JP5330612B2

JP5330612B2 - 偏光依存型光アイソレータ

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Publication number: JP5330612B2
Application number: JP2013016695A
Authority: JP
Inventors: 卓也川村
Original assignee: Seikoh Giken Co Ltd
Current assignee: Seikoh Giken Co Ltd
Priority date: 2008-08-06
Filing date: 2013-01-31
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2029-08-06
Also published as: US8891166B2; US20110038046A1; JP2013122610A; JPWO2010016541A1; WO2010016541A1

Description

本発明は、光通信、光計測、光加工等に用いられる偏光依存型光アイソレータに関する。

特許文献１には、偏光無依存型光アイソレータとして、入射側に設けた第１複屈折部と出射側に設けた第２複屈折部との間にファラディ回転子を設けた構成が公知である。

この特許文献１の光アイソレータでは、第１複屈折部で分離した常光及び異常光を共に出射側光ファイバーのコア端面に集束している。

また、偏光依存型アイソレータとして、ファラディ回転子の入射側と出射側に偏光子を設けて、偏光面が特定方向のみの光を通過させ他方向の偏光面の光を吸収するようにしたことが公知である。

特開昭５７−１００４１０号公報

しかし、光ファイバーを伝搬する光として、レーザ光等のハイパワー出力の偏光を用いることがあり、例えば、レーザ光は通常の通信用光（０．１ｍＷ〜１００ｍＷ）の出力に対して１Ｗ〜１ＫＷの出力を有する偏光である。

係るハイパワー出力の偏光にあっては、従来の偏光子を用いた偏光依存型アイソレータでは、偏光子の向きに高い精度が要求され、僅かなズレが生じた場合には、偏光子を通過する特定の偏光面と異なる偏光面の光を偏光子が吸収してしまうので、ファイバーレーザなどの光強度が大きい光が透過するシステムにおいて偏光子が高温になって損傷するおそれがある。

一方、特許文献１の偏光無依存型光アイソレータでは、特定の偏光面の偏光のみを選択して伝搬することができないので、出射光で高い消光比（特定の偏光面の光軸と直交する偏光面の偏光を除去する率）が得られないという問題がある。

そこで、本発明は、構成が簡易で、ハイパワーの偏光を用いた場合でも熱による損傷を防止でき且つ高い消光比を得ることができる偏光依存型光アイソレータの提供を目的とする。

本発明は、光学部品からなる入射手段と、光学部品からなる出射手段と、前記入射手段と前記出射手段との間に配置された偏光依存型光アイソレータ用非相反ユニットと、から成る偏光依存型光アイソレータであって、
前記偏光依存型光アイソレータ用非相反ユニットは、
第１複屈折部と、第２複屈折部と、第１複屈折部と第２複屈折部の間に配置されたファラディ回転子とを備え、
第1複屈折部及び第2複屈折部はくさび型複屈折結晶であって、
前記第１複屈折部と前記第２複屈折部とのくさび角度が異なっており、
前記出射手段は光導波路を含み、常光と異常光の各々の出射位置に前記光導波路が配置され、一方の光は、前記光導波路から受光素子に導かれ、光の特性をモニターするために用いられることを特徴とする。

本発明によれば、くさび角度が異なる第１及び第２複屈折部を用いるだけであるから、構成が簡易である。また、複屈折を利用しており、偏光板のような光の吸収が無いので、伝搬する光としてハイパワー偏光を用いた場合でも熱による損傷を防止できる。第１及び第２複屈折部のくさび角度を変えることにより、主偏光（常光）に対して直交する偏光面の偏光（異常光）は常光の出射位置からずれた位置に出射することにより分離除去することができるので、高い消光比を得て安定な偏光にすることができる。尚、主偏光は異常光でも良く、常光を異常光の出射位置からずれた位置に出射して除去するものであっても良い。

また、入射手段及び出射手段として光ファイバーやレンズを使用すれば、光ファイバーとレンズとを追加することで光ファイバーのコアに入射する光のみを使用することとなり、より高い消光比を得ることができる。

