JP2015225184A - ロータリージョイント - Google Patents

Abstract

【課題】ロータリージョイントにおいて、歯車機構を必要とせず、入射側と出射側の光ファイバが相対的に回転しても、それぞれの光ファイバの直線偏光面を保持可能なロータリージョイントを提供する。【解決手段】ロータリージョイント１００は、回転側のコリメート機構と固定側のコリメート機構とが互いに対向して、相対的に回転自在に結合されるロータリージョイント１００において、回転側コリメート機構１１０および固定側コリメート機構１２０は、偏光保持型の光ファイバ１１１、１２１を備え、各光ファイバ１１１、１２１の対向する側の先端の光軸上に、コリメータレンズ１１３、１２３と１／４波長板１１４、１２４とが配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、回転側の光ファイバと固定側の光ファイバとを回転自在に結合するロータリージョイントに関する。

光ファイバと光ファイバが相対的に回転するような場合に、光ファイバ同士を結合させるには、一般的にロータリージョイントが用いられる。このロータリージョイントを偏光保持型の光ファイバの結合に用いた場合には、光ファイバで保持されていた偏光面が保持されなくなってしまう。その理由としては、静止側の光ファイバの固有偏光軸は一定であるのに対して、回転側の光ファイバの固有偏光軸から出射される直線偏光の方位は、回転側の光ファイバの回転に伴って変化してしまうからである。

この問題を解決した例として、特公平０７−０１１６１３号公報に開示された「偏波面保存光ファイバ用ロータリージョイント」が挙げられる。
この「偏波面保存光ファイバ用ロータリージョイント」は、「回転系の偏波面保存光ファイバと静止系の偏波面保存光ファイバとをレンズ系を介して結合すると共に、回転系の偏波面保存光ファイバの１／２の回転速度で同方向に回転される１／２波長板を上記レンズ系に設けたことを特徴とする」。
特公平０７−０１１６１３号公報

上述の「偏波面保存光ファイバ用ロータリージョイント」において、１／２波長板１４は、入射側の偏波面保存光ファイバにおける直線偏波の方向を、回転させて出射する機能を有している。このとき、回転側の偏波面保存光ファイバ１９は、１／２波長板１４の機械的な回転速度の２倍の速度で、偏波方向が回転しなければならない。そこで、１／２波長板１４の回転速度を、回転側の偏波面保存光ファイバ１９の回転速度に対して、１／２倍にするために歯車機構３３を用いている（図５参照のこと）。

特公平０７−０１１６１３号公報に開示された「偏波面保存光ファイバ用ロータリージョイント」では、回転速度を１／２倍にするために、歯車機構を必要としている。歯車機構を用いているため、以下のような不具合を伴うことになる。

すなわち、
・歯車機構を必要とするため、「ロータリージョイント」の構造が複雑で大きくなってしまう。
・歯車機構を用いていると、長期の使用により摩耗が生じて、バックラッシュや遊び等を発生し、「ロータリージョイント」としての信頼度が低くなる。
・機械的な歯車機構を用いているので、高速回転に限界があったり、騒音や振動が発生してしまう。
・長期の使用には、保守作業が必要となる。

なお、特公平０７−０１１６１３号公報に開示された「偏波面保存光ファイバ用ロータリージョイント」では、１／２波長板はレンズ系とは一体化されていない。

以上のような問題点を解決するために、本発明は、歯車機構を必要とせず、回転側と固定側の光ファイバが相対的に回転しても、それぞれの光ファイバの直線偏光面を保持可能なロータリージョイントを提供する。

本発明は、
回転側のコリメート機構と固定側のコリメート機構とが互いに対向して、相対的に回転自在に結合されるロータリージョイントにおいて、
前記各コリメート機構は、偏光保持型の光ファイバを備え、
前記各コリメート機構は、偏光保持型の光ファイバを備え、
前記各光ファイバの対向する側の先端の光軸上に、コリメータレンズと１／４波長板とが配置されていることを特徴とするロータリージョイントである。

本発明は、以上のような構成であるので、上述した特公平０７−０１１６１３号公報に開示された「偏波面保存光ファイバ用ロータリージョイント」のように、歯車機構を必要としないため、上述した問題点が発生することはない。

すなわち、ロータリージョイントとしての回転機構は、通常のロータリージョイントと同様に歯車機構を必要としないので、構造が複雑で大きくなったり、長期の使用によって摩耗が生じたりすることはない。
また、歯車機構を用いるが故に、高速回転に限界があったり、騒音や振動が発生してしまうこともなく、長期の使用でも特に保守作業を必要としない。

本発明によるロータリージョイントの断面構造図の一例である。 本発明のロータリージョイントの特徴である一体型コリメータ部の一例である。 ＰＡＮＤＡタイプの偏光保持型光ファイバの端面構造および偏光の方向と、１／４波長板の結晶軸方向と通過した光の円偏光との関係を説明する図である。 測定例における、回転角度と、挿入損失および偏光消光比との関係を表すグラフである。 特公平０７−０１１６１３号公報に開示された「偏光面保存光ファイバ用ロータリージョイント」の断面構造図である。

