JP3003153U

JP3003153U - 偏光面切換器及びそれを用いた光スイッチ

Info

Publication number: JP3003153U
Application number: JP1994005294U
Authority: JP
Inventors: 智和井村; 洋一鈴木; 次雄徳増; 育生前田
Original assignee: 富士電気化学株式会社
Priority date: 1994-04-15
Filing date: 1994-04-15
Publication date: 1994-10-18
Anticipated expiration: 2000-04-15

Abstract

(57)【要約】【目的】ヨーク構造が簡単で製作容易であり、ファ
ラデー回転子を通過する光ビームを過度に絞る必要がな
く、占有面積が小さく、高速で偏光面を切り換えること
ができ、しかも駆動電流を低減できるようにする。【構成】ヨーク１０に形成されているギャップ部１
４に板状のファラデー回転子１６を挿入する。ヨーク１
０は、半硬質磁性材料の薄板を用いてほぼＣ型に打ち抜
いた平板構造であり、そのギャップ部近傍のヨーク幅が
巻線部のヨーク幅よりも広い形状である。ファラデー回
転子１６は、ギャップ長の方向に対して垂直に挿入され
て、その上部がギャップ部１４からはみ出す大きさであ
り、ヨーク１０の上面側に垂直に突出している。このは
み出し部分が光ビームの通過域となる。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、ファラデー回転子に印加する磁界の方向を反転させることにより、光の偏光方向を切り換える磁気光学式の偏光面切換器及びそれを用いた光スイッチに関するものである。更に詳しく述べると本考案は、半硬質磁性材料からなるほぼＣ型平板状のヨークを、そのギャップ部近傍のヨーク幅が巻線部のヨーク幅よりも広い形状にすると共に、ファラデー回転子を、その一部がギャップ部から外側へはみ出す大きさとして、そのはみ出し部分を光ビームが通過するようにした偏光面切換器及びそれを用いた光スイッチに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】

高いシステム信頼度が必要な光通信システムでは、装置や伝送路の障害による通信不能を回避するために、それら装置や伝送路は多重化されている。そして異常発生時あるいは保守・点検時などの際に、多重化されている装置や伝送路を、光スイッチで切り換える方式が採用されている。光スイッチの構造は種々提案されているが、その一つに磁気光学式光スイッチがある。これは、内部に設置した磁気光学式の偏光面切換器によって光ビームの偏光方向を磁界で変えてスイッチングを行うものであり、機械式などに比べて高速で動作し且つ小形化できる利点がある。

【０００３】代表的な偏光面切換器は、半硬質磁性板をＣ型に湾曲させた構造のヨークと、該ヨークに施した巻線と、前記ヨークのギャップ部に挿入した薄板状のファラデー回転子とからなる。例えば、単一モードファイバ用２×２磁気光学スイッチ／１９８４年１０月／第２３巻、第１９号／応用光学／pp.3271-3276（Magnetoopt ical２×２switch for single-mode fibers / October 1984 / Vol.23, No.19 / APPLIED OPTICS / pp.3271-3276）に記載されている。ここでファラデー回転子は、薄板の両端がそれぞれヨーク端部近傍に位置する向きで配置している。ファラデー回転子は、ＹＩＧ（イットリウム・鉄・ガーネット）単結晶からなる。半硬質磁性材を使用するのは、巻線への通電によって一方向に磁化すると、通電を停止した後でも残留磁化によってその状態を自己保持でき、且つ必要な時に逆向きに通電するだけでファラデー回転子を通過する光ビームの偏光面を回転できるからである。

【０００４】

【考案が解決しようとする課題】

ところが、この構造の偏光面切換器では、光ビームの通過を阻害せず且つファラデー回転子に十分な磁界を印加するために、ヨークの先端形状を薄肉化する必要があり、曲げ加工と相俟てヨーク構造が複雑で製作が面倒である。また、ファラデー回転に必要な磁界が得られる範囲が小さく、薄板状のファラデー回転子を用いなければならない。そのためにファラデー回転子を通過する光ビーム径を絞らなければならず、専用のレンズが必要となり部品点数が増える問題がある。しかもビームウエスト（光ビームの最も狭まった箇所）を極めて薄いファラデー回転子内に収まるようにしなければならないから光軸調整は容易ではない。

