JP4931070B2 - 可変光アッテネータ - Google Patents

Description

本発明は、偏光子と検光子の間に、自己保持型ファラデー回転子を有する離散可変型光減衰機構と常時通電型ファラデー回転子を有する連続可変型光減衰機構とを組み込んだ可変光アッテネータに関し、更に詳しく述べると、自己保持型ファラデー回転子の磁界印加手段への電流方向の切換制御と常時通電型ファラデー回転子の磁界印加手段への電流値の通電制御とを組み合わせることにより、離散可変型光減衰機構による離散的光減衰量を連続可変型光減衰機構による連続的光減衰量で補間し、光減衰量を調整するようにした可変光アッテネータに関するものである。この可変光アッテネータは、例えば光通信システムでの光パワーレベルの調整などに有用である。

ファラデー回転子の回転角を制御することにより光減衰量を調整する磁気光学方式の可変光アッテネータは周知である。このような可変光アッテネータは、例えば光通信システムでの光パワーレベルの調整などに使用されている。

磁気光学方式の可変光アッテネータとしては、入力コリメート系と出力コリメート系の間に偏光子とファラデー回転子と検光子を配列し、前記ファラデー回転子のファラデー回転角を制御することにより光減衰量を調整する構成が一般的である。ここでファラデー回転角は、外部からの印加磁界の強さによって制御される。ここで、外部磁界を発生させる磁界印加手段へは、最大で数十ｍＡ程度の電流値が必要とされ、必要な光減衰量を保持するには継続して電流を供給し続ける必要があり、常時、かなりの電力が必要となる。従来の可変光アッテネータの光減衰特性の典型的な例を図５に示す。通電していない状態での光減衰量がほぼ０ｄＢの場合、最大光減衰量を得るためには約６０ｍＡもの電流が必要となる。例えば光減衰量２０ｄＢが必要な場合、約４５ｍＡもの電流を常時供給し続けなければならない。

他方、低消費電力型の光アッテネータとしては、入力コリメート系と出力コリメート系の間に偏光子と自己保持型ファラデー回転子と検光子を配列し、前記自己保持型ファラデー回転子のファラデー回転角を制御することにより光減衰量を調整する構成がある（特許文献１参照）。この場合、ファラデー回転角の制御は、磁界印加手段への電流方向の切換によって行われる。従って、ファラデー回転角を可変したいときのみ瞬間的に通電すればよいので、消費電力を低減できる利点はあるものの、実現できる光減衰量は不連続（離散的）となり、細かな光減衰量の調整が行えず、そのため用途が限られてしまう。
特開２００７−１１４７４６号公報

本発明が解決しようとする課題は、光減衰量を連続的に可変でき、しかも光減衰量の調整のために常時供給する必要がある電流値を低減できるようにし、全体としても省電力化を図ることができるようにすることである。

本発明は、入力コリメート系と出力コリメート系の間に偏光子と検光子を配置すると共に、それら偏光子と検光子の間に、自己保持型ファラデー回転子を有する離散可変型光減衰機構と常時通電型ファラデー回転子を有する連続可変型光減衰機構とを光軸に沿って一直線上に配列し、前記自己保持型ファラデー回転子の磁界印加手段への電流方向の切換制御と常時通電型ファラデー回転子の磁界印加手段への電流値の通電制御とを組み合わせることにより、離散可変型光減衰機構による離散的光減衰量を連続可変型光減衰機構による連続的光減衰量で補間し、光減衰量を調整することを特徴とする可変光アッテネータである。

ここで、離散可変型光減衰機構は、複数の自己保持型ファラデー回転子と位相子とからなり、自己保持型ファラデー回転子による回転角を位相子でオフセットさせる構成とする。位相子は、（１／２）×（２ｎ−１）波長板（但し、ｎは正の整数）である。

自己保持型ファラデー回転子は、例えば半硬質磁性材料からなる磁気ヨークにコイルを巻装した磁界印加手段と、前記磁気ヨークのギャップ間に挿入されるファラデー素子からなる。あるいは、軟磁性材料からなる磁気ヨークにコイルを巻装した磁界印加手段と、前記磁気ヨークのギャップ間に挿入される保磁力を有するファラデー素子からなる構成でもよい。

