JPS60184225A - Optical fiber type isolator - Google Patents

Optical fiber type isolator

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JPS60184225A
JPS60184225A JP59040174A JP4017484A JPS60184225A JP S60184225 A JPS60184225 A JP S60184225A JP 59040174 A JP59040174 A JP 59040174A JP 4017484 A JP4017484 A JP 4017484A JP S60184225 A JPS60184225 A JP S60184225A
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light
optical
dielectric
core
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彰二郎 川上
Kazuo Shiraishi
和男 白石
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Sumitomo Electric Industries Ltd
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    • G02B6/4209Optical features

Abstract

PURPOSE:To make a large-sized heavy polarizer/analyzer, Farady rotating element, or lens unnecessary to make a device small-sized and light-weight by producing an isolator directly in an optical fiber. CONSTITUTION:A thin Farady rotating element 2 consisting of a bismuth substitution gadolinium iron garnet is interposed between end faces of two optical fibers and is adhered or is inserted to grooves formed on fibers. Dielectric metallic multilayered film polarizers 3 and 3 inclined at 45 deg. to each other are formed on individual optical fibers, and such magnetic field is given that the Farady rotation angle is 45 deg.. After the Farady rotating element 2 and dielectric metallic multilayered film polarizers 3 are formed on the way of optical fibers 1, they are polished in accordance with peripheral faces of fibers. A groove 10 is cut up to a core 8 from the side of the optical fiber 1 consisting of the core 8 and a clad 9. Though the groove 10 is cut with an arch shape, dielectric films 4 and metallic films 5 are formed alternately on a bottom 11 in parallel with the bottom. Many parallel dielectric films and metallic films are formed in this manner to cover the core 9.

Description

【発明の詳細な説明】 (7) 技 術 分 野 この発明は光フアイバ型アイソレータに関する。[Detailed description of the invention] (7) Technique branch The present invention relates to an optical fiber isolator.

光通信システムには光源として、発光ダイオード、レー
ザダイオード等が用いられる。小型で、直接変調できる
々いう利点があるからである。
Light emitting diodes, laser diodes, and the like are used as light sources in optical communication systems. This is because it has the advantages of being small and capable of direct modulation.

レーザダイオードを用いたものは、特に、1%距離大容
阻の伝送に適している。レーザダイオ−1゛は、しかし
、戻り光があると、発振条件が変化し、動作が不安定に
なる、という欠点がある。
A device using a laser diode is particularly suitable for transmission over a distance of 1%. However, the laser diode 1 has a drawback in that the presence of return light changes the oscillation conditions and makes the operation unstable.

そこで、半導体レーザ(レーザダイオード)を光源を用
いる光通信システム・に於ては戻り光をカットするため
光アイソレータを用いる。
Therefore, in an optical communication system using a semiconductor laser (laser diode) as a light source, an optical isolator is used to cut the returning light.

光アイツレ−・夕は、ファラデー回転子を偏光子と検光
子とで挾んだものである。ファラデー回転子は入射して
きた光の偏波面を45°回転するものである。偏光子の
偏光方向と、検光子の偏光方向は45°ずれている。光
アイソレータを順方向に通過する光は、偏光子を通り定
まった偏波面を持つ直線偏光となり、ファラデー回転子
によって45゜偏波面が回転するが、検光子の偏光方向
と合致するから、これを通過する。逆方向に入った光は
逆方向に偏波面が回転し偏光子の偏光方向と直角をなす
ようになるから、偏光子を通り抜ける事ができない。
The optical Eitzleh light beam consists of a Faraday rotator sandwiched between a polarizer and an analyzer. A Faraday rotator rotates the plane of polarization of incident light by 45 degrees. The polarization direction of the polarizer and the polarization direction of the analyzer are shifted by 45 degrees. The light that passes through the optical isolator in the forward direction passes through the polarizer and becomes linearly polarized light with a fixed plane of polarization, and the plane of polarization is rotated by 45° by the Faraday rotator, which matches the polarization direction of the analyzer. pass. Light entering in the opposite direction cannot pass through the polarizer because its plane of polarization rotates in the opposite direction and becomes perpendicular to the polarization direction of the polarizer.

げ) ファラデー回転子 ファラデー回転角は、回転子の長さ表、この長さに沿っ
て与えられる磁場Hの大きさに比例する。
(g) Faraday rotator The Faraday rotation angle is proportional to the length table of the rotor and the magnitude of the magnetic field H applied along this length.

比例定数はベルデ定数と呼ばれる。The proportionality constant is called the Verdet constant.

ベルデ定数の大きい物質で、光に対し透明なものをファ
ラデー回転角に選ばなければならない。
A material with a large Verdet constant and transparent to light must be selected for the Faraday rotation angle.

ファラデー効果のある物質を磁気光学材料と呼ぶ事もあ
る。この材料として、最もよく知られているものはYI
G(イツトリウム、鉄、ガーネット)である。
Materials with the Faraday effect are sometimes called magneto-optical materials. The most well-known material for this material is YI
G (yttrium, iron, garnet).

ベルデ定数は、物質固有の値であるが、透過する光の波
長によって変化する。
The Verdet constant is a value specific to a material, but it changes depending on the wavelength of the light that passes through it.

短波長(0,8μm以下)の光に磁化では、HOYAガ
ラスFR−5が、大きいベルデ定数を持つ事が知られて
いる。この常磁性ガラスを用いた光アイソレータも実用
化されている。
It is known that HOYA glass FR-5 has a large Verdet constant when magnetized by short wavelength light (0.8 μm or less). Optical isolators using this paramagnetic glass have also been put into practical use.

ところが、FR−5ガラスはベルデ定数が、光の波長の
ほぼ2乗に反比例(正確には2.4乗)して変化する。
However, the Verdet constant of FR-5 glass changes in inverse proportion to the square of the wavelength of light (to be exact, to the 2.4th power).

このため長波長(1,3〜1.5μ17+)の光に対し
てはベルデ定数が小さくなりすぎて、光アイソレータと
して使えない。
For this reason, the Verdet constant becomes too small for light with a long wavelength (1.3 to 1.5 .mu.17+), and it cannot be used as an optical isolator.

光ファイバ′の伝送損失や、安定な半導体レーザ(In
P系)が存在するという事がら、長波長帯の光を用いた
光通信システムは特に有望である。従って、この波長域
で有効な光アイソレータが要求される。
Transmission loss of optical fibers and stable semiconductor lasers (In
Optical communication systems using light in the long wavelength band are particularly promising due to the existence of P-type light. Therefore, an optical isolator that is effective in this wavelength range is required.

