JP2010152297A - 偏光子、光アイソレータおよびそれを用いた光デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】薄型の偏光子を提供することによって、小型の光デバイスを提供する。
【解決手段】偏光子は、透光性基板３と、透光性基板３の表面に配置され、第１の層１ａと第１の層１ａより光学的異方性を有する物質を多く含む第２の層１ｂとが透光性基板３の表面に交差する方向に交互に複数層積層された回折格子１と、回折格子１の透光性基板３１と反対側の表面に配置され、回折格子１から出射される１次以上の回折光を全反射する透光層２とを備えている。回折格子１および透光層２によって、偏光を分離することができる薄型の偏光子を提供することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光通信回線等において、反射戻り光を遮断するのに使用される光アイソレータ用の偏光子と、それを用いた光アイソレータおよび光デバイスに関する。

光通信等において、半導体レーザから出射された光がネットワーク側で反射されて戻ってくる反射戻り光を除去するのに光アイソレータが用いられる。光アイソレータは、例えば図７に示すような２色性の吸収型偏光子１７をガーネット基板等からなるファラデー回転子９の両面に密着させて構成されている。ファラデー回転子９の両側の２色性偏光子１７は、透過偏光方向が互いに４５°回転された方向となるように設置され、透光性接着剤１８等によりファラデー回転子９に接着されている。このような一辺数百ミクロンに切断された矩形状の光アイソレータが、フェルールの端面またはフェルールの内部に装着されて反射戻り光防止用の光素子として使用されている。（例えば、特許文献１参照）
ここで、２色性偏光子１７とは、硝子基板内部または表面に銀または銅粒子を形成し、これを加熱延伸することにより、硝子基板内部または表面に、長さ２００ｎｍ〜５００ｎｍ、幅２０ｎｍ〜５０ｎｍ程度の針状の銀粒子または銅粒子を数μｍ〜数十μｍ程度の厚さで一定方向に配向させたものである。このような２色性偏光子１７によって金属粒子の長さ方向に偏光方向が一致する固有の波長光を吸収させることができる。基板を含めた厚みが２００μｍ〜３００μｍ程度のものが積層型光アイソレータの偏光子に用いられている。

ファラデー回転子９は、Ｂｉ置換型ガーネット基板等が用いられ、厚さが３００μｍ〜４５０μｍ程度のものである。積層構造の光アイソレータは、このＢｉ置換型ガーネット基板９の両面に偏光子１７となる基板を、ＵＶ接着剤、熱硬化性接着剤等の透光性接着剤１８により接着し、入射端面形状が１０ｍｍ角程度の光アイソレータ基板が作製される。その後基板をダイシングして入出射端面形状を５００μｍ角程度の光アイソレータ素子とされる。偏光子１７を含めた光アイソレータ素子は、入出射端面形状５００μｍ角に対し、厚さＬが７００μｍ〜８５０μｍ程度であり、厚さＬの方が長い直方体形状になる。

特開平８−１４６３５１号公報

上述の如く、従来の積層型光アイソレータは厚さＬが厚い。そのため、光デバイスを小型化できないという問題がある。

したがって、本発明は上記問題点に鑑み案出されたものであり、その目的は、薄型の偏光子を提供することによって、小型の光アイソレータおよび光デバイスを提供することにある。

本発明の一実施形態に係る偏光子は、透光性基板と、該透光性基板の表面に配置され、第１の層と該第１の層より光学的異方性を有する物質を多く含む第２の層とが前記透光性基板の表面に交差する方向に交互に複数層配置された回折格子と、該回折格子の前記透光性基板と反対側の表面に配置され、前記回折格子から出射される１次以上の回折光を全反射する透光層とを備えていることを特徴とする。

上記偏光子において、前記回折格子が、光架橋性高分子液晶を含んでいるのが好ましい。

また、上記偏光子において、前記透光層が、前記第１の層または前記第２の層の屈折率と同じか、または前記第１の層の屈折率および前記第２の層の屈折率の間の屈折率を有するのが好ましい。

また、上記偏光子において、前記回折格子および前記透光層が、同じ光硬化性高分子材料を含んでいるのが好ましい。

また、上記偏光子において、前記回折格子において隣り合う前記第１の層同士の間隔を格子間隔としたときに、前記回折格子は、互いに異なる格子間隔を有する複数の前記第１の層および前記第２の層から成る組が繰り返された層構成を有するのが好ましい。

