JP3540826B2 - ファイバ型光アイソレータ - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は光通信や光計測の分野において用いられる光アイソレータ関し、特に全体をファイバ型に構成したファイバ型光アイソレータに関する。
【0002】
【従来の技術】
光計測や光通信に用いられる半導体レーザー(以下LDと称する)は、反射光が戻ってきてLDの活性層に入射すると、発振波長や出力の変動が起こり正確な信号の送信、計測ができなくなる。この反射光を遮断するために用いられるのが光アイソレータであり、特に任意の光ファイバ間や、ファイバアンプに用いられる光アイソレータをインライン型もしくはピグテイル型光アイソレータという。図6(a)(b)に従来のインライン型光アイソレータの構成例を示す。7は入射光線、8は複屈折板、例えば一軸結晶からその光軸が表面と傾く様に切り出し平行平板に研磨したもので、この平行平板に垂直に入射した光線を互いに垂直な2つの直線偏光に分離する。9はYIG等で形成されたファラデー回転子であり、光の伝搬方向と平行に外部より磁界を印加されている。光はファラデー回転子9により磁界の方向を軸に偏光面を45°回転させる。10は光の伝搬方向を軸に偏光面を45°回転させる旋光子。11は複屈折板であって、光の伝搬方向を軸に複屈折板8の光学軸と11の光学軸とが平行になるよう設置されている。12、13は光をファイバに結合するためのレンズ系である。なおレンズ12から13へ向かう方を順方向、反対を逆方向とする。順方向の光は図6(a)に示すように互いに直交する2つの偏光成分が複屈折板8で分離され別々に偏光面の回転をした後、複屈折板11により合成され伝搬して行く。逆方向の光は図6(b)に示すように複屈折板11により互いに直交する偏光成分を持つ2つの光に分離され、別々に偏光面を回転させた後、複屈折板8によりさらに分離されるため遮断される。これにより、反射光が戻ることを防止するようになる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前述のようなインライン型光アイソレータは、非常に多くの部品を使うため高価になってしまう。またそれぞれの部品の位置調整が必要で、特にレンズと光ファイバの光学的結合は手間が掛かるものである。さらに多数の光学素子の入射面からの反射光がアイソレーションを劣化させる原因になっていた。
【0004】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記のような問題点を解決するため、伝送用の通常の光ファイバ自体に直接光アイソレータ機能を付加する方法を提供するものである。
【0005】
具体的には、曲率を有するように曲げて設置した伝送用の光ファイバのクラッドの一部を除去し、その部分に磁気光学物質を装荷する。前記磁気光学物質に光の進行方向と垂直方向に磁界を印加することにより本来等方性であるファイバに非相反位相シフトを生じさせて、光ファイバの曲げによる減衰が伝搬定数により異なることを利用し、順方向と逆方向の光の損失に差をつけるものである。
【0006】
ここで、磁気光学導波路の非相反位相シフトについて図5の斜視概略図を用いて簡単に説明する。磁気光学材料4からなる導波層と基板14から構成される3次元導波路6における光の導波モードは、電磁界の主成分がEx とHy であるEx モードと、電磁界の主成分がEy とHx であるEy モードに大別される。これらのモードはハイブリッドモードになっているが、簡単のためにEx モードはEy =0とおいてTEモード、Ey モードはHy =0とおいてTMモードとそれぞれ近似することができる。なおE(Ex 、Ey 、Ez)を電界ベクトル、H(Hx 、Hy 、Hz)を磁界ベクトルとする。磁気光学材料4で形成した従来の非相反導波路では、導波路のX方向に磁界を印加することによってTMモードに非相反位相シフトが生じる。これは+Z方向に伝搬する光と−Z方向に伝搬する光の伝搬定数が異なる現象で、磁界を印加しない場合のTMモードの伝搬定数をβ0 とすれば、磁界印加時の伝搬定数は+Z方向を順方向としてβf =β0 +△β、−Z方向を逆方向としてβb =β0 −△βとなる。△βが磁気光学効果によって生じる非相反位相シフトで、βf −βb を非相反移相量という。
