JPH10293228A - 入力光の二直交偏光状態分裂用光学装置 - Google Patents

入力光の二直交偏光状態分裂用光学装置

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JPH10293228A
JPH10293228A JP10040619A JP4061998A JPH10293228A JP H10293228 A JPH10293228 A JP H10293228A JP 10040619 A JP10040619 A JP 10040619A JP 4061998 A JP4061998 A JP 4061998A JP H10293228 A JPH10293228 A JP H10293228A
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polarization
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Yihao Cheng
チェン イーハオ
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JDS Fitel Inc
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 入力光の二直交偏光状態分裂用光学装置に関
し、入力光ファイバと複屈折結晶との間で結合する屈折
率分布型レンズの使用を必要とせず且つ短い結晶を使用
することによって大きなコスト節約を行うことを目的と
する。 【解決手段】小さな開口数（ＮＡ）をもつ光ファイバと
短い複屈折結晶とを光学的に結合した偏光ビームスプリ
ッタを提供し、該複屈折結晶は光ファイバの出力端での
開口数よりも大きなビーム移動角度をもつように構成す
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、入力光の二直交偏
光状態分裂用光学装置に関する。従来の偏光ビームスプ
リッタは、多数の光学的応用に使用されている。これら
の装置はｓ偏光光線及びｐ偏光光線を分離する機能を遂
行する。偏光ビームスプリッタは本来ありふれた光学要
素であり、現在、光学機器、レーザ、電子−光学ディス
プレイ、光学記録に、及び、他の光学要素の構成に広く
用いられている。
【０００２】偏光ビームスプリッタの動作を記述するた
めに用いるいくつかのパラメータがある。これらのパラ
メータは、偏光ビームスプリッタが有効な波長範囲、偏
光子又は偏光ビームスプリッタが有効となる入射光の角
度フィールド、及び、偏光ビームスプリッタを光が通過
した後の希望しない偏光光線に対する希望する偏光光線
の消光比である。
【０００３】通常利用できる偏光ビームスプリッタは、
種々の物理的原理に基づくいくつかのタイプに分けられ
る。例えば、積層板偏光子、反射偏光子、ポラロイド偏
光子、複屈折結晶による偏光子、金属グリッド偏光子及
び薄膜干渉偏光子がある。
【０００４】本発明は、広い帯域の波長及び広い範囲の
角度に渡って良く機能する複屈折結晶を用いた偏光ビー
ムスプリッタ（ＰＢＳ）に関する。通常これらの偏光ビ
ームスプリッタは、複屈折プリズムを有する。該プリズ
ムの光学軸は、常光線（一方向に偏光）に対する１軸に
沿ってより低い屈折率が存在し且つ異常光線（他方向に
偏光）に対する他の軸に沿ってより高い屈折率が存在す
るようなもの、又はその逆となるようなものである。
【０００５】そのため、非常に高い消光比が達成され
る。このような偏光ビームスプリッタ用の多数の種々の
配列が存在する。しかしながら、この型の偏光ビームス
プリッタは一般に比較的高価である。さらに、それら
は、複屈折結晶部材の限られた入手可能性のために、大
きなサイズでは製造されない。
【０００６】
【従来の技術】図１は、未知の偏光状態（単数又は複
数）にある入力光線を２つの光線、又は異常光線（ｅ光
線）及び常光線（ｏ光線）と呼ばれる光線に分裂させる
ための光学素子の従来技術に係る配列を示す。もちろ
ん、これらの光線は２つの略平行光化された直交偏光光
線からなる複数の光線である。約１０μｍのコアをもつ
標準の通信用光ファイバ１２は、光ファイバ１２の入力
端に発進された入力光線を平行光にするための四分の一
ピッチの平行光化用の屈折率分布型レンズ（ＧＲＩＮ）
１４と結合している。該レンズ１４の平行光端に近接し
て、レンズ１４と結合する端面をもつ結晶という形で複
