JPH0322962B2 - - Google Patents
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- JPH0322962B2 JPH0322962B2 JP59040174A JP4017484A JPH0322962B2 JP H0322962 B2 JPH0322962 B2 JP H0322962B2 JP 59040174 A JP59040174 A JP 59040174A JP 4017484 A JP4017484 A JP 4017484A JP H0322962 B2 JPH0322962 B2 JP H0322962B2
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/24—Coupling light guides
- G02B6/26—Optical coupling means
- G02B6/27—Optical coupling means with polarisation selective and adjusting means
- G02B6/2746—Optical coupling means with polarisation selective and adjusting means comprising non-reciprocal devices, e.g. isolators, FRM, circulators, quasi-isolators
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/24—Coupling light guides
- G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
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- G02B6/4204—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details the coupling comprising intermediate optical elements, e.g. lenses, holograms
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- G02B6/4208—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details the coupling comprising intermediate optical elements, e.g. lenses, holograms with optical elements reducing the sensitivity to optical feedback using non-reciprocal elements or birefringent plates, i.e. quasi-isolators
- G02B6/4209—Optical features
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- Physics & Mathematics (AREA)
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- Optics & Photonics (AREA)
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Description
【発明の詳細な説明】
(ア) 技術分野
この発明は光フアイバ型アイソレータに関す
る。
る。
光通信システムには光源として、発光ダイオー
ドレーザダイオード等が用いられる。小型で、直
接変調できるという利点があるからである。
ドレーザダイオード等が用いられる。小型で、直
接変調できるという利点があるからである。
レーザダイオードを用いたものは、特に、長距
離大容量の伝送に適している。レーザダイオード
は、しかも、戻り光があると、発振条件が変化
し、動作が不安定になる、という欠点がある。
離大容量の伝送に適している。レーザダイオード
は、しかも、戻り光があると、発振条件が変化
し、動作が不安定になる、という欠点がある。
そこで、半導体レーザ(レーザダイオード)を
光源を用いる光通信システムに於ては戻り光をカ
ツトするため光アイソレータを用いる。
光源を用いる光通信システムに於ては戻り光をカ
ツトするため光アイソレータを用いる。
光アイソレータは、フアラデー回転子を偏光子
と検光子とで挾んだものである。フアラデー回転
子は入射してきた光の偏波面を45゜回転するもの
である。偏光子の偏光方向と、検光子の偏光方向
は45゜ずれている。光アイソレータを順方向に通
過する光は、偏光子を通り定まつた偏波面を持つ
直線偏光となり、フアラデー回転子によつて45゜
偏波面が回転するが、検光子の偏光方向と合致す
るから、これを通過する。逆方向に入つた光は逆
方向に偏波面が回転し偏光子の偏光方向と直角を
なすようになるから、偏光子を通り抜ける事がで
きない。
と検光子とで挾んだものである。フアラデー回転
子は入射してきた光の偏波面を45゜回転するもの
である。偏光子の偏光方向と、検光子の偏光方向
は45゜ずれている。光アイソレータを順方向に通
過する光は、偏光子を通り定まつた偏波面を持つ
直線偏光となり、フアラデー回転子によつて45゜
偏波面が回転するが、検光子の偏光方向と合致す
るから、これを通過する。逆方向に入つた光は逆
方向に偏波面が回転し偏光子の偏光方向と直角を
なすようになるから、偏光子を通り抜ける事がで
きない。
(イ) フアラデー回転子
フアラデー回転角は、回転子の長さと、この長
さに沿つて与えられる磁場Hの大きたに比例す
る。比例定数はベルデ定数と呼ばれる。
さに沿つて与えられる磁場Hの大きたに比例す
る。比例定数はベルデ定数と呼ばれる。
ベルデ定数の大きい物質で、光に対し透明なも
のをフアラデー回転子に選ばなければならない。
フアラデー効果のある物質を磁気光学材料と呼ぶ
もある。この材料として、最もよく知られている
