JP5076099B2

JP5076099B2 - 反射型光サーキュレータ

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Publication number: JP5076099B2
Application number: JP2008503908A
Authority: JP
Inventors: 良博今野; 勝佐々木
Original assignee: Namiki Precision Jewel Co Ltd; Adamant Namiki Precision Jewel Co Ltd
Current assignee: Namiki Precision Jewel Co Ltd; Adamant Namiki Precision Jewel Co Ltd
Priority date: 2006-03-09
Filing date: 2007-03-08
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2027-03-08
Also published as: US7826137B2; WO2007102579A1; CN101401021B; EP2003485A4; JPWO2007102579A1; CN101401021A; US20090304392A1; EP2003485B1; EP2003485A9; EP2003485A2

Description

本発明は、光通信システムや光計測等の分野で使用される、光サーキュレータに関するものであり、特に反射体を備えて光を反射することによって往復光路を形成する反射型光サーキュレータに関する。

光サーキュレータは、光通信システムや光計測等の分野で重要な働きをする非相反光デバイスの１つであり、少なくとも３つ以上のポートを有する。例えば、１，２，３の番号で表わされる３ポートを有する光サーキュレータの場合、順方向の１→２，２→３，３→１の方向では伝搬光は低損失で、逆方向の３→２，２→１，１→３の方向では高損失の出力として光を伝搬させる。

ところで、前記光サーキュレータは、伝搬方向に沿って対向配置した一方のポートから他方のポートへと光を伝搬する構造上、光学素子数が多くなって全体的に大型化するという問題があった。しかも、ポート数を増やそうとすると、光学素子が更に増加するため一層大型化し、多ポート化が難しいという問題もあった。そこで、多ポート化しても光学素子数が増えることなく、従来構造に比べて小型な光サーキュレータの構造として、反射体を備えて往復光路を形成する反射型光サーキュレータが出願されている（例えば、特許文献１，２を参照）。

特開２０００−２３１０８０号公報（第２−５頁、第１−６図）特表２００２−５２８７６５号公報（第３８−３９頁、第１２図）

図１６に示すように、特許文献１の光サーキュレータ100は、入出射側ポート（光入出射部）に４つのアレイ形光ファイバ101を用いると共に、前記アレイ形光ファイバ101とレンズ102との間に、複屈折素子103、２つの半波長素子からなる第１の位相素子104、偏光面回転素子105、及び２つの複屈折素子からなる複合複屈折素子106とが配置され、更にレンズ102を挟んで反対側に第２の位相素子107と反射体108とが配置されてなるものである。

又、特許文献２の光サーキュレータ109は図１７に示すように、入出射側ポート（光入出射部）に非一列型の光ファイバ束110を用いた光サーキュレータであり、２つの複屈折素子111a及び111b、２つのファラデー回転子112，113（又は偏光面回転素子114）、及び反射体として反射プリズム115とを備えるものである。２つのファラデー回転子112，113の回転方向は逆向きになるように構成されている。

しかしながら、光サーキュレータ100の入出射側ポートを構成する４つの光ファイバ101は、図１６のｚ軸方向から見ると、図１８に示すように一列に配置されたアレイ形を呈する。よって、全ての光ファイバP1〜P4の中心軸を結ぶ対角線上の中心点Cに対して、全ての光ファイバP1〜P4の中心軸を等距離に配置することが出来ず、外側の光ファイバP3，P4に行くに従って前記中心点Cから遠距離になってしまう。従って、内回りの往復光路（例えばP1→P2）と、外回りの往復光路（例えばP3→P4）との光路長間に光路長差が生じ、この光路長差により往復光路毎に挿入損失にばらつきが発生してしまっていた。従って、従来の光サーキュレータ100では挿入損失の安定化を図ることが困難であった。

又、光サーキュレータ100では、複屈折素子103と、複合複屈折素子106との結晶軸方向が互いに垂直となるように構成されているため、光ファイバP1〜P4を一列状に配列しないと、各往復光路と光ファイバP1〜P4各端面との結合が取れなくなってしまう。以上から、光サーキュレータ100の構成では挿入損失のばらつきを防止することは不可能であった。

