JP5439669B2

JP5439669B2 - 偏波無依存型光アイソレータ

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Publication number: JP5439669B2
Application number: JP2011112341A
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Inventors: 潤二飯田
Original assignee: 株式会社エス・エム・エムプレシジョン
Priority date: 2011-05-19
Filing date: 2011-05-19
Publication date: 2014-03-12
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Description

本発明は、磁性ガーネット単結晶により構成されたファラデー回転子と２枚の楔形複屈折結晶板を用いた偏波無依存型光アイソレータに係り、特に、磁性ガーネット単結晶の光吸収に起因した温度上昇に伴う特性の劣化や破損が防止される偏波無依存型光アイソレータの改良に関するものである。

光アイソレータは、順方向への光信号を通過させ、逆方向からの光信号の通過を防ぐ機能を持つ非可逆光デバイスであり、例えば、半導体レーザを光源とする光通信システムにおいて、光信号が反射によって光源側に戻り半導体レーザの発振が不安定となることを防止するために用いられている。

光アイソレータは、半導体レーザモジュールに使用されるような偏波依存型光アイソレータと、光ファイバアンプの前後で用いられるような偏波無依存型光アイソレータに大きく分けられる。

偏波無依存型光アイソレータでは、通常、偏光子にルチル、ＹＶＯ_４、ＬｉＮｂＯ_３等の楔形の複屈折結晶板を使用し、２枚の楔形複屈折結晶板の間に、ファラデー回転子として磁性ガーネット単結晶から成る平板を配置している。ここで、ファラデー回転子は偏光を４５度回転させるように結晶の厚みが調整されており、２枚の楔形複屈折結晶板は、それ等の光学軸の方位が互いに４５度ずらして配置されている。尚、偏光子およびファラデー回転子から構成される光学素子部分を非相反部と呼ぶ。

そして、順方向における第１の楔形複屈折結晶板への入射光は、第１の楔形複屈折結晶板によって常光と異常光に分離するが、ファラデー回転子により偏光が４５度回転させられ、かつ、第２の楔形複屈折結晶板の光学軸が第１の楔形複屈折結晶板と４５度ずれているため、第２の楔形複屈折結晶板においても常光は常光として、異常光は異常光として入射され、それぞれ平行光として第２の楔形複屈折結晶板から出射され、レンズにより光ファイバに結合される。

逆方向からの光は、第２の楔形複屈折結晶板にて常光と異常光に分離され、ファラデー回転子にて４５度回転された後は、第１の楔形複屈折結晶板には常光は異常光として、異常光は常光として入射されるため、第１の楔形複屈折結晶板を出た光は平行光にはならず、光ファイバのコアに結合されない。このようにして光アイソレータとして機能する。

ところで、ファラデー回転子を構成する上記磁性ガーネット単結晶は、近赤外波長域、特に光通信で用いられる波長域付近（１．２μｍ〜１．７μｍ）においては優れた光学的透明性を示し、数百ｍＷ程度であれば光の吸収に起因する温度上昇も少なく、問題は殆ど無い。しかし、上記波長域よりも短波長域、特にＹＡＧレーザやＹＡＧレーザの代替として注目されているファイバレーザや光ファイバ増幅器の励起光のような１μｍ前後の波長域では、磁性ガーネット単結晶における光の吸収が大きくなり、数百ｍＷのレーザパワーにおいては無視できない温度上昇となる。

１μｍ前後の波長域における光アイソレータに用いられるファラデー回転子としては、常磁性単結晶あるいは常磁性ガラスがあるが、これ等を用いるとファラデー回転子の大きさ自体が大きくなるばかりか、ファラデー回転子を磁気飽和させるためには大きな磁石が必要となり、光アイソレータも大きなものとなってしまう。

そこで、１μｍ帯での光アイソレータとしては、小型でありながら、高出力のレーザ光に耐えられることが要求され始めている。

ファラデー回転子に磁性ガーネット単結晶を用いつつ、高出力レーザ耐性のある光アイソレータを実現させるため、磁性ガーネット単結晶の光学面にｃ面サファイア単結晶板を接合させて、温度上昇を抑制した偏波無依存型光アイソレータが特許文献１に記載されている。

