JP3730772B2 - 光サーキュレータ - Google Patents

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、偏光無依存型の光サーキュレータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光サーキュレータは、通常、特公昭５８−１０７２６号にその一例が記載されているように複屈折素子、ファラデー回転子、レンズ、光ファイバにより構成される。光アイソレータと異なりサーキュレータでは光の入出力のポートが３つ以上と多くなるために、従来その煩雑さが問題となっている光ファイバとレンズの位置調整もアイソレータよりもさらに煩雑になってしまう。
また、特開平８−５０２６１号では二つの方向性結合器によって干渉系を構成し、ファラデラー回転子と、半波長板を用いるマッハツェンダー型の光サーキュレータが提案されている。この提案では方向性結合器はプレーナ型の光導波路によって構成されているが、光導波路と光ファイバの接続が容易ではないという問題があった。
これに対して、特開平４−３０７５１２号では光ファイバを基板の凹部に樹脂などで埋め込んだ後、ダイシングソー等によって光ファイバ部分を横切る溝を形成し、その溝にファラデー回転子や複屈折素子などを挿入し埋め込んで作製される、いわゆる埋込型の光アイソレータが提案されている。これによれば光アイソレータの作製に光軸合わせが不要となり作製時間が大幅に短縮される。しかしながら、光サーキュレータでは、光アイソレータと異なり、入出力とは別の第３のポートを必要とするため、この埋込型をそのまま適用することは難しい。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように特公昭５８−１０７２６号に示された型のサーキュレータでは 、 光ファイバーの光軸合わせをレンズを使用して行う必要があり、位置調整が煩雑である。
又特開平８−５０２６１号に示されたマッハツェンダー型の光サーキュレータでは、光導波路と光ファイバの接続が容易ではないという問題があった。
一方、特開平４−３０７５１２号でのような光アイソレータにおいての光ファイバを基板に埋め込む技術は、光サーキュレータでは多重ポートが必要なために試みられたことがない。
そこで、本発明は、レンズを用いず光軸調整が不要な新規な構造の光サーキュレータを提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明による光サーキューレータは、基板外への引き出し部を有する複数のシングルモード光ファイバと該光ファイバの一部より構成した複数の方向性結合器とを基板に支持させて構成された干渉系と、少なくとも前記方向性結合器の間で前記基板に設けた前記光ファイバの埋め込み部と、前記基板に前記埋め込み部を横断するように形成された少なくとも一つの溝と、前記溝内に配置されたファラデー回転子及び複屈折性素子とからなり、
前記二つの方向性結合器によって干渉系が構成され、前記ファラデー回転子と複屈折素子は、光の透過方向によって波長の半分の光路長差を生じるように配置されていることを特徴とする。
光ファイバ及び方向性結合器はいずれも基板に埋め込まれても良いが、方向性結合器と基板の光学的な干渉を避けるために、方向性結合器は基板に直接埋め込まない方が好ましい。しかし、組込み時の軸合わせの作業をなくするためには、少なくとも溝の前後の光ファイバは基板に埋め込まれていなければならない。
【０００５】
【発明の実施の形態】
実施例１
