JP3583515B2

JP3583515B2 - 偏波スクランブラ装置

Info

Publication number: JP3583515B2
Application number: JP21579095A
Authority: JP
Inventors: 博之井辺; 茂大島; 美都子中村; 専治嶋貫; 仁高平; 周山本
Original assignee: Toshiba Corp; KDDI Corp
Current assignee: Toshiba Corp; KDDI Corp
Priority date: 1995-08-24
Filing date: 1995-08-24
Publication date: 2004-11-04
Anticipated expiration: 2015-08-24
Also published as: JPH0961772A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば長距離光伝送の偏波スクランブラなどに用いる偏波制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、偏波制御装置は、コヒーレント光通信や長距離光伝送系において、伝送系の偏波分散を低減するために送信偏波を制御する装置として用いられている。さらに、光アンプ多中継伝送系において、光部品の偏波分散、偏波依存性損失、偏波ホールバーニングによる偏波に依存した伝送特性の劣化条件を低減するための偏波スクランブラとして用いられることもある。
【０００３】
従来の偏波制御装置には、機械的動作により偏波を可変するもの、電気光学効果により偏波を可変するもの、ファラデー効果により偏波を可変するものなどが知られている。
【０００４】
機械的なものは動作速度が遅いという欠点を有しており、ＬｉＮｂＯ_３による電気光学効果のものはＤＣドリフトの問題があることが知られている。このため、従来の偏波制御装置には図６に示すようにファラデー素子を用いて構成する場合が多い。
【０００５】
図６において、１００は強磁性体のファラデー素子であり、このファラデー素子１００にはコイル１０１によって光軸方向に磁界が加えられている。光ファイバ１０２によって伝送されてきた光はレンズ１０３によって平行光に変換された後、ファラデー素子１００を透過し、レンズ１０４によって光ファイバ１０５の入射端に集光される。ここで、上記コイル１０１に電流を流し、ファラデー素子１００に光軸方向に磁界を加えることで、通過光の偏波を変化させることができる。
【０００６】
しかしながら、上記のように強磁性体のファラデー素子を用いたものは、未飽和領域で光散乱が増大し、消光比も劣化することが知られている。したがって、図６に示すようにファラデー素子１００とコイル１０１を用いて偏波を変化させると、出力光に変動が生じると共に、消光比も劣化する。実験によれば、光ファイバが単一モードのとき、３０％に及ぶ出力変動が観測された。さらに、偏波状態の再現性が悪いこともわかった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、従来のファラデー素子を用いた偏波制御装置では、損失変動、消光比劣化、再現性が問題になる。このため、光受信器の誤り率が変動する原因となるばかりでなく、再現性がないため、偏波状態を制御することが本質的に不可能であった。また、従来の偏波制御装置を用いて偏波スクランブラを構成した場合には、偏波スクランブラの損失変動と残留偏光度が劣化することになり、偏波スクランブラとしての効果が著しく低下するという問題があった。
【０００８】
そこで、この発明は上記の課題を解決するためになされたもので、損失変動及び消光比劣化が少なく、偏波状態の再現性が良好な偏波制御装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するためにこの発明に係る偏波制御装置は、平行光を入射してファラデー効果を与える強磁性体のファラデー素子と、前記ファラデー素子に任意の方向の磁界を加える磁界形成手段とを具備することを特徴とする。
【００１０】
前記磁界形成手段は、前記磁界の方向を回転させて前記ファラデー素子を透過する光の偏波を変調することを特徴とする。
