【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信や光計測に用いられる光アイソレータのうち、光ファイバ内の伝送光の偏光面によってアイソレーション値が影響を受けない偏光無依存型アレイ光アイソレータに関するものである。
【０００２】
【背景技術】
光アイソレータは、通信用レーザ、光ファイバアンプ等に適用されており、一方側から他方側への順方向の光の伝搬を低損失で行ない、前記他方側から一方側への逆方向の光の伝搬を殆ど阻止する光部品である。光アイソレータは、例えばレーザ光の戻り光を阻止し、レーザ光源の発振の安定化を図る。
【０００３】
光アイソレータには、そのアイソレーション値が伝搬する光の偏波状態に依存する偏波依存型の光アイソレータと、光の偏波状態に依存しない偏波無依存型（偏光無依存型）の光アイソレータがある。偏光無依存型の光アイソレータの基本構成およびその原理は、例えば図１９に示すものである（例えば非特許文献１参照。）。
【０００４】
図１９に示すように、偏光無依存型の光アイソレータは、例えば、第１の複屈折結晶２０、ファラデー回転子（ファラデー素子）２１、半波長板２２、第２の複屈折結晶２３といった光学素子を有して構成されている。これらの光学素子は、隣り合う光学素子の光学面同士を互いに対向させて、光の進行方向軸に沿って配列配置されている。前記複屈折結晶の例としては、ルチル（ｒｕｔｉｌｅ）結晶、方解石（ｃａｌｃｉｔｅ）等がある。
【０００５】
第１の複屈折結晶２０にはレンズ１５（１５ａ）を介して第１の光ファイバ１が対向配置されており、第２の複屈折結晶２３にはレンズ１５（１５ｂ）を介して第２の光ファイバ２が対向配置されている。第１の光ファイバ１の他端側にはレーザダイオード（図示せず）が対向配置されており、レーザダイオードの光が第１の光ファイバ１とレンズ１５ａを介して第１の複屈折結晶２０に入射される。
【０００６】
ところで、近年の波長分割多重伝送技術の進化によって、光通信に用いられる波長が増加しており、入出力部に用いられるレーザダイオードの数が用いられる波長の数に対応して（例えば８波の場合は８個）増えてきている。
【０００７】
従来、光アイソレータは上記のように、一心ずつ一つの光アイソレータがレーザダイオードと組み合わせて使われているが、このような光アイソレータの適用方法を用いると、用いられる光アイソレータの数が増えてコスト増となり、さらに、収容アイソレータ及びその配線に大きな空間を要するようになる。
【０００８】
つまり、図１９に示したような構成の光アイソレータでは、入射・出射ビームはその径が５０〜１００μｍであり、入射・出射する光ファイバ１，２のコア径が約１０μｍと小さなことから高精度の組立てが必要である。
【０００９】
また、光アイソレータの形成には、材料も高精度・高純度な材料が必要である。例えば、偏光子として、結晶軸ずれが０．３°以内、平行度が０．０１°以内、ファラデー回転子として、平行度が０．０５°以内、ファラデー回転角が４５±０．５°等、極めて高価な材料を複数枚用いなければならない。
【００１０】
さらに、偏光子（第１の複屈折結晶２０）／ファラデー回転子２１／半波長板２２／偏光子（第２の複屈折結晶２３）を、互いにＸ、Ｙ方向のみならず、回転方向においても位置決めする必要があり、その回転角を０．１°以内に調整しなければならない。
【００１１】
さらに、偏光無依存型アイソレータは、原理上、正常光と異常光の複屈折率の差によって、第１の複屈折結晶２０の通過光を二重化し、ファラデー回転子２１で偏光面を回転させることで、アイソレータブロック８の端部や受光側のレンズ１５ｂや第２の光ファイバ２等での反射光が入射側の第１の光ファイバ１（コリメータ系）に入るのを阻止している。
【００１２】
そのため、入射側の光の光軸と戻り側の光の光軸の間隔、すなわち、複屈折結晶２０における正常光と異常光の分離距離だけ、入射光軸がずれる。したがって、図２０に示すように、アイソレータブロック８の両側の光ファイバ１，２をそれぞれ、基板３に搭載した時の入射側ファイバ（ここでは第１の光ファイバ１）の光軸と、受光側のファイバ（ここでは第２の光ファイバ２）の光軸とは平行的にずれる。
【００１３】
例えば、入射光及び戻り光のビーム径をそれぞれ５０ミクロンとした場合には、これらが重なって設定アイソレーションを確保できる間隔、例えば２００μｍだけずれる。
【００１４】
このため、光アイソレータ製作の際に、例えば図２０に示すように、アイソレータブロック８が光ファイバ１，２の載置面と平行な平面上に載置される場合には、第１の光ファイバ１と第２の光ファイバを、長手方向には真直で、互いに平行であり、かつ、深さ方向には精密に２００μｍずらす必要があった。
【００１５】
したがって、第１、第２のファイバ１，２を固定するために、基板３に、長手方向には真直で、互いに平行であり、かつ、深さ方向には精密に２００μｍずらして、例えばＶ溝等の光ファイバ挿入手段を形成する必要があった。しかしながら、Ｖ溝等を上記のような態様で形成することは実質的に困難であり、また、コスト高となる欠点があった。
【００１６】
以上のように、光アイソレータの組み立てコストは高く、光アイソレータは極めて高価な部品であり、レーザダイオード等の増加により、アイソレータ数もこれに対応して増加すると、コストがかかることが波長分割多重伝送システム構築の上で問題であった。
【００１７】
そこで、光アイソレータのコスト削減及び小型化を実現する構成として、例えば図２１に示す構成を有する光アイソレータが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【００１８】
この光アイソレータは、基板３の中央部に光学素子の配置溝部５０ａ〜５０ｄを形成し、この溝部５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄに、順に、第１の複屈折結晶２０、半波長板２２、ファラデー回転子２１、第２の複屈折結晶２３を挿入して配列している。これらの各光学素子は、基板３の面に沿った平面構成が平行四辺形状であり、基板３に垂直な側面構成が矩形状（図２１の（ｂ）参照）である。
【００１９】
また、上記光学素子に対向させて、その入射側に複数の第１のファイバコリメータ４を、出射側に複数の第２のファイバコリメータ５を配置している。これら第１と第２のファイバコリメータ４，５は、シングルモードファイバとグレーデッドインデックスファイバを接続して形成しており、第１のファイバコリメータと対応する前記第２のファイバコリメータはそれぞれ互いの光軸が一直線上になるように配置されている。
【００２０】
【非特許文献１】
川上等著、「光ファイバとファイバ型デバイス アドバンストエレクトロニクスシリーズ」 ｐ２８１
【特許文献１】
特開平６―２７３６９８号公報
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図２１に示した光アイソレータは、光学素子の配列部品の接続端面角度や第１と第２のファイバコリメータ４，５の接続端面角度の構成が明確にされていないので、第１のファイバコリメータ４と対応する前記第２のファイバコリメータ５をそれぞれ互いの光軸が一直線上になるように正確に配置することが難しかった。
【００２２】
本発明は、上記従来の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、小型で経済的であり、例えば複数のレーザダイオードと一度に正確に光結合可能な偏波無依存型光アイソレータを提供することにある。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は次のような構成をもって課題を解決するための手段としている。すなわち、第１の発明は、シングルモードファイバとグレーデッドインデックスファイバを接続してなる第１のファイバコリメータが互いに間隔を介して複数並設されており、これらの第１のファイバコリメータ群の出射側には複屈折結晶とファラデー回転子と半波長板を光軸方向に積層して成るアイソレータブロックが間隔を介して対向配置され、該アイソレータブロックの出射側にはシングルモードファイバとグレーデッドインデックスファイバを接続してなる第２のファイバコリメータが互いに間隔を介して複数並設されており、前記第１のファイバコリメータと対応する前記第２のファイバコリメータはそれぞれ互いの光軸が一直線上になるように配置されており、第１と第２のファイバコリメータはアイソレータブロックに対向する接続端面の角度が第１と第２のファイバコリメータの光軸に直交する直交面に対して６度以上８度以下傾いて形成され、第１と第２のファイバコリメータの接続端面に対向するアイソレータブロックの接続端面はそれぞれ前記直交面に対して第１と第２のファイバコリメータの接続端面と同方向に６度以上１０度以下傾いて形成されている構成をもって課題を解決する手段としている。
【００２４】
また、第２の発明は、上記第１の発明の構成に加え、前記第１および第２のファイバコリメータの接続端面と直交面との角度と、アイソレータブロックの接続端面と前記直交面との角度に対応させて、前記第１のファイバコリメータの接続端面と前記アイソレータブロックの入射側接続端面との距離ｄ１と、前記アイソレータブロックの出射側接続端面と前記第２のファイバコリメータの接続端面との距離ｄ２の和（ｄ１＋ｄ２）が０．４〜２．０ｍｍに設定されている構成をもって課題を解決する手段としている。
【００２５】
さらに、第３の発明は、上記第１または第２の発明の構成に加え、前記アイソレータブロックは、複屈折結晶とファラデー回転子と半波長板の隣り合う光学面同士を互いに対向密接させて形成され、アイソレータブロックの少なくとも１つの側面には金属膜が形成され、該金属膜の表面に設けられた半田により前記複屈折結晶とファラデー回転子と半波長板が一体的に密着固定されている構成をもって課題を解決する手段としている。
【００２６】
さらに、第４の発明は、上記第１または第２または第３の発明の構成に加え、前記アイソレータブロックを形成する複屈折結晶とファラデー回転子と半波長板は、それぞれの接続端面が直交面に対して同じ角度ずつ同方向に傾いて密着形成されている構成をもって課題を解決する手段としている。
【００２７】
さらに、第５の発明は、上記第１乃至第４のいずれか一つの発明の構成に加え、基板の中央部に凹部が形成されて該凹部にアイソレータブロックが配設されており、該アイソレータブロックは基板面に沿った平面形状が矩形状で、かつ、前記基板面に垂直な側面形状が平行四辺形状である構成をもって課題を解決する手段としている。
【００２８】
さらに、第６の発明は、上記第１乃至第５のいずれか一つの発明の構成に加え、前記第１と第２のファイバコリメータの外径をそれぞれ１５０μｍ以上とした構成をもって課題を解決する手段としている。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、本実施形態例の説明において、従来例と同一名称部分には同一符号を付し、その重複説明は省略または簡略化する。
【００３０】
図１には、本発明に係る偏波無依存型光アイソレータの第１実施形態例の要部構成が示されている。図１の（ａ）は、第１実施形態例の偏波無依存型光アイソレータを示す斜視図であり、同図の（ｂ）は、その断面図（同図の（ａ）のＡ−Ａ断面図）、同図の（ｃ）は、第１実施形態例の平面図をそれぞれ示す。
【００３１】
これらの図に示すように、基板３上に第１のファイバコリメータ４とアイソレータブロック８と第２のファイバコリメータ５が順に配置されている。基板３はシリコンやガラス等からなり、その厚みは１〜２ｍｍ程度である。
【００３２】
第１のファイバコリメータ４は、シングルモードファイバにより形成された第１の光ファイバ１とグレーデッドインデックスファイバ１１を融着接続して形成されている。第１のファイバコリメータ４は互いに間隔を介して複数並設されている。本実施形態例において、第１の光ファイバ１からレーザダイオード等の光ビームが入射する。
