JP3569873B2

JP3569873B2 - Polarization-independent optical isolator

Info

Publication number: JP3569873B2
Application number: JP16917794A
Authority: JP
Inventors: 敏昭増本
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 1994-07-21
Filing date: 1994-07-21
Publication date: 2004-09-29
Anticipated expiration: 2019-09-29
Also published as: JPH0836146A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、光通信機器や光情報処理装置等に搭載されると共に、光の進行方向を一方向に特定するための光アイソレータに関し、詳しくは全ての偏光状態の入射光に対して偏光無依存性を示す偏光無依存型光アイソレータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光通信システム等において重要度を増す傾向にある光ファイバ増幅器では、信号光路にある光回路素子によって生ずる反射光が雑音を誘起するため、この雑音を抑制するために偏光無依存型の光アイソレータが用いられている。
【０００３】
従来の偏光無依存型光アイソレータの一例としては、特開平３−１８５４１９号公報に開示されたものが挙げられる。この光アイソレータは、図３に示されるように、第１の複屈折結晶平板２１，第２の複屈折結晶平板２２，４５度ファラデー回転子２３，第３の複屈折結晶平板２４，及び第４の複屈折結晶平板２５をこの順で一軸方向に列設して成るものである。
【０００４】
この光アイソレータにおいて、各複屈折結晶平板２１，２２，２４，２５に入射される入射光は２つの偏光成分である常光線と異常光線とに分離されて出射され、一方の光線に対して他方の光線が離れる方向は偏光分離の方向と呼ばれ、各複屈折結晶平板２１，２２，２４，２５の出射側における各光線間の距離は偏光分離の距離と呼ばれる。
【０００５】
そこで、この光アイソレータにおける偏光分離の距離は、第１の複屈折結晶平板２１及び第４の複屈折結晶平板２５に関しては等しく、第２の複屈折結晶平板２２及び第３の複屈折結晶平板２４に関しても等しい。又、第１の複屈折結晶平板２１，第２の複屈折結晶平板２２，第３の複屈折結晶平板２４，及び第４の複屈折結晶平板２５に関する偏光分離の距離の比は、それぞれ１：ｔａｎ（２２．５°）：ｔａｎ（２２．５°）：１となっている。
【０００６】
この光アイソレータでは、第１の複屈折結晶平板２１が図中の矢印で示されるように左側から右側に向かって進行する入射光に対し、異常光線を垂直上方へシフトさせ、第２の複屈折結晶平板２２が異常光線を水平に左方向へシフトさせる。又、４５度ファラデー回転子２３は偏光面を反時計回りに４５度だけ回転させ、第３の複屈折結晶平板２４は異常光線を水平方向から時計回りに４５度だけ回転した方向である右下の方向へシフトさせる。更に、第４の複屈折結晶平板２５は、異常光線を水平方向から反時計回りに４５度だけ回転した方向である右上の方向へシフトさせる。
【０００７】
このような構成の光アイソレータにおいて、図中の左側から右側へ向かって入射光が入射される場合、即ち、入射光が順方向に進行する場合の光路を説明する。ここで、入射光が垂直方向に偏光して入射する直線偏光であれば、４５度ファラデー回転子２３によってその偏光方向が垂直方向から反時計回りに４５度だけ回転することになるので、第１の複屈折結晶平板２１及び第３の複屈折結晶平板２４では異常光線が通過し、第２の複屈折結晶平板２２及び第４の複屈折結晶平板２５では常光線が通過する。
【０００８】
一方、入射光が水平方向に偏光して入射する直線偏光であれば、４５度ファラデー回転子２３によってその偏光方向が水平方向から反時計回りに４５度だけ回転することになるので、第１の複屈折結晶平板２１及び第３の複屈折結晶平板２４では常光線が通過し、第２の複屈折結晶平板２２及び第４の複屈折結晶平板２５では異常光線が通過する。
【０００９】
ここで、各複屈折結晶平板２１，２２，２４，２５における偏光分離の距離は、ｄを定数とすればそれぞれ順にｄ，ｄ・ｔａｎ（２２．５°），ｄ・ｔａｎ（２２．５°），ｄに定められるので、入射光が垂直方向に偏光した直線偏光であっても、或いは水平方向に偏光した直線偏光であっても、第４の複屈折結晶平板２５を出射するときには同一点に到達すると共に、等しい光路長となる。
【００１０】
次に、図中の右側から左側へ向かって入射光が入射される場合、即ち、入射光が逆方向に進行する場合の光路を説明する。この場合、４５度ファラデー回転子２３における非相反性を留意すると、入射光は第２の複屈折結晶平板２２と第１の複屈折結晶平板２１とを通過するときに順方向の光路から離れてしまい、収束しなくなることが判る。
【００１１】
このように構成される光アイソレータは、入射光が順方向である場合に偏光無依存性を持つと共に、入射光が互いに直交する直線偏光である場合に光路長が等しくなるという特色を有している。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上述した偏光無依存型光アイソレータは、入射光としての互いに直交する２種類の直線偏光に対して等しい光路長を有するので、実際の製作において偏波の分散を低く抑えることが容易であり、実用性が高いものになっている。
