JP2016009108A - Optical attenuator and multi-channel optical attenuator - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、物質の電気光学効果を利用して入射光の透過と遮断を制御したり、入射した光の減衰量を可変制御したりするための光アッテネータに関する。 The present invention relates to an optical attenuator for controlling the transmission and blocking of incident light using the electro-optic effect of a substance, and for variably controlling the attenuation of incident light.
光アッテネータとしては、例えば、PLZT(チタン酸ジルコン酸ランタン鉛)などの電気光学効果を有する物質(以下、電気光学物質あるいはEO物質と言う)を用いたものがある。このEO物質を用いた光アッテネータは、一般に、対向配置された一対のコリメータと、平板状のEO物質を互いに対面する二つの電極で狭持した構成の電気光学素子(以下、EO素子とも言う)、偏光子、検光子、および電極間に電界を印加するための駆動回路から構成され、光が入力される側の一方のコリメータから光が出力される側の他方のコリメータに向かって、偏光子、EO素子、検光子がこの順に光路に沿って配置された構造となっている。偏光子と検光子は、光学軸が互いに直交あるいは平行となるように対面して配置されている。また、EO物質を狭持する二つの電極間にできる電界の方向は、偏光子の光学軸に対して45゜傾いている。 As an optical attenuator, for example, there is one using a substance having an electrooptic effect (hereinafter referred to as an electrooptic substance or an EO substance) such as PLZT (lead lanthanum zirconate titanate). In general, an optical attenuator using an EO material is an electro-optical element (hereinafter also referred to as an EO element) having a pair of collimators arranged opposite to each other and a plate-like EO substance sandwiched between two electrodes facing each other. A polarizer, an analyzer, and a drive circuit for applying an electric field between the electrodes, and the polarizer is directed from one collimator on the light input side toward the other collimator on the light output side. The EO element and the analyzer are arranged in this order along the optical path. The polarizer and the analyzer are arranged to face each other so that their optical axes are orthogonal or parallel to each other. The direction of the electric field formed between the two electrodes holding the EO material is inclined 45 ° with respect to the optical axis of the polarizer.
そして、電極間に電界を印加していないときは、偏光子を透過してきた直線偏光がその振動方向を維持したまま検光子に入射する。このとき、検光子の光学軸が偏光子の光学軸に対して直交しているときは光が遮断され、平行であるときは光が透過する。一方、駆動回路により電極間に電界を印加すると、EO物質を透過する光に位相差(リタデーション)が生じ、入射した直線偏光の振動方向が最大で90゜回転する。その結果、入射光が検光子を透過、あるいは遮断される。また、電界強度に応じて振動方向の傾きを制御することで検光子を透過する光の強度減衰量を変化させることができる。 When no electric field is applied between the electrodes, the linearly polarized light transmitted through the polarizer enters the analyzer while maintaining its vibration direction. At this time, light is blocked when the optical axis of the analyzer is orthogonal to the optical axis of the polarizer, and light is transmitted when the optical axis is parallel. On the other hand, when an electric field is applied between the electrodes by the drive circuit, a phase difference (retardation) occurs in the light transmitted through the EO substance, and the vibration direction of the incident linearly polarized light is rotated by 90 ° at the maximum. As a result, incident light is transmitted through or blocked by the analyzer. Further, the intensity attenuation amount of the light transmitted through the analyzer can be changed by controlling the inclination of the vibration direction according to the electric field strength.
なお、上述したEO物質を用いた光アッテネータでは、原理的にEO物質内の電界強度を極めて高くする必要がある。すなわち、電極間の電圧を高くする必要がある。そこで、電極間の電圧(駆動電圧)を低くするために、EO物質を電極で挟持した構造を積層させた多層構造を採用し、70V程度の電圧でも有効に動作する光アッテネータが実用化された。そして、この光アッテネータは実際に市販品として提供されている(例えば、フルウチ化学株式会社製「PLZT高速光シャッター」:非特許文献1参照)。 Incidentally, in the optical attenuator using the above-mentioned EO substance, it is necessary in principle to extremely increase the electric field strength in the EO substance. That is, it is necessary to increase the voltage between the electrodes. Therefore, in order to lower the voltage between electrodes (drive voltage), an optical attenuator that adopts a multilayer structure in which a structure in which an EO substance is sandwiched between electrodes is used and operates effectively even at a voltage of about 70 V has been put into practical use. . This optical attenuator is actually provided as a commercial product (for example, “PLZT high-speed optical shutter” manufactured by Furuuchi Chemical Co., Ltd .: see Non-Patent Document 1).
しかし、上記市販の「PLZT高速光シャッター」では、多層構造の層間を光路としているため、回折、あるいは電極による光散乱や反射が生じ、光を透過させるオン状態での損失が大きくなるという問題があることから、以下の特許文献1では、EO物質を薄膜化しつつ、集光レンズを用いて、その焦点近傍にEO物質を配置することで、電極間距離を小さくして15V程度の低電圧での駆動を実現しつつ、上述の多層構造に由来する光学的な各種問題を解決している。
However, since the above-mentioned commercially available “PLZT high-speed optical shutter” uses an optical path between layers of a multi-layer structure, there is a problem that diffraction or light scattering or reflection by electrodes occurs, and loss in an on state where light is transmitted increases. For this reason, in
光アッテネータとしては、EO物質の電気光学効果に基づくリタデーションを利用した形態に限らず、種々の原理や物質を利用した形態が存在する。例えば、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)、ファラデー素子、液晶などの光学素子を用いたものである。ここで、光アッテネータの主要な利用分野である光通信での用途を考えると、MEMSや液晶を光学素子として用いた方式では応答速度が遅く、採用し難い。ファラデー素子を用いた方式では、磁界を印加するための構造が複雑であり、素子以外の周辺構成を含めると小型化が難しくなる。また、磁界を可変制御するために電磁石を用いており、その電磁石を駆動するために比較的大きな電流が必要となり省電力化が難しい。 The optical attenuator is not limited to a form using retardation based on the electro-optic effect of the EO substance, and there are forms using various principles and substances. For example, optical elements such as MEMS (Micro Electro Mechanical Systems), Faraday elements, and liquid crystals are used. Here, considering the use in optical communication, which is the main field of application of optical attenuators, a method using MEMS or liquid crystal as an optical element has a slow response speed and is difficult to employ. In the method using the Faraday element, the structure for applying the magnetic field is complicated, and it is difficult to reduce the size if peripheral structures other than the element are included. In addition, an electromagnet is used to variably control the magnetic field, and a relatively large current is required to drive the electromagnet, making it difficult to save power.
一方、EO物質によるリタデーションを利用した光アッテネータでは、高速応答性に優れ、電界を印加するだけで駆動できるため、小型化し易く、また、電界強度によって制御するため、電流がほとんど流れず、省電力でもある。したがって、EO物質を光学素子として用いた光アッテネータは他の素子を用いた光アッテネータよりも省電力化と小型化に有利であると言える。 On the other hand, an optical attenuator using retardation by an EO substance is excellent in high-speed response and can be driven by simply applying an electric field, so that it is easy to miniaturize, and because it is controlled by electric field strength, almost no current flows and power is saved. But there is. Therefore, it can be said that an optical attenuator using an EO substance as an optical element is more advantageous for power saving and miniaturization than an optical attenuator using another element.
その一方で、上述した市販の光アッテネータではそれ以前の光アッテネータよりは低電圧で駆動できるものの、それでも70Vの高電圧で駆動する必要がある。上記特許文献1に記載の光アッテネータでは、駆動電圧を15Vまで下げるために、電極間の距離を光の入射面から出射面に向かって徐々に狭くしている。そして出射面側の電極間距離を30μmと極めて狭くしている。さらにその狭小な電極間に光ビームを通過させるために集光レンズも必要としている。そのため、EO物質の形状が複雑となり、EO物質の加工や複雑な形状のEO物質に電極を形成することが難しく、部品点数もさらに多くなる。したがって製造コストが増加する。
On the other hand, although the above-mentioned commercially available optical attenuator can be driven at a lower voltage than the previous optical attenuator, it still needs to be driven at a high voltage of 70V. In the optical attenuator described in
そこで本発明は、より低い電圧での駆動が可能で、かつ優れた光損失特性を有する光アッテネータを提供することを主な目的としている。 Therefore, a main object of the present invention is to provide an optical attenuator that can be driven at a lower voltage and has excellent optical loss characteristics.
上記目的を達成するための本発明は、第1の光ファイバを保持した前方の第1光ファイバコリメータと第2の光ファイバを保持した後方の第2の光ファイバコリメータが前後で対向配置されているとともに、前後方向に延長するz軸を光軸として、当該光軸上に前後に光の入出射面を有する複数の光学素子が配置されてなり、第1の光ファイバからの入力光の強度を減衰させて第2の光ファイバに出力する光アッテネータであって、
前記z軸と直交し、かつ互いに直交する二つの軸をx軸およびy軸として、
前記光学素子として偏光部、電気光学素子部、および検光部が前記第1の光ファイバコリメータから前記第2の光ファイバコリメータに向かってこの順に配置されてなり、
前記偏光部は、xy面での光学軸の方位が互いにz軸周りに90゜回転させた関係にある第1の複屈折素子と第2の複屈折素子が前方から後方に向かってこの順に並んで配置された構成を含み、
前記第1の複屈折素子は、xy面での光学軸の方位がx軸に対してz軸周りに所定の方向に45°傾いているとともに、前記入力光を常光と異常光の二つの直線偏光に分離するとともに、当該二つの直線偏光をxy面においてx軸に対して45°方向に離間した位置から出射するようにyz面およびzx面での光学軸の方位が設定され、
前記第2の複屈折素子は、前記第1の複屈折素子が出射した前記二つの直線偏光をx軸に平行方向に離間する第1の光路上と第2の光路上に出射し、
前記電気光学素子部はy軸を法線方向として互いに対面する電極間に電気光学効果を有する電気光学物質が挟持されてなり、外部の駆動回路により当該対面する電極間に電圧が印加されると前記第1および第2の光路を辿って入射してきた光のそれぞれに所定の位相差を与えて後方から出射し、
前記検光部は、xy面での光学軸の方位がz軸周りに90゜回転させた関係にある第3の複屈折素子と第4の複屈折素子が前方から後方に向かってこの順に並んで配置された構成を含み、
前記電気光学素子部が自身に入射された光に対して前記電気光学効果に基づく0°あるいは180°のいずれかの位相差を与えている場合、前記第1および第2の光路を辿ってx軸方向に離間しつつ互いに直交する二つの直線偏光が前記第3の複屈折素子の前面に入射され、前記第4の複屈折素子が当該二つの直線偏光を前記第2の光ファイバコリメータの光ファイバに結合させる、
ことを特徴とする光アッテネータとしている。
In order to achieve the above object, according to the present invention, a front first optical fiber collimator holding a first optical fiber and a rear second optical fiber collimator holding a second optical fiber are arranged to face each other. In addition, a plurality of optical elements having light incident / exit surfaces on the optical axis are arranged on the optical axis with the z axis extending in the front / rear direction as the optical axis, and the intensity of the input light from the first optical fiber Is an optical attenuator that attenuates and outputs to the second optical fiber,
Two axes orthogonal to the z-axis and orthogonal to each other are defined as an x-axis and a y-axis,
As the optical element, a polarizing unit, an electro-optical element unit, and a light detecting unit are arranged in this order from the first optical fiber collimator to the second optical fiber collimator.
In the polarizing section, the first birefringent element and the second birefringent element are arranged in this order from the front to the rear in such a relationship that the azimuth of the optical axis on the xy plane is rotated by 90 ° around the z axis. Including the configuration arranged in
In the first birefringent element, the azimuth of the optical axis on the xy plane is inclined 45 ° in a predetermined direction around the z axis with respect to the x axis, and the input light is divided into two straight lines of ordinary light and extraordinary light. The azimuths of the optical axes on the yz plane and the zx plane are set so that the two linearly polarized lights are emitted from positions separated from each other in the direction of 45 ° with respect to the x axis on the xy plane.
The second birefringent element emits the two linearly polarized lights emitted from the first birefringent element on a first optical path and a second optical path that are separated in a direction parallel to the x-axis,
In the electro-optic element portion, an electro-optic material having an electro-optic effect is sandwiched between electrodes facing each other with the y-axis as a normal direction, and a voltage is applied between the facing electrodes by an external driving circuit. A predetermined phase difference is given to each of the light incident along the first and second optical paths and emitted from the rear,
In the light analyzing section, the third birefringent element and the fourth birefringent element, which have a relationship in which the orientation of the optical axis on the xy plane is rotated by 90 ° around the z axis, are arranged in this order from the front to the rear. Including the configuration arranged in
When the electro-optic element portion gives a phase difference of 0 ° or 180 ° based on the electro-optic effect to the light incident on the electro-optic element portion, the x-trace follows the first and second optical paths. Two linearly polarized light beams that are orthogonal to each other while being separated in the axial direction are incident on the front surface of the third birefringent element, and the fourth birefringent element converts the two linearly polarized light beams into the light of the second optical fiber collimator. Coupled to the fiber,
The optical attenuator is characterized by this.
前記偏光部は、前記第1の複屈折素子と前記第2の複屈折素子との間に第1の1/2波長板が配置されてなり、当該第1の1/2波長板は光学軸の方位がx軸あるいはy軸と平行となるように設定され、
前記検光部は、前記第3の複屈折素子と前記第4の複屈折素子との間に第2の1/2波長板が配置されてなり、当該第2の1/2波長板はxy面での光学軸の方位が前記第3及び第4の複屈折素子のxy面での光学軸の方位を二分する方向となるように設定されている、
ことを特徴とする光アッテネータとしてもよい。
The polarizing section is formed by arranging a first half-wave plate between the first birefringent element and the second birefringent element, and the first half-wave plate is an optical axis. Is set to be parallel to the x-axis or y-axis,
The light analyzing unit includes a second half-wave plate disposed between the third birefringent element and the fourth birefringent element, and the second half-wave plate is xy. The azimuth of the optical axis on the surface is set to be a direction that bisects the azimuth of the optical axis on the xy plane of the third and fourth birefringent elements,
It is good also as an optical attenuator characterized by this.