【００３３】
また、上記第１のファイバコリメータ４群の出射側に、前記アイソレータブロック８が間隔を介して対向配置されており、アイソレータブロック８は、第１の複屈折結晶２０とファラデー回転子２１と半波長板２２と第２の複屈折結晶２３を光軸方向に順に積層して成る。
【００３４】
なお、図１は、ファラデー回転子２１において偏光面を回転させるために用いられるＳｍ−Ｃｏ（サマリウムーコバルト）や、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ等の材料からなる磁石を、説明の簡単化のために省略して示している。
【００３５】
アイソレータブロック８の出射側には、アイソレータブロック８と間隔を介し、シングルモードファイバにより形成された第２の光ファイバ２とグレーデッドインデックスファイバ１２からなる第２のファイバコリメータ５が設けられている。これら第２のファイバコリメータ５は、互いに間隔を介して複数並設されている。第２の光ファイバ２とグレーデッドインデックスファイバ１２も融着接続されている。
【００３６】
前記第１のファイバコリメータ４と対応する前記第２のファイバコリメータ５はそれぞれ互いの中心軸が一直線上に配置されており、第１の光ファイバ１から入射した光ビームは上記アイソレータブロック８を通り、第２のファイバコリメータ５により受光される。
【００３７】
図４に示すように、第１のファイバコリメータ４の外径は１５０μｍ以上であり、第２のファイバコリメータ５も同様に、その外径が１５０μｍ以上である。
【００３８】
図１、図２に示すように、前記基板３の一端側と他端側にそれぞれファイバコリメータ挿入溝であるＶ溝９（９ａ，９ｂ）が互いに間隔を介して複数並設されており、これらのＶ溝９に第１、第２のファイバコリメータ４，５が挿入されている。
【００３９】
Ｖ溝９ａ，９ｂが形成されているＶ溝形成面２９は互いに同じ高さであり、かつ、Ｖ溝９ａと対応するＶ溝９ｂの形成位置は、互いに一直線上にある。これらの溝に第１、第２のファイバコリメータ４，５を挿入すると、第１のファイバコリメータ４と対応する第２のファイバコリメータ５の光軸が互いに一直線上に配置される。
【００４０】
また、基板３の中央部には凹部１０が形成されて該凹部１０に前記アイソレータブロック８が配設されている。凹部１０はフライス加工により深さ０．５ｍｍ〜１ｍｍ程度に形成されている。凹部１０は、複数のコリメータ位置決め溝（Ｖ溝９）とは直交する方向に、エッチングやフライス等の研削加工によって形成されている。
【００４１】
凹部１０の底面は平坦面であり、この凹部１０上に配置されたアイソレータブロック８は、図１の（ｃ）に示すように、基板面に沿った平面形状が矩形状で、かつ、同図の（ｂ）に示すように、前記基板面に垂直な側面形状が平行四辺形状である。
【００４２】
図６には、本実施形態例に適用しているアイソレータブロック８の側面図が示されている。この図は、図１の（ａ）のａ方向から見た図である。
【００４３】
一般に、アイソレータブロック８では、偏光子として、複屈折結晶２０，２３である酸化チタン（ｔｉｔａｎｉｕｍ ｏｘｉｄｅ）が用いられる。また、この中でも特にルチル（ｒｕｔｉｌｅ）結晶や、バナジウム酸イットリウム（ｙｔｔｒｉｕｍ ｖａｎａｄａｔｅ）等の結晶が用いられる。また、ファラデー回転子（Ｆａｒａｄａｙ Ｒｏｔａｔｏｒ）２１としては、ＹＩＧ（Ｙ３Ｆｅ５Ｏ１２）等の強磁性体が、半波長板２２には水晶が用いられる。
【００４４】
本実施形態例では、それぞれの構成材料は、平行平板状の材料を用いており、その高さ（厚み）Ｈは０．６ｍｍである。第１の複屈折結晶（ｗａｌｋ ｏｆｆ ｃｒｙｓｔａｌ）２０は、長さＬ０が１ｍｍのルチル結晶により形成し、ファラデー回転子２１は、長さＬ１が０．４６ｍｍのＹＩＧにより、半波長板２２は、長さＬ２が０．０９３ｍｍの水晶により、第２の複屈折結晶２３は、長さＬ３が１ｍｍのルチル結晶により形成した。
【００４５】
第１及び第２の複屈折結晶２０，２３の結晶光軸方位は、戻り光の広がりができるだけ大きくなるようにするため、一対の対向するファイバコリメータ４，５の光軸（中心線）に対して４５度の傾斜角に形成した。また、半波長板２２の方位は、アイソレータブロック８の入射側または出射側から見て２２．５度となるように形成した。
【００４６】
なお、第１、第２の複屈折結晶２０，２３の結晶光軸方位を、図６に対して上下反転させて、−４５°の傾斜角にとっても、戻り光の広がりは大きい。ただし、この場合は、上記ファイバコリメータ４，５の飛距離を大きくする必要があるため、ここでは、第１及び第２の複屈折結晶２０，２３の結晶光軸方位を４５°としている。
【００４７】
図１、図６に示すように、本実施形態例において、アイソレータブロック８を形成する複屈折結晶２０，２３とファラデー回転子２１と半波長板２２は、それぞれの接続端面が、第１、第２のファイバコリメータ４，５の光軸に直交する直交面に対して同じ角度ずつ同方向に傾いて密着形成されている。
【００４８】
また、図１に示すように、アイソレータブロック８の少なくとも１つの側面（ここでは上面２７）には金属膜２８が形成され、該金属膜２８の表面に設けられた半田（図示せず）により複屈折結晶２０，２３とファラデー回転子２１と半波長板２２が一体的に密着固定されている。
【００４９】
なお、本明細書において、アイソレータブロック８の側面は、アイソレータブロック８の接続端面（光入射面と光出射面）を除く面のことを示しているので、アイソレータブロック８の配置によっては、この側面が上記のように、上面２７になったり底面２６になったりする。
【００５０】
前記第１と第２のファイバコリメータ４，５は、アイソレータブロック８に対向する接続端面１４、１５の角度が、第１と第２のファイバコリメータ４，５の光軸Ｃに直交する直交面に対して６度以上８度以下傾いて形成されている。つまり、図１、図４に示す角度ψが６度以上８度以下と成している。
【００５１】
なお、図４には、第１のファイバコリメータ４の構成が示されているが、第２のファイバコリメータ５も同様に構成されている。
【００５２】
また、図１、図６に示すように、第１と第２のファイバコリメータ４，５の端面１４，１５に対向するアイソレータブロック８の接続端面１８，１９は、前記直交面に対して第１と第２のファイバコリメータ４，５の接続端面１４，１５と同方向に６度以上１０度以下傾いて形成されている。つまり、図６に示す角度φが６度以上１０度以下と成している。
【００５３】
このように、本実施形態例では、第１と第２のファイバコリメータ４，５の接続端面１４，１５の角度ψと、これらの接続端面１４，１５に対向するアイソレータブロック８の接続端面１８，１９の角度φを最適な値としたことを特徴としている。そして、本実施形態例は、この角度構成により、第１のファイバコリメータ４と対応する第２のファイバコリメータ５をそれぞれ互いの光軸が一直線上になるように配置して、効率的な光結合ができるようにしている。
【００５４】
ここで、本発明者による上記角度ψ、φの検討について述べる。本発明者は、図７に示すような、第１のファイバコリメータ４から出射される光およびアイソレータブロック８の接続端面１９から出射される光の出射角度αと、アイソレータブロック８の接続端面１８，１９の角度φとの関係により、第１のファイバコリメータ４と対応する第２のファイバコリメータ５の光軸が一直線上にできる範囲があると考えた。
【００５５】
そして、上記範囲をシミュレーションにより求めたところ、上記範囲は、図８に示す領域ａ、ｂであることが分かった。
【００５６】
なお、図７に示すように、上記出射角度αは、出射ビームと第１、第２のファイバコリメータ４，５の中心軸Ｃのなす角度である。本実施形態例において、アイソレータブロック８の断面形状が平行四辺形状であるので、アイソレータブロック８の接続端面１８，１９の角度φは互いに等しく、第１のファイバコリメータ４から出射される光の出射角度とアイソレータブロック８の接続端面１９から出射される光の出射角度は互いに等しい。
【００５７】
また、図８のシミュレーション結果は、波長１５５０ｎｍの光を用いてシミュレーションしたものであり、このシミュレーションにおいて、アイソレータブロック８の構成は本実施形態例と同様の構成とした。
【００５８】
また、本発明者は、第１のファイバコリメータ４の接続端面１４の傾き角度ψと、上記出射角度αとの関係をシミュレーションにより求めた。なお、第１のファイバコリメータ４の接続端面１４から出射される出射光は、図２２に示すように、接続端面１４と空気の比屈折率の差によるＳｎｅｌｌの法則により傾斜して出射される。
【００５９】
上記シミュレーションの結果、図９に示すシミュレーション結果が得られた。なお、このシミュレーション結果は、第１のファイバコリメータ４のグレーデッドインデックスファイバの屈折率を１．４４４４として求めた結果である。
【００６０】
このシミュレーション結果から、図７に模式的に示したように、第１、第２のファイバコリメータ４，５の接続端面１４，１５と直交面の成す角度が端面反射を起こさない６〜８度にとった時の、第１のファイバコリメータ４から出射する光の出射角度αは約２〜約４度（２．５〜３．５度）となることが分かった。
【００６１】
そこで、このαの値と、図８のシミュレーション結果から、図８のＡ内に示すように、アイソレータブロック８の接続端面１８，１９の角度φを約６〜１０度とすることにより、第１のファイバコリメータ４と対応する第２のファイバコリメータ５の光軸を一直線上に配置できることが分かった。
【００６２】
また、上記角度ψ、φの組み合わせによって、第１のファイバコリメータ４の接続端面１４とアイソレータブロック８の入射側接続端面１８との距離ｄ１と、アイソレータブロックの出射側接続端面１９と第２のファイバコリメータ５の接続端面１５との距離ｄ２の和（ｄ１＋ｄ２）の最適値が、０．４〜２．０ｍｍに決定される。
【００６３】
例えば、図１０には、アイソレータブロック８の接続端面１８，１９の傾き角度φを８度としたとき、第１、第２のファイバコリメータ４，５の接続端面１４，１５の傾き角度ψに応じて決定される出射角度αと（ｄ１＋ｄ２）の最適値との関係が示されている。
【００６４】
アイソレータブロック８と第１、第２のファイバコリメータ４，５の接続端面との距離（ｄ１＋ｄ２）は、図１０に示すような関係にあり、この距離は、アイソレータブロック８の長さよりも大きい。
【００６５】
また、このシミュレーションデータに示すように、アイソレータブロック８はファイバ間のどの地点にあってもよいが、この距離が短すぎるとアイソレータブロック８と第１、第２のファイバコリメータ４，５の接続端面との間隔ｄ１やｄ２が小さくて組み立てや調整が難しく、また、長すぎると第１、第２のファイバコリメータ４，５の正常な動作範囲を超えてしまう。
【００６６】
図１０に示すアイソレータブロック８の例では（ｄ１＋ｄ２）を０．４〜２．０ｍｍとすることが適正な値の範囲であり、図６に示したアイソレータブロック８の接続端面１８，１９の傾き角度φが異なるアイソレータブロック８でもほぼ同様である。
【００６７】
この図から明らかなように、アイソレータブロック８の接続端面１８，１９の角度φを８度としたとき、距離（ｄ１＋ｄ２）は０．４〜２ｍｍとすることが望ましく、角度αが３．５９７度の時、ｄ１＋ｄ２は約０．８ｍｍである。
【００６８】
図３の（ａ）には、前記Ｖ溝９の断面図が示されている。同図の（ｂ）にはＶ溝９とＶ溝９上に挿入されたファイバコリメータ４が共に断面図により示されている。Ｖ溝９はエッチングやフライス等の研削加工によって設けられており、研削角βが６０度、深さｄが１８０μｍである。
【００６９】
なお、本実施形態例では、Ｖ溝９を第１、第２のファイバコリメータ４，５の位置決め手段として形成したが、コリメータ位置決め手段は特に限定されるものではなく、例えば図３の（ｃ）のようなＵ溝、同図の（ｄ）に示す変形Ｖ溝等でもよい。
【００７０】