【００１３】
しかしながら、この光アイソレータは４５度ファラデー回転子を１枚だけ使用した構成であるため、例えばガドリニウム−ビスマス−鉄−ガーネットの混合組成による厚膜を４５度ファラデー回転子として用いた場合、その消光比によりアイソレーションが４０ｄＢ程度に抑えられてしまう。従って、こうした偏光無依存型光アイソレータの重要な用途である光ファイバアンプにおいて要求される基本的性能、即ち、その高い利得における雑音の発生を抑制するための４０ｄＢを超過したアイソレーションを確保できないという問題がある。
【００１４】
これに加え、４５度ファラデー回転子の厚膜はファラデー回転能の波長依存性と温度依存性とに相関性があり、波長及び温度の変化に関して安定動作領域が狭いという難点もある。
【００１５】
本発明は、このような問題点を解決すべくなされたもので、その技術的課題は、入射光としての互いに直交する２種類の直線偏光に対して等しい光路長を持つと共に、波長及び温度の変化に関して広い範囲で高いアイソレーションを保ち得る偏光無依存型光アイソレータを提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、ファラデー回転の方向が互いに逆向きである２枚の４５度ファラデー回転子と、入射光に対する２つの偏光成分である異常光線及び常光線に関する偏光分離の距離の比が１：２^１／２−１である２種類の複屈折結晶平板をそれぞれ２枚ずつ含む合計４枚の複屈折結晶平板とを用いて構成され、２枚の４５度ファラデー回転子及び４枚の複屈折結晶平板は、入射光が全ての偏光方向を有する直線偏光である場合に光路長が一定となるように一軸方向に列設されて成る偏光無依存型光アイソレータにおいて、２枚の４５度ファラデー回転子及び４枚の複屈折結晶平板は、第１の複屈折結晶平板，第１の４５度ファラデー回転子，第２の複屈折結晶平板，第３の複屈折結晶平板，第２の４５度ファラデー回転子，及び第４の複屈折結晶平板をこの順で一軸方向に列設して成るもので、第１の複屈折結晶平板，第２の複屈折結晶平板，第３の複屈折結晶平板，及び第４の複屈折結晶平板に関する偏光分離の距離の比は、それぞれ１：２^１／２−１：１：２^１／２−１である偏光無依存型光アイソレータが得られる。
【００１７】
【作用】
図３に示した従来の偏光無依存型光アイソレータにおける各光学素子をそれぞれ２枚重ねた構成とすると、アイソレーションが５０ｄＢを超過し、その波長依存性と温度依存性とが緩和されるようになる。ところが、この構成では２枚の４５度ファラデー回転子の他、８枚の複屈折結晶平板が必要となってコストが問題となる。そこで、複屈折結晶平板が入射光に対して相反的に作用することを考慮すれば、その枚数を減らすことが可能となる。
【００１８】
そこで、本発明では２種類の複屈折結晶平板を２枚の４５度ファラデー回転子と組み合わせて偏光無依存型光アイソレータを構成している。この光アイソレータにおいて、２枚の４５度ファラデー回転子は互いに逆向きに４５度のファラデー回転を起こし、しかも順方向及び逆方向の入射光に対して非相反的に作用する。又、２種類の複屈折結晶平板における異常光線と常光線とに対する偏光分離の距離の比は１：２^１／２−１（＝ｔａｎ２２．５°）に定められると共に、偏光分離の方向は４５度の整数倍になっているため、順方向及び逆方向の入射光に対して相反的に作用する。
【００１９】
このように、２枚の４５度ファラデー回転子における非相反的作用と２種類の複屈折結晶平板を２枚ずつ用いた４枚の複屈折結晶平板における相反的作用とを組み合わせ、順方向の入射光に対しては偏光に依らず同一点に出射し、且つ光路長が１種類であるように各光学素子を選択すると共に、逆方向の入射光に対しては順方向の光路からはずれるように各光学素子を一方向に列設して偏光無依存型光アイソレータを構成することにより、順方向の入射光に関しては入射側の光ファイバから出た全ての入射光を出射側の光ファイバに結合させ、且つ逆方向に進む入射光に関してはその入射側（逆方向の入射光に関しては出口側となる）に設けられた光ファイバへの結合を回避させている。
【００２０】
【実施例】
以下に実施例を挙げ、本発明の偏光無依存型光アイソレータについて、図面を参照して詳細に説明する。
【００２１】
図１は、本発明の一実施例に係る偏光無依存型光アイソレータの基本構成を光学系結合部分を含めて斜視図により示したものである。この光アイソレータは、それぞれルチル単結晶から成る第１の複屈折結晶平板１，第１の４５度ファラデー回転子２，第２の複屈折結晶平板３，第３の複屈折結晶平板４，第２の４５度ファラデー回転子５，及び第４の複屈折結晶平板６をこの順で一軸方向に列設して成るもので、第１の光ファイバ９から出射された入射光が第１の結像レンズ７を経て各構成部分（６個の光学素子）を通り、第２の結像レンズ８を経て第２の光ファイバ１０へ結合されるようになっている。
【００２２】
ここで、各複屈折結晶平板１，３，４，６は、それぞれ光透過面が平行平面に研磨され、Ｃ軸（光学軸）が光透過面の法線方向に対して４８°傾いている。又、第１の複屈折結晶平板１及び第３の複屈折結晶平板４の厚さは１．５００ｍｍ、第２の複屈折結晶平板３及び第４の複屈折結晶平板６の厚さは０．６２１ｍｍに調整されている。
【００２３】
