JP3642840B2 - モニタリング用光デバイス - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的に、光増幅器に適用されるのに適したモニタリング用光デバイスに関し、さらに詳しくは、主光路上の光ビームからモニタ用ビームを分岐してこのモニタ用ビームのパワー等のパラメータを測定するために使用するモニタリング用光デバイスに関する。
【０００２】
長距離光増幅中継伝送システム等のような光増幅技術を応用した光通信システムにおいては、偏光依存性の排除が重要な技術的課題となっている。光増幅器へ入力する信号光の偏光状態は、送信光源として使用されるレーザダイオードからの直線偏光が光ファイバ伝送路を伝搬する間にファイバへの応力の印加や温度変化等の様々な擾乱を受ける結果、時間と共に変化する。ギガビット級の超高速な通信を行う上では、いかなる偏光状態においても安定な増幅特性が必要であり、そのためには、光増幅器或いは光増幅器に組み込まれる光回路には偏光依存性がないか或いは極めて小さいことが要求される。
【０００３】
【従来の技術】
従来、Ｅｒ（エルビウム）等の希土類元素がドープされたドープファイバと、ポンプ光を出力するポンプ光源と、ドープファイバの信号光入力端又は信号光出力端に接続されてポンプ光をドープファイバへ供給する光カプラとを備えた光増幅器が知られている。
【０００４】
この種の光増幅器において、ＡＬＣ（自動レベルコントロール）を行って光出力レベルを一定に保とうとする場合には、カプラ膜等を用いて主光路上の光ビームからモニタ用ビームを分岐し、モニタ用ビームのパワーを光／電気変換器によりその出力レベルに変換し、この出力レベルが一定になるようにポンプ光のパワーがフィードバック制御される。
【０００５】
上述のカプラ膜等を用いたモニタ用ビームの分岐比に偏光依存性があると、光増幅器の安定度が悪くなり、規格の光出力レベルを維持する事ができない。
モニタ用ビームの分岐比の偏光依存性を小さくするために、従来は、第１に、主光路にデポラライザを入れることが行われており、第２に入射角の小さいカプラ膜の使用が行われており、第３に特殊な膜材料或いは膜構成のカプラ膜の採用が行われている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、光通信に用いられるレーザダイオードの出力光のコヒーレンシーは高いので、これをデポラライズするには長大な複屈折材料が必要となり、大型でしかも高価格なデポラライザが必要になる。
【０００７】
入射角の小さいカプラ膜は、あとで詳しく説明するように装置の大型化を伴う。
特殊な膜材料又は膜構成の採用は、装置の高価格化を招くと共に、カプラ膜設計上の自由度を小さくし所望の分岐比を得ることが困難になるという問題を生じさせる。
【０００８】
よって、本発明の目的は、大型化を伴うことなしに偏光依存性を小さくすることができるモニタリング用光デバイスを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の側面によると、主光路上の光ビームからモニタ用ビームを分岐するビーム分岐手段と、該モニタ用ビームを受け、第１の偏波面を有する第１のビームと該第１の偏波面に垂直な第２の偏波面を有する第２のビームとに分離して出力する偏光ビームスプリッタと、中央部が高く該中央部から離れるに従って減少する結合効率のトレランスカーブを呈する受光領域を有し、該受光領域内に上記第１及び第２のビームが入るように設けられるモニタ用ポートとを備え、上記ビーム分岐手段における分岐比の偏光依存性が上記モニタ用ポートへの上記第１及び第２のビームの結合効率の差によって相殺されるように、上記偏光ビームスプリッタにおける上記第１及び第２のビームの分離条件並びに上記モニタ用ポートの配置位置が設定されるモニタリング用光デバイスが提供される。
【００１０】
本発明の第２の側面によると、主光路上の光ビームからモニタ用ビームを分岐するビーム分岐手段と、該モニタ用ビームの光路上に設けられ所定の偏波面を有する直線偏光成分を通過させる偏光子と、該偏光子を透過した光を受けるモニタ用ポートとを備え、該偏光子の主軸は、上記ビーム分岐手段における分岐比の偏光依存性を排除する方向であることを特徴とするモニタリング用光デバイスが提供される。
【００１１】
本発明の第１の側面によると、ビーム分岐手段における分岐比の偏光依存性がモニタ用ポートへの第１及び第２のビームの結合効率の差によって相殺されるようにしており、また、本発明の第２の側面によると、ビーム分岐手段における分岐比の偏光依存性を、各偏光に通過損失の差を与えて相殺するように偏光子が配置されるので、本発明の目的が達成される。
【００１２】
モニタ用ポートは、例えば、所定の受光径を有するフォトダイオード等の光／電気変換素子である。レンズを備えた光／電気変換素子をモニタ用ポートとして用いてもよいし、モニタ用ポートとして光ファイバの第１励振端を用い、この光ファイバの第２励振端に光／電気変換素子を接続してもよい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に従って詳細に説明する。
図１は本発明を適用可能な光増幅器のブロック図である。この光増幅器は、光送信機と、光受信機と、これらの間に敷設される光ファイバ伝送路とを備えた光通信システム（光通信装置）において光ファイバ伝送路の途中に設けられる光中継器に適用可能である。入力ポート２へ供給された増幅すべき信号光は、光カプラ４を介してドープファイバ６の第１端に入力される。ドープファイバ６にはＥｒ（エルビウム）等の希土類元素がドープされている。
【００１４】
レーザダイオード８からのポンプ光は、波長カプラ１０を介してドープファイバ６へその第２端から入力する。入力ポート２へ供給された信号光の入力レベルをモニタリングするために、光カプラ４で分岐された光はフォトダイオード１１で光／電気変換される。
【００１５】