屈折要素１６がある。
【０００７】未知の偏光状態（単数又は複数）にある単
一光線が、その入力端面で複屈折結晶に入力すると、該
光線は、常光線及び異常光線という、２つの直交する偏
光光線に分裂する。しかしながら、装置が偏光ビームス
プリッタとして役に立つためには、光線は異なった経路
に沿って進むだけでなく、２つの位置で独立にｐ偏光及
びｓ偏光を獲得するために空間的に分離されなければな
らない。
【０００８】例えば、図１（ａ）で、複屈折結晶は屈折
率分布型レンズ１４と結合されていることが示されてい
る。複屈折結晶１６の入力端面に供給された屈折率分布
型レンズの出力光線は約３５０μｍの直径をもつ。通
常、分裂比は約１０対１である。このように、該結晶１
６の出力端で光線を分離するために、３５０μｍの入力
光線の直径が与えられた場合には（１０：１）、その長
さは約３．５ｍｍでなければならない。やはり、また、
結晶の分裂角度は結晶内の屈折率の相違に依存する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】図１（ａ）の配列にお
いて、前記結晶の長さ及び移動角度は、前記出力端１８
での光線が完全に分離することを確実にするのに十分な
角度である。それに対して、略入力光線幅が与えられた
場合には、同じ移動角度を有する図１（ｂ）の該結晶１
６はあまりにも短いので、２つの直交偏光光線を分離す
ることができず、そして端面１８でオーバラップの領域
がある（斜線で示された）。
【００１０】複屈折結晶の端面から出力する光線は、屈
折率分布型レンズ１４から受光した入力光に平行な経路
に沿って出力するので、図１（ｂ）の配列で該結晶１６
の出力端面からの２つの独立した直交偏光光線を獲得す
るのは、光線のオーバーラップのために不可能である。
このように、完全な分離を得るためには十分に長い複屈
折結晶が要求される。大きな複屈折結晶は比較的高価で
ある。
【００１１】単一の複屈折結晶を用いた従来の偏光ビー
ムスプリッタは、前記結晶の前記入力端面での平行光の
供給を必要とするので、平行光を供給するために結晶の
前にレンズが設けられている。この設計は不利になるよ
うに思える。
【００１２】それ故に、本発明の目的は、複屈折結晶を
用いて、従来の偏光ビームスプリッタ設計の不都合のい
くつかを取り除くことである。本発明の別の目的は、比
較的小さい複屈折結晶をのみ必要とする偏光ビームスプ
リッタを供給することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】以上の技術的課題を解決
するために、本発明によると、入力光線を２つの光線、
その一方がｓ偏光光線で他方がｐ偏光光線、に分離する
のに十分な程度の短い長さもつ複屈折結晶を有する偏光
ビームスプリッタが設けられている。該複屈折結晶は、
与えられた波長をもつ入力光に対して該複屈折結晶によ
る分離角度より小さい開口数及び／又は小さい許容角度
をもつ光ファイバと光学的に結合している。
【００１４】本発明によると、入力光の偏光状態分離用
光学装置は、入力端及び予め定めた開口数及び／又は許
容角度をもつ出力端を有する光ファイバと、該光ファイ
バの該出力端と光学的に結合する端面を有する複屈折結
晶とを有し、該複屈折結晶は、該光ファイバの該出力端
での該開口数及び／又は許容角度より大きい光線移動角
度を有するものである。
【００１５】本発明によると、入力光線の偏光状態分離
用光学装置は、入力端及び予め定めた開口数及び／又は
許容角度を有する出力端を有する光ファイバ、該光ファ
イバの該出力端での該開口数及び／又は許容角度よりも
大きい光線移動角度を有し該光ファイバの該出力端と光
学的に結合する端面を有する複屈折結晶、及び、該複屈
折結晶の端面と屈折率分布型レンズとの間に並置された
逆及び非逆回転手段を有する少なくとも３つの装置と、
該屈折率分布型レンズの１つからの光が、他の該屈折率
分布型レンズへ向かって、偏光ビームスプリッタを通過
し又は偏光ビームスプリッタから反射することができる
ように、３つの該装置の間に位置する偏光ビームスプリ
ッタとを有するものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態例が図面とと
もに示されている。光ファイバの開口数（ＮＡ）は、光
ファイバのコアの直径の平方根に逆比例する。より大き
なＮＡの結果は、出力する出力光線のより大きな角の分
岐である。小さなＮＡ又は許容角度をもつ光ファイバを
