JP4375659B2 - 偏光分離合成器 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信や光計測に用いる偏光分離合成器に関する発明である。以下に、偏光分離合成器の技術背景について説明する。
【0002】
光通信の発展に伴って、光信号を光で増幅する光ファイバー増幅器は、高利得、低雑音、波長多重に適している等の利点があり、現在の光通信において重要な役割を果たしている。波長多重光通信は一本の光ファイバーに異なる波長の信号光を数百チャンネル入れることができるが、チャンネル数が増えるに伴って光増幅に必要な励起光パワーも高くする必要がある。
【0003】
この励起光パワーを高くする方法として、励起用半導体レーザーの出射光パワーを高くする方法がある。出射光パワーの高い励起用半導体レーザーの導波路構造は活性層が偏平な構造になるため、当該半導体レーザーから出射される光ビームのスポット形状も偏平となる。この偏平なスポット形状の光ビームを効率良く光ファイバーに結合するため、図5に示すように、光ファイバー先端101を半円筒状にレンズ加工し、励起用半導体レーザー102からの偏平な光ビームとの光結合効率を高くしている。更に励起光パワーを高くするには、このような光出力半導体レーザーからの光を光ファイバーに高効率光結合した光どうしを合成する方法がある。合成する方法としては偏光合成、波長合成が考えられるが、本発明は、この偏光合成に関する。偏光合成は、直交した2つの偏光面をもつ光を合成する方法である。
【0004】
【従来の技術】
このような偏光合成器として、従来から、偏光保持面が互いに直交した2本の偏光保持ファイバーを軸方向に平行並列に配置できる構造を有する2芯フェルール中に挿入固着した出射側ファイバー組立部品と、両偏光保持ファイバーからの2本の光ビームが合成され1本になるような光路長をもつ1個の一軸性複屈折結晶製平行平板と、一軸性複屈折結晶製平行平板から出射される光ビームをビーム結合するためのレンズと、別途、入射側の光ファイバー先端側に配置されるレンズ及び入射側の1本の光ファイバーで構成され、その配置順が2本の出射側偏光保持ファイバー、1個の一軸性複屈折結晶製平行平板、1個又は2個のレンズ、1本の入射側光ファイバーとなるように構成配置する偏光合成器が知られている(特許文献1)。
【0005】
また、2つの偏光分離合成素子を有する偏光分離合成装置であって、偏光分離合成素子の偏光分離合成方向である光軸がほぼ直交していることを特徴とする偏光分離合成装置が知られている(特許文献2)。
【0006】
この偏光分離合成装置は、2つの偏光分離合成素子を有する偏光分離合成装置であって、偏光分離合成素子の偏光分離合成方向である光軸がほぼ直交している構成とする。また、光導波路と、少なくとも1枚のレンズ、および光導波路と対向する併置された2つの偏波保持光導波路とを有する構成とする。また、併置された2つの偏光分離合成素子が2つのウォークオフ偏光子であって、該2つのウォークオフ偏光子が互いに同量の偏光分離距離を有し、かつ前記2つの偏波保持光導波路の間隔が、ウォークオフ偏光子の偏光分離距離の約21/2倍とする。
【0007】
一方、入力光ファイバと、この入力光ファイバの前方に配置されたレンズと、このレンズの前方に配置されかつ結晶軸が互いに90°の角度となるよう配置されると共に複屈折性材料から成る2枚の平行平板と、この2枚の平行平板の複屈折性材料の厚さで決まる2つの偏光成分の出力光の間隔に配置された2本の出力光ファイバとを具備することを特徴とする偏光分離装置が知られている(特許文献3)。
【0008】
この偏光分離装置のレンズを通過した光は、結晶軸が互いに90°の角度となるようにして接着剤で張り合わされた2枚のルチルの平行平板に入射する。そしてこの平行平板を通過する過程で、入射した光は2つの直交する偏光成分に分離され、出力光ファイバに入射する。
【0009】
【特許文献1】
特開2002−72141号公報
【特許文献2】
特開2003−107407号公報
【特許文献3】
特開平5−241106号公報