この光アイソレータにおいて、各複屈折結晶平板１，３，４，６に板面に対して入射光が垂直に入射したとき、入射光に対する２つの偏光成分である異常光線及び常光線のうちの常光線は直進するが、異常光線はそれぞれの界面で屈折して出射された後に互いに平行に進むが、その中心は常光線の中心からは分離されている。このように生じる偏光分離の距離の比は、上記したように厚さを定めた結果、各複屈折結晶平板１，３，４，６に関して、それぞれ１：２^１／２−１：１：２^１／２−１になっている。
【００２４】
又、各複屈折結晶平板１，３，４，６における偏光分離の方向（但し、ここでは常光線に対する異常光線の分離方向とする）は、図中に太矢印で示すように、第１の複屈折結晶平板１に関しては垂直上方、第２の複屈折結晶平板３に関しては右斜め下４５度、第３の複屈折結晶平板４に関しては右斜め上４５度、第４の複屈折結晶平板６に関しては水平左向きに設定されている。
【００２５】
更に、各４５度ファラデー回転子２，５による偏光面の回転角度は、第１の４５度ファラデー回転子２では第１の光ファイバ７から第２の光ファイバ１０に向かう軸方向に対して反時計回りに４５度であり、第２の４５度ファラデー回転子５では同じ軸方向に対してそれとは逆方向の時計回りに４５度となっている。
【００２６】
即ち、この光アイソレータにおける各４５度ファラデー回転子２，５及び各複屈折結晶平板１，３，４，６は、入射光が全ての偏光方向を有する直線偏光である場合に光路長が一定となるように一軸方向に列設されて構成されている。
【００２７】
そこで、図２（ａ）及び（ｂ）を参照し、この光アイソレータにおいて入射光が進行する場合の光路を説明する。但し、図２（ａ）は第１図中の左側から右側へ向かって入射光が入射される場合の順方向の経路を示し、図２（ｂ）はこれとは反対方向に入射光が入射される場合の逆方向の経路を示したものである。尚、図示のｘｙ平面は各複屈折結晶平板１，３，４，６及び各ファラデー回転子２，５の光透過面に平行な平面上における水平方向をｘ軸，垂直方向をｙ軸とし、第１の複屈折結晶平板１への入射点を原点Ｏとした場合、実際の３次元光路を簡略化してｘｙ平面への投影図としてその経路を追跡表示したものである。
【００２８】
先ず、図２（ａ）を用いて順方向の入射光が垂直方向に偏光して入射する直線偏光である場合と水平方向に偏光して入射する直線偏光である場合とに別けて経路を説明する。
【００２９】
ここで、第１の光ファイバ９から出射されて第１の結像レンズ７で収束される入射光が垂直偏光であれば、この垂直偏光は第１の複屈折結晶平板１を異常光線として通過することで通過点Ｐ₁ に至るが、この後に第１の４５度ファラデー回転子２により偏光面が反時計回りに４５度だけ回転されるため、第２の複屈折結晶平板３に対しては異常光線として通過し、その後は通過点Ｐ₂ に達する。引き続き、この垂直偏光は第３の複屈折結晶平板４を常光線として通過した後、第２の４５度ファラデー回転子５により偏光面が時計回りに４５度だけ回転されるため、第４の複屈折結晶平板６に対しては常光線として通過し、その後は通過点Ｐ₂ に達する。この結果、入射光が垂直偏光である場合、光路のｘｙ平面への投影位置は通過点Ｐ₂ から変化しないことが判る。
【００３０】
一方、入射光が水平偏光であれば、第１の複屈折結晶平板１を常光線として通過した後、第１のファラデー回転子２により偏光面が反時計回りに４５度だけ回転されるが、第２の複屈折結晶平板３を常光線として通過するため、各光学素子を通過した後も光路のｘｙ平面への投影位置は原点Ｏに留まったままとなる。ところが、この水平偏光は第３の複屈折結晶平板４を通過するときには異常光線となるので、これにより光路は通過点Ｐ₃ へ移動する。この後、第２の４５度ファラデー回転子５により偏光面が時計回りに４５度だけ回転され、偏光分離の方向はｘ方向へと変化する。引き続き、第４の複屈折結晶平板６に対しては異常光線として通過し、その後は通過点Ｐ₂ に達する。この結果、入射光が水平偏光であれば、光路のｘｙ平面への投影位置は通過点Ｐ₂ から変化しないことが判る。
【００３１】
即ち、この光アイソレータでは、入射光が第１の複屈折結晶平板１に入射するときに垂直偏光や水平偏光であっても同一の通過点Ｐ₂ に到達してここが出射点となるので、入射光が全ての偏光方向を有する直線偏光である場合に光路長が等しく一定となる。従って、出射点（通過点Ｐ₂ ）に至った出射光を第２の結像レンズ８によって第２の光ファイバ１０に収束すれば、第１の光ファイバ９から出射された全ての入射光を第２の光ファイバ１０に結合できることになる。
【００３２】
次に、図２（ｂ）を用いて逆方向の入射光が水平方向に偏光して入射する直線偏光である場合と垂直方向に偏光して入射する直線偏光である場合とに別けて経路を説明する。
【００３３】
ここで、第２の光ファイバ１０から出射されて第２の結像レンズ８で収束される入射光が水平偏光であれば、この水平偏光はｘｙ平面への投影位置で通過点Ｐ₂ の入射点から第４の複屈折結晶平板６に入射され、第４の複屈折結晶平板６を異常光線として通過するが、このときに光路が曲げられてｘｙ平面上では通過点Ｐ₃ に至る。この後、水平偏光は第２のファラデー回転子５により偏光面が時計回りに４５度だけ回転され、偏光分離の方向がｘ軸から−４５度の方向に変換された後、第３の複屈折結晶平板４を常光線として通過するため、光路が曲げられない。ところが、この水平偏光は第２の複屈折結晶平板３を異常光線として通過するときに光路が曲げられてｘｙ平面上では第１の出射点Ｐ₄ に至る。この第１の出射点Ｐ₄ に至った水平偏光は第１のファラデー回転子２によって偏光面がｘ方向に変換されるが、第１の複屈折結晶平板１を常光線として通過するため、光路が移動されずにｘｙ平面上では第１の出射点Ｐ₄ に留まる。ところで、第１の結像レンズ７は原点Ｏを通る出射光を第１の光ファイバ９に収束させるものであるため、この水平偏光が第１の光ファイバ９に結合されることはない。