光導波路を配置する場合、前記出射手段を構成する光導波路構造として、例えばファイバーが常光と異常光とをそれぞれ装置の外に出射するようにすることで、光を装置内部に閉じ込めず、装置の温度上昇を防ぐ効果が生じる。

また、装置外に出射した光の強度を計測モニタすることで、使用する光ファイバーレーザ装置の動作状況の把握、故障予知及び故障検知、光量レベルの安定化などに使用できる。

本発明に係る偏光依存型光アイソレータの基本動作を説明するための各構成部材の配置図であり、（ａ）は入射光の作用を示し、（ｂ）は回帰光の作用を示す図であり、（ｃ）は消光比を説明する図である。第１参考例に係る偏光依存型光アイソレータ用非相反ユニットの各構成部材の配置図である。第２参考例に係る偏光依存型光アイソレータ用非相反ユニットの各構成部材の配置図である。本発明の実施例に係る偏光依存型光アイソレータの各構成部材の配置図であり、（ａ）は入射光の作用を示し、（ｂ）は回帰光の作用を示す図である。

１偏光依存型光アイソレータ
３入射側光ファイバー
５第１レンズ（入射側レンズ）
７第１複屈折部
９ファラディ回転子
１１第２複屈折部
１３角度補正用屈折部
１５第２レンズ（出射側レンズ）
１７出射側光ファイバー
２１偏光依存型光アイソレータ用非相反ユニット
１０１波長フィルタ
１０２波長板

以下に、図１を参照して本発明に係る偏光依存型光アイソレータの基本動作を説明する。

本発明に係る偏光依存型光アイソレータ１は、光の光源側にある入射側光ファイバー３と、第１レンズ（入射側レンズ）５と、出射側光ファイバー１７と、第２レンズ１５（出射側レンズ）と、第１レンズ５と第２レンズ１５との間に配置された偏光依存型光アイソレータ用非相反ユニット２１とから構成されている。

偏光依存型光アイソレータ用非相反ユニット２１は、入射側から出射側に沿って、第１複屈折部材７と、ファラディ回転子９と、第２複屈折部材１１と、角度補正用部材１３とをこの順序で備えている。

本発明では、入射側光ファイバー３から出射側光ファイバー１７にレーザ光が伝搬されるが、これらのファイバーは各々偏波保持ファイバー（ＰＡＮＤＡ）を用いている。

光ファイバー及びレンズの組み合わせは入射又は出射の一方のみであっても良い。

また、図１では凸レンズを図示しているが、凹面鏡で反射しつつ集光する構成やフレネルレンズ、周辺部の屈折率よりも中央部の屈折率が高い屈折率分布型レンズなど集光作用を持つ光学素子なら何でもよい。

第１及び第２複屈折部７、１１は、共にくさび型複屈折結晶であり、ルチルや方解石等が用いられている。第１複屈折部７は、くさびのテーパ面７ａを入射側に向けて配置され、第２複屈折部１１は、テーパ面１１ａを出射側に向けて配置されている。

ここで、複屈折部材等の光学部品において、その入射面と出射面とで成す角度をくさび角度θと称することとする。第１複屈折部７のくさび角度θ１と、第２複屈折部材１１のくさび角度θ２とは異なっており、一例としては、θ１は４度、θ２は８度である。ここでθ２は２枚の４度の複屈折部材で構成しても良い。また、他の具体例として、θ１は４度でθ２は７度、θ１は４度でθ２は６度としても良い。また、逆にθ１は８度、θ２は４度としても良い。

くさび角度θが異なることで、所望の偏光方向の光のみ所定の位置に光を通過させて、偏光依存型の光アイソレータが構成できる。

くさび角度θ１及びθ２は異なっていれば、常光と異常光との比つまり消光比を高めることができるのであるが、くさび角度θ１とθ２との差が大きい方が消光比をより高めることができる。