ものはYIG(イツトリウム、鉄、ガーネツト)で
ある。
のをフアラデー回転子に選ばなければならない。
フアラデー効果のある物質を磁気光学材料と呼ぶ
もある。この材料として、最もよく知られている
ものはYIG(イツトリウム、鉄、ガーネツト)で
ある。
ベルデ定数は、物質固有の値であるが、透過す
る光の波長によつて変化する。
る光の波長によつて変化する。
短波長(0.8μm以下)の光に対しては、HOYA
ガラスFR−5が、大きいベルデ定数を持つ事が
知られている。この常磁性ガラスを用いた光アイ
ソレータも実用化されている。
ガラスFR−5が、大きいベルデ定数を持つ事が
知られている。この常磁性ガラスを用いた光アイ
ソレータも実用化されている。
ところが、FR−5ガラスはベルデ定数が、光
の波長のほぼ2乗に反比例(正確には2.4乗)し
て変化する。このため長波長(1.3〜1.5μm)の光
に対してはベルデ定数が小さくなりすぎて、光ア
イソレータとして使えない。
の波長のほぼ2乗に反比例(正確には2.4乗)し
て変化する。このため長波長(1.3〜1.5μm)の光
に対してはベルデ定数が小さくなりすぎて、光ア
イソレータとして使えない。
光フアイバの伝送損失や、安定な半導体レーザ
(Inp系)が存在するという事から、長波長帯の光
を用いた光通信システムは特に有望である。従つ
て、この波長域で有効な光アイソレータが要求さ
れる。
(Inp系)が存在するという事から、長波長帯の光
を用いた光通信システムは特に有望である。従つ
て、この波長域で有効な光アイソレータが要求さ
れる。
(ウ) YIG光アイソレータ
現在のところ、長波長帯用の光アイソレータと
して実際に製作されているものは、YIGを用いた
ものだけである。YIG単結晶を成長させ、これを
切断した単結晶を使う事もある。厚膜単結晶を用
いる事もある。
して実際に製作されているものは、YIGを用いた
ものだけである。YIG単結晶を成長させ、これを
切断した単結晶を使う事もある。厚膜単結晶を用
いる事もある。
第1図は公知のYIGフアラデー回転素子の斜視
図である。薄い基板50の上に、Gd−YIGフイ
ルム51を液相エピタキシヤル成長させたもので
ある。光軸52がGd−YIGフイルム51を面平
行に貫くようにし、光軸52に平行な磁界Hを印
加する。入射光の偏波面53が、出射側では45゜
回転した偏波面54となつている。
図である。薄い基板50の上に、Gd−YIGフイ
ルム51を液相エピタキシヤル成長させたもので
ある。光軸52がGd−YIGフイルム51を面平
行に貫くようにし、光軸52に平行な磁界Hを印
加する。入射光の偏波面53が、出射側では45゜
回転した偏波面54となつている。
第2図はこのYIGフアラデー回転素子を使つた
光アイソレータの拡大断面図である。
光アイソレータの拡大断面図である。
Gd−YIGフイルム51を囲むように、円筒形
のひとつの永久磁石は複数の磁化方向が平行な永
久磁石55が配置される。永久磁石55の両端面
に接するように強磁性体のヨーク56,56が設
けてある。ヨーク56,56の端面の中央には、
屈折率分布型レンズ57,57が嵌込んである。
レンズ57,57とYIGフイルム51は同一直線
上にあるようにする。
のひとつの永久磁石は複数の磁化方向が平行な永
久磁石55が配置される。永久磁石55の両端面
に接するように強磁性体のヨーク56,56が設
けてある。ヨーク56,56の端面の中央には、
屈折率分布型レンズ57,57が嵌込んである。
レンズ57,57とYIGフイルム51は同一直線
上にあるようにする。
これらの部材はハウジング58の中に固定され
る。屈折率分布型レンズ57,57の端面には偏
光子59、検光子60が貼り付けてある。
る。屈折率分布型レンズ57,57の端面には偏
光子59、検光子60が貼り付けてある。
YIGは、波長1μm付近から長波長側で透明であ
り、フアラデー回転係数も大きい。45゜回転に要
する長さは、飽和磁化において、2〜3mm(λ=
1.2〜1.3μm)程度である。
り、フアラデー回転係数も大きい。45゜回転に要
する長さは、飽和磁化において、2〜3mm(λ=
1.2〜1.3μm)程度である。
第1図、第2図に示すものは、T.Aoyama,
T.Hibara,andY.Ohta,Light,Waveguide
Tech.LT−1,280(1973)に於て提案されたも
のである。
T.Hibara,andY.Ohta,Light,Waveguide
Tech.LT−1,280(1973)に於て提案されたも
のである。
YIGのフアラデー回転素子としての特性は満足
できるとしても、この光アイソレータにはふたつ
の難点がある。
できるとしても、この光アイソレータにはふたつ
の難点がある。
YIGフイルム51はバルク動作するので、これ
に光を通すためには、どうしてもレンズが必要で
ある。また、偏光子、検光子が大きい寸法の素子
であつて、シングルモード光フアイバと軸合わせ
するのが難しい。たとえ光軸が合致したとして
も、光は屈折率の異なる多くの媒質の中を通つて
ゆくから、反射による損失が極めて大きい。
に光を通すためには、どうしてもレンズが必要で
ある。また、偏光子、検光子が大きい寸法の素子
であつて、シングルモード光フアイバと軸合わせ
するのが難しい。たとえ光軸が合致したとして
も、光は屈折率の異なる多くの媒質の中を通つて
ゆくから、反射による損失が極めて大きい。
シングルモードフイアバは、コア径が5μm程度
で極めて狭いから、シングルモードフアイバの端
面へ光を入射させるのは難しい。
で極めて狭いから、シングルモードフアイバの端
面へ光を入射させるのは難しい。
(エ) 問題の所在
光通信に於て、半題体レーザを光源とする時
に、戻り光を遮断するために光アイソレータが要
求されている。光は、光フアイバの中を伝搬す
る。光源が半導体レーザであれば、シングルモー
ド光フアイバを用いる事が多い。
に、戻り光を遮断するために光アイソレータが要
求されている。光は、光フアイバの中を伝搬す
る。光源が半導体レーザであれば、シングルモー
ド光フアイバを用いる事が多い。
光フアイバと光アイソレータが分離しており、
空間が介在する場合、光は異なる屈折率の媒質間
で強く反射されるから、反射損失が大きくなる。