常時通電型ファラデー回転子は、ファラデー素子と、該ファラデー素子を磁気飽和させる永久磁石と、磁気ヨークにコイルを巻装し前記ファラデー素子に可変磁界を印加する可変磁界印加手段とからなる。

ここで自己保持型ファラデー回転子は、ファラデー回転角が±１２．５度と±２２．５度の２種類の組み合わせとし、常時通電型ファラデー回転子は、ファラデー回転角が３５〜６０度の範囲をカバーするものが好ましい。

本発明の可変光アッテネータは、自己保持型ファラデー回転子を有する離散可変型光減衰機構と常時通電型ファラデー回転子を有する連続可変型光減衰機構とを組み込み、自己保持型ファラデー回転子の磁界印加手段への電流方向の切換制御と常時通電型ファラデー回転子の磁界印加手段への電流値の通電制御とを組み合わせ、離散可変型光減衰機構による離散的光減衰量を連続可変型光減衰機構による連続的光減衰量で補間するように構成しているため、光減衰量を広範囲にわたって、しかも細かく調整することができる。また、離散可変型光減衰機構による離散的光減衰量の調整は、可変の必要があるときのみ所定の向きに瞬間的に通電すればよく、連続可変型光減衰機構による連続的光減衰量の調整は、常時通電ではあるが小電流値でよいので、トータルとして供給電流を低減でき、省電力化を図ることができる。

本発明に係る可変光アッテネータの一例の要部を図１に示す。偏光子１０と検光子１２の間に、自己保持型ファラデー回転子を有する離散可変型光減衰機構１４と常時通電型ファラデー回転子を有する連続可変型光減衰機構１６とが光軸に沿って一直線上に配列される。可変光アッテネータ全体の各光学部品の配列状態を図２に示す。偏光子１０の入射側に入力コリメート系２０が位置し、また検光子１２の出射側に出力コリメート系２２が位置する。

偏光子１０及び検光子１２は、好ましくは平行平面型（対向する入出射面が互いに平行平面）複屈折部材であり、例えばルチル（ＴｉＯ₂ ）やＹＶＯ₄ などからなる。離散可変型光減衰機構１４は、２種類の自己保持型ファラデー回転子ＦＲ１，ＦＲ２と１／２波長板ＨＷＰとからなり、自己保持型ファラデー回転子ＦＲ１，ＦＲ２による回転角を１／２波長板ＨＷＰでオフセットさせる構成である。連続可変型光減衰機構１６は、常時通電型ファラデー回転子ＦＲ３からなる。

２種類の自己保持型ファラデー回転子ＦＲ１，ＦＲ２は、それぞれ半硬質磁性材料からなる磁気ヨークにコイルを巻装した磁界印加手段と、前記磁気ヨークのギャップ間に挿入されるファラデー素子からなる。その構造例を図３に示す。両方のファラデー素子Ｆ１，Ｆ２は、同一の磁気光学材料からなるものでよく、その場合にファラデー回転角の違いはファラデー素子Ｆ１，Ｆ２の厚みを変えることで実現できる。磁気ヨーク３０が半硬質磁性材料からなることから、コイルＣ１，Ｃ２への通電によって磁気ヨーク３０が磁化すると、その磁化状態は通電を停止しても保持され、ギャップ内のファラデー素子Ｆ１，Ｆ２には飽和磁界Ｈ１が印加され続けることになる。ファラデー素子Ｆ１，Ｆ２に印加される磁界の向きは、コイルＣ１，Ｃ２への通電方向を逆方向に切り換えることで変えることができる。

常時通電型ファラデー回転子ＦＲ３は、ファラデー素子Ｆ３と、該ファラデー素子Ｆ３を磁気飽和させる永久磁石３２と、磁気ヨークにコイルＣ３を巻装し前記ファラデー素子Ｆ３に可変磁界を印加する可変磁界印加手段とからなる。この磁気ヨークは軟磁性材料からなる。図１のＡに示すように、永久磁石によりファラデー素子に光軸方向の固定磁界Ｈ２を印加して磁気飽和させ、それに垂直な方向（光軸に垂直なｘ方向）に磁気ヨークとコイルによって可変磁界Ｈ３を印加する。コイルＣ３への通電電流によって可変磁界の大きさが変化し、これら固定磁界Ｈ２と可変磁界Ｈ３との合成磁界がファラデー素子Ｆ３に印加され、その合成磁界の光軸方向の成分によってファラデー回転角が制御される。