一例として、複屈折結晶としてルチル（ＴｉＯ₂）とすると、第１、第２複屈折部共、くさび角度を０．３度以上とすることでアイソレーションを２０ｄＢ以上とすることができる。アイソレーションが２０ｄＢ以上となることで、本発明の偏光依存型光アイソレータを応用する一例としての光ファイバーレーザにおいて光が増幅される率は２０ｄＢ程度であり、特性の向上が図れる。

２０ｄＢのアイソレーションを本装置が持つことで、本装置の前段に戻る光量が順方向の-２０ｄＢ（１００分の１）になるため、図示しない前段の光増幅器が２０ｄＢ増幅しても、増幅器に入射する光と同じ光量になるので、光ファイバーレーザは安定動作する。

本発明において、複屈折結晶としてルチル（ＴｉＯ₂）、レンズの焦点距離を１．８ｍｍ、モードフィールド直径（２Ｗ）を５μｍ、くさび角度θ１を４度、θ２を８度とすると、消光比、アイソレーション共に４０ｄＢ以上と非常に良好な特性を得ることができる。

角度補正用屈折部１３は、プリズムであり、出射側レンズ１５に入る光線の角度を補正するものであるが、空間と異なる屈折率を有する透明体であれば良く、例えば石英ガラス、Ｂｋ７などの光学ガラスやプラスチックなど様々な物質が使用可能である。

また、赤外線の波長ではゲルマニウムやシリコンなども透明であるので使用可能である。

更には、角度補正用屈折部１３として、ルチル、ＹＶＯ₄又は蛍石などの複屈折材料を用いてもよい。

複屈折材料を用いることで２つの直交した偏光を分離するタイプの偏光子では、光の吸収が無いため、発熱の危険が無く安全性が極めて高い。そのため、１Ｗ以上の大きな光強度の光が入射する用途でも安心して使用可能である。

即ち、偏波依存型光アイソレータ１において、ファラディ回転子９の前後に透過方向と直交した偏光を吸収する機能の偏光子、例えば、高分子フィルムを延伸させたものや金属微粒子を析出させた後延伸させたものを用いた場合には、透過方向の偏光は透過率が高いが、透過方向と直交する方向の偏光の光は偏光子内部で光が吸収され、吸収された光は熱に変換されてしまう。入射する光の強度が１０Ｗで入射光の消光比が２０ｄＢの時、吸収される偏光方向の光の強度は０．１Ｗになる。０．１Ｗの光を吸収するとガラスを延伸させた偏光子では１００℃を超える温度に達し、故障又は重大な機能不良が発生するおそれがあり、高分子フィルムによる偏光子では熱により融け、火災などの危険性もある。

しかし、本発明では、ファラディ回転子９の前後に第１複屈折部７と第２複屈折部１１とを設けて、上述の透過方向と直交した偏光を吸収する偏光子を用いていないので、火災の危険が無く安全性が極めて高い。

次に、本発明に係る偏光依存型光アイソレータ１の作用及び効果について説明する。

一般に、レーザ光は、図１（ｃ）に示すように、特定偏光面Ａの光（常光）に対して直交する偏光面Ｂの光（異常光）を有している。本発明では、このような異常光Ｂを除去して消光比を高めようとするものである。

図１（ａ）に示すように、入射側光ファイバー３から出射されたハイパワー出力の偏光は、第１複屈折部材７により、常光Ａと異常光Ｂとに分離され、これらの常光Ａと異常光Ｂとは、ファラディ回転子９により偏光面を回転し、常光Ａは第２複屈折部材１１で屈折されて角度を角度補正用部材１３により調整された後、第２レンズ１５により出射側光ファイバー１７のコア端面に集束する。

一方、ファラディ回転子９を通過した後の異常光Ｂは、第２複屈折部材１１のくさび角度θ２が第１複屈折部材７のくさび角度θ１と異なっているから、第２複屈折部材１１を通過した常光Ａと異常光Ｂとは平行光にならず、異常光Ｂは常光Ａと異なる角度を形成することになる。

従って、常光Ａに対して出射側光ファイバー１７のコア端面に集光させている第２レンズ１５に異常光Ｂが入射すると、常光Ａと入射角度の異なる異常光Ｂは出射側光ファイバー１７のコア端面からずれた位置に向けて出射される。これにより、出射側光ファイバー１７に入射される異常光Ｂを除去できるので、消光比Ｂ／Ａを高めることができる。

