JP2565423B2 - 光アイソレータ - Google Patents

光アイソレータ

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JP2565423B2 JP2313237A JP31323790A JP2565423B2 JP 2565423 B2 JP2565423 B2 JP 2565423B2 JP 2313237 A JP2313237 A JP 2313237A JP 31323790 A JP31323790 A JP 31323790A JP 2565423 B2 JP2565423 B2 JP 2565423B2
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【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ファイバ通信等に
おける反射戻り光を遮断する機能を有する光アイソレー
タの構成に関する。
[従来の技術] 半導体レーザ(LD)を信号源とする光通信等における
高速・高密度情報伝送技術の発展に伴って、LD高原の単
一モード化,狭線幅化が促進され、現在では分布帰還レ
ーザ(DFB−LD)、多量子井戸構造レーザ(MQW−LD)な
ど優れた発光源が開発されており、光ファイバ・受光源
等の進歩と相まってその実現化が要望されている。しか
し、上記LDの場合、高速信号源として卓越した性能を示
す反面、反射戻り光に対しても敏感であり、雑音信号を
誘起し易い欠点がある。したがって、LDの直前に回帰光
を遮断する非相反素子として光アイソレータを配置する
のが一般的である。通常は30〜40dBの消光特性をもつ光
アイソレータが採用されているが、最近のアナログCATV
システムやこれからの発展が予想される、コヒーレント
光通信等においては60dB以上の消光特性が要求されてお
り、光アイソレータは小形化・低価格化・高消光比化の
三要素同時併立が強く望まれている。このような要望に
対し、すでに幾つかの試みが実施されている。たとえ
ば、特公昭61−1731号公報には3個の偏光プリズムと1
個のファラデー回転子を用いて経路中に光路折り返し用
光学素子を配置した構成が提案されているが、全体とし
て大型構成となっている。一方、特開昭63−49728号公
報においてもほとんど同様な技術背景からなり、温度波
長の広帯域化を目的とし、3個の偏光子を温度帯域・波
長帯域に合わせて微小角度だけ変位した構成が提案さ
れ、変位しない時の消光特性を犠牲にしているが、広帯
域化を実現したものである。
[発明が解決しようとする課題] 一般に二段連結型光アイソレータにおいては、第2図
(a)に示すように光線の遮断方向に沿って、偏光子P
1,ファラデー回転子F1,検光子P2からなる一段型の光ア
イソレータの検光子と、二段目の光アイソレータの偏光
子P3との偏波面を合わせた完全な二段構成と、(a)の
連結部分の検光子P2か偏光子P3の一方を省略する構成
(b)がある。実際に組み立てると、この構成では高消
光比は実現できない。例えば(a)に示すような完全二
段構成を考慮した場合、遮断方向では最初に透過するフ
ァラデー回転子F1により45゜回転した直線偏光と、ファ
ラデー回転子を透過するとき、ファラデー回転子を構成
する単結晶内の局部的な結晶欠陥や、結晶面の機械加工
などで誘起された結晶歪等の不均一性に起因する直線偏
光度合の劣化によって、45゜回転された直線偏光と直交
する微弱な直線偏光が生じる。ところが、次の偏光子P2
を透過するとき、45゜回転した直線偏光成分は偏光子の
偏光分離能力だけ遮断され、P2により遮断しきれなかっ
た微小な光と、それに直交する微弱な直線偏光成分がP2
を透過でき、結局この時点で消光特性は、これら二成分
の合計で決定される。例えば、使用した偏光子の消光特
性が−55dBで、ファラデー回転子の消光特性が−45dBと
すれば、全体の消光能力は必然的に−45dBとなる。しか
し、遮断しきれなかった成分はその次の偏光子P3を透過
するとき再度遮断され、ほとんど無視できる程度に減衰
するので、第一のファラデー回転子を透過するとき誘起
された微弱な直線偏光だけが第二のファラデー回転子に
到達できる。第二のファラデー回転子F2を透過したとき
再度45゜回転し、さらに微弱な直交成分直線偏光は発生
するが、最後の偏光子P4でほとんどの光は遮断されるた
め、−80dB程度の遮断効果が期待できる。一方(b)に
示す擬二段連結型光アイソレータの場合、中間に配置さ
れる偏光子P2の消光能力以上は期待できない。即ち中間
の偏光子P2を透過した光は、遮断しきれなかった成分
と、直交する微弱な直線偏光成分がそのまま第二のファ