前記磁界形成手段は、前記ファラデー素子の近傍に配置され、前記ファラデー素子の光軸と垂直方向に磁界を形成する磁石と、前記ファラデー素子の近傍に配置され、駆動電流によって前記光軸と平行な磁界を形成するもので、駆動電流の大きさ及び極性に応じて前記磁界の向き及び強さが変化するコイルとを具備し、前記駆動電流を制御することで前記磁石と前記コイルによる合成磁界を任意の方向に向けられるようにしたことを特徴とする。
【００１１】
前記磁界形成手段は、それぞれ前記ファラデー素子の近傍に配置され、前記ファラデー素子の光軸に対して互い異なる方向に磁界を形成する３個以上のコイルを備え、各コイルの駆動電流を大きさ及び極性を制御することで各コイルの合成磁界を任意の方向に向けられるようにしたことを特徴とする。
【００１２】
前記光ファラデー素子は、垂直異方性以外のエピタキシャル成長膜であることを特徴とする。
前記光ファラデー素子は、（ＲＢｉ）_３（ＦｅＧａＡｌ）_５Ｏ_１２（Ｒはガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ホルミウム（Ｈｏ）及びイッテルビウム（Ｙｂ）からなる群より選択される少なくとも１つの希土類元素）のエピタキシャル成長膜を９００℃〜１２００℃で１時間以上熱処理を施したものであることを特徴とする。
【００１３】
前記ファラデー素子は飽和領域で使用されることを特徴とする。
前記ファラデー素子及び磁界形成手段はそれぞれ複数個備えて波長板を介して同一光軸上に直列に配置され、それぞれの磁界形成手段を互いに独立に制御するようにしたことを特徴とする。
【００１４】
前記ファラデー素子及び磁界形成手段はそれぞれ複数個備えて同一光軸上に直列に配置され、それぞれの磁界形成手段を共通に制御するようにしたことを特徴とする。
【００１５】
上記構成による偏波制御装置では、平行光を強磁性体ファラデー素子に透過させてファラデー効果を与える際、前記磁界形成手段によりファラデー素子に例えば回転磁界を加えることで偏波状態を変調する。
【００１６】
特に、前記光ファラデー素子は、垂直異方性以外のエピタキシャル成長膜であることを特徴とし、具体的には（ＲＢｉ）_３（ＦｅＧａＡｌ）_５Ｏ_１２（Ｒはガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ホルミウム（Ｈｏ）及びイッテルビウム（Ｙｂ）からなる群より選択される少なくとも１つの希土類元素）のエピタキシャル成長膜を９００℃〜１２００℃で１時間以上熱処理を施したものである。（ＲＢｉ）_３（ＦｅＧａＡｌ）_５Ｏ_１２の組成は、飽和磁束密度（４πＭｓ）が５００Ｇａｕｓｓ以下で、かつファラデー回転角θＦが使用波長で４５°／ｃｍとなるように各元素の成分量を適当に調整して選ばれる。
【００１７】
また、前記回転磁界は、前記平行光と垂直方向に一定磁界を加え、さらに前記平行光の方向に強度変化する磁界を加え合わせて作ることもできる。
前記回転磁界は飽和磁界であることが望ましい。
【００１８】
すなわち、強磁性体のファラデー素子中の平行光ビームは複数の磁区を通過する。未飽和領域では、これらの磁区は一方向に揃っていないため、光ビームは場所によって異なるファラデー回転をする。このため、消光比が劣化するばかりでなく、磁区の界面で光が散乱する。また、空間的コヒーレンシィも劣化するため、単一モード光ファイバとの結合が劣化し、これらが損失変動の原因と考えられる。さらに、磁区の大きさは均一でなく、また温度、外圧等や隣接する磁界に影響され、形状や方向が変化してしまうことがあり、不安定である。そのために、ファラデー回転量の再現性がないと考えられる。
【００１９】
そこで、この発明に係る偏波制御装置では、強磁性体ファラデー素子を飽和領域で使用し、磁区の方向を揃えて用いる。ファラデー回転量は磁界強度を変化させて変えるのではなく、磁界方向を変化させることにより変える。すなわち、ファラデー回転量φは未飽和領域では一般に式（１）で表される。
【００２０】
φ＝ＶＨｌｃｏｓθ …（１）
ここで、Ｖはベルデ定数、Ｈは磁界強度、ｌはファラデー素子長、θは光軸と磁界のなす角度である。従来の方法は、θ＝０の状態で磁界Ｈを変化させてφを変えていた。この発明では、Ｈを飽和に近いレベルまで強めておき、θを変化することによりφを変えるものである。
【００２１】
