはほぼ−４５度をなすファラデー回転子群と光入出射ポートの間に、空間的な偏光分離を行わない複屈折結晶平板を少なくとも１枚、配置して、偏波分散の補償を行うことができる。
【００４３】
また、前記ミラーは誘電体多層膜または金属膜よりなる全反射ミラーとすることができる。
【００４４】
そして、前記ウォークオフ偏光子に入射する光は平行ビームであり、かつ前記ウォークオフ偏光子と光入出射ポートとの間にプリズムが配置されていてもよい。
【００４５】
上記の解決手段をさらに詳細に説明する。
【００４６】
本発明においては、異なる波長依存性および温度依存性を有するファラデー回転子を、複数枚かつ複数種組み合わせることにより波長依存性の補償手段とした。まず、その波長依存性補償手段について述べる。
【００４７】
具体的には４５度以上の偏波面回転角を有する主ファラデー回転子と前記主ファラデー回転子と逆方向の偏波面回転方向を有する副ファラデー回転子を用い、主ファラデー回転子と副ファラデー回転子の偏波面回転角の和が、広い波長帯域で＋４５度または−４５度になるようにする。
【００４８】
本波長依存性の補償手段においては、光の入射方向にかかわらず偏波面回転部における回転角は＋４５度または−４５度に保たれるため、アイソレーションと挿入損失の双方の波長依存性を抑制できる。
【００４９】
さらに主ファラデー回転子または副ファラデー回転子は、各々１枚の結晶あるいは厚膜である必要はなく、主ファラデー回転子と副ファラデー回転子の偏波面回転角の和が、広帯域で＋４５度または−４５度になる事を満たせば何枚でもかまわない。また、主ファラデー回転子と副ファラデー回転子の偏波面回転角の和が正確に±４５度でなく、例えば４４．８度などでも問題ない。
【００５０】
ただし、主ファラデー回転子と副ファラデー回転子の間に、反射型偏光子、ウォークオフ偏光子、あるいは複屈折プリズム等の広義の偏光分離素子が存在してはならない。２つの直交する電界振動成分の一方が結合光学系から分離されて結合しなくなるからである。
【００５１】
ところで、ファラデー回転角の波長依存性（ｄｅｇ／ｎｍ）は、ファラデー回転子の厚さに比例する。また、ファラデー回転角の大きさ自体も厚さに比例する。そのため、主ファラデー回転子と副ファラデー回転子が同一の材料では波長依存性補償は実現困難である。同一の材料でも、結晶の格子定数によってファラデー回転角の波長依存性が異なるが、その差はごく微少だからである。
【００５２】
また、主ファラデー回転子と副ファラデー回転子の偏波面回転方向は互いに逆方向である必要があるが、この要求に対しては、（１）同一磁界中において偏波面回転方向が逆向きのファラデー回転子材料を選択した上で、同一方向の磁界中に主ファラデー回転子と副ファラデー回転子を配置するか、（２）同一磁界中において偏波面回転方向が同じ向きのファラデー回転子材料を選択した上で、交番磁界のピークに各々主ファラデー回転子と副ファラデー回転子を配置することで対応できる。なお、ファラデー回転係数の正負は、磁界の向きを右ネジの進む向きとしたときに、右ネジの回転方向に偏波面が回転する場合が正と定義されている。
【００５３】
次に、上記の波長依存性補償手段を用いた光サーキュレータの構成について説明する。
【００５４】
前述のように、１段型の光サーキュレータはアイソレーションのピークが低いという問題があるが、これはファラデー回転子の偏光消光比の改善または多段構成にすることでのみ解決できる。ファラデー回転子の偏光消光比の改善は育成法などの改善によっても数十ｄＢの改善は困難であることから、多段構成化が現実的な解決策といえる。
【００５５】