また、上記偏光子において、前記透光層の前記回折格子と反対側の表面が凸曲面とされているのが好ましい。

また、上記偏光子において、前記透光層の前記回折格子と反対側の表面にフレネルレンズが形成されているのが好ましい。

本発明の一実施形態に係る光アイソレータは、前記透光性基板がファラデー回転子であり、該ファラデー回転子の片側面または両側面に、前記記載の偏光子を備えたことを特徴とする。

本発明の一実施形態に係る光デバイスは、フェルールと、該フェルール内に配置された屈折率分布型ファイバと、前記フェルールの外周面から前記屈折率分布型ファイバを横切るように設けられた凹部と、該凹部内に設置され、前記屈折率分布型ファイバと光結合された上記記載の光アイソレータとを備えたものである。

また、本発明の一実施形態に係る光デバイスは、フェルールと、該フェルールの一端から他端にかけて前記フェルール内に配置された光ファイバと、前記光ファイバを覆うように前記フェルールの端面に固定された上記記載の光アイソレータとを備えたものある。

本発明によれば、透光性基板と、この透光性基板の表面に配置され、第１の層と第１の層より光学的異方性を有する物質を多く含む第２の層とが透光性基板の表面に交差する交互に複数層配置された回折格子と、回折格子の透光性基板と反対側の表面に配置され、回折格子から出射される１次以上の回折光を全反射する透光層とを備えていることから、回折格子が、偏光方向により屈折率が異なる異方性を有する層として機能する。この回折格子によって、例えば入射光のＳ偏光（ＴＥ波）成分は透過し、Ｐ偏光（ＴＭ波）成分がある回折角度で回折される。そして、回折されたＰ偏光成分は透光層で全反射されるので、薄型の偏光子として機能させることができる。

また、本発明の光アイソレータは、上記偏光子をファラデー回転子の片側面または両側面に備えることにより、薄型の光アイソレータとして機能させることができる。

また、本発明の光デバイスは、薄型の上記光アイソレータを備えるので、小型光デバイスを構成することができる。

本発明の偏光子の実施の形態の一例を示す断面図である。 図１に示す偏光子の実施形態のＡ部を拡大した要部拡大断面図である。 本発明の光アイソレータの実施の形態の一例を示す断面図である。 （ａ），（ｂ）は、それぞれ本発明の光デバイスの実施の形態の一例を示す断面図である。 （ａ），(ｂ)は、それぞれ本発明の偏光子の実施の形態の他の例を示す断面図である。 （ａ），（ｂ）は、それぞれ本発明の光アイソレータの実施の形態の他の例を示す断面図である。 図６に示す光アイソレータを用いた光デバイスの実施の形態の一例を示した断面図である。 本発明の偏光子の一実施形態の特性を示した線図であり、（ａ）は、屈折率と焦点距離との関係を示したもの、（ｂ）は屈折率と開口数の関係を示したものである。 （ａ），（ｂ）は、回折格子の製造工程の一例を説明する断面図である。 本発明の偏光子の実施形態例における消光比−波長特性を示した線図である。 従来の光アイソレータの例を示した断面図である。

以下に本発明の実施の形態の例について図に基づいて説明をする。

図１は、本発明の偏光子の実施の形態の一例を模式的に示す断面図である。図１に示すように、透光性基板３の片側表面に、第１の層１ａと第１の層１ａより光学的異方性を有する物質を多く含む第２の層１ｂとが交互に複数層配置された回折格子１が密着させて配置されている。第１の層１ａおよび第２の層１ｂの各層は、透光性基板３の表面３ａに交差する方向（本実施形態においては直交する方向）に配置されている。換言すれば、第１の層１ａと第２の層１ｂとの積層方向が透光性基板３の表面３ａと平行になるように配置されている。さらに、回折格子１の表面１ａには、透光層２が配置されている。

透光性基板３の材料としては、硝子，石英，シリコン、ガーネット基板等の信号光を透過する透光性材料であれば使用することができる。この透光性材料は、使用する波長帯での損失が少なく、ダイシング時等の切断時に割れたりしない強度を有するものであればよい。また、ガーネット基板を使用する場合、その厚さにより偏波面の回転角が設定されてしまう為、必要な偏波面が得られる回転角の設定に合わせ、その厚さに加工される。

透光層２は、例えば、加熱等により固化する光配向性有機液晶材料、透光性の高分子層、透光性のフッ化ポリイミド材料、シリカ（ＳｉＯ_２）、ＡＲコート層（ＳｉＯ_２／ＴｉＯ_２の薄膜積層体）、ガラス薄膜等の信号光を透過する透光性材料であれば使用することができる。この透光層２は、回折格子１から入射する１次回折光以上の回折光を表面で全反射させる屈折率ｎｄを有している。