ドープファイバ６内で増幅された信号光は、波長カプラ１０を介してモニタリング用光デバイス１２へ供給される。モニタリング用光デバイス１２は、主光路上の光ビームからモニタ用ビームを分岐するために、光カプラ１４を有している。波長カプラ１０と光カプラ１４の間には、光アイソレータ１６及び帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）１８がこの順に設けられている。
【００１６】
光アイソレータ１６は、光増幅媒体であるドープファイバ６を含む光共振器構造が構成されて発振等の不都合が生じることを防止するために設けられており、光帯域通過フィルタ１８は、主光路上の光ビームのうち信号光を選択的に透過させポンプ光及び自然放出光を除去するために設けられている。
【００１７】
光カプラ１４で分岐された光の一方は出力ポートＯＰから図示しない光ファイバ伝送路へ送出され、他方はモニタ用ポートＭＰへ供給される。
モニタ用ポートＭＰは、例えば、以下の説明で採用される光／電気変換素子としてのフォトダイオードであり、或いは、一方の接続端に光／電気変換素子が接続される光ファイバの他方のレンズ付接続端である。
【００１８】
図２は図１の光増幅器に適用可能な従来のモニタリング用光デバイスを示す図である。主光路上の光ビームは、この例では、それぞれ球レンズ等の凸レンズを有するファイバコリメータ２０及び２２間に形成される平行ビームとして提供される。ファイバコリメータ２０及び２２とモニタ用ポートＭＰ（図１参照）としてのフォトダイオード２４とは、ハウジング２６′の側壁に設けられている。
【００１９】
光アイソレータ１６、光帯域通過フィルタ１８及び光カプラ１４は主光路ＭＯＰ上にこの順に配置され、フォトダイオード２４は光カプラ１４の反射光路上に設けられている。尚、ファイバコリメータ２０は図１の波長カプラ１０の信号光出力ポートに接続され、ファイバコリメータ２２は図１の出力ポートＯＰに対応している。
【００２０】
図２のモニタリング用光デバイスでは、光カプラ１４における分岐比の偏光依存性を小さくするために、光カプラ１４への入射角を小さな値（例えば５°）にしている。その結果、光カプラ１４からフォトダイオード２４へ至る反射光路と主光路ＭＯＰとのなす角が小さくなり、フォトダイオード２４をファイバコリメータ２０の近傍に配置せざるを得ず、ハウジング２６′が大型化してしまう。
【００２１】
図３は本発明のモニタリング用光デバイスの第１実施形態を示す図である。このモニタリング用光デバイスは、図２のデバイスと同様図１の光増幅器に適用可能である。この実施形態では、図２の比較的大型なハウジング２６′に代えて小型なハウジング２６を使用するために、光カプラ１４における入射角をほぼ４５°に設定している。これにより、主光路ＭＯＰと光カプラ１４での反射光路とのなす角をほぼ９０°にすることができ、デバイスの小型化が可能になる。
【００２２】
光カプラ１４は、ガラス等からなる透明基板２８と、透明基板２８上に形成された誘電体多層膜等からなるカプラ膜３０とから構成されている。
カプラ膜３０への入射角が４５°程度である場合、カプラ膜３０における透過ビームと反射ビームの分岐比が入射ビームの偏光状態に依存して変化することが知られている。このような偏光依存性を小さくするために、この実施形態では偏光ビームスプリッタ３２をカプラ膜３０とフォトダイオード２４との間に配置している。
【００２３】
偏光ビームスプリッタ３２は、カプラ膜３０からの反射ビームであるモニタ用ビームを受け、これを互いに直交する偏波面を有する２つのビームに分離して出力する。そして、フォトダイオード２４が所定の受光径（例えば１００μｍ）を有していることにより生じる結合効率のトレランスカーブを考慮してフォトダイオード２４の配置位置を設定することによって、偏光ビームスプリッタ３２からフォトダイオード２４に入力する第１及び第２のビームの結合効率に差を生じさせ、これによりカプラ膜３０における分岐比の偏光依存性を相殺するようにしている。具体的には次の通りである。
【００２４】
図４は図３のモニタリング用光デバイスの主要部の配置説明図である。ビーム分岐手段はカプラ膜３０を含み、カプラ膜３０における入射角はほぼ４５°に設定されている。モニタ用ビームはカプラ膜３０における反射ビームである。
【００２５】
偏光ビームスプリッタ３２は、その結晶軸（光学軸）３２Ａがカプラ膜３０からの反射ビームに対して所定の角度θ（例えば４５°）だけ傾斜した複屈折平板からなる。フォトダイオード２４は、所定の受光径を有しており、この受光径によって例えば円形の受光領域２４Ａが画定される。符号２４Ｂ及び２４Ｃはフォトダイオード２４の出力端子を表している。
【００２６】
以下の説明では、カプラ膜３０への入射ビームのＳ波成分をＳ１とし、Ｐ波成分をＰ１とする。Ｓ波は電場ベクトルの振動面が入射面に対して垂直な直線偏光として定義され、Ｐ波は電場ベクトルの振動面が入射面に対して平行な直線偏光として定義される。
【００２７】
入射面は、入射光線と入射点における法線とを含む平面或いは入射光線と反射光線とを含む平面として定義される。
また、カプラ膜３０での反射ビームにおけるＳ波成分及びＰ波成分をそれぞれＳ２及びＰ２とし、偏光ビームスプリッタ３２で分岐される２つのビームのうちビームＳ２に対応するものをＳ３とし、ビームＰ２に対応するものをＰ３とする。
【００２８】
尚、ビームＳ１及びＰ１は実際には同じ位置にあり、ビームＳ２及びＰ２も同じ位置にあるが、図面の明瞭さを確保するために、これらはわずかにずらして図示されている。また、カプラ膜３０における透過ビームのＳ波成分をＳ４とし、Ｐ波成分をＰ４とする。
【００２９】
今、ビームＳ１に対するカプラ膜３０の透過率が９０％であるとすると、ビームＳ１に対するカプラ膜３０の反射率は原理的には１０％であり、ビームＳ１に対する光カプラ１４の分岐比は１０：９０となる。一方、ビームＰ１に対するカプラ膜の透過率及び反射率は例えばそれぞれ９２％及び８％であり、ビームＰ１に対する光カプラ１４の分岐比は８：９２となる。このようにカプラ膜３０における入射角がほぼ４５°と比較的大きい値であることにより分岐比の偏光依存性が生じているのである。
