JP3936451B2

JP3936451B2 - 光アッテネータモジュール

Info

Publication number: JP3936451B2
Application number: JP33111297A
Authority: JP
Inventors: 英則中田; 洋一鈴木; 浩光梅澤
Original assignee: FDK Corp
Current assignee: FDK Corp
Priority date: 1997-11-14
Filing date: 1997-11-14
Publication date: 2007-06-27
Anticipated expiration: 2017-11-14
Also published as: JPH11149065A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気光学方式の光アッテネータモジュールに関し、更に詳しく述べると、光アッテネータ本体の部分と光アイソレータとして機能する部分とを組み合わせて高性能化を図ると共に、光アイソレータ機能部のファラデー素子を光アッテネータ本体部の筒状若しくは環状の永久磁石内に組み込むことにより、全体として部品点数の削減と小型化を図った光アッテネータモジュールに関するものである。この光アッテネータモジュールは、例えば光通信機器や光計測機器などに有用である。
【０００２】
【従来の技術】
光通信システムや光学測定装置などにおいては、入力光の強度を任意の割合で減衰させて出力する光アッテネータが用いられることがある。例えば、光増幅器の直後やレーザの後段などに設置される。光アッテネータの減衰率を変化させる方式には機械式のものもあるが、近年ではシステム信頼性を高めるために、機械的な可動部分が無い磁気光学方式の光アッテネータが実用化されている。
【０００３】
従来の磁気光学方式の光アッテネータの一例としては、第１の偏光子と第２の偏光子との間にファラデー素子を配置し、該ファラデー素子に飽和磁界を印加する永久磁石を設けると共に、該ファラデー素子に前記飽和磁界と異なる方向の可変磁界を印加する電磁石を設ける構成がある（例えば特開平６−５１２５５号公報参照）。典型的には、永久磁石によって光路（光の透過方向）に平行な飽和磁界を印加し、電磁石によって光路に直交する可変磁界を印加する。その場合の飽和磁界の印加は、ファラデー素子の前後にそれぞれ磁極が位置し且つ光路を避けるようにＣ型の永久磁石を設置することで行っているが、ファラデー素子の前後に光路を避けるようにブロック状の永久磁石を設置する構成などでもよい。
【０００４】
上記特開平６−５１２５５号公報には、図５に示すように、光ファイバ８０、第１のレンズ８２、楔形複屈折板からなる第１の偏光子８４、ファラデー回転子８６、楔形複屈折板からなる第２の偏光子８８、第２のレンズ９０、光ファイバ９２を、この順序で配列した光アッテネータが記載されている。ここでファラデー回転子８６は、例えば図６に示すように、ファラデー素子９４と、該ファラデー素子９４に対して光路と平行に飽和磁界を印加する永久磁石９６と、光路と垂直方向に可変磁界を印加する電磁石９８とからなる。
【０００５】
永久磁石９６によって飽和磁界を印加しつつ、その飽和磁界と垂直方向に電磁石９８で可変磁界を印加すると、ファラデー素子９４には、それらの合成磁界が印加され、その合成磁界の方向に磁化ベクトルが向く。ファラデー素子９４を透過する光は、その磁化ベクトルの光路に平行な成分に応じたファラデー回転角でファラデー回転する。従って、電磁石９８による可変磁界の制御によりファラデー回転角を変化させることで、第２の偏光子８８から出力する光の強度を調整でき、これによって磁気光学式の光アッテネータを実現できることになる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このような磁気光学式の光アッテネータでは、原理的には９０度ファラデー回転子を用い、第１の偏光子と第２の偏光子を光学軸に９０度の角度差をもたせて配置し、磁化ベクトルの向きを光路と平行から垂直まで９０度の範囲で変化させればよい。しかし、この構成では、電磁石に十分大きな電流を供給して可変磁界を大きくしても、永久磁石による固定磁界の影響が残るために、ファラデー回転角を０度から９０度まで完全に変化させることができず、減衰率を最大の幅で変化させえない。