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献1の偏光合成器や特許文献3の図4や図5で示される偏光分離装置では、複屈折結晶板の常光と異常光の屈折率の違いから、図6に示すように、焦点を結ぶ位置に差(光路差)Zが生じるため、光ファイバーに入射する光の結合損失に差が生じるという問題点がある。
【0011】
一方、特許文献2の偏光分離合成装置や特許文献3の図1に示される偏光分離装置では、複屈折結晶体を2個用いることにより常光と異常光の屈折率の違いによる光路差を補正し、光の結合損失に差が生じないようにしている。しかしながら、特許文献2の図2や特許文献3の図3で示されているように、これらの偏光分離合成装置は、常光と異常光がともに入射光に対して同軸上にないため、組み込みの際に2芯ファイバアレイの調芯が必要であるという問題点がある。
【0012】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、常光と異常光の光路差を補正することにより結合効率を改善した偏光分離合成器を提供することである。
【0013】
【課題を解決するための手段】
請求項1記載の発明は、複屈折結晶体を有する偏光分離合成器において、
前記複屈折結晶体の一方側にレンズ、光ファイバーが順に配置され、
前記複屈折結晶体の他方側に、一対の光ファイバーが配置され、
2芯フェルールに互いのコア軸が平行となるように前記一対の光ファイバーが固定され、前記2芯フェルールの先端が斜めにカットされることで前記一対の光ファイバーの先端も斜めにカットされると共に、
前記光ファイバーからの出射光が前記レンズに入射されて集光されると共に、前記レンズから前記複屈折結晶体に入射され、前記複屈折結晶体で常光と異常光に分離されて前記複屈折結晶体から出射され、前記常光と異常光は前記レンズ、及び前記複屈折結晶体によってそれぞれ所定の位置に焦点を結び、
Z:前記常光と異常光の光路差、d:前記一対の光ファイバー間距離、t:前記複屈折結晶体の厚み、α:前記複屈折結晶体の入射面と光学軸とのなす角度、no:前記複屈折結晶体の常光屈折率、ne:前記複屈折結晶体の異常光屈折率、nn:前記複屈折結晶体の屈折率、とするとき、
前記一対の光ファイバー間距離dが、
【式1】
と設定されて、前記一対の光ファイバーの先端の斜めカットの角度βが、
【式2】
と設定され、
ここで、前記常光と異常光の光路差Zは、
【式3】
前記複屈折結晶体の屈折率nnは、
【式4】
で表されるものであって、
前記一対の光ファイバーの斜めにカットされた各先端が前記複屈折結晶体から出射される前記常光と異常光の前記各焦点位置に配置されることを特徴とする偏光分離合成器である。
【0014】
このように、請求項1記載の発明は、複屈折結晶体から出射される常光と異常光の焦点位置に一対の光ファイバーの各コアの先端が位置するように、一対の光ファイバーの先端を斜めにカットすることにより、常光と異常光の光路差を補正する。
【0015】
先端を斜めにカットする角度(以下、「先斜角」という。)βは、式5に示すように、一対の光ファイバー間距離dと、常光と異常光の光路差(常光の焦点位置と異常光の焦点位置とのズレ)Zとから求められる。
【0016】
【式5】
【0017】
なお、一対の光ファイバー間距離dは、式6で表され、複屈折結晶体の厚みtと、複屈折結晶体の入射面と光学軸とのなす角度αと、複屈折結晶体の常光屈折率noと、複屈折結晶体の異常光屈折率neから求められる。
【0018】
【式6】
【0019】
また、常光と異常光の光路差Zは、式7で表され、複屈折結晶体の屈折率nnと、複屈折結晶体の厚みtと、複屈折結晶体の常光屈折率noと、複屈折結晶体の異常光屈折率neから求められる。
【0020】
【式7】
【0021】
なお、式7の第1項目は異常光の焦点距離を表しており、式7の第2項目は常光の焦点距離を表している。
【0022】
複屈折結晶体の屈折率nnは、式8で表され、複屈折結晶体の入射面と光学軸とのなす角度αと、複屈折結晶体の常光屈折率noと、複屈折結晶体の異常光屈折率neから求められる。
【0023】
【式8】
【0024】
請求項2記載の発明は、請求項1記載の発明の構成に加えて、前記レンズが前記複屈折結晶体の一方側に2個配置されていることを特徴とする請求項1記載の偏光分離合成器である。