ただし、上記の波長依存性補償手段を光サーキュレータに適用する場合、多段構成である日本国特許第２５３９５６３号あるいは米国特許第５，４７１，３４０号のＦＩＧ．１Ａ〜ＦＩＧ．ｌＣに示された構成ではファラデー回転子が最低でも４枚必要になる。
【００５６】
一般にファラデー回転子はフローティングゾーン法や液相エピタキシャル法で育成されるバルク単結晶や単結晶厚膜であり、ほぼ結晶枚数に比例して部材費が増加することや、ファラデー回転子の吸収損失により挿入損失も増加するといった問題が生じる。そのため上記の波長依存性補償手段を用いた光サーキュレータにおいては、ファラデー回転子の枚数を抑えた多段型構成が必要になる。
【００５７】
本発明の解決手段においては、米国特許第５，４７１，３４０号のＦＩＧ．ｌＡ〜ＦＩＧ．ｌＣに示されたミラーと隣り合うファラデー回転子に換えて、ウォークオフ結晶平板の偏光分離方向と４５度の光学軸角度を有する１／４波長板を用いる。
【００５８】
ところで、直線偏光子、入射直線偏光の偏波面と光学軸が±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、オプティカル・アイソレータと呼ばれる構成をなす。光ディスクのピックアップなどによく用いられるものである。
【００５９】
ただし、ウォークオフ結晶平板は吸収作用にはよらず、直線偏光のシフト作用による偏光子であるので、ウォークオフ結晶平板、１／４波長板、および全反射ミラーは光路を切り替える機構となり、これは米国特許第５，４７１，３４０号のＦＩＧ．ｌＡ〜ＦＩＧ．１Ｃに示されたウォークオフ結晶平板、４５度ファラデー回転子、および垂直入射の全反射ミラーの構成と同じ作用をなす。
【００６０】
本発明の解決手段となる非相反光デバイスの基本構成の平面図を図６（ａ）に、正面図を図６（ｂ）に示す。図６の構成では、最低必要なファラデー回転子の枚数が２枚であり、かつ前記２枚のファラデー回転子は４５度以上の偏波面回転角を有する主ファラデー回転子と前記主ファラデー回転子と逆方向の偏波面回転方向を有する副ファラデー回転子からなるファラデー回転子群を用い、主ファラデー回転子と副ファラデー回転子の偏波面回転角の和が、広い波長帯域で＋４５度または−４５度になるようにする。
【００６１】
ここで、光は各ポート間を進行するとき、前記ファラデー回転子群を、ウォークオフ結晶平板を途中に挟んで往復で２度透過するため、２段型として動作する。ただし、実質的に４枚のファラデー回転子を透過することから、それに応じた吸収損失が発生する。
【００６２】
他の要素についてさらに説明する。
【００６３】
また、本解決手段に用いる波長板にも位相差の波長依存性が小さいことが要求される。これに対しては、特開平１０−２３９５１８号に記載されている様な複屈折量の異なる材料を複数枚組み合わせる手法が有効である。例えば（株）光学技研による広帯域波長板は光通信波長帯の全域で位相差の波長依存性が小さく、本解決手段に好適である。前記広帯域波長板は、複屈折量の異なる水晶とフッ化マグネシウムを複数枚組み合わせた物である。
【００６４】
また、本解決手段に用いる全反射のミラーにも広帯域での動作が求められるが、その要求に対応するためには誘電体多層膜や、金属特に金の薄膜などが好適である。
【００６５】
また、図６に示した構成に適切な複屈折結晶板を組み合わせることで、偏波分散の補償が可能になる。
【００６６】
また、光サーキュレータは一般に光ファイバとレンズからなる光学系を伴うが、本解決手段において組み合わせる光学系は、ビームが長距離にわたって伝搬する必要があるため、平行ビームを射出するファイバコリメータが好適である。さらに筐体を含めた光サーキュレータ全体の小型化のためにファイバコリメータと複屈折偏光子の間にプリズムを用いると良い。
