JPH0792325A - 偏光選択素子、光源モジュ−ル及び光ファイバジャイロ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 伝搬する光から特定の偏光成分を取り出す偏
光選択素子、これを用いた光源モジュール、さらに光源
モジュールを用いた光ファイバジャイロに関する。 【構成】 光学軸が面法線と約４５度の角度をなすよう
に切り出された複屈折性結晶に、光を入れると異常光線
と常光線に分離する。複屈折性結晶の前後にファイバ１
４を取り付け、ファイバ１４の面に平行な位置を調整
し、いずれかの光線のみがもう一方のファイバ１４に入
るようにする。あるいは光源１から出た光を複屈折性素
子１３により異常光線と常光線に分離し、いずれかの偏
波面の光のみをファイバ１４に入射する。これにより光
源モジュ−ルが得られる。この光源モジュ−ルを光ファ
イバジャイロの光源に利用すると偏波面を揃えるための
偏光子が不要になる。さらに、発光素子１１とレンズ１
２、発光素子１１と複屈折性結晶の間にピンホ−ルを入
れて光の広がりを制限すると一層良い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、伝搬する光から特定
の偏光成分を取り出す偏光選択素子、これを用いた光源
モジュ−ル、さらに光源モジュ−ルを用いた光ファイバ
ジャイロに関する。

【０００２】

【従来の技術】ここで偏光選択素子というのは、多様な
偏光成分を有する光の中から特定の方向に偏光した直線
偏光を取り出す素子である。特に本願発明の目的は、光
ファイバに結合する光の偏光を一定方向に揃えるための
素子を与え、これを利用した光源モジュ−ル、光ファイ
バジャイロなどを提供することである。伝搬光から特定
の偏光成分のみを選択する素子として偏光子がある。こ
れらは、いずれも特定の直線偏光のみを通過させ、他の
偏光成分を遮断することにより伝搬光の偏光を特定の直
線偏光にする。

【０００３】偏光子としては、偏光板、偏光プリズム、
ファイバ型偏光子、金属誘電体多層膜偏光子などがあ
る。後２者は光ファイバジャイロなどの素子に適するも
のである。ファイバ型偏光子は、偏波面保存光ファイバ
（複屈折ファイバ）をボビンに数タ−ン巻き付けたもの
である。曲げると元々の複屈折の主軸方向で損失が異な
る。いずれかの偏波面の光が減衰し他の偏波面の光のみ
がこれを通過する。このように曲げ損失の偏波面依存性
を利用した偏光子である。金属誘電体多層膜というの
は、薄い金属膜と誘電体膜を交互に積層したものであ
る。積層面に直角に偏波面を持つ光は減衰が少なく、積
層面に平行な偏波面を持つ光は減衰が大きい。前者の光
のみが透過するのでこれが偏光子として機能するのであ
る。

【０００４】偏光子を利用する計測器として光ファイバ
ジャイロが知られている。光ファイバジャイロは角速度
測定を行う装置である。シングルモ−ドファイバのコイ
ルに同一の光を分岐して右廻り光左廻り光として伝搬さ
せる。これらの光の位相差がコイルの回転速度に比例す
る。右廻り光左廻り光を干渉させると、干渉光の強度が
位相差の関数として変化する。そこで干渉光強度を求め
て角速度測定をなす。二つの光を干渉させるのであるか
ら両方の光の偏波面が同一でなければならない。偏波面
を揃えるために偏光子が用いられる。偏波面が回転する
と、干渉光の強度が揺らぐので、ファイバ中で偏波面回
転が起こらないようにしなければならない。そこで全て
のファイバを、偏波面保存光ファイバで構成するものも
ある。しかし偏波面保存光ファイバは高価であるので、
シングルモ−ドファイバを用いるものもある。いずれに
しても右廻り光左廻り光の偏波面を揃えるために偏光子
が光路の途中に挿入される。

【０００５】図１によって従来例に係る光ファイバジャ
イロを説明する。光源１からは単色光あるいは準単色光
が出る。図示していないが、光源は発光素子の他にモニ
タ用の受光素子を持っている。光源から出た光がカップ
ラ２を通り、ファイバ型偏光子３を通過した後、第２の
カップラ４を通り二つの光に分離する。二つの光は、フ
ァイバコイル５の両端に入る。ファイバコイル５はシン
グルモ−ドファイバである。ファイバコイルの５の一端
の近くには位相変調器６がある。

【０００６】それぞれの端部に入った光は、ファイバコ
イルの中を右廻り光左廻り光として伝搬する。他方の端
部から出る光はカップラ４で一つの光に戻る。これがフ
ァイバ型偏光子３を通り同一偏波面の光になる。右廻り
光左廻り光はカップラ２を通り受光素子９に入る。受光
素子９で両方の光が干渉する。干渉光の強度を受光素子
９が検出する。ファイバコイルが静止していると右廻り
光左廻り光に位相差がない。しかしファイバコイルが回
転していると右廻り光左廻り光の間に位相差が発生す
る。位相差により干渉光の強度が低下する。干渉光強度
から回転速度を求めることができる。

【０００７】このように発光素子（光源）１と受光素子
９、ファイバコイル５などは必須であった。また偏波面
を揃えるために偏光子３が要る。右廻り光左廻り光の光
路長を揃えるためには二つのカップラが必要である。位
相変調を加える場合は位相変調器も必要となる。

【０００８】ところがシングルモ−ドファイバをコイル
に用いたものは、偏波面を維持する機能がないので、コ
イルを伝搬する光の偏波面が回転する。ファイバ製造時
に発生したファイバ自身の非対称性や、ファイバの曲
げ、外部応力により複屈折性が生ずる。ために光の偏波
面が偶然的に回転するのである。偏波面回転が起こる
と、光路長も異なる。ためにファイバコイルが静止した
ままであっても、右廻り光左廻り光の間に位相差が発生
する。これは零点のふらつきであり、ドリフトという。

【０００９】ドリフトの原因には偏波面回転以外にもあ
るが、ここでは偏波面を問題にする。従来は、図１に示
すように二つのカップラの間の光路に偏光子を入れるよ
うにしていた。偏光子により、コイルへの入射光の偏波
面を一定方向に定めるように、又ファイバコイルを右廻
り光左廻り光として伝搬した出射光の偏波面をも一定方
向に揃えるようにする。偏光子は往復する光の偏波面を
揃えることにより偏波面回転の影響を除去しようとす
る。

【００１０】図１の光ファイバジャイロは一般的な位相
変調の光ファイバジャイロを示す。図１は必須の構成を
示すので、Minimum Configuration という。受光素子は
必須構成要素である。光路の途中で偏波面が回転すると
出力が変動するのでこれを防ぐために、デポラライザ
７、デポラライザ８を入れることもある。

【００１１】しかし本発明者は受光素子９を省いた図２
のような光ファイバジャイロを発明した。特願平４−２
６０６６２号、特願平５−０５７７５６号に開示され
る。これらは受光素子を除去し、光源１そのものの電
流、電圧または光源に付随しているモニタ用受光素子に
より信号光強度を測定するものである。信号光はファイ
バコイルを右廻り左廻りに廻り光源に戻ってくる。この
戻り光を利用して信号を検出する。右廻り光左廻り光が
光源で干渉する。干渉光により光源が変調される。戻り
光により変調を受けるために、特別な光源を用いる。こ
の光源は、戻り光により発光状態が変化するので、光源
自体の駆動電圧、電流、あるいはモニタ用の受光素子の
光電流から、戻り光（干渉光）の強度が分かる。

【００１２】受光素子を省くと、受光素子と発光素子を
つないでいた第１のカップラ２が不要になる。カップラ
は高価であり光ファイバジャイロの価格を押し上げてい
た。これをひとつ省くことの利益は大きい。つまり本発
明者は、Minimumu Configurationよりもさらに部品点数
の少ない光ファイバジャイロを初めて創案したのであ
る。

【００１３】図２において、光源１から出た光は偏光子
３で直線偏光になり、カップラ４で二つの光に分離す
る。これがファイバコイル５の中を右廻り光左廻り光と
して伝搬する。ファイバコイル５の一端には位相変調器
６があり伝搬光に位相変調を与えている。右廻り光左廻
り光はカップラ４で合一し、偏光子３で偏波面を揃え
る。この光が光源１自身に戻る。光源は戻り光の影響に
より発光状態の変化しやすい素子であるから、駆動電
流、駆動電圧、あるいはモニタ用の受光素子の光電流が
変化する。これにより干渉光の強度が分かる。

【００１４】このような光ファイバジャイロは従来のも
のと全く異なるので、光源から信号を取り出す光ファイ
バジャイロと呼んでいる。このような光ファイバジャイ
ロでも偏波面を揃えるために偏光子３を光路中に挿入す
る。また偏波面回転によるドリフトを避けるためにデポ
ラライザ７、８を入れることもある。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】このような光源から信
号を取り出す光ファイバジャイロに於いても、偏光子を
設ける必要がある。右廻り光左廻り光の偏波面を同一に
するためである。図１の従来例にかかる光ファイバジャ
イロでは、二つのカップラの中間のファイバ光路に挿入
しなければならなかった。ファイバの中間に挿入すると
いうことで偏光子の種類が限定される。ファイバ型偏光
子か、金属誘電体層を積層した積層型偏光子などを用い
る必要があった。これらはいずれも製造が難しいため、
高価な部品であった。これらの偏光子の使用のために光
ファイバジャイロの製造コストが押し上げられるという
欠点があった。