(つ) YIG光アイソレータ 現在のところ、長波長帯用の光アイソレータとして実際
に製作されているものは、YIGを用いたものだけであ
る。YIG単結晶を成長させ、これを切断した単結晶を
使う事もある。厚膜単結晶を用いる事もある。
(1) YIG optical isolator Currently, the only optical isolator actually manufactured for long wavelength bands is one using YIG. A single crystal obtained by growing a YIG single crystal and cutting it may also be used. A thick film single crystal may also be used.

第1図は公知のYIGファラデー回転素子の斜視図であ
る。薄い基板50の上に、Gd−YIGフイルノ・51
を液相エピタキシャル成長させたものである。光軸52
がGd −YIGフィルム51を面平行に口くようにし
、光軸52に平行な磁界Hを印加する。入射光の偏波面
53が、出射側では45°回転した偏波面54となって
いる。
FIG. 1 is a perspective view of a known YIG Faraday rotation element. On the thin substrate 50, a Gd-YIG filler plate 51 is placed.
was grown by liquid phase epitaxial growth. Optical axis 52
holds the Gd-YIG film 51 parallel to the plane, and applies a magnetic field H parallel to the optical axis 52. The polarization plane 53 of the incident light becomes a polarization plane 54 rotated by 45° on the output side.

第2図はこのYIGファラデー回転素子を使った光アイ
ソレータの拡大断面図である。
FIG. 2 is an enlarged sectional view of an optical isolator using this YIG Faraday rotation element.

Gd −YIGフィルム51を囲むように、円筒形のひ
とつの永久磁石又は複数の磁化方向が平行な永久磁石5
5が配置される。永久磁石550両端而に面するように
強磁性体のヨーク56.56が設けである。ヨーク56
.56の端面の中央には、屈折率分布型レンズ57.5
7が嵌込んである。
One cylindrical permanent magnet or a plurality of permanent magnets 5 whose magnetization directions are parallel to each other so as to surround the Gd-YIG film 51
5 is placed. Ferromagnetic yokes 56 and 56 are provided so as to face both ends of the permanent magnet 550. yoke 56
.. At the center of the end face of 56 is a gradient index lens 57.5.
7 is inserted.

レンズ57.57とYIGフィルム51は同一直線上に
あるようにする。
The lenses 57, 57 and the YIG film 51 are arranged on the same straight line.

これらの部材はハウジング58の中に固定される。屈折
率分布型レンズ57.57の端面には偏光子59、検光
子60が貼り付けである。
These members are secured within housing 58. A polarizer 59 and an analyzer 60 are attached to the end face of the gradient index lens 57.57.

YIGは、波長1μm付近から長波長側で透明であり鳴
ベルデ定数も大きい。45°回転に要する長さは、飽和
磁化において、2〜3MM(λ=1.2〜1.3μm)
程度である。
YIG is transparent at wavelengths from around 1 μm to the long wavelength side, and has a large Naberde constant. The length required for 45° rotation is 2 to 3 MM (λ = 1.2 to 1.3 μm) at saturation magnetization.
That's about it.

第1図、第2図に示すものは、T、 Aoyama 、
 T。
Those shown in FIGS. 1 and 2 are T, Aoyama,
T.

Hibara、 and Y、 0hta、 Ligh
t Waveguide Tech 。
Hibara, and Y, 0hta, Light
t Waveguide Tech.

L T −1、280(1973)に於て提案されたも
のである。
This was proposed in L T-1, 280 (1973).

YIGのファラデー回転素子としての特性は満足できる
としても、この光アイソレータにはふたつの難点がある
Although the characteristics of YIG as a Faraday rotation element are satisfactory, this optical isolator has two drawbacks.

YIGフィルム51はバルク動作するので、これに光を
通すためには、どうしてもレンズが必要である。また、
偏光子、検光子が大きい寸法の素子であって、シングル
モード光ファイバと軸合わせするのが難しい。たとえ光
軸が合致したとしても、光は屈折率の異なる多くの媒質
の中を通ってゆくから、反射による損失が極めて大きい
Since the YIG film 51 operates in bulk, a lens is absolutely necessary to pass light through it. Also,
Polarizers and analyzers are large-sized elements that are difficult to align with single-mode optical fibers. Even if the optical axes match, the light passes through many media with different refractive indexes, so the loss due to reflection is extremely large.

シングルモードファイバは、コア径が5μm程度で極め
て狭いから、シングルモードファイバの端面へ光を入射
させるのは難しい。
Since a single mode fiber has an extremely narrow core diameter of about 5 μm, it is difficult to make light enter the end face of the single mode fiber.

に)問題の所在 光通信に於て、半導体レーザを光源とする時に、戻り光
を遮断するために光アイソレータが要求されている。光
は、光ファイバの中を伝搬する。光源が半導体レーザで
あれば、シングルモード光ファイバを用いる事が多い。
B) Location of the problem In optical communications, when a semiconductor laser is used as a light source, an optical isolator is required to block returning light. Light propagates through optical fibers. If the light source is a semiconductor laser, a single mode optical fiber is often used.

光ファイバと光アイソレータが分離しており、空間が介
在する場合、光は異なる屈折率の媒質間で強く反射され
るから、反射損失が大きくなる。
When the optical fiber and the optical isolator are separated and there is a space between them, light is strongly reflected between media with different refractive indexes, resulting in large reflection losses.

光アイソレータの挿入損失は小さい方が望ましい。It is desirable that the insertion loss of the optical isolator be small.

YIGの屈折率は2.2で、光ファイバの屈折率も約1
.5である。光を空気中(屈折率は1)に出すと、II
fl+合わせが難しいだけでなく、損失が大きい。
The refractive index of YIG is 2.2, and the refractive index of optical fiber is also approximately 1.
.. It is 5. When light is emitted into the air (refractive index is 1), II
Not only is it difficult to match fl+, but the loss is large.

結局、光ファイバに使うアイソレータは単なる光アイソ
レータよりも光フアイバアイソレータが望ましい。
Ultimately, an optical fiber isolator is more desirable than a simple optical isolator as an isolator for use with optical fibers.