光アイソレータの挿入損失は小さい方が望まし
い。YIGの屈折率は2.2で、光フアイバの屈折率
も約1.5である。光を空気中(屈折率は1)に出
すと、軸合わせが難しいだけでなく、損失が大き
い。
空間が介在する場合、光は異なる屈折率の媒質間
で強く反射されるから、反射損失が大きくなる。
光アイソレータの挿入損失は小さい方が望まし
い。YIGの屈折率は2.2で、光フアイバの屈折率
も約1.5である。光を空気中(屈折率は1)に出
すと、軸合わせが難しいだけでなく、損失が大き
い。
結局、光フアイバに使うアイソレータは単なる
光アイソレータよりも光フアイバアイソレータが
望ましい。
光アイソレータよりも光フアイバアイソレータが
望ましい。
光フアイバアイソレータというのは、光フアイ
バの一部に作られた光アイソレータという事であ
る。光フアイバと光アイソレータの間に空気が介
在せず、互に接合されているものを意味する。
バの一部に作られた光アイソレータという事であ
る。光フアイバと光アイソレータの間に空気が介
在せず、互に接合されているものを意味する。
このためには、フアラデー回転素子をフアイバ
の寸法にしなければならないという事だけでな
く、偏光子、検光子もフアイバの寸法で作らなけ
ればならない。
の寸法にしなければならないという事だけでな
く、偏光子、検光子もフアイバの寸法で作らなけ
ればならない。
(オ) 偏光子、検光子
偏光子、検光子は、多様な偏波面を有する光
を、一定方向に偏波面を有する直線偏光に変える
素子である。偏光プリズム、偏光板などが使われ
ている。いずれも寸法の大きい素子で、光フアイ
バの一部に製作する、という事はできない。
を、一定方向に偏波面を有する直線偏光に変える
素子である。偏光プリズム、偏光板などが使われ
ている。いずれも寸法の大きい素子で、光フアイ
バの一部に製作する、という事はできない。
新しい原理に基づく偏光子が必要である。
本発明者は、既に、全く新しい原理による、誘
電体金属多層膜偏光子を発明した(特願昭58−
206801、昭和58年11月1日出願)。
電体金属多層膜偏光子を発明した(特願昭58−
206801、昭和58年11月1日出願)。
第3図に斜視図を示す。
誘電体金属多層膜偏光子3は、薄い誘電体膜4
と、より薄い金属膜5を交互に多数積層したもの
である。
と、より薄い金属膜5を交互に多数積層したもの
である。
第3図に於て、光の進行方向をZ軸とし、これ
に垂直な方向を、X,Y軸とする。誘電体膜4、
金属膜5はXZ面に平行であるとする。
に垂直な方向を、X,Y軸とする。誘電体膜4、
金属膜5はXZ面に平行であるとする。
金属膜5は数十〜数百オングストロームの厚さ
で、誘電体膜4は、数千オングストロームで、光
の波長の程度である。
で、誘電体膜4は、数千オングストロームで、光
の波長の程度である。
Z軸方向に進み、誘電体金属多層膜偏光子3に
入射する光は、X軸方向に電界Exを持つものと、
Y軸方向の電界Eyを持つものの一次結合と考え
る事ができる。
入射する光は、X軸方向に電界Exを持つものと、
Y軸方向の電界Eyを持つものの一次結合と考え
る事ができる。
X軸方向に電界を持つ光は、電界と金属膜5が
平行になるので、金属膜内に電流を生ずる。これ
がジユール熱を発生しエネルギー損失を招くか
ら、X軸方向の電界Exは急激に減衰する。つま
り、X軸方向に電界を持つ光は、この誘電体金属
多層膜で著しく減衰し、これを殆ど透過する事が
できない。
平行になるので、金属膜内に電流を生ずる。これ
がジユール熱を発生しエネルギー損失を招くか
ら、X軸方向の電界Exは急激に減衰する。つま
り、X軸方向に電界を持つ光は、この誘電体金属
多層膜で著しく減衰し、これを殆ど透過する事が
できない。
X軸方向に電界Eyを持つ光は、電界Eyと金属
膜5の面とが垂直になる。界面に於て、電束密度
が連続であるから、界面に分極電荷が生じて、金
属内部のY方向の電界が0になる。このため、金
属膜内には電流が流れず、ジユール熱も生じな
い。Y軸方向に電界Eyをもつ光は減衰しにくい。
膜5の面とが垂直になる。界面に於て、電束密度
が連続であるから、界面に分極電荷が生じて、金
属内部のY方向の電界が0になる。このため、金
属膜内には電流が流れず、ジユール熱も生じな
い。Y軸方向に電界Eyをもつ光は減衰しにくい。
結局、誘電体金属多層膜は、膜面に直角な電界
を有する光だけを通すことになる。これは従つて
偏光子なのである。X軸方向の電界の減衰は極め
て速いから、誘電体金属多層膜のZ方向の厚みT
は極めて小さいものでよい。Y軸方向に電界を有
する光はTMモード、X軸方向に電界を有する光
はTEモードに対応するから、この偏光子は、
TMモードを通すが、TEモードを通さないとい
う事ができる。
を有する光だけを通すことになる。これは従つて
偏光子なのである。X軸方向の電界の減衰は極め
て速いから、誘電体金属多層膜のZ方向の厚みT
は極めて小さいものでよい。Y軸方向に電界を有
する光はTMモード、X軸方向に電界を有する光
はTEモードに対応するから、この偏光子は、
TMモードを通すが、TEモードを通さないとい
う事ができる。
誘電体膜が薄いと、TM、TEともに減衰が大
きいが、その減衰比も大きい。誘電体膜が厚くて
2〜3μmになると、減衰比は少なくなるが、減衰
定数自体が低くなつてくる。
きいが、その減衰比も大きい。誘電体膜が厚くて
2〜3μmになると、減衰比は少なくなるが、減衰
定数自体が低くなつてくる。
金属膜の厚みは、50〜150オングストロームで
良い。金属膜の厚みを増やすと、TM波の減衰が
増えてゆく。
良い。金属膜の厚みを増やすと、TM波の減衰が
増えてゆく。
金属膜はアルミニウム又は銀の蒸着により、誘
電体は石英のスパツタリングにより膜形成でき
る。
電体は石英のスパツタリングにより膜形成でき
る。
(カ) ビスマス置換YIG
YIG(イツトリウム鉄ガーネツト)のYをBiで
置換した物質のベルデ定数の大きい事が発見され
た。H.Takeuchi,K.Shinagawa,andS.
Taniguchi JJAP12,465(1973)は、第4図に示
すようなビスマス置換YIGのフアラデー回転係数
の測定値を与えた。
置換した物質のベルデ定数の大きい事が発見され
た。H.Takeuchi,K.Shinagawa,andS.