【０００５】ところで、ファラデー回転子の材料としては、近年、ＬＰＥ（液相エピタキシャル）法により製作したビスマス置換ガーネット単結晶膜が多用されている。この材料はファラデー回転係数が大きいため、必要なファラデー回転角を得るのに厚さ数百μｍ程度の膜状でよい。反面、このような構造のために、上記のような従来構造の偏光面切換器には適用できない。

【０００６】更に、２×２のような光スイッチに使用した場合、光ファイバや偏光ビームスプリッタ等を筐体内に平面配列すると、光ビームによって形成される面は筐体内底面に平行となるから、薄板状のファラデー回転子も筐体内底面に平行に配置しなければならない。そうすると、必然的にＣ型に湾曲したヨークは、筐体内底面に対して立てて実装しなければならず、装置が厚くなってしまう。従って、最近の装置の低背化、それによる積層高密度実装等の要請に対応できない。

【０００７】本考案の目的は、ヨーク構造が簡単で製作容易であり、ファラデー回転子を通過する光ビームを過度に絞る必要がなく、占有面積が小さく、高速で偏光面を切り換えることができ、しかも駆動電流を低減できる偏光面切換器を提供することである。また本考案の他の目的は、多数の光部品の位置合わせや光軸調整を容易に行えるとともに、低背化が可能な光スイッチを提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】

従来、ＬＰＥ法によるビスマス置換ガーネット単結晶膜は１５０〜２００Ｏｅ程度の磁界で飽和が生じるが、最近の材料開発によって約８０Ｏｅ程度の外部磁界で飽和する材料も開発されている。本考案は、このような最近の材料開発に着目してなされたものである。

【０００９】本考案は、半硬質磁性材料からなるほぼＣ型平板状のヨークと、該ヨークに施した巻線と、前記ヨークに設けられているギャップ部に、ギャップ長の方向に対して垂直に挿入した板状のファラデー回転子とを具備する偏光面切換器である。ここで前記ヨークは、そのギャップ部近傍のヨーク幅が巻線部のヨーク幅よりも広くなっており、前記ファラデー回転子は、その一部がギャップ部から外側へはみ出す大きさである。そして、そのはみ出した部分を光ビームが通過するように構成されている。具体的には、ギャップ部近傍のヨーク幅は、巻線部のヨーク幅のほぼ２倍程度とするのが望ましい。

【００１０】また、前記ヨークを２枚、ギャップ部が揃うように間隔をおいて対向配置し、両ヨークの間を光ビームが通過するような構造でもよい。あるいは、ビーム通過孔を有する強磁性板を、ファラデー回転子に平行に、且つ前記ビーム通過孔がギャップ部の外側に位置するように挿入した構造でもよい。

【００１１】対向配置した２個の偏光ビームスプリッタの間に、上記のような偏光面切換器と１／２波長板とを配置し、更に外側に入出力となる複数の光ファイバ及びファイバ結合用レンズを設け、それら各光部品を筐体内に平面配列すると共に、前記偏光面切換器のヨークを筐体内底面に対して平行に配置することで、光スイッチを構成する。

【００１２】

【作用】

巻線に電流を流すとヨークを通る磁路が形成され、ギャップ部には漏れ磁界が発生する。この漏れ磁界は、ファラデー回転子の光ビーム通過域にも及び、それによって通過する光ビームの偏光面が回転することになる。ギャップ部近傍のヨーク幅を広くし、それ以外の巻線部のヨーク幅を狭くすると、ヨーク幅が全て同じ場合と比較して巻線部の断面積が小さくなるため磁気抵抗が増加する。そのためギャップ部に生じる反磁界が低減し、その分だけ磁界が強められて、ファラデー回転子のはみ出し部分（光ビームが通過する部分）には、該ファラデー回転子を磁気飽和させうるだけの十分大きな磁界が印加される。これによって、ファラデー回転子のはみ出し部分を光ビームが通過する際、その偏光面は所定の角度だけ回転することになる。ヨークは半硬質磁性材料からなるので、一旦磁化した後は通電を止めてもその状態が自己保持される。巻線へ供給する電流の向きを逆にすると、磁界の向きは反転し、ファラデー回転子を通過する光ビームの偏光面も逆方向に回転する。その状態も、通電を止めた後も自己保持されるため、通電し続ける必要はない。このようにして、巻線に流す電流の向きを変えると、その都度、光ビームの偏光面の回転方向が切り換わる。

