JP2015018090A

JP2015018090A - 偏波無依存型光アイソレータ

Info

Publication number: JP2015018090A
Application number: JP2013144721A
Authority: JP
Inventors: 宣夫中村; Nobuo Nakamura; 欽哉大井川; Kinya Oigawa
Original assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Priority date: 2013-07-10
Filing date: 2013-07-10
Publication date: 2015-01-29
Also published as: EP3021157A4; EP3021157A1; CN105339832A; US20160109735A1; US9869890B2; WO2015004976A1

Abstract

【課題】ファラデー素子と磁石の小型化が図られた偏波無依存型光アイソレータを提供すること。【解決手段】光路上に設けられた一対の楔型複屈折結晶板１、２と、これ等楔型複屈折結晶板間の光路上に設けられた常磁性体から成るファラデー素子３０とを備え、一対の楔型複屈折結晶板における傾斜光透過面同士および非傾斜光透過面同士が互いに平行でかつ各非傾斜光透過面がファラデー素子側に向けて配置されている偏波無依存型光アイソレータであって、上記一対の楔型複屈折結晶板における非傾斜光透過面に対し光入出射面が非平行となる断面平行四辺形状を有する常磁性体によりファラデー素子が構成され、かつ、光路中心軸を基準にして各楔型複屈折結晶板の直角部１００とファラデー素子の鈍角部３１が同じ側に配置されていることを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、光通信システムやレーザー加工システムに用いられる高出力レーザーの反射戻り光対策に使用される光アイソレータに係り、特に、光アイソレータの構成部品であるファラデー素子と磁石の小型化が図れる偏波無依存型光アイソレータの改良に関するものである。

光通信システムに用いられる半導体レーザーやレーザー加工システムに用いられる固体レーザー等のレーザー素子においては、レーザー共振器外部の光学面や加工面で反射された光がレーザー素子に戻ってくるとレーザー発振が不安定になる。レーザー発振が不安定になると、光通信システムの場合には信号ノイズとなり、レーザー加工システムの場合は、レーザー素子が破壊されてしまうことがある。このため、上記反射戻り光を遮断して反射戻り光がレーザー素子に戻らないようにする光アイソレータが使用される。

ところで、偏波無依存型光アイソレータとして、図１に示すように一対の楔型複屈折結晶板１、２と、これ等の楔型複屈折結晶板１、２間に設けられかつ断面長方形状を有する常磁性体から成るファラデー素子３と、永久磁石５とでその主要部が構成されるものが知られている（特許文献１参照）。尚、図１の実線は、順方向にレーザー光が進むときの様子を示したものである。

そして、この種の偏波無依存型光アイソレータにおいて、例えば、レーザー素子（図示せず）から出射され、レンズ４を通過した順方向のレーザー光（入射光）は、楔型複屈折結晶板１に入射し、常光と異常光の２つの光路に分かれてファラデー素子３に入射し、ファラデー素子３により偏光面を４５度回転させられた後、楔型複屈折結晶板２へ入射し、上記レーザー光（入射光）と再び平行な状態となって光アイソレータから出ていく。

一方、レーザー光が逆方向に進むとき（すなわち、戻り光が進むとき）は、光アイソレータの出射側（図１の右側）から楔型複屈折結晶板２に入射し、楔型複屈折結晶板１に到達するまで順方向と同じ経路を辿り、楔型複屈折結晶板１から出射するときに上記レンズ４を避ける（すなわち破線で示す）ように進む。すなわち、戻り光はレンズ４に結合することが無いため光アイソレータとして機能する。

尚、図１の符号γは、楔型複屈折結晶板１および楔型複屈折結晶板２における楔の角度を示し、符号βは、戻り光と上記入射光とのなす角度を示している。

特開２００９−１６８８９４号公報（段落番号０００３参照）

ところで、断面長方形状のファラデー素子が適用された従来の偏波無依存型光アイソレータにおいて、楔型複屈折結晶板１に入射されたレーザー光は、楔型複屈折結晶板１を通過した後、図１に示すように斜め方向に進みながらファラデー素子３に入射するため、上記ファラデー素子３はレーザー光のビーム径よりも十分に大きい径が必要となる。