【０００７】
そこで、光路に平行な飽和磁界を印加した時に９０度を超えるファラデー回転角（例えば１００度）をもつファラデー回転子を用い、第１の偏光子と第２の偏光子の光学軸の角度差をファラデー回転角に一致させて（この場合１００度に）配置することが考えられる。しかし、その配置では、逆方向の光が減衰し難い。そのため特に順方向の減衰量が小さい時には、反射戻り光に対してのアイソレーション値も低くなる。光通信システムなどでは、この種の光アッテネータは光増幅器の直後、あるいはレーザの後段に設けられることが多く、低アイソレーション時には反射戻り光が多くなるため、それら光増幅器やレーザなどの動作に支障を来す問題が生じる恐れがある。
【０００８】
そこで、光アッテネータと光アイソレータを組み合わせることが考えられる。光アイソレータによって反射戻り光を阻止すれば、それによって高いアイソレーション特性は得られるが、両者を単に組み合わせただけでは、小型化には限度がある。
【０００９】
本発明の目的は、反射戻り光に対して高アイソレーション特性を呈し、且つ使用する部品点数を削減でき小型化できる構造の光アッテネータモジュールを提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、基本的に、第１の偏光子と第２の偏光子との間に第１のファラデー素子を配置し、該第１のファラデー素子に飽和磁界を印加する固定磁界印加手段を設けると共に、第１のファラデー素子に前記飽和磁界と異なる方向の可変磁界を印加する電磁石を設けた構成の光アッテネータを前提としている。ここで前記固定磁界印加手段は、１個以上の永久磁石からなり、その少なくとも１つが軸方向に２極着磁した筒状若しくは環状であって前記第１の偏光子の入力側の光路上に位置しており、その筒状若しくは環状の永久磁石の内部に磁気的に飽和される第２のファラデー素子を収容し、その第２のファラデー素子の入力側に第３の偏光子を、出力側に第４の偏光子をそれぞれ配置している。
【００１１】
第２のファラデー素子を用いて光アイソレータとして機能する部分を構成し、反射戻り光に対する高アイソレーション特性を発現させる。光アッテネータの筒状若しくは環状の永久磁石内に第２のファラデー素子を収納させることで、部品点数の削減と小型化を図っており、その点に本発明の特徴がある。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明は、第１のファラデー素子として、光路に平行な飽和磁界が印加された時に９０度を超える（例えば９５〜１１５度、典型的には１１０度の）ファラデー回転角を有する素子を用い、第１の偏光子と第２の偏光子をそのファラデー回転角に一致する角度差で配設する構成で特に有効である。固定磁界印加手段としては、共に軸方向に２極着磁した第１及び第２の２個の筒状若しくは環状の永久磁石を用い、第１の永久磁石を第１の偏光子の入力側の光路上に、第２の永久磁石を第１のファラデー素子の後方の光路上に、両方の永久磁石の着磁の向きが同じになり且つその軸方向が光路と平行になるように配設するのが好ましい。その時、前記第１の永久磁石内に第２のファラデー素子を収容する。
【００１３】
典型的な例としては、第１のファラデー素子が光路に平行な飽和磁界が印加さた時に９５〜１１５度のファラデー回転角を有する素子であり、第１の偏光子と第２の偏光子は共に楔形複屈折板からなり、それらの光学軸が互いに上記ファラデー回転角と一致する角度差となるように配設し固定磁界印加手段は、共に軸方向に２極着磁した第１及び第２の２個の筒状若しくは環状の永久磁石であって、第１の永久磁石を第１の偏光子の入力側の光路上に、第２の永久磁石を第２の偏光子の出力側の光路上に、両方の永久磁石の着磁の向きが同じになり且つその軸方向が光路と平行になるように配設し、前記第１の永久磁石内に第２のファラデー素子を収容し、その第２のファラデー素子の入力側に第３の偏光子を配置し、前記第２のファラデー素子の出力側に第４の偏光子を配置する構成がある。ここで第１〜第４の偏光子としては楔形複屈折板を用いる。
【００１４】
