JP3602891B2

JP3602891B2 - ファラデ回転ミラー

Info

Publication number: JP3602891B2
Application number: JP17476195A
Authority: JP
Inventors: 由紀子古堅; 通孝奥田; 義之重岡
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1995-07-11
Filing date: 1995-07-11
Publication date: 2004-12-15
Anticipated expiration: 2015-07-11
Also published as: JPH0926556A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、光ファイバセンサーシステムあるいは光増幅システム等に用いられ、これらのシステムを安定して動作させるために用いる光受動部品のファラデ回転ミラーに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバセンサーは、系の経路が主として光ファイバで構成され、検知要素を光路のどこかにもつもので、検知要素は測定したい量によって何らかの光学的な特性が変化を受けるものである。例えば、シングルモードファイバを検知要素として用いる場合、振動、圧力、温度、電界、磁界、音波等の外力を検知する事ができ、これらの外力による光ファイバの光路長の変化をファイバ干渉計によって検出する。
【０００３】
このような光ファイバセンサーにおいては、光ファイバ中の複屈折による光の偏波状態の偶発的な変化により、出力干渉縞のゆらぎ、信号の消滅が発生することが問題となる。
【０００４】
このような問題に対し、ファイバ干渉計の一部にファラデ回転ミラーを使用することが提案されている。このファラデ回転ミラーは、光ファイバ中の複屈折により発生する偏波状態の変動を除去し、任意の入力偏波状態を保存する光部品である。
【０００５】
図６に従来のファラデ回転ミラー１１の構成を示す。ファラデ回転ミラー１１は光ファイバ１２、結合用レンズ１３、ファラデ回転子１４、全反射ミラー１５、磁石６を用いた構成である。
【０００６】
図６において、ファラデ回転子１４はビスマス置換ガーネット等で形成されており、磁石６によって光軸方向に平行な方向にガーネットの飽和磁界強度以上の磁界が加えられている。また、その厚みは入射した光の偏波方向を４５°回転させるように調整されている。
【０００７】
全反射ミラー１５は、光ファイバ１２から出射された光が全反射ミラーで反射されるように配設されている。また、結合用レンズ１３は、全反射ミラーで反射した光が再び光ファイバ１２に効率よく結合するように配設されている。
【０００８】
図７は光ファイバ１２の方向からみた、ファラデ回転ミラー１１内の光の偏波の状態を説明する図である。以下図７を用いてファラデ回転ミラー１１の動作原理について説明する。なお、便宜上、光ファイバ１２から出射した光を入射光と呼び、全反射ミラーで反射された光を反射光と呼び、入射光方向を順方向と呼び、反射光方向を逆方向と呼ぶ。また入射偏波方向を一直線偏波としたが、本説明はこれに限ることなく、任意の偏波方向に適応される。
【０００９】
まず、光ファイバ１２から出射した入射光（図７−ａ）はファラデ回転子１４を透過し、その偏波方向が順方向からみて時計まわりに４５°回転させられる（図７−ｂ）。その後、全反射ミラー１５で反射された反射光は、再び逆方向からファラデ回転子１４に入射する（図７−ｃ）。ファラデ回転子１４を逆方向に透過した反射光はさらにその偏波方向を順方向からみて時計まわりに４５°回転させられ、光ファイバ１２に入射する（図７−ｄ）。
【００１０】
その結果、ファラデ回転ミラー１１の反射光は、入射光に対して直交する偏波方向となり、入射光がうけたのとちょうど逆の複屈折をうけるため、任意の入力偏波状態に対して出力偏波状態はそれと直交する状態に安定化される。
