JP2016156975A - 偏光無依存型光アイソレータ - Google Patents

Abstract

【課題】逆方向損失特性に優れた偏光無依存型光アイソレータを提供する。
【解決手段】前後方向をｚ軸として、前後点対称に配置された第１と第２の複屈折素子間（１１ａ−１２ａ）および第３と第４の複屈折素子間（１１ａ−１２ａ）に第１および第２のファラデー回転子（２０ａ、２０ｂ）が介在し、第１と第２の複屈折素子および第３と第４の複屈折素子はｘｙ面内の光学軸（１３ａ、１４ａおよび１３ｂ、１４ｂ）が互いにｚ軸周りに４５°傾き、ｙｚ面内の傾斜面（３１ａ、３４ａおよび３１ｂ、３４ｂ）の角度がθ_１およびθ_２で、第１と第２のファラデー回転子はファラデー回転方向が逆であり、第２および第３の複屈折素子は、傾斜方向が互いに１８０°となるように対面するように配置されているとともに、互いの光学軸がｚ軸周りに９０°で交差するように配置され、傾斜角度θ_１とθ_２が異なっている偏光無依存型光アイソレータ１００としている。
【選択図】図５

Description

本発明は偏光無依存型光アイソレータに関する。

周知のごとく、光アイソレータは、光通信や光計測などの分野において、光源の不安定性および損傷の原因となる戻り光から光源を保護するために使用され、一方向（順方向）の光ビームを透過させるとともに、逆方向からの光ビームを遮断するように動作する。本発明が対象としている偏光無依存型光アイソレータは、入射光の偏光状態を問わず使用できるため汎用性が高く、例えば、光ファイバを介した光通信システムを構成する光部品の一つとして用いられている。

図１に偏光無依存型の光アイソレータ１０の基本構成を示した。図１（Ａ）は光アイソレータ１０を構成する光学素子（１１、２０、１２）の配置と各光学素子（１１、２０、１２）の光学特性（１３、２１、１４）を示す図であり、図１（Ｂ）は順方向に進む光ビームの光路を示しており、図１（Ｂ）は逆方向に進む光ビームの光路を示している。ここで前方から後方へ向かう方向を順方向とし、この順方向をｚ軸方向として便宜的にｘ、ｙ、ｚ直交座標系を規定すると、光アイソレータ１０は、前方から後方に向かってｚ軸に沿って楔型の複屈折結晶（以下、第１の楔型複屈折素子１１）、４５°ファラデー回転子２０、楔型複屈折結晶（以下、第２の楔型複屈折素子１２）がこの順に配置された構成となっている。

上記構成において、第１および第２の楔型複屈折素子（１１、１２）は、実質的に同じものであり、前後一方の面がｘｙ面に平行な垂直面であり、他方の面がｙｚ面内でのみ傾斜し、ｚｘ面内では傾斜していない。ここで、第１および第２の楔型複屈折素子（１１、１２）におけるｙｚ面の形状について、前後方向の幅が狭い側から広い幅側へ向かう下り方向を傾斜方向とすると、第１と第２の楔型複屈折素子（１１、１２）は垂直面側が対面し、互いに前後反対方向に面する傾斜面は、その傾斜方向が互いに逆方向となっている。すなわち第１および第２の複屈折素子（１１、１２）は、前後方向で互いに点対称となるように配置されている。また第１と第２の楔型複屈折素子（１１、１２）はｘｙ面内に光学軸（１３、１４）を有し、互いの光学軸（１３、１４）がｚ軸に対して時計回りに４５°の角度となるように交差している。前方から見ると、第１の楔型複屈折素子１１の光学軸１３はｙ軸に対して反時計回りの方向に２２．５°傾いており、第２の楔型複屈折素子１１の光学軸１４はｙ軸に対して時計回りの方向に２２．５°傾いている。そしてファラデー回転子２０におけるファラデー回転方向２１とその回転角度は、前方から見て時計回りに４５°となっている。

つぎに上述した基本構成に係る光アイソレータ１０の動作原理について説明すると、図１（Ｂ）に示したように前方の光ファイバＦ１は後端にて開口し、後方の光ファイバＦ２は前端にて開口している。そして前方の光ファイバＦ１の開口端（以下、光ファイバポートＰ１ともいう）からｚ軸方向に沿って出射した光ビームＢ１はコリメートレンズｃ１にてコリメート光に変換され、このコリメート光からなる光ビームＢ１が光アイソレータ１０に順方向に入射する。光ビームＢ１は、まず第１の楔型複屈折素子１１の前方の傾斜面３１に入射し、常光Ｂｏと異常光Ｂｅの二つの直線偏光に分離し、この常光Ｂｏと異常光Ｂｅは第１の楔型複屈折素子１１の後面３２からｙ軸方向に互いに離間した２本の光ビームＢ２としてファラデー回転子２０に入射する。ファラデー回転子２０は、入射した光ビームの偏波面を前方から見て時計回りに４５°回転させる。そのため第２の楔型複屈折素子１２の前面３３には第２の楔型複屈折素子１２における常光Ｂｏと異常光Ｂｅが第２の楔型複屈折素子１２においても常光Ｂｏと異常光Ｂｅとして振る舞う。したがって第２の楔型複屈折素子１２に入射した２本の光ビームＢ３はｚ軸に平行な２本の光ビームＢ４として第２の楔型複屈折素子１２の後面３４から出射する。そしてこのｚ軸に沿って互いに平行となる２本の光ビームＢ４はコリメータレンズｃ２を介して後方側の光ファイバポートＰ２に結合する。このようにして順方向では光透過状態となる。

