JP2006276505A - ファラデー回転ミラー - Google Patents

Abstract

【課題】ファラデー回転ミラー１において、より小型で、生産性に優れ、さらに良好な光学特性を得る。
【解決手段】光ファイバと、レンズ機能素子と、ファラデー回転子と、全反射ミラーとが順次配置されたファラデー回転ミラーにおいて、前記光ファイバと前記レンズ機能素子の対向する一方端面同士を接合した状態で、両者を支持体に設けた貫通孔内に保持するとともに、前記レンズ機能素子の他方端面を前記支持体のファラデー回転子側端面から１０〜１０００μｍ奥まった位置に配置したこと。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光ファイバセンサシステムあるいは光増幅システム等に用いられ、これらのシステムを安定して動作させるために使用される光受動部品のファラデー回転ミラーに関するものである。

光ファイバセンサは、系の経路が主として光ファイバで構成され、検知要素を光ファイバの光路のいずれかに持つもので、検知要素は測定したい量によって何らかの光学的な特性の変化を受けるものである。例えば、シングルモードファイバを検知要素として用いる場合には、振動、圧力、温度、電界、磁界、音波等の外力を検知する事ができ、これらの外力による光ファイバの光路長の変化をファイバ干渉計によって検出する。

しかし、このような光ファイバセンサにおいては、光ファイバ中の複屈折による光の偏波状態の偶発的な変化により、出力干渉縞のゆらぎ、信号の消滅が発生することが問題となる。

このような問題に対し、ファイバ干渉計の一部にファラデー回転ミラーを使用することが提案されている。このファラデー回転ミラーは、光ファイバ中の複屈折により発生する偏波状態の変動を除去し、任意の入力偏波状態を保存する光部品である。

図４に従来のファラデー回転ミラー１６の構成を示す。ファラデー回転ミラー１６は、光ファイバ１１、結合用レンズ１２、ファラデー回転子１４、全反射ミラー１５、磁石１３で構成されている。

ファラデー回転子１４は、ビスマス置換ガーネット等で形成されており、磁石１３によって光軸方向に平行な方向にガーネットの飽和磁界強度以上の磁界が加えられている。また、その厚みは入射した光の偏波方向を４５°回転させるように調整されている。光ファイバ１１はシングルモードファイバである。

全反射ミラー１５は、光ファイバ１１から出射された光が全反射ミラー１５で反射されるように配設されている。また、結合用レンズ１２は、全反射ミラー１５で反射した光が再び光ファイバ１１に効率よく結合するように配設されている。

図５は、光ファイバ１１の方向から見た、ファラデー回転ミラー１７内の光の偏波の状態を説明する図である。以下、図５を用いて、ファラデー回転ミラー１７の動作原理について説明する。なお、便宜上、光ファイバ１１から出射した光を入射光とし、全反射ミラー１５で反射された光を反射光と呼び、入射光方向を順方向と呼び、反射光方向を逆方向と呼ぶ。なお、入射偏波方向を一直線偏波としたが、本説明はこれに限ることなく、任意の偏波方向にも適応される。

まず、光ファイバ１１から出射した入射光（図５−ａ）は、ファラデー回転子１４を透過し、その偏波方向が順方向から見て時計回りに４５°回転させられる（図５−ｂ）。その後、全反射ミラー１５で反射された反射光は、再び逆方向からファラデー回転子１４に入射する（図５−ｃ）。ファラデー回転子１４を逆方向に透過した反射光はさらにその偏波方向を順方向から見て時計回りに４５°回転させられ、光ファイバ１１に入射する（図５−ｄ）。

その結果、ファラデー回転ミラー１７の反射光は、入射光に対して直交する偏波方向となり、入射光が受けたのとちょうど逆の複屈折を受けるため、任意の入力偏波状態に対して出力偏波状態はそれと直交する状態に安定化される。

図４に示すような従来のファラデー回転ミラー１６は、光ファイバセンサシステムの他、光ファイバ増幅システムでも使用される。光ファイバ増幅システムは、一般にエルビウムをドープしたシングルモードファイバを数１０〜数１００ｍ用いているために、光ファイバ中の複屈折により偏波状態が変化するという問題、さらには長距離光ファイバ通信システムで信号波形劣化をもたらす偏波モード分散という問題があるが、ファラデー回転ミラー１６を用いることによりそれらが補償され、安定した出力を得ることができる。

