WO2006080496A1 - 可変光アッテネータ - Google Patents

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Teruhisa Nakamura
Hidenori Nakata
Kenji Sahara
Yuko Ohta
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    • G02F2203/00—Function characteristic
    • G02F2203/48—Variable attenuator

Definitions

  • the present invention relates to a reflective variable optical attenuator.
  • variable optical attenuator for controlling the amount of transmitted light.
  • a typical example of this type of variable optical attenuator is an opposed type in which a polarizer and an analyzer are installed on the front and rear (input side and output side) on the optical axis of the variable polarization rotation means (Faraday rotation angle variable device). It is.
  • the variable polarization rotation means applies an external magnetic field to a Faraday element (such as a magnetic garnet single crystal film having a Faraday effect) with an electromagnet or the like, and changes the external applied magnetic field, thereby changing the Faraday of light transmitted through the Faraday element. It controls the rotation angle.
  • the variable optical attenuator variably controls the attenuation of light by controlling the Faraday rotation angle.
  • Patent Document 1 discloses a basic film Faraday element whose Faraday rotation angle changes according to a variable magnetic field and a variable magnetic field. There is also a technology that can realize high attenuation and increase the variable range of attenuation by arranging the compensation film Faraday elements in combination without changing the Faraday rotation angle.
  • the basic film Faraday element and the compensation film Faraday element must have a relationship in which their Faraday rotation directions are opposite to each other. Therefore, the compensation film Faraday element and the basic film Faraday element have different compositions and are grown separately due to differences in manufacturing conditions. Therefore, the basic Faraday element and the compensation film Faraday element differ in wavelength-dependent loss and temperature-dependent loss, etc., and the Faraday rotation angle varies depending on the wavelength 'temperature condition, so that the maximum attenuation peak differs from the drive current. The optical characteristics of the variable optical attenuator will be adversely affected. Therefore, it is difficult to widen the operating temperature range and the operating wavelength range.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2003-107420
  • the problem to be solved by the present invention is that the maximum attenuation peak position with respect to the drive current is almost the same regardless of the wavelength 'temperature condition, thereby obtaining good optical characteristics while being inexpensive and small. It is a point to be able to be.
  • One aspect of the present invention includes a parallel plane type separation / birefringence element for separation / combination that separates light of the same optical path in which the polarization directions are orthogonal to each other and synthesizes light of different optical paths, and a light convergence property.
  • Variable polarization rotation means and fixed polarization rotation means installed at arbitrary positions, and an input port and an output port set on an end side of the separation and synthesis birefringence element, and the variable
  • the polarization rotation means is a basic membrane Faraday element whose Faraday rotation angle changes in accordance with a variable composite magnetic field, and forces the basic membrane Faraday element in two or more directions by applying an external magnetic field to vary the composite magnetic field.
  • a variable magnetic field applying means the fixed polarization rotating means, A compensation film Faraday element in which the Faraday rotation angle hardly changes and the Faraday rotation direction is the same as that of the basic film Faraday element, and an external magnetic field is applied to the compensation film Faraday element.
  • the compensation film Faraday element is disposed inside the cylindrical permanent magnet, the basic film Faraday element is disposed outside the cylindrical permanent magnet, and the two Faraday elements are different from each other.
  • the variable optical attenuator is configured to be magnetized in the direction, and controls the amount of reflected output by controlling the rotation angle in the polarization direction with the variable polarization rotating means.
  • the fixed polarization rotating means is located between the birefringent element for separation and synthesis and the lens
  • the variable polarization rotating means is located between the lens and the reflecting mirror, and the back surface of the reflecting mirror.
  • an auxiliary permanent magnet that magnetizes the basic film Faraday element in the direction opposite to that of the compensation film Faraday element is preferably installed.
  • the basic film Faraday element and the compensation film Faraday element are Bi-substituted rare earth iron garnet LPE films having the same composition.
  • the basic film Faraday element is subjected to annealing, and the compensation film Faraday element.
  • the film is not annealed and can exhibit characteristics having a large magnetic anisotropy compared to the basic film Faraday element.
  • the Faraday rotation angle of the compensation film Faraday element of the fixed polarization rotating means and the variable magnetic field of the basic film Faraday element of the variable polarization rotating means [] The difference is preferably within ⁇ 2 degrees.
  • the Faraday rotation angle of the compensation film Faraday element of the fixed polarization rotation means and the Faraday rotation angle of the basic film Faraday element of the variable polarization rotation means are preferably 90 degrees or more in a reciprocal manner.
  • a two-core ferrule can be installed so that the input fiber is positioned at the input port and the output fiber is positioned at the output port.
  • optical waveguides can be used instead of optical fibers.
  • variable optical attenuator of the present invention the basic film Faraday element and the compensation film Faraday element are magnetized in the opposite directions, and the Faraday rotation directions are opposite, so the same Faraday rotation is performed for the same magnetic field direction. Direction. Therefore, since the same compositional material can be used, the maximum attenuation peak position with respect to the drive current can be matched regardless of the wavelength 'temperature condition that equals the wavelength-dependent loss and temperature-dependent loss. An attenuation range is obtained, and good optical characteristics are obtained. [0014]
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a variable optical attenuator according to an aspect of the present invention.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram of the optical path of the variable optical attenuator shown in FIG.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram of a polarization state between optical components in the first embodiment.
  • FIG. 4 is a drive current attenuation characteristic diagram of the first embodiment.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram of the polarization state between optical components in the second embodiment.
  • FIG. 6 is a drive current attenuation characteristic diagram of the second embodiment.
  • FIG. 1 shows a schematic configuration of a typical example of a variable optical attenuator according to the present invention.
  • Figure 2 shows the optical path.
  • the arrangement direction of optical components (the direction in which incident light travels) is the z direction (right direction in the drawing).