【００３０】
この偏光依存性をＳ波成分及びＰ波成分の比で定義するものとすると、透過ビームにおける偏光依存性は０．１ｄＢであるのに対して、反射ビームにおける偏光依存性は約１．０ｄＢとなる。このように偏光依存性が約１．０ｄＢもあると、反射ビームをそのままフォトダイオードで受けてその出力信号に基づきＡＬＣを正確に行うことはできない。
【００３１】
この実施形態では、カプラ膜３０での反射ビームを互いに直交する偏波面を有する２つのビームに分離するために、偏光ビームスプリッタ３２として複屈折平板を用いている。複屈折平板は均一厚みを有する例えばルチル結晶からなる。
【００３２】
複屈折平板は、ビームＳ２及びＰ２がそれぞれ複屈折平板の常光及び異常光に対応するように配置される。常光は複屈折平板内を直進して位置ずれせずにビームＳ３として出力し、異常光はビームＳ３とは異なる位置からビームＳ３と平行に出力する（ビームＰ３）。
【００３３】
ビームＳ３に対するビームＰ３のシフト量（位置ずれ量）をｄとすると、シフト量ｄは次式で与えられる。
ｄ＝ｔ（ｎｏ2 −ｎｅ2 ）ｔａｎθ／（ｎｏ2 ｔａｎ2 θ＋ｎｅ2 ）
ここで、ｔは複屈折平板の厚み、ｎｏ及びｎｅはそれぞれ複屈折平板における常光及び異常光の屈折率である。複屈折平板がルチルからなり、角度θが４５°である場合、シフト量ｄは複屈折平板の厚みｔのほぼ１／１０となる。即ち、厚み２００μｍのルチル板を使用すると、シフト量として約２０μｍが得られる。
【００３４】
図５は受光領域のトレランスカーブの例を示す図である。縦軸は結合効率、横軸は受光領域内における直線上の位置を表している。
受光領域の中央部において最大結合効率が得られ、この中央部から離れるに従って結合効率が次第に減少するようなトレランスカーブを呈していることが明らかである。例えば一般的なフォトダイオードにおいては、受光領域の中央部から約２０μｍ離れた位置における結合効率は最大結合効率よりも約１ｄＢ低い。
【００３５】
そこで、図４の実施形態では、カプラ膜３０での反射による分岐比が小さいビームＰ２に対応する位置ずれした異常光（ビームＰ３）がフォトダイオード２４の受光領域２４Ａのほぼ中央部に入射するようにする。こうすると、分岐比の大きいビームＳ２に対応するビームＳ３は受光領域２４Ａにおいて結合効率が最大結合効率よりも１ｄＢ小さい位置に入射し、カプラ膜３０における分岐比の偏光依存性がビームＳ３及びＰ３の受光素子２４に対する結合効率の差によって相殺され、偏光依存性をなくすことができる。
【００３６】
また、カプラ膜３０への入射角をほぼ４５°にしているので、このモニタリング用光デバイスを小型にすることができる。
このようにカプラ膜での反射ビームにおける偏光依存性がビームシフト量による結合効率の差に完全に対応するようにしておくことによって、モニタリング用光デバイスの偏光依存性をなくすことができるが、ビームシフトによる結合効率の差が反射ビームにおける偏光依存性に完全に対応していない場合であっても、本発明を適用することによってモニタリング用光デバイスの偏光依存性を小さくすることができる。
【００３７】
図４の実施形態では、ビームＳ２及びＰ２がそれぞれ複屈折平板の常光及び異常光に対応するようにしているが、ビームＳ２及びＰ２が複屈折平板の異常光及び常光にそれぞれ対応するように変更してもよい。この場合には、常光がフォトダイオードの受光領域の中央部に入射するようにフォトダイオードを配置する。
【００３８】
図６は本発明のモニタリング用光デバイスの第２実施形態を示す図である。この実施形態は、モニタ用ビームを受けるための光／電気変換素子として、大径の受光領域を有する太陽電池等の受光素子２４′を用い、これに伴って特定の偏光ビームスプリッタ３２′を用いている点で特徴付けられる。
【００３９】
受光素子２４′として用いることができる太陽電池は安価であり、例えば直径５ｍｍの受光領域を有している。この場合、本発明を実施するために偏光ビームスプリッタで分離される第１及び第２のビームのシフト量として１乃至２ｍｍを得ようとすると、偏光ビームスプリッタとして複屈折平板を用いた場合に１０乃至２０ｍｍの厚みが必要であり、偏光ビームスプリッタが高価になる。
【００４０】
そこで、この実施形態では、偏光分離膜を有する偏光ビームスプリッタを用いる。
即ち、偏光ビームスプリッタ３２′は、三角プリズム３４と、三角プリズム３４の斜面上に形成された偏光分離膜３６と、偏光分離膜３６を挟むように三角プリズム３４に固着された平行プリズム３８とを有している。
【００４１】
光カプラ１４のカプラ膜３０における主光路からの反射ビームが偏光分離膜３６に入射すると、紙面に平行な偏波面を有する偏光成分は偏光分離膜３６を透過しさらに三角プリズム３４を透過して受光素子２４′の受光領域の中央部に入射する。
【００４２】
一方、カプラ膜３０での反射ビームのうち紙面に垂直な偏波面を有する偏光成分は、偏光分離膜３６で反射し、さらに平行プリズム３８の全反射面で反射して受光素子２４′の受光領域における中央部から所定のシフト量だけ異なる位置に入射する。
【００４３】
こうすることによって、第１実施形態における動作原理に準じた原理に従って、カプラ膜３０における分岐比の偏光依存性が小さくなる乃至はなくなり、例えば光増幅器において良好にＡＬＣを実施することができるようになる。
【００４４】
図７は本発明のモニタリング用光デバイスの第３実施形態を示す図である。この実施形態では、入力側のファイバコリメータ２０と光アイソレータ１６との間に光カプラ４０を設け、ハウジング２６に固定されたファイバコリメータ４２を介して供給されるレーザダイオード４４からの監視光に基づくビームを主光路ＭＯＰ上のビームに結合している。
【００４５】
ファイバコリメータ２０から供給される信号光の波長は例えば１．５５μｍ帯にあり、監視光の波長は信号光とは異なる例えば１．６５μｍ帯にある。
監視光は、例えば、このモニタリング用光デバイスが適用される光中継器における監視情報を端局に伝送するために信号光に重畳されるものである。
【００４６】