特許文献１で本出願人は、結合用レンズ１２の替わりに、光ファイバと外径の同じ、コア拡大ファイバを用いることとしている。また工程数の削減や組立の簡素化のため、ファラデー回転子の一面に全反射ミラー膜を形成させたり、コア拡大ファイバの端面とファラデー回転子とを光学接着剤を介して密着させたりする提案をしている。

図６（ａ）は、特許文献１のファラデー回転ミラー２０を示す構成概略図であり、ファラデー回転ミラー２０は、コア拡大ファイバ２１、ファラデー回転子１４、全反射ミラー膜１５、磁石１３よりなる。磁石１３はリング型の磁石で、内部のファラデー回転子１４に光軸と平行な飽和磁界を与える。ファラデー回転子１４は、ビスマス置換ガーネット結晶等が用いられ、その厚さは入射光の偏波方向が４５°回転するように調整されている。全反射ミラー膜１５は、多層誘電体からなり、ファラデー回転子１４の一面に直接形成されている。この多層誘電体からなる全反射ミラー膜１５は、光の損失が小さく、９９％以上の反射率を有する。ここではファラデー回転子１４に全反射ミラー膜１５を直接形成されており、部品点数の削減が実現されている。

図６（ｂ）は、コア拡大ファイバ２１の断面図である。コア拡大ファイバ２１は、コア２１ａとクラッド２１ｂよりなり、一般的なシングルモードファイバを局所的に加熱し、コア２１ａにドープされたＧｅ等を熱拡散することでコア部を拡大して作製される。

光ファイバ２１からの放射ビームの発散角はコア径が大きくなるほど小さくなり、平行光に近づいていく。発散角が大きい場合、反射光は光ファイバ２１に結合し難くなる。

ここではコア径を３〜４倍に拡大することで結合効率の低下を抑制している。

また特許文献２では、結合用レンズとして先球加工したコアレスファイバを用いている。
特開１９９７−２１６０８号 実開１９９５−４１５０７号

しかしながら、上述のように従来のファラデー回転ミラー１６には、以下の問題点があった。

ファイバ干渉計の検知部や、光ファイバ増幅システムではファラデー回転ミラー１６を光ファイバや光ファイバカプラ等と接続し、筐体内に実装するが、光ファイバの外径がφ０．２５ｍｍであり、光ファイバカプラの外径がφ２〜３ｍｍであるのに対し、従来のファラデー回転ミラー１６はφ５ｍｍと相対的にサイズが大きく、実装上、装置の大型化の原因となっていた。

これは、結合用レンズ１２の径が２ｍｍ程度と大きいためであり、結合用レンズの支持部材である金具のサイズまで含めるとφ５ｍｍ程度にまで大きくなってしまっていた。

また、このような結合用レンズ１２を用いる従来のファラデー回転ミラー１６は、光ファイバ１１、結合用レンズ１２、全反射ミラー１５を精密に光学調整しなければならないため、工程数が多く、また部品の支持部材の点数も多くなり、組立が煩雑であり製作に時間がかかっていた。

また特許文献１ではファラデー回転ミラー２０の小型化とともに、工程数の削減と組立の簡素化を提案しているが、シングルモードファイバのコア径を３〜４倍に拡大し、コア拡大ファイバ２１を製作するには１０００数百℃の温度で数時間から数十時間の加熱が必要であり、作業性が悪く、製作時間の短縮は改善されていない。また高温、長時間の熱処理による信頼性の低下が懸念される。さらにファラデー回転子に光ビームが垂直に入射するため、ファラデー回転子の表面に反射防止コーティングの処理を施したとしても、反射減衰量は３０ｄＢ程度にとどまる。

このように、特許文献１で提案するファラデー回転ミラー２１は小型化することを可能にしたが、作業性が悪く、トータルの製作時間の短縮において十分な効果を得られていない。さらに信頼性の低下が懸念される。

特許文献２では、結合用レンズとして先球加工したコアレスファイバを用いているが、局部的に加熱して先球状に加工した光ファイバは、未加工の光ファイバに比べて強度が劣化して信頼性が劣るだけでなく、フェルール保持部材の先端から規定長さだけこの先球ファイバを突出させることは、生産を困難なものにしている。