また、前記基板３の凹部１０の両端部（出射側、受光側の側壁）はフライス加工によって、設定角度の斜面部２４，２５と成している。この斜面部２４，２５は、光ファイバ１，２のコアを通って進行する光ビームが空気との界面で反射を起こさない角度である６〜８度だけ、前記直交面に対して傾いて形成することが好ましく、本実施形態例では斜面部２４，２５の角度ψが８度に形成されている。
【００７１】
ところで、前記の如く、本実施形態例では、第１と第２のファイバコリメータ４，５を適用している。ファイバコリメータ系では従来のレンズ系とは異なり、融着によりファイバレンズを形成するため、シングルモードファイバとグレーデッドインデックスファイバの界面での反射は実質的に無く、また、軸ずれも無い利点がある。
【００７２】
しかしながら、ファイバコリメータ系の場合には、レンズとなるグレーデッドインデックスファイバの径（レンズ径）が１２５μｍであり、従来のガラスレンズ系（レンズ径３〜５ｍｍ）に比べて小さい。
【００７３】
そして、シングルモード光ファイバからグレーデッドインデックスファイバに入射する光は、シングルモードファイバの直径である約１０μｍの光であるため、コアグレーデッドインデックスファイバと接続されるコア部を点光源とみなすことが困難であり、ビームが図５に示すように広がったものとなる。
【００７４】
つまり、ビームの焦点の位置が一定値ではなく、広がりをもつ値となる。例えば図５に示すように、出射側の第１のファイバコリメータ４からの出射光は、ビームウェスト部と言われる中間部で、一旦、収束したのち拡散するが、この際飛行距離が長くなるとビームが拡散して、受光側の第２のファイバコリメータ５に効率的に入射せず、結果として挿入損失が劣化する欠点がある。
【００７５】
例えば１２５μｍ外径のグレーデッドインデックスファイバのレンズ系では、グレーデッドインデックスファイバの屈折率分布を改善しても実用的には飛行距離は２ｍｍ程度が限界であった。
【００７６】
それに対し、第１のファイバコリメータ４と第２のファイバコリメータ５の間にアイソレータブロック８を設けるためには、１段型のアイソレータブロック８を適用した場合でさえ、第１のファイバコリメータ４と第２のファイバコリメータ５の距離が３ｍｍ必要となる。つまり、アイソレータブロック８の構成結晶の平均屈折率は約１．４から１．８であるため、飛行距離としては結晶内飛行距離１．５ｍｍ、ファイバとの結合系で更に１ｍｍ以上が必要である。
【００７７】
また、２段型のアイソレータブロック８を適用した場合は、第１のファイバコリメータ４と第２のファイバコリメータ５の距離が６ｍｍ必要となる。つまり、この場合、結晶内飛行距離が３ｍｍ、ファイバとの結合系が１〜２ｍｍ必要である。
【００７８】
したがって、従来のシングルモードファイバとグレーデッドインデックスファイバを用いてファイバコリメータを形成した場合、第１のファイバコリメータ４と第２のファイバコリメータ５の間にアイソレータブロック８を設けても、第１のファイバコリメータ４と第２のファイバコリメータ５の光結合が良好に行われないため、ファイバコリメータを光アイソレータに適用することは難しかった。
【００７９】
そこで、本実施形態例では、第１、第２の光ファイバ１，２を形成するシングルモードファイバのモードフィールド径を９．２μｍ、クラッド径を１６０μｍとし、大口径のファイバを用いることにした。このように大口径のシングルモード光ファイバとグレーデッドインデックスファイバを融着接続して第１、第２のファイバコリメータ４，５を形成すると、ビームが拡散せずに飛行する距離（ワーキング距離）が小さい。
【００８０】
なお、本実施形態例では、ファイバコリメータとしてシングルモードファイバ、グレーデッドインデックスファイバともに、クラッド外径として１６０μｍを用いたが、これに限られることは無い。レンズとしての口径は大きい方がよいが、２５０μｍを越えるとファイバとしての剛性が高くなりすぎ、アイソレータの回路基板への実装時、曲げられた状態で長期間置かれると容易に破断するため、現実的には１５０〜２５０μｍが望ましい。
【００８１】
本実施形態例は以上のように構成されており、次に、本実施形態例のアイソレータの動作について説明する。図１１の（ａ）は、本実施形態例の光アイソレータにおいて、順方向に進行する光線の動きを示す側面図である。この図は、図１の（ａ）のａ矢印方向から見た図である。また、図１１の（ｂ）はその平面図である。
【００８２】
さらに、図１１の（ｃ）は、アイソレータブロック８の構成材料中を進行する光ビームの偏光状況を示したものである．なお、この図は、アイソレータブロック８を出射側から見た図である。
【００８３】
図１１の（ａ）に示すように、第１のファイバコリメータ４から出射した出射ビーム▲１▼は、第１の複屈折結晶２０に入射し、スネル（Ｓｎｅｌｌ）の法則に従って屈折する常光線▲２▼と、常光線▲２▼と結晶光軸を含む面内で結晶光軸方向にずれる光線である異常光線▲３▼とに分離する。これらの光線▲２▼、▲３▼は、アイソレータブロック８の厚み方向にずれる。また、常光線▲２▼と異常光線▲３▼は、図１１の（ｃ）に示すように、偏波面が互いに直交する。
【００８４】
その後、これらの光線▲２▼、▲３▼は、ファラデー回転子２１に入射し、進行方向の光軸を保ちながらも、図１１の（ｃ）に示すように、その偏波面を反時計回りに４５度回転した光線▲４▼、▲５▼となり、図１１の（ａ）に示すように進む。
【００８５】
その後、これらの光線▲４▼、▲５▼は石英半波長板２２に入射し、半波長板２２の材料である水晶の旋光性によって、その偏光角が、半波長板２２の結晶軸角（図１１の（ｃ）に示す値である２２．５度）と光線の偏光角の差分だけ、結晶軸を対称にして回転した光線▲６▼、▲７▼となる。つまり、この構成において、石英半波長板２２を出射する光線▲６▼は、偏光角が水平偏波、光線▲７▼は偏光角が垂直偏波となる。
【００８６】
その後、第２の複屈折結晶２３に入射した光線▲６▼は常光線▲８▼に、光線▲７▼は異常光線▲９▼になり、第２の複屈折結晶２３の接続端面１９で合成されて光線Ａとなり、第２のファイバコリメータ５に入る。
【００８７】
図１２の（ａ）は受光側の第２のファイバコリメータ５内で反射等によって戻る光線の動きを側面図により示している。この光線は、アイソレータの逆方向に進行する光線であり、図１２の（ａ）は、図１の（ａ）のａ方向矢印から見た図である。
【００８８】
また、図１２の（ｂ）は、アイソレータブロック８の構成材料中を進行する光ビームの偏光状況を示したものである。なお、この図は、アイソレータブロック８の出射側から見た図により示している。
【００８９】
戻り光Ｒ▲１▼は、第２の複屈折結晶２３に入射し、常光線Ｒ▲２▼と異常光線Ｒ▲３▼とに分離する。異常光線Ｒ▲３▼は、常光線Ｒ▲２▼と結晶光軸を含む面内で結晶光軸方向にずれる光線であり、これらの光線Ｒ▲２▼、Ｒ▲３▼は、アイソレータブロック８の厚み方向にずれる。また、常光線Ｒ▲２▼と異常光線Ｒ▲３▼は、図１２の（ｂ）に示すように、偏波面が互いに直交する。
【００９０】
また、石英半波長板２２に戻った光線Ｒ▲２▼とＲ▲３▼は、材料である水晶の旋光性によって、その偏光角が、半波長板の結晶軸角と光線の偏光角の差分だけ、結晶軸を対称にして回転し、光線Ｒ▲４▼、Ｒ▲５▼となる。
【００９１】
その後、光線Ｒ▲４▼、Ｒ▲５▼は、ファラデー回転子２１に入射し、その進行方向の光軸を保ちながらもその偏光面を時計回りに４５度回転した光線Ｒ▲６▼及び光線Ｒ▲７▼となる。
【００９２】
そして、光線Ｒ▲６▼は、第１の複屈折結晶２０に戻って常光線Ｒ▲８▼になり、光線Ｒ▲７▼は第１の複屈折結晶２０に戻って異常光線Ｒ▲９▼になり、さらに、これらの光線Ｒ▲８▼、Ｒ▲９▼は、第１の複屈折結晶２０の接続端部で分離した光線Ｓ▲１▼及びＳ▲２▼となり、第１のファイバコリメータ４に入らずに系外に出る。
【００９３】
本実施形態例の光アイソレータは、上記動作により、複数の第１のファイバコリメータ４と対応する第２のファイバコリメータ５を、アイソレータブロック８を介して光接続でき、第１のファイバコリメータ４側から第２のファイバコリメータ５側への順方向の光の伝搬を低損失で行ない、第２のファイバコリメータ５側から第１のファイバコリメータ４側への逆方向の光の伝搬を殆ど阻止することができる。
【００９４】
また、本実施形態例の光アイソレータは、アイソレータブロック８の両側に配置する第１のファイバコリメータ４と対応する第２のファイバコリメータ５を、基板３のＶ溝９に調心無しで配置して、それぞれ互いの光軸が一直線上になるように配置できるので、基板３の低コスト化を可能にし、調整作業を大幅に低減できる。
【００９５】
さらに、本実施形態例の光アイソレータは、同外径の大口径のグレーデッドインデックスファイバとシングルモードファイバ（ｓｉｎｇｌｅ ｍｏｄｅ Ｆｉｂｅｒ）を接続して、焦点距離の長いコリメータ系をファイバコリメータ系で構成しているので、ビーム焦点距離を長くすると共に挿入損失を低減できる。
【００９６】
さらに、本実施形態例の光アイソレータは、アイソレータブロック８を形成する複屈折結晶２０，２３とファラデー回転子２１と半波長板２２は、それぞれの接続端面が直交面に対して同じ角度ずつ同方向に傾いて密着形成されているので、これらの構成材料を平板化でき、経済化が図れる。
【００９７】
さらに、本実施形態例の光アイソレータは、第１、第２のファイバコリメータ４，５とアイソレータブロック８との距離を最適化しているので、第１、第２のファイバコリメータ４，５とアイソレータブロック８との接続を良好に行うことができ、接続損失を小さくできる。
【００９８】
さらに、本実施形態例の光アイソレータは、アイソレータブロック８は、形成する複屈折結晶２０，２３とファラデー回転子２１と半波長板２２を、それぞれの接続端面間に接着剤を設けずに、アイソレータブロック８の側面に設けた金属膜２８を半田固定して形成されているので、接着剤の劣化によるアイソレータブロック８の特性劣化を抑制できる。
【００９９】
また、本実施形態例において、アイソレータブロック８は、形成する複屈折結晶２０，２３とファラデー回転子２１と半波長板２２が密着固定されて形成されているので、これらの光学素子の光学面間に空気が介在する場合のように、光学素子の光学面と空気層の間でレーザ光が反射し、光アイソレータの特性劣化を招くといった問題も抑制できる。
【０１００】
次に、本発明に係る光アイソレータの第２実施形態例について説明する。第２実施形態例は、図１３の（ａ）、（ｂ）に示す構成を有し、上記第１実施形態例とほぼ同様に構成されているので、第２実施形態例の説明において、上記第１実施形態例との重複説明は省略する。図１３の（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図である。
【０１０１】
また、図１４には、第２実施形態例における光ビームの順方向の動きを平面図により示している。
【０１０２】
第２実施形態例が上記第１実施形態例と異なる特徴的なことは、第１、第２のファイバコリメータ４，５とアイソレータブロック８の基板３との位置関係を異なる位置関係としたことである。
【０１０３】
ここで、第２実施形態例と第１実施形態例との関係について、図１５を用いて説明する．図１５において点線は第１実施形態例におけるアイソレータブロック８と第１、第２のファイバコリメータ４，５、実線は第２実施形態例におけるアイソレータブロック８と第１、第２のファイバコリメータ４，５を示している。
【０１０４】
図１５に示すように、第２実施形態例におけるアイソレータブロック８の接続端面の長手方向と第１、第２のファイバコリメータ４，５の配列方向がそれぞれＡ、Ｂ方向であるのに対し、第１実施形態例においては、アイソレータブロック８の接続端面の長手方向と第１、第２のファイバコリメータ４，５の配列方向が、それぞれＣ、Ｄ方向となっている。
【０１０５】
