JP3860669B2 - 光結合系部品及びそれを用いた光サーキュレータ - Google Patents
光結合系部品及びそれを用いた光サーキュレータ Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信、光計測等に使用する光サーキュレータ等の光モジュール及びこれに使用する光ファイバ部品に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光通信に使用される光モジュールは複数の入出力ポートを持ち、入力された光を分岐するものや波長ごとに分波するもの等、様々な用途の光モジュールが存在する。光モジュールの一つである光サーキュレータは光信号を一方向にのみ通過させるような非相反機能をもつ光部品であり、反射型光ファイバ増幅器の入出力部や双方向通信システムの分岐部に使用されてきた。
【０００３】
従来の光サーキュレータはファイバコリメータ、偏光分離素子、反射ミラー、磁気光学素子、旋光性結晶等を用いて構成されており、第１の従来例を図１２に示す。構成は中央に４５度旋光子１２１、ファラデ４５度回転子１２２があり、その両側に偏光ビームスプリッタ１２３、１２４と反射ミラー１２５、１２５がそれぞれ１組ずつ配置されている。また各光入出力ポートにはファイバコリメータ１２７、１２８、１２９が使用されている。
【０００４】
図１３に光入出力ポートから入射した光が光入出力ポート１２８から出射されるまでの光路を示す。図１３に示すように光入出力ポート１２７入射した光は偏光ビームスプリッタ１２３によりＰ波成分とＳ波成分に分離される。Ｐ波成分は４５度旋光子１２１、ファラデ４５度回転子１２２を通過することにより電界振動方向が９０度回転され、反射ミラー１２６にて反射された後、偏光ビームスプリッタ１２４に入射する。一方、Ｓ波成分は反射ミラー１２５にて反射された後、４５度旋光子１２１、ファラデ４５度回転子１２２を通過することにより電界振動方向が９０度回転され、偏光ビームスプリッタ１２４に入射する。Ｐ波成分及びＳ波成分は偏光ビームスプリッタ１２４によって合波され、この合波された光が光入出力ポート１２８から出射する。
【０００５】
次に図１４に光入出力ポート１２８から入射した光が光入出力ポート１２９から出射されるまでの光路を示す。図１４に示すように光入出力ポート１２８から入射した光は偏光ビームスプリッタ１２４によりＰ波成分とＳ波成分に分離される。Ｐ波成分はファラデ４５度回転子１２２、４５度旋光子１２１を通過するが電界振動方向は回転されず、反射ミラー１２５にて反射された後、偏光ビームスプリッタ１２３に入射する。一方、Ｓ波成分は反射ミラー１２６にて反射された後、ファラデ４５度回転子１２２、４５度旋光子１２１を通過するが電界振動方向は回転されず、偏光ビームスプリッタ１２３に入射する。Ｐ波成分及びＳ波成分は偏光ビームスプリッタ１２３によって合波され、この合波された光が光入出力ポート１２９から出射する。以上のようなことにより光入出力ポート１２７から入射した光は、その偏光状態に関係なく光入出力ポート１２８から出射され、光入出力ポート１２８から入射した光は、その偏光状態に関係なく光入出力ポート１２７からは出射せずに、光入出力ポート１２９から出射するという光サーキュレータの機能をもつことができる。
【０００６】
また近年では、特許第２５３９５６３号に示されるような偏光ビームスプリッタを用いないタイプの光サーキュレータも登場している。第２の従来例として図１５にその構成を示す。複屈折結晶板１５１、上下に右回り半波長板１５２と左回り半波長板１５３を張り合わせた合成半波長板、磁気光学結晶１５４、複屈折結晶板１５５、磁気光学結晶１５６、上下に右回り４５度半波長板１５７と左回り４５度半波長板１５８を張り合わせた合成半波長板、複屈折結晶板１５９の順に配置した非相反部を有しており、光ファイバ１６３、１６４とレンズ１６０、１６１をそれぞれ組み合わせたファイバコリメータと、光ファイバ１６５とレンズ１６２を組み合わせたファイバコリメータを、非相反部の両側に配置した構成になっている。
【０００７】
第１の従来では例偏光ビームスプリッタで分離した光を反射ミラーにて進行方向を変更した後再び偏光ビームスプリッタで合波されなければならないため、合波する際に分離されていた光の進行方向を一致させるには反射ミラーの角度調整を非常に高精度で行わなければならず、高度な調芯技術が必要となる。さらに光ビームスプリッタは偏光分離膜の特性上、透過すべきＰ波成分が反射されるＳ波成分に漏れ込んでしまうために、アイソレーションが悪くなるという問題があったが、第２の従来例では偏光ビームスプリッタと光路変更用のミラーを用いておらず、複数の複屈折結晶板によりビームの分離、合成を行っているため、アイソレーションの向上が得られている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上述した第１及び第２の従来の光サーキュレータでは、各光入出力ポートにファイバコリメータを使用していることから、ポート数分のレンズが必要となるため高価になり、さらに外形については第１の従来の光サーキュレータは、ファイバコリメータ反射ミラーにて光の進行方向を直角に変更していることからポートが直行した形状となり、第２の従来の光サーキュレータは、光軸方向に非常に長くなった形状となってしまうため、光モジュールを装置に組み込む際に必ず要求される小型化に対応することが非常に困難であった。
【０００９】