本発明はこれらの課題を解決するためのものであり、光ファイバと、レンズ機能素子と、ファラデー回転子と、全反射ミラーとが順次配置されたファラデー回転ミラーにおいて、前記光ファイバと前記レンズ機能素子の対向する一方端面同士を接合した状態で、両者を支持体に設けた貫通孔内に保持するとともに、前記レンズ機能素子の他方端面を前記支持体のファラデー回転子側端面から１０〜１０００μｍ奥まった位置に配置したことを特徴とするものである。

また、前記貫通孔の内部における光ファイバおよびレンズ機能素子の存在しない部位に等方性の屈折率を有する光学材料を充填したことを特徴とするものである。

また、前記光学材料が、石英ガラス、透光性樹脂、透光性セラミックスのいずれかであることを特徴とするものである。

さらに、前記支持体のファラデー回転子側の端面に該ファラデー回転子を接合し、前記レンズ機能素子から出射された光が、前記全反射ミラーの表面で集光するようにしたことを特徴とするものである。

上述本発明は次の効果を有する。光ファイバと、レンズ機能素子と、ファラデー回転子と、全反射ミラーとが順次配置されたファラデー回転ミラーにおいて、前記光ファイバと前記レンズ機能素子の対向する一方端面同士を接合した状態で支持体に設けた貫通孔内に保持するとともに、前記レンズ機能素子の他方端面を前記支持体のファラデー回転子側端面から１０〜１０００μｍ奥まった位置に配置したことを特徴としているので、支持体の端面近傍にレンズ機能素子の焦点位置を定めておことが可能である。すなわち、あらかじめ支持体の端面近傍にレンズ機能素子の焦点位置を定めてあるので、全反射ミラーを支持体の端面近傍に近づけるだけで、全反射ミラーの大まかな調心工程を終えることができ、微調整を行うと挿入損失を最小にすることができるようになる。

また、前記貫通孔の内部における光ファイバおよびレンズ機能素子の存在しない部位に等方性の屈折率を有する光学材料を充填したことを特徴としているので、レンズ機能素子の表面を保護し、レンズ機能素子とファラデー回転子と屈折率差を緩和し、さらに細径穴の空間に固形の異物や不要ガスが入ることなく、レンズ機能素子から出射した光ビームの強度プロファイルが乱すことなく導光できる。

また、前記光学材料が、石英ガラス、透光性樹脂、透光性セラミックスのいずれかであることを特徴としているので、屈折率の低い石英ガラスや、屈折率を高く調整できる透光性樹脂や透光性セラミックスから材料を選ぶことで、レンズ機能素子から出射した後の光ビームの進路を微調整し、より低損失なファラデー回転ミラーの製造が可能になる。

さらに、前記支持体のファラデー回転子側の端面に該ファラデー回転子を接合し、前記レンズ機能素子から出射された光が、前記全反射ミラーの表面で集光するようにしたことを特徴としたので、レンズ機能素子の焦点を正確に全反射ミラー面に調整することができ、挿入損失の少ないファラデー回転ミラーを構成できる。また各部材の支持部材を大幅に削減できるため、工数も少なく、より生産性が高くなる特徴を有する。

本発明のファラデー回転ミラーは、光システムの小型化が進む中で大きな効果を持つ。

本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。なお、従来技術と同様の符号については同じ符号を用いる。

図１は本発明のファラデー回転ミラーの構成を示す図である。

図示するとおりファラデー回転ミラー１は、光ファイバ２、支持体３、ファラデ回転子４、ガラス体５、全反射ミラー６、磁石７、光ファイバ型レンズ８よりなる。

磁石７は、リング型の磁石で内部のファラデー回転子４に光軸と平行な飽和磁界を与える。

ファラデー回転子４は、ビスマス置換ガーネット結晶等が用いられ、その厚さは入射光の偏波方向が４５°回転するように調整されている。

全反射ミラー６は、誘電体多層膜からなり、ガラス体５の一面に形成されている。この多層誘電体からなる全反射ミラー６は、光の損失が小さく、９９％以上の反射率を有する。

また、ファラデー回転子４には光の反射を防止するために反射防止膜を施すことが望ましい。この反射防止膜により、ファラデー回転ミラー１の挿入損失は小さくなり、特性の低下を引き起こす不用反射も低減することができる。

