JP2516463B2 - Polarization-independent optical isolator - Google Patents

Polarization-independent optical isolator

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JP2516463B2
JP2516463B2 JP2220555A JP22055590A JP2516463B2 JP 2516463 B2 JP2516463 B2 JP 2516463B2 JP 2220555 A JP2220555 A JP 2220555A JP 22055590 A JP22055590 A JP 22055590A JP 2516463 B2 JP2516463 B2 JP 2516463B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は半導体レーザを用いた光通信,光計測等にお
ける光学系の反射戻り光を遮断するための、偏光方向に
影響しない双方向偏光無依存型光アイソレータに関す
る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial field of application] The present invention is for bidirectional non-polarized light, which does not affect the polarization direction, for blocking the reflected return light of an optical system in optical communication and optical measurement using a semiconductor laser. Dependent optical isolator.

[従来の技術および課題] 双方向光通信,光計測等に使用する偏光無依存型光ア
イソレータとしては、第2図に示す光サーキュレータが
あり、二つの偏光ビームスプリッタ15,16,二つの全反射
ミラー17,18,ファラデー回転子19,光学旋光子20から構
成され、光線入射口として11,12,13,14の4ポートを有
し、11ポートからの入射光は12ポートへ出射され、12ポ
ートからの入射光は13ポートへ出射されるために11ポー
トには戻らない。同様にして14ポートから入射すると11
ポートへ出射され、13ポートから入射すると14ポートへ
出射され、この関係は光の偏光面に関係しない。これを
双方向の偏光無依存型光アイソレータとして用いると、
11→12と13→14のポートとして利用することになるが、
全体として光ファイバーケーブル中に接続するために
は、光の入出射ポートが90°づつ回転し、接続上大きな
システムでファイバーの結線が複雑になる。しかも偏光
ビームスプリッタや全反射ミラー等の高性能な誘電体多
層膜を必要とし、システム全体で高価になる。性能的な
面では一体づつのファラデー回転子,光学旋光子を含む
ため、温度変動や波長変動がある場合、その楕円成分が
そのまま回帰するので、消光特性の劣化を誘起する。
[Prior Art and Problems] As a polarization-independent optical isolator used for bidirectional optical communication, optical measurement, etc., there is an optical circulator shown in FIG. 2, which includes two polarization beam splitters 15, 16 and two total reflections. It is composed of mirrors 17, 18, Faraday rotator 19, and optical rotator 20, and has four ports of 11, 12, 13, and 14 as light beam entrances, and the incident light from 11 port is emitted to 12 port, The incident light from the port does not return to the 11th port because it is emitted to the 13th port. Similarly, when incident from 14 ports, 11
It is emitted to the port, and when it is incident from the 13th port, it is emitted to the 14th port, and this relation is not related to the polarization plane of light. When this is used as a bidirectional polarization-independent optical isolator,
Although it will be used as a port of 11 → 12 and 13 → 14,
In order to connect the optical fiber cable as a whole, the light input / output ports are rotated by 90 °, which complicates fiber connection in a large system. In addition, a high-performance dielectric multilayer film such as a polarization beam splitter and a total reflection mirror is required, which makes the entire system expensive. In terms of performance, since the Faraday rotator and the optical rotator are integrated together, the elliptical component reverts as it is when there is a temperature change or wavelength change, which causes deterioration of the extinction characteristic.

本発明はこの点を鑑みて、技術的に簡単な構造で、量
産性の高い双方向の利用が可能な偏光無依存型光アイソ
レータを提供することを目的とする。
In view of this point, an object of the present invention is to provide a polarization-independent optical isolator which has a technically simple structure and which can be used bidirectionally with high productivity.