具体的に説明すると、ファラデー素子のベルデ定数をＶ、ファラデー素子へ加わる磁界の強さをＨとすると、ファラデー素子の長さＬは、
Ｌ＝ファラデー回転角（４５度）÷（Ｖ×Ｈ）なる数式から求められる。

すなわち、磁界の強さＨが大きくなれば、ファラデー素子の長さＬは短くなり、図１に示す偏波無依存型光アイソレータの構造からファラデー素子の径も小さくてよいことが確認される。

しかし、磁界の強さＨが小さいとファラデー素子の長さＬは大きくなり、これに伴ってファラデー素子の径も大きく設定することが必要となる。

現在、光アイソレータには小型かつ低価格であることが強く望まれているが、この要望に応えるためには高額材料であるファラデー素子と磁石を小さくすることが必要となる。すなわち、ファラデー素子にはテルビウム系の常磁性体が適用されているため材料コストが高く、磁石についてもディスプロシウム分散ネオジウム・鉄・ホウ素磁石が用いられているため材料コストが高くなるからである。

しかし、ファラデー素子を小さくする（すなわち、ファラデー素子の長さと径を小さくする）には上述したように大型で強力な磁石が必要となり、また、磁石の小型化を図ろうとすると磁界の強さが弱まるため、その分、ファラデー素子の長さと径を大きくしなければならず、ファラデー素子の小型化と磁石の小型化について、その両立を図ることは極めて困難であった。

本発明はこのような問題点に着目してなされたもので、その課題とするところは、ファラデー素子と磁石の小型化が図られた偏波無依存型光アイソレータを提供することにある。

そこで、上記課題を解決するため本発明者等が鋭意研究を重ねた結果、断面長方形状を有する従来のファラデー素子に代えて断面平行四辺形状のファラデー素子を用いた場合、ファラデー素子の小型化と磁石の小型化を両立できることを見出すに至った。

すなわち、本発明は、
光路上に設けられた一対の楔型複屈折結晶板と、これ等楔型複屈折結晶板間の光路上に設けられた常磁性体から成るファラデー素子とを備え、一対の楔型複屈折結晶板における傾斜光透過面同士および非傾斜光透過面同士が互いに平行で、かつ、各非傾斜光透過面が上記ファラデー素子側に向けて配置されている偏波無依存型光アイソレータにおいて、
上記一対の楔型複屈折結晶板における非傾斜光透過面に対し光入出射面が非平行となる断面平行四辺形状を有する常磁性体によりファラデー素子が構成され、かつ、光路中心軸を基準にして各楔型複屈折結晶板の直角部とファラデー素子の鈍角部が同じ側に配置されていることを特徴とするものである。

本発明に係る偏波無依存型光アイソレータによれば、
一対の楔型複屈折結晶板における非傾斜光透過面に対し光入出射面が非平行となる断面平行四辺形状を有する常磁性体によりファラデー素子が構成され、かつ、光路中心軸を基準にして各楔型複屈折結晶板の直角部とファラデー素子の鈍角部が同じ側に配置されていることから、楔型複屈折結晶板を通過して上記光路中心軸から離れる方向へ向かって進行するレーザー光がファラデー素子に入射される際に屈折し、上記光路中心軸側へ戻る方向へ向け進行することになるため、断面長方形状を有する従来のファラデー素子を適用した場合と較べてファラデー素子の径を小さくすることが可能となる。

従って、偏波無依存型光アイソレータにおけるファラデー素子の小型化と磁石の小型化についてその両立が図れる効果を有する。

断面長方形状を有するファラデー素子が適用された従来例に係る偏波無依存型光アイソレータの概略構成と光アイソレータ内におけるレーザー光の光路を示す説明図。本発明に係る偏波無依存型光アイソレータの概略構成と光アイソレータ内におけるレーザー光の光路を示す説明図。偏波無依存型光アイソレータ内におけるレーザー光の光路（進み方）を模式的に示したレーザー光のシュミレーショングラフ図。実施例に係る偏波無依存型光アイソレータの概略構成と光アイソレータ内におけるレーザー光の光路を示す説明図。図５（Ａ）は実施例に係る偏波無依存型光アイソレータで適用された磁石の概略断面図、図５（Ｂ）は上記磁石の構成断面図。実施例と比較例に係る偏波無依存型光アイソレータにおけるアイソレーション測定系システムの概略構成を示す説明図。図７（Ａ）は比較例に係る偏波無依存型光アイソレータで適用された磁石の概略断面図、図７（Ｂ）は上記磁石の構成断面図。

