(57)【要約】【課題】小型で、かつ作業性・量産性・信頼性に優れ、かつ不要反射戻り光を小さくするための手段として、ファラデー回転子を複雑に加工することなく、結合効率の優れたファラデー回転ミラーを提案できる。【解決手段】少なくともシングルモードファイバと、グレーデッドインデックスファイバと、コアレスファイバの３種のファイバと、ファラデー回転子と、全反射ミラーが順次配置され、前記連続した３種のファイバがフェルールの貫通孔内に実装されたファラデー回転ミラーにおいて、前記フェルールの片側端面が光軸に対して垂直な面と、傾斜した面を少なくとも１面づつ有し、前記傾斜した面に平板状の前記ファラデー回転子の主面が密着して実装され、前記垂直な面に前記全反射ミラーの主面の少なくとも一部が光軸に垂直になるように実装する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シングルモードファイバと、グレーデッドインデックスファイバと、コアレスファイバと、平板状のファラデー回転子と、平板状の全反射ミラーとが順次配置され、前記グレーデッドインデックスファイバとシングルモードファイバ及びコアレスファイバとを、対向する端面同士を当接させた状態で、フェルールに設けた貫通孔内に配置したファラデー回転ミラーにおいて、前記フェルールは、ファラデー回転子側の片側端面もしくは外周面に、光軸と交わり、且つ該光軸と直交する面に対して傾斜した傾斜面と、前記光軸に対して垂直に交わる垂直面とを有しており、前記傾斜面に前記ファラデー回転子を密着させた上、前記全反射ミラーの少なくとも一部を前記垂直面と略平行に配置したことを特徴とするファラデー回転ミラー。
【請求項２】
前記傾斜面と、前記垂直面とのなす角度が１．５°〜８°に設定されていることを特徴とする請求項１に記載のファラデー回転ミラー。
【請求項３】
前記ファラデー回転子と、前記全反射ミラーとの間に前記光ファイバと実質的に同一の屈折率を有した樹脂もしくはガラスが充填されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のファラデー回転ミラー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバセンサシステムあるいは光増幅システム等に用いられ、これらのシステムを安定して動作させるために用いる光受動部品のファラデー回転ミラーに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバセンサは、系の経路が主として光ファイバで構成され、検知要素を光ファイバの光路のいずれかに持つもので、検知要素は測定したい量によって何らかの光学的な特性の変化を受けるものである。例えば、シングルモードファイバを検知要素として用いる場合には、振動、圧力、温度、電界、磁界、音波等の外力を検知する事ができ、これらの外力による光ファイバの光路長の変化を光ファイバ干渉計によって検出する。
【０００３】
しかし、このような光ファイバセンサにおいては、光ファイバ中の複屈折による光の偏波状態の偶発的な変化により、出力干渉縞のゆらぎ、信号の消滅が発生することが問題となる。
【０００４】
このような問題に対し、非特許文献１では光ファイバ干渉計の一部にファラデー回転ミラーを使用することが提案されている。このファラデー回転ミラーは、光ファイバ中の複屈折により発生する偏波状態の変動を除去し、任意の入力偏波状態を保存することができる。
【０００５】
ところでファラデー回転ミラーは、光ファイバ干渉計の検知要素となるシングルモードファイバや光ファイバカプラとともに実装されるが、光ファイバの外径φ０．２５ｍｍ（保護被覆部を含む）、光ファイバカプラの外径φ２〜３ｍｍに対し、ファラデー回転ミラーはφ５ｍｍと大きく、装置の大型化の原因となっている。これは、ファラデー回転ミラーの構成部品である結合用レンズ径が２ｍｍ程度と大きいことに起因しており、他の構成部品と接合するための金具等を含めると、こうした大きさになってしまう。
【０００６】
このような問題に対し、特許文献１ではコア拡大ファイバを結合用レンズの代わりに用いることでファラデー回転ミラー小型化を提案している。
【０００７】
図４（ａ）は、特許文献１のファラデー回転ミラー１１を示す概略断面図である。
【０００８】
ファラデー回転ミラー１１は、コア拡大ファイバ１３、ファラデー回転子１５、全反射ミラー膜１６、磁石１７、光学接着剤１８よりなる。
【０００９】
磁石１７は、円筒型の磁石で内部のファラデー回転子１５に光軸と平行な飽和磁界を与える。
【００１０】
図４（ｂ）は、コア拡大ファイバ１３の断面図である。外形は一般的な光ファイバと同様に０．１２５ｍｍ（保護被覆部含まず）である。コア拡大ファイバ１３は、コア１３ａとクラッド１３ｂよりなり、一般的なシングルモードファイバを局所的に加熱して作れられる。コア１３ａにドープされたＧｅ等を熱拡散させることでコア部を拡大させる。