図２は、本実施形態の回折格子１および透光層２の機能を説明するための模式的な断面図であり、図１のＡ部を拡大した要部拡大断面図である。図２に示すように、回折格子１は第１の層１ａと第２の層１ｂとを交互に配置させて構成される。第１の層１ａは透光性の樹脂等を主として含み、Ｐ偏光６に対してもＳ偏光７に対しても屈折率ｎｋを有する。これに対して、第２の層１ｂには光学的異方性を有する物質、例えば液晶性物質が多く含まれている。第２の層１ｂは、光学的異方性を有する物質を多く含むことによって、Ｐ偏光６（ＴＭ波）およびＳ偏光７（ＴＥ波）に対して異なる屈折率を有する。即ち複屈折性を有する。例えば、Ｐ偏光６に対しては屈折率ｎｅを有し、Ｓ偏光７に対しては屈折率ｎｏを有する。そして通常、屈折率ｎｅは屈折率ｎｏまたは屈折率ｎｋより大きく、屈折率ｎｏと屈折率ｎｋとはほぼ同等な値になるよう設定される。入射する光の偏光方向により屈折率の異なる性質を異方性といい、その大きさΔｎは、Δｎ＝ｎｅ−ｎｏで示される。

回折格子１の表面は、第１の層１ａと第２の層１ｂが光軸ａに対して平行に形成され、光軸ａに平行な方向において厚さＤで形成されたものである。即ち、Ｐ偏光６に対しては、屈折率ｎｅと屈折率ｎｋの格子間隔Ｐ（Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３）を有する回折格子として機能する。なお、第１の層１ａおよび第２の層１ｂを光軸ａに対して傾斜させてもよい。ここで第１の層１ａと第２の層１ｂとの間隔をＰとし入射光の波長をλとすると、入射するＰ偏光６に対する回折角Θｍは、

で、示される。ここで、λ：入射光の中心波長、ｎｄ：透光層２の屈折率、Ｐ：格子間隔、ｍ：整数である。格子間隔Ｐは、第１の層１ａおよび第２の層２ｂの一組が繰り返して配置される周期的な間隔を示す。ｍが＋の場合は、図２の光軸に対し上方向に回折、ｍが−の場合は、光軸に対し下方向に回折する。回折角Θｍは、ｍの値が大きくなるほど、出射された光の回折角が大きくなっていく。即ち、±１次回折光の回折角Θ±１より、高次の±２次以降の回折角の方が大きい。

ここで、透光層２の全反射角をΘｃとすると、

で示される。Θｍ＋Θｃ＞９０°の条件で、全ての回折光が透光層２の表面で全反射する。そして、回折光は透光層２内を反射しながら伝播、または回折格子１へ戻り、不要光として透光層２の表面から偏光子の外部へ出射されることがない。

また、同じ回折角で、広い波長範囲の入射光を回折させて出射させるには、図２にＰ１，Ｐ２，Ｐ３で示すように、格子間隔Ｐｉをそれぞれ異ならせて構成すればよい。格子間隔Ｐｉは次式で示される。

ここで、λｉ：波長範囲内の入射光の波長である。例えば、入射光の中心波長を１５５０ｎｍとするとλｉ＝１５５０±２０（ｎｍ）の範囲内にある。１５３０，１５５０，１５７０ｎｍ等で示される。

そして、回折格子１を透過するＰ偏光６に対しては、第１の層１ａと第２の層１ｂとでは屈折率が異なるため、それぞれの層を通過する光学距離（媒質の屈折率を乗じた媒質内光路の実効長）が異なる。従って、Ｐ変更６が回折格子１を通過時に位相差Ｓが生じる。その位相差Ｓは、Ｓ＝Δｎ・Ｄで示される。そして、この位相差によって回折格子１から回折光として出射される。

Ｓ偏光７は、回折格子１の液晶層からなる第２の層１ｂの屈折率ｎｏと高分子層からなる第１の層１ａの屈折率ｎｋとが殆ど等しいため、第1の層１ａと第２の層１ｂとを同相で通過してそのまま回折格子１を透過し、透光層２から出射される。

このようにして、Ｐ偏光６は回折格子１で回折され、透光層２とその外側の空気との界面で全反射されるので、１次回折光以上の回折光は透光層２から外側へは出射されず、Ｓ偏光７のみ回折格子１および透光層２を透過してそのまま透光層２の外側へ出射される。