本発明の光サーキュレータを図１、図２、及び図４を用いて説明する。２本のシングルモード光ファイバが基板に埋め込まれ、また第１の方向性結合器７ａと第２の方向性結合器７ｂがこれら２本のシングルモード光ファイバを近接させた一部から構成され且つ縦列に接続されたものが基板に埋め込まれる。また、第１及び第２の方向結合器の間で光ファイバを横断するように基板に溝が切られ、干渉系を構成する第１の分枝光路８ａと第２の分枝光路８ｂそれぞれに光ファイバを横断する偏光回転角４５度のファラデー回転子６が、また、第１の分枝光路８ａには第１の方向性結合器側７ａには第１の１／２波長板５ａ、第２の分枝光路８ｂには第２の方向性結合器側７ｂに第２の１／２波長板５ｂが、その光学軸が互いに４５度の角度を有するように配置されている。素子の配置は図２に示すものとなる。なお、方向性結合器の具体的な構成は周知であるので説明しない。
以下では図１に記載のようにｘ、ｙ、ｚ軸と光路に垂直に軸を選び、角度は第１の方向性結合器の側から見てｙ軸から時計回りに測った値を正とする。
【０００６】
まず、第１の方向性結合器７ａの光ファイバ１から入射する光のうち、ｙ軸方向の偏波成分を考える。第１の方向性結合器７ａによって分割された光のうち、第１の分子光路８ａに進むものは、まずｙ軸に対して＋２２．５度傾いた第１の１／２波長板５ａによって＋４５度だけ回転する。そしてファラデー回転子６によって−４５度回転し、素子通過前後の偏波面の変化は０となる。第２の分子光路８ｂに進むものは、まずファラデー回転子６によって−４５度回転し次にｙ軸に対して−２２．５度傾いた第２の１／２波長板５ｂによって＋４５度回転する。素子通過前後の偏波面の変化は同様に０となる。
【０００７】
次に、第１の方向性結合器７ａの光ファイバ１から入射する光のうち、ｘ軸方向の偏波成分を考える。第１の方向性結合器７ａによって分割された光のうち、第１の分枝光路８ａに進むものは、まずｙ軸に対して＋２２．５度（ｘ軸に対しては−６７．５度）傾いた第１の１／２波長板５ａによって＋４５度だけ回転する。そしてファラデー回転子６によって−４５度回転し、素子通過前後の偏波面の変化は同様に０となる。第２の分枝光路８ｂに進むものは、まずファラデー回転し６によって−４５度回転し次にｙ軸に対して−２２．５度（ｘ軸に対しては＋６７．５度）傾いた第２の１／２波長板５ｂによって＋４５度回転する。素子通過前後の偏波面の変化は同様に０となる。
【０００８】
従って、ファラデー回転子６と、第１の１／２波長板５ａと、第２の１／２波長板５ｂによって、第１の分枝光路８ａと第２の分枝光路８ｂの光路長差は生じず、第１の分枝光路８ａと第２の分枝光路８ｂの光路長を等しくなるように配置されているとき、第１の方向性結合器７ａの光ファイバ１から入射する光は光ファイバ３から出力される。
【０００９】
一方、第２の方向性結合器７ｂの光ファイバ３から入射する光のうち、ｙ軸方向の偏波成分を考える。第２の方向性結合器７ｂによって分割された光のうち、第２の分枝光路８ｂに進むものは、まずｙ軸に対して−２２．５度傾いた第１の１／２波長板５ａによって−４５度だけ回転する。そしてファラデー回転子６によって−４５度回転し、素子通過前後の偏波面は−９０度変化する。第１の分枝光路８ａに進むものは、まずファラデー回転子６によって−４５度回転し次にｙ軸に対して＋２２．５度傾いた第２の１／２波長板５ｂによって＋１３５度回転する。素子通過前後の偏波面の変化は＋９０度となり、２分枝間で１８０度の偏波面変化、すなわち、波長の半整数倍の光路長差が生じる。
【００１０】
次に、第２の方向性結合器７ｂの光ファイバ３から入射する光のうち、ｘ軸方向の偏波成分を考える。第２の方向性結合器７ｂによって分割された光のうち、第２の分枝光路８ｂに進むものは、まずｙ軸に対して−２２．５度（ｘ軸に対しては＋６７．５度）傾いた第１の１／２波長板５ａによって＋１３５度だけ回転する。そして、次にファラデー回転子６によって−４５度回転し、素子通過前後の偏波面は＋９０度変化する。第１の分枝光路８ａに進むものは、まずファラデー回転子６によって−４５度回転し次にｙ軸に対して＋２２．５度（ｘ軸に対しては−６７．５度）傾いた第２の１／２波長板５ｂによって−４５度回転する。素子通過前後の偏波面の変化は−９０度となり、２分枝間で１８０度の偏波面変化、すなわち、波長の半整数倍の光路長差が生じる。