【００１１】
コア拡大ファイバ１３からの放射ビームの発散角はコア径が大きくなるほど小さくなり、平行光に近づいていく。コア径が小さく発散角が大きいと、反射光はコア拡大ファイバ１３に結合し難くなる。ここではコア径を３〜４倍に拡大することで結合効率の低下を抑制している。
【００１２】
ただし、コア拡大ファイバ１３の端面から全反射ミラー膜１６までの距離が長くなるほど放射ビームは発散し、結合効率の低下を招くため、ファラデー回転子１５はコア拡大ファイバ１３に密着させるとともに、全反射ミラー膜１６をファラデー回転子１５に直接形成させている。
【００１３】
ファラデー回転子１５は、ビスマス置換ガーネット等で形成されており、磁石１７によって光軸方向に平行な方向にガーネットの飽和磁界強度以上の磁界が加えられている。また、その厚みは入射した光の偏波方向を４５°回転させるように調整されている。また、ビスマス置換ガーネットは屈折率が２．３と高く、端面で不要反射光が発生するため、発生防止のため反射防止膜が施されている。さらに不要反射光をコア拡大ファイバ１３に再結合させないように、コア拡大ファイバ１３側の面は光軸の垂直軸に対し傾斜され加工されている。もう一方面は多層誘電体からなる全反射ミラー膜１６が一面に直接形成されており、光軸に垂直になるように加工されている。このため、ファラデー回転子１５の断面形状は台形型になっている。また全反射ミラー膜１６は、光の損失が小さく、９９％以上の反射率を有する。
【００１４】
図５は、コア拡大ファイバ１３の方向から見た、ファラデー回転ミラー１１内の光の偏波の状態を説明する図である。以下、図５を用いて、ファラデー回転ミラー１１の動作原理について説明する。なお、便宜上、コア拡大ファイバ１３から出射した光を入射光とし、全反射ミラー膜１６で反射された光を反射光と呼び、入射光方向を順方向と呼び、反射光方向を逆方向と呼ぶ。また、入射偏波方向を一直線偏波としたが、本説明はこれに限ることなく、任意の偏波方向にも適応される。
【００１５】
まず、コア拡大ファイバ１３から出射した入射光（図５−ａ）は、ファラデー回転子１５を透過し、その偏波方向が順方向から見て時計回りに４５°回転させられる（図５−ｂ）。その後、全反射ミラー膜１６で反射された反射光は、再び逆方向からファラデー回転子１５に入射する（図５−ｃ）。ファラデー回転子１５を逆方向に透過した反射光はさらにその偏波方向を順方向から見て時計回りに４５°回転させられ、コア拡大ファイバ１３に入射する（図５−ｄ）。
【００１６】
その結果、ファラデー回転ミラー１１の反射光は、入射光に対して直交する偏波方向となり、入射光が受けたのとちょうど逆の複屈折を受けるため、任意の入力偏波状態に対して出力偏波状態はそれと直交する状態に安定化される。
【００１７】
図４、図５に示すようなファラデー回転ミラー１１は、光ファイバセンサシステムの他、光ファイバ増幅システムにも応用されている。光ファイバ増幅システムは、一般にエルビウムをドープしたシングルモードファイバを数１０〜数１００ｍ用いているために、光ファイバ中の複屈折により偏波状態が変化するという問題、さらには長距離光ファイバ通信システムで信号波形劣化をもたらす偏波モード分散という問題があるが、ファラデー回転ミラー１１を用いることによりそれらが補償され、安定した出力を得ることができる。また、光ファイバセンサシステムと同様に光ファイバやカプラと共に実装されるため、装置の小型化に有効である。
【非特許文献１】Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒ  １４ｔｈ  Ｍａｒｃｈ  １９９１  ｖｏｌ２７  Ｎｏ６
【特許文献１】特許第３６０２８９１号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
しかしながら、コア拡大ファイバ１３の作製にはシングルモードファイバのコア径を３〜４倍に拡大するため、１０００数百℃の温度で数時間から数十時間の加熱が必要であり、作業性が悪く、製作時間の短縮は改善されていない。また高温、長時間の熱処理による信頼性の低下が懸念される。
【００１９】