２つの自己保持型ファラデー回転子ＦＲ１，ＦＲ２、及び常時通電型ファラデー回転子ＦＲ３のファラデー回転角を、それぞれθＦ１、θＦ２、θＦ３としたとき、それらを透過した光の偏波面の合成回転角θtotal は、θＦ１＋θＦ２＋θＦ３となる。θＦ１＋θＦ２の回転角を１／２波長板ＨＷＰでオフセットさせて自己保持させ、細かな回転角θＦ３を調整する。自己保持型ファラデー回転子ＦＲ１，ＦＲ２は、切り換え時のみ電力を必要とするが、細かな光減衰量の調整は常時通電型ファラデー回転子ＦＲ３のみの電力で済むため、全体として消費電力は大幅に低減できることになる。

入力コリメート系２０と出力コリメート系２２には、それぞれ光ファイバ４０、フェルール４２とレンズ４４からなるビームウエスト系を用いる。１／２波長板ＨＷＰにより光の偏波面にオフセット角を設定すると、所望の光減衰量の範囲での波長特性及び温度特性を改善することができる。なお、１／２波長板ＨＷＰは、光軸上のどの位置に組み込んでもよいが、ビームウエスト位置に組み込むのが好ましい。そこで、ここでは２つの自己保持型ファラデー回転子と常時通電型ファラデー回転子の間に配置する。１／２波長板ＨＷＰは、例えば水晶（ＳｉＯ₂ ）からなる。

このような構成にすると、自己保持型ファラデー回転子ＦＲ１，ＦＲ２の磁界印加手段への電流方向の切換制御と常時通電型ファラデー回転子ＦＲ３の磁界印加手段への電流値の通電制御とを組み合わせることにより、離散可変型光減衰機構１４による離散的光減衰量を連続可変型光減衰機構１６による連続的光減衰量で補間し、光減衰量を細かく調整することができる。

図１及び図２に示すように、入力コリメート系２０、偏光子１０、２種類の自己保持型ファラデー回転子ＦＲ１，ＦＲ２と１／２波長板ＨＷＰとを有する離散可変型光減衰機構１４、常時通電型ファラデー回転子ＦＲ３を有する連続可変型光減衰機構１６、検光子１２、及び出力コリメート系２２を、その順に、光軸に沿って一直線上に配列する。

離散可変型光減衰機構１４の２種類の自己保持型ファラデー回転子ＦＲ１，ＦＲ２は、それぞれファラデー素子と、該ファラデー素子に個別に外部磁界を印加できるコイル付き磁気ヨーク（半硬質磁性材料製）からなる。ここで、２個のファラデー素子Ｆ１、Ｆ２としては、ファラデー回転角がθＦ１：１２．５度、θＦ２：２２．５度のものを用いる。従って、一方の自己保持型ファラデー回転子は、外部磁界の方向によって光の偏波面を＋１２．５度か−１２．５度のいずれかに切り換えることができ、他方の自己保持型ファラデー回転子は、外部磁界の方向によって光の偏波面を＋２２．５度か−２２．５度のいずれかに切り換えることができる。１／２波長板ＨＷＰは、その光学軸を０度（水平方向、即ちｘ方向）に設定する。連続可変型光減衰機構１６の常時通電型ファラデー回転子ＦＲ３は、ファラデー素子と、該ファラデー素子を磁気飽和させる永久磁石と、磁気ヨークにコイルを巻装し前記ファラデー素子に可変磁界を印加する可変磁界印加手段とからなる。ここでは、ファラデー素子Ｆ３としてファラデー回転角θＦ３：６０度のものを用いている。従って、この常時通電型ファラデー回転子ＦＲ３は、通電する電流値に応じて０〜６０度まで光の偏波面を変えることができる。