一方、上記光の進行方向とは逆の回帰光の場合、図１（ｂ）に示すように、常光Ａと異常光Ｂとは第２複屈折部１１でそれぞれ異なった角度で屈折し、ファラディ回転子９を透過すると同時に偏光面を回転した後、第１複屈折部７で常光Ａと異常光Ｂとで異なった角度で屈折する。

常光Ａと異常光Ｂとはそれぞれ異なった角度及び位置で出射し、尚且つ、図１（ａ）の入射光の位置、角度とは異なる。つまり、回帰光が入射光と一致しないため、回帰光は元の位置に戻らないこととなる。

本発明によれば、上記のように、ファラディ回転子９以外の部品で偏光の回転をさせること無く光アイソレータの機能を持たせることができ、部品点数の削減が図れると共に、使用する複屈折部材として用いるルチルプリズムは通常の光アイソレータで使用する結晶軸方向の部材を使用できるため特殊な冶具、特殊な測定装置が不要であるため、低コスト化に役立つ。

一方、上記出射側光ファイバー１７から出射される回帰光は、図１（ｂ）に示すように、第２複屈折部材１１により、常光Ａと異常光Ｂとに分離され、これらの常光Ａと異常光Ｂとは、ファラディ回転子９により偏光面を回転し、常光Ａは第１複屈折部材７で屈折されて第１レンズ５により入射側光ファイバー３のコア端面からずれた位置に向けて射出される。同様に、異常Ｂも第１複屈折部材７で屈折されて第１レンズ５により入射側光ファイバー３のコア端面からずれた位置に向けて射出される。これにより、入射側光ファイバー３への回帰光の取り込みが防止される。

本発明に係る偏光依存型光アイソレータ１によれば、一般的な偏光無依存型光アイソレータと略同様な構成で、且つ第１及び第２複屈折部材７、１１にくさび角度が異なるものを用いるだけであるから、構成が簡易である。

互いにくさび角度が異なる第１複屈折部材７及び第２複屈折部材１１を用いることで、偏光において常光と異常光とを吸収すること無く、光エネルギーを本発明の装置内部で閉じ込めること無く外部に放出しやすくする構成にできるため、局所的な温度上昇や光エネルギーによる装置の損傷を防ぐことができる。

偏光子（第１及び第２複屈折部材）として、複屈折を利用しており偏光板のような光の吸収が無いので、レーザ光等のハイパワー偏光を用いた場合でも熱による損傷を防止できる。

第１及び第２複屈折部材７、１１に、一般的な偏光無依存型光アイソレータで用いるくさび型ルチルを使用でき、そのテーパ角度を変えるだけであるから、簡易な構成で製造コストを安価にできる。

第１及び第２複屈折部材７、１１のくさび角度を大きく異ならせると、光軸方向の寸法を小さくして装置の小型化を図ることができる。

ファラディ回転子以外の部品で偏光の回転させること無く光アイソレータの機能を持たせることができ、部品点数の削減が図れると共に、使用する複屈折部材として用いるルチルプリズムは通常の光アイソレータで使用する結晶軸方向の部材を使用できるため特殊な冶具、特殊な測定装置が不要であるため、低コスト化に役立つ。

尚、本発明の偏光依存型光アイソレータ用非相反ユニット２１の使用用途の一例に光ファイバーレーザがある。

光ファイバーレーザ装置はファイバーを光が伝搬しながら光の強度が増幅する原理のレーザ装置である。光ファイバーレーザ装置での光の増幅率は１０〜１００倍（１０〜２０ｄＢ）であるので本発明の偏光依存型光アイソレータでのアイソレーションは１０ｄＢ以上が必要となる。

係る光ファイバーレーザ装置に、偏光依存型光アイソレータ用非相反ユニット２１を用いた場合にも光ファイバーレーザ装置の回帰光を遮断し、ファイバー中で増幅された強度の強い光が戻ることにより光学部品が破損することを保護する機能を持つ。