本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、レンズを使用した光モジュールの外形の小型化に貢献する光ファイバ部品を提供することにある。また提供する光ファイバ部品を偏光ビームスプリッタ、反射ミラーを不要とした非相反部を有する光サーキュレータに応用することにより、光学結合の簡易化、挿入損失及びアイソレーションを改善すると同時に、ファイバコリメータを不要とした小型かつ高性能光サーキュレータを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の側面に係る光結合系部品は、２つの光ファイバを保持した光ファイバ部品と、光を集光するための集光レンズとから構成され、上記一方の光ファイバの端部から上記集光レンズに向けて出射される光、および、上記集光レンズを介して上記他方の光ファイバの端部に入射する光と、上記他方の光ファイバの端部から上記集光レンズに向けて出射される光、および、上記集光レンズを介して上記一方の光ファイバの端部に入射する光とが、上記集光レンズの中心を外れた部分を通過し且つ上記集光レンズと光ファイバ部品との間で交差し、上記集光レンズの中心軸に対して対称な位置を通過するように、上記２つの光ファイバを並列保持した上、上記一方の光ファイバの端部の端面角度を他方の光ファイバの端面角度と異なる角度に設定したことを特徴とする。
【００１１】
好ましい実施の形態としては、光ファイバ部品を２つと集光レンズを２つとを有し、該２つの光ファイバ部品の間に該２つの集光レンズが配置されている。
【００１２】
本発明の第２の側面に係る光サーキュレータは、入射光線中の直交する２つの偏光成分を分離し、かつ異なる光路で入射される２つの偏光成分を同一光路に合成する少なくとも１つの光線分離合成手段と、入射光線をその偏光方向に応じて異なる方向へ進行させる光路決定手段又は偏光回転手段の一方もしくは両方を少なくとも１つ以上とを備える非相反部を有し、該非相反部の一方に集光レンズを介して少なくとも１つの光ファイバの端部を他方に本発明の第１の側面に係る光結合系部品を集光レンズが非相反部側となるように配置するか、又は、非相反部の両側に本発明の第１の側面に係る光結合系部品を集光レンズの双方が非相反部側となるように配置したことを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明による光ファイバ部品の実施形態として図１にキャピラリを用いた場合の構成を示す。
【００１４】
図１に示す光ファイバ部品１０は、２本の光ファイバ１３、１４を保持した２芯キャピラリ１１の先端１２を一方の光ファイバ１３の先端角度と他方の光ファイバ１４の先端角度が異なる角度になるよう研磨したものである。このような構造とすることによって、詳細を後述するように、各光ファイバ毎にレンズを備える必要なく、一つのレンズで２本の光ファイバの光信号を他の光ファイバに結合させることができる。
【００１５】
研磨の角度は光線の出射もしくは入射角度が所望の角度となるように研磨されており、用途によって様々なものが考えられるが、研磨角度と出射光線の角度の関係は光ファイバの屈折率と入射もしくは出射される側の屈折率によって決定される。例えば本実施例では±８度の研磨角度にすることによって、屈折率１．４５の光ファイバから屈折率１の空気中に±３．６４度の角度をもって出射されるような光線を得ることができる。他にも２芯ファイバアレイ等ファイバを並列保持できる部品はあるが、先端を同様に加工することにより同等の機能を有することができる。
【００１６】
次に本発明による光ファイバ部品の効果を説明するために、図２、図３に光結合系の例を示す。
【００１７】
図２では、先端を同一角度に研磨した光ファイバ部品２１と、本発明による光ファイバ部品１０の間に集光レンズ２３を配置した構成となっている。光ファイバ２４、光ファイバ２５から出射された光は集光レンズ２３の中心を外れた部分を通過するため、通過した後、２つの光が交差するような角度にて出射される。
【００１８】
そして、交差する各光がそれぞれ集光する位置に、光ファイバ１３、１４の端面が位置するように光ファイバ部品１２を配置する。そして、各光は斜めに光ファイバ１３、１４の端面に入射し、入射後の屈折方向が各光ファイバ１３、１４に沿った方向となるように、各端面の角度を調整しておくことによって、それぞれの光を光ファイバ１３、１４に伝達することができる。
【００１９】
一般に集光レンズにより集光された光を光ファイバに結合させる場合、位置を調整すると同時に角度を調整しなければ良好な結合を得ることはできない。つまり図２のように角度が異なる２つの光を２本の光ファイバに同時に結合させるには、同一研磨の光ファイバ部品では角度ずれが大きくなり低損失な結合を得ることは不可能となる。
【００２０】
そこで、本発明による光ファイバ部品１０のように２つの異なる角度の光と２本の光ファイバをそれぞれ最大結合できるように光ファイバ１３、１４の先端に異なる角度の研磨を施すことにより、光ファイバ２４、２５から出射された光を光ファイバ１３、１４に同時に結合させることが可能となるとともに、１つの集光レンズにて結合の良好な２系統の光結合系を得ることを可能とする。
【００２１】
次に図３に示すような本発明による光ファイバ部品１０、１０’の間に集光レンズ２３、２４を配置した構成においては、光ファイバ部品１０を出射した２つの光は、それぞれの端面で屈折して交差し、レンズ２３を通過することによって互いに平行な光となり、さらにレンズ２４を通過することによって、互いに交差する光となり、図２と同様にしてもう一方の光ファイバ部品１０’に入射するようになっている。
【００２２】
この構成では、図２の場合と同様に結合の良好な２系統の光結合系が得られるとともに、集光レンズ間に様々な機能を持つ素子を挿入することが可能となり、特に光サーキュレータを構成する上で非常に有効な光結合系となる。
【００２３】
