JP2007199112A - 反射型光アッテネータ - Google Patents

Abstract

【課題】出力ポートに収束しない光成分が光ファイバのコアのみならずクラッド部からも離れるように複屈折素子による分離量より長さを最適化し、偏光依存性損失を低減すると共に、光デバイス全体としての小型化の実現を図る。
【解決手段】偏波分離合成用複屈折素子１０と、レンズ１２と、反射鏡１６とがその順序で配列され、更に可変偏波回転手段１４を挿入し、入力ポート（入力ファイバ２０）と出力ポート（出力ファイバ２２）を設定し、可変偏波回転手段で偏波方向の回転角度を制御することにより反射光量を制御する。反射鏡を経てレンズにより収束する反射光成分のうち、偏波分離合成用複屈折素子により出力ポートに結合しない２成分の分離量をＡ、出力ポートの光ファイバのクラッド直径をＤｃｄ、反射光のモードフィールド径をＭＦＤとしたとき、Ｄｃｄ＋ＭＦＤ＜Ａ＜６００μｍを満たすように設定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、光通信あるいは光計測器などで使用する反射型光アッテネータに関し、更に詳しく述べると、偏波分離合成用の複屈折素子の光軸方向長さを最適化することにより、偏波依存性損失を低減化した反射型光アッテネータに関するものである。

光通信システムあるいは光計測システムなどでは、透過光量を制御するための光デバイスである可変光アッテネータを必要とする。可変光アッテネータの典型的な例は、可変偏波回転手段（可変ファラデー回転子）の光軸上の前後（入力側と出力側）に偏光子と検光子とを設置する対向型である。可変偏波回転手段は、ファラデー素子（ファラデー効果を有する磁性ガーネット単結晶膜など）に電磁石などにより外部磁界を印加し、その外部印加磁界を変化させることにより、ファラデー素子を透過する光のファラデー回転角を制御するものである。可変光アッテネータは、このファラデー回転角の制御によって、光の減衰量を可変制御する。

近年、波長多重通信が実用化され始めたことにより、挿入損失の均等化のために各波長毎に光アッテネータを組み込むことが行われている。そのような使用形態では、特に安価に製作でき、小型化できることが重要である。従来の対向型の可変光アッテネータは、入出力を対向配置する場合以外では、ファイバ引き回しのために広いスペースが必要となり実装の自由度が低い。

このような問題を解決できる技術として、偏波分離合成用複屈折素子と、レンズと、反射鏡を順に配列し、入力ポートと出力ポートを偏波分離合成用複屈折素子側に設置して、偏波分離合成用複屈折素子と反射鏡との間に配置した可変偏波回転手段で偏波方向の回転角度を制御することにより入射光の減衰量を調整可能とした反射型の可変光アッテネータが提案されている（特許文献１参照）。

しかし、一般に複屈折素子を用いた光デバイスでは、偏波を分離合成するため偏光依存性損失が生じ易く、その低減は重要課題とされている。偏光依存性損失の主な原因としては、複屈折素子により分離された２成分がファラデー回転素子によって各々偏波回転した際に生じる回転角差によるものと、複屈折素子により再度合成され出力ポートに収束する際、収束されない光成分の漏れ光による影響などがある。
特開２００３−１０７４２０公報

本発明が解決しようとする課題は、複屈折素子を用いた反射型光アッテネータの偏光依存性損失を低減化することである。

本発明は、偏波方向が直交関係にある同じ光路の光を分離し異なる光路の光を合成する平行平面型の偏波分離合成用複屈折素子と、光収束性のレンズと、該レンズの焦点に位置する反射鏡とがその順序で配列され、前記偏波分離合成用複屈折素子と反射鏡の間の任意の位置に可変偏波回転手段を設置し、光ファイバを備えた入力ポートと出力ポートを前記偏波分離合成用複屈折素子側に設定し、前記可変偏波回転手段で偏波方向の回転角度を制御することにより反射光量を制御する構造であって、前記反射鏡を経てレンズにより収束する反射光成分のうち、前記偏波分離合成用複屈折素子により出力ポートに結合しない２成分の分離量をＡ、出力ポートの光ファイバのクラッド直径をＤｃｄ、反射光のモードフィールド径をＭＦＤとしたとき、Ｄｃｄ＋ＭＦＤ＜Ａ＜６００μｍを満たすように設定されていることを特徴とする反射型光アッテネータである。ここで前記可変偏波回転手段は例えば可変ファラデー回転子であり、レンズと反射鏡の間に配置するのが好ましい。