光フアイバアイソレータというのは、光ファイバの一部
に作られた光アイソレータといつ事である。光ファイバ
と光アイソレータの間に空気が介在せず、互に接合され
ているものを意味する。
An optical fiber isolator is an optical isolator made as part of an optical fiber. This refers to an optical fiber and an optical isolator that are connected to each other without air intervening between them.

このためには、ファラデー回転素子をファイバの寸法に
しなければならないという事だけでなく、偏光子、検光
子もファイバの寸法で作らなければならない。
For this purpose, not only must the Faraday rotation element be made to the dimensions of the fiber, but also the polarizer and analyzer must be made to the dimensions of the fiber.

(4)偏光子、検光子 偏光子、検光子は、多様な偏波面を有する光を、一定方
向に偏波面を有する直線偏光に変える素子である。偏光
プリズム、偏光板などが使われている。いずれも寸法の
大きい素子で、光ファイバの一部に製作する、という事
はできない。
(4) Polarizer, Analyzer Polarizers and analyzers are elements that convert light having various polarization planes into linearly polarized light having a polarization plane in a fixed direction. Polarizing prisms, polarizing plates, etc. are used. Both elements are large in size and cannot be fabricated as part of an optical fiber.

新しい原理に基づく偏光子が必要である。Polarizers based on new principles are needed.

本発明台は、既に、全く新しい原理による、誘電体金属
多層膜偏光子を発明した(特願昭 58−206801
 、昭和58年11月1日出願)。
The present inventor has already invented a dielectric metal multilayer film polarizer based on a completely new principle (Patent application No. 58-206801)
, filed on November 1, 1981).

第3図に斜視図を示す。A perspective view is shown in FIG.

誘電体金属多層膜偏光子3は、薄い誘電体膜4と、より
薄い金属膜5を交互に多数積層したものである。
The dielectric metal multilayer film polarizer 3 is made by laminating a large number of thin dielectric films 4 and thinner metal films 5 alternately.

第3図に於て、光の進行方向をZ軸とし、これに垂直な
方向を、XSY軸とする。誘電体#4、金属膜5はxZ
面に平行であるとする。
In FIG. 3, the direction in which light travels is the Z axis, and the direction perpendicular to this is the XSY axis. Dielectric #4 and metal film 5 are xZ
Assume that it is parallel to the plane.

金属膜5は数十〜数百オンゲス)o−ムの厚さで、誘″
l′E体膜4は、数千オングストロームで、光の波長の
程度である。
The metal film 5 has a thickness of several tens to hundreds of .mu.m, and is
The l'E body membrane 4 is several thousand angstroms, which is on the order of the wavelength of light.

Z軸方向に進み、誘電体金属多層膜偏光子3に入射する
光は、X軸方向に電界Exを持つものと、Y軸方向に電
界Eyを持つものの一次結合と考える111ができる。
The light traveling in the Z-axis direction and incident on the dielectric metal multilayer film polarizer 3 can be considered to be a linear combination 111 of the electric field Ex in the X-axis direction and the electric field Ey in the Y-axis direction.

X軸方向に電界を持つ光は、電界と金属膜5が平行にな
るので、金属膜内に電流を生ずる。これがジュール熱を
発生しエネルギー損失を招くから、X軸方向の電界Ex
は急激に減衰する。つまり、X軸方向に電界を持つ光は
、この誘電体金属多層膜で著しく減衰し、これを盆ど透
過する事ができないO Y軸方向に電界Eyを持つ光は、電界E、と金属膜5の
面とが垂直になる。界面に於て、電束密度が連続である
から、界面に分極電荷が生じて、金属内部のY方向の電
界が0になる。このため、金属膜内には電流が流れず、
ジュー、ル熱も生じない。
Since the light having an electric field in the X-axis direction becomes parallel to the electric field and the metal film 5, a current is generated in the metal film. This generates Joule heat and causes energy loss, so the electric field Ex in the X-axis direction
decreases rapidly. In other words, light that has an electric field in the X-axis direction is significantly attenuated by this dielectric metal multilayer film and cannot pass through it. 5 will be perpendicular. Since the electric flux density is continuous at the interface, polarized charges are generated at the interface, and the electric field in the Y direction inside the metal becomes zero. Therefore, no current flows in the metal film,
No fever occurs either.

Y軸方向に電界Eyをもつ光は減衰しにくい。Light having an electric field Ey in the Y-axis direction is difficult to attenuate.

結局、誘電体金属多層膜は、膜面に直角な電界を有する
光だけを通すことになる。これは従って偏光子なのであ
る。X軸方向の電界の減衰は極めて速いから、誘電体金
属多層膜のZ方向の厚みTは極めて小さ・いものでよい
As a result, the dielectric metal multilayer film only transmits light having an electric field perpendicular to the film surface. This is therefore a polarizer. Since the electric field in the X-axis direction attenuates extremely quickly, the thickness T of the dielectric metal multilayer film in the Z direction may be extremely small.

Y軸方向に電界を有する光は7Mモード、X軸方向に電
界を有する光はTEモードに対応するから、この偏光子
は、7Mモードを通すがTEモードを通さないという事
ができる。
Since light with an electric field in the Y-axis direction corresponds to the 7M mode, and light with an electric field in the X-axis direction corresponds to the TE mode, it can be said that this polarizer passes the 7M mode but not the TE mode.

誘電体膜が薄いと、TMXTEともに減衰が大きいが、
その減衰比も大きい。誘電体膜が厚くて2〜3μmにな
ると、減衰比は少なくなるが、減衰定数自体は低くなっ
てくる。
When the dielectric film is thin, the attenuation is large for both TMXTE, but
Its damping ratio is also large. When the dielectric film becomes thick, 2 to 3 μm, the attenuation ratio decreases, but the attenuation constant itself becomes low.

金属膜の厚みは、50〜150オングストロームで良い
。金属膜の厚みを増やすと、TM波の減衰が増えてゆく
The thickness of the metal film may be 50 to 150 angstroms. As the thickness of the metal film increases, the attenuation of the TM wave increases.

金属膜はアルミニウム又は銀の蒸着により、誘電体fd
石英のスパッタリングにより膜形成できる。
The metal film is formed by evaporating aluminum or silver to form a dielectric fd.
The film can be formed by sputtering quartz.

