(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
曲率を有するように曲げて設置した光ファイバの曲率を有する部分におけるクラッドの一部を除去し、前記除去部に磁気光学材料を装荷して構成した後、光の伝搬方向と垂直な方向に磁界を印加し光ファイバのコアに磁気光学効果による非相反位相シフトを生じさせ、光ファイバの曲げによる減衰が伝搬定数の大きさにより異なることを利用し、光の順方向と逆方向の減衰量に差をつけた事を特徴としたファイバ型光アイソレータ。
【請求項２】
磁気光学材料上に金属膜を形成して、伝搬定数の調整と放射光の減衰量の増大をはかることを特徴とする請求項１に記載のファイバ型光アイソレータ。
【請求項３】
請求項１および／または請求項２によるファイバ型光アイソレータを用いて、一方が光進行方向を軸にして９０度回転している２つのファイバ型光アイソレータを直列に設けることを特徴とする偏光無依存型ファイバ型光アイソレータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は光通信や光計測の分野において用いられる光アイソレータ関し、特に全体をファイバ型に構成したファイバ型光アイソレータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光計測や光通信に用いられる半導体レーザー（以下ＬＤと称する）は、反射光が戻ってきてＬＤの活性層に入射すると、発振波長や出力の変動が起こり正確な信号の送信、計測ができなくなる。この反射光を遮断するために用いられるのが光アイソレータであり、特に任意の光ファイバ間や、ファイバアンプに用いられる光アイソレータをインライン型もしくはピグテイル型光アイソレータという。図６（ａ）（ｂ）に従来のインライン型光アイソレータの構成例を示す。７は入射光線、８は複屈折板、例えば一軸結晶からその光軸が表面と傾く様に切り出し平行平板に研磨したもので、この平行平板に垂直に入射した光線を互いに垂直な２つの直線偏光に分離する。９はＹＩＧ等で形成されたファラデー回転子であり、光の伝搬方向と平行に外部より磁界を印加されている。光はファラデー回転子９により磁界の方向を軸に偏光面を４５°回転させる。１０は光の伝搬方向を軸に偏光面を４５°回転させる旋光子。１１は複屈折板であって、光の伝搬方向を軸に複屈折板８の光学軸と１１の光学軸とが平行になるよう設置されている。１２、１３は光をファイバに結合するためのレンズ系である。なおレンズ１２から１３へ向かう方を順方向、反対を逆方向とする。順方向の光は図６（ａ）に示すように互いに直交する２つの偏光成分が複屈折板８で分離され別々に偏光面の回転をした後、複屈折板１１により合成され伝搬して行く。逆方向の光は図６（ｂ）に示すように複屈折板１１により互いに直交する偏光成分を持つ２つの光に分離され、別々に偏光面を回転させた後、複屈折板８によりさらに分離されるため遮断される。これにより、反射光が戻ることを防止するようになる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前述のようなインライン型光アイソレータは、非常に多くの部品を使うため高価になってしまう。またそれぞれの部品の位置調整が必要で、特にレンズと光ファイバの光学的結合は手間が掛かるものである。さらに多数の光学素子の入射面からの反射光がアイソレーションを劣化させる原因になっていた。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記のような問題点を解決するため、伝送用の通常の光ファイバ自体に直接光アイソレータ機能を付加する方法を提供するものである。
【０００５】
具体的には、曲率を有するように曲げて設置した伝送用の光ファイバのクラッドの一部を除去し、その部分に磁気光学物質を装荷する。前記磁気光学物質に光の進行方向と垂直方向に磁界を印加することにより本来等方性であるファイバに非相反位相シフトを生じさせて、光ファイバの曲げによる減衰が伝搬定数により異なることを利用し、順方向と逆方向の光の損失に差をつけるものである。
【０００６】
