(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
３個の複屈折結晶板と１個もしくは２個以上のファラデー回転子およびファラデー回転子磁化用永久磁石からなる偏波方向に依存しない光アイソレータにおいて、少なくとも一個の複屈折結晶板の板面法線方向に対する結晶光学軸角度が他の複屈折結晶板の光学軸角度と異なり、かつ前記板面法線方向に対する結晶光学軸角度は、前記他の複屈折結晶板を光線が伝播する過程に生じた偏光の位相遅れに起因する偏波分散効果を相殺するに必要な光学軸角度に設定され、更にその板面法線方向板厚は偏波分散効果を相殺するに必要な光学軸角度の関数として導き出され、また前記板面法線方向板厚は、偏波無依存型光アイソレータとして順方向に損失なく光学結合がとれ、さらに逆方向に光遮断機能をなすに必要な板面法線方向板厚となるように設定されることを特徴とした偏波無依存型光アイソレータ。
【請求項２】
第一、第二および第三の複屈折結晶板とファラデー回転子およびファラデー回転子磁化用永久磁石からなる偏波方向に依存しない光アイソレータにおいて、第一、第二の複屈折結晶板は共に板面法線方向に対する結晶光学軸角度が同じで、結晶光学軸を複屈折結晶板の板面に投影した角度を、光線伝搬方向に対して垂直な上下方向であるｙ軸を基準として時計回りに、第一の複屈折結晶板では45°、第二の複屈折結晶板では０°とし、板面法線方向板厚が√２：１の比率であり、第一及び第二の複屈折結晶板の間にファラデー回転子を配置し、第三の複屈折結晶板の板面法線方向に対する結晶光学軸角度は第一、第二複屈折結晶板によって誘起される偏波分散を相殺するに必要な光学軸角度に設定され、更にその板面法線方向板厚は偏波分散効果を相殺するに必要な光学軸角度の関数として導き出され、また前記板面法線方向板厚は、偏波無依存型光アイソレータとして順方向に損失なく光学結合がとれ、さらに逆方向に光遮断機能をなすに必要な板面法線方向板厚を具備することを特徴とした偏波無依存型光アイソレータ。
【請求項３】
第一、第二および第三の複屈折結晶板と前記複屈折結晶板間に挿入される第一、第二のファラデー回転子およびファラデー回転子磁化用永久磁石からなる偏波方向に依存しない光アイソレータにおいて、第一、第二の複屈折結晶板は共に板面法線方向に対する結晶光学軸角度が同じで、結晶光学軸を複屈折結晶板の板面に投影した角度を、光線伝搬方向に対して垂直な上下方向であるｙ軸を基準として時計回りに、第一の複屈折結晶板では０°、第二の複屈折結晶板では315°とし、更に、板面法線方向板厚が１：√２の比率であり、第一及び第二の複屈折結晶板の間に第一のファラデー回転子を配置すると共に、第二及び第三の複屈折結晶板の間に第二のファラデー回転子を配置し、第三の複屈折結晶板の板面法線方向に対する結晶光学軸角度は第一、第二複屈折結晶板によって誘起される偏波分散を相殺するに必要な光学軸角度に設定され、更にその板面法線方向板厚は偏波分散効果を相殺するに必要な光学軸角度の関数として導き出され、また前記板面法線方向板厚は、偏波無依存型光アイソレータとして順方向に損失なく光学結合がとれ、さらに逆方向に光遮断機能をなすに必要な板面法線方向板厚を具備することを特徴とした偏波無依存型光アイソレータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、光ファイバ通信等における光の偏波方向に依存しない光アイソレータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザを信号光源とする光通信の進歩に伴い、これまでは不可能であった数百メガヘルツを越える高速高密度な信号伝送が実用化され、かつ最近の光増幅技術の目ざましい進展によって、光電変換の必要なく膨大な情報伝達が光ファイバを経路として可能になり、ファイバ間に挿入する偏光方向に無関係な光アイソレータや、光増幅用励起光の導入方法等に関する技術的高度化、経済的低価格化の要求が高まり、様々な提案がなされ、一部実用に供されている。
【０００３】