【００６７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について、（１）ファラデー回転角の波長依存性補償、（２）光サーキュレータの構成、（３）光サーキュレータのＰＭＤ（偏波分散）補償、の順に説明する。
【００６８】
（ファラデー回転角の波長依存性補償）まず、本発明の第１の要素であるファラデー回転子の波長依存性補償についてその成立条件を説明する。
【００６９】
ここでファラデー回転子Ａ、Ｂを一般の材料として説明する。ファラデー回転子Ａのある波長におけるファラデー回転角をθＦＡ（ｄｅｇ）、そのファラデー回転角の波長依存性を△θＦＡ（ｄｅｇ／ｎｍ）、ファラデー回転子Ｂのある波長におけるファラデー回転角をθＦＢ（ｄｅｇ）、そのファラデー回転角の波長依存性を△θＦＢ（ｄｅｇ／ｎｍ）とする。
【００７０】
ファラデー回転子Ａ、Ｂを直列接続した場合のファラデー回転角θＦＡ＋θＦＢとその波長依存性△θＦＡ＋△θＦＢにおいて、波長依存性補償が成立する条件は、次の式（１）および（２）によって表される。
【００７１】
θＦＡ＋θＦＢ＝４５　　（ｄｅｇ）　　　　……（１）
△θＦＡ＋△θＦＢ＝０　（ｄｅｇ／ｎｍ）　……（２）
【００７２】
また、波長依存性はファラデー回転角に比例することから次の式（３）、（４）が成立する。ここでα、βはある波長近傍でのファラデー回転角が４５度の場合の波長依存性とする。なお、ファラデー回転角の絶対値は短波長側で増大し、長波長側で減少する。
【００７３】
△θＦＡ＝（α／４５）θＦＡ　　　　　　……（３）
△θＦＢ＝（β／４５）θＦＢ　　　　　　　……（４）
【００７４】
式（２）、（３）、（４）より、次の式（５）の関係が得られる。
【００７５】
θＦＡ＝（−β／α）θＦＢ　　　　　　　……（５）
【００７６】
式（１）、（５）より、ファラデー回転角θＦＡに対して、次の式（６）が得られる。
【００７７】
θＦＡ＝４５β／（β−α）　　　　　　　……（６）
【００７８】
式（１）、（６）から、ファラデー回転角θＦＢに対して、次の式（７）が得られる。
【００７９】
θＦＢ＝−４５α／（β−α）　　　　　　……（７）
【００８０】
この様に、θＦＡとθＦＢの符号が異なることから、必要なファラデー回転の方向が逆向きであることがわかる。また、式（６）、（７）に分母として（β−α）の項があり、βとαは一致してはならない。つまり、同一のファラデー回転角を有するときに異なる波長依存性を有することが必要である。従って、ファラデー回転子Ａ、Ｂは異なる材料であるか、同一組成であれば格子定数が異なる必要があることがわかる。ただし既に述べたように同一組成かつ格子定数が異なるファラデー回転子の組み合わせは現実的ではない
【００８１】
（光サーキュレータの構成）図６は、既述のように本発明の非相反光デバイスの基本構成を表す図であり、図６（ａ）はその平面図、図６（ｂ）その正面図である。
【００８２】
ウォークオフ偏光子７は平行平板の複屈折結晶からなる偏光合成分離素子であり、入射した任意の偏光状態の光を偏波が互いに直交する２つの空間的に平行な偏光ビームに分離あるいは合成する。
【００８３】
１／２波長板（８、９）の組は互いの境界線の垂線方向から各々±２２．５度の角度を有するＣ軸方位を持ち、結果として互いのＣ軸方位は４５度（補角は１３５度）となっている。この１／２波長板（８、９）の組は各々に入射する直交する偏光ビームの互いの偏波面を同一方向にそろえる作用を持つ。
【００８４】