一方図１（Ｃ）に示したように、光アイソレータ１０に逆方向に入射した光ビームＢ５については第２の楔型複屈折素子１２にて分離した常光Ｂｏと異常光Ｂｅがファラデー回転子２０を経て第１の楔型複屈折素子１１の後面３２から入射する。ファラデー回転子２０は後方から前方に向かって入射した直線偏光からなる２本の光ビームＢ６に対しても前方から見て時計回りに４５゜の方向に回転させるため、第２の楔型複屈折素子１２における常光Ｂｏと異常光Ｂｅは、第１の楔型複屈折素子１１ではそれぞれ異常光Ｂｅと常光Ｂｏとして振る舞う。そのため第１の楔型複屈折素子１１の後面３２に入射した２本の光ビームＢ７は当該第１の楔型複屈折素子１１の前面３１から出射するときにさらに離間する方向に屈折する。すなわち第１の楔型複屈折素子１１の前面３１から逆方向に出射した２本の光ビームＢ８はコリメートレンズｃ１によって光ファイバポートＰ１に結合することができず結合損失が生じる。このようにして逆方向では光が遮断された状態となる。

また上記の基本の構成に係る光アイソレータではファラデー回転子における旋光分散の影響により逆方向損失（アイソレーション）特性が劣化する可能性があることから、上記基本構成に係る光アイソレータを一つのユニットとして、二つのユニットを光路に沿って直列に配置した２段構成の光アイソレータとすることがある。この２段構成の光アイソレータでは１段目のユニットによって生じた旋光分散を２段目のユニットによって相殺させている。そして従来の２段構成の光アイソレータでは１段目のユニットに対して２段目のユニットがｚ軸周りに９０゜回転した状態で配置されている。すなわち１段目のユニットにおける楔型複屈折素子と２段目のユニットにおける楔型複屈折素子の傾斜方向が互いに９０゜の角度で交差している。なお２段構成の光アイソレータについては以下の特許文献１などに記載されている。

特開平１１−１７４３８２号公報

光通信における大容量伝送への要求などから、複数本の光ファイバを並べた光ファイバアレイを用いたマルチチャンネル光伝送路中に上記の２段構成の光アイソレータを介在させる場合などでは、複数本の光ファイバからの光ビームが一つの光アイソレータに一括して入射されることになる。そのため光アイソレータには、各チャンネルに対応する逆方向の光ビームを確実に遮断するとともに、隣り合うチャンネル間でクロストークが発生しないようにすることが必要となる。

ところが従来の２段構成の光アイソレータでは、２段目のユニットが１段目のユニットに対して前後方向を軸にして９０°回転した状態で配置されているため１段目のユニットと２段目のユニットでは、常光と異常光の分離方向が直交することになる。すなわち光ファイバアレイにおける各光ファイバの配列方向がどの方向であっても、常光と異常光に対応する２本の光ビームはその光路上で必ず光ファイバの配列方向に一致する方向に離間することなりクロストークが発生する。

そこでマルチチャンネル光伝送路への対応も可能な２段構成の光アイソレータとして、１段目と２段目のユニットにおける楔型複屈折素子の傾斜方向を互いに平行にするとともに、１段目のユニットの後方の楔型複屈折素子と２段目の前方の楔型複屈折素子の光学軸の方向を互いに９０゜の角度で交差させることが考えられる。すなわち常光と異常光の分離方向や光ビームの屈折方向を一つの傾斜方向にのみ規定しつつ、光アイソレータとして機能させるために１段目と２段目のユニットにおける楔型複屈折素子の光学軸の方向のみを調整するのである。

しかしながら、このような光アイソレータでは、楔型複屈折素子の傾斜方向が平行で、光学軸の方向のみが互いに９０゜となる異なる２種類の複屈折素子が必要となる。楔型複屈折素子はルチルなどの結晶から切り出されたものであり、極めて高い加工精度が要求され、そのため２種類の楔型複屈折素子を設計通りに作製することが極めて難しく、実質的には２種類の楔型複屈折素子の光学軸は９０゜からずれることになる。そしてこの光学軸のずれは逆方向を辿る光ビームの一部に異常光に分離しない成分を残存させ、アイソレーション特性を劣化させる原因となる。