次に、第２実施形態例における第１、第２のファイバコリメータ４，５の接続端面１４，１５およびアイソレータブロック８の接続端面１８，１９の角度調整について述べる。図１６の（ａ）〜（ｄ）には、図１３の（ｂ）のＡ部の作成方法が示されている。
【０１０６】
まず、図１６の（ａ）に示すように、第１のファイバコリメータ４において、グレーデッドインデックスファイバ１１の長さを長めに形成しておき、基板３のＶ溝９に挿入する。第１のファイバコリメータ４は、Ｖ溝９への挿入によって、一定間隔、例えば０．５ｍｍピッチで平行に配列される。第１のファイバコリメータ４は、図示しない接着剤或いは、半田等の固定手段によってＶ溝９に固定される。
【０１０７】
次に、図１６の（ｂ）に示すように、固定された複数の第１のファイバコリメータ４を基板３の凹部１０の側壁に沿って、ダイサー等の切断手段３１によって切断する。この切断により、図１６の（ｃ）に示すように、第１のファイバコリメータ４の光軸Ｃ（中心軸）に直交する面と接続端面１４のなす角ψを、第１実施形態例と同様に、端面反射を起こさない６〜８度に形成する。なお、図１６の（ｄ）に示すように、光軸Ｃと接続端面１４の垂直方向の角度は９０度にする。
【０１０８】
また、第１のファイバコリメータ４の形成における上記切断に際し、複数の第１のファイバコリメータ４から出射した光ビームがそれぞれ平行に進むように、グレーデッドインデックスファイバ１１の長さ（図１６の（ｂ）のＬＧ）が例えば５００〜６００μｍになるように一括して形成する。
【０１０９】
上記と同様にして、第２のファイバコリメータ５も形成する。
【０１１０】
また、アイソレータブロック８の接続端面１８，１９は、図１３の（ｂ）に示すように、φの値を６〜１０度にとることによって、第１のファイバコリメータ４からの出射光は、アイソレータブロック８を介して受光側である第２のファイバコリメータ５に効率良く入射する。
【０１１１】
第２実施形態例は上記のように構成されており、図１４に示すように、光ビームの分裂は、アイソレータブロック８の平面方向になるが、その他の構成は上記第１実施形態例と同様であり、この動作により上記第１実施形態例と同様の効果を奏することができる。
【０１１２】
なお、本発明は上記各実施形態例に限定されることはなく、様々な実施の態様を採り得る。例えば、上記第２実施形態例では、基板３の凹部１０の側壁形状を一直線としたが、例えば図１７に示すように、各ファイバコリメータ４，５とアイソレータブロック８の間隔を一定にするために、基板３の凹部１０の側壁形状を、対応する一対のファイバコリメータ４，５に対応させて鋸歯状にしてもよい。また、基板３の凹部１０の側壁形状を、複数対のファイバコリメータ４，５に対応させて鋸歯状に形成してもよい。
【０１１３】
また、上記各実施形態例では、基板３はＶ溝９の形成面と凹部１０を有する一体加工の基板としたが、例えば図１８の（ａ）、（ｂ）に示すように、基板３は、２つ以上の部材を組み合わせて形成してもよい。
【０１１４】
さらに、上記各実施形態例では、第１、第２のファイバコリメータ４，５の接続端面１４，１５の角度を一定にするために、第１、第２のファイバコリメータ４，５をＶ溝９に固定した後に第１、第２のファイバコリメータ４，５の接続端面１４，１５を一括切断する方法を用いたが、接続端面１４，１５をそろえる方法は特に限定されるものでなく適宜設定されるものである。
【０１１５】
例えば第１、第２のファイバコリメータ４，５の接続端面１４，１５を予め端面研磨しておき、図１８に示すように、コリメータ配列具３２に形成されたＶ溝９等の複数のファイバ位置決め手段に第１、第２のファイバコリメータ４，５を挿入し、ガラス板等からなる蓋板３３で挟みこんで、接続端面１４，１５の位置をそろえてもよい。
【０１１６】
さらに、上記各実施形態例では、アイソレータブロック８を形成する複屈折結晶２０，２３とファラデー回転子２１と半波長板２２は、それぞれの接続端面が前記直交面に対して同じ角度ずつ同方向に傾いて形成したが、これらの接続端面は多少異なる角度に傾いて形成されていてもよい。
【０１１７】
さらに、上記各実施形態例に示した第１、第２のファイバコリメータ４，５の本数、寸法、アイソレータブロック８の寸法等は一例であり、これらの値は上記各実施形態例に限定されるものではなく適宜設定されるものである。例えば第１、第２のファイバコリメータ４，５の本数を波長分割多重伝送における波長数に対応させて形成することにより、効率的な光通信を可能とすることができる。
【０１１８】
さらに、上記各実施形態例では、アイソレータブロック８は、その一側面に金属膜２８を形成し、この金属膜２８の表面に設けた半田によりアイソレータブロック８の構成要素（光学素子）を密着固定したが、金属膜２８をアイソレータブロック８の２つ以上の側面に形成して半田固定してもよい。また、金属膜２８を設けずに、低融点ガラスにより上記構成要素を密着固定してもよい。
【０１１９】
さらに、アイソレータブロック８は、従来適用されているように、構成要素の光学面同士またはその端部を光学接着剤により固定したアイソレータブロック８としてもよい。ただし、この場合、アイソレータブロック８の構成要素間に空気が介在したり、接着剤が介在したりすることによる特性劣化の可能性があるので、上記各実施形態例に適用したアイソレータブロック８の構成を適用することが好ましい。
【０１２０】
【発明の効果】
本発明によれば、アイソレータブロックとその入出射側に配置する複数の第１のファイバコリメータと第２のファイバコリメータの接続端面角度を的確に形成することによって、第１のファイバコリメータと対応する第２のファイバコリメータの光軸を確実に一直線上に配置できるので、基板の低コスト化を可能にし、第１、第２のファイバコリメータとアイソレータブロックの位置決め等の調整作業を大幅に低減できる。
【０１２１】
また、本発明によれば、複数の第１、第２のファイバコリメータを同時にアイソレータブロックと光結合できるので、例えば複数のレーザダイオードと一度に効率的に光結合することができる。
【０１２２】
また、本発明において、アイソレータブロックとその両側に配置する複数の第１のファイバコリメータと第２のファイバコリメータの接続端面角度に応じ、対向する接続端面間隔を決定した構成によれば、前記接続端面間隔を最適化できるので、第１、第２のファイバコリメータとアイソレータブロックとの接続をより一層良好に行うことができ、接続損失を小さくできる。
【０１２３】
さらに、本発明において、アイソレータブロックは、複屈折結晶とファラデー回転子と半波長板の隣り合う光学面同士を互いに対向密接させて形成され、アイソレータブロックの少なくとも１つの側面には金属膜が形成され、該金属膜の表面に設けられた半田により前記複屈折結晶とファラデー回転子と半波長板が一体的に密着固定されている構成によれば、接着剤の劣化やアイソレータブロックの構成要素の光学面におけるレーザ光の反射によるアイソレータブロックの特性劣化を抑制できる。
【０１２４】
さらに、本発明において、アイソレータブロックを形成する複屈折結晶とファラデー回転子と半波長板は、それぞれの接続端面が直交面に対して同じ角度ずつ同方向に傾いて密着形成されている構成によれば、アイソレータブロックの構成要素を全て平板化できるため、各構成要素の形成やアイソレータブロックの組立てが容易となり、より一層の経済化を図ることができる。
【０１２５】
さらに、本発明において、基板の中央部に形成された凹部にアイソレータブロックが配設され、該アイソレータブロックは基板面に沿った平面形状が矩形状で、かつ、前記基板面に垂直な側面形状が平行四辺形状である構成によれば、第１、第２のファイバコリメータの接続端面位置をそれぞれの光軸に直交する面に沿って一列に配置することができるので、光アイソレータの組立てをより一層容易にできる。
【０１２６】
さらに、本発明において、第１と第２のファイバコリメータの外径をそれぞれ１５０μｍ以上とした構成によれば、第１、第２のファイバコリメータを同外径の大口径のグレーデッドインデックスファイバとシングルモードファイバで構成することによってビーム焦点距離を長くすると共に、第１、第２のファイバコリメータとアイソレータブロックとの光接続状態を良好にし、挿入損失を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る偏波無依存型光アイソレータの第１実施形態例を示す要部構成図である。
【図２】上記第１実施形態例に適用されている基板を示す説明図である。
【図３】上記第１実施形態例に適用されている基板のＶ溝断面構成と、Ｖ溝以外のコリメータ位置決め手段の例を示す説明図である。
【図４】上記第１実施形態例に適用されている第１のファイバコリメータを示す説明図である。
【図５】シングルモードファイバとグレーデッドインデックスファイバを融着接続して成るファイバコリメータ系の出射光のビーム形状の説明図である。
【図６】上記第１実施形態例に適用されているアイソレータブロックの側面説明図である。
【図７】上記第１実施形態例における第１、第２のファイバコリメータの接続端面角度とアイソレータブロックの接続端面角度の最適化を模式的に示す説明図である。
【図８】第１のファイバコリメータと対応する第２のファイバコリメータの光軸を一直線上に形成可能な出射角度αとアイソレータブロックの接続端面の傾き角度φとの関係を示すグラフである。
【図９】ファイバコリメータの接続端面の傾き角度ψとファイバコリメータからの光の出射角度αとの関係を示すグラフである。
【図１０】ファイバコリメータからの光の出射角度αと、ファイバコリメータとアイソレータブロックとの最適距離の関係を示すグラフである。
【図１１】上記第１実施形態例の偏波無依存型光アイソレータの順方向のビーム動作を示す説明図である。
【図１２】上記第１実施形態例の偏波無依存型光アイソレータの逆方向のビーム動作を示す説明図である。
【図１３】本発明に係る偏波無依存型光アイソレータの第２実施形態例を示す要部構成図である。
【図１４】上記第２実施形態例の偏波無依存型光アイソレータの順方向のビーム動作を示す説明図である。
【図１５】本発明に係る偏波無依存型光アイソレータの第１実施形態例と第２実施形態例の配置構成の違いを示す説明図である。
【図１６】上記第２実施形態例におけるファイバコリメータの接続端面形成方法を示す説明図である。
【図１７】本発明に係る偏波無依存型光アイソレータの他の実施形態例を示す説明図である。
【図１８】本発明に係る偏波無依存型光アイソレータのさらに他の実施形態例を斜視分解図（ａ）と側面図（ｂ）により示す説明図である。
【図１９】従来の偏波無依存型光アイソレータの構成例を動作と共に示す説明図である。
【図２０】従来の偏波無依存型光アイソレータの問題点を示す説明図である。
【図２１】従来の偏波無依存型光アイソレータの別の構成例を示す平面説明図（ａ）とその一部の側面図（ｂ）である。
【図２２】光ファイバの光軸に対して斜めに形成された接続端面からの出射される出射光の説明図である。
【符号の説明】
１ 第１の光ファイバ
２ 第２の光ファイバ
３ 基板
４ 第１のファイバコリメータ
５ 第２のファイバコリメータ
８ アイソレータブロック
９ Ｖ溝
１０ 凹部
１１，１２ グレーデッドインデックスファイバ
１４，１５，１８，１９ 接続端面
２０ 第１の複屈折素子
２１ ファラデー回転子
２２ 半波長板
２３ 第２の複屈折素子[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a polarization-independent array optical isolator whose isolation value is not affected by the polarization plane of transmission light in an optical fiber among optical isolators used for optical communication and optical measurement.