【００１６】ファイバ型偏光子は偏波面保存光ファイバ
をボビンに巻き付けて作る。偏波面保存光ファイバ（Ｐ
Ｍ）は通常のシングルモ−ドファイバ（ＳＭ）よりも加
工数が多くて極めて高価である。数十倍の価格である。
またファイバの曲げ損失により一方の偏波面の光を減衰
させるので、その性能がファイバ自身の性質に依存す
る。またファイバ製造時のロット間のばらつきの影響を
受け易いという難点もある。金属誘電体の積層型偏光子
は、金属誘電体多層膜の形成、薄膜化のためのスライ
ス、研磨など多くの製造プロセスを必要とする。このた
め製造コストが高くなるという欠点がある。

【００１７】図２に示す受光素子を省いた光ファイバジ
ャイロにおいても偏光子のようなものが必要である。従
来の光ファイバジャイロに使用されるファイバ偏光子や
積層型偏光子を使うことができる。しかしさらに進ん
で、受光素子を省いた光ファイバジャイロはさらに製造
容易で低コストの偏光子を用いることができるようにな
る。その構造的な特徴を生かしてより簡便な偏光子を提
供することが本発明の第１の目的である。あわせてより
安定した動作のより安価な光ファイバジャイロを提供す
ることが本発明の第２の目的である。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明では、光源とファ
イバ端の間に複屈折性を有する材料を置き、光源から出
た光を複屈折性材料により異常光線と常光線に分離し、
常光線または異常光線のみをファイバ端に入射する。

【００１９】ここで複屈折性というのは単に偏波面が９
０度異なる二つの直線偏光の屈折率が異なるということ
だけではなく、二つの光線の光路が異なることを云う。
光学軸に沿う偏波面を持つ光を常光線、異常光線という
が、これらの光が位相的に分離するだけでなく、空間的
に光路が分離するのである。異常光線、常光線の光路が
変わるので空間的に二つの光を分離できる。何れかの光
のみがファイバコアに入るようにする。他の光は複屈折
性材料で遮断されるのではなくこれを透過するがファイ
バコアには入らない。異常光線、常光線のいずれも定ま
った直線偏光の光である。これの何れかのみをファイバ
に入射するのであるから、これ以後の光はある定まった
直線偏光を持つ。

【００２０】つまり、ファイバの直前に置いた複屈折性
材料は実質的に偏光子として機能する。通常の偏光子
は、何れかの偏光を有する直線偏光を全く通さないので
あるが、ここで用いる複屈折性素子は何れの偏光の直線
偏光も透過するが、ファイバコアに入らないようにする
ことにより偏光子として作用するのである。従来の偏光
子と少し定義が異なるのでここでは偏光選択素子と呼ぶ
ことにする。

【００２１】

【作用】本発明の偏光選択素子は、複屈折性材料を適当
な方向に切断し、適当な方向から光を入射することによ
り、異常光線、常光線の光路を異ならせたものである。
複屈折性というのは一軸性結晶、二軸性結晶等対称性の
低い結晶に現れる光学的異方性である。一軸性結晶の場
合は、３本の直交する光学主軸異方軸があり、この内異
方軸（単に光学軸ということもある）に平行な偏波面を
持つ光を異常光線、異方軸に直角な偏波面を持つ光を常
光線という。異方軸をＺ軸とすると、Ｚ方向に偏波面を
持つ光が異常光線であり、ＸＹ平面内に偏波面を持つ光
が常光線である。光の進行方向をベクトルＫで表す。こ
れは波数ベクトルで大きさは２π／Λであるが、ここで
は大きさは問題にしない。‖は平行を表現する記号であ
るとする。

【００２２】光をＺ軸方向に入射させる（Ｋ‖Ｚ）と、
全てが常光線になるので、屈折率の異常は起こらない。
光をＹ軸方向に進行させ（Ｋ‖Ｙ）、結晶に入ると、Ｘ
偏波と、Ｚ偏波の光に分かれる。あるいは、光をＸＹ面
内に進行させる。つまり波数ベクトルＫと異方軸Ｚが直
交する。いずれの場合でも同じである。これらは屈折率
つまり位相速度が異なるので位相が異なってしまう。し
かしこれは単に位相の分離であり空間的な光路の分離は
起こらない。これは複屈折性結晶を用いた光の外部変調
などの場合に用いられる幾何学的配置である。またデポ
ラライザにおいて二つの複屈折性物質を接合するがこの
場合も、同様の配置である。

【００２３】本発明の場合はそうではなくて、位相の分
離とともにビ−ムの分離をも行う。図３、図４に本発明
で用いる複屈折性素子の配置を示す。一軸性結晶を用い
ており、光学軸（異方軸）を矢印で示す。結晶面に垂直
に光が入射するが、結晶面と光学軸とは４５度の角度を
なすようになっている。この結晶に入射した光は、光学
軸の方向に偏波面成分を有するものと、光学軸の方向に
は偏波面成分を持たないものに分離する。光学軸に偏波
面成分を持つものは異常光線である。光学軸方向に偏波
面を持たないものは常光線である。この場合位相速度は
勿論異なる。それだけではなく、光路自体が異なる。常
光線についてはスネルの法則が成立し、結晶面に垂直に
光が入射するので、常光線は直進する。ところが異常光
線についてはスネルの法則が成立しない。

【００２４】より厳密に説明する。図３（２）の配置
で、先述の座標系（異方軸をＺ軸とした）に引き直して
みると、光の進行方向Ｋは（２^-1，２^-1，２^-1/2）の単
位ベクトルで表現される。これはＸ軸、Ｙ軸に関して等
分布であるという仮定をしている。Ｘ、Ｙ成分の配分に
ついては任意性があるが屈折率が等しいのでどう決めて
も同じである。

【００２５】常光線の偏波面Ｏ_P の単位ベクトルは、
（２^-1/2，−２^-1/2，０）である。これはＺ軸成分がな
いということと、光の進行方向Ｋベクトルと直交すると
いう条件によって決まる。異常光線の偏波面Ｅ_P の単位
ベクトルは（−２^-1，−２^-1，２^-1/2）である。これは
ＫとＯ_P に直交することから決まる。纏めて書くと、

【００２６】 常光線の偏波面Ｏ_P （２^-1/2，−２^-1/2，０） （１） 進行方向Ｋ （２^-1，２^-1，２^-1/2） （２） 異常光線の偏波面Ｅ_P （−２^-1，−２^-1，２^-1/2） （３）

【００２７】結晶中での異常光線の屈折率をｎ_e 、常光
線の屈折率をｎ_o とする。Ｚ軸が異方軸である。偏波単
位ベクトルを（ｓ，ｔ，ｕ）とすると、屈折率Ｎは

【００２８】 Ｎ＝ｎ_o ｓ² ＋ｎ_o ｔ² ＋ｎ_e ｕ² （４）

【００２９】である。常光線は結晶に直角入射すると、
そのまま直角に入る。偏波面Ｏ_p にＺ軸成分（異方軸）
がないからである。

【００３０】ところが異常光線は偏波面Ｅ_P にＺ軸成分
があるので、結晶に直角に当たっても、直角に入らな
い。境界面で少しＺ軸方向に曲がる。光の進行方向Ｋは
Ｚ軸と４５度（π／４）の角度をなしていた。これがΘ
だけ曲がると、Ｚ軸と（π／４＋Θ）の角度をなすよう
になる。すると（２）が少し変わる。これにともない、
異常光線の偏波面ベクトルＥ_P も変わる。Θが小さいの
で、線形近似して、異常光線の偏波面Ｅ_P （−２^-1−２
^-1Θ，−２^-1−２^-1Θ，２^-1/2−２^-1/2Θ）となる。こ
の偏波面の光に対する屈折率Ｎは、（４）から、

【００３１】 Ｎ＝ｎ₀ （２^-1＋２^-1Θ）² ＋ｎ₀ （２^-1＋２^-1Θ）² ＋ｎ_e （２^-1/2−２^-1/2 Θ）² ＝２^-1（ｎ_e ＋ｎ_o ）＋（ｎ_o −ｎ_e ）Θ＝ｎ_m ＋ΘΔｎ （５）

【００３２】となる。ｎ_m は二つの屈折率の算術平均で
ある。Δｎは差である。

【００３３】図３、図４に複屈折性の関係を図示してい
る。異常光線についてスネルの法則が成り立たない。し
かしより一般的な光学法則であるフェルマ−の原理は成
立する。これは任意の２点間を繋ぐ光線は最小の光路を
取るという原理である。屈折率を経路によって積分した
ものが光路であるがこれが最小であるものが実際の光路
となる。屈折率に異方性がない場合、境界面でスネルの
法則が成り立つがこれもフェルマ−の原理から導くこと
ができる。