そこで本発明は、高い組み立て精度や加工精度を不要にしつつ、高いアイソレーション特性を備えた偏光無依存型光アイソレータを提供することを目的としている。

上記目的を達成するための本発明は、
前後方向をｚ軸としたｘ、ｙ、ｚ直交座標系を規定したときに、
ｚ軸方向に進行する光ビームの光路上に、前方から、第１の楔型複屈折素子、第１の４５°ファラデー回転子、第２の楔型複屈折素子、第３の楔型複屈折素子、第２の４５°ファラデー回転子、第４の楔型複屈折素子がこの順に配置され、
前記第１〜第４の楔型複屈折素子は、前後一方の面がｘｙ面に平行な垂直面で、他方の面が当該垂直面に対してｙｚ面内で所定の角度で傾斜する傾斜面であるとともに、ｘｙ面内に光学軸を有し、
前記傾斜面を下る方向を傾斜方向として、
前記第１の楔型複屈折素子と前記第２の楔型複屈折素子は、ｘｙ面に対して傾斜角度θ_１の傾斜面を有し、前後方向で点対称となるように配置されているとともに、互いの前記光学軸がｚ軸周りに４５°の角度で交差するように配置され、
前記第１のファラデー回転子と前記第２のファラデー回転子は、前方から見たときのファラデー回転方向が逆方向であり、
前記第３の楔型複屈折素子と前記第４の楔型複屈折素子は、ｙ軸方向を傾斜方向とした同じ傾斜角度θ_２の傾斜面を有して前後方向で点対称となるように配置されているとともに、互いの前記光学軸がｚ軸周りに４５°の角度で交差するように配置され、
前記第２および第３の楔型複屈折素子は、前記傾斜方向が互いに１８０°となるように対面するように配置されているとともに、互いの前記光学軸がｚ軸周りに９０°の角度で交差するように配置され、
前記傾斜角度θ_１とθ_２とが異なるように設定されている、
ことを特徴とする偏光無依存型光アイソレータとしている。

また前記第１の楔型複屈折素子の前方、および前記第４の楔型複屈折素子の後方に複数本の光ファイバがｘ軸方向に並べられてなる光ファイバアレイが配置されることを特徴とする偏光無依存型光アイソレータとすることもできる。

前記傾斜角度θ_１とθ_２とが１゜以上異なるように設定されていることを特徴とする偏光無依存型光アイソレータとすれば好適である。また前記傾斜角度θ_１とθ_２をｘｙ面に対する角度として、当該傾斜角度θ_１とθ_２は４゜以上６゜以下に設定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としてもよい。

本発明に係る偏光無依存型光アイソレータによれば、高い組み立て精度や加工精度を不要にしつつ、高いアイソレーション特性を有している。また光ファイバアレイを用いたマルチチャンネル光伝送路中に介在させた場合にはクロストークを大きく低減させることが可能となる。

基本的な偏光無依存型光アイソレータの構成と動作を示す図である。 従来の２段型偏光無依存型光アイソレータの構造を示す図である。 上記２段型偏光無依存型光アイソレータの動作を示す図である。 上記２段型偏光無依存型光アイソレータの問題点を説明するための図である。 本発明の実施例に係る偏光無依存型光アイソレータの構成と動作を示す図である。 本発明の実施例に係る偏光無依存型光アイソレータの逆方向結合損失特性を示す図である。

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。ある図面において符号を付した部分について、不要であれば他の図面ではその部分に符号を付さない場合もある。

＝＝＝２段構成の光アイソレータの構成＝＝＝
図２はマルチチャンネル光伝送路への対応も可能な２段構成の光アイソレータ（以下、２段型光アイソレータとも言う）の構成を示す図である。図２（Ａ）は２段型光アイソレータ１を構成する各種光学素子の配置を示す図であり、図２の（Ｂ）と（Ｃ）は２段型光アイソレータ１を構成する各種光学素子の光学特性を示す図である。なお図２では、図１と同様に便宜的に前後方向をｚ軸としたｘ、ｙ、ｚ直交座標系を規定している。そして２段型光アイソレータ１は、先に図１に示した光アイソレータ１０と同様の構成を一つのユニット（１０ａ、１０ｂ）とし、その二つのユニット（１０ａ、１０ｂ）をｚ軸に沿って直列に配置したものである。しかしこの二つのユニット間（１０ａ−１０ｂ）で対応関係にある光学素子（１１ａ―１１ｂ、２０ａ−２０ｂ、１２ａ−１２ｂ）の光学特性が互いに異なっている。