図４に３ポート光サーキュレータに本発明による光ファイバ部品を応用した構成を示す。本発明による光ファイバ部品１０と１本の光ファイバ２４を保持した光ファイバ部品２１の間に集光レンズ２３、２４が配置されており、さらに集光レンズ２３、２４の間に非相反部４５が挿入されている。非相反部４５は図４に示す矢印のように光路をシフトさせる機能をもっているため、光ファイバ１３に入力した光は光ファイバ２４から出力され、光ファイバ２４に入力した光は光ファイバ１３には戻ることなく光ファイバ１４から出力されることから、３ポート光サーキュレータの機能を得ることができる。
【００２４】
図５には４ポート光サーキュレータに本発明による光ファイバ部品を応用した構成を示す。本発明による光ファイバ部品１０、１０’の間に集光レンズ２３、２４が配置されており、さらに集光レンズ２３、２４の間に非相反部５５が挿入されている。非相反部５５は図５に示す矢印のように光路をシフトさせる機能をもっているため、光ファイバ１４に入力した光は光ファイバ１４’から出力され、光ファイバ１４’に入力した光は光ファイバ１３から出力され、光ファイバ１３に入力した光は光ファイバ１３’から出力され、それぞれ逆方向へ光は伝達されないことから４ポート光サーキュレータの機能を得ることができる。
【００２５】
このように本発明による光ファイバ部品１０により、角度の異なる複数の光を低損失で結合させることが可能となるため、２つの集光レンズのみで、３ポート及び４ポート光サーキュレータの実現を可能とする。
【００２６】
また光サーキュレータ以外の２系統以上の光路が必要な光モジュールの場合は、図３、４に示す構造と同様にして、非相反部４５、５５の代わりに各種機能素子を配置すれば良いことになる。
【００２７】
次に図４にて示した３ポート光サーキュレータに挿入する非相反部４５の構成について例を挙げて説明する。図６に磁気光学結晶を１枚使用した構成及び各素子の結晶軸を示す。
【００２８】
合成複屈折結晶６１及び合成複屈折結晶６２は、厚さが等しいそれぞれ２枚の複屈折結晶を結晶軸を相反する方向にし並列に張り合わせてあり、合成複屈折結晶６１と合成複屈折結晶６２の張り合わせ部が直交するように配置されている。磁気光学結晶６３の偏光回転方向は図６に示すように光軸に対して反時計回りに４５度回転する厚みとなっており、複屈折結晶６４は単一の結晶軸を有しており、その厚みは合成複屈折結晶６１、６２に対して√２倍の厚みになっている。次に、それぞれの結晶を光が通過した場合の光路と偏光状態を説明するために、各結晶の前後の位置を図６に示すようにＡ〜Ｅと定義しておく。
【００２９】
図７はＡからＥへ光が進む場合の偏光状態を、図８はＥからＡへ光が進む場合の偏光状態を示しており、図７の進行方向を順方向、図８の進行方向を逆方向とする。また図７、８中のＡ〜Ｅは図６のＡ〜Ｅと対応している。図７に示している順方向では、入射した光が合成複屈折結晶６１を通過した後、常光、異常光に分離され、異常光の光路がシフトされる。次に合成複屈折結晶６２をこれらの光が通過すると、複屈折結晶６１によってシフトされなかった光は今度は異常光となるため光路がシフトされ、複屈折結晶６１によってシフトされたは今度は常光となるためそのまま通過する。その後、磁気光学結晶６３によってそれぞれ光軸方向を基準として反時計回り方向に４５度偏光方向を回転される。そして単一の結晶軸を有する複屈折結晶６４を通過することによって分離されていた光の一方がシフトされ、一つの光として出射される。
【００３０】
次に図８に示している逆方向では、入射した光が単一の結晶軸を有する複屈折結晶６４を通過した後、常光と異常光に分離され、異常光の光路がシフトされる。そして磁気光学結晶６３によってそれぞれ光軸方向を基準として反時計回り方向に４５度偏光方向を回転されるため、図７に示すC の位置の偏光状態と異なることが分かる。その後、合成複屈折結晶６２、６１を通過することによって分離されていた光のそれぞれ一方ずつがシフトされ、一つの光として出射される。以上のことから、図６に示す実施例の結晶群は、順方向及び逆方向の光はどちらもその偏光状態に関係なく結晶群を通過することが可能であり、さらに順方向の入射位置と逆方向の出射位置が異なる非相反機能を有していることが分かる。
【００３１】
図９に磁気光学結晶を２枚使用した構成及び各素子の結晶軸を示す。複屈折結晶９１及び複屈折結晶９６は結晶軸を相反する方向にして配置し、複屈折結晶９１及び９６の間に偏光回転方向が図９に示す光軸に対して時計回りに４５度回転する厚みの磁気光学結晶９２と偏光回転方向が図９に示す光軸に対して反時計回りに４５度回転する厚みの磁気光学結晶９５を配置している。さらに磁気光学結晶９２及び９５の間に結晶軸を相反する方向にして張り合わせた合成複屈折結晶９３を張り合わせ面が水平になるように配置している。合成複屈折結晶９３の光軸方向の厚みは複屈折結晶９１、９６に対して√２倍の厚みになっている。なお合成複屈折結晶９３と磁気光学結晶９５の間に置かれている複屈折結晶９４は２つの光路差をキャンセルする目的で挿入されている。
【００３２】
次に、それぞれの結晶を光が通過した場合の光路と偏光状態を説明するために、各結晶の前後の位置を図９に示すようにＡ〜Ｇと定義しておく。図１０はＡからＧへ光が進む場合の偏光状態を、図１１にはＧからＡへ光が進む場合の偏光状態を示しており、図１０の進行方向を順方向、図１１の進行方向を逆方向とする。また図１０、１１中のＡ〜Ｇは図９のＡ〜Ｇと対応している。図１０に示している順方向では、複屈折結晶９１を通過した後、常光、異常光に分離され、異常光の光路がシフトされる。
【００３３】
