JP2006047951A - 光アイソレータ - Google Patents
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Abstract
【課題】偏光無依存型アイソレータにおいて、複屈折結晶によるビームシフトを補正する構造。角度調整が簡便で、レンズ特性が変動せず、反射減衰量も充分確保できる方法を提案する。
【解決手段】シングルモードファイバ6A、グレイデッドインデックスファイバ7A、コアレスファイバ8、グレイデッドインデックスファイバ7B、シングルモードファイバ6Bをこの順番に接続し光ファイバ体9とした。その後基体12に前記光ファイバ体9を接着固定し、その後、基体12ごと、光ファイバ体9のコアレスファイバ8の部分を分断し溝部10を形成した後に溝部10内にグレイデッドインデックスファイバ7Aのコアレスファイバ側端面とグレイデッドインデックスファイバ7Bのコアレスファイバ8側端面のいずれにも光結合するように光アイソレータ素子1を光軸に対して傾斜させたことを特徴とする
【選択図】図1
【解決手段】シングルモードファイバ6A、グレイデッドインデックスファイバ7A、コアレスファイバ8、グレイデッドインデックスファイバ7B、シングルモードファイバ6Bをこの順番に接続し光ファイバ体9とした。その後基体12に前記光ファイバ体9を接着固定し、その後、基体12ごと、光ファイバ体9のコアレスファイバ8の部分を分断し溝部10を形成した後に溝部10内にグレイデッドインデックスファイバ7Aのコアレスファイバ側端面とグレイデッドインデックスファイバ7Bのコアレスファイバ8側端面のいずれにも光結合するように光アイソレータ素子1を光軸に対して傾斜させたことを特徴とする
【選択図】図1
Description
本発明は非相反性を利用した光アイソレータに関し、特に光通信用に好適な偏光無依存型光アイソレータに関する。
光アイソレータは方向性を有し、順方向には光を通すが、逆方向には光を遮断するという機能を有する。光通信、光計測に利用される半導体レーザー(以下LDと略す)は外部から反射光が戻り、LDの活性層に入射すると内部の干渉状態が崩れ、波長のズレ、出力の変動等の不具合を起こす。LDを安定して発振させるために、逆方向の光を遮断する光アイソレータが活用されている。高精度な計測、高速な変調による通信、高密度化のために波長の厳重な制御が必要な通信では光アイソレータは不可欠となっている。
図2に従来の偏光無依存型光アイソレータの構成と動作を示す。入射光ファイバ13、第1の複屈折結晶2、ファラデー回転子5、第2の複屈折結晶3、第3の複屈折結晶4、出射光ファイバ14からなる。実際には入射光ファイバと第1の複屈折結晶2の間と第3の複屈折結晶3と出射光ファイバ14の間にレンズがあるがここでは略す。
図中の(A)〜(E)はそれぞれの場所での、光線の位置と偏光方向を示し、矢印の中心が光線位置、矢印の方向が偏光方向で、図中の左から見た状態である。
(あ)は順方向の動作を示す。
入射光ファイバ13から出た光は(A)では偏光状態は混合している。第1の複屈折結晶2を通過する時に常光と異常光に分離し異常光は複屈折をおこし光線がシフトする。(B)に示すように複屈折によって2つの光線に分離される。その後、ファラデー回転子5で偏光方向を45度回転させ(C)のような状態になる。更に第2の複屈折結晶3で45度偏光方向を回転させ(D)のような偏光状態になる。第3の複屈折結晶4では複屈折のため、(E)にて光線が合成され出射光ファイバ14に伝搬していく。
一方、逆方向の動作を(い)に示す。
出射光ファイバ14から出た光は(E)の位置では偏光方向が混合している。第3の複屈折結晶4で複屈折が起こり、(D)に示すように2つの光線に分離する。第2の複屈折結晶3を通過する時に偏光面が回転するが、この回転は相反現象であるため、順方向とは反対方向に回転し(C)の状態となる。次にファラデー回転子5で偏光面を回転するが、ファラデー回転は光の進行方向に依存しない非相反な回転のため、順方向と同じ方向に回転し(B)の状態になる。順方向の時と偏光方向が逆転するため、分離は更に大きくなり(A)に示すように入射光ファイバ13からは位置ズレがある状態となり、ここで逆方向損失を生じる。