ここで２段型光アイソレータ１について、前方のユニット１０ａを第１ユニット１０ａ、後方のユニット１０ｂを第２ユニット１０ｂと称するとともに、第１ユニット１０ａにおける前方の楔型複屈折素子１１ａを第１複屈折素子１１ａ、後方の楔型複屈折素子１２ａを第２複屈折素子１２ａ、ファラデー回転子２０ａを第１ファラデー回転子２０ａと称することとする。第２ユニット１０ｂを構成する光学素子（１１ｂ、２０ｂ、１２ｂ）については、前方から後方に向かって第３複屈折素子１１ｂ、第２ファラデー回転子２０ｂ、第４複屈折素子１２ｂと称することとする。

図２（Ｂ）は第１ユニット１０ａを構成する光学素子（１１ａ、２０ａ、１２ａ）の光学特性を示しており、前方から見たときの第１および第２複屈折素子（１１ａ、１２ａ）の光学軸（１３ａ、１４ａ）の方向と第１ファラデー回転子２０ａにおけるファラデー回転方向２１ａを示している。図２（Ｃ）は第２ユニット１０ｂを構成する光学素子（１１ｂ、２０ｂ、１２ｂ）の光学特性を示しており、前方から見たときの第３および第４複屈折素子（１１ｂ、１２ｂ）の光学軸（１３ｂ、１４ｂ）の方向と第２ファラデー回転子２０ｂによるファラデー回転方向２１ｂを示している。

図２（Ｂ）に示したように、第１ユニット１０ａでは、第１複屈折素子１１ａと第２複屈折素子１２ａはｘｙ面に光学軸（１３ａ、１４ａ）を有し、互いの光学軸（１３ａ、１４ａ）がｚ軸周りに４５°の角度で交差するように配置されている。この例では、前方から見るとｙ軸に対称となるように第１複屈折素子１１ａの光学軸１３ａに対し、第２複屈折素子１２ａの光学軸１４ａが時計回りに４５°方向に傾いている。また第１ファラデー回転子２０ａにおけるファラデー回転方向２１ａは前方から見て時計回りである。そしてファラデー回転角は４５°となっている。すなわち第１ユニット１０ａにおける光学素子（１１ａ、２０ａ、１２ａ）の構成や光学特性（１３ａ、２１ａ、１４ａ）は図１に示した光アイソレータ１０と同様である。

図２（Ｃ）に示したように、第２ユニット１０ｂでは、第３複屈折素子１１ｂと第４複屈折素子１２ｂはｘｙ面に光学軸（１３ｂ、１４ｂ）を有し、互いの光学軸（１３ｂ、１４ｂ）がｚ軸周りに４５°の角度で交差するように配置されている。この例では、前方から見るとｘ軸に対称であり、第３複屈折素子１１ｂの光学軸１３ｂに対して第４複屈折素子１２ｂの光学軸１４ｂが反時計回りに４５°方向に傾いている。また第２ファラデー回転子２０ｂにおけるファラデー回転方向２１ｂとファラデー回転角は、前方から見て反時計回りに４５°となっている。すなわち第１ファラデー回転子２０ａと第２ファラデー回転子２０ｂとではファラデー回転角の方向（２１ａ、２１ｂ）が逆方向となっている。

また第１ユニット１０ａと第２ユニット１０ｂとの間の幾何学的な配置については、第２複屈折素子１２ａおよび第３複屈折素子１１ｂの傾斜方向が互いに１８０°となるように対面している。そして第１ユニット１０ａと第２ユニット１０ｂとの間の光学的な配置については、第２屈折素子１２ａおよび第３複屈折素子１１ｂの互いの光学軸（１４ａ、１３ｂ）がｚ軸周りに９０°の角度で交差するように配置されている。なおこの２段型光アイソレータ１をマルチチャンネル光伝送路に対応させる場合は、複数本の光ファイバをｘ軸方向に並べた光ファイバアレイを第１複屈折素子１１ａの前方と第４複屈折素子１２ｂの後方に配置することになる。また各ユニット（１０ａ、１０ｂ）における二つの複屈折素子（１１ａと１２ａ、および１１ｂと１２ｂ）は垂直面同士ではなく傾斜面同士を対面させるように配置してもよい。いずれにしても一つのユニット（１０ａ、１０ｂ）において二つの複屈折素子（１１ａと１２ａ、および１１ｂと１２ｂ）が前後方向で点対称となるように配置すればよい。そして第１ユニット１０ａと第２ユニット１０ｂのそれぞれにおける光学素子（１１ａと１１ｂ、２０ａと２０ｂ、１２ａと１２ｂ）の幾何学的な配置が同じであればよい。つぎに上記２段型光アイソレータ１の動作について説明する。