一方、光サーキュレータ109の、３つの光ファイバP1〜P3から成る入出射側ポートは、図１７のｚ軸方向から見ると、図１９に示すように非一列型に構成されており、全ての光ファイバP1〜P3の中心軸を結ぶ対角線上の中心点Cに対して、光ファイバP1〜P3の中心軸が等距離に配置されている。従って、往復光路毎の挿入損失のばらつきは防止される。しかしながら、複屈折素子116〜119において、２つの偏光成分のうち一方の偏光成分しかシフトさせない構成なので、偏波依存損失（Polarization Dependent Loss：PDL）が発生してしまっていた。

本発明は、かかる事情を鑑みてなされたものであり、その目的はPDLの発生と、往復光路毎の挿入損失のばらつきの両方を防止することにより、特性の向上を図った反射型の光サーキュレータを実現することである。

本発明の請求項１に記載の発明は、第１の偏光分離素子と，45度の回転角を有する非相反性の偏光面回転素子と，入射光の偏光面を90度回転させる位相素子と，第２の偏光分離素子とから成る光学素子部を備え、
光学素子部の一端側に、少なくとも３本以上の導波路が配列された光入出射部が配置されると共に、光学素子部を挟んで光入出射部の反対側にレンズと反射体が配置され、
光入出射部側から順に、第１の偏光分離素子，偏光面回転素子，位相素子，第２の偏光分離素子が配置され、
各導波路の中心軸を結ぶ対角線上の中心点から等間隔に全ての導波路が配置され、
更に、第１及び第２の偏光分離素子の光学面上における各結晶軸方向が45度異なり、
第２の偏光分離素子における異常光線のシフト量が、第１の偏光分離素子における異常光線のシフト量よりも大きく設定され、
偏光面回転素子の回転角の方向が、光入出射部からみて反時計方向に設定され、
更に、位相素子が第１位相光学素子及び第２位相光学素子の２つの位相光学素子によって構成され、各位相光学素子の大きさは、第１の偏光分離素子で常光線と異常光線の２つの偏光成分に分離される光の一方の偏光成分のみ透過するように設定されると共に、一方の偏光成分のみが２つの位相光学素子を透過するように各位相光学素子が設置され、
第１の偏光分離素子で分離される光の２つの偏光成分のうち、反射体で反射後に第１の偏光分離素子透過時に異常光線となる偏光成分が第１位相光学素子に透過されると共に、反射体で反射される前に第１の偏光分離素子透過時に常光線となる偏光成分は第２位相光学素子に透過され、
更に、第２の偏光分離素子の大きさが、光入出射部から出射され反射体で反射されることで光学素子部を往復する光の光路の、往路又は復路の一方のみ透過するように設定され、
反射体において２つの偏光成分が点対称に反射されると共に、
反射体における反射点とレンズの光軸とが、光の伝搬方向において同一直線上に配置される一方で、各導波路の中心軸を結ぶ対角線上の中心点と、レンズの光軸とは、非同一直線上に配置され、
順方向の光が反射体で反射される前に、第２の偏光分離素子に入射するように、第２の偏光分離素子が配置されることを特徴とする反射型光サーキュレータである。

更に、本発明の請求項２に記載の発明は、前記反射体が、凹面鏡であることを特徴とする請求項１記載の反射型光サーキュレータである。

本発明の光サーキュレータに依れば、各導波路の中心軸を結ぶ対角線上の中心点に対して、全ての導波路を等距離に配置して光サーキュレータを構成することが可能になる。従って、光サーキュレータにおける往復光路毎の挿入損失のばらつきを防止して、挿入損失の安定化を図ることが可能となる。

更に、光が第２の偏光面分離素子透過時に、一方の偏光成分のみシフトして起こるPDLの発生を防止することが出来る。又、反射体において２つの偏光成分を点対称で反射させるので、反射前後の２つの偏光成分の光路長差を零にすることができ、これによってもPDLの発生を防止することが可能となる。更に、順方向の光が反射体で反射される前に第２の偏光分離素子に入射する様に、第２の偏光分離素子を配置することにより、PDLの発生防止と各光学素子の小型化を達成することが可能となる。

