JPH1096838A - 複合光デバイス - Google Patents

複合光デバイス

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JPH1096838A
JPH1096838A JP26945596A JP26945596A JPH1096838A JP H1096838 A JPH1096838 A JP H1096838A JP 26945596 A JP26945596 A JP 26945596A JP 26945596 A JP26945596 A JP 26945596A JP H1096838 A JPH1096838 A JP H1096838A
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JP
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light
beam splitter
optical waveguide
polarization
emitting element
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JP26945596A
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Yasuhiro Yasuma
康浩 安間
Yoichi Suzuki
洋一 鈴木
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FDK Corp
Original Assignee
FDK Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 原理的に光バワー損失の無い光学系を実現
し、受光素子への入射光量を増大して感度の向上を図
り、また発光素子への戻り光を阻止してノイズの低減
し、全体を小形化し低コスト化できるようにする。 【解決手段】 発光素子12と受光素子14、及び偏光
ビームスプリッタ16とファラデー回転子18とレンズ
20と光導波路素子22を単一の筐体内に組み込んで一
体化する。発光素子からの放射光は空間伝搬し偏光ビー
ムスプリッタを通過してファラデー回転子で回転した直
線偏光が光導波路素子に結合し、逆に光導波路素子から
の戻り光は空間伝搬してファラデー回転子を通り偏光ビ
ームスプリッタで反射して受光素子に結合する。偏光ビ
ームスプリッタと、偏光面を45度回転させるファラデ
ー回転子とによる偏光面の制御により、光導波路素子か
らの戻り光は受光素子のみに結合し、発光素子には結合
しないようにする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、光導波路素子を組
み込むことで空間伝搬型と導波路伝搬型を組み合わせた
複合光デバイスに関し、更に詳しく述べると、発光素子
からの放射光の光路を制御するビームスプリッタに偏光
ビームスプリッタを用い、該偏光ビームスプリッタと光
導波路素子との間に偏光面を45度回転させるファラデ
ー回転子を挿入することで、光導波路素子から発光素子
へ結合する戻り光を無くした複合光デバイスに関するも
のである。この複合光デバイスは、例えば光ファイバジ
ャイロあるいは光伝送システムなどに用いられる。
【0002】
【従来の技術】光ファイバを用いたセンシング技術とし
て、閉じた光ループをそれぞれ逆回りに伝搬した2光波
間に回転に比例した位相差が生じるというサニャック効
果を利用して回転角速度を検出する光ファイバジャイロ
がある。この光ファイバジャイロには幾つかの方式があ
るが、その一つに干渉方式とよばれるものがあり、これ
は、長尺の偏波面保存ファイバ又は単一モード光ファイ
バをコイル状に巻いてセンシングループとし、その中を
逆回りに伝搬した2光波の位相差(サニャックシフト)
を干渉検出する方式である。この位相差を効果的に検出
する技術としては、例えば位相変調法がある。以下、こ
のような方式の光ファイバジャイロに適用した場合を例
にして、本発明について説明する。
【0003】従来のこの種の光ファイバジャイロの基本
構成を図5に示す。光源70からの放射光を3dBカプ
ラ71で2等分配し、一方の光を偏光部72によって直