更に、偏光依存型光アイソレータ用非相反ユニット２１は、光増幅用の光ファイバーに光が戻ると、戻った光が増幅されるため、本来増幅すべき光が増幅されにくくなる弊害を除去する機能も持つ。

更に、光ファイバーレーザ装置は一般に光強度が強い特長を持つ。この光強度が強い光が外部から入射すると本発明の偏光依存型光アイソレータにとり過大な光強度であるため、偏光依存型光アイソレータが破損するが、本実施例の偏光依存型光アイソレータ用非相反ユニット２１を用いることにより、光増幅用ファイバーやミラー半導体レーザなどの高価な光学部品が破損することを防ぐ効果も有する。

本発明を用いることで、上記構成及び作用を説明したように、特殊な偏光板などの光学系を必要とせず、1つの偏光のみの光を透過させる光アイソレータと同様の簡素な構成で実現できる。

以下に、本発明の参考例及び実施例について説明するが、上述した図１と同一の作用効果を奏する部分には、同一の符号を付することによりその部分の詳細な説明を省略し、以下の説明では上述した図１と主に異なる点を説明する。

図２を参照して、本発明の第１参考例を説明する。この第１参考例では、偏光依存型光アイソレータ用非相反ユニット２１の入射側に波長フィルタ１０１を配置していることが図１と異なっている。

波長フィルタ１０１は、透過させたい波長を透過させ、透過させたく無い波長を反射又は吸収させる機能を持つ。

波長フィルタ１０１は誘電体多層光学膜（反射防止光学膜）をコートしたものやガラス材料に吸収する物質を含有したカラーフィルタを用いてもよい。

尚、波長フィルタ１０１を配置する場所は、図２のように入射側である必要は無く、各光学部品の間、又は出射側の位置に置くことでも同様の目的を果たす。

この第１参考例では、図示しない光ファイバーレーザの励起用光源の光と光ファイバーレーザで出力するレーザ光とが偏光依存型光アイソレータ用非相反ユニット２１に入射する。前記励起用光源の光（波長８００〜９８０ｎｍ）と光ファイバーレーザで出力するレーザ光（１０３０〜１０９０ｎｍ）との２つの光は波長が一般に異なる。２つの波長の光が光ファイバーレーザ装置から出力されるとレーザ加工やレーザ溶接するためにレンズで焦点を結ばせると、レンズの色収差特性により回折限界に近い結像が得られない。回折限界に近い結像が得られないことはレーザ加工装置において、微細加工が困難であることや無駄なエネルギーとなることなどの応用上の大きな問題である。

そこで、本参考例では、本装置に内像した波長フィルタで光ファイバーレーザの励起光と出力光とを分離し、装置の外に出力光のみを出射させている。

即ち、図２において励起光Ｃ及び出力光Ａ＋Ｂが入射する。波長フィルタ１０１で励起光Ｃが反射され、出力光Ａ＋Ｂが透過する。波長フィルタ１０１を透過した出力光Ａ＋Ｂは実施例１と同様に第１複屈折部７、ファラディ回転子９、第２複屈折部１１、角度補正用屈折部１３を透過し、常光Ａと異常光Ｂとに分離し、位置と角度が異なった光束が出射される。

波長フィルタ１０１での励起光Ｃが反射すること以外は図1と同様である。
尚、波長フィルタの位置が入射側であるように図示しているが、その他の場所にあっても同様に励起光Ｃが波長フィルタ１０１で反射する機能は同様である。

図３を参照して、本発明の第２参考例を説明する。この第２参考例では、出射側に波長板１０２を配置しており、出射光の偏光方向を９０度回転させることで、外部の光学部品の偏光依存性を配慮した設計が可能となる。