次に、磁気光学結晶９２によってそれぞれ光軸方向を基準として時計回り方向に４５度偏光方向を回転される。そして合成複屈折結晶９３に入射した光は複屈折結晶９１によってシフトされなかった光が異常光となるため光路がシフトされ、図１０のＤに示す偏光状態となる。その後複屈折結晶９４、磁気光学結晶９５を通過すると偏光状態が図１０のＦに示す状態になり、複屈折結晶９６に入射される。複屈折結晶９６を通過することによって分離光されていた光の一方がシフトされ、一つの光として出射される。
【００３４】
次に、図１１に示している逆方向では、複屈折結晶９６を通過した後、常光、異常光に分離され、異常光の光路がシフトされる。次に、磁気光学結晶９５によってそれぞれ光軸方向を基準として反時計回り方向に４５度偏光方向を回転される。そして複屈折結晶９４を通過した後合成複屈折結晶９３に入射した光は複屈折結晶９６によってシフトされなかった光が異常光となるため光路がシフトされ、図１０のＤに示す偏光状態となる。その後磁気光学結晶９２を通過すると偏光状態が図１０のＢに示す状態になり、複屈折結晶９１に入射される。複屈折結晶９１を通過することによって分離光されていた光の一方がシフトされ、一つの光として出射される。以上のことから、図９に示す実施例の結晶群は、順方向及び逆方向の光はどちらもその偏光状態に関係なく結晶群を通過することが可能であり、さらに順方向の入射位置と逆方向の出射位置が異なる非相反機能を有していることが分かる。
【００３５】
以上述べた図６、図９のような構成であれば偏光ビームスプリッタ、反射ミラーを使用していないため、光学結合の簡易化、及び挿入損失、アイソレーションの改善された光サーキュレータを実現することが可能となる。さらに図６、図９に示すような機能素子を図４の非相反部４５の部分に挿入することにより、外形の小型化、及びポートが直交しない形状の小型光サーキュレータを実現可能とする。もちろん本実施例以外でも、同様の機能を持つ非相反部を使用すれば、小型光サーキュレータの実現は可能である。
【００３６】
なお、本実施例の複屈折結晶として用いられる材料としては、方解石、ルチル、ＬＮ結晶などが挙げられる。結晶の厚みは、例えばルチルを使用する場合には、所望する光線分離距離に対して約１０倍の厚みとなる。また磁気光学結晶にはビスマス置換ガーネット結晶、YIG 結晶などが用いられる。結晶の厚みは、入射光線の進行方向に飽和磁界を印可した場合に、入射光線の偏光面が45度回転するように設定する。また、磁気光学結晶に自己バイアス型のビスマス置換ガーネット結晶などを用いた場合は磁石は不要であり、入射光線の偏光面が４５度回転するような厚みに設定する。
【００３７】
【発明の効果】
以上のように本発明の光結合系部品によれば、各光ファイバ毎にレンズを必要としない光学結合系を得ることができ、光モジュールを装置に組み込む際に必ず要求される外形の小型化に貢献することが可能となる。
【００３８】
また、本発明の光サーキュレータによれば、外形の小型化、及びポートが直交しない形状のサーキュレータを実現可能にすると共に、偏光ビームスプリッタ、反射ミラーを使用しない構造となり、光学結合の簡易化、挿入損失及びアイソレーションの改善された光サーキュレータを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）（ｂ）は本発明による光ファイバ部品を示す図である。
【図２】本発明による光ファイバ部品を使用した１群レンズ系の構成例を示す図である。
【図３】本発明による光ファイバ部品を使用した２群レンズ系の構成例を示す図である。
【図４】本発明による光ファイバ部品を使用した３ポート光サーキュレータの構成例を示す図である。
【図５】本発明による光ファイバ部品を使用した４ポート光サーキュレータの構成例を示す図である。
【図６】本発明による光ファイバ部品を使用した３ポート光サーキュレータに使用する非相反部の構成例を示す図である。
【図７】図６に示す非相反部の順方向の光路及び偏光状態を示す図である。
【図８】図６に示す非相反部の逆方向の光路及び偏光状態を示す図である。
【図９】本発明による光ファイバ部品を使用した３ポート光サーキュレータに使用する非相反部の構成例を示す図である。
【図１０】図９に示す非相反部の順方向の光路及び偏光状態を示す図である。
【図１１】図９に示す非相反部の逆方向の光路及び偏光状態を示す図である。
【図１２】第１の従来の光サーキュレータの構成を示す図である。
【図１３】図１２の光サーキュレータの順方向に進む光の光路及び偏光状態を示す図である。
【図１４】図１２の光サーキュレータの逆方向に進む光の光路及び偏光状態を示す図である。
【図１５】第２の従来の光サーキュレータの構成を示す図である。
【符号の説明】
１０：光ファイバ部品
１１：２芯キャピラリ
１２：先端部
１３、１４：光ファイバ
２１：光ファイバ部品
２３、２４：集光レンズ
４５、５５：非相反部
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信、光計測等に使用する光サーキュレータ等の光モジュール及びこれに使用する光ファイバ部品に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光通信に使用される光モジュールは複数の入出力ポートを持ち、入力された光を分岐するものや波長ごとに分波するもの等、様々な用途の光モジュールが存在する。光モジュールの一つである光サーキュレータは光信号を一方向にのみ通過させるような非相反機能をもつ光部品であり、反射型光ファイバ増幅器の入出力部や双方向通信システムの分岐部に使用されてきた。
【０００３】
従来の光サーキュレータはファイバコリメータ、偏光分離素子、反射ミラー、磁気光学素子、旋光性結晶等を用いて構成されており、第１の従来例を図１２に示す。構成は中央に４５度旋光子１２１、ファラデ４５度回転子１２２があり、その両側に偏光ビームスプリッタ１２３、１２４と反射ミラー１２５、１２５がそれぞれ１組ずつ配置されている。また各光入出力ポートにはファイバコリメータ１２７、１２８、１２９が使用されている。