【００１１】
図６、図７に示すような従来のファラデ回転ミラー１１は、光ファイバセンサーシステムの他、光ファイバ増幅システムにも応用されている。光ファイバ増幅システムは、一般にエルビウムをドープしたシングルモードファイバを数１０〜数１００ｍ用いているために、光ファイバ中の複屈折により偏波状態が変化するという問題、さらには長距離光ファイバ通信システムで信号波形劣化をもたらす偏波モード分散という問題があるが、ファラデ回転ミラー１１を用いることによりそれらが補償され、安定した出力を得ることができる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来のファラデ回転ミラー１１においては、以下のような問題点があった。
【００１３】
（１）部品点数が多く、装置が大型化する。
【００１４】
（２）各構成部品を精密に光学調整しなければならないため、工程数が多く組立が煩雑であり製作に時間がかかる。
【００１５】
（３）反射光に、各光学部品端面からの不要反射光が混じり、これがファラデ回転ミラーの特性を低下させる原因となる。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、光ファイバと、ファラデ回転子と、全反射ミラーとが順次配設されてなるファラデ回転ミラーにおいて、光ファイバはコア拡大ファイバからなり、かつファラデ回転子の一面に全反射ミラー膜を形成したファラデ回転ミラーとしたものである。
【００１７】
さらには、コア拡大ファイバの端面を光軸に垂直な面に対し傾斜させ、かつテーパー形状のファラデ回転子を用いたファラデ回転ミラーとしたものである。
さらには、コア拡大ファイバをフェルールに保持し、コア拡大ファイバおよびフェルールとファラデ回転子の全反射ミラー膜形成面の対向面とが、光学接着剤を介して密着させるファラデ回転ミラー、あるいは複数本のコア拡大ファイバを基板に保持し、複数本のコア拡大ファイバ及び基板とファラデ回転子の全反射ミラー膜形成面の対向面とが光学接着剤を介して密着されるファラデ回転ミラーとしたものである。
【００１８】
【作用】
本発明によれば、レンズ作用の有するコア拡大ファイバを用い、しかもファラデ回転子の一面に全反射ミラー膜を形成することによって、光軸調整が容易となり、部品点数が削減される。
【００１９】
さらに、コア拡大ファイバの端面を光軸に垂直な面に対し傾斜させ、かつテーパー形状のファラデ回転子を用いることによって、不要反射光が非常に少なく、挿入損失も小さい高特性のファラデ回転ミラーが実現する。
【００２０】
さらに、コア拡大ファイバとファラデ回転子とを光学接着剤を介して密着させることによって、組立容易で、小型のファラデ回転ミラーが実現する。
【００２１】
【実施例】
以下図面を用いて本発明の実施例を説明する。
【００２２】
図１は、本発明のファラデ回転ミラーを示す構成概略図であり、ファラデ回転ミラー１は、コア拡大ファイバ２、テーパー状ファラデ回転子４、全反射ミラー膜５、磁石６よりなる。
【００２３】
磁石６は、円筒型の磁石で内部のテーパー状ファラデ回転子４に光軸と平行な飽和磁界を与える。
【００２４】
テーパー状ファラデ回転子４は、ビスマス置換ガーネット結晶等が用いられ、その厚さは入射光の偏波方向が４５°回転するように調整されている。
【００２５】
全反射ミラー膜５は、多層誘電体からなり、テーパー状ファラデ回転子４の一面に直接形成されている。この多層誘電体からなる全反射ミラー膜５は、光の損失が小さく、９９％以上の反射率を有する。本実施例では、テーパー状ファラデ回転子４に全反射ミラー膜５を直接形成することにより、部品点数の削減が実現する。
【００２６】
図１において、コア拡大ファイバ２の端面をＡ面、テーパー状ファラデ回転子４のコア拡大ファイバ２に対面する一面をＢ面、テーパー状ファラデ回転子４の全反射ミラー膜が形成される面をＣ面とし、本発明の構成について説明する。
