JP3647400B2

JP3647400B2 - 複合光学素子

Info

Publication number: JP3647400B2
Application number: JP2001250109A
Authority: JP
Inventors: 健次郎秦; 吉徳佐藤
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2001-08-21
Filing date: 2001-08-21
Publication date: 2005-05-11
Anticipated expiration: 2021-08-21
Also published as: JP2003057599A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光通信、光計測によって使用される光アイソレータ、光アッテネータ等に使用できる複合光学素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開平１１−２７２５より、偏波無依存の光アイソレー夕、光サーキュレータ、光スイッチに用いることができる複合光学素子が記載されている。これは４つの複屈折領域（１／４波長板）とファラデー回転子により構成されており、図２に示すように、ファラデー回転子７の片面に第１複屈折領域１と第２複屈折領域２が接着剤層により固着され、他面に第３複屈折領域３と第４複屈折領域４が接着剤層により固着され、第１複屈折領域１と第３複屈折領域３は光線方向に整列し、また第２複屈折領域２と第４複屈折領域４とは光線方向に整列している。そして、第１複屈折領域１と第２複屈折領域２の光学軸は互いに９０°直交する配置となり、第３複屈折領域３と第４複屈折領域４の光学軸は互いに９０°直交する配置となり、さらに、第１複屈折領域１と第３複屈折領域３の光学軸は互いにほぼ４５°の角度で配置され、第２複屈折領域２と第４複屈折領域４の光学軸は互いにほぼ４５°の角度で配置されている。また、ファラデー回転子は使用波長において４５°の回転角を有する厚さとなっている。
【０００３】
この従来の複合素子を具体的に光アイソレータとして用いた場合として説明すると、第１、２複屈折領域１、２から第３、４複屈折領域３、４へそれぞれ進む光を順方向とした場合、シングルモード光導波路から出た光のうち、第１複屈折領域１の光学軸に平行な直線偏光の光は、第１複屈折領域１を異常光（屈折率ｎｅ）として通過し、ファラデー回転子７で偏光面を４５°回転後、第３複屈折領域３を常光（屈折率ｎｏ）として通過する［光路長（ｎｅ＋ｎｏ）ｄ］一方、第２複屈折領域２を常光として通過し、次にファラデー回転子で偏光面４５°回転後、第４複屈折領域４を異常光として通過する［光路長（ｎｏ＋ｎｅ）ｄ］。
【０００４】
また、第１複屈折領域１の光学軸に垂直な直線偏光の光は、第１複屈折領域１を常光として通過し、ファラデー回転子７で偏光面を４５°回転後、第３複屈折領域３を異常光として通過する［光路長（ｎｏ＋ｎｅ）ｄ］一方、第２複屈折領域２を異常光として通過し、次にファラデー回転子７で偏光面４５°回転後、第４複屈折領域４を常光として通過する［光路長（ｎｅ＋ｎｏ）ｄ］。従って、全ての光路長は等しく光は回折しないで直進する。
【０００５】
次に、逆方向から入射する光のうち、第３複屈折領域３の光学軸に平行な直線偏光の光は、第３複屈折領域３を異常光として通過し、ファラデー回転子７で偏光面を４５°回転後、第１複屈折領域１を異常光として通過する［光路長（ｎｅ＋ｎｅ）ｄ］一方、第４複屈折領域４を常光として通過し、次にファラデー回転子で偏光面４５°回転後、第２複屈折領域２を常光として通過する［光路長（ｎｏ＋ｎｏ）ｄ］。