[課題を解決するための手段] 本発明は結晶光軸が光線軸に対して傾いた複屈折結晶
板を2個,偏光面を45°回転するためのファラデー回転
子を2個,偏光ガラス等隣接する偏光板と偏光方向が90
°異なるように三分割され、光線軸に対し垂直な同一平
面に配置された三分割偏光板およびファラデー回転子を
磁化するための永久磁石2個で構成される。これを2本
の平行に配置された光ファイバー間に挿入し、レンズ等
により光学的結合をとれば、前記一方の光ファイバーが
順方向の光路となり、他の光ファイバーが逆方向の光路
となるため、それぞれ光路内で発生した反射戻り光は高
消光特性を有する偏光無依存型光アイソレータとして遮
断される。2個のファラデー回転子の磁化の向きを対向
させることにより、2個のファラデー回転子間で温度,
波長特性を互いに補償するために、広帯域温度,広帯域
波長を有する光アイソレータが実現できる。
[Means for Solving the Problems] In the present invention, two birefringent crystal plates whose crystal optical axes are inclined with respect to the optical axis, two Faraday rotators for rotating the polarization plane by 45 °, polarizing glass, etc. Polarization direction is 90 with adjacent polarizing plate
° Divided into three different parts, and composed of a three-part polarizing plate and two permanent magnets for magnetizing the Faraday rotator, which are arranged on the same plane perpendicular to the ray axis. If this is inserted between two optical fibers arranged in parallel and optically coupled by a lens or the like, one of the optical fibers has a forward optical path and the other optical fiber has a reverse optical path. The reflected return light generated in the optical path is blocked as a polarization independent optical isolator having a high extinction characteristic. By making the magnetization directions of the two Faraday rotators face each other, the temperature between the two Faraday rotators is
Since the wavelength characteristics are mutually compensated, an optical isolator having a wide band temperature and a wide band wavelength can be realized.

第1図は本発明の構成例であり、三分割偏光板5とし
ては第3図に示すような形態があり、隣接する偏光板と
偏光方向が90°異なるように配列される。材料としては
偏光ガラス等薄い方が好ましく、光ファイバー間の結合
を考慮したときレンズ間をできるだけ短縮化すること
が、結合損失を少なくするために必要とされる。またPB
Sやロションプリズムのように異種偏光を分離する構造
では分離後の光が問題となるため、吸収方式の偏光板の
方が好ましい。最近では偏光ガラス,偏光フィルム,金
属誘電体の積層構造からなる偏光チップ等があり、特性
に応じて選択できる。
FIG. 1 shows an example of the configuration of the present invention, and there is a three-divided polarizing plate 5 as shown in FIG. 3, which is arranged so that the polarizing direction differs from that of the adjacent polarizing plate by 90 °. The material is preferably thin such as polarizing glass, and it is necessary to shorten the distance between the lenses as much as possible in consideration of the coupling between the optical fibers in order to reduce the coupling loss. Also PB
In a structure such as S or Rochon prism that separates different kinds of polarized light, the light after separation becomes a problem, and therefore an absorption type polarizing plate is preferable. Recently, there are polarizing glasses, polarizing films, polarizing chips having a laminated structure of metal dielectrics, and the like, which can be selected according to the characteristics.

複屈折結晶板6,7としては価格面,安定性を考慮する
とルチル,方解石等があり、近年合成体で結晶的にも十
分な特性が得られるルチル(TiO2)単結晶が望ましい。
光線方向に対して結晶光軸を約43°程度に傾けて用いる
と最大の分離効果が得られが光路長をlとすると、l/10
程度の分離幅となる。
The birefringent crystal plates 6 and 7 include rutile and calcite in consideration of price and stability, and in recent years, rutile (TiO 2 ) single crystal, which is a synthetic body and has sufficient crystal characteristics, is desirable.
When the crystal optical axis is tilted by about 43 ° with respect to the ray direction, the maximum separation effect is obtained, but if the optical path length is l, then l / 10
The separation width is about the same.

ファラデー回転子8,9としてはFZ法により作成されるY
IG単結晶、LPE法により作成されるBi置換希土類鉄ガー
ネットが用いられる。システムの小型化を考慮するとLP
Eガーネットに優位性があるが、温度依存性が小さいも
のにはYIGの方が好ましい。このファラデー回転子を磁
化するための永久磁石はほぼ2KG程度の磁界が必要であ
り、温度変化の少ないSmCo磁石が良い。
Faraday rotators 8 and 9 are created by the FZ method Y
IG single crystal, Bi-substituted rare earth iron garnet prepared by LPE method is used. LP considering system miniaturization
EIG is superior to Y garnet, but YIG is preferable for those with small temperature dependence. A permanent magnet for magnetizing the Faraday rotator requires a magnetic field of about 2KG, and an SmCo magnet with little temperature change is preferable.