線偏光化し、光分岐・結合部73で分岐させて、それぞ
れ光ファイバコイル74の両端から入射させる。2等分
配された他方の光は捨てられるか、あるいはモニタ光と
して利用する。光ファイバコイル74を逆回りした光は
光分岐・結合部73で結合し、偏光部72を通り、3d
Bカプラ71で2等分配され、一方が受光器75に入
り、電気的信号として検出される。2等分配された他方
の光は光源70に戻る。光分岐・結合部73と光ファイ
バコイル74との間に位相変調部76を設け、光波に位
相変調をかける。ここで偏光部72と光分岐・結合部7
3と位相変調部73は単一の光導波路基板77に形成さ
れていて、光導波路素子78となっている。
【0004】なお光源70としては一般にスーパルミネ
ッセントダイオード(SLD)が用いられている。これ
は、光ファイバジャイロでは接続部界面での反射光やフ
ァイバコイル内でのレイリー散乱などにより信号光との
間に干渉ノイズが発生し、そのため可干渉距離の短い
(広スペクトル幅)、低コヒーレンス・高輝度である光
源が最適とされるためである。また光導波路基板77と
してはニオブ酸リチウム(LiNbO3 )が用いられて
いる。
【0005】この従来の光ファイバジャイロの例では、
次のような手法でサニャックシフトを検出している。ま
ず、位相変調部76に正弦波発振回路80から正弦波を
印加して変調すると共に、鋸歯状波発生回路81から鋸
歯状波を供給して重畳する。鋸歯状波の振幅を適当な値
に設定すると、その周波数だけ光波周波数をシフトさせ
たのと等価にできる。このようにすると、2つの光導波
路を通る両光は光ファイバコイル74中を異なる周波数
で伝搬することとなり、受光器75では位相差をもつ。
受光器75からの受光信号と正弦波発振回路80からの
参照信号とを用い、デモジュレータ82により、前記の
位相差でサニャックシフトを打ち消すように、上記鋸歯
状波の周波数に帰還をかける。それによって入力回転角
速度に比例した周波数が得られ、それがジャイロ出力と
なる。
【0006】このような構成の光ファイバジャイロ用の
光デバイスは、個別部品が光ファイバによって接続さて
おり、光学系が大型化する。そこで、図6に示すような
構成も提案されている。これは光源90からの放射光を
無偏光ビームスプリッタ(ハーフミラー)91を通して
光導波路素子92に入射させる構成である。無偏光ビー
ムスプリッタ91は、入力する光パワーを半分にして分
岐するものである。また光導波路素子92は、光導波路
基板93に光分岐・結合部94と位相変調部95とを設
けた構成である。なお無偏光ビームスプリッタ91の他
の面に対向して、位相差検出用の受光器96とモニタ用
の受光器97を設ける。光導波路素子92には光ファイ
バコイル98が接続される。
【0007】この構成では、光源90からの放射光は無
偏光ビームスプリッタ91を通り光パワーの半分が光導
波路素子92に結合する。光パワーの残り半分はモニタ
用の受光器97に入る。光導波路素子92への入射光は
光分岐・結合部94で分岐して光ファイバコイル98に
入る。光ファイバコイル98からの戻り光は、光分岐・
結合部94で結合し、無偏光ビームスプリッタ91を通
り光パワーの半分が位相差検出用の受光器96に入り電
気的信号として検出される。残りの半分は光源90に戻
ることになる。
【0008】なお図5及び図6において、順方向(光源
から放射される光の進む方向)の光を実線矢印で示し、
逆方向の光(光ファイバジャイロからの戻り光)を破線
矢印で示す。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】上記の従来技術では、
光源から放射される光パワーを、3dBカプラ71ある
いは無偏光ビームスプリッタ91によって2等分配して
光導波路素子78,92に送り込む。また光導波路素子
78,92からの戻り光は、3dBカプラ71あるいは
無偏光ビームスプリッタ91によって光パワーが2等分
配されて位相差検出用の受光器75,96に入る。従っ
て、原理的に光源70,90から放射した光パワーの1
/4しか位相差検出用の受光器75,96には戻らな
い。また原理的に光源70,90から放射した光パワー
の1/4が光源70,90に戻ってしまう。更に光導波
路素子は比較的光パワーの損失が大きく、現在5dB程
度の減衰が見込まれている。