さらに不要反射光の戻り光を抑制し、かつ結合効率を低下させないため、ファラデー回転子を台形状にして、コア拡大ファイバ１３と全反射ミラー膜１６との距離を最小にする必要があるが、ファラデー回転子を台形状にするために、形状加工した後、個々に研磨加工や全反射ミラー膜や反射防止膜を形成する必要があり、作業性が悪く、量産に適していない。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明はこれらの課題を解決するためのものであり、シングルモードファイバと、グレーデッドインデックスファイバと、コアレスファイバと、平板状のファラデー回転子と、平板状の全反射ミラーとが順次配置され、前記グレーデッドインデックスファイバとシングルモードファイバ及びコアレスファイバとを、対向する端面同士を当接させた状態で、フェルールに設けた貫通孔内に配置したファラデー回転ミラーにおいて、前記フェルールは、ファラデー回転子側の片側端面もしくは外周面に、光軸と交わり、且つ該光軸と直交する面に対して傾斜した傾斜面と、前記光軸に対して垂直に交わる垂直面とを有しており、前記傾斜面に前記ファラデー回転子を密着させた上、前記全反射ミラーの少なくとも一部を前記垂直面と略平行に配置したことを特徴とする。
【００２１】
さらに前記傾斜面と、前記垂直面とのなす角度が１．５°〜８°に設定されていることを特徴とする。
【００２２】
さらに前記ファラデー回転子と、前記全反射ミラーとの間に前記光ファイバと実質的に同一の屈折率を有した樹脂もしくはガラスが充填されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
以上、本発明によれば、シングルモードファイバと、グレーデッドインデックスファイバと、コアレスファイバと、平板状のファラデー回転子と、平板状の全反射ミラーとが順次配置され、前記グレーデッドインデックスファイバとシングルモードファイバ及びコアレスファイバとを、対向する端面同士を当接させた状態で、フェルールに設けた貫通孔内に配置したファラデー回転ミラーにおいて、前記フェルールは、ファラデー回転子側の片側端面もしくは外周面に、光軸と交わり、且つ該光軸と直交する面に対して傾斜した傾斜面と、前記光軸に対して垂直に交わる垂直面とを有しており、前記傾斜面に前記ファラデー回転子を密着させた上、前記全反射ミラーの少なくとも一部を前記垂直面と略平行に配置したことを特徴とすることで、従来技術に対し特性を劣化させることなく、小型形状を維持しつつ、光ファイバを高温で長時間加熱する必要がなく、作業性・量産性・信頼性に優れ、かつ不要反射戻り光を小さくするための手段として、ファラデー回転子を複雑に加工する必要のないファラデー回転ミラーを提案できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下に実施例として、本発明によるファラデー回転ミラーについて説明する。
【００２５】
図１（ａ）は本発明のファラデー回転ミラーの概略構成を示す側面断面図である。
【００２６】
図１（ｂ）は本発明のファラデー回転ミラーの概略構成を示す俯瞰断面図である。
【００２７】
図示するとおりファラデー回転ミラー１は、ファラデー回転ミラー１は、シングルモードファイバ２、グレーデッドインデックスファイバ３、コアレスファイバ４、ファラデー回転子５、全反射ミラー６、磁石７、フェルール９よりなる。
【００２８】
磁石７は、円筒型の磁石で内部のファラデー回転子５に光軸１０と平行な飽和磁界を与える。
【００２９】
ファラデー回転子５は、ビスマス置換ガーネット結晶等が用いられ、その厚さは入射光の偏波方向が４５°回転するように調整されている。また、ビスマス置換ガーネットは屈折率が２．３と高く、端面で不要反射光が発生するため、発生防止のため反射防止膜が施されている。このファラデー回転子５は平板状であり、大判の平板を研磨加工した後、反射防止膜を施し、その後ダイシングカット等により裁断することで得られる。大判は１０ｍｍ角以上であるのに対し、ファラデー回転子５は１ｍｍ角以下であり、一つの大判で１００個以上の素子を得られ、従来のファラデー回転子１５と比較して、作業性、量産性に優れる。
【００３０】
全反射ミラー６は、多層誘電体からなり、ガラス体の一面に形成されている。この多層誘電体からなる全反射ミラー６は、光の損失が小さく、９９％以上の反射率を有する。
【００３１】
図１（ｃ）は、グレーデッドインデックスファイバ３の断面図である。グレーデッドインデックスファイバ３は、コア３ａとクラッド３ｂとよりなり、図示するように、コア３ａは中心部で最大となり、外周部に向かい屈折率が段階的（または連続的）に低下する屈折率分布を持っている。
【００３２】
図１（ｄ）はグレーデッドインデックスファイバ３を透過する光線をイメージした図である。
【００３３】
図１（ｃ）に示したような屈折率分布を有するため、グレーデッドインデックスファイバ３を透過する光線は周期的に屈曲して伝播する。適当な長さに切断することで平行光や集束光に対応できるレンズとして機能する。
【００３４】
こうしたグレーデッドインデックスファイバ３の基本的構造は光通信に用いられる、マルチモードファイバに用いられるが、外径の太い母材を作製し、母材を引き延ばすことで大量に生産することが可能であり、特許文献１に示す、コア拡大ファイバ１３に比較して極めて生産性が高い特徴がある。