ここで光路差を２（ｎｏ−ｎｅ）ｄ＝（Ｍ＋１／２）λ（λは光の波長、Ｍは任意の整数）となるようにｄを定めておけば光は回折する。
【０００６】
また、第３複屈折領域３の光学軸に垂直な直線偏光の光は、第３複屈折領域３を常光として通過し、ファラデー回転子７で偏光面を４５°回転後、第１複屈折領域１を常光として通過する［光路長（ｎｏ＋ｎｏ）ｄ］。
【０００７】
一方、第４複屈折領域４を異常光として通過し、次にファラデー回転子７で偏光面４５°回転後、第２複屈折領域２を異常光として通過する［光路長（ｎｅ＋ｎｅ）ｄ］。ここで光路差を２（ｎｏ−ｎｅ）ｄ＝（Ｍ＋１／２）λ（λは光の波長、Ｍは任意の整数）であるから光は全て回折する。
【０００８】
以上のように、順方向の光に対して偏光に依存せず直進し、逆方向の光に対しては偏光に依存せず回折するので、偏光無依存の光アイソレータとなる。
但し、上記の光アイソレータとして機能する複合素子を実際に作製すると、第１と第２の複屈折領域を接合するための第５接着剤領域５が必要となる。また、第３と第４の複屈折領域を接合するための第６接着剤領域６が必要となる。
【０００９】
これら第５、第６の接着剤領域５、６は、光学特性機能上不要な領域であり、この接着剤領域を通過する光が多くなると、各複屈折素子を通過したモードの干渉には不要の位相モードの光が増えるために光学特性は劣化するので、接着層は充分に薄くするか、困難であるが複屈折素子同士をオプティカルコンタクトで接合させる必要がある。
【００１０】
また、シングルモード導波路（シングルモード光ファイバ）から出射した一つの入射光を第１複屈折領域１、ファラデー回転子７、第３複屈折領域３を通過する光と、第２複屈折領域２、ファラデー回転子７、第４複屈折領域４を通過する光とに同一の比率で分ける必要があるため、各複屈折素子を接合する接着剤領域または、接着剤領域と複屈折領域の界面は、通過する光の光軸に対して平行であり、更に、光軸に平行な一方の接着剤領域に対して、もう一方の接着剤領域は、光軸に平行に進んだ延長線上に存在する必要がある。更に、通過光と複合素子の位置関係を精密に合わせる必要がある。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
但し、現実的には、多少のズレを生じるために複屈折素子と接着剤領域界面での反射、屈折及び、通過光軌跡の不具合により光学特性の低下を生じている。
【００１２】
また、通過する光には、光ファイバから出射するガウス光、レンズを用いた収束光及び、平行光があり、ガウス光及び収束光はそれ自体に方向性を持っている光であり、複屈折素子と接着剤領域界面での反射、屈折の影響は少なからず発生する。また、平行光であってもこれらの影響を完全に無くすことは困難である。以上の影響により、光学特性が劣化する問題があった。
【００１３】
図１を再び参照して一例を示すと、第１〜第４の複屈折領域１〜４の異常光に対する屈折率ｎｅ及び常光に対する屈折率ｎｏと、第５〜第６の接着剤領域５〜６の屈折率ｎの関係をｎｅ＞ｎ＞ｎｏとしたとき、第１複屈折領域１に入射するわずかに傾斜した光線Ｌ１は第１複屈折領域１と第５接着剤領域５の境界面で全反射するが、第２複屈折領域２に入射する逆方向にわずかに傾斜した光線Ｌ２は第２複屈折領域２と第５接着剤領域５の境界面で第１複屈折領域１の側に透過し、光学特性を劣化する。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明による複合光学素子は、接着剤領域を通過する光による光学特性劣化の影響を少なくするために、第１、第２の複屈折領域を接合するための第５接着剤領域界面と、第３、第４の複屈折領域を接合するための第６接着剤領域界面において、各接着剤領域の接着剤屈折率を各複屈折素子の常光及び、異常光の屈折率より低くすることにより、複屈折領域を通過して第５、第６接着剤領域界面に接する光が如何なる偏波状態であっても同様に全反射することにより、良好な光学特性を得ることができることを特徴とする。