ここで、本発明の一実施形態に係る回折格子１の作製方法について、図９に基づいて説明する。回折格子１には、直線偏光のＵＶ光を照射することにより液晶が配向するアゾベンゼン分子を有する光配向性高分子液晶が用いられる。特に置換基として桂皮酸基、カルコン基、アントラセン基、クマリン基などの光反応基を含むメソゲン基を有しているものを、光架橋性高分子液晶という。これらは、優れた透光性を有しており、熱的に安定で、耐熱性をもったものである。回折格子１の作製は、先ず前記のケイ皮酸基等を含むメソゲン基の共重合体液晶材料をジクロロエタン、クロロホルム液等の溶剤に溶解する。次に、それをスピンコーターで回転する透光性基板３上に適量滴下することによって塗布し、薄膜を形成する。その後、１２０分程度室温にて乾燥させ、表面が平坦な厚さ１０〜２０μｍ程度の薄膜を形成させる。

その後、図９（ａ）に示すように、固化した薄膜の上に、例えば格子間隔Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３を組み合わせて形成された格子パターンが描画されたフォトマスク１６を密着させて載せる。その上から格子パターンの長さ方向に偏光（紙面に垂直方向）させた平行なＵＶ光を照射して露光する。そうすると光照射された液晶材料中の光反応基を有するメソゲン基が、光の偏光方向に配列するように光反応が進行する。このように、液晶基（メソゲン基）内の光反応基が光架橋し、メソゲン基が偏光の電界方向に並ぶように固定化される。これにより偏光方向に光反応したメソゲン基により、屈折率が減少するため、負の光学的異方性が生じる。その後、１５０℃程度の温度で６０分程度薄膜を加熱して、熱的に再配向させ、安定化させる。これら工程によって、ＵＶ光が照射された領域のみ、複屈折性の度合いを示すΔｎ（＝ｎｅ−ｎｏ）＝０．１〜０．２である第２の層１ｂが構成できる。

このように偏光した紫外光を照射することにより硬化する液晶材料は、一般的に光反応性を有する高分子液晶と呼ばれる。特にカルコン基などの光官能基を含む液晶分子は、偏光照射によりメソゲンが配列し、同時にその配向構造を固定することができる。回折格子１となる材料には、上記の他にもカルコン基を含む液晶材料を用いることができ、高分子のメソゲン成分としては、ビフェニル、ターフェニル、フェニルベンゾエート、アゾベンゼンなどの置換基と、桂皮酸基などの感光性基を結合した構造を含む側鎖を有し、炭化水素、アクリレート、メタクリレート、マレイミド、Ｎ−フェニルマレイミド、シロキサンなどの構造を主鎖に有する高分子を用いることができる。

このような偏光照射により光重合反応を生じ、配向して硬化する高分子液晶は、光架橋性液晶と呼ばれている。厚さ数μｍ〜２０μｍ厚の層で、Ｐ偏光６に対し、体積型回折格子薄膜として機能させることができる。そして、異方性による屈折率差Δｎが大きく、強度的に強く、耐湿度特性にも優れ、保護膜を必要としない構成にすることができる。このようにして、屈折率の異なる第１の層１ａと第２の層１ｂとが層状に積層されることによって、すだれ状の格子ラインが複数並んだ位相格子としての回折格子１が形成される。

次に回折格子１上に透光層２を被着させる。基本的に回折格子１と屈折率が等しい透光性材料の薄膜が好ましく、屈折率が第１の層１ａまたは第２の層１ｂと同じか、これらの間の屈折率とするのがよい。また、透光層２としてさらに回折格子１を形成してもよい。所定の厚さと方向の液晶層を構成しておくことにより、透光層２を１／２波長板、１／４波長板として構成することもできる。また、同様に液晶回折格子をフィルタ機能用に構成してもよく、必要に応じ使い分けることができる。

例えば、近年ギガ帯の高速伝送用途において、半導体レーザによる直接変調ではなく、光導波路型の変調器を用いた高速変調方式が用いられている。その場合、光アイソレータ素子から出射した光の偏光面は元の偏光面に対し、４５°回転しており、偏光面依存性のある光導波路素子に入射させる場合、結合効率がおちる。それを又元の偏光角度０°に戻す等回転させる必要性がある。通常、この目的を達成するため、光アイソレータ素子の出射側に、使用する波長帯に見合う薄い水晶板からなる１／２波長板を装着し、これを介して偏光面を回転させ、最も入射効率の高い偏光方向で光導波路端に入射させる。そうした機能をもつ１／２波長板をさらに積層した光アイソレータ素子とすることができる。