Taniguchi JJAP12,465(1973)は、第4図に示
すようなビスマス置換YIGのフアラデー回転係数
の測定値を与えた。
分子式はY3-xBixFe5O12で表わされる。Biの置
換量xがパラメータとなつている。横軸は光の波
長(μm)である。縦軸はフアラデー回転係数
(104deg/cm)である。これは、飽和磁束が得ら
れるような磁界を与えた時の回転係数で、ベルデ
定数そのものではない。
換量xがパラメータとなつている。横軸は光の波
長(μm)である。縦軸はフアラデー回転係数
(104deg/cm)である。これは、飽和磁束が得ら
れるような磁界を与えた時の回転係数で、ベルデ
定数そのものではない。
YをBiで置換すると、フアラデー回転の符号
が変わり、置換量xを増やすと、フアラデー回転
が増大する。この回転角の増大は、0.6μm以下の
短波長域に於て特に著しい。0.6〜0.8μmに於て
も、ビスマス置換量xを増やすと、フアラデー回
転係数は増加する。しかし、長波長域、例えば
1.3μmでの測定値は示されていない。このグラフ
の傾向から、長波長域でフアラデー回転は少ない
ものと推測される。
が変わり、置換量xを増やすと、フアラデー回転
が増大する。この回転角の増大は、0.6μm以下の
短波長域に於て特に著しい。0.6〜0.8μmに於て
も、ビスマス置換量xを増やすと、フアラデー回
転係数は増加する。しかし、長波長域、例えば
1.3μmでの測定値は示されていない。このグラフ
の傾向から、長波長域でフアラデー回転は少ない
ものと推測される。
希土類鉄ガーネツトは、希土類元素により、
Biによつて置換えられる最大量が異なる。希土
類元素をBiによつて置換できる最大量が大きい
のは、ガドリニウム鉄ガーネツトである。
Biによつて置換えられる最大量が異なる。希土
類元素をBiによつて置換できる最大量が大きい
のは、ガドリニウム鉄ガーネツトである。
H.Takeuchi,S.Ito,I.Mikami,and S.
Taniguchi,J.Appl Phys.44,4789(1973)は、
ガドリニウム鉄ガーネツトの、3つのガドリニウ
ム原子の内、ひとつをビスマスで置換えた
Gd2Bi1Fe5O12を作り、これのフアラデー回転係
数、吸収係数を測定した。第5図はその結果を示
すグラフである。
Taniguchi,J.Appl Phys.44,4789(1973)は、
ガドリニウム鉄ガーネツトの、3つのガドリニウ
ム原子の内、ひとつをビスマスで置換えた
Gd2Bi1Fe5O12を作り、これのフアラデー回転係
数、吸収係数を測定した。第5図はその結果を示
すグラフである。
横軸は光の波長(μm)、縦軸はフアラデー回転
係数(103deg/cm)、及び吸収係数(cm-1)であ
る。実線はGd2Bi1Fe5O12で破線は比較のための
YIGのデータである。
係数(103deg/cm)、及び吸収係数(cm-1)であ
る。実線はGd2Bi1Fe5O12で破線は比較のための
YIGのデータである。
吸収係数はビスマス置換ガドリニウム鉄ガーネ
ツトもYIGも殆ど変りがない。1.1μm以上の波長
の光に対し吸収が0である。
ツトもYIGも殆ど変りがない。1.1μm以上の波長
の光に対し吸収が0である。
一方、フアラデー回転係数の方は、YIGに比較
して、ビスマス置換ガドリニウム鉄ガーネツトの
方が約一桁大きくなる。フアラデー回転係数は光
の波長が増えるとともに減少する。ところが光の
波長が短かくなると、吸収係数が増えてくる。
して、ビスマス置換ガドリニウム鉄ガーネツトの
方が約一桁大きくなる。フアラデー回転係数は光
の波長が増えるとともに減少する。ところが光の
波長が短かくなると、吸収係数が増えてくる。
光アイソレータのフアラデー回転素子として使
うのであるから、フアラデー回転係数が大きいと
いう事だけでなく吸収係数の小さい、という事も
必要である。
うのであるから、フアラデー回転係数が大きいと
いう事だけでなく吸収係数の小さい、という事も
必要である。
そこでフアラデー回転係数で除した性能指数と
いうものを考える。単位はdeg/dBである。第6
図はGd2Bi1Fe5O12とYIGの性能指数を波長依存
性を示すグラフである。いずれも、0.8μm程度の
ひとつの極大を持つ。これは、吸収係数の極小が
0.8μmの付近にあるからである。
いうものを考える。単位はdeg/dBである。第6
図はGd2Bi1Fe5O12とYIGの性能指数を波長依存
性を示すグラフである。いずれも、0.8μm程度の
ひとつの極大を持つ。これは、吸収係数の極小が
0.8μmの付近にあるからである。
性能指数は、1.0μm以上で急激に増加する。こ
れは吸収がほぼ0に近くなる事に原因がある。
れは吸収がほぼ0に近くなる事に原因がある。
重要な事は、ビスマス置換ガドリニウム鉄ガー
ネツトが、1.1〜1.3μmの光のアイソレータ材料と
してYIGより10倍以上優れている、という事であ
る。波長が1.3μmの光に対して、フアラデー回転
係数は2.0×103deg/cmで、吸収係数は0.05cm-1、
性能指数は4000deg/dBである。
ネツトが、1.1〜1.3μmの光のアイソレータ材料と
してYIGより10倍以上優れている、という事であ
る。波長が1.3μmの光に対して、フアラデー回転
係数は2.0×103deg/cmで、吸収係数は0.05cm-1、
性能指数は4000deg/dBである。
そうすると、45゜のフアラデー回転を得るのに
必要な長さは、225μmである。さらにBiの置換
量を増加させるとフアラデー回転係数が増加する
事が玉城、対馬、第7回日本応用磁気学会学術講
演要集1983年11月、によつて報告されている。一
例としてGd1.85Bi1.15Fe5O12ではフアラデー回転
係数は波長1.3μmで約2300deg/cmである。この
場合、45゜のフアラデー回転を得るのに必要な長
さは196μmになる。
必要な長さは、225μmである。さらにBiの置換
量を増加させるとフアラデー回転係数が増加する
事が玉城、対馬、第7回日本応用磁気学会学術講
演要集1983年11月、によつて報告されている。一