ラデー回転子F2に伝播し、再び45゜回転して最後の偏光
子P3に到達する。ここでP3に到達する光はP2において遮
断しきれなかった光線と、直交する微弱な直線偏光が、
それぞれP3を透過するとき誘起され、さらに微弱な互い
に直交する直線偏光成分も発生する。しかし、光線強度
は第一のファラデー回転子を透過するとき誘起された微
弱な直線偏光に比較して無視できるので、P3を透過した
とき認められる漏れ光線は、P2において遮断しきれなか
った直線偏光が透過する。結局(b)に示す擬二段連結
型光アイソレータの場合、中間に配置される偏光子P2の
消光能力以上は期待できないので、もしP2の消光能力が
−55dBならば−55dBの最高消光能力となり、偏光子を一
個省略した場合、部品点数一個削減にはなるが、完全二
段型に対して消光特性が大幅に劣化する。
[課題を解決するための手段] 本発明は上記の欠点を解決するものであり、偏光ガラ
ス3個、ファラデー回転子2個の構成で高い消光比を実
現した光アイソレータを提供するものである。第1図は
本発明の光アイソレータの構造図を、下部にその遮断原
理を偏波面の挙動から説明した模式図を示す。図面中、
遮断方向からみて最初の偏光ガラスをP1、次にファラデ
ー回転子F1、中間の偏光ガラスP2、第二のファラデー回
転子F2および最後の偏光ガラスをP3とする。P1を透過し
た直線偏光を0dBの光強度とする。この直線偏光はF1で4
5゜回転するとともに、ほぼ0dBの直線偏光と、直交した
微弱な直線偏光(光強度を−EdBとする)に分離する。P
2の偏波方向は、P1に対して(45+Δ)゜に配置したと
き、F1を透過してきたほぼ0dBの直線偏光に対して、Δ
゜だけP2の最適遮断位置からずれるので、偏光子P2の最
大消光能力を−PdBとすると、P2を透過した光線は、P2
の透過主軸方向と平行な偏光をもち最大強度がおおむね
S=sin2Δで示される成分と、偏光方向がSと直交する
最大強度がPC=10−P/10cos2Δの直線偏光の2成分に分
割される。S,PCとも互いに直交する直線偏光であるが、
P2は偏光ガラスであるためSとPCは同位相となるから、
SとPCは単純に合成することができ、合成光の偏光方向
とSとのなす角度をθ、合成光の強度をSSとすると、 SS=S+PC=sin2Δ+10−P/10cos2Δ として表わされる直線偏光SSと見なせる。
また、F1を透過した時生じた−EdBの微弱な直交直線
偏光成分も、P2透過後に、EC=10−E/10・cos2Δ,EPS=
10−E/10・10−P/10・sin2Δの二種類の直線偏光にな
る。ここでEPSは、例えば、E=45dB,P=55dBとする
と、100dBより微弱な光量となり無視できる。したがっ
てP2を透過し感知し得る光線は、偏光漏れ光Sと偏光子
遮断能力に起因する漏れ光PCとで合成されるSSと、F1を
透過した時発生しSと同じ偏光方位をもつEC、の2種類
となる。
これら2種類の考慮すべき光線は次のF2を透過すると
き、さらにそれぞれに直交する二種類の微弱な直線偏光
を派生させ、最終のP3に伝播される。ここでθを小さく
とると、前記SSはほぼS成分方向と見なせるために、EC
成分と共にP3で消光できる。しかしθを小さくするため
にはΔを大きくしなければならず、Δを大きくするとS
の強度が大きくなり、SとPCの合成光であるSSの強度も
大きくなる。SSの強度を小さくするにはΔを小さくしな
ければならない。θとΔを共に小さくするにはθ=Δと
すると効果的である。θ=Δとすると、P2をP1に対して
(45+Δ)゜にした際に遮断しきれなかった残余光も減
衰でき、P2をP1に対して45゜に配置した場合に比べ高い
消光比が得られる。第3図に以上の構成で連結したとき
のP1とP2との変位角Δと得られる消光特性(逆方向挿入
損失)を示す。偏光ガラスの消光能力を−55dB、ファラ
デー回転子の楕円成分を−45dBとして計算したときの理
論値である。変位角Δが約2.5゜で最大損失−69dBが得
られる。そこで、変位角Δを2.5゜に固定し、つまりP1
とP2を47.5゜に固定してP3をP2の偏波方向と45゜方向を
基準にとり、±15゜回転したときの逆方向挿入損失を第
4図に示す。この図から、最大損失約−69dBを示す位置
が+2.5゜近傍になることがわかる。これは、P2に対し
て42.5゜の角度位置に該当する。Δ値としては第3図か
ら挿入損失が−55dB以上であれば良いが、好ましくは−
60dB以上が実用的であり、1゜から10゜の範囲内に設定
される。
これに対してP1とP2を45±0゜に調整し、P3をP2に対
して±15゜変位し、ピーク探索したものを第5図に示
す。明らかに偏光ガラスの消光能力−55dB以上になる角
度位置は存在しない。P1とP2の変位角は、構成する偏光