ファラデー回転子１０およびファラデー回転子１１で偏波面が合わせて右回り４５度回転し、電界振動方向はウォークオフ偏光子７の偏光分離方向と９０度の角度になる。
【００８５】
ウォークオフ偏光子１２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、ウォークオフ偏光子１２、１／４波長板１３、ミラー１４の組み合わせは、既述のように入射光と出射光のビーム透過位置をシフトさせる効果を持つ。
【００８６】
図７はこの非相反部の動作の説明図である。図７（ａ）は光入出射ポート側から見た各光学部材の結晶軸方向および偏波面回転方向を表す図である。図７（ｂ）は第１ポートから第２ポートへの光進行における図７（ａ）に示した各光学部材の前後における偏光状態と光入出射位置を表す。また、図７（ｂ）の上段は、第１ポートからミラー１４に向かう往路を示し、図７（ｂ）の下段は、ミラー１４から第２ポートに向かう復路を示す。
【００８７】
第１ポート４から第２ポート５へ進行する動作において、第１ポート４を射出したコリメートビームはウォークオフ偏光子７で直交する２つの偏光ビームに分離され、各々１／２波長板（８、９）に入射する。
【００８８】
１／２波長板（８、９）を透過後の２つのビームは同一方向の偏光成分を有する。このときの電界振動方向（偏波面方向）はいずれのビームもウォークオフ偏光子７の偏光分離方向と４５度の角度をなす。
【００８９】
ファラデー回転子（１０、１１）で偏波面が合わせて右回り４５度回転し、電界振動方向はウォークオフ偏光子７の偏光分離方向と９０度の角度になる。
【００９０】
次に光路決定機構であるウォークオフ偏光子１２に入射する２つのビームは、ウォークオフ偏光子１２に対し、異常光方向となる電界振動方向を有するため、ビームのシフトが生じる。
【００９１】
次に１／４波長板１３で入射直線偏光が右回り円偏光に変換され、ミラー１４で２つのビームはともに反射され、１／４波長板１３で第１ポート側から入射したビームの偏光に対し直交する電界振動方向を有する直線偏光に変換され、ウォークオフ偏光子１２に入射する。
【００９２】
ウォークオフ偏光子１２に入射する２つのビームは、ウォークオフ偏光子１２に対し、常光となる偏波面を有するためビームは直進する。
【００９３】
次にファラデー回転子（１１、ｌ０）で偏波面が回転し、上段の往路においてファラデー回転子１０に第１ポート側から入射し、ミラー１４による反射を経てファラデー回転子１０を射出するまでの全経路あわせて１８０度偏波面が回転したことになる。つまり電界振動方向が同一の状態でビームの位置のみシフトした状態で１／２波長板（８、９）に戻ってくる。
【００９４】
１／２波長板は相反性素子であるため、１／２波長板（８、９）の透過後は第１ポート側から入射したときと同一の偏光状態に戻り、さらにウォークオフ偏光子７も相反性素子であるため、２つのビームは一点に偏波合成される。このビームを受光・結合するように第２ポートを配置する。
【００９５】
第１ポートと第２ポートは平行移動された隣り合う位置にあるため、第２ポートから第３ポートへの光の進行の場合も第１ポートから第２ポートと同様に振る舞う。以上のようにこのデバイスは３ポート型の光サーキュレータとして動作する。
【００９６】
（サーキュレータのＰＭＤ補償）上記の光サーキュレータは基本的な動作を説明するのに好適であるが、ウォークオフ偏光子に対する異常光成分と常光成分に光路長差があり、それにより偏波分散が生じる。そのためウォークオフ偏光子の前後いずれかに偏光分離を行わない複屈折結晶板を挿入することにより、ＰＭＤ補償を行うことができる。
【００９７】
【実施例】
次に本発明の実施例について図面に基づいて説明する。
