(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
偏波分離合成機能を有する第１の複屈折素子と、光路シフト機能を有する第２の複屈折素子と、偏波分離合成機能を有する第３の複屈折素子とを間隔をあけて一列に配列し、それら複屈折素子間にそれぞれファラデー素子と１／２波長板との組を挿入し、一端に入射部を、他端に出射部を設け、前記ファラデー素子への印加磁界を可変してファラデー回転角を４５度と−４５度に切り換える２×１型又は１×２型の光スイッチであって、
出射部と入射部のいずれか一方は、２本のファイバを１個のフェルールに収める２芯フェルールと、それら２本のファイバに対して共通のレンズと、該レンズからの斜めの出射光を平行ビームにするか又は平行ビームをレンズへの斜めの入射光にする光路補正素子とによる２ポート構成とし、反対端の入射部もしくは出射部は単芯フェルールと１個のレンズとによる１ポート構成とし、前記光路補正素子は２個の楔形プリズムを頂部が互いに外側を向くように光軸に関して対称配置した構造であって、レンズと光路補正素子の距離が、光路補正素子の複屈折素子側での平行ビームのビーム間隔がビームウエスト径のほぼ６倍となるように設定されていることを特徴とする光スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信や光計測などの分野において、伝送路を通る光を分離するための光サーキュレータ、あるいは光路切換えを行うための光スイッチに関し、更に詳しく述べると、光サーキュレータ本体部分の同じ端部に位置する二つのポートを２芯フェルールを用いて構成することにより、小型化・細径化を図った光サーキュレータ及び光スイッチに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光サーキュレータは、ポート▲１▼からの入射光をポート▲２▼へ出射し、ポート▲２▼からの入射光をポート▲３▼へ出射するというように、あるポートからの光を特定の他のポートのみに出射する光分離機能を有する光デバイスである。また光スイッチは、例えばポート▲１▼からの入射光をポート▲２▼か又はポート▲３▼のいずれか一方へ出射し、あるいはポート▲１▼か又はポート▲２▼のいずれか一方からの入射光をポート▲３▼に出射するというような光路切換え機能を有する光デバイスである。通常、光サーキュレータは、永久磁石による固定磁界を印加する４５度ファラデー回転子を用い、偏光面を４５度回転させることによって光線の非相反性を実現し、光スイッチは、電磁石により印加磁界が変化するファラデー回転子を用い、出射光の偏光面が９０度切り換わるように制御して光路の切換えを実現しているが、基本的な本体部分の構成はほぼ同様と考えてよい。そのため、以下、主として光サーキュレータを例にとって説明する。
【０００３】
従来、様々な構成の光サーキュレータが開発されている。その一例として、３個の複屈折素子を間隔をあけて一列に配列し、それら複屈折素子の間にそれぞれファラデー素子と１／２波長板との組を挿入し、両端にそれぞれ入出射部を設ける構成がある（特開平５−６１００１号公報参照）。前記ファラデー素子には永久磁石によって固定磁界を印加し、偏光面が４５度回転する４５度ファラデー回転子とする。これによって一端のポート▲１▼からの出射光は反対端のポート▲２▼に、ポート▲２▼からの出射光は反対端のポート▲３▼に、更に必要があればポート▲３▼からの出射光を反対端のポート▲４▼に結合させる３ポートあるいは４ポートをもつ光サーキュレータが構成できる。各ポートは、それぞれファイバとレンズとの組み合わせからなる。
【０００４】
現在、実用に供されている光サーキュレータは、大部分が３ポート型である。一般の双方向伝送システムや反射光計測システムにおいては、発光素子を接続するポート、伝送用ファイバあるいは被測定試料を接続するポート、受光素子を接続するポートの３つのポートがあれば十分な場合が多いからである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、従来複数のポートをもつ光デバイスでは、各ポートは１本のファイバにそれぞれ対応してレンズが組み合わされて構成されていた。つまり、各ファイバ毎に個別のレンズを組み合わせることによってコリメート結合をとっていた。そのため、ファイバ同士の間隔として、レンズ径に見合う距離が必要であり、必然的に光デバイス本体側の各光学素子を大きくしなければならず、光デバイスの小型化並びに低廉化の大きな障害になっていた。
【０００６】
