JPH04129106U - 微小レンズ光フアイバ端末付偏波無依存型光アイソレータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 偏波無依存型光アイソレータを、微小レンズ
を直接融着した光ファイバに接合することにより、光軸
調整を省略し、反射損失が少なく高い結合効率を実現す
る。 【構成】 単一モード光ファイバ、非ドープシリカファ
イバ光線拡大部分および非ドープシリカ球レンズから構
成される光学結合用光ファイバ端末を偏波無依存型光ア
イソレータに接続する。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、光増幅等に利用される光ファイバ端末付偏波無依存型光アイソレー タに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】

光通信伝送系において光の減衰を補うため光増幅が必要である。近年、従来の 光信号を増幅するために光電変換し、電気的増幅後再び電光変換を行う煩雑で雑 音が重畳され易い方式に変わって、半導体増幅や希土類ドープ光ファイバ増幅の ような光信号の光増幅技術が開発され、情報伝達媒体として光および光ファイバ 伝送の飛躍的な発展が期待されるようになってきた。

【０００３】 光増幅において重要な技術課題は、信号光の増幅率が大きいことは基本的な要 素であるが、雑音信号を同時に増幅してはならないという命題も包含される。し たがって光増幅中継毎に光アイソレータを装備し、反射戻り光を遮断することが 必須要素と考えられている。しかも信号光は光ファイバを伝播するため、偏波面 が無秩序に変動するので、偏波無依存型の光アイソレータが必要とされると同時 に、偏波無依存型光アイソレータが光ファイバ間に装着できるような、両端に光 ファイバ端末（ピッグテイル）が付属されることもまた必須要素になっている。

【０００４】 こうした市場要求に対して、これまでピッグテイル付偏波無依存型光アイソレ ータとして数種の構造が提案されている。図２，図３，図４はその一例を示す。 図２はクサビ型複屈折板１と両側のレンズ２の開口数ＮＡの性質を利用した方式 である。一般に両端に光ファイバ３を伴うピッグテイル型光アイソレータの場合 、図２に示すように光ファイバ３から出射された光は、球レンズ２もしくは屈折 率分布型レンズ等で平行光として光学デバイスへ入射させ、出射後に同様にして 光ファイバ３へ集光することにより光学結合を行っている。

【０００５】 このような光学結合系では光ファイバとレンズの光軸位置調整がサブミクロン の範囲で調整しなければならない問題があり、組立装置等に費用がかかるが、光 ファイバコリメータ製品や光ファイバ結合系を含む光学システムとしては図３， 図４に示す構造に対して、比較的単純な方式である。また図３の構造は複屈折平 行板４を採用し、図２の様な特殊加工は必要としないことおよびファラデー回転 子５の磁化の向きを逆方向に配置することから、ファラデー回転子固有の温度特 性を互いに補償できる等の利点があるが、部品点数が多く複雑な構造である。

【０００６】 図４の構成は前記の中間構造であるが、旋光板６の旋光物質に小形で高性能な 材料がなく、最も適当な水晶板を使用すると、1310nm帯で約11mm、1550nm帯で約 15mmの厚みが必要となる。図４において旋光物質の変わりに1/2波長板を使用す ることも可能であり、薄肉化しても機能するが、板厚の変化により楕円成分が発 生するために光軸に対する角度変動が厳しい欠点があった。また図３，４ともア イソレーション方式が光の平行移動を用いるため、光ファイバ間を伝播するガウ シアンビームの光束が十分に細くする必要がある。しかし60μm以下ではレンズ 間距離が大きくても５mm以下程度しかとれないため、光学系を構築することが課 題であった。

【０００７】 以上の光アイソレータ構成はそれぞれ得失があり、技術的，経済的な優劣判断 は難しい。しかしいずれの構成でも光ファイバへ結合する場合、光ファイバ端や レンズ表面からの反射減衰量が光アイソレータ特性以上に抑制されなければなら ない。好ましくは反射減衰量が−50dB以上であることが必要となる。最も一般的 でかつ確実な近端反射光抑制方式は図２〜４に示した形状で、光ファイバ３と屈 折率の等しい片端斜面ガラス７を屈折率整合樹脂等で接着した構造が提案されて おり、−60dB程度の高い反射減衰量は確保されている。