【0010】位相差検出用の受光器における検出感度
(分解能)を高めるためには、受光器に入る光量を大き
くすることが望まれているが、現状では無駄が多く、単
に光源を高輝度化するだけでは対応できない。また戻り
光に対して耐久性が高く比較的安定なスーパルミネッセ
ントダイオードを光源に用いているにしても、放射光量
の1/4もが半導体光源に戻ることになるため、発振は
不安定となる。例えば、発光スペクトルにファブリペロ
ー共振ピークのような櫛状の成分を多分にもつものは、
反射戻り光(帰還光)に対して耐久性が劣ると言われて
いる。この種の光源では、出射光に対して1%以上の戻
り光に対して不安定性を示し、10%以上では、その発
光機能が生じず、素子破壊が発生する恐れがある。従っ
て、光源を高輝度化すればするほど、この戻り光対策が
重要になり、このことも光源の高輝度化を妨げる要因の
一つとなっている。
【0011】本発明の目的は、原理的に光バワー損失の
無い光学系を実現でき、受光素子への入射光量が増大し
て感度の向上を図ることができるような、複合光デバイ
スを提供することである。本発明の他の目的は、発光素
子への戻り光を阻止してノイズの低減を図り、また発光
素子の高輝度化の障害とならないような、複合光デバイ
スを提供することである。本発明の更に他の目的は、全
体を小形化でき、単一筐体内に組み込むことで低コスト
化できるような、特に光ファイバジャイロ用に適した複
合光デバイスを提供することである。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明は、発光素子と受
光素子、及びビームスプリッタとレンズと光導波路素子
とを具備し、発光素子からの放射光が空間伝搬しビーム
スプリッタを通過してレンズにより光導波路素子に集光
して結合し、逆に光導波路素子からの戻り光が空間伝搬
してビームスプリッタを介して受光素子に結合する複合
光デバイスである。本発明では、前記ビームスプリッタ
として偏光ビームスプリッタを用い、該偏光ビームスプ
リッタと光導波路素子との間に偏光面を45度回転させ
るファラデー回転子を挿入して該ファラデー回転子によ
り回転した直線偏光が光導波路素子の伝搬偏光モードに
一致するように配置し、各部品を単一の筐体内に組み込
んで一体化し、偏光ビームスプリッタとファラデー回転
子による偏光面の制御により、光導波路素子からの戻り
光が受光素子のみに結合し、発光素子には結合しないよ
うに構成した点に特徴がある。ここで「複合光デバイ
ス」とは、空間伝搬型と導波路伝搬型とを複合したモジ
ュールを意味している。
【0013】半導体発光素子からの放射光は一般に楕円
偏光である。従って、本発明では楕円偏光長軸が偏光ビ
ームスプリッタの透過偏光軸に一致するように配置す
る。これによって発光素子からの放射光は、大部分がそ
のまま偏光ビームスプリッタを通過する。透過光は直線
偏光でありファラデー回転子によって偏光面が45度回
転して、光導波路素子に結合する。光導波路素子は、入
射光の偏光面が光導波路素子の機能上必要な伝搬偏光モ
ードに一致するように予め調整しておく。戻り光も直線
偏光であり、ファラデー回転子によって偏光面が逆方向
に45度回転するが、光の進行方向が逆であるため順方
向と逆方向とで合計90度偏光面が回転する。その戻り
光は全て偏光ビームスプリッタで反射されて受光素子に
入るため、発光素子には戻らないことになる。
【0014】
【発明の実施の形態】図1は本発明に係る複合光デバイ
スの一例であり、光ファイバコイルを接続した光ファイ
バジャイロへの適用例を示している。この複合光デバイ
ス10は、発光素子12と位相差検出用の受光素子1
4、偏光ビームスプリッタ16、45度ファラデー回転
子18、レンズ20、及び光導波路素子22等からな
る。これら各部品は単一の筐体内に組み込まれて一体化
されている。そして該光導波路素子22に光ファイバコ
イル24を接続することで、光ファイバジャイロを構成
できる。
【0015】発光素子12としては、例えばスーパルミ
ネッセントダイオード(SLD)を用いる。その出射光
は、楕円偏光特性(代表的な特性は、長軸方向成分に対
する短軸方向成分が−3〜−5dB)を呈する。偏光ビ
ームスプリッタ16は、誘電体多層膜を挾むように2個
の三角プリズムを組み合わせて立方体状としたものであ