以上のように複屈折結晶を用いた偏光無依存型光アイソレータは光線のシフトを利用おり、上述の構成では入射光ファイバ13と出射光ファイバ14の位置はずれている
特許文献1に通常のレンズの代わりにコア拡大ファイバを用いて、小型に集約する例が開示されている。その際、入射側と出射側のコア拡大ファイバが軸ズレを生じないようにアイソレータ素子を傾けてビームのシフトを補正している。
特許文献1に通常のレンズの代わりにコア拡大ファイバを用いて、小型に集約する例が開示されている。その際、入射側と出射側のコア拡大ファイバが軸ズレを生じないようにアイソレータ素子を傾けてビームのシフトを補正している。
また、同様にコア拡大ファイバを用いた光アイソレータが特許文献2に開示されている。この例でも入射側と出射側のコア拡大ファイバが軸ズレを生じないようにアイソレータ素子を傾けるのと共に、楔形の素子を用いている。
また、コア拡大ファイバでなく、ロッドレンズを用いた例が特許文献3に開示されている。
特開平8−194130号公報
特開平9−54283号公報
特開平8−286150号公報
従来技術では、図2に示すとおり、入射側と出射側でビームシフトが生じ、入射側の光ファイバと出射側の光ファイバをずらせて設置する必要があり、アライメントが煩雑で、構造は大型化する傾向があった。
また、特許文献1、2ではビームシフトを補正するためにアイソレータ素子を傾けているが、特許文献1では、コア拡大ファイバの端面の角度について何も記載されていないため、どのように斜めに保持するかが不明確であり、コア拡大ファイバとアイソレータ素子との間隙の状態が判らないものであった。
一方、特許文献2では、コア拡大ファイバの端面を斜めに形成し、その同一の角度にてアイソレータ素子の端面を形成し、その端面同士を当接させているが、ここではコア拡大ファイバとアイソレータ素子の角度の関係が非常に重要であり、実際は、アイソレータ素子とコア拡大ファイバ間の間隙をゼロにすることは出来ないため、コア拡大ファイバの角度誤差に対応したアイソレータ素子の設置の調整が煩雑になる。
さらに、特許文献2ではビームシフトを補正する為に楔形の光学部品が必要となり複雑化してしまう。
また、特許文献1、2に用いられているコア拡大ファイバは、レンズの大きさこそ従来より小型であるものの、シングルモードファイバを長時間の熱処理によって、コアのドーパントを拡散させて作製するという手間の掛かるものであった。
特許文献3では反射を防ぐためにロッドレンズそのものの端面を傾斜させている。ロッドレンズの集光特性は長さに依存しているため、ロッドレンズの端面を斜めにすることはロッドレンズの中心からの距離によって、レンズの長さが変わってしまいレンズの特性が変わってしまうことになる。
また、2つのロッドレンズの相互の角度に加え、アイソレータ素子の角度も関連するため実際の調整は非常に煩雑なものである。ロッドレンズの端面の角度とアイソレータ素子の角度の相互の角度が最適値からずれると挿入損失が大きく低下することになってしまう。
以上のような課題を鑑み、光アイソレータ素子によるビームシフトを補正し、反射減衰量を確保しながら、挿入損失の低く、容易に調整組立が可能な光アイソレータを提案する。
具体的には、第1のシングルモードファイバと該第1のシングルモードファイバに接続され中心軸から外周に向かって徐々に屈折率が減少する第1のグレイデッドインデックスファイバと該第1のグレイデッドインデックスファイバに接続されコアを持たないコアレスファイバと、該コアレスファイバに接続される第2のグレイデッドインデックスファイバと、該第2のグレイデッドインデックスファイバに接続される第2のシングルモードファイバとからなる光ファイバ体が基体に配設されるとともに、該基体に光アイソレータ素子を配置するための溝部が前記コアレスファイバで分離するように形成され、前記溝部内に光アイソレータ素子を配置してなる光アイソレータにおいて、前記第1のグレイデッドインデックスファイバのコアレスファイバ側端面と第2のグレイデッドインデックスファイバのコアレスファイバ側端面のいずれにも光結合するように前記光アイソレータ素子を光軸に対して傾斜させた光アイソレータとした。
