JP2007225905A - 光アイソレータおよび双方向光送受信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化が可能で消光比が高い光アイソレータを実現する。
【解決手段】本発明は、偏光子と１／４波長板として作用する位相板とが積層されてなるλ_１からλ_２（λ_１＜λ_２）の波長範囲の光に対して用いられる光アイソレータであって、前記偏光子は、第１の偏光方向の直線偏光を直進透過させ、第１の偏光方向と直交する偏光方向である第２の偏光方向の直線偏光を回折させる偏光回折格子が少なくとも２枚積層されてなる複層回折型偏光子であって、それぞれの偏光回折格子の格子構造の凸部と凹部とが第２の偏光方向の直線偏光に対して示す光路長差Ｒ_１およびＲ_２が、λ_１の｛ｍ＋（１／２）｝倍からλ_２の｛ｍ＋（１／２）｝倍の範囲（ｍは０または３以下の整数）の異なる値であることを特徴とする光アイソレータを提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は光アイソレータおよび双方向光送受信装置に関する。

光通信システムにおいて、光源として用いられる半導体レーザから出射された光が出射光の光路上に配置された光学部品により反射されて生じ、光路上を逆方向に進行する光を戻り光という。戻り光が半導体レーザに戻って入射すると、出力変動・周波数変動・変調帯域抑制・ＬＤ破壊といった不安定動作の原因となるため、光源と光路上の光学部品との間に、光を一方向にだけ通す光素子である光アイソレータが配置され用いられる。

光アイソレータとしては、磁気光学におけるファラデー効果を応用した光アイソレータが用いられる。ファラデー効果とは印加磁界により光の偏光面が回転する現象であり、ファラデー効果を利用した磁性ガーネット単結晶などをファラデー回転子と言う。ファラデー回転子を用いた光アイソレータ３００の基本的な構成例を図６に示す。

図６に示す光アイソレータ３００は、ファラデー回転子３１、ファラデー回転子３１に磁場を印加するための磁石３３、およびそれぞれの進相軸が互いになす角度を４５°として配置された２枚の光吸収型の偏光子３０、３２を備えていて、これらが外部への磁場漏洩を防止する磁気シールドを兼ねた金属製ホルダー３４内に固定されている。

図６に示す光アイソレータ３００では、偏光子３０が配置された側に入射された入射光は、偏光子３０により１方向の直線偏光のみが透過され、透過された直線偏光はファラデー回転子３１により偏光方向が４５度回転され、偏光子３２の透過軸方向と偏光方向が一致されて偏光子３２へ入射され、偏光子３２により透過されて光アイソレータ３００から出射される。しかしながら、光アイソレータ３００に対して偏光子３２が配置された側から入射された光は、まったく透過されない。

このような従来技術の光アイソレータでは、磁場印加のための磁石３３および磁場漏洩を防止する磁気シールドを兼ねた金属製ホルダー３４が必須であり、素子が大型化する問題がある。また、ガーネット単結晶は１μｍ以下の波長帯の光に対しては１ｄＢ以上の吸収損失が発生するため、このような波長帯の光に対して用いることが難しい。

また、透過吸収型の偏光子としては、２色性の高分子材料を染色・吸着させ、高度に延伸・配向させることで吸収２色性を発現させる、あるいは、ガラス母材中に分散・延伸された金属微粒子により吸収２色性を発現させる、透過吸収型のシート状の偏光子が用いられるが、このような透過吸収型の偏光子は、透過すべき偏光方向の光に対しても吸収があるため、光吸収損失が発生する問題がある。さらに、光吸収により発熱するため、素子特性の安定化や信頼性確保のため冷却などの対策を要する。

このような透過吸収型の偏光子の問題点を解決するために、偏光回折格子を用いた光アイソレータの構成例が特許文献１に記載されている。しかしながら、特許文献１の第１および第２の実施態様として記載された光アイソレータは、所定の偏光方向の直線偏光を直進透過させ、これと直交する偏光方向の直線偏光を直進透過させないが、直進透過された出射光が光路上に置かれた光学素子によって反射される等により生じた戻り光は、光アイソレータにより遮断されずに入射側へ出射される。また、第３の実施態様として記載された光アイソレータは、所定の偏光方向の直線偏光のみを、偏光方向が直交する直線偏光に変換するとともに、液晶セルへの印加電圧により直進透過光量を調整して透過させるが、第１および第２の実施態様と同様に、直進透過された出射光が光路上で反射される等により生じた戻り光は、該光アイソレータにより遮断されずに入射側へと出射される。

特開２００３−０６６２３２号公報

本発明は上述の実情に鑑み、特に光ストレージや光通信分野で用いられる、高出力半導体レーザへの戻り光を低減して、該高出力半導体レーザのレーザ発振強度を安定化させる光アイソレータ、とくに小型化が可能であるとともに、光吸収に起因する熱を生じず、そのため特性が安定で高い信頼性が維持される光アイソレータを提供することを目的とする。また、かかる光アイソレータを用いた双方向光送受信装置を提供することを目的とする。