以下、本発明に係る実施の形態について図面を用い詳細に説明する。

図２は本発明に係る偏波無依存型光アイソレータの概略構成と光アイソレータ内におけるレーザー光の光路（進み方）を示す説明図である。

まず、本発明に係る偏波無依存型光アイソレータは、図２に示すように光路上に設けられた一対の楔型複屈折結晶板１、２と、これ等楔型複屈折結晶板１、２間の光路上に設けられた常磁性体から成るファラデー素子３０とを備え、一対の楔型複屈折結晶板１、２における傾斜光透過面同士および非傾斜光透過面同士が互いに平行でかつ各非傾斜光透過面がファラデー素子３０側に向けて配置されている偏波無依存型光アイソレータであって、
上記一対の楔型複屈折結晶板１、２における非傾斜光透過面に対し光入出射面が非平行となる断面平行四辺形状を有する常磁性体によりファラデー素子３０が構成され、かつ、図示外の光路中心軸を基準にして各楔型複屈折結晶板１、２の直角部１００とファラデー素子３０の鈍角部３１が同じ側に配置されていることを特徴とするものである。

尚、図１および図２の楔型複屈折結晶板１、２のγ（楔型複屈折結晶板１および楔型複屈折結晶板２における楔の角度）が小さい場合、戻り光がレンズ４に結合され易くなるため、β（戻り光と入射光とのなす角度）は、β≧１．７°が好ましく、これを実現するには、上記楔の角度γが８°以上であることが好ましい。

以下、ファラデー素子の長さを１４ｍｍとし、一対の楔型複屈折結晶板１、２における楔の角度γを８°としたとき、偏波無依存型光アイソレータ内におけるレーザー光の進み方（光路）をシミュレーションにより求め、その結果を図３のグラフ図に示す。

尚、図３の実線は、本発明に係る偏波無依存型光アイソレータ（図２において符号αで示す角度が１４°に設定された断面平行四辺形状のファラデー素子を適用したもの）内におけるレーザー光の光路（進み方）を示し、また、図３の破線は、断面長方形状のファラデー素子を適用した従来例に係る偏波無依存型光アイソレータ内におけるレーザー光の光路（進み方）を示している。

図３のシュミレーショングラフ図から確認できるように、破線で示された従来例に係る偏波無依存型光アイソレータにおいては、光路中心軸（図示せず）を基準にして入射された順方向のレーザー光が入射位置から大きくずれて進行していくのに対し、実線で示された本発明に係る偏波無依存型光アイソレータにおいては、光路中心軸（図示せず）を基準にして入射された順方向のレーザー光が入射位置から大きくずれないため、径の小さいファラデー素子で十分に機能することがわかる。更に、光路中心軸（図示せず）を基準にして入射された順方向のレーザー光が入射位置から大きくずれない場合、光アイソレータに組み込む磁石の内径も小さくすることが可能となり、ファラデー素子に加わる磁界の強さを大きくすることができる。言い換えれば、ファラデー素子の長さを変えることなく磁石の大きさを小さくすることができる。

ところで、図２〜図３から理解されるように、図２において符号αで示す角度は楔型複屈折結晶板１、２における楔の角度γに依存し、角度γを大きくするとそれに伴って符号αで示す角度も大きくしていく必要がある。しかし、角度γを大きくしていくと、戻り光と入射光とのなす角度βも大きくなり、図４に示すように戻り光が磁石の内壁に当たり磁石の温度上昇を来すだけではなく、磁石内で反射した後、迷光となってレンズ４へ到達する問題も発生し易くなる。このため、上記楔型複屈折結晶板１、２における楔の角度γは１０°以下が好ましく、これに伴って、図２において符号αで示す角度も２０°以下となる。