図２は光線入出射面が平行平面であり、光結合が比較的容易であること、かつ部品点数が複屈折結晶板とファラデー回転子の二種類で足りる構成部品上の利点も共有する光の偏波方向に光学特性が依存しない光アイソレータ（以下偏波無依存型光アイソレータという）を示し、順方向の光線透過状態を追跡した概略図である。構成はファラデー回転子と３個の複屈折結晶板を用いた構造（特公昭60-51690号公報参照）である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図２の構成は常光，異常光の伝播経路が異なることから、二光線間の位相ずれが生じ、信号特性の偏波分散の原因となっている。実際にファイバ間に用いる偏波無依存型光アイソレータを伝播するとき誘起される偏波分散特性は、一般に信号の分解能から0.2ps(ピコ秒)以下に抑制されることが望ましいとされている。しかし図２の構成の場合、常光，異常光間に光線伝播速度差異があり、偏波分散が必ず発生し、そのままでは今後予想される高速高密度光通信用光学装置として無視できない問題になっている。
【０００５】
これらの問題を解決するために図３は光学軸に直角に光線が伝播するように切り出した複屈折結晶位相調整板を光線伝播経路に介在させた例（特願平4-336563号参照）であり、さらに図４は２個の45゜ファラデー回転子と４個の複屈折結晶板を用い、常光，異常光の光線経路長を一致させる構成が提案され（特開平4-51214号公報参照）、位相差に基づく偏波分散特性は大幅に緩和され、0.1ps以下の偏波無依存型アイソレータも製作可能になった。
【０００６】
以上の関係を図２の構成で説明すると、図２では第一，第二の複屈折結晶板Ｐ21，Ｐ22の厚みをdとすれば、第三の複屈折結晶板Ｐ23の厚みは√2dである。第一から第三の複屈折結晶板を伝播したとき生ずる偏波伝播状態を追跡するとき、まず第一の複屈折結晶板Ｐ21に入射した光線が常光，異常光に分離される。次に第二の複屈折結晶板Ｐ22に伝播するとき、Ｐ22はＰ21に対して光学軸の向きが鏡面対象で、かつ光線伝播軸を回転軸として45゜回転された状態だから、異常光だけが移動する。
【０００７】
次に第三の複屈折結晶板Ｐ23は、Ｐ22に対して鏡面対象配置であるため、Ｐ22まで常光線であったものが異常光線となり、結局常光，異常光の位相遅れはＰ21によって生じた成分が最後まで保留されることになる。そこでＰ21の位相遅れを補償するために第四の複屈折結晶板を挿入すると、常光と異常光は再び分離することはできないので、複屈折による常光，異常光の分離がなく、また常光と異常光の光線伝播速度が異なる結晶方位を選択しなければならない。従ってＰ34に示されるように、光学軸方向が光線伝播軸に対して垂直になるとき全ての要請が満たされ、常光，異常光の光線速度面が楕円体切断面となる結晶切り出し面をもつ平行平板となる。
【０００８】
一方図４の構成ではファラデー回転子２個、複屈折結晶板４個で偏波分散による位相遅れを解消した提案である。この構成は前半のＰ41，Ｐ42を伝播するとき常光，異常光線の転換を生じない結晶方向に調整され、後半のＰ43，Ｐ44を伝播する時点で常光，異常光が転換する方位に複屈折結晶板を調整配置することから図に示されるように常光，異常光が同じ光路を経てから再結合するため位相遅れが最終的に相殺され、偏波分散が生じない。しかし、上記引用例はいずれにしても高価な複屈折結晶板が４枚必要になり製品価格面で問題であり、しかも部品点数が多く光学部品組立が難しくなる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以上に説明したファイバ間に挿入するファイバ端子付き偏波無依存型アイソレータにおける偏波分散を完全に消失せしめる新規な構造を提案したものであり、前記光アイソレータに搭載される複屈折結晶板の法線方向と結晶の光学軸とのなす角度が異なる二種以上の組み合わせから、複屈折結晶板による偏波分離，再結合位置は支障なく、常光，異常光の光路差および屈折率の違いを利用して最終的に一対の光ファイバ間の順方向から入射した光線が偏波に係わる位相遅れを生ぜずに、対向の光ファイバへ伝播させることによって実現するものである。
【００１０】
一般に複屈折結晶板の常光，異常光の屈折率の違いに基づく位相ずれは数式１および数式２で表わされる。ωは光線の角速度、ｔei、ｔoはそれぞれ異常光，常光の伝播時間である。
【数１】
0003647892.tif 000002
【数２】
0003647892.tif 000003