光ファイバ型レンズ８は光ファイバ２と略同径のロッドレンズであり、グレーデッドインデックスファイバやグリンレンズなどが該当する。グレーデッドインデックスファイバは、軸対称にほぼ２乗の屈折率分布をもつもので、屈折率分布型レンズとして使用することができる。使用波長に対して最適な長さＺで切断することにより、光ファイバ２から放出された光線を発散させずに平行光もしくは集光することができ、ファラデー回転ミラー１の結合を効率よくすることができる。

光ファイバ２のコア径が小さくなると放射光の発散角は大きくなるため、最大屈折率を大きくする必要がある。一般的なシングルモードファイバのコア径は８μｍから１０μｍ程度であり、光ファイバ型レンズ８のコアとクラッドの屈折率の比は０．５％〜２％程度に設計される。

光ファイバ型レンズ８は光ファイバ２と異なる外径でも良いが、外径が同径であれば、外径を一致させることで調芯でき製作が簡素になる。ここでは光ファイバ２と光ファイバ型レンズ８を放電融着によって接続して一体化してある。このとき光ファイバ型レンズ８の光ファイバ２との接合面でない他方の端面Ｃは、支持体３の端面Ｂから細径穴内側に距離Ｄだけ奥まって位置する。距離Ｄは任意に設定可能であるが、光ファイバ２から光ファイバ型レンズ８を通り出射する光信号の焦点が、あらかじめ支持体３の端面Ｂの近傍に位置するように選んであれば、全反射ミラー６を支持体３の端面Ｂに近づけるだけで全反射ミラー６の位置合わせがほぼ完了し、量産時の作業効率が著しく向上する。ここでいう端面Ｂの近傍とは、全反射ミラー面が位置する部分を指しており、あらかじめ決められている。

一方で距離Ｄの値は、使用波長と光ファイバ２のＮＡと光ファイバ型レンズ８の長さの組み合わせにより自由度を持って設定可能であるが、全反射ミラー６の配置精度に大きく影響する。全反射ミラー６の配置はファラデー回転ミラー１の挿入損失に関係しており、したがってファラデー回転ミラー１の挿入損失を製品性のある１．０ｄＢ以下に抑えるために、距離Ｄは１０μｍ乃至１０００μｍの間になければならない。

図２は本発明の第２の実施例を示す断面図である。前述の符号については説明を省略する。

図１との違いは、光ファイバ型レンズ８の端面Ｃと支持体３の端面Ｂの間の空間に等方な屈折率を有する充填剤９がある点である。（請求項３）等方な屈折率を有する材料としては、石英ガラス、透光性樹脂、透光性セラミックスなど透光率が高く屈折率を調整可能な材料が適している。すなわち、充填剤９の屈折率を調整することで、レンズ機能素子から出射した後の光ビームの進路を微調整することが可能となる。

またこのような構成にすることで充填剤９と共に支持体３の端面Ｂを平滑に研磨することが可能になり、さらに距離Ｄをミクロン精度で精緻に調整することができる。（請求項４）図３で示すように、ファラデー回転子４を支持体３の端面Ｂに略密着させて配置し、そのとき全反射ミラー６のミラー面の位置に、光ファイバ２から光ファイバ型レンズ８を通り出射する光信号の焦点が位置するように選んであれば、全反射ミラー６の調心工程が簡略化できるだけでなく、光学素子の支持部材を削減することもでき工程全体の簡略化につながる。

以上、本実施例に示したファラデー回転ミラー１、１０、１３によれば、より小型で、生産性に優れ、さらに良好な光学特性を得ることができる。

本発明の実施例として図２に示したファラデー回転ミラーを試作し、特性の評価および信頼性試験を行った。各部品と構成について以下に説明する。

ファラデー回転子４は、１５５０ｎｍで入射光の偏波方向が４５°回転するように調整された厚さ約４００μｍのものを用い、全反射ミラー６は、誘電体多層膜であって、ファラデー回転子４の一面に直接形成され、反射率９９％以上のものを用いた。全反射ミラー膜の反対面には対接着剤の反射防止膜を施してある。