【0007】
【実施例】
図1は本発明の第1の実施例の断面概略図を示す。石英系のシングルモード光ファイバ1を曲げて基板14に設置し、そのクラッド3の一部を除去しその部分に磁気光学材料4であるCe置換YIG単結晶を装荷している。即ち、磁気光学材料4をシングルモード光ファイバ1に装荷する事により生じる非相反位相シフトと、シングルモード光ファイバ1を曲げることによる損失を利用してファイバ型光アイソレータ5を構成するものである。
【0008】
これまでは導波路に磁気光学効果を生じさせるためには、光が主として存在する導波層そのものを磁気光学材料で形成していた。ここに形成に伴う困難や、最適な屈折率差の制御、導波路とファイバの結合の問題が生じる原因があった。ところが伝搬する光の電磁界は導波層、あるいはコアの外部までエバネッセント波として存在しており、このエバネッセント波に磁気光学材料を作用させることにより、本来等方性であった光ファイバを伝搬する光に磁気光学効果を生じさせることができる。
【0009】
図2は、図1の構造を解析の為に模式化したものであり、光の伝搬方向に垂直な断面図を示している。シングルモード光ファイバ1のコア2は本来円形だが、正方形に近似してある。また、クラッド3の一部を削除して磁気光学材料4を装荷する事によりX方向とY方向で対称性が異なるため矩形導波路同様に導波モードをTE、TMと近似して考える。磁界はX方向に印加する。図3は図2の構造においてコア2と磁気光学材料4の距離Hを変化させて非相反位相シフト量Φ=βf −βb を有限要素法で計算したものである。磁気光学材料4の厚さd=0.4μm、コア径を6μmとし、光ファイバ1のコア2の屈折率は1.5045、クラッド3の屈折率は1.5、Ce置換YIGの屈折率は2.23、磁気光学定数γは7.7×10-3、としている。非相反位相シフト量はHにより変化しているが0〜3μmで約16.5rad/cmを示している。このようにコア2が等方性の物質であっても、非相反位相シフトを生じせしめることが可能である。
【0010】
このファイバ型非相反部品を利用してファイバ型光アイソレータ5を構成するためにシングルモード光ファイバ1の磁気光学材料4の装荷部に図1の様な曲げを与えてある。この曲げにより、電磁界はさらに曲げの外側に、即ち磁気光学材料に近い部分に分布し非相反性を増大させる。また曲げによる損失は、伝搬定数が小さいほど大きくなる。非相反位相シフトの結果、順方向伝搬定数>逆方向伝搬定数になり、さらに曲げにより順方向損失<逆方向損失となりアイソレータ動作を発揮することができる。
【0011】
以上の原理を図4のグラフを用いて簡単に説明する。横にファイバのコア2と磁気光学材料4の距離H、縦に伝搬定数βをとる。カットオフ値の下は連続モードである放射モードになり、光はクラッド3に放射されコアに閉じ込められない。カットオフ条件はコア2とクラッド3の屈折率差で決まり、また磁界を印加しない場合の伝搬定数β0 とカットオフの関係はシングルモード光ファイバ1に対する曲げ、応力、シングルモード光ファイバ1に装荷される物質の物性、コア2と装荷される物質との距離等で変わる。磁界を印加する事により伝搬定数は順方向βf 、逆方向βb となる。図1の実施例1では曲げによりβ0 とカットオフ値を近づけ、逆方向伝搬定数βb だけが放射モードと重なり(斜線部)損失を生じる様に構成することができるのである。
【0012】
また非相反位相シフトはTMモードに発生するので、このファイバ型光アイソレータ5は順方向はTEモード透過、TMモード透過、逆方向はTEモード透過、TMモード遮断という動作をする。
【0013】