しかし、特許文献１に記載された偏波無依存型光アイソレータにおいては、ｃ面サファイア単結晶板が接合された磁性ガーネット単結晶（ファラデー回転子）を光アイソレータ内に組み込む際、ｃ面サファイア単結晶板に入射する光の角度が、ｃ軸に対し１〜６度となるように上記磁性ガーネット単結晶（ファラデー回転子）を一つ一つ向きを傾けて配置する必要があるため、光アイソレータの組立てコストが増大する不都合があった。

そこで、特許文献１の上記不都合を解消させる偏波無依存型光アイソレータが特許文献２において提案されている。

すなわち、この偏波無依存型光アイソレータは、各サファイア単結晶板の光透過面が、隣に位置する楔形複屈折結晶板の非傾斜光透過面と平行でかつサファイア単結晶板のｃ面からオフセットされるように形成されると共に、入射側（ファラデー回転子を中央にして順方向入射側）の楔形複屈折結晶板で分離された常光と異常光の光軸がなす角度の２等分線が、サファイア単結晶板のｃ面に対して垂直である（言い換えて表現すると、入射側の楔形複屈折結晶板で分離された常光と異常光の光軸がなす角度の２等分線が、サファイア単結晶板の光透過面と垂直な軸となす角度だけサファイア単結晶板のｃ面をオフセットさせる）ことを特徴とするものであった。

特開２００７−２５６６１６号公報特開２０１０−０４８８７２号公報

ところで、特許文献２に記載された偏波無依存型光アイソレータでは、楔形複屈折結晶板で分離された常光と異常光の光軸がなす角度の２等分線が、サファイア単結晶板のｃ面に対して垂直である（すなわち、上記２等分線が、サファイア単結晶板の光透過面と垂直な軸となす角度だけサファイア単結晶板のｃ面をオフセットさせる）ことを特徴としているが、上記２等分線で表される仮想光がサファイア単結晶板内に入射した際に屈折する効果を考慮した場合、ピークアイソレーションが３５ｄＢ程度になってしまうことがあり、安定的に４０ｄＢ以上になるような高性能の光アイソレータを作成することが困難となる問題を依然として有していた。これは、上記２等分線で表される仮想光についてサファイア内での屈折を考慮した場合、楔形複屈折結晶板で分離された常光と異常光の光軸がなす角度の２等分線では、サファイア内における光線とサファイアｃ軸とのなす角を正確には表せず、常光とｃ軸のなす角、あるいは異常光とｃ軸のなす角が、上記２等分線とｃ軸のなす角よりも大きい場合があるためである。よって、偏光によってはピークアイソレーションが４０ｄＢを下回ることがあり得た。

本発明はこのような問題点に着目してなされたもので、その課題とするところは、高出力の光が入射されてもファラデー回転子の温度上昇を抑制することが可能で、かつ、安定的に４０ｄＢ以上のピークアイソレーションを有する偏波無依存型光アイソレータを低コストで提供することにある。

そこで、本発明者は上記課題を解決するため、周囲に磁石を配置して磁気飽和させた磁性ガーネット単結晶の光学面にｃ面サファイア単結晶板が接合された構造体に、色々な向きの直線偏光を、上記ｃ面サファイア単結晶板に対する入射角度を変えて入射し、消光比が最悪となる値を測定した。

この測定結果を、図３のグラフ図に示す。

そして、図３のグラフ図に示された結果から、ｃ面サファイア単結晶板に対する入射光線の入射角度（すなわち、サファイアｃ軸と入射光線とのなす角度）が、１．３度以内であれば消光比は安定的に４０ｄＢ以上を得ることが確認された。尚、入射光線はサファイア単結晶板に入射する際に屈折するため、入射角度が１．３度で入射した光線のｃ面サファイア単結晶板内の光軸とｃ軸のなす角は０．７４度になる。この場合、入射光は、サファイア内で常光線と、常光線の屈折率（１．７５４４９）と異常光線の屈折率（１．７４６６３）からなる屈折率楕円体の常光線軸近傍の屈折率を持つ光線に分離するが、両者の分離角は極めて小さく、同一光線と考えて差し支えない。

次に、入射側の楔形複屈折結晶板で分離された常光および異常光が、サファイア単結晶板内においてサファイア単結晶板のｃ軸とのなす角度が、それぞれ上記０．７４度以内となるための条件について検討した。