【００３４】
一方、入射光が垂直偏光であれば、第４の複屈折結晶平板６を常光線として通過するために光路が曲げられず、第２の４５度ファラデー回転子５によって偏光面が時計回りに４５度だけ回転され、偏光分離の方向がｘ軸から４５度の方向に変換される。この後、第３の複屈折結晶平板４を異常光線として通過するときに光路が曲げられてｘｙ平面上では通過点（入射点）Ｐ₂ から通過点Ｐ₅ に至る。この通過点Ｐ₅ に至った垂直偏光は第２の複屈折結晶平板３を常光線として通過するときに光路が移動されずにｘｙ平面上では通過点Ｐ₅ に留まる。引き続き、第１の４５度ファラデー回転子２によって偏光面が反時計回りに４５度だけ回転され、偏光分離の方向がｙ軸の方向に変換されて第１の複屈折結晶平板１を異常光線として通過するときに光路がｘｙ平面上で第２の出射点Ｐ₆ へ移動する。ところで、ここでの第２の出射点Ｐ₆ も第１の結像レンズ７の原点Ｏとは異なるため、この垂直偏光も第１の光ファイバ９には結合されない。
【００３５】
更に、この光アイソレータにおいて逆方向の入射光が原点Ｏに到達する場合についても仮定する。このような入射光があるとすれば、第２の４５度ファラデー回転子５及び第１の４５度ファラデー回転子２の何れかのファラデー回転角度が４５度からずれていたり、或いは各４５度ファラデー回転子２，５を成す結晶の消光比に欠陥があることに起因すると考察される。こうした場合、ｘｙ平面上では光路が通過点（入射点）Ｐ₂ から通過点Ｐ₃ を経て原点Ｏへ移動する場合と、通過点（入射点）Ｐ₂ から通過点Ｐ₁ を経て原点Ｏへ移動する場合の２通りの経路だけであることが判る。しかしながら、２枚の４５度ファラデー回転子２，５が共通してこうした基本性能を有すると共に、このような条件下に設定される確率は極めて低く、通常は一方が他方の不完全さを低減するように働くため、この光アイソレータでは殆どの場合、高い逆方向損失が得られることになる。
【００３６】
そこで、この実施例の光アイソレータの特性について、消光比が４４ｄＢ、ファラデー回転角度が４４．８度、挿入損失が０．０８ｄＢである場合に調べたところ、順方向損失が０．９ｄＢ以下、順方向偏波依存損失が０．１ｄＢ以下、逆方向損失が中心波長±３０ｎｍにおいて５０ｄＢ以上であって、且つ室温±２５°において５０ｄＢ以上となり、この結果により逆方向の特性に関して高い逆方向損失を持つことが判った。
【００３７】
尚、実施例の光アイソレータにおける２枚の４５度ファラデー回転子はガドリニウム−ビスマス−鉄−ガーネットの組成による厚膜以外にテルビウム−ビスマス−鉄−ガーネットの組成による厚膜を用いて構成することも可能であり、この場合にも同等の効果が得られる。又、実施例では、各複屈折結晶平板に関して常光線及び異常光線の偏光分離の距離を定めるために、光学軸の方位を一定にして各複屈折結晶平板の厚さを調整するものとしたが、光学軸の方位を調整することによって偏光分離の距離を定めるようにすることも可能である。
【００３８】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、入射光としての互いに直交する２種類の直線偏光に対して等しい光路長を持つことで偏波分散が抑制されて全ての偏光状態の入射光に対して偏光無依存性を示し、しかも波長及び温度の変化に関して広い範囲で５０ｄＢ以上の高いアイソレーションを保ち得る高性能な偏光無依存型光アイソレータが得られるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る偏光無依存型光アイソレータの基本構成を光学系結合部分を含めて示した斜視図である。
【図２】図１に示す光アイソレータにおける光路を説明するために示したもので、（ａ）は入射光が順方向に進む場合の経路を示し、（ｂ）は入射光が逆方向に進む場合の経路を示したものである。
【図３】従来の偏光無依存型光アイソレータの基本構成を示した斜視図である。
【符号の説明】
１，１１，２１第１の複屈折結晶平板
２，１２第１の４５度ファラデー回転子
３，１３，２２第２の複屈折結晶平板
４，１４，２４第３の複屈折結晶平板
５，１５第２の４５度ファラデー回転子
６，１６，２５第４の複屈折結晶平板
７，１７第１の結像レンズ
８，１８第２の結像レンズ
９，１９第１の光ファイバ
１０，２０第２の光ファイバ
２３４５度ファラデー回転子
Ｏ順方向の入射点
Ｐ₁ ，Ｐ₃ ，Ｐ₅ 通過点
Ｐ₂ 通過点（順方向の出射点，逆方向の入射点）
Ｐ₄ 逆方向の第１の出射点
Ｐ₅ 逆方向の第２の出射点[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to an optical isolator that is mounted on an optical communication device, an optical information processing device, and the like, and that specifies a traveling direction of light in one direction. The present invention relates to a polarization-independent optical isolator exhibiting a characteristic.