前記電気光学物質は、電界が印加されていない状態で所定の残留位相差による複屈折効果を有する強誘電体からなり、
前記偏光部と前記電気光学素子部との間、あるいは前記電気光学素子部と前記検光部との間に1/4波長板が配置され、
当該1/4波長板は、光学軸のxy面での方位がx軸に対してz軸周りに45゜傾いており、前記偏光部から前記第1および第2の光路上に出射された二つの直線偏光のxy面での方位に対してz軸周りに角度αだけ傾いた二つの直線偏光を前記検光部に入射させるように前記残留位相差を補償し、
前記第3の複屈折素子のxy面での光学軸の方位は、前記1/4波長板から出射された二つの直線偏光のいずれかに一致している、
ことを特徴とする光アッテネータとすることもできる。
The electro-optic material is made of a ferroelectric material having a birefringence effect due to a predetermined residual phase difference in a state where an electric field is not applied,
A quarter-wave plate is disposed between the polarizing unit and the electro-optical element unit, or between the electro-optical element unit and the light detecting unit,
The quarter-wave plate has an azimuth of the optical axis on the xy plane that is inclined by 45 ° around the z-axis with respect to the x-axis, and is emitted from the polarizing section onto the first and second optical paths. Compensating for the residual phase difference so that two linearly polarized lights inclined by an angle α around the z axis with respect to the orientation of the two linearly polarized lights in the xy plane are incident on the detection unit;
The azimuth of the optical axis on the xy plane of the third birefringent element coincides with one of the two linearly polarized lights emitted from the quarter wavelength plate.
An optical attenuator characterized by this can also be obtained.
あるいは、前記電気光学物質は、電界が印加されていない状態で所定の残留位相差による複屈折効果を有する強誘電体からなり、
前記第3の複屈折素子の直前に1/2波長板からなる旋光部が配置され、
前記偏光部と前記電気光学素子部との間、あるいは前記電気光学素子部と旋光部との間に1/4波長板が配置され、
当該1/4波長板は、光学軸のxy面での方位がx軸に対してz軸周りに45゜傾いており、前記偏光部から前記第1および第2の光路上に出射された二つの直線偏光のxy面での方位に対してz軸周りに角度αだけ傾いた二つの直線偏光を前記旋光部に入射させるように前記残留位相差を補償し、
前記第3の複屈折素子のxy面での光学軸の方位は、前記第2の複屈折素子のxy面での光学軸の方位と一致あるいはz軸周りに90°傾いており、
前記旋光部のxy面での光学軸の方位は、前方から入射した前記角度αだけ傾いた前記二つの直線偏光のxy面での振動方向の方位と前記第3の複屈折素子のxy面での光学軸の方位との交差角度を等角度で分割する方向である、
ことを特徴とする光アッテネータとしてもよい。そして前記強誘電体からなる電気光学物質は一般式K1-yMyTa1-xNbxO3(但し、Mは1価の金属、0<x<1、0≦y<1)で表される物質であれば好ましい。
Alternatively, the electro-optic material is made of a ferroelectric having a birefringence effect due to a predetermined residual phase difference in a state where an electric field is not applied,
An optical rotator comprising a half-wave plate is disposed immediately before the third birefringent element,
A quarter-wave plate is disposed between the polarizing unit and the electro-optical element unit, or between the electro-optical element unit and the optical rotation unit,
The quarter-wave plate has an azimuth of the optical axis on the xy plane that is inclined by 45 ° around the z-axis with respect to the x-axis, and is emitted from the polarizing section onto the first and second optical paths. Compensating for the residual phase difference so that two linearly polarized lights inclined by an angle α around the z axis with respect to the orientation of the two linearly polarized lights in the xy plane are incident on the optical rotation unit;
The azimuth of the optical axis on the xy plane of the third birefringent element coincides with the azimuth of the optical axis on the xy plane of the second birefringent element, or is inclined by 90 ° around the z axis,
The azimuth of the optical axis on the xy plane of the optical rotator is the azimuth of the vibration direction on the xy plane of the two linearly polarized light inclined by the angle α incident from the front and the xy plane of the third birefringent element. Is a direction in which the angle of intersection with the azimuth of the optical axis is divided at equal angles,
It is good also as an optical attenuator characterized by this. The electro-optical material comprising the ferroelectric formula K 1-y M y Ta 1 -x Nb x O 3 ( where, M is a monovalent metal, 0 <x <1,0 ≦ y <1) with If it is a substance represented, it is preferable.
上記いずれかに記載の前記光アッテネータを1チャンネル分の光アッテネータとして、当該1チャンネル分の左右に複数チャンネル分並べたものに相当する構成を一体的に備えたことを特徴とする多チャンネル光アッテネータも本発明の範囲としている。 A multi-channel optical attenuator characterized in that the optical attenuator according to any one of the above is used as an optical attenuator for one channel, and a structure corresponding to a configuration in which a plurality of channels are arranged on the left and right for the one channel is integrally provided. Is also within the scope of the present invention.
上記多チャンネル光アッテネータは、
前記複数チャンネル分の光アッテネータを構成する複数個の前記第1および第2の光ファイバコリメータを構成するコリメートレンズは、マイクロレンズアレイとしてx軸方向に並べて配置された状態で一体化されていてもよい。
The multi-channel optical attenuator is
The plurality of collimating lenses constituting the first and second optical fiber collimators constituting the optical attenuators for the plurality of channels may be integrated as a microlens array arranged side by side in the x-axis direction. Good.
さらに前記第1および第2の光ファイバコリメータ間に配置される光学素子の少なくとも一つが、前記複数チャンネル分の光アッテネータによって形成される複数チャンネル分の光路を横断するように左右に延長して形成されていることを特徴とする多チャンネル光アッテネータとすることもできる。 Further, at least one of the optical elements disposed between the first and second optical fiber collimators is formed to extend from side to side so as to cross the optical paths for a plurality of channels formed by the optical attenuators for the plurality of channels. A multi-channel optical attenuator can be provided.
本発明の光アッテネータによれば、低電圧駆動が可能で光減衰特性に優れている。また、簡素な構成で製造が容易であるため、安価に提供することも期待できる。その他の効果については以下の記載で明らかにする。 The optical attenuator of the present invention can be driven at a low voltage and has excellent optical attenuation characteristics. In addition, since it is easy to manufacture with a simple configuration, it can be expected to be provided at low cost. Other effects will be clarified in the following description.
本発明の実施例について、以下に添付図面を参照しつつ説明する。なお、以下の説明に用いた図面において、同一または類似の部分に同一の符号を付して重複する説明を省略することがある。図面によっては説明に際して不要な符号を省略することもある。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. Note that in the drawings used for the following description, the same or similar parts may be denoted by the same reference numerals and redundant description may be omitted. In some drawings, unnecessary symbols may be omitted in the description.
本発明の実施例に係る光アッテネータは、高速応答性、省電力化、小型化などの要求に応えるため、EO物質の電気光学効果に基づく位相差を動作原理として採用している。そしてより低電圧での駆動を可能としつつ優れた光損失特性を備えている。以下では、まず、EO物質の電気光学効果に基づく位相差を利用した光アッテネータ(以下、光アッテネータ)の一般的な構成を挙げ、その一般的な構成に係る光アッテネータの動作原理を説明する。その上で従来の光アッテネータの問題点などについて説明する。 The optical attenuator according to the embodiment of the present invention employs a phase difference based on the electro-optic effect of the EO material as an operation principle in order to meet the demands for high-speed response, power saving, miniaturization, and the like. It has excellent optical loss characteristics while enabling driving at a lower voltage. Hereinafter, first, a general configuration of an optical attenuator (hereinafter referred to as an optical attenuator) using a phase difference based on an electro-optic effect of an EO material will be described, and an operation principle of the optical attenuator according to the general configuration will be described. Then, the problems of the conventional optical attenuator will be described.
===光アッテネータの動作原理===
図1は光アッテネータの動作原理を説明するための図である。図1(A)は一般的な光アッテネータ1の構成を示す図であり、図1(B)は当該構成に含まれる偏光子2aと検光子2bの光学軸(3a、3b)の方向を示す図である。図1(A)に示したように、一般的な光アッテネータ(以下、一般例1とも言う)は、前方から後方に向かって光B0が入射することとし、前後方向で対面する光ファイバコリメータ(図示せず)間に光軸50を設定すると、一般例1は、前方から偏光子2a、EO素子20、検光子2bがこの順に光軸50に沿って配置された構造となっている。
=== Principle of operation of optical attenuator ===
FIG. 1 is a diagram for explaining the operation principle of the optical attenuator. FIG. 1A is a diagram showing a configuration of a general
EO素子20は、光軸50を法線方向とした前後の面を光の入出射面としたEO物質21を互いに対面する二つの電極(22−22)で挟持した構造である。二つの電極(22−22)は光に直交する方向に電界Eを印加するように配置されている。ここで、便宜的に電界Eの印加方向を上下方向とし、電界Eは上方から下方に印加されるものとして上と下の各方向を規定する。また、前後方向から見て上下方向と直交する方向を左右方向とし、後方から前方を見たときの方向によって左と右の各方向を規定することとする。
The
偏光子2aと検光子2bは、光学軸(3a、3b)を光の透過軸として、当該光学軸(3a、3b)が図1(B)に示したように、EO素子20に印加される電界E方向に対して45゜傾いている。偏光子2aと検光子2bの光学軸(3a、3b)は互いに直交あるいは平行であり、ここでは直交している場合を示している。すなわち、図示した一般例1は、EO素子20に電界Eを印加していない状態(以下、初期状態とも言う)で暗状態となる、所謂ノーマリオフ型となっている。互いに平行である場合では、初期状態で明状態となり、ノーマリオン型となる。
The
EO素子20の電極間(22−22)に駆動回路Vにより電圧が印加されると、EO物質21内に電界Eが発生する。EO物質21は、この電界Eに基づく電気光学効果により、入射した直線偏光B1を電界E方向に平行な方向に振動する光(以下、TE光)BTEと電界方向に垂直な方向に振動する光(以下、TM光)BTMに分離し、TE光BTEとTM光BTMとの間には、印加した電界Eと入射した光が出射するまでの光路長とに応じた位相差が生じる。そしてその位相差に応じた楕円偏光B2が後方に向けて出射される。TE光BTEとTM光BTMとの間でπ(rad)=180°の位相差が生じれば、入射した直線偏光B2が光軸50周りに90°回転した光B2として後方に出射することになる。
When a voltage is applied between the electrodes (22-22) of the
検光子2bは、EO素子20から光B2が入射されると、その光B2において、自身の光学軸3bと直交する方向の成分を遮断し、光学軸3bの方向と一致する成分の直線偏光B3を後方に出力する。それによって偏光子2に入射した光B0の強度が減衰されてこの光アッテネータ1から出射される。また、EO素子20のEO物質21に電界Eが印加されて180゜の位相差が生じた際には、入射した直線偏光B1が光軸50周りに90゜回転した直線偏光B2が検光子2bに入射される。ノーマリオフ型であればこの直線偏光B2が検光子2bの光学軸3bと一致して光透過率が最大となるオン状態となる。ノーマリオン型であれば光が遮断されてオフ状態となる。
When the light B2 is incident from the
===従来の光アッテネータの問題点===
ところで、図1に示した一般例1は、光アッテネータの動作をより簡単に説明するための原理モデルであり、偏光子2aと検光子2bに偏光板を用いることとしていた。しかし偏光板は、直線偏光を出射するために入射した光の光学軸方向以外の振動成分を吸収してしまうため、理想的な偏光板であっても光透過光強度が半減する。すなわち、オン状態での光透過光強度を入射光の50%よりも大きくすることができない。したがってオン状態とオフ状態の光強度比である光損失を大きくすることができない。そこで入射した光を無駄なく利用するために、偏光子や検光子にルチル結晶などからなる周知の複屈折素子を用いることが考えられる。周知のごとく、複屈折素子は無偏光状態の光が入射されると、振動方向が互いに直交する常光と異常光の二つの直線偏光に分離して出射し、その二つの直線偏光を結合させれば、入射光を無駄なく利用することができる。しかし偏光子と検光子に複屈折素子を用いた場合、光アッテネータを通過する光の進路に起因して低電圧駆動による省電力化と光損失特性の向上とを両立させることが難しいという問題が発生する。以下にこの問題について具体的に説明する。
=== Problems of conventional optical attenuators ===
By the way, the general example 1 shown in FIG. 1 is a principle model for more simply explaining the operation of the optical attenuator, and polarizing plates are used for the
図2は複屈折素子10に入射した光の光路や偏光状態を示す図である。この図2においても前後上下左右の各方向を図1と同様に規定している。そして図2(A)は複屈折素子10を上後方から見たときの斜視図であり、図2(B)は後方から見たときの平面図である。この図に示したように、複屈折素子10は前後方向に延長する光軸50を法線方向とした光の入出射面を有する直方体形状である。光アッテネータに使用される複屈折素子10は「ウォークオフプリズム」とも呼ばれるものであり、この複屈折素子10aを光アッテネータの偏光子および検光子として用いる場合、前後方向から見たときの複屈折素子10の光学軸11の方位は、EO素子に印加される電界方向(上下方向とする)に対して45゜傾いている。また光学軸11を左右方向からみると前方から後方に向かって斜めに傾いている。この例では上方に向かって傾斜している。
FIG. 2 is a diagram showing an optical path and a polarization state of light incident on the
このような光学軸11方位を有する複屈折素子10に前面から無偏光状態の光B0を入射すると、当該光B0が前後方向から見て光学軸11と直交する方向に振動する常光oと光学軸11と平行する方向に振動する異常光eとに分離する。そして異常光eが前方から後方に向かって光学軸11方向に屈折する。したがって複屈折素子10の前面にコリメートされた光を入射すると、上下方向に対して45度方向に互いに離間する二つの直線偏光(B1o、B1e)が後面から出射することになる。それによって、二つの直線偏光(B1o、B1e)が後方に向かってそれぞれの光路を辿る。
When light B0 in a non-polarized state is incident on the
ところで上記の複屈折素子10を偏光子および検光子として光アッテネータを構成すると、EO素子は、複屈折素子10からなる偏光子から出射される互いに離間した二つの直線偏光を透過させるための上下高が必要となる。EO物質は、自身に発現する電気光学効果の種類(ボッケルス効果、カー効果)により、電極間に印加される電界強度Eあるいはその二乗E2に比例するため、電極間の距離が短いほど大きな強度の電界が印加され、大きな電気光学効果を発現する。しかし上述したように、光の利用効率を上げるために偏光子と検光子に複屈折素子を用いると、EO素子内に上下方向に離間した二つの直線偏光の光路を形成させる必要があるため、上下方向で対面する電極間の距離を短くすることが難しくなる。
By the way, when the optical attenuator is configured using the above-described
さらに二つの直線偏光は、互いに干渉しないように(クロストークを低減させるために)、離間距離(以下、ウォークシフト量wfとも言う)を闇雲に短くすることもできない。クロストークが生じないウォークシフト量wfを得るためには、複屈折素子10の前後長Lpを長くする必要がある。しかし、光アッテネータを光通信網のノードなどに設置する場合では、前後で対向する光ファイバコリメータ間に偏光子、EO素子、および検光子の各光学素子を配置することになり、光アッテネータに光を入射させる側の光ファイバコリメータ(以下、入射側コリメータとも言う)から出射側の光ファイバコリメータ(以下、出射側コリメータとも言う)までの距離は、周知のレーリー距離に基づいて規定されてしまう。すなわち、入出力側の光ファイバの開口端面間には適切な距離(レーリー領域)があり、そのレーリー領域から逸脱すれば、常光oと異常光eに対応する二つのビームが出射側の光ファイバに結合せず挿入損失(過剰損失)が生じる。ウォークシフト量Wfを確保しつつレーリー領域内に光学素子を配置しようとすればEO素子の前後長を短くせざるを得ない。そしてEO素子の前後長を短くすると電界強度が同じ場合、発生する位相差が小さくなる。したがって、180゜の位相差を得るためには、より大きな電界を印加する必要がある。
Further, the two linearly polarized light cannot be shortened to a dark cloud so as not to interfere with each other (to reduce crosstalk) (hereinafter also referred to as a walk shift amount wf). In order to obtain the walk shift amount wf in which crosstalk does not occur, it is necessary to increase the longitudinal length L p of the
このように、光の利用効率を向上させるために偏光子と検光子に複屈折素子を用いると、常光と異常光とに分離すること(ウォークオフ)に起因する様々な問題が複雑に関連し合ってEO素子を低電圧で駆動することが難しくなる。 As described above, when a birefringent element is used for a polarizer and an analyzer in order to improve light utilization efficiency, various problems caused by separation into ordinary light and extraordinary light (walk-off) are complicatedly related. Accordingly, it becomes difficult to drive the EO element at a low voltage.