すなわち、図１（Ａ）（Ｂ）に示すように、入射側の楔形複屈折結晶板で分離された常光と異常光の光軸がなす角度の２等分線で表される仮想光のサファイア単結晶板への入射角θa、および、サファイア単結晶板のｃ面からのオフセット角θoffについて、偏波無依存型光アイソレータに用いられるレンズの焦点距離も考慮して検討した。

ここで、入射角θaとオフセット角θoffを検討する場合、高出力のレーザ光が入射される光アイソレータでは、後述のように戻り光のクラッドへの結合も考慮する必要がある。そこで、コアとクラッドとで構成される光ファイバの断面を図２に示す。尚、波長１．０６μ付近のファイバレーザで用いられるインライン光アイソレータの光ファイバは、通常、ファイバのコア径が６μｍ（直径）、ファイバのクラッド径が１２５μｍ（直径）である。

（１）上記仮想光のサファイア単結晶板への入射角θa
入射角θaが小さ過ぎる場合、図５（Ｂ）に記載された逆方向（順方向とは反対方向）からの戻り光が入射側のレンズ８を介して光ファイバ６のコア近傍に戻るため、コアに結合してアイソレーションを悪化させてしまう。また、例え戻り光がコアに結合せずにクラッドに結合したとしても、ファイバレーザ用光アイソレータの場合、光通信用の光アイソレータと較べて光アイソレータを通過する光の強度が強いため、クラッドに結合した戻り光が、クラッドを伝播して入射側光ファイバの入り口側にある光学系を損傷してしまうことがある。従って、光通信用の光アイソレータに較べて上記入射角θaを大きくする必要がある。

しかし、入射角θaを大きくし過ぎると、光の屈折による光軸のシフト（移動）量が大きくなるため、楔形複屈折結晶板やファラデー回転子のサイズを大きくする必要があり、不経済となる。

更に、入射角θaを大きくするため楔形複屈折結晶板の楔角を大きくすると、常光と異常光のビームの分離距離が大きくなり、ＰＤＬ（Polarization Dependent Loss：偏光依存損失）が大きくなる。これを補正するためには、補償光学系が必要になり、やはりコスト増につながる。

従って、仮想光のサファイア単結晶板への入射角θaを設定する場合、戻り光が入射側光ファイバのクラッドに結合しにくく、かつ、経済性とＰＤＬが大きくならない条件を満たす範囲に設定することを要する。

（２）サファイア単結晶板のｃ面からのオフセット角θoff
入射角θaとオフセット角θoffが決まると、図１（Ａ）に示すサファイア単結晶板内における実際の光路が決定される。楔形複屈折結晶板で分離された常光と異常光のサファイア単結晶板入射後の光路と、サファイア単結晶板のｃ軸とのなす角度が、上記０．７４度以内であれば、楔形複屈折結晶板で分離された常光がサファイア単結晶板内で異常光に分離され、あるいは、楔形複屈折結晶板で分離された異常光がサファイア単結晶板内で常光に分離される割合が少ないため、図３のグラフ図で確認されたように消光比が４０ｄＢ以上となり、ピークアイソレーションが安定的に４０ｄＢ以上になる。

（３）ビームサイズとレンズ焦点距離の関係
磁性ガーネット単結晶におけるビームサイズは、光ファイバの開口数と光アイソレータに使用されるレンズの焦点距離の積で与えられる。

磁性ガーネット単結晶での発熱を抑制するには、磁性ガーネット単結晶に入射するレーザ光のエネルギー密度が低い方が有利なため、レンズの焦点距離は長い方が良いことになる。しかし、レンズの焦点距離が長くなると磁性ガーネット単結晶や楔型複屈折結晶の大きさが大きくなるばかりでなく、レンズ両側の光ファイバとの位置調整において高い精度が必要になり、量産には向かない。

以上のことを考慮した場合、量産製品では、レンズの焦点距離は３ｍｍ以下になることが必要になる。

（４）戻り光のファイバ端面への入射位置
コア径が６μｍ（直径）、クラッド径が１２５μｍ（直径）である、通常の光ファイバを前提とし、上記戻り光がクラッドに結合しない条件（楔角、θa、コリメータに使用するレンズの焦点距離）を検討した。