＝＝＝２段型光アイソレータの動作原理＝＝＝
図３は２段型光アイソレータ１の動作原理を示す図であり、図２（Ａ）に示した２段型光アイソレータ１のｙｚ面を示している。そして図３（Ａ）は前方から後方に向かう順方向に進行する光ビームの光路を示しており、図３（Ｂ）は逆方向に進行する光ビームの光路を示している。以下、図２を参照しつつ図３に基づいて２段型光アイソレータ１の動作原理を説明する。図３（Ａ）に示したように、前方の光ファイバポートＰ１から順方向に出射したコリメート光Ｂ１０が２段型光アイソレータ１に入射すると、その光ビームＢ１０は、第１複屈折素子１１ａの傾斜面３１ａの傾斜角度θに応じて屈折するとともに、常光Ｂ１ｏと異常光Ｂ１ｅの二つの直線偏光に分離する。そして常光Ｂ１ｏと異常光Ｂ１ｅは、屈折率が異なるため互いに離間する方向に屈折する。なお傾斜角度θは４°〜６°程度が一般的であり、傾斜角度θがそれよりも小さい場合は大きな分離角度が得られず、大きい場合は分離角度が大きいため複屈折素子のｙ軸方向のサイズを大きくする必要があり２段型光アイソレータの外形サイズが大きくなってしまう。

第１複屈折素子１１ａの後面３２ａから出射した常光Ｂ１ｏに対応する光ビームＢ１１と、異常光Ｂ１ｅに対応するＢ２１は、その偏波面が第１ファラデー回転子２０ａにより前方から見て時計周りに４５°回転する。それによって第２複屈折素子１２ａに入射する光ビーム（Ｂ１２、Ｂ２２）は当初の常光Ｂ１ｏと異常光Ｂ１ｅの関係を維持することになる。すなわち当初の常光Ｂ１ｏおよび異常光Ｂ１ｅは、第２複屈折素子１２ｂ内でも常光Ｂ２ｏおよび異常光Ｂ２ｅとして振る舞う。そして第２複屈折素子１２ｂに入射した二本の光ビーム（Ｂ１２、Ｂ２２）は、ｙ軸方向に離間しつつｚ軸方向に平行な２本の光ビーム（Ｂ１３、Ｂ２３）として第２複屈折素子１２ｂの後面３２ｂから出射する。

上述した光路を辿って第１ユニット１０ａから後方に出射した２本の光ビーム（Ｂ１３、Ｂ２３）は第３複屈折素子１１ｂの前面（傾斜面）３１ｂに入射する。第３複屈折素子１１ｂの光学軸１３ｂは第２複屈折素子１２ａの光学軸１４ａに対してｚ軸周りに９０°傾いている。そのため第２複屈折素子１２ａにおける常光Ｂ２ｏと異常光Ｂ２ｅは第３複屈折素子１１ｂ内ではそれぞれ異常光Ｂ３ｅと常光Ｂ３ｏとして振る舞い、第２複屈折素子１２ａからｙ軸方向に離間して出射した２本の平行な光ビーム（Ｂ１３、Ｂ２３）は第３複屈折素子１１ｂ内で互いに近接する方向に屈折する。そして第２ファラデー回転子２０ｂは前方から入射した２本の光ビーム（Ｂ１４、Ｂ２４）の偏波面を前方から見て反時計回りに４５°の方向に回転させる。

第２ファラデー回転子２０ｂから後方に出射した２本の光ビーム（Ｂ１５、Ｂ２５）は第４複屈折素子１２ｂの前面３３ｂに入射する。第４複屈折素子１２ｂの光学軸１４ｂは前方から見ると第３複屈折素子１１ｂの光学軸１３ｂに対して反時計回りに４５°傾いている。したがって第３複屈折素子１１ｂにおける常光Ｂ３ｏと異常光Ｂ３ｅは第４複屈折素子１２ｂ内においても常光Ｂ４ｏと異常光Ｂ４ｅとして振る舞う。その結果、第１ユニット１０ａにおける順方向の光路（Ｂ１ｏ〜Ｂ２ｏ、Ｂ１ｅ〜Ｂ２ｅ）と第２ユニット１０ｂにおける順方向光路（Ｂ３ｏ〜Ｂ４ｏ、Ｂ３ｅ〜Ｂ４ｅ）が前後方向で点対称となり、第２ユニット１０ｂに順方向に入射した２本の光ビーム（Ｂ１３、Ｂ２３）は第４複屈折素子１２ｂの後面３４ｂの同じ位置からｚ軸方向に出射する。そしてこの出射光Ｂ３０の進行方向に光ファイバポートＰ２を配置しておけば、この出射光Ｂ３０はコリメートレンズｃ２を介して光ファイバポートＰ２に結合する。すなわちこの２段型光アイソレータ１は順方向から入射されて光ビームＢ１０を透過させるように動作する。

