JP2006276506A - Faraday rotation mirror - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to a Faraday rotating mirror of an optical passive component used for an optical fiber sensor system or an optical amplification system and used to stably operate these systems.
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。 In the optical fiber sensor, the path of the system is mainly composed of an optical fiber, and has a sensing element in one of the optical paths of the optical fiber. The sensing element undergoes some change in optical characteristics depending on the amount to be measured. . For example, when a single mode fiber is used as a sensing element, it can detect external forces such as vibration, pressure, temperature, electric field, magnetic field, and sound wave, and the change in optical path length of the optical fiber due to these external forces can be detected by a fiber interferometer. Detect by.
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。 However, in such an optical fiber sensor, there is a problem that output interference fringes fluctuate and signals disappear due to an accidental change in the polarization state of light due to birefringence in the optical fiber.
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。 For such problems, it has been proposed to use a Faraday rotating mirror as a part of the fiber interferometer. This Faraday rotating mirror is an optical component that removes fluctuations in the polarization state caused by birefringence in an optical fiber and preserves an arbitrary input polarization state.
図3に従来のファラデー回転ミラー10の構成を示す。ファラデー回転ミラー10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。
FIG. 3 shows the configuration of a conventional Faraday rotating
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。
The Faraday
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。
The
図4は、光ファイバ11の方向から見た、ファラデー回転ミラー16内の光の偏波の状態を説明する図である。以下、図4を用いて、ファラデー回転ミラー16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。
FIG. 4 is a diagram for explaining the state of polarization of light in the Faraday rotation mirror 16 as viewed from the direction of the optical fiber 11. Hereinafter, the operating principle of the Faraday rotating mirror 16 will be described with reference to FIG. For convenience, the light emitted from the optical fiber 11 is referred to as incident light, the light reflected by the
まず、光ファイバ11から出射した入射光(図4−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4−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4−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4−d)。
First, incident light (FIG. 4-a) emitted from the optical fiber 11 is transmitted through the Faraday
その結果、ファラデー回転ミラー16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。 As a result, the reflected light of the Faraday rotation mirror 16 has a polarization direction orthogonal to the incident light, and receives birefringence that is just opposite to that received by the incident light. The polarization state is stabilized in a state orthogonal thereto.
図3に示すような従来のファラデー回転ミラー10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10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。
A conventional Faraday rotating
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。
In
図5(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。
FIG. 5A is a schematic configuration diagram showing the Faraday rotation mirror 20 of
図5(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。
FIG. 5B is a cross-sectional view of the
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。
The divergence angle of the radiation beam from the
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。 Here, the decrease in the coupling efficiency is suppressed by increasing the core diameter by 3 to 4 times.
また特許文献2で本出願人は、ファラデー回転子の形状をテーパー状とし、不要反射光を抑制するファラデー回転ミラーを提案している。
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には、以下の問題点があった。 However, as described above, the conventional Faraday rotating mirror has the following problems.
部品点数が多く、各部品毎に精密な光学調整を要し、工数が多く組立が煩雑であり製作に時間がかかる。反射光に、各光学部品端面からの不要反射光が混じり、これがファラデー回転ミラーの特性を低下させる原因となった。 The number of parts is large, precise optical adjustment is required for each part, man-hours are large, assembly is complicated, and production takes time. The reflected light was mixed with unnecessary reflected light from the end faces of the optical components, which caused the characteristics of the Faraday rotating mirror to deteriorate.