本発明は、以下に記載の光アイソレータを提供する。
１）偏光子と位相板とが積層されてなる、λ_１からλ_２（λ_１＜λ_２）の波長範囲の光に対して用いられる光アイソレータであって、前記偏光子は少なくとも２枚の偏光回折格子が積層されてなる複層回折型偏光子であって、前記位相板は、前記偏光子により直進透過された第１の偏光方向の直線偏光を円偏光に変換して出射させるとともに、入射した円偏光を直線偏光に変換して出射させる１／４波長板であって、前記偏光回折格子は、一方向に伸長する凹凸構造が周期的に形成された、常光屈折率ｎ_ｏおよび異常光屈折率ｎ_ｅ（ｎ_ｏ≠ｎ_ｅ）の複屈折性材料からなる格子構造を持ち、前記凹部にはｎ_ｏまたはｎ_ｅと実質的に等しい屈折率ｎ_ｓの等方性透明材料が充填され、第１の偏光方向の直線偏光を直進透過させ、第１の偏光方向と直交する偏光方向である第２の偏光方向の直線偏光を回折させる偏光回折格子であって、前記複層回折型偏光子は、少なくとも光路長差Ｒ_１の偏光回折格子と光路長差Ｒ_２の偏光回折格子とが積層されてなり、光路長差Ｒ_１およびＲ_２が、λ_１の｛ｍ＋（１／２）｝倍からλ_２の｛ｍ＋（１／２）｝倍の範囲の異なる値であることを特徴とする光アイソレータ。ここで、偏光回折格子の光路長差とは、前記光アイソレータを用いる波長の第２の偏光方向の直線偏光に対して、偏光回折格子の凸部と凹部とが示す光路長差である。またｍは０または３以下の自然数である。

２）前記位相板が、λ_ｃ＝（λ_１＋λ_２）／２としたときに、略λ_ｃ／２の位相差を有する位相板と、略λ_ｃ／４の位相差を有する位相板と、の２枚の位相板を、それぞれの進相軸が、位相板面内の基準の方向となす角度が異なるように積層された多層位相板からなる上記（１）に記載の光アイソレータ。
３）前記複層回折型偏光子を構成するそれぞれの偏光回折格子の、凹凸構造が伸長する方向および／または凹凸構造の周期が互いに異なっている上記（１）または（２）に記載の光アイソレータ。

また本発明は、
４）上記（１）〜（３）のいずれかに記載の光アイソレータと、直線偏光を出射する光源と、を備えた光送信装置を提供する。

本発明の光アイソレータを用いると、半導体レーザなどの光源から出射され光アイソレータに直線偏光の入射光を効率よく直進透過させて出射光として出射させるとともに、出射光が光路中に配置された光学部品の界面等により反射されて生じた戻り光が、光路を逆方向に進行して光源へ戻るのを効果的に遮断することができる。このとき、磁場発生手段や磁場漏洩を防止する磁気シールドを要さないため、光アイソレータを小型化することができる。また、光吸収に起因した発熱が無いため、特性が安定するとともに高い信頼性が維持できる。

２）の構成により、戻り光の逆方向への進行を最大に遮断することができる。
３）の構成とすることにより、本発明の光アイソレータに入射された入射光中の第２の偏光方向の直線偏光成分が、多重回折されて直進透過光に重畳されて出射されるのをより効果的に遮断する機能が実現される。
また４）の構成により、戻り光による光源への影響が抑えられるとともに、小型化が可能で、特性が安定化されて高い信頼性が維持できる双方向光送受信装置が実現される。

図１は本発明の光アイソレータの構成を示す概略断面図である。すなわち本発明の光アイソレータ１００は、複層回折型偏光子１０と位相板２０とが積層された構成を有する。
まず、複層回折型偏光子１０について説明する。基板面内の基準の方向をＸ軸とし、基板面内でＸ軸と直交する方向をＹ軸、基板面の法線方向をＺ軸とする。透明基板１、２のそれぞれの片面に、常光屈折率ｎ_ｏおよび異常光屈折率ｎ_ｅ（ｎ_ｏ≠ｎ_ｅ）の複屈折性材料層を、その進相軸（常光屈折率を示す方向）がＸ軸方向に揃うように形成する。次にそれぞれの透明基板上に形成した複屈折性材料層を加工して、一方向に伸長する凹凸構造が周期的に形成された、周期がＰ_１で段差がｄ_１の格子構造５と、周期がＰ_２で段差がｄ_２の格子構造６と、を形成する。格子構造の断面形状に制約はないが、加工の容易性から矩形形状とすることが好ましい。なお本明細書において透明であるとは、本発明の光アイソレータを使用する波長帯の光に対して高透過であることをいう。