そこで２芯のフェルールを用いて、各ファイバからの出射光を共通の１個のレンズでコリメートすることを考えたが、コリメート光はレンズから傾きをもって出射するため平行ビームにならず、光デバイス本体にうまく結合できない。また複屈折素子として楔形複屈折プリズムを用いてポート間隔を広げる技術も提案されているが（特開平６−２７４１４号公報参照）、ファイバとレンズを斜めに配置する必要があり、その分、隣接ファイバ間隔が広がるため、更なる細径化を妨げる要因となる。
【０００７】
本発明の目的は、装置全体の細径化・小型化、部品点数の削減、更には組立工数の削減を図ることができる光サーキュレータあるいは光スイッチを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、偏波分離合成機能を有する第１の複屈折素子と、光路シフト機能を有する第２の複屈折素子と、偏波分離合成機能を有する第３の複屈折素子とを、その順序で間隔をあけて一列に配列し、それら複屈折素子間にそれぞれファラデー素子と１／２波長板との組を挿入し、両端にそれぞれ入出射部を設け、前記ファラデー素子に固定磁界を印加して４５度ファラデー回転子とする光サーキュレータを前提とするものである。ここで典型的な例としては、一端の入出射部は、２本のファイバを１個のフェルールに収める２芯フェルールと、それら２本のファイバに対して共通のレンズと、該レンズからの斜めの出射光を平行ビームにすると共に平行ビームをレンズへの斜めの入射光にする光路補正素子により２ポート構成とし、他端の入出射部は単芯フェルールとレンズとにより１ポート構成とした３ポート型光サーキュレータがある。
【０００９】
ここで用いる光路補正素子は、例えば平行ビームに対してそれぞれ傾斜した面を持つプリズムであってよい。所定の頂角の２個の楔形のプリズムを対称的に組み合わせた構造にすると、製造し易く好ましい。２本のファイバを１個のフェルールに収めた２芯フェルールからの出射光は、光軸は互いに平行に、それぞれ広がりをもって出射する。それがレンズを通過すると、中心からのオフセットに対応した角度が生じて斜め方向に出射する。光路補正素子は、この傾いたビームを平行にするように機能する。これによって、隣接する２本のファイバ間をビーム径の３倍程度にまで小さくできるので、光デバイスの細径化・小型化が可能となるばかりでなく、光軸調整が極めて容易になる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明としては、４ポート付き３ポート型の光サーキュレータもある。その場合は、両端の入出射部を、それぞれ２本のファイバを１個のフェルールに収める２芯フェルールと、それら２本のファイバに対して共通のレンズと、該レンズからの斜めの出射光を平行ビームにすると共に平行ビームをレンズへの斜めの入射光にする光路補正素子とによって２ポート構成とする。
【００１１】
更に本発明としては、光サーキュレータの他、光スイッチもある。即ち、前記３ポート型光アイソレータと同様の構成において、ファラデー回転子として、ファラデー素子に電磁石によって印加磁界を変化させてファラデー回転角を４５度と−４５度に切り換えるようにし、出射部と入射部のいずれか一方は、２本のファイバを１個のフェルールに収める２芯フェルールと、それら２本のファイバに対して共通のレンズと、該レンズからの斜めの出射光を平行ビームにするか又は平行ビームをレンズへの斜めの入射光にする光路補正素子とから構成し、反対端の入射部もしくは出射部は単芯フェルールとレンズとから構成することで２×１型又は１×２型の光スイッチが得られる。
【００１２】
【実施例】
図１は本発明に係る３ポート型光サーキュレータの一実施例を示す構成図であり、図２はその光サーキュレータ本体部分の動作説明図、図３は本発明の特徴である入出射部の説明図である。
【００１３】
まず光サーキュレータ本体部分の構成について説明する。第１の複屈折素子１０と第２の複屈折素子１２と第３の複屈折素子１４を間隔をあけて一列に配置する。そして、第１の複屈折素子１０と第２の複屈折素子１２の間に第１のファラデー素子１６と第１の１／２波長板１８を挿入し、第２の複屈折素子１２と第３の複屈折素子１４の間に第２の１／２波長板２０と第２のファラデー素子２２を挿入する。ここでは各複屈折素子１０，１２，１４はルチルからなり、両端面が互いに平行な形状であり、それらの光学軸は光軸との角度が４５度である。第１の複屈折素子１０と第２の複屈折素子１２の光学軸は紙面内では垂直な関係にあり、第２の複屈折素子１２と第３の複屈折素子１４の光学軸も紙面内では垂直な関係にある。両側の第１の複屈折素子１０と第３の複屈折素子１４は偏波分離合成機能をもち、中央の第２の複屈折素子１２は光路シフト機能をもつ。第１及び第２の１／２波長板１８，２０の光学軸は紙面内水平軸から±２２．５度の方向に設定している。また第１及び第２のファラデー素子１６，２２による各ファラデー回転子は、ファラデー素子に永久磁石によって外部磁界を印加する構成であり、図面左手側のポートから見て偏光面が左回り４５度となるように設定している。なお図面を簡略化するため、永久磁石については図示していない。そして、このような光サーキュレータ本体部分の両端にそれぞれ入出射部２４，２６が位置する。