  • the two orthogonal directions are the x direction (horizontal direction) and the y direction (vertical direction). Therefore, A in Figure 2 represents the plane, B represents the front! /, And! /.
  • variable optical attenuator parallel light that separates light in the same optical path in which the polarization directions directed in the z direction are orthogonal to each other in the y direction and combines light in different optical paths directed in the z direction in the y direction.
  • the planar birefringent element 10 for separation and synthesis, the fixed polarization rotating means 12, the convex lens 14, the variable polarization rotating means 16, and the reflecting mirror 18 arranged at the focal position of the convex lens 12 are arranged in this order. Arranged in order. Then, an input port and an output port are set on the side surface of the separation / combination birefringent element 10 (the leftmost side surface in the drawing).
  • a 2-core ferrule 24 is installed so that the input fiber 20 is located at the input port of the lower right optical path and the output cuff 22 is located at the output port of the lower left optical path when looking in the z direction! / RU
  • the parallel-plane separation / synthesis birefringence element 10 is made of, for example, a rutile crystal.
  • Parallel plane type means a shape in which the light incident surface and light exit surface are parallel to each other, and includes a parallel plate shape, a parallelogram block shape, a rectangular parallelepiped shape, and the like.
  • the fixed polarization rotating means 12 has a structure in which a compensation film Faraday element 32 is disposed inside a cylindrical permanent magnet 30.
  • the cylindrical permanent magnet 30 is magnetized in the axial direction.
  • the variable polarization rotating means 16 has a basic film Faraday element 34 located outside the cylindrical permanent magnet 30, and a structure in which a synthetic magnetic field by a fixed magnetic field and a variable magnetic field is applied to the basic film Faraday element 14 from two directions. is there.
  • the fixed magnetic field is applied in the direction in which light travels by the cylindrical permanent magnet 30 and the disk-shaped auxiliary permanent magnet 36 disposed behind the reflecting mirror.
  • the variable magnetic field is applied by the electromagnet 38 in a direction perpendicular to the light traveling direction.
  • the combination of these two magnetic fields is applied to the basic film Faraday element 34, and the Faraday rotation angle of the basic film Faraday element 34 changes in accordance with the combined magnetic field.
  • the compensation film Faraday element 32 keeps the Faraday rotation angle substantially constant.
  • the compensation film Faraday element 32 and the basic film Faraday element 34 elements having the same Faraday rotation direction are used. As described above, since the compensation film Faraday element 32 is arranged inside the cylindrical permanent magnet 30 and the basic film Faraday element 34 is arranged outside the cylindrical permanent magnet 30, the variable magnetic field is zero. Both Faraday elements 32 and 34 are The Faraday rotation directions of the Faraday elements 32 and 34 are opposite to each other.
  • the incident light passes through the separation / combination birefringence element 10 and the lens 14 and is collected and reflected by the reflection mirror 18.
  • the reflected return light passes again through the lens 14 and the separation / combination birefringence element 10. Exit.
  • the light travels back and forth between the fixed polarization rotating means 12 and the variable polarization rotating means 16 (actually those Faraday elements, ie, the compensation film Faraday element 32 and the basic film Faraday element 34). Therefore, in the present invention, one birefringent element serves as both a polarizer and an analyzer.
  • the amount of reflected output is controlled by controlling the rotation angle in the polarization direction with the variable polarization rotation means 34.
  • the basic film Faraday element and the compensation film Faraday element a Bi-substituted rare earth iron garnet LPE film having the same composition can be used.
  • the basic film Faraday element is subjected to heat treatment (annealing), and the compensation film Faraday element is not subjected to heat treatment and exhibits a characteristic of greater magnetic anisotropy than the basic film Faraday element. .
  • the temperature-dependent loss coefficient and wavelength-dependent loss coefficient of the Faraday rotation angle are exactly the same in both Faraday elements, so that the loss coefficients are completely canceled at the same Faraday rotation angle.
  • the compensation film Faraday element arranged inside the cylindrical permanent magnet is affected by the magnetic field distribution inside the magnet, so that a magnetically saturated part and a magnetically saturated part are generated. There is a fear. In such a state, a magnetic domain is generated in the Faraday element, which causes deterioration of the extinction ratio. Furthermore, a difference in the Faraday rotation angle is generated due to the in-plane distribution of the compensation film Faraday element in the magnetic field direction, resulting in a rotation angle difference from the basic film Faraday element.
  • these problems can be avoided by using a material having high magnetic anisotropy as the compensation film Faraday element as in the above example.
  • the difference between the Faraday rotation angle of the compensation film Faraday element of the fixed polarization rotation means and the variable magnetic field of the basic film Faraday element of the variable polarization rotation means is the difference between the Faraday rotation angles in the state where tl is not applied ⁇ 2 degrees If it is set within the range, a variable optical attenuator with reduced attenuation can be obtained.
  • at least the Faraday rotation angle of the basic membrane Faraday element of the variable polarization rotation means is Set the maximum round trip to 90 degrees or more. By doing so, the maximum insertion loss and the minimum insertion loss are obtained.
  • the operation of the first embodiment of the variable optical attenuator structure having such a structure will be described.
  • the first embodiment is an attenuation reduction type
  • Rotation angle of basic membrane Faraday element +45 to 0 degrees (Rotation angle after reciprocation: +90 to 0 degree)
  • Compensation film Faraday element rotation angle 45 degrees (Rotation angle after reciprocation: -90 degrees)
  • FIG. 3 is an explanatory diagram of the polarization state between the optical components at that time.
  • the polarization state indicated by ⁇ d is a view of the light traveling in the positions indicated by a to d in B of FIG.
  • the light incident in the z direction from the input fiber 20 travels straight in the birefringence element 10 for separation and synthesis, and the extraordinary light is refracted and separated in the y direction. Then, the light passes through the compensation film Faraday element 32, is condensed by the convex lens 14, and passes through the basic film Faraday element 34 in the middle of the light collection. Since the Faraday rotation angle is 0 degrees in total, the polarization direction is reflected by the reflecting mirror 18 at the lens focal position without rotating. The reflected light returning in the z direction again passes through the basic film Faraday element 34, the convex lens 14, and the compensation film Faraday element 32, but the polarization direction does not rotate at that time.