このような監視光を重畳するための構成がモニタリング用光デバイスに付加されている場合、モニタ用ポートとしてのフォトダイオード２４を用いて正確なＡＬＣを行うためには、フォトダイオード２４の手前で監視光を除去することが望ましい。なぜなら、監視光がフォトダイオード２４に入力してしまうと、信号光の正確な出力レベルを検知することができず、ポンプ光パワーのフィードバック制御が不正確になるからである。
【００４７】
そこで、この実施形態では、フォトダイオード２４に入力する光から監視光を除去するために、偏光ビームスプリッタ３２と一体的に光帯域通過フィルタ４６を設けている。光帯域通過フィルタ４６は、図示されているように偏光ビームスプリッタ３２のモニタ用ビーム伝搬方向上流側に設けられていてもよいし、下流側に設けられていてもよい。
【００４８】
光帯域通過フィルタ４６は波長１．５５μｍ帯にある信号光を選択的に透過させ、それ以外の波長帯域にある監視光等の不要な光を除去する。従って、このような機能を有するものであれば、光帯域通過フィルタ以外にも光ハイパスフィルタや光ローパスフィルタも採用可能である。
【００４９】
図８は本発明のモニタリング用光デバイスの第４実施形態を示す図である。この実施形態は、本発明の第１の側面による第１乃至第３実施形態における偏光ビームスプリッタに代えて偏光子４８を設けている点で特徴付けられる。
【００５０】
偏光子４８はカプラ膜３０における反射ビーム（モニタ用ビーム）の光路上に設けられており、所定の偏波面を有する直線偏光成分を透過させる。そして、偏光子４８を透過した光がモニタ用ポートとしてのフォトダイオード２４に入射する。
【００５１】
偏光子４８は、カプラ膜３０における分岐比の偏光依存性が小さくなる乃至はなくなるように配置される。具体的には次の通りである。
図９は偏光子の配置の説明図である。図において、符号５０はカプラ膜３０（図８参照）における反射ビームの光路を示している。
【００５２】
また、光路５０に付随して示されているＳ及びＰは、それぞれ、カプラ膜３０での反射ビームにおけるＳ波成分及びＰ波成分を表している。また、符号４８Ａは偏光子４８の主軸（偏光子４８を透過する直線偏光の偏波面に平行な軸）を表している。
【００５３】
今、主軸４８ＡとＰ波成分の偏波面とがなす角をφとすると、
φ＝ｔａｎ-1（Ｒｐ／Ｒｓ）
となるように設定される。ここで、Ｒｐはカプラ膜３０におけるＰ波成分の反射率であり、Ｒｓはカプラ膜３０におけるＳ波成分の反射率である。
【００５４】
このような特定の配置形態で偏光子４８を設けておくことによって、カプラ膜３０におけるＳ波及びＰ波の反射率の違いを偏光子４８の透過率の違いで相殺することができ、カプラ膜３０における分岐比の偏光依存性を小さくし乃至はなくすことができる。また、本発明の第１の側面による場合と同様にカプラ膜への入射角をほぼ４５°に設定することができるので、モニタリング用光デバイスを小型にすることができる。
【００５５】
本発明の第１の側面による実施形態の説明においては、偏光ビームスプリッタから出力される第１及び第２のビームが互いに平行であるとしたが、本発明の第１の側面はこれに限定されない。例えば、偏光ビームスプリッタとして複屈折平板に代えて複屈折楔板を用い、第１及び第２のビームが互いに異なる方向へ分離して出力されるようにしてもよい。また、図６の第２実施形態においては、平行プリズム３８に代えて、偏光分離膜３６に対して平行でない全反射面を有するプリズムを用い、第１及び第２のビームが互いに異なる方向へ分離して出力されるようにしてもよい。
【００５６】
尚、本発明の第２の側面を実施する場合には、偏光子としては、ガラスに微細金属線を串状に溶け込ませたポーラガラスや誘電体と金属とを交互に積層させたラミポール等を用いることができる。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の第１又は第２の側面によると、大型化を伴うことなしに偏光依存性を小さくすることができるモニタリング用光デバイスの提供が可能になるという効果が生じる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用可能な光増幅器のブロック図である。
【図２】モニタリング用光デバイス（従来技術）を示す図である。
【図３】本発明のモニタリング用光デバイスの第１実施形態を示す図である。
【図４】図３のモニタリング用光デバイスの主要部の配置説明図である。
【図５】受光領域のトレランスカーブの例を示す図である。
【図６】本発明のモニタリング用光デバイスの第２実施形態を示す図である。
【図７】本発明のモニタリング用光デバイスの第３実施形態を示す図である。
【図８】本発明のモニタリング用光デバイスの第４実施形態を示す図である。
【図９】図８のモニタリング用光デバイスにおける偏光子の配置の説明図である。
【符号の説明】
６ ドープファイバ
１２ モニタリング用光デバイス
１４ 光カプラ
２４ フォトダイオード
３２，３２′ 偏光ビームスプリッタ
４８ 偏光子
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的に、光増幅器に適用されるのに適したモニタリング用光デバイスに関し、さらに詳しくは、主光路上の光ビームからモニタ用ビームを分岐してこのモニタ用ビームのパワー等のパラメータを測定するために使用するモニタリング用光デバイスに関する。
【０００２】
長距離光増幅中継伝送システム等のような光増幅技術を応用した光通信システムにおいては、偏光依存性の排除が重要な技術的課題となっている。光増幅器へ入力する信号光の偏光状態は、送信光源として使用されるレーザダイオードからの直線偏光が光ファイバ伝送路を伝搬する間にファイバへの応力の印加や温度変化等の様々な擾乱を受ける結果、時間と共に変化する。ギガビット級の超高速な通信を行う上では、いかなる偏光状態においても安定な増幅特性が必要であり、そのためには、光増幅器或いは光増幅器に組み込まれる光回路には偏光依存性がないか或いは極めて小さいことが要求される。