一方図３（Ｂ）に示したように、後方の光ファイバポートＰ２から逆方向に出射したコリメート光Ｂ４０が２段型光アイソレータ１に入射すると、その光ビームＢ４０は、第４複屈折素子１２ｂの傾斜面３４ｂにより常光Ｂ５ｏと異常光Ｂ５ｅの二つの直線偏光に分離しつつ互いに離間する方向に屈折する。第４複屈折素子１２ｂの後面３３ｂから出射した常光Ｂ５ｏに対応する光ビームＢ５１と、異常光Ｂ５ｅに対応するＢ６１は、その偏波面が第２ファラデー回転子２０ｂにより前方から見て反時計周りに４５°回転する。それによって第４複屈折素子１２ｂにおける常光Ｂ５ｏと異常光Ｂ６ｅに対応して第２ファラデー回転子２０ｂが出射した２本の光ビーム（Ｂ５２、Ｂ６２）は、第３楔型複屈折素子１１ｂ内では異常光Ｂ６ｅおよび常光Ｂ６ｏとして振る舞う。そのため第３楔型複屈折素子１１ｂから後方に出射する二本の光ビーム（Ｂ５３、Ｂ６３）は、互いにさらに離間する方向に屈折する。

第２複屈折素子１２ａの光学軸１４ａは第３複屈折素子１１ｂの光学軸１３ｂに対してｚ軸周りに９０°傾いている。そのため第３複屈折素子１２ｂにおける常光Ｂ６ｏと異常光Ｂ６ｅは第２複屈折素子１２ｂ内ではそれぞれ異常光Ｂ７ｅと常光Ｂ７ｏとして振る舞い、第３複屈折素子１２ａからｙ軸方向に離間して前方に出射した２本の光ビーム（Ｂ５３、Ｂ６３）は第２複屈折素子１２ａの前面３３ａから出射するときには、さらに離間することになる。そして第１ファラデー回転子２０ａは後方から入射した２本の光ビーム（Ｂ５４、Ｂ６４）の偏波面を前方から見て時計回りに４５°の方向に回転させ、その第１ファラデー回転子２０ａから前方に出射した２本の光ビーム（Ｂ５５、Ｂ６５）が第１複屈折素子１１ａの後面３２ａに入射する。

第１複屈折素子１１ａの光学軸１３ａは前方から見ると第２複屈折素子１２ａの光学軸１４ａに対して反時計回りに４５°傾いている。したがって第２複屈折素子１２ａにおける常光Ｂ７ｏと異常光Ｂ７ｅの関係が第１複屈折素子１１ａ内で入れ替わる。すなわちこの２段型光アイソレータ１に逆方向から入射した光ビームＢ４０は、第４、第３、第２、第１の各複屈折素子（１２ｂ、１１ｂ、１２ａ、１１ａ）に順次入射するごとにその常光と異常光の関係が入れ替わる（Ｂ５ｏ→Ｂ６ｅ→Ｂ７ｏ→Ｂ８ｅ、Ｂ５ｅ→Ｂ６ｏ→Ｂ７ｅ→Ｂ８ｏ）。その結果、第１複屈折素子１１ａの前面３１ａからは、ｙ軸方向に大きく離間した二つの光ビーム（Ｂ５６、Ｂ６６）が、さらに離間していく角度で前方に出射する。それによって前方の光ファイバポートＰ１には光が結合せず、光が遮断された状態となる。

＝＝＝２段型光アイソレータの問題点＝＝＝
図３に示した２段型光アイソレータ１の動作原理は、当該光アイソレータ１を構成する光学素子（１１ａ、２０ａ、１２ａ、１１ｂ、２０ｂ、１２ｂ）の光学特性（１３ａ、２１ａ、１４ａ、１３ｂ、２１ｂ、１４ｂ）が精密に調整されていることを前提としている。しかし２段型光アイソレータ１の組み立て精度や各光学素子（１１ａ、２０ａ、１２ａ、１１ｂ、２０ｂ、１２ｂ）の加工精度には誤差が必ず存在する。そしてそれらの誤差は順方向に入射した光ビームＢ１０の結合特性や逆方向に入射した光ビームＢ４０の逆方向光損失特性の劣化に繋がる。とくに戻り光を遮断するという光アイソレータの目的を考えれば、逆方向損失特性の劣化が大きな問題となる。そして２段型光アイソレータ１の逆方向損失特性を劣化させる主要な要因としては、第２複屈折素子１２ａの光学軸１４ａと第３複屈折素子１１ｂの光学軸１３ｂの交差角度ずれがある。