また、前記光アイソレータ素子は複数の複屈折基板により構成されていることを特徴とする。
さらに、前記溝部の形成角度を、光軸に対して前記光アイソレータの傾斜角度と略同じとしたことを特徴とする。
また、前記溝部に透光性充填材を充填することを特徴とする。
前記透光性充填材の屈折率が前記コアレスファイバの屈折率に対し0.94〜1.06倍であることを特徴とする。
即ち通常光ファイバとして用いられる溶融石英の屈折率約1.45に対しては前記透光性充填材の屈折率は1.363から1.537となる。
本発明によれば、第1のグレイデッドインデックスファイバのコアレスファイバ側端面と第2のグレイデッドインデックスファイバのコアレスファイバ側端面のいずれにも光結合するように光アイソレータ素子を光軸に対して傾斜させることにより、有効に光アイソレータ素子内でのビームシフトを補正することができ、入射側、出射側の光ファイバの軸ズレが生じず、小型で組立が容易な偏光無依存型の光アイソレータが提供できる。
また、光ファイバを一体化したコアレスファイバ部に溝を形成しているため、入射側、出射側のコアレスファイバの傾斜面はほぼ自動的に平行とすることができ、光ファイバ相互の調整は不要になる。
ファイバ端面に角度をつける場合はコアレスファイバを斜めにカットするので、レンズそのものを斜めにするような光学特性の変化は発生せず、また、グレイデッドインデックスファイバは斜めカットによる屈折の影響を殆ど受けない。
コアレスファイバとアイソレータ素子の間隙に屈折率をコアレスファイバの屈折率に対し0.94〜1.06倍に調整した透光性充填材を充填しているので、境界面での屈折率差が殆どなくなるため、コアレスファイバの端面を何度にしても(例え、斜めにしなくても)反射減衰量を充分確保できる。
例えば、透光性充填材が無く、空気(屈折率が1)の場合であって、空気と光ファイバの境界が斜めでなければ減衰量は15dBにも達し、アイソレータとして用いることが出来ない。
また、透光性充填材が無く、空気(屈折率が1)の場合でも空気と光ファイバの境界(溝角度)を斜めにしても光線のズレを補正できるが、それは、ビーム半径を20μmとし、ビームズレによる損失を0.3dB以内に抑えるとすれば、これはビームズレを5μm以内に抑えることになるが、横軸に溝角度、縦軸に光アイソレータ素子角度で示した図5(A)の2本の直線の間の範囲でしかない。
ところが、石英系の光ファイバ体を用い透光性充填材の屈折率を1.363〜1.537とした場合、同様に横軸に溝角度、縦軸に光アイソレータ素子角度で示した図5(B)の斜線部の範囲の角度で0.3dB以下を満たすことになり、空気より遥かに広範囲で位置合わせ作業が容易となる。
従って本発明によれば、コアレスファイバの端面角度によらず、前述と同様に境界面での屈折率差が殆どなくなり、光線は殆ど屈折しない為、コアレス端面角度と光アイソレータ素子の設置角度は全く別の角度に出来る。コアレスファイバ端面の角度ばらつき等は考慮せず、光アイソレータ素子の角度調整のみを行えば挿入損失の低い光アイソレータが容易に作製可能となる。
以下に本発明に係る実施形態について図面に基づき詳細に説明する。なお、各図において同一部材については、同一符号を付し説明を省略するものとする。
図1に示すように、光アイソレータM1は、基体12に、シングルモードファイバ6A、グレイデッドインデックスファイバ7A、コアを持たないコアレスファイバ8、グレイデッドインデックスファイバ7B、シングルモードファイバ6Bを順に順列に接続した光ファイバ体9を固定してなる。