【００３４】図３（１）により説明する。境界面がＹＺ
面とする。この座標系は図３（２）、図５、図６の座標
系とは違う。計算を簡単にするためにこのような座標を
用いている。点Ｐ（Ｘ₀ ，Ｙ₀ ）は屈折率Ｎ₀ の真空中
である。これが境界での点Ｑ（０，Ｙ）を通り、複屈折
性媒質に入り点Ｒ（Ｘ₁ ，Ｙ₁ ）に至るとする。

【００３５】光路ＰＱＲの光路長Ｌは、 Ｌ＝Ｎ₀ ｛Ｘ₀ ²＋（Ｙ−Ｙ₀ ）² ｝^1/2 ＋｛２^-1（ｎ_e ＋ｎ_o ）＋（ｎ_o −ｎ_e ）Θ｝｛Ｘ₁ ²＋（Ｙ−Ｙ₁ ）² ｝^1/2 ＝Ｎ₀ ｛Ｘ₀ ²＋（Ｙ−Ｙ₀ ）² ｝^1/2 ＋｛ ２^-1（ｎ_e ＋ｎ_o ）＋（ｎ_o −ｎ_e ）（Ｙ−Ｙ₁ ）／Ｘ₁ ｝｛Ｘ₁ ²＋（Ｙ−Ｙ₁ ）² ｝^1/2 （６）

【００３６】となる。ここでΘ＝（Ｙ−Ｙ₁ ）／Ｘ₁ を
代入している。フェルマ−の原理はこれの最小が実現す
るというのであるから、Ｙで微分してこれを０とおく。

【００３７】 ∂Ｌ／∂Ｙ＝Ｎ_O （Ｙ−Ｙ₀ ）｛Ｘ₀ ²＋（Ｙ−Ｙ₀ ）² ｝^-1/2 ＋｛２^-1（ｎ_e ＋ｎ_o ）＋（ｎ_o −ｎ_e ）（Ｙ−Ｙ₁ ）／Ｘ₁ ｝（Ｙ−Ｙ₁ ）｛Ｘ₁ ²＋（Ｙ−Ｙ ₁ ）² ｝^-1/2 ＋｛Ｘ₁ ²＋（Ｙ−Ｙ₁ ）² ｝^1/2 （ｎ_o −ｎ_e ）／Ｘ₁ ＝０ （７）

【００３８】入射角をΦとすると、この式は、

【００３９】 Ｎ₀sinΦ−｛２^-1（ｎ_e ＋ｎ_o ）−（ｎ_o −ｎ_e ）tan Θ｝sin Θ＋sec Θ（ ｎ_o −ｎ_e ）＝０ （８）

【００４０】となる。Θが極めて小さいとしているので
線形近似すると、

【００４１】 Ｎ₀sinΦ−｛２^-1（ｎ_e ＋ｎ_o ）−（ｎ_o −ｎ_e ）Θ｝Θ＋（ｎ_o −ｎ_e ）＝０ （９）

【００４２】結晶に対して直角に入射するとしているの
で、Φ＝０である。残りの式はΘの２次方程式になる。
Θが小さいという仮定で、これは単に、

【００４３】 Θ＝２（ｎ_o −ｎ_e ）／（ｎ_e ＋ｎ_o ）＝Δｎ／ｎ_m （１０）

【００４４】となる。ここで、Δｎは（ｎ_o −ｎ_e ）で
ある。ｎ_m は算術平均（ｎ_e ＋ｎ_o ）／２である。つま
り異常光線は結晶に垂直に入射したにも拘らず、屈折率
差を屈折率の算術平均で割った値に等しい角度だけ異方
軸の方向に曲がるということである。この角度は文献に
よれば、（ｎ_e ²−ｎ_o ²）／２ｎ_e ｎ_o とするものもあ
る。これは屈折率差を屈折率の調和平均で割ったもので
あるというものである。同じ程度の量であるが、（１
０）の方が正しいと思われる。

【００４５】図３、図４のように、複屈折性素子の作用
で、異常光線と常光線が分離されるということが了解さ
れる。光学軸（異方軸：Ｚ軸）が結晶面に対して４５度
をなしているという条件がある。結晶に垂直入射した光
線が、偏波面の違いにより異なる経路を進むので、ビ−
ムが分離する。結晶を出るときに反対向きに屈折するの
で、結晶を出ると平行ビ−ムになる。平行であるが、一
定距離離れる。結晶の厚みをｔとすると、異常光線と常
光線の距離ｄは、

【００４６】 ｄ＝２ｔ（ｎ_e −ｎ_o ）／（ｎ_e ＋ｎ_o ）＝ｔΔｎ／ｎ_m （１１）

【００４７】となる。あるいは先述のもう一方の式によ
れば、ｔ（ｎ_e ²−ｎ_o ²）／２ｎ_e ｎ_oである。

【００４８】以上に述べたものは、複屈折性素子の光学
軸（異方軸）が光軸と４５度の角度をなし、結晶面（入
射面）に直角に光が入射した。つまり光軸と結晶面は直
角で、結晶の光学軸が結晶面の法線に対して４５度の角
度をなしていた。本発明はこのような幾何学的条件に拘
束されない。

【００４９】初めに光軸に対して結晶面が傾くとどうな
るかということを考える。入射角Φが０でないという場
合である。斜め入射になる。通常の透明板の場合は複屈
折性がないが、屈折後の光路の初めの光路からのずれ
は、傾きに比例して増加する。

【００５０】複屈折性材料の場合はどうなるのか。常光
線に関してはスネルの法則が成り立つ。常光線の屈折角
をΘ_o とする。Θは異常光線の屈折角である。

【００５１】 Ｎ₀sinΦ＝ｎ_osinΘ_o （１２） これを（８）に代入して、

【００５２】 ｎ_osinΘ_o −｛２^-1（ｎ_e ＋ｎ_o ）−（ｎ_o −ｎ_e ）tan Θ｝sin Θ＋sec Θ（ ｎ_o −ｎ_e ）＝０ （１３） となる。これは厳密な式であるが、これでは分かり難い
ので、Θが小さいとしてΘやΘ_o に関して線形近似する
と、

【００５３】 ｎ₀ sin Θ_o −ｎ_m sin Θ＋sec ΘΔｎ＝０ （１４）

【００５４】となる。Θが小さいとして、sec Θはほぼ
１であるし、又ｎ_m はほぼｎ_o に等しいので、さらに近
似すると、

【００５５】 Θ−Θ_o ＝Δｎ／ｎ_m （１５）

【００５６】となる。これは常光線と異常光線の屈折角
の差が、一定角であるということを意味する。つまり結
晶面を光軸に対して直角でなく、傾けても常光線と異常
光線のなす角度が変わらないということを意味してい
る。但しこの場合でも、光軸と異方軸のなす角度が４５
度という条件は満たされなければならない。つまりこの
場合は、光学軸を中心として回転した場合ということで
ある。

【００５７】結晶を傾けるとどういう利益があるかとい
うと、結晶が傾くので結晶内の光路が実質的に伸びると
いうことである。角度は変わらないが、光路が伸びるの
で、結晶の厚みｔが実質的に、ｔsec Ψとなる。ここで
Ψは傾き角である。光路の分離ｄは傾き角のために増大
して、以下のようになる。

【００５８】 ｄ＝ｔΔｎsec Ψ／ｎ_m （１６）

【００５９】これまで光学軸が光軸と４５度の角度をな
すものとしてきた、方解石の複屈折性を調べる際も従来
はかならず結晶軸と面のなす角度を４５度にしていた。
しかし本発明において複屈折性結晶の光学軸が面に対し
て４５度でなければならないというものではない。一般
に結晶の光学軸と光軸Ｋのなす角度をαとすると、常光
線の偏波面Ｏ_p 、光の進行方向Ｋ、異常光線の偏波面Ｅ
_P は光学軸をＺ軸とする座標系で次のようになる

【００６０】 常光線の偏波面Ｏ_P （２^-1/2，−２^-1/2，０） （１７） 進行方向Ｋ （２^-1/2sin α，２^-1/2sin α，cos α） （１８） 異常光線の偏波面Ｅ_P （−２^-1/2cos α，−２^-1/2cos α，sin α）（１９） 異常光線の屈折率Ｎは（５）の代わりに、

【００６１】 Ｎ＝ｎ₀ （２^-1/2cos α）² ＋ｎ₀ （２^-1/2cos α）² ＋ｎ_e （sin α）² ＝ｎ₀ cos²α ＋ｎ_e sin²α＝ｎ_m ＋Δｎcos ２α／２ （２０）

