JPH09133895A - 光サーキュレータおよび光スイッチ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 安価で小型で製作容易な偏光ビームスプリッ
タを用いて低損失かつ高アイソレーションとなる光サー
キュレータを提供すること 【解決手段】 ３個の各端子ユニット１２−１，１２−
２，１２−３のビームスプリッタ６の上底面が光の入出
力ポートとなる。第１の大型複合偏光ビームスプリッタ
１６−１の上底面には第１の端子ユニット１２−１が結
合され、第２の大型複合偏光ビームスプリッタ１６−２
の上底面には第２の端子ユニット１２−２が結合され、
第３の大型複合偏光ビームスプリッタ１６−３の下底面
の平行四辺形プリズム部には第３の端子ユニット１２−
３が結合され、これら第１と第３の大型複合偏光ビーム
スプリッタと第２の大型複合偏光ビームスプリッタの間
に大型の非相反旋光子２０が挟み込まれている

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光通信システムな
どに用いられる３ポートの光サーキュレータに関する。
また、光サーキュレータを応用した光スイッチにも関す
る。

【０００２】

【従来の技術】光サーキュレータとしては特開平５−６
１００１号公報や特開平５−３４６３３号公報に記載さ
れた構成が代表的である。これは非相反旋光子の両側に
複屈折結晶を備え、この２個の複屈折結晶のそれぞれ２
個の端子モジュールを結合して４ポート回路としてい
る。

【０００３】ここでは２個の複屈折結晶による常光と異
常光の光路を分離する機能と、非相反旋光子の非相反性
を組み合わせることで、ポート１の入力光がポート２か
ら出力し、ポート２の入力光がポート３から出力し、ポ
ート３の入力光がポート４から出力し、ポート４の入力
光がポート１から出力する、という光サーキュレータの
機能を実現している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の光サーキュレー
タでは常光・異常光の分離する偏光分離素子として複屈
折結晶板を用いているために、常光ビームと異常光ビー
ムの分離距離を充分に大きくするためには複屈折結晶板
の厚みを相当大きくしなければならず、そのために光サ
ーキュレータが大型で高価になるという問題があった。
複屈折結晶板として例えばルチル単結晶を用いる場合、
その最大分離距離に対する厚みの比は約１：１０なの
で、１０ミリメートルの分離距離を確保しようとするな
らば、結晶板の厚みは１００ミリメートル必要となる。

【０００５】また、常光ビームと異常光ビームの分離距
離が複屈折結晶板への入射角度によって変化する特性の
ために、複屈折結晶板と入出力ポートとの機械的な配置
関係を高精度にし、入射角度を高精度に一定に保つ必要
がある。したがって光サーキュレータの組立・調整が面
倒になる。

【０００６】そこで複屈折結晶を使用せずに、偏光ビー
ムスプリッタを偏光分離手段および光路決定手段として
用いることが考えられる。偏光ビームスプリッタは製作
が容易で安価かつ小型である。しかし偏光ビームスプリ
ッタの消光比があまり高くないことから、従来、このタ
イプで低損失かつ高アイソレーションの光サーキュレー
タを実現することができなかった。

【０００７】本発明は、上記した背景に鑑みてなされた
もので、その目的とするところは、上記した問題を解決
し、安価で小型で製作容易な偏光ビームスプリッタを用
いて低損失かつ高アイソレーションの３ポート光サーキ
ュレータを提供することにある。また、その光サーキュ
レータを応用した高クロストークの光スイッチを提供す
ることも目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ため、本発明に係る３ポート光サーキュレータでは、直
角二等辺三角プリズムと、狭角が４５度の平行四辺形プ
リズムの一面とで偏光分離膜を挟んで一体化された異な
る寸法形状の台形状の複合偏光ビームスプリッタを所定
数用意する。

【０００９】また、直線偏光が１つの面からもう１つの
面へ通過する際に偏光方位を９０度回転させるが、それ
と逆方向へ通過する際にその偏光方位を回転させないよ
うにした非相反旋光子を複数用意する。そして、上記し
た各素子を以下に示す要件〜を満足するように配置
した。