基体12から突出したシングルモードファイバ6A、6Bは一定の長さを備えた所謂ピグテイル形状としている(図示せず)。また、基体12はコアレスファイバ8の中央を分断するように光軸に対して斜めに傾斜した溝部10を有しており、その溝部10内に配設した光イソレータ素子1を介して光接続させるようにしている。
そして、本発明の特徴とするところは、グレイデッドインデックスファイバ7Aのコアレスファイバ8側端面とグレイデッドインデックスファイバ7Bのコアレスファイバ8側端面のいずれにも光結合するように光アイソレータ素子1を光軸に対して傾斜させたものである。
ここで、光結合とは、グレイデッドインデックスファイバ7A、7Bのコアの中心が光軸の中心と一致するようにすることをいい、グレイデッドインデックスファイバ7A、7Bのコアの断面積よりも光の径が小さいことを条件とする。
なお、上記コアレスファイバ8の長さ(溝部10を形成していない場合の長さ)は、2つのグレイデッドインデックスファイバ7A、7Bによるビームスポットが中央で一致する(焦点を持つ)ように調整されている。
具体的には、MFD(Mode Field Diameter)が例えば10μmの第1のシングルモードファイバ6A、P(ピッチ)が0.25以上の第1のグレイデッドインデックスファイバ7A、グレイデッドインデックスファイバ7Aから出射される光のビームウエストとグレイデッドインデックスファイバ7Aの出射端面の距離をdとして、長さ2dのコアレスファイバ8、第1のグレイデッドインデックスファイバ7Aと同じ長さの第2のグレイデッドインデックスファイバ7B、シングルモードファイバ6Bを縦列に接続し、光ファイバ体9としている。
さらに、例えば、幅2mm,長さ12mm程度の長手方向に溝のあるジルコニア製の板に光ファイバ体9を固定する。さらに、基体12の光ファイバ体9が挿入された貫通孔に対して、コアレスファイバ8の部分で横切るように幅1.8mm程度の溝部10を形成する。
また、溝部10の形成角度を、光軸に対して光アイソレータ素子1の傾斜角度と略同じとするのが好ましい。この理由は、特別な治工具、調整を必要とせず溝部10に沿って設置できるからある。透光性充填材11のために、コアレスファイバ8と透光性充填材11の境界面では殆ど屈折が生じないため光アイソレータ素子1の設置角度と溝部10の形成角度は自由に設定できるためで、同一の角度にし、簡便に組み立てやすい角度関係とすることも可能である。
この溝部10に、第1の複屈折結晶2、ファラデー回転子5、第2の複屈折結晶3、第3の複屈折結晶4を一体化して作製した光アイソレータ素子1を設置するとともに、光アイソレータ素子1の第1の複屈折結晶2、第3の複屈折結晶4の光入出射面とコアレスファイバ8の一端部との間に屈折率をコアレスファイバ8に整合させた透光性充填材11を設ける。なお、ここでは磁界印加手段は省略する。また、光アイソレータ表面は透光性充填材11に対し、反射量0.2%以下の反射防止膜が形成されているものとする。
なお、グレイデッドインデックスファイバ端面に点光源があったときのコリメート条件はP=0.25と規定されているが、実際に、結合効率が最も高いのは2つのグレイデッドインデックスファイバ7A、7Bの中央でビームウエストが一致する(焦点を持つ)場合である。P=0.25のときではビームウエストはちょうどグレイデッドインデックスファイバ7A、7Bの出射端面に位置することになり、グレイデッドインデックスファイバ7A、7B間に光アイソレータ素子を挟む場合はビームウエストが一致しない。従ってグレイデッドインデックスファイバの出射端面から離れた位置にビームウエストを形成するためにはP>0.25の条件が必要になる。
シングルモードファイバ6Aから入った光は、第1のグレイデッドインデックスファイバ7Aによってビーム径を拡大され、コアレスファイバ8の中央でビームウエストをもつビームとなって光アイソレータ素子1を通過し、再びコアレスファイバ8内を通過し、グレイデッドインデックスファイバ7Bによりビーム径を10μmに収束させられ第2のシングルモードファイバ6Bに伝播する。