[0002]
[Prior art]
In recent years, in optical fiber amplifiers, which have become increasingly important in optical communication systems, reflected light generated by optical circuit elements in the signal light path induces noise. Isolators are used.
[0003]
An example of a conventional polarization independent optical isolator is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-185419. As shown in FIG. 3, this optical isolator includes a first birefringent crystal flat plate 21, a second birefringent crystal flat plate 22, a 45-degree Faraday rotator 23, a third birefringent crystal flat plate 24, and a fourth birefringent crystal flat plate 24. Are arranged in a uniaxial direction in this order.
[0004]
In this optical isolator, the incident light incident on each of the birefringent crystal plates 21, 22, 24, and 25 is separated into two polarized components, an ordinary ray and an extraordinary ray, and is emitted. Is called the direction of polarization separation, and the distance between the rays on the exit side of each of the birefringent crystal flat plates 21, 22, 24, and 25 is called the polarization separation distance.
[0005]
Therefore, the polarization separation distance in the optical isolator is equal for the first birefringent crystal flat plate 21 and the fourth birefringent crystal flat plate 25, and is equal to the second birefringent crystal flat plate 22 and the third birefringent crystal flat plate 24. Is the same for In addition, the ratio of the polarization separation distances of the first birefringent crystal flat plate 21, the second birefringent crystal flat plate 22, the third birefringent crystal flat plate 24, and the fourth birefringent crystal flat plate 25 is 1: tan (22.5 °): tan (22.5 °): 1.
[0006]
In this optical isolator, the first birefringent crystal flat plate 21 shifts an extraordinary ray vertically upward with respect to incident light traveling from left to right, as indicated by the arrow in the figure, so that the second birefringent crystal The crystal plate 22 shifts the extraordinary ray horizontally to the left. The 45-degree Faraday rotator 23 rotates the plane of polarization by 45 degrees counterclockwise, and the third birefringent crystal plate 24 rotates the extraordinary ray by 45 degrees clockwise from the horizontal direction. In the direction of. Further, the fourth birefringent crystal flat plate 25 shifts the extraordinary ray to the upper right direction, which is a direction rotated by 45 degrees counterclockwise from the horizontal direction.
[0007]
In the optical isolator having such a configuration, an optical path when incident light is incident from the left side to the right side in the drawing, that is, when the incident light travels in the forward direction will be described. Here, if the incident light is linearly polarized light that is polarized in the vertical direction and is incident, the polarization direction is rotated by 45 degrees counterclockwise from the vertical direction by the 45-degree Faraday rotator 23. The extraordinary ray passes through the birefringent crystal flat plate 21 and the third birefringent crystal flat plate 24, and the ordinary ray passes through the second birefringent crystal flat plate 22 and the fourth birefringent crystal flat plate 25.
[0008]
On the other hand, if the incident light is linearly polarized light that is polarized in the horizontal direction and enters, the polarization direction is rotated by 45 degrees counterclockwise from the horizontal direction by the 45-degree Faraday rotator 23, so that the first An ordinary ray passes through the birefringent crystal flat plate 21 and the third birefringent crystal flat plate 24, and an extraordinary ray passes through the second birefringent crystal flat plate 22 and the fourth birefringent crystal flat plate 25.
[0009]
Here, assuming that d is a constant, the distance of polarization separation in each of the birefringent crystal flat plates 21, 22, 24, and 25 is d, d · tan (22.5 °) and d · tan (22.5 °, respectively). ) And d, the incident light is the same point when exiting the fourth birefringent crystal plate 25 regardless of whether it is linearly polarized light polarized vertically or linearly polarized light horizontally. And the optical path lengths are equal.
[0010]
Next, an optical path when incident light is incident from the right side to the left side in the drawing, that is, when the incident light travels in the opposite direction will be described. In this case, considering the nonreciprocity in the 45-degree Faraday rotator 23, the incident light is separated from the forward optical path when passing through the second birefringent crystal flat plate 22 and the first birefringent crystal flat plate 21. It turns out that it does not converge.
[0011]
The optical isolator thus configured has a characteristic that it has polarization independence when the incident light is in the forward direction and has the same optical path length when the incident light is linearly polarized light orthogonal to each other. I have.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
Since the above-mentioned polarization independent optical isolator has the same optical path length for two kinds of linearly polarized light orthogonal to each other as incident light, it is easy to suppress the dispersion of the polarization in actual production, and it is practical. The nature is high.
[0013]
However, since this optical isolator has a configuration using only one 45-degree Faraday rotator, for example, when a thick film of a mixed composition of gadolinium-bismuth-iron-garnet is used as the 45-degree Faraday rotator, its extinction ratio As a result, the isolation is suppressed to about 40 dB. Therefore, it is not possible to secure the basic performance required for an optical fiber amplifier, which is an important application of such a polarization independent optical isolator, that is, an isolation exceeding 40 dB for suppressing generation of noise at a high gain. There's a problem.
[0014]
In addition to this, the thick film of the 45-degree Faraday rotator has a correlation between the wavelength dependence and the temperature dependence of the Faraday rotator, and has a drawback that the stable operation region is narrow with respect to changes in wavelength and temperature.