戻り光は、図５（Ｂ）に示すようにレンズ８を介して光ファイバ６のコア近傍に戻る。光ファイバ６端面のコア中心から戻り光がどの程度ずれるかは、楔型複屈折結晶１からの戻り光の出射角とレンズの焦点距離の積で与えられる。上記出射角の大きさは楔型複屈折結晶の楔角に依存し、レンズの焦点距離が短いと、大きな楔角を持った複屈折結晶を使わないかぎり、戻り光が光ファイバのクラッドに結合しないようにすることはできない。

そこで、楔型複屈折結晶の楔角と入射角θaは１対１の対応関係（入射角θaを特定することで他方の楔角が必然的に特定される関係）にあることを前提に、入射角θaとレンズ８の焦点距離ｆを個々に複数組（図６において９組）設定して光ファイバ６端面における戻り光のずれ量がクラッドの半径である６２．５μｍより大きくなる条件を個別に求めたところ、上記９組の組合せデータから図６の曲線で示す結果が得られ、更にこの曲線から、光ファイバ６端面における戻り光のずれ量がクラッドの半径である６２．５μｍより大きくなる条件、すなわちｆ≧１８．２／θa（ｍｍ）なる条件が求められた。

すなわち、光ファイバ６端面における戻り光のずれ量がクラッドの半径である６２．５μｍより大きくなるためには、コリメータに使用するレンズの焦点距離をｆとしたとき、図６の曲線に基づきｆ≧１８．２／θa（ｍｍ）の条件を満たすことが必要となる。

（５）楔形複屈折結晶板をＹＶＯ_４結晶で構成した場合の楔角、θa、θoff
次に、コア径が６μｍ（直径）、クラッド径が１２５μｍ（直径）である、通常の光ファイバを前提とし、ピークアイソレーションが４０ｄＢ以上を確保でき、かつ、上記戻り光がクラッドに結合しない具体的条件（楔角、θa、コリメータに使用するレンズの焦点距離）を検討した。

そして、焦点距離が２ｍｍと３ｍｍの２種のレンズを用いた結果を表１に示す。

本発明は、上述した（１）〜（５）の検討事項から導かれた図６のグラフ図に示された条件と、上記表１の「条件２〜５」に示されたデータに基づき完成されている。

すなわち、請求項１に係る発明は、
光路上に配置された一対の楔形複屈折結晶板と、これ等楔形複屈折結晶板間の光路上に配置されかつ磁性ガーネット単結晶により構成されたファラデー回転子と、上記ファラデー回転子を中央にして各楔形複屈折結晶板の外側光路上にそれぞれ配置されかつコリメータに使用するレンズとを備え、上記ファラデー回転子の各光透過面にサファイア単結晶板が接合された偏波無依存型光アイソレータにおいて、
一対の上記楔形複屈折結晶板がＹＶＯ_４単結晶によりそれぞれ構成され、
各サファイア単結晶板の光透過面が、隣に位置する楔形複屈折結晶板の非傾斜光透過面と平行で、かつ、サファイア単結晶板のｃ面からオフセットされるように形成されていると共に、
入射側の楔形複屈折結晶板で分離された常光と異常光の光軸がなす角度の２等分線で表される仮想光のサファイア単結晶板への入射角θaが、６．０６〜９．６１度、
上記サファイア単結晶板のｃ面からのオフセット角θoffが、３．０５〜５．６７度、
および、上記レンズの焦点距離をｆとしたとき、３ｍｍ≧ｆ≧１８．２／θa（ｍｍ）の各条件を満たすように設定されていることを特徴とするものである。

請求項１記載の発明に係る偏波無依存型光アイソレータによれば、
入射側の楔形複屈折結晶板で分離された常光と異常光が、共に上記サファイア単結晶板のｃ面に対し略垂直となるように入射することになるため、サファイア単結晶の複屈折に起因した消光比の悪影響を最小限にすることができ、４０ｄＢ以上のピークアイソレーションを安定的に得ることが可能となる。