【０００４】
図１３に光入出力ポートから入射した光が光入出力ポート１２８から出射されるまでの光路を示す。図１３に示すように光入出力ポート１２７入射した光は偏光ビームスプリッタ１２３によりＰ波成分とＳ波成分に分離される。Ｐ波成分は４５度旋光子１２１、ファラデ４５度回転子１２２を通過することにより電界振動方向が９０度回転され、反射ミラー１２６にて反射された後、偏光ビームスプリッタ１２４に入射する。一方、Ｓ波成分は反射ミラー１２５にて反射された後、４５度旋光子１２１、ファラデ４５度回転子１２２を通過することにより電界振動方向が９０度回転され、偏光ビームスプリッタ１２４に入射する。Ｐ波成分及びＳ波成分は偏光ビームスプリッタ１２４によって合波され、この合波された光が光入出力ポート１２８から出射する。
【０００５】
次に図１４に光入出力ポート１２８から入射した光が光入出力ポート１２９から出射されるまでの光路を示す。図１４に示すように光入出力ポート１２８から入射した光は偏光ビームスプリッタ１２４によりＰ波成分とＳ波成分に分離される。Ｐ波成分はファラデ４５度回転子１２２、４５度旋光子１２１を通過するが電界振動方向は回転されず、反射ミラー１２５にて反射された後、偏光ビームスプリッタ１２３に入射する。一方、Ｓ波成分は反射ミラー１２６にて反射された後、ファラデ４５度回転子１２２、４５度旋光子１２１を通過するが電界振動方向は回転されず、偏光ビームスプリッタ１２３に入射する。Ｐ波成分及びＳ波成分は偏光ビームスプリッタ１２３によって合波され、この合波された光が光入出力ポート１２９から出射する。以上のようなことにより光入出力ポート１２７から入射した光は、その偏光状態に関係なく光入出力ポート１２８から出射され、光入出力ポート１２８から入射した光は、その偏光状態に関係なく光入出力ポート１２７からは出射せずに、光入出力ポート１２９から出射するという光サーキュレータの機能をもつことができる。
【０００６】
また近年では、特許第２５３９５６３号に示されるような偏光ビームスプリッタを用いないタイプの光サーキュレータも登場している。第２の従来例として図１５にその構成を示す。複屈折結晶板１５１、上下に右回り半波長板１５２と左回り半波長板１５３を張り合わせた合成半波長板、磁気光学結晶１５４、複屈折結晶板１５５、磁気光学結晶１５６、上下に右回り４５度半波長板１５７と左回り４５度半波長板１５８を張り合わせた合成半波長板、複屈折結晶板１５９の順に配置した非相反部を有しており、光ファイバ１６３、１６４とレンズ１６０、１６１をそれぞれ組み合わせたファイバコリメータと、光ファイバ１６５とレンズ１６２を組み合わせたファイバコリメータを、非相反部の両側に配置した構成になっている。
【０００７】
第１の従来では例偏光ビームスプリッタで分離した光を反射ミラーにて進行方向を変更した後再び偏光ビームスプリッタで合波されなければならないため、合波する際に分離されていた光の進行方向を一致させるには反射ミラーの角度調整を非常に高精度で行わなければならず、高度な調芯技術が必要となる。さらに光ビームスプリッタは偏光分離膜の特性上、透過すべきＰ波成分が反射されるＳ波成分に漏れ込んでしまうために、アイソレーションが悪くなるという問題があったが、第２の従来例では偏光ビームスプリッタと光路変更用のミラーを用いておらず、複数の複屈折結晶板によりビームの分離、合成を行っているため、アイソレーションの向上が得られている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上述した第１及び第２の従来の光サーキュレータでは、各光入出力ポートにファイバコリメータを使用していることから、ポート数分のレンズが必要となるため高価になり、さらに外形については第１の従来の光サーキュレータは、ファイバコリメータ反射ミラーにて光の進行方向を直角に変更していることからポートが直行した形状となり、第２の従来の光サーキュレータは、光軸方向に非常に長くなった形状となってしまうため、光モジュールを装置に組み込む際に必ず要求される小型化に対応することが非常に困難であった。
【０００９】
本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、レンズを使用した光モジュールの外形の小型化に貢献する光ファイバ部品を提供することにある。また提供する光ファイバ部品を偏光ビームスプリッタ、反射ミラーを不要とした非相反部を有する光サーキュレータに応用することにより、光学結合の簡易化、挿入損失及びアイソレーションを改善すると同時に、ファイバコリメータを不要とした小型かつ高性能光サーキュレータを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の側面に係る光結合系部品は、２つの光ファイバを保持した光ファイバ部品と、光を集光するための集光レンズとから構成され、上記一方の光ファイバの端部から上記集光レンズに向けて出射される光、および、上記集光レンズを介して上記他方の光ファイバの端部に入射する光と、上記他方の光ファイバの端部から上記集光レンズに向けて出射される光、および、上記集光レンズを介して上記一方の光ファイバの端部に入射する光とが、上記集光レンズの中心を外れた部分を通過し且つ上記集光レンズと光ファイバ部品との間で交差し、上記集光レンズの中心軸に対して対称な位置を通過するように、上記２つの光ファイバを並列保持した上、上記一方の光ファイバの端部の端面角度を他方の光ファイバの端面角度と異なる角度に設定したことを特徴とする。