[0015]
The present invention has been made to solve such a problem, and the technical problem thereof is to have an equal optical path length for two types of linearly polarized light orthogonal to each other as incident light, and have a wavelength and a temperature. An object of the present invention is to provide a polarization-independent optical isolator that can maintain high isolation over a wide range with respect to changes.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, the ratio of the distance between the two 45-degree Faraday rotators whose Faraday rotation directions are opposite to each other and the polarization separation of the extraordinary ray and the ordinary ray, which are two polarization components with respect to the incident light, is 1: It is composed of a total of four birefringent crystal flat plates each including two birefringent crystal flat plates of 2 ^1/2 -1 each, two 45 ° Faraday rotators and four birefringent rotators. The crystal plate is a polarization-independent optical isolator that is arranged in a uniaxial direction so that the optical path length is constant when the incident light is linearly polarized light having all polarization directions. The first birefringent crystal flat plate, the first 45 ° Faraday rotator, the second birefringent crystal flat plate, the third birefringent crystal flat plate, and the second 45 ° Faraday flat plate Rotor, and fourth biprism A crystal plate is arranged in this order in a uniaxial direction, and relates to a first birefringent crystal plate, a second birefringent crystal plate, a third birefringent crystal plate, and a fourth birefringent crystal plate. A polarization-independent optical isolator having a polarization separation distance ratio of 1: 2 ^1/2 -1: 1: 2 ^1/2 -1 is obtained.
[0017]
[Action]
In the conventional polarization-independent optical isolator shown in FIG. 3, when each of the optical elements is formed by stacking two optical elements, the isolation exceeds 50 dB and the wavelength dependence and the temperature dependence are reduced. Become. However, this configuration requires eight birefringent crystal flat plates in addition to the two 45-degree Faraday rotators, resulting in a cost problem. Then, considering that the birefringent crystal flat plate acts reciprocally with respect to the incident light, it is possible to reduce the number thereof.
[0018]
Therefore, in the present invention, a polarization independent optical isolator is configured by combining two types of birefringent crystal flat plates with two 45 ° Faraday rotators. In this optical isolator, the two 45-degree Faraday rotators cause 45-degree Faraday rotation in opposite directions, and act non-reciprocally on incident light in the forward and reverse directions. Further, the ratio of the distance of polarization separation to the extraordinary ray and the ordinary ray in the two types of birefringent crystal flat plates is 1: 2 ^1/2 -1 (= tan 22.5 °) and the direction of polarization separation is an integral multiple of 45 degrees, so that it acts reciprocally on incident light in the forward and reverse directions. .
[0019]
As described above, the non-reciprocal action of the two 45-degree Faraday rotators and the reciprocal action of four birefringent crystal flat plates each using two birefringent crystal flat plates are combined, and forward incidence is performed. Each optical element is selected so that light is emitted to the same point regardless of polarization, and the optical path length is one type. For incident light in the opposite direction, it is deviated from the optical path in the forward direction. By arranging each optical element in one direction to form a polarization-independent optical isolator, all incident light coming out of the optical fiber on the incident side is coupled to the optical fiber on the outgoing side for forward incident light. In addition, the incident light traveling in the opposite direction is prevented from being coupled to the optical fiber provided on the incident side (the exit side for the incident light in the opposite direction).
[0020]
【Example】
Hereinafter, an example of the polarization-independent optical isolator of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0021]
FIG. 1 is a perspective view showing a basic configuration of a polarization independent optical isolator according to one embodiment of the present invention, including an optical system coupling portion. This optical isolator comprises a first birefringent crystal flat plate 1, a first 45 ° Faraday rotator 2, a second birefringent crystal flat plate 3, a third birefringent crystal flat plate 4, a second birefringent crystal flat plate The Faraday rotator 5 and the fourth birefringent crystal flat plate 6 are arranged in this order in a uniaxial direction, and the incident light emitted from the first optical fiber 9 is formed into a first image. The light passes through each component (six optical elements) via a lens 7, and is coupled to a second optical fiber 10 via a second imaging lens 8.
[0022]
Here, each of the birefringent crystal flat plates 1, 3, 4, and 6 has its light transmitting surface polished to a parallel plane, and its C axis (optical axis) is inclined by 48 ° with respect to the normal direction of the light transmitting surface. . The thickness of the first birefringent crystal flat plate 1 and the third birefringent crystal flat plate 4 is 1.500 mm, and the thickness of the second birefringent crystal flat plate 3 and the fourth birefringent crystal flat plate 6 is 0.1 mm. It is adjusted to 621 mm.
[0023]
In this optical isolator, when incident light is perpendicularly incident on the birefringent crystal flat plates 1, 3, 4, and 6 with respect to the plate surface, the normal polarization of the extraordinary ray and the ordinary ray, which are two polarization components with respect to the incident light, is obtained. The rays travel straight, but the extraordinary rays are refracted at the respective interfaces and emitted, then travel parallel to each other, but the center is separated from the center of the ordinary ray. The ratio of the polarization separation distances thus generated is determined as described above, and as a result, for each of the birefringent crystal plates 1, 3, 4, and 6, the ratio is 1: 2 ^1/2 -1: 1: 2. ^{It is 1/2} -1.
[0024]
The direction of polarization separation in each of the birefringent crystal plates 1, 3, 4, and 6 (here, the direction of separation of extraordinary rays with respect to ordinary rays) is the first direction as shown by a thick arrow in the figure. The birefringent crystal flat plate 1 is vertically upward, the second birefringent crystal flat plate 3 is obliquely downward 45 degrees, the third birefringent crystal flat plate 4 is obliquely upward 45 degrees, and the fourth birefringent crystal flat plate 6 Is set horizontally leftward.
[0025]
Further, the rotation angle of the polarization plane by each of the 45-degree Faraday rotators 2 and 5 is opposite to the axial direction from the first optical fiber 7 to the second optical fiber 10 in the first 45-degree Faraday rotator 2. The angle is 45 degrees clockwise, and in the second 45 degree Faraday rotator 5, it is 45 degrees clockwise in the opposite direction to the same axial direction.