ここで第２複屈折素子１２ａと第３複屈折素子１１ｂの光学軸（図２：符号１４ａ、１３ｂ）の交差角度ずれに起因する逆方向損失の劣化メカニズムについて説明する。図４に当該劣化メカニズムを説明するための図を示した。この図４では２段型光アイソレータ１を逆方向に透過する光ビームの光路を示している。ここでは第２複屈折素子１２ａと第３複屈折素子１１ｂの光学軸（図２：符号１４ａ、１３ｂ）の交差角度が９０°からずれているものとする。図４において、２段型光アイソレータ１に逆方向に入射した光ビーム４０が第２ユニット１０ｂから出射するまでの光路（Ｂ４０〜Ｂ５３、Ｂ４０〜Ｂ６３）は図３（Ｂ）に示した光路と同様である。しかし第２ユニット１０ｂから第１ユニット１０ａへ光ビーム（Ｂ５３、Ｂ６３）が入射する際、第２複屈折素子１２ａと第３複屈折素子１１ｂの光学軸（図２：符号１４ａ、１３ｂ）の交差角度が正しく９０°であれば、第３複屈折素子１１ｂにおいて異常光Ｂ６ｅまたは常光Ｂ６ｏであった光ビーム（Ｂ５３またはＢ６３）は、第２複屈折素子１２ａではそれぞれ常光Ｂ７ｏまたは異常光Ｂ７ｅとして振る舞い、以後は図３（Ｂ）に示した光路と同様に、図中太線で示した光路（Ｂ５４〜Ｂ５６、Ｂ６４〜Ｂ６６）を辿ることになる。

しかし第２複屈折素子１２ａと第３複屈折素子１１ｂの光学軸の交差角度が９０°からずれていると、第３複屈折素子１１ｂにおいて異常光Ｂ６ｅまたは常光Ｂ６ｏであった光ビーム（Ｂ５３またはＢ６３）は、第２複屈折素子１２ａに入射するとそれぞれの光ビーム（Ｂ５３、Ｂ６３）一部に異常光Ｂ１７ｅまたは常光Ｂ１７ｏとして振る舞う成分が含まれることになる。そのためその常光Ｂ１７ｏと異常光Ｂ１７ｅ（以下、漏れ光とも言う）は、以後、図中細線で示した光路（Ｂ１５４→Ｂ１５５→Ｂ１８ｏ、Ｂ１６４→Ｂ１６５→Ｂ１８ｅ）を辿り、第１複屈折素子１１ａの前面３１ａから、ｚ軸方向に平行な２本の光ビーム（Ｂ１５６、Ｂ１６６）として出射することになる。そして互いに平行な２本の光ビーム（Ｂ１５６、Ｂ１６６）はコリメートレンズｃ１によって前方の光ファイバポートＰ１に結合することができる。すなわち逆方向損失特性が劣化する。

＝＝＝実施例＝＝＝
本発明の実施例に係る２段型光アイソレータは高精度の調整や加工を施さなくても、第２複屈折素子と第３複屈折素子の光学軸のずれに起因する逆方向損失の劣化を抑えることができる構成を備えている。図５に実施例に係る２段型光アイソレータ１００の構成と動作を示した。この図５は、実施例に係る２段型光アイソレータのｙｚ面を示しており、図４に示した従来の２段型光アイソレータ（以下、従来例１とも言う）における上記漏れ光の光路（Ｂ１７ｅ→Ｂ１５４→Ｂ１５５→Ｂ１８ｏ→Ｂ１５６、Ｂ１７ｏ→Ｂ１６４→Ｂ１６５→Ｂ１８ｅ→Ｂ１６６）と、本実施に係る２段型光アイソレータ（以下、実施例１００とも言う）における漏れ光の光路（Ｂ２７ｅ→Ｂ２５４→Ｂ２５５→Ｂ２８ｏ→Ｂ２５６、Ｂ２７ｏ→Ｂ２６４→Ｂ２６５→Ｂ２８ｅ→Ｂ２６６）とを示している。そして実施例１００では、第１ユニット１０ａを構成する二つの複屈折素子（１１ａ、１２ａ）の傾斜面（３１ａ、３４ａ）の傾斜角度θ_１と、第２ユニット１０ｂを構成する二つの複屈折素子（１１ｂ、１２ｂ）の傾斜面（３１ｂ、３４ｂ）の傾斜角度θ_２とが異なるように設定されている。これは、従来例１における上記漏れ光（Ｂ１７ｅ、Ｂ１７ｏ）の屈折角度（α_１、β_１）と実施例１００における漏れ光（Ｂ２７ｅ、Ｂ２７ｏ）の屈折角度（α_２、β_２）とが異なることを意味している。