【００１１】
好ましい実施の形態としては、光ファイバ部品を２つと集光レンズを２つとを有し、該２つの光ファイバ部品の間に該２つの集光レンズが配置されている。
【００１２】
本発明の第２の側面に係る光サーキュレータは、入射光線中の直交する２つの偏光成分を分離し、かつ異なる光路で入射される２つの偏光成分を同一光路に合成する少なくとも１つの光線分離合成手段と、入射光線をその偏光方向に応じて異なる方向へ進行させる光路決定手段又は偏光回転手段の一方もしくは両方を少なくとも１つ以上とを備える非相反部を有し、該非相反部の一方に集光レンズを介して少なくとも１つの光ファイバの端部を他方に本発明の第１の側面に係る光結合系部品を集光レンズが非相反部側となるように配置するか、又は、非相反部の両側に本発明の第１の側面に係る光結合系部品を集光レンズの双方が非相反部側となるように配置したことを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明による光ファイバ部品の実施形態として図１にキャピラリを用いた場合の構成を示す。
【００１４】
図１に示す光ファイバ部品１０は、２本の光ファイバ１３、１４を保持した２芯キャピラリ１１の先端１２を一方の光ファイバ１３の先端角度と他方の光ファイバ１４の先端角度が異なる角度になるよう研磨したものである。このような構造とすることによって、詳細を後述するように、各光ファイバ毎にレンズを備える必要なく、一つのレンズで２本の光ファイバの光信号を他の光ファイバに結合させることができる。
【００１５】
研磨の角度は光線の出射もしくは入射角度が所望の角度となるように研磨されており、用途によって様々なものが考えられるが、研磨角度と出射光線の角度の関係は光ファイバの屈折率と入射もしくは出射される側の屈折率によって決定される。例えば本実施例では±８度の研磨角度にすることによって、屈折率１．４５の光ファイバから屈折率１の空気中に±３．６４度の角度をもって出射されるような光線を得ることができる。他にも２芯ファイバアレイ等ファイバを並列保持できる部品はあるが、先端を同様に加工することにより同等の機能を有することができる。
【００１６】
次に本発明による光ファイバ部品の効果を説明するために、図２、図３に光結合系の例を示す。
【００１７】
図２では、先端を同一角度に研磨した光ファイバ部品２１と、本発明による光ファイバ部品１０の間に集光レンズ２３を配置した構成となっている。光ファイバ２４、光ファイバ２５から出射された光は集光レンズ２３の中心を外れた部分を通過するため、通過した後、２つの光が交差するような角度にて出射される。
【００１８】
そして、交差する各光がそれぞれ集光する位置に、光ファイバ１３、１４の端面が位置するように光ファイバ部品１２を配置する。そして、各光は斜めに光ファイバ１３、１４の端面に入射し、入射後の屈折方向が各光ファイバ１３、１４に沿った方向となるように、各端面の角度を調整しておくことによって、それぞれの光を光ファイバ１３、１４に伝達することができる。
【００１９】
一般に集光レンズにより集光された光を光ファイバに結合させる場合、位置を調整すると同時に角度を調整しなければ良好な結合を得ることはできない。つまり図２のように角度が異なる２つの光を２本の光ファイバに同時に結合させるには、同一研磨の光ファイバ部品では角度ずれが大きくなり低損失な結合を得ることは不可能となる。
【００２０】
そこで、本発明による光ファイバ部品１０のように２つの異なる角度の光と２本の光ファイバをそれぞれ最大結合できるように光ファイバ１３、１４の先端に異なる角度の研磨を施すことにより、光ファイバ２４、２５から出射された光を光ファイバ１３、１４に同時に結合させることが可能となるとともに、１つの集光レンズにて結合の良好な２系統の光結合系を得ることを可能とする。
【００２１】
次に図３に示すような本発明による光ファイバ部品１０、１０’の間に集光レンズ２３、２４を配置した構成においては、光ファイバ部品１０を出射した２つの光は、それぞれの端面で屈折して交差し、レンズ２３を通過することによって互いに平行な光となり、さらにレンズ２４を通過することによって、互いに交差する光となり、図２と同様にしてもう一方の光ファイバ部品１０’に入射するようになっている。
【００２２】
この構成では、図２の場合と同様に結合の良好な２系統の光結合系が得られるとともに、集光レンズ間に様々な機能を持つ素子を挿入することが可能となり、特に光サーキュレータを構成する上で非常に有効な光結合系となる。
【００２３】
図４に３ポート光サーキュレータに本発明による光ファイバ部品を応用した構成を示す。本発明による光ファイバ部品１０と１本の光ファイバ２４を保持した光ファイバ部品２１の間に集光レンズ２３、２４が配置されており、さらに集光レンズ２３、２４の間に非相反部４５が挿入されている。非相反部４５は図４に示す矢印のように光路をシフトさせる機能をもっているため、光ファイバ１３に入力した光は光ファイバ２４から出力され、光ファイバ２４に入力した光は光ファイバ１３には戻ることなく光ファイバ１４から出力されることから、３ポート光サーキュレータの機能を得ることができる。
【００２４】
図５には４ポート光サーキュレータに本発明による光ファイバ部品を応用した構成を示す。本発明による光ファイバ部品１０、１０’の間に集光レンズ２３、２４が配置されており、さらに集光レンズ２３、２４の間に非相反部５５が挿入されている。非相反部５５は図５に示す矢印のように光路をシフトさせる機能をもっているため、光ファイバ１４に入力した光は光ファイバ１４’から出力され、光ファイバ１４’に入力した光は光ファイバ１３から出力され、光ファイバ１３に入力した光は光ファイバ１３’から出力され、それぞれ逆方向へ光は伝達されないことから４ポート光サーキュレータの機能を得ることができる。