図１（Ａ）は偏波無依存型光アイソレータにおける入射側の楔形複屈折結晶板で分離された常光と異常光の光軸がなす角度の２等分線で表される仮想光のサファイア単結晶板への入射角θa、および、サファイア単結晶板のｃ面からのオフセット角θoffを示す説明図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）の部分拡大図。コアとクラッドとで構成される光ファイバの断面説明図。磁気飽和させた磁性ガーネット単結晶の光学面にｃ面サファイア単結晶が接合された構造体に、上記ｃ面サファイア単結晶板に対する入射角度を変えて直線偏光を入射し測定された「入射角度(°)」と「消光比(ｄＢ)」との関係を示すグラフ図。本発明に係る偏波無依存型光アイソレータの非相反部の構成を示す概略斜視図。図５（Ａ）（Ｂ）は本発明に係る偏波無依存型光アイソレータの作用を示す説明図。入射角θaとレンズの焦点距離ｆを個々に９組設定して光ファイバ端面における戻り光のずれ量がクラッドの半径である６２．５μｍより大きくなる条件を個別に求めて得られた「入射角θa」と「レンズの焦点距離」との関係を示すグラフ図。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

まず、実施の形態に係る偏波無依存型光アイソレータは、図４に示すように、光の透過方向順に、第１の楔形複屈折結晶板１、第１のサファイア単結晶板２、磁性ガーネット単結晶（ファラデー回転子）３、第２のサファイア単結晶板４、第２の楔形複屈折結晶板５が配置されている。

また、第１のサファイア単結晶板２と第２のサファイア単結晶板４の各光透過面が、隣に位置する第１の楔形複屈折結晶板１と第２の楔形複屈折結晶板５の非傾斜光透過面と平行でかつサファイア単結晶板２、４のｃ面からオフセットされるように形成され、更に、楔形複屈折結晶板１、５で分離された常光と異常光が、共にサファイア単結晶板２、４のｃ軸に対し０．７４度以内となるように、上述した入射角θaが６．０６〜９．６１度、サファイア単結晶板のｃ面からのオフセット角θoffが３．０５〜５．６７度にそれぞれ設定されている。

尚、この偏波無依存型光アイソレータに組み込まれるレンズ８、９（図５参照）の焦点距離をｆとしたとき、「３ｍｍ≧ｆ≧１８．２／θa（ｍｍ）」の条件が満たされるように設定されており、かつ、コア径が６μｍ（直径）、クラッド径が１２５μｍ（直径）である通常の光ファイバ６、７（図５参照）が用いられている。

そして、この偏波無依存型光アイソレータは以下のように機能する。

まず、図５（Ａ）に示すように、光ファイバ６のコアから出射した順方向の光はレンズ８を介して平行光となり、第１の楔形複屈折結晶板１に入射する。第１の楔形複屈折結晶板１に入射した光は、常光と異常光に分離され、第１のサファイア単結晶板２に入射する。ここで、上記２種類の常光と異常光は、空気と第１のサファイア単結晶板２の界面で屈折する。サファイア単結晶板２を通過した光は、磁性ガーネット単結晶（ファラデー回転子）３との界面で再度屈折し、更に偏光面が４５度回転させられた後、第２のサファイア単結晶板４界面で屈折した後、サファイア単結晶板４を通過し、サファイア単結晶板４と空気の界面で屈折し、第２の楔形複屈折結晶板５に入射する。

ここで、実施の形態に係る偏波無依存型光アイソレータにおいて、上記第１の楔形複屈折結晶板１によって常光と異常光に分離された光は、第２の楔形複屈折結晶板５に常光は常光として、異常光は異常光として入射されるため、第２の楔形複屈折結晶板５から出射される光は平行光となり、レンズ９により出射側の光ファイバ７のコアへ結合させることができる。

このとき、第１の楔形複屈折結晶板１で分離された常光と異常光共に第１のサファイア単結晶板２のｃ面に対してほぼ垂直になっており、磁性ガーネット単結晶は平行平板と考えて良いので、第二のサファイア単結晶板４のｃ面に対しても光線は略垂直になっており、サファイア単結晶板での消光比の劣化を最低限に抑えることが可能となる。

また、戻ってきた逆方向の光は、図５（Ｂ）に示すようにレンズ９を通り、第２の楔形複屈折結晶板５において常光と異常光に分離し、磁性ガーネット単結晶（ファラデー回転子）３により４５度回転される。そして、順方向の場合と同様に、サファイア単結晶板を光が通過する際に消光比の劣化を最低限に抑えることができ、これにより第２の楔形複屈折結晶板５における常光が、第１の楔形複屈折結晶板１で常光となることや、第２の楔形複屈折結晶板５における異常光が第１の楔形複屈折結晶板１で異常光となるようなことが抑制されるため、入射側の光ファイバ６のコアへ入射することが防止され、高いアイソレーションが維持される。