【００２７】
Ａ面は、コア拡大ファイバ２の光軸に垂直な面に対しα度傾斜しており、さらにテーパー状ファラデ回転子４のＢ面は、Ａ面に略平行となるように設置されている。また、テーパー状ファラデ回転子４のテーパー形状は、コア拡大ファイバ２の光軸に垂直な面に対して、Ｃ面がβ度傾斜した形状とする。Ｃ面の傾斜角β度は、テーパー状ファラデ回転子４内を透過する入射光と反射光が同一の光路をとるように設定され、スネルの法則によりβ度は数１で決定する値となる。
【００２８】
【数１】

【００２９】
ここで、Ｎｃはコア拡大ファイバ２の屈折率（クラッド又はコアの屈折率、あるいはこれらの平均であっても、β度の製造精度、組み立て精度等の製造精度上、得られる製品は実質上大差なし）、Ｎｆはテーパー状ファラデ回転子４の屈折率である。
【００３０】
次に、ファラデ回転ミラー１の動作について説明する。
【００３１】
入射光は、Ａ面、Ｂ面でそれぞれスネルの法則に従う方向に進行し、テーパー状ファラデ回転子４を透過し、その偏波方向を４５度回転させられ、全反射ミラー膜Ｃ面で反射される。Ｃ面は数１で決定された角度β度に設定されているので、テーパー状ファラデ回転子４内で反射光は入射光と同じ光路を通り、偏波方向をさらに４５度回転させられ透過する。さらにＢ面、Ａ面でも反射光は可逆的に進行し、コア拡大ファイバ２に入射する。
【００３２】
ここで、Ａ面およびＢ面における不要反射光は、光軸に対して２α度以上の角度ズレをもって反射されるため、コア拡大ファイバ２にほとんど結合せず、不要反射光は除去される。
【００３３】
以上説明した通り、Ｃ面からの反射光は入射光と同じ光路を通り、屈折による入射軸ズレや角度ズレが発生しないため、コア拡大ファイバ２に効率良く入射する。Ａ面およびＢ面で発生する不要反射光は、光軸に対し２α度以上の角度ズレをもって反射されるためコア拡大ファイバ２にほとんど入射しない。従って、挿入損失が小さく、不要反射光の非常に少ない高特性のファラデ回転ミラーが実現する。
【００３４】
図２は、コア拡大ファイバ２の断面図であり、コア２１、クラッド２２よりなり、図示するように、拡大前のコア２１の直径をＤ、拡大後のコア２１の直径をＷとする。このコア拡大ファイバ２の構造は、通常のシングルモードファイバのコアの径がテーパ状に拡大され、終端部で伝送路の３倍から４倍のコア径Ｗを有している。このコア径の拡大は光ファイバコア２１に含まれるドーパントを熱拡散して実現し、コア拡大領域の屈折率分布は未拡大部より屈折率が小さくなる。コア拡大ファイバ２の特性計算値を図３に示す。図３（ａ）は、同じコア径を有する２本のコア拡大ファイバ２のコア拡大領域を対向させて、ファイバ間距離Ｚとした構成図を示し、図３（ｂ）は、波長１．５５μｍの光を結合させた場合の、ファイバ間距離Ｚと接続損失量の関係を示している。
【００３５】
図３（ｂ）中の曲線は、コア拡大率Ｗ／Ｄ＝１倍、２倍、３倍、４倍の場合について計算した結果である。接続損失はコア拡大率が大きいほど小さくなり、光ファイバ間距離Ｚのトレランス特性が向上することがわかる。
【００３６】
すなわち、通常のシングルモードファイバ（コア拡大率１倍）の場合には、光ファイバ間距離Ｚが大きくなると急激に接続損失が増大するので、レンズを用いて損失を小さくする必要があることがわかる。また、例えば４倍のコア拡大ファイバを用いると、ファイバ間距離Ｚ＝８００μｍでも接続損失は１ｄＢ程度で、レンズを使用しなくても接続損失の小さい結合が可能であることがわかる。
【００３７】
このようにコア拡大ファイバ２を用いれば、２本のコア拡大ファイバ２間にファラデ回転子４を挿入しても、光ファイバ間距離に起因する接続損失を小さく押さえることができる。また、レンズ無しで構成されるので、光学調整が容易で、部品点数が削減される。