この場合、全ての磁区の方向が揃っているので、光ビームは場所によって異なるファラデー回転をするようなことはなく、消光比は劣化しない。また、磁区の界面で光が散乱することもなく、空間的コヒーレンシィも劣化しないため、単一モード光ファイバとの結合効率は安定である。したがって、損失変動は激減する。さらに、磁区の方向が安定であるため、ファラデー回転量の再現性が得られる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１はこの発明に係る偏波制御装置の第１の実施形態を示すもので、光ファイバ１，７は偏波保持ファイバであり、光ファイバ１には直線偏波の光が伝送されるものとする。反射光を低減するため、光ファイバ１，７の先端は斜めに研磨加工される。光ファイバ１から出射された光はレンズ２により平行光に変換された後、ファラデー素子３を透過し、レンズ６によって光ファイバ７の入射端に集光される。ファラデー素子３にはコイル４により光軸方向に磁界が与えられ、さらに一対の磁石５ａ，５ｂによって光軸と垂直な方向に磁界が与えられる。
【００２３】
上記構成において、以下、その動作原理を図２を参照して説明する。
図２はファラデー素子３に与えられる各磁界の様子を示している。この図から明らかなように、合成磁界は光軸（コイル４による磁界方向）とθ１だけ傾く方向に存在する。このときのコイル４の電流をＩとする。この状態でコイル４に流す電流の方向を逆にすることにより、破線で示すθ２の方向に変えることが可能である。すなわち、コイル４の電流をＩから−Ｉまで変化させると、磁界の方向はθ１からθ２まで方向を変えることができる。
【００２４】
上記ファラデー素子３は異方性が少なく、磁石５ａ，５ｂによる磁界強度で飽和している。このとき、ファラデー素子３は全ての状態で飽和しているので、ファラデー回転量は合成磁界の強度変化には依存せず、磁界の方向の変化のみに依存するようになる。したがって、前述のしたように、ファラデー回転量はｃｏｓθのみに比例する。
【００２５】
一般に、エピタキシャル成長した（ＲＢｉ）_３（ＦｅＧａＡｌ）_５Ｏ_１２のガーネット膜は垂直異方性を有しており、ファラデー素子として用いるためにはこの異方性を低減する必要がある。
【００２６】
このような異方性の低減には熱処理が有効である。例えば、低い磁界強度で飽和する（ＲＢｉ）_３（ＦｅＧａＡｌ）_５Ｏ_１２のエピタキシャル成長膜では、１１００℃前後（９００℃〜１２００℃）で１時間以上（２０時間程度）熱処理を行うとよい。Ｂｉを含む膜は１２００℃以上で蒸発するため、高温にしすぎると膜が分解してファラデー回転能力が消失する。９００℃以下では異方性を低減するのに１０００時間以上かかり、実用的でない。
【００２７】
また、熱処理はＧＧＧ（Ｇｄ_３Ｇａ_５Ｏ_１２）などの単結晶基板を除去した状態で行う必要がある。こうして熱処理を施したガーネット膜を必要な厚さになるように複数枚張り合わせ、ファラデー素子として用いればよい。
【００２８】
したがって、上記構成によれば、損失変動、消光比劣化が少なくなり、再現性の高い偏波制御装置を実現できる。
図３にこの発明に係る第２の実施形態の構成を示す。但し、図３において図１と同一部分には同一符号を付して示し、その説明を省略する。
【００２９】
この実施形態では３つのコイル９ａ，９ｂ，９ｃを用い、それぞれのコイル９ａ，９ｂ，９ｃに流す電流を調整することにより、任意の方向の磁界を得ている。第１の実施形態では光軸方向の磁界を得るためには無限大の電流をコイル４に流す必要があり、実現が困難であるが、この実施形態では任意の方向の磁界が得られるという利点がある。例えば偏波スクランブラなどを構成する場合は、３つのコイル９ａ，９ｂ，９ｃに三相交流を与えればよい。
【００３０】
図４にこの発明に係る第３の実施形態の構成を示す。尚、図４において、図１と同一部分には同一符号を付して示し、その説明は省略する。
すなわち、第１及び第２の実施形態では、直線偏波の入力光を任意の直線偏波に変換する装置であるが、この実施形態は直線偏波の入力光を任意の偏波状態に変換もしくは任意の入力偏波を特定の直線偏波状態に変換する機能を有する。
【００３１】
このような機能を実現するため、この実施形態の偏波制御装置は、２つのファラデー素子３ａ，３ｂとこれらに光軸方向に磁界を与えるコイル４ａ，４ｂ、光軸に対して垂直方向の磁界を与える磁石５ａ，５ｂ、さらに波長板１０を備える。
【００３２】
ファイバ１から直線偏波が入力された場合、ファラデー素子３ａにより任意の直線偏波に変換できる。次に、波長板１０に入射すると、楕円偏波に変換される。楕円率は波長板１０の軸と偏波方向により決まるので、ファラデー素子３ａと波長板１０により任意の楕円率の楕円偏波を実現できる。