===比較例===
本発明の実施例に係る光アッテネータについての説明に先立って、まず、複屈折素子からなる偏光子と検光子を用いた従来の光アッテネータの構成や動作について説明する。また光アッテネータの光学的な設計条件などについても説明する。
=== Comparative Example ===
Prior to the description of the optical attenuator according to the embodiment of the present invention, first, the configuration and operation of a conventional optical attenuator using a polarizer composed of a birefringent element and an analyzer will be described. The optical design conditions of the optical attenuator will also be described.
<構成>
図3は従来の光アッテネータ(以下、比較例100とも言う)の構成を示す図である。図3では図1や図2と同様に前後上下左右の各方向を規定しており、図3(A)は比較例100の構成を上後方から見たときの斜視図であり、図3(B)および(C)は、後方から前方を見たときの偏光子10aの光学軸11aの方位および検光子10bの光学軸11bの方位を示している。図3に示したように、比較例100は前後で互いに対向する二つの光ファイバコリメータ間(40a−40b)に、前方から後方に向かって偏光子10a、EO素子20、検光子10bがこの順に配置された構成となっており、上記一般例1に対し、偏光子10aと検光子10bに複屈折素子を用いている点が異なっている。なお図3に示した比較例100はノーマリオン型であり、後方から見たときに偏光子10aと検光子10bの光学軸(11a、11b)方向が平行であるとともに、左右方向、あるいは上下方向から見たときには互いの光学軸(11a、11b)が前後で鏡像の関係になっている。
<Configuration>
FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a conventional optical attenuator (hereinafter also referred to as Comparative Example 100). 3 defines the front, rear, up, down, left, and right directions as in FIGS. 1 and 2, and FIG. 3A is a perspective view of the configuration of the comparative example 100 as viewed from above and below. B) and (C) show the azimuth of the
ここで、前方の入射側コリメータ40aから出射した光B1が後方の出射側コリメータに向かって光が進行することとし、その出射光が偏光子に入射した位置を原点として、この原点から前後方向に延長するように光軸50を設定する。また、原点に対して上下方向にy軸、左右方向にx軸を設定することとする。偏光子10aおよび検光子10bの光学軸(11a、11b)の方位(θ、φ)については、右方向を0゜として反時計回りの角度で規定する。したがって、ここに示した比較例100では偏光子10aと検光子10bの光学軸(11a、11b)のxy面での方位は−45゜および+45゜となる。そして、上記構成の比較例100では、前方の入射側コリメータ40aの光ファイバFaから出射した光(以下、入力光とも言う)がコリメートレンズCaによって平行光(以下、光ビームとも言う)に整形され、その光ビームが偏光子10a、EO素子20、検光子10bを経て後方の出射側コリメータ40bの光ファイバFbの開口端に入射する。その入射光(以下、出力光とも言う)の強度に対する入力光の強度の比が光損失となる。以下に比較例100の動作について説明する。
Here, it is assumed that the light B1 emitted from the front
<動作>
図4は比較例100の動作を説明するための図である。図4(A)は比較例100を上面から見たときのオンまたはオフ状態における光路を示しており、図4(B)は左方から見たときの光路を示している。図4(C)〜(H)は後方から見たときの光ビームの位置とその光の偏光状態を示す図であり、図4(C)および(D)は、偏光子10bの前面および後面における光ビームの位置と偏光状態を示している。図4(E)および(F)はオン状態における検光子10bの前面および後面での光ビームの位置と偏光状態を示しており、図4(G)および(H)はオフ状態における検光子10bの前面および後面での光ビームの位置と偏光状態を示している。また図4(C)〜(H)では光ビームの位置を白丸で示し、振動方向を両矢印で示している。
<Operation>
FIG. 4 is a diagram for explaining the operation of the comparative example 100. FIG. 4A shows the optical path in the on or off state when the comparative example 100 is viewed from the top, and FIG. 4B shows the optical path when viewed from the left. 4C to 4H are views showing the position of the light beam and the polarization state of the light when viewed from the rear, and FIGS. 4C and 4D are front and rear views of the
まず入射側コリメータ40aから偏光子10aに入射した無偏光状態の入力光B0は、当該偏光子10a内で振動方向が光学軸11aと直交する常光B11および平行となる異常光B12の二つ直線偏光に分離する。ここに示した例では、左右方向から見たときの偏光子10aの光学軸11aは前方から後方に向かってz軸に対して角度βで上方に延長する方向であり、かつxy面で方位角θ=−45゜である。そのため図4(C)、(D)に示したように、常光B11は偏光子10a内を直進して出射し、異常光B12は後方から見て45゜方向にウォークシフト量wfだけ離間した位置から出射する。そして偏光子10aから出射した二つの直線偏光(B21、B22)がEO素子20に入射する。
First, the unpolarized input light B0 incident on the
EO素子20に電界Eが印加されていないときは、図4(E)に示したようにEO素子20に入射した直線偏光(B21、B22)が偏光状態をほぼ維持したまま出射する。EO素子20に電界Eが印加されると、入射光(B21、B22)は、電界Eに応じた複屈折効果によりTE光とTM光との位相差に応じた楕円偏光を出射する。位相差が180゜である場合は、EO素子20に入射した直線偏光(B21、B22)は振動方向を90゜回転させて出射する。
When the electric field E is not applied to the
検光子10bの光学軸11bのxy面での方位角φは−45゜であり、上下および左右から見たときの光学軸11bの方向は偏光子10aの光学軸10bと前後で対称となる方向である。そのためEO素子20のEO物質21に電界Eが印加されていない状態では、EO素子から出射した直線偏光(B310、B320)はEO素子20を振動方向を変えずに透過する。偏光子10aにおける常光B1および異常光B2のそれぞれに対応して互いにウォークシフト量wfの距離を隔てた二つの光路のそれぞれを辿ってEO素子20から出射した二つの直線偏光(B310およびB320)は、検光子10bでも常光B41oおよび異常光B41eとして振る舞う。すなわち、検光子10b内では常光B41oが直進し、異常光B42eは光学軸11bに沿って右下方向に屈折する。そして図4(F)に示したように、検光子10bの後端で直進してきた常光B41oと屈折した異常光B42eとが同じz軸上の位置から出射する。その出射光B5は出力側コリメータ40bに入射し、出射側レンズCbにより出射側光ファイバFbに結合する。それによって光が透過するオン状態となる。
The azimuth angle φ of the
EO素子20において、電気光学効果に基づく位相差が180°となるようにEO物質21に電界Eが印加されている場合では、図4(G)に示したように、検光子10bにはz軸に沿いつつ検光子10bの光学軸11bの方位と一致する方向に振動する直線偏光B31Eと、当該直線偏光と離間する光路辿って光学軸11bの方位と直交する方向に振動する直線B32Eが入射することになる。そしてz軸上から検光子10bに入射した直線偏光B31Eは、当該検光子10b内では異常光B41eとして振る舞い、直線偏光B31Eとウォークシフト量wfだけ離間して入射した直線偏光B32Eは、当該検光子10b内では、常光B42oとして振る舞う。そのためz軸から離間する常光B42oは直進し、z軸上の異常光B41eが光学軸11bに沿って常光B42oに対してさらに離間するように屈折する。そして図4(H)に示したように、常光B42oと異常光B41eに対応する二つの直線偏光B52とB51がz軸から互いに反対方向に45°の方位で離間した位置から出射する。すなわち、出射側光ファイバFbに光が結合せず結合損失が極大値となるオフ状態となる。EO素子20にて180゜未満の位相差が発生したときには検光子10bに互いに離間した光路のそれぞれから楕円偏光が入射するため、検光子10b内では楕円偏光が常光成分と異常光成分にさらに分離し、入射した光の一部が出射側光ファイバFbに結合する。つぎに比較例100を構成する光学素子の設計条件などについて説明する。
In the
<光学設計条件>
図5に比較例100に用いたファイバコリメータの光学特性を示した。ここでは、比較例100における入出射側の光ファイバコリメータ(40a、40b)のみを真空中に配置したときの位置関係やコリメート光の特性を示している。光ファイバコリメータ(40a、40b)は、周知のごとく、シングルモード光ファイバ(SMF:Fa、Fb)とコリメートレンズ(Ca、Cb)とが筐体(41a、41b)内に同軸となるように保持された構造である。ここで用いた光ファイバコリメータ(40a、40b)では、光ファイバ(Fa、Fb)はモードフィールド径W0=10.4μmであり、コリメートレンズ(Ca、Cb)は屈折率分布定数が1.087mm−1、軸上屈折率が1.4528であるとともに、レンズ長LL=1.489mmである。そして入射側コリメータ40aからはビーム半径=25μm(ビームスポット径W1=50μm)の光ビームが出射するように設計されている。
<Optical design conditions>
FIG. 5 shows the optical characteristics of the fiber collimator used in Comparative Example 100. Here, the positional relationship and the characteristics of collimated light when only the optical fiber collimators (40a, 40b) on the input / output side in the comparative example 100 are arranged in a vacuum are shown. As is well known, the optical fiber collimators (40a, 40b) are held so that the single mode optical fibers (SMF: Fa, Fb) and the collimating lenses (Ca, Cb) are coaxial in the casings (41a, 41b). It is a structured. In the optical fiber collimator (40a, 40b) used here, the optical fiber (Fa, Fb) has a mode field diameter W 0 = 10.4 μm, and the collimating lens (Ca, Cb) has a refractive index distribution constant of 1.087 mm. −1 , the on-axis refractive index is 1.4528, and the lens length L L = 1.489 mm. The incident-
前方のコリメートレンズ(以下、入射側レンズ)Caから出射したコリメート光Bcはレーリー距離Zr0の位置で最も収束し、以降は後方に向かって拡径していく。上記設計の光ファイバコリメータ(40a、40b)は、屈折率n=1の媒体中(空気中など)ではレーリー距離Zr0=2mmであり、前後で互いに対向するコリメートレンズ間(Ca−Cb)の距離(以下、レンズ間距離LC0とも言う)はLC0=4mmとなる。なお実際の光アッテネータではコリメートレンズ間(Ca、Cb)に複屈折素子やEO物質などの屈折率が1よりも大きな物質が配置されるため、実際の前後のコリメートレンズ間(Ca―Cb)の距離(以下、レンズ間距離Lcとも言う)は、図5に示した屈折率n=1の空間内でのレンズ間距離Lc0(=4mm)よりも大きくなる。 The collimated light Bc emitted from the front collimating lens (hereinafter referred to as the incident side lens) Ca converges most at the position of the Rayleigh distance Zr0 , and thereafter increases in diameter toward the rear. The optical fiber collimators (40a, 40b) designed as described above have a Rayleigh distance Z r0 = 2 mm in a medium having a refractive index n = 1 (such as in the air), and between the collimating lenses facing each other in the front and rear (Ca-Cb). The distance (hereinafter also referred to as the inter-lens distance L C0 ) is L C0 = 4 mm. In an actual optical attenuator, a material having a refractive index larger than 1 such as a birefringent element or an EO material is disposed between the collimating lenses (Ca, Cb). The distance (hereinafter also referred to as the inter-lens distance L c ) is larger than the inter-lens distance L c0 (= 4 mm) in the space of the refractive index n = 1 shown in FIG.