図４は、本発明の第２の実施例を示し、ファラデ回転ミラー１０を示す断面概略図である。
【００３８】
フェルール３は、コア拡大ファイバ２を保持するものである（２’はファイバの被覆）。また、コア拡大ファイバ２およびフェルール３は、テーパー状ファラデ回転子４との接触端面を、光軸に垂直な面に対してα度斜め研磨されている。さらにテーパー状ファラデ回転子４の全反射ミラー膜５は、その対向面に対し数１で決定される角度β度を有する。
【００３９】
また、フェルール３およびそのフェルール３に保持されたコア拡大ファイバ２の端面と、テーパー状ファラデ回転子４の全反射ミラー膜５の対向面とは、光学接着剤７を介して密着されている。この光学接着剤７は光学的に透明で、屈折率がコア拡大ファイバ２のコアの屈折率に近いものを用いることが望ましい。光学接着剤としては、例えば、光硬化性接着剤、熱硬化性接着剤、あるいは低融点ガラス等がある。
【００４０】
また、本実施例に示すように、コア拡大ファイバ２とテーパー状ファラデ回転子４を密着させると、ファイバ間距離Ｚが短くなるために、ファラデ回転ミラーの挿入損失がより小さくできる（図３（ｂ）参照）。また、斜め研磨したフェルール３の端面に直接テーパー状ファラデ回転子４を接着したので、ファラデ回転子４を保持するファラデ回転子ホルダーを用いる必要がなくなり、組立調整が不要で、より部品点数が少ないファラデ回転ミラーを構成できる。
【００４１】
なお、ファラデ回転ミラー１０の挿入損失は、コア拡大ファイバ２の終端のコア径Ｗと、ファイバ間接続距離Ｚと、ファラデ回転子４の損失Ｌと、全反射ミラー膜５の反射率Ｒにより計算できる。例えば、実効厚さ１７０μｍのファラデ回転子４を用いて、ファイバ間接続距離Ｚ＝３４０μｍ、コア径Ｗ＝４０μｍ、損失Ｌ＝０．１ｄＢ、反射率Ｒ＝９９％として図４に示すファラデ回転ミラー１０を構成した場合、その挿入損失は約０．５ｄＢとなり、従来のようにレンズを用いずに十分低い挿入損失が実現することが判る。
【００４２】
また、コア拡大ファイバの研磨角α＝２度とし、数１より求めたファラデ回転子４のテーパー角β＝１．２４度として、上述の構成のファラデ回転ミラー１０を作製したところ、不要反射光は４５ｄＢとなった。従来のファラデ回転ミラーの不要反射光は３５ｄＢ程度であり、本発明により不要反射光量は１０ｄＢの改善がされた。
【００４３】
図５は、本発明の第３の実施例を示し、複数の入出力ポートを有するファラデ回転ミラー２０の斜視概略図である。
【００４４】
基板３０は、複数のコア拡大ファイバ２を保持するための基板であり、Ｖ溝基板３０ａとカバー３０ｂとからなる。また、その基板３０のテーパー状ファラデ回転子４との接触端面は光軸に垂直な面に対しα度斜め研磨されており、コア拡大ファイバ２および基板３０とテーパー状ファラデ回転子４の全反射ミラー膜５の対向面とが、光学接着剤７を介して密着している。さらにテーパー状ファラデ回転子４の全反射ミラー膜５は、その対向面に対し数１で決定される角度β度を有する。
【００４５】
本実施例によれば、複数のコア拡大ファイバ２を基板３０で保持してファラデ回転ミラー２０を構成することにより、組立が簡略化でき、また、ファラデ回転ミラー２０をシステムに組み込んだ場合の省スペース化が実現する。さらにコア拡大ファイバの端面の研磨状態が一定で、同一のファラデ回転子４を用いるために、本実施例のファラデ回転ミラー２０は各ポート（各コア拡大ファイバ２毎）で均一な特性を得ることができる。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のファラデ回転ミラーによれば、ファラデ回転子と全反射ミラーとを一体化することにより、部品点数の削減が実現する。さらにコア拡大ファイバを用いることにより、光ファイバ間距離に起因する接続損失を小さく押さえることができる。また、レンズ無しで構成されるので、光学調整が容易で、さらに部品点数が削減される。