【００１０】３個の各端子ユニットは、小型の複合偏
光ビームスプリッタの下底面の三角プリズム部と平行四
辺形プリズム部に互いに表裏を逆にした小型の非相反旋
光子が並列に配置されたものであり、各端子ユニットの
前記小型複合偏光ビームスプリッタの上底面が光の入出
力ポートとなる。

【００１１】３個の大型の複合偏光ビームスプリッタ
があり、第１の大型複合偏光ビームスプリッタの上底面
には第１の端子ユニットが結合され、第２の大型複合偏
光ビームスプリッタの上底面には第２の端子ユニットが
結合され、第３の大型複合偏光ビームスプリッタの下底
面の平行四辺形プリズム部には第３の端子ユニットが結
合されている。

【００１２】第１と大型複合偏光ビームスプリッタの
下底面と第３の大型複合偏光ビームスプリッタの上底面
とが面一になるように両者が並列に配置され、これら第
１と第３の大型複合偏光ビームスプリッタの平行四辺形
プリズム部と第２の大型複合偏光ビームスプリッタの下
底面との間に大型の非相反旋光子が挟み込まれている。

【００１３】また、この光サーキュレータの構成におい
て、前記非相反旋光子として電気的手段により非相反性
の方向が切替自在なものを用いることで、１入力・２出
力の光スイッチとして機能することになる。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１は、本発明に係る３ポート光
サーキュレータの実施の形態の一例の構成を示してい
る。同図に示すように、ポート１〜３に対応する３つの
端子ユニット１２−１，１２−２，１２−３を備えると
ともに、その端子ユニット１２−１，１２−２，１２−
３間に配置された３つの大型複合偏光ビームスプリッタ
（以下、大型ＰＢＳとする）１６−１，１６−２，１６
−３と、１つの大型非相反旋光子１９とで構成されてい
る。

【００１５】［各端子ユニット１２の構成］３個の端子
ユニット１２−１，１２−２，１２−３は、基本的には
同一構成のものを用い、その向き等を変えて実装してい
る。従って、各部の説明の際には、それらを区別しない
場合は端子ユニット１２と記す。各端子ユニット１２
は、先端にカップリングレンズ２が付いた光ファイバ１
と、小型複合偏光ビームスプリッタ（以下、小型ＰＢＳ
とする）６と、表裏逆特性の２つの系を含んだ小型非相
反旋光子１１とで構成されている。

【００１６】各小型ＰＢＳ６は、直角二等辺三角プリズ
ム３と、狭角が４５度の平行四辺形プリズム４の一面と
で偏光分離膜５を挟んで一体化された片台形に形成され
ている。その小型ＰＢＳ６の上底面に光ファイバ１のレ
ンズ２が結合され、小型ＰＢＳ６の下底面に小型非相反
旋光子１１が近接配置されている。

【００１７】小型非相反旋光子１１は、小型ＰＢＳ６の
下底面に並列に配置された２つの１／２波長板７，８
と、両１／２波長板７，８に積層配置された４５度ファ
ラデー回転子９と、このファラデー回転子９を厚み方向
に磁気飽和させる永久磁石１０とからなる。小型ＰＢＳ
６の下底面に並列に配置された２つの１／２波長板７，
８は、互いに表裏が逆の配置になっている。また、１／
２波長板７と８の光学軸は、±２２．５度である。さら
に、ファラデー回転子９は、順方向の入射偏光の方位を
反時計方向に４５度回転させる。

【００１８】［３個の端子ユニットと他の構成要素の関
係］３個の大型ＰＢＳ１６−１，１６−２，１６−３に
ついても、上記した端子ユニット１２−１，１２−２，
１２−３と同様にそれらを区別しない場合は大型ＰＢＳ
１６と記す。大型ＰＢＳ１６は、直角二等辺三角プリズ
ム１３と、狭角が４５度の平行四辺形プリズム１４の一
面とで偏光分離膜１５を挟んで一体化された台形をなす
ものである。ポート１の端子ユニット１２−１は大型Ｐ
ＢＳ１６−１の上底面の平行四辺形プリズム１４に結合
され、ポート１の端子ユニット１２−２は大型ＰＢＳ１
６−２の上底面の平行四辺形プリズム１４に結合され、
ポート３の端子ユニット１２−３は大型ＰＢＳ１６−３
の下底面の平行四辺形プリズム１４に結合されている。