例としてGd1.85Bi1.15Fe5O12ではフアラデー回転
係数は波長1.3μmで約2300deg/cmである。この
場合、45゜のフアラデー回転を得るのに必要な長
さは196μmになる。
光フアイバアイソレータを作る場合、レンズを
用いず、光フアイバの間に直接、フアラデー回転
素子を付ける必要がある。レンブを用いないの
で、シングルモードフアイバのようにコア径が小
さいものであると、特に損失が大きくなる。しか
し、これは光フアイバの間隔Dが小さければ少な
くなる。コア、クラツドの屈折率差は僅かである
から、シングルモードフアイバの開口角は小さ
い。
用いず、光フアイバの間に直接、フアラデー回転
素子を付ける必要がある。レンブを用いないの
で、シングルモードフアイバのようにコア径が小
さいものであると、特に損失が大きくなる。しか
し、これは光フアイバの間隔Dが小さければ少な
くなる。コア、クラツドの屈折率差は僅かである
から、シングルモードフアイバの開口角は小さ
い。
第7図のように、2本の光フアイバ1,1を対
向させ、屈折率nの接続媒質2で接続したとす
る。光フアイバの端面間距離Dによつて、回折に
よる光パワーの損失がどのように変化するかを計
算し、第8図にグラフにして示した。横軸は光フ
アイバ端面距離D(μm)で、縦軸は回折による損
失(dB)である。入出力光フアイバはいずれも、
コア径が9.1μm、コア、クラツドの屈折率差をコ
ア屈折率で割つた値Δは0.24%で、光の波長は
1.3μmである。フアイバコアの屈折率を1.46とす
ると、規格化周波数Vは2.2である。2.4より小さ
いので、シングルモードフアイバである。
向させ、屈折率nの接続媒質2で接続したとす
る。光フアイバの端面間距離Dによつて、回折に
よる光パワーの損失がどのように変化するかを計
算し、第8図にグラフにして示した。横軸は光フ
アイバ端面距離D(μm)で、縦軸は回折による損
失(dB)である。入出力光フアイバはいずれも、
コア径が9.1μm、コア、クラツドの屈折率差をコ
ア屈折率で割つた値Δは0.24%で、光の波長は
1.3μmである。フアイバコアの屈折率を1.46とす
ると、規格化周波数Vは2.2である。2.4より小さ
いので、シングルモードフアイバである。
パラメータは接続媒質2の屈折率nであり、n
=1、1.46、2.2の場合を示している。Gd3-xBix
Fe5O12のλ=1.3に対する屈折率は、YIGの値2.2
と等しいとして、n=2.2のグラフから間隔Dが
225μmの場合の回折損失が1.95dBとなる。意外
に小さい値である。これは、屈折率nが2.2と大
きい値である事による。
=1、1.46、2.2の場合を示している。Gd3-xBix
Fe5O12のλ=1.3に対する屈折率は、YIGの値2.2
と等しいとして、n=2.2のグラフから間隔Dが
225μmの場合の回折損失が1.95dBとなる。意外
に小さい値である。これは、屈折率nが2.2と大
きい値である事による。
フレネル反射損失は、表面、裏面での反射があ
るので、0.36dBと評価できる。
るので、0.36dBと評価できる。
すると、前記のビスマス置換ガドリニウム鉄ガ
ーネツトフアラデー回転素子(225μm)を光フア
イバ中に挿入した事による全損失は、約2dB程度
という事になる。
ーネツトフアラデー回転素子(225μm)を光フア
イバ中に挿入した事による全損失は、約2dB程度
という事になる。
全損失をもつと小さくしたい場合には、フアラ
デー回転素子に反射防止膜をつければフレネル反
射による損失分を低下させる事が可能である。さ
らに、第13図の様に反射防止加工したフアラデ
ー回転素子をその合計の厚さがフアラデー回転角
45゜とする様に複数個に分割して設ければ回折に
よる損失分も小さくできる。。これは回折損失が
間隔Dに対して非線形的に増加する事による。
デー回転素子に反射防止膜をつければフレネル反
射による損失分を低下させる事が可能である。さ
らに、第13図の様に反射防止加工したフアラデ
ー回転素子をその合計の厚さがフアラデー回転角
45゜とする様に複数個に分割して設ければ回折に
よる損失分も小さくできる。。これは回折損失が
間隔Dに対して非線形的に増加する事による。
(キ) Gd3-xBixFe5O12の製作
ビスマス置換ガドリニウム鉄ガーネツトは、こ
こでは、フラツクス法で作られている。Gd2O3、
Bi2O3及びFe2O3を混合し、1300℃で5時間、白
金るつぼ中で溶融する。この後、1000℃まで2.7
℃/hの割合で冷却して作製した。
こでは、フラツクス法で作られている。Gd2O3、
Bi2O3及びFe2O3を混合し、1300℃で5時間、白
金るつぼ中で溶融する。この後、1000℃まで2.7
℃/hの割合で冷却して作製した。
格子定数は12.572Å、室温での飽和磁化は
9.25emu/gである。
9.25emu/gである。
(ク) 光アイソレータ素子としての提案
ビスマス置換ガドリニウム鉄ガーネツトは、非
常に作り難い物質で、ビスマスの置換量を上げる
と強磁性化するという予想はあつたが、ビスマス
量の多いものは作れなかつた。
常に作り難い物質で、ビスマスの置換量を上げる
と強磁性化するという予想はあつたが、ビスマス
量の多いものは作れなかつた。
この物質を光アイソレータのフアラデー回転素
子として使おうという提案は既になされている。
子として使おうという提案は既になされている。
NHK放送科学基礎研究所の物性研究グループ
により(日刊工業新聞、昭和58年10月31日)その
提案がなされている。これによると、これまで述
べたガドリニウム元素の1/3をビスマスで置換す
るものによりさらに一歩前進して、ガドリニウム
の40%をビスマス置換したビスマス置換ガドリニ
ウム鉄ガーネツトが作製されたとある。
により(日刊工業新聞、昭和58年10月31日)その
提案がなされている。これによると、これまで述
べたガドリニウム元素の1/3をビスマスで置換す
るものによりさらに一歩前進して、ガドリニウム
の40%をビスマス置換したビスマス置換ガドリニ
ウム鉄ガーネツトが作製されたとある。
1.15μmの波長の光に対し、フアラデー回転係