  • the ordinary light in the upper optical path travels straight, and the extraordinary light in the lower optical path is refracted in the ⁇ y direction. Therefore, almost no incident light from the input fiber 20 is coupled to the output fiber 22. In other words, almost all of the amount of incident light from the input fiber is attenuated.
  • the light incident in the z direction from the input fiber 20 travels straight in the separation / birefringence element 10, and the extraordinary light is refracted and separated in the y direction. Then, the light passes through the compensation film Faraday element 32, is condensed by the convex lens 14, and passes through the basic film Faraday element 34 in the middle of the light collection. Since the total Faraday rotation angle is set at ⁇ 45 degrees, the polarization direction rotates by ⁇ 45 degrees, and reaches the reflecting mirror 18 at the lens focal position to be reflected.
  • the reflected light returning in the z direction passes through the basic film Faraday element 34, the convex lens 14 and the compensation film Faraday element 32 again, and the polarization direction is further rotated by -45 degrees (and therefore by a total of -90 degrees).
  • the birefringent element 10 for separation and synthesis the ordinary light in the lower optical path travels straight, and the extraordinary light in the upper optical path is refracted in the y direction, so that all the light is polarized and combined into the output fiber 22. In this way, when the total Faraday rotation angle is ⁇ 45 degrees, the amount of incident light from the input fiber 20 is emitted to the output fiber 22 with almost no attenuation.
  • the reflected light returning in the z direction passes through the basic film Faraday element 34, the convex lens 14 and the compensation film Faraday element 32 again, and at this time, the polarization direction is further at the same angle (here -22.5 degrees: — 45 degrees).
  • the birefringent element 10 for separation and synthesis is The ordinary light component in the stage optical path goes straight, and the extraordinary light component in the upper stage optical path is refracted in the y direction, so these components are combined in the polarization and coupled to the output fiber 22. However, the ordinary light component in the upper optical path goes straight and the extraordinary light component in the lower optical path is refracted in the y direction, so these components do not couple to the output fiber. Therefore, the incident light from the input fiber 20 is attenuated (when the Faraday rotation angle is set to 22.5 degrees, the amount of incident light is almost halved) and emitted to the output fiber 22.
  • the attenuation amount of incident light (in other words, the amount of reflected output light) can be freely adjusted.
  • Figure 4 shows the results of measuring the change in. It can be seen that an attenuation of 35 dB or more was obtained with no variable magnetic field applied, and that the force peak position was consistent despite the temperature change. In other words, this variable optical attenuator can be shut down with high attenuation (with attenuation of 35 dB or more) without being affected by changes in temperature conditions.
  • Rotation angle of basic membrane Faraday element 0 to +50 degrees (Rotation angle after reciprocation: 0 to +100 degrees)
  • Rotation angle of compensation film Faraday element -5 degrees (Rotation angle after reciprocation: -10 degrees)
  • FIG. 5 is an explanatory diagram of the polarization state between the optical components at that time.
  • the polarization state indicated by ⁇ d is a view of the light traveling in the positions indicated by a to d in B of FIG.
  • the light incident in the z direction from the input fiber 20 travels straight in the separation / combination birefringent element 10, and the extraordinary light is refracted and separated in the y direction. Then, the light passes through the compensation film Faraday element 32, is condensed by the convex lens 14, and passes through the basic film Faraday element 34 in the middle of the light collection. Since the total Faraday rotation angle is set to +45 degrees, the polarization direction rotates +45 degrees and reaches the reflecting mirror 18 at the lens focal position to be reflected.
  • the reflected light returning in the z direction passes through the basic film Faraday element 34, the convex lens 14 and the compensation film Faraday element 32 again, and the polarization direction is further rotated by +45 degrees (therefore, a total of +90 degrees).
  • the ordinary light in the lower optical path travels straight, and the extraordinary light in the upper optical path is refracted in the y direction. In this way, when the Faraday rotation angle is 45 degrees, the amount of incident light from the input fiber 20 is almost attenuated and almost all the amount of light is emitted to the output fiber 22.
  • FIG. 5C shows the case where the total Faraday rotation angle by the basic film Faraday element 34 and the compensation film Faraday element 32 is 0 degree. This is because the driving current of the electromagnet is sufficiently large, so that the basic film Faraday element 34 is magnetized in a direction orthogonal to the light traveling direction.
  • the ordinary light in the upper optical path goes straight, and the extraordinary light in the lower optical path is refracted in the -y direction. Therefore, almost no incident light from the input fiber 20 is coupled to the output fiber 22. In other words, almost all of the amount of incident light from the input fiber is attenuated.
  • the reflected light returning in the z direction passes through the basic film Faraday element 34, the convex lens 14 and the compensation film Faraday element 32 again, and at this time, the polarization direction is further at the same angle (here, +22.5 degrees: Therefore, in total +45 degrees).
  • the ordinary light component in the lower optical path travels straight and the extraordinary light component in the upper optical path is refracted in the y direction, so that these components are combined in the polarization and coupled to the output fiber 22.
  • the ordinary light component in the upper optical path goes straight and the extraordinary light component in the lower optical path is refracted in the y direction, so these components do not couple to the output fiber. Therefore, the incident light from the input fiber 20 is attenuated (when the Faraday rotation angle is set to 22.5 degrees, the amount of incident light is almost halved) and emitted to the output fiber 22.
  • the attenuation amount of incident light (in other words, the amount of reflected output light) can be freely adjusted.
  • Figure 6 shows the results of measuring the change in the.