【０００３】
【従来の技術】
従来、Ｅｒ（エルビウム）等の希土類元素がドープされたドープファイバと、ポンプ光を出力するポンプ光源と、ドープファイバの信号光入力端又は信号光出力端に接続されてポンプ光をドープファイバへ供給する光カプラとを備えた光増幅器が知られている。
【０００４】
この種の光増幅器において、ＡＬＣ（自動レベルコントロール）を行って光出力レベルを一定に保とうとする場合には、カプラ膜等を用いて主光路上の光ビームからモニタ用ビームを分岐し、モニタ用ビームのパワーを光／電気変換器によりその出力レベルに変換し、この出力レベルが一定になるようにポンプ光のパワーがフィードバック制御される。
【０００５】
上述のカプラ膜等を用いたモニタ用ビームの分岐比に偏光依存性があると、光増幅器の安定度が悪くなり、規格の光出力レベルを維持する事ができない。
モニタ用ビームの分岐比の偏光依存性を小さくするために、従来は、第１に、主光路にデポラライザを入れることが行われており、第２に入射角の小さいカプラ膜の使用が行われており、第３に特殊な膜材料或いは膜構成のカプラ膜の採用が行われている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、光通信に用いられるレーザダイオードの出力光のコヒーレンシーは高いので、これをデポラライズするには長大な複屈折材料が必要となり、大型でしかも高価格なデポラライザが必要になる。
【０００７】
入射角の小さいカプラ膜は、あとで詳しく説明するように装置の大型化を伴う。
特殊な膜材料又は膜構成の採用は、装置の高価格化を招くと共に、カプラ膜設計上の自由度を小さくし所望の分岐比を得ることが困難になるという問題を生じさせる。
【０００８】
よって、本発明の目的は、大型化を伴うことなしに偏光依存性を小さくすることができるモニタリング用光デバイスを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の側面によると、主光路上の光ビームからモニタ用ビームを分岐するビーム分岐手段と、該モニタ用ビームを受け、第１の偏波面を有する第１のビームと該第１の偏波面に垂直な第２の偏波面を有する第２のビームとに分離して出力する偏光ビームスプリッタと、中央部が高く該中央部から離れるに従って減少する結合効率のトレランスカーブを呈する受光領域を有し、該受光領域内に上記第１及び第２のビームが入るように設けられるモニタ用ポートとを備え、上記ビーム分岐手段における分岐比の偏光依存性が上記モニタ用ポートへの上記第１及び第２のビームの結合効率の差によって相殺されるように、上記偏光ビームスプリッタにおける上記第１及び第２のビームの分離条件並びに上記モニタ用ポートの配置位置が設定されるモニタリング用光デバイスが提供される。
【００１０】
本発明の第２の側面によると、主光路上の光ビームからモニタ用ビームを分岐するビーム分岐手段と、該モニタ用ビームの光路上に設けられ所定の偏波面を有する直線偏光成分を通過させる偏光子と、該偏光子を透過した光を受けるモニタ用ポートとを備え、該偏光子の主軸は、上記ビーム分岐手段における分岐比の偏光依存性を排除する方向であることを特徴とするモニタリング用光デバイスが提供される。
【００１１】
本発明の第１の側面によると、ビーム分岐手段における分岐比の偏光依存性がモニタ用ポートへの第１及び第２のビームの結合効率の差によって相殺されるようにしており、また、本発明の第２の側面によると、ビーム分岐手段における分岐比の偏光依存性を、各偏光に通過損失の差を与えて相殺するように偏光子が配置されるので、本発明の目的が達成される。
【００１２】
モニタ用ポートは、例えば、所定の受光径を有するフォトダイオード等の光／電気変換素子である。レンズを備えた光／電気変換素子をモニタ用ポートとして用いてもよいし、モニタ用ポートとして光ファイバの第１励振端を用い、この光ファイバの第２励振端に光／電気変換素子を接続してもよい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に従って詳細に説明する。
図１は本発明を適用可能な光増幅器のブロック図である。この光増幅器は、光送信機と、光受信機と、これらの間に敷設される光ファイバ伝送路とを備えた光通信システム（光通信装置）において光ファイバ伝送路の途中に設けられる光中継器に適用可能である。入力ポート２へ供給された増幅すべき信号光は、光カプラ４を介してドープファイバ６の第１端に入力される。ドープファイバ６にはＥｒ（エルビウム）等の希土類元素がドープされている。
【００１４】
レーザダイオード８からのポンプ光は、波長カプラ１０を介してドープファイバ６へその第２端から入力する。入力ポート２へ供給された信号光の入力レベルをモニタリングするために、光カプラ４で分岐された光はフォトダイオード１１で光／電気変換される。
【００１５】
ドープファイバ６内で増幅された信号光は、波長カプラ１０を介してモニタリング用光デバイス１２へ供給される。モニタリング用光デバイス１２は、主光路上の光ビームからモニタ用ビームを分岐するために、光カプラ１４を有している。波長カプラ１０と光カプラ１４の間には、光アイソレータ１６及び帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）１８がこの順に設けられている。
【００１６】
光アイソレータ１６は、光増幅媒体であるドープファイバ６を含む光共振器構造が構成されて発振等の不都合が生じることを防止するために設けられており、光帯域通過フィルタ１８は、主光路上の光ビームのうち信号光を選択的に透過させポンプ光及び自然放出光を除去するために設けられている。
【００１７】
光カプラ１４で分岐された光の一方は出力ポートＯＰから図示しない光ファイバ伝送路へ送出され、他方はモニタ用ポートＭＰへ供給される。
モニタ用ポートＭＰは、例えば、以下の説明で採用される光／電気変換素子としてのフォトダイオードであり、或いは、一方の接続端に光／電気変換素子が接続される光ファイバの他方のレンズ付接続端である。
【００１８】