次に光線の挙動については、第1図(a)においてポ
ート1から無偏光の光が入射すると、第一の複屈折結晶
板6により常光線と異常光線とに分離され、第一のファ
ラデー回転子8により偏光面が45°回転し、常光線と異
常光線とも第3図における三分割偏光板の5-1,5-2へそ
れぞれ分配される。このとき三分割偏光板の方向はポー
ト1を経て45°回転された状態が最大透過になるように
調整される。透過後、再び磁化の向きが逆な第二のファ
ラデー回転子9へ入り、45°戻り元の偏光状態になり、
第二の複屈折結晶板7へ入る。第二の複屈折結晶板7は
第一の複屈折結晶板6に対して鏡面対称に配置されると
き、常光線,異常光線ともポート2に収束し、偏光に関
係なくポート1からポート2へ結合される。一方ポート
2からポート1への戻り光に対しては(b)に示すよう
に第二のファラデー回転子までは同様に進行するが、第
二のファラデー回転子では順方向と同方向に第二の複屈
折結晶板で分離された常光線と異常光線の偏光面が、そ
れぞれさらに45°回転するため常光線は三分割偏光板の
5-1で、異常光線は三分割偏光板の5-2で吸収されて消光
される。
Next, regarding the behavior of light rays, when unpolarized light enters from the port 1 in FIG. 1 (a), it is separated into ordinary rays and extraordinary rays by the first birefringent crystal plate 6 and the first Faraday rotation. The plane of polarization is rotated by 45 ° by the child 8, and both the ordinary ray and the extraordinary ray are distributed to the three-divided polarizing plates 5-1 and 5-2 in FIG. At this time, the direction of the three-division polarizing plate is adjusted so that the maximum transmission is obtained in the state of being rotated through 45 ° through the port 1. After transmission, it enters the second Faraday rotator 9 with the opposite magnetization direction, returns 45 °, and becomes the original polarization state.
Enter the second birefringent crystal plate 7. When the second birefringent crystal plate 7 is arranged in mirror symmetry with respect to the first birefringent crystal plate 6, both the ordinary ray and the extraordinary ray converge on the port 2 and go from the port 1 to the port 2 regardless of polarization. Be combined. On the other hand, for the return light from the port 2 to the port 1, the light travels in the same manner up to the second Faraday rotator as shown in (b), but in the second Faraday rotator, the second direction is the same as the forward direction. The ordinary rays and extraordinary rays separated by the birefringent crystal plate of are rotated by 45 ° respectively, so that the ordinary rays are
At 5-1, the extraordinary ray is absorbed and extinguished at 5-2 of the three-division polarizing plate.

次にポート4からポート3については、偏光板の偏光
方向がポート1からポート2の場合と逆転しているた
め、ポート4からポート3が順方向,ポート3からポー
ト4が逆方向となり消光される。その結果双方向の偏光
無依存型光アイソレータが形成される。
Next, regarding ports 4 to 3, the polarization directions of the polarizing plates are reversed from those of ports 1 to 2, so that ports 4 to 3 are in the forward direction and ports 3 to 4 are in the reverse direction, and the light is extinguished. It As a result, a bidirectional polarization-independent optical isolator is formed.

[実施例] 第1表に示す材料仕様で、本発明による双方向偏光無
依存型光アイソレータを形成した。三分割偏光板は第3
図の5-1;1×1mm,5-2;2× 1mm,5-3;1×1mmに加工したものを一体化した。偏光方向
は図に示すように配置すれば、第一のファラデー回転子
により45°回転した常光線と異常光線のそれぞれに対し
て、順方向光線は透過し逆方向光線は吸収しアイソレー
ション効果が得られる。それぞれのポートにはロッドレ
ンズと単一モード光ファイバーを配置する。
Example A bidirectional polarization-independent optical isolator according to the present invention was formed according to the material specifications shown in Table 1. The third split polarizing plate is the third
Figure 5-1; 1 x 1 mm, 5-2; 2 x 1 mm, 5-3; 1 x 1 mm processed into one. If the polarization direction is arranged as shown in the figure, for the ordinary ray and the extraordinary ray rotated by 45 ° by the first Faraday rotator, the forward ray is transmitted and the backward ray is absorbed and the isolation effect is obtained. can get. A rod lens and a single-mode optical fiber are placed in each port.