更に、この実施の形態に係る偏波無依存型光アイソレータにおいては、コリメータに使用するレンズ８、９の焦点距離をｆとしたとき、「３ｍｍ≧ｆ≧１８．２／θa（ｍｍ）」の条件が満たされ、かつ、コア径が６μｍ（直径）、クラッド径が１２５μｍ（直径）である通常の光ファイバ６、７が用いられているため、光ファイバ６端面における戻り光のずれ量がクラッドの半径である６２．５μｍより大きくなっている。

従って、ファイバ６のクラッドに戻り光が結合して、入射側光ファイバの入り口側にある光学系を損傷させることがない。

以下、本発明の実施例について具体的に説明する。

［実施例１］
ファラデー回転子を構成する磁性ガーネット単結晶は、液相エピタキシャル法で育成したもので、ファラデー回転角が４５度となるように研磨により厚みが調整されている。

また、楔形複屈折結晶板としては楔角が５．７度のＹＶＯ_４単結晶を用い、これにより、入射側の楔形複屈折結晶板で分離された常光と異常光の光軸がなす角度の２等分線で表される仮想光のサファイア単結晶板への入射角θa（図１Ａ参照）が６．０６度に調整されている。ＹＶＯ_４単結晶はＹＡＧレーザの波長（１．０６μｍ）の光に対し、常光の屈折率ｎ_ｏ＝１．９５７１と異常光の屈折率ｎ_ｅ＝２．１６５０を有する。このため、第１の楔形複屈折結晶板から第２の楔形複屈折結晶板へ進行するＹＡＧレーザ光の光軸は、常光が５．４７度程度傾き、異常光は６．６６度傾いている。

また、上記楔形複屈折結晶板で分離された常光と異常光のサファイア単結晶板入射後の光路と、サファイア単結晶板のｃ軸とのなす角度が０．７４度以内となる条件を確保するため、サファイア単結晶板のｃ面からのオフセット角θoff（図１Ａ参照）が、３．０５〜３．８５度の範囲内に調整されたサファイア単結晶板を用意した。

上記サファイア単結晶板は、サファイア単結晶板のｃ面が互いに平行になるように、接着剤を用いて磁性ガーネット結晶両面に貼り付けた後、小片に切り分け、サファイア単結晶板付きのファラデー回転子を作製した。

このように作製したファラデー回転子を、図４に示すように第１の楔形複屈折結晶板１と第２の楔形複屈折結晶板５の間に、サファイア単結晶板の光透過面が楔形複屈折結晶板の非傾斜光透過面と平行となるよう配置し、実施例１に係る偏波無依存型光アイソレータを製造した。

第１および第２の楔形複屈折結晶板１、５の傾斜面は、それぞれ磁性ガーネット単結晶３と対向する側ではなく反対側に位置しており、傾斜面同士が平行になるように第１および第２の楔形複屈折結晶板１、５を配置した。尚、図４には図示されていないが、磁性ガーネット単結晶３の外側（磁性ガーネット単結晶における非光透過面側）には、それぞれの結晶を保持するためのホルダ、および、磁性ガーネット単結晶を磁気的に飽和させるための磁石が配置されている。また、これ等各単結晶板の光透過面には、使用波長に対する反射防止膜が施されている。

そして、実施例１に係る偏波無依存型光アイソレータにＹＡＧレーザ光を入射し、特性を評価したところ、光路内のサファイア単結晶板における消光比の劣化を最低限に抑えられることから、５０ｄＢのアイソレーションを得ることができた。

また、この偏波無依存型光アイソレータにおいては、コア径が６μｍ（直径）、クラッド径が１２５μｍ（直径）である光ファイバ６、７を適用し、かつ、焦点距離が３ｍｍのレンズ８、９を適用しているが、光ファイバ６のクラッドに戻り光が結合することは無かった。但し、焦点距離が２ｍｍのレンズに代えた場合、光ファイバ６のクラッドに戻り光が結合し、入射側光ファイバの入り口側にある光学系を損傷させる危険性を有するものであった。