数は3200deg/cmであつたと報告されている。45゜
の回転角を得るのに必要な長さは140μmである。
数は3200deg/cmであつたと報告されている。45゜
の回転角を得るのに必要な長さは140μmである。
これによつて作られた光アイソレータは5mm×
5mm×5mmであり、挿入損失はdB以下であつた、
と報告されている。
5mm×5mmであり、挿入損失はdB以下であつた、
と報告されている。
この報告には、偏光子、検光子についての言及
がない。又、その寸法と、挿入損失の小さい事か
ら考えて、この光アイソレータは、レンズを結合
用に使用しているものと推察される。又、偏光子
などは従来通りの偏光板を用いたものであろう。
がない。又、その寸法と、挿入損失の小さい事か
ら考えて、この光アイソレータは、レンズを結合
用に使用しているものと推察される。又、偏光子
などは従来通りの偏光板を用いたものであろう。
従来の偏光板に反射防止加工をし、さらに光ア
イソレータとしては単にレーザービームを用いた
バルク動作を行なつているものと考えられる。
イソレータとしては単にレーザービームを用いた
バルク動作を行なつているものと考えられる。
(ケ) 発明の構成
本発明の光フアイバ型アイソレータは、第9図
に略斜視図を示すように、 (1) ビスマス置換ガドリニウム鉄ガーネツトの薄
いフアラデー回転素子2を、ひとつ或は複数個
2つの光フアイバ1,1の端面間に挾んで接着
或はフアイバに作成した溝に挿入し、 (2) それぞれの光フアイバあるいはその端面に、
互にほぼ45゜傾いた誘電体金属多層膜偏光子3,
3を形成し、 (3) フアラデー回転素子2を囲むように設けら
れ、フアラデー回転角が45゜になるような磁場
を与える磁場印加機構を設けている。
に略斜視図を示すように、 (1) ビスマス置換ガドリニウム鉄ガーネツトの薄
いフアラデー回転素子2を、ひとつ或は複数個
2つの光フアイバ1,1の端面間に挾んで接着
或はフアイバに作成した溝に挿入し、 (2) それぞれの光フアイバあるいはその端面に、
互にほぼ45゜傾いた誘電体金属多層膜偏光子3,
3を形成し、 (3) フアラデー回転素子2を囲むように設けら
れ、フアラデー回転角が45゜になるような磁場
を与える磁場印加機構を設けている。
第9図では磁場印加機構の図示を略している
が、これは永久磁石とヨークによつて構成でき
る。
が、これは永久磁石とヨークによつて構成でき
る。
第9図に於て、2本の光フアイバ1,1がフア
ラデー回転素子2に於て突合わせられている。フ
アラデー回転素子2の厚みは既に説明したよう
に、100〜250μmである。
ラデー回転素子2に於て突合わせられている。フ
アラデー回転素子2の厚みは既に説明したよう
に、100〜250μmである。
誘電体金属多層膜3は光フアイバ1の途中に作
る事ができる。この場合、光フアイバのAの部分
とBの部分は、もともと連続した1本のフアイバ
である。
る事ができる。この場合、光フアイバのAの部分
とBの部分は、もともと連続した1本のフアイバ
である。
そうではなくて、誘電体金属多層膜3を別個の
材料で作り、これを薄片として、光フアイバの端
面間に貼りつける事もできる。この場合、光フア
イバのAとBの部分はもともと別個のものであ
る。
材料で作り、これを薄片として、光フアイバの端
面間に貼りつける事もできる。この場合、光フア
イバのAとBの部分はもともと別個のものであ
る。
フアラデー回転素子2、誘電体金属多層膜偏光
子3を光フアイバ1の途中に形成した後、フアイ
バの周面に合わせて研磨すれば第9図に示すよう
な形状になる。
子3を光フアイバ1の途中に形成した後、フアイ
バの周面に合わせて研磨すれば第9図に示すよう
な形状になる。
第9図に示したフアイバのBの部分の長さを零
にした構造(第14図)にすることも可能であ
る。
にした構造(第14図)にすることも可能であ
る。
(コ) 光フアイバ型アイソレータの製作
まず、第10図に示すようコア8とクラツド9
よりなる光フアイバ1の側方から、コア8に至る
まで、溝10を切りこむ。溝10は弓形に切込む
が、側面11は平坦でなければならない。溝の側
面12,12も平坦であるのが望ましい。
よりなる光フアイバ1の側方から、コア8に至る
まで、溝10を切りこむ。溝10は弓形に切込む
が、側面11は平坦でなければならない。溝の側
面12,12も平坦であるのが望ましい。
溝10の側面11、側面12を平坦にするた
め、イオンミリング、スパツタエツチング、リア
クテイブオンエツチングなど方向性を有するエツ
チング法が適している。
め、イオンミリング、スパツタエツチング、リア
クテイブオンエツチングなど方向性を有するエツ
チング法が適している。
又、鋭利な刃物により、機械的に溝10を切欠
く事もできる。
く事もできる。
こうした弓形の溝10ができると、側面11に
平行になるよう、側面11へ、誘電体膜4と金属
膜5を交互に形成してゆく。
平行になるよう、側面11へ、誘電体膜4と金属
膜5を交互に形成してゆく。
例えば、溶融石英をスパツタリングによつて、
溝10の中へ厚さが4000〜5000Åとなるように層
形成する。この上に、Alを蒸着により、厚さが
50〜200Å程度になるようにつけてゆく。これを
繰返して、平行な誘電体膜、金属膜を多数形成す
る。多層膜の形成は少なくともコア8を覆うだけ
は繰返さなければならない。コアを含む多層膜の
形成が終ると、残りは全て誘電体膜としても良
い。
溝10の中へ厚さが4000〜5000Åとなるように層
形成する。この上に、Alを蒸着により、厚さが
50〜200Å程度になるようにつけてゆく。これを
繰返して、平行な誘電体膜、金属膜を多数形成す
る。多層膜の形成は少なくともコア8を覆うだけ
は繰返さなければならない。コアを含む多層膜の
形成が終ると、残りは全て誘電体膜としても良
い。
又薄片とした金属誘電体交互多層膜からなる偏
検光子を光フアイバに作成した弓形の溝中あるは
完全に切断したフアイバ間に挿入することもでき
る。
検光子を光フアイバに作成した弓形の溝中あるは
完全に切断したフアイバ間に挿入することもでき
る。
溝10の幅は数μm〜数十μmで良い。