【００６２】となる。αは結晶の面法線と光学軸のなす
角度である。異常光線が面法線からΘの角度をなすとす
ると，α→α＋Θとして、

【００６３】 Ｎ＝ｎ_m ＋（Δｎ／２）cos ２α −ΘΔｎsin ２α （２１）

【００６４】となる。これをフェルマ−の式に代入し、
Θに関する微分を０として、Θを求める。Φ＝０の場
合、（１０）式の代わりに、

【００６５】 Θ＝Δｎsin ２α／ｎ_k （２２） となる。但し分母のｎ_k は、

【００６６】 ｎ_k ＝ｎ₀ cos²α ＋ｎ_e sin²α＝ｎ_m ＋Δｎcos ２α／２ （２３） によって定義される値である。

【００６７】結晶に対して光線が斜めに入射するとき
は、常光線の屈折角をΘ_o 、異常光線の屈折角をΘとし
て、（１５）の代わりに、

【００６８】 Θ−Θ_o ＝Δｎsin ２α／ｎ_k （２４） となる。（１１）式は、この時

【００６９】 ｄ＝２｜（ｎ_e −ｎ_o ）｜ｔsin ２α／（ｎ_e ＋ｎ_o ） （２５） となるので、Ｄ_f をファイバコアの直径として、

【００７０】 ２｜（ｎ_e −ｎ_o ）｜ｔsin ２α／（ｎ_e ＋ｎ_o ）＞Ｄ_f （２６）

【００７１】という不等式が成り立てば、常光線と異常
光線をファイバコアの位置調整によって分離することが
できる。ｎ_k はｎ_m やｎ_e 、ｎ_o にほぼ等しい。それゆ
え、結晶の光学軸が光の進行方向（光軸）となす角度が
４５度でなく一般にαであるとすると、常光線、異常光
線の光軸のずれがsin ２αに比例して減少するというこ
とが分かる。しかし、結晶の光学軸が光軸に対して４５
度でなければならないというものではなく、一般に２５
度〜６５度程度あれば良いということが分かる。

【００７２】こうして異常光線と常光線の間にｄの距離
ができる。光源からの光をこのような複屈折性素子に通
すと、二つの偏波面の異なるビ−ムに分離できる。図
６、図７に示すように、ビ−ムの前方にシングルモ−ド
ファイバを置くといずれか一方の光のみをファイバのコ
アに導くことができる。光源からの入射光の光軸から、
ｄだけ光学軸の方向にファイバをずらせると異常光線の
みをファイバのコアに入れることができる。また反対に
入射ビ−ムの光軸の延長上にファイバを設置すると常光
線のみをファイバのコアに入れることができる。

【００７３】ファイバのコアはシングルモ−ドファイバ
の場合５μｍ〜１０μｍである。間隙ｄが１０μｍ以上
あれば、一方の偏波面の光のみをファイバコアに入れる
ことができる。異常光線と常光線の分離というのは偏波
面による違いであるから、光源からの光の内、特定の偏
波面の光のみを通すということと等価である。つまりこ
れは偏光子として作用しているのである。

【００７４】従来の偏光子と違って一方の偏波面の光を
遮断してしまうのではない。両方とも通るのであるが、
通過後の位置がｄだけ離れているので、ファイバコアに
入るのは一方だけなのである。

【００７５】従来の偏光子のように一方の偏波面の光を
完全に遮断するようにしようとすると、ファイバ型偏光
子でも積層型偏光子でも製作が難しい。しかし本発明の
偏光選択素子は単に複屈折性結晶を用いるだけである。
複屈折性結晶を切断研磨するだけである。加工も簡単で
ある。製造コストも低い。而もこの偏光選択素子は、光
源とファイバの間の自由空間に設けることができる。こ
れも長所である。ファイバを途中で切断しなくても良
い。切断したものを素子に接続する必要もない。

【００７６】光ファイバジャイロへの応用は次のように
する。図１０に示す。図６、図７で光ファイバのコアに
入った光は、図１０のように、カップラ４、ファイバコ
イル５を通る。ファイバコイルを右廻り光左廻り光とし
て透過した光は、位相変調器６で位相変調を受ける。こ
れがカップラ４を反対向きに通り、複屈折素子１３を通
り、発光素子１１に戻る。複屈折素子１３は可逆性があ
るので、ビ−ムは反対向きに戻ることができる。偏波面
の回転が起こっていても、複屈折素子を通過した後元の
発光素子に戻れるのは、初めに選んだ偏波面の光のみで
ある。だから発光素子から出た光と、戻り光の偏波面が
同一になる。この偏光選択素子は偏光子として機能する
のである。

【００７７】

【実施例】本発明の複屈折性素子は、偏光選択素子、光
源モジュ−ル、光ファイバジャイロなどに利用できる。
図５に示すように、複屈折性素子を用いて、光を常光線
と異常光線に分ける。これは本発明の素子を偏光選択素
子とする場合の例を示す。これは偏波面の異なるビ−ム
を空間的に分離する素子である。

【００７８】そして図６に示すように、常光線または異
常光線の来る位置に光ファイバコアを置き、何れかの光
線をコアに入射させる。何れか一方の光線のみを光路中
に伝搬させる。図６は光源モジュ−ルとしての実施例を
示す。この光源モジュ−ルは定偏波面の光を発生するこ
とができる。

【００７９】この光路選択は可逆的である。図６におい
て、光ファイバからの戻り光は、入射光と同じ偏波面を
持ち、複屈折性素子の中で、行きと全く同じ経路を反対
に進む。戻り光は従って発光素子の活性層に正確に戻る
ことができる。本発明は複屈折性素子の経路の可逆性を
有効に利用している。初めに選ばれた光線と同じ偏波面
の戻り光が発光素子の発光領域へ戻るということが重要
である。途中で偏波面回転が起こり偏波面が初めと異な
っている光線成分は、複屈折性素子での経路が異なるか
ら発光素子の発光領域へ戻らない。このように、複屈折
性素子は順逆の方向に進む光線に対して同じ偏波面選択
性を持つ。光は２回偏波面選択されるのである。図３〜
図６は光線束の中心光線のみを示したものである。実際
には光線束は広がりがある。

【００８０】図７はビ−ムの広がりをも考慮した光線の
収束を示す図である。レンズで発光素子からの光を収束
させて複屈折性素子を通し、これをファイバのコアに導
く。発光素子からの光が拡がっていてもレンズにより、
ファイバ端の一点に収束させることができる。常光線と
異常光線の距離ｄは先程計算した通りである。中心光線
のみを考えても、広がりビ−ムの全体を考えても同じこ
とである。可逆性も同様に成り立つ。それゆえ簡単のた
めに中心光線のみを図示し計算も中心光線に限ってい
る。しかしこれらの性質は全ビ−ムについて成り立つ。

【００８１】複屈折性材料としては、一軸性結晶を用い
ることができる。その光に対して透明であり、異方性の
大きいものが望ましい。しかも温度などにより複屈折性
に変化がないということも望まれる。水晶、ＬｉＮｂＯ
₃ 、ＫＤＰ等の光学結晶を用いることができる。水晶は
この中でも安定で、しかも豊富に供給される材料であ
る。異方軸が、光の進行方向とほぼ４５度をなすように
切り出す。先に述べているように、異方軸が光の進行方
向となす角度は０、９０度などが禁止されるが、厳密に
４５度でなくても良い。異常光線と常光線の空間的分離
が光学軸と光軸のなす角度をαとして、sin ２αを含む
ので、α＝４５度の時に最大距離が得られる。しかし４
５度にしなくても良いのは勿論である。２５度〜６５度
の程度で良い。

【００８２】図３に示す異常光線の曲がり角Θは（ｎ_e
−ｎ_o ）／ｎ_m である。ｎ_m はｎ_eとｎ_o の算術平均で
ある。水晶の場合、８００ｎｍの波長の光に対して、ｎ
_o ＝１．５４８、ｎ_e ＝１．５３９である。差Δｎ＝
０．００９、ｎ_m ＝１．５４３であるから、Θ＝０．０
０６となる。例えば水晶複屈折性素子の結晶の厚みｔを
３ｍｍとすると、空間的な分離ｄは１８μｍとなる。

【００８３】８００ｎｍの波長の光に対してシングルモ
−ドとなるファイバのコアの直径Ｄ_f は、通常のコアク
ラッド屈折率差（０．３％〜０．５％）に対して、５μ
ｍ程度である。Ｄ_f ＜ｄであるので、図７のように、フ
ァイバコアに何れか一方の光のみを入射することができ
る。常光線のみを入射すると、これは複屈折性素子の異
方軸（Ｚ軸）の方向に成分を持たない偏波面の光であ
る。定偏波面の光である。定偏波面の光がファイバの中
を伝搬してゆく。反対に異常光線のみを入射させること
もできる。これは複屈折性素子の異方軸の方向に成分を
持つ光であり定偏波面の光である。両者の偏波面は直交
している。ファイバ端をｄだけ横に動かすことにより何
れの偏波面の光をもファイバに入れることができる。

【００８４】Ｄ_f ＜ｄであるので、両方の光をコアに入
射させることはできない。複屈折性素子が偏光選択素子
として機能していることが分かる。図７ではレンズ、複
屈折性素子、ファイバの順に並んでいる。これを逆にし
て複屈折性素子、レンズ、ファイバというふうに並べて
も良い。

【００８５】図８は本発明で先程から採用している複屈
折性素子の結晶の形状を示す。光学軸というのは異方軸
である。異常光線の分離は、光学軸を含む面内で起こ
る。平行な出射側面と入射側面を持つので、入射光と出
射光は平行である。図９は出射側面を少し切断したもの
である。異常光線が出射する部分に傾斜を付けている。
ために異常光線は外側に拡がるようになる。ファイバ端
面での距離ｄ′がより広くなる。