[0026]
That is, the 45 ° Faraday rotators 2 and 5 and the birefringent crystal flat plates 1, 3, 4 and 6 in this optical isolator have a constant optical path length when the incident light is linearly polarized light having all polarization directions. It is configured so as to be arranged in one axis direction.
[0027]
Therefore, referring to FIGS. 2A and 2B, an optical path when incident light travels in this optical isolator will be described. However, FIG. 2 (a) shows a forward path when incident light is incident from the left side to the right side in FIG. 1, and FIG. 2 (b) shows that the incident light is incident in the opposite direction. It shows the reverse route in the case where it is performed. In the illustrated xy plane, the horizontal direction on a plane parallel to the light transmitting surfaces of the birefringent crystal flat plates 1, 3, 4, 6 and the Faraday rotators 2, 5 is the x axis, and the vertical direction is the y axis. When the incident point on the first birefringent crystal flat plate 1 is the origin O, the actual three-dimensional optical path is simplified and the path is traced and displayed as a projection on the xy plane.
[0028]
First, referring to FIG. 2A, the path will be described separately for the case where the forward incident light is linearly polarized light that is polarized vertically and is incident, and the case where it is linearly polarized light that is polarized horizontally and is incident. I do.
[0029]
Here, if the incident light emitted from the first optical fiber 9 and converged by the first imaging lens 7 is vertically polarized light, the vertically polarized light passes through the first birefringent crystal plate 1 as an extraordinary ray. The passing point P ₁ After that, since the polarization plane is rotated counterclockwise by 45 degrees by the first 45-degree Faraday rotator 2, it passes through the second birefringent crystal plate 3 as an extraordinary ray, and thereafter Is the passing point P ₂ Reach Subsequently, this vertically polarized light passes through the third birefringent crystal flat plate 4 as an ordinary ray, and then the second 45-degree Faraday rotator 5 rotates the plane of polarization clockwise by 45 degrees. The light passes through the refraction crystal plate 6 as an ordinary ray, and thereafter passes through the point P ₂ Reach As a result, when the incident light is vertically polarized light, the projected position of the optical path on the xy plane is the passing point P ₂ It turns out that it does not change from.
[0030]
On the other hand, if the incident light is horizontal polarized light, after passing through the first birefringent crystal flat plate 1 as ordinary light, the polarization plane is rotated counterclockwise by 45 degrees by the first Faraday rotator 2, but Since the light beam passes through the second birefringent crystal flat plate 3 as an ordinary ray, the projection position of the optical path on the xy plane remains at the origin O even after passing through each optical element. However, since this horizontal polarized light becomes an extraordinary ray when passing through the third birefringent crystal plate 4, the light path is thereby changed to the passing point P _3. Move to. Thereafter, the polarization plane is rotated clockwise by 45 degrees by the second 45-degree Faraday rotator 5, and the direction of polarization separation changes in the x direction. Subsequently, the light passes through the fourth birefringent crystal flat plate 6 as an extraordinary ray, and thereafter passes through the passing point P ₂ Reach As a result, if the incident light is horizontally polarized, the projection position of the optical path on the xy plane is the passing point P ₂ It turns out that it does not change from.
[0031]
That is, in this optical isolator, even when the incident light is vertically polarized light or horizontally polarized light when entering the first birefringent crystal flat plate 1, the same passing point P _{2 is used.} , And this point becomes the emission point. Therefore, when the incident light is linearly polarized light having all polarization directions, the optical path length becomes equal and constant. Therefore, the emission point (passing point P ₂ If the emitted light that has reached (2) is converged on the second optical fiber 10 by the second imaging lens 8, all the incident light emitted from the first optical fiber 9 can be coupled to the second optical fiber 10. become.
[0032]
Next, referring to FIG. 2B, the path is divided into a case where the incident light in the opposite direction is linearly polarized light that is polarized in the horizontal direction and is incident and a case in which the light is linearly polarized light that is polarized in the vertical direction and is incident. explain.
[0033]
Here, if the incident light emitted from the second optical fiber 10 and converged by the second imaging lens 8 is horizontal polarized light, the horizontal polarized light is projected at the passing point P ₂ at the projection position on the xy plane. Is incident on the fourth birefringent crystal flat plate 6 from the point of incidence, and passes through the fourth birefringent crystal flat plate 6 as an extraordinary ray. At this time, the optical path is bent and the passing point P ₃ on the xy plane Leads to. Thereafter, the horizontal polarized light is rotated clockwise by 45 degrees by the second Faraday rotator 5 and the direction of polarization separation is changed to a direction of -45 degrees from the x-axis. Since the light passes through the crystal plate 4 as an ordinary ray, the optical path is not bent. However, when the horizontal polarized light passes through the second birefringent crystal flat plate 3 as an extraordinary ray, the optical path is bent, and the first emission point P ₄ on the xy plane is obtained. Leads to. This first emission point P ₄ Is converted by the first Faraday rotator 2 into the x direction, but passes through the first birefringent crystal plate 1 as ordinary light, so that the optical path is not moved and the Then, the first emission point P ₄ Stay on. By the way, since the first imaging lens 7 converges outgoing light passing through the origin O to the first optical fiber 9, this horizontal polarized light is not coupled to the first optical fiber 9.