【０００８】 しかし構造が複雑になり、部品点数が増える等の欠点は避けられないし、片端 斜面ガラスを有機物質で接着しているために耐候性，耐熱性に欠点があった。す なわちピッグテイル付偏波無依存型光アイソレータでは、アイソレータの構造は もちろんのこと、ピッグテイル間の光学結合をいかに実施するかに対しても細心 の設計が要求されるが、現在は技術的に遜色なく量産性の優れた経済的な方式は 実現されていない。

【０００９】

【考案が解決しようとする課題】

以上のような従来の光学結合系の欠点を解決するため、近年微小ファイバコリ メータ光を形成する試みがなされている。Journal of Lightwave Technology Vo l. LT-5 No.9(1987)にはWilliam L.Emkey等による単一モード光ファイバ（以下 ＳＭＦという）に多モード屈折率分布光ファイバ（以下ＧＩＦ）を融着し、およ そ40μmの平行光線までの微小ファイバコリメータ光の結合を提案しており、約 ３mmの空間を0.1〜1.6dBの結合損失で光学結合が得られることを報告している。

【００１０】 しかしＳＭＦ＋ＧＩＦを用いる構造では、光束の拡大幅はＧＩＦのコア直径以 上には理論的に不可能であり、50〜62.5μmが最大限界でこれ以上に大きくとれ ず、３mm以上の距離では大幅な結合損失劣化を生じるため光学結合距離の自由度 がなく、また製造工程においてＧＩＦの屈折率分布状態や波長ピッチの調整を個 々に測定しながら製作しなければならず、価格的に高価となり量産には不適当で ある。

【００１１】 これに対して特開昭61-264304号公報にはKevin J. WarbrickがＳＭＦ＋非ドー プシリカファイバレンズ光学系を提案している。しかしこの場合もレンズ部分の 曲率を、回折損失の理由からレンズ半径を62.5μmに制限しているため、得られ る光束は約60μm程度であり、構造的にシリカ光ファイバ直径の高々80％程度が 限界であり、偏波無依存型光アイソレータを挿入するレンズ間結合には狭すぎる 。すなわち60μm程度の光束では逆に細すぎてガウシァンビームを結合するのに 適さない。したがって60〜200μmの光線をいかに実現するかが実際上の課題とな る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】

本考案は、実質的にはＳＭＦ＋非ドープシリカファイバ光線拡大部分＋非ドー プシリカ球レンズから構成される光学結合用光ファイバ端末を偏波無依存型光ア イソレータに接続する方式を提案するものである。具体的な構造は、第一の光フ ァイバとコア部分の屈折率が等価で、同一外径の第二の光ファイバを接合するこ とからなる。

【００１３】 第二の光ファイバは、先端にその外径よりも大きな直径を有する球レンズが形 成されており、球レンズ部分を透過する段階で光束を少なくとも光ファイバ直径 の半分である62.5μm以上、好ましくは球レンズ間の間隔が、少なくとも５mmに おいて−1dB以下の結合損失にするために80μm以上に拡大されねばならない。ま た球レンズ曲面部から平行光束もしくは用途に応じた出射角度をもつ光に変換す るため、および反射減衰量を最小限に抑制させる目的から、球レンズ部分の曲率 半径は少なくとも200μmであることが必須要件となる。

【００１４】

【実施例】

図１(a)は本考案のピッグテイル付き偏波無依存型光アイソレータの構造図で ある。先端の非ドープシリカファイバレンズ導入部は本考案者らによってすでに 特願平2-416547で提案したように、ＳＭＦ光ファイバ本線８，先端部保護用フェ ルール９，光導入部と光集束用球レンズ部からなる光ファイバ10および偏波無依 存型光アイソレータ本体11から構成する。図１(b)はピッグテイルの光出射端を 拡大し光線の透過状態を示す。光アイソレータを無視して光線状態を追跡すると 、ＳＭＦを出射した光のビームウェィスト点までの距離をｚとすれば、波長λに おけるSiO₂の屈折率をｎとして、光ファイバレンズ導入部および球レンズ部分を 伝播することによるガウシアンビームの広がり度合いは数１で示される。

【数１】

【００１５】 ＳＭＦと融着位置から球レンズ出射端までの長さＬを制御することから光ファ イバ直径もしくは球レンズ部分の広がりも考慮すれば、それ以上の出射光束にま で拡大でき、結果としてビームウェィスト距離を大きくしても僅かな結合損失で 光学結合が達成できるようになる。図１(b)においてＳＭＦからビームウェィス トまでの光の光線行列から推定でき、数２の関係式から導かれる。