【００８６】図１０は本発明の偏光選択素子或は光源モ
ジュ−ルを用いた光ファイバジャイロである。図２の光
ファイバジャイロの改良である。この場合は戻り光の
内、定偏波面の光のみを光源の活性層に戻すようにな
る。そうなるためには発光素子の活性層の厚みをＤ_a と
して、Ｄ_a ＜ｄでなければならない。つまり、Ｄ_f ＜
ｄ、Ｄ_a ＜ｄというふたつの条件が満足されなければな
らない。図１０の光ファイバジャイロは光源１、カップ
ラ４、ファイバコイル５、位相変調器６等を有する。

【００８７】この他に、レンズ１２、複屈折性素子１３
が光源１に続いて設けられる。レンズ１２で光源で発生
した光を集光する。複屈折性素子１３は光学軸が光軸に
対して適当に傾いている一軸性結晶である。これにより
偏波面が違う常光線、異常光線を空間的に分離できるの
で、ファイバのコアに何れか一方の偏波面の光のみを導
き入れることができる。一定偏波面の直線偏光をファイ
バに入射させることになる。これがファイバカップラ４
で２つのビ−ムに分けられる。これがファイバコイルを
右廻り光左廻り光として回転伝搬する。途中で位相変調
器６により位相変調を受ける。両者はカップラ４で再び
合体する。これが複屈折性素子１３を通る。行きの光と
同じ偏波面の光しかここを通らない。もしも偏波面回転
がファイバコイルの中で起こっていたとしても、この光
が発光素子には戻らない。偏波面が異なり、複屈折性素
子を通過するときの光路が異なるからである。

【００８８】同一の偏波面の光のみがレンズ１２を通り
発光素子１１に戻る。戻り光はここで干渉する。干渉光
の強度には右廻り光左廻り光の位相差が含まれる。干渉
光は発光素子の光放出の状態を変化させる。発光素子の
駆動電流、駆動電圧、あるいはモニタ用受光素子の光電
流を観測することにより干渉光強度を求めることができ
る。

【００８９】図１１はファイバ型偏光選択素子としての
適用を示す。光ファイバ３１と光ファイバ３２の間に、
複屈折性結晶３３を設ける。複屈折性結晶３３の異方軸
が光軸に対して約４５度の角度をなすようにしている。
光ファイバの軸心の位置は、常光線、異常光線のいずれ
か一方のみが入るように決められる。光ファイバの軸心
を決定しファイバ端を結晶に接着した後、結晶とファイ
バの端の全体をモ−ルド３４する。これで偏光選択素子
になる。左から多様な偏波面を持つ光がこれを通過する
と、右側の光路には一定偏波面の直線偏光のみが出てく
る。右側から多様な偏波面状態の光が来ても同様であ
る。もしも左から一定偏波面の直線偏光がくると、これ
の一部の光のみが素子を通過し定偏波面となる。定偏波
面の光がここを透過してランダムな偏波面の光になるこ
とはない。その意味で作用に可逆性はないが左右対称で
ある。これは偏光子と等価な作用である。しかし従来の
金属誘電体積層型の偏光子や、ファイバ型偏光子に比較
して製作容易で材料費も易く安価な素子になる。

【００９０】図１２は光源モジュ−ル３９としての応用
を示す。発光素子と光ファイバの間に複屈折性板を固定
し、光ファイバに直線偏光を入射するように発光素子、
複屈折性板、リセプタクルなどを一体化したものであ
る。レンズホルダ４０が全体のケ−シングになってい
る。ス−パ−ルミネッセントダイオ−ド４１のチップが
マウントに固定してある。光は前後方向に出射される。
前方には、屈折率分布型レンズ４２が設けられる。その
前方には複屈折性結晶４３、例えば水晶の板が設けられ
る。

【００９１】これは既に述べているように光学軸が、光
の進行方向に対して２５度〜６５程度傾くように切断研
磨してある。傾き角の最適値は４５度である。さらに前
方には、レンズホルダ４０に対して、リセプタクル４７
が固着されている。光ファイバ４４の先端にはＳＵＳの
フェル−ル４５が取り付けられている。ＳＵＳフェル−
ル４５をリセプタクル４７に挿入して、ファイバを光源
に接続することができる。リセプタクル４７とレンズホ
ルダ４０の軸直角方向の位置を調整して、例えば異常光
線のみがファイバに入るようにする。あるいは常光線の
みがファイバに入るようにする。これは定偏波面の光の
みをファイバに入射することのできる光源モジュ−ルで
ある。

【００９２】図１３は本発明の光源モジュ−ルを用いて
光ファイバジャイロを構成したものである。図２の光フ
ァイバジャイロの改良である。図１０の光ファイバジャ
イロは一般型を示す。図１３のものは発光素子と偏光選
択素子とを一体化した光ファイバジャイロである。光源
から定偏波面の直線偏光が出るので、偏光子を不要とす
る。ファイバコイル５の一端近くに位相変調器６とデポ
ラライザ８を設けている。これはここを通るビ−ムを無
偏光にして、戻り光として偏光選択素子を逆に通過する
ときに、偏波面回転があっても半分の光がこれを通過で
きるようにするためのものである。

【００９３】本発明の光源モジュ−ルは結局、図１５の
ように表現できる。発光素子と、レンズ、複屈折性結晶
と、光ファイバとよりなる素子である。さらに発光素子
の光量をモニタするための受光素子がある。発光素子か
ら出た光がレンズによって集光され、複屈折性結晶によ
って異常光線と常光線に分離され、一方の直線偏光の光
のみがファイバのコアに入射する。本発明の骨子は複屈
折性結晶によって、二つの直線偏光を分離し、これを光
ファイバに結合するということである。しかし、さらに
改良することができる。

【００９４】図１６は光が発光素子から光ファイバに入
る往路を示す。実線で示す（異常光線と常光線の）何れ
か一方の直線偏光のみが光ファイバコアに入射する。他
方の直線偏光は一点鎖線で示すように、コアの外に当た
るので、ファイバの内部に入れない。図１７は復路を示
す。光ファイバのコアから出た光は複屈折性結晶により
異常光線と常光線に分けられる。往路で選ばれたのと同
じ直線偏光がレンズで集光された後、光源の発光素子に
戻る。往路で選ばれなかった直線偏光は、一点鎖線で示
すように発光素子以外の点に集光する。

【００９５】二つの直線偏光の空間的な分離性能は、複
屈折性結晶の厚みによる。必要な分離距離は光ファイバ
のコアの径によって決まる。レンズには有効径というも
のがある。中心部を通る光については散乱などがなく、
奇麗に集光される。しかしレンズの周辺部を通る光は一
部が散乱されるし、屈折についても揺らぎがある。ため
に、レンズの周辺部（非有効部）には光を通さず、中心
付近の有効径にのみ光を通すのが望ましい。ところが発
光素子には光の広がり角のばらつきがある。また発光素
子のホルダに対する取り付け位置もばらつきがある。た
めにレンズの周辺部を通る光もファイバに到達し、発光
素子に戻る可能性がある。

【００９６】図１８は発光素子から出た光を、レンズに
より、ファイバコアに結合する様子を示す。（１）は発
光素子からの光の広がりが狭い場合を示す。この光はレ
ンズ有効径（有効領域）のみを通っている。（２）は発
光素子からの光に広がりが広い場合を示す。光の一部が
非有効部を透過している。図１９は発光素子から出た光
が、レンズによりファイバコアに入射する様子を示す。
（１）は発光素子がホルダの取付柱の上頂部に取り付け
られている。（２）は発光素子が取付柱の上端より少し
下に取り付けられている。このように発光素子の取付位
置の違いによっても、レンズを通る光路が異なる。一部
の光はレンズの非有効部を通る。

【００９７】図２０は光ファイバのコアから出た光が、
発光素子に戻る復路を示す。実線で示す光線は発光素子
に戻る。一点鎖線で示す他の直線偏光は発光素子以外の
点に集光される。これだけなら問題ないのであるが、レ
ンズの周辺部を通る光は、周辺部の屈折率の揺らぎによ
り散乱されることがある。これを迷光という。迷光は発
光素子のキャップに戻り、内壁面やチップの取付柱に当
たりここで反射される。反射光の一部がモニタ用の受光
素子に入射する。これはノイズになる。このような問題
があるのでこれを解決するための工夫を提案する。レン
ズの非有効部を光が透過し、ここで散乱されるのを防ぐ
ために、ピンホ−ルを光の経路に設ける。ピンホ−ルと
いうのは広い遮光板に小さい穴をあけたものである。

【００９８】図２１はこの工夫の概略図を示す。発光素
子、ピンホ−ル、レンズ、光ファイバの順に並んでい
る。レンズの有効面が発光素子の中心に張る立体角をｄ
ω₁ とし、ピンホ−ルの開口部が発光素子の中心点に張
る立体角をｄω₂ とすると、ｄω₁ の方がｄω₂ より大
きいようにする。ｄω₁ ≧ｄω₂ である。ここでレンズ
の有効面というのは、レンズに入射した光が仕様上の性
能を満たす範囲をいう。図２２も同じ工夫を示す。これ
は複屈折性結晶とレンズの順番が反対になっている。こ
の場合は、複屈折性結晶とレンズの間にピンホ−ルを入
れても良い。さらに図２２のように、発光素子と複屈折
性結晶の間にピンホ−ルを入れても良い。この場合で
も、ｄω₁ の方が、ｄω₂ より広いようにする。