【００９８】
（実施例１）本実施例１は広帯域のファラデー回転子を用いた光サーキュレータの例でる。非相反部の構成は、既述の、図６の構成と同様である。本実施例１で用いるファラデー回転子を図４を用いて説明する。
【００９９】
１５および１６はＹＩＧ結晶であり、１７はビスマス置換テルビウム鉄ガーネット厚膜（以下、ＴＢＩＧ厚膜と略記する）である。ＹＩＧ結晶（１５、１６）は、１５５０ｎｍ近傍、室温、かつ４５度の回転角を有するとき、０．０４ｄｅｇ／ｎｍの波長依存性を有する。
【０１００】
また、ＴＢＩＧ厚膜１７は、１５５０ｎｍ近傍、室温、かつ４５度の回転角を有するとき、０．０７ｄｅｇ／ｎｍの波長依存性を有する。
【０１０１】
１８はＳｍＣｏマグネットで１つのマグネットで全てのファラデー回転子に対する印加磁界４１をまかなう。これはＹＩＧ結晶とＴＢＩＧ厚膜が同一磁界で逆方向のファラデー回転の向きを有することから可能になっている。なお、本明細書において、単に、ＹＩＧ結晶またはＴＢＩＧ厚膜と言うとき、磁界が印加されてファラデー回転子として動作している光学部材を指している。
【０１０２】
以上の材料を用いて、波長依存性がほぼ一定と見なせる波長範囲で波長依存性を補償したファラデー回転子群を形成すると、ＹＩＧ結晶の１５５０ｎｍ、室温での回転角が１０５度、ＴＢＩＧ厚膜の１５５０ｎｍ、室温での回転角が−６０度になる。
【０１０３】
この組み合わせによるファラデー回転子群を用いた光サーキュレータは、特に広帯域で高いアイソレーションが要求される用途に適している。
【０１０４】
（実施例２）本実施例２は、光サーキュレータとしての基本構成は実施例１と同様であるが、各ファラデー回転子の回転角を変更した例である。
【０１０５】
実施例１で示したファラデー回転子群では、そのファラデー回転角の大きさから、ＹＩＧ結晶、ＴＢＩＧ厚膜ともに１枚では作製が困難な程度の厚さが必要になる。そこで２種のファラデー回転子の回転角の合計が４５度であることを維持しつつ、波長依存性の補償をわずかに犠牲にして、厚さを減らすことは実用的である。
【０１０６】
ＹＩＧ結晶の１５５０ｎｍ、かつ室温でのファラデー回転角が９０度、ＴＢＩＧ厚膜の１５５０ｎｍ、かつ室温でのファラデー回転角を−４５度にした場合、１５５０ｎｍ近傍、かつ室温では、波長依存性が０．０１ｄｅｇ／ｎｍとなる。
【０１０７】
このときＹＩＧ結晶は入手の面から考えて、２枚構成にすることが適当であろうが、ＴＢＩＧ厚膜は１枚ですむ。
【０１０８】
ここまでの説明では波長範囲を１５５０ｎｍ近傍に限定して、ファラデー回転角が波長に対して直線的に変化するとみなせる範囲に限定したが、実際にはファラデー回転角の波長に対する変化率（微分係数）の絶対値は短波長側で増加する。
【０１０９】
図５に、本実施例２のＹＩＧ結晶の組み合わせ（主のＦＲとする）のファラデー回転角波長依存性と、ＴＢＩＧ厚膜（副のＦＲとする）のファラデー回転角の波長依存性、およびＹＩＧ結晶とＴＢＩＧ厚膜の組み合わせ（全体のＦＲとする）のファラデー回転角（絶対値）の波長依存性を示す。
【０１１０】
図５によれば、ＹＩＧ結晶とＴＢＩＧ厚膜の組み合わせの１４００ｎｍから１７５０ｎｍの範囲で、ファラデー回転角の総和は４５度±２度の範囲に収まる。１２６０ｎｍではファラデー回転角は約５０度になっているが、これは１５５０ｎｍでファラデー回転角が４５度になるよう設計したためで、１４００ｎｍ近傍でファラデー回転角が４５度になるよう設計すれば、前記のＯバンドからＬバンドの全域で４５度±３度に収めることができる。
【０１１１】