入力コリメート系２０から入力した光は、偏光子１０にて水平成分と垂直成分に偏波分離される。分離されたそれぞれの光の偏波は、２つの自己保持型ファラデー回転子ＦＲ１，ＦＲ２と１／２波長板ＨＷＰによって所定の回転角を持つ偏波となり、更に常時通電型ファラデー回転子ＦＲ３によって任意の回転角の偏波となって、検光子１２にて偏波合成される。２つの偏波は、検光子１２によって結合する成分と発散する成分に分けられる。ここで、発散する成分が存在すると、結合する成分は入力時のパワーレベルに比べて減衰することになる。

この常時通電型ファラデー回転子ＦＲ３は、コイルＣ３へ通電する電流値を０〜１０ｍＡの範囲で可変すると、ファラデー回転角は３５〜６０度の範囲で光の偏波面を変えることができる。自己保持型ファラデー回転子ＦＲ１，ＦＲ２の両コイルＣ１，Ｃ２への電流方向、各ファラデー回転子Ｆ１〜Ｆ３のファラデー回転角、及び合成回転角の可変領域と光減衰量の可変領域を表１に示す。

光減衰特性を図４に示す。常時通電型ファラデー回転子ＦＲ３として、ファラデー回転角が３５〜６０度をカバーするものを用いれば、光減衰特性曲線は連続する。＃１〜＃４は、表１の組み合わせに対応している。なお、ファラデー回転角が３５〜６０度をカバーするためにはコイル電流は０〜１０ｍＡの範囲で可変できればよい。従って、自己保持型ファラデー回転子ＦＲ１，ＦＲ２のコイル電流の向きと、常時通電型ファラデー回転子ＦＲ３へのコイル電流の制御（０〜１０ｍＡの範囲での制御）によって、所望の光減衰量となるように自由に調整できることになる。

例えば、第１及び第２の自己保持型ファラデー回転子の両磁気ギャップの印加磁界方向が共に正方向であれば、両ファラデー素子を透過した光のファラデー回転角はθＦ１＋θＦ２で＋１２．５＋２２．５＝＋３５度となり、１／２波長板で−３５度となる。常時通電型ファラデー回転子によるファラデー回転角は＋３５〜＋６０度なので、合成回転角は０〜＋２５度となる。第１の自己保持型ファラデー回転子の磁気ギャップの印加磁界方向のみを負方向に切り換えると、両ファラデー素子を透過した光のファラデー回転角はθＦ１＋θＦ２で−１２．５＋２２．５＝＋１０度となり、１／２波長板で−１０度となる。常時通電型ファラデー回転子によるファラデー回転角は＋３５〜＋６０度なので、合成回転角は＋２５〜＋５０度となる。第１の自己保持型ファラデー回転子の磁気ギャップの印加磁界方向を正方向に、第２の自己保持型ファラデー回転子の磁気ギャップの印加磁界方向を負方向に切り換えると、両ファラデー素子を透過した光のファラデー回転角はθＦ１＋θＦ２で＋１２．５−２２．５＝−１０度となり、１／２波長板で＋１０度となる。常時通電型ファラデー回転子によるファラデー回転角は＋３５〜＋６０度なので、合成回転角は＋４５〜＋７０度となる。第１及び第２の自己保持型ファラデー回転子の両磁気ギャップの印加磁界方向が共に負方向であれば、両ファラデー素子を透過した光のファラデー回転角はθＦ１＋θＦ２で−１２．５−２２．５＝−３５度となり、１／２波長板で＋３５度となる。常時通電型ファラデー回転子によるファラデー回転角は＋３５〜＋６０度なので、合成回転角は＋７０〜＋９５度となる。このように、第１及び第２の自己保持型ファラデー回転子の磁化方向の組み合わせと常時通電型ファラデー回転子の可変磁界の調整によって、合成回転角可変領域は、０〜＋９５度となり、光減衰量可変領域は０〜最大となる。