［実施例２］
上記楔形複屈折結晶板として楔角が７．０度のＹＶＯ_４単結晶を用い、入射側の楔形複屈折結晶板で分離された常光と異常光の光軸がなす角度の２等分線で表される仮想光のサファイア単結晶板への入射角θa（図１Ａ参照）が７．４６度に調整されている点と、楔形複屈折結晶板で分離された常光と異常光のサファイア単結晶板入射後の光路と、サファイア単結晶板のｃ軸とのなす角度が０．７４度以内となる条件を確保するため、サファイア単結晶板のｃ面からのオフセット角θoff（図１Ａ参照）が３．９２〜４．５７度の範囲内に調整されたサファイア単結晶板を用意した点を除き、実施例１と同様に機能する偏波無依存型光アイソレータを製造した。

そして、実施例２に係る偏波無依存型光アイソレータにＹＡＧレーザ光を入射し、特性を評価したところ、光路内のサファイア単結晶板における消光比の劣化を最低限に抑えられることから、５０ｄＢのアイソレーションを得ることができた。

また、この偏波無依存型光アイソレータにおいても、焦点距離が３ｍｍのレンズを適用した場合、光ファイバ６のクラッドに戻り光が結合することは無かった。但し、焦点距離が２ｍｍのレンズに代えた場合、光ファイバ６のクラッドに戻り光が結合し、入射側光ファイバの入り口側にある光学系を損傷させる危険性を有するものであった。

［実施例３］
上記楔形複屈折結晶板として楔角が８．０度のＹＶＯ_４単結晶を用い、入射側の楔形複屈折結晶板で分離された常光と異常光の光軸がなす角度の２等分線で表される仮想光のサファイア単結晶板への入射角θa（図１Ａ参照）が８．５３度に調整されている点と、楔形複屈折結晶板で分離された常光と異常光のサファイア単結晶板入射後の光路と、サファイア単結晶板のｃ軸とのなす角度が０．７４度以内となる条件を確保するため、サファイア単結晶板のｃ面からのオフセット角θoff（図１Ａ参照）が４．５９〜５．１２度の範囲内に調整されたサファイア単結晶板を用意した点を除き、実施例１と同様に機能する偏波無依存型光アイソレータを製造した。

そして、実施例３に係る偏波無依存型光アイソレータにＹＡＧレーザ光を入射し、特性を評価したところ、光路内のサファイア単結晶板における消光比の劣化を最低限に抑えられることから、５０ｄＢのアイソレーションを得ることができた。

［実施例４］
上記楔形複屈折結晶板として楔角が９．０度のＹＶＯ_４単結晶を用い、入射側の楔形複屈折結晶板で分離された常光と異常光の光軸がなす角度の２等分線で表される仮想光のサファイア単結晶板への入射角θa（図１Ａ参照）が９．６１度に調整されている点と、楔形複屈折結晶板で分離された常光と異常光のサファイア単結晶板入射後の光路と、サファイア単結晶板のｃ軸とのなす角度が０．７４度以内となる条件を確保するため、サファイア単結晶板のｃ面からのオフセット角θoff（図１Ａ参照）が５．２６〜５．６７度の範囲内に調整されたサファイア単結晶板を用意した点を除き、実施例１と同様に機能する偏波無依存型光アイソレータを製造した。

そして、実施例４に係る偏波無依存型光アイソレータにＹＡＧレーザ光を入射し、特性を評価したところ、光路内のサファイア単結晶板における消光比の劣化を最低限に抑えられることから、５０ｄＢのアイソレーションを得ることができた。

また、この偏波無依存型光アイソレータにおいては、焦点距離が３ｍｍのレンズを適用した場合、光ファイバ６のクラッドに戻り光が結合することは無かった。更に、焦点距離が２ｍｍのレンズに代えた場合にも、クラッドに戻り光が結合することは無かった。

［比較例１］
上記楔形複屈折結晶板として楔角が５．０度のＹＶＯ_４単結晶を用い、入射側の楔形複屈折結晶板で分離された常光と異常光の光軸がなす角度の２等分線で表される仮想光のサファイア単結晶板への入射角θa（図１Ａ参照）が５．３２度に調整されている点と、楔形複屈折結晶板で分離された常光と異常光のサファイア単結晶板入射後の光路と、サファイア単結晶板のｃ軸とのなす角度が０．７４度以内となる条件を確保するため、サファイア単結晶板のｃ面からのオフセット角θoff（図１Ａ参照）が２．５８〜３．４７度の範囲内に調整されたサファイア単結晶板を用意した点を除き、実施例１と同様に機能する偏波無依存型光アイソレータを製造した。