以下、本発明の実施例について比較例を挙げ具体的に説明する。

［実施例］
実施例に係る偏波無依存型光アイソレータは、図４に示すように、一対の楔型複屈折結晶板１、２と、これ等の楔型複屈折結晶板１、２間に設けられた断面平行四辺形状のファラデー素子３０と、集合体磁石５と、水晶製半波長板６と、平行平板形状のＹＶＯ₄結晶７とでその主要部が構成されている。

まず、上記集合体磁石５は、図５（Ｂ）に示すように磁化方向（矢印で示す方向）が上述した光路中心軸（図示せず）と垂直でかつ光路中心軸に向かう方向に磁化されている第１の磁石５１と、磁化方向（矢印で示す方向）が光路中心軸と垂直でかつ光路中心軸から離れる方向に磁化されている第２の磁石５２と、上記第１の磁石５１と第２の磁石５２間に配置され磁化方向（矢印で示す方向）が光路中心軸と平行でかつ第２の磁石５２から第１の磁石５１に向かう方向に磁化されている第３の磁石５３とで構成されており、かつ、第１、第２の磁石および第３の磁石の各中心には上記ファラデー素子３０を収容するための孔部が設けられている。

尚、第１の磁石５１、第２の磁石５２、第３の磁石５３はそれぞれネオジウム・鉄ホウ素磁石で構成され、これ等磁石を合体して構成される集合体磁石５の長さは図５（Ｂ）に示すように４０ｍｍ、上記集合体磁石５の外径は図５（Ａ）に示すように３２ｍｍ、各磁石における孔部の内径は３ｍｍに設定されている。

また、上記ファラデー素子３０には、図２において符号αで示す角度が１４°の断面平行四辺形状である直径２．６ｍｍ、長さ１２ｍｍのテルビウム・ガリウム・ガーネット・ロッドを適用し、上記楔型複屈折結晶板１、２には楔の角度γが８．５°のＹＶＯ_４結晶を用いた。

更に、順方向の上記楔型複屈折結晶板２を通過した後における常光と異常光を一つにするため、上述の水晶製半波長板６と平行平板形状のＹＶＯ_４結晶７を付加している。

尚、上記楔型複屈折結晶板１、２、ファラデー素子３０、および、集合体磁石５等の寸法に関してはシミュレーションにより事前に計算されている。

そして、図６に示すアイソレーション測定系を用いて実施例に係る偏波無依存型光アイソレータのアイソレーション測定を行った。

尚、図６に示すアイソレーション測定系システムは、波長１０６０ｎｍの半導体レーザー光源９と、ファイバーコリメータ１０、１１と、パワーメータ１２と、光スイッチ１３を備えており、測定対象の偏波無依存型光アイソレータ８がファイバーコリメータ１０、１１間に配置される。また、ファイバーコリメータ１０、１１と偏波無依存型光アイソレータ８間の各距離を５０ｍｍとしている。

そして、偏波無依存型光アイソレータのアイソレーション測定は、半導体レーザー光源９から出射された実線で示す順方向のレーザー光が光スイッチ１３とファイバーコリメータ１０を経由して偏波無依存型光アイソレータ８に入射され、かつ、偏波無依存型光アイソレータ８から出射された実線で示すレーザー光がファイバーコリメータ１１と光スイッチ１３を経由してパワーメータ１２に入射されてパワーメータ１２の値Ｉ_ｉを得る。

次に、半導体レーザー光源９から出射された破線で示す逆方向のレーザー光が光スイッチ１３とファイバーコリメータ１１を経由して偏波無依存型光アイソレータ８に入射され、かつ、偏波無依存型光アイソレータ８から出射された破線で示すレーザー光がファイバーコリメータ１０と光スイッチ１３を経由してパワーメータ１２に入射されてパワーメータ１２の値Ｉ_ｂを得る。

そして、上記パワーメータ１２でそれぞれ測定された値Ｉ_ｉと値Ｉ_ｂから、
−１０・ｌｏｇ（Ｉ_ｂ／Ｉ_ｉ）をアイソレーションとする。

測定の結果、実施例に係る偏波無依存型光アイソレータのアイソレーション４０ｄＢ以上と良好な値であることが確認された。

［比較例］
断面平行四辺形状のファラデー素子に代えて断面長方形状のファラデー素子３０を適用した以外は実施例と同様にして、図４に示す実施例に係る偏波無依存型光アイソレータとファラデー素子の形状が異なる比較例に係る偏波無依存型光アイソレータを得た。