また、より好ましくは、分離量Ａを、Ｄｃｄ＋ＭＦＤ＜Ａ＜３００μｍとすることである。

偏波分離合成用複屈折素子とレンズとの間に、他の光学部品を挿入することもできる。挿入する光学部品としては、例えば固定ファラデー回転子や光学フィルタなどがある。

前記偏波分離合成用複屈折素子は、典型的にはＴｉＯ₂ 又はＹＶＯ₄ であり、その光軸方向の長さは０．６〜１．６ｍｍ程度とするのが好ましい。

本発明の反射型光アッテネータは、出力ポートに収束しない反射光成分が光ファイバのコアのみならずクラッド部からも離れるように、複屈折素子の形状を最適化したので、偏光依存性損失を低減できると共に、光デバイス全体として小型化を図ることができる。

また本発明では、偏波分離合成用複屈折素子とレンズとの間に光学部品を配置することができ、例えば光学部品として可変ファラデー回転子のファラデー素子とファラデー回転方向が同じファラデー素子を組み込む固定ファラデー回転子を用いると、同じ組成の材料で作製できることから、波長依存性損失や温度依存性損失などを等しくでき、より一層良好な光学特性が得られる。

本発明に係る可変光アッテネータの典型例の概略構成を図１に示す。また、その光路を図２に示す。説明を分かり易くするために、次のように座標軸を設定する。光学部品の配列方向（入射光が進む方向）をｚ方向（図面では右方向）とし、それに対して直交する２方向をｘ方向（水平方向）、ｙ方向（垂直方向）とする。従って、図２のＡは平面を表しており、Ｂは正面を表しているということになる。

この可変光アッテネータは、ｚ方向に向かう偏波方向が直交関係にある同じ光路の光をｙ方向に分離し−ｚ方向に向かう異なる光路の光を合成する平行平面型の偏波分離合成用複屈折素子１０と、光収束性のレンズ（例えば凸レンズ）１２と、可変偏波回転手段（可変ファラデー回転子）１４と、前記レンズ１２の焦点に位置する反射鏡１６とが、その順序で配列されている。そして、入力ポートと出力ポートを前記偏波分離合成用複屈折素子側に設定する。この例では、ｚ方向を見て右側光路に入力ポート（入力ファイバ２０）が位置し、左側光路に出力ポート（出力ファイバ２２）が位置するように、２芯フェルール２４を設置している。

平行平面型の偏波分離合成用複屈折素子１０は、例えばＴｉＯ₂ 結晶（ルチル）あるいはＹＶＯ₄ 結晶からなる。なお、「平行平面型」とは、光の入射面と出射面が互いに平行となっている形状を意味しており、平行平板形状あるいは平行四辺形のブロック形状、直方体形状なども含まれる。

可変偏波回転手段１６は、ファラデー素子３４と、該ファラデー素子３４に２方向から固定磁界と可変磁界による合成磁界を印加する構成である。固定磁界は、反射鏡１６の背後に配置した円板状の永久磁石３６によって光が進む方向に印加される。可変磁界は、電磁石３８によって光が進む方向に対して垂直な方向に印加される。これら２つの磁界がファラデー素子３４に印加され、その合成磁界に応じて該ファラデー素子３４のファラデー回転角が変化する。

入射した光は、偏波分離合成用複屈折素子１０、レンズ１２を通り反射鏡１６に集光して反射され、反射戻り光は、再びレンズ１２、偏波分離合成用複屈折素子１０を通って出射する。その過程で、光は、可変偏波回転手段１６（実際にはファラデー素子３４）を往復する。従って本発明では、１個の複屈折素子１０がそれぞれ偏光子と検光子の２つの機能を兼用する。本発明の可変光アッテネータでは、可変偏波回転手段１６で偏波方向の回転角度を制御することにより、反射出力光量が制御されることになる。