図２は図１の光増幅器に適用可能な従来のモニタリング用光デバイスを示す図である。主光路上の光ビームは、この例では、それぞれ球レンズ等の凸レンズを有するファイバコリメータ２０及び２２間に形成される平行ビームとして提供される。ファイバコリメータ２０及び２２とモニタ用ポートＭＰ（図１参照）としてのフォトダイオード２４とは、ハウジング２６′の側壁に設けられている。
【００１９】
光アイソレータ１６、光帯域通過フィルタ１８及び光カプラ１４は主光路ＭＯＰ上にこの順に配置され、フォトダイオード２４は光カプラ１４の反射光路上に設けられている。尚、ファイバコリメータ２０は図１の波長カプラ１０の信号光出力ポートに接続され、ファイバコリメータ２２は図１の出力ポートＯＰに対応している。
【００２０】
図２のモニタリング用光デバイスでは、光カプラ１４における分岐比の偏光依存性を小さくするために、光カプラ１４への入射角を小さな値（例えば５°）にしている。その結果、光カプラ１４からフォトダイオード２４へ至る反射光路と主光路ＭＯＰとのなす角が小さくなり、フォトダイオード２４をファイバコリメータ２０の近傍に配置せざるを得ず、ハウジング２６′が大型化してしまう。
【００２１】
図３は本発明のモニタリング用光デバイスの第１実施形態を示す図である。このモニタリング用光デバイスは、図２のデバイスと同様図１の光増幅器に適用可能である。この実施形態では、図２の比較的大型なハウジング２６′に代えて小型なハウジング２６を使用するために、光カプラ１４における入射角をほぼ４５°に設定している。これにより、主光路ＭＯＰと光カプラ１４での反射光路とのなす角をほぼ９０°にすることができ、デバイスの小型化が可能になる。
【００２２】
光カプラ１４は、ガラス等からなる透明基板２８と、透明基板２８上に形成された誘電体多層膜等からなるカプラ膜３０とから構成されている。
カプラ膜３０への入射角が４５°程度である場合、カプラ膜３０における透過ビームと反射ビームの分岐比が入射ビームの偏光状態に依存して変化することが知られている。このような偏光依存性を小さくするために、この実施形態では偏光ビームスプリッタ３２をカプラ膜３０とフォトダイオード２４との間に配置している。
【００２３】
偏光ビームスプリッタ３２は、カプラ膜３０からの反射ビームであるモニタ用ビームを受け、これを互いに直交する偏波面を有する２つのビームに分離して出力する。そして、フォトダイオード２４が所定の受光径（例えば１００μｍ）を有していることにより生じる結合効率のトレランスカーブを考慮してフォトダイオード２４の配置位置を設定することによって、偏光ビームスプリッタ３２からフォトダイオード２４に入力する第１及び第２のビームの結合効率に差を生じさせ、これによりカプラ膜３０における分岐比の偏光依存性を相殺するようにしている。具体的には次の通りである。
【００２４】
図４は図３のモニタリング用光デバイスの主要部の配置説明図である。ビーム分岐手段はカプラ膜３０を含み、カプラ膜３０における入射角はほぼ４５°に設定されている。モニタ用ビームはカプラ膜３０における反射ビームである。
【００２５】
偏光ビームスプリッタ３２は、その結晶軸（光学軸）３２Ａがカプラ膜３０からの反射ビームに対して所定の角度θ（例えば４５°）だけ傾斜した複屈折平板からなる。フォトダイオード２４は、所定の受光径を有しており、この受光径によって例えば円形の受光領域２４Ａが画定される。符号２４Ｂ及び２４Ｃはフォトダイオード２４の出力端子を表している。
【００２６】
以下の説明では、カプラ膜３０への入射ビームのＳ波成分をＳ１とし、Ｐ波成分をＰ１とする。Ｓ波は電場ベクトルの振動面が入射面に対して垂直な直線偏光として定義され、Ｐ波は電場ベクトルの振動面が入射面に対して平行な直線偏光として定義される。
【００２７】
入射面は、入射光線と入射点における法線とを含む平面或いは入射光線と反射光線とを含む平面として定義される。
また、カプラ膜３０での反射ビームにおけるＳ波成分及びＰ波成分をそれぞれＳ２及びＰ２とし、偏光ビームスプリッタ３２で分岐される２つのビームのうちビームＳ２に対応するものをＳ３とし、ビームＰ２に対応するものをＰ３とする。
【００２８】
尚、ビームＳ１及びＰ１は実際には同じ位置にあり、ビームＳ２及びＰ２も同じ位置にあるが、図面の明瞭さを確保するために、これらはわずかにずらして図示されている。また、カプラ膜３０における透過ビームのＳ波成分をＳ４とし、Ｐ波成分をＰ４とする。
【００２９】
今、ビームＳ１に対するカプラ膜３０の透過率が９０％であるとすると、ビームＳ１に対するカプラ膜３０の反射率は原理的には１０％であり、ビームＳ１に対する光カプラ１４の分岐比は１０：９０となる。一方、ビームＰ１に対するカプラ膜の透過率及び反射率は例えばそれぞれ９２％及び８％であり、ビームＰ１に対する光カプラ１４の分岐比は８：９２となる。このようにカプラ膜３０における入射角がほぼ４５°と比較的大きい値であることにより分岐比の偏光依存性が生じているのである。
【００３０】
この偏光依存性をＳ波成分及びＰ波成分の比で定義するものとすると、透過ビームにおける偏光依存性は０．１ｄＢであるのに対して、反射ビームにおける偏光依存性は約１．０ｄＢとなる。このように偏光依存性が約１．０ｄＢもあると、反射ビームをそのままフォトダイオードで受けてその出力信号に基づきＡＬＣを正確に行うことはできない。
【００３１】
この実施形態では、カプラ膜３０での反射ビームを互いに直交する偏波面を有する２つのビームに分離するために、偏光ビームスプリッタ３２として複屈折平板を用いている。複屈折平板は均一厚みを有する例えばルチル結晶からなる。
【００３２】
複屈折平板は、ビームＳ２及びＰ２がそれぞれ複屈折平板の常光及び異常光に対応するように配置される。常光は複屈折平板内を直進して位置ずれせずにビームＳ３として出力し、異常光はビームＳ３とは異なる位置からビームＳ３と平行に出力する（ビームＰ３）。
【００３３】
ビームＳ３に対するビームＰ３のシフト量（位置ずれ量）をｄとすると、シフト量ｄは次式で与えられる。