る。この偏光ビームスプリッタ16にp偏光が入射する
と、反射成分を全く発生せずに通過する。それに対して
s偏光が入射すると、各層界面で一部が透過し残りが反
射する動作を繰り返し、多層膜の各層はs偏光の各反射
成分が同相で加わるように設定されているため、偏光ビ
ームスプリッタ16で反射される。従って、発光素子1
2から放射される楕円偏光の長軸が偏光ビームスプリッ
タ16の透過偏光軸に一致するように両者の配置関係を
定めることで、大部分の光が透過し低損失化を実現でき
る。なお、発光素子12からの放射光が偏光ビームスプ
リッタ16で反射する方向にモニタ用の受光素子26を
設置しておくことで、発光素子12の動作状態を把握で
きる。位相差検出用あるいはモニタ用の受光素子14,
26としては、例えばフォトダイオードなどを使用す
る。
【0016】ファラデー回転子18は、ファラデー素子
30と永久磁石32との組み合わせからなり、永久磁石
32の磁界がファラデー素子30に作用して、通過する
光の偏光面を45度回転させる。ファラデー素子30と
しては、例えば磁性鉄ガーネット単結晶、磁性半導体、
あるいは常磁性ガラスが使用できる。磁性鉄ガーネット
単結晶は、波長λ=1.0μm以上において透明且つ大
きなファラデー効果を示す。このため小型化を実現でき
る。磁性半導体は、波長λ=0.55〜1.0μmで低
損失且つ大きなベルデ定数をもつ。また常磁性ガラス
は、ガラス中に希土類イオン(Tb3+,Dy3+,Ce3+
など)を含有させたものであり、波長λ=0.4〜1.
0μmで大きなベルデ定数をもつ。従って、複合光デバ
イスの使用波長に合わせて、上記材料から適したものを
使用することになる。
【0017】レンズ20は、ここでは球レンズを示して
いる。球レンズは加工が容易で安価である利点がある。
このレンズ20は、光を集光して、光導波路素子22の
端面に効率よく結合させる機能を果たす。レンズの形式
や種類は任意に選択でき、またその位置や設置個数も必
要に応じて適宜変更してよい。
【0018】次に光導波路素子22は、光導波路基板3
4に、Y型の光分岐・結合部36及び位相変調部38を
設けたものである。ここで位相変調部38は、一方の光
導波路の近傍に設けた正弦波印加電極と、他方の光導波
路の近傍に設けた鋸歯状波印加電極と、共通(若しくは
別々)のアース電極とからなる。なお、位相変調部38
の電極構成は、上記に限らず位相変調方式に応じた構成
とする。光導波路基板34は、例えばニオブ酸リチウ
ム、タンタル酸リチウム、ガラス、あるいは半導体など
からなる。ニオブ酸リチウム及びタンタル酸リチウム
は、電気光学定数が大きく、高速動作が可能で、光導波
路の作製が容易であり、且つ透明性があるといった利点
がある。ガラスは、光導波路の作製が容易で、透明性も
高く、安価である。半導体は、小型化に適し、高速動作
が可能である。従って、基板材料は、これらの利点を考
慮して使用状況に応じて選択することになる。
【0019】図1において、順方向(光源から放射され
る光の進む方向)の光を実線矢印で示し、逆方向の光
(光ファイバジャイロからの戻り光)を破線矢印で示
す。発光素子12からの放射光は偏光ビームスプリッタ
16を透過し(直線偏光)、ファラデー回転子18で偏
光面が45度回転して光導波路基板22に結合し、光分
岐・結合部36で分岐して、それぞれ光ファイバコイル
24の両端から入射する。光ファイバコイル24を逆回
りした光は光分岐・結合部36で結合し、ファラデー回
転子18で偏光面が更に45度回転するため順方向と逆
方向とで偏光面が合計90度異なり、偏光ビームスプリ
ッタ16で全てが反射して受光素子14に入り、電気的
信号として検出される。
【0020】なお受光素子14での検出光により位相差
を検出するシステムは、例えば前記図5に関連して説明
した従来方法と同様であってよい。
【0021】図2は、本発明に係る複合光デバイスの他
の例であり、これも光ファイバコイルを接続した光ファ
イバジャイロへの適用例を示している。この複合光デバ
イスの基本的な構成は、前記図1に示す例とほぼ同様で
あるので、説明を簡略化するために、対応する部分には
同一符号を付す。この例では、発光素子12と偏光ビー
ムスプリッタ16との間に位相板15を挿入している。
ここで位相板15には1/4波長板を用いる。その他、