ロッドレンズは0.25ピッチでポート間をほぼコリメート
光として伝播するように調整する。光線径はポート中間
で約0.4mmφ,光学部品を含まない30mm間隔をとった状
態で0.3dB程度の結合損失である。複屈折結晶板は光軸
に垂直な面に対して約43°に切り出して直方体を得、さ
らに光軸に垂直な面に対して約7°傾けて加工し、入射
側の光ファイバーへの近端反射を考慮して複屈折結晶板
の入射面を傾斜させることにより高消光特性が得られ
る。本実施例ではルチル単結晶を用いているが、複屈折
性を示す安定な物質ならばよい。ルチルの場合常光線と
異常光線の分離幅はほぼ光線方向の結晶長の約1/10で与
えられる。したがって1.2mm(1200μm)の分離が得ら
れる。ポート1から入射した光線は第一の複屈折結晶板
を透過したとき、異常光線は上側へ分離する。ビーム径
を約400μmとすると、常光線,異常光線のビーム間の
分離は800μmあり、ガウシアンビームの広がりを考慮
しても十分離れており、漏れ光を無視できる。第一のフ
ェラデー回転子により、その磁化方向にしたがった方向
に45°回転し、分割偏光板の偏光面の異なる部分をそれ
ぞれ透過し、再びポート2へ収束する。偏光板の境界部
分は加工精度,反射防止膜の不均一性等考慮すると、約
0.4mm幅は十分な偏光作用を期待できないので、ルチル
の光路長を調整して分離幅を広くとる必要がある。この
場合レンズ間は30mmであるが、実効光路長はルチルの長
さをlR,ファラデー回転子厚さをtF,偏光板厚さをtP,空
隙ギャップをg(本実施例では約4mm)とし、それぞれ
の屈折率をnR,nF,nP,ngとして、 となるが、nR=約2.6,nF=約2.3,nP=約1.5,ng=1であ
るから、実効光路長は約14mmであり、レンズから出射し
たガウシアンビームの広がりは、光アイソレータ部品を
挿入しないときの半分となり、十分光束の細いビームが
活用でき、損失も少ない構造となっている。実測値とし
て光ファイバー両端の光損失は1.3dBであり、消光特性
は40dB以上が得られた。また磁界対向型構成の場合、温
度,波長の変動に対して広範囲にわたり35dB以上の消光
特性が得られた。
The rod lens is adjusted at 0.25 pitch so that it propagates almost as collimated light between the ports. The beam diameter is about 0.4 mmφ in the middle of the port, and the coupling loss is about 0.3 dB at 30 mm intervals without optical components. The birefringent crystal plate is cut out at about 43 ° to the plane perpendicular to the optical axis to obtain a rectangular parallelepiped, and further processed by inclining it at about 7 ° to the plane perpendicular to the optical axis, and the near end to the optical fiber on the incident side. High extinction characteristics can be obtained by tilting the incident surface of the birefringent crystal plate in consideration of reflection. Although rutile single crystal is used in this embodiment, any stable substance having birefringence may be used. In the case of rutile, the separation width between ordinary and extraordinary rays is given by about 1/10 of the crystal length in the ray direction. Therefore, a separation of 1.2 mm (1200 μm) can be obtained. When the ray incident from the port 1 passes through the first birefringent crystal plate, the extraordinary ray is separated to the upper side. If the beam diameter is about 400 μm, the separation between the ordinary ray and the extraordinary ray is 800 μm, and they are sufficiently separated even considering the spread of the Gaussian beam, and the leaked light can be ignored. The first Faraday rotator rotates 45 ° in the direction according to the magnetization direction, transmits the different polarization planes of the split polarizing plate, and converges again on the port 2. Considering the processing accuracy and non-uniformity of the anti-reflection film, the boundary of the polarizing plate is approximately
Since a 0.4 mm width cannot be expected to have a sufficient polarization effect, it is necessary to adjust the optical path length of rutile to make the separation width wider. In this case, the distance between the lenses is 30 mm, but the effective optical path length is rutile length lR, Faraday rotator thickness tF, polarizing plate thickness tP, and air gap gap g (about 4 mm in this embodiment), Let the respective refractive indices be nR, nF, nP, ng, However, since nR = about 2.6, nF = about 2.3, nP = about 1.5, ng = 1, the effective optical path length is about 14 mm and the spread of the Gaussian beam emitted from the lens inserts an optical isolator component. It is half that when not using it, and it is possible to utilize a beam with a sufficiently small luminous flux, and the structure is such that there is little loss. As a measured value, the optical loss at both ends of the optical fiber was 1.3 dB, and the extinction characteristic was 40 dB or more. Moreover, in the case of the magnetic field facing structure, extinction characteristics of 35 dB or more were obtained over a wide range with respect to temperature and wavelength fluctuations.