【００２５】
このように本発明による光ファイバ部品１０により、角度の異なる複数の光を低損失で結合させることが可能となるため、２つの集光レンズのみで、３ポート及び４ポート光サーキュレータの実現を可能とする。
【００２６】
また光サーキュレータ以外の２系統以上の光路が必要な光モジュールの場合は、図３、４に示す構造と同様にして、非相反部４５、５５の代わりに各種機能素子を配置すれば良いことになる。
【００２７】
次に図４にて示した３ポート光サーキュレータに挿入する非相反部４５の構成について例を挙げて説明する。図６に磁気光学結晶を１枚使用した構成及び各素子の結晶軸を示す。
【００２８】
合成複屈折結晶６１及び合成複屈折結晶６２は、厚さが等しいそれぞれ２枚の複屈折結晶を結晶軸を相反する方向にし並列に張り合わせてあり、合成複屈折結晶６１と合成複屈折結晶６２の張り合わせ部が直交するように配置されている。磁気光学結晶６３の偏光回転方向は図６に示すように光軸に対して反時計回りに４５度回転する厚みとなっており、複屈折結晶６４は単一の結晶軸を有しており、その厚みは合成複屈折結晶６１、６２に対して√２倍の厚みになっている。次に、それぞれの結晶を光が通過した場合の光路と偏光状態を説明するために、各結晶の前後の位置を図６に示すようにＡ〜Ｅと定義しておく。
【００２９】
図７はＡからＥへ光が進む場合の偏光状態を、図８はＥからＡへ光が進む場合の偏光状態を示しており、図７の進行方向を順方向、図８の進行方向を逆方向とする。また図７、８中のＡ〜Ｅは図６のＡ〜Ｅと対応している。図７に示している順方向では、入射した光が合成複屈折結晶６１を通過した後、常光、異常光に分離され、異常光の光路がシフトされる。次に合成複屈折結晶６２をこれらの光が通過すると、複屈折結晶６１によってシフトされなかった光は今度は異常光となるため光路がシフトされ、複屈折結晶６１によってシフトされたは今度は常光となるためそのまま通過する。その後、磁気光学結晶６３によってそれぞれ光軸方向を基準として反時計回り方向に４５度偏光方向を回転される。そして単一の結晶軸を有する複屈折結晶６４を通過することによって分離されていた光の一方がシフトされ、一つの光として出射される。
【００３０】
次に図８に示している逆方向では、入射した光が単一の結晶軸を有する複屈折結晶６４を通過した後、常光と異常光に分離され、異常光の光路がシフトされる。そして磁気光学結晶６３によってそれぞれ光軸方向を基準として反時計回り方向に４５度偏光方向を回転されるため、図７に示すC の位置の偏光状態と異なることが分かる。その後、合成複屈折結晶６２、６１を通過することによって分離されていた光のそれぞれ一方ずつがシフトされ、一つの光として出射される。以上のことから、図６に示す実施例の結晶群は、順方向及び逆方向の光はどちらもその偏光状態に関係なく結晶群を通過することが可能であり、さらに順方向の入射位置と逆方向の出射位置が異なる非相反機能を有していることが分かる。
【００３１】
図９に磁気光学結晶を２枚使用した構成及び各素子の結晶軸を示す。複屈折結晶９１及び複屈折結晶９６は結晶軸を相反する方向にして配置し、複屈折結晶９１及び９６の間に偏光回転方向が図９に示す光軸に対して時計回りに４５度回転する厚みの磁気光学結晶９２と偏光回転方向が図９に示す光軸に対して反時計回りに４５度回転する厚みの磁気光学結晶９５を配置している。さらに磁気光学結晶９２及び９５の間に結晶軸を相反する方向にして張り合わせた合成複屈折結晶９３を張り合わせ面が水平になるように配置している。合成複屈折結晶９３の光軸方向の厚みは複屈折結晶９１、９６に対して√２倍の厚みになっている。なお合成複屈折結晶９３と磁気光学結晶９５の間に置かれている複屈折結晶９４は２つの光路差をキャンセルする目的で挿入されている。
【００３２】
次に、それぞれの結晶を光が通過した場合の光路と偏光状態を説明するために、各結晶の前後の位置を図９に示すようにＡ〜Ｇと定義しておく。図１０はＡからＧへ光が進む場合の偏光状態を、図１１にはＧからＡへ光が進む場合の偏光状態を示しており、図１０の進行方向を順方向、図１１の進行方向を逆方向とする。また図１０、１１中のＡ〜Ｇは図９のＡ〜Ｇと対応している。図１０に示している順方向では、複屈折結晶９１を通過した後、常光、異常光に分離され、異常光の光路がシフトされる。
【００３３】
次に、磁気光学結晶９２によってそれぞれ光軸方向を基準として時計回り方向に４５度偏光方向を回転される。そして合成複屈折結晶９３に入射した光は複屈折結晶９１によってシフトされなかった光が異常光となるため光路がシフトされ、図１０のＤに示す偏光状態となる。その後複屈折結晶９４、磁気光学結晶９５を通過すると偏光状態が図１０のＦに示す状態になり、複屈折結晶９６に入射される。複屈折結晶９６を通過することによって分離光されていた光の一方がシフトされ、一つの光として出射される。
【００３４】
次に、図１１に示している逆方向では、複屈折結晶９６を通過した後、常光、異常光に分離され、異常光の光路がシフトされる。次に、磁気光学結晶９５によってそれぞれ光軸方向を基準として反時計回り方向に４５度偏光方向を回転される。そして複屈折結晶９４を通過した後合成複屈折結晶９３に入射した光は複屈折結晶９６によってシフトされなかった光が異常光となるため光路がシフトされ、図１０のＤに示す偏光状態となる。その後磁気光学結晶９２を通過すると偏光状態が図１０のＢに示す状態になり、複屈折結晶９１に入射される。複屈折結晶９１を通過することによって分離光されていた光の一方がシフトされ、一つの光として出射される。以上のことから、図９に示す実施例の結晶群は、順方向及び逆方向の光はどちらもその偏光状態に関係なく結晶群を通過することが可能であり、さらに順方向の入射位置と逆方向の出射位置が異なる非相反機能を有していることが分かる。