【００９９】ピンホ−ルを入れると、発光素子から出射
された光の内、光軸に近い光のみが、レンズを通る。光
はレンズの有効径の内部のみを通過する。こうすると、
発光素子の出射した全ての光を利用しないことになる。
しかし発光素子のパワ−が十分であればそれは差し支え
ないことである。図２３はその効果を説明する図であ
る。ここでは円柱レンズを使っている。また発光素子の
キャップにピンホ−ルを設けている。レンズの有効径を
Ｄ₁ とする。ピンホ−ルで光が制限されるので、レンズ
の内部では直径がＤ₂ の領域を通る。だから非有効部で
光の一部が散乱されることはない。選択された直線偏光
のみが、光ファイバのコアに入射する。

【０１００】図２４は、戻り光の経路に対する影響を示
す図である。光ファイバ側にはピンホ−ルがないので、
レンズの周辺部にも光が通る。これが散乱されて、迷光
を発生したとする。この場合でもピンホ−ルにより光が
遮断されるので、迷光が発光素子に到達しない。このよ
うにピンホ−ルを光路中に設けると、光の広がりを押さ
えるので、レンズの周辺部での光の散乱をなくすことが
できる。さらに、キャップの内面の内、少なくとも発光
素子の発光部に対向する面を無反射処理すると良い。た
とえ戻り光の一部がキャップ内に戻っても反射されて、
発光素子の発光部に当たるということがない。

【０１０１】図２５〜図２７はより具体的な光源モジュ
−ルの構造を示す。図２５はレンズと発光素子の間の光
路にピンホ−ルを配置した光源モジュ−ルである。レン
ズホルダ５１の内部に、ス−パ−ルミネッセントダイオ
−ド５２、ピンホ−ル５３、屈折率分布型レンズ５４
（円柱レンズ）、複屈折板５５（水晶、ＴｉＯ₂ 等）、
光ファイバ５６がこの順で配列されている。ス−パ−ル
ミネッセントダイオ−ド５２は、内部に発光素子チップ
５７と、これをモニタするモニタ用受光素子５８と、キ
ャップの開口部５９よりなる。ピンホ−ル５３が、レン
ズに入る光の広がりを制限する。

【０１０２】図２６は光源の保護用のキャップがピンホ
−ルを兼ねる例を示す。レンズホルダ５１の内部に、ス
−パ−ルミネッセントダイオ−ド５２、屈折率分布型レ
ンズ５４、複屈折板５５、光ファイバ５６がこの順で並
んでいる。専用のピンホ−ルがない。光源キャップの窓
を小さい穴にしてこれをピンホ−ル６０としている。図
２７は、レンズの非有効部をマスクした例を示す。これ
は専用ウエハのピンホ−ルの代わりに、レンズ自体にピ
ンホ−ルに変わるものを付けている。レンズの前端と後
端の周辺部に光を通さない塗料（マスク）６１を塗付し
ている。ここではアクリル系の樹脂塗料を使っている。
あるいは、レンズの周辺部に不透明のリングを嵌めるよ
うにしても良い。

【０１０３】図２５〜図２７の光源モジュ−ルにおい
て、発光素子のキャップの内面に光の反射を抑制する無
反射コ−テイングすると一層良い。発光素子の光の広が
り角がばらついていても、発光素子のステムに対する取
付位置がばらついていても、このような光源モジュ−ル
によってその欠点を克服することができる。これらの光
源モジュ−ルを用いて光ファイバジャイロ（図１３）を
作製することができる。

【０１０４】

【発明の効果】本発明の偏光選択素子は従来の偏光子と
は全く異なる原理に基づき直線偏光を選択し、ファイバ
に入射させることができる。従来の光ファイバ型偏光子
は、ファイバの曲げ損失の異方性を利用しファイバ内を
伝搬する光の内、特定の偏波面のものを減衰させる。積
層型偏光子も金属での渦電流損失により特定の偏波面の
光を減衰させる。こうして特定の偏波面の光のみを透過
するようにしたものである。

【０１０５】本発明はそうではなくて、光路中に複屈折
性素子を置き、屈折率の異方性により異なる偏波面の光
を光路分離する。光路が分離されるので、ファイバのコ
アに一方の偏波面の光のみを入れることができる。他の
偏波面の光は減衰するのではなくて狭いコアに入らない
だけである。さらにまた、発光素子と、レンズ、複屈折
性結晶の間にピンホ−ルを設けることにより、直線偏光
の選択性を高め、迷光を防ぐことができる。

【０１０６】本発明には次の用途がある。 光ファイバからの出射光を複屈折性素子を用いて一方
の直線偏光のみを他の光ファイバに結合することによ
り、光ファイバ中を伝搬する光の偏光選択素子として用
いることができる。 発光素子からの出射光を複屈折性素子を介して一方の
直線偏光のみを光ファイバに結合するようにし、直線偏
光を発生する光源モジュ−ルとして利用できる。従来は
このためにファイバ型偏光子を使っていた。しかしファ
イバ型偏光子は製品間に性能のばらつきが大きい。また
高価であるという難点があった。

【０１０７】本発明者らが創案した光源から信号を取
り出す光ファイバジャイロにおいては、の光源モジュ
−ルを使うことができる。ある直線偏光のみを光ファイ
バに入射させることができる。このようにして行きの光
の偏波面を直線偏光にすることができ、また帰りの光の
偏波面を直線偏光にすることができる。こうすることに
より光量を安定化させることができる。

【０１０８】従来の光ファイバジャイロのカップラ間に
挿入される偏光子の場合は、光源から偏光子に至るまで
のシングルモ−ドファイバ光路中で偏波面回転が起こる
可能性があった。しかし本発明の場合は空間伝送におい
て偏波面選択がなされるので偏波面回転が起こることが
ない。

【０１０９】従来の光ファイバジャイロの構成では、光
源と偏光子の間に必須のものとして設けられていたファ
イバ型デポラライザが不要になる。またファイバ型偏光
子も不要になる。これらは高価な素子であるから、これ
らを省くことのできる本発明は安価な光ファイバジャイ
ロを提供することができる。即ち低コストで性能の安定
した光ファイバジャイロを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】専用の受光素子を有する従来例に係る光ファイ
バジャイロの構成図。

【図２】本発明者らが発明した（特願平４−２６０６６
２号、特願平５−０５７７５６号）光源から信号を取る
光ファイバジャイロの原理構成図。

【図３】フェルマ−の原理を用いて、複屈折性材料での
異常光線の光路を計算するための説明図。（１）は座標
の定義を示す。Ｐが始点、Ｒが終点、Ｑは結晶面の点で
ある。（２）は複屈折性材料の中での、常光線、異常光
線の分離と座標系を示す斜視図。

【図４】複屈折性材料中において異常光線、常光線の分
離を示す図。

【図５】光線が複屈折性結晶により異常光線と常光線に
分離し空間的に異なるビ−ムとして出てゆくようにした
偏光選択素子を示す図。

【図６】光線が複屈折性結晶により異常光線と常光線に
分離し、これが空間的に異なるビ−ムになるので一方の
光のみを光ファイバに入射するようにし、特定の直線偏
光を光ファイバに入れる光源モジュ−ルを示す図。

【図７】レンズにより発光素子からのビ−ムを絞り、複
屈折性素子により偏波面の違う異常光線と常光線を分離
しファイバコアに何れかの光線を入射するようにしたこ
とを示す図。

【図８】光軸に対して傾いた光学軸を持つ複屈折性材料
によりビ−ムが異常光線と常光線に分離することを示す
図。

【図９】光軸に対して傾いた光学軸を持つ複屈折性材料
によりビ−ムが異常光線と常光線に分離し、出射側面を
傾斜面に研磨して異常光線をさらに遠くへ分離できるよ
うにした素子の図。