【００１１】
従って、第２の方向性結合器の光ファイバ３から入射する光は光ファイバ２から出力される。
従って、干渉型の光サーキュレータとして機能する。
以上本発明による光サーキュレータとしての動作を偏波面の変化から記載したが、これはまた別の見方によっても説明できる。
【００１２】
同様に図２の配置において、光ファイバ１から入射する光について考える。入射光は方向性結合器によって分割され、第１の１／２波長板５ａの光学軸方向の偏波成分では、第１の分枝導波路８ａを進むものは、第１の１／２波長板５ａを異常光（ｎｅ）として通過し、ファラデー回転子６によって４５度回転する。第２の分枝導波路８ｂを進むものは、ファラデー回転子６によって４５度回転した後、第２の１／２波長板５ｂを異常光（ｎｅ）として通過する。
【００１３】
第１の１／２波長板５ａの光学軸に直角な偏波成分では、第１の分枝部８ａを進むものは、第１の１／２波長板５ａを常光（ｎｏ）として通過し、ファラデー回転子６によって４５度回転する。
第２の分枝部８ｂを進むものは、ファラデー回転子６によって４５度回転した後、第２の１／２波長板５ｂを常光（ｎｏ）として通過する。従って、光ファイバ１から入射した光はその偏光方向によらず光ファイバ３から出射する。
【００１４】
従って、光ファイバ１から入射した光については、分枝光路８ａ、８ｂ間での光路長差は生じず光ファイバ３から出射する。
【００１５】
次に、光ファイバ３から入射する光について考える。第２の１／２波長板５ｂの光学軸方向の偏波成分について、第１の分枝部８ａを進むものは、ファラデー回転子６によって４５度回転した後、第１の１／２波長板５ａを常光（ｎｏ）として通過する。第２の分枝部８ｂを進むものは、第２の１／２波長板５ｂを異常光（ｎｅ）として通過し、ファラデー回転子６によって４５度回転する。
【００１６】
第２の１／２波長板５ｂの光学軸に直角な偏波成分は、第２の分枝部８ｂを進むものは、第２の１／２波長板５ｂを常光（ｎｏ）として通過し、ファラデー回転子によって４５度回転する。第１の分枝部８ａを進むものは、ファラデー回転子によって４５度回転した後、第１の１／２波長板５ａを異常光（ｎｅ）として通過する。
【００１７】
従ってこの場合は、光は常に１／２波長の光路長差が生じるため、光ファイバ３から入射した光はその偏光方向によらず光ファイバ２から出射し、光サーキュレータとして機能することがわかる。
【００１８】
上記一対の方向性結合器が干渉系として機能するためには、用いる光の単色性が十分で、二つの方向性結合器の間の距離が光源のコヒーレント長よりも小さくなければならない。また、分枝導波路中で偏波状態が変化しても干渉系の性能を劣化させる場合があるので、偏波状態が変化しないような構成とすることが望まれる。
【００１９】
複屈折素子として水晶、ルチル、ニオブ酸リチウム、バナジン酸イットリウムなど単結晶を用いたものや、ポリイミド等の高分子材料を用いたもの、斜め蒸着膜などの複屈折材料をファラデー回転子と別の溝を設けて挿入するのみならず、ファラデー回転子自体にこれら複屈折材料を固着、或いは形成しそれらを一体として一つの溝に挿入することも可能である。さらに、ファイバに紫外線照射などによってグレーティングを形成したものを用いると波長選択フィルタとしての作用をも付加することができる。
【００２０】
また、溝で生じる光の回折を低減するために、溝の端面から出射される光のスポットサイズを大きくすることも挿入損失を低減する意味で効果的であるし、本素子からの反射戻り光を抑制するために、横断する光ファイバに対して溝を斜めに傾けることも可能である。
【００２１】
試作例