【００１３】

【実施例】

図１は、本考案に係る偏光面切換器の一実施例を示す斜視図である。この偏光面切換器は、ヨーク１０と、該ヨーク１０に施した巻線１２と、前記ヨーク１０に形成されているギャップ部１４に挿入した板状のファラデー回転子１６とからなる。ヨーク１０は、半硬質磁性材料（例えばクロム・ステンレス鋼ＳＵＳ４２０Ｊ２）の薄板を用いてほぼＣ型に打ち抜いた平板構造である。このヨーク１０は、そのギャップ部近傍のヨーク幅が巻線部のヨーク幅よりも広い形状である。好ましくは、図２に示すように、ヨーク１０のギャップ部近傍１０ａのヨーク幅ｗ₁を巻線部１０ｂ（図２で斜線を付して示す部分）の幅ｗ₂の２倍程度（ｗ₁ ≒２ｗ₂）に設定する。ギャップ長Ｌは、ファラデー回転子１６が余裕をもって挿入できる寸法とする。

【００１４】そして巻線部１０ｂに巻線１２を施す。またヨーク１０のギャップ１４に、ギャップ長の方向に対して垂直に（図１では立てて）板状のファラデー回転子１６を挿入する。ファラデー回転子１６は、その幅がヨーク幅ｗ₁とほぼ同じで、その上部がギャップ部１４からはみ出す大きさであり、ヨーク１０の上面側に垂直に突出している。このはみ出し部分が光ビームの通過域となる。ファラデー回転子１６は、例えばＬＰＥ法により非磁性ガーネット基板上にビスマス置換ガーネット単結晶膜を育成したものであり、外部から印加される飽和磁界によって偏光面が４５度回転するような膜厚に設定されている。

【００１５】通常、ファラデー回転子１６の両面にはＡＲコート（反射防止膜）を施す。通電によって磁界を切り換える際にヨークが振動することがある。その振動によって損傷しないようにヨークとの間に隙間を設け、ヨーク１０とファラデー回転子１６とは、独立に筐体（図示せず）に固定する。

【００１６】巻線１２に通電するとヨーク１０を通る磁路が生じる。ギャップ部１４の周辺には漏れ磁界が生じる。ヨーク１０の巻線部１０ｂはギャップ部近傍１０ａの半分程度の幅であるので、ヨーク幅が全て同一の場合に比較して、巻線部１０ｂの磁路断面積は１／２となり、磁気抵抗は増加する。従って、ヨーク端部に磁極が現れることによって起こる反磁界が低減し、その分だけギャップ部の磁界が増加するので、ギャップ部には十分大きな磁界が印加される。

【００１７】ファラデー回転子１６のはみ出し部分は、漏れ磁界によって磁気飽和し、その光ビーム通過域を通る光ビームの偏光面をファラデー効果により４５度回転させる。偏光面の回転方向は巻線１２に流す電流の向きによって決まる。電流の向きを逆にすると、磁界の方向は反転し、ファラデー回転子１６を通過する光ビームの偏光面は−４５度回転する。こうして光ビームの偏光面切り換えを行う。

【００１８】巻線に通電する際、巻線部のヨーク幅が小さいために磁気抵抗が大きいから、そこを流れる磁束が減少するとともにリアクタンス成分が減少し、そのため電流の立ち上がりが速く偏光方向の切換速度が速くなる。また、巻線部のヨーク幅が小さいため、巻装する線材の長さが短くなり、巻線の直流抵抗も大幅に低減するので、消費電力を低減できる。更に、ヨークの占有面積（図２に示す面積）も、巻線部のヨーク幅を小さくした分だけ、小さくできる利点もある。