又、各導波路の中心軸を結ぶ対角線上の中心点に対して全ての導波路の中心軸が等距離となるように配置することにより、各導波路の光入出射端面と、各導波路の光入出射端面側に備えられるレンズの光軸との間を等距離に設定することが出来る。これにより、前記レンズから出射及び前記レンズに入射される光のビーム径を同一サイズに設定することが可能となる。従って、より一層、光入出射部と光学素子部、及び光入出射部の反対側に配置されるレンズと反射体との調芯作業が容易化できる。

又、反射体を備えて、往復光路で光サーキュレータを構成することにより、光サーキュレータ全体の全長を短縮して、光サーキュレータの小型化が可能となる。

更に、反射体を凹面鏡とすることにより、光サーキュレータの光学素子部及び光入出射部の反対側に配置されるレンズとの結合トレランスを緩和させることが可能となり、光入出射部，光学素子部，及び前記レンズとの調芯作業が容易化できる。

本発明の光サーキュレータの構成と順方向の光の光路を示す平面図。本発明の光サーキュレータの構成と順方向の光の光路を示す側面図。光入出射部の概略構成図。光ファイバを挿入、保持するフェルールの構成図。図１の光サーキュレータの、光学素子部の各光学素子の配置と、順方向での伝搬光の偏光状態を示す斜視図。図１の光サーキュレータの、レンズから反射体までの配置と、順方向での伝搬光の偏光状態を示す斜視図。図１の光サーキュレータにおいて、光ファイバP1から出射して反射体で反射されるまでの伝搬光の偏光状態を示す説明図。図１の光サーキュレータにおいて、反射体で反射されて光ファイバP2に入射するまでの伝搬光の偏光状態を示す説明図。本発明の光サーキュレータの構成と逆方向の光の光路を示す平面図。本発明の光サーキュレータの構成と逆方向の光の光路を示す側面図。図９の光サーキュレータの、光学素子部の各光学素子の配置と、逆方向での伝搬光の偏光状態を示す斜視図。図９の光サーキュレータの、レンズから反射体までの配置と、逆方向での伝搬光の偏光状態を示す斜視図。図９の光サーキュレータにおいて、光ファイバP2から出射して反射体で反射されるまでの伝搬光の偏光状態を示す説明図。図９の光サーキュレータにおいて、反射体で反射されて光ファイバP3 に入射するまでの伝搬光の偏光状態を示す説明図。反射体の変更例を示す模式図。従来の光サーキュレータの一例を示す平面図。従来の光サーキュレータの他の例を示す平面図。図１６の光サーキュレータを、z軸方向から反射体に向かって見たときの光入出射部を示す構成図。図１７の光サーキュレータを、z軸方向から反射体に向かって見たときの光入出射部を示す構成図。

符号の説明

１光サーキュレータ
２第１の偏光分離素子
３偏光面回転素子
４位相素子
4a 第１位相光学素子
4b 第２位相光学素子
５第２の偏光分離素子
６、９レンズ
７反射体
８光入出射部
10 フェルール

以下、本発明に係る光サーキュレータの最良の実施形態を、図１乃至図１４に基づいて詳細に説明する。なお、各図に示してあるx軸乃至z軸は、それぞれの図で対応している。図１と図２に、光の伝搬方向をz軸、z軸に直交する面内のそれぞれ水平方向をx軸、垂直方向をy軸としたときの、光サーキュレータ１の光入出射部８から反射体７までの各光学素子の構成と配置を示す。なお、光が各光学素子内部を透過する際の光路は破線で表し、それ以外の光路は実線で表すものとする。

本発明の光サーキュレータ１は、図１及び図２に示すように、第１の偏光分離素子２（以下、偏光分離素子２）、偏光面回転素子３、位相素子４、第２の偏光分離素子５（以下、偏光分離素子５）とから成る光学素子部とを備える。更に、これら光学素子部の一端側に光入出射部８が配置され、前記光学素子部を挟んで光入出射部８の反対側には、レンズ６と反射体７が配置されている。

光学素子部の各光学素子は、光入出射部側８からz軸方向に順に、偏光分離素子２，偏光面回転素子３，位相素子４，偏光面回転素子５と配置される。各光学素子のそれぞれの光学面には、SiO₂/TiO₂等の反射防止コートを施すことが望ましい。なお、偏光面回転素子３に磁気を印加する磁石については説明と図示を省略する。