第11図は光フアイバの途中に誘電体金属多層
膜偏光子を作製した場合の拡大斜視図である。
膜偏光子を作製した場合の拡大斜視図である。
第9図に示すものは光フアイバ型アイソレータ
の概念図で、実際には、これに被覆を施して、補
強する。
の概念図で、実際には、これに被覆を施して、補
強する。
又ビスマス置換ガドリニウム鉄ガーネツトは単
結晶であるから、機械的に強くないし、成形も難
しいので、前記の手順で作成した光フアイバの溝
へ薄片のまま挿入するか或いは角形の薄片のまま
光フアイバ端面に接着し、接着剤14で周囲を囲
むようにしても良い。
結晶であるから、機械的に強くないし、成形も難
しいので、前記の手順で作成した光フアイバの溝
へ薄片のまま挿入するか或いは角形の薄片のまま
光フアイバ端面に接着し、接着剤14で周囲を囲
むようにしても良い。
第12図は、永久磁石を磁場印加機構とした光
フアイバ型アイソレータの一例を示す。永久磁石
15の磁場は強磁性体のヨーク16によつて導か
れ、フアラデー回転素子2に於て、軸方向の磁界
となる。
フアイバ型アイソレータの一例を示す。永久磁石
15の磁場は強磁性体のヨーク16によつて導か
れ、フアラデー回転素子2に於て、軸方向の磁界
となる。
さらにフアラデー回転素子2は、第13図に示
すように、複数個設けるようにしても良い。フア
ラデー回転角の合計がほぼ45゜になるようにする。
こうすれば回折損失がより少なくなる。
すように、複数個設けるようにしても良い。フア
ラデー回転角の合計がほぼ45゜になるようにする。
こうすれば回折損失がより少なくなる。
第14図は偏光子とフアラデー回転子がフアイ
バB部を除去した形で接続され、フアイバ間に挾
まれたより簡単化した構造である。
バB部を除去した形で接続され、フアイバ間に挾
まれたより簡単化した構造である。
(サ) 効果
本発明は、光フアイバの中へ直接にアイソレー
タを作つたものであるから、次の効果と奏する。
タを作つたものであるから、次の効果と奏する。
(1) 大型で重い偏検光子、フアラデー回転素子、
或いはレンズを必要としない。小型で軽量であ
る。
或いはレンズを必要としない。小型で軽量であ
る。
(2) 軸合わせなど困難な作業を繰返す必要がな
い。
い。
(3) フアイバの中を伝搬する光は空気中へ出ない
のでフレネル反射損失を著しく低減できる。
のでフレネル反射損失を著しく低減できる。
(4) 波長が0.8〜1.6μmの光に対して有効に使える
アイソレータを与える。
アイソレータを与える。
(5) 取扱いが容易である。
(シ) 用途
この発明は、半導体レーサを光源とする光通信
システム、光フアイバジヤイロなどの光計測機
器、その他の応用機器に用いる事ができる。
システム、光フアイバジヤイロなどの光計測機
器、その他の応用機器に用いる事ができる。
第1図はGd−YIGフイルムを使つたフアラデ
ー回転素子の斜視図。第2図はGd−YIGフイル
ムをフアラデー回転素子とした公知の光アイソレ
ータの断面図。第3図は本発明者が発明した誘電
体金属多層膜偏光子の斜視図。第4図はYIGのY
をビスマスで置換したものの、ビスマス置換量x
をパラメータとする、波長に対するフアラデー回
転係数の測定値のグラフ。第5図はビスマス置換
ガドリニウム鉄ガーネツトGd2Bi1Fe5O12とYIG
の、光の波長(μm)に対する吸収係数(cm-1)
と、フアラデー回転係数(103deg/cm)とを示す
グラフ。実線がビスマス置換ガドリニウム鉄ガー
ネツト、破線がYIGのデータである。 第6図はビスマス置換ガドリニウム鉄ガーネツ
トとYIGの、光の波長(μm)に対する性能指数
を示すグラフである。性能指数の単位は(deg/
dB)である。第7図は2本の光フアイバを距離
Dを置いて対向させ屈折率nの接続媒質2で結合
した状態を略示する断面図。コア、クラツドの区
別はしていない。第8図は第7図に示す光フアイ
バ間における回折損失を計算し、距離Dの函数と
して示すグラフ。パラメータは接続媒質の屈折率
である。光の波長は1.3μm、コア径9.1μm、コア、
クラツド屈折率差の割合Δ=0.0024、規格化周波
数V=2.2のシングルモードフアイバである。 第9図は本発明の光フアイバ型アイソレータの
略斜視図。第10図は光フアイバに弓形の溝に形
成したものを示す斜視図。第11は弓形の溝の中
へ誘電体金属多層膜を形成したものの斜視図。第
12図は磁石を設けたフアラデー回転素子に磁界
を印加するようにした光フアイバ型アイソレータ
の断面図。第13図はフアラデー回転素子を2つ
設けた光フアイバ型アイソレータの実施例を示す
斜視図。第14図は偏光子とフアラデー回転子が
一体となつてフアイバー間に挿入された光フアイ
バ型アイソレータの実施例を示す斜視図。 1……光フアイバ、2……フアラデー回転素
子、3……誘電体金属多層膜偏光子、4……誘電
体膜、5……金属膜、8……コア、9……クラツ
ド、10……溝、11……溝の側面、12……溝
のもう一方の側面、14……接着剤、15……永
久磁石、16……ヨーク、17……通し穴。
ー回転素子の斜視図。第2図はGd−YIGフイル
ムをフアラデー回転素子とした公知の光アイソレ
ータの断面図。第3図は本発明者が発明した誘電
体金属多層膜偏光子の斜視図。第4図はYIGのY
をビスマスで置換したものの、ビスマス置換量x
をパラメータとする、波長に対するフアラデー回
転係数の測定値のグラフ。第5図はビスマス置換
ガドリニウム鉄ガーネツトGd2Bi1Fe5O12とYIG
の、光の波長(μm)に対する吸収係数(cm-1)
と、フアラデー回転係数(103deg/cm)とを示す
グラフ。実線がビスマス置換ガドリニウム鉄ガー
ネツト、破線がYIGのデータである。 第6図はビスマス置換ガドリニウム鉄ガーネツ
トとYIGの、光の波長(μm)に対する性能指数
を示すグラフである。性能指数の単位は(deg/
dB)である。第7図は2本の光フアイバを距離
Dを置いて対向させ屈折率nの接続媒質2で結合
した状態を略示する断面図。コア、クラツドの区
別はしていない。第8図は第7図に示す光フアイ
バ間における回折損失を計算し、距離Dの函数と
