JPS6111683Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は偏光プリズムに係り、特に小型の光分
岐接続器等の構成部品に好適な偏光プリズムに関
する。

近年、光通信技術が実用化されるようになつ
て、種々の改良された光通信用機構部品が提供さ
れるようになつてきている。

光サーキユレータはこうした光通信用機構部品
の一種であつて、簡単にいうと例えば４個の光入
出射端（これをポートと呼ぶ）を有するもので
は、第１ポートからの光が第２ポートに、第２ポ
ートからの光が第３ポートに、第３ポートからの
光が第４ポートに、第４ポートからの光が第１ポ
ートに夫々伝達されるようにして１→２，２→
３，３→４，４→１という巡回的な接続が可能な
光分岐接続器のことである。

この光サーキユレータは将来予想される光通信
において、双方向通信、障害探索、データリンク
等の複雑な使用形態を可能にするものである。

また、光スイツチや光分波器等と同様にこの光
サーキユレータは伝送損失およびクロストークの
減少等が強く望まれている。このため、伝送フア
イバーから出射された光をレンズにより平行光束
に修正してから、種々の操作を行い、そして集光
レンズを介して再び伝送フアイバに入射させるこ
とが一般的に行われている。

とはいうものの、一旦光フアイバから出射され
た光は、たとえレンズを介しても実際には徐々に
広がり、伝送フアイバに再入射させるまでの間に
分散されてかなりの損失を生む。

そこで、出射フアイバから入射フアイバまでの
光の径路長をできるだけ短くすることが必要とな
る。換言すれば、伝送損失の低減を図る上でも、
光機構部品は小型であることが望ましい。

さて、ここで従来提案された光サーキユレータ
をみると、それはフアラデー回転子を挾んで２個
の偏光プリズムを配置した構成を有している。

第１図は従来のこうした光サーキユレータを示
す図である。図中、１および２は方解石でつくら
れた１対のプリズム１ａ，１ｂと２ａ，２ｂを貼
り合せた偏光プリズムであり、その貼り合せ面に
は薄い接着層が介在している。また３ａおよび３
ｂはプリズム・ミラー、４ａおよび４ｂは直流磁
界発生用の円環状の永久磁石、５ａおよび５ｂは
YIG等の透明磁性体片、６ａおよび６ｂは1/2波
長板等の旋光板であつて、永久磁石４ａと透明磁
性体片５ａとで、また永久磁石４ｂと透明磁性体
片５ｂとでフアラデー回転子が構成されている。

この構成によつて、いまポートP₁から自然光が
入射されたとすると、偏光プリズム１の貼り合せ
面において偏光分離され、常光線と異常光線とな
り、一方はこの貼り合せ面を透過し、他方は反射
させられる。これらの分離された常光線および異
常光線はプリズム・ミラー３ｂまたは３ａで反射
されフアラデー回転子４ｂまたは４ａおよび旋光
板６ｂまたは６ａを透過する。この透過の際、各
光線の偏光面は45゜ずつ２度回転させられるが、
フアラデー回転子における旋光方向と旋光板にお
ける旋光方向とが逆方向となつているので、これ
らの旋光作用は打ち消され結局は全く旋光を受け
ないものと同等となる。

従つて、これらの透過光線が偏光プリズム２に
入射されると、常光線と異常光線は貼り合せ面で
合成されポート２に到達する。

すなわち、一旦分離され、再び結合してポート
２に達するから、光の損失はあまりない。

今度は逆にポート２から光を入射させると、フ
アラデー回転子４ａ，４ｂおよび旋光板６ａ，６
ｂを透過する際旋光方向が合致して90゜旋光され
てしまう。従つて、透過前に常光線であつた光は
透過後には異常光線に変化し、同様に透過前に異
常光線であつた光は常光線に変化する。このた
め、偏光プリズム１において分離された光が結合
されて出射する方向はポート３となる。他の場合
も同様であつて、まとめるとポート１およびポー
ト３からの光はポート２およびポート４へ夫々平
行に伝送され、逆にポート２およびポート４から
の光は交錯して夫々ポート３およびポート１に送
られる。

以上のようにこの光サーキユレータは非偏光を
使用して動作させることができ、また分離された
光が両方とも無駄にならないという点で従前のも
のに比較し大きく改良されている。