次にコリメートレンズ間(Ca−Cb)に配置される各種光学素子(10a、20、10b)の物性(屈折率など)やサイズについて説明する。上述したように入出射側コリメータ間(40a−40b)には最大ビームスポット径W1=50μmの光ビームからなる光路が形成される。しかも偏光子10aによってその光ビームが二本に分離するため、その2本の光ビームは互いに干渉しない程度に離間している必要がある。ここでは離間する二本の光ビームを光ファイバコリメータを用いて光ファイバに結合させてみたときに35dB以上の結合損失が得られれば十分に離間しているものと見なし、その35dBの結合損失が得られるときのウォークシフト量Wfは71μmであった。そしてそのウォークシフト量Wfは、光アッテネータを構成する複屈折素子(偏光子10a、検光子10b)の光学軸(11a、11b)の方向とその前後長(以下、素子長Lpとも言う)とによって調整することができる。比較例100では、偏光子10aは素子長Lp=756.9μmで、図4(B)に示したyz面内でz軸と光学軸11aとが交差する角度βが5.63゜となるように設定するとウォークシフト量Wf=71μmとなる。
Next, physical properties (refractive index, etc.) and sizes of various optical elements (10a, 20, 10b) arranged between the collimating lenses (Ca-Cb) will be described. As described above, an optical path composed of a light beam having the maximum beam spot diameter W 1 = 50 μm is formed between the input and output side collimators (40a-40b). In addition, since the light beam is separated into two by the
EO素子20におけるEO物質21の上下方向の厚さ(以下、電極間距離dとも言う)については、EO物質21にスポット径W1=50μmの2本の光ビームがxy面で45゜方向に上記のウォークシフト量wf=71μmだけ離間して透過することになる。そのため、EO物質21には、光の入出射面でケラレが生じないようにこの2本の光ビームを入出射させるだけの電極間距離dが必要となり、比較例100ではd=102.4μmとしている。
Regarding the thickness of the
EO素子20の前後長(以下、素子長Leoとも言う)については、コリメートレンズ間(Ca−Cb)に挿入される偏光子10a、EO素子20におけるEO物質21、検光子10bのそれぞれの屈折率nと、偏光子10aと検光子10bの素子長Lpとに基づいて設定することができる。
Longitudinal length of the EO devices 20 (hereinafter, also referred to as element length L eo) for,
偏光子10aと検光子10bは屈折率n=2.569であり偏光子10aと検光子10bが素子長Lp=756.9μmである。またEO素子20の素子長Leoを2.15mmに設定した。図6に比較例100を構成する各光学素子(10a、20、10b)のサイズを示した。前方のコリメートレンズCaの後面と偏光子10aの前面、および検光子10bの後面と後方のコリメートレンズCbの前面の距離LMは、組み立ての容易性を考慮したマージンであり、ここではLM=0.4mmとしている。またEO素子20とその前後に隣接する偏光子10aや検光子10bとの間にもマージンとして0.05mmのスペースLSを設けた。そして各光学素子(10a、20、10b)の素子長(Lp、Leo、Lp)は上述したようにLp=756.9μmである。EO素子20の素子長Leoについては、EO素子20を偏光子10aと検光子10bとの間隙を採用すればよい。いずれにしても、実際のレンズ間距離Lc内から上記マージンLMを除いた距離に偏光子10a、EO素子20、検光子10bが配置できればよい。
The
===第1の実施例===
上述したように比較例100では、x軸に対して45度方向に離間する二本の光ビームをEO素子20に入射する必要がある。そのためEO素子20の電極間(22−22)は、二本の光ビームのそれぞれのビームスポット径W1にウォークシフト量Wfの正弦(Wf×sin45゜)に相当する距離を加算した距離が必要となり、その結果、十分な電界強度を得るために高い電圧を電極間(22−22)に印加する必要があった。しかし、二本の光ビームをx軸方向に並べた状態でEO素子20に入射させることができれば、電極間(22−22)の厚さdは、実質的にビームスポット径W1だけあればよく、EO物質21の厚さを薄くすることができ、低電圧でも十分な電界をEO物質21に印加することができる。そこで本発明の第1の実施例として、EO素子20にx方向に並んだ二本の光ビームを入射させるための基本構成を備えた光アッテネータを挙げる。
=== First Embodiment ===
As described above, in the comparative example 100, it is necessary to enter the
<第1の実施例の構成>
図7に第1の実施例に係る光アッテネータ(以下、第1実施例101とも言う)の構成を示した。なお以下に示す各図では前後上下左右の各方向およびx、y、zの各軸を上述した比較例100と同様に規定している。第1実施例101はこの図7に示したように偏光子10aと検光子10bに加えEO素子20の前後にも複屈折素子(30a、30b)が配置されている点が比較例100と異なっている。またEO素子20は、比較例100に対して電極間距離dが短くなっており、上下に薄い形状となっている。
<Configuration of the first embodiment>
FIG. 7 shows the configuration of an optical attenuator (hereinafter also referred to as the first embodiment 101) according to the first embodiment. In the drawings shown below, the front, rear, top, bottom, left, and right directions and the x, y, and z axes are defined in the same manner as the comparative example 100 described above. The
ここで第1実施例101を含めた本発明の実施例では偏光子10aと検光子10bを含めて合計四つの複屈折素子(10a、30a、30b、10b)を備えていることから、最も前方の偏光子10aを第1番目として、その偏光子10aから後方に向かう順番に従って、偏光子10aとEO素子20の間に配置されている複屈折素子30aを第2の複屈折素子30aと称し、EO素子20と検光子10bとの間に配置されている複屈折素子30bを第3の複屈折素子30bと称することにする。またEO素子20に対して前方にある二つの複屈折素子(10a、30a)を含む構成を便宜的に偏光部110aと称し、EO素子に対して後方にある二つの複屈折素子(30b、10b)を含む構成を検光部110bと称することとする。
Here, the embodiment of the present invention including the
図8(A)〜(D)は、後方から前方を見たときに、第1実施例101を構成する四つの複屈折素子(10a、30a、30b、10b)の光学軸(11a、31a、31b、11b)の方位を示している。偏光子10aと第2の複屈折素子30aのxy面での光学軸は互いにz軸周りに90度回転させた方位にあり、後方から見てx軸に対して反時計回りの角度を「+」とすると、偏光子10aは方位角θ1=−45゜であり、第2の複屈折素子30aでは方位角θ2=+45゜なる。また図8に示したように、偏光子10aと第2の複屈折素子30aの光学軸(11a、30a)のyz面での方位は同じであり、この例では前方に向かって上方に向かっている。したがって偏光子10aの光学軸10aは右下前方から左上後方に向かう方位となり、第2の複屈折素子30aの光学軸31aは、左下前方から右上後方に向かう方位となる。
8A to 8D show the optical axes (11a, 31a, 4a) of the four birefringent elements (10a, 30a, 30b, 10b) constituting the
検光部110bを構成する二つの複屈折素子(30b、10b)の光学軸(31b、11b)も互いにz軸周りに90゜回転させた関係にあり、図示した例では、第3の複屈折素子30bの光学軸31bはxy面で方位角φ1=+45゜であり、検光子10bは方位角φ2=−45゜となっている。そして偏光部110aと検光部110bの光学軸は前後方向で互いに鏡像の関係にあり、比較例100と同様にノーマリオン型の光アッテネータを構成している。
The optical axes (31b, 11b) of the two birefringent elements (30b, 10b) constituting the
<動作>
図9は第1実施例101の動作を示す図である。図9(A)は第1実施例101を上面から見たときのオンまたはオフ状態における光路を示しており、図9(B)は左方から見たときの光路を示している。図9(C)〜(J)は後方から見たときの光ビームの位置とその光ビームの偏光状態を示す図であり、図9(C)および(D)は、偏光子10bの後面s1および第2の複屈折素子30aの後面s2における光ビームの位置と偏光状態を示している。そして図9(E)〜(G)はオン状態におけるEO素子20の後面s3、第3の複屈折素子30bの後面s4、検光子10bの後面s5の各面での光ビームの位置と偏向状態を示している。図9(H)〜(J)はオフ状態における上記各面s3〜s5の光ビームの位置と偏向状態を示している。なお図9(C)〜(J)においても各位置における光ビームの位置と振動方向を白丸と両矢印で示している。
<Operation>
FIG. 9 is a diagram illustrating the operation of the
まずオン状態での動作について説明する。入射側コリメータ40aから偏光子10aに入射した無偏光状態の入力光B0は、当該偏光子10a内で振動方向が光学軸11aと直交する常光B111および平行となる異常光B112の二つ直線偏光に分離する。ここでは方位角θ=−45゜である。そのため、図9(C)に示したように、常光B1oは偏光子10a内を直進して出射し、異常光B1eは後方から見て45゜方向にウォークシフト量wf0だけ離間した位置から出射する。ここまでの動作は比較例100と同様である。
First, the operation in the on state will be described. The non-polarized input light B0 incident on the
偏光子10aから出射した二つの直線偏光(B121、B122)は第2の複屈折素子30aに入射する。第2の複屈折素子30aのxy面での光学軸31aの方位は、偏光子10aの光学軸11aに対してz軸周りに90°回転している。またyz面での光学軸の方位は偏光子10aと同様に後方に向かって下方から上方に向かう方向となっている。そのため偏光子10aにおける常光B111および異常光B112は、第2の複屈折素子30aではそれぞれ異常光B131および常光B132として振る舞う。したがって、偏光子10aにおける常光B111に対応して入射した光B121は、第1の複屈折素子30aのxy面での光学軸30aの方位角θ=+45゜方向に屈折し、図9(D)に示したように、偏光子10aから45°方向に離間して出射した二つの直線偏光(B121、B122)が第1の複屈折素子30aの後面s2ではx軸方向に並んで出射する。そして、第1の実施例では、この第2の複屈折素子30aから出射する二つの直線偏光(B141、B142)の光路間の距離を比較例100におけるウォークシフト量Wfと一致させている。すなわち入力光B0が偏光子10aと第2の複屈折素子30aと同じ素子長Lpの二つの複屈折素子(偏光子10a、第2の複屈折素子30a)を透過したときに所望のウォークシフト量Wfとなるようにしている。
The two linearly polarized light (B121, B122) emitted from the
偏光子10aと第1の複屈折素子30aにより構成される偏光部110aから出射した二つの直線偏光(B141、B142)はEO素子20に入射する。EO素子20に電界Eが印加されていないときは、図9(E)に示したように、その二つの直線偏光(B141、B142)は偏光状態をほぼ維持したまま出射し、この出射光(B1510、B1520)が第3の複屈折素子30bに入射する。なおEO素子20に入射する二つの直線偏光(B141、B142)は、光軸50よりも上方で、かつx軸に平行に左右に離間する光路を辿ってEO素子20に入射する。そのため、EO素子20におけるEO物質21は二つの直線偏光(B1510、B1520)のビームスポット径以上の厚さdがあればよく、比較例100に対してEO素子20を薄くすることができる。そしてこの二つの直線偏光(B141、B142)をEO物質21に確実に入射させるために、EO素子は光軸50よりも上方にずらした位置に配置されている。
第3の複屈折素子30bの光学軸31bのxy面での方位は、第2の複屈折素子30aと同じであるとともに、yz面での方位は第2の複屈折素子30aに対して前後対称となっている。したがって図9(F)に示したように、第2の複屈折素子30aにおける常光B132および異常光B131は、この第3の複屈折素子30bでも常光B162oおよび異常光B161eとして振る舞い、異常光B161eが当該第3の複屈折素子30b内で屈折する。すなわち第3の複屈折素子30bの後面s4では第2の複屈折素子30aに入射した光(B121、B122)と同じ位置から同じ偏光状態の光(B171e、B172o)が出射することになる。
Two linearly polarized light beams (B141 and B142) emitted from the
The orientation of the
検光子10bの光学軸11bのxy面での方位は第3の複屈折素子30bに対してz軸周りに90°回転させた方位であり、yz面での方位は同じ方向である。すなわちこの例では、偏光子10aの光学軸11aに対し、xy面での方位が同じでyz面での方位が前後対称となっている。また上述したように、第3の複屈折素子30bの後面s4からは第2の複屈折素子30aに入射した光(B121、B122)と同じ位置から同じ偏光状態の光(B171e、B172o)が出射する。そのため、図9(G)に示したように、偏光子10aで分離した常光B11と異常B12が逆の光路を辿るように、検光子10b内で常光として振る舞う光B181oがz軸上を直進し、異常光として振る舞う光B182eがz軸上に向かって屈折し、検光子10bの後面s5ではその常光B181oと異常光B182eがz軸上から出射する。そしてその出射光B190が出射側コリメータ40bの光ファイバに結合してオン状態となる。
The orientation of the
一方オフ状態では、図9(H)に示したように、EO素子20に入射した二つの直線偏光(B141、B142)は振動方向を90゜回転させて出射する。そして、その出射光(B151E、B152E)は、第3の複屈折素子30bおよび検光子10bにおける常光と異常光の関係がオン状態と逆になる。すなわち図9(A)、(B)、(I)、(J)に示したように、第2の複屈折素子10aにおいて常光として振る舞った光B132は、第3の複屈折素子30bでは異常光B162eとして振る舞い、検光子10bでは常光B182oとして振る舞う。第2の複屈折素子10aにおいて異常光として振る舞った光B131は、第3の複屈折素子30bでは常光B161oとして振る舞い、検光子10bでは異常光B181eとして振る舞う。したがって第2の複屈折素子10aにおいて常光として振る舞った光B132は、B142、B152E、B162e、B172e、B182oの光路を経てz軸から離間する光B192として検光子10bの後面s5から出射する。第2の複屈折素子10aにおいて異常光として振る舞った光B131は、B141、B151E、B161o、B171o、B181eの光路を経てz軸から離間しつつ、他方の光路を辿って出射した光B192とはxy面でz軸に対称となる光B191として検光子10bの後面s5から出射する。
On the other hand, in the off state, as shown in FIG. 9H, the two linearly polarized lights (B141 and B142) incident on the
このように第1の実施例101では、EO素子20を透過する二つの光ビームがx軸に平行に並ぶ。そのため、原理的には、EO素子20の電極間(22−22)の距離は一つの光ビームのビームスポット径と同じであればよい。そのため、ウォークシフト量Wfの値が同じであれば、比較例100に対して電極間(22−22)の距離を短くすることができる。すなわち電極間(22−22)の電圧を低くしてもEO物質21には同じ強度の電界を印加することができ、同程度の光損失特性をより低い電圧で得ることができる。
Thus, in the
具体的には、偏光部110aと検光部110bを構成する四つの複屈折素子(10a、30a、30b、10b)の素子長Lpを比較例100の偏光子10aおよび検光子10bの素子長Lp=756.9μmに対して1/√2の長さにすれば比較例100と同様のウォークシフト量Wfを確保することができる。例えば、そして、EO素子20の電極間距離dは原理的にビームスポット径以上あればよく、「ケラレ」を考慮したとしても比較例100に対して十分にEO素子20を薄くすることができ、電極間(22−22)に印加する電圧も低くしても比較例100と同等の損失を得ることができる。