【００１４】
次に図２により光サーキュレータ本体部分の動作について説明する。なお、各矩形部分はそれぞれの光学素子の出射面を表している。
【００１５】
図２のＡは、入出射部２４の一方のポートであるポート▲１▼から入出射部２６のポート▲２▼へ光が伝送される状態を示している。ポート▲１▼からの光は第１の複屈折素子１０で常光と異常光に分離され、第１のファラデー回転子１６及び第１の１／２波長板１８を通過する。その際、常光は偏光面が９０度回転するが、異常光は偏光面が元の状態に戻るため結果的に回転しない。第２の複屈折素子１２に対しては常光になるので、光は光路シフトせずにそのまま直進する。第２の１／２波長板２０及び第２のファラデー回転子２２を通過した時には、一方は偏光面が回転せず、他方は偏光面が９０度回転する。そして、第３の複屈折素子１６で常光と異常光が合成されて１本の光線となり、ポート▲２▼に出射する。このように、ポート▲１▼からの出射光はポート▲２▼に結合する。
【００１６】
図２のＢは、入出射部２６のポート▲２▼から入出射部２４の他方のポートであるポート▲３▼へ光が伝送される状態を示している。ポート▲２▼からの光は第３の複屈折素子１４で常光と異常光に分離され、第２のファラデー回転子２２及び第２の１／２波長板２０を通過する。その際、異常光は偏光面が９０度回転するが、常光は偏光面が元の状態に戻るため結果的に回転しない。第２の複屈折素子１２に対しては異常光になるので、光は光路シフトして進む。第１の１／２波長板１８及び第１のファラデー回転子１６を通過した時には、一方は偏光面が回転せず、他方は偏光面が９０度回転する。そして、第１の複屈折素子１０で常光と異常光が合成されて１本の光線となり、ポート▲３▼に出射する。このように、ポート▲２▼からの出射光はポート▲３▼に結合し、ポート▲１▼には戻らない。
【００１７】
さて本発明では、光サーキュレータ本体部分の一端の入出射部２４は、２本のファイバ３０，３２を１個のフェルールに収めた２芯フェルール３４と、それら２本のファイバに対して共通の１個のレンズ３６と、該レンズ３６からの斜めの出射光を平行ビームにすると共に逆方向の平行ビームをレンズ３６への斜めの入射光にする光路補正素子３８とでポート▲１▼とポート▲３▼の２ポート構成とする。また他端の入出射部２６は、１本のファイバ４０を収めた単芯フェルール４２と１個のレンズ４４とでポート▲２▼とした１ポート構成とする。ここで光路補正素子３８は、平行ビームに対してそれぞれ傾斜した面を持つプリズムからなる。
【００１８】
図３に示すように、２本のファイバ３０，３２を収めた２芯フェルール３４（２芯の間隔をｘとする）からの出射光は、光軸は互いに平行に、それぞれ広がりをもって出射する。レンズ３６を通過すると、中心からのオフセットに対応した角度が生じる。レンズ３６の焦点距離をｆとすると、この角度αは、レンズの中心軸に対してそれぞれα＝ tan-1（ｘ／ｆ）である。プリズムは、この斜めの光を光軸に平行なビームにする機能を果たす。５角形もしくは３角形の一体構造のプリズムでもよいが、図３のように楔形プリズムを２個対称的に配置した方が製作し易く又精度も高くできるため好ましい。両楔形プリズムの頂角Ａは、屈折率をｎとすると、
Ａ＝ sin-1（ｎ・sin(Ａ− sin-1(sinα／ｎ))
の関係が成り立つときに０度（平行ビーム）となる。例えば、プリズムに屈折率１．５の材料（例えばＢＫ７材、波長１．５５μｍ）を用いたとすると、頂角Ａ≒２・αのときに光軸が平行となる。またレンズ３６と光路補正素子３８との距離は、ビーム間隔ｄがビームウエスト径（現在、通常約５０μｍ）の６倍程度となるように設定しておけば、隣接ポートへの漏れ光は−５０ｄＢ以下となることが期待できる。
【００１９】