ｄ＝ｔ（ｎｏ2 −ｎｅ2 ）ｔａｎθ／（ｎｏ2 ｔａｎ2 θ＋ｎｅ2 ）
ここで、ｔは複屈折平板の厚み、ｎｏ及びｎｅはそれぞれ複屈折平板における常光及び異常光の屈折率である。複屈折平板がルチルからなり、角度θが４５°である場合、シフト量ｄは複屈折平板の厚みｔのほぼ１／１０となる。即ち、厚み２００μｍのルチル板を使用すると、シフト量として約２０μｍが得られる。
【００３４】
図５は受光領域のトレランスカーブの例を示す図である。縦軸は結合効率、横軸は受光領域内における直線上の位置を表している。
受光領域の中央部において最大結合効率が得られ、この中央部から離れるに従って結合効率が次第に減少するようなトレランスカーブを呈していることが明らかである。例えば一般的なフォトダイオードにおいては、受光領域の中央部から約２０μｍ離れた位置における結合効率は最大結合効率よりも約１ｄＢ低い。
【００３５】
そこで、図４の実施形態では、カプラ膜３０での反射による分岐比が小さいビームＰ２に対応する位置ずれした異常光（ビームＰ３）がフォトダイオード２４の受光領域２４Ａのほぼ中央部に入射するようにする。こうすると、分岐比の大きいビームＳ２に対応するビームＳ３は受光領域２４Ａにおいて結合効率が最大結合効率よりも１ｄＢ小さい位置に入射し、カプラ膜３０における分岐比の偏光依存性がビームＳ３及びＰ３の受光素子２４に対する結合効率の差によって相殺され、偏光依存性をなくすことができる。
【００３６】
また、カプラ膜３０への入射角をほぼ４５°にしているので、このモニタリング用光デバイスを小型にすることができる。
このようにカプラ膜での反射ビームにおける偏光依存性がビームシフト量による結合効率の差に完全に対応するようにしておくことによって、モニタリング用光デバイスの偏光依存性をなくすことができるが、ビームシフトによる結合効率の差が反射ビームにおける偏光依存性に完全に対応していない場合であっても、本発明を適用することによってモニタリング用光デバイスの偏光依存性を小さくすることができる。
【００３７】
図４の実施形態では、ビームＳ２及びＰ２がそれぞれ複屈折平板の常光及び異常光に対応するようにしているが、ビームＳ２及びＰ２が複屈折平板の異常光及び常光にそれぞれ対応するように変更してもよい。この場合には、常光がフォトダイオードの受光領域の中央部に入射するようにフォトダイオードを配置する。
【００３８】
図６は本発明のモニタリング用光デバイスの第２実施形態を示す図である。この実施形態は、モニタ用ビームを受けるための光／電気変換素子として、大径の受光領域を有する太陽電池等の受光素子２４′を用い、これに伴って特定の偏光ビームスプリッタ３２′を用いている点で特徴付けられる。
【００３９】
受光素子２４′として用いることができる太陽電池は安価であり、例えば直径５ｍｍの受光領域を有している。この場合、本発明を実施するために偏光ビームスプリッタで分離される第１及び第２のビームのシフト量として１乃至２ｍｍを得ようとすると、偏光ビームスプリッタとして複屈折平板を用いた場合に１０乃至２０ｍｍの厚みが必要であり、偏光ビームスプリッタが高価になる。
【００４０】
そこで、この実施形態では、偏光分離膜を有する偏光ビームスプリッタを用いる。
即ち、偏光ビームスプリッタ３２′は、三角プリズム３４と、三角プリズム３４の斜面上に形成された偏光分離膜３６と、偏光分離膜３６を挟むように三角プリズム３４に固着された平行プリズム３８とを有している。
【００４１】
光カプラ１４のカプラ膜３０における主光路からの反射ビームが偏光分離膜３６に入射すると、紙面に平行な偏波面を有する偏光成分は偏光分離膜３６を透過しさらに三角プリズム３４を透過して受光素子２４′の受光領域の中央部に入射する。
【００４２】
一方、カプラ膜３０での反射ビームのうち紙面に垂直な偏波面を有する偏光成分は、偏光分離膜３６で反射し、さらに平行プリズム３８の全反射面で反射して受光素子２４′の受光領域における中央部から所定のシフト量だけ異なる位置に入射する。
【００４３】
こうすることによって、第１実施形態における動作原理に準じた原理に従って、カプラ膜３０における分岐比の偏光依存性が小さくなる乃至はなくなり、例えば光増幅器において良好にＡＬＣを実施することができるようになる。
【００４４】
図７は本発明のモニタリング用光デバイスの第３実施形態を示す図である。この実施形態では、入力側のファイバコリメータ２０と光アイソレータ１６との間に光カプラ４０を設け、ハウジング２６に固定されたファイバコリメータ４２を介して供給されるレーザダイオード４４からの監視光に基づくビームを主光路ＭＯＰ上のビームに結合している。
【００４５】
ファイバコリメータ２０から供給される信号光の波長は例えば１．５５μｍ帯にあり、監視光の波長は信号光とは異なる例えば１．６５μｍ帯にある。
監視光は、例えば、このモニタリング用光デバイスが適用される光中継器における監視情報を端局に伝送するために信号光に重畳されるものである。
【００４６】
このような監視光を重畳するための構成がモニタリング用光デバイスに付加されている場合、モニタ用ポートとしてのフォトダイオード２４を用いて正確なＡＬＣを行うためには、フォトダイオード２４の手前で監視光を除去することが望ましい。なぜなら、監視光がフォトダイオード２４に入力してしまうと、信号光の正確な出力レベルを検知することができず、ポンプ光パワーのフィードバック制御が不正確になるからである。
【００４７】
そこで、この実施形態では、フォトダイオード２４に入力する光から監視光を除去するために、偏光ビームスプリッタ３２と一体的に光帯域通過フィルタ４６を設けている。光帯域通過フィルタ４６は、図示されているように偏光ビームスプリッタ３２のモニタ用ビーム伝搬方向上流側に設けられていてもよいし、下流側に設けられていてもよい。
【００４８】
光帯域通過フィルタ４６は波長１．５５μｍ帯にある信号光を選択的に透過させ、それ以外の波長帯域にある監視光等の不要な光を除去する。従って、このような機能を有するものであれば、光帯域通過フィルタ以外にも光ハイパスフィルタや光ローパスフィルタも採用可能である。
