JP4375659B2 - 偏光分離合成器 - Google Patents

Description

【０００１】
【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２^１／２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)

1. 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。
2. 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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