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、ファラデー回転子14に光線がほぼ垂直に入射するため、ファラデー回転子14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、不要反射を十分に抑制することができず、反射減衰量は30dB程度にとどまる。これはコア拡大ファイバ21を用いているためNAが小さいことと、ファラデー回転子14と全反射ミラー15を一体にしているために、ファラデー回転子14に傾斜角度を付けられないことが原因である。
Further,
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、反射減衰量の改善が図れない構造となっている。
Thus, although the Faraday
特許文献2では、ファラデー回転子をテーパー形状にし、その表面における不要反射の抑制を図ったが、高価な光学結晶をテーパー形状に研磨加工することはコスト高の原因となってしまった。
In
本発明は、上記問題点を解決する為、傾斜面を有する光ファイバの一端側に、グレーデッドインデックスファイバと、コアレスファイバと、ファラデー回転子と、ガラス体と、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、前記コアレスファイバのファラデー回転子側端部には傾斜面が設けられており、前記ガラス体は光軸が通る非平行な2面のうちコアレスファイバ側に位置する一方面に前記ファラデー回転子が接合されるとともに、他方面に前記全反射ミラーが形成されており、更に前記コアレスファイバの傾斜面と該コアレスファイバの光軸に垂直な面のなす角度βが、前記ガラス体の一方面と他方面のなす角度α以上に設定されていることを特徴とする。 In the present invention, in order to solve the above problems, a graded index fiber, a coreless fiber, a Faraday rotator, a glass body, and a total reflection mirror are sequentially arranged on one end side of an optical fiber having an inclined surface. In the Faraday rotating mirror, an inclined surface is provided at the end of the coreless fiber on the Faraday rotator side, and the glass body is disposed on one surface located on the coreless fiber side of the two non-parallel surfaces through which the optical axis passes. The Faraday rotator is bonded, the total reflection mirror is formed on the other surface, and an angle β formed between the inclined surface of the coreless fiber and a surface perpendicular to the optical axis of the coreless fiber is the glass body. The angle between the one surface and the other surface is set to an angle α or more.
さらに前記角度βが3〜9度に設定されていることを特徴とする。 Further, the angle β is set to 3 to 9 degrees.
以上、本発明によれば、傾斜面を有する光ファイバの一端に、グレーデッドインデックスファイバと、コアレスファイバと、ファラデー回転子と、ガラス体と、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、前記コアレスファイバのファラデー回転子側の端部には傾斜面を有し、前記ガラス体は光軸が通る非平行な2面を有し、該2面のうちコアレスファイバ側の一方面に前記ファラデー回転子が接合されるとともに、他方面には全反射ミラーが形成されており、且つ、前記コアレスファイバの傾斜面と光軸に垂直な面のなす角度βが、前記ガラス体の一方面と他方面のなす角度α以上に設定されていることを特徴とするので、挿入損失が最小となるよう全反射ミラーの調心を行うと、同時にファラデー回転子は光ファイバからの出射光に対し所望の最適角度をもって配置されるので反射減衰量も抑制できる。すなわち、ファラデー回転子に角度をつけて配置することで、ファラデー回転ミラー表面における不要反射は効果的に抑制されるため、ファラデー回転ミラーの挿入損失と反射減衰量の両方の特性を簡便な作業で同時に良好な値に調整することが可能になる。 As described above, according to the present invention, in the Faraday rotation mirror in which the graded index fiber, the coreless fiber, the Faraday rotator, the glass body, and the total reflection mirror are sequentially arranged at one end of the optical fiber having the inclined surface. The end of the coreless fiber on the side of the Faraday rotator has an inclined surface, and the glass body has two non-parallel surfaces through which the optical axis passes. A Faraday rotator is joined, a total reflection mirror is formed on the other surface, and an angle β formed between the inclined surface of the coreless fiber and a surface perpendicular to the optical axis is set to one surface of the glass body. Since the other surface is set to an angle α or more, when the total reflection mirror is aligned so that the insertion loss is minimized, the Faraday rotator is simultaneously optical fiber. Since it is arranged at a desired optimum angle with respect to the light emitted from the light, the return loss can be suppressed. In other words, by arranging the Faraday rotator at an angle, unwanted reflections on the surface of the Faraday rotator mirror are effectively suppressed. Therefore, both the insertion loss and return loss characteristics of the Faraday rotator mirror can be simplified. At the same time, it becomes possible to adjust to a good value.
また安価なガラス体の形状を変えるだけでファラデー回転子の配置角度は自由に変更することができる。 Moreover, the arrangement angle of the Faraday rotator can be freely changed by simply changing the shape of an inexpensive glass body.