尚、図７（Ｂ）に示すように集合体磁石５には、それぞれネオジウム・鉄ホウ素磁石から成る第１の磁石５１、第２の磁石５２、第３の磁石５３の集合体を適用し、集合体磁石５の長さは図７（Ｂ）に示すように５０ｍｍ、集合体磁石５の外径は図７（Ａ）に示すように３６ｍｍ、各磁石における孔部の内径は５ｍｍに設定されている。

また、上記ファラデー素子３０には、断面長方形状である直径４．３ｍｍ、長さ１２ｍｍのテルビウム・ガリウム・ガーネット・ロッドを適用し、上記楔型複屈折結晶板１、２には楔の角度γが８．５°のＹＶＯ_４結晶を用いた。

尚、上記楔型複屈折結晶板１、２、ファラデー素子３０、および、集合体磁石５等の寸法に関しては、実施例と同様、シミュレーションにより事前に計算されている。

そして、得られた比較例に係る偏波無依存型光アイソレータについて、実施例と同様、アイソレーション測定を行った結果、４０ｄＢ以上と良好な値であった。

次に、比較例に係る偏波無依存型光アイソレータの小型化を図る観点から、ファラデー素子３０の直径を上記４．３ｍｍの値から順次小さく設定していき、それぞれの光アイソレータについてアイソレーションの測定を行った。

測定の結果、ファラデー素子３０の直径を４．１ｍｍとした場合で３５ｄＢ、ファラデー素子３０の直径を４．０ｍｍとした場合で３０ｄＢと下がっていった。

アイソレーションが低下した原因は、ファラデー素子３０の直径を４．３ｍｍの値から順次小さく設定したことにより、光路中心軸からずれた戻り光の一部がファラデー素子の側面に到達し十分なファラデー回転角が得られなかったことによる。すなわち、断面平行四辺形状のファラデー素子に代えて断面長方形状のファラデー素子を適用した場合、シミュレーション通り、ファラデー素子３０の直径は４．３ｍｍ必要であることが判った。

［確認］
以上の結果から、断面長方形状のファラデー素子に代えて図２において符号αで示す角度が１４°である断面平行四辺形状のファラデー素子を適用することにより、ファラデー素子の体積が「約３分の１」に、集合体磁石の体積が「約３分の２」となり、偏波無依存型光アイソレータにおけるファラデー素子の小型化と磁石の小型化についてその両立が図れることを確認できた。

本発明に係る偏波無依存型光アイソレータによれば、ファラデー素子の小型化と磁石の小型化が図れるため、光通信システムやレーザー加工システムに用いられる高出力レーザーの反射戻り光対策に利用される産業上の利用可能性を有している。

１楔型複屈折結晶板
２楔型複屈折結晶板
３ファラデー素子
４レンズ
５磁石
６水晶製半波長板
７平行平板形状のＹＶＯ₄結晶
８偏波無依存型光アイソレータ
９半導体レーザー光源
１０ファイバーコリメータ
１１ファイバーコリメータ
１２パワーメータ
１３光スイッチ
３０ファラデー素子
３１鈍角部
５１第１の磁石
５２第２の磁石
５３第３の磁石
１００直角部

Claims

光路上に設けられた一対の楔型複屈折結晶板と、これ等楔型複屈折結晶板間の光路上に設けられた常磁性体から成るファラデー素子とを備え、一対の楔型複屈折結晶板における傾斜光透過面同士および非傾斜光透過面同士が互いに平行で、かつ、各非傾斜光透過面が上記ファラデー素子側に向けて配置されている偏波無依存型光アイソレータにおいて、
上記一対の楔型複屈折結晶板における非傾斜光透過面に対し光入出射面が非平行となる断面平行四辺形状を有する常磁性体によりファラデー素子が構成され、かつ、光路中心軸を基準にして各楔型複屈折結晶板の直角部とファラデー素子の鈍角部が同じ側に配置されていることを特徴とする偏波無依存型光アイソレータ。