(力) ヒスマス置換YIG YIG(イツトリウム鉄ガーネット)のYをB1で置換
した物質のベルブ定吻の大きい事が発見された。H,T
akeuchi、’に、 Shinagawa、 an
jS、Taniguchi JJAP 12 、465
 (1978’)は、第4図に示すヨウナビスマス置換
YIGのファラデー回転係数の測定値を与えた。
(Force) Hismuth-substituted YIG It was discovered that a material in which Y in YIG (yttrium iron garnet) was replaced with B1 had a large bellbelt proboscis. H,T
akeuchi, in Shinagawa, an
jS, Taniguchi JJAP 12, 465
(1978') gave measurements of the Faraday rotation coefficient of YIG substituted with bismuth as shown in FIG.

分子式はY 3−xB i x Fe 5012で表わ
される。B1の置換ki Xがパラメータとなっている
。横軸は光の波長(ttm )である。縦軸はファラデ
ー回転係数(104dag / cm )である。これ
は、飽−和磁束が得られるような磁界を与えた時の回転
係数で、ヘルプ定数そのものではない。
The molecular formula is represented by Y 3-xB i x Fe 5012. The replacement kiX of B1 is a parameter. The horizontal axis is the wavelength of light (ttm). The vertical axis is the Faraday rotation coefficient (104 dag/cm). This is the rotation coefficient when a magnetic field is applied to obtain a saturation magnetic flux, and is not the help constant itself.

Y−を、B1で置換すると、ファラデー、回転の符号が
変わり、置換量Xを増やすと、ファラデー回転が増大す
る。この回転角の増大は、o、611m以下の短波長域
に於て特に著し゛い。0.6〜0.8μmに於ても、ビ
スマス置換量Xを増やすと、ファラデー回転係数は増加
する。しかし、長波長域、例えば1.8μmでの一測定
値は示されていない。このグラフの傾向から、長波長域
でファラデー回転は少いものと推測される。
When Y- is replaced by B1, the sign of Faraday rotation changes, and when the amount of substitution X is increased, Faraday rotation increases. This increase in the rotation angle is particularly remarkable in the short wavelength region of 611 m or less. Even in the range of 0.6 to 0.8 μm, when the bismuth substitution amount X is increased, the Faraday rotation coefficient increases. However, one measurement in the long wavelength range, for example 1.8 μm, is not shown. From the trend of this graph, it is inferred that Faraday rotation is small in the long wavelength range.

希土類鉄ガーネットは、希土類元素により、Biによっ
て置換えられる最大量が異なる。希土類元素をB1によ
って置換できる最大量が最も大きいのは、ガドリウム鉄
ガーネットである。
The maximum amount of rare earth iron garnet that can be replaced by Bi differs depending on the rare earth element. Gadolium iron garnet has the largest amount of rare earth elements that can be replaced by B1.

H,Takeuchi、 S、 Ito、 1. Mi
kami、 and S、Taniguchi、 J、
Appl Phys、 44 、4789 (1973
)は、ガドリニウム鉄力゛−ネットの、3つのガドリニ
ウム原子の内、ひとつをビスマスで置換えたGd 2 
B x 。
H, Takeuchi, S, Ito, 1. Mi
Kami, and S., Taniguchi, J.
Appl Phys, 44, 4789 (1973
) is Gd 2 in which one of the three gadolinium atoms of the gadolinium iron net is replaced with bismuth.
Bx.

Fe、0.2を作り、これのファラデー回転係数、吸収
係数を測定した。第5図はその結果を示すグラフである
Fe, 0.2 was prepared and its Faraday rotation coefficient and absorption coefficient were measured. FIG. 5 is a graph showing the results.

横軸は光の波長(μm)、縦軸はファラデー回転係数(
103deg/a )、及び吸収係数(α−1)である
The horizontal axis is the wavelength of light (μm), and the vertical axis is the Faraday rotation coefficient (
103deg/a), and absorption coefficient (α-1).

実線はccf2Bi ]Fe5.o12 テ破線は比較
のためのYIGのデータである。
The solid line is ccf2Bi]Fe5. o12 The broken line is YIG data for comparison.

吸収係数はビスマス置換ガドリニウム鉄ガーネットもY
IGも殆ど変りがない。1.1μm以上の波長の光に対
し吸収が0である。
The absorption coefficient is also Y for bismuth-substituted gadolinium iron garnet.
IG hasn't changed much either. Absorption is 0 for light with a wavelength of 1.1 μm or more.

一方、7アラデ−M転係数の方は、YIGに比較して、
ビスマス置換ガドリニウム鉄ガーネットの方が約−桁大
きくなる。ファラデー回転係数は光の波長が増えるとと
もに減少する。ところが光の波長が短かくなると、吸収
係数が増えてくる。
On the other hand, compared to YIG, the 7Alade-M conversion coefficient is
The bismuth-substituted gadolinium iron garnet is about an order of magnitude larger. The Faraday rotation coefficient decreases as the wavelength of light increases. However, as the wavelength of light becomes shorter, the absorption coefficient increases.

光アイソレータのファラデー回転素子として使うのであ
るから、ファラデー回転係数か大きいという串たけでな
く吸収係数の小さい、という事も必要である。
Since it is used as a Faraday rotation element in an optical isolator, it is necessary not only to have a large Faraday rotation coefficient, but also to have a small absorption coefficient.

そこでファラデー回転係数で除した性能指数というもの
を考える。単位はdeg / dBである。第6図はG
d 2 B i lFe 501□とYIGの性能指数
の波長依存性を示すグラフである。いずれも、0.8μ
m程度でひとつの極大を持つ。これは、吸収係数の極小
が0.8/1mの付近にあるからである。
Therefore, we will consider the figure of merit divided by the Faraday rotation coefficient. The unit is deg/dB. Figure 6 is G
It is a graph showing the wavelength dependence of the figure of merit of d 2 B i lFe 501□ and YIG. Both are 0.8μ
It has one maximum at about m. This is because the minimum absorption coefficient is around 0.8/1 m.

性能指数は、1.0μη1以上で急激に増加する。これ
は吸収がほぼ0に近くなる事に原因がある。
The figure of merit increases rapidly at 1.0 μη1 or more. This is due to the fact that the absorption is close to 0.