第１のファラデー素子のファラデー回転角を９５〜１１５度としているのは、９５度未満では最大の減衰率の変化を実現するために電磁石による可変磁界を非常に大きくする必要が生じるし、１１５度を超えると、その分だけ厚いファラデー素子が必要となるからである。このファラデー回転角は１００度程度が最適である。
【００１５】
偏光子としては、楔形や平行平板形の複屈折板、あるいはプリズム（例えばグラン・トムソンプリズム）が使用可能である。第２の偏光子が小さい場合には、それを第２の永久磁石内に収容することも可能である。偏光子として平行平板形の複屈折板やプリズムを用いる構成では、第１の偏光子を第４の偏光子と兼用させることも可能であり、それによって部品点数は更に削減できる。しかし、光アイソレータ機能部と光アッテネータ本体部のそれぞれの調整を効率的に行うには、このような４個の偏光子を用いる構成の方が有利である。楔形の複屈折板のみを用いる場合には、直線的の光路を形成する関係上、４個の偏光子を組み合わせる必要がある。複屈折板を用いると偏光無依存の光アイソレータモジュールを実現できるが、プリズムを用いた場合には偏光に依存した光アイソレータモジュールとなる。
【００１６】
【実施例】
図１は、本発明に係る光アッテネータモジュールの一実施例を示す説明図である。この光アッテネータモジュールは、４個の偏光子に楔形複屈折板を用いた偏光無依存の例である。光アッテネータモジュールは、基本的には光アッテネータ本体の部分と光アイソレータとして機能する部分との組み合わせからなる。
【００１７】
光アッテネータ本体の部分は、第１の偏光子１０と第２の偏光子１２との間に第１のファラデー素子１４を配置し、該第１のファラデー素子１４に光路と平行な方向の飽和磁界を印加する固定磁界印加手段を設けると共に、第１のファラデー素子１４に光路に直交する方向の可変磁界を印加する電磁石１６を設けた構成である。
【００１８】
ここで第１の偏光子１０及び第２の偏光子１２は、ルチル単結晶などの複屈折材料からなる楔形複屈折板からなり、そのテーパ角度は同一で且つテーパ方向が１８０度異なり、対向する面が互いに平行で、それらの各光学軸は平行で且つ光軸から見て１００度の角度差を有する関係で配置されている。第１のファラデー素子１４は、例えばＬＰＥ法によるビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜からなる１００度回転子である。ＬＰＥ法による単結晶膜は、ファラデー回転係数が大きく、そのため比較的薄い膜構造にできるし、更にＬＰＥ法は生産性が高い利点がある。勿論、ＹＩＧ（イットリウム鉄ガーネット）単結晶等でもよい。
【００１９】
固定磁界印加手段は、第１及び第２の円環状の永久磁石２０，２２の組み合わせであり、例えばサマリウム−コバルト（Ｓｍ−Ｃｏ）系磁石からなる。第１の永久磁石２０は前記第１の偏光子１０の入力側の光路上に、第２の永久磁石２２は前記第２の偏光子１２の出力側の光路上に配設されている。これらの永久磁石２０，２２は共に軸方向（厚み方向）に２極着磁されていて、両方の永久磁石２０，２２の着磁の向きが同じになり且つそれらの軸方向が光路と平行に位置している。電磁石１６は、例えばＣ型形状の磁気ヨークにコイル１８を巻装したものであり、その磁気ギャップ内に第１のファラデー素子１４が置かれ、光路に対して垂直方向に可変磁界が印加されるように構成されている。
【００２０】
本発明では、上記の円環状の第１の永久磁石２０の内部に第２のファラデー素子２４を収容する。この第２のファラデー素子２４は、第１のファラデー素子１４と同様、例えばＬＰＥ法によるビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜からなる。但し、この第２のファラデー素子２４は４５度回転子であり、外側の第１の永久磁石２０によって磁気的に飽和される。第２のファラデー素子２４の入力側に第３の偏光子２６を配置し、第２のファラデー素子２４の出力側に第４の偏光子２８を配置して光アイソレータとして機能する部分を構成する。第３及び第４の偏光子２６，２８は、前記第１及び第２の偏光子１０，１２と同様、ルチル単結晶などの楔形複屈折板からなり、そのテーパ角度が同一で且つテーパ方向が１８０度異なり、対向する面が互いに平行で、それらの光学軸は平行で且つ光軸から見て４５度の角度差を有する関係で配置する。