Specifically, the element lengths L p of the four birefringent elements (10a, 30a, 30b, 10b) constituting the
===第2の実施例===
第1の実施例では四つの複屈折素子を用いることでx軸に平行に並ぶ2本の光ビームをEO素子に入射することができ、それによってEO素子20の電極間距離dを小さくすることができた。しかしながらその2本の光ビームの光路はx軸の上方に形成されるため、上下に薄いEO素子20を光軸50に対して上下対称に配置するとケラレが生じる。そのため第1実施例101ではEO素子20を光軸50に対して上方にずらした位置に配置していた。すなわち第1実施例101ではEO素子20を光軸50に対して上方にずれた位置に保持するための複雑な構造の筐体が必要となる。そこで本発明の第2の実施例として、EO素子20を通過する二本の光ビームがx軸上に並ぶような構成を備えた光アッテネータを挙げる。
=== Second Embodiment ===
In the first embodiment, by using four birefringent elements, two light beams arranged parallel to the x-axis can be incident on the EO element, thereby reducing the inter-electrode distance d of the
<構成>
図10に第2の実施例二係る光アッテネータ(以下、第2実施例102とも言う)の構造を示した。第2実施例102は、第1実施例101に対し、偏光部110aおよび検光部110bのそれぞれに含まれる二つの複屈折素子間(10a−30aおよび30b−10b)に1/2波長板(60aおよび60b)が挿入されている点が異なっている。そして以下では、偏光部110aにおける1/2波長板(以下、λ/2板とも言う)を第1のλ/2板60aと称し、検光部110bにおけるλ/2板60bを第2のλ/2板60bと称することとする。
<Configuration>
FIG. 10 shows the structure of an optical attenuator (hereinafter also referred to as a second embodiment 102) according to the second embodiment. The
図11(A)〜(F)は、それぞれ第2実施例102を構成する偏光子10a、第1のλ/2板60a、第2の複屈折素子30a、第3の複屈折素子30b、第2のλ/2板60b、および検光子10bの光学軸のxy面での方位を示している。当該図10に示したように、四つの複屈折素子(10a、30a、30b、10b)の光学軸(11a、31a、31b、11b)の方位は第1実施例と同じでありノーマリオン型の光アッテネータを構成している。そして第1実施例101に対して追加された光学素子である第1のλ/2板60aは、偏光子10aと第2の複屈折素子30aのxy面での光学軸(11b、31b)の交差角を等角に二等分する方向にある。すなわちx軸あるいはy軸方向に一致する。図示した例ではx軸方向に一致している。第2のλ/2板60bについても同様である。すなわち第2のλ/2板60bの光学軸61bは、第3の複屈折素子30bと検光子10bの光学軸(31b、11b)のxy面での方位を等角に二等分するx軸あるいはy軸方向に一致する。ここではx軸方向に一致する光学軸61bを例示した。つぎに第2実施例102の動作について説明する。
11A to 11F show the
<第2実施例の動作>
図12および図13は第2実施例102の動作を示す図である。図12(A)は第2実施例101を上面から見たときのオンまたはオフ状態における光路を示しており、図12(B)は左方から見たときの光路を示している。図13(A)〜(K)は後方から見たときの光ビームの位置とその光の偏光状態を示す図である。図13(A)、(B)、(C)は、それぞれ偏光子10bの後面s1、第1のλ/2板の後面s6、および第2の複屈折素子の後面s2における光ビームの位置と偏光状態を示している。図13(D)〜(G)はオン状態におけるEO素子20の後面s3、第3の複屈折素子の後面s4、第2のλ/2板60bの後面s7、および検光子の後面s5の各面での光ビームの位置と偏向状態を示している。図13(H)〜(K)はオフ状態における上記各面s3,s4、s7、s5の光ビームの位置と偏向状態を示している。また図13(A)〜(K)においても各位置における光ビームの位置と振動方向を白丸と両矢印で示している。
<Operation of Second Embodiment>
12 and 13 are diagrams showing the operation of the
まずオン状態での動作について説明する。入射側コリメータ40aから偏光子10aに入射した無偏光状態の入力光B0は、図12(A)、(B)および図13(A)に示したように、当該偏光子10a内で振動方向が光学軸11aと直交する常光B211および平行となる異常光B212の二つ直線偏光に分離する。ここでは方位角θ=−45゜である。そのため、常光B211は偏光子10a内を直進して出射し、異常光B212は後方から見て45゜方向にウォークシフト量wf0だけ離間した位置から出射する。ここまでの動作は第1実施例101と同様である。ここで偏光子10aにおいて常光B211がその後に辿る光路を第1の光路とし、異常光B212が辿る光路を第2の光路とする。
First, the operation in the on state will be described. As shown in FIGS. 12A, 12B, and 13A, the unpolarized input light B0 incident on the
偏光子10aから出射した二つの直線偏光(B221、B222)は第1のλ/2板60aに入射する。周知のごとくλ/2板は、入射した直線偏光の振動方向を自身の光学軸に対称となる方位となるように回転させて出射する。したがって、図13(B)に示したように、第1のλ/2板60aは入射した二つの直線偏光(B221、B222)のxy面での振動方向を、それぞれ90゜回転させて出射する。45度方向に直線偏光の振動方向を自身の光学軸に対して対称となるように回転させて出射する。そして第1のλ/2板60aから出射した光(B231、B232)が第2の複屈折素子30aに入射する。
The two linearly polarized lights (B221 and B222) emitted from the
第2の複屈折素子30aのxy面での光学軸31aの方位は、偏光子10aの光学軸11aに対してz軸周りに90°回転している。またyz面での光学軸の方位は偏光子10aと同様に後方に向かって下方から上方に向かう方向となっている。そして偏光子10aから出射した光(B221、B222)のxy面での振動方向が第1のλ/4板60aより90゜回転させられたため、偏光子10aにおいて常光B211および異常光B212だった第1および第2の光路を辿ってきた光(B231およびB232)は、第2の複屈折素子30aでも常光B241および異常光B242として振る舞う。したがって、偏光子10aにおける異常光B212に対応して第1のλ/2板60aから入射した光B232は、第2の複屈折素子30aのxy面での光学軸30aの方位角θ=+45゜方向に屈折する。それによって図13(C)に示したように、x軸上で左右に並ぶ二つの直線偏光(B251、B252)が第2の複屈折素子30bから出射し、第1と第2の光路が光の時点でx軸上でウォークシフト量Wfの間隔で離間するように並ぶ。
The orientation of the
つぎに偏光部110aから出射した二つの直線偏光(B251、B252)がEO素子20に入射する。この二つの直線偏光(B251、B252)は互いにx軸上に並ぶ光路を辿るため、図12(B)に示したように、EO素子20を光軸50に対して上下対称となるように配置することができる。そしてEO物質21の厚さdが入射光(B251、B252)のビームスポット径W1よりも大きければケラレが生じることがない。EO素子20に電界Eが印加されていないときは、図13(D)に示したように、その二つの直線偏光(B251、B252)は偏光状態をほぼ維持したまま出射し、この出射光(B2610、B2620)が第3の複屈折素子30bに入射する。
Next, two linearly polarized lights (B251 and B252) emitted from the
第2実施例102において偏光部110aおよび検光部110bはそれらを構成する光学素子(10a、60a、30aおよび30b、60b、10a)の光学軸(11a、61a、31aおよび31b、61b、10b)は互いに鏡像関係にあり、偏光部110aの後端に配置されている第2の複屈折素子30aから出射する光(B251、B252)と、検光部110bの前端に配置されている第3の複屈折素子30bに入射する光(B2610、B2620)はxy面における光路の位置と偏向状態が同じである。したがって検光部110bに入射した光(B2610およびB2620)は、偏光部110aを前方から後方に向かう順方向の光路を鏡像にした光路(B271o、B281o、B291o、B301oおよびB272e、B282e、B292e、B302e)を辿り、検光子10bの後面s5からz軸に沿って出射した光B310が出射側コリメータ40bの光ファイバに結合してオン状態となる。
In the
一方オフ状態では、図13(H)に示したように、EO素子20に入射した二つの直線偏光(B251、B252)が振動方向を90゜回転させて出射する。したがって図13(I)〜(K)に示したように、EO素子20からの出射光(B261E、B262E)は、オン状態における常光と異常光の関係が逆になり、第1の光路を辿ってきた光が、第2の光路を辿って直進してきた光に対してさらに離間するように第3の複屈折素子30bではxy面で45゜の方向へ屈折し、検光子10bでは−45゜の方向へ屈折する。したがって第1の光路(B271e、B281e、B291e、B301e)を辿ってきた光と、第2の光路(B272o、B282o、B292o、B302o)を辿ってきた光は、検光子10bの後面s5ではx軸上でz軸に対して対称となる位置に二つの光(B311、B312)として出射し、損失が最大となる。
On the other hand, in the off state, as shown in FIG. 13H, the two linearly polarized lights (B251 and B252) incident on the
このように第2の実施例では、第1の実施例と同様にEO素子20を通過する光が左右方向に並ぶためEO素子20の上下方向の厚さを薄くすることができる。さらに偏光部110aおよび検光部110aにおける二つの複屈折素子(10a、30aおよび30b、10b)の間に入射した直線偏光を90゜回転させるλ/2板(60a、60b)を介在させることで、EO素子20内に形成される第1および第2の光路がx軸上に並ぶ。それによってEO素子を光軸50に対して上下対称に配置することが可能となり、第1実施例101と同様の光損失特性を維持したままEO素子30の位置合わせや保持が容易となる構成を実現することができる。また、全ての光学素子を光軸50に対して上下対称に配置することができ、筐体を含めた上下方向のサイズを縮小することもできる。
As described above, in the second embodiment, since the light passing through the
===第3の実施例===
光アッテネータの低電圧で駆動するためにはEO素子20の電極間距離dを小さくすることが有効であり、上記第1および第2実施例(101、102)では、ウォークシフト量wfが同じであれば、その電極間距離dを比較例100に対して1/√2に短縮できることが可能であることを示した。そして原理的には、EO素子20を通過する光ビームのビームスポット径まで電極間距離dを小さくすることができることを示した。
=== Third embodiment ===
In order to drive the optical attenuator at a low voltage, it is effective to reduce the inter-electrode distance d of the
その一方で、ビームスポット径を小さくするのには限界があり、電極間距離dの狭小化による駆動電圧の低減効果にも限界がある。またEO物質21を極めて薄くすること自体が難しくなってくる。そこで従来ではPLZTなどの優れた電気光学効果を有する強誘電体からなるEO物質21を用いてEO素子20を構成していた。
On the other hand, there is a limit to reducing the beam spot diameter, and there is a limit to the effect of reducing the driving voltage by reducing the inter-electrode distance d. Moreover, it becomes difficult to make the
しかしながら、強誘電体ではEO素子20に一度でも電界を印加してしまうと、電荷が残留して弱い電界が印加されたときと同じ状態となり、電界を印加していない初期状態でも複屈折効果による位相差が生じた状態になってしまう。また、十分に電界を印加した場合でも初期状態における複屈折の影響が残留し、入射した直線偏光が楕円偏光として出射される。そのため、オフ状態でより大きな光損失を必要とする用途には使用しづらいという問題がある。そこで本発明の第3の実施例として、第1および第2実施例(101、102)と同様の原理でEO素子20の薄型化を達成した上で、強誘電体における上記残留位相差を相殺して極めて優れた光損失特性を有する光アッテネータを挙げる。
However, if an electric field is applied even once to the
<残留位相差について>
図14にEO素子20に直線偏光を入射したときの消光比特性を概略的に示した。この図には、EO物質21に残留位相差がある場合の消光比特性が示されており、EO素子20に電界が印加されていない状態(E=0)において、EO素子20に入射する直線偏光の回転角度と、そのEO素子20から出射する光の消光比との関係を示している。ここでは直線偏光の回転角度を上下方向に対する角度で表している。なおこの図14に示した特性は、EO物質21として一般式K1-yMyTa1-xNbxO3(但し、Mは1価の金属、0<x<1、0≦y<1)で表される物質(以下、KTN)を用いたEO素子20のものである。KTNは室温で巨大な比誘電率εrを有する強誘電体として知られているとともに、従来からEO物質としてよく知られたPLZTとは異なり鉛を含まないため環境に優しいEO物質である。そのためKTNはPLZTに代替するEO物質21として有望視されている。またここで用いたEO素子20は素子長Leo=2.55mmであり電極間距離d=94μmである。
<About residual phase difference>
FIG. 14 schematically shows extinction ratio characteristics when linearly polarized light is incident on the
図14に示したように、入射した直線偏光の回転角度が上下方向、すなわち電界Eの印加方向と平行にあるとき、あるいは左右方向(電界Eと直交する)にあるときに消光比が最大となり、45°傾いているときに最小となる。しかし、残留位相差が存在するため消光比の最小値が約0にならず、この例では6dBとなっており、強誘電体からなるEO素子20を用いて上記各実施例に係る光アッテネータ(101、102)を構成すると、EO素子20から出射する光が必ず互いに直交する2成分を有する楕円偏光となることがわかる。したがって、第1あるいは第2実施例(101、102)では、EO物質21に強誘電体を用いると、電気光学効果に基づく位相差を180゜にするための電圧をさらに低くすることができても、光損失特性をさらに向上させることが難しくなる。言い換えれば、EO素子20における残留位相差を相殺することができれば、低電圧駆動を可能としつつさらに光損失特性を向上させることができる。
As shown in FIG. 14, the extinction ratio becomes maximum when the rotation angle of the incident linearly polarized light is in the vertical direction, that is, parallel to the application direction of the electric field E, or in the horizontal direction (perpendicular to the electric field E). , Minimum when tilted 45 °. However, since there is a residual phase difference, the minimum value of the extinction ratio is not about 0, and in this example, it is 6 dB, and the optical attenuator according to each of the above embodiments (using the