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Abstract

　分離合成用複屈折素子、固定偏波回転手段、凸レンズ、可変偏波回転手段、反射鏡を、その順序で配列する。固定偏波回転手段は、円筒状永久磁石の内部に補償膜ファラデー素子を配置した構造であり、可変偏波回転手段は、円筒状永久磁石の外部に基本膜ファラデー素子を配置し電磁石で可変磁界を印加する構造である。これによって両ファラデー素子は互いに異なる方向に磁化される。

Description

明 細 書
可変光アツテネータ
技術分野
[0001] 本発明は、反射型の可変光アツテネータに関するものである。
背景技術
[0002] くく関連出願の相互参照》
この出願は、 2005年 1月 31日に出願された日本特許出願、特願 2005— 23373 に基づく優先権を主張し、その内容を本願に援用する。
[0003] 光通信システムあるいは光計測システムなどでは、透過光量を制御するための可 変光アツテネータを必要とする。この種の可変光アツテネータの典型的な例は、可変 偏波回転手段 (ファラデー回転角可変装置)の光軸上の前後 (入力側と出力側）に偏 光子と検光子とを設置する対向型である。可変偏波回転手段は、ファラデー素子 (フ ァラデー効果を有する磁性ガーネット単結晶膜など）に電磁石などにより外部磁界を 印加し、その外部印加磁界を変化させることにより、ファラデー素子を透過する光の ファラデー回転角を制御するものである。可変光アツテネータは、このファラデー回転 角の制御によって、光の減衰量を可変制御する。
[0004] 近年、波長多重通信が実用化され始めたことにより、挿入損失の均等化のために 各波長毎に光アツテネータを組み込むことが行われている。そのような使用形態では 、特に安価に製作でき、小型化できることが重要である。従来の対向型の可変光アツ テネータは、入出力を対向配置する場合以外では、ファイバ引き回しのために広いス ペースが必要となり実装の自由度が低い。
[0005] このような問題を解決できる技術として、分離合成用複屈折素子と、レンズと、反射 鏡を順に配列し、入力ポートと出力ポートを分離合成用複屈折素子の側に設定して 、分離合成用複屈折素子と反射鏡との間に設置した可変偏波回転手段で偏波方向 の回転角度を制御することにより入射光の減衰量を調整可能とした反射型の可変光 アツテネータが提案されている（特許文献 1参照)。更に、この特許文献 1には、可変 磁界に応じてファラデー回転角が変化する基本膜ファラデー素子と可変磁界によら ずファラデー回転角が変化しな 、補償膜ファラデー素子を組み合わせて配置するこ とにより、高減衰量を実現でき、減衰量の可変幅を大きくできる技術も開示されている
[0006] しかし、この可変光アツテネータでは、基本膜ファラデー素子と補償膜ファラデー素 子は、それらのファラデー回転方向が互いに逆の関係でなければならない。従って、 補償膜ファラデー素子と基本膜ファラデー素子とは異なる組成となり、製造条件の違 いから別々に育成されることになる。そのため、基本膜ファラデー素子と補償膜ファラ デー素子は、波長依存性損失や温度依存性損失などが異なり、波長'温度条件によ つてファラデー回転角に差異が生じて最大減衰ピークが駆動電流に対してシフトし、 減衰レンジを低下させてしまうなど、可変光アツテネータとしての光学特性に悪影響 を及ぼすことになる。そのため、使用温度範囲や使用波長範囲を広げることが困難 である。
特許文献 1 :特開 2003— 107420公報
発明の開示
[0007] 本発明が解決しょうとする課題は、波長'温度条件によらず駆動電流に対する最大 減衰ピーク位置がほぼ一致するようにし、それによつて安価で且つ小型でありながら 良好な光学特性が得られるようにする点である。
[0008] 本発明の一の態様は、偏波方向が直交関係にある同じ光路の光を分離し異なる光 路の光を合成する平行平面型の分離合成用複屈折素子と、光収束性のレンズと、前 記光収束性のレンズに関して前記分離合成用複屈折素子の反対側であって該レン ズの焦点位置に配置された反射鏡と、前記分離合成用複屈折素子と反射鏡の間の 任意の位置に設置された可変偏波回転手段及び固定偏波回転手段と、前記分離合 成用複屈折素子の端部側に設定された入力ポート及び出力ポートとを有し、前記可 変偏波回転手段は、可変合成磁界に応じてファラデー回転角が変化する基本膜ファ ラデー素子と、該基本膜ファラデー素子に 2方向以上力 外部磁界を印カロしてそれ らの合成磁界を可変する可変磁界印加手段を具備し、前記固定偏波回転手段は、 ファラデー回転角が殆ど変化せず且つ前記基本膜ファラデー素子とファラデー回転 方向が同じ補償膜ファラデー素子と、該補償膜ファラデー素子に外部磁界を印加す る筒状永久磁石を具備し、前記補償膜ファラデー素子は筒状永久磁石の内部に配 置され、前記基本膜ファラデー素子は筒状永久磁石の外部に配置されて、両ファラ デー素子は互いに異なる方向に磁化されるように構成され、前記可変偏波回転手段 で偏波方向の回転角度を制御することにより反射出力光量を制御する可変光アツテ ネータである。
[0009] ここで、固定偏波回転手段は分離合成用複屈折素子とレンズとの間に位置し、可 変偏波回転手段は、レンズと反射鏡との間に位置し、反射鏡の背面側に、基本膜フ ァラデー素子を補償膜ファラデー素子とは逆方向に磁ィ匕する補助永久磁石が設置さ れている構成が好ましい。