この例では、常時通電型ファラデー回転子でコイルへ通電する電流値を０〜１０ｍＡの範囲で可変しているが、０〜２０ｍＡの範囲で可変できるとすると、ファラデー回転角は２０〜６０度の範囲で光の偏波面を変えることができる。その場合、２種類の自己保持型ファラデー回転子へのコイル電流の向きの組み合わせと常時通電型ファラデー回転子の可変磁界の調整で、合成回転角可変領域は０〜＋９５度となり、しかも２種類の自己保持型ファラデー回転子へのコイル電流の向きの組み合わせに対して常時通電型ファラデー回転子の可変磁界の調整による合成回転角可変領域にかなりのオーバーラップが生じるため、コイル電流は多少増えるが光減衰量の可変をより一層スムーズに行うことができる。

上記の例では、自己保持型ファラデー回転子は、半硬質磁性材料からなる磁気ヨークにコイルを巻装した磁界印加手段と、前記磁気ヨークのギャップ間に挿入されるファラデー素子から構成されているが、軟磁性材料からなる磁気ヨークにコイルを巻装した磁界印加手段と、前記磁気ヨークのギャップ間に挿入される保磁力を有するファラデー素子からなる構成でもよい。その場合、ファラデー素子自身の保磁力を利用することで、ファラデー回転角の自己保持が可能である。

また、上記の例では、離散可変型光減衰機構に２種類の自己保持型ファラデー回転子を組み合わせているが、３種類以上の自己保持型ファラデー回転子を組み合わせてもよい。自己保持型ファラデー回転子を多くすれば、構造は複雑化し大型化する問題はあるが、常時通電型ファラデー回転子のコイル電流値をより小さくすることが可能となる。

本発明に係る可変光アッテネータの一例を示す説明図。 その光学部品の配列状態を示す説明図。 自己保持型ファラデー回転子の構造例を示す説明図。 本発明に係る可変光アッテネータの光減衰特性の一例を示すグラフ。 従来の可変光アッテネータの光減衰特性の典型例を示すグラフ。

符号の説明

１０ 偏光子
１２ 検光子
１４ 離散可変型光減衰機構
１６ 連続可変型光減衰機構
２０ 入力コリメート系
２２ 出力コリメート系
３０ 磁気ヨーク
３２ 永久磁石

Claims (6)

1. 入力コリメート系と出力コリメート系の間に偏光子と検光子を配置すると共に、それら偏光子と検光子の間に、自己保持型ファラデー回転子を有する離散可変型光減衰機構と常時通電型ファラデー回転子を有する連続可変型光減衰機構とを光軸に沿って一直線上に配列し、前記離散可変型光減衰機構は、複数の自己保持型ファラデー回転子と位相子とからなり、自己保持型ファラデー回転子による回転角を位相子でオフセットさせるように構成されており、前記の各自己保持型ファラデー回転子の磁界印加手段への電流方向の個別的な切換制御と前記常時通電型ファラデー回転子の磁界印加手段への電流値の通電制御とを組み合わせることにより、離散可変型光減衰機構による離散的光減衰量を連続可変型光減衰機構による連続的光減衰量で補間し、光減衰量を調整することを特徴とする可変光アッテネータ。
2. 位相子が、（１／２）×（２ｎ−１）波長板（但し、ｎは正の整数）である請求項１記載の可変光アッテネータ。
3. 自己保持型ファラデー回転子は、半硬質磁性材料からなる磁気ヨークにコイルを巻装した磁界印加手段と、前記磁気ヨークのギャップ間に挿入されるファラデー素子からなる請求項１又は２記載の可変光アッテネータ。
4. 自己保持型ファラデー回転子は、軟磁性材料からなる磁気ヨークにコイルを巻装した磁界印加手段と、前記磁気ヨークのギャップ間に挿入される保磁力を有するファラデー素子からなる請求項１又は２記載の可変光アッテネータ。
5. 常時通電型ファラデー回転子は、ファラデー素子と、該ファラデー素子を磁気飽和させる永久磁石と、磁気ヨークにコイルを巻装し前記ファラデー素子に可変磁界を印加する可変磁界印加手段とからなる請求項１乃至４のいずれかに記載の可変光アッテネータ。
6. 自己保持型ファラデー回転子は、ファラデー回転角が±１２．５度と±２２．５度の２種類の組み合わせであり、常時通電型ファラデー回転子は、ファラデー回転角が３５〜６０度をカバーするものである請求項１乃至５のいずれかに記載の可変光アッテネータ。

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