<第3実施例の構成>
図15に第3の実施例に係る光アッテネータ(以下、第3実施例103とも言う)の概略構造を示した。ここに示した第3実施例103はノーマリオン型となっている。そしてこの第3実施例103は、第1の実施例に対しEO素子20の直後に1/4波長板(以下、λ/4板70とも言う)が配置されている点と、検光部110bがz軸に対して所定の角度αだけ回転している点が異なっている。図16は当該第3実施例103を構成する偏光子10a、第2の複屈折素子30a、λ/4板70、第3の複屈折素子30b、および検光子10bを後方から見たときのxy面での光学軸(11a、31a、71、31b、10b)の方位を示している。図16(A)(B)に示したように、偏光部110aを構成する二つの複屈折素子(10a、30a)の光学軸(11a、31a)の方位は第1の実施例と同様である。図16(C)(D)は、第1実施例101に対して追加された構成であるλ/4板70の光学軸71の方位を示しており、EO素子20における電界Eの印加方向に対してxy面での方位角ω=±45゜となっており、図16(C)(D)のいずれかに示した方位であればよい。すなわち後方から見てx軸をz軸周りに反時計回りに45゜(ω=+45゜)、あるいは時計回りに45゜(ω=−45゜)となる方位であればよい。そして図16(E)(F)に示したように、検光部110bを構成する二つの複屈折素子(10b、30b)の光学軸(11a、31a)の方位は第1の実施例の検光部110bに対してz軸周りに同じ方向に角度αだけ傾いている。
<Configuration of Third Embodiment>
FIG. 15 shows a schematic structure of an optical attenuator according to the third embodiment (hereinafter also referred to as third embodiment 103). The
<残留位相差の相殺原理>
図17に第3実施例103の構成による残留位相差の相殺原理を示した。ここでは説明を平易にするために、複屈折素子が偏光子10aと検光子10bの二つのみで構成される比較例100にλ/4板70をEO素子20の直後に配置した構成の光アッテネータを例に挙げている。EO素子20は前後長Leo=94μm、電極間距離d=94μmのKTNをEO物質21とし、ウォークシフト量Wf=64μmとしている。そして残留位相差δ(deg)をパラメータとして、EO素子20に電界Eを印加していない初期状態にあるときの検光子10bの光学軸11bの方位角φと光損失(dB)との関係を示している。この図17に示したように、残留位相差δがどのような値であっても検光子10bを光軸50周りに適宜に回転させることで、損失が0dBから光通信の用途で実用上十分とされる30dBよりも大きな値まで可変する。これは、EO素子20に電界が印加されていない初期状態において、ノーマリオン型で損失0dB、ノーマリオフ型で実用上十分な損失30dB以上となる方位角φが存在することを意味する。
<Residual phase difference cancellation principle>
FIG. 17 shows the principle of canceling the residual phase difference according to the configuration of the
そして第1の実施例101は、比較例100に対し、偏光子10aによってxy面で45゜方向に離間した二つの光路をx軸方向に並べるための第2の複屈折素子30aと、その並べた光路をxy面で45度方向に離間するように元に戻すための第3の複屈折素子30bが追加されているだけで光路を辿る光の振動方向は変わらない。したがって図15に示した第3実施例でも図17に示した原理に基づいて残留位相差δを相殺することができる。すなわち残留位相差を相殺するための角度αが存在する。
The
<第3実施例の動作>
図18、図19に図15に示した第3実施例103の動作を示した。 図18(A)は第3実施例101を上面から見たときのオンまたはオフ状態における光路を示しており、図18(B)は左方から見たときの光路を示している。図19(A)〜(J)は後方から見たときの光ビームの位置とその光ビームの偏光状態を示す図であり、図19(A)および(B)は、偏光子10bの後面s1および第2の複屈折素子の後面s2における光ビームの位置と偏光状態を示している。図19(C)〜(F)はオン状態におけるEO素子20の後面s3、λ/4板70の後面s8、第3の複屈折素子の後面s4、検光子の後面s5の各面での光ビームの位置と偏向状態を示している。図19(H)〜(J)はオフ状態における上記各面s4〜s6の光ビームの位置と偏向状態を示している。
<Operation of the third embodiment>
18 and 19 show the operation of the
図18、図19(A)(B)に示したように、入射側コリメータ40aから偏光子10a、第2の複屈折素子30a、EO素子20に至る光の光路や偏光状態は第1実施例101と同様である。図18、図19では入力光B0からEO素子20に入射する光(B141、B142)までの光については図9と同じ符号で示した。しかし第3実施例103では、EO素子20と第3の複屈折素子30bとの間にλ/4板70が配置されており、EO素子20から出射した光(B3510、B3520)の偏向状態、および以後の出射側コリメータ40bに至る光路や光の偏向状態が第1の実施例101とは異なっている。そしてここでも偏光子10aにおいて常光B111だった光がその後に辿る光路を第1の光路とし、異常光B112だった光がその後に辿る光路を第2の光路とする。
As shown in FIGS. 18, 19A and 19B, the optical path and polarization state of light from the incident-
まずオン状態の動作について説明すると、EO素子20のEO物質21は残留位相差δを有し、EO素子20に電界Eが印加されていないときは、図19(C)に示したように、EO素子20に入射した二つの直線偏光(B141、B142)のそれぞれが自身の振動方向を長軸としつつ残留位相差δに応じた消光比の楕円偏光(B3510、B3520)として出射される。λ/4板70はEO素子20からの楕円偏光(B3510、B3520)が入射されて、図19(D)に示したように、それぞれの楕円偏光(B3510、B3520)の消光比に応じた長軸方向と短軸方向の合成ベクトル方向に振動する直線偏光(B3610、B3620)を出射する。そしてこの直線偏光(B3610、B3620)のxy面での振動方向は、EO素子20に入射された直線偏光(B141、B142)に対して角度αだけ傾いている。図示した例では、時計回りに角度αだけ傾いている。
First, the operation in the on state will be described. The
第3の複屈折素子30bの光学軸31bの方位角φ1は、後方から見たときに反時計回りに45゜方向に対し時計回りに角度αだけ傾いた角度(φ1=45゜―α)となっている。そのため第3の複屈折素子30bには自身の光学軸31bと平行な方向に振動して異常光B371eとして振る舞う直線偏光B3610が第1の光路を辿って入射するとともに、光学軸31bと直交して常光B372oとして振る舞う直線偏光B3620が第2の光路を辿って入射することになる。そして、図19(E)に示したように第1の光路を辿って第3の複屈折素子30bに入射した直線偏光B3610が直進し、第2の光路を辿って第3の複屈折素子30bに入射した直線偏光B3620が光学軸方向に屈折して後面s4から出射し、これらの出射光(B381e、B382o)が検光子10bに入射する。
The third azimuth angle phi 1 of the
検光子10bの光学軸11bのxy面での方位φ2は第3の複屈折素子30bの光学軸31bと直交している(φ2=−45゜―α)。またyz面での方位は第3の複屈折素子30bと一致している。そのため第3の複屈折素子30bにおける常光B372oおよび異常光B371eは、検光子10bでは異常光B392eおよび常光B391oとなる。したがって、図19(F)に示したように、第3の複屈折素子30bにて屈折して出射した光B381eは、光学軸11b内を直進して後面s5から出射する。第3の複屈折素子30b内を直進して出射した光B382oは、検光子10b内を常光として直進する光B391oに近接するように光学軸11bに沿って屈折する。それによって検光子10bの後面s5からはz軸近傍の狭小な領域B400にてxy面での振動方向が互いに直交する光(B401、B402)が出射し、それらの光(B401、B402)が出射側光ファイバFbに結合し、EO素子20に電界Eが印加されていないときにオン状態となるノーマリオン型の光アッテネータの動作となる。
The azimuth phi 2 in the xy plane of the
以上がEO素子20に電界Eが印加されていないときの動作であった。オン状態でのオフ状態での動作について説明する。図19(G)に示したように、EO素子20に入射した二つの直線偏光(B141、B142)のそれぞれが自身の振動方向と直交する方向を長軸としつつ残留位相差δに応じた消光比の楕円偏光(B351E、B352E)として出射される。λ/4板70にはEO素子20からの楕円偏光(B351E、B352E)が入射されて、図19(H)に示したように、それぞれの楕円偏光(B351E、B352E)の消光比に応じた長軸方向と短軸方向の合成ベクトル方向に振動する直線偏光(B361E、B362E)を出射する。そしてこの直線偏光(B361E、B362E)のxy面での振動方向は、EO素子20に入射された直線偏光(B141、B142)に対して90゜回転させた方位から角度αだけ傾いている。第3の複屈折素子30bの光学軸31bの方位角φ1は、後方から見たときに反時計回りに45゜方向に対し時計回りに角度αだけ傾いた角度(φ1=45゜―α)となっている。そのため第3の複屈折素子30bには自身の光学軸31bと平行な方向に振動して異常光B372eとして振る舞う直線偏光B362Eが第2の光路を辿って入射するとともに、光学軸31bと直交して常光B371oとして振る舞う直線偏光B361Eが第1の光路を辿って入射することになる。そして、図19(I)に示したように第1の光路を辿って第3の複屈折素子30bに入射した直線偏光B361Eが直進し、第2の光路を辿って第3の複屈折素子30bに入射した直線偏光B362Eが光学軸31b方向に屈折して後面s4から出射し、これらの出射光(B381o、B382e)が検光子10bに入射する。
The above is the operation when the electric field E is not applied to the
検光子10bの光学軸11bのxy面での方位は第3の複屈折素子30bの光学軸31bと直交している(φ2=−45゜―α)。またyz面での方位は第3の複屈折素子30bと一致している。そのため第3の複屈折素子30bにおける常光B372oおよび異常光B371eは、検光子10bでは異常光B392eおよび常光B391oとなる。したがって、図19(F)に示したように、第3の複屈折素子30bにて屈折して出射した光B381eは、光学軸11b内を直進して後面s5から出射する。第3の複屈折素子30b内を直進して出射した光B382oは、検光子10b内を常光として直進する光B391oに近接するように光学軸11bに沿って屈折する。それによって検光子10bの後面s5からはz軸近傍の狭小な領域B400にてxy面での振動方向が互いに直交する光(B401、B402)が出射し、それらの光(B401、B402)が出射側光ファイバFbに結合しオン状態となる。
The orientation of the
一方オフ状態では、EO素子20での電気光学効果に基づく位相差が180゜となるようにEO物質21に電界Eが印加されることになる。この場合においても、図19(G)に示したようにEO素子20からは残留位相差δに起因して互いに長軸方向が直交する二つの楕円偏光(B351E、B352E)が出射される。そして、この二つの楕円偏光(B351E、B352E)はオン状態での楕円偏光(B3510、B3520)とは長軸が互いに直交している。そのため図19(H)、λ/4板70からの出射光(B361E、B362E)は、オン状態における常光と異常光の関係が逆になり、図18および図19(I)(J)に示したように、第1の光路を辿って第3の複屈折素子30bに入射した光B361Eが常光B372oとして直進し、第2の光路を辿って入射した光B362Eが異常光B372eとして常光B371oに対して離間するように光学軸31bに沿って屈折する。検光子10bでは第2の光路を辿ってきた光B382eが常光B392oとして直進し、第1の光路を辿ってきた光B381oが異常光B391eとして光学軸11bに沿って常光B392oに対してさらに離間するように屈折する。それによって、検光子10bの後面s5ではx軸に対して角度αの方向に離間する二つの光(B411、B412)が出射し、損失が最大となる。
On the other hand, in the off state, the electric field E is applied to the
このように第3の実施例では、EO素子20における残留位相差δに起因する楕円偏光をλ/4板70を用いて直線偏光に戻している。そして、その直線偏光のxy面での振動方向に一致および直交する方向に光学軸(31b、11b)を有する二つの複屈折素子(30b、10b)からなる検光部110bをλ/4板70の後方に配置している。それによって、オン状態での光の一部がオフ状態と同じ振動状態を維持して結合強度が減少することがない。同様にオフ状態においても検光部110bに入射した光の一部がオン状態と同じ振動状態を維持して一部の光が出射側光ファイバFbに結合してしまうこともない。したがって、第3実施例103は、強誘電体からなるEO物質を採用したEO素子と四つの複屈折素子(10a、30a、30b、10b)とを備えて低電圧駆動が可能であり、光損失とオンオフ比がともに優れた光損失特性を有する。なお当然のことながら、第3実施例103は、偏光部110aと検光部110bにλ/2板(60a、60b)を設けた第2実施例102と同様の構成に変更することができる。
Thus, in the third embodiment, elliptically polarized light caused by the residual phase difference δ in the
<光損失特性>
第3の実施例103は、EO素子20のEO物質21に強誘電体を用いた場合に、そのEO物質21における残留位相差δを補償することでオン状態での光透過特性やオフ状態での光損失特性を向上させるものである。したがって、EO素子20にて電気光学効果に基づく180°の位相差を生じさせるための電圧は、第1実施例101や第2実施例102と同等となる。そこで、比較例100と第3実施例103のそれぞれの構成を備えた光アッテネータをサンプルとして作製した。また第3の実施例103に第2実施例102の構成を追加した光アッテネータ(以下、変形例とも言う)もサンプルとして作製した。全てのサンプルにおいてEO物質21にはKTNを採用し、そのKTNの上下両面にPt薄膜からなる電極22を形成してEO素子20を形成した。なおここで用いたKTNは、比誘電率εr=15000であり、波長λ=1550nmにおいて屈折率n=2.185、電気光学定数がg11=0.0809m4/c2、g12=0.0023m4/c2である。
<Optical loss characteristics>
In the
図20に第3実施例103に対応するサンプルと変形例102bに対応するサンプルを構成する各光学素子のサイズを示した。比較例100を構成する光学素子のサイズについては先に図6に示した。図20に示した各光学素子(10a、30a、20、30b、10b、60a、60b、70)のサイズは、図5に示した光ファイバコリメータ(40a、40b)の光学設計条件に基づいて決定される屈折率n=1の空間内でのレンズ間距離Lc0と、比較例100において採用したクロストークを考慮したウォークシフト量Wf、および各光学素子の屈折率nとに基づいて決定している。 FIG. 20 shows the sizes of the optical elements constituting the sample corresponding to the third example 103 and the sample corresponding to the modification example 102b. The sizes of the optical elements constituting the comparative example 100 are shown in FIG. The sizes of the optical elements (10a, 30a, 20, 30b, 10b, 60a, 60b, 70) shown in FIG. 20 are determined based on the optical design conditions of the optical fiber collimators (40a, 40b) shown in FIG. Is determined based on the inter-lens distance L c0 in the space of the refractive index n = 1, the walk shift amount Wf considering the crosstalk employed in the comparative example 100, and the refractive index n of each optical element. Yes.