[0010] 本発明では、例えば基本膜ファラデー素子と補償膜ファラデー素子は、その組成 が同じ Bi置換希土類鉄ガーネット LPE膜であり、例えば基本膜ファラデー素子はァ ニール処理が施され、補償膜ファラデー素子はァニール処理が施されておらず前記 基本膜ファラデー素子に比べて磁気異方性が大きい特性を呈するものとすることが できる。
[0011] 固定偏波回転手段の補償膜ファラデー素子のファラデー回転角及び可変偏波回 転手段の基本膜ファラデー素子の可変磁界を印力 []していない状態でのファラデー回 転角は、その差が ± 2度以内であることが好ましい。あるいは、固定偏波回転手段の 補償膜ファラデー素子のファラデー回転角及び可変偏波回転手段の基本膜ファラ デー素子のファラデー回転角は、往復で最大 90度以上であることが好ま 、。
[0012] 本発明では、入力ポートに入力ファイバが位置し、出力ポートに出力ファイバが位 置するように、例えば 2芯フエルールを設置することができる。勿論、光ファイバに代 えて光導波路などを用いてもょ 、。
[0013] 本発明の可変光アツテネータでは、基本膜ファラデー素子と補償膜ファラデー素子 は、各々逆方向に磁化された状態でファラデー回転方向が逆であるため、同一磁界 方向に対しては同じファラデー回転方向である。よって、同じ組成の材料で作製でき ることから、波長依存性損失や温度依存性損失などを等しぐ波長'温度条件によら ず駆動電流に対する最大減衰ピーク位置を一致させることができ、そのため高減衰 域が得られ、良好な光学特性が得られる。 [0014] 本発明の上記以外の特徴及びその目的とするところは、添付図面を参照しつつ本 明細書の記載を読むことにより明らかとなるであろう。
図面の簡単な説明
[0015] [図 1]本発明の一態様に係る可変光アツテネータの概略構成図。
[図 2]図 1の可変光アツテネータの光路説明図。
[図 3]第 1実施例における各光学部品間での偏波状況の説明図。
[図 4]第 1実施例の駆動電流 減衰量特性線図。
[図 5]第 2実施例における各光学部品間での偏波状況の説明図。
[図 6]第 2実施例の駆動電流 減衰量特性線図。
符号の説明
10 分離合成用複屈折素子
12 固定偏波回転手段
14 凸レンズ
16 可変偏波回転手段
18 反射鏡
20 入力ファイバ
22 出力ファイバ
30 円筒状永久磁石
32 補償膜ファラデー素子
34 基本膜ファラデー素子
36 補助永久磁石
38 電磁石
発明の詳細な説明
[0017] 本明細書における説明及び添付図面の記載により、少なくとも次の事項が明らかに される。
[0018] 本発明に係る可変光アツテネータの典型例の概略構成を図 1に示す。また、その光 路を図 2に示す。説明を分力り易くするために、次のように座標軸を設定する。光学 部品の配列方向（入射光が進む方向）を z方向（図面では右方向）とし、それに対して 直交する 2方向を x方向（水平方向）、 y方向（垂直方向）とする。従って、図 2の Aは 平面を表しており、 Bは正面を表して!/、ると!/、うことになる。
[0019] この可変光アツテネータでは、 z方向に向力う偏波方向が直交関係にある同じ光路 の光を y方向に分離し z方向に向力う異なる光路の光を y方向で合成する平行平 面型の分離合成用複屈折素子 10と、固定偏波回転手段 12と、凸レンズ 14と、可変 偏波回転手段 16と、前記凸レンズ 12の焦点位置に配置した反射鏡 18とが、その順 序で配列されている。そして、前記分離合成用複屈折素子 10の側面（図面では左端 の側面）に入力ポートと出力ポートを設定する。この例では、 z方向を見て下段右側 光路の入力ポートに入力ファイバ 20が位置し、下段左側光路の出力ポートに出カフ アイバ 22が位置するように、 2芯フェルール 24を設置して!/、る。
[0020] 平行平面型の分離合成用複屈折素子 10は、例えばルチル結晶からなる。なお、「 平行平面型」とは、光の入射面と出射面が互いに平行となっている形状を意味して おり、平行平板形状あるいは平行四辺形のブロック形状、直方体形状なども含まれる
[0021] 固定偏波回転手段 12は、円筒状永久磁石 30の内部に補償膜ファラデー素子 32 を配置した構造である。円筒状永久磁石 30は、その軸方向に着磁されたものである 。可変偏波回転手段 16は、前記円筒状永久磁石 30の外部に位置する基本膜ファラ デー素子 34と、該基本膜ファラデー素子 14に 2方向から固定磁界と可変磁界による 合成磁界を印加する構成である。固定磁界は、前記円筒状永久磁石 30と、反射鏡 の背後に配置した円板状の補助永久磁石 36によって光が進む方向に印加される。 可変磁界は、電磁石 38によって光が進む方向に対して垂直な方向に印加される。こ れら 2つの磁界の合成が、基本膜ファラデー素子 34に印加され、その合成磁界に応 じて該基本膜ファラデー素子 34のファラデー回転角が変化する。それに対して補償 膜ファラデー素子 32は、ファラデー回転角がほぼ一定を保つ。
[0022] ここで、補償膜ファラデー素子 32と基本膜ファラデー素子 34としては、ファラデー 回転方向が同じものを用いる。前記のように、補償膜ファラデー素子 32は円筒状永 久磁石 30の内部に配置され、基本膜ファラデー素子 34は円筒状永久磁石 30の外 部に配置されているので、可変磁界が 0の場合には両ファラデー素子 32, 34は互い に 180度異なる方向に磁ィ匕され、両ファラデー素子 32, 34におけるファラデー回転 方向は互いに逆向きとなる。