【００３３】
さらに、ファラデー素子３ｂによって楕円の長軸及び短軸をファラデー効果で回転させ、任意の楕円偏波に変換される。直線偏波、円偏波も楕円偏波の一種であるから、結局、任意の偏波状態に変換できる。一方、任意の偏波状態の入力に対しては上記の過程と逆になり、特定の直線偏波に変換できる。
【００３４】
尚、垂直方向の磁界を与える磁石は必ずしも２つで１組にする必要はなく、磁界強度や磁界の平行度はやや劣るが、図４のように１つの磁石で磁界を形成するようにしてもよい。
【００３５】
図５はこの発明に係る第４の実施形態として、図４のファラデー素子３ａ，３ｂをそれぞれ複数（図では２個）に分割したものである。ファラデー素子は面内の特性が均一であるとは限らず、強度変調度の大小や消光比などの特性にむらがある。そこで、複数枚のガーネット膜を張り合わせて一体にするよりは、複数枚のガーネット膜をそれぞれ単独で配置し、それぞれの素子の良好な部分を平行光ビームが透過するように調整したほうが良好な特性が得られる。
【００３６】
図５では図４のファラデー素子３ａに相当するものを３ｃ，３ｄに分割し、ファラデー素子３ｂに相当するものを３ｅ，３ｆに分割している。また、それぞれのファラデー素子３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆを駆動するコイル及び磁石も４ｃ〜４ｆと５ｃ〜５ｆに分割してある。
【００３７】
以上は偏波制御器として説明したが、勿論、偏波スクランブラとして用いることも可能である。この場合、損失変動が小さいことから、光受信器にノイズを与えることが少なく、また消光比劣化が小さいこと及び再現性が高いことから、残留偏光度の小さい偏波スクランブラが実現できる。
【００３８】
具体的には、図１の実施形態ではコイル４に正弦波状の交流信号を加え、ファラデー回転量をほぼ±７０°程度にすればよい。図３の実施形態では３つのコイル９ａ，９ｂ，９ｃの各短詩に三相交流を加えればよい。図４、図５の実施形態ではコイル４ａもしくは４ｃと４ｄに周波数ｆ１の交流信号を、また、コイル４ｂもしくはコイル４ｅと４ｆにｆ１とは異なる周波数ｆ２の交流信号を加えることにより、偏波スクランブラを実現することができる。
尚、この発明は上記実施形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形しても実施可能であることはいうまでもない。
【００３９】
【発明の効果】
以上詳述したようにこの発明によれば、損失変動及び消光比劣化が少なく、偏波状態の再現性が良好な偏波制御装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る偏波制御装置の第１の実施形態を示す構成図である。
【図２】同実施形態の動作原理を説明するためのベクトル図である。
【図３】この発明に係る偏波制御装置の第２の実施形態を示す構成図である。
【図４】この発明に係る偏波制御装置の第３の実施形態を示す構成図である。
【図５】この発明に係る偏波制御装置の第４の実施形態を示す構成図である。
【図６】従来の偏波制御装置を示す構成図である。
【符号の説明】
１，７…光ファイバ、２，６…レンズ、３，３ａ〜３ｆ…ファラデー素子、４，４ａ〜４ｆ…コイル、５ａ〜５ｆ…磁石。

Claims

平行光を入射してファラデー効果を与える強磁性体のファラデー素子と、
前記ファラデー素子の近傍に配置され、前記ファラデー素子の光軸と垂直方向に磁界を形成する磁石と、
前記ファラデー素子の近傍に配置され、駆動電流によって前記光軸と平行な磁界を形成するコイルとを具備し、
前記ファラデー素子を磁気的に飽和領域で用い、前記コイルに正弦波状の交流信号を加えファラデー回転量をほぼ±７０°にしたことを特徴とする偏波スクランブラ装置。
前記光ファラデー素子は、（Ｒｂｉ）₃（ＦｅＧａＡｌ）₅ Ｏ₁₂（Ｒはガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ホルミウム（Ｈｏ）及びイッテルビウム（Ｙｂ）からなる群より選択される少なくとも１つの希土類元素）のエピタキシャル成長膜を９００℃〜１２００℃で１時間以上熱処理を施したものであることを特徴とする請求項１記載の偏波スクランブラ装置。