より具体的には、本発明による複合光学素子は、ファラデー回転子の一方の面上に、
第１の複屈折領域、
第２の複屈折領域、
及びこれらの領域を接合する第５の接着剤領域と、
他方の面上に、
前記第１の複屈折領域に対して光軸方向に整列する第３の複屈折領域、
前記第２の複屈折領域に対して光軸方向に整列する第４の複屈折領域、
及びこれらの領域を接合する第６の接着剤領域により構成された複合光学素子の両端面に光ファイバまたは光導波路を設け、
１個以上のレンズを用い一方の光ファイバまたは光導波路から出射した光が平行光又は収束光として前記第５及び第６の接着剤領域を光軸中心となるように通過し、
もう一方の光ファイバに結合するように配置された第１複屈折領域、第３複屈折領域を通過する光と、
第２複屈折領域、第４複屈折領域を通過する光とに分かれて進み、
それぞれの領域で進む光の位相差のモード干渉により機能するモード干渉型複合光学素子において、
前記第５、第６の接着剤領域の接着剤硬化後の屈折率が、前記第１、第２、第３、第４の複屈折材料の常光及び、異常光の屈折率より低いことを特徴とする。
この場合好ましくは複合光学素子を通過する光のモードフィールド径を５０μｍ以上とする。このようなモードフィールド径はレンズ、テーパーファイバ拡大端等の任意の方法で拡大することで得られる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
これをもう少し細かく説明すると、この複合光学素子は第１複屈折領域、ファラデー回転子、第３複屈折領域を通過する光と、第２複屈折領域、ファラデー回転子、第４複屈折領域を通過する光とに同一の比率で分かれて進み、それぞれの領域で進む光の位相差によりモード干渉する原理により機能する。従って、第５、第６の接着剤領域を通る光モード干渉の劣化要因になるため、劣化を最小にする為には、複屈折材料との屈折率にできるだけ近い方がよいので、複屈折素子の常光と異常光の中間屈折率の接着剤領域とするのが最適である（前記特開平１１−２７２５参照）。
【００１６】
但し、複合光学素子を機能させるのに用いる光径が、接着剤領域に対して充分に大きく接着剤領域を通過することによるモード干渉の劣化を無視できる場合は、素子複合部面からの反射及び、屈折に起因する光学特性劣化が問題となる。複屈折素子の常光ｎｏ、常光ｎｅ及び接着剤領域の屈折率ｎの関係をｎｏ＜ｎ＜ｎｅとした時を例にとると、任意の偏光成分をもった光が複合素子に入射すると、第１複屈折領域で異常光成分（ｎｅ）として通る光は、第２複屈折領域では光学軸が９０°直交しているので常光成分ｎｏとして通過する。この反対もある。この通過する光が数度の角度で接着剤領域に入射すると、異常光として進んだ光はｎｅ＞ｎの関係であるためにほぼ全反射する。常光として進んだ光はｎｏ＜ｎ＜ｎｅの関係にあるために一部は反射するが一部は透過して接着剤領域及び接するもう一方の複屈折領域にまで光が進む。
【００１７】
これは、光の進行方向にほぼ平行に配置されている接着剤領域界面であるので反射角度に数度の微小な領域の話であるが、素子作製上のトレランスとしては重要な所である。
【００１８】
以上の現象は第１、２、５及び第３、４、６の領域で起こり、偏光による通過光モードの不均一が発生し、光学特性劣化がおきる。この問題点は図２に関連して説明したとおりである。
【００１９】
そこで、本発明はこの不均一性の改善の為に、複屈折領域から接着剤領域に入射する角度において全反射する条件となるように複屈折材の常光及び異常光より接着剤の屈折率を低くすることにより良好な光学特性を得ることができた。