【００１９】大型ＰＢＳ１６−１，１６−３は並んで配
置され、大型ＰＢＳ１６−１の下底面と大型ＰＢＳ１６
−３の上底面とが面一になっている。この面一になって
いる２個の大型ＰＢＳ１６−１，１６−３の底面におけ
る両平行四辺形プリズム１４と、もう１つの大型ＰＢＳ
１６−２の下底面との間に大型非相反旋光子２０が挟み
込まれている。

【００２０】大型非相反旋光子２０は、１／２波長板１
７と、４５度ファラデー回転子１８と、ファラデー回転
子１８を厚み方向に磁気飽和させる永久磁石１９とから
構成される。そして１／２波長板１７は、大型ＰＢＳ１
６−１，１６−３からの入力方向から見て光学軸方位は
−２２．５度である。また，ファラデー回転子１８は、
入力方向から見て入射偏光の方位を反時計方向に４５度
回転させる。

【００２１】次に、上記した構成の光サーキュレータの
動作原理、すなわち、順方向と逆方向の光路について説
明する。

【００２２】［ポート１からポート２への光路］この順
方向の光路を図２に示している。ポート１の端子ユニッ
ト１２−１において、図外の光ファイバからの出射光線
がレンズでコリメートされ、小型ＰＢＳ６に入射し、偏
光分離膜５でＰ偏光とＳ偏光に分離される。Ｐ偏光成分
は偏光分離膜５を透過し、Ｓ偏光成分は偏光分離膜５で
反射して平行四辺形プリズム４でも反射する。その結
果、Ｐ偏光とＳ偏光は小型ＰＢＳ６から平行に出射す
る。

【００２３】Ｐ偏光方位は０度であり、１／２波長板７
の光学軸方位は２２．５度であるから、Ｐ偏光成分は１
／２波長板７を通過して偏光方位は４５度となり、さら
にファラデー回転子９で反時計方向に４５度回転するの
で偏光方位は９０度となり、ＰＢＳ６側から見てＳ偏光
に変換されたことになる。

【００２４】一方、Ｓ偏光方位は９０度であり、１／２
波長板８の光学軸方向は−２２．５度であるから、Ｓ偏
光成分は１／２波長板８を通過して偏光方位は４５度と
なり、さらにファラデー回転子９で反時計方向に４５度
回転するので偏光方位は９０度となり、ＰＢＳ６側から
見てＳ偏光のままである。

【００２５】したがって、端子ユニット１２−１の非相
反旋光子１１からは２本のＳ偏光の光線として出射さ
れ、大型ＰＢＳ１６−１において偏光分離膜１５と平行
四辺形プリズム１４の間で反射を繰り返し、大型非相反
旋光子２０に至る。この２本のＳ偏光の光線の偏光方位
は９０度であり、１／２波長板１７の光学軸方向は−２
２．５度であるから、Ｓ偏光成分は１／２波長板１７を
通過して偏光方位は４５度となり、さらにファラデー回
転子１８で反時計方向に４５度回転するので偏光方位は
９０度となり、２本のＳ偏光の光線として大型ＰＢＳ１
６−２に達する。

【００２６】大型ＰＢＳ１６−２において、前記のＳ偏
光は偏光分離膜１５と平行四辺形プリズム１４の間で反
射を繰り返し、端子ユニット１２−２におけるファラデ
ー回転子９に達する。端子ユニット１２−２において、
ファラデー回転子９では出力方向から見ているので、前
記のＳ偏光は時計方向に４５度回転するため、その偏光
方位は４５度となる。そして、１／２波長板８の光学軸
方向は、出力方向から見ると−２２．５度であるから、
１／２波長板８を通過した成分の偏光方位は９０度とな
り、Ｓ偏光として小型ＰＢＳ６の偏光分離膜５と平行四
辺形プリズム４との間で反射する。

【００２７】逆に、１／２波長板７の光学軸方向は出力
方向から見ると２２．５度であるから、１／２波長板７
を通過した成分の偏光方位は０度となり、Ｐ偏光として
偏光分離膜５を透過する。したがってＳ偏光とＰ偏光は
１本の光線に合成され、レンズを介してポート２の光フ
ァイバに集光される。