そして従来例１では最終的にｚ軸に平行な２本の光ビーム（Ｂ１５６、Ｂ１６６）が出射していたのに対し、実施例１００では上記の屈折角度（α_２、β_２）と従来例１における屈折角度（α_１、β_１）の差が最終的な出射光（Ｂ２５６、Ｂ２６６）の出射角度の差となり、この最終的な出射光（Ｂ２５６、Ｂ２６６）はｚ軸方向(図中、一点鎖線３００）に対して傾いた方向に出射する。すなわちｚ軸方向３００に対して傾いた光ビーム（Ｂ２５６、Ｂ２６６）はコリメートレンズｃ１によって屈折しても光ファイバポートＰ１には結合せず、逆方向結合損失特性が向上する。

図６に実施例１００の逆方向光損失特性を示した。ここでは図５に示した実施例１００におけるコリメートレンズ（ｃ１、ｃ２）の焦点距離ｆをパラメーターとして、第２複屈折素子１２ａの傾斜面３４ａにおける傾斜角度θ_１と第３複屈折素子１１ｂの傾斜面３１ｂにおける傾斜角度θ_２との差Δθ＝｜θ_１−θ_２｜と逆方向光損失（ｄＢ）との関係を数値計算（シミュレーション）によって求めた結果を示した。

図６に示したシミュレーション結果では、Δθ＝０°のときの逆方向光損失を０ｄＢとしており、Δθ≠０°とすることで逆方向損失特性が向上していることが分かる。またコリメートレンズ（ｃ１、ｃ２）の焦点距離ｆが長いほど逆方向損失特性が向上している。そしてΔθ≧１°であれば焦点距離ｆによらず−１０ｄＢ以下の十分な逆方向光損失が得られていることも分かる。以上より、実施例に係る２段型光アイソレータでは、極めて高い精度で組み立てたり複屈折結晶を加工したりしなくても逆方向損失特性を大きく向上させることができるということが確認された。

１，１００ ２段型光アイソレータ、１０ 光アイソレータ、
１０ａ、１０ｂ ユニット、
１１，１２，１１ａ， １２ａ，１１ｂ，１２ｂ 楔型複屈折素子、
１３，１４，１３ａ，１４ａ １３ｂ、１４ｂ 楔型複屈折素子の光学軸、
２０、２０ａ、２０ｂ ファラデー回転子、
３２，３３，３２ａ，３３ａ，３２ｂ，３３ｂ 楔型複屈折素子の垂直面、
３１，３４，３１ａ、３４ａ、３１ｂ，３４ｂ 楔型複屈折素子の傾斜面、
ｃ１，ｃ２ コリメートレンズ、
Ｐ１，Ｐ２ 光ファイバポート

Claims (4)

1. 前後方向をｚ軸としたｘ、ｙ、ｚ直交座標系を規定したときに、
   ｚ軸方向に進行する光ビームの光路上に、前方から、第１の楔型複屈折素子、第１の４５°ファラデー回転子、第２の楔型複屈折素子、第３の楔型複屈折素子、第２の４５°ファラデー回転子、第４の楔型複屈折素子がこの順に配置され、
   前記第１〜第４の楔型複屈折素子は、前後一方の面がｘｙ面に平行な垂直面で、他方の面が当該垂直面に対してｙｚ面内で所定の角度で傾斜する傾斜面であるとともに、ｘｙ面内に光学軸を有し、
   前記傾斜面を下る方向を傾斜方向として、
   前記第１の楔型複屈折素子と前記第２の楔型複屈折素子は、ｘｙ面に対して傾斜角度θ_１の傾斜面を有し、前後方向で点対称となるように配置されているとともに、互いの前記光学軸がｚ軸周りに４５°の角度で交差するように配置され、
   前記第１のファラデー回転子と前記第２のファラデー回転子は、前方から見たときのファラデー回転方向が逆方向であり、
   前記第３の楔型複屈折素子と前記第４の楔型複屈折素子は、ｙ軸方向を傾斜方向とした同じ傾斜角度θ_２の傾斜面を有して前後方向で点対称となるように配置されているとともに、互いの前記光学軸がｚ軸周りに４５°の角度で交差するように配置され、
   前記第２および第３の楔型複屈折素子は、前記傾斜方向が互いに１８０°となるように対面するように配置されているとともに、互いの前記光学軸がｚ軸周りに９０°の角度で交差するように配置され、
   前記傾斜角度θ_１とθ_２とが異なるように設定されている、
   ことを特徴とする偏光無依存型光アイソレータ。
2. 請求項１において、前記第１の楔型複屈折素子の前方、および前記第４の楔型複屈折素子の後方に複数本の光ファイバがｘ軸方向に並べられてなる光ファイバアレイが配置されることを特徴とする偏光無依存型光アイソレータ。
3. 請求項１または２において、前記傾斜角度θ_１とθ_２は１゜以上異なるように設定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。
4. 請求項１〜３のいずれかおいて、前記傾斜角度θ_１とθ_２をｘｙ面に対する角度として、当該傾斜角度θ_１とθ_２は４゜以上６゜以下に設定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。

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