格子構造５、６を形成した後、常光屈折率ｎ_ｏまたは異常光屈折率ｎ_ｅに実質的に等しい屈折率ｎ_ｓの等方性透明材料を少なくとも格子構造の凹部に充填して等方性透明材料層７を形成して、透明基板１および透明基板２の基板上に偏光回折格子が得られる。ここで、等方性透明材料とは、屈折率が等方的な透明材料をいい、屈折率が実質的に等しいとは、±１０％の範囲内で一致していることをいう。また、少なくとも凹部に充填するとは、凸部の上端面と同一面になるように凹部を充填していてもよく、凹部を満たすとともにさらに凸部の上端面を覆うように充填してもよいことをいう。

格子構造に加工される複屈折性材料層を高分子液晶を用いて形成すると、所望の常光屈折率および異常光屈折率をもつ層を進相軸の方向を揃えて形成することができて、また凹凸構造の加工が容易なため好ましい。また、等方性透明材料層７を形成するための等方性透明材料としては、紫外線硬化型アクリル系や熱硬化型エポキシ系などの光学接着材が好ましく用いられるが、本発明の光アイソレータを用いる波長範囲の光に対して透明で所望の屈折率を有するものであれば、これらに限定されず他の材料を適用することもできる。
次に、偏光回折格子が形成された透明基板１と透明基板２とを、それぞれの格子構造とされた複屈折性材料層の進相軸を一致させて積層して、複層回折型偏光子１０が得られる。

複層回折型偏光子１０の作用について、まず等方性透明材料７として複屈折性材料の常光屈折率ｎ_ｏに実質的に等しい屈折率ｎ_ｓをもつ等方性透明材料を用いた場合について以下説明する。このような複層回折型偏光子に光を入射させると、透明基板１および透明基板２の上に形成された偏光回折格子の格子構造の凸部と凹部とは、格子構造とされた複屈折性材料層が常光屈折率を感じる偏光方向の直線偏光に対して同じ屈折率を示すため光路長差を持たないが（以下、格子構造の凸部と凹部とが光路長差を持たない直線偏光の偏光方向を第１の偏光方向という）、第１の偏光方向と直交する偏光方向（以下、この偏光方向を第２の偏光方向という）すなわち複屈折性材料層が異常光屈折率を感じる偏光方向の直線偏光に対しては屈折率差を示すので、光路長差を発生する。

これにより透明基板１および透明基板２の上に形成された偏光回折格子に入射した、第１の偏光方向の入射光は回折されずに直進透過され、第２の偏光方向の入射光はそれぞれの格子構造の、一方向に伸長する凹凸構造が伸長する方向（以下、格子長手方向という）と直交する方向に回折されて出射される。

このとき、偏光回折格子の格子構造５、６の段差ｄ_１およびｄ_２は、それぞれの格子構造の凸部と凹部とが第２の偏光方向の入射光に対して発生する光路長差Ｒ_１＝｜ｎ_ｅ−ｎ_ｓ｜×ｄ_１およびＲ_２＝｜ｎ_ｅ−ｎ_ｓ｜×ｄ_２が、λ_１の｛ｍ＋（１／２）｝倍からλ_２の｛ｍ＋（１／２）｝倍の範囲（ｍは０または３以下の自然数）の異なる値とされる。この構成とすると、λ_１からλ_２（λ_１＜λ_２）の波長帯域の全ての波長の入射光に対して第２の偏光方向成分が直進透過する光量を最小とすることができて高い消光比が得られる。ｍは０とすると格子の加工が容易となって好ましい。
また、波長帯域の幅（λ_２−λ_１）は、λ_１とλ_２の平均値（λ_１＋λ_２）／２に対して３０％以下とすることが好ましい。より好ましくは２５％以下である。

以上の説明は、等方性透明材料層７を、複屈折性材料の常光屈折率ｎ_ｏに実質的に等しい屈折率ｎ_ｓをもつ等方性透明材料を用いて形成した場合について述べたが、等方性透明材料７として複屈折性材料の異常光屈折率ｎ_ｅに実質的に等しい屈折率ｎ_ｓをもつ等方性透明材料を用いた場合は、上記説明において常光屈折率ｎ_ｏ、異常光屈折率ｎ_ｅをそれぞれ異常光屈折率ｎ_ｅ、常光屈折率ｎ_ｏと読み替える以外は同様である。