供給する１つの方法は熱によって光ファイバのコアを膨
張させることである。
【００１７】従来例に係る光線膨張ファイバは、Journa
l of Lightwave Technoloty 巻８のＮｏ８．，１９９０
年８月号の「不純物の熱拡散を用いた光線膨張ファイ
バ」と題する文献に開示されている。上記文献の光線膨
張ファイバは、光ファイバのモード・フィールド径に相
当する基本モードのスポット・サイズが部分的に膨張さ
れるように熱的に拡散された不純物、例えばＧｅによっ
て決定された屈折率をもつコアを有する。また、小さな
ＮＡを有する光ファイバを製造することは、クラッド及
びコアが屈折率において小差となるようなファイバにド
ーピングすることによって達成できる。
【００１８】図２は、短い複屈折結晶１６ａが用いら
れ、２つの偏光出力光線の十分な分離が実現されている
本発明に係る実施の形態を示す。０．０３という小さな
開口数（ＮＡ）及び３５μｍというコアの直径をもつ入
力光ファイバ１２ａが、前記入力端面から前記出力端面
まで５００μｍよりやや大きい厚さの短い複屈折結晶１
６ａと光学的に結合している。
【００１９】前記光ファイバ１２ａの前記出力端面は、
膨張したモード・フィールド及びこのように小さなＮＡ
を有する。図３のグラフは、本実施の形態の出力応答を
示す。点線は前記短いルチル結晶を通過する際に前記入
力光ファイバ内で生じた光線の径を、結晶の厚さの関数
として示す。そのグラフの実線は前記結晶の厚さの関数
として光線分離の変化を示す。点線と実線とが交差する
交差点の右までのグラフに沿った点については、十分な
分離をもたらす。
【００２０】それに対して、図４は、ルチル結晶と光学
的に同様に結合した０．１というＮＡをもつ標準の通信
光ファイバ用のルチル結晶の厚さに対する光線の直径及
び光線分離のグラフを示す。該グラフの該点線の傾斜は
該実線の傾斜よりも大きいので、２つの直交偏光光線の
分離は達成されない。このように、ルチル複屈折結晶の
厚さとは無関係に、該結晶を通して伝播する光線は相互
に重複する。
【００２１】図５は、本発明の実施の形態に係るルチル
結晶の厚さに対する光線の径及び光線の分離のグラフを
示す。該実施の形態では、熱的に膨張したコアをもつ光
ファイバは、図３で例示されたような前記ルチル結晶と
直接的に結合した膨張モード・フィールドを有する端部
をもつ。前記出力の応答は図３の応答に似ているが、し
かしながら、光ファイバのＮＡは０．０５であり、熱的
に膨張したコアをもつ光ファイバ（以下、「ＴＥＣファ
イバ」という）のコアの直径は２５μｍである。
【００２２】図６は、ＴＥＣファイバ（ＮＡ＝０．０３
で、コア＝３５μｍ）に対する出力応答を示す。この実
施の形態では、ＹＶＯ結晶が用いられている。これまで
に示し且つ述べてきたような基本的な単位は、複屈折結
晶と結合した小さな開口数をもつ光ファイバ１２ａを有
する。
【００２３】さらに、この実施の形態は、前記光ファイ
バの前記端面と前記結晶との間に屈折率分布型レンズを
必要としない。このレンズのない配列を使用することに
よって、非常に短い複屈折結晶を使用する実用的な装置
が組み立てられる。それによって、コストを非常に削減
できる。この基本的な単位は、さらにいっそう複雑な光
学装置を実現するために他の要素と組み合わされて使用
することができる。
【００２４】例えば、図７を見ると、複屈折結晶１６ａ
と結合した小さいＮＡをもつ光ファイバ１２ａを各々有
する３つの同一装置をもつ光サーキュレータが示されて
いる。さらに、各装置は、屈折率分布型レンズ１４に並
置した２つの半波長板２０及びファラディ旋光器２２を
有する。各装置の屈折率分布型レンズ１４は光学的に偏
光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）２４と光学的に一直線に
並べられている。
【００２５】この装置の基本的な動作は３ポート光サー
キュレータとしてこの分野での当業者によって良く理解
されるであろう。より大きな複屈折結晶を必要とする従
来のサーキュレータに対し、図示したサーキュレータの
節約費用は大きい。
【００２６】短い複屈折結晶と結合した小さなＮＡをも
つ特別の光ファイバの前記基本的単位を用いた他の光学
装置をもまた想像することができる。図８に、例とし
て、同一の予め定めた偏光状態をもつ２つの光線に分離
し、２つの光線を反射型回折格子に向かって発進するこ
とによって、本質的に偏光と無関係に作動する波長依存
デマルチプレクサ装置が示されている。