【００２８】［ポート２からポート３への光路］この順
方向の光路を図３に示している。ポート２の端子ユニッ
ト１２−２において、光ファイバ１端のレンズ２からの
入力光は小型ＰＢＳ６で偏光分離され、非相反旋光子１
１で２本のＰ偏光にされ、大型ＰＢＳ１６−２を透過・
直進し、大型非相反旋光子２０でＳ偏光に変換され、大
型ＰＢＳ１６−３に入射する。大型ＰＢＳ１６−３にお
いて、前記のＳ偏光は偏光分離膜１５と平行四辺形プリ
ズム１４の間で反射を繰り返し、端子ユニット１２−３
の小型非相反旋光子１１に向けて出射する。この非相反
旋光子１１を通過して２本の直交偏光になり、つぎの小
型ＰＢＳ６で合成されて、ポート３のレンズ２・光ファ
イバ１に達する。

【００２９】［ポート２からポート１への漏れ光］ポー
ト２からの入力光について、端子ユニット１２−２のＰ
ＢＳ６と非相反旋光子１１で生じる漏れ光の経路を図４
に示している。ＰＢＳ６の消光比の限界と非相反旋光子
１１の回転不良による漏れ光は、Ｓ偏光として大型ＰＢ
Ｓ１６−２で反射を繰り返し、大型非相反旋光子２０で
Ｐ偏光に変換され、大型ＰＢＳ１６−１に入射する。そ
して、平行四辺形プリズム１４で反射し、偏光分離膜１
５を透過するので、ポート１の光ファイバ１には達しな
い。

【００３０】またポート２からの入力光について、大型
ＰＢＳ１６−２で生じる漏れ光の経路を図５に示してい
る。つまり、大型ＰＢＳ１６−２の消光比の限界により
反射するＰ偏光は、平行四辺形プリズム１４で反射し、
大型非相反旋光子２０でＳ偏光に変換され、大型ＰＢＳ
１６−１の平行四辺形プリズム１４で反射を繰り返し、
端子ユニット１２−１の小型非相反旋光子１１で直交偏
光に変換されて小型ＰＢＳ６で合成されるが、直交方向
に進行するので、ポート１の光ファイバ１には達しな
い。

【００３１】［ポート３からポート２への漏れ光］ポー
ト３からの入力光について、端子ユニット１２−３の小
型ＰＢＳ６と小型非相反旋光子１１で生じる漏れ光の経
路を図６に示している。ＰＢＳ６の消光比の限界と非相
反旋光子１１の回転不良による漏れ光は、Ｓ偏光として
大型ＰＢＳ１６−３の平行四辺形プリズム１４で反射を
繰り返し、大型非相反旋光子２０を通過するが回転は起
こさず、大型ＰＢＳ１６−２に入射し、その偏光分離膜
１５で反射するので、ポート２の光ファイバには達しな
い。

【００３２】またポート３からの入力光について、大型
ＰＢＳ１６−３で生じる漏れ光の経路を図７に示してい
る。つまり、大型ＰＢＳ１６−３の消光比の限界により
反射するＰ偏光は、平行四辺形プリズム１４で反射し、
大型非相反旋光子２０を通過するが回転は起こさず、大
型ＰＢＳ１６−２の偏光分離膜１５を透過し、端子ユニ
ット１２−２の小型非相反旋光子１１で直交偏光に変換
され、小型ＰＢＳ６で合成されるが直交方向に進行する
ので、ポート２の光ファイバには達しない。

【００３３】以上の結果、例えばＰＢＳの消光比や非相
反旋光子の回転誤差による漏れ光を３０ｄＢとすると、
ポート３→２→１の逆方向のアイソレーションは６０ｄ
Ｂとなり、充分に高いアイソレーションを実現できるこ
とになる。

【００３４】［光スイッチへの応用］図１に示した構成
の光サーキュレータにおいて、前述の各非相反旋光子と
して電気的手段により非相反性の方向が切替自在なもの
を用いることで、ポート１→２→３と光が伝搬する状態
と、ポート３→２→１と光が伝搬する状態とを切り替え
ることができる。つまり光スイッチとして利用できる。