以下に、図面を参照しながら、本発明によるロータリージョイントを詳細に説明する。
図１は、本発明によるロータリージョイントの一例を示した図である。

すなわち、本発明によるロータリージョイントは、
回転側のコリメート機構と固定側のコリメート機構とが互いに対向して、相対的に回転自在に結合されるロータリージョイントにおいて、
前記各コリメート機構は、偏光保持型の光ファイバを備え、
前記各光ファイバの対向する側の先端の光軸上に、コリメータレンズと１／４波長板とが配置されていることを特徴とする。

図１に示されたロータリージョイント１００は、回転側コリメート機構１１０と、固定側コリメート機構１２０と、ロータリージョイント本体１３０と、ベアリング機構１４０とを含んで構成されている。

まず、回転側コリメート機構１１０は、概略筒状の回転側コリメート機構本体１１１に、偏光保持型光ファイバ１１２が挿入され固定されている。偏光保持型光ファイバ１１２には、直線偏光の光が伝搬されている。回転側のコリメートレンズ１１３は、回転側の偏光保持型光ファイバ１１２の端面から出射された光をコリメートして平行光１１５にする。コリメートされた光１１５は、回転側の１／４波長板１１４を通過することによって、円偏光の光１１６に変換される。

図２を参照しながら、回転側のコリメート機構を例にして、詳しく説明する。
コリメート機構１１１は、偏光保持型光ファイバ１１２の光軸上に、コリメートレンズ１１３と、１／４波長板１１４とが配置されている。

偏光保持型光ファイバ１１２の端面から端面から出射され直線偏光状態の光は、コリメートレンズ１１３によってコリメートされ平行光になる。このため、コリメートレンズ１１３は、レンズの焦点距離の位置に、光ファイバ１１２の端面が来るように配置されている。コリメートレンズ１１３と１／４波長板１１４との距離は、特に制限はなく、任意である。

図１に戻り、固定側コリメート機構１２０は、固定側コリメート機構本体１２１と、固定側の偏光保持型光ファイバ１２２と、固定側のコリメートレンズ１２３と、固定側の１／４波長板１２４とを含んで構成されており、回転側コリメート機構１１０と同様の構成を有している。

さらに、固定側コリメート機構１２０は、概略筒状のロータリージョイント本体１３０の一端部に固着されている。
そして、ロータリージョイント本体１３０の他端部と、回転側コリメート機構１１０とは、ベアリング機構１４０を介して、回転自在に構成されている。ベアリング機構１４０の例としては、ボールベアリングやローラーベアリングが挙げられる。

本発明によるロータリージョイント１００では、各光ファイバ１１２，１２２の対向する側の先端部分に、まずコリメータレンズ１１３，１２３が設けられている。コリメートレンズは、入射側の光ファイバでは、当該光ファイバから出射する光をコリメートし、出射側の光ファイバでは、コリメート光を集光して光ファイバの端部に入射させる。

入射側の偏光保持型光ファイバを伝搬し、コリメートレンズによってコリメートされ直線偏光状態の光は、さらに１／４波長板を通過する。偏光保持型光ファイバを伝搬する直線偏光の光は、１／４波長板を通過することによって、円偏光の光に変換される。
円偏光に変換された光は、対向する出射側の光ファイバに設けられた１／４波長板を通過する。円偏光に変換された光は、１／４波長板を通過することによって、直線偏光の光に変換される。

このとき、ロータリージョイントにおいて入射側の光ファイバと出射側の光ファイバとは、互いに円偏光の光によって結合されているので、入射側の光ファイバと出射側の光ファイバとが相対的に回転しても、光結合は維持されている。その結果、出射側の偏光保持型光ファイバにおいても、伝搬される光の直線偏光は維持されることになる。なお、入射側と出射側とは、それぞれ回転側と固定側のいずれにもなりうる。

ここで、１／４波長板について説明する。
まず、波長板とは、水晶のような複屈折結晶を利用して、位相差を生じさせるものである。そのため、位相子と呼ばれることもある。波長板の入射面内に光学軸が来るように配置すると、入射した光は、光学軸に平行な偏光成分と垂直な偏光成分に分離伝搬され、伝搬経路における屈折率差によって、位相差を生じることになる。この位相差がπ／２（９０度）となるものを、１／４波長板という。

１／４波長板の主な用途は、直線偏光を円偏光に変換する場合や、円偏光を直線偏光に変換する場合である。例えば、直線偏光のSlow軸に対して、１／４波長板の結晶軸を４５度の角度に設定すると、円偏光を得ることができる。また、直線偏光のFast軸に対して、１／４波長板の結晶軸を４５度の角度に設定してもよい。