1/4波長板と1/2波長板の組み合わせであってもよ
い。発光素子12から放射される楕円偏光は、この1/
4波長板を通ることによって直線偏光となり、偏光ビー
ムスプリッタ16に入力する。この直線偏光面と偏光ビ
ームスプリッタ16の透過偏光軸とを合わせておけば、
発光素子12からの放射光の全てのパワーが損失を生じ
ること無く偏光ビームスプリッタ16を通過することに
なる。
【0022】このことは、楕円偏光の短軸成分を除去し
たことを意味し、結果的にモニタ用の出力が得られない
ことになる。適当な光量のモニタ光を得たい場合には、
偏光ビームスプリッタ16に対して前記1/4波長板の
向き(設置角度)、又は1/4波長板と1/2波長板の
向きをずらせばよい。1/4波長板からの直線偏光の偏
光面と偏光ビームスプリッタ16の透過偏光軸とがずれ
ると、そのずれに応じて偏光ビームスプリッタ16で反
射が生じ、それをモニタ光として利用できるようにな
る。つまりモニタ光量の調整が可能となる。
【0023】なお本発明に係る複合光デバイスは、上記
のような方式の光ファイバジャイロのみならず他の方式
の光ファイバジャイロ、あるいは他の戻り光を検出する
必要のある各種の光伝送システム、光計測システムなど
にも適用可能である。
【0024】
【実施例】図3は本発明に係る複合光デバイスの一実施
例を示す水平断面図である。ここでは、単一の筐体40
に全ての部品を組み込んで一体化し、各部品間を空間伝
搬ビームで結合することで、小型化を実現している。ス
ーパルミネッセントダイオードからなる発光素子42と
フォトダイオードからなる受光素子44、モニタ用の受
光素子46を筐体40の壁面を貫通するように固定し、
偏光ビームスプリッタ48とファラデー回転子50と光
導波路素子52を筐体40の内部で支持し一体化する。
ここで偏光ビームスプリッタ48の発光素子42に対向
する面及びファラデー回転子50に対向する面にそれぞ
れ半球状レンズ54,56を接着して一体化する。つま
り偏光ビームスプリッタ48はレンズ付きの構造であ
り、それによってより一層の小型化を図っている。一方
のレンズ54は発光素子42からの放射光を平行光にコ
リメートする機能を果たし、他方のレンズ56はコリメ
ート光を集光して光導波路素子52の端面の所定の位置
で光導波路と結合させる機能を果たす。なお光導波路素
子52は基板材料としてニオブ酸リチウムを使用し、必
要な光導波路や機能素子部を設けている。例えば図1や
図2のような光ファイバジャイロに適用する場合には、
Y型の光分岐・結合部や光変調部などを設けることにな
る。
【0025】図4は本発明に係る複合光デバイスの他の
実施例を示す水平断面図である。これは基本的には前記
図2に対応するものである。発光素子42と偏光ビーム
スプリッタ48との間に1/4波長板58を挿入固定し
た構成である。その他の構成は図3と同様なので、対応
する部品には同一符号を付し、それに付いての説明は省
略する。
【0026】
【発明の効果】本発明は上記のように、偏光ビームスプ
リッタとファラデー回転子を組み合わせているために、
原理的に光パワー損失の無い光学系を構成できる。それ
によって受光光量を大きくできるために感度(分解能)
が向上し、また戻り光が発光素子に入らないためにその
動作が不安定になるのを防止でき、精度がよく且つ信頼
性の高い複合光デバイスが得られる。また各部品間を空
間伝搬ビームで結合することで小型化でき、各部品を単
一の筐体に収めているために全体を一度に気密封止で
き、それらの点でも小型化できるしコスト低減が可能と
なる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を光ファイバジャイロに適用した一例の
概略図。
【図2】本発明を光ファイバジャイロに適用した他の例
の概略図。
【図3】本発明に係る複合光デバイスの一実施例を示す
水平断面図。
【図4】本発明に係る複合光デバイスの他の実施例を示
す水平断面図。
【図5】従来技術の一例を示す概略図。
【図6】従来技術の他の例を示す説明図。
【符号の説明】
10 複合光デバイス 12 発光素子 14 受光素子 16 偏光ビームスプリッタ 18 ファラデー回転子 20 レンズ 22 光導波路素子 24 光ファイバコイル