このような所望の光路長差Ｒ_１およびＲ_２を得るためには、それぞれの偏光回折格子の段差ｄ_１およびｄ_２を調整したり、それぞれの偏光回折格子を構成する複屈折性材料を変えて第２の偏光方向の直線偏光に対する格子構造５、６と等方性透明材料層７との屈折率差を調整したりされる。例えば光通信で用いられる波長λ_１＝１２６０ｎｍから波長λ_２＝１６２０ｎｍの波長帯域の全ての波長の入射光に対して高い消光比が得られる複層回折型偏光子としては、光路長差６７５ｎｍと７６５ｎｍの偏光回折格子が積層された複層回折型偏光子が例示される。偏光回折格子を３枚以上直列に積層して複層回折型偏光子を形成すると、該波長帯域の全ての波長の入射光に対していっそう高い消光比が得られるのでより好ましい。

格子構造５、６の格子周期Ｐ_１およびＰ_２は、回折効率を高めるために、本発明の光アイソレータを用いる光の波長λより大きくすることが好ましい。格子周期Ｐ_１、Ｐ_２の上限は、本願の光アイソレータの口径や出射側の取り出しの口径と距離などに応じて適宜決められる。回折光の回折角を大きくして、直進透過光から回折光を分離し易くするためには、格子周期Ｐ_１、Ｐ_２は５０λ以下であることが好ましく、より分離し易くするためには２０λ以下であることがさらに好ましいが、これに限定されない。

図２に格子構造が形成された透明基板１とおよび２の平面図を示す。図２における透明基板１および２の面内のハッチングは、格子構造５、６の格子長手方向を表していて、透明基板１上の格子構造５では格子長手方向がＸ軸となす角度がΦ_１、透明基板２上の回折格子６では格子長手方向がＸ軸となす角度がΦ_２とされている。複層回折型偏光子に対して入射光が入射されたときに、一方の偏光回折格子で回折された回折光が他方の偏光回折格子でさらに回折された多重回折光がいずれの偏光回折格子によっても回折されずに直進透過された直進透過光に重畳すると、直進透過光における第２の偏光の直進透過成分が増加して消光比が劣化する。すなわち、複層回折型偏光子を構成する偏光回折格子により多重回折光が直進透過光に重畳しないようにすることが好ましい。

そのため、格子長手方向がＸ軸となす角度Φ_１、Φ_２は、それぞれの偏光回折格子により回折された回折光と、回折されないで直進透過された直進透過光と、が分離されるように、光学系の条件と関連して決定されることが好ましい。すなわち角度Φ_１およびΦ_２が互いに異なるようにすることが好ましい。同様の理由により、格子構造５、６の格子周期Ｐ_１、Ｐ_２は互いに異なるようにすることが好ましい。より好ましくは、格子ピッチＰ_１およびＰ_２が互いに異なるようにされかつ角度Φ_１およびΦ_２が互いに異なるようにされる。

複層回折型偏光子が２枚の偏光回折格子からなる場合は、それぞれの格子長手方向がＸ軸となす角度Φ_１、Φ_２の差異、すなわち格子長手方向が互いになす角度を９０°とすることが好ましい。

次に、このようにして得られた複層回折型偏光子１０に積層される位相板２０について、図４の俯瞰図を用いて説明する。位相板は、前記偏光子により直進透過された第１の偏光方向の直線偏光を円偏光に変換して出射させるとともに、入射した円偏光を直線偏光に変換して出射させる１／４波長板である。

図４（ａ）に概略構成を示した位相板８５は、複屈折性材料からなる１層の位相板８６を備えていて、この位相板８６は進相軸８７がＸＹ面内でＸ軸に対して４５°の角度を成す方向に揃えられていて、振動方向がＸ軸方向およびＹ軸方向の直線偏光の波長λ_ｃで入射光に対する位相差がλ_ｃ／４となるように厚さが調整されている。

図４（ｂ）に概略構成を示した位相板８０は、複屈折性材料からなる２層の位相板８１および８２を備えた多層位相板からなり、λ_ｃ／２の位相差を発生する複位相板８１と、λ_ｃ／４の位相差を発生する位相板８２とが、それぞれの進相軸８３および８４がＸ軸となす角度が所定の角度θ_１およびθ_２となるように積層されている。

図４（ａ）の１層の複屈折性材料層からなる位相板８５、および図４（ｂ）に示した多層位相板からなる位相板８０に対して、振動方向がＸ軸方向に揃った波長λ_ｃの直線偏光の入射光を入射させると、いずれの位相板を透過した透過光も１／４波長の位相差が与えられて円偏光に変換されて出射されるので、いずれの位相板であっても本発明の光アイソレータに適用することができる。多層位相板からなる位相板８０を用いると、波長λ_１からλ_２（λ_１＜λ_２）のすべての波長範囲の入射光に対して、１／４波長からのずれの小さい位相差が得られるので、該波長帯域の全ての波長の入射光に対して良好な特性の光アイソレータを実現することができて、より好ましい。