ここで、磁気光学導波路の非相反位相シフトについて図５の斜視概略図を用いて簡単に説明する。磁気光学材料４からなる導波層と基板１４から構成される３次元導波路６における光の導波モードは、電磁界の主成分がＥx とＨy であるＥx モードと、電磁界の主成分がＥy とＨx であるＥy モードに大別される。これらのモードはハイブリッドモードになっているが、簡単のためにＥx モードはＥy ＝０とおいてＴＥモード、Ｅy モードはＨy ＝０とおいてＴＭモードとそれぞれ近似することができる。なおＥ（Ｅx 、Ｅy 、Ｅz）を電界ベクトル、Ｈ（Ｈx 、Ｈy 、Ｈz）を磁界ベクトルとする。磁気光学材料４で形成した従来の非相反導波路では、導波路のＸ方向に磁界を印加することによってＴＭモードに非相反位相シフトが生じる。これは＋Ｚ方向に伝搬する光と−Ｚ方向に伝搬する光の伝搬定数が異なる現象で、磁界を印加しない場合のＴＭモードの伝搬定数をβ0 とすれば、磁界印加時の伝搬定数は＋Ｚ方向を順方向としてβf ＝β0 ＋△β、−Ｚ方向を逆方向としてβb ＝β0 −△βとなる。△βが磁気光学効果によって生じる非相反位相シフトで、βf −βb を非相反移相量という。
【０００７】
【実施例】
図１は本発明の第１の実施例の断面概略図を示す。石英系のシングルモード光ファイバ１を曲げて基板１４に設置し、そのクラッド３の一部を除去しその部分に磁気光学材料４であるＣｅ置換ＹＩＧ単結晶を装荷している。即ち、磁気光学材料４をシングルモード光ファイバ１に装荷する事により生じる非相反位相シフトと、シングルモード光ファイバ１を曲げることによる損失を利用してファイバ型光アイソレータ５を構成するものである。
【０００８】
これまでは導波路に磁気光学効果を生じさせるためには、光が主として存在する導波層そのものを磁気光学材料で形成していた。ここに形成に伴う困難や、最適な屈折率差の制御、導波路とファイバの結合の問題が生じる原因があった。ところが伝搬する光の電磁界は導波層、あるいはコアの外部までエバネッセント波として存在しており、このエバネッセント波に磁気光学材料を作用させることにより、本来等方性であった光ファイバを伝搬する光に磁気光学効果を生じさせることができる。
【０００９】
図２は、図１の構造を解析の為に模式化したものであり、光の伝搬方向に垂直な断面図を示している。シングルモード光ファイバ１のコア２は本来円形だが、正方形に近似してある。また、クラッド３の一部を削除して磁気光学材料４を装荷する事によりＸ方向とＹ方向で対称性が異なるため矩形導波路同様に導波モードをＴＥ、ＴＭと近似して考える。磁界はＸ方向に印加する。図３は図２の構造においてコア２と磁気光学材料４の距離Ｈを変化させて非相反位相シフト量Φ＝βf −βb を有限要素法で計算したものである。磁気光学材料４の厚さｄ＝０．４μｍ、コア径を６μｍとし、光ファイバ１のコア２の屈折率は１．５０４５、クラッド３の屈折率は１．５、Ｃｅ置換ＹＩＧの屈折率は２．２３、磁気光学定数γは７．７×１０-3、としている。非相反位相シフト量はＨにより変化しているが０〜３μｍで約１６．５ｒａｄ／ｃｍを示している。このようにコア２が等方性の物質であっても、非相反位相シフトを生じせしめることが可能である。
【００１０】
このファイバ型非相反部品を利用してファイバ型光アイソレータ５を構成するためにシングルモード光ファイバ１の磁気光学材料４の装荷部に図１の様な曲げを与えてある。この曲げにより、電磁界はさらに曲げの外側に、即ち磁気光学材料に近い部分に分布し非相反性を増大させる。また曲げによる損失は、伝搬定数が小さいほど大きくなる。非相反位相シフトの結果、順方向伝搬定数＞逆方向伝搬定数になり、さらに曲げにより順方向損失＜逆方向損失となりアイソレータ動作を発揮することができる。
【００１１】
以上の原理を図４のグラフを用いて簡単に説明する。横にファイバのコア２と磁気光学材料４の距離Ｈ、縦に伝搬定数βをとる。カットオフ値の下は連続モードである放射モードになり、光はクラッド３に放射されコアに閉じ込められない。カットオフ条件はコア２とクラッド３の屈折率差で決まり、また磁界を印加しない場合の伝搬定数β0 とカットオフの関係はシングルモード光ファイバ１に対する曲げ、応力、シングルモード光ファイバ１に装荷される物質の物性、コア２と装荷される物質との距離等で変わる。磁界を印加する事により伝搬定数は順方向βf 、逆方向βb となる。図１の実施例１では曲げによりβ0 とカットオフ値を近づけ、逆方向伝搬定数βb だけが放射モードと重なり（斜線部）損失を生じる様に構成することができるのである。