【００２１】
なお図示していないが、光路の入力側には光ファイバとコリメータレンズが設けられ、光路の出力側にもコリメータレンズと光ファイバとが設けられる。例えば、光アッテネータモジュールを筐体内に収納し、それらファイバコリメータはその筐体壁に取り付けることで組み立てる。
【００２２】
光アッテネータ本体部及び光アイソレータ機能部の動作は、基本的にはそれぞれ公知の光アッテネータ及び光アイソレータと同様である。光アッテネータ本体部では、永久磁石２０，２２による固定磁界と電磁石１６による可変磁界との合成磁界が第１のファラデー素子１４に作用する。この合成磁界の方向は電磁石１６による可変磁界の大きさによって変わり、それに伴い第１のファラデー素子１４における磁化ベクトルの向きも変わる。その結果、第１のファラデー素子１４の磁化の強さは一定（常に飽和しているため）であるにもかかわらず、磁化ベクトルの光伝搬方向の成分が変わり、その成分に応じて第１のファラデー素子１４におけるファラデー回転角が変化することになる。ここではファラデー回転角が１００度から１０度まで変化するように構成している。ファラデー回転角が１００度の時に最大透過量（最小減衰量）が得られ、ファラデー回転角が１０度の時に最小透過量（最大減衰量）が得られる。原理的には９０度から０度に変化すればよいのであるが、固定磁界を印加している関係上、可変磁界の向きを固定磁界に対して直交させたのでは可変磁界をいくら大きくしても、固定磁界に対して直交する合成磁界は実現できないからである。
【００２３】
図２は光アッテネータ本体部の動作を説明図である。図面を分かりやすくするために、第２のファラデー素子は図示を省略している。電磁石１６による印加磁界が０の時、ファラデー回転角は１００度であり、第１の偏光子１０から出射した常光ｏはそのまま第２の偏光子１２から常光ｏ₁として出射し、第１の偏光子１０から出射した異常光ｅはそのまま第２の偏光子１２から異常光ｅ₂として出射するため、両光は平行に出力する。それに対して電磁石１６による印加磁界を十分大きくすると、ファラデー回転角を１０度にでき、第１の偏光子１０から出射した常光ｏは殆ど全て第２の偏光子１２から異常光ｅ₁として出射し、第１の偏光子１０から出射した異常光ｅは殆ど全て第２の偏光子１２から常光ｏ₂として出射するため、拡散してしまう。
【００２４】
第１のファラデー素子１４に作用する各磁界の関係を図３のＡに、そのときの磁化ベクトルを図３のＢに示す。図３のＡに示すように、第１のファラデー素子１４には、光路に平行な方向の固定飽和磁界Ｈ₁と光路に垂直な方向の可変磁界Ｈ₂が加わる。勿論、固定飽和磁界Ｈ₁は第１及び第２の永久磁石２０，２２によるものであり、可変磁界Ｈ₂は電磁石１６によるものである。合成磁界Ｈ₃はそれらのベクトル和である。図３のＢに示すように、第１のファラデー素子１４には、その合成磁界Ｈ₃と同じ向きの磁化ベクトルＭ₃が生じる。磁気的な飽和状態にあるために、その磁化ベクトルＭ₃の大きさは、固定磁界Ｈ₁のみによる磁化ベクトルＭ₁と同じである。ファラデー回転に寄与する部分は、磁化ベクトルＭ₃の光路と平行な成分Ｍ（即ち、Ｍ₃cos θ）である。可変磁界Ｈ₂の大きさが変わると合成磁界Ｈ₃が変化し、磁化ベクトルＭ₃の向きが変わって磁化ベクトルの光路と平行な成分Ｍが増減し、ファラデー回転角が変化するのである。このようにして電磁石１６による印加磁界の強さに応じて、磁化ベクトルは回転し、ファラデー回転角は１００度から１０度までの範囲で変化し、それに応じて平行に出力する光量が異なり、光アッテネータとして機能することになる。
【００２５】
光アイソレータとして機能する部分は、次のように動作する。順方向の光については、第３の偏光子２６から出射した常光はそのまま第４の偏光子２８から常光として出射し、第３の偏光子２６から出射した異常光はそのまま第４の偏光子２８から異常光として出射し、それらは平行光である。逆方向の光の場合は、第４の偏光子２８から出射した常光は殆ど全て第３の偏光子２６から異常光として出射し、第４の偏光子２８から出射した異常光は殆ど全て第３の偏光子２６から常光として出射するため広がって、入力側には戻らない。