入力ファイバ２０からｚ方向に入射する光は、偏波分離合成用複屈折素子１０で常光と異常光とにｙ方向に光分離する。そしてレンズ１２で集光し、その集光途中でファラデー素子３４を通過する。ファラデー回転角が０度のときは、レンズ焦点位置の反射鏡１６では偏波方向は回転せず反射する。−ｚ方向に戻る反射光は、再びファラデー素子３４及びレンズ１２を通過するが、その際も偏波方向は回転しない。偏波分離合成用複屈折素子１０ではすべての常光と異常光とがｙ方向に偏波合成され出力ファイバ２２に結合する。このようにして、ファラデー回転角が０度の場合は、入力ファイバ２０からの入射光量は、殆ど減衰することなくほぼ全光量が出力ファイバ２２へと出射することになる。

ファラデー回転角が４５度に設定されているときは、光はレンズ焦点位置の反射鏡１６では偏波方向が４５度回転して反射する。−ｚ方向に戻る反射光は、再びファラデー素子３４及びレンズ１２を通過し、その際に偏波方向が更に４５度（従って合計で９０度）回転する。そして、偏波分離合成用複屈折素子１０では、すべての常光と異常光とが更にｙ方向に分離する。従って、入力ファイバ２０からの入射光は、殆ど出力ファイバ２２には結合しない。つまり、入力ファイバからの入射光量の殆ど全てが減衰することになる。

可変偏波回転手段１６によって偏波方向が任意の角度（例えば２２．５度）回転するときは、光はレンズ焦点位置の反射鏡１６では偏波方向が２２．５度回転して反射する。−ｚ方向に戻る反射光は、再びファラデー素子３４及びレンズ１２を通過し、その際にも偏波方向が更に同じ角度（ここでは２２．５度：従って合計で４５度）回転する。そして偏波分離合成用複屈折素子１０で、一部の常光と異常光はｙ方向に偏波合成され出力ファイバ２２に結合するが、残りの常光と異常光は更にｙ方向に偏波分離するため出力ファイバには結合しない。従って、入力ファイバ２０からの入射光は減衰して（ファラデー回転角を２２．５度に設定した場合は、入射光量がほぼ半減して）出力ファイバ２２へ出射することになる。

このように可変偏波回転手段１６で偏波方向の回転角度を制御することによって、入射光の減衰量（言い換えれば反射出力光量）を自由に調整できることになる。動作原理は以上の通りである。

しかし複屈折素子が適切に設計されていないと、偏光依存性損失を低減できない。本発明は、複屈折素子による偏光の分離量を最適化するものである。具体的に、単一モード光ファイバ（ＳＭＦ）と複屈折素子（ＴｉＯ₂ ，ＹＶＯ₄ ）を用いた例で示す。単一モード光ファイバ（ＳＭＦ）は一般的なものであり、その仕様は次の通りである。
・モードフィールド径（ＭＦＤ）：１０μｍ
・クラッド直径（Ｄｃｄ）：１２５μｍ
・開口数（ＮＡ）：０．２１
・ファイバの屈折率ｎg ：１．５

複屈折素子を含むその他の条件を以下に示す。図３は各条件の説明図である。
・フェルールの傾斜：８°
・複屈折素子常光屈折率…ＴｉＯ₂ ：ｎo ＝２．４５、ＹＶＯ₄ ：ｎo ＝１．９４
・複屈折素子異常光屈折率…ＴｉＯ₂ ：ｎe ＝２．７１、ＹＶＯ₄ ：ｎe ＝２．１５
・複屈折素子傾斜角度β：８５°
・複屈折素子光学軸γ：４５°
・出射角度α：３．８°
・常光分離角度εo …ＴｉＯ₂ ：−１．４°，ＹＶＯ₄ ：−０．５°
・異常光分離角度εe …ＴｉＯ₂ ：４．２°，ＹＶＯ₄ ：４．９°
分離量Ａは図３に示す光路分離距離である。この条件での複屈折素子の厚みＬと分離量Ａの関係を図４に示す。図４から分かるように、ＴｉＯ₂ とＹＶＯ₄ の分離量Ａは殆ど一致している。