尚、波長板１０２を配置する場所は図４に示すように出射側である必要は無く、各光学部品の間、又は入射側の位置に置くことでも同様の目的を果たすことができる。

この第２参考例では、入射光は第１複屈折部７、ファラディ回転子９、第２複屈折部１１、角度補正用屈折部１３を透過し、常光Ａと異常光Ｂとに分離する。位置と角度が異なった光束が出射された常光Ａと異常光Ｂとはそれぞれは２分の１波長板１０２に入射する。２分の１波長板１０２において常光Ａ及び異常光Ｂがそれぞれ入射し、２分の１波長板１０２で偏光方向を９０度回転させることができる。

この第２参考例においても、第１参考例と同様に、波長板１０２の挿入場所はどの場所であってもよい。

図４を参照して、本発明の実施例を説明する。図４の本発明の実施例に係る偏光依存型光アイソレータ１は、図１の出射側光ファイバー１７に変えて出力ファイバー１０３及び１０４を配置している。

出射側に常光と異常光の光をそれぞれ出射するための光導波路の一例として光ファイバーを配置する。使用する光が常光の場合、異常光は不要である。不要な光を効率的に装置外へ放出する。

光導波路構造には光ファイバーの他、ガラスなどの透明体の屈折率を変化させる構造や活性層を持つ半導体レーザなどが考えられる。

本実施例は、放出した光の光量レベルを検出するために供することもできる。

この実施例では、入射光の場合はレンズ１５を透過するまでの機能及び作用は図１と同じである。

入射ファイバー３から入射した光はレンズ５を透過し、第１複屈折部７、ファラディ回転部９、第２複屈折部１１、角度補正用屈折部１３を透過し、常光Ａと異常光Ｂとの２つの偏光により異なった位置と角度の光束が出力される。レンズ１５を透過することで常光Ａの光を出力ファイバー１０３に入射させる位置と角度に配置し、異常光Ｂの光を出力ファイバー１０４に入射させる位置と角度に配置している。

常光Ａの光をファイバー１０３に伝搬させて応用する場合、異常光Ｂの光をファイバー１０４に伝搬させ、図示しない受光素子に導き光の特性を測定することで、光ファイバーレーザ装置システムの健全性検証、光量を安定化のための光量モニタ、波長モニタなどを行う。光量を安定化させるため励起光源用ＬＤの注入電流を調節し、出射光量を調節するなどのフィードバックをかけるために供せられる。

図示しない受光素子で測定する光の特性には光量、波長、パルス幅、パルス間隔、パルス波形などがある。モニタした光の特性の情報を光ファイバーレーザなどの装置を安定化させるために使用する場合の他、故障診断や劣化状態の把握、故障予測などの健全性検証に使用することもできる。更に、パルス幅やパルス波形を所望の形状とするために使用することも可能である。

また、主に使用する光を光ファイバー１０３から出射させる場合、光ファイバー１０４から使用しない光を本発明の偏光依存型光アイソレータ１の外に出し、光が出力しない光が装置内部で吸収され、熱に変換され、装置内部の温度上昇を招くことを防ぐことができる。

本発明は、上述した実施例に限らず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形可能である。例えば、本発明は、レーザ光を用いた光通信や光計測の他に、レーザ光を用いた光加工や医療用装置、ファイバーレーザ内蔵発振安定用光アイソレータに用いるものであっても良い。光ファイバー３、１７は、偏波保持ファイバーに限らず、通常の光ファイバーであっても良い。

Claims

光学部品からなる入射手段と、光学部品からなる出射手段と、前記入射手段と前記出射手段との間に配置された偏光依存型光アイソレータ用非相反ユニットと、から成る偏光依存型光アイソレータであって、
前記偏光依存型光アイソレータ用非相反ユニットは、
第１複屈折部と、第２複屈折部と、第１複屈折部と第２複屈折部の間に配置されたファラディ回転子とを備え、
前記第1複屈折部及び前記第2複屈折部はくさび型複屈折結晶であって、
前記第１複屈折部と前記第２複屈折部とのくさび角度が異なっており、
前記出射手段は光導波路を含み、常光と異常光の各々の出射位置に前記光導波路が配置され、一方の光は、前記光導波路から受光素子に導かれ、光の特性をモニターするために用いられることを特徴とする偏光依存型光アイソレータ。