このとき、直線偏光化された光の振動方向、例えばSlow軸を、１／４波長板の光軸方向（結晶軸）に対して、θ＝＋４５度の角度で入射するようにしたとき、１／４波長板から出射する光は、右回りの円偏光となる。同様に、θ＝−４５度の角度で入射するようにしたとき、１／４波長板から出射する光は、左回りの円偏光となる。

入射する直線偏光の振動方向（Slow軸またはFast軸）と、１／４波長板の光軸方向（結晶軸）との角度θが、θ＝±４５度以外の場合、１／４波長板から出射する光は楕円偏光となる。さらに、θ＝０度と、１８０度の場合、１／４波長板に入射した直線偏光は、そのまま直線偏光として出射される。

図３は、偏光保持型の光ファイバの一例である、ＰＡＮＤＡ(Polarization-maintaining AND Absorption-reducing)タイプの偏光保持型光ファイバ１１１の端面構造およびその偏光方向１１８と、１／４波長板１１４の結晶軸方向と通過し円偏光１１６の状態との関係を説明する図である。図３（ａ）は図２のＡ−Ａ方向からの矢視図であり、図３（ｂ）は図２のＢ−Ｂ方向からの矢視図である。

まず図３（ａ）は、光ファイバ１１１の端面の構造と直線偏光の方向１１８の関係を示しており、２つの応力発生部１１７が並ぶ方向と、直線偏光の方向１１８とは一致していることを表している。

つぎに図３（ｂ）は、１／４波長板１１４の光軸方向１１９と円偏光の生成の関係を示しており、直線偏光の方向１１８と、１／４波長板の光軸方向１１９との角度θが、４５度となっているので、円偏光１１６が生成される。図中の円は、円偏光の旋回の状態を表している。

図１に示したロータリージョイント１００の一例において、各偏光保持型の光ファイバ１１１，１２１の直線偏光の方向と、各１／４波長板１１４，１２４の光軸方向との角度θは４５度をなしており、これは、回転側コリメート機構および固定側コリメート機構とも同様である。

以上説明したように、本発明によるロータリージョイントは、歯車機構を必要としないので、光ジョイントとして高い信頼性を有し、高速回転を可能としている。
また、歯車機構を必要としないので、ロータリージョイントの小型化も容易であり、コスト的に安価な構造である。さらに、騒音や振動も小さくできる。

[測定例]
続いて、このように構成されたロータリージョイントを作製し、回転角度と、挿入損失および偏光消光比との関係を測定した。そのグラフを図４に示した。なお、この測定例における測定波長は、１５５０ｎｍであり、温度は２５℃であった。

その結果、平均挿入損失はコネクタにおける損失を含んで１．２０ｄＢであり、回転による損失変動量は０．１４ｄＢであり、平均偏光消光比は２１．２ｄＢであった。また、反射減衰量は、固定側で５７．２ｄＢであり、回転側で５６．４ｄＢであった。

ここで、一般に偏光消光比が２０ｄＢ以上であれば、十分な光結合ができている、とされている。したがって、この測定例のロータリージョイントは、十分な光結合が達成されている。なお、偏光消光比が回転角度に対して変化しているのは、直線偏光が完全に円偏光に変換されていないためである。

本発明によるロータリージョイントは、偏光保持型の光ファイバ同士を回転可能に接続すると共に、伝搬される光の直線偏光を簡単な構造で維持することができるので、光通信等の分野で有用である。

１００：ロータリージョイント
１１０：回転側コリメート機構
１１１：回転側の偏光保持型光ファイバ
１１２：回転側コリメート機構本体
１１３：回転側のコリメートレンズ
１１４：回転側の１／４波長板
１１５：コリメート光
１１６：円偏光された光
１１７：応力発生部
１１８：直線偏光の方向
１１９：１／４波長板の光軸方向
１２０：固定側コリメート機構
１２１：固定側の偏光保持型光ファイバ
１２２：固定側コリメート機構本体
１２３：固定側のコリメートレンズ
１２４：固定側の１／４波長板
１３０：ロータリージョイント本体
１４０：ベアリング機構

Claims (3)

1. 回転側のコリメート機構と固定側のコリメート機構とが互いに対向して、相対的に回転自在に結合されるロータリージョイントにおいて、
   前記各コリメート機構は、偏光保持型の光ファイバを備え、
   前記各光ファイバの対向する側の先端の光軸上に、コリメータレンズと１／４波長板とが配置されていることを特徴とするロータリージョイント。
2. 請求項１に記載のロータリージョイントにおいて、
   前記各コリメート機構は、前記光ファイバと前記コリメータレンズと前記１／４波長板とが、一体化されていることを特徴とするロータリージョイント。
3. 請求項１または２に記載のロータリージョイントにおいて、
   偏光保持型の光ファイバにおける、Slow軸またはFast軸と１／４波長板の結晶軸とのなす角度を４５度に設定したことを特徴とするロータリージョイント。

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