図３は前記光入出射部８の概略構成図であり、図４(a)は光ファイバP1〜P3を挿入、保持するフェルール10の構成を示す正面図，同図(b)はフェルール10の構成を示す側面図である。図３に示すように光入出射部８は、導波路として用いられる複数の光ファイバP1〜P3が、互いのコア軸が平行となるように配列されると共に、各光ファイバP1〜P3の光入出射端面は、各光ファイバP1〜P3の中心軸fcに対して非垂直となるように形成されている。各光ファイバP1〜P3の光入出射端面側にはレンズ９が備えられる。

各光ファイバP1〜P3は３芯フェルール10の各孔に挿入されて保持される。図４(a)の正面図より、各孔の中心からフェルール10の中心点Cまでは等間隔となるように形成される。従って、孔に挿入された各光ファイバP1〜P3の中心軸fcを結ぶ対角線上の中心点は前記中心点C上に来るので、全ての光ファイバP1〜P3はフェルール10に保持されることで、中心点Cから等間隔に配置される。但し、隣り合う光ファイバどうしの間隔Lfは、レンズ６のバックフォーカスと、偏光分離素子２の厚み及び分離幅との関係を考慮して決定する。

更に、図３に示すように、レンズ９の光軸oaとフェルール10の中心点Cとがz軸方向において同一直線上に来るように、レンズ９とフェルール10とを互いに配置し、位置決めを行う。このようにレンズ９とフェルール10とを配置することにより、各光ファイバP1〜P3を結ぶ中心点（前記中心点C）とレンズ９の光軸oaとは同一直線上に配置される。従って、レンズ９の光軸oaに対して、全ての光ファイバP1〜P3の中心軸fcが等距離となるように、フェルール10によって保持されることになる。

又、全ての光ファイバP1〜P3の光入出射端面は、図４に示すように同一傾斜角度φで斜めに形成される。図４では、製造のし易さを考慮して、中心点Cが頂点となるようにフェルール10端面を四つの平面から成るように形成することで、光ファイバP1〜P3の光入出射端面を斜めに形成する例を挙げた。

複数の光ファイバP1〜P3は、シングルモード光ファイバ（Single Mode Fiber：SMF）で構成されると共に、光の入出射側端面には、グレーデッドインデックス光ファイバ（Graded Index Fiber：GIF）が接合される（図示省略）。GIFを設けることにより、各光ファイバP1〜P3の光入出射端のモードフィールド径（Mode Field Diameter：MFD）が拡大されて、出射光の広がり角が小さく抑えられる。MFDの拡大化としては、前記GIFの設置に限らず、光ファイバにTEC処理を施したり、微小レンズ等を設置しても良い。

レンズ９は、入射する光のコリメーション又は収束を行うもので、非球面レンズ，ボールレンズ，平凸レンズあるいは分布屈折レンズ等を使用することが出来る。

偏光分離素子２は、各光ファイバP1〜P3から出射した光を常光線と異常光線へ分離、及び後述する反射体７で反射して戻ってくる前記常光線と異常光線との合成を行う光学素子である。偏光分離素子２及び５には、例えば、ルチル（TiO₂），方解石（CaCO₃），イットリウム・オソバナデート（YVO₄），アルファバリウム・ボーデート（αBaB₂O₄）等の複屈折単結晶が使用される。又、偏光分離素子２の光学面に対する結晶軸X22（図５，１１参照）の方向は、最大の分離幅を得られるように光学面の法線に対して42〜50度前後（最も好ましくは47.8度）に設定される。

偏光面回転素子３は、偏光分離素子２を透過した光の偏光成分の偏光面を回転させる非相反性の偏光面回転素子で、使用波長帯域で回転角45度を有する、できるだけ薄いものを使用する。例えば、ガーネット，TBIG，GBIG等が最適である。本実施の形態では、回転角の方向が光入出射部８からz軸方向にみたときに、反時計方向に設定されたガーネット単結晶を用いる。