重要な事は、ビスマス置換ガドリニウム鉄ガーネットが
1.1〜1.3μmの光のアイソレータ材料としてYI
Gより10倍以上優れている、という事である。波長が
1.3μmの光に対して、ファラデ〜回転係数回転、O
X 1103de / nで、吸収係数は0.05G 
、性能指数は4000deg / dB テする。
Importantly, bismuth-substituted gadolinium iron garnet has been used as an isolator material for 1.1-1.3 μm light in YI.
This means that it is more than 10 times better than G. For light with a wavelength of 1.3 μm, Faraday ~ rotation coefficient rotation, O
X 1103de/n, absorption coefficient is 0.05G
, the figure of merit is 4000deg/dB.

そうすると、45°のファラデー回転を得るのに必要な
長さは、225μmである。さらにB1の置換置を増加
させるとファラデー回転係数が増加する事が千載、対馬
、第7回日本応用磁気学会学術講演要集1983年11
月、によって報告されている。−例としてGdI 、1
15B41.15FeSO1’ fはファラデー回転係
数は波長1.3μmで約2800 deg/a である
。この場合、45°のファラデー回転を得るのに必要な
長さは196μmになる。
Then, the length required to obtain a Faraday rotation of 45° is 225 μm. Furthermore, as the substitution position of B1 is increased, the Faraday rotation coefficient increases.
Monthly, as reported by. - e.g. GdI, 1
The Faraday rotation coefficient of 15B41.15FeSO1'f is about 2800 deg/a at a wavelength of 1.3 μm. In this case, the length required to obtain a Faraday rotation of 45° is 196 μm.

光フアイバアイソレータを作る場合、レンズを用いず、
光ファイバの間に直接、ファラデー回転素子を付ける必
要がある。レンズを用いないので、シングルモードファ
イバのようにコア径が小さいものであると、特に損失が
大きくなる。しかし、これは光ファイバの間隔りが小さ
ければ少なくなる。コア、クラッドの屈折率差は僅がで
あるから、シングルモードファイバの開口角は小さい。
When making optical fiber isolators, no lenses are used,
It is necessary to attach a Faraday rotation element directly between the optical fibers. Since no lens is used, the loss is particularly large when the core diameter is small, such as a single mode fiber. However, this decreases if the spacing between the optical fibers is small. Since the difference in refractive index between the core and cladding is small, the aperture angle of a single mode fiber is small.

第7図のように、2本の光ファイバ1.1を対向させ、
屈折率nの接続媒質2で接続したとする。
As shown in Fig. 7, two optical fibers 1.1 are placed facing each other,
Assume that the connection is made using a connection medium 2 having a refractive index of n.

光ファイバの端面間距離りによって、回折による光パワ
ーの損失がどのように変化するかを計算し、第8図にグ
ラフにして示した。横軸は光フアイバ端面距離D (l
tm )で、縦軸は回折による損失(dB)である。入
出力光ファイバはいずれも、コア径が9.177m%コ
ア、クラッドの屈折率差をコア屈折率で割った値Δは0
.24%で、光の波長は1.3μmである。ファイバコ
アの屈折率を1.46とすると、規格化周波数Vは2.
2である。2.4より小さいので、シングルモードファ
イバである。
How the loss of optical power due to diffraction changes depending on the distance between the end faces of the optical fiber was calculated and shown in a graph in FIG. The horizontal axis is the optical fiber end face distance D (l
tm), and the vertical axis is the loss (dB) due to diffraction. Both input and output optical fibers have a core diameter of 9.177 m%, and the value Δ, which is the difference in refractive index between the core and cladding divided by the core refractive index, is 0.
.. At 24%, the wavelength of light is 1.3 μm. If the refractive index of the fiber core is 1.46, the normalized frequency V is 2.
It is 2. Since it is smaller than 2.4, it is a single mode fiber.

パラメータは接続媒賢2の屈折率nであり、n−1,1
,46,2,2の場合を示している。Gd5−xBix
Fe5o、2のλ;1.3に対する屈折率は、YrGO
値2.2と等しいとして、n=2.2のグラフから間隔
りが、225μmの場合の回折損失が1 、95dBと
なる。意外に小さい値である。これは、屈折率nが2.
2と大きい値である事による。
The parameter is the refractive index n of the connecting medium 2, n-1,1
, 46, 2, 2 is shown. Gd5-xBix
The refractive index for λ; 1.3 of Fe5o,2 is YrGO
Assuming that the value is equal to 2.2, from the graph of n=2.2, the diffraction loss when the interval is 225 μm is 1.95 dB. This is a surprisingly small value. This means that the refractive index n is 2.
This is due to the large value of 2.

フレネル反射損失は、表面、裏面での反射があるので、
0.36 dBと評価できる。
Fresnel reflection loss is caused by reflection on the front and back surfaces.
It can be evaluated as 0.36 dB.

すると、前記のビスマス置換ガドリニウム鉄ガーネツト
ファラデー回転素子(225μm)を光フアイバ中に挿
入した事による全損失は、約2 dB程度という事にな
る。
Then, the total loss caused by inserting the bismuth-substituted gadolinium iron garnet Faraday rotator (225 μm) into the optical fiber is about 2 dB.

全損失をもつと小さくしたい場合には、ファラデー回転
素子に反射防止膜をつければフレネル反射による損失分
を低下させる事が可能である。さらに、第13図の様に
反射防止加工したファラデー回転素子をその合計の厚さ
がファラデー回転角45゜とする様に複数個に分割して
設ければ回折による損失分も小さくできる。これは回折
損失が間隔りに対して非線形的に増加する事による。
If it is desired to reduce the total loss, it is possible to reduce the loss due to Fresnel reflection by attaching an anti-reflection film to the Faraday rotation element. Furthermore, as shown in FIG. 13, if the anti-reflection treated Faraday rotator element is divided into a plurality of pieces so that the total thickness is equal to a Faraday rotation angle of 45 degrees, the loss due to diffraction can be reduced. This is because diffraction loss increases nonlinearly with the spacing.

(−+) Gd5−xBixFe50,2の製作ビスマ
ス置換ガドリニウム鉄ガーネットは、ここでは、フラッ
クス法で作られている。Gd2O3、Bi2O3及びF
′e2o3を混合し、1800°Cで5時間、白金るつ
ぼ中で溶融する。この後、10.00°Cまで2.7°
いの割合で冷却して作製した。
(-+) Production of Gd5-xBixFe50,2 Bismuth-substituted gadolinium iron garnet is produced here by a flux method. Gd2O3, Bi2O3 and F
'e2o3 are mixed and melted in a platinum crucible at 1800°C for 5 hours. After this, 2.7° to 10.00°C
It was prepared by cooling at the same rate.