本発明によれば、伝送路中に光学素子を挿入する構成であっても、レンズ系に相当する部分はほぼアライメントフリーとなる。また、グレイデッドインデックスファイバを用いているが焦点距離はコアレスファイバ8の長さで調整済みで光ファイバ体9の組み立て時点で保証されており、素子実装後に調整する必要がない。これは工程の簡略化ばかりでなく、工程の初期段階で、即ち光学素子等を固定する前に結合効率の不具合が確認できるため、工程トータルの効率化と不良による損害を大幅に減らすことが可能になる。
さらに、透光性充填材11の屈折率がコアレスファイバ8の屈折率に対し0.94〜1.06の範囲とするのが好ましい。従って、コアレスファイバ8の端面角度がゼロ度であっても屈折率の差が無いのでフレネル反射が殆ど発生せず30dB以上の反射減衰量を得ることが可能で作製が容易である。また、コアレスファイバ8端面に傾斜を設けることで容易に大きな反射減衰量が得られる。
さらに、透光性充填材11のためにコアレスファイバ8の端面では、例え、傾斜があっても殆ど屈折が生じない。相対的屈折率と出射光線角度の関係を図4に示す。横軸がコアレスファイバ8の角度を示し、縦軸が出射光線角度、各直線がそれぞれ相対的屈折率を示す。相対的屈折率〜1.06倍の条件では殆ど屈折が生じない。例えば、コアレスファイバ8の屈折率がほぼ純粋な石英で1.45、透光性充填材11の屈折率が1.48(相対屈折率は1.02倍)の条件でコアレスファイバ端面が1度の場合は0.02度の出射光線角度しか持ない。一般の光学系では、ファイバ等からの光出射面で屈折が生じるため、その角度に応じて光学素子を傾けなければならない。本発明ではコアレスファイバ8の端面角度は光アイソレータ素子1の角度設定に殆ど影響を与えない。反射減衰を見込んだ最適値を別個に決めれば良い。また、各々の加工や設置の公差があっても相互に影響が無いため安定して作製できる。
しかも、石英系の光ファイバ体(屈折率1.45)を用い透光性充填材の屈折率を1.363〜1.537とした場合、これは前述の相対屈折率0.94〜1.06の範囲になる。この状態で光アイソレータ素子の入射する光と出射する光のズレを検討した。挿入損失の増加を0.3dB以下に抑えるためには、上記の光のビーム径約40μmから入射光と出射光のズレをに5μm以下に抑える必要があることが判明した。この5μmの範囲を溝角度、縦軸に光アイソレータ素子角度で示した図5(B)で示すと以下の数1〜数4に囲まれた斜線部の範囲であることがわかった。従って0.3dB以下を満たすことになるため光アイソレータ素子はこの図5(B)の斜線の角度で設置する。
本発明の実施例を図1を用いて説明する。
モードフィールド径10μmの石英系シングルモードファイバ6A、コア径105μm、屈折率差0.55%のグレイデッドインデックスファイバ7Aを0.8mm、純石英でコアを持たないコアレスファイバ8を2mm、グレイデッドインデックスファイバ7Aと同様のパラメータを持つグレイデッドインデックスファイバ7Bを0.8mm、シングルモードファイバ6Bをこの順番に融着接続し光ファイバ体9とした。
その後、ジルコニア製の基体14に予め貫通孔を形成しておき、その貫通孔に光ファイバ体9をエポキシ系熱硬化型接着材11にて固定した。
その後、基体12ごと、光ファイバ体9のコアレスファイバ8の部分をダイシングにより分断し,光軸に対して1度の角度で溝部10を形成した。
さらに第1の複屈折結晶2、ファラデー回転子5、第2の複屈折結晶3、第3の複屈折結晶4からなる光アイソレータ素子1を溝部10内に4.5度の角度でUV熱併用型のアクリル系接着剤にて接着し、隙間に透光性充填材11としてエポキシ系の低TG(TG<−50度)のUV硬化型接着剤11を充填した。透光性充填材11の屈折率は1.48、コアレスファイバの屈折率は1.45である。透光性充填材11のコアレスファイバ8に対する相対屈折率は1.03である。