【００３５】

【発明の効果】本発明では複屈折結晶を使用せずに、偏
光ビームスプリッタを偏光分離手段および光路決定手段
として用いているので、製作が容易で安価であり、しか
も分離距離を充分に大きくとっても小型の偏光ビームス
プリッタで済む。また偏光ビームスプリッタの消光比が
あまり高くないことから、従来、このタイプで低損失か
つ高アイソレーションの光サーキュレータを実現するこ
とができなかったが、本発明の構成によれば消光比や回
転誤差によって生じる漏れ光が他のポートに達しないの
で高いアイソレーションを実現できる。また、偏光ビー
ムスプリッタの通過後の分離距離は入射角度に依存しな
いので、各構成要素の組立・調整が容易である。

【００３６】また本発明によれば、前記の利点をそのま
ま有する（製作容易・調整容易・安価・小型・高クロス
トーク）の光スイッチを実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る光サーキュレータの実施の形態の
一例を示す構成図である。

【図２】図１に示す光サーキュレータの作用説明図であ
る。

【図３】図１に示す光サーキュレータの作用説明図であ
る。

【図４】図１に示す光サーキュレータの作用説明図であ
る。

【図５】図１に示す光サーキュレータの作用説明図であ
る。

【図６】図１に示す光サーキュレータの作用説明図であ
る。

【図７】図１に示す光サーキュレータの作用説明図であ
る。

【符号の説明】

１ 光ファイバ ２ カップリングレンズ ３ 直角三角形プリズム ４ 平行四辺形プリズム ５ 偏光分離膜 ６ 小型複合偏光ビームスプリッタ ７，８ １／２波長板 ９ ファラデー回転子 １０ 永久磁石 １１ 小型非相反旋光子 １２−１，１２−２，１２−３ 端子ユニット １３ 直角三角形プリズム １４ 平行四辺形プリズム １５ 偏光分離膜 １６−１，１６−２，１６−３ 大型複合偏光ビームス
プリッタ １７ １／２波長板 １８ ファラデー回転子 １９ 永久磁石 ２０ 大型非相反旋光子

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直角二等辺三角プリズムと、狭角が４５
   度の平行四辺形プリズムの一面とで偏光分離膜を挟んで
   一体化された異なる寸法の台形状の複合偏光ビームスプ
   リッタを所定数用意し、 直線偏光が１つの面からもう１つの面へ通過する際に偏
   光方位を９０度回転させるが、それと逆方向へ通過する
   際にその偏光方位を回転させないようにした非相反旋光
   子を複数用意し、 ３個の各端子ユニット（１２−１，１２−２，１２−
   ３）は、小型の複合偏光ビームスプリッタ（６）の下底
   面の三角プリズム部（３）と平行四辺形プリズム部
   （４）に互いに表裏を逆にした小型の非相反旋光子（１
   １）が並列に配置されたものであり、各端子ユニットの
   前記小型複合偏光ビームスプリッタ（６）の上底面が光
   の入出力ポートとなり、 ３個の大型の複合偏光ビームスプリッタ（１６−１，１
   ６−２，１６−３）があり、第１の大型複合偏光ビーム
   スプリッタ（１６−１）の上底面には第１の端子ユニッ
   ト（１２−１）が結合され、第２の大型複合偏光ビーム
   スプリッタ（１６−２）の上底面には第２の端子ユニッ
   ト（１２−２）が結合され、第３の大型複合偏光ビーム
   スプリッタ（１６−３）の下底面の平行四辺形プリズム
   部には第３の端子ユニット（１２−３）が結合され、 第１と大型複合偏光ビームスプリッタ（１６−１）の下
   底面と第３の大型複合偏光ビームスプリッタ（１６−
   ３）の上底面とが面一になるように両者が並列に配置さ
   れ、これら第１と第３の大型複合偏光ビームスプリッタ
   の平行四辺形プリズム部と第２の大型複合偏光ビームス
   プリッタ（１６−２）の下底面との間に大型の非相反旋
   光子（２０）が挟み込まれていることを特徴とする光サ
   ーキュレータ。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の光サーキュレータの構
   成において、前記非相反旋光子として電気的手段により
   非相反性の方向が切替自在なものを用いたことを特徴と
   する光スイッチ。