これらは代表例である。この場合、出力ポートの光ファイバのクラッド直径（Ｄｃｄ：１２５μｍ）＋反射光のモードフィールド径（ＭＦＤ：１０μｍ）以上の分離量（１３５μｍ）を得るには、複屈折素子の厚みは０．７ｍｍ以上に設定する必要がある。但し、実際は、フェルールの傾斜θ、複屈折素子の屈折率（ｎｏ，ｎｅ）、複屈折素子傾斜角度βや複屈折素子光学軸方向γによって複屈折素子の下限許容寸法は変動する。

また、上限許容寸法は、ファイバの開口数ＮＡとレンズ焦点距離ｆと有効径及び複屈折素子の有効径を基に設定する。複屈折素子の長さ寸法Ｌをいたずらに長くするのは光デバイスの大型化やコストアップになり有効な手段とならない。

図５に示す構成の場合、ＮＡ＝０．２１であるため開き角度（開口角度の１／２）θｒは約６°（＝ｓｉｎ^-1（ＮＡ）／２）となり、レンズの有効径をΦ０．８ｍｍとすると、フェルールとレンズとの距離は３．８３ｍｍ（＝（レンズの有効径の１／２）／ｔａｎ^-1（θｒ））まで可能である。しかし、実際に光デバイスに用いるレンズの焦点距離はｆ＝２．５〜１．３ｍｍであるため、図５のｆ１で示すレンズの焦点距離ｆ＋複屈折素子により焦点距離が伸びた分△ｆ（＝Ｌ×（１−１／ｎ（複屈折素子屈折率））が３．８３ｍｍを超えなければよい。但し、複屈折素子を長くすることはコストアップや光デバイス大型化の要因になるため、複屈折素子の長さは複数使用した場合も含め合計１．６ｍｍ以内とするのがよい。そのときの偏光の分離量は３００μｍ程度である。

試作した反射型光アッテネータについて、複屈折素子としてＴｉＯ₂ （ルチル）結晶を用い、電磁石の駆動電流（従って可変磁界の強さ）に対する減衰量並びに偏光依存性損失（ＰＤＬ）の変化を測定した結果を図６に示す。図６において、実線が減衰量の変化、点線が偏光依存性損失の変化を示し、いずれも太線（ａ）がルチル長１．０ｍｍの場合、細線（ｂ）がルチル長０．５ｍｍの場合である。ルチル長０．５ｍｍの場合は、減衰量３５ｄＢ以上が得られるが、偏光依存性損失がかなり大きくなっている。それに比べて、ルチル長１．０ｍｍの場合は、減衰量４０ｄＢ以上が得られ、しかも偏光依存性損失はかなり小さく抑えられていることが分かる。

このルチル長０．５ｍｍの場合は、図４から分かるように分離量Ａが約１００μｍに相当し、反射光が偏光分離してコアから離れていく２つの成分がクラッド部に入る寸法であり、他方、ルチル長１．０ｍｍの場合は、分離量Ａが約２００μｍに相当し、反射光の偏光分離してコアから離れている２つの成分がクラッド部から更に離れた位置に出射する寸法である。これらのことから、ルチル長０．５ｍｍの分離量では不足し、ルチル長１．０ｍｍにすれば十分であることが裏付けられる。

図７は、本発明に係る反射型光アッテネータの他の例を示している。この例は、図２の構成に対して更に固定ファラデー回転子１８を追加した構成である。従って、基本的な構成は図２と同様となるため、説明を簡略化するために対応する部材には同一符号を付す。固定ファラデー回転子１８は、図示するのを省略するが、具体的には、円筒状永久磁石の内側にファラデー素子を配置した構成とする。