して示すグラフ。パラメータは接続媒質の屈折率
である。光の波長は1.3μm、コア径9.1μm、コア、
クラツド屈折率差の割合Δ=0.0024、規格化周波
数V=2.2のシングルモードフアイバである。 第9図は本発明の光フアイバ型アイソレータの
略斜視図。第10図は光フアイバに弓形の溝に形
成したものを示す斜視図。第11は弓形の溝の中
へ誘電体金属多層膜を形成したものの斜視図。第
12図は磁石を設けたフアラデー回転素子に磁界
を印加するようにした光フアイバ型アイソレータ
の断面図。第13図はフアラデー回転素子を2つ
設けた光フアイバ型アイソレータの実施例を示す
斜視図。第14図は偏光子とフアラデー回転子が
一体となつてフアイバー間に挿入された光フアイ
バ型アイソレータの実施例を示す斜視図。 1……光フアイバ、2……フアラデー回転素
子、3……誘電体金属多層膜偏光子、4……誘電
体膜、5……金属膜、8……コア、9……クラツ
ド、10……溝、11……溝の側面、12……溝
のもう一方の側面、14……接着剤、15……永
久磁石、16……ヨーク、17……通し穴。
Claims (1)
- 1 コア8とこれを囲むクラツド9とよりなる2
本の光フアイバ1,1と、この光フアイバ1,1
の端面間に挿入される1個ないしは複数のフアラ
デー回転素子2と、それぞれの光フアイバ1,1
の側面からコア8に至るまで切りこまれた溝10
の中に誘電体膜4と金属膜5を交互に積層して形
成してあるか、又は別個に誘電体膜4と金属膜5
を交互に積層したものを光フアイバ1,1の任意
の端面に接着してある誘電体金属多層膜偏光子3
と前記フアラデー回転素子2に軸線方向の磁場を
与えてフアラデー回転素子2を通る光の偏波面を
回転させる磁場印加機構とより構成される事を特
徴とする光フアイバ型アイソレータ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP59040174A JPS60184225A (ja) | 1984-03-01 | 1984-03-01 | 光フアイバ型アイソレ−タ |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP59040174A JPS60184225A (ja) | 1984-03-01 | 1984-03-01 | 光フアイバ型アイソレ−タ |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS60184225A JPS60184225A (ja) | 1985-09-19 |
JPH0322962B2 true JPH0322962B2 (ja) | 1991-03-28 |
Family
ID=12573404
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP59040174A Granted JPS60184225A (ja) | 1984-03-01 | 1984-03-01 | 光フアイバ型アイソレ−タ |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS60184225A (ja) |
Families Citing this family (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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JPH02123321A (ja) * | 1988-11-02 | 1990-05-10 | Shojiro Kawakami | 光アイソレータの製造方法および同製造方法に用いられる偏光素子アレイ並びに同製造方法で得られた光アイソレータを一体化した光学モジュール |
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FR2640437B1 (fr) * | 1988-12-09 | 1994-06-24 | Cit Alcatel | Tete optique a isolateur integre pour le couplage d'un laser semi-conducteur a une fibre |
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CA2177207A1 (en) * | 1995-06-27 | 1996-12-28 | Julian Stone | Optical fiber having polarizer with reduced optical loss |
WO2000017698A1 (en) * | 1998-09-18 | 2000-03-30 | Minnesota Mining And Manufacturing Company | Optical isolator |
US6421176B1 (en) | 1998-09-18 | 2002-07-16 | 3M Innovative Properties Company | Optical isolator |
US6535655B1 (en) * | 2000-01-18 | 2003-03-18 | Corning Incorporated | Fiberoptic polarizer and method of making the same |
JP3979138B2 (ja) * | 2001-12-20 | 2007-09-19 | 住友電気工業株式会社 | 光アイソレータおよび偏光子 |
-
1984
- 1984-03-01 JP JP59040174A patent/JPS60184225A/ja active Granted
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPS60184225A (ja) | 1985-09-19 |
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