実施例１に従い、波長１５５０ｎｍ用の光サーキュレータを試作した。図１を参照して説明する。光ファイバを溶融延伸して作製した二つの方向性結合器を光ファイバを融着し接続する。シリコン基板上に、接続された二つの方向性結合器を熱硬化性樹脂を用いて埋め込み、続いて光ファイバを横断する３５０μｍ幅の溝と２つの１００μｍ幅の溝をダイシングソーで形成する。その溝に、ファラデー回転子と２枚の１／２波長板を挿入し、光学接着剤で固定した。ファラデー回転子としては波長１５５０ｎｍにおける回転角が４５度で厚さ３００μｍのビスマス置換希土類鉄ガーネットを使用し、１／２波長板は厚さ９２μｍのｘカット水晶板を用いた。以下にこの場合の動作原理について説明する。
【００２２】
光ファイバ１から入射する光について考える。
ｙ軸方向の偏波成分については、入射光は方向性結合器７ａによって分割され第１の分枝光路８ａではまず１／２波長板５ａによって＋４５度だけ回転する。そしてファラデー回転子６によって−４５度回転し、素子通過前後の偏波面の変化は０となる。第２の分枝光路８ｂに進むものは、まずファラデー回転子６によって−４５度回転し次にｙ軸に対して−２２．５度傾いた第２の１／２波長板５ｂによって＋４５度回転する。素子通過前後の偏波面の変化は同様に０となる。
【００２３】
次に、第１の方向性結合器５ａの光ファイバ１から入射する光のうち、ｘ軸方向の偏波成分を考える。第１の方向性結合器５ａによって分割された光のうち、第１の分枝光路８ａに進むものは、まずｙ軸に対して＋２２．５度（ｘ軸に対しては−６７．５度）傾いた第１の１／２波長板５ａによって＋４５度だけ回転する。そしてファラデー回転子６によって−４５度回転し、素子通過前後の偏波面の変化は同様に０となる。第２の分枝光路８ｂに進むものは、まずファラデー回転子６によって−４５度回転し次にｙ軸に対して−２２．５度（ｘ軸に対しては＋６７．５度）傾いた第２の１／２波長板５ｂによって＋４５度回転する。素子通過前後の偏波面の変化は同様に０となる。
【００２４】
従って、ファラデー回転子６と、第１の１／２波長板５ａと、第２の１／２波長板５ｂによって、第１の分枝光路８ａと第２の分枝光路８ｂの光路長差は生じず、第１の分枝光路８ａと第２の分枝光路８ｂの光路長を等しくなるように配置されているとき、第１の方向性結合器７ａの光ファイバ１から入射する光は光ファイバ３から出力される。
【００２５】
一方、第２の方向性結合器７ｂの光ファイバ３から入射する光のうち、ｙ軸方向の偏波成分を考える。第２の方向性結合器７ｂによって分割された光のうち、第２の分枝光路８ｂに進むものは、まずｙ軸に対して−２２．５度傾いた第１の１／２波長板５ａによって−４５度だけ回転する。そしてファラデー回転子６によって−４５度回転し、素子通過前後の偏波面は−９０度変化する。第１の分枝光路８ａに進むものは、まずファラデー回転子６によって−４５度回転し次にｙ軸に対して＋２２．５度傾いた第１の１／２波長板５ａによって＋１３５度回転する。素子通過前後の偏波面の変化は＋９０度となり、２分枝間で１８０度の偏波面変化、すなわち、波長の半整数倍の光路長差が生じる。
【００２６】
次に、第２の方向性結合器７ｂの光ファイバ３から入射する光のうち、ｘ軸方向の偏波成分を考える。第２の方向性結合器７ｂによって分割された光のうち、第２の分枝光路８ｂに進むものは、まずｙ軸に対して−２２．５度（ｘ軸に対しては＋６７．５度）傾いた第１の１／２波長板によって＋１３５度だけ回転する。そして、次にファラデー回転子６によって−４５度回転し、素子通過前後の偏波面は＋９０度変化する。第１の分枝光路８ａに進むものは、まずファラデー回転子６によって−４５度回転し、次にｙ軸に対して＋２２．５度（ｘ軸に対しては−６７．５度）傾いた第２の１／２波長板５ｂによって−４５度回転する。素子通過前後の偏波面の変化は−９０度となり、２分枝間で１８０度の偏波面変化、すなわち、波長の半整数倍の光路長差が生じる。
【００２７】