【００２６】
光アッテネータ本体の部分は、ファラデー回転角が１００度の時に最大の透過量が得られる。しかし、逆方向のアイソレーションは、第１の偏光子１０と第２の偏光子１２の光学軸の角度差が８０度であるため、ファラデー回転角０度でも１５ｄＢ程度しか得られない。そこで、アイソレーションを高めるために上記のように光アイソレータとして機能する部分を挿入している。上記の構成で、第３の偏光子２６、第２のファラデー素子２４、第１の永久磁石２０、及び第４の偏光子２８からなる光アイソレータ機能部のアイソレーションを約３０ｄＢと見積もると、本発明の光アッテネータモジュールのアイソレーションは、図４の実線で示すようになる。他方、光アイソレータ機能部が無い場合のアイソレーションは図４の破線で示すようになる。一点鎖線はアッテネーション（減衰量）を示している。なお、横軸は実験に用いた電磁石の巻線に流す駆動電流であるが、第１のファラデー素子に印加される直流磁界はこの駆動電流に比例する量である。
【００２７】
上記の実施例では偏光子としてルチル単結晶などからなる楔形複屈折板を用いており、偏光無依存の光アッテネータモジュールが得られる。楔形の複屈折板に代えて平行平板形の複屈折板を用いることもできる。なお、偏光依存性があってもかまわない場合には、楔形複屈折板に代えてプリズムを偏光子として用いることもできる。
【００２８】
【発明の効果】
本発明では上記のように、光アッテネータ本体部に用いている永久磁石の少なくとも１つを筒状もしくは環状とし、その内部にファラデー素子を組み込むことで光アイソレータ機能部分を付加する構成しているために、反射戻り光に対して高アイソレーション特性を呈し、且つ使用する部品点数が少なく小型化できる効果がある。特に光アッテネータに９０度を超えるファラデー回転角をもつファラデー素子を用いる場合、低アッテネータ時に低アイソレーションとなる欠点を解消でき、反射戻り光による前段の光増幅器やレーザなどの動作に支障が生じるのを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光アッテネータモジュールの一実施例を示す説明図。
【図２】その光アッテネータ本体部分の動作説明図。
【図３】第１のファラデー素子に加わる磁界とそれによる磁化の説明図。
【図４】電磁石の駆動電流とアッテネーション、アイソレーションの関係を示す図。
【図５】従来の光アッテネータの一例を示す説明図。
【図６】それに用いるファラデー回転子の一例を示す説明図。
【符号の説明】
１０第１の偏光子
１２第２の偏光子
１４第１のファラデー素子
１６電磁石
２０第１の永久磁石
２２第２の永久磁石
２４第２のファラデー素子
２６第３の偏光子
２８第４の偏光子

Claims

第１の偏光子と第２の偏光子との間に第１のファラデー素子を配置し、該第１のファラデー素子に飽和磁界を印加する固定磁界印加手段を設けると共に、第１のファラデー素子に前記飽和磁界と異なる方向の可変磁界を印加する電磁石を設けた光アッテネータにおいて、
前記固定磁界印加手段は、共に軸方向に２極着磁した第１及び第２の２個の筒状若しくは環状の永久磁石であって、第１の永久磁石を第１の偏光子の入力側の光路上に、第２の永久磁石を第１のファラデー素子の出力側の光路上に、両方の永久磁石の着磁の向きが同じになり且つその軸方向が光路と平行になるように配設し、前記第１の永久磁石の内部に磁気的に飽和される第２のファラデー素子を収容し、その第２のファラデー素子の入力側に第３の偏光子を、第２のファラデー素子の出力側に第４の偏光子をそれぞれ配置したことを特徴とする光アッテネータモジュール。
第１のファラデー素子は、光路に平行な飽和磁界が印加された時に９０度を超えるファラデー回転角を有する素子であり、第１の偏光子と第２の偏光子はそのファラデー回転角に一致する角度差で配設されている請求項１記載の光アッテネータモジュール。
第１のファラデー素子は光路に平行な飽和磁界が印加された時に９５〜１１５度のファラデー回転角を有する素子であり、第１の偏光子と第２の偏光子は共に楔形複屈折板からなりそれらの光学軸が互いに上記ファラデー回転角と一致する角度差で配設されている請求項１記載の光アッテネータモジュール。