【００２７】該装置には、その端部に直接結合された入
力光ファイバ１２ａ及び出力光ファイバ１２ｂを有する
短い複屈折結晶１６ｂが示されている。両光ファイバは
該結晶１６ｂと結合した端面で小さなＮＡをもつ。２つ
の半波長板２０が直接光学的に結晶１６ｂの端面と結合
されている。入射した光の波長に依存する反射率応答を
有する回折格子３３へ光を導き又はそこから光を導くた
めに前記半波長板２０から予め定めた間隔を置いてレン
ズ３２が配置されている。
【００２８】動作においては、未知の偏光状態（単数又
は複数）にある光が入力光ファイバ１２ａに発進され、
該結晶１６ｂによって２つの直交する偏光光線に分離さ
れる。光線が半波長板２０を通過した後に、偏光状態が
同じになるように、その偏光が回転される。そのように
し、且つ正しい偏光を確実にすることが、本質的に装置
の偏光依存性を不必要にする。回折格子から予め定めた
波長の光を戻し、その後、レンズ３２、波長板２０及び
該結晶１６ｂを通過する出力光ファイバへの経路を辿
る。この発明の種々の他の実施の形態が、本発明の精神
及び範囲から逸脱することなく想像ができる。
【００２９】
【発明の効果】以上説明したように、本発明は、複屈折
結晶を用いて、従来の偏光ビームスプリッタ設計の不都
合のいくつかを取り除くことができる。本発明は、比較
的小さい複屈折結晶をのみ必要とする偏光ビームスプリ
ッタを供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】標準の光学素子を用いた偏光ビームスプリッタ
の従来技術に係る配列を示す側面図である。
【図２】図１に示されたものよりも略短い複屈折結晶を
有する本発明の実施の形態に係る偏光ビームスプリッタ
の側面図である。
【図３】本発明に係る熱的膨張コア（ＴＥＣ）光ファイ
バと結合したルチル（金紅石）結晶に対する出力応答を
示すグラフである。点線は結晶の厚さの関数として短い
ルチル結晶を通過する際の光線の径を示し、実線は結晶
の厚さの関数として光線分離の変化を示す。
【図４】工業規格の光ファイバと結合したルチル（金紅
石）結晶に対する出力応答を示す図である。点線は結晶
の厚さの関数として短いルチル結晶を通過する際の光線
の径を示し、実線は結晶の厚さの関数として光線分離の
変化を示す。
【図５】コアの半径が２５μｍで開口数ＮＡ＝０．０５
のＴＥＣファイバが用いられた場合の図３と同様のグラ
フを示す。
【図６】本発明に係り、ＹＶＯ結晶と結合した開口数Ｎ
Ａ＝０．０３及びコア半径が３５μｍをもつＴＥＣファ
イバに対する出力応答を示し、図３と同様のグラフを示
す。
【図７】図２に示した構造を用いた光サーキュレータを
示す本発明に係るブロック図である。
【図８】本発明に係る波長依存性をもつデマルチプレク
サを示すブロック図である。
【符号の説明】
１２ａ…入力光ファイバ １２ｂ…出力光ファイバ １４…屈折率分布型レンズ １６ａ，１６ｂ…複屈折結晶 ２０…半波長板 ２４…ビームスプリッタ ３２…レンズ ３３…回折格子

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 入力端、及び予め定めた開口数及び／又
    は許容角度をもつ出力端を有する光ファイバと、 該光ファイバの該出力端と光学的に結合する端面を有す
    る複屈折部材とを有し、該複屈折部材は該光ファイバの
    該出力端の該開口数及び／又は許容角度よりも大きなビ
    ーム移動角をもつことを特徴とする入力光の二直交偏光
    状態分裂用光学装置。
  2. 【請求項２】 少なくとも、前記光ファイバの前記出力
    端は膨張モード・フィールドをもつことを特徴とする請
    求項１記載の入力光の二直交偏光状態分裂用光学装置。
  3. 【請求項３】 前記光ファイバの前記出力端は、略０．
    １未満の開口数及び／又は許容角度を有することを特徴
    とする請求項１記載の入力光の二直交偏光状態分裂用光
    学装置。
  4. 【請求項４】 前記光ファイバの前記出力端は、０．０
    ７未満の開口数をもつことを特徴とする請求項３記載の
    入力光の二直交偏光状態分裂用光学装置。
  5. 【請求項５】 前記光ファイバの前記出力端は、前記複
    屈折部材の前記端面と直接的に結合することを特徴とす
    る請求項１記載の入力光の二直交偏光状態分裂用光学装
    置。
  6. 【請求項６】 前記光ファイバの前記出力端の出力端面