このようにして作製した光サーキュレータを評価した。光ファイバ１から光を入射したところ１．５ｄＢの損失で光ファイバ３から出射し、光ファイバ３から光を入射したところ３．２ｄＢの損失で導波路３から出射し、光ファイバ１へは損失１４ｄＢであり、本素子が光サーキュレータとして動作していることを確認した。
【００２８】
実施例２
また、本発明による別の実施例について図３を参照して説明する。実施例１と同様に二つの方向性結合器７ａ、７ｂを埋め込み、続いて基板に光ファイバを横断する４００μｍ幅の溝をダイシングソーで形成する。その溝に、ファラデー回転子６と第１の１／４波長板５ｃ、第２の１／４波長板５ｄ、第３の１／４波長板５ｅ、第４の１／４波長板５ｆを図３のように固着した素子を挿入し、光学接着剤で固定した。ファラデー回転子６と１／４波長板５ｃ〜５ｄの素材は実施例１と同様なものを用いた。ただし水晶板の厚みは４６μｍとした。以下にこの場合の動作原理について説明する。
【００２９】
光ファイバ１から入射する光について考える。入射光は方向性結合器によって分割され、第１の１／４波長板５ｃの光学軸方向の偏波成分では、第１の分枝導波路８ａを進むものは、第１の１／４波長板５ｃを異常光（ｎｅ）として通過し、ファラデー回転子６によって−４５度回転した後、第３の１／４波長板５ｅを常光（ｎｏ）として通過する。第２の分枝導波路８ｂを進むものは、第２の１／４波長板５ｄを常光（ｎｏ）として通過し、ファラデー回転子６によって−４５度回転した後、第４の１／２波長板５ｆを異常光（ｎｅ）として通過する。
【００３０】
第２の１／４波長板５ｄの光学軸方向の偏波成分（第１の１／４波長板５ｃの光学軸方向と直角）では、第１の分枝部８ａを進むものは、第１の１／４波長板５ｃを常光（ｎｏ）として通過し、ファラデー回転子６によって−４５度回転した後、第３の１／４波長板５ｅを異常光（ｎｅ）として通過する。第２の分枝部８ｂを進むものは、第２の１／４波長板５ｄを異常光（ｎｅ）として通過し、ファラデー回転子６によって−４５度回転した後、第４の１／４波長板５ｆを常光（ｎｏ）として通過する。従って、光ファイバ１から入射した光はその偏光方向によらず光ファイバ３から出射する。
【００３１】
次に、光ファイバ３から入射する光について考える。第３の１／４波長板５ｅの光学軸方向の偏波成分について、第１の分枝部８ａを進むものは、第３の１／４波長板５ｅを異常光（ｎｅ）として通過し、ファラデー回転子６によって−４５度回転した後、第１の１／４波長板５ｃを異常光（ｎｅ）として通過する。第２の分枝部８ｂを進むものは、第４の１／４波長板５ｆを常光（ｎｏ）として通過し、ファラデー回転子６によって−４５度回転した後、第２の１／４波長板５ｄを常光（ｎｏ）として通過する。
【００３２】
第４の１／４波長板５ｆの光学軸方向の偏波成分は、第１の分枝部８ａを進むものは、第３の１／４波長板５ｅを常光（ｎｏ）として通過し、ファラデー回転子６によって−４５度回転した後、第１の１／４波長板５ｃを常光（ｎｏ）として通過する。第２の分枝部を進むものは、第４の１／４波長板５ｆを異常光（ｎｅ）として通過し、ファラデー回転子６によって−４５度回転した後、第２の１／４波長板５ｄを異常光（ｎｅ）として通過する。従ってこの場合は光は常に１／４波長×２＝１／２波長の光路長差が生じるため、光ファイバ３から入射した光はその偏光方向によらず光ファイバ２から出射する。
【００３３】
このようにして作製した光サーキュレータを評価した。光ファイバ１から光を入射したところ１．８ｄＢの損失で光ファイバ３から出射し、光ファイバ３から光を入射したところ２．３ｄＢの損失で導波路３から出射し、光ファイバ１へは損失１８ｄＢであり、本素子が光サーキュレータとして動作していることを確認した。
【００３４】
実施例３
図５は実施例１の変形例であり、実施例１の光サーキュレータにおける２つの方向性結合器は間には実質的な長さの光ファイバによる光通路を設けず、基板に溝１０を形成し、直接１／２波長板５ａ、ファラデー回転子６及び１／２波長板５ｂによりなる複合素子を挿入固定したものである。この例による光サーキュレータは実施例１と同様な作用及び効果を達成できる。