[0002]
[Background Art]
Optical isolators are applied to communication lasers, optical fiber amplifiers, and the like, perform forward light propagation from one side to the other side with low loss, and transmit light in the reverse direction from the other side to one side. It is an optical component that almost blocks propagation. The optical isolator blocks, for example, return light of laser light, and stabilizes oscillation of the laser light source.
[0003]
Optical isolators include a polarization-dependent optical isolator whose isolation value depends on the polarization state of light propagating, and a polarization-independent (polarization-independent) light that does not depend on the polarization state of light. There is an isolator. The basic configuration and principle of the polarization-independent optical isolator are, for example, those shown in FIG. 19 (for example, see Non-Patent Document 1).
[0004]
As shown in FIG. 19, the polarization-independent optical isolator includes, for example, optical elements such as a first birefringent crystal 20, a Faraday rotator (Faraday element) 21, a half-wave plate 22, and a second birefringent crystal 23. Is configured. These optical elements are arranged and arranged along the light traveling direction axis with the optical surfaces of adjacent optical elements facing each other. Examples of the birefringent crystal include a rutile crystal and calcite.
[0005]
The first optical fiber 1 is opposed to the first birefringent crystal 20 via the lens 15 (15a), and the second optical fiber 23 is opposed to the second birefringent crystal 23 via the lens 15 (15b). The optical fibers 2 are arranged to face each other. A laser diode (not shown) is arranged on the other end of the first optical fiber 1 so as to face the first birefringent crystal 20 through the first optical fiber 1 and the lens 15a. Is incident on.
[0006]
By the way, wavelengths used in optical communication have been increasing due to recent advances in wavelength division multiplexing transmission technology, and the number of laser diodes used in the input / output unit corresponds to the number of wavelengths used (for example, 8 wavelengths). (In the case of 8).
[0007]
Conventionally, as described above, one optical isolator is used in combination with a laser diode, one core at a time, but using such an optical isolator application method increases the number of optical isolators used and reduces cost. In addition, a large space is required for the housing isolator and its wiring.
[0008]
That is, in the optical isolator having the configuration as shown in FIG. 19, the diameter of the incident and outgoing beams is 50 to 100 μm, and the core diameter of the optical fibers 1 and 2 to be incident and outgoing is as small as about 10 μm. Need to be assembled.
[0009]
In addition, the formation of the optical isolator requires a high-precision and high-purity material. For example, as a polarizer, crystal axis deviation is within 0.3 °, parallelism is within 0.01 °, and as Faraday rotator, parallelism is within 0.05 °, Faraday rotation angle is 45 ± 0.5 °, etc. In addition, a plurality of extremely expensive materials must be used.
[0010]
Further, the polarizer (first birefringent crystal 20) / Faraday rotator 21 / half-wave plate 22 / polarizer (second birefringent crystal 23) can be moved not only in the X and Y directions but also in the rotation direction. It must be positioned and its rotation angle must be adjusted to within 0.1 °.
[0011]
Furthermore, in principle, the polarization-independent isolator doubles the light passing through the first birefringent crystal 20 and rotates the polarization plane with the Faraday rotator 21 due to the difference in the birefringence between the normal light and the extraordinary light. Thus, light reflected at the end of the isolator block 8, the lens 15b on the light receiving side, the second optical fiber 2, and the like is prevented from entering the first optical fiber 1 (collimator system) on the incident side.
[0012]
Therefore, the incident optical axis is shifted by the distance between the optical axis of the incident light and the optical axis of the return light, that is, the separation distance between the normal light and the extraordinary light in the birefringent crystal 20. Therefore, as shown in FIG. 20, when the optical fibers 1 and 2 on both sides of the isolator block 8 are mounted on the substrate 3, respectively, the optical axis of the incident side fiber (here, the first optical fiber 1) and the light receiving side (Here, the second optical fiber 2) is displaced in parallel with the optical axis.
[0013]
For example, when the beam diameters of the incident light and the return light are each set to 50 microns, they are shifted by an interval, for example, 200 μm, at which the set isolation can be secured.
[0014]
Therefore, when the optical isolator is manufactured, for example, as shown in FIG. 20, when the isolator block 8 is mounted on a plane parallel to the mounting surface of the optical fibers 1 and 2, the first optical fiber The first and second optical fibers had to be straight in the longitudinal direction, parallel to each other, and precisely shifted by 200 μm in the depth direction.
[0015]
Therefore, in order to fix the first and second fibers 1 and 2, the substrate 3 is straight, parallel to each other in the longitudinal direction, and precisely shifted by 200 μm in the depth direction. It is necessary to form optical fiber insertion means such as the above. However, it is substantially difficult to form the V-groove or the like in the above-described manner, and there is a disadvantage that the cost is increased.
[0016]
As described above, the cost of assembling optical isolators is high, and optical isolators are extremely expensive parts. If the number of isolators increases correspondingly due to the increase in laser diodes, wavelength division multiplexing transmission will increase costs. This was a problem in building the system.
[0017]
Therefore, as a configuration for realizing cost reduction and miniaturization of the optical isolator, for example, an optical isolator having a configuration shown in FIG. 21 has been proposed (for example, see Patent Document 1).
[0018]
In this optical isolator, grooves 50a to 50d for disposing optical elements are formed in the center of the substrate 3, and the grooves 50a, 50b, 50c, and 50d are sequentially provided with the first birefringent crystal 20, the half-wave plate 22, the Faraday The rotor 21 and the second birefringent crystal 23 are inserted and arranged. In each of these optical elements, the plane configuration along the surface of the substrate 3 is a parallelogram, and the side configuration perpendicular to the substrate 3 is a rectangular shape (see FIG. 21B).
[0019]
Further, a plurality of first fiber collimators 4 are arranged on the incident side and a plurality of second fiber collimators 5 are arranged on the emission side, facing the optical element. These first and second fiber collimators 4 and 5 are formed by connecting a single mode fiber and a graded index fiber, and the first fiber collimator and the corresponding second fiber collimator are respectively connected to each other. The axes are arranged so as to be on a straight line.
[0020]
[Non-patent document 1]
Kawakami et al., "Optical fiber and fiber-type device advanced electronics series" p.281
[Patent Document 1]
JP-A-6-273698
[0021]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the optical isolator shown in FIG. 21, since the configuration of the connection end face angles of the array components of the optical elements and the connection end face angles of the first and second fiber collimators 4 and 5 are not clarified, the first fiber It has been difficult to accurately arrange the second fiber collimator 5 corresponding to the collimator 4 such that the optical axes of the second fiber collimator 5 and the second fiber collimator 5 are aligned.
[0022]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems, and its object is to provide a small, economical, polarization-independent type that can accurately optically couple with a plurality of laser diodes at once. An optical isolator is provided.
[0023]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention has means for solving the problem with the following configuration. That is, in the first invention, a plurality of first fiber collimators each connecting a single mode fiber and a graded index fiber are arranged side by side with an interval therebetween, and the emission side of these first fiber collimator groups is arranged. An isolator block, which is formed by laminating a birefringent crystal, a Faraday rotator, and a half-wave plate in the optical axis direction, is disposed facing each other with an interval therebetween. A plurality of connected second fiber collimators are arranged side by side with an interval therebetween, and the first fiber collimator and the corresponding second fiber collimator are arranged such that their respective optical axes are on a straight line. And the first and second fiber collimators face the isolator block. An isolator formed such that the angle of the connection end face is inclined from 6 degrees to 8 degrees with respect to a plane orthogonal to the optical axis of the first and second fiber collimators, and faces the connection end face of the first and second fiber collimators. The connection end faces of the blocks are configured to be inclined at 6 degrees or more and 10 degrees or less in the same direction as the connection end faces of the first and second fiber collimators with respect to the orthogonal plane.
[0024]
According to a second aspect of the present invention, in addition to the configuration of the first aspect, an angle between a connection end face of the first and second fiber collimators and an orthogonal plane, and an angle between a connection end face of an isolator block and the orthogonal plane. Corresponding to the distance d between the connection end face of the first fiber collimator and the incidence side connection end face of the isolator block. 1 And a distance d between the output end connection end face of the isolator block and the connection end face of the second fiber collimator. 2 Sum (d 1 + D 2 ) Is set to 0.4 to 2.0 mm to solve the problem.
[0025]
Further, according to a third aspect of the present invention, in addition to the configuration of the first or second aspect, the isolator block is formed by making adjacent optical surfaces of the birefringent crystal, the Faraday rotator and the half-wave plate face each other and closely contact each other. A metal film is formed on at least one side surface of the isolator block, and the birefringent crystal, the Faraday rotator, and the half-wave plate are integrally tightly fixed by solder provided on the surface of the metal film. Is a means to solve the problem.
[0026]
According to a fourth aspect of the present invention, in addition to the configuration of the first, second, or third aspect, the birefringent crystal, the Faraday rotator, and the half-wave plate forming the isolator block have respective connection end faces orthogonal to each other. This is a means for solving the problem with a configuration in which the components are formed in close contact with each other at the same angle in the same direction.
[0027]
According to a fifth aspect of the present invention, in addition to the configuration of any one of the first to fourth aspects, a concave portion is formed in a central portion of the substrate, and an isolator block is provided in the concave portion. Is a means for solving the problem with a configuration in which a planar shape along a substrate surface is rectangular and a side surface perpendicular to the substrate surface is a parallelogram.
[0028]
According to a sixth aspect of the present invention, in addition to the configuration of the first aspect, the first and second fiber collimators each have an outer diameter of 150 μm or more. And
[0029]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the description of the present embodiment, the same reference numerals are given to the same parts as those in the conventional example, and the overlapping description will be omitted or simplified.
[0030]
FIG. 1 shows a main configuration of a polarization-independent optical isolator according to a first embodiment of the present invention. FIG. 1A is a perspective view showing a polarization independent optical isolator according to the first embodiment, and FIG. 1B is a sectional view thereof (AA in FIG. 1A). (Cross-sectional view) and (c) of the same figure show plan views of the first embodiment, respectively.