【0025】
2個のレンズを配置すると、光結合効率をあげることができる。
【0028】
第2複屈折結晶体の厚みt1は、式9で表され、常光と異常光の光路差(常光の焦点位置と異常光の焦点位置とのズレ)Zと、複屈折結晶体の常光屈折率noと、複屈折結晶体の異常光屈折率neから求められる。
【0029】
【式9】
【0030】
なお、常光と異常光の光路差Z、複屈折結晶体の屈折率nn、一対の光ファイバー間距離dは、請求項1記載の発明と同様に、式6から式8で表される。
【0032】
【発明の実施の形態】
第1実施形態に係る偏光分離合成器1は、図1(a)に示すように、複屈折結晶体2の一方側にレンズ3、光ファイバー4が順に配置され、複屈折結晶体2の他方側に、一対の光ファイバー5、6が配置されている。なお、図1(b)に示すように、レンズは光ファイバー4と複屈折結晶体2の間に2個配置されていてもよい。この場合、レンズ1個の場合に比べて光ファイバーへの光結合効率が向上する。
【0033】
次に、第1実施形態に係る偏光分離合成器1の主要部について説明する。図2に示すように、一対の光ファイバー5、6は、2芯フェルール7によって固定されており、光ファイバー間距離dを保っている。この2芯フェルール7の先端は、式5に基づいて斜めにカットされており、光ファイバー5、6の各コアの先端が複屈折結晶体2から出射される常光8と異常光9の焦点位置に一致するように補正されている。なお、偏光分離合成装置1を偏光分離装置として用いる場合には、一対の光ファイバー5、6として、偏光保持ファイバーを用いる。
【0034】
複屈折結晶体2は、一軸性複屈折結晶体であり、光学軸2aが入射面に対して角度αで傾斜するように調整されている。この角度αは、一般に、常光と異常光の最大分離角度になるように調整されている。例えば、複屈折結晶体2の材質としてルチルを選択した場合、この最大分離角度αは、47.8°である。なお、角度αは、最大分離角度である必要はない。
【0035】
複屈折結晶体2の材質としては、ルチルの他に、方解石、オルトイットリウム酸バナジウムがある。
【0036】
次に、上記構成に基づいて、偏光分離合成装置1の動作を説明する。光ファイバー4、レンズ3を通って入射する入射光は、複屈折結晶体2で常光8と異常光9に分離される。常光8と異常光9はそれぞれ2芯フェルール7に固定されている光ファイバー5、6の先端に入射する。2芯フェルールの先端は、常光8と異常光9のそれぞれの焦点位置に一致するように斜めにカットされているため、偏光分離合成装置1は、常光8と異常光9の結合損失差を無くすことができる。また、2芯フェルール7の先端が斜めにカットされているため、光ファイバー4と光ファイバー5、6が同軸上に配置されていない。このため、2芯フェルール7先端で反射した反射光が光ファイバー4に戻らない。
【0037】
次に、第2実施形態に係る偏光分離合成器11は、図3(a)に示すように、第1複屈折結晶体12の一方側にレンズ13、光ファイバー14が順に配置され、第1複屈折結晶体12の他方側に、第2複屈折結晶体15、一対の光ファイバー16、17が順に配置されている。なお、図3(b)に示すように、レンズは光ファイバー14と第1複屈折結晶体12の間に2個配置されていてもよい。この場合、レンズ1個の場合に比べて光ファイバーへの光結合効率が向上する。
【0038】
次に、第2実施形態に係る偏光分離合成器11の主要部について説明する。図4に示すように、一対の光ファイバー16、17は、2芯フェルール18によって固定されており、光ファイバー間距離dを保っている。この光ファイバー16と光ファイバー14は、同軸上に配置されている。このため、2芯フェルール18の組み込みの際の調芯が容易になる。なお、偏光分離合成装置11を偏光分離装置として用いる場合には、一対の光ファイバー5、6として、偏光保持ファイバーを用いる。
【0039】
第1複屈折結晶体12は、第1実施形態の複屈折結晶体2と同様のものであるため、説明を省略する。
【0040】