【００３５】
実施例４
図６は実施例２の変形例であり、実施例２の光サーキュレータにおける２つの方向性結合器及びその前後の光ファイバは基板９の薄肉部９ｂに固定されてはいるが埋め込まれてはいないで、光ファイバは基板９の厚肉部である埋め込み部９ａに埋め込まれ、そしてこの部分を横断して溝１０を切ることにより光ファイバは端部を整合した状態で基板と一緒に切断される。溝１０には直接１／２波長板５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆ，及びファラデー回転子６よりなる複合素子を挿入固定したものである。この例による光サーキュレータは実施例１と同様な作用及び効果を達成できるが、方向性結合器７ａ、７ｂはより好ましい状態にある。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば煩雑な光軸調整を行わずに、作製が容易で低価格な光サーキュレータを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光サーキュレータを示す概略図である。
【図２】本発明の実施例１の光サーキュレータを示す概略図である。
【図３】本発明の実施例２の光サーキュレータを示す概略図である。
【図４】本発明の実施例２の光サーキュレータ中での偏波状態を示す概略図である。
【図５】本発明の実施例３の光サーキュレータを示す概略図である。
【図６】本発明の実施例４の光サーキュレータを示す概略図である。
【符号の説明】
１ 第１の光ファイバ
２ 第２の光ファイバ
３ 第３の光ファイバ
４ 第４の光ファイバ
５ａ 第１の１／２波長板
５ｂ 第２の１／２波長板
５ｃ 第１の１／４波長板
５ｄ 第２の１／４波長板
５ｅ 第３の１／４波長板
５ｆ 第４の１／４波長板
６ ファラデー回転子
７ａ 第１の方向性結合器
７ｂ 第２の方向性結合器
８ａ 第１の分枝光路
８ｂ 第２の分枝光路
９ 基板
９ａ 光ファイバー埋め込み部

Claims (3)

1. 基板外への引き出し部を有する複数の並列したシングルモード光ファイバと該光ファイバの隣接した一部より構成した複数の溶融延伸型方向性結合器とを基板に支持させて構成された干渉系と、少なくとも前記方向性結合器の間で前記基板に設けた前記光ファイバの埋め込み部と、前記基板の前記埋め込み部を横断して且つ前記複数の光ファイバの全てを横断して形成されている少なくとも一つの溝と、前記溝内に前記埋め込み部の前記並列した複数の光ファイバの光路を横断するように配置された一枚のファラデー回転子及び複屈折性素子とを備えた、干渉型光サーキュレータ。
2. 基板外への引き出し部を有する並列した複数のシングルモード光ファイバと該光ファイバの隣接した一部より構成した複数の溶融延伸型方向性結合器とを基板に支持させて構成された干渉系と、少なくとも前記方向性結合器の間で前記基板に設けた前記光ファイバの埋め込み部と、前記基板の前記埋め込み部を横断し且つ前記複数の光ファイバの全てを横断して形成されている少なくとも一つの溝と、前記溝内に前記埋め込み部の前記並列した複数の光ファイバの光路を横断するように配置された一枚のファラデー回転子及び複屈折性素子とを備えた、干渉型光サーキュレータにおいて、
   前記干渉系を形成する分枝光路が、第１の方向性結合器から出て第２の方向性結合器へ向かう光に対するものと、第２の方向性結合器から出て第１の方向性結合器へ向かう光に対するものとで、偏光によらずに半波長の光路差をもつことを特徴とする光サーキュレータ。
3. 前記溝はその両側の前記方向性結合器の末端の光ファイバーを横断して形成されている請求項１または２の光サーキュレータ。

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