位相素子４は、偏光面回転素子を透過して入射してくる光の各偏光成分（常光線と異常光線）の偏光面を90度回転させるもので、例えば、TBIG（テルビウム・ビスマス・アイアン・ガーネット），GBIG（ガドリニウム・ビスマス・アイアン・ガーネット）等のガーネットや水晶等の相反性偏光面回転素子や半波長素子等が使用される。半波長素子を使用するときには、図５に示すように、結晶軸X4a方向がy軸に対して45度傾いた第１位相光学素子4a（以下、位相光学素子4a）と、結晶軸X4b方向が同じくy軸に対して45度傾いた第２位相光学素子4b（以下、位相光学素子4b）とで構成する。相反性偏光面回転素子を用いる場合には、０次単プレートや１次単プレート等、可能な限り薄いことが望ましく、高次の波長板を使用すると、波長特性と温度特性が悪くなる。

偏光分離素子５の大きさは、図５に示すように、光が反射体７で反射されることで光学素子部を往復する光の光路（図１及び図２中に実線及び破線で示す）の、往路又は復路の一方の光のみ透過するように設定される。更に、偏光分離素子５の、光学面の法線に対する結晶軸X52方向は、x軸に対して約42〜50度前後（最も好ましくは47.8度）に設定されるが、光学面上における結晶軸X51の方向はx軸方向に平行に設定される。又、偏光分離素子２の光学面上における結晶軸X21の方向は、x軸方向に対して45度に設定される。従って、第１及び第２の偏光分離素子２，５の結晶軸X21，X51方向は45度異なる。

レンズ６は、入射する光のコリメーション又は収束を行うもので、非球面レンズ，ボールレンズ，平凸レンズあるいは分布屈折レンズ等を使用することが出来る。但し、レンズ６には、光入出射部９との間に前記光学素子部を配置しうるバックフォーカスを有するレンズを使用する。本実施形態では、非球面レンズを使用した。

反射体７は、偏光面回転素子６を透過した光を反射する反射鏡で、本実施の形態では、一例として、基板の表面にSiO₂/TiO₂をコーティングした全反射鏡を用いた。

次に、光サーキュレータ１の動作について説明する。図７と図８の(A)〜(I)は、光サーキュレータ１における順方向の光の偏光状態を示す図であり、図１及び図２中の符号(A)〜(I)で示す各光路断面での偏光状態に対応している。図７及び図８では、横方向がx軸、縦方向がy軸、紙面に向かう方向がz軸であり、説明の便宜上、縦，横方向共に８分割して、横方向には１から８で、縦方向にはａ〜ｈで、各光路断面での偏光成分の伝搬位置を示す。なお本発明では、図１において、光ファイバP1から反射体７を経て光ファイバP2へと向かう往復光路を「順方向」と定義し、光ファイバP2から反射体７を経て光ファイバP3へと向かう往復光路を「逆方向」と、それぞれ定義する。

光ファイバP1に光が入射されると、その光は光ファイバP1を伝搬して、斜めに形成された光入出射端面から出射される。出射の際に、その出射光は傾斜角度φに応じて斜めに出射され、一定の広がり角θ≒λ／(πω₀)でビーム径が広がりながら、レンズ９の光軸oaを横切るように伝搬して、レンズ９の表面に入射される。

レンズ９に入射された光は、図３で示すレンズ９の左側の凸曲面で光軸oaから外側へと屈折され、光線軸ba1がz軸に対し平行になるようにレンズ９から出射される。出射された光B1は、コリメート光又は収束光に変換される。

レンズ９から偏光分離素子２へと入射する光の入射位置は、マトリクスで見ると図７(A)に示すように、横方向では５と６の間で、縦方向ではｇとｈの間である。本実施の形態ではこのような位置を（5-6, g-h）と表す。また、符号Cは前記中心点C、符号Rは反射体７における偏光成分の反射点である。

偏光分離素子２へ出射された光は、図５及び図７(B)に示すように、偏光分離素子２で結晶軸X21に直交した常光線と、平行な異常光線との、２つの偏光成分に分離される。順方向において、偏光分離素子２から出射する異常光線の伝搬位置は、図７(B)より（7-8,e-f）である。