λは光線波長としたとき、位相遅れτは数式１の関係を用いて数式２によって表現される。式中、ｎei、ｎoは異常光、常光の屈折率であり、結晶の厚みをｄ、光速度ｃおよび使用する光波長λとして導かれた関係である。
【００１１】
ただしｎeiは複屈折結晶板の法線方向と結晶の光学軸とのなす角度θに依存するもので、異常光の屈折率をｎe とするときｎeiは数式３の関係から導かれ、それは複屈折結晶板法線方向と光学軸とのなす任意の角度θに対して成り立ち、その方位に対応する異常光線の屈折率ｎeiおよび、その時の位相遅れδは数式４で示される。ただし図１において光線伝播方向（複屈折結晶板法線方向）をｚ軸、紙面上下方向をｙ軸、紙面垂直方向をｘ軸としたとき、光学軸はｙｚ面に平行であり、入射光線もｙｚ面に平行でｘｙ面に垂直入射した条件である。
【００１２】
【数３】
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【数４】
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ｄの厚みの複屈折結晶板を伝播したとき常光，異常光の分離幅ｓおよびｓが最大になる角度θmaxは、数式５および数式６となる。
【数５】
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【数６】
0003647892.tif 000007
【００１３】
ただし、図５に示すようにαはｘｙ面に対する入射角度である。実際に偏波無依存型光アイソレータを一対のレンズによってファイバ間の光結合が形成されている間隙に挿入した場合、端面の反射光がファイバに取り込まれないように数度分程度ｘｙ面に対する法線方向（ｚ軸）からずらして固定されるためcosα成分が加わる。この場合当然位相遅れを示す関係も数式７のように変化する。
【数７】
0003647892.tif 000008
ここでβは入射光が複屈折結晶板へ伝播したときの常光の屈折角度であり、γは同じく異常光とｚ軸とのなす角度であり、それぞれ数式８および数式９によって導かれる。
【００１４】
【数８】
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【数９】
0003647892.tif 000010
以上の関係において入射角α，分離幅ｓが決まれば、ある定まった位相遅れ（偏波モード分散と呼称し、以下ＰＭＤという）を補償するため、本発明はある適当な複屈折結晶板の光学軸に対する切り出し角度を変動させ、ちょうど同じ分離幅ｓを有しＰＭＤが相殺される板厚に設計することを提案するものである。ＰＭＤは何れも複屈折結晶板を作製するときの光学軸方位角θと板厚に依存するため、複屈折結晶板の条件を選択するときによって調整できる。
【００１５】
例えば一般に複屈折結晶板によって常光，異常光を分離する用途は最小板厚で最大分離幅ｓmaxを要求されるので、例えば光通信分野で採用されている波長帯域λ＝1.55μmの場合、常光，異常光の屈折率をそれぞれ、ｎo＝2.453，ｎe＝2.709とすると数式６からθmax＝47.8゜となり、ｓmax＝0.0999dが得られ、複屈折結晶板厚みｄの約一割となる。もちろん入射光がαの角度で投射される場合は数式７の関係からＰＭＤが推定できる。
【００１６】
例えば図２における構造の偏波無依存型アイソレータに本発明を適用すると、図中Ｐ21、Ｐ22、Ｐ23における板厚はＰ21をｄとすると比率は1：1：√2である。またそれぞれの偏波モード分散をＰＭＤ１，ＰＭＤ２，ＰＭＤ３とすると全体のＰＭＤは図２から明らかなようにＰＭＤ＝（ＰＭＤ２＋ＰＭＤ３）−ＰＭＤ１であり、結局ＰＭＤ３に生ずる成分が残余として発生する。よってＰ21の光学軸と複屈折結晶板の法線との角度（θk）をＰ22、Ｐ23と異なる方位に設定した複屈折結晶板Ｐ21eとすると、このＰ21eをＰ21の替わりに配置すれば、偏波モード分散の条件（ＰＭＤ２＋ＰＭＤ３）＝ＰＭＤ１が実現される。このとき異常光の屈折率はＰ22、Ｐ23がｎei、Ｐ21eはｎeii、法線方向の板厚がｄiとして前述の条件を満たすと同時に、Ｐ21eを透過した光線はｄiの板厚を伝播する過程でＰ21で得られたものと同じ方位に、同じ大きさの常光，異常光分離が見込めなければならない。
【００１７】