また、高速伝送において分散による信号の劣化を低減する為、半導体レーザからの不要なスペクトラム光を除去しなければならない場合がある。その場合、半導体レーザからの出射光をバンドパスフィルタを透過させ、不要なスペクトラム光を除去してから、光アイソレータ素子に入射させるか、又は光アイソレータ素子からの出射光をバンドパスフィルタに入射させる。そうした機能を有するある所定の厚さをもつフィルタ基板を光アイソレータにさらに積層する場合がある。その場合、１／２波長板が更に付加される。

図９（ｂ）は、回折格子１の表面上に透光層２を被着させる場合の実施例である。この場合は、回折格子１を構成した後、その上面に液晶溶剤を所定の厚さ、例えば数μｍ厚にして塗布、乾燥し、上面から平行ＵＶ光を照射することにより液晶をＵＶ光の偏光方向に配向させたものである。その膜厚ＴがΔｎＴ＝λ／２の場合、１／２波長板として機能し、回折格子１からの出射光５を所定の偏光方向に回転させることができる。透光層２にこのような機能を持たす必要がない場合、偏光したＵＶ光照射をせず、加熱して硬化させることによって透光性の高分子層として構成すればよい。

また、透光性のポリイミド薄膜を装着してもよい。ポリイミド薄膜は、含フッ素ポリイミド薄膜で、高い透明性と低い誘電率を有するもので、常温で屈折率ｎｐ＝１．５２を有している。この屈折率ｎｐは、回折格子１の第１の層１ａの屈折率ｎｋ、第２の層１ｂの常光屈折率ｎｏにほぼ等しく、それにより回折格子１との界面での屈折率差による反射を抑えることができる。ポリイミド薄膜等から成る透光層２の空気に曝される外側表面には、さらにＳｉＯ_２，ＴｉＯ_２等の誘電体多層膜からなるＡＲコートを施すと、光源又は光ファイバ端から入射する入射光の反射を防止することができる。透光層２の屈折率をｎｄとすると、透光層出射面側の臨界角Θｃは次式で示される。

Θｍ＋Θｃ＞９０°の条件で、全ての回折光が透光層２の出射面で全反射する。それにより、回折光が透光層２内または、回折格子１内を伝搬し、不要光として透光層２の表面から出射されるようなことがない。

そして、図１に示すように、透光性の基板３の一方面側に透光層２を有する回折格子１、を密着させて配置することによって、Ｓ偏光７のみ透過する偏光分離素子とすることができる。

例えば、格子ラインが水平方向（図１においては紙面垂直方向）になるように配置された回折格子１にランダムな偏光成分を有する入射光４が入射すると、Ｐ偏光６成分は、透光層２の表面で全反射し、Ｓ偏光７成分のみが透光層２を通過して透光層２の表面から出射される。

次に、図３は、本発明の光アイソレータ１０の実施の形態の一例を示す断面図である。上記、透光性基板３として、厚さＸのＢｉ置換ガーネット材等から成るファラデー回転子９を用い、その両側に厚さＤの回折格子１を配置し、さらにその外側表面に厚さＴの透光層２を配置して構成されている。出射側の回折格子１の格子ラインの角度、すなわち、入射面側から見た格子ラインの角度は、入射側の回折格子１の格子ラインの角度に対して光軸ａの周方向に、例えば、入射側から見て時計方向に４５度回転して配置されている。

ファラデー回転子９への磁界印加用磁石は、磁束の方向が光の進行方向に対して平行になるように設置される。半導体レーザ等から順方向（信号光が伝達される方向）に出射された光アイソレータ１０の入射光４の偏光面は、光アイソレータ１０の入射側の回折格子１に対しＳ偏光７になるように位置調整されている。入射光４は、ＡＲコート処理をした透光層２を透過後、回折格子１の表面に垂直に入射、その後直進して回折格子１に垂直に裏面から出射される。その後ファラデー回転子９内で、光軸ａに対し例えば偏光面を４５度回転されて出射側の回折格子１に入射される。そして、光軸ａの周方向に対し４５度回転させて設置された出射側の回折格子１をＳ偏光条件のまま透過し、出射されてもう一方の透光層２に入射後、出射光５として出射される。

一方、反射戻り光８は、ランダムな偏光面を有しており、出射光５と逆の方向から光アイソレータ１０に入射する。反射戻り光８のうち、出射側の回折格子１（図中右側）に対しＳ偏光７となる成分を有する反射戻り光８は、そのまま出射側の透光層２を介して回折格子１を透過するが、Ｐ偏光６となる成分を有する反射戻り光８は、回折格子１によって角度Θｍの方向へ進路を変更され、ファラデー回転子９基板内に出射されて伝搬する。そして、屈折率の大きなファラデー回転子９と入射側の回折格子１（図中左側）との界面で全反射されるので、半導体レーザ等の元の光源方向には戻らない。また、Ｓ偏光７成分を有する反射戻り光８は、ファラデー回転子９を透過するときにさらに右に４５度偏光面を回転されるため、入射側の回折格子１（図中左側）に対し、Ｐ偏光６（異常光）となって入射される。そして、そこで角度Θｍの方向へ進路を変更され、透光層２に出射されるために、この反射戻り光８も透光層２で全反射されて元の光源方向には戻らない。