[0031]
As shown in these figures, a first fiber collimator 4, an isolator block 8, and a second fiber collimator 5 are arranged on a substrate 3 in this order. The substrate 3 is made of silicon, glass, or the like, and has a thickness of about 1 to 2 mm.
[0032]
The first fiber collimator 4 is formed by fusion splicing a first optical fiber 1 formed of a single mode fiber and a graded index fiber 11. A plurality of first fiber collimators 4 are arranged side by side with an interval therebetween. In the present embodiment, a light beam such as a laser diode enters from the first optical fiber 1.
[0033]
Further, the isolator block 8 is disposed facing the emission side of the first group of fiber collimators 4 with an interval therebetween, and the isolator block 8 includes a first birefringent crystal 20, a Faraday rotator 21 and a half-wavelength The plate 22 and the second birefringent crystal 23 are sequentially laminated in the optical axis direction.
[0034]
FIG. 1 shows a magnet made of a material such as Sm-Co (samarium-cobalt) or Nd-Fe-B used for rotating the polarization plane in the Faraday rotator 21 for the sake of simplicity. It is abbreviated.
[0035]
On the output side of the isolator block 8, a second fiber collimator 5 including a second optical fiber 2 formed of a single mode fiber and a graded index fiber 12 is provided at an interval from the isolator block 8. A plurality of these second fiber collimators 5 are arranged side by side with an interval therebetween. The second optical fiber 2 and the graded index fiber 12 are also fusion spliced.
[0036]
The second fiber collimators 5 corresponding to the first fiber collimators 4 are arranged so that their central axes are aligned with each other, and the light beam incident from the first optical fiber 1 passes through the isolator block 8. , And is received by the second fiber collimator 5.
[0037]
As shown in FIG. 4, the outer diameter of the first fiber collimator 4 is 150 μm or more, and the outer diameter of the second fiber collimator 5 is also 150 μm or more.
[0038]
As shown in FIGS. 1 and 2, a plurality of V-grooves 9 (9a, 9b), which are fiber collimator insertion grooves, are provided at one end and the other end of the substrate 3 in parallel with each other at intervals. The first and second fiber collimators 4 and 5 are inserted into the V groove 9 of FIG.
[0039]
The V-groove forming surfaces 29 on which the V-grooves 9a and 9b are formed are at the same height, and the formation positions of the V-grooves 9b and the corresponding V-grooves 9b are on a straight line. When the first and second fiber collimators 4 and 5 are inserted into these grooves, the optical axes of the first fiber collimator 4 and the corresponding second fiber collimator 5 are aligned with each other.
[0040]
A concave portion 10 is formed in the center of the substrate 3, and the isolator block 8 is provided in the concave portion 10. The recess 10 is formed to a depth of about 0.5 mm to 1 mm by milling. The concave portion 10 is formed in a direction orthogonal to the plurality of collimator positioning grooves (V-grooves 9) by grinding such as etching or milling.
[0041]
The bottom surface of the concave portion 10 is a flat surface, and the isolator block 8 disposed on the concave portion 10 has a rectangular planar shape along the substrate surface as shown in FIG. (B), a side surface shape perpendicular to the substrate surface is a parallelogram.
[0042]
FIG. 6 is a side view of the isolator block 8 applied to the present embodiment. This diagram is a diagram viewed from the direction a in FIG.
[0043]
In general, in the isolator block 8, titanium oxide (titanium oxide), which is the birefringent crystals 20 and 23, is used as a polarizer. Among them, particularly, a rutile crystal or a crystal such as yttrium vanadate is used. The Faraday rotator 21 is a YIG (Y 3 Fe 5 O 12 ), And the half-wave plate 22 is made of quartz.
[0044]
In the present embodiment, the respective constituent materials are parallel plate-shaped materials, and the height (thickness) H thereof is 0.6 mm. The first birefringent crystal (walk off crystal) 20 has a length L 0 Is formed of a 1 mm rutile crystal, and the Faraday rotator 21 has a length L 1 Is 0.46 mm, the half-wave plate 22 has a length L 2 Is 0.093 mm, the second birefringent crystal 23 has a length L 3 Was formed by a 1 mm rutile crystal.
[0045]
The crystal optical axis directions of the first and second birefringent crystals 20 and 23 are set with respect to the optical axes (center lines) of the pair of opposing fiber collimators 4 and 5 in order to maximize the spread of the return light. To form an inclination angle of 45 degrees. The azimuth of the half-wave plate 22 was formed to be 22.5 degrees as viewed from the incident side or the exit side of the isolator block 8.
[0046]
Note that, even if the crystal optical axis directions of the first and second birefringent crystals 20 and 23 are vertically inverted with respect to FIG. 6 and the inclination angle is −45 °, the spread of the return light is large. However, in this case, since the flight distance of the fiber collimators 4 and 5 needs to be increased, the crystal optical axis directions of the first and second birefringent crystals 20 and 23 are set to 45 ° here.
[0047]
As shown in FIGS. 1 and 6, in the present embodiment, the birefringent crystals 20, 23, the Faraday rotator 21, and the half-wave plate 22 forming the isolator block 8 have first and second connection end faces, respectively. The two fiber collimators 4 and 5 are formed in close contact with each other at the same angle in the same direction with respect to an orthogonal plane orthogonal to the optical axis.
[0048]
As shown in FIG. 1, a metal film 28 is formed on at least one side surface (the upper surface 27 in this case) of the isolator block 8, and the metal film 28 is formed by solder (not shown) provided on the surface of the metal film 28. The refraction crystals 20, 23, the Faraday rotator 21, and the half-wave plate 22 are integrally tightly fixed.
[0049]
Note that, in this specification, the side surface of the isolator block 8 indicates a surface excluding the connection end surfaces (the light incident surface and the light emission surface) of the isolator block 8. Becomes the top surface 27 or the bottom surface 26 as described above.
[0050]
The first and second fiber collimators 4 and 5 are arranged such that the angles of the connection end surfaces 14 and 15 facing the isolator block 8 are perpendicular to the optical axis C of the first and second fiber collimators 4 and 5. It is formed at an angle of 6 degrees or more and 8 degrees or less. That is, the angle 示 す shown in FIGS. 1 and 4 is 6 degrees or more and 8 degrees or less.
[0051]
Although FIG. 4 shows the configuration of the first fiber collimator 4, the second fiber collimator 5 has the same configuration.
[0052]
Also, as shown in FIGS. 1 and 6, the connection end faces 18 and 19 of the isolator block 8 facing the end faces 14 and 15 of the first and second fiber collimators 4 and 5 are the first with respect to the orthogonal plane. And the connection end faces 14 and 15 of the second fiber collimators 4 and 5 are inclined at 6 degrees or more and 10 degrees or less in the same direction. That is, the angle φ shown in FIG. 6 is not less than 6 degrees and not more than 10 degrees.
[0053]
As described above, in the present embodiment, the angle の between the connection end faces 14 and 15 of the first and second fiber collimators 4 and 5 and the connection end face 18 and the connection end face 18 of the isolator block 8 facing these connection end faces 14 and 15. 19 is characterized in that the angle φ is set to an optimum value. In this embodiment, the angle configuration allows the first fiber collimator 4 and the corresponding second fiber collimator 5 to be arranged such that their optical axes are aligned with each other, thereby achieving efficient optical coupling. I can do it.
[0054]
Here, the study of the angles ψ and φ by the inventor will be described. As shown in FIG. 7, the present inventor has determined the emission angle α of the light emitted from the first fiber collimator 4 and the light emitted from the connection end face 19 of the isolator block 8 and the connection end faces 18 and Due to the relationship with the angle φ of 19, it was considered that there was a range where the optical axes of the first fiber collimator 4 and the corresponding second fiber collimator 5 could be aligned.
[0055]
Then, when the above range was obtained by simulation, it was found that the above range was the regions a and b shown in FIG.
[0056]
Note that, as shown in FIG. 7, the output angle α is an angle formed between the output beam and the central axis C of the first and second fiber collimators 4 and 5. In the present embodiment, since the cross-sectional shape of the isolator block 8 is a parallelogram, the angles φ of the connection end faces 18 and 19 of the isolator block 8 are equal to each other, and the emission angle of the light emitted from the first fiber collimator 4. The light exit angles of the light exiting from the connection end face 19 of the isolator block 8 are equal to each other.
[0057]
The simulation result of FIG. 8 is a simulation using light having a wavelength of 1550 nm. In this simulation, the configuration of the isolator block 8 was the same as that of the present embodiment.
[0058]
In addition, the inventor obtained the relationship between the inclination angle の of the connection end face 14 of the first fiber collimator 4 and the above-mentioned emission angle α by simulation. As shown in FIG. 22, the light emitted from the connection end face 14 of the first fiber collimator 4 is emitted obliquely according to Snell's law due to the difference in the relative refractive index between the connection end face 14 and air.
[0059]
As a result of the above simulation, a simulation result shown in FIG. 9 was obtained. The simulation results are obtained by setting the refractive index of the graded index fiber of the first fiber collimator 4 to 1.4444.
[0060]
From this simulation result, as shown schematically in FIG. 7, the angle formed between the connection end faces 14, 15 of the first and second fiber collimators 4, 5 and the orthogonal plane is 6 to 8 degrees at which end face reflection does not occur. It was found that the emission angle α of the light emitted from the first fiber collimator 4 when taken was about 2 to about 4 degrees (2.5 to 3.5 degrees).
[0061]
Therefore, based on the value of α and the simulation result of FIG. 8, as shown in A of FIG. 8, the angle φ of the connection end faces 18, 19 of the isolator block 8 is set to about 6 to 10 degrees. It has been found that the optical axis of the second fiber collimator 5 corresponding to the fiber collimator 4 can be arranged on a straight line.
[0062]
The distance d between the connection end face 14 of the first fiber collimator 4 and the incident side connection end face 18 of the isolator block 8 is determined by the combination of the angles ψ and φ. 1 And the distance d between the output side connection end face 19 of the isolator block and the connection end face 15 of the second fiber collimator 5 2 Sum (d 1 + D 2 ) Is determined to be 0.4 to 2.0 mm.
[0063]
For example, in FIG. 10, when the inclination angle φ of the connection end faces 18 and 19 of the isolator block 8 is set to 8 degrees, the inclination angle φ of the connection end faces 14 and 15 of the first and second fiber collimators 4 and 5 varies. The emission angle α determined by 1 + D 2 ) Is shown in relation to the optimum value.
[0064]
Distance (d) between the isolator block 8 and the connection end faces of the first and second fiber collimators 4 and 5 1 + D 2 ) Has a relationship as shown in FIG. 10, and this distance is larger than the length of the isolator block 8.
[0065]
Further, as shown in the simulation data, the isolator block 8 may be located at any point between the fibers, but if this distance is too short, the connection end face between the isolator block 8 and the first and second fiber collimators 4 and 5 will be described. Distance d 1 And d 2 Is small and difficult to assemble and adjust, and if too long, the normal operation range of the first and second fiber collimators 4 and 5 is exceeded.
[0066]
In the example of the isolator block 8 shown in FIG. 1 + D 2 ) Is 0.4 to 2.0 mm, which is an appropriate value range. The same applies to the isolator block 8 shown in FIG. 6 in which the inclination angles φ of the connection end faces 18 and 19 of the isolator block 8 are different.