数式１０および数式１１はそれぞれＰ21とＰ21eの分離幅が一致する条件と、Ｐ22およびＰ23の合成ＰＭＤとＰ21eのＰＭＤが相殺する条件からｄiをθk の関数として導いた式であり、この２式が等しい条件からθk が導かれ、図６に示されるように数式１０(Ａ)および数式１１(Ｂ)の交点における光学軸角度および複屈折結晶板の厚みｄiが理論的に存在する。
【００１８】
【数１０】
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【数１１】
0003647892.tif 000012
【００１９】
以下の関係をさらに一般化すると、本発明においては基本的に３個の複屈折結晶板Ｐi（i＝l，m，n）が必要であり、それぞれの板面法線方向に対する光学軸方位角をθi（i＝l，m，n）とする。θiは少なくとも１つは異なる角度でなければならない。例えばθi＝θnとすれば、θn≠θl＝θmまたはθn≠θl，θn≠θmおよびθl≠θmが考えられる。すなわち方位角が全て同一でないことが第一要素である。
【００２０】
一方光アイソレータとして第一の複屈折結晶板にて常光線，異常光線に分離した光線が再結合しなければならないので、それぞれの分離幅ｓi（i＝l，m，n）は以下の関係、
【数１２】
0003647892.tif 000013
となり、ここでiは便宜上つけたもので、本質的に３個の複屈折結晶板における分離幅には、
１：１：√2
の比例関係がなければならない。これら２つの条件に加えて
ＰＭＤl＋ＰＭＤm＝ＰＭＤn
となる複屈折結晶板の厚みｄl，ｄm，ｄnが必然的に決定される。
【００２１】
これらの条件は、
ｕ＝ｎo2ｎe2cos2θi−ｎo2sin2αi
ｖ＝−2ｎo2ｎe2cosθi・sinθi
ｗ＝ｎo2ｎe2sin2θi−ｎei2sin2αi
とし、
【数１３】
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と定義すると下記数式１４で与えられるθiiに対して、
【数１４】
0003647892.tif 000015
偏波分散の関係
【数１５】
0003647892.tif 000016
【数１６】
0003647892.tif 000017
から一義的に規定されるθiとｄiを保持することが本発明の構成要素である。
【００２２】
本発明の要旨を具体化する複屈折結晶板の組み合わせやその法線方向と光学軸との組み合わせは多様な配列が考えられるが、本発明に係わる偏波無依存型アイソレータ構成として以下の条件が包含されてなければならない。すなわち、
▲１▼：少なくとも一個の複屈折結晶板の光学軸方位が残余の複屈折結晶板の光学軸方位と異なること、
▲２▼：▲１▼に係わる複屈折結晶板を光線が伝播するとき誘起される偏波モード分散は残余複屈折結晶板に起因する偏波モード分散と分散度合いは同等で分散方向が互いに逆方向であること、
▲３▼：光非相反効果を保持し、順方向損失は殆どなく、逆方向損失は30dBを越える光アイソレータ機能を兼ね備えること
が必要条件であり、以上の要素から所望の効果が得られる。したがって複屈折結晶板の光学軸方位やそれらの組み合わせは、本発明の末梢的な要素であり特に言及しないが、本発明の要旨，効果を開示するため、以下実施例に沿って詳述する。
【００２３】
【実施例１】
図１は、本発明を適用した無偏波光アイソレータの構造である。基本構成は複屈折結晶板Ｐ11，Ｐ12，Ｐ13eとしてルチル結晶を採用し、複屈折結晶板の切り出し角度（板面の法線方向と光学軸方向との角度）はルチル結晶の光学軸に対してＰ11、Ｐ12はθ1＝47.8゜、Ｐ13eはθ2＝69.8゜とした。ルチル結晶は正の一軸結晶であり結晶の光学軸方位を図１に示す方向に配置する。それぞれの寸法はＰ11が3mm×3mm、厚さ1.41mmであり、Ｐ12は断面寸法は3mm×3mmであり、厚さはＰ11の√2倍で、ちょうど2mmとした。Ｐ13eの厚みは数式１０、数式１１から推定値2.02mmとした。
【００２４】
ファラデー回転子Ｆ1、Ｆ2は断面寸法が3mm×3mm、厚さ約350μmで使用波長λ＝1550nmに設定したＬＰＥ法でＧＧＧ基板上に育成したBi置換希土類鉄ガーネットを用いた。ファラデー回転子による偏波分散性は極微弱なので、複屈折結晶板における寄与だけ推定するとき、光線軸に対して47.8゜に切り出された複屈折結晶板Ｐ11、Ｐ12に垂直入射光線によって生じる偏波分散は、その異常光線屈折率ｎe'は、ｎe'＝2.584となり、δ＝1.565×10-12sすなわち、約1.56psとなる。Ｐ13eは光学軸方位が69.8゜だから、同様にしてｎeii＝2.674、δ＝1.533×10-12 すなわち1.53psとなり偏波分散として△δ＝0.02psとなる。