素子の消光能力およびファラデー回転素子の楕円性能に
依存するものであり、第6図に偏光ガラスの消光比Pを
横軸に、ファラデー回転子の楕円成分Eをパラメータと
して最大逆方向挿入損失を示す変位角Δの理論計算値を
示す。第7図はそのときの最大逆方向挿入損失を示した
図である。第6図,第7図から、ファラデー回転子の楕
円性が劣ると高級な偏光ガラスを用いても、偏光ガラス
の能力以下の性能しかとれないこともある。例えば、E
=−30dB、P=−60dBの場合、最大逆方向挿入損失は−
55.5dBである。従って、本発明を効果的に実現するため
には偏光ガラスの消光特性とファラデー回転子の楕円特
性が調和していることが望ましい。例えば、E=−40d
B、P=−40dBの場合最大逆方向挿入損失は−60dBとな
り−20dBの効果が期待できる。以上の理論的検討から、
本発明に開示される方式、即ちP2はP1に対して微小角度
ずらし、P3の遮断方向をSとPCの合成方向に合わせる操
作は、偏光ガラス3個構成では偏光ガラスの消光能力以
上にとれなかった逆方向挿入損失を大幅に改善すること
が可能となった。
[実施例] 本実施例で採用した光学部品は、ファラデー回転子と
してLPE成長法によるBi置換希土類鉄ガーネットフィル
ム、偏光子として偏光吸収型偏光ガラスであり、その楕
円特性および消光特性はそれぞれ−45dBおよび−55dBで
あった。ファラデー回転子を飽和磁化するための永久磁
石は、SmCo磁石を採用した。これらの部品から、完全
二段型構成(第2図(a))、本発明による擬二段型
Δ変位構成、擬二段型零変位構成(第2図(b))、
一段型構成の4機種を組み立てた。擬二段型構成とは
偏光子4個を用いる完全二段型に対して、偏光ガラス3
個構成の光アイソレータである。波長は1.31μm、寸法
は外径4mm、長さ4〜6mmである。変位角Δは2.4゜に設
定した。第8図は、の偏光ガラスP3を回転したときの
逆方向挿入損失を構成と比較した測定値を示した図で
ある。本発明の構成では最大挿入損失が−66dB、零変位
構成では−54dBとなり、大きく向上している。以上によ
り中間偏光ガラスP2で遮断しきれなかった偏光ガラスの
消光漏れ光を、Δ変位によって偏光方向を合成によって
ほぼ90゜方向転換させ、第一ファラデー回転子の楕円成
分と合わせて消光する効果が確認できた。また、上記四
種類の光アイソレータについて順方向・逆方向挿入損失
結果を計測温度を横軸にとった温度特性を第9図および
第10図に示す。本発明のΔ変位光アイソレータは、ほと
んど完全二段型に匹敵する特性を得た。45゜から微小角
度変位したときの挿入損失の劣化も、第7図にみられる
ようにほとんど影響されないことも確認できた。また零
変位構成では偏光子の能力に依存していることも実際に
認められた。
[発明の効果] 本発明により、従来偏光子4個構成のみで達成できな
かった高消光特性を、偏光ガラス3個構成の光アイソレ
ータで実現するものであり、光アイソレータの小型化、
低価格化に寄与することができ、今後予想されるアナロ
グ伝送用LDモジュールや、コヒーレント光伝送用LDモジ
ュールの実用化に貢献することが期待できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明による光アイソレータの構成図及び偏
波面の挙動を説明した模式図を示す。 第2図は、従来の二段構成の光アイソレータの構成図を
示す。 第3図,第4図,第5図は、逆挿入損失に関する理論計
算値であり、微小角変位の影響、最終偏光ガラスの調整
角度に対する変化を示す。 第6図、第7図は、偏光ガラスの消光特性とファラデー
回転子の楕円特性の違いが、微小変位角および最大逆方
向挿入損失に及ぼす影響を示す。 第8図は擬二段型における本発明と他の構成による光ア
イソレータの逆方向挿入損失の測定値を示す。 第9図,第10図に、本発明と他の構成との光アイソレー
タの、順方向・逆方向挿入損失の測定値を比較した図を
示す。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】光線の遮断方向に沿って、第一の偏光子P
    1、第一のファラデー回転子F1、第二の偏光子P2、第二
    のファラデー回転子F2および第三の偏光子P3の順に光学
    素子が配列され、偏光子P1,P2,P3を偏光ガラスとした二
    段連結型光アイソレータにおいて、P1とP2の偏光面のな
    す角度を、45゜±Δ゜とし、P2とP3の偏光面のなす角度
    とし、前記変位角Δ値を1゜<Δ゜<10゜の範囲内に設
    定することを特徴とした光アイソレータ。
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