【００２０】
また、この発明により、接着剤屈折率の精密な調整が不要となり、接着剤の低価格化が可能となる。
【００２１】
【実施例】
図１は本発明の実施例による複合光学素子を示す。ファラデー回転子７の片面に第１複屈折領域１と第２複屈折領域２が接着剤層１３により固着され、他面に第３複屈折領域３と第４複屈折領域４が接着剤層１３により固着され、第１複屈折領域１と第３複屈折領域３は光線方向に整列し、また第２複屈折領域２と第４複屈折領域４とは光線方向に整列している。そして、第１複屈折領域１と第２複屈折領域２の光学軸は互いに９０°直交する配置となり、第３複屈折領域３と第４複屈折領域４の光学軸は互いに９０°直交する配置となり、さらに、第１複屈折領域１と第３複屈折領域３の光学軸は互いにほぼ４５°の角度で配置され、第２複屈折領域２と第４複屈折領域４の光学軸は互いにほぼ４５°の角度で配置されている。また、ファラデー回転子は使用波長において４５°の回転角を有する厚さとなっている。第１複屈折領域１と第２複屈折領域２はそれらの常光及び異常光に対する屈折率よりも低い屈折率を有する第５接着剤領域５により接合され、第３複屈折領域３と第４複屈折領域４はそれらの常光及び異常光に対する屈折率よりも低い屈折率を有する第６接着剤領域６により結合されている。
【００２２】
このように構成された複合光学素子の前部には光に進行方向に順にシングルモード光ファイバ１０、光径をコリメータレンズ１１が組み合わされ、後部には、コリメータレンズ１４、及びシングルモード光ファイバ１５が設けられる。なお、光ファイバの代わりに導波路を使用しても良い。
拡大された光径を有する入射光は第１複屈折領域１と第２複屈折領域２に分割されて進むが、第５、第６の接着剤領域５、６の影響を避けるために光径は拡大されていることが望ましく、モードフィールド径が５０μ以上であることが好ましい。一方接着剤領域に厚さは３μｍ以下であることが好ましい。
【００２３】
図３は本発明の原理を説明する図であり、本発明では第１〜第４の複屈折領域１〜４の異常光に対する屈折率ｎｅ及び常光に対する屈折率ｎｏと、第５〜第６の接着剤領域５〜６の屈折率ｎの関係をｎｅ＞ｎｏ＞ｎとする。第１複屈折領域１に入射する数度以下の傾斜した光線Ｌ１は第１複屈折領域１と第５接着剤領域５の境界面で全反射する。同様に第２複屈折領域２に入射する逆方向に数度以下に傾斜した光線Ｌ２は第２複屈折領域２と第５接着剤領域５の境界面で同様に全反射する。
【００２４】
（試作例）
複屈折材として水晶板を用い、この複合光学素子を光アイソレータとして試作した。図４はこの試作で用いた試作条件を示す。
接着剤屈折率ｎが水晶板ｎｏ、ｎｅに対して低いｎ＝１．５１の場合（実施例）と、接着剤屈折率ｎが水晶板ｎｏ、ｎｅに対して中間であるｎ＝１．５３２の場合（比較例）とで、モードフィールド径別の光学特性評価を実施した。なお、この時の各水晶板厚は４７μｍ、水晶板間の接着厚１μｍで波長１５５０ｎｍであった。
【００２５】
（試作例の各種光学特性結果）
光学特性測定の結果を表１に示す。
【００２６】
【表１】

【００２７】
表１の接着剤屈折率ｎ＝１．５１の場合（実施例）のアイソレーションと順方向損失をモードフィールド径に対してプロットしたものが図５であり、表１の接着剤屈折率ｎ＝１．５３２の場合（比較例）のアイソレーションと順方向損失をモードフィールド径に対してプロットしたものが図６である。
図７は試作例のうちｎ＝１．５１の接着剤屈折率を用いた複合光学素子（実施例）に逆方向入射光の偏波方向を変化させた場合の赤外線カメラ観察写真を示す。偏波方向を変化させても回折状態の変化が見られない。