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI H01L 33/00 G02B 6/12 Z

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 発光素子と受光素子、及びビームスプリ
    ッタとレンズと光導波路素子とを具備し、発光素子から
    の放射光が空間伝搬しビームスプリッタを通過してレン
    ズにより光導波路素子に集光して結合し、逆に光導波路
    素子からの戻り光が空間伝搬してビームスプリッタを介
    して受光素子に結合する光デバイスにおいて、 前記ビームスプリッタとして偏光ビームスプリッタを用
    い、該偏光ビームスプリッタと光導波路素子との間に偏
    光面を45度回転させるファラデー回転子を挿入して該
    ファラデー回転子により回転した直線偏光が光導波路素
    子の伝搬偏光モードに一致するように配置し、各部品を
    単一の筐体内に組み込んで一体化し、偏光ビームスプリ
    ッタとファラデー回転子による偏光面の制御により、光
    導波路素子からの戻り光がビームスプリッタで反射して
    受光素子のみに結合し、発光素子には結合しないように
    したことを特徴とする複合光デバイス。
  2. 【請求項2】 発光素子がスーパルミネッセントダイオ
    ードであり、その放射光の楕円偏光長軸が偏光ビームス
    プリッタの透過偏光軸に一致するように配置した請求項
    1記載の複合光デバイス。
  3. 【請求項3】 発光素子と偏光ビームスプリッタの間に
    位相板を挿入し、発光素子からの放射光を該位相板によ
    りほぼ直線偏光化して偏光ビームスプリッタを通過させ
    る請求項1又は2記載の複合光デバイス。
  4. 【請求項4】 偏光ビームスプリッタに対向してモニタ
    用受光素子を設け、発光素子からの放射光の一部を偏光
    ビームスプリッタを介して入力する請求項1乃至3記載
    の複合光デバイス。
  5. 【請求項5】 発光素子、位相板、又は偏光ビームスプ
    リッタの向きを調整して、発光素子からの放射光の一部
    が偏光ビームスプリッタを介してモニタ用受光素子に結
    合する結合光量を調整する請求項1乃至4記載の複合光
    デバイス。
  6. 【請求項6】 光導波路素子の基板が、ニオブ酸リチウ
    ム基板、タンタル酸リチウム基板、ガラス基板、又は半
    導体基板からなる請求項1乃至5記載の複合光デバイ
    ス。
  7. 【請求項7】 ファラデー回転子は、ファラデー素子と
    永久磁石との組み合わせからなり、該ファラデー素子
    が、磁性鉄ガーネット単結晶、常磁性ガラス、又は磁性
    半導体からなる請求項1乃至6記載の複合光デバイス。
  8. 【請求項8】 光導波路素子は、光導波路基板に形成し
    た光分岐・結合部と位相変調部を具備し、該光導波路素
    子に光ファイバコイルが接続される光ファイバジャイロ
    用である請求項1乃至7記載の複合光デバイス。
JP26945596A 1996-09-19 1996-09-19 複合光デバイス Pending JPH1096838A (ja)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008095609A1 (en) * 2007-02-06 2008-08-14 Bayer Innovation Gmbh Phase modulator system comprising a beam splitter and a linear polarisation mode phase modulator and method for separating a light beam travelling toward and reflected back from such a phase modulator
JP2010078591A (ja) * 2008-09-24 2010-04-08 Honeywell Internatl Inc バイアスが低減した光ファイバジャイロスコープ

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