この多層位相板からなる位相板の構成の具体例としては、波長λ_１＝１２６０ｎｍから波長λ_２＝１６２０ｎｍの波長範囲（λ_ｃ＝（λ_１＋λ_２）／２＝１４４０ｎｍ）の光に対して用いる位相板として、位相差がλ_ｃ／２＝７２０ｎｍの位相板８１と、位相差がλ_ｃ／４＝３６０ｎｍの位相板８２とを、それぞれの進相軸がＸ軸となす角度θ_１およびθ_２が７５°および１５．５°となるように積層した構成が例示される。このような構成により、前記波長範囲のすべての波長に対して実質的に１／４波長の位相差を発生する位相板が得られ、Ｘ軸方向に振動方向が揃った直線偏光の入射光に対して、楕円率が０．９８以上とほぼ完全な円偏光の出射光が得られる。位相板８１と８２の進相軸が互いになす角度（θ_１−θ_２）は５５°〜６５°であればよいが、５８°〜６２°とすると、上記波長範囲において発生する位相差の、１／４波長からの差がさらに小さく抑制されるのでより好ましい。すなわち、このような多層位相板からなる位相板８０を用いると、波長λ_１＝１２６０ｎｍから波長λ_２＝１６２０ｎｍの波長範囲のすべての波長に対して、光源１１の発光点への戻り光を遮断する光アイソレータが実現できる。

位相板の複屈折性材料層は、前述の偏光回折格子における複屈折性材料層と同様に高分子液晶を用いて形成することが好ましい。高分子液晶を用いて多層位相板からなる位相板の複屈折性材料層を形成する場合には、例えば透明基板３および４の対抗する面上に、積層されたときに進相軸（常光屈折率を示す方向）が上述の所定の方向に揃うように複屈折性材料層を形成し、その後、積層一体化される。高分子液晶は複屈折が大きいため、層厚さを厚くすることなく位相板相当の位相差を発生させることができる。また、可視波長域および近赤外波長域においても光吸収が小さいので、該波長帯の光に対して用いても優れた効率が得られ、使用可能な波長の制約が少なくなる。

高分子液晶に代えて、ポリカーボネートなどの樹脂フィルムを一軸方向に延伸して複屈折性を発現させた位相差フィルム、水晶やＬｉＮｂＯ_３などの複屈折結晶を特定の角度方位および厚さに切断した複屈折結晶板などを複屈折性材料層８としてとして用いてもよい。複屈折結晶板を用いる場合、透明基板４は必ずしも必要ではなく、複屈折結晶板を複層回折型偏光子１０に直接接着固定してもよい。

上述の複層回折型偏光子１０と位相板２０とを、そのＸ軸およびＹ軸を一致させて積層することにより、本発明の光アイソレータ１００が得られる。本発明の光アイソレータ１００の作用を、光軸を含む平面で切った図３の概略断面図を用いて説明する。

半導体レーザなどの光源１１から出射された、Ｘ軸方向に振動方向が揃った直線偏光は、まず光アイソレータ１００内で光源１１側に置かれた複層回折型偏光子１０に入射する。複層回折型偏光子１０のそれぞれの偏光回折格子は、複屈折性材料からなる格子構造に、複屈折性材料の常光屈折率または異常光屈折率と実質的に等しい屈折率をもつ等方性透明材料が充填されているので、偏光回折格子に常光偏光として作用する直線偏光は回折されることなく直進透過され、第２の偏光方向の直線偏光は回折される。

そのため光源１１から出射されて光アイソレータ１００に入射した第１の偏光方向の直線偏光の入射光は、図３中に実線で示したように、複層回折型偏光子１０により回折されることなく直進透過されて、そのままの偏光状態で位相板２０に入射する。位相板２０に入射した直線偏光は、位相板２０により円偏光に変換されるとともに直進透過され、レンズ、ビームスプリッタ、フィルター、光ファイバーなどの光学素子１２が配置された、光アイソレータ１００の出射側の光路上へ出射される。光アイソレータ１００に対して第１の偏光方向と直交する偏光方向の第２の偏光方向の直線偏光の入射光（図示せず）は、複層回折型偏光子１０により回折されて、直進透過光が導かれる出射側の光路から外される。

光アイソレータ１００から出射され、光学素子１２が配置された光路上に出射され、光学素子１２の表面や内部において発生した反射光は、戻り光として図３中に点線で示したように上記光路を逆方向に進行して位相板２０側より光アイソレータ１００に入射する。この戻り光は、光アイソレータ１００から出射された往路の光に対して回転方向が逆回りの円偏光となっているので、位相板２０により光源からの出射光と直交する偏光方向すなわち第２の偏光方向の直線偏光に変換されて、複層回折型偏光子１０に入射する。第２の偏光方向の直線偏光は複層回折型偏光子により回折されるので、戻り光は光源１１の発光点に入射しない。図３においては、単一の光学素子１２のみが記されているが、光学素子が光路上に複数配置されていたり、各光学素子の表面あるいは素子内面において反射光が発生したりしても、戻り光は光源１１の発光点に入射しないように同様に遮断される。