[0023] 入射した光は、分離合成用複屈折素子 10、レンズ 14を通り反射鏡 18に集光して 反射され、反射戻り光は、再びレンズ 14、分離合成用複屈折素子 10を通って出射 する。その過程で、光は、固定偏波回転手段 12と可変偏波回転手段 16 (実際には それらのファラデー素子の部分、即ち補償膜ファラデー素子 32と基本膜ファラデー 素子 34)を往復する。従って本発明では、 1個の複屈折素子がそれぞれ偏光子と検 光子の 2つの機能を兼用する。本発明の可変光アツテネータでは、可変偏波回転手 段 34で偏波方向の回転角度を制御することにより、反射出力光量が制御されること になる。
[0024] ここで基本膜ファラデー素子と補償膜ファラデー素子としては、組成が同じ Bi置換 希土類鉄ガーネット LPE膜が使用できる。その場合、基本膜ファラデー素子は熱処 理 (ァニール）が施され、補償膜ファラデー素子は熱処理が施されておらず前記基本 膜ファラデー素子に比べて磁気異方性が大きい特性を呈するものとする。このように すると、両ファラデー素子で、ファラデー回転角の温度依存性損失係数や波長依存 性損失係数が全く同じであることから、同一ファラデー回転角のとき、それらの損失係 数は完全に相殺される。
[0025] ところで円筒状永久磁石の内側に配置された補償膜ファラデー素子は、磁石内側 の磁ィ匕分布の影響を受け、磁ィ匕飽和する部分と磁ィ匕飽和しな 、部分とが生じる恐れ がある。このような状態になると、ファラデー素子内に磁区が生じ、消光比劣化の原因 となる。更に、補償膜ファラデー素子の磁ィ匕方向の面内分布によりファラデー回転角 に差が生じ、基本膜ファラデー素子との回転角差を生じることになる。しかし、上記の 例のように、補償膜ファラデー素子として磁気異方性の高い特性の材料を使用すると 、これらの問題を回避できる。
[0026] 固定偏波回転手段の補償膜ファラデー素子のファラデー回転角と可変偏波回転 手段の基本膜ファラデー素子の可変磁界を印力 tlしていない状態でのファラデー回転 角の差を ± 2度以内に設定すると、減衰量減少型の可変光アツテネータが得られる。 また、少なくとも可変偏波回転手段の基本膜ファラデー素子のファラデー回転角は、 往復で最大 90度以上に設定する。そのようにすると、最大挿入損失及び最小挿入 損失が得られる。
実施例
[0027] このような構造の可変光アツテネータ構成による第 1実施例について、その動作を 説明する。第 1実施例は、減衰量減少型であり、
基本膜ファラデー素子の回転角： +45〜0度 (往復後の回転角： + 90〜0度） 補償膜ファラデー素子の回転角： 45度 (往復後の回転角：ー90度）
に設定している。図 3は、そのときの各光学部品間での偏波状況の説明図であり、 a
〜dで示す偏波状況は、図 2の Bの a〜dで示す位置での光が進む方向に見た図であ る。
[0028] (基本膜ファラデー素子の回転角： +45度、即ち、合計ファラデー回転角： 0度） まず、基本膜ファラデー素子 34と補償膜ファラデー素子 32とによる合計のファラデ 一回転角が 0度の場合を図 3の Aに示す。これは電磁石の駆動電流が 0 (即ち、可変 磁界が 0)で、そのため基本膜ファラデー素子 34には固定磁界のみが印加され磁ィ匕 方向が光の進行方向であり且つ補償膜ファラデー素子 32の磁ィ匕方向と 180度異な る状態である。
[0029] 入力ファイバ 20から z方向に入射する光は、分離合成用複屈折素子 10で常光は 直進し、異常光は屈折して y方向に光分離する。そして補償膜ファラデー素子 32を 通過し、凸レンズ 14で集光し、その集光途中で基本膜ファラデー素子 34を通過する 。ファラデー回転角が合計で 0度であるので、レンズ焦点位置の反射鏡 18では偏波 方向は回転せず反射する。 z方向に戻る反射光は、再び基本膜ファラデー素子 34 、凸レンズ 14及び補償膜ファラデー素子 32を通過するが、その際も偏波方向は回転 しない。そして、分離合成用複屈折素子 10で、上段光路の常光は直進し、下段光路 の異常光は— y方向に屈折する。従って、入力ファイバ 20からの入射光は、殆ど出 力ファイバ 22には結合しない。つまり、入力ファイバからの入射光量の殆ど全てが減 衰すること〖こなる。
[0030] (基本膜ファラデー素子の回転角：0度、即ち、合計ファラデー回転角： 45度） 次に、基本膜ファラデー素子 34と補償膜ファラデー素子 32とによる合計のファラデ 一回転角がー 45度の場合を図 3の Cに示す。これは電磁石の駆動電流が十分大き ぐそのため基本膜ファラデー素子 34は光が進む方向に直交する方向に磁化されて いる状態である。
[0031] 入力ファイバ 20から z方向に入射する光は、分離合成用複屈折素子 10で常光は 直進し、異常光は屈折して y方向に光分離する。そして補償膜ファラデー素子 32を 通過し、凸レンズ 14で集光して、その集光途中で基本膜ファラデー素子 34を通過す る。合計のファラデー回転角が— 45度に設定されているので、偏波方向が— 45度 回転し、レンズ焦点位置の反射鏡 18に達して反射する。 z方向に戻る反射光は、 再び基本膜ファラデー素子 34、凸レンズ 14及び補償膜ファラデー素子 32を通過し 、その際に偏波方向が更に— 45度 (従って合計で— 90度）回転する。分離合成用 複屈折素子 10で下段光路の常光は直進し、上段光路の異常光は y方向に屈折 するため、すべての光が偏波合成され出力ファイバ 22に結合する。このようにして、 合計のファラデー回転角が— 45度の場合は、入力ファイバ 20からの入射光量は、殆 ど減衰することなくほぼ全光量が出力ファイバ 22へと出射することになる。
[0032] (基本膜ファラデー素子の回転角： + 22. 5度、即ち、合計ファラデー回転角：—22.