また、ＹＩＧ結晶のファラデー回転の温度依存性は、４５度ファラデー回転子において、入射波長１５５０ｎｍ、かつ常温で、０．０４２ｄｅｇ／Ｋであり、ＴＢＩＧ厚膜のファラデー回転の温度依存性は、４５度ファラデー回転子において入射波長１５５０ｎｍ、かつ常温において、０．０６２ｄｅｇ／Ｋである。
【０１１２】
温度依存性は、一般的な光サーキュレータの使用温度範囲（−５℃〜８５℃）であれば、ほぼ一定であるため、ＹＩＧ結晶とＴＢＩＧ厚膜の組み合わせの温度依存性は０．０２２ｄｅｇ／Ｋとなり、単体のファラデー回転子に比べ明らかに温度依存性が小さくなる。
【０１１３】
（実施例３）図２は、本実施例３における光サーキュレータの非相反部（光学結晶部）の構成を表す。図２（ａ）はその平面図、図２（ｂ）はその正面図である。
【０１１４】
２０はＣａＣＯ_３結晶平板によるウォークオフ偏光子である。他にもウォークオフ偏光子として利用できる複屈折材料は多数あるが、本発明のように広帯域での動作を求める用途においては、反射防止膜の広帯域化のため、屈折率の小さい材料を用いることが有利である。ただし、ＣａＣＯ_３結晶は湿度に弱いという問題があるため、パッケージには内部に窒素を充填した上で気密封止するなどの対策が必要がある。
【０１１５】
１９はＣａＣＯ_３結晶による偏波分散補償板であり、ウォークオフ偏光子によって生じた偏波分散を補償する。１／２波長板（２１、２２）は、相反性偏波面回転子である。この１／２波長板（２１、２２）のＣ軸は互いに４５度の角度をなす。また、１／２波長板２１は水晶とフッ化マグネシウムを組み合わせてなり、広帯域で１８０度の位相差をもつ。１／２波長板２２も同様である。
【０１１６】
ＹＩＧ単結晶（２３、２４）、ＴＢＩＧ結晶厚膜２５は実施例２で述べた物を使用する。すなわち、図５でそのファラデー回転角の波長依存性を示した組み合わせである。
【０１１７】
２６はＣａＣＯ_３結晶平板によるウォークオフ偏光子である。２７は１／４波長板であり、水晶とフッ化マグネシウムを組み合わせてなり、広帯域で９０度の位相差を持つ。
【０１１８】
２８はガラス基板上に金薄膜を蒸着した全反射のミラーである。一般に光通信で使用される波長帯の全反射膜としては誘電体多層膜が用いられることが多いが、金蒸着膜を用いると光通信帯の広帯域にわたって、良好な反射率が得られる。
【０１１９】
図３に、図５でそのファラデー回転特性を示した実施例２のファラデー回転子群を、図２でその構成を示した光サーキュレータ非相反部（光学結晶部）に適用した場合のアイソレーション波長特性の計算結果を示す。
【０１２０】
前記のＯバンド〜Ｌバンドの全域で４０ｄＢ以上のアイソレーションが得られている。これは１４００ｎｍから１７５０ｎｍの範囲で高アイソレーションを得るための設計の結果である。
【０１２１】
それに対して、実施例２で説明したように、１４００ｎｍ近傍でファラデー回転角が４５度になるように設計すれば、Ｏバンド〜Ｌバンドの全域で５０ｄＢ以上のアイソレーションが得られる。
【０１２２】
通常はこの程度の波長範囲で十分であるが、Ｕバンド帯など更なる広帯域化を必要とする場合は、式（１）〜式（７）で述べた条件を用いて、必要範囲の中心波長またはそれよりやや短波長において波長依存性を完全に補償するように主ファラデー回転子（主のＦＲ）と副ファラデー回転子（副のＦＲ）を設計すればよい。
【０１２３】
（実施例４）図１に、本実施例４における光サーキュレータの全体構成を示す。図１（ａ）はその平面図、図１（ｂ）はその正面図である。非相反部（光学結晶部）とそれに組み合わせる光結合系が示されている。
【０１２４】
プリズム３４は光学ガラス製であり、ガラスキャピラリ２９中に固定された３本の光ファイバ（３０、３１、３２）とレンズ３３はファイバコリメータを成す。