    は、粘着性の又は屈折率を等しくした物質を介して前記
    複屈折部材の前記端面と直接的に接触し又は略接触する
    ことを特徴とする請求項１に記載の入力光の二直交偏光
    状態分裂用光学装置。
  7. 【請求項７】 前記複屈折部材と光学的に結合する半波
    長板をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の
    入力光の二直交偏光状態分裂用光学装置。
  8. 【請求項８】 前記半波長板と光学的に整列したファラ
    ディ旋光器及び屈折率分布型レンズを有することを特徴
    とする請求項７記載の入力光の二直交偏光状態分裂用光
    学装置。
  9. 【請求項９】ａ） 入力端、及び、予め定めた開口数及
    び／又は許容角度をもつ出力端を有する光ファイバと、
    該光ファイバの該出力端と光学的に結合する端面を有す
    る複屈折部材とを有し、該複屈折部材は、該光ファイバ
    の該出力端での該開口数及び／又は許容角度よりも大き
    いビーム移動角度を有し、該複屈折部材の端面と屈折率
    分布型レンズとの間に並置した偏光回転手段とを各々有
    する少なくとも２つの装置と、 ｂ） ２つの該装置の間に設けた偏光分裂手段とを有
    し、該装置の１つからの光が、他の該屈折率分布型レン
    ズに向かって、該偏光分裂手段を通過し又は該偏光分裂
    手段から反射することができるようにしたことを特徴と
    する入力光の偏光状態分離用光学装置。
  10. 【請求項１０】 入力端、及び、０．０７未満の開口数
    及び／又は許容角度をもつ出力端を有する光ファイバ
    と、該光ファイバの該出力端と光学的に結合する端面を
    有する複屈折部材とを有し、該複屈折部材は、該光ファ
    イバの該出力端での開口数よりも大きい光線移動角度及
    び３ｍｍ未満の長さを有することを特徴とする入力光の
    偏光状態分離用光学装置。
  11. 【請求項１１】 前記複屈折部材の端面からの光を受光
    するために設けられた屈折率分布型レンズを有すること
    を特徴とする請求項１０記載の入力光の偏光状態分離用
    光学装置。
  12. 【請求項１２】 前記屈折率分布型レンズの端面と前記
    複屈折部材の端面との間に設けられた半波長板を有する
    ことを特徴とする請求項１１に記載の入力光の偏光状態
    分離用光学装置。
  13. 【請求項１３】 前記光ファイバの端面が膨張モード・
    フィールドを有することを特徴とする請求項９記載の入
    力光の偏光状態分離用光学装置。
  14. 【請求項１４】 ２光線の偏光を回転するための前記複
    屈折部材の前記出力端と結合する偏光回転手段を有する
    ことを特徴とする請求項１記載の入力光の二直交偏光状
    態分裂用光学装置。
  15. 【請求項１５】 前記偏光回転手段は、２光線の偏光を
    同一とするために回転するためのものであることを特徴
    とする請求項１４に記載の入力光の二直交偏光状態分裂
    用光学装置。
  16. 【請求項１６】 前記偏光回転手段から予め定められた
    間隔を置いて設けられたレンズと、入射光の波長によっ
    て変化する反射率で応答する光学要素とをさらに有する
    ことを特徴とする請求項１５に記載の入力光の二直交偏
    光状態分裂用光学装置。
  17. 【請求項１７】 前記偏光回転手段は、２つの半波長板
    を有することを特徴とする請求項１５に記載の入力光の
    二直交偏光状態分裂用光学装置。
  18. 【請求項１８】 前記偏光回転手段はファラディ旋光器
    を有することを特徴とする請求項１４に記載の入力光の
    二直交偏光状態分裂用光学装置。
  19. 【請求項１９】 前記複屈折部材は結晶であることを特
    徴とする請求項１記載の入力光の二直交偏光状態分裂用
    光学装置。
  20. 【請求項２０】 前記複屈折部材は２つの略平行な端面
    を有することを特徴とする請求項１記載の入力光の二直
    交偏光状態分裂用光学装置。
JP10040619A 1997-02-24 1998-02-23 入力光の二直交偏光状態分裂用光学装置 Pending JPH10293228A (ja)

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