【図１０】本発明の複屈折性素子を光源の前に置き直線
偏光をファイバに入射するようにした光ファイバジャイ
ロの原理構成図。

【図１１】本発明の実施例に係るファイバ型偏光選択素
子の斜視図。

【図１２】本発明の実施例に係る光源モジュ−ルの断面
図。

【図１３】本発明の光源モジュ−ルを光源として用いた
光ファイバジャイロの構成図。

【図１４】複屈折性材料によりレンズを製作することに
より集光性能と偏光選択とをひとつのレンズで行うよう
にした例を示す断面図。

【図１５】本発明の光源モジュ−ルの原理図。

【図１６】本発明の光源モジュ−ルにおいて発光素子か
らファイバコアに光が導かれる往路の様子を示す図。

【図１７】本発明の光源モジュ−ルにおいてファイバコ
アから発光素子に光が導かれる復路の様子を示す図。

【図１８】発光素子の光の広がり角がばらついている
と、レンズを通る光の光路がばらつくことを示す図。
（１）は広がりが狭い場合。（２）は広がりが広い場
合。

【図１９】発光素子のステムに対する取付位置がばらつ
いている場合、レンズを通る光の光路が異なることを示
す図。

【図２０】レンズ周辺部を通る光が散乱により迷光を発
生する様子を説明する光源モジュ−ルの図。

【図２１】発光素子とレンズの間にピンホ−ルを設けた
光源モジュ−ルを示す断面図。

【図２２】発光素子と複屈折性結晶の間にピンホ−ルを
設けた光源モジュ−ルを示す断面図。

【図２３】キャップにピンホ−ルを設けた光源モジュ−
ルの例において発光素子から出た光がファイバコアに集
光される様子を示す断面図。

【図２４】キャップにピンホ−ルを設けた光源モジュ−
ルの例においてファイバコアから出た光が発光素子に集
光される様子を示す断面図。

【図２５】レンズと発光素子の間にピンホ−ルを設けた
光源モジュ−ルの例を示す断面図。

【図２６】発光素子の保護キャップにピンホ−ルを兼ね
させている光源モジュ−ルの例を示す断面図。

【図２７】レンズの非有効面を塗料でマスクした光源モ
ジュ−ルの例を示す断面図。

【符号の説明】

１ 光源 ２ カップラ ３ 偏光子 ４ カップラ ５ ファイバコイル ６ 位相変調器 ７ デポラライザ ８ デポラライザ ９ 受光素子 １１ 発光素子 １２ レンズ １３ 複屈折性素子 １４ ファイバ ３１ 光ファイバ ３２ 光ファイバ ３３ 複屈折性結晶 ３４ モ−ルド ３９ 光源モジュ−ル ４０ レンズホルダ ４１ ス−パ−ルミネッセントダイオ−ド ４２ 屈折率分布型レンズ ４３ 複屈折性結晶 ４４ 光ファイバ ４５ ＳＵＳフェル−ル ４７ リセプタクル ５１ レンズホルダ ５２ ス−パ−ルミネッセントダイオ−ド ５３ ピンホ−ル ５４ 屈折率分布型レンズ ５５ 複屈折板 ５６ 光ファイバ ５７ 発光素子チップ ５８ モニタ用受光素子 ５９ キャップの窓 ６０ キャップに設けたピンホ−ル ６１ レンズのマスク部