上述したように、比較例100では複屈折素子(10a、10b)の素子長Lpは756.9μmである。第3実施例103および変形例103bにおける複屈折素子(10a、30a、30b、10b)の素子長Lpは比較例100における素子長Lp=756.9μmの1/√2に相当するLp=539μmとしている。
As described above, in the comparative example 100, the element length L p of the birefringent elements (10a, 10b) is 756.9 μm. The element length L p of the birefringent elements (10a, 30a, 30b, 10b) in the
第3実施例103と変形例103bに用いたλ/4板70は平板状の水晶からなり、屈折率n=1.53である。また前後の厚さLq=100μmであり、この厚さにおいて光が透過する前後で3/4波長分の位相差が生じるように設計されている。変形例103bに用いたλ/2板80は前後長Lh=80μmである。そしてマージンLMや光学素子間のスペースLSを含めた実際のレンズ間距離Lcを光学素子(10a、30a、20、30b、10b、60a、60b、70)で充填するようにEO素子20を配置した。結果として、比較例100、第3実施例103、および変形例103bにおけるEO素子20の素子長Leoは、それぞれ2.15mm、2.05mm、1.845mmとなった。EO素子20の電極間距離dは比較例では上述したようにd=102.4μmであり、第3実施例103および変形例103bではビームスポット径W1(=50μm)同じであればよいが、ケラレを考慮してd=70μmに設定した。
The λ / 4
図21に各サンプルの光損失特性を示した。比較例100の構成を備えたサンプルではEO素子20の電極間(22−22)に22.8Vの電圧を印加したところEO素子20における電気光学効果に基づく位相差が180゜となった。第3実施例103およびその変形例103bの構成を備えたサンプルでは、それぞれEO素子20の電極間(22−22)に14.0Vおよび14,7Vの電圧を印加したところEO素子20における電気光学効果に基づく位相差が180゜となった。そしてオン状態での過剰損失がゼロとなりオフ状態での光損失も向上した。なお、第3実施例103のサンプルに対して変形例103bのサンプルの方がオフ状態にするための電圧が高かったのは、光学素子の点数が他のサンプルよりも多いのにも拘わらず他のサンプルと同じようにマージンLMやスペースLsを確保したため、上記のレーリー距離Z0の制限からEO素子20の素子長Leoが短縮されたためである。
FIG. 21 shows the optical loss characteristics of each sample. In the sample having the configuration of Comparative Example 100, when a voltage of 22.8 V was applied between the electrodes (22-22) of the
===第4の実施例===
上記第3実施例では、検光子10bを回転させることで優れた光損失特性を得ていた。この検光子10bを回転させるという構成は、λ/4板70が残留位相差δに起因する楕円偏光を直線偏光に変換するとともに、その直線偏光の振動方向を回転させるという効果(以下、便宜的に旋光効果とも言う)を利用して残留位相差δを補償するものである。例えば、第1および第2実施例では、λ/4板30の旋光効果による直線偏光の振動方向に一致あるいは直交するように検光子10bの光学軸11bの方位角を設定することで残留位相差を相殺している。
=== Fourth embodiment ===
In the third embodiment, an excellent light loss characteristic is obtained by rotating the
しかしながら、第1および第2実施例では、偏光子10aと検光子10bとの光軸50周りの相対的な回転角度を精密に調整する必要がある。とくに偏光子10aと検光子10bに上述した平行ルチル複屈折結晶からなるウォークオフプリズムを用いる場合では、偏光子10aと検光子10bが直方体形状の立体的な形状を有し、その立体的な形状の検光子10bを偏光子10aに対して光軸50周りに回転させた状態で保持する必要がある。そのため、検光子10bを含めた各種光学素子を収納する筐体の構造が複雑となる。また検光子10bを偏光子10aに対して回転させることで、検光子10bの上下および左右方向のサイズが偏光子10aに対して実質的に大きくなる。これは、光アッテネータの小型化を阻む要因となる。もちろん、光学軸11bが上記αだけ傾くように複屈折結晶を切り出して検光子10bを作製することも考えられるが、使用するEO素子20の残留位相差δに個体差があれば、その個体差に応じた検光子10bを用意しなくてはならない。また偏光子と検光子の光学軸が互いに平行あるいは直交する以外の角度で配置されると、先に図18、図19にて示したように、オン状態において、検光子10bの後端で常光と異常光とが完全に一致した位置から出射せず、原理的に結合損失が生じることになる。所謂偏光依存損失(PDL)と同じ現象が生じる。
However, in the first and second embodiments, it is necessary to precisely adjust the relative rotation angle of the
そこで本発明の第4の実施例として、検光部110bにおける複屈折素子(30b、10a)の光学軸(31b、11b)のxy面での方位がx軸に対して45゜方向となるように配置しても、確実にEO素子20の残留位相差δを相殺してより優れた光損失特性を有する光アッテネータを挙げる。
Therefore, as a fourth embodiment of the present invention, the orientation of the optical axes (31b, 11b) of the birefringent elements (30b, 10a) in the xy plane in the
<構成>
図22に第4の実施例に係る光アッテネータ(以下、第4実施例104とも言う)の構成を示した。ここに示した第4実施例104はノーマリオン型となっている。図22(A)は当該第4実施例104の構成を上後方から見たときの斜視図であり、この第4実施例104は、第3実施例103に対し1/2波長板(以下、λ/2板80とも言う)がλ/4板70の直後に配置されている点と、検光部110bを構成する二つの複屈折素子(30b、10b)の光学軸(31b、11b)の方位が第1実施例と同様である点が異なっている。また図22(B)は第3実施例103に対して追加された構成である上記λ/2板80を後方から見たときのxy面での光学軸81の方位を示している。
<Configuration>
FIG. 22 shows the configuration of an optical attenuator according to the fourth embodiment (hereinafter also referred to as the fourth embodiment 104). The
第4実施例104において、偏光部110aと検光部110bを構成する四つの複屈折素子(10a、30a、30b、10b)の光学軸(11a、31a、31b、11b)の方位は第1実施例101と同様であり、λ/4板70の光学軸71の方位は第3実施例103と同様でありx軸をz軸周りに+45゜あるいは−45゜回転させた方向である。
In the fourth example 104, the orientations of the optical axes (11a, 31a, 31b, 11b) of the four birefringent elements (10a, 30a, 30b, 10b) constituting the
λ/2板80の光学軸81の方位は、第3実施例103においてλ/4板から出射する直線偏光のxy面での振動方向に基づいて設定されている。具体的には、図22(B)に示したように、λ/4板70は、偏光子10aにて分離された常光と異常光に対応する互いに直交して方位角が±45゜となる二つの直線偏光を角度αだけ傾けた二つの直線偏光Pを出射する。ここでは後方から見て角度αがz軸周りに時計回り(マイナス方向)に回転することとしており、この直線偏光Pの方位角±45°―αと第3の複屈折素子30bの光学軸31bの方位角φ1あるいは当該方位角φ1と直交する方位角との等角二等分線がλ/2板70の光学軸71の方位となる。図22(B)に示した構成では、λ/2板80の光学軸81の方位角ω2を、ω2=45゜−α/2に設定した例を示している。もちろん図23に示したようにω2=−45゜−α/2に設定してもよい。なお第4実施例104においても、第2実施例102と同様に、偏光部110aと検光部110bに光路を光軸50近傍にシフトさせるためのλ/2板(60a、60b)を設けてもよい。
The orientation of the
以上の構成を備えた第4実施例104では、λ/2板80がλ/4板70から入射した直線偏光Pの振動方向を自身の光学軸81に対称となる方位となるように回転させて出射する。そのため、EO素子20に電界Eが印加されていないとき、あるいはEO素子20に電界Eを印加して電気光学効果による位相差が180°になっているときに、λ/4板30から出射した直線偏光Pの振動方向と検光子10bの光学軸11bの方位とが直交あるいは平行となるようにλ/2板70の光学軸71の方位を設定すれば実質的に検光子10bを光軸50周りにαの角度で回転させたことと同じになる。以下に第4実施例104の動作について説明する。
In the
<動作>
第4実施例104は、図22に示したように入射側コリメータ40aから後方に向かってλ/4板70までの構成が第3の実施例と同じである。すなわち第4実施例104において偏光子10aに入射した光がλ/4板を出射するまでの動作は、図18、図19に示した第3実施例103の動作における入力光B0からλ/4板70から出射する光(B3610、B3620、あるいはB361E、B362E)までの光路や偏光状態の変化と同様である。そこで以下では、第4実施例104の動作として、主にλ/4板70から後方の光学素子における光路や偏向状態の変化を説明する。
<Operation>
As shown in FIG. 22, the
図24、図25に第4実施例104の動作を示した。図24(A)は第4実施例104を上面から見たときのオンまたはオフ状態における光路を示しており、図24(B)は左方から見たときの光路を示している。図25は第4実施例104における特徴的な動作を示す図であり、この図25では後方から見たときのEO素子20から検光子10bに至る光路と偏向状態の変化を示した。図25(A)〜(E)はオン状態におけるEO素子20、λ/4板70、λ/2板80、第3の複屈折素子30b、検光子10bのそれぞれの後面(s3、s8、s9、s4、s5)における光ビームの位置と偏光状態を示しており、図25(F)〜(J)はオフ状態における上記各面(s3、s8、s9、s4、s5)における光ビームの位置と偏光状態を示している。
The operation of the
そして図24(A)(B)に示したように、入射側コリメータ40aから偏光子10a、第2の複屈折素子30a、EO素子20を経てλ/4板70から出射するまでの光の光路や偏光状態は第3実施例101と同様である。そこで図24、図25では入力光B0からλ/4板70から出射するまでの光(B3610、B3620、あるいはB361E、B362E)については図18、図19と同じ符号を付した。以下、オン状態とオフ状態のそれぞれについて、EO素子20の後面s3から検光子10bの後面s5に至る光の光路と偏光状態について具体的に説明する。
Then, as shown in FIGS. 24A and 24B, the optical path of light from the incident-
まずオン状態の動作について説明すると、EO素子20に入射した二つの直線偏光(B141、B142)は、図25(A)に示したように、その入射光(B141、B142)の振動方向を長軸としつつ残留位相差δに応じた消光比の楕円偏光(B3510、B3520)として出射される。λ/4板70はEO素子20からの楕円偏光(B3510、B3520)が入射されて、図25(B)に示したように、それぞれの楕円偏光(B3510、B3520)の消光比に応じた長軸方向と短軸方向の合成ベクトル方向に振動する直線偏光(B3610、B3620)を出射する。そしてこの直線偏光(B3610、B3620)のxy面での振動方向は、EO素子20に入射された直線偏光(B141、B142)に対して角度αだけ傾いている。
First, the operation in the ON state will be described. As shown in FIG. 25A, the two linearly polarized lights (B141 and B142) incident on the
λ/2板80は、λ/4板70から入射された二つの直線偏光(B3610、B3620)のxy面での振動方向を自身の光学軸81の方位を等角二等分線とした方位となるように回転させる。すなわち図25(C)に示したように、入射した直線偏光(B3610、およびB3620)のそれぞれのxy面での振動方向と同じ−45°および45°の方位角となるように回転させる。そしてλ/2板80から出射した光(B4710、およびB4720)の光路の位置と偏光状態は、第1実施例101においてオン状態のときに第3の複屈折素子30bに入射する光と同じである。したがって、以後は第1実施例101と同様の光路と偏光状態となり、図25(D)、(E)に示したように、第1の光路を辿る光B4710、B481e、B491e、B501o、および第2の航路を辿る光B4720、B481o、B491o、B501eを経て検光子10bの後面で二つの光路を辿ってきた光が同じ位置から出射し、その光B510が出射側光ファイバFbに結合してオン状態となる。
In the λ / 2
一方電界が印加されて、電気光学効果に基づく位相差が180゜であるときは、EO素子20に入射した二つの直線偏光(B141、B142)は、図25(F)に示したように、その入射光(B141、B142)は、振動方向を90゜回転させた方向に長軸を有する楕円偏光(B351E、B352E)として出射される。λ/4板70は、図25(G)に示したように、入射された楕円偏光(B3510、B3520)の消光比に応じた長軸方向と短軸方向の合成ベクトル方向に振動する直線偏光(B361E、B362E)を出射する。この直線偏光(B361E、B362E)のxy面での振動方向もEO素子20に入射された直線偏光(B141、B142)に対して角度αだけ傾いている。そして図25(B)に示したオン状態における出射光(B3610、B3620)の振動方向に対して90゜回転した方向に振動している。
On the other hand, when the electric field is applied and the phase difference based on the electro-optic effect is 180 °, the two linearly polarized lights (B141 and B142) incident on the
λ/2板80は、図25(H)に示したように、λ/4板70から入射された二つの直線偏光(B361E、B362E)のxy面での振動方向を自身の光学軸81の方位を等角二等分線とした方位となるように回転させる。すなわち図25(C)に示したオン状態におけるλ/2板80からの出射光(B4710、B4720)の振動方向に対して90゜回転した方向に振動する二つの直線偏光を出射する。そしてλ/2板80から出射した光(B471E、およびB472E)の光路の位置と偏光状態は、第1実施例101においてオフ状態のときの第3の複屈折素子30bに入射する光と同じである。したがって、以後は第1実施例101と同様の光路と偏光状態となり、図25(I)、(J)に示したように、第1の光路を辿る光B471E、B481o、B491o、B501e、および第2の航路を辿る光B472E、B481e、B491e、B501oを経て検光子10bの後面s5から出射する。そしてその後面s5からの出射光(B511、B512)は、x軸上で互いにz軸に対称となるように離間した位置から出射する。それによって当該出射光(B511、B512)は出射側光ファイバFbに結合せず、最大の光損失となるオフ状態となる。
As shown in FIG. 25H, the λ / 2
このように第4実施例104では、オン状態において、偏光子10aにて分離した光が検光子10bの後面の同じ位置から出射する光路が形成されるため、高強度の光を入射する場合にも対応して、低損失でその高強度の光を透過させることができる。また偏光子10aと検光子10bをそれぞれの光学軸(11a、11b)の方位が一致あるいは直交するように配置することができ第3実施例103のように検光子10aを光軸50回りに回転させる必要がない。平板状のλ/2板40であれば、z軸方向を法線としてこのz軸周りにλ/2板40を回転させるだけで容易に光学軸の方向を調整することができる。
Thus, in the
そして偏光部110aと検光部110bにおいて立体的な形状を有する複屈折素子(10a、30a、30b、10b)のそれぞれの光学軸(11a、31a、31b、11b)の相対的な方位を厳密に調整する必要がなくなる。光アッテネータの組み立ても容易になり、光学素子を保持する筐体の構造も簡素にすることができる。全ての複屈折素子(10a、30a、30b、10b)を実質的に同一のもので構成することもでき、部品の種類を少なくすることもできる。なお第4実施例104も第2実施例102や上記変形例103と同様に偏光部110aと検光部110bに、二つの光路をx軸方向に並べるためのλ/2板を設けてもよい。
The relative orientations of the optical axes (11a, 31a, 31b, 11b) of the birefringent elements (10a, 30a, 30b, 10b) having a three-dimensional shape in the
===その他の実施例===
第3、第4実施例(103、104)では、λ/4板70をEO素子20の直後に配置していたが、λ/4板70はEO素子20における残留位相差δを補償するだけの位相差を発生させるように動作するので、λ/4板70はEO素子20の直前に配置しても同様の効果が得られる。すなわちEO素子20に入射する光は、残留位相差δを補償する分の位相差があらかじめ与えられており、EO素子20は自身の残留位相差δによってその入射光をxy面で振動方向が±45゜方向から上記の角度αだけ傾いた光として出射する。
=== Other Embodiments ===
In the third and fourth embodiments (103, 104), the λ / 4
上記第各実施例101〜104では前後で対向する一対の光ファイバコリメータ間(40a−40b)に各種各光学素子(10a、10b、20、30a、30b、60a、60b、70、80)を配置して光アッテネータを構成していた。そしてこれらの光アッテネータは、多チャンネル光アッテネータの1チャンネル分であってもよい。すなわち、各実施例の光アッテネータ101〜104を多チャンネル光アッテネータの1チャンネル分としてもよい。
In the first to
なお実際に多チャンネル光アッテネータを構成する場合には、複数本の光ファイバが並んだ状態で保持されているテープ心線とマイクロレンズアレイを用いることで実質的に複数個のコリメータと同じ構成とすることができる。また、各種光学素子(10a、10b、20、30a、30b、60a、60b、70、80)は、チャンネルと同じ数だけ左右に並べてもよいし、少なくとも一つの光学素子が複数チャンネル分の光路間に亘って介在するように、左右方向に延長する一体的な形状であってもよい。もちろん、光学素子の全てが複数チャンネル分の光路間に亘って介在する形状に形成されていてもよい。 When a multi-channel optical attenuator is actually configured, the configuration is substantially the same as that of a plurality of collimators by using a tape core wire and a microlens array that are held in a state where a plurality of optical fibers are arranged. can do. In addition, various optical elements (10a, 10b, 20, 30a, 30b, 60a, 60b, 70, 80) may be arranged on the left and right by the same number as the channel, or at least one optical element is provided between the optical paths for a plurality of channels. It may be an integral shape extending in the left-right direction so as to be interposed. Of course, all of the optical elements may be formed to be interposed between the optical paths for a plurality of channels.