この場合の光アイソレータの厚さＨは、回折格子１に用いた透光層２の厚さＴ＝１０〜２０μｍ、回折格子１の厚さＤ＝１０〜２０μｍ、Ｂｉ置換ガーネットを使用したファラデー回転子９の厚さＸ＝３００〜４５０μｍであり、光アイソレータ１０の厚さＨ＝３４０〜５１０μｍ程度で実現できる。このように、従来の２色性偏光子を用いた積層型光アイソレータより薄型の光アイソレータ１０が実現できる。また、磁界印加用磁石は、磁束の方向が光の進行方向と平行になるように設置される。

図４（ａ）は、図３に示した光アイソレータ１０を、フェルール１１の端面に固定したもので、半導体レーザと接続するレセプタクル等に使用できる形態のものである。フェルール１１の端面は３〜５°程度に傾斜研磨される。フェルール１１の外径は１．２５ｍｍまたは２．５ｍｍ、長さは３〜５ｍｍであり、両端面の間を光ファイバ１２が挿通されている。フェルール１１の一端面には、ダイシングソーにより一辺２５０〜３００μｍ程度に切断された本実施形態の光アイソレータ１０が光ファイバ１２を覆うように固定されている。

光アイソレータ１０は厚さＬを５００μｍ以下にできるため、従来に比較してより小さなサイズとすることができる。フェルール１１端への固定には、例えばＵＶ接着剤等を用いて固定する。また、ファラデー回転子９への磁界印加用磁石は、フェルール１１の端面外周部に設置してもよいし、一定磁界を印加できるそれ以外の場所に設置してもよい。磁化保持型ガーネットによるファラデー回転子９を用いることにより磁界印加用磁石を省略してもよい。

このようなフェルール１１の一端から他端にかけてフェルール１１内に配置された光ファイバ１２と、光ファイバ１１を覆うようにフェルール１１の一端面に固定された光アイソレータ１０とを備える光デバイスをレセプタクル内に設置することで、半導体レーザに対する戻り光を、例えばアイソレーション３０ｄＢ以上で除去する光アイソレータ機能付きフェルールとすることができる。

図４（ｂ）は、図３に示す本実施形態の光アイソレータ１０を、外径１．２５ｍｍまたは２．５ｍｍ、長さ８〜１５ｍｍのフェルール１１内に設置固定した場合の実施例である。この実施例において、例えば、シングルモードファイバの中央部に適切な長さの外径１２５μｍのコアレスファイバ１３とコアレスファイバ１３の両側に屈折率分布型ファイバ１４が融着された複合ファイバを用いる。屈折率分布型光ファイバ１４は、コア径が５０〜１２０μｍ、比屈折率差Δ＝０．６〜１．５％のものである。この複合ファイバを挿通したフェルール１１の中央部に、複合ファイバを横切るように幅Ｗ（＞１ｍｍ）の溝をダイシングソーを用いて加工する。この溝状に設けられた凹部内に、光アイソレータ１０を固定し、実装する。光アイソレータ１０の接続固定は、ＵＶ接着剤またはシリコン系の透光性樹脂材料１５を用いて行なう。また、これら接着剤は光ファイバに近い屈折率材料のものを用いる。これによって、０．５ｄＢ程度の低損失な接続が可能となり、例えば３０ｄＢ程度のアイソレーション特性を有する光デバイスを実現することができる。また、ファラデー回転子９に磁界を印加する磁石が、フェルール１１の溝内、または外周部に設置される。磁化保持型ガーネットによるファラデー回転子９を用いることにより磁石を省略しても差し支えない。

次に、図５は、偏光子の片側面にレンズ機能を付加した場合の本発明の偏光子の一実施例を断面図で示す。

図５（ａ）は、図１の透光層２を、ある曲率半径ｒの球状表面を有するレンズ１９として構成したものに相当する。レンズ１９に使用する材料は、光配向性の高分子液晶材料、透光性の高分子樹脂、例えば、透光性のフッ化ポリイミド樹脂の他、ＰＣ、ＰＭＭＡ等の透光性材料も使用することができる。αは開口角で、近似的に次式で示される。