さらに、コア拡大ファイバの端面を光軸に垂直な面に対し傾斜させ、かつテーパー形状のファラデ回転子を用いることによって、不要反射光が非常に少なく、挿入損失も小さい高特性のファラデ回転ミラーが実現する。
【００４７】
また、コア拡大ファイバとテーパー状ファラデ回転子を密着させることにより、ファイバ間距離Ｚが短くなるために、ファラデ回転ミラーの挿入損失がさらに小さくでき、しかもより部品点数が少ないファラデ回転ミラーを構成できる。
【００４８】
また、複数のコア拡大ファイバを基板で保持してファラデ回転ミラーを構成することにより、組立が簡略化でき、また、ファラデ回転ミラーをシステムに組み込んだ場合の省スペース化が実現する。さらにコア拡大ファイバの端面の研磨状態が一定で、同一のテーパー状ファラデ回転子を用いるために、ファラデ回転ミラーは各ポートで均一な特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のファラデ回転ミラーを示す構成概略図である。
【図２】コア拡大ファイバを示す断面図である。
【図３】コア拡大ファイバの接続実験例を示し、（ａ）は構成図、（ｂ）は特性計算値を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施例を示す断面概略図である。
【図５】本発明の第３の実施例を示す斜視概略図である。
【図６】従来のファラデ回転ミラーの構成概略図である。
【図７】従来のファラデ回転ミラーの動作原理を説明する図である。
【符号の説明】
１、１０、１１、２０・・・ファラデ回転ミラー
２・・・コア拡大ファイバ
３・・・フェルール
４・・・テーパー状ファラデ回転子
５、１５・・・全反射ミラー膜
６、１６・・・磁石
７・・・光学接着剤
１２・・・光ファイバ
１３・・・結合用レンズ
１４・・・ファラデ回転子
２１・・・コア
２２・・・クラッド
３０・・・基板
３０ａ・・・Ｖ溝基板
３０ｂ・・・カバー

Claims

終端部のコアが拡大されているコア拡大ファイバと、一の面に全反射ミラー膜が形成されたファラデ回転子とが具備され、前記コア拡大ファイバの端面にファラデ回転子が全反射ミラー膜の形成面に対向する面を対面させ、前記コア拡大ファイバの光軸に垂直な面に対しコア拡大ファイバの端面はα度傾斜し、
前記ファラデ回転子は全反射ミラー膜の形成面とその対向面とが傾斜するテーパー形状を有し、全反射ミラー膜の形成面とその対向面がそれぞれ前記光軸に垂直な面に対し、コア拡大ファイバからの入射光が全反射ミラー膜で反射され入射光路上を逆方向に進むように設定及び配設されていることを特徴とするファラデ回転ミラー。
前記コア拡大ファイバの屈折率をＮｃ、ファラデ回転子の屈折率をＮｆとし、
前記ファラデ回転子は、全反射ミラー膜形成面の対向面が前記光軸に垂直な面に対しα度傾斜した端面に略平行に、かつ全反射ミラー膜形成面が前記光軸に垂直な面に対し下記の式に基づいて設定した略β度傾斜して配設されるテーパー形状を有することを特徴とする請求項１に記載のファラデ回転ミラー。
前記コア拡大ファイバがフェルール内に保持され、このフェルールの端面がコア拡大ファイバ終端部を含み前記光軸に垂直な面に対し傾斜角αに研磨され、この研磨された端面に前記ファラデー回転子が全反射ミラー膜形成面の対向面を光学接着剤で密着されていることを特徴とする請求項１、２に記載のファラデー回転ミラー。
前記コア拡大ファイバが複数本、Ｖ溝等のファイバ整列構造を有する整列基板に保持され、この整列基板の端面が各コア拡大ファイバ終端部を含み前記光軸に垂直な面に対し傾斜角αに研磨され、この研磨された端面に前記ファラデー回転子が全反射ミラー膜形成面の対向面を光学接着剤で密着されていることを特徴とする請求項１、２に記載のファラデー回転ミラー。
前記ファラデー回転子が一枚で構成され、全反射ミラー膜形成面の対向面を複数本のコア拡大ファイバ全端面に対面密着させていることを特徴とする請求項４に記載のファラデー回転ミラー。