格子定数は12.572人、室温での飽和磁化は9.2
5emu/gである。
The lattice constant is 12.572, and the saturation magnetization at room temperature is 9.2.
It is 5 emu/g.

(り) 光アイソレータ素子としての提案ビスマス置換
ガドリニウム鉄ガーネットは、非常に作り蒔い物質で、
ヒスマスの置換量を−Fげると強磁性化するという予想
はあったが、ビスマス量の多いものは作れなかった。
(ri) Proposed bismuth-substituted gadolinium iron garnet as an optical isolator element is a highly prepared material,
It was predicted that reducing the amount of hismuth substitution with -F would make it ferromagnetic, but it was not possible to create a material with a large amount of bismuth.

この物質を光アイソレータのファラデー回転素子として
使おうという提案は既になされている。
Proposals have already been made to use this material as a Faraday rotation element in an optical isolator.

NHK放送料学基礎研究所の物性研究グループにより(
日刊工業新聞、昭和58年10月31B)その提案がさ
ねている。こねによると、これまで述べたガト゛リニ・
シム元素の1/3をビスマスで置換するものよりさらに
一歩前進して、ガドリニウムの40%をビスマスで置換
したビスマス置換ガドリニウム・鉄ガーネットが作製さ
れたとある。
By the Physical Properties Research Group of the NHK Broadcasting Fees Research Institute (
(Nikkan Kogyo Shimbun, October 1981, 31B) That proposal is being made. According to Kone, the Gatorini mentioned above
It is said that a bismuth-substituted gadolinium-iron garnet was produced in which 40% of gadolinium was replaced with bismuth, going one step further than replacing one-third of the shim element with bismuth.

1’、15/7mの波長の光に対し、ファラデー回転係
数は8200 deg/ctnであったと報告されてい
る。45゜の回転角を得るのに必要な長さは140μm
である。
It is reported that the Faraday rotation coefficient for light with a wavelength of 1', 15/7 m was 8200 deg/ctn. The length required to obtain a rotation angle of 45° is 140 μm.
It is.

これによって作られた光アイソレータは5喘×5 mm
 X 5 mmであり、挿入損失はl dB以下であっ
た、と報告されている。
The optical isolator made by this is 5 mm x 5 mm.
It is reported that the insertion loss was less than 1 dB.

この報告には、偏光子、検光子についての言及がない。This report does not mention polarizers or analyzers.

又、その寸法と、挿入損失の小さい事から考えて、この
光アイソレータは、レンズを結合用に使用しているもの
と推察される。又、偏光子なとは従来通りの偏光板を用
いたものであろう。
Also, considering its size and low insertion loss, it is inferred that this optical isolator uses a lens for coupling. Also, the polarizer may be one that uses a conventional polarizing plate.

従来の偏光板に反射防止加工をし、さらに光アイソレー
タとしては単にレーザビ一ムを用いたバルク動作を行な
っているものと考えられる。
It is thought that a conventional polarizing plate is treated with anti-reflection processing, and that the optical isolator simply performs bulk operation using a laser beam.

(ケ)発明の構成 本発明の光フアイバ型アイツレ〜りは、第9図に略斜視
図を示すように、 (1) ビスマス置換ガドリニウム鉄ガーネットの薄い
ファラデー回転素子2を、ひとつ或は複数個2つの光フ
ァイバ1.1の端面間に挾んで接着或いはファイバに作
成した溝に挿入し、(2) それぞれの光ファイバに、
互に45°傾いた誘電体金属多層膜偏光子3.3を形成
し、(3) ファラデー回転素子2を囲むように設けら
れ、ファラデー回転角が45°になるような磁場を与え
る磁場印加機構を設けている。
(k) Structure of the Invention As shown in a schematic perspective view in FIG. 9, the optical fiber type optical system of the present invention includes (1) one or more thin Faraday rotation elements 2 made of bismuth-substituted gadolinium iron garnet; (2) insert the two optical fibers between the end faces of the optical fibers 1.1 and glue them or insert them into the grooves created in the fibers;
(3) A magnetic field application mechanism that forms dielectric metal multilayer film polarizers 3.3 tilted at 45 degrees to each other, and is provided to surround the Faraday rotation element 2 and provides a magnetic field such that the Faraday rotation angle is 45 degrees. has been established.

第9図では磁場印加機構の図示を略しているが、これは
、永久磁石とヨークによって構成できる。
Although the magnetic field application mechanism is not shown in FIG. 9, it can be constructed from a permanent magnet and a yoke.

第9図に於て、2本の光ファイバ1.1がファラデー回
転素子2に於て突合わせられている。ファラデー回転素
子2の厚みは既に説明したように、100〜250μm
である。
In FIG. 9, two optical fibers 1.1 are butted together in a Faraday rotation element 2. In FIG. As already explained, the thickness of the Faraday rotation element 2 is 100 to 250 μm.
It is.

誘電体金属多層膜3は光ファイバ1の途中に作る事がで
きる。この場合、光ファイバのAの部分とBの部分は、
もともと連続した1本のファイバである。
The dielectric metal multilayer film 3 can be formed in the middle of the optical fiber 1. In this case, the A part and B part of the optical fiber are
Originally, it was a single continuous fiber.

そうではなくて、誘電体金属多層膜3を別個の材料で作
り、これを薄片として、光ファイバの端面間に貼りつけ
る事もできる。この場合、光ファイバのA、!:Bの部
分はもともと別個のものである。
Alternatively, the dielectric metal multilayer 3 can be made of a separate material and applied as a thin strip between the end faces of the optical fiber. In this case, the optical fiber A,! :The part B is originally separate.

ファラデー回転素子2、誘電体金属多層膜偏光子3を光
ファイバ1の途中に形成した後、ファイバの周面に合わ
せて研磨すれば第9図に示すような形状になる。
After forming the Faraday rotation element 2 and the dielectric metal multilayer polarizer 3 in the middle of the optical fiber 1, they are polished to match the circumferential surface of the fiber, resulting in a shape as shown in FIG.