分離された偏光成分は、偏光面回転素子３を透過することで、図７(C)に示すように、反時計方向（左回り）に45度回転される。

次に、これらの偏光成分のうち、偏光分離素子２透過時に常光線となる偏光成分のみが位相光学素子4bに入射，透過され、一方の偏光成分（偏光分離素子２透過時に異常光線となる偏光成分）は２つの位相光学素子4a，4b間の空間をそのまま伝搬していく（図５参照）。このように、位相光学素子4bの大きさは、一方の偏光成分のみを透過するように設定される。前記の通り位相光学素子4bの結晶軸X4bは、y軸に対して45度傾いているので、位相光学素子4bを透過した偏光成分は、図７(D)に示すように偏光方向が90度回転する。以上によって、２つの偏光成分の偏光方向は、偏光分離素子５の結晶軸X51と直交する方向であるy軸方向に揃えられる。

次いで、これらの光は、偏光分離素子５に入射される。偏光分離素子５は、順方向に伝搬する光が反射体７で反射される前に入射する様に、図２，図５，及び図７(D)に示すように片側の光路上のみに配置される。

前記の通り、各偏光成分の偏光方向と結晶軸X51の方向は直交するから、２つの偏光成分の偏光面が偏光分離素子５に入射しても、図７(E)に示すように、順方向では２つの偏光成分は偏光分離素子５でシフトすること無く、偏光分離素子５への入射時の偏光方向が保持されたまま、偏光分離素子５から出射される。

以上から、順方向において偏光分離素子５入射時に、２つの偏光成分の偏光面が結晶軸X51方向に対して直交方向に揃うように、２つの偏光分離素子２，５間の、偏光面回転素子３の回転方向と、位相素子４の結晶軸X4a，X4b方向を設定することとする。

次に、偏光分離素子５を透過した光はレンズ６で所定角度屈折するが、偏光状態は変化しない。このときの屈折角は、レンズ６の光軸X6から光の中心位置とレンズ６の焦点距離により決まる。

次いで、レンズ６を透過した２つの偏光成分の光は、反射体７で入射角と反対側に、一点Rで点対称となる様に反射される（図６，図７(E)，図８(F)参照）。図１及び図２から分かるように、本発明の光サーキュレータ１では反射体７における反射点Rと、レンズ６の光軸X6とが、光の伝搬方向（z軸方向）において同一直線上に来るように、反射体７とレンズ６とを位置決めして配置している。一方、光ファイバP1〜P3の中心軸fcを結ぶ対角線上の中心点Cと、レンズ６の光軸X6とは、図１及び図２から明らかなように非同一直線上となるように、各光ファイバP1〜P3とレンズ６とを位置決めして配置している。反射体７によって光が反射されて往復光路を形成することにより、光サーキュレータ１全体の全長を短縮することが出来る。

反射された光は、再度レンズ６を透過することにより図８(F)に示すように、レンズ６の光軸X6に関し、図７(E)の場合と対称の位置に出射される。このとき、レンズ６の前後で偏光状態は変化しない。

次に、レンズ６を透過した光は、図２及び図５に示すように偏光分離素子５外部の空間を通過して、一方の偏光成分のみ位相光学素子4aを透過することにより、図８(G)に示すように偏光方向が90度回転し、各々の偏光方向が直交する状態とされる。このように、位相光学素子4aの大きさは、一方の偏光成分のみを透過するように設定される。この時に位相光学素子4aを透過する偏光成分は、先程、位相光学素子4bも透過した偏光成分である。このように２つの位相光学素子4a，4bに一方の偏光成分のみが透過するように、２つの位相光学素子4a，4bを配置することで、片方の偏光成分のみを位相素子４で180度回転させる。

次に、２つの偏光成分が偏光面回転素子３に入射することにより、図８(H)に示すように反時計方向に45度偏光面がそれぞれ回転される。この状態は、x軸方向における伝搬位置は異なっているが、図７(B)に示したように偏光分離素子２を透過した後の偏光状態と同じである。

そして、この後２つの偏光成分は偏光分離素子２を透過することにより、図８(I)に示すように（1-2,c-d）の伝搬位置で合波され、その合波された光B2はレンズ９に入射される。更に、図３で示すレンズ９の左側の凸曲面で光B2の光線軸ba2は内側（光軸oa側）へと屈折，集光されて光ファイバP2に入射される。