第2複屈折結晶体15は、第1複屈折結晶体12と同一の材質で形成されている。また、第2複屈折結晶体15の光学軸15aは、紙面に対して垂直方向を示しており、入射光(常光19及び異常光20の入射方向)に対して直交し、且つ、第1複屈折結晶体12の光学軸12aに対して直交するように調整されている。さらに、第2複屈折結晶体晶体15の厚みt1は、式9に基づいて調整されており、第2複屈折結晶体15から出射される常光と異常光の焦点位置が光ファイバー16、17の先端に一致するように補正されている。
【0041】
次に、上記構成に基づいて、偏光分離合成装置11の動作を説明する。光ファイバー14、レンズ13を通って入射する入射光は、第1複屈折結晶体12で常光19と異常光20に分離される。常光19と異常光20はそれぞれ第2複屈折結晶体15に入射する。第2複屈折結晶体15は、入射した常光19と異常光20の光路差を補正するように、光学軸15a及び厚みt1が調整されているため、第2複屈折結晶体15から出射した常光と異常の焦点位置は、光ファイバー16、17の先端に一致する。このように、第2複屈折結晶体15を通すことによって、偏光分離合成装置11は、常光19と異常光20の結合損失差を無くすことができる。
【0042】
なお、第1及び第2実施形態では、偏光分離の場合について説明したが、偏光分離合成器1、11は、光の入射方向を逆にすれば偏光合成器として機能する。
【0043】
【実施例1】
第1実施形態に係る偏光分離合成器1の実施例について説明する。偏光保持ファイバー5と偏光保持ファイバー6のクラッド外径どうしを接触させ、平行に並んだ構造をもつ2芯フェルール7の中にそれぞれの偏光保持面が直交した状態で収容し、接着剤による固定した。次に、偏光保持ファイバー5、6の先端部を式5に基づいて先射角βになるようにカット、研磨し、反射防止膜を施した。
【0044】
次に、偏光保持ファイバー5、6にレーザー光を通してルチル平行平板2を取り付け、撮像機でモニタしながらルチル平行平板2を通る光ビームが一本になるようにルチル平行平板2を回転調整し、2芯フェルール7の筐体とルチル平行平板2の筐体をYAGレーザー溶接により固定した。その後レンズ3と光ファイバー4を追加し、高効率光結合になるように光線軸調整を行い、それぞれの筐体どうしをYAGレーザー溶接により固定した。
【0045】
ルチル平行平板の厚みt:1.257mm
ルチル平行平板の入射面と光学軸とのなす角度α:47.8°
偏光保持ファイバーのクラッド外径:0.125mm
偏光保持ファイバーのコア間距離d:0.125mm
常光と異常光の光路差Z:0.026mm
先斜角β:11.7°
実施例1の偏光分離合成器の挿入損失:0.1dB
【0046】
【実施例2】
第2実施形態に係る偏光分離合成器11の実施例について説明する。偏光保持ファイバー16と偏光保持ファイバー17のクラッド外径どうしを接触させ、平行に並んだ構造をもつ2芯フェルール18の中にそれぞれの偏光保持面が直交した状態で収容し、接着剤による固定後、それぞれの光ファイバーのコアに対して90°の平面を持つように研磨し、反射防止膜を施した。
【0047】
次に、同外径の2芯フェルール18、第1・第2ルチル平行平板12、15を収容した筐体、レンズ筐体、単芯フェルールをパイプ状の保持部材の中に収納し、2芯フェルール18内のいずれか一本の光ファイバーコアとレンズ、単芯フェルール内の光ファイバーコアがそれぞれの筐体外径と同軸となるように設置した。そして、2芯フェルール18と第1・第2ルチル平行平板12、15を収容した筐体を回転調整し、単芯フェルール側からの光が2芯フェルール内の2本の光ファイバーに高効率光結合するようにした。その後、レーザー溶接や接着剤により、パイプ状の保持部材と2芯フェルール18、単芯フェルールを固定した。
【0048】
第1ルチル平行平板の厚みt:1.257mm
第2ルチル平行平板の厚みt1:0.66mm
第1ルチル平行平板の入射面と光学軸とのなす角度α:47.8°
第2ルチル平行平板の入射面と光学軸とのなす角度α:90°
第1ルチル平行平板と第2ルチル平行平板の光学軸は互いに直交
偏光保持ファイバーのクラッド外径:0.125mm
偏光保持ファイバーのコア間距離d:0.125mm
第1ルチル平行平板の常光と異常光の光路差Z:0.026mm
実施例2の偏光分離合成器の挿入損失:0.1dB
【0049】
【比較例】