(コン 光ファイバ型アインレータの製作まず、第10
図に示ゴようにコア8とクラッド9よりなる゛光ファイ
バ1の側方がら、コア8に至るまで、溝10を切りこむ
。溝1oは弓形に切込むが、底面11は平坦でなければ
ならない。溝の側面12.12も平坦であるのが望まし
い。
(Production of optical fiber type inlator First, the 10th
As shown in the figure, a groove 10 is cut from the side of an optical fiber 1 consisting of a core 8 and a cladding 9 up to the core 8. The groove 1o is cut in an arcuate shape, but the bottom surface 11 must be flat. Preferably, the sides 12.12 of the groove are also flat.

溝10の底面11、側面12を平坦にするため、イオン
ミリング、スパッタエツチング、リアクティブイオンエ
ツチングなど方向性を有するエツチング法が適している
In order to flatten the bottom surface 11 and side surfaces 12 of the groove 10, a directional etching method such as ion milling, sputter etching, or reactive ion etching is suitable.

又、鋭利な刃物により機械的に溝10を切欠く事もでき
る。
Alternatively, the groove 10 can be mechanically cut out using a sharp knife.

こうして弓形の溝10ができると、底面11に平行にな
るよう、底面11へ、誘電体膜4と金属膜5を交互に形
成してゆく。
Once the arcuate groove 10 is formed in this way, the dielectric film 4 and the metal film 5 are alternately formed on the bottom surface 11 so as to be parallel to the bottom surface 11.

例えば、溶融石英をスパッタリングによって、溝10の
中へ厚さが4000〜5000人となるように層形成す
る。この上に、AIを蒸着により、厚さが50〜200
人程度になるようにつけてゆく。これを繰返して、平行
な誘電体膜、金属膜を多数形成する。多層膜の形成は少
なくともコア9を發うだけは繰返さな、ければならない
。コアを含む多層膜の形成が終ると、残りは全て誘電体
膜としても良い。
For example, a layer of fused silica is formed into the groove 10 by sputtering to a thickness of 4,000 to 5,000 layers. On top of this, AI is deposited to a thickness of 50 to 200.
Add it so that it is about the size of a person. This process is repeated to form a large number of parallel dielectric films and metal films. The formation of the multilayer film must be repeated at least until the core 9 is formed. After the formation of the multilayer film including the core is completed, the rest may all be made of a dielectric film.

又薄片とした金属h 電体交互多層膜からなる偏検光子
を光ファイバに作成した溝中に挿入することもできる。
It is also possible to insert a polarized analyzer made of a thin flake of an alternating multilayer film of metal and electric material into a groove formed in the optical fiber.

r:/710の幅は数μm−数十1lrnで良い。The width of r:/710 may be several μm to several tens of lrn.

第11図は光ファイバの途中に誘電体金属多層膜偏光子
を作製した場合の拡大斜視図である。
FIG. 11 is an enlarged perspective view of a dielectric metal multilayer polarizer fabricated in the middle of an optical fiber.

第9図に示すものは光フアイバ型アイソレータの概念図
で、実際には、これに被覆を施して、補強する。
What is shown in FIG. 9 is a conceptual diagram of an optical fiber type isolator, which is actually covered and reinforced.

又ビスマス置換ガドリニウム鉄ガーネットは単結晶であ
るから、機械的に強くないし、成形も難しいので、前記
の手順で作成した光ファイバの溝へ薄片のまま挿入する
か或いは角形の薄片のまま光フアイバ端面に接着し、接
着剤14で周囲を囲むようにしても良い。
Also, since bismuth-substituted gadolinium iron garnet is a single crystal, it is not mechanically strong and is difficult to mold, so it must be inserted as a thin piece into the groove of the optical fiber created by the above procedure, or it can be inserted into the optical fiber end face as a rectangular thin piece. Alternatively, the periphery may be surrounded by adhesive 14.

第12図は、永久磁石を磁場印加機構とした光コア・f
バ型アイソレータの一例を示す。永久磁石15の磁場は
強磁性体のヨーク16によって導がれ、ファラデー回転
素子2に於て、軸方向の磁界となる。
Figure 12 shows an optical core f using a permanent magnet as a magnetic field applying mechanism.
An example of a bar type isolator is shown. The magnetic field of the permanent magnet 15 is guided by a ferromagnetic yoke 16, and becomes an axial magnetic field in the Faraday rotation element 2.

さらにファラデー回転素子2は、第13図に示すように
、複数個設けるようにしても良い。ファラデー回転角の
合計が45°になるようにする。こうすれば回折損失が
より少くなる。
Furthermore, a plurality of Faraday rotation elements 2 may be provided as shown in FIG. 13. The total Faraday rotation angle should be 45°. This will further reduce diffraction loss.

(ハ) 効 果 本発明は、光ファイバの中へ直接にアイソレータを作っ
たものであるから、次の効果を奏する。
(c) Effects Since the present invention creates an isolator directly into the optical fiber, it has the following effects.

(1) 大型で重い偏検光子、ファラデー回転素子、或
いはレンズを必要としない。小型で軽量である0 (2) 軸合わせなど困難な作業を繰返す必要がない。
(1) No large and heavy polarized analyzer, Faraday rotation element, or lens is required. Compact and lightweight (2) There is no need to repeat difficult tasks such as axis alignment.

(3) ファイバの中を伝搬する光は空気中へ出ないの
でフレネル反射損失を著しく低減できる。
(3) Since the light propagating through the fiber does not exit into the air, Fresnel reflection loss can be significantly reduced.

(4) 波長が0.8〜1.5μmの光に対して有効に
使えるアイソレータを与える。
(4) Provide an isolator that can be effectively used for light having a wavelength of 0.8 to 1.5 μm.

(5) 取扱いが容易である。(5) Easy to handle.