さらに、ガラス体とファラデー回転子を接合する工程は無調心であり、あらかじめ別工程で行っておくことができるので、生産性に優れるだけでなく、部材点数が大幅に減り、量産性に優れたファラデー回転子となる。 In addition, the process of joining the glass body and the Faraday rotator is uncentered and can be performed in advance in a separate process, which not only improves productivity, but also significantly reduces the number of parts and excels in mass productivity. Become a Faraday rotator.
前記角度βが3〜9度に設定されていることを特徴としているので、部材の屈折率の大小関係に起因して発生する屈折角にかなった部材配置となり、低損失で高反射減衰量を有したファラデー回転子となる。 Since the angle β is set to 3 to 9 degrees, the member arrangement conforms to the refraction angle generated due to the magnitude relationship of the refractive index of the member, and the low return loss and the high return loss are obtained. It becomes the Faraday rotator it has.
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。 Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is used about the code | symbol similar to a prior art.
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。 FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a Faraday rotating mirror according to the present invention.
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、グレーデッドインデックスファイバ3、ファラデー回転子4、ガラス体5、全反射ミラー6、磁石7、コアレスファイバ8よりなる。
As shown in the figure, the
3は光ファイバ2と略同径の光ファイバ型レンズであり、グレーデッドインデックスファイバやグリンレンズ、コア拡大ファイバなどが該当する。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。
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。
The
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。
The
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。
The
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。
The
しかしながら、反射減衰量を50dB以上にするにはコアレスファイバ8の端面を3乃至9度の角度βに斜め研磨するだけではなく、コアレスファイバ8とファラデー回転子4とガラス体5との屈折率の大小関係によって生じる屈折角に合わせて、ガラス体5の傾斜面の角度αも決めなくてはならない。傾斜角度の最適値はスネルの法則から求まる。
However, in order to increase the return loss to 50 dB or more, not only the end face of the
すなわち、コアレスファイバ8にはグレーデッドインデックスファイバ3によるレンズ効果を補うように低い屈折率を持つ材料が選ばれ、例えば石英の屈折率1.46などが適している。一方、ガラス体5の材料には屈折率が1.5乃至1.8の、例えばBK7など、透光性に優れ、科学的に安定な光学ガラスが選ばれる。
That is, a material having a low refractive index is selected for the
上述のような屈折率をもつ材料を選んだとき、角度αより角度βを大きくするとファラデー回転ミラー1の挿入損失を0.8dB以下に抑えることが可能となる。
When a material having a refractive index as described above is selected, if the angle β is made larger than the angle α, the insertion loss of the
ここで、ファラデー回転子4とガラス体5はあらかじめ無調心で接合されており、光学素子ブロック17を形成している。組立時には光学素子ブロック17を動かして全反射ミラー6の角度を挿入損失が最小となるように調整すれば、ファラデー回転子4はガラス体の傾斜角度αにしたがった角度で固定されることになる。このとき、光ファイバ型レンズ3の端面に光学素子ブロック17を接合すれば支持部材は大幅に省略できる。また、スペースが無い分、長さを短くできる。
Here, the
図2は本発明のファラデー回転ミラーの先端部の構造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。なお、接着剤による層は図示していない。 FIG. 2 is a sectional view showing the structure of the tip of the Faraday rotating mirror of the present invention. The description of the above-described symbols is omitted. In addition, the layer by an adhesive agent is not illustrated.
Mは光路の中心軸を模式的に表した線である。このとき、符号A乃至Dはそれぞれ、屈折角の大きさを表している。このとき角度βを3〜9度の範囲で選ぶと反射減衰量が50dB以上となり高性能なファラデー回転ミラーとなる。 M is a line schematically representing the central axis of the optical path. At this time, symbols A to D each represent the size of the refraction angle. At this time, if the angle β is selected in the range of 3 to 9 degrees, the return loss becomes 50 dB or more, and a high-performance Faraday rotating mirror is obtained.