【００１９】次に、具体的設計例について述べる。ヨークの平均磁路長を３０mm、ギャップ部近傍のヨーク幅を巻線部のヨーク幅の２倍、ヨーク材料をクロム・ステンレス鋼ＳＵＳ４２０Ｊ２とすると、１５０ＡＴ程度の起磁力で、ギャップ部近傍の光ビーム通過域には電流遮断時で、数百Ｏｅの空間磁界が得られる。前述したように、ファラデー回転子の中には８０Ｏｅ程度の磁界で、所望の特性が得られるものも開発されており、光ビームの偏光方向を切り換えるのに必要な磁界を印加できる。この場合、切換速度は２００μ秒以下となる。また、巻線に抵抗を外付けすると、更に高速化することも可能である。

【００２０】本考案に係る偏光面切換器の他の実施例を図３に示す。これは、上記実施例と同様の２枚のヨーク２０，２４を用意し、それらをギャップ部２２，２６が揃うように間隔をおいて平行に配置している。連なったギャップ部２２，２６に、単一の板状のファラデー回転子２８を挿入する。その挿入方向は、ギャップ長の方向に垂直な方向である。両ヨーク２０，２４の間を光ビームが通過する。両ヨーク２０，２４は、その間にスペーサ（磁性体又は非磁性体）を介在させて一体にする。巻線は、各ヨークに独立に施してもよいし、共通に施してもよい。

【００２１】巻線に通電するとヨーク２０，２４を通る磁路が形成され、ファラデー回転子２８の光ビーム通過域には上下両方のヨーク２０，２４からの漏れ磁界が同じ向きに与えられ、それらが加わって十分大きな磁界となる。このため、より大きな磁界が必要なファラデー回転子でも、磁気飽和を生じさせることができる。

【００２２】図４は、本考案に係る偏光面切換器の更に他の実施例を示す説明図である。上記実施例と同様のヨーク３０を用い、それに形成したギャップ部３２に、強磁性板３４，３６とファラデー回転子３５とを、ギャップ部３２からはみ出すように挿入する。ここではファラデー回転子３５の両側に強磁性板３４，３６を平行に配置する構成であり、ヨーク端面、ファラデー回転子３５、強磁性板３４，３６はそれぞれ隙間を設けている。強磁性板３４，３６には、光ビームが通過する光ビーム通過孔３７，３８を設けており、それら光ビーム通過孔３７，３８がギャップ部３２からはみ出す位置にくるようにする。

【００２３】ヨーク３０の巻線に通電すると、ギャップ部３２には漏れ磁界が発生する。漏れ磁界の磁力線はギャップ部３２に挿入した強磁性板３４，３６を通るため、これらに挾まれたファラデー回転子３５の光ビーム通過域には十分に強い磁界が与えられることになる。このため、前記第２の実施例と同様、より大きな磁界でなければ必要な特性が得られないファラデー回転子でも使用可能となる。

【００２４】図５は、前記図１に示す実施例の偏光面切換器を用いた光スイッチの説明図である。図５のＡは平面図であり、図５のＢは正面図である。この光スイッチは、第１の偏光ビームスプリッタ４０と第２の偏光ビームスプリッタ４２の間に、偏光面切換器４４と１／２波長板４６とを配置した２×２スイッチ（４ポート型光サーキュレータ構造）である。ここで偏光ビームスプリッタ４０，４２は、偏光分離膜を２個の平行四辺形プリズムで挾んだ構造であり、偏光分離膜と平行な両端面には全反射膜が形成されている。偏光面切換器４４の構成は、図１に示したものと同様であってよいので、対応する部分に同一符号を付し、それらについての説明は省略する。第１の偏光ビームスプリッタ４０の前方に第１ポートＰ₁ と第２ポートＰ₂を、第２の偏光ビームスプリッタ４２の後方に第３ポートＰ₃ と第４ポートＰ₄を配する。各ポートＰ₁〜Ｐ₄には、それぞれ光ファイバとファイバ結合用レンズをフェルール内に装着したファイバコリメータ５０，５２，５４，５６を配置する。