次に、光ファイバP2からP3への、逆方向の光路における偏光成分の動作を図９〜１４を参照して説明する。なお、順方向の動作時に説明した事柄と重複する事に関しては、説明を省略若しくは簡略化して記述する。図１３と図１４の(A)〜(I)は、光サーキュレータ１における逆方向の光の偏光状態を示す図であり、図９及び図１０の符号(A)〜(I)で示す各光路断面での偏光状態に対応している。図１３及び図１４でも、横方向がx軸、縦方向がy軸、紙面に向かう方向がz軸であり、説明の便宜上、縦，横方向共に８分割して偏光成分の伝搬位置を示している。

前記のように光ファイバP2から出射され、レンズ９でコリメート光又は収束光に変換された光は、偏光分離素子２へ入射位置（1-2,c-d）から入射する。入射した光は、偏光分離素子２で常光線と異常光線に分離される。分離された偏光成分は、偏光面回転素子３により反時計方向に回転され、互いに直交する偏光方向に揃えられる。

次に、これらの偏光成分のうち、偏光分離素子２透過時に異常光線となる偏光成分のみが位相光学素子4aに入射，透過され、一方の偏光成分（偏光分離素子２透過時に常光線となる偏光成分）は２つの位相光学素子4a，4b間の空間をそのまま伝搬していく（図１１参照）。位相光学素子4aを透過した偏光成分は、図１３(F)に示すように偏光方向が90度回転する。この回転により、２つの偏光成分の偏光方向は、偏光分離素子５の結晶軸X51と同方向であるx軸方向に揃えられる。

そして、位相光学素子4aを透過した光は、図１０及び図１１に示すように偏光分離素子５外部の空間を通過して、反射体７で点対称に反射されて偏光分離素子５に入射する。偏光分離素子５に入射した各偏光成分は、図１１及び図１４(E)-(D)で示すようにx軸方向に同一量だけシフトされる。

続いて、２つの偏光成分のうちの、一方の偏光成分のみ位相光学素子4bを透過することにより、図１４(C)に示すように偏光方向が90度回転し、各々の偏光方向が直交する状態となる。この時、位相光学素子4bを透過する偏光成分は、先程、位相光学素子4aも透過した偏光成分である。このように２つの位相光学素子に一方の偏光成分のみが透過するように２つの位相光学素子4a，4bを配置することで、片方の偏光成分のみを位相素子４で180度回転させる。

次に、２つの偏光成分が偏光面回転素子３に入射することにより、図１４(B)に示すように反時計方向に45度偏光面がそれぞれ回転される。この状態は、y軸方向における伝搬位置は異なっているが、図１３(H)に示したように偏光分離素子２を透過した後の偏光状態と同じである。

そして、この後２つの偏光成分は偏光分離素子２を透過することにより、図１４(A)に示すように（1-2,g-h）の伝搬位置で合波され、レンズ９で集光されて光ファイバP3に入射される。

中心点Cから等距離に配置された全ての光ファイバP1〜P3と伝搬光とを結合させるために、光サーキュレータ１では、偏光分離素子５における異常光線のシフト量を、偏光分離素子２における異常光線のシフト量よりも大きくなるように、その厚みを変更して設定している。

以上、説明したように本発明の光サーキュレータ１では、前記中心点Cに対して、全ての光ファイバP1〜P3を等距離に配置して構成することにより、光サーキュレータ１における往復光路毎の挿入損失のばらつきを防止して、挿入損失の安定化を図ることが可能となる。

更に、偏光分離素子２，５の光学面上における各結晶軸X21，X51の方向を互いに45度異なるように設定すると共に、２つの偏光分離素子２，５間に偏光面回転素子３と位相素子４を配置し、更に偏光面回転素子３の回転方向と、位相素子４の結晶軸X4a，X4b方向を適宜設定することにより、偏光分離素子５で２つの偏光成分を共に異常光線としてシフトさせることが可能となる。従って、偏光分離素子５透過時に、一方の偏光成分のみシフトして起こるPDLの発生を防止することが出来る。又、反射体７において２つの偏光成分を点対称で反射させるので、反射前後の２つの偏光成分の光路長差を零にすることができ、これによってもPDLの発生を防止することが可能となる。