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の光ファイバと、入射面に対して光
   学軸が０度、９０度をなさない複屈折性素子と、第２の
   光ファイバとを含み、第１の光ファイバの光を複屈折性
   素子により異常光線と常光線に分離し、第２の光ファイ
   バの軸直角方向の位置を調整していずれか一方の光線の
   みを第２のファイバに入射するようにしたことを特徴と
   する偏光選択素子。
2. 【請求項２】 第１の光ファイバと、入射面に対して光
   学軸が２５度〜６５度の角度αをなす複屈折性素子と、
   第２の光ファイバとを含み、複屈折性素子の厚みをｔ、
   異常光線屈折率をｎ_e 、常光線屈折率をｎ_o として、光
   ファイバのコアの直径をＤ_f として、２｜（ｎ_e −ｎ
   _o ）｜ｔsin ２α／（ｎ_e ＋ｎ_o ）＞Ｄ_f であり、第１
   の光ファイバの光を複屈折性素子により異常光線と常光
   線に分離し、第２の光ファイバの軸直角方向の位置を調
   整していずれか一方の光線成分のみを第２のファイバに
   入射するようにしたことを特徴とする偏光選択素子。
3. 【請求項３】 発光素子と、入射面に対して光学軸が０
   度、９０度をなさない複屈折性素子と、光ファイバとを
   含み、光源から出た光を複屈折性素子により異常光線と
   常光線に分離し、光ファイバの軸直角方向の位置を調整
   していずれか一方の光線のみを光ファイバに入射するよ
   うにしたことを特徴とする光源モジュ−ル。
4. 【請求項４】 発光素子と、入射面に対して光学軸が２
   ５度〜６５度の角度αをなす複屈折性素子と、光ファイ
   バとを含み、複屈折性素子の厚みをｔ、異常光線屈折率
   をｎ_e 、常光線屈折率をｎ_o として、光ファイバのコア
   の直径をＤ_fとして、２｜（ｎ_e −ｎ_o ）｜ｔsin ２ａ
   ／（ｎ_e ＋ｎ_o ）＞Ｄ_f であり、光源から出射された光
   を複屈折性素子により異常光線と常光線に分離し、光フ
   ァイバの軸直角方向の位置を調整していずれか一方の光
   線成分のみを光ファイバに入射するようにしたことを特
   徴とする光源モジュ−ル。
5. 【請求項５】 レンズホルダと、レンズホルダの内部に
   設けられる発光素子と、レンズホルダの内部に設けられ
   発光素子の光を集光するためのレンズと、レンズホルダ
   の内部に設けられ入射面に対して光学軸が２５度〜６５
   度の角度αをなす板状の複屈折性結晶と、レンズホルダ
   の端部に設けられる光ファイバを取り付けたフェル−ル
   を着脱するためのレセプタクルとを含み、複屈折性素子
   の厚みをｔ、異常光線屈折率をｎ_e 、常光線屈折率をｎ
   _o として、光ファイバのコアの直径をＤ_f として、２｜
   （ｎ_e −ｎ_o ）｜ｔsin ２α／（ｎ_e ＋ｎ_o ）＞Ｄ_f で
   あり、光源から出射された光を複屈折性素子により異常
   光線と常光線に分離し、レセプタクルの軸直角方向の位
   置を適当に定めいずれか一方の光線成分のみを光ファイ
   バに入射するようにしたことを特徴とする光源モジュ−
   ル。
6. 【請求項６】 レンズホルダと、レンズホルダの内部に
   設けられ可干渉性を有し単色または準単色光を発生する
   発光素子と、レンズホルダの内部に設けられ発光素子よ
   り出射された光を集光するレンズと、レンズホルダの内
   部に設けられ入射面に対して光学軸が２５度〜６５度の
   角度αをなす複屈折性結晶と、複屈折性結晶によって分
   離された常光線、異常光線の何れかをコアに入射させる
   光ファイバと、発光素子とレンズの間または発光素子と
   複屈折性結晶の間に設けられるピンホ−ルとを含み、レ
   ンズの有効面積が発光素子の中心点に張る立体角ｄω₁
   の方が、ピンホ−ルの開口部が発光素子の中心点に張る
   立体角ｄω₂ より大きいようにしたことを特徴とする光
   源モジュ−ル。
7. 【請求項７】 レンズホルダと、レンズホルダの内部に
   設けられキャップで覆われ可干渉性を有し単色または準
   単色光を発生する発光素子と、レンズホルダの内部に設
   けられ発光素子より出射された光を集光するレンズと、
   レンズホルダの内部に設けられ入射面に対して光学軸が
   ２５度〜６５度の角度αをなす複屈折性結晶と、複屈折
   性結晶によって分離された常光線、異常光線の何れかを
   コアに入射させる光ファイバと、発光素子のキャップの
   開口部に設けたピンホ−ルとを含み、レンズの有効面積
   が発光素子の中心点に張る立体角ｄω₁ の方が、ピンホ
   −ルの開口部が発光素子の中心点に張る立体角ｄω₂ よ
   り大きいようにしたことを特徴とする光源モジュ−ル。
8. 【請求項８】 レンズホルダと、レンズホルダの内部に
   設けられ可干渉性を有し単色または準単色光を発生する
   発光素子と、レンズホルダの内部に設けられ発光素子よ
   り出射された光を集光するレンズと、レンズホルダの内
   部に設けられ入射面に対して光学軸が２５度〜６５度の
   角度αをなす複屈折性結晶と、複屈折性結晶によって分
   離された常光線、異常光線の何れかをコアに入射させる
   光ファイバとを含み、レンズの周辺部の非有効部分が発
   光素子の発生する光に対して非透過非反射処理を行った
   ものであることを特徴とする光源モジュ−ル。
9. 【請求項９】 レンズホルダと、レンズホルダの内部に
   設けられキャップで覆われ可干渉性を有し単色または準
   単色光を発生する発光素子と、レンズホルダの内部に設
   けられ発光素子より出射された光を集光するレンズと、
   レンズホルダの内部に設けられ入射面に対して光学軸が
   ２５度〜６５度の角度αをなす複屈折性結晶と、複屈折
   性結晶によって分離された常光線、異常光線の何れかを
   コアに入射させる光ファイバと、発光素子とレンズの間
   または発光素子と複屈折性結晶の間に設けられるピンホ
   −ルとを含み、レンズの有効面積が発光素子の中心点に
   張る立体角ｄω₁ の方が、ピンホ−ルの開口部が発光素
   子の中心点に張る立体角ｄω₂ より大きいようにしてあ
   り、かつキャップの内面の少なくとも発光素子に対向す
   る部分が無反射処理されていることを特徴とする光源モ
   ジュ−ル。
10. 【請求項１０】 単色光または準単色光を出し戻り光に
    より発光特性が変化する発光素子と、発光素子の出力を
    モニタする受光素子を含む光源と、光源に続いて設けら
    れ、入射面に対して光学軸が０度、９０度をなさないよ
    うにした複屈折性素子と、複屈折性素子から出た光を入
    射するファイバと、ファイバの途中に設けられ光を２分
    する分岐合流素子と、ファイバを多数回巻き回して成り
    両端が前記分岐合流素子に接続されるファイバコイルと
    を含み、光源から出射された光を複屈折性素子に通し、
    一定偏波面の異常光線または常光線のみを光ファイバに
    入射し、光ファイバに入った光を分岐合流素子によって
    ２つに分岐し、ファイバを多数回コイル状に巻いて成る
    ファイバコイルの両端に分岐光を結合し、ファイバコイ
    ルを右廻り光、左廻り光として伝搬させ、これらの光を
    分岐合流素子により合一させ複屈折性素子を通して偏波
    面を一定にしてから光源に戻るようにし、この戻り光の
    強度により光源の発光特性が変化することを利用し、光
    源の発光特性の変化を検出することによって、右廻り
    光、左廻り光の位相差を求め、ファイバコイルの回転角
    速度を検出することを特徴とする光ファイバジャイロ。
11. 【請求項１１】 単色光または準単色光を出す発光素子
    と、発光素子の出力をモニタする受光素子を含む光源
    と、光源に続いて設けられ、入射面に対して光学軸が０
    度、９０度をなさないようにした複屈折性素子と、複屈
    折性素子から出た光を入射するファイバと、ファイバの
    途中に設けられ光を２分する分岐合流素子と、ファイバ
    を多数回巻き回して成り両端が前記分岐合流素子に接続
    されるファイバコイルとを含み、光源の発光素子から出
    射された光を複屈折性素子に通し、一定偏波面の異常光
    線または常光線のみを光ファイバに入射し、光ファイバ
    に入った光を分岐合流素子によって２つに分岐し、ファ
    イバを多数回コイル状に巻いて成るファイバコイルの両
    端に分岐光を結合し、ファイバコイルを右廻り光、左廻
    り光として伝搬させ、これらの光を分岐合流素子により
    合一させ複屈折性素子を通して、偏波面を一定にしてか
    ら光源に戻るようにし、この戻り光の強度を光源に設け
    たモニタ用の受光素子で検出することによって、右廻り
    光、左廻り光の位相差を求め、ファイバコイルの回転角
    速度を検出することを特徴とする光ファイバジャイロ。
12. 【請求項１２】 レンズホルダと、レンズホルダの内部
    に設けられ可干渉性を有し単色または準単色光を発生す
    る発光素子と、発光素子の光をモニタするモニタ用の受
    光素子とを含む光源と、レンズホルダの内部に設けられ
    発光素子より出射された光を集光するレンズと、レンズ
    ホルダの内部に設けられ入射面に対して光学軸が２５度
    〜６５度の角度αをなす複屈折性結晶と、複屈折性結晶
    によって分離された常光線、異常光線の何れかをコアに
    入射させる光ファイバと、発光素子とレンズの間または
    発光素子と複屈折性結晶の間に設けられるピンホ−ルと
    を含み、レンズの有効面積が発光素子の中心点に張る立
    体角ｄω₁ の方が、ピンホ−ルの開口部が発光素子の中
    心点に張る立体角ｄω₂ より大きいようにしてある光源
    モジュ−ルと、光源モジュ−ルの光ファイバから出た光
    を２分する分岐合流素子と、ファイバを多数回巻き回し
    て成り両端が前記分岐合流素子に接続されるファイバコ
    イルとを含み、光源の発光素子から出射された光をピン
    ホ−ルで制限して複屈折性結晶に通し、一定偏波面の異
    常光線または常光線のみを光ファイバに入射し、光ファ
    イバに入った光を分岐合流素子によって２つに分岐し、
    ファイバコイルの両端に分岐光を結合し、ファイバコイ
    ルを右廻り光、左廻り光として伝搬させ、これらの光を
    分岐合流素子により合一させ複屈折性結晶を通して、偏
    波面を一定にしてから光源に戻るようにし、この戻り光
    の強度を光源に設けたモニタ用の受光素子で検出するこ
    とによって、右廻り光、左廻り光の位相差を求め、ファ
    イバコイルの回転角速度を検出することを特徴とする光
    ファイバジャイロ。
13. 【請求項１３】 レンズホルダと、レンズホルダの内部
    に設けられキャップで覆われ可干渉性を有し単色または
    準単色光を発生する発光素子と、発光素子の光をモニタ
    するモニタ用の受光素子とを含む光源と、レンズホルダ
    の内部に設けられ発光素子より出射された光を集光する
    レンズと、レンズホルダの内部に設けられ入射面に対し
    て光学軸が２５度〜６５度の角度αをなす複屈折性結晶
    と、複屈折性結晶によって分離された常光線、異常光線
    の何れかをコアに入射させる光ファイバと、発光素子の
    キャップの開口部に設けたピンホ−ルとを含み、レンズ
    の有効面積が発光素子の中心点に張る立体角ｄω₁ の方
    が、ピンホ−ルの開口部が発光素子の中心点に張る立体
    角ｄω₂ より大きいようにしてある光源モジュ−ルと、
    光源モジュ−ルの光ファイバから出た光を２分する分岐
    合流素子と、ファイバを多数回巻き回して成り両端が前
    記分岐合流素子に接続されるファイバコイルとを含み、
    光源の発光素子から出射された光をキャップのピンホ−
    ルで制限して複屈折性結晶に通し、一定偏波面の異常光
    線または常光線のみを光ファイバに入射し、光ファイバ
    に入った光を分岐合流素子によって２つに分岐し、ファ
    イバコイルの両端に分岐光を結合し、ファイバコイルを
    右廻り光、左廻り光として伝搬させ、これらの光を分岐
    合流素子により合一させ複屈折性結晶を通して、偏波面
    を一定にしてから光源に戻るようにし、この戻り光の強
    度を光源に設けたモニタ用の受光素子で検出することに
    よって、右廻り光、左廻り光の位相差を求め、ファイバ
    コイルの回転角速度を検出することを特徴とする光ファ
    イバジャイロ。
14. 【請求項１４】 レンズホルダと、レンズホルダの内部
    に設けられ可干渉性を有し単色または準単色光を発生す
    る発光素子と、レンズホルダの内部に設けられ発光素子
    より出射された光を集光するレンズと、レンズホルダの
    内部に設けられ入射面に対して光学軸が２５度〜６５度
    の角度αをなす複屈折性結晶と、複屈折性結晶によって
    分離された常光線、異常光線の何れかをコアに入射させ
    る光ファイバとを含み、レンズの周辺部の非有効部分が
    発光素子の発生する光に対して非透過非反射処理を行っ
    たものである光源モジュ−ルと、光源モジュ−ルの光フ
    ァイバから出た光を２分する分岐合流素子と、ファイバ
    を多数回巻き回して成り両端が前記分岐合流素子に接続
    されるファイバコイルとを含み、光源の発光素子から出
    射された光をレンズの非透過非反射処理部で制限して複
    屈折性結晶に通し、一定偏波面の異常光線または常光線
    のみを光ファイバに入射し、光ファイバに入った光を分
    岐合流素子によって２つに分岐し、ファイバコイルの両
    端に分岐光を結合し、ファイバコイルを右廻り光、左廻
    り光として伝搬させ、これらの光を分岐合流素子により
    合一させ複屈折性結晶を通して、偏波面を一定にしてか
    ら光源に戻るようにし、この戻り光の強度を光源に設け
    たモニタ用の受光素子で検出することによって、右廻り
    光、左廻り光の位相差を求め、ファイバコイルの回転角
    速度を検出することを特徴とする光ファイバジャイロ。
15. 【請求項１５】 レンズホルダと、レンズホルダの内部
    に設けられキャップで覆われ可干渉性を有し単色または
    準単色光を発生する発光素子と、レンズホルダの内部に
    設けられ発光素子より出射された光を集光するレンズ
    と、レンズホルダの内部に設けられ入射面に対して光学
    軸が２５度〜６５度の角度αをなす複屈折性結晶と、複
    屈折性結晶によって分離された常光線、異常光線の何れ
    かをコアに入射させる光ファイバと、発光素子とレンズ
    の間または発光素子と複屈折性結晶の間に設けられるピ
    ンホ−ルとを含み、レンズの有効面積が発光素子の中心
    点に張る立体角ｄω₁ の方が、ピンホ−ルの開口部が発
    光素子の中心点に張る立体角ｄω₂ より大きいようにし
    てあり、かつキャップの内面の少なくとも発光素子に対
    向する部分が無反射処理されている光源モジュ−ルと、
    光源モジュ−ルの光ファイバから出た光を２分する分岐
    合流素子と、ファイバを多数回巻き回して成り両端が前
    記分岐合流素子に接続されるファイバコイルとを含み、
    光源の発光素子から出射された光をピンホ−ルによって
    制限して複屈折性結晶に通し、一定偏波面の異常光線ま
    たは常光線のみを光ファイバに入射し、光ファイバに入
    った光を分岐合流素子によって２つに分岐し、ファイバ
    コイルの両端に分岐光を結合し、ファイバコイルを右廻
    り光、左廻り光として伝搬させ、これらの光を分岐合流
    素子により合一させ複屈折性結晶を通して、偏波面を一
    定にしてから光源に戻るようにし、この戻り光の強度を
    光源に設けたモニタ用の受光素子で検出することによっ
    て、右廻り光、左廻り光の位相差を求め、ファイバコイ
    ルの回転角速度を検出することを特徴とする光ファイバ
    ジャイロ。