なお、第1と第3の複屈折結晶2、4には500μm厚のルチルの単結晶を使用し、ファラデー回転子5には470μm厚のビスマス置換型ガーネットを、第2の複屈折結晶3には水晶の1/2波長板を用いた。ファラデーは回転子5には磁石にて磁界を印加するが、磁石は略した。該光アイソレータ素子は4.5度の角度にて設置され、ビームシフトを補正している。また、該光アイソレータ素子の角度は図5(B)に示すとおり、溝1度の場合約5.2度まで許容できる。
図3にコアレスファイバ8の屈折率を1とした場合の透光性充填材11の相対的屈折率と反射減衰量の関係を示す。コアレスファイバ8の端面角度、即ち、コアレスファイバ8と透光性充填材11の境界面の角度はゼロ度であっても相対屈折率1.02では約40dBの反射減衰量となる。1度傾ければ更に反射減衰量は大きくなり前記条件では反射減衰量は60dB以上となることがわかる。
一方、相対的屈折率と出射光線角度の関係を図4に示す。横軸がコアレスファイバ8の角度を示し、縦軸が出射光線角度、各直線がそれぞれ相対的屈折率を示す。先と同様に透光性充填材11の屈折率が1.48(相対屈折率は1.02倍)の条件でコアレスファイバ端面が1度の場合は0.02度の出射光線角度しか持たず、光アイソレータ素子1の角度設定に殆ど影響を与えないということがわかる。そのために図5(B)に示すように光アイソレータ素子の設置角度が広範な条件にて可能となるのである。
1、光アイソレータ素子
2、3、4、複屈折結晶
5、ファラデー回転子
6A、6B、シングルモードファイバ
7A、7B、グレイデッドインデックスファイバ
8、コアレスファイバ
9、光ファイバ体
10、溝部
11、透光性充填材
12、基体
13、入射光ファイバ
14、出射光ファイバ
M1、偏光無依存型光アイソレータ
2、3、4、複屈折結晶
5、ファラデー回転子
6A、6B、シングルモードファイバ
7A、7B、グレイデッドインデックスファイバ
8、コアレスファイバ
9、光ファイバ体
10、溝部
11、透光性充填材
12、基体
13、入射光ファイバ
14、出射光ファイバ
M1、偏光無依存型光アイソレータ
Claims (6)
- 第1のシングルモードファイバと該第1のシングルモードファイバに接続され中心軸から外周に向かって徐々に屈折率が減少する第1のグレイデッドインデックスファイバと該第1のグレイデッドインデックスファイバに接続されコアを持たないコアレスファイバと、該コアレスファイバに接続される第2のグレイデッドインデックスファイバと、該第2のグレイデッドインデックスファイバに接続される第2のシングルモードファイバとからなる光ファイバ体が基体に配設されるとともに、該基体に光アイソレータ素子を配置するための溝部が前記コアレスファイバで分離するように形成され、前記溝部内に光アイソレータ素子を配置してなる光アイソレータにおいて、前記第1のグレイデッドインデックスファイバのコアレスファイバ側端面と第2のグレイデッドインデックスファイバのコアレスファイバ側端面のいずれにも光結合するように前記光アイソレータ素子を光軸に対して傾斜させたことを特徴とする光アイソレータ。
- 前記光アイソレータ素子は複数の複屈折基板により構成されていることを特徴とする請求項1に記載の光アイソレータ。
- 前記溝部の形成角度を、光軸に対して前記光アイソレータの傾斜角度と略同じとしたことを特徴とする請求項1又は2に記載の光アイソレータ。
- 前記溝部に透光性充填材を充填することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の光アイソレータ。
- 前記透光性充填材の屈折率が前記コアレスファイバの屈折率に対し0.94〜1.06倍であることを特徴とする請求項4に記載の光アイソレータ。
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