図８は試作例のうちｎ＝１．５３２の接着剤屈折率を用いた複合光学素子（比較例）に逆方向入射光の偏波方向を変化させた場合の赤外線カメラ観察写真を示す。偏波方向を変化させると出射回折光の強度分布が左右不均一になり、偏波依存性が大きいことが分かる。
【００２８】
以上の結果より、接着剤屈折率を低くすることで、偏波依存性（特にアイソレーション）を小さくすることができ、それによってアイソレーションが改善した。
また、モードフィールド径を小さくすると特性が劣化する傾向に有るため、光アイソレータの実用特性として好ましい順方向損失１ｄＢ以下、アイソレーション３０ｄＢ以上となる条件は大凡５０μｍのモードフィールド径となる。
なお、５０μｍ以下では中間屈折率の接着剤が好ましい。
【００２９】
【発明の効果】
以上のように、本発明によるとモード径を５０μｍ以上にしたとき、アイソレーションが従来よりも大きくなり、またアイソレーションの偏波依存性が低下する。挿入損失は従来よりも若干増大するが、その偏波依存性は従来と同等以下となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の複合光学素子を使用した光アイソレータの例を示す図である。
【図２】従来の複合光学素子の構造と問題点を説明する図である。
【図３】本発明の複合光学素子の構造と作用を説明する図である。
【図４】本発明の試作例の試作条件を示す図である。
【図５】本発明の実施例による試作例の光学特性を示し、（ａ）はアイソレーションとモードフィールド径の関係を示すグラフであり、（ｂ）は順方向損失とモードフィールド径の関係を示すグラフである。
【図６】比較例による試作例の光学特性を示し、（ａ）はアイソレーションとモードフィールド径の関係を示すグラフであり、（ｂ）は順方向損失とモードフィールド径の関係を示すグラフである。
【図７】本発明の実施例による試作例の逆方向入射光の偏波方向を変化させた場合の赤外線カメラ観察像を示す。
【図８】比較例による試作例の逆方向入射光の偏波方向を変化させた場合の赤外線カメラ観察像を示し、偏波方向を回転させることにより光分布が（ａ）と（ｂ）の間で変動することを示す。
【符号の説明】
１第１複屈折領域
２第２複屈折領域
３第３複屈折領域
４第４複屈折領域
５第５接着剤領域
６第６接着剤領域
１０、１５シングルモード光ファイバ
１１、１４コリメータレンズ

Claims

ファラデー回転子の一方の面上に、
第１の複屈折領域、
第２の複屈折領域、
及びこれらの領域を接合する第５の接着剤領域と、
他方の面上に、
前記第１の複屈折領域に対して光軸方向に整列する第３の複屈折領域、
前記第２の複屈折領域に対して光軸方向に整列する第４の複屈折領域、
及びこれらの領域を接合する第６の接着剤領域により構成された複合光学素子の両端面に光ファイバまたは光導波路を設け、
１個以上のレンズを用い一方の光ファイバまたは光導波路から出射した光が平行光又は収束光として前記第５及び第６の接着剤領域を光軸中心となるように通過し、
もう一方の光ファイバに結合するように配置された第１複屈折領域、第３複屈折領域を通過する光と、
第２複屈折領域、第４複屈折領域を通過する光とに分かれて進み、
それぞれの領域で進む光の位相差のモード干渉により機能するモード干渉型複合光学素子において、
前記第５、第６の接着剤領域の接着剤硬化後の屈折率が、前記第１、第２、第３、第４の複屈折材料の常光及び、異常光の屈折率より低いことを特徴とする複合光学素子。
請求項１記載の複合光学素子において、この複合光学素子を通過する光のモードフィールド径が５０μｍ以上複屈折板間の接着層厚が３μｍ以下であることを特徴とする複合光学素子。
光ファイバから出射する光がモードフィールド径の拡大手段を有する請求項１または２の複合光学素子。