この２芯フェルール３４、共通の単一レンズ３６、光路補正素子３８の組み合わせを前記の光サーキュレータ本体部分に適用して図１のような構成とすると、２ポート（ポート▲１▼とポート▲３▼）を同時に調整できるし、各光学素子は、ビーム径の６倍程度の距離に対応した有効径、厚さで済むため、著しい小型化が可能となる。例えば前記のように、複屈折素子としてルチルを用い、その光学軸が４５度光軸から傾けられているとすると、複屈折素子の厚さ（光軸方向の長さ）の１／１０程度の光路シフト量が得られる。この光路シフト量も、ビームウエスト径の６倍程度あればよいので、ビームウエスト径を５０μｍとすれば、複屈折素子は３mm程度の厚さで、１．５mm角程度の有効径があればよいことになる。このことから分かるように、従来技術に比べて大幅な（体積比で１／１０程度の）小型化が図れることになる。
【００２０】
図４は本発明に係る光サーキュレータの他の実施例を示している。これは４ポート付き３ポート型光サーキュレータの例である。光サーキュレータ本体部分の構成は図１の場合と同様なので、対応する部材に同一符号を付し、それらについての説明は省略する。この実施例では両端に２芯フェルールを有する入出射部４６，４８を設ける。一方の入出射部４６は、ぞれ２本のファイバ５０，５２を１個のフェルールに収めた２芯フェルール５４と、それら２本のファイバに対して共通の１個のレンズ５６と、該レンズからの斜めの出射光を平行ビームにすると共に平行ビームをレンズへの斜めの入射光にする光路補正素子５８とからなる。他方の入出射部４８も、それぞれ２本のファイバ６０，６２を１個のフェルールに収めた２芯フェルール６４と、それら２本のファイバに対して共通の１個のレンズ６６と、該レンズからの斜めの出射光を平行ビームにすると共に平行ビームをレンズへの斜めの入射光にする光路補正素子６８とからなる。両光路補正素子５８，６８は図３に示すものと同様であってよく、それぞれ２個の楔形プリズムを対称的に組み合わせることで構成できる。
【００２１】
一方の入出射部４６がポート▲１▼とポート▲３▼となり、他方の入出射部４８がポート▲２▼とポート▲４▼となる。光サーキュレータとしての動作原理は、基本的には図２で説明したのと同様であり、ポート▲１▼からの出射光はポート▲２▼に結合し、ポート▲２▼からの出射光はポート▲３▼に結合し、ポート▲３▼からの出射光はポート▲４▼に結合する。但し、ポート▲４▼からの出射光はポート▲１▼には戻らず、そのため本明細書では４ポート付き３ポート型光サーキュレータと表現している。
【００２２】
本発明は、上記のような光サーキュレータの他、光スイッチにも適用できる。その場合の基本構成は図１と同様であってよい。但し、２個のファラデー回転子は、ファラデー素子に電磁石によって外部磁界を印加するものとし、外部磁界の向き（電磁石への駆動電流の向き）を制御することで印加磁界をファラデー回転角４５度と−４５度に切り換えることができるようにする。そして一方に出射部を、他方に入射部を設置する。これによって、電磁石による切り換え動作に対応して、例えばポート▲１▼又はポート▲３▼のいずれか一方からの出射光をポート▲２▼に結合する２×１型（２入力×１出力型）の光スイッチ、あるいはポート▲２▼からの出射光をポート▲１▼又はポート▲３▼のいずれか一方に結合する１×２型（１入力×２出力型）の光スイッチが実現できる。
【００２３】
【発明の効果】
本発明は上記のように、２芯フェルールを使用して２つのポートに対して共通のレンズを組み合わせ、光路補正素子によって平行なビームにするように構成したことより、部品点数が少なくて済むばかりでなく、同時に２ポート分の組み立てが行えるために組み立て工数の削減を図ることができる。また、ビーム間隔を非常に狭くできるために、使用する光学素子の光軸方向の長さ寸法及び光軸に垂直な方向の断面積が小さくてよく、光サーキュレータや光スイッチの著しい小型化、細径化が可能となる。更に、複屈折素子を用いた１．５段型の構成となるため、高アイソレーションが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る３ポート光サーキュレータの一実施例を示す構成図。
【図２】その光サーキュレータ本体部分の動作説明図。
【図３】２芯フェルールを用いた入出射部の説明図。
【図４】本発明に係る４ポート付き３ポート型光サーキュレータの一実施例を示す構成図。
【符号の説明】
１０  第１の複屈折素子
１２  第２の複屈折素子
１４  第３の複屈折素子
１６  第１のファラデー素子
１８  第１の１／２波長板
２０  第２の１／２波長板
２２  第１のファラデー素子
２４，２６  入出射部
３０，３２  ファイバ
３４  ２芯フェルール
３６  レンズ
３８  光路補正素子
４０  ファイバ
４２  レンズ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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