しかしながら、偏光ミラー１，２の他にプリズ
ム・ミラーを必要とし、またフアラデー回転子を
２個必要とする。このために、製造コストの面に
おいて不利であるばかりでなく、伝送特性上も小
型化が望めず不利である。更に偏光プリズムが方
解石であるため、光の分離を完全に行うことが困
難である。というのは、偏光プリズムの貼り合せ
面に対し一方の偏光光にとつてブリユスタ角で光
を入射させると反射光が完全偏光となるが、方解
石と空気との境界におけるブリユスタ角は他方の
偏光にとつて全反射条件を満足する角度とならず
反射すべき偏光光の一部も透過してしまうからで
ある。これを回避するために、貼り合せ面を多層
膜処理する等のことが試みられているようではあ
るが、製造コスト上および精度上極めて不利とな
る。

要するに実用的な価格の製品として完全な分離
を行い得るものは提供されていないのである。

本考案は上記状況を鑑みて提案されたものであ
つて、完全な分離を行うことができ、かつ光サー
キユレータに使用して小型かつ部品点数の少ない
光サーキユレータを構成し得る偏光プリズムを提
供することを目的としている。

この目的は本考案においては、結晶の光学軸に
平行な面同士を微小間隙を介し対向させる２個の
プリズムを有する偏光プリズムであつて、前記光
学軸に直交しかつ前記対向面に対し常光線による
ブリユスタ角で入射する光線を該対向面において
偏光分離すると共に、分離した常光線および異常
光線を夫々のプリズム内で全反射させ相互に平行
かつ同じ向きにさせる全反射面を設け、かつ平行
にされたこれら２光線をプリズム内部より出射さ
せる透過面を該２光線に直交させた偏光プリズム
によつて達成されるが、以下その一実施例を図面
に従つて詳細に説明する。

第２図Ａは本考案の実施例の中にあつて、もつ
とも好適と思う代表例を示すものである。第３図
は動作原理を説明するための図、第４図は第２図
に示す実施例を含む光サーキユレータの構成およ
び動作を示す図、第５図ないし第８図は本考案の
他の実施例を示す図である。

第２図Ａにおいて、１０および２０は二酸化チ
タンよりなる三角柱状および四角柱状のプリズム
であり、これらのプリズム１０，２０の光学軸は
紙面に垂直となつている。また、Ｃはプリズム１
０とプリズム２０との対向面であつて、例えば10
μ程度の極めて薄い空気層が介在している。

１０Ａおよび１０Ｂはプリズム１０の光入出射
および内部全反射を行う面、２０Ａおよび２０Ｂ
は同じくプリズム２０の光入出射および内部全反
射を行う面である。

この偏光プリズムの形状は、次のようになつて
いる。

まず、対向面Ｃが基準となり、面１０Ａはプリ
ズム内部から外部に向う常光線によつて定まるブ
リユスタ角Θをもつて対向面Ｃと交差するよう形
成され、面２０Ａも同一角度Θで対向面Ｃと交差
するよう形成される。この場合、二酸化チタンは
波長1.3μの常光線（光学軸と偏光面とが直交し
ている光線）による屈折率noが2.46であり、同じ
く波長1.3μの異常光線（光学軸と偏光面とが平
行な光線）による屈折率noが2.72である。そこ
で、前記ブリユスタ角Θは常光線の屈折率noか
ら、次式により定められる。

Θ＝arccotno≒22.1゜ このような角Θをもつて面１０Ａおよび２０Ａ
が形成される理由は、常光線成分および異常光線
成分の両方を含む非偏光（自然光または偏光面が
傾斜した直線偏光光線もしくは随円偏光光線）を
これらの面１０Ａ，２０Ａに垂直に入射させて単
一径路に沿つて対向面Ｃに至らせるときに、該対
向面Ｃに対する入射角をブリユスタ角Θとなすた
めである。

他方、面１０Ｂおよび２０Ｂは互いに平行に設
けられ、かつプリズム内部から外部に出射される
光線ｌ_T，ｌ_Rと直交するように角度付けられる。
図示の場合には対向面Ｃに対して３Θ≒66.3゜で
交差するようこれら面１０Ｂ，１０Ｂが設けられ
ている。

このような構成であるため、いま例えば非偏光
光線ｌが面２０Ａ（面１０Ａでも同様）に垂直に
プリズム２０内に透過してくると、対向面Ｃには
ブリユスタ角Θで入射される。そのため、非偏光
光線ｌに含まれていた常光線ｌ_Tがこの対向面を
完全に透過し、逆に異常光線ｌ_Rはne sinΘ≒
1.02＞１なる全反射条件を満たすため全く透過さ
れず完全に反射される。

すなわち、自然光ｌからの偏光・分離が完壁に
なされる。方解石のプリズムの場合に反射すべき
偏光光線の一部分が透過されるという不都合があ
つたが、この二酸化チタンでつくられたプリズム
ではそういう不都合が生じない。