【数２】

【００１６】 またガウシアンビームの光線式から数３となり、ビームウェィストまでの距離 ｚが算出できる。

【数３】 ただし、ａ＝λ／πｎｗ₀ ²である。さらに、数２，数３およびガウシアンビーム の光線式から、

【数４】 が導入できる。

【００１７】 たとえば、Ｒ＝265μmを想定し前記の理論式から算出すると、２Ｗz＝92μm， ２ｚ＝5.2mm、さらにＲ＝340μmを代入すれば２Ｗz＝118μm，２ｚ＝9.0mmとな り、偏波無依存型光アイソレータを挿入する間隙がとれる。ＳＭＦ：コア径10μ m／外径125μm、シリカレンズ部分Ｌ＝890μm、Ｒ＝273μmのピッグテイルを二 本作成し、６mmの間隔をとって結合効率を測定したところ以下の数値が得られ、 十分な性能が確認でき、従来のピッグテイル型で必要と考えられていた、片端斜 面ガラスをＳＭＦに接合することなく使用できることは明らかである。 挿入損失＝0.3dB ビーム径＝100μm 反射減衰量＝−56dB

【００１８】 次にこのピッグテイルを光ファイバ端に採用し、偏波無依存型光アイソレータ の一例として図３の方式のアイソレータを製作した。第一の複屈折板の形状は２ mm平方で厚みは1.5mm、第二の複屈折板は厚み2.2mm、ファラデ回転子は２mm平方 で、厚さ200μmのBi置換希土類鉄ガーネットフィルムを用いた。逆方向からの光 線は常光，異常光に分離し、光線軸上から約220μmずれるため入射側ピッグテイ ルには結合せず、逆挿入損失が−45dBであった。またピッグテイル部分の結合損 失も含めた挿入損失は−1.2dB、入射側ピッグテイルの反射減衰量は−55dBが得 られた。

【００１９】 以上の実施例から本考案のピッグテイル結合系が偏波無依存型光アイソレータ として許容水準以上の性能を示すことが確認できた。また前述の式から入射側球 レンズ曲率面で反射され、ＳＭＦへ回帰する光は球レンズ部のＬが大きいほどガ ウスビームの広がりが得られ、ＳＭＦのコア部に取り込まれる光、すなわち反射 減衰量は少なくなる。実際にＲ＝200μmの球レンズ付ピッグテイルの反射減衰量 を測定したところ−45dBであり、Ｒ＝273μmの場合の反射減衰量−55dB（単独の 場合−56dB）より性能が劣ることも確認された。

【００２０】

【考案の効果】

本考案は、ＳＭＦと同一外径の光導入部で融着し、反対側端部の球レンズで出 射光を集束する一体構造からなり、接着方式の従来の結合系とは信頼性の面で優 れているほか、光線通路に平行界面がないので反射減衰量がほとんどない。また 一体構造であるから光ファイバ・レンズ間の光軸調整が必要なく、偏波無依存型 光アイソレータの光学結合系として量産性，価格的経済性に優れた構造を有する ことが判明し、光増幅等に低価格なインライン光アイソレータを供給することが 可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案のピッグテイル付偏波無依存型光アイソ
レータの概略図。

【図２】従来のピッグテイル付偏波無依存型光アイソレ
ータの概略図。

【図３】従来のピッグテイル付偏波無依存型光アイソレ
ータの概略図。

【図４】従来のピッグテイル付偏波無依存型光アイソレ
ータの概略図。

【符号の説明】

１ クサビ型複屈折板 ２ 球レンズ ３ 光ファイバ ４ 複屈折平行板 ５ ファラデー回転子 ６ 旋光板 ７ 片端斜面ガラス ８ ＳＭＦ光ファイバ本線 ９ 先端部保護用フェルール 10 光導入部と光集束用球レンズ部からなる光ファイバ 11 偏波無依存型光アイソレータ

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 偏波無依存型光アイソレータの光入出射
   端において、第一の光ファイバと、この光ファイバのコ
   ア部と屈折率がほぼ等価で単一屈折率をなし第一の光フ
   ァイバと同一外径をなす光導入部と光集束用球レンズ部
   からなる第二の光ファイバが、第一の光ファイバとその
   光導入側で融着された構造であり、第二の光ファイバの
   長さが第一の光ファイバから伝播したガウス分布光の光
   束が出射端で少なくとも80μm以上に拡大する長さであ
   り、かつ球レンズ部レンズ曲率半径が200μm以上である
   融着一体型微小レンズ付光ファイバ端末を有することを
   特徴とした偏波無依存型光アイソレータ。