(シ) 用 途 この発明は、半導体レーザを光源とする光通信システム
、光フアイバジャイロなどの光計測機器、その他の応用
機器に用いる事ができる。
(iii) Applications The present invention can be used in optical communication systems using semiconductor lasers as light sources, optical measurement equipment such as optical fiber gyros, and other applied equipment.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図はGd −YIGフィルムを使ったファラデー回
転素子の斜視図。 第2図はGd −YIGフィルムをファラデー回転素子
とした公知の光アイソレータの断面図。 第3図は本発明者が発明した誘電体金属多層膜偏光子の
斜視図。 第4図はYIGのYをビスマスで置換したものの、ビス
マス置換量Xをパラメータとする、波長に対するファラ
デー回転係数の測定値のグラフ。 第5図はビスマス置換ガドリニウム鉄ガーネットGd2
Bt 1Fe、0.2とYIGの、光の波長(μm)に
対する吸収係数(α−1)と、ファラデー回転係数(1
03deg/clR)とを示すグラフ。実線がビスマス
置換ガドリニウム鉄ガーネット、破線がYIGのデータ
である。 第6図はビスマス置換ガドリニウム鉄ガーネットとYI
Gの、光の波長(μm)に対する性能指数を示すグラフ
である。性能指数の単位は(deg /clB )であ
る。 第7図は2本の光ファイバを距離りを置いて対向させ屈
折率nの接続媒質2で結合した状態を略示する断面図。 コア、クラッドの区別はしていない0 第8図は第7図に示す光フアイバ間における回折損失を
計算し、fl+!離りの函数として示すグラフ。 パラメータは接続媒質の屈折率である。光の波長は1.
3μm1コア径9.1μm1コア、クラッド屈折率差の
割合Δ−0,0024、規格化周波数V=’2.2のシ
ングルモードファイバである。 第9図は本発明の光フアイバ型アイソレータの略斜視図
。 第10図は光ファイバに弓形の溝を形成したものを示す
斜視図。 第11図は弓形の溝の中へ誘電体金属多層膜を形成した
ものの斜視図。 第12図は磁石を設けてファラデー回転素子に磁界を印
加するようにした光フアイバ型アイソレータの断面図。 第13図はファラデー回転素子を2つ設けた光フアイバ
型アイソレータの実施例を示す斜視図。 1 ・・ ・ 光ファイバ 2 ・・ ・・・ ファラデー回転素子3 ・・・・・
・・ 誘電体金属多層膜偏光子4 ・・ 誘電体膜 5 ・・ 金 属 膜 8 ・・・ ・・ コ ア 9 ・・ ・ り ラ ン ド 10・ ・ 溝 11 ・・ 溝の底面 12 ・・・・ 溝の側面 14 ・ ・・ ・ 接 着 剤 15・・ ・永久磁石 16 ・ ・ ・ ヨ − り 17 ・・・・・ 通 し 穴
FIG. 1 is a perspective view of a Faraday rotator using Gd-YIG film. FIG. 2 is a sectional view of a known optical isolator using a Gd-YIG film as a Faraday rotation element. FIG. 3 is a perspective view of a dielectric metal multilayer polarizer invented by the present inventor. FIG. 4 is a graph of the measured value of the Faraday rotation coefficient with respect to wavelength when Y in YIG is replaced with bismuth and the bismuth substitution amount X is used as a parameter. Figure 5 shows bismuth-substituted gadolinium iron garnet Gd2
Absorption coefficient (α-1) and Faraday rotation coefficient (1) for light wavelength (μm) of Bt 1Fe, 0.2 and YIG
03deg/clR). The solid line is data for bismuth-substituted gadolinium iron garnet, and the broken line is data for YIG. Figure 6 shows bismuth-substituted gadolinium iron garnet and YI
It is a graph showing the figure of merit of G versus the wavelength of light (μm). The unit of figure of merit is (deg/clB). FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing a state in which two optical fibers are placed facing each other at a distance and coupled by a connecting medium 2 having a refractive index of n. No distinction is made between the core and the cladding.0 Figure 8 calculates the diffraction loss between the optical fibers shown in Figure 7, fl+! Graph shown as a function of distance. The parameter is the refractive index of the connecting medium. The wavelength of light is 1.
It is a single mode fiber with a core diameter of 3 μm and a core diameter of 9.1 μm, a cladding refractive index difference ratio Δ−0,0024, and a normalized frequency V=′2.2. FIG. 9 is a schematic perspective view of the optical fiber type isolator of the present invention. FIG. 10 is a perspective view showing an optical fiber with an arcuate groove formed therein. FIG. 11 is a perspective view of a dielectric metal multilayer film formed in an arcuate groove. FIG. 12 is a sectional view of an optical fiber isolator equipped with a magnet to apply a magnetic field to a Faraday rotation element. FIG. 13 is a perspective view showing an embodiment of an optical fiber type isolator provided with two Faraday rotation elements. 1... Optical fiber 2... Faraday rotation element 3...
... Dielectric metal multilayer film polarizer 4 ... Dielectric film 5 ... Metal film 8 ... Core 9 ... Land 10 ... Groove 11 ... Bottom surface of groove 12 ... ... Groove side surface 14 ... Adhesive 15 ... Permanent magnet 16 ... Yaw 17 ... Through hole

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] コア8とこれを囲むクラッド9とよりなる2本のシング
ルモード光ファイバL1と、ビスマス置換ガ1゛リニウ
ム鉄ガーネツ+−rlを結晶J:りなり前記シングルモ
ード光ファイバL 1の端面K tfM 4あるいは先
ファイバに切りこまれた溝に挿入される1個ないしは′
FM数のファラデー回転素子2と、それぞれのシングル
モー1゛光フアイバ1.1 of[1面からコア8に至
るまで切りこまれた醸に45°のねじれ角を有する弓形
の溝10の中に誘電体膜4と金属膜5を交互に積層して
形成しであるか、又は別個に誘′曲体膜4と金属膜5を
交互に)L11層したものをLI:に45°のねじれ角
をなすよう光ファイバ1.1の任Hatの端面に接着し
である誘電体金属多層膜偏光子3と前記7アラデ一回転
素子2にi#I+線方向の磁場を与えてファラデー回転
素子2を通る光の偏波面を45°回転させる磁場印加機
構とより構成される°ISを特徴とする光フアイバ型ア
イソレータ
Two single-mode optical fibers L1 each consisting of a core 8 and a cladding 9 surrounding it, bismuth-substituted gallium iron garnet+-rl are crystallized. Or one or ' inserted into a groove cut into the tip fiber.
A Faraday rotary element 2 of FM number and each single mode optical fiber 1.1 of [in an arcuate groove 10 having a helix angle of 45° in the groove cut from the first side to the core 8. The dielectric film 4 and the metal film 5 are alternately laminated, or the dielectric film 4 and the metal film 5 are alternately laminated. A magnetic field in the direction of the i#I+ line is applied to the dielectric metal multilayer film polarizer 3 bonded to the end face of the arbitrary Hat of the optical fiber 1.1 and the Faraday rotation element 2 to form a Faraday rotation element 2. An optical fiber isolator characterized by an IS consisting of a magnetic field application mechanism that rotates the polarization plane of passing light by 45 degrees.
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