以上説明したように本発明の光アイソレータ１００は、所望の偏光方向の直線偏光の入射光のみを出射側に対して出射させるとともに、出射側の光路上に配置された光学系で発生した戻り光が、入射光の光路を光源側へ逆方向に進行するのを遮断する機能をもつ。

本発明の光アイソレータは、複層回折型偏光子として、前述のそれぞれの偏光回折格子の光路長差Ｒ_１およびＲ_２が、λ_１の略（１／２）倍からλ_２の略（１／２）倍の範囲で異なる値となるようにされた複層回折型偏光子を用い、また、位相板として、前述の多層位相板からなる位相板を用いることにより、波長λ_１からλ_２（λ_１＜λ_２）のすべての波長範囲の入射光に対して、第１の偏光方向の直線偏光成分が複層回折型偏光子により直進透過され、位相板により円偏光に変換されて出射される割合をより高め、第２の偏光方向の直線偏光線分の直進透過をより小さく抑えることができる。また、出射された直進透過光が、光路上の光学素子で反射される等して生じた、回転方向が出射光と逆回りの円偏光の戻り光が、光路を逆方向に進行して光アイソレータの出射面から入射しても、位相板により第２の偏光方向の直線偏光に高い変換効率で変換され、次いで複層回折型偏光子により効率よく回折されるので、戻り光が入射光の光路を逆方向に進行するのをより効率よく抑制することができる。

以下本発明を実施例を用いて説明するが、本発明は以下の実施例に限定されない。例１は本発明の光アイソレータの実施例であって、例２は本発明の光アイソレータを用いて構成された双方向光送受信装置２００の実施例である。

［例１］
本例の複層回折型偏光子を、図１を用いて説明する。
まず偏光回折格子を作成する。波長１２６０〜１６２０ｎｍの光に対して透明な石英ガラスからなる透明基板１、２、３および４を用意する。まず透明基板１および２の片面にポリイミドを塗布焼成し、Ｘ軸方向にラビング処理をおこなって、モノマ液晶を一方向に配向させる配向膜（図示せず）を形成する。次に、それぞれの透明基板の配向膜上にモノマ液晶を均一かつ所望の膜厚となるように塗布し、紫外線照射によりモノマ液晶を光重合、硬化させて、進相軸がＸ軸方向に揃った常光屈折率ｎ_ｏ＝１．５５および異常光屈折率ｎ_ｅ＝１．７０で、厚さがそれぞれ４．８μｍおよび５．６μｍの高分子液晶層を形成する。

次に、フォトリソグラフィーとエッチングの技術によりそれぞれの高分子液晶層を加工して、一方向の直線状に伸長する矩形断面の凸条が互いに平行かつ周期的に形成された格子構造５および６を形成した。格子構造５および６の周期的に形成された矩形断面の凸条）は、格子ピッチＰ_１、Ｐ_２がそれぞれ２０μｍ、２５μｍで、凸条の高さすなわち段差ｄ_１、ｄ_２はそれぞれ４．８μｍ、５．６μｍである。また、それぞれの格子構造の凸条が伸張する方向がＸ軸方向となす角度Φ_１、Φ_２は、それぞれ０°、９０°とする。
このようにして形成された格子構造５、６の凹部を埋めてさらに凸部をも覆うように、屈折率ｎ_ｓ＝１．５５の均質な透明樹脂からなる紫外線硬化型アクリル系樹脂を充填し、格子構造を挟んで透明基板１、２および３をＸ軸方向を一致させて積層する。次いで紫外光照射により充填した紫外線硬化型アクリル系樹脂を光重合、硬化させて、等方性透明材料層７を形成するとともに、透明基板１、２および３を積層・一体化して、偏光回折格子が積層された複層回折型偏光子１０が得られる。

次に、多層位相板からなる位相板を作製する。積層された透明基板３および透明基板４の面上に、上記と同様にしてポリイミドからなる配向膜（図示せず）を形成する。ラビング処理は、配向膜形成面を対向させたときにそれぞれの透明基板の配向処理方向がＸ軸となす角度θ_１およびθ_２が、透明基板３では７５°、透明基板４では１５．５°となるようにおこなう。
次に、透明基板３および透明基板４の面上に、均一な厚さの高分子液晶層を、上記と同様の手順により形成する。透明基板３および透明基板４の高分子液晶層の厚さはそれぞれ４８００ｎｍおよび２４００ｎｍとする。形成された高分子液晶層の進相軸の方向は、それぞれの透明基板を高分子液晶層を形成した面を対向させたときにＸ軸となす角度θ_１およびθ_２が、透明基板３では７５°、透明基板４では１５．５°となる。その後、Ｘ軸を一致させるとともに高分子液晶からなる複屈折性材料層８を挟持させて透明基板３および４を積層・一体化して多層位相板からなる位相板２０を得るとともに、本例の光アイソレータ１００が得られる。透明基板１および透明基板４と空気との界面には反射防止膜を形成する。