【００２５】この光スイッチにおいて、巻線１２に電流を流して、ファラデー回転子１６に磁界を印加すると、第１ポートＰ₁のファイバコリメータ５０を出射した光が第３ポートＰ₃のファイバコリメータ５４に結合し、第３ポートＰ₃のファイバコリメータ５４を出射した光は第２ポートＰ₂のファイバコリメータ５２に結合する。この状態は通電を止めても維持される。次に、巻線１２に流す電流を反転させてファラデー回転子１６に印加する磁界の向きを反対にすると、偏光面の回転方向が反対となり、第１ポートＰ₁のファイバコリメータ５０を出射した光が第４ポートＰ₄のファイバコリメータ５６に結合し、第４ポートＰ₄のファイバコリメータ５６を出射した光は第２ポートＰ₂のファイバコリメータ５２に結合する。即ち偏光面切換器４４のファラデー回転子１６に印加される外部磁界の向きを反転させると、該ファラデー回転子１６による偏光面の回転方向が反対となるため、光ビームの通過経路が変わり、第３ポートＰ₃と第４ポートＰ₄とを交互に切り換えることができる。

【００２６】各光部品は筐体底板５８の上面に平面的に配置し、光学調整して固定する（図５のＢ参照）。このとき偏光面切換器４４のヨーク１０が、筐体底板５８に平行に設置する。ファラデー回転子１６は、振動によって損傷しないようにヨークとの間に隙間を設けてヨーク１０のギャップ部に挿入されており、ヨーク１０とファラデー回転子１６とは、独立に筐体底板５８に固定する。ファラデー回転子１６の上部は、ヨーク上面よりも上方にはみ出している。このはみ出し部分が光ビーム通過域であり、この部分を光ビームが通過するように光学調整を行う。これによって、光スイッチの低背化が可能となる。

【００２７】本考案は上記の実施例のみに限定されるものではない。ヨーク形状は、使用状態などに応じて適宜変更してよい。ギャップ部近傍のヨーク幅と巻線部のヨーク幅の比率は、２対１に限定されるものではない。また、この偏光面切換器を用いた光スイッチは、４ポート型のみならず、２ポート型あるいは３ポート型のものにも適用できる。

【００２８】

【考案の効果】

本考案は、ヨークがＣ型平板状で、ギャップ部近傍のヨーク幅を広くし、それ以外の巻線部のヨーク幅を狭くするという単純な形状で、且つギャップ部に、ギャップ長の方向に垂直に挿入するという単純な構造であるので、ヨークの成形加工が非常に簡単で手間がかからず、また組み立ても容易となる。ギャップ部近傍のヨーク幅が広いため、反磁界が小さくなり、ギャップ部の漏れ磁界が強められて、ファラデー回転子のはみ出し部分（光ビーム通過域）に十分大きな磁界を印加できる。また板状のファラデー回転子に対して垂直方向に光ビームが通過するので、光ビームを過度に絞りこむ必要がなくなり、光軸調整も容易となる。

【００２９】本考案の偏光面切換器では、巻線部のヨーク幅が狭いために、磁気抵抗が大きくなり、ヨークを流れる磁束が減少するとともにリアクタンス成分が減少し、結果として偏光面の切換速度が速くなる。しかも、巻装する巻線材の長さも短くなるために、直流抵抗が減少し、消費電力を低減できる。更に、巻線部のヨーク幅が狭くなった分だけ、占有面積が少なくなり小型化できる。

【００３０】本考案の光スイッチは、上記のような偏光面切換器を用いるので、各光部品を筐体底板などの上に平面配置したとき、ヨークを該筐体底板に平行に配置でき、それによって、装置全体を大幅に薄くでき低背化できる。前記のようにファラデー回転子を通過する光ビームを過度に絞る必要がないので、多数の光部品の位置合わせや光軸調整も極めて容易に行える。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案に係る偏光面切換器の一実施例を示す斜
視図。

【図２】それに用いるヨークの平面図。

【図３】本考案に係る偏光面切換器の他の実施例を示す
正面図。

【図４】本考案に係る偏光面切換器の更に他の実施例を
示す正面図。

【図５】本考案に係る光スイッチの一実施例を示す説明
図。

【符号の説明】

１０ヨーク１０ａギャップ部近傍１０ｂ巻線部１２巻線１４ギャップ部１６ファラデー回転子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)考案者前田育生東京都港区新橋５丁目36番11号富士電気化学株式会社内