【００１２】
また非相反位相シフトはＴＭモードに発生するので、このファイバ型光アイソレータ５は順方向はＴＥモード透過、ＴＭモード透過、逆方向はＴＥモード透過、ＴＭモード遮断という動作をする。
【００１３】
図７は、伝搬定数の調整と放射光の減衰量を増大させるために図１のファイバ型光アイソレータ５の磁気光学材料４の上部にアルミニウム、銀、銅などの金属膜１５を形成した本発明の第２の実施例を示す断面概略図である。光に対しては金属は誘電率が非常に小さく（負）、さらに大きな損失を与える。従って、ファイバ型光アイソレータ５を構成するために金属膜１５の面積や厚みを調整して最適な伝搬定数を得たり、放射する光に大きな減衰を与える事によりアイソレーションを向上する事が可能である。
【００１４】
また光の伝搬定数は導波層に対する応力で制御する事もできる。従って図１及び図７において上下方向から応力を加える事により、伝搬定数を制御しＴＥモードとＴＭモードが容易に変換しないよう伝搬定数を分離したり、作製時の寸法公差の補正や、さらに効率の良いアイソレータ動作を得る事が可能となる。
図８は本発明のファイバ型光アイソレータの第３の実施例を示す斜視概略図で、図１に示す実施例１のファイバ型光アイソレータ５を光の進行方向を軸に９０度回転して２つ直列に設置した例を示す斜視概略図である。２つのファイバ型光アイソレータ５ではＴＭモードとＴＥモードが入れ替わるので、順方向はＴＥ、ＴＭモード透過、逆方向はＴＥ、ＴＭモード遮断となり偏光無依存の光アイソレータが構成できる。なお、ファイバ型光アイソレータ５は図７に示す実施例２のものであってもよい。
【００１５】
このように任意の等方性のファイバを加工する事により任意の箇所に非相反性を付加し、非常に容易に安価に光アイソレータを構成することができる。
【００１６】
【発明の効果】
以上のように、本発明のファイバ型光アイソレータによれば、曲率を有するように曲げて設置した光ファイバのクラッドの一部を除去し、前記除去部に磁気光学材料を装荷して構成した後、光の伝搬方向と垂直な方向に磁界を印加し光ファイバのコアに磁気光学効果による非相反位相シフトを生じさせ、ファイバの曲げによる損失が伝搬定数の大きさに関連することを利用し、順方向と逆方向の減衰量を変えたことにより、さらに磁気光学材料上に金属膜を形成して、伝搬定数の調整と放射光の減衰量の増大をはかることにより、レンズが不要で偏光子等がないため光学的アライメントが不要になり、部品点数が少なく、光ファイバ自体を光アイソレータにするため小型になり、途中に入出射面が存在しないため、光アイソレータ内部からの反射光が減少し、また任意の伝送用ファイバに直接付加できるため、応用性が高く、利用価値が大きいものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を示す断面概略図である。
【図２】図１の光の進行方向に垂直な断面図である。
【図３】非相反位相シフトを示すグラフである。
【図４】ファイバ型アイソレータの動作原理を示すグラフである。
【図５】磁気光学導波路を示す斜視概略図である。
【図６】インライン型アイソレータの従来の構成例を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施例を示す断面概略図である。
【図８】本発明の第３の実施例を示す斜視概略図である。
【符号の説明】
１：シングルモード光ファイバ          ７：入射光線
２：コア                              ８、１１：複屈折板
３：クラッド                          ９：ファラデー回転子
４：磁気光学材料                      １０：施光子
５：ファイバ型光アイソレータ          １２、１３：レンズ
６：３次元導波路                      １４：基板
【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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【図８】
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