本例の光アイソレータ１００に対して、波長λ_１＝１２６０ｎｍから波長λ_２＝１６２０ｎｍの波長範囲の直線偏光を複層回折型偏光子１０側の面から入射させると、図３に示したように、光源１１から出射された光のうち、光アイソレータ１００複層回折型偏光子１０の高分子液晶の常光屈折率を感じる偏光方向の直線偏光、すなわち常光偏光成分は、複層回折型偏光子１０によりほとんど回折されずに入射光の該偏光成分のうち９７％が直進透過されて多層位相板からなる位相板２０に入射し、多層位相板からなる位相板２０により円偏光に変換されて出射される。また偏光方向が常光偏光と直交する異常光偏光成分（図示せず）は、複層回折型偏光子１０によりほとんどが回折されて直進透過光は０．０５％以下となる。
次に光アイソレータ１００に対して、多層位相板からなる位相板２０側の面から、同波長範囲で前述の出射光と逆回りの回転方向の円偏光を入射させると、多層位相板からなる位相板２０により異常光偏光に変換されて複層回折型偏光子１０に出射され、複層回折型偏光子１０によりほとんどが回折されて直進透過光は０．０５％以下となる。

以上により本例の光アイソレータは、所定の偏光方向の直線偏光のみを円偏光に変換して、出射面から高透過率で直進透過させるとともに、出射面側から入射した円偏光と逆回りの回転方向の円偏光をほとんど直進透過させない光アイソレータとして機能することがわかる。

［例２］
図５は本発明の光アイソレータ１００を登載した双方向光送受信装置２００の構成例のブロック図である。
図５の双方向光送受信装置２００において、半導体レーザ光源１１から出射された波長１２６０ｎｍ〜１３６０ｎｍで振動方向がＸ軸方向の直線偏光は、コリメートレンズ１３により平行光とされ、光アイソレータ１００、波長１２６０ｎｍ〜１３６０ｎｍの光を透過させ波長１４８０ｎｍ〜１５００ｎｍの光を反射する光学フィルター１２１、および、波長１２６０ｎｍ〜１３６０ｎｍの光を直進透過させ波長１４８０ｎｍ〜１５００ｎｍの光を反射するダイクロイックビームスプリッタ１２２を透過して、コリメータレンズ１２３により光ファイバー１２４の入出射端面１２４Ａに集光され、光ファイバー１２４中を伝送される。

また、光ファイバー１２４中を伝送されて双方向光送受信装置２００に到達した波長１４８０ｎｍ〜１５００ｎｍの光は、光ファイバー１２４の入出射端面１２４Ａから出射され、コリメータレンズ１２３により平行光とされ、ダイクロイックビームスプリッタ１２２で反射されてコリメータレンズ１４により光検出器１５の受光面に集光されて電気信号に変換される。ダイクロイックビームスプリッタ１２２で反射されずに直進透過された波長１４８０ｎｍ〜１５００ｎｍの光は、光学フィルター１２１によりさらに反射されるので、半導体レーザ光源１１へは至らない。
双方向光送受信装置２００では、このような光学部品と半導体レーザ光源１１の電気制御回路（図示せず）および光検出器１５の電気信号処理回路など（図示せず）がパッケージ１６内に配置固定されている。

ここで、半導体レーザ光源１１から出射された直線偏光の光は、光アイソレータ１００を透過後に円偏光に変換されて上述の光路を経て双方向光送受信装置２００から出射されて光ファイバー１２４内を伝送される。このとき、光アイソレータ１００以降の光路中に配置された、光学フィルター１２１、ダイクロイックビームスプリッタ１２２、コリメータレンズ１２３、光ファイバー１２４などの光学素子の素子表面あるいは素子内面での反射により、戻り光が発生する。また、光ファイバー１２４においても、入出射端面である１２４Ａ、１２４Ｃや光ファイバ−同士が接合された接合界面１２４Ｂにおける反射により戻り光が発生する。

このような戻り光が、半導体レーザ光源１１から光ファイバー１２４に向かう光路を逆方向に進行してコリメータレンズ１３により半導体レーザ光源１１の発光点に集光されると、半導体レーザ光源１１のレーザ発振を不安定化させる原因となる。しかし、本例の双方向光送受信装置２００では、光アイソレータ１００により、該戻り光は効率よく回折され、図５の点線で示す様にコリメータレンズ１３により半導体レーザ光源１１の発光点と異なる位置に集光される。すなわち本例の双方向光送受信装置２００では、半導体レーザ光源１１への戻り光が遮断されるため、送信用の光信号を生成する半導体レーザ光源１１のレーザ発振が安定化されて、動作信頼性の高い双方向光送受信装置が実現される。また、本発明の光アイソレータ１００はファラデー回転子を用いた従来の光アイソレータに比べ小型化できるため、このような双方向光送受信装置を小型化することが可能になる。