【０１２５】
各ファイバに独立にレンズを配置せずに、併置された複数のファイバと１つのレンズでファイバコリメータを構成した場合、各ファイバから出た光線がレンズを介して作るコリメートビームは互いに角度を持つが、プリズム３４は前記角度を持つコリメートビームを互いに平行にする作用を持つ。
【０１２６】
本実施例４の構成は、全反射ミラーを含み、コリメートビームを用いることが必要であるが、各ファイバに独立にレンズを配置することは光サーキュレータ全体の大型化につながるため、本実施例４のような構成が望ましい。
【０１２７】
（実施例５）図８に、本実施例５の光アイソレータの構成を示す。８１ａおよび８１ｂは光ポート、８２ａおよび８２ｂはルチル偏光結晶、８３ａはＹＩＧ結晶、８３ｂはＴＢＩＧ厚膜、８４ａおよび８４ｂは全反射のミラーを示す。
【０１２８】
このような構成において、偏光依存型の光アイソレータを構成すると、他の実施例と同様に広帯域において、アイソレーション変化の少ない光アイソレータが得られる。
【０１２９】
また、広帯域においてファラデー回転角の変化が少なくなる様に２種類のファラデー回転材料を組み合わせて構成したファラデー回転子は、光路方向の厚さが大きくなるが、本実施例５においては、全反射ミラーによる折り返しの光学系を有し、ファラデー回転子を往復で使用できるので、ファラデー回転子の厚さを半分にすることができる。
【０１３０】
上記の実施例においては、広帯域においてファラデー回転角の波長依存性を補償するファラデー回転子の組み合わせとして、ＴＢＩＧ厚膜とＹＩＧ結晶の組み合わせを用いたが、ＴＢＩＧ厚膜以外のビスマス置換希土類鉄ガーネット厚膜とＹＩＧ結晶の組み合わせを用いても、波長依存性の補償が可能である。
【０１３１】
そのとき、ＹＩＧ結晶と組み合わせるビスマス置換希土類鉄ガーネット厚膜はファラデー回転係数が大きく、その波長依存性においてＹＩＧ結晶との差が大きいものほど良い。その理由は、ＹＩＧ結晶およびビスマス置換希土類鉄ガーネット厚膜のいずれの光路長も小さくとることができ、小形のファラデー回転子群が得られるからである。
【０１３２】
その様なビスマス置換希土類鉄ガーネット厚膜としては、ビスマス置換ガドリニウム鉄ガーネット厚膜、ビスマス置換イットリウム・テルビウム鉄ガーネット厚膜、ビスマス置換ホルミウム・テルビウム鉄ガーネット厚膜などを使用することができる。
【０１３３】
【発明の効果】
以上のように、本発明により、非相反光デバイスにおけるファラデー回転子の波長依存性を広範囲において実質的に打ち消し、特にアイソレーション特性の波長依存性が大幅に抑制された非相反光デバイスを提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例４の光サーキュレータの構成図。図１（ａ）はその平面図、図１（ｂ）はその正面図。
【図２】実施例３の非相反部の構成図。図２（ａ）はその平面図、図２（ｂ）はその正面図。
【図３】実施例３の非相反部のアイソレーション波長特性を表す図。
【図４】本発明のファラデー回転子群の模式的な斜視図。
【図５】実施例２の、ＹＩＧ結晶（主のＦＲ）、ＴＢＩＧ厚膜（副のＦＲ）、およびＹＩＧ結晶とＴＢＩＧ厚膜の組み合わせ（全体のＦＲ）におけるファラデー回転角の波長依存性を表す図。
【図６】本発明の非相反光デバイスの基本構成を表す図。図６（ａ）はその平面図、図６（ｂ）その正面図。
【図７】本発明の非相反光デバイスにおける非相反部の動作の説明図。図７（ａ）は光入出射ポート側から見た各光学部材の結晶軸方向および偏波面回転方向を表す図。図７（ｂ）は第１ポートから第２ポートへの光進行における図７（ａ）に示した各光学部材の前後における偏光状態と光入出射位置を表す図。