【００２５】
実際に干渉光強度交流同期検波方式による偏波分散測定では0.01psであり、ほぼ予想通りの数値であった。もちろん、偏波分散の関係式から複屈折結晶板の厚みが薄くなれば、偏波分散はそれだけ微弱に抑制できるが、光アイソレータとしての逆方向挿入損失を支配する光線分離幅が小さくなり、結果として、消光比が劣化するため意味をなさない。このとき光アイソレータの挿入損失は0.6dB、消光比68.4dBを得た。基本的にファラデー回転子を２個用いた２段構造になっているが光線の結合効率は従来構造と同等であり、しかも図４の構造より部品点数が少ないこと、磁化方向を互いに逆向きに構成できるため温度特性，波長特性とも広帯域化が達成できる。
【００２６】
【実施例２】
図２の構成について従来構成と本発明の構成を比較するため、二種類の偏波無依存型アイソレータを製作した。複屈折結晶板はルチル結晶でファラデー回転子は実施例１と同様にBi置換希土類鉄ガーネット膜を採用した。もちろんバルク結晶から切り出したＹＩＧ（イットリウム鉄ガーネット）でも差し支えない。
【００２７】
二種類の構成において異なる部分は、図２中Ｐ21を本発明に基づくＰ21eに差し替えた箇所である。表１はそれぞれの構成比較および実測した偏波分散結果を表示したものである。本実施例も複屈折結晶板の光学軸方位を69.8゜に設定した複屈折単板を用いた。従来方式に比較して偏波分散特性が大幅に抑制されている。光線の順逆方向は組立方式によるもので図７(a)および(b)に示されるような配列が可能である。
【００２８】
【表１】
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【００２９】
【実施例３】
表２は実施例２に係わる一段型構造偏波無依存アイソレータを例として、複屈折結晶板条件を組み替えた場合の構成とその性能を表記したものである。例−31は２個の複屈折結晶板光学軸を45゜とし、ＰＭＤ補償用複屈折結晶板は67.8゜に設定した場合であり、例−32は全ての複屈折結晶板光学軸方位が異なる組み合わせである。いずれにしても光アイソレータ特性は所望の性能が得られる。従って、どのような複屈折結晶板の組み合わせを採用するかは、その他の設計因子、例えば、光線伝播方向を短縮しファイバ間光結合を高めることを優先するか、消光特性を高くするため常光，異常光の分離幅を大きくすることを優先するか、あるいは価格的制約から使用する複屈折結晶板の体積を最小限にする、等に依存して自由な構成が自在に設計できる。
【００３０】
【表２】
0003647892.tif 000019
【００３１】
【発明の効果】
本発明は、従来部品点数を追加して対処していた偏波分散抑圧型偏波無依存光アイソレータにおいて、複屈折結晶板の厚みとその光学軸方位を選択することから偏波分散をほぼ皆無にさせる構成を提示したものであり、部品の単純さ、組立の容易さ、構成原価低減化が見込まれ、今後光増幅を導入した高速高密度光通信システムにおける伝播信号の信頼性を高めることに貢献すると共に、経済的利点の波及効果として光伝送システム構築のための経済的負担を低減できることに多大な貢献が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光アイソレータの構成例の概略図
【図２】従来の偏光無依存型光アイソレータの偏波分散説明図
【図３】従来の一段構成で偏波分散補償用複屈折結晶板を適用した構成例の概略図
【図４】二段構成で偏波分散特性を考慮した従来構成例の概略図
【図５】本発明による複屈折結晶板の光路説明図
【図６】偏波分散補償点を示す計算値のグラフ
【図７】本発明の光アイソレータの他の構成例
【符号の説明】
Ｐ  複屈折結晶板
Ｆ  ファラデー回転子
θ  結晶光学軸方位角
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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