本発明の光アイソレータは特性が安定で高い信頼性が維持され、さらに小型化が可能である。そのため、通信用の光源と組合せて用いる光アイソレータとして好ましく用いることができる。また、複層偏光子と位相板を形成する複屈折性材料として高分子液晶を用いると、可視波長域および近赤外波長域において光吸収を小さくできるので、使用可能な波長の制約が少ない光アイソレータが得られる。
本発明の光アイソレータを用いると、双方向光送受信装置の小型化が実現される。

本発明の光アイソレータの構成例を示す概略断面図。 本発明の光アイソレータに用いられる複層回折型偏光子を構成する２つの偏光回折格子が形成された透明基板の平面図。 本発明の光アイソレータの作用とともに構成を示す概略断面図。光軸を含む平面で切った図３の模式的断面図 本発明の光アイソレータに用いられる位相板の概略構成例と作用を示す俯瞰図。 例２の双方向光送受信装置の構成例を示すブロック図。 従来の光アイソレータの構成例を示す俯瞰図。

符号の説明

１、２、３、４ 透明基板
５、６ 格子構造
７ 等方性透明材料層
８ 複屈折性材料層
１０ 複層回折型偏光子
１１ 半導体レーザ光源
１２ 光学素子
１３、１４、１２３ コリメータレンズ
１５ 光検出器
１６ パッケージ
２０ 位相板
３１ ファラデー回転子
３２ 偏光子
３３ 磁石
３４ 金属ホルダ
８０ 位相板
８１、８２、８６ 位相板
８３、８４、８７ 複屈折性材料層の進相軸
８５ 多層位相板からなる位相板
１００ 光アイソレータ
１２１ 光学フィルター
１２２ ダイクロイックビームスプリッタ
１２４ 光ファイバ−
１２４Ａ、１２４Ｃ 光ファイバ−の入出射端面
１２４Ｂ 光ファイバ−の接合面
３００ ファラデー素子を用いた光アイソレータ

Claims (4)

1. 偏光子と位相板とが積層されてなる光アイソレータであって、
   前記光アイソレータはλ_１からλ_２（λ_１＜λ_２）の波長範囲の光に対して用いられる光アイソレータであって、
   前記偏光子は少なくとも２枚の偏光回折格子が積層されてなる複層回折型偏光子であって、
   前記位相板は、前記偏光子により直進透過された第１の偏光方向の直線偏光を円偏光に変換して出射させるとともに、入射した円偏光を直線偏光に変換して出射させる１／４波長板であって、
   前記偏光回折格子は、一方向に伸長する凹凸構造が周期的に形成された、常光屈折率ｎ_ｏおよび異常光屈折率ｎ_ｅ（ｎ_ｏ≠ｎ_ｅ）の複屈折性材料からなる格子構造を持ち、前記凹部にはｎ_ｏまたはｎ_ｅと実質的に等しい屈折率ｎ_ｓの等方性透明材料が充填され、第１の偏光方向の直線偏光を直進透過させ、第１の偏光方向と直交する偏光方向である第２の偏光方向の直線偏光を回折させる偏光回折格子であって、
   前記複層回折型偏光子は、少なくとも光路長差Ｒ_１の偏光回折格子と光路長差Ｒ_２の偏光回折格子とが積層されてなり、
   光路長差Ｒ_１およびＲ_２が、λ_１の｛ｍ＋（１／２）｝倍からλ_２の｛ｍ＋（１／２）｝倍の範囲の異なる値であることを特徴とする光アイソレータ。
   ここで、偏光回折格子の光路長差とは、前記光アイソレータを用いる波長の第２の偏光方向の直線偏光に対して、偏光回折格子の凸部と凹部とが示す光路長差である。またｍは０または３以下の自然数である。
2. 前記位相板が、λ_ｃ＝（λ_１＋λ_２）／２としたときに、略λ_ｃ／２の位相差を有する位相板と、略λ_ｃ／４の位相差を有する位相板と、の２枚の位相板を、それぞれの進相軸が、位相板面内の基準の方向となす角度が異なるように積層された多層位相板からなる請求項１に記載の光アイソレータ。
3. 前記複層回折型偏光子を構成するそれぞれの偏光回折格子の、凹凸構造が伸長する方向および／または凹凸構造の周期が互いに異なっている請求項１または２に記載の光アイソレータ。
4. 請求項１、２または３に記載の光アイソレータと、直線偏光を出射する光源と、を備えた光送信装置。
   

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