以上、本実施例に示したファラデー回転ミラー1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。
As described above, according to the
本発明の実施例として図1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。 As an example of the present invention, the Faraday rotating mirror shown in FIG. Each component and configuration will be described below.
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、ガラス体5の一面に直接形成され、反射率99%以上のものを用いた。ファラデー回転子4の表面、およびガラス体の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。
The
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。
The
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。
The
ファラデー回転子4とガラス体5はあらかじめ無調心で接合されており、光学素子ブロック17を形成している。
The
コアレスファイバ8の屈折率が1.46、ファラデー回転子4の屈折率が2.4、ガラス体の屈折率が1.5としたとき、光ファイバ2の端面傾斜角βは8度で、ガラス体5の傾斜角度は7.7度とした。
When the refractive index of the
このガラス体17を動かすことで全反射ミラー6を調心し、挿入損失が0.5dBとなるようにした。このとき、ガラス体の傾斜角度は7.7度に設定してあるため、ファラデー回転子4は光軸に対し略7.7度の角度で固定され、挿入損失0.5dB、反射減衰量55dBのファラデー回転子が得られた。
The
図5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3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部品点数を10点以下に減らすことができ、調心箇所も3カ所あったものが1箇所に簡略化できた。 Since the conventional Faraday rotating mirror shown in FIG. 5 has an insertion loss of 1.0 dB and a return loss of 28 dB, significant performance improvement is achieved by the present invention. Further, the conventional Faraday rotating mirror of FIG. 3 has a number of parts exceeding 15, but the Faraday rotator according to the present invention can reduce the number of parts to 10 or less, and there are 1 centering places. I was able to simplify the location.
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。 Next, the reliability of the fabricated Faraday rotating mirror was evaluated. The tests were conducted vibration test, impact test, temperature cycle test, high temperature holding test, low temperature holding test, high temperature high humidity test shown in Telcordia 1221. In all tests, the amount of change in insertion loss is ± 0.2 dB or less, Good results were obtained with a change in return loss of ± 3 dB or less.
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。 With the above trial manufacture, it is possible to provide a Faraday rotating mirror that is small in size, excellent in productivity, excellent in optical characteristics, and excellent in reliability.
1、10、16、20 ファラデー回転ミラー
2、11 光ファイバ
3 グレーデッドインデックスファイバ
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
12 結合用レンズ
17 光学素子ブロック
8 コアレスファイバ
21 コア拡大ファイバ
21a コア
21b クラッド
α ガラス体の傾斜角度
β 傾斜角度
A、B、C、D 屈折角
L 光路
M 光路の中心軸
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記コアレスファイバのファラデー回転子側端部には傾斜面が設けられており、
前記ガラス体は光軸が通る非平行な2面のうちコアレスファイバ側に位置する一方面に前記ファラデー回転子が接合されるとともに、他方面に前記全反射ミラーが形成されており、
更に前記コアレスファイバの傾斜面と該コアレスファイバの光軸に垂直な面のなす角度βが、前記ガラス体の一方面と他方面のなす角度α以上に設定されていることを特徴とするファラデー回転ミラー。 In the Faraday rotation mirror in which the graded index fiber, the coreless fiber, the Faraday rotator, the glass body, and the total reflection mirror are sequentially arranged on one end side of the optical fiber having the inclined surface,
An inclined surface is provided at the Faraday rotator side end of the coreless fiber,
The glass body has the Faraday rotator bonded to one surface located on the coreless fiber side of the two non-parallel surfaces through which the optical axis passes, and the total reflection mirror is formed on the other surface,
Further, the angle β formed by the inclined surface of the coreless fiber and the surface perpendicular to the optical axis of the coreless fiber is set to be equal to or greater than the angle α formed by one surface and the other surface of the glass body. mirror.
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KR20230046162A (en) * | 2021-09-29 | 2023-04-05 | 한국광기술원 | Fiber-based Faraday Rotating Mirror and Optical Fiber Current Sensing System Using the Same |
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