光通信網内では、光アッテネータは、室内など温度変化が少ない場所に設置されることが多いため、上記各実施例(101〜104)では、周囲の温度変化を考慮した構成を備えていなかった。しかし、とくに強誘電体を用いたEO素子20を備えた第3、第4実施例(103、104)では、残留位相差δが周囲の温度によって変化する可能性がある。そこでこれらの光アッテネータに温度調整機構を付加してもよい。あるいはEO素子20の電極間(22−22)にあらかじめバイアス電圧を印加しておき、EO物質に所定のリタデーションを発生させ、そのリタデーションを維持するようにしてもよい。もちろんバイアス電圧を印加することで電圧変化に対して光損失特性の変化を緩やかにしてより「リニア」な特性に改善することもできる。この場合は第1および第2の実施例(101、102)にも適用可能である。
In an optical communication network, an optical attenuator is often installed in a place where there is little temperature change, such as indoors. Therefore, in each of the above-described embodiments (101 to 104), the configuration considering the ambient temperature change was not provided. . However, particularly in the third and fourth embodiments (103, 104) including the
なお、前後で対向する光ファイバコリメータ間に各種光学素子を配置した構成の光アッテネータでは、光ファイバに戻り光が入射するのを防止するために、普通、光ファイバの端面が一方向に研磨されている。すなわち端面が光軸に対して傾いている。したがって、実用に供する光アッテネータでは、前後で対向する光ファイバの端面同士を結ぶ線を光軸として設定したとき、入射側ファイバコリメータからの出射光は、光軸に対してわずかに傾いている。そこで一般的には、光路が前後対称となるようにEO素子の前後両面を光軸に対して傾くように研磨している。図26に、光ファイバ(Fa、Fb)の端面が研磨されているときの光アッテネータの構造を示した。なお、この図では、説明に不要な光学素子を省略し、光ファイバ(Fa、Fb)における端面の研磨方向と、EO素子20における光の入出射面の傾斜方向、および光ファイバ間(Fa−Fb)の光路のみを模式的に示した。図26に示したように、対向する光ファイバ(Fa、Fb)は、端面の研磨方向が互いに反対方向である。そしてEO素子20は左右方向から見ると台形状に形成されて、光の入出射面とそれに対向する光ファイバ(Fa、Fb)の端面が互いに反対方向に傾斜している。この図では、入射側光ファイバから光軸50に対して斜め上方に光が出射している。そしてこの光がEO素子内では光軸50と平行な光路を辿るように屈折し、EO素子から出射した光は斜め下方に向かう光路を経て後方の光ファイバに至る。したがって、光アッテネータ内にはEO素子に対して前後対称の光路が形成される。
In an optical attenuator having various optical elements arranged between optical fiber collimators facing in the front and rear, the end face of the optical fiber is usually polished in one direction in order to prevent light from entering the optical fiber. ing. That is, the end face is inclined with respect to the optical axis. Therefore, in an optical attenuator for practical use, when a line connecting the end faces of optical fibers facing in the front and rear directions is set as the optical axis, the outgoing light from the incident side fiber collimator is slightly inclined with respect to the optical axis. Therefore, in general, the front and rear surfaces of the EO element are polished so as to be inclined with respect to the optical axis so that the optical path is symmetric. FIG. 26 shows the structure of the optical attenuator when the end face of the optical fiber (Fa, Fb) is polished. In this figure, optical elements unnecessary for explanation are omitted, and the polishing direction of the end face of the optical fiber (Fa, Fb), the inclination direction of the light incident / exit surface of the
1,100,101,102,103,103b,104 光アッテネータ、
1a 偏光子(偏光板)、1b 検光子(偏光板)、10 複屈折素子、
10a 偏光子(第1の複屈折素子)、10b 検光子(第4の複屈折素子)、
11,11a,11b,31a,31b 複屈折素子の光学軸、
20 電気光学素子(EO素子)、21 電気光学物質(EO物質、KTN)、
22 電極(Pt薄膜電極)、30a 第2の複屈折素子、30b 第3の複屈折素子、40a,40b 光ファイバコリメータ、50 光軸、
60a、60b、80 1/2波長板(λ/2板)、
61a,61b,81 1/2波長板の光学軸、70 1/4波長板(λ/4板)、
71 1/4波長板の光学軸、Ca,Cb コリメートレンズ、
Fa,Fb 光ファイバ(シングルモード光ファイバ)
1,100,101,102,103,103b, 104 optical attenuator,
1a polarizer (polarizing plate), 1b analyzer (polarizing plate), 10 birefringence element,
10a Polarizer (first birefringent element), 10b Analyzer (fourth birefringent element),
11, 11a, 11b, 31a, 31b The optical axis of the birefringent element,
20 electro-optic element (EO element), 21 electro-optic substance (EO substance, KTN),
22 electrode (Pt thin film electrode), 30a second birefringent element, 30b third birefringent element, 40a, 40b optical fiber collimator, 50 optical axis,
60a, 60b, 80 1/2 wavelength plate (λ / 2 plate),
61a, 61b, 81 Optical axis of a half-wave plate, 70 1/4 wave plate (λ / 4 plate),
71 1/4 wavelength plate optical axis, Ca, Cb collimating lens,
Fa, Fb optical fiber (single mode optical fiber)
Claims (8)
前記z軸と直交し、かつ互いに直交する二つの軸をx軸およびy軸として、
前記光学素子として偏光部、電気光学素子部、および検光部が前記第1の光ファイバコリメータから前記第2の光ファイバコリメータに向かってこの順に配置されてなり、
前記偏光部は、xy面での光学軸の方位が互いにz軸周りに90゜回転させた関係にある第1の複屈折素子と第2の複屈折素子が前方から後方に向かってこの順に並んで配置された構成を含み、
前記第1の複屈折素子は、xy面での光学軸の方位がx軸に対してz軸周りに所定の方向に45°傾いているとともに、前記入力光を常光と異常光の二つの直線偏光に分離するとともに、当該二つの直線偏光をxy面においてx軸に対して45°方向に離間した位置から出射するようにyz面およびzx面での光学軸の方位が設定され、
前記第2の複屈折素子は、前記第1の複屈折素子が出射した前記二つの直線偏光をx軸に平行方向に離間する第1の光路上と第2の光路上に出射し、
前記電気光学素子部はy軸を法線方向として互いに対面する電極間に電気光学効果を有する電気光学物質が挟持されてなり、外部の駆動回路により当該対面する電極間に電圧が印加されると前記第1および第2の光路を辿って入射してきた光のそれぞれに所定の位相差を与えて後方から出射し、
前記検光部は、xy面での光学軸の方位がz軸周りに90゜回転させた関係にある第3の複屈折素子と第4の複屈折素子が前方から後方に向かってこの順に並んで配置された構成を含み、
前記電気光学素子部が自身に入射された光に対して前記電気光学効果に基づく0°あるいは180°のいずれかの位相差を与えている場合、前記第1および第2の光路を辿ってx軸方向に離間しつつ互いに直交する二つの直線偏光が前記第3の複屈折素子の前面に入射され、前記第4の複屈折素子が当該二つの直線偏光を前記第2の光ファイバコリメータの光ファイバに結合させる、
ことを特徴とする光アッテネータ。 The front first optical fiber collimator holding the first optical fiber and the rear second optical fiber collimator holding the second optical fiber are opposed to each other in the front-rear direction, and the z-axis extending in the front-rear direction is As the optical axis, a plurality of optical elements having light incident / exit surfaces on the front and rear are arranged on the optical axis, and the intensity of the input light from the first optical fiber is attenuated and output to the second optical fiber. An optical attenuator that
Two axes orthogonal to the z-axis and orthogonal to each other are defined as an x-axis and a y-axis,
As the optical element, a polarizing unit, an electro-optical element unit, and a light detecting unit are arranged in this order from the first optical fiber collimator to the second optical fiber collimator.
In the polarizing section, the first birefringent element and the second birefringent element are arranged in this order from the front to the rear in such a relationship that the azimuth of the optical axis on the xy plane is rotated by 90 ° around the z axis. Including the configuration arranged in
In the first birefringent element, the azimuth of the optical axis on the xy plane is inclined 45 ° in a predetermined direction around the z axis with respect to the x axis, and the input light is divided into two straight lines of ordinary light and extraordinary light. The azimuths of the optical axes on the yz plane and the zx plane are set so that the two linearly polarized lights are emitted from positions separated from each other in the direction of 45 ° with respect to the x axis on the xy plane.
The second birefringent element emits the two linearly polarized lights emitted from the first birefringent element on a first optical path and a second optical path that are separated in a direction parallel to the x-axis,
In the electro-optic element portion, an electro-optic material having an electro-optic effect is sandwiched between electrodes facing each other with the y-axis as a normal direction, and a voltage is applied between the facing electrodes by an external driving circuit. A predetermined phase difference is given to each of the light incident along the first and second optical paths and emitted from the rear,
In the light analyzing section, the third birefringent element and the fourth birefringent element, which have a relationship in which the orientation of the optical axis on the xy plane is rotated by 90 ° around the z axis, are arranged in this order from the front to the rear. Including the configuration arranged in
When the electro-optic element portion gives a phase difference of 0 ° or 180 ° based on the electro-optic effect to the light incident on the electro-optic element portion, the x-trace follows the first and second optical paths. Two linearly polarized light beams that are orthogonal to each other while being separated in the axial direction are incident on the front surface of the third birefringent element, and the fourth birefringent element converts the two linearly polarized light beams into the light of the second optical fiber collimator. Coupled to the fiber,
An optical attenuator characterized by that.
前記偏光部は、前記第1の複屈折素子と前記第2の複屈折素子との間に第1の1/2波長板が配置されてなり、当該第1の1/2波長板は光学軸の方位がx軸あるいはy軸と平行となるように設定され、
前記検光部は、前記第3の複屈折素子と前記第4の複屈折素子との間に第2の1/2波長板が配置されてなり、当該第2の1/2波長板はxy面での光学軸の方位が前記第3及び第4の複屈折素子のxy面での光学軸の方位を二分する方向となるように設定されている、
ことを特徴とする光アッテネータ。 In claim 1,
The polarizing section is formed by arranging a first half-wave plate between the first birefringent element and the second birefringent element, and the first half-wave plate is an optical axis. Is set to be parallel to the x-axis or y-axis,
The light analyzing unit includes a second half-wave plate disposed between the third birefringent element and the fourth birefringent element, and the second half-wave plate is xy. The azimuth of the optical axis on the surface is set to be a direction that bisects the azimuth of the optical axis on the xy plane of the third and fourth birefringent elements,
An optical attenuator characterized by that.
前記電気光学物質は、電界が印加されていない状態で所定の残留位相差による複屈折効果を有する強誘電体からなり、
前記偏光部と前記電気光学素子部との間、あるいは前記電気光学素子部と前記検光部との間に1/4波長板が配置され、
当該1/4波長板は、光学軸のxy面での方位がx軸に対してz軸周りに45゜傾いており、前記偏光部から前記第1および第2の光路上に出射された二つの直線偏光のxy面での方位に対してz軸周りに角度αだけ傾いた二つの直線偏光を前記検光部に入射させるように前記残留位相差を補償し、
前記第3の複屈折素子のxy面での光学軸の方位は、前記1/4波長板から出射された二つの直線偏光のいずれかに一致している、
ことを特徴とする光アッテネータ。 In claim 1 or 2,
The electro-optic material is made of a ferroelectric material having a birefringence effect due to a predetermined residual phase difference in a state where an electric field is not applied,
A quarter-wave plate is disposed between the polarizing unit and the electro-optical element unit, or between the electro-optical element unit and the light detecting unit,
The quarter-wave plate has an azimuth of the optical axis on the xy plane that is inclined by 45 ° around the z-axis with respect to the x-axis, and is emitted from the polarizing section onto the first and second optical paths. Compensating for the residual phase difference so that two linearly polarized lights inclined by an angle α around the z axis with respect to the orientation of the two linearly polarized lights in the xy plane are incident on the detection unit;
The azimuth of the optical axis on the xy plane of the third birefringent element coincides with one of the two linearly polarized lights emitted from the quarter wavelength plate.
An optical attenuator characterized by that.
前記電気光学物質は、電界が印加されていない状態で所定の残留位相差による複屈折効果を有する強誘電体からなり、
前記第3の複屈折素子の直前に1/2波長板からなる旋光部が配置され、
前記偏光部と前記電気光学素子部との間、あるいは前記電気光学素子部と旋光部との間に1/4波長板が配置され、
当該1/4波長板は、光学軸のxy面での方位がx軸に対してz軸周りに45゜傾いており、前記偏光部から前記第1および第2の光路上に出射された二つの直線偏光のxy面での方位に対してz軸周りに角度αだけ傾いた二つの直線偏光を前記旋光部に入射させるように前記残留位相差を補償し、
前記第3の複屈折素子のxy面での光学軸の方位は、前記第2の複屈折素子のxy面での光学軸の方位と一致あるいはz軸周りに90°傾いており、
前記旋光部のxy面での光学軸の方位は、前方から入射した前記角度αだけ傾いた前記二つの直線偏光のxy面での振動方向の方位と前記第3の複屈折素子のxy面での光学軸の方位との交差角度を等角度で分割する方向である、
ことを特徴とする光アッテネータ。 In claim 1 or 2,
The electro-optic material is made of a ferroelectric material having a birefringence effect due to a predetermined residual phase difference in a state where an electric field is not applied,
An optical rotator comprising a half-wave plate is disposed immediately before the third birefringent element,
A quarter-wave plate is disposed between the polarizing unit and the electro-optical element unit, or between the electro-optical element unit and the optical rotation unit,
The quarter-wave plate has an azimuth of the optical axis on the xy plane that is inclined by 45 ° around the z-axis with respect to the x-axis, and is emitted from the polarizing section onto the first and second optical paths. Compensating for the residual phase difference so that two linearly polarized lights inclined by an angle α around the z axis with respect to the orientation of the two linearly polarized lights in the xy plane are incident on the optical rotation unit;
The azimuth of the optical axis on the xy plane of the third birefringent element coincides with the azimuth of the optical axis on the xy plane of the second birefringent element, or is inclined by 90 ° around the z axis,
The azimuth of the optical axis on the xy plane of the optical rotator is the azimuth of the vibration direction on the xy plane of the two linearly polarized light inclined by the angle α incident from the front and the xy plane of the third birefringent element. Is a direction in which the angle of intersection with the azimuth of the optical axis is divided at equal angles,
An optical attenuator characterized by that.
前記複数チャンネル分の光アッテネータを構成する複数個の前記第1および第2の光ファイバコリメータを構成するコリメートレンズは、マイクロレンズアレイとしてx軸方向に並べて配置された状態で一体化されていることを特徴とする多チャンネル光アッテネータ。 The multi-channel optical attenuator according to claim 6,
The plurality of collimating lenses constituting the first and second optical fiber collimators constituting the optical attenuators for the plurality of channels are integrated as a microlens array arranged in the x-axis direction. Multi-channel optical attenuator.
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