そして、比較例１に係る偏波無依存型光アイソレータにＹＡＧレーザ光を入射し、特性を評価したところ、光路内のサファイア単結晶板における消光比の劣化を最低限に抑えられることから、５０ｄＢのアイソレーションを得ることができた。

しかし、比較例１に係る偏波無依存型光アイソレータにおいては、焦点距離が３ｍｍのレンズを用いた場合と焦点距離が２ｍｍのレンズを用いた場合とも、光ファイバ６のクラッドに戻り光が結合し、入射側光ファイバの入り口側にある光学系を損傷させる危険性を有するものであった。

［比較例２］
上記楔形複屈折結晶板として楔角が１０．０度のＹＶＯ_４単結晶を用い、入射側の楔形複屈折結晶板で分離された常光と異常光の光軸がなす角度の２等分線で表される仮想光のサファイア単結晶板への入射角θa（図１Ａ参照）が１０．７０度に調整されている点と、楔形複屈折結晶板で分離された常光と異常光のサファイア単結晶板入射後の光路と、サファイア単結晶板のｃ軸とのなす角度が０．７４度以内となる条件を確保するため、サファイア単結晶板のｃ面からのオフセット角θoff（図１Ａ参照）が５．９３〜６．２２度の範囲内に調整されたサファイア単結晶板を用意した点を除き、実施例１と同様に機能する偏波無依存型光アイソレータを製造した。

そして、比較例２に係る偏波無依存型光アイソレータにＹＡＧレーザ光を入射し、特性を評価したところ、光路内のサファイア単結晶板における消光比の劣化を最低限に抑えられることから、５０ｄＢのアイソレーションを得ることができた。

しかし、比較例２に係る偏波無依存型光アイソレータにおいては、仮想光のサファイア単結晶板への入射角θa（図１Ａ参照）が１０．７０度と大き過ぎるため、楔形複屈折結晶板やファラデー回転子のサイズを大きくする必要が生じ不経済であった。

更に、楔形複屈折結晶板の楔角が１０．０度と大きいことに起因して常光と異常光のビームの分離距離が大きくなるため、ＰＤＬ（Polarization Dependent Loss：偏光依存損失）が大きくなる欠点が確認された。

本発明に係る偏波無依存型光アイソレータによれば、高出力の光が入射されても光アイソレーション機能の低下が少ないため、光通信やレーザ加工等における高出力レーザ用光アイソレータとして広範に利用される可能性を有している。

１第１の楔形複屈折結晶板
２第１のサファイア単結晶板
３磁性ガーネット単結晶（ファラデー回転子）
４第２のサファイア単結晶板
５第２の楔形複屈折結晶板
６光ファイバ
７光ファイバ
８レンズ
９レンズ

Claims

光路上に配置された一対の楔形複屈折結晶板と、これ等楔形複屈折結晶板間の光路上に配置されかつ磁性ガーネット単結晶により構成されたファラデー回転子と、上記ファラデー回転子を中央にして各楔形複屈折結晶板の外側光路上にそれぞれ配置されかつコリメータに使用するレンズとを備え、上記ファラデー回転子の各光透過面にサファイア単結晶板が接合された偏波無依存型光アイソレータにおいて、
一対の上記楔形複屈折結晶板がＹＶＯ_４単結晶によりそれぞれ構成され、
各サファイア単結晶板の光透過面が、隣に位置する楔形複屈折結晶板の非傾斜光透過面と平行で、かつ、サファイア単結晶板のｃ面からオフセットされるように形成されていると共に、
入射側の楔形複屈折結晶板で分離された常光と異常光の光軸がなす角度の２等分線で表される仮想光のサファイア単結晶板への入射角θaが、６．０６〜９．６１度、
上記サファイア単結晶板のｃ面からのオフセット角θoffが、３．０５〜５．６７度、
および、上記レンズの焦点距離をｆとしたとき、３ｍｍ≧ｆ≧１８．２／θa（ｍｍ）の各条件を満たすように設定されていることを特徴とする偏波無依存型光アイソレータ。