5度）
基本膜ファラデー素子 34と補償膜ファラデー素子 32とによる合計のファラデー回 転角がー45〜0度の間の任意の角度の時は、次のようになる。これは電磁石の駆動 電流により、基本膜ファラデー素子 34は光が進む方向に対して駆動電流に応じた任 意の方向に磁ィ匕されている状態である。例えば 22. 5度の時を図 3の Bに示す。
[0033] 入力ファイバ 20から z方向に入射する光は、分離合成用複屈折素子 10で常光は 直進し、異常光は屈折して y方向に光分離する。そして補償膜ファラデー素子 32を 通過し、凸レンズ 14で集光し、その集光途中で基本膜ファラデー素子 34を通過する 。偏波方向は、補償膜ファラデー素子 32及び基本膜ファラデー素子 34によって任 意の角度（図 3の Bでは 22. 5度）回転し、レンズ焦点位置の反射鏡 18に達して反 射する。 z方向に戻る反射光は、再び基本膜ファラデー素子 34、凸レンズ 14及び 補償膜ファラデー素子 32を通過し、その際にも偏波方向が更に同じ角度 (ここでは - 22. 5度:従って合計で— 45度）回転する。そして分離合成用複屈折素子 10で下 段光路の常光成分は直進し、上段光路の異常光成分は y方向に屈折するため、 それらの成分は偏波合成されて出力ファイバ 22に結合する。しかし、上段光路の常 光成分は直進し、下段光路の異常光成分は y方向に屈折するため、これらの成分 は出力ファイバには結合しない。従って、入力ファイバ 20からの入射光は減衰して（ ファラデー回転角を 22. 5度に設定した場合は、入射光量がほぼ半減して）出力ファ ィバ 22へと出射することになる。
[0034] このようにして、基本膜ファラデー素子 34で偏波方向の回転角度を制御することに よって、入射光の減衰量 (言い換えれば反射出力光量)を自由に調整できることにな る。
[0035] 波長 1570nmの光を使用し、温度を— 5°C、 + 25°C (室温）、 + 75°Cに設定して、 電磁石の駆動電流 (従って可変磁界の強さ）に対する減衰量の変化を測定した結果 を図 4に示す。可変磁界を印加していない状態で減衰量 35dB以上が得られ、し力も 減衰量ピーク位置が温度変化にもかかわらず一致していることが分かる。つまり、この 可変光アツテネータを用いると、温度条件の変化に影響されずに高減衰に (減衰量 3 5dB以上で）シャットダウンできること〖こなる。
[0036] 次に、同じ構造の可変光アツテネータ構成による第 2実施例について、その動作を 説明する。第 2実施例では、
基本膜ファラデー素子の回転角： 0〜+ 50度 (往復後の回転角： 0〜+ 100度） 補償膜ファラデー素子の回転角：ー 5度 (往復後の回転角：ー10度）
に設定している。図 5は、そのときの各光学部品間での偏波状況の説明図であり、 a
〜dで示す偏波状況は、図 2の Bの a〜dで示す位置での光が進む方向に見た図であ る。
[0037] (基本膜ファラデー素子の回転角： + 50度、即ち、合計ファラデー回転角： +45度） まず、基本膜ファラデー素子 14と補償膜ファラデー素子 16とによる合計のファラデ 一回転角が +45度の場合を図 5の Aに示す。これは電磁石の駆動電流が 0 (即ち、 可変磁界が 0)で、そのため基本膜ファラデー素子 34には固定磁界のみが印加され 磁ィ匕方向が光の進行方向である状態であり且つ補償膜ファラデー素子 32の磁ィ匕方 向と 180度異なる状態である。 [0038] 入力ファイバ 20から z方向に入射する光は、分離合成用複屈折素子 10で常光は 直進し、異常光は屈折して y方向に光分離する。そして補償膜ファラデー素子 32を 通過し、凸レンズ 14で集光して、その集光途中で基本膜ファラデー素子 34を通過す る。合計のファラデー回転角が +45度に設定されているので、偏波方向が +45度 回転し、レンズ焦点位置の反射鏡 18に達して反射する。 z方向に戻る反射光は、 再び基本膜ファラデー素子 34、凸レンズ 14及び補償膜ファラデー素子 32を通過し 、その際に偏波方向が更に +45度 (従って合計で + 90度）回転する。分離合成用 複屈折素子 10で下段光路の常光は直進し、上段光路の異常光は y方向に屈折 するため、すべての光が偏波合成され出力ファイバ 22に結合する。このようにして、 ファラデー回転角が 45度の場合は、入力ファイバ 20からの入射光量は、殆ど減衰す ることなくほぼ全光量が出力ファイバ 22へと出射することになる。
[0039] (基本膜ファラデー素子の回転角： + 5度、即ち、合計ファラデー回転角： 0度）
次に、基本膜ファラデー素子 34と補償膜ファラデー素子 32とによる合計のファラデ 一回転角が 0度の場合を図 5の Cに示す。これは電磁石の駆動電流が十分大きぐそ のため基本膜ファラデー素子 34は光が進む方向に直交する方向に磁化されている 状態である。
[0040] 入力ファイバ 20から z方向に入射する光は、分離合成用複屈折素子 10で常光は 直進し、異常光は屈折して y方向に光分離する。そして補償膜ファラデー素子 32を 通過し、凸レンズ 14で集光し、その集光途中で基本膜ファラデー素子 34を通過する 。ファラデー回転角が合計で 0度に設定されているので、レンズ焦点位置の反射鏡 1 8では偏波方向は回転せず反射する。 z方向に戻る反射光は、再び基本膜ファラ デー素子 34、凸レンズ 14及び補償膜ファラデー素子 32を通過するが、その際も偏 波方向は回転しない。そして、分離合成用複屈折素子 10で、上段光路の常光は直 進し、下段光路の異常光は— y方向に屈折する。従って、入力ファイバ 20からの入 射光は、殆ど出力ファイバ 22には結合しない。つまり、入力ファイバからの入射光量 の殆ど全てが減衰することになる。
[0041] (基本膜ファラデー素子の回転角： + 27. 5度、即ち、合計ファラデー回転角： + 22.