【図８】実施例５の光アイソレータの構成図。
【図９】従来の光アイソレータを表す模式図。
【図１０】従来の光アイソレータにおけるアイソレーションの波長依存性を表す図。
【図１１】従来の、中心波長を１５００ｎｍと１６００ｎｍに設定した光アイソレータを直列接続した場合におけるアイソレーションの波長依存性を表す図。
【符号の説明】
４　　第１ポート
５　　第２ポート
６　　第３ポート
７，１２，２０，２６　　ウォークオフ偏光子
８，９，２１，２２　　１／２波長板
１０，１１　　ファラデー回転子
１３　　１／４波長板
１４，２８，８４ａ，８４ｂ　　ミラー
１５，１６，２３，２４，８３ａ　　ＹＩＧ結晶（主ファラデー回転子）
１７，２５，８３ｂ　　ＴＢＩＧ厚膜（副ファラデー回転子）
１８　　ＳｍＣｏマグネット
１９　　偏波分散補償板
２７　　１／４波長板
２９　　ガラスキャピラリ
３０，３１，３２　　光ファイバ
３３　　レンズ
３４　　プリズム
４１　　印加磁界
８１ａ，８１ｂ　　光ポート
８２ａ，８２ｂ　　ルチル偏光結晶

Claims (9)

1. 少なくとも２枚のウォークオフ偏光子と、光進行方向に対して直列に配置される少なくとも２個のファラデー回転子と、少なくとも１枚のミラーとを含む非相反部を有する非相反光デバイスにおいて、前記ファラデー回転子のうちの２個は、互いに異なる材料組成を有し、かつ互いに逆向きの偏波面回転方向を有し、かつその間に偏光分離素子が介在しないことを特徴とする非相反光デバイス。
2. 前記ファラデー回転子のうちの２個は、ＹＩＧ（イットリウム鉄ガーネット）結晶からなるファラデー回転子と、ビスマス置換希土類鉄ガーネット厚膜からなるファラデー回転子であることを特徴とする請求項１に記載の非相反光デバイス。
3. 前記非相反部は、２枚のウォークオフ偏光子と、光進行方向に対して併置される２枚の相反性偏波面回転子と、光進行方向に対して直列に配置される少なくとも２個のファラデー回転子と、１枚の１／４波長板と、１枚のミラーとを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の非相反光デバイス。
4. 前記相反性偏波面回転子は１／２波長板であることを特徴とする請求項３に記載の非相反光デバイス。
5. 前記１／２波長板と前記１／４波長板は、各々複数の材料の波長板を組み合わせてなることを特徴とする請求項４に記載の非相反光デバイス。
6. 前記ファラデー回転子の偏波面回転角の合計はほぼ４５度またはほぼ−４５度であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の非相反光デバイス。
7. 前記偏波面回転角の合計がほぼ４５度またはほぼ−４５度をなすファラデー回転子群と光入出射ポートの間に、空間的な偏光分離を行わない複屈折結晶平板が少なくとも１枚、配置されることを特徴とする請求項６に記載の非相反光デバイス。
8. 前記ミラーは誘電体多層膜または金属膜よりなることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の非相反光デバイス。
9. 前記ウォークオフ偏光子に入射する光が平行ビームであり、かつ前記ウォークオフ偏光子と光入出射ポートとの間にプリズムが配置されることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の非相反光デバイス。

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