図6に示す偏光分離合成装置を比較例とした。ルチル平行平板、レンズ、光ファイバー18については、実施例1と同様のものを用い、偏光保持ファイバー及び2芯フェルールについては、実施例2と同様のものを用いた。
【0050】
図6に示す比較例の偏光分離合成器の挿入損失:0.4dB
【0051】
実施例1、実施例2ともに比較例に比べて挿入損失が少なくなり、光の結合効率が向上した。
【0052】
【発明の効果】
請求項1又は請求項2記載の発明によれば、一対の光ファイバーの先端を斜めにカットして常光と異常光の光路差を補正することにより、複屈折結晶体が1個の偏光分離合成器であっても、複屈折結晶体が2個の偏光分離合成器のように、光結合効率を改善できるという効果を奏する。これにより、耐光パワー化、高信頼化、高光結合効率化ができる。また、複屈折結晶体が1個であるため、材料コストを抑えることができるという効果を奏する。
【0053】
請求項3又は請求項4記載の発明によれば、第2複屈折結晶体の厚みと光学軸を調整して常光と異常光の光路差を補正することにより、光ファイバーを同軸上に配置する偏光分離合成器であっても、光結合効率を改善できるという効果を奏する。これにより、耐光パワー化、高信頼化、高光結合効率化ができる。また、光ファイバーが同軸上に配置されているため、光線軸調整が不要となり、回転調整のみで済むことから偏光分離合成器の組立を容易にできるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1実施形態に係る偏光分離合成器の概念図であり、(a)は、レンズが1個の場合で、(b)は、レンズが2個の場合である。
【図2】第1実施形態に係る偏光分離合成器の主要部を説明する図である。
【図3】第2実施形態に係る偏光分離合成器の概念図であり、(a)は、レンズが1個の場合で、(b)は、レンズが2個の場合である。
【図4】第2実施形態に係る偏光分離合成器の主要部を説明する図である。
【図5】励起用半導体レーザーの出射光パワーを高くする方法を説明する図である。
【図6】従来の偏光分離合成器を説明する図である。
【符号の説明】
1、11、201 偏光分離合成器
2、202 複屈折結晶体
2a、12a、15a、202a 光学軸
3、13、203 レンズ
4、14 光ファイバー
5、16、204 光ファイバー
6、17、205 光ファイバー
7、18 2芯フェルール
8、19、206 常光
9、20、207 異常光
12 第1複屈折結晶体
15 第2複屈折結晶体
Claims (2)
- 複屈折結晶体を有する偏光分離合成器において、
前記複屈折結晶体の一方側にレンズ、光ファイバーが順に配置され、
前記複屈折結晶体の他方側に、一対の光ファイバーが配置され、
2芯フェルールに互いのコア軸が平行となるように前記一対の光ファイバーが固定され、前記2芯フェルールの先端が斜めにカットされることで前記一対の光ファイバーの先端も斜めにカットされると共に、
前記光ファイバーからの出射光が前記レンズに入射されて集光されると共に、前記レンズから前記複屈折結晶体に入射され、前記複屈折結晶体で常光と異常光に分離されて前記複屈折結晶体から出射され、前記常光と異常光は前記レンズ、及び前記複屈折結晶体によってそれぞれ所定の位置に焦点を結び、
Z:前記常光と異常光の光路差、d:前記一対の光ファイバー間距離、t:前記複屈折結晶体の厚み、α:前記複屈折結晶体の入射面と光学軸とのなす角度、no:前記複屈折結晶体の常光屈折率、ne:前記複屈折結晶体の異常光屈折率、nn:前記複屈折結晶体の屈折率、とするとき、
前記一対の光ファイバー間距離dが、
【式1】
と設定されて、前記一対の光ファイバーの先端の斜めカットの角度βが、
【式2】
と設定され、
ここで、前記常光と異常光の光路差Zは、
【式3】
前記複屈折結晶体の屈折率nnは、
【式4】
で表されるものであって、
前記一対の光ファイバーの斜めにカットされた各先端が前記複屈折結晶体から出射される前記常光と異常光の前記各焦点位置に配置されることを特徴とする偏光分離合成器。 - 前記レンズが前記複屈折結晶体の一方側に2個配置されていることを特徴とする請求項1記載の偏光分離合成器。
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