図7は、伝搬定数の調整と放射光の減衰量を増大させるために図1のファイバ型光アイソレータ5の磁気光学材料4の上部にアルミニウム、銀、銅などの金属膜15を形成した本発明の第2の実施例を示す断面概略図である。光に対しては金属は誘電率が非常に小さく(負)、さらに大きな損失を与える。従って、ファイバ型光アイソレータ5を構成するために金属膜15の面積や厚みを調整して最適な伝搬定数を得たり、放射する光に大きな減衰を与える事によりアイソレーションを向上する事が可能である。
【0014】
また光の伝搬定数は導波層に対する応力で制御する事もできる。従って図1及び図7において上下方向から応力を加える事により、伝搬定数を制御しTEモードとTMモードが容易に変換しないよう伝搬定数を分離したり、作製時の寸法公差の補正や、さらに効率の良いアイソレータ動作を得る事が可能となる。
図8は本発明のファイバ型光アイソレータの第3の実施例を示す斜視概略図で、図1に示す実施例1のファイバ型光アイソレータ5を光の進行方向を軸に90度回転して2つ直列に設置した例を示す斜視概略図である。2つのファイバ型光アイソレータ5ではTMモードとTEモードが入れ替わるので、順方向はTE、TMモード透過、逆方向はTE、TMモード遮断となり偏光無依存の光アイソレータが構成できる。なお、ファイバ型光アイソレータ5は図7に示す実施例2のものであってもよい。
【0015】
このように任意の等方性のファイバを加工する事により任意の箇所に非相反性を付加し、非常に容易に安価に光アイソレータを構成することができる。
【0016】
【発明の効果】
以上のように、本発明のファイバ型光アイソレータによれば、曲率を有するように曲げて設置した光ファイバのクラッドの一部を除去し、前記除去部に磁気光学材料を装荷して構成した後、光の伝搬方向と垂直な方向に磁界を印加し光ファイバのコアに磁気光学効果による非相反位相シフトを生じさせ、ファイバの曲げによる損失が伝搬定数の大きさに関連することを利用し、順方向と逆方向の減衰量を変えたことにより、さらに磁気光学材料上に金属膜を形成して、伝搬定数の調整と放射光の減衰量の増大をはかることにより、レンズが不要で偏光子等がないため光学的アライメントが不要になり、部品点数が少なく、光ファイバ自体を光アイソレータにするため小型になり、途中に入出射面が存在しないため、光アイソレータ内部からの反射光が減少し、また任意の伝送用ファイバに直接付加できるため、応用性が高く、利用価値が大きいものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例を示す断面概略図である。
【図2】図1の光の進行方向に垂直な断面図である。
【図3】非相反位相シフトを示すグラフである。
【図4】ファイバ型アイソレータの動作原理を示すグラフである。
【図5】磁気光学導波路を示す斜視概略図である。
【図6】インライン型アイソレータの従来の構成例を示す図である。
【図7】本発明の第2の実施例を示す断面概略図である。
【図8】本発明の第3の実施例を示す斜視概略図である。
【符号の説明】
1:シングルモード光ファイバ 7:入射光線
2:コア 8、11:複屈折板
3:クラッド 9:ファラデー回転子
4:磁気光学材料 10:施光子
5:ファイバ型光アイソレータ 12、13:レンズ
6:3次元導波路 14:基板
Claims (3)
- 曲率を有するように曲げて設置した光ファイバの曲率を有する部分におけるクラッドの一部を除去し、前記除去部に磁気光学材料を装荷して構成した後、光の伝搬方向と垂直な方向に磁界を印加し光ファイバのコアに磁気光学効果による非相反位相シフトを生じさせ、光ファイバの曲げによる減衰が伝搬定数の大きさにより異なることを利用し、光の順方向と逆方向の減衰量に差をつけた事を特徴としたファイバ型光アイソレータ。
- 磁気光学材料上に金属膜を形成して、伝搬定数の調整と放射光の減衰量の増大をはかることを特徴とする請求項1に記載のファイバ型光アイソレータ。
- 請求項1および/または請求項2によるファイバ型光アイソレータを用いて、一方が光進行方向を軸にして90度回転している2つのファイバ型光アイソレータを直列に設けることを特徴とする偏光無依存型ファイバ型光アイソレータ。
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