更に、順方向の光が反射体７で反射される前に偏光分離素子５に入射する様に、偏光分離素子５を配置することにより、PDLの発生防止と各光学素子の小型化を達成することが可能となる。順方向の光が反射体７で反射後に入射される様に第２の偏光分離素子５を配置してしまうと、逆方向の光路において偏光分離素子５により２つの偏光成分が共にシフトされた後、反射体７で２つの偏光成分が反射されることとなってしまう。すると、反射点Rと２つの偏光成分との各距離が、各偏光成分ごとに同一とならずPDLが発生してしまう。従って、本実施の形態で説明してきた様な第２の偏光分離素子５の配置位置が好ましい。

又、中心点Cに対して全ての光ファイバP1〜P3の中心軸fcが等距離となるように配置することにより、各光ファイバP1〜P3の光入出射端面と、レンズ９の光軸oaとの間を等距離に設定することが出来る。これにより、レンズ９から出射及びレンズ９に入射される光のビーム径を同一サイズに設定することが可能となる。従って、より一層、光入出射部８と光学素子部及びレンズ６と反射体７との調芯作業が容易化できる。

なお、光サーキュレータ１に要求される特性がそれほど高くない場合には、公差を含む範囲内で全ての光ファイバP1〜P3を中心点Cから若干、等距離とはならない構成に変更することも可能である。

又、本発明はその技術的思想に基づいて種々変更可能であり、図１５に示すように反射体７を凹面鏡としても良い。凹面鏡を用いることにより、光サーキュレータ１の光学素子部及びレンズ６との結合トレランスを緩和させることが可能となり、光入出射部８，光学素子部，及びレンズ６との調芯作業が容易化できる。

更に、偏光分離素子２と５には複屈折単結晶の換わりに、複屈折性のプリズムや偏光ビームスプリッタと置き換えても良い。又、前記GIFの換わりに、光ファイバP1〜P3の光入出射端面近傍に、新たにレンズを配置しても良いし、偏光分離素子５のy軸方向にガラス板を設けても良い。

本発明の光サーキュレータは、光通信システムや光計測分野等で非相反光デバイスとして利用することが可能である。

Claims

第１の偏光分離素子と，45度の回転角を有する非相反性の偏光面回転素子と，入射光の偏光面を90度回転させる位相素子と，第２の偏光分離素子とから成る光学素子部を備え、
光学素子部の一端側に、少なくとも３本以上の導波路が配列された光入出射部が配置されると共に、光学素子部を挟んで光入出射部の反対側にレンズと反射体が配置され、
光入出射部側から順に、第１の偏光分離素子，偏光面回転素子，位相素子，第２の偏光分離素子が配置され、
各導波路の中心軸を結ぶ対角線上の中心点から等間隔に全ての導波路が配置され、
更に、第１及び第２の偏光分離素子の光学面上における各結晶軸方向が45度異なり、
第２の偏光分離素子における異常光線のシフト量が、第１の偏光分離素子における異常光線のシフト量よりも大きく設定され、
偏光面回転素子の回転角の方向が、光入出射部からみて反時計方向に設定され、
更に、位相素子が第１位相光学素子及び第２位相光学素子の２つの位相光学素子によって構成され、各位相光学素子の大きさは、第１の偏光分離素子で常光線と異常光線の２つの偏光成分に分離される光の一方の偏光成分のみ透過するように設定されると共に、一方の偏光成分のみが２つの位相光学素子を透過するように各位相光学素子が設置され、
第１の偏光分離素子で分離される光の２つの偏光成分のうち、反射体で反射後に第１の偏光分離素子透過時に異常光線となる偏光成分が第１位相光学素子に透過されると共に、反射体で反射される前に第１の偏光分離素子透過時に常光線となる偏光成分は第２位相光学素子に透過され、
更に、第２の偏光分離素子の大きさが、光入出射部から出射され反射体で反射されることで光学素子部を往復する光の光路の、往路又は復路の一方のみ透過するように設定され、
反射体において２つの偏光成分が点対称に反射されると共に、
反射体における反射点とレンズの光軸とが、光の伝搬方向において同一直線上に配置される一方で、各導波路の中心軸を結ぶ対角線上の中心点と、レンズの光軸とは、非同一直線上に配置され、
順方向の光が反射体で反射される前に、第２の偏光分離素子に入射するように、第２の偏光分離素子が配置されることを特徴とする反射型光サーキュレータ。
前記反射体が、凹面鏡であることを特徴とする請求項１記載の反射型光サーキュレータ。