開口角αが大きい程、多くの入射光を取り込むことができる。また、開口角αから、開口数ＮＡ＝ｎ・ｓｉｎα（ｎはレンズの外の媒質の屈折率）が求められる。

図８（ｂ）は、レンズ１９の球面半径ｒと開口数ＮＡとの関係を示したもので、曲率半径ｒが小さい程、またレンズ１９を構成する透光層２の材料の屈折率が大きい程、開口数が大きくなることを示している。図８（ａ）は、レンズ１９の焦点距離と球面半径ｒとの関係を示したもので、曲率半径ｒが小さいと焦点距離が小さくなり、それに併せ焦点とレンズ先端面間の作動距離ＷＤも小さくなることを示す。この為、使用条件により、必要な開口数（ＮＡ）に対する曲率半径ｒと透光性材料の屈折率ｎとを選択して決める。

回折格子１上のレンズ１９の形成は、精密な半球形状の型を多数有する電鋳型を用い、半球レンズを別途熱インプリント成形加工、多数個の半球レンズをシート上に搭載し、その後回折格子１の基板３上に装着させ、それをダイシング加工して個別片に切り出すか、基板３上に偏光分離機能を有する回折格子１を形成した後、精密な電鋳型により回折格子１上に装着した樹脂材料からなる透光層２を直接熱インプリント成形することで、半球レンズを構成する事ができる。

なお、レンズ１９は球状表面ではない凸形状、例えば非球面としてもよい。

図５（ｂ）は、透光層２からなるレンズ層をフレネルレンズ２０で構成した場合の実施例で、基板３上に偏光分離機能を有する回折格子１を形成した後、精密な電鋳型によりフレネルレンズ２０を構成したものである。この場合、事前に必要なレンズ特性（開口数、サイズ等）、のフレネルパターンを電鋳型に加工し、その後その型を用いて熱インプリント成形すればよい。例えば、基板３上に回折格子１を形成後、透光層２を必要な厚さに装着し、その後、電鋳型により所定のパターンの熱インプリント成形をする。使用する材料により、ＵＶ光で成形して構成することもできる。また、図５（ｂ）に示したように断面形状を三角形状のブレーズ状にした方が高効率な結合ができる。それは、入出射する光の回折方向と、傾斜面による光の屈折方向を一致させることで、結合効率を改善することができるからである。開口数ＮＡの調整は、回折格子１の間隔、三角形状のブレーズ角度βを変化させることで行う。

図６は、光アイソレータの透光層２部分に、図５に示したレンズ機能を有する場合の光アイソレータの実施例で、図６（ａ）は、ファラデー回転子９の両側の透光層２に凸形状表面を有するレンズ１９を形成した場合を示す。また、例えば、図６（ａ）中左側のレンズ１９ａの曲率半径をｒ１、右側のレンズ１９ｂの曲率半径をｒ２とし、それを変えることにより両側のレンズの開口数ＮＡを変えた例を示す。例えば、半導体レーザ２１と接続する場合開口数ＮＡは大きい方がよく、図８（ｂ）から、ｒ＝０．２ｍｍとし、屈折率１．８の透光性樹脂を用いればＮＡ＝０．２のレンズ１９ａが得られる。また、光ファイバと１２と接続させるには、ＮＡ＝０．１５であればよく、同様に屈折率１．８の透光性樹脂を用いればｒ＝０．３ｍｍでレンズ１９ｂを得ることができる。このように曲率半径ｒを変えることにより、開口数ＮＡを変えることでき、また、使用する透光性樹脂の屈折率を変えることでも、開口数ＮＡを変えることができる。

図６（ｂ）のフレネルレンズ２０ａ，２０ｂを用いた光アイソレータの場合は、左側のレンズ２０ａと右側のレンズ２０ｂの各開口角α１、α２は、回折格子１の間隔Ｐおよび材料の屈折率を変化させることで、調整することができる。開口角α１，α２は、格子間隔Ｐを密にする程、また材料の屈折率が大きい程、大きくなる。

光アイソレータとしての動作原理は、図３に示す光アイソレータと同じである。

図７は、図６（ａ）に示した透光層２を球レンズ１９ａ，１９ｂにした場合の光アイソレータを、磁界印加用の磁石２２と固定用金具２３と共に、フェルール１１の端面に実装固定した場合の実施例を示す。半導体レーザ２１側の開口数ＮＡを大、光ファイバ１２側の開口数ＮＡを小さく設定した光アイソレータを用いるものである。このようにレンズ機能を伴う光アイソレータを用いた場合は、従来のような結合用レンズが不要となり、光モジュールの小型・集積化を図ることができる。