偏波可変回転手段１４のファラデー素子を基本膜ファラデー素子、固定ファラデー回転子１８のファラデー素子を補償膜ファラデー素子として、組成が同じＢｉ置換希土類鉄ガーネットＬＰＥ膜が使用できる。その場合、基本膜ファラデー素子は熱処理（アニール）が施され、補償膜ファラデー素子は熱処理が施されておらず前記基本膜ファラデー素子に比べて磁気異方性が大きい特性を呈するものとする。このようにすると、両ファラデー素子で、ファラデー回転角の温度依存性損失係数や波長依存性損失係数が全く同じであることから、同一ファラデー回転角のときに、それらの損失係数を完全に相殺することができる。

ところで円筒状永久磁石の内側に配置された補償膜ファラデー素子は、磁石内側の磁化分布の影響を受け、磁化飽和する部分と磁化飽和しない部分とが生じる恐れがある。このような状態になると、ファラデー素子内に磁区が生じ、消光比劣化の原因となる。更に、補償膜ファラデー素子の磁化方向の面内分布によりファラデー回転角に差が生じ、基本膜ファラデー素子との回転角差を生じることになる。しかし、上記の例のように、補償膜ファラデー素子として磁気異方性の高い特性の材料を使用すると、これらの問題も回避できる。

固定ファラデー回転子の補償膜ファラデー素子のファラデー回転角と可変偏波回転手段の基本膜ファラデー素子の可変磁界を印加していない状態でのファラデー回転角の差を±２度以内に設定すると、減衰量減少型の可変光アッテネータが得られる。また、少なくとも可変偏波回転手段の基本膜ファラデー素子のファラデー回転角は、往復で最大９０度以上に設定する。そのようにすると、最大挿入損失及び最小挿入損失が得られる。

本発明に係る可変光アッテネータの概略構成図。 その光路説明図。 光ファイバと複屈折素子での光路説明図。 複屈折素子厚みＬと分離量Ａの関係を示すグラフ。 可変光アッテネータの光路説明図。 駆動電流−減衰量、偏光依存性損失特性線図。 本発明に係る可変光アッテネータの他の実施例の光路説明図。

符号の説明

１０ 偏波分離合成用複屈折素子
１２ レンズ
１４ 可変偏波回転手段
１６ 反射鏡
２０ 入力ファイバ
２２ 出力ファイバ
３４ ファラデー素子

Claims (5)

1. 偏波方向が直交関係にある同じ光路の光を分離し異なる光路の光を合成する平行平面型の偏波分離合成用複屈折素子と、光収束性のレンズと、該レンズの焦点に位置する反射鏡とがその順序で配列され、前記偏波分離合成用複屈折素子と反射鏡の間の任意の位置に可変偏波回転手段を設置し、光ファイバを備えた入力ポートと出力ポートを前記偏波分離合成用複屈折素子側に設定し、前記可変偏波回転手段で偏波方向の回転角度を制御することにより反射光量を制御する構造であって、前記反射鏡を経てレンズにより収束する反射光成分のうち、前記偏波分離合成用複屈折素子により出力ポートに結合しない２成分の分離量をＡ、出力ポートの光ファイバのクラッド直径をＤｃｄ、モードフィールド径をＭＦＤとしたとき、
   Ｄｃｄ＋ＭＦＤ＜Ａ＜６００μｍ
   を満たすように設定されていることを特徴とする反射型光アッテネータ。
2. 前記可変偏波回転手段が可変ファラデー回転子であり、レンズと反射鏡の間に配置される請求項１記載の反射型光アッテネータ。
3. 偏波分離合成用複屈折素子とレンズとの間に、光学部品を配置する請求項２記載の反射型光アッテネータ。
4. 光学部品が固定ファラデー回転子である請求項３記載の反射型光アッテネータ。
5. 前記偏波分離合成用複屈折素子がＴｉＯ₂ 又はＹＶＯ₄ であり、その光軸方向の長さが０．６〜１．６ｍｍである請求項１乃至４のいずれかに記載の反射型光アッテネータ。
   

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