[0034]
On the other hand, if the incident light is vertically polarized light, the light path is not bent because it passes through the fourth birefringent crystal flat plate 6 as an ordinary ray, and the polarization plane is rotated clockwise by the second 45-degree Faraday rotator 5. Rotated by degrees, the direction of polarization separation is converted to a direction of 45 degrees from the x-axis. Thereafter, when passing through the third birefringent crystal flat plate 4 as an extraordinary ray, the optical path is bent, and the passing point (incident point) P ₂ on the xy plane From passing point P ₅ Leads to. This passing point P ₅ When the vertically polarized light reaches the second birefringent crystal flat plate 3 as an ordinary ray, the optical path is not moved and the passing point P ₅ on the xy plane is reached. Stay on. Subsequently, the polarization plane is rotated counterclockwise by 45 degrees by the first 45-degree Faraday rotator 2, the direction of polarization separation is changed to the y-axis direction, and the first birefringent crystal plate 1 is regarded as an extraordinary ray. When passing, the optical path is on the xy plane at the second emission point P ₆ Move to. By the way, the second emission point P ₆ here Is also different from the origin O of the first imaging lens 7, so that this vertically polarized light is not coupled to the first optical fiber 9.
[0035]
Further, it is assumed that the incident light in the opposite direction reaches the origin O in this optical isolator. If there is such incident light, the Faraday rotation angle of one of the second 45-degree Faraday rotator 5 and the first 45-degree Faraday rotator 2 is deviated from 45 degrees, or each 45-degree Faraday rotator 5 It is considered that the extinction ratio of the crystals forming the rotators 2 and 5 is caused by a defect. In such a case, the optical path on the xy plane is a passing point (incident point) P ₂ From passing point P ₃ Move to the origin O through the passing point (incident point) P ₂ From passing point P ₁ It can be seen that there are only two routes when moving to the origin O via. However, the two 45 degree Faraday rotators 2, 5 have such basic performance in common and the probability of being set under such conditions is very low, one usually reducing the imperfection of the other. Therefore, in this optical isolator, a high reverse loss can be obtained in most cases.
[0036]
Then, when the characteristics of the optical isolator of this embodiment were examined when the extinction ratio was 44 dB, the Faraday rotation angle was 44.8 degrees, and the insertion loss was 0.08 dB, the forward loss was 0.9 dB or less. The directional polarization dependent loss is 0.1 dB or less, the reverse loss is 50 dB or more at a center wavelength of ± 30 nm, and is 50 dB or more at a room temperature of ± 25 °. It turns out.
[0037]
Incidentally, the two 45-degree Faraday rotators in the optical isolator of the embodiment may be formed using a thick film having a composition of terbium-bismuth-iron-garnet in addition to a thick film having a composition of gadolinium-bismuth-iron-garnet. It is possible, and in this case, the same effect can be obtained. Further, in the embodiment, the thickness of each birefringent crystal flat plate is adjusted with the azimuth of the optical axis constant in order to determine the polarization separation distance of the ordinary ray and the extraordinary ray for each birefringent crystal flat plate. It is also possible to determine the polarization separation distance by adjusting the direction of the optical axis.
[0038]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, polarization dispersion is suppressed by having the same optical path length for two types of linearly polarized light orthogonal to each other as incident light, and the incident light in all polarization states is reduced. On the other hand, a high-performance polarization-independent optical isolator that exhibits polarization independence and can maintain high isolation of 50 dB or more over a wide range with respect to changes in wavelength and temperature can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a basic configuration of a polarization-independent optical isolator according to one embodiment of the present invention, including an optical system coupling portion.
FIGS. 2A and 2B are views for explaining an optical path in the optical isolator shown in FIG. 1, wherein FIG. 2A shows a path when incident light travels in a forward direction, and FIG. It shows the route in the case.
FIG. 3 is a perspective view showing a basic configuration of a conventional polarization independent optical isolator.
[Explanation of symbols]
1,11,21 First birefringent crystal flat plate 2,12 First 45 degree Faraday rotator 3,13,22 Second birefringent crystal flat plate 4,14,24 Third birefringent crystal flat plate 5,15 Second 45-degree Faraday rotator 6, 16, 25 Fourth birefringent crystal flat plate 7, 17 First imaging lens 8, 18 Second imaging lens 9, 19 First optical fiber 10, 20 2 optical fiber 23 45 degree Faraday rotator O Forward incident point P ₁ , P ₃ , P ₅ Passing point P ₂ Passing point (forward emission point, reverse incidence point)
P ₄ First emission point P _{5 in the} opposite direction Second exit point in reverse direction

Claims

The ratio of the distance between the two 45-degree Faraday rotators whose Faraday rotation directions are opposite to each other and the polarization separation for the extraordinary ray and the ordinary ray, which are two polarization components to the incident light, is 1: 2 ^1/2 -1. And a total of four birefringent crystal flat plates each including two of the two types of birefringent crystal flat plates, wherein the two 45-degree Faraday rotators and the four birefringent crystal flat plates are: In a polarization-independent optical isolator which is arranged in a single axial direction so that the optical path length becomes constant when the incident light is linearly polarized light having all polarization directions, the two 45-degree Faraday rotators and The four birefringent crystal flat plates are a first birefringent crystal flat plate, a first 45 ° Faraday rotator, a second birefringent crystal flat plate, a third birefringent crystal flat plate, and a second 45 ° Faraday rotary plate. Child, and fourth The first birefringent crystal flat plate, the second birefringent crystal flat plate, the third birefringent crystal flat plate, and the fourth birefringent crystal flat plate are formed by arranging refraction crystal flat plates in this order in a uniaxial direction. A polarization-independent optical isolator, wherein the ratio of polarization separation distances with respect to a birefringent crystal plate is 1: 2 ^1/2 -1: 1: 2 ^1/2 -1.