[発明の効果] 本発明は双方向同時に利用できる偏光無依存型光アイ
ソレータであり、光部品の価格を低減化できる経済的利
点があるだけでなく、さらに2個の光アイソレータを一
体化していることから、システムの小型化に対して寄与
できる。
[Advantages of the Invention] The present invention is a polarization-independent optical isolator that can be used bidirectionally at the same time, and not only has the economic advantage of reducing the cost of optical components, but also integrates two optical isolators. Therefore, it can contribute to the miniaturization of the system.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は本発明の実施例を示す構成図である。 第2図は従来の光サーキュレータの構成図である。 第3図は本発明における三分割偏光板の構成図である。 1,2,3,4:ポート、5:三分割偏光板 6,7:複屈折結晶板、8,9:ファラデー回転子 FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a block diagram of a conventional optical circulator. FIG. 3 is a configuration diagram of the three-division polarizing plate in the present invention. 1,2,3,4: Port, 5: Three-division polarizing plate 6,7: Birefringent crystal plate, 8,9: Faraday rotator

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】結晶光軸が光線軸に対して傾いた第一の複
屈折結晶板,偏光面を45°回転するための第一のファラ
デー回転子,偏光方向が隣接する偏光板と90°異なるよ
うに三分割され、光線軸に対し垂直な同一平面に配置さ
れた三分割偏光板,第二のファラデー回転子,第一の複
屈折結晶板と同一形状で結晶光軸が鏡面対称である第二
の複屈折結晶板および第一,第二のファラデー回転子を
磁化するための第一,第二の永久磁石で構成されること
を特徴とした双方向偏光無依存型光アイソレータ。
1. A first birefringent crystal plate whose crystal optical axis is tilted with respect to the optical axis, a first Faraday rotator for rotating a plane of polarization by 45 °, and a polarizing plate whose polarization direction is adjacent to 90 °. Divided into three different parts and arranged in the same plane perpendicular to the ray axis, the three-part polarizing plate, the second Faraday rotator, and the first birefringent crystal plate, and the crystal optical axis is mirror-symmetric. A bidirectional polarization-independent optical isolator comprising a second birefringent crystal plate and first and second permanent magnets for magnetizing the first and second Faraday rotators.
【請求項2】三分割偏光板として平板状偏光ガラスを用
いる請求項(1)記載の双方向偏光無依存型光アイソレ
ータ。
2. The bidirectional polarization-independent optical isolator according to claim 1, wherein a flat polarizing glass is used as the three-division polarizing plate.
【請求項3】第一と第二の永久磁石の磁化の向きが互い
に逆向きである請求項(1)記載の双方向偏光無依存型
光アイソレータ。
3. The bidirectional polarization-independent optical isolator according to claim 1, wherein the magnetization directions of the first and second permanent magnets are opposite to each other.
【請求項4】第一および第二の複屈折結晶板における光
線軸の入出射面を傾斜させた請求項(1)記載の双方向
偏光無依存型光アイソレータ。
4. A bidirectional polarization-independent optical isolator according to claim 1, wherein the entrance and exit surfaces of the ray axes of the first and second birefringent crystal plates are inclined.
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