[0067]
As is clear from this figure, when the angle φ of the connection end faces 18 and 19 of the isolator block 8 is 8 degrees, the distance (d 1 + D 2 ) Is preferably 0.4 to 2 mm, and when the angle α is 3.597 degrees, d 1 + D 2 Is about 0.8 mm.
[0068]
FIG. 3A is a sectional view of the V-shaped groove 9. FIG. 2B is a sectional view of the V-groove 9 and the fiber collimator 4 inserted in the V-groove 9. The V-groove 9 is provided by grinding such as etching or milling, and has a grinding angle β of 60 degrees and a depth d of 180 μm.
[0069]
In the present embodiment, the V-groove 9 is formed as the positioning means for the first and second fiber collimators 4 and 5, but the collimator positioning means is not particularly limited. For example, FIG. Such a U-shaped groove, a modified V-shaped groove shown in FIG.
[0070]
Further, both end portions (side walls on the emission side and the light receiving side) of the concave portion 10 of the substrate 3 are formed into inclined portions 24 and 25 at a set angle by milling. The slopes 24 and 25 are formed at an angle of 6 to 8 degrees, which is an angle at which the light beam traveling through the cores of the optical fibers 1 and 2 does not reflect at the interface with air, with respect to the orthogonal plane. It is preferable that the angle 斜 of the inclined portions 24 and 25 is 8 degrees in the present embodiment.
[0071]
By the way, as described above, in the present embodiment, the first and second fiber collimators 4 and 5 are applied. Unlike conventional lens systems, fiber collimator systems have the advantage that there is virtually no reflection at the interface between the single mode fiber and the graded index fiber, and there is no axial misalignment because the fiber lens is formed by fusion. .
[0072]
However, in the case of a fiber collimator system, the diameter (lens diameter) of a graded index fiber that is a lens is 125 μm, which is smaller than that of a conventional glass lens system (lens diameter 3 to 5 mm).
[0073]
Since the light entering the graded index fiber from the single mode optical fiber is light having a diameter of about 10 μm, which is the diameter of the single mode fiber, the core connected to the core graded index fiber can be regarded as a point light source. Difficult, and the beam becomes divergent as shown in FIG.
[0074]
That is, the position of the focal point of the beam is not a constant value but a value having a spread. For example, as shown in FIG. 5, the output light from the first fiber collimator 4 on the output side is once converged and then diffused in an intermediate portion called a beam waist portion. Is diffused and does not efficiently enter the second fiber collimator 5 on the light receiving side, and as a result, there is a disadvantage that the insertion loss is deteriorated.
[0075]
For example, in a lens system of a graded index fiber having an outer diameter of 125 μm, even if the refractive index distribution of the graded index fiber is improved, the flight distance is practically limited to about 2 mm.
[0076]
In contrast, in order to provide the isolator block 8 between the first fiber collimator 4 and the second fiber collimator 5, even when the single-stage isolator block 8 is applied, the first fiber collimator 4 and the second The distance between the two fiber collimators 5 is required to be 3 mm. That is, since the average refractive index of the constituent crystals of the isolator block 8 is about 1.4 to 1.8, the flight distance must be 1.5 mm in the crystal and 1 mm or more in the coupling system with the fiber. .
[0077]
Further, when the two-stage isolator block 8 is applied, the distance between the first fiber collimator 4 and the second fiber collimator 5 needs to be 6 mm. That is, in this case, the flight distance in the crystal is required to be 3 mm, and the coupling system with the fiber is required to be 1 to 2 mm.
[0078]
Therefore, when the fiber collimator is formed using the conventional single mode fiber and the graded index fiber, even if the isolator block 8 is provided between the first fiber collimator 4 and the second fiber collimator 5, the first fiber Since optical coupling between the collimator 4 and the second fiber collimator 5 is not performed well, it has been difficult to apply the fiber collimator to the optical isolator.
[0079]
Therefore, in the present embodiment, a single mode fiber forming the first and second optical fibers 1 and 2 has a mode field diameter of 9.2 μm, a cladding diameter of 160 μm, and a large diameter fiber. When the large-diameter single-mode optical fiber and the graded-index fiber are fusion-spliced to form the first and second fiber collimators 4 and 5 in this manner, the distance over which the beam flies without spreading (working distance) is reduced. small.
[0080]
In the present embodiment, the cladding outer diameter of 160 μm is used for both the single mode fiber and the graded index fiber as the fiber collimator, but the invention is not limited to this. It is better to have a large aperture as a lens, but if it exceeds 250 μm, the rigidity of the fiber will be too high, and it will break easily if it is placed in a bent state for a long time when mounted on a circuit board of an isolator. Preferably, the thickness is 150 to 250 μm.
[0081]
The embodiment is configured as described above. Next, the operation of the isolator of the embodiment will be described. FIG. 11A is a side view showing the movement of a light beam traveling in the forward direction in the optical isolator according to the present embodiment. This figure is a view seen from the direction of the arrow a in FIG. FIG. 11B is a plan view thereof.
[0082]
FIG. 11C shows the polarization state of the light beam traveling in the constituent material of the isolator block 8. This figure is a view of the isolator block 8 as viewed from the emission side.
[0083]
As shown in FIG. 11A, an output beam {circle around (1)} emitted from the first fiber collimator 4 enters the first birefringent crystal 20 and is refracted according to Snell's law. 2), an ordinary ray (2), and an extraordinary ray (3), which is a ray deviating in the direction of the crystal optical axis in a plane including the crystal optical axis. These light rays (2) and (3) are shifted in the thickness direction of the isolator block 8. In addition, as shown in FIG. 11C, the polarization planes of the ordinary ray {circle around (2)} and the extraordinary ray {circle around (3)} are orthogonal to each other.
[0084]
Thereafter, these rays (2) and (3) enter the Faraday rotator 21 and, while keeping the optical axis in the traveling direction, rotate their polarization planes counterclockwise as shown in FIG. Light rays (4) and (5), which are rotated by 45 degrees, proceed as shown in FIG.
[0085]
Thereafter, these light rays (4) and (5) are incident on the quartz half-wave plate 22, and the polarization angle of the crystal axis angle ( The light rays (6) and (7) rotated with the crystal axis symmetrical by the difference between the polarization angle of the light ray and the value (22.5 degrees shown in FIG. 11C). That is, in this configuration, the light ray (6) emitted from the quartz half-wave plate 22 has a polarization angle of horizontal polarization, and the light ray (7) has a polarization angle of vertical polarization.
[0086]
Thereafter, the ray (6) incident on the second birefringent crystal 23 becomes an ordinary ray (8) and the ray (7) becomes an extraordinary ray (9), and is synthesized at the connection end face 19 of the second birefringent crystal 23. As a result, the light beam A enters the second fiber collimator 5.
[0087]
FIG. 12A is a side view showing the movement of a light beam returned by reflection or the like in the second fiber collimator 5 on the light receiving side. This light beam travels in the opposite direction of the isolator, and FIG. 12A is a diagram viewed from the arrow a in FIG. 1A.
[0088]
FIG. 12B shows the polarization state of the light beam traveling in the constituent material of the isolator block 8. This figure is shown by a view from the emission side of the isolator block 8.
[0089]
The return light R [1] is incident on the second birefringent crystal 23 and is split into an ordinary ray R [2] and an extraordinary ray R [3]. The extraordinary ray R [3] is a ray that deviates from the ordinary ray R [2] in the plane including the crystal optical axis in the direction of the crystal optical axis. In the thickness direction. Further, as shown in FIG. 12B, the polarization planes of the ordinary ray R <2> and the extraordinary ray R <3> are orthogonal to each other.
[0090]
In addition, the light rays R [2] and R [3] returned to the quartz half-wave plate 22 have a polarization angle corresponding to the difference between the crystal axis angle of the half-wave plate and the polarization angle of the light ray due to the optical rotation of the material quartz. Only by rotating the crystal axis symmetrically, light rays R <4> and R <5> are obtained.
[0091]
After that, the light rays R <4> and R <5> are incident on the Faraday rotator 21 and the light rays R <6> and the light rays R <6> whose polarization plane is rotated clockwise by 45 degrees while maintaining the optical axis in the traveling direction. R ▲ 7 ▼.
[0092]
Then, the ray R <b> 6 returns to the first birefringent crystal 20 and becomes an ordinary ray R <b> 8, and the ray R <b> 7 returns to the first birefringent crystal 20 and an extraordinary ray R <b> 9. Further, these light rays R [8] and R [9] become light rays S [1] and S [2] separated at the connection end of the first birefringent crystal 20, and the first fiber collimator Get out of the system without entering 4.
[0093]
The optical isolator according to the present embodiment can optically connect the second fiber collimators 5 corresponding to the plurality of first fiber collimators 4 via the isolator block 8 by the above-described operation, and from the first fiber collimator 4 side. Propagation of light in the forward direction to the second fiber collimator 5 is performed with low loss, and propagation of light in the reverse direction from the second fiber collimator 5 to the first fiber collimator 4 is substantially prevented. it can.
[0094]
In the optical isolator of the present embodiment, the second fiber collimator 5 corresponding to the first fiber collimator 4 arranged on both sides of the isolator block 8 is arranged in the V groove 9 of the substrate 3 without centering. Since the optical axes can be arranged in a straight line, the cost of the substrate 3 can be reduced, and the adjustment work can be greatly reduced.
[0095]
Furthermore, the optical isolator of the present embodiment is configured by connecting a large-diameter graded-index fiber having the same outer diameter and a single mode fiber to form a collimator system having a long focal length by a fiber collimator system. As a result, the beam focal length can be lengthened and the insertion loss can be reduced.
[0096]
Furthermore, in the optical isolator of the present embodiment, the birefringent crystals 20, 23, the Faraday rotator 21, and the half-wave plate 22 forming the isolator block 8 have their connection end faces in the same direction at the same angle with respect to the orthogonal plane. Since these are formed in close contact with each other, these constituent materials can be flattened, and economy can be achieved.
[0097]
Further, in the optical isolator according to the present embodiment, the distance between the first and second fiber collimators 4 and 5 and the isolator block 8 is optimized. 8 and the connection loss can be reduced.
[0098]
Further, in the optical isolator according to the present embodiment, the isolator block 8 includes the birefringent crystals 20, 23, the Faraday rotator 21, and the half-wave plate 22 which are formed without providing an adhesive between the connection end faces. Since the metal film 28 provided on the side surface of the block 8 is fixed by soldering, the characteristic deterioration of the isolator block 8 due to the deterioration of the adhesive can be suppressed.
[0099]
Further, in the present embodiment, the isolator block 8 is formed by tightly fixing the birefringent crystals 20, 23, the Faraday rotator 21, and the half-wave plate 22 to be formed. The problem that laser light is reflected between the optical surface of the optical element and the air layer as in the case where air is interposed in the optical isolator, which causes deterioration of the characteristics of the optical isolator can be suppressed.
[0100]
Next, a second embodiment of the optical isolator according to the present invention will be described. The second embodiment has the configuration shown in FIGS. 13A and 13B, and is configured substantially the same as the first embodiment. Therefore, in the description of the second embodiment, A duplicate description of the first embodiment will be omitted. 13A is a side view, and FIG. 13B is a plan view.
[0101]
FIG. 14 is a plan view showing the forward movement of the light beam in the second embodiment.
[0102]
The second embodiment is different from the first embodiment in that the first and second fiber collimators 4 and 5 and the substrate 3 of the isolator block 8 have different positional relationships. is there.
[0103]
Here, the relationship between the second embodiment and the first embodiment will be described with reference to FIG. In FIG. 15, a dotted line indicates the isolator block 8 and the first and second fiber collimators 4 and 5 in the first embodiment, and a solid line indicates the isolator block 8 and the first and second fiber collimators 4 and 5 in the second embodiment. Is shown.