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】半硬質磁性材料からなるほぼＣ型平板状
のヨークと、該ヨークに施した巻線と、前記ヨークに設
けられているギャップ部に、ギャップ長の方向に対して
垂直に挿入した板状のファラデー回転子とを具備し、前
記ヨークは、そのギャップ部近傍のヨーク幅が巻線部の
ヨーク幅よりも広い形状をなし、前記ファラデー回転子
は、その一部がギャップ部から外側へはみ出す大きさで
あり、そのはみ出し部分を光ビームが通過する偏光面切
換器。
【請求項２】ギャップ部が揃うように間隔をおいて対
向配置した半硬質磁性材料からなるほぼＣ型平板状の２
枚のヨークと、該ヨークに施した巻線と、両ヨークの連
なったギャップ部に、ギャップ長の方向に対して垂直に
挿入した板状のファラデー回転子とを具備し、前記各ヨ
ークは、そのギャップ部近傍のヨーク幅が巻線部のヨー
ク幅よりも広い形状をなし、両ヨークの間を光ビームが
通過する偏光面切換器。
【請求項３】ビーム通過孔を有する強磁性板を、ファ
ラデー回転子に平行に、且つ該ビーム通過孔がギャップ
部の外側に位置するように挿入した請求項１記載の偏光
面切換器。
【請求項４】ギャップ部近傍のヨーク幅が巻線部のヨ
ーク幅のほぼ２倍である請求項１記載の偏光面切換器。
【請求項５】ギャップ部近傍のヨーク幅が巻線部のヨ
ーク幅のほぼ２倍である請求項２記載の偏光面切換器。
【請求項６】ギャップ部近傍のヨーク幅が巻線部のヨ
ーク幅のほぼ２倍である請求項３記載の偏光面切換器。
【請求項７】対向配置した２個の偏光ビームスプリッ
タと、それらの間に配置した偏光面切換器及び１／２波
長板と、入出力となる複数の光ファイバ及びファイバ結
合用レンズと、それらを組み込む筐体とを具備し、前記偏光面切換器は、半硬質磁性材料からなるほぼＣ型
平板状のヨークと、該ヨークに施した巻線と、前記ヨー
クに設けられているギャップ部に、ギャップ長の方向に
対して垂直に挿入した板状のファラデー回転子とを有
し、前記ヨークは、そのギャップ部近傍のヨーク幅が巻
線部のヨーク幅よりも広い形状をなし、前記ファラデー
回転子は、その一部がギャップ部から外側へはみ出す大
きさであり、そのはみ出し部分を光ビームが通過する構
造であり、各光部品を筐体内に平面配列すると共に、前記偏光面切
換器のヨークを前記筐体内底面に対して平行に配置した
光スイッチ。
【請求項８】対向配置した２個の偏光ビームスプリッ
タと、それらの間に配置した偏光面切換器及び１／２波
長板と、入出力となる複数の光ファイバ及びファイバ結
合用レンズと、それらを載せる基体とを具備し、前記偏光面切換器は、ギャップ部が揃うように間隔をお
いて対向配置した半硬質磁性材料からなるほぼＣ型平板
状の２枚のヨークと、該ヨークに施した巻線と、両ヨー
クの連なったギャップ部に、ギャップ長の方向に対して
垂直に挿入した板状のファラデー回転子とを有し、前記
各ヨークは、そのギャップ部近傍のヨーク幅が巻線部の
ヨーク幅よりも広い形状をなし、両ヨークの間を光ビー
ムが通過する構造であり、各光部品を筐体内に平面配列すると共に、前記偏光面切
換器のヨークを前記筐体内底面に対して平行に配置した
光スイッチ。
【請求項９】ビーム通過孔を有する強磁性板を、ファ
ラデー回転子に平行に、且つ該ビーム通過孔がギャップ
部の外側に位置するように挿入した請求項７記載の光ス
イッチ。
【請求項１０】ファラデー回転子とヨーク端面との間
に隙間を設けて、該ファラデー回転子とヨークとを独立
に筐体に取り付けた請求項７記載の光スイッチ。