5度） 基本膜ファラデー素子 14と補償膜ファラデー素子 16とによる合計のファラデー回 転角が 5〜+45度の間の任意の角度の時は、次のようになる。これは電磁石の駆 動電流により、基本膜ファラデー素子 34は光が進む方向に対して駆動電流に応じた 任意の方向に磁ィ匕されている状態である。例えば + 22. 5度の時を図 5の Bに示す。
[0042] 入力ファイバ 20から z方向に入射する光は、分離合成用複屈折素子 10で常光は 直進し、異常光は屈折して y方向に光分離する。そして補償膜ファラデー素子 32を 通過し、凸レンズ 14で集光し、その集光途中で基本膜ファラデー素子 34を通過する 。偏波方向は、補償膜ファラデー素子 32及び基本膜ファラデー素子 34によって任 意の角度（図 5の Bでは + 22. 5度）回転し、レンズ焦点位置の反射鏡 18に達して反 射する。 z方向に戻る反射光は、再び基本膜ファラデー素子 34、凸レンズ 14及び 補償膜ファラデー素子 32を通過し、その際にも偏波方向が更に同じ角度 (ここでは + 22. 5度:従って合計で +45度）回転する。そして分離合成用複屈折素子 10で下 段光路の常光成分は直進し、上段光路の異常光成分は y方向に屈折するため、 それらの成分は偏波合成されて出力ファイバ 22に結合する。しかし、上段光路の常 光成分は直進し、下段光路の異常光成分は y方向に屈折するため、これらの成分 は出力ファイバには結合しない。従って、入力ファイバ 20からの入射光は減衰して（ ファラデー回転角を 22. 5度に設定した場合は、入射光量がほぼ半減して）出力ファ ィバ 22へと出射することになる。
[0043] このようにして、基本膜ファラデー素子 34で偏波方向の回転角度を制御することに よって、入射光の減衰量 (言い換えれば反射出力光量)を自由に調整できることにな る。
[0044] 波長 1570nmの光を使用し、温度を— 5°C、 + 25°C (室温）、 + 75°Cに設定して、 電磁石の駆動電流 (従って可変磁界の強さ）に対する減衰量の変化を測定した結果 を図 6に示す。基本膜ファラデー素子のファラデー回転角が + 5度になるような可変 磁界を印加して 、る状態で減衰量 35dB以上が得られ、し力も減衰量ピーク位置が 温度変化にもかかわらず一致していることが分かる。つまり、この可変光アツテネータ を用いると、温度条件の変化に影響されずに高減衰に (減衰量 35dB以上で)シャツ 卜ダウンでさること〖こなる。 本発明の好適な実施形態について詳細に記載してきたが、添付の請求の範囲によ り定義される発明の精神及び範囲から離れることなぐこれらにおける種々の変更、 置換、改造が可能であることが理解されるべきである。

Claims

請求の範囲
[1] 偏波方向が直交関係にある同じ光路の光を分離し異なる光路の光を合成する平行 平面型の分離合成用複屈折素子と、
光収束性のレンズと、
前記光収束性のレンズに関して前記分離合成用複屈折素子の反対側であって該 レンズの焦点位置に配置された反射鏡と、
前記分離合成用複屈折素子と反射鏡の間の任意の位置に設置された可変偏波回 転手段及び固定偏波回転手段と、
前記分離合成用複屈折素子の端部側に設定された入力ポート及び出力ポートと、 を有し、
前記可変偏波回転手段は、可変合成磁界に応じてファラデー回転角が変化する 基本膜ファラデー素子と、該基本膜ファラデー素子に 2方向以上力 外部磁界を印 カロしてそれらの合成磁界を可変する可変磁界印加手段を具備し、
前記固定偏波回転手段は、ファラデー回転角が殆ど変化せず且つ前記基本膜フ ァラデー素子とファラデー回転方向が同じ補償膜ファラデー素子と、該補償膜ファラ デー素子に外部磁界を印加する筒状永久磁石を具備し、
前記補償膜ファラデー素子は筒状永久磁石の内部に配置され、前記基本膜ファラ デー素子は筒状永久磁石の外部に配置されて、両ファラデー素子は互いに異なる 方向に磁化されるように構成され、前記可変偏波回転手段で偏波方向の回転角度 を制御することにより反射出力光量を制御する
可変光アツテネータ。
[2] 前記固定偏波回転手段は分離合成用複屈折素子とレンズとの間に位置し、前記 可変偏波回転手段は、レンズと反射鏡との間に位置し、反射鏡の背面側に、基本膜 ファラデー素子を補償膜ファラデー素子とは逆方向に磁ィ匕する補助永久磁石が設置 されて 、る、請求項 1に記載の可変光アツテネータ。
[3] 基本膜ファラデー素子と補償膜ファラデー素子は、その組成が同じ Bi置換希土類 鉄ガーネット LPE膜であり、基本膜ファラデー素子はァニール処理が施され、補償膜 ファラデー素子はァニール処理が施されておらず前記基本膜ファラデー素子に比べ て磁気異方性が大き 、特性を呈する請求項 1に記載の可変光アツテネータ。
[4] 前記固定偏波回転手段の補償膜ファラデー素子のファラデー回転角及び前記可 変偏波回転手段の基本膜ファラデー素子の可変磁界を印力 tlしていない状態でのフ ァラデー回転角は、その差が ± 2度以内である、請求項 3に記載の可変光アツテネー タ。
[5] 前記可変偏波回転手段の基本膜ファラデー素子のファラデー回転角は、少なくとも 往復で最大 90度以上である、請求項 3に記載の可変光アツテネータ。
[6] 前記入力ポートに入力ファイバが位置し、前記出力ポートに出力ファイバが位置す るように、 2芯フエルールが設置されている、請求項 1に記載の可変光アツテネータ。
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