もし、次の条件を満たす物質があれば、二酸化
チタンに替つてその物質を用いることができる。
すなわち、常光線における屈折率no、異常光線
における屈折率ne、常光線におけるブリユスタ
角Θに関して次式が満たされればよい。

ne sinΘ＞１ …(1) cotΘ＝no …(2) (1)より ne²＞cose²Θ …(1)′ (2)より no²＝cot²Θ …(2)′ (1)′−(2)′より ne²−no²＞１ …(3) この式より、複数折率の平方差が１より大であ
ればよいことが理解されよう。

尚、二酸化チタンの場合、波長1.3μにおいて
ne²−no²≒1.35となる。

次にこのように偏光・分離された常光線ｌ_Tは
対向面Ｃに介在する微小空隙を径て他方のプリズ
ム１０内に侵入する。その結果、入射光ｌと同一
方向に配向される。具体的には、第３図に示すよ
うに、プリズム２０と微小空隙との境界で一度屈
折偏向され、続いて微小空隙とプリズム１０との
境界で再び屈折偏向される。２度目の屈折でもブ
リユスタ角になつている。この２度目の屈折によ
る偏向が光線方向を正反対に屈曲させるため、結
局入射光ｌと常光線ｌ_Tとは平行となり、両者の
間の距離ｘは微小空隙の厚さをｔとするときｘ＝
t.sin（90゜−２Θ）／sinΘ〔ただしΘはブリユ
スタ角で22.1゜である）となる。具体的にはｔ＝
10μのとき、ｘ＝19μとなり、実際上この距離は
無視され得る。

第２図Ａに戻つて、以下のように分離されプリ
ズム１０内とプリズム２０内とを夫々進む常光線
ｌ_Tと異常光線ｌ_Rは各プリズム内で全反射され
る。

常光線ｌ_Tが面１０Ａと対向面とにおいて反射
された後の方向は、異常光線ｌ_Rが面２０Ａで反
射された後の方向と一致し、平行となる。このこ
とは対向面Ｃに関して常光線ｌ_Tと異常光線ｌ_Rと
が線対称（面対称）な方向に分離され、また同様
に対称な角度をもつて配置された面１０Ａ，２０
Ａで全反射されていることを考案すれば容易に理
解される。

すなわち、等しい回数だけ（１回ずつ）反射さ
れた常光線ｌ_Tとｌ_Rとは対向面Ｃに関して対称な
角度を有するよう方向付けられており、更に常光
線ｌ_Tは２回目の反射で対向面Ｃに関し対称角度
をもつように方向付けられるから、１回反射され
た異常光線ｌ_Rと２回反射された常光線ｌ_Tとは平
行になるのである。

そして、平行になつたこれら常光線ｌ_Tと異常
光線ｌ_Rは面１０Ｂと面２０Ｂとを垂直に透過し
てプリズム１０，２０の外部に出射される。

このように本考案に係る偏光プリズムは分離さ
れた常光線ｌ_Tと異常光線ｌ_Rとを平行に出射する
ため、この偏光プリズムを使えば小型で部品点数
が少ない光サーキユレータを提供することができ
る。

このプリズムにより小型化できることがよくわ
かるようにするため、プリズム内の光線路をその
幅も含めて示したのが第２図Ｂである。プリズム
の各角度は次の通りである。

１＝66.29゜ ２＝22.61゜ ３＝91.61゜ ４＝112.10゜ ５＝113.71゜ ６＝44.19゜ ７＝90゜ この図をみると、光束の幅に比して、プリズム
内の空間が有効に使われていることがわかる。ま
た２本の出射平行光線は十分に近づけられること
もわかる。

第４図Ａ〜Ｄはこの偏光プリズムを用いた光サ
ーキユレータを示すものであり、この光サーキユ
レータは第２図に示す偏光プリズムを２個、第１
図に示すフアラデー回転子４ａ，５ａと旋光板６
ａとからなるような旋光装置４５を１個有する。
分離された常光線ｌ_T、異常光線ｌ_Rが平行かつ近
年接しているため、旋光装置４５をこれら２光線
毎に設ける必要がなく、１個を２光線に対し共用
することができる。

逆に言うと、平行でない光線に対し旋光装置を
共用させたとすれば、少なくとも一方の光線とフ
アラデー回転子の磁界方向とが合致しなくなる。
このような状態で直線偏光光線（完全偏光光線）
の旋光を行うと、旋光後の光線は直線偏光となら
ず楕円偏光（不完全偏光）となる。すなわち、折
角偏光分離した光線の実質的な分離度が阻害され
る不具合を招来する。

この理由によつて、平行でない光線に対して
は、別々の旋光手段を必要とするのである。

また、第４図に示す光サーキユレータにおいて
は、分離された常光線ｌ_Tと異常光線ｌ_Rが平行な
ので、これらを再び統合するために、受光側の偏
光プリズムに集中させるプリズム・ミラー等を一
切必要としない。