[0104]
As shown in FIG. 15, the longitudinal direction of the connection end face of the isolator block 8 and the arrangement direction of the first and second fiber collimators 4 and 5 in the second embodiment are A and B directions, respectively. In one embodiment, the longitudinal direction of the connection end face of the isolator block 8 and the arrangement direction of the first and second fiber collimators 4 and 5 are C and D directions, respectively.
[0105]
Next, the angle adjustment of the connection end faces 14 and 15 of the first and second fiber collimators 4 and 5 and the connection end faces 18 and 19 of the isolator block 8 in the second embodiment will be described. FIGS. 16A to 16D show a method of creating the part A in FIG. 13B.
[0106]
First, as shown in FIG. 16A, in the first fiber collimator 4, the length of the graded index fiber 11 is formed longer, and the fiber is inserted into the V groove 9 of the substrate 3. The first fiber collimators 4 are arranged in parallel at regular intervals, for example, 0.5 mm pitch, by being inserted into the V-grooves 9. The first fiber collimator 4 is fixed to the V-shaped groove 9 by fixing means such as an adhesive or solder (not shown).
[0107]
Next, as shown in FIG. 16B, the plurality of fixed first fiber collimators 4 are cut along the side walls of the concave portion 10 of the substrate 3 by cutting means 31 such as a dicer. By this cutting, as shown in FIG. 16 (c), the angle の between the plane perpendicular to the optical axis C (center axis) of the first fiber collimator 4 and the connection end face 14 is the same as in the first embodiment. Then, it is formed at 6 to 8 degrees which does not cause edge reflection. As shown in FIG. 16D, the angle between the optical axis C and the connection end surface 14 in the vertical direction is 90 degrees.
[0108]
The length of the graded index fiber 11 (FIG. 16 (b)) is set such that the light beams emitted from the plurality of first fiber collimators 4 travel in parallel with each other during the above-described cutting in forming the first fiber collimator 4. ) L G ) Are collectively formed so as to be, for example, 500 to 600 μm.
[0109]
Similarly, the second fiber collimator 5 is formed.
[0110]
The connection end faces 18 and 19 of the isolator block 8 have a value of φ of 6 to 10 degrees as shown in FIG. 13B, so that light emitted from the first fiber collimator 4 is The light efficiently enters the second fiber collimator 5 on the light receiving side via the block 8.
[0111]
The second embodiment is configured as described above. As shown in FIG. 14, the splitting of the light beam is in the plane direction of the isolator block 8, but the other configuration is the same as that of the first embodiment. With this operation, the same effect as in the first embodiment can be obtained.
[0112]
Note that the present invention is not limited to the above embodiments, but can adopt various embodiments. For example, in the above-described second embodiment, the side wall shape of the concave portion 10 of the substrate 3 is straight, but as shown in FIG. 17, for example, in order to keep the intervals between the fiber collimators 4 and 5 and the isolator block 8 constant. Alternatively, the side wall shape of the concave portion 10 of the substrate 3 may be formed in a sawtooth shape corresponding to the pair of corresponding fiber collimators 4 and 5. Further, the side wall shape of the concave portion 10 of the substrate 3 may be formed in a sawtooth shape corresponding to the plurality of pairs of fiber collimators 4 and 5.
[0113]
Further, in each of the above embodiments, the substrate 3 is an integrally processed substrate having the surface on which the V-groove 9 is formed and the concave portion 10. However, as shown in FIGS. It may be formed by combining two or more members.
[0114]
Further, in each of the above embodiments, the first and second fiber collimators 4 and 5 are connected to the V-groove 9 in order to keep the angles of the connection end faces 14 and 15 of the first and second fiber collimators 4 and 5 constant. Although the method is used in which the connection end faces 14, 15 of the first and second fiber collimators 4, 5 are cut at once after fixing them, the method of aligning the connection end faces 14, 15 is not particularly limited and may be set as appropriate. Things.
[0115]
For example, the connection end surfaces 14 and 15 of the first and second fiber collimators 4 and 5 are polished in advance, and as shown in FIG. 18, a plurality of fiber positioning such as a V-groove 9 formed in a collimator array 32 is performed. The first and second fiber collimators 4 and 5 may be inserted into the means and sandwiched by a cover plate 33 made of a glass plate or the like so that the positions of the connection end faces 14 and 15 may be aligned.
[0116]
Further, in each of the above embodiments, the birefringent crystals 20, 23, the Faraday rotator 21, and the half-wave plate 22 forming the isolator block 8 have their connection end faces in the same direction at the same angle with respect to the orthogonal plane. Although the connection end faces are formed to be inclined, they may be formed to be inclined at slightly different angles.
[0117]
Furthermore, the numbers and dimensions of the first and second fiber collimators 4 and 5 and the dimensions of the isolator block 8 and the like shown in the above embodiments are merely examples, and these values are limited to the above embodiments. It is not set but is set appropriately. For example, by forming the number of the first and second fiber collimators 4 and 5 corresponding to the number of wavelengths in wavelength division multiplex transmission, efficient optical communication can be realized.
[0118]
Further, in each of the above embodiments, the isolator block 8 has the metal film 28 formed on one side surface thereof, and the components (optical elements) of the isolator block 8 are fixed by solder provided on the surface of the metal film 28. However, the metal film 28 may be formed on two or more side surfaces of the isolator block 8 and fixed by soldering. Further, without providing the metal film 28, the above components may be fixedly adhered to each other with low melting point glass.
[0119]
Further, as conventionally applied, the isolator block 8 may be an isolator block 8 in which the optical surfaces of the constituent elements or their ends are fixed with an optical adhesive. However, in this case, there is a possibility that the characteristics may be degraded due to the presence of air or an adhesive between the components of the isolator block 8, and therefore, the configuration of the isolator block 8 applied to each of the above embodiments. Is preferably applied.
[0120]
【The invention's effect】
According to the present invention, the first fiber collimator corresponding to the first fiber collimator is formed by accurately forming the connection end face angles of the first fiber collimator and the second fiber collimator arranged on the input / output side of the isolator block. Since the optical axes of the two fiber collimators can be reliably arranged on a straight line, the cost of the substrate can be reduced, and adjustment work such as positioning of the first and second fiber collimators and the isolator block can be greatly reduced.
[0121]
Further, according to the present invention, the plurality of first and second fiber collimators can be optically coupled to the isolator block at the same time, so that, for example, the plurality of laser diodes can be efficiently optically coupled at once.
[0122]
Further, in the present invention, according to the configuration in which the distance between the facing connection end faces is determined according to the connection end face angles of the plurality of first fiber collimators and the second fiber collimators arranged on both sides of the isolator block, Since the spacing can be optimized, the connection between the first and second fiber collimators and the isolator block can be further improved, and the connection loss can be reduced.
[0123]
Furthermore, in the present invention, the isolator block is formed by making the adjacent optical surfaces of the birefringent crystal, the Faraday rotator and the half-wave plate face each other and in close contact with each other, and a metal film is formed on at least one side surface of the isolator block. According to the configuration in which the birefringent crystal, the Faraday rotator, and the half-wave plate are integrally and firmly fixed by the solder provided on the surface of the metal film, the deterioration of the adhesive and the optical characteristics of the components of the isolator block are prevented. The characteristic deterioration of the isolator block due to the reflection of the laser beam on the surface can be suppressed.
[0124]
Furthermore, in the present invention, the birefringent crystal, the Faraday rotator, and the half-wave plate forming the isolator block are formed in such a manner that their connection end faces are inclined in the same direction by the same angle with respect to the orthogonal plane and are closely formed. For example, since all the components of the isolator block can be made flat, the formation of each component and the assembling of the isolator block become easy, and the economy can be further improved.
[0125]
Further, in the present invention, an isolator block is provided in a concave portion formed at the center of the substrate, and the isolator block has a rectangular planar shape along the substrate surface and a side shape perpendicular to the substrate surface. According to the configuration having the parallelogram shape, the connection end face positions of the first and second fiber collimators can be arranged in a line along a plane orthogonal to the respective optical axes, so that the assembling of the optical isolator is further improved. Easy.
[0126]
Further, according to the present invention, according to the configuration in which the outer diameter of each of the first and second fiber collimators is 150 μm or more, the first and second fiber collimators can be combined with a large diameter graded index fiber having the same outer diameter. By using a mode fiber, the beam focal length can be increased, the optical connection between the first and second fiber collimators and the isolator block can be improved, and the insertion loss can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a main part configuration diagram showing a first embodiment of a polarization independent optical isolator according to the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a substrate applied to the first embodiment.
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a V-groove cross-sectional configuration of a substrate applied to the first embodiment and examples of collimator positioning means other than the V-groove.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a first fiber collimator applied to the first embodiment.
FIG. 5 is an explanatory diagram of a beam shape of light emitted from a fiber collimator system formed by fusion-splicing a single mode fiber and a graded index fiber.
FIG. 6 is an explanatory side view of an isolator block applied to the first embodiment.
FIG. 7 is an explanatory diagram schematically showing optimization of connection end face angles of first and second fiber collimators and connection end face angles of an isolator block in the first embodiment.
FIG. 8 is a graph showing the relationship between the emission angle α at which the optical axis of the second fiber collimator corresponding to the first fiber collimator can be formed in a straight line and the inclination angle φ of the connection end face of the isolator block.
FIG. 9 is a graph showing a relationship between an inclination angle の of a connection end face of a fiber collimator and an emission angle α of light from the fiber collimator.
FIG. 10 is a graph showing a relationship between an emission angle α of light from a fiber collimator and an optimum distance between the fiber collimator and the isolator block.
FIG. 11 is an explanatory diagram showing a forward beam operation of the polarization-independent optical isolator of the first embodiment.
FIG. 12 is an explanatory diagram showing a beam operation in the reverse direction of the polarization-independent optical isolator of the first embodiment.
FIG. 13 is a main part configuration diagram showing a second embodiment of a polarization independent optical isolator according to the present invention.
FIG. 14 is an explanatory diagram showing a forward beam operation of the polarization-independent optical isolator of the second embodiment.
FIG. 15 is an explanatory diagram showing a difference in arrangement between the first embodiment and the second embodiment of the polarization independent optical isolator according to the present invention.
FIG. 16 is an explanatory view showing a method for forming a connection end face of the fiber collimator in the second embodiment.
FIG. 17 is an explanatory view showing another embodiment of the polarization independent optical isolator according to the present invention.
FIG. 18 is an explanatory view showing a perspective exploded view (a) and a side view (b) of still another embodiment of the polarization independent optical isolator according to the present invention.
FIG. 19 is an explanatory diagram showing an example of the configuration of a conventional polarization-independent optical isolator together with its operation.
FIG. 20 is an explanatory diagram showing a problem of a conventional polarization-independent optical isolator.
21A is an explanatory plan view showing another configuration example of a conventional polarization independent optical isolator, and FIG. 21B is a side view of a part thereof.
FIG. 22 is an explanatory diagram of outgoing light emitted from a connection end face formed obliquely to an optical axis of an optical fiber.
[Explanation of symbols]
1 First optical fiber
2 Second optical fiber
3 substrate
4 First fiber collimator
5 Second fiber collimator
8 Isolator block
9 V groove
10 recess
11,12 Graded index fiber
14, 15, 18, 19 Connection end face
20 First birefringent element
21 Faraday rotator
22 Half-wave plate
23 Second birefringent element