【００４９】
図８は本発明のモニタリング用光デバイスの第４実施形態を示す図である。この実施形態は、本発明の第１の側面による第１乃至第３実施形態における偏光ビームスプリッタに代えて偏光子４８を設けている点で特徴付けられる。
【００５０】
偏光子４８はカプラ膜３０における反射ビーム（モニタ用ビーム）の光路上に設けられており、所定の偏波面を有する直線偏光成分を透過させる。そして、偏光子４８を透過した光がモニタ用ポートとしてのフォトダイオード２４に入射する。
【００５１】
偏光子４８は、カプラ膜３０における分岐比の偏光依存性が小さくなる乃至はなくなるように配置される。具体的には次の通りである。
図９は偏光子の配置の説明図である。図において、符号５０はカプラ膜３０（図８参照）における反射ビームの光路を示している。
【００５２】
また、光路５０に付随して示されているＳ及びＰは、それぞれ、カプラ膜３０での反射ビームにおけるＳ波成分及びＰ波成分を表している。また、符号４８Ａは偏光子４８の主軸（偏光子４８を透過する直線偏光の偏波面に平行な軸）を表している。
【００５３】
今、主軸４８ＡとＰ波成分の偏波面とがなす角をφとすると、
φ＝ｔａｎ-1（Ｒｐ／Ｒｓ）
となるように設定される。ここで、Ｒｐはカプラ膜３０におけるＰ波成分の反射率であり、Ｒｓはカプラ膜３０におけるＳ波成分の反射率である。
【００５４】
このような特定の配置形態で偏光子４８を設けておくことによって、カプラ膜３０におけるＳ波及びＰ波の反射率の違いを偏光子４８の透過率の違いで相殺することができ、カプラ膜３０における分岐比の偏光依存性を小さくし乃至はなくすことができる。また、本発明の第１の側面による場合と同様にカプラ膜への入射角をほぼ４５°に設定することができるので、モニタリング用光デバイスを小型にすることができる。
【００５５】
本発明の第１の側面による実施形態の説明においては、偏光ビームスプリッタから出力される第１及び第２のビームが互いに平行であるとしたが、本発明の第１の側面はこれに限定されない。例えば、偏光ビームスプリッタとして複屈折平板に代えて複屈折楔板を用い、第１及び第２のビームが互いに異なる方向へ分離して出力されるようにしてもよい。また、図６の第２実施形態においては、平行プリズム３８に代えて、偏光分離膜３６に対して平行でない全反射面を有するプリズムを用い、第１及び第２のビームが互いに異なる方向へ分離して出力されるようにしてもよい。
【００５６】
尚、本発明の第２の側面を実施する場合には、偏光子としては、ガラスに微細金属線を串状に溶け込ませたポーラガラスや誘電体と金属とを交互に積層させたラミポール等を用いることができる。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の第１又は第２の側面によると、大型化を伴うことなしに偏光依存性を小さくすることができるモニタリング用光デバイスの提供が可能になるという効果が生じる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用可能な光増幅器のブロック図である。
【図２】モニタリング用光デバイス（従来技術）を示す図である。
【図３】本発明のモニタリング用光デバイスの第１実施形態を示す図である。
【図４】図３のモニタリング用光デバイスの主要部の配置説明図である。
【図５】受光領域のトレランスカーブの例を示す図である。
【図６】本発明のモニタリング用光デバイスの第２実施形態を示す図である。
【図７】本発明のモニタリング用光デバイスの第３実施形態を示す図である。
【図８】本発明のモニタリング用光デバイスの第４実施形態を示す図である。
【図９】図８のモニタリング用光デバイスにおける偏光子の配置の説明図である。
【符号の説明】
６ ドープファイバ
１２ モニタリング用光デバイス
１４ 光カプラ
２４ フォトダイオード
３２，３２′ 偏光ビームスプリッタ
４８ 偏光子
Claims (5)
- 主光路上の光ビームからモニタ用ビームを分岐するビーム分岐手段と、
該モニタ用ビームを受け、第１の偏波面を有する第１のビームと該第１の偏波面に垂直な第２の偏波面を有する第２のビームとに分離して出力する偏光ビームスプリッタと、
中央部が高く該中央部から離れるに従って減少する結合効率のトレランスカーブを呈する受光領域を有し、該受光領域内に上記第１及び第２のビームが入るように設けられるモニタ用ポートとを備え、
上記ビーム分岐手段における分岐比の偏光依存性が上記モニタ用ポートへの上記第１及び第２のビームの結合効率の差によって相殺されるように、上記偏光ビームスプリッタにおける上記第１及び第２のビームの分離条件並びに上記モニタ用ポートの配置位置が設定されるモニタリング用光デバイス。 - 上記ビーム分岐手段は透明基板上に形成されたカプラ膜からなり、
上記モニタ用ビームは上記カプラ膜における反射ビームであり、
上記偏光ビームスプリッタはその結晶軸が上記反射ビームに対して所定の角度だけ傾斜した複屈折平板であり、
上記第１及び第２の偏波面は上記主光路上の光ビームと上記反射ビームとによって定義される上記カプラ膜の入射面に対してそれぞれ垂直及び平行であり、
上記第１及び第２のビームはそれぞれ上記複屈折平板の常光及び異常光のうちの一方及び他方に相当し、
該常光及び異常光が上記複屈折平板から互いに平行に出力するように上記分離条件が設定される請求項１記載のモニタリング用光デバイス。 - 上記モニタ用ポートは所定の受光径を有する光／電気変換素子である請求項１記載のモニタリング用光デバイス。
- 上記偏光ビームスプリッタは第１及び第２のプリズムと該第１及び第２のプリズム間に介在する偏光分離膜とからなり、
該第１及び第２のプリズムは上記第１及び第２のビームが互いに平行になるような形状を有している請求項３記載のモニタリング用光デバイス。 - 請求項１乃至４のいずれかに記載の光デバイスを有することを特徴とする光増幅器又は光通信装置。
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