従つて、その分だけ光路長が短かくなり、また
プリズム・ミラーに対する光線の入射がないの
で、伝送損失が減少する。

尚、この光サーキユレータの動作は概略的には
第１図のものと同様であり、第４図Ａに示すよう
に第１ポートP₁からの光線は偏光プリズム４０で
分離偏光され、常光線ｌ_Tと異常光線ｌ_Rとになつ
た後、旋光装置４５を透過し（偏光面は不変）て
再び偏光プリズム５０に入射され、そこで統合さ
れて第２ポートP₂に至る。第２ポートP₂からの光
線は同図Ｂに示す径路を経て、途中で旋光装置４
５において偏光面が90゜回転させられるので、偏
光プリズム４０での動作が逆になり結局第３ポー
トP₃に至る。第３ポートP₃からの光線は第１ポー
トP₁からの光線と同様であり、第４図Ｃに示す径
路を経て第４ポートP₄に至る。第４ポートP₄から
の光線は第２ポートP₂からの光線と同様に旋光装
置４５において偏光面が90゜回転させられるの
で、第４図Ｄに示す径路を経て第１ポートP₁に至
る。図中ｌ_T′は旋光装置４５透過前に異常光線ｌ
_Rであつるが透過後に常光線に変化している光線
を示し、ｌ_R′は逆に旋光装置４５透過前は常光線
ｌ_Tであつたが透過後に異常光線に変化している
光線を示す。

ところで、以上の説明は第２図に示す偏光プリ
ズムを例にあげたものであるが、本考案はこの偏
光プリズムのみに限定されるものでなく、種々の
形状に変形することが可能である。

第５図ないし第８図は数種の変形例を説明する
ための図であつて、偏光プリズムを対向面を境界
として分離した場合にその片に相当するプリズム
を示している。図中、Ｃが対向面である。

これら第５図ないし第８図に示す４個のプリズ
ムのうちから重複を許して２個を任意に選択して
対向面同士を微小空隙を介して貼り合せることに
より偏光プリズムを完成させることができる。

具体的な設計値を示すと、出射光線を１回の反
射で対向面Ｃと平行にする条件の基では、 α＝45゜＋Θ／２＝56.05゜， β＝90゜＋Θ＝112.1゜ γ＝157.5゜＋Θ／４＝163.025゜， δ＝67.5゜＋Θ／４＝73.025゜ η＝540゜−２Θ−２ξ＝495.8−２ξであり、 例えば、η＝161.56゜，ξ＝167.12゜とすること
ができる。但し、Θはブリユスタ角である。

かかる条件を取り除けばもつと自由に設計する
ことができることは言うまでもない。また、光線
の波長に応じて屈折率が変化すれば、プリズム形
状も当然変化する。

これらの偏光プリズムにおいて共通する特徴と
本明細書の実用新案登録請求の範囲に記載されて
いる通りであり、要するに内部反射により分離し
た光線を平行にし、かつ入、出射面において、直
交透過させてプリズムの内外へ光線を入射および
出射させるようにすればよいのである。

以上説明したように本考案によれば、完全な分
離を行い得る偏光プリズムが提供され、しかも光
サーキユレータ等に組み込む際には分離光線が平
行となるから旋光装置を１個のみで済ますことが
でき、更にプリズム・ミラー等の付属部品を必要
としないから、小型化および低損失化に大きな効
果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の光サーキユレータの一例を示す
図、第２図は本考案に係る偏光プリズムの代表例
を示す図、第３図は第２図に示す偏光プリズムの
原理を説明するための図、第４図は第２図に示す
偏光プリズムを使つた光サーキユレータの構成お
よび動作を示す図、第５図ないし第８図は本考案
の他の実施例を説明するための図である。 １０，２０……プリズム、４５……旋光装置。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 入射光線を偏光分離すると共に、分離した常光
   線および異常光線が互に平行かつ同じ向きにて出
   射されるようにした偏光プリズムにおいて、前記
   プリズムは複屈折率の平方差が１より大きな１軸
   結晶性物質よりなり結晶の光学軸に平行な面同士
   を微小間隙を介し対向させた２個のプリズムにて
   構成し、前記光線を該プリズムの前記光学軸に直
   交しかつ前記対向面に対し常光線によるブリユス
   タ角にて入射するようにし、偏光分離した前記常
   光線および前記異常光線が夫々の前記プリズム内
   で全反射し相互に平行かつ同じ向きにされて該プ
   リズム内部より出射することを特徴とする偏光プ
   リズム。