磁石７は、外径が２．５ｍｍφのリング型で内部のファラデー回転子４に光軸と平行な飽和磁界を与える。

光ファイバ２は１５５０ｎｍ用のシングルモードファイバであって、モードフィールド径が８μｍのものを用いた。

使用するグレーデッドインデックスファイバ８は、クラッド径１２５μｍ、コア径１０５μｍ、比屈折率差 Δ＝０．８５％、収束係数Ａ＝６．１６８×１０−６μｍ−２のものを使用した。もう一方にはクラッド径１２５μｍ、コア径８μｍのシングルモード型光ファイバ２を用い、保護被覆を剥がしクラッド部を露出、ファイバカッターにより切断し、各ファイバ端面同士を融着接続器により融着接続した。その後、グレーデッドインデックスファイバ８側を長さＺ＝８８６μｍに切断、そこへ外径１２５μｍ、屈折率ｎ＝１．４６の石英系コアレスファイバ９を融着接続しコアレスファイバは全長１０ｍｍに正確に切断しておく。

こうして作製した光ファイバ体をセラミック製フェルールに挿入し、ここではコアレスファイバ９が８０μｍの長さになるまでフェルールの端面を研磨した。

しかる後、フェルールの端面に全反射ミラー付ファラデー回転子を損失最小になるよう接着固定したところ、挿入損失０．５ｄＢ、反射減衰量３８ｄＢのファラデー回転ミラーが完成した。

図６に示す従来のファラデー回転ミラーは、挿入損失１．０ｄＢ、反射減衰量２８ｄＢであることから、本発明により大幅な性能改善が達成された。また図４の従来のファラデー回転ミラーは部品点数が１５を超えていたが、本発明によるファラデー回転子では１０点以下に減らすことができ、調心箇所も数カ所あったものが１箇所に簡略化できた。

次に作製したファラデー回転ミラーの信頼性評価を行った。試験は、Ｔｅｌｃｏｒｄｉａ１２２１に示される振動試験、衝撃試験、温度サイクル試験、高温保持試験、低温保持試験、高温高湿試験を実施し、すべての試験において、挿入損失の変化量が±０．２ｄＢ以下、反射減衰量の変化量が±３ｄＢ以下と良好な結果を得ることができた。

以上の試作により、小型で、生産性に優れ、さらに光学特性が良好で、かつ、信頼性に優れたファラデー回転ミラーを提供することができる。

本発明のファラデー回転ミラーの構成を示す断面図である。 本発明のファラデー回転ミラーの別の構成を示す断面図である。 本発明のファラデー回転ミラーの別の構成を示す断面図である。 従来のファラデー回転ミラーの構成を示す断面図である。 ファラデー回転ミラーの機能を示す模式図である。 従来のファラデー回転ミラーの別の構成であり(ａ)はファラデー回転子、（ｂ）はコア拡大ファイバを示す断面図である。

符号の説明

１、１０、１３、１６、１７、２０ ファラデー回転ミラー
２、１１ 光ファイバ
３ 支持体
４、１４ ファラデー回転子
５ ガラス体
６、１５ 全反射ミラー
７、１３ 磁石
８ 光ファイバ型レンズ
９ 充填剤
１２ 結合用レンズ
２１ コア拡大ファイバ
２１ａ コア
２１ｂ クラッド
Ｂ、Ｃ 端面

Claims (4)

1. 光ファイバと、レンズ機能素子と、ファラデー回転子と、全反射ミラーとが順次配置されたファラデー回転ミラーにおいて、前記光ファイバと前記レンズ機能素子の対向する一方端面同士を接合した状態で、両者を支持体に設けた貫通孔内に保持するとともに、前記レンズ機能素子の他方端面を前記支持体のファラデー回転子側端面から１０〜１０００μｍ奥まった位置に配置したことを特徴とするファラデー回転ミラー。
2. 前記貫通孔の内部における光ファイバおよびレンズ機能素子の存在しない部位に等方性の屈折率を有する光学材料を充填したことを特徴とする請求項１記載のファラデー回転ミラー。
3. 前記光学材料が、石英ガラス、透光性樹脂、透光性セラミックスのいずれかであることを特徴とする請求項２記載のファラデー回転ミラー。
4. 前記支持体のファラデー回転子側の端面に該ファラデー回転子を接合し、前記レンズ機能素子から出射された光が、前記全反射ミラーの表面で集光するようにしたことを特徴とする請求項２または３記載のファラデー回転ミラー。

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