図１０は、本発明の回折格子１を用いた偏光子を広帯域化する実施形態の場合をグラフにして示した線図である。例えば、格子間隔Ｐ＝Ｐｉ（ｉ＝１，２，３）とすると、（Ｐ３＞Ｐ２＞Ｐ１）という条件にした場合の波長−消光比の特性を示したものである。

ここで、λｉ：入射光の波長帯に含まれる各光の波長を示す。

回折格子１の格子間隔がＰ２のみとした場合、中心波長λ２での消光比４０ｄＢ以上の帯域は図１０中のΔλ程度であるが、回折格子１の格子間隔をＰ１，Ｐ２，Ｐ３（Ｐ１＜Ｐ２＜Ｐ３）とした場合（図２参照）、ピーク消光比はおちるものの、消光比４０ｄＢ以上の帯域はΔｗとなり、Δλより増大する。それにより消光比の波長依存性を緩和することができ、安定した使用ができる。なお、Ｐ１，Ｐ３はＰ２の格子間隔より僅かに異なる間隔の格子間隔を示す。

格子間隔Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３は、必ずしも順に大きくなるように、または、小さくなるように配列する必要はなく、互いに異なる格子間隔Ｐｍを有する組が複数配列されて組み合わされたものとすればよい。例えば、図２に示すように、格子間隔Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の組が上から順にＰ３，Ｐ２，Ｐ１、次の組がＰ１，Ｐ２，Ｐ３、その次の組がＰ３，Ｐ２，Ｐ１と配列させてもよいし、これら一組のＰ１，Ｐ２，Ｐ３をこの組の中でランダムに配置してもよい。また、Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の３種の異なる格子間隔の場合を例にしたが、さらに増やすことにより、より広帯域に波長依存性を緩和することができる。

以上詳述したが、本発明は上述の実施の形態および実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内であれば種々の変更は可能である。

また、上記実施の形態の説明において上下左右という用語は、単に図面上の位置関係を説明するために用いたものであり、実際の使用時における位置関係を意味するものではない。

１：回折格子
１ａ：第１の層
１ｂ：第２の層
２：透光層
３：透光性基板
４：入射光
５：出射光
６：Ｐ偏光
７：Ｓ偏光
８：反射戻り光
９：ファラデー回転子
１０：光アイソレータ
１１：フェルール．
１２：光ファイバ
１３：コアレスファイバ
１４：ＧＩファイバ
１５：透光性樹脂
１６：フォトマスク
１９：レンズ
２０：フレネルレンズ
２１：半導体レーザ
２２：磁石
２３：固定用金具

Claims (10)

1. 透光性基板と、
   該透光性基板の表面に配置され、第１の層と該第１の層より光学的異方性を有する物質を多く含む第２の層とが前記透光性基板の表面に交差する方向に交互に複数層配置された回折格子と、
   該回折格子の前記透光性基板と反対側の表面に配置され、前記回折格子から出射される１次以上の回折光を全反射する透光層とを備えていることを特徴とする偏光子。
2. 前記回折格子が、光架橋性高分子液晶を含んでいることを特徴とする請求項１記載の偏光子。
3. 前記透光層が、前記第１の層または前記第２の層の屈折率と同じか、または前記第１の層の屈折率および前記第２の層の屈折率の間の屈折率を有することを特徴とする請求項１または２記載の偏光子。
4. 前記回折格子および前記透光層が、同じ光硬化性高分子材料を含んでいることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の偏光子。
5. 前記回折格子において隣り合う前記第１の層同士の間隔を格子間隔としたときに、前記回折格子は、互いに異なる格子間隔を有する複数の前記第１の層および前記第２の層から成る組が繰り返された層構成を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の偏光子。
6. 前記透光層の前記回折格子と反対側の表面が凸曲面とされていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の偏光子。
7. 前記透光層の前記回折格子と反対側の表面にフレネルレンズが形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の偏光子。
8. 前記透光性基板はファラデー回転子であり、該ファラデー回転子の片側面または両側面に、請求項１乃至７のいずれかに記載の偏光子を備えた光アイソレータ。
9. フェルールと、該フェルール内に配置された屈折率分布型ファイバと、前記フェルールの外周面から前記屈折率分布型ファイバを横切るように設けられた凹部と、該凹部内に設置され、前記屈折率分布型ファイバと光結合された請求項８記載の光アイソレータとを備えた光デバイス。
10. フェルールと、該フェルールの一端から他端にかけて前記フェルール内に配置された光ファイバと、前記光ファイバを覆うように前記フェルールの端面に固定された請求項８記載の光アイソレータとを備えた光デバイス。

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