【００３５】
以上述べた図６、図９のような構成であれば偏光ビームスプリッタ、反射ミラーを使用していないため、光学結合の簡易化、及び挿入損失、アイソレーションの改善された光サーキュレータを実現することが可能となる。さらに図６、図９に示すような機能素子を図４の非相反部４５の部分に挿入することにより、外形の小型化、及びポートが直交しない形状の小型光サーキュレータを実現可能とする。もちろん本実施例以外でも、同様の機能を持つ非相反部を使用すれば、小型光サーキュレータの実現は可能である。
【００３６】
なお、本実施例の複屈折結晶として用いられる材料としては、方解石、ルチル、ＬＮ結晶などが挙げられる。結晶の厚みは、例えばルチルを使用する場合には、所望する光線分離距離に対して約１０倍の厚みとなる。また磁気光学結晶にはビスマス置換ガーネット結晶、YIG 結晶などが用いられる。結晶の厚みは、入射光線の進行方向に飽和磁界を印可した場合に、入射光線の偏光面が45度回転するように設定する。また、磁気光学結晶に自己バイアス型のビスマス置換ガーネット結晶などを用いた場合は磁石は不要であり、入射光線の偏光面が４５度回転するような厚みに設定する。
【００３７】
【発明の効果】
以上のように本発明の光結合系部品によれば、各光ファイバ毎にレンズを必要としない光学結合系を得ることができ、光モジュールを装置に組み込む際に必ず要求される外形の小型化に貢献することが可能となる。
【００３８】
また、本発明の光サーキュレータによれば、外形の小型化、及びポートが直交しない形状のサーキュレータを実現可能にすると共に、偏光ビームスプリッタ、反射ミラーを使用しない構造となり、光学結合の簡易化、挿入損失及びアイソレーションの改善された光サーキュレータを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）（ｂ）は本発明による光ファイバ部品を示す図である。
【図２】本発明による光ファイバ部品を使用した１群レンズ系の構成例を示す図である。
【図３】本発明による光ファイバ部品を使用した２群レンズ系の構成例を示す図である。
【図４】本発明による光ファイバ部品を使用した３ポート光サーキュレータの構成例を示す図である。
【図５】本発明による光ファイバ部品を使用した４ポート光サーキュレータの構成例を示す図である。
【図６】本発明による光ファイバ部品を使用した３ポート光サーキュレータに使用する非相反部の構成例を示す図である。
【図７】図６に示す非相反部の順方向の光路及び偏光状態を示す図である。
【図８】図６に示す非相反部の逆方向の光路及び偏光状態を示す図である。
【図９】本発明による光ファイバ部品を使用した３ポート光サーキュレータに使用する非相反部の構成例を示す図である。
【図１０】図９に示す非相反部の順方向の光路及び偏光状態を示す図である。
【図１１】図９に示す非相反部の逆方向の光路及び偏光状態を示す図である。
【図１２】第１の従来の光サーキュレータの構成を示す図である。
【図１３】図１２の光サーキュレータの順方向に進む光の光路及び偏光状態を示す図である。
【図１４】図１２の光サーキュレータの逆方向に進む光の光路及び偏光状態を示す図である。
【図１５】第２の従来の光サーキュレータの構成を示す図である。
【符号の説明】
１０：光ファイバ部品
１１：２芯キャピラリ
１２：先端部
１３、１４：光ファイバ
２１：光ファイバ部品
２３、２４：集光レンズ
４５、５５：非相反部
Claims (4)
- ２つの光ファイバを保持した光ファイバ部品と、光を集光するための集光レンズとから構成され、
上記一方の光ファイバの端部から上記集光レンズに向けて出射される光、および、上記集光レンズを介して上記他方の光ファイバの端部に入射する光と、上記他方の光ファイバの端部から上記集光レンズに向けて出射される光、および、上記集光レンズを介して上記一方の光ファイバの端部に入射する光とが、上記集光レンズの中心を外れた部分を通過し且つ上記集光レンズと光ファイバ部品との間で交差し、上記集光レンズの中心軸に対して対称な位置を通過するように、上記２つの光ファイバを並列保持した上、上記一方の光ファイバの端部の端面角度を他方の光ファイバの端面角度と異なる角度に設定したことを特徴とする光結合系部品。 - 上記光ファイバ部品を２つと上記集光レンズを２つとを有し、該２つの光ファイバ部品の間に該２つの集光レンズが配置されていることを特徴とする請求項１記載の光学結合系部品。
- 入射光線中の直交する２つの偏光成分を分離し、かつ異なる光路で入射される２つの偏光成分を同一光路に合成する少なくとも１つの光線分離合成手段と、入射光線をその偏光方向に応じて異なる方向へ進行させる光路決定手段又は偏光回転手段の一方もしくは両方を少なくとも１つ以上とを備える非相反部を有し、該非相反部の一方に集光レンズを介して少なくとも１つの光ファイバの端部を他方に請求項１に記載の光結合系部品を上記集光レンズが非相反部側となるように配置したことを特徴とする光サーキュレータ。
- 入射光線中の直交する２つの偏光成分を分離し、かつ異なる光路で入射される２つの偏光成分を同一光路に合成する少なくとも１つの光線分離合成手段と、入射光線をその偏光方向に応じて異なる方向へ進行させる光路決定手段又は偏光回転手段の一方もしくは両方を少なくとも１つ以上とを備える非相反部を有し、該非相反部の両側に請求項１に記載の光結合系部品を上記集光レンズの双方が非相反部側となるように配置したことを特徴とする光サーキュレータ。
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