【００３５】
コアレスファイバ４は光学的な結合距離を調製するもので屈折率分布を持たない均質な光ファイバである。このコアレスファイバ４とグレーデッドインデックスファイバ３を、それぞれを適当長に切断し、接続することでファイバのみで構成された結合光学系を設計することができる。
【００３６】
フェルール９ａは円筒形状をしており、円筒中心に貫通孔が施されている。一般に光通信市場の光ファイバを接続させるコネクタに用いられておりジルコニアやアルミナといったセラミックスからなっている。貫通孔は光ファイバを固定させるためにあるが、特にシングルモードファイバ用のフェルールの貫通孔と光ファイバのクリアランスが１μｍ以下であり、高精度であり、本発明のファイバのみで構成された結合光学系の固定具として望ましい。
【００３７】
図１（ａ）、（ｂ）に示す通りフェルール９ａは片側端面が２つの平面を持つように加工されている。図１（ｂ）に示す通り、コアレスファイバ４側の平面は光軸１０に対して、傾斜して加工されており、光学接着剤等でファラデー回転子５が密着され実装されている。
【００３８】
端面には全反射ミラー６が光学接着剤等で光軸１０に垂直になるように実装される。
【００３９】
ここで垂直とは上記光学接着剤で最適化された傾きに調整可能な範囲のものを全て含む。
【００４０】
図３はフェルール９ａの貫通孔の垂直軸に対するフェルール加工角度とファラデー回転ミラー１１の反射減衰量を示す図である。反射減衰量は全反射ミラー６から反射量のシングルモードファイバ２に再結合する量に対する、ファラデー回転子５で発生する不要反射量のシングルモードファイバ２に再結合する量の比を示す量である。
【００４１】
図３に示すようにフェルール加工角度が大きくなると反射減衰量が大きくなることが分かる。これは不要反射量は変わらないがシングルモードファイバ２に再結合する効率が低下するためである。なお加工角度０°で反射減衰量が−２７ｄＢとなっているが、これはファラデー回転子５に施した反射防止膜による効果である。
【００４２】
図２（ａ）、（ｂ）は本発明の別な実施形態を示す俯瞰断面図である。フェルールの形状は異なるが図１と同様にファラデー回転子５は傾斜面に全反射ミラー６は光軸１０に垂直に実装される。
【００４３】
図３に示すように反射減衰量はフェルール加工角度が１．５°以上になると−３０ｄＢ以下（１／１０００の光量）となり、極めて小さい値となる。１．５°未満では−３０ｄＢ以上となり、十分な反射減衰量ではない。また８°以上となるとファラデー回転子５に入射する角度が大きくなり、ファラデー回転子５を透過する光量が減少し、反射光量が減少し始まり問題となる。
【００４４】
ところで全反射ミラー６は光軸に対して垂直に実装することで結合を最大にすることができるが、ファラデー回転子５の前後の屈折率が異なると、ファラデー回転子５から全反射ミラー６に進行する光の光軸１０は屈折を生じ、実装面に対し、わずかな傾斜を生じる。例えばファラデー回転子５が３°傾斜され、光ファイバの屈折率が１．５の場合、空気層は１であり、スネルの法則に基づき光軸１０の傾斜は１．５°となる。このため、全反射ミラー６を実装する際、調芯に時間を生じてしまう。光ファイバと屈折率の整合が取れた、樹脂やガラス体をファラデー回転子５と全反射ミラー６の間に充填すれば、こうした問題は生じず、フェルール９の端面はほぼ光軸１０に対し垂直になり調芯が容易になる。
【００４５】
以上、本実施例に示したファラデー回転ミラー１に依れば、外径が小さく、量産性に優れ、信頼性の高いグレーデッドインデックスファイバ３を結合用レンズに用いており、さらに作業性、量産性の優れた平板状のファラデー回転子５を用いても、優れた反射減衰量を示すことが可能であり、小型で、かつ作業性・量産性・信頼性に優れ、反射減衰量、結合効率に優れたファラデー回転ミラーを提案できる。
【実施例１】
【００４６】
本発明の実施例として図１に示したファラデー回転ミラー１の試作を行った。各部品と構成について以下に説明する。
【００４７】
ファラデー回転子５は、１５５０ｎｍで入射光の偏波方向が４５°回転するように調整された厚さ約４００μｍのものを用い、端面には不要反射防止のため反射防止膜が施されている。全反射ミラー６は、ガラス体に多層誘電体を形成しており、反射率９９％以上のものを用い、ともに１０ｍｍ角の大判状のものを０．８ｍｍ角に裁断加工して得た。
【００４８】
磁石７は、外径は２．５ｍｍφの円筒型の磁石で内部のファラデー回転子５に光軸１０と平行な飽和磁界を与えた。
【００４９】
シングルモードファイバ２は１５５０ｎｍ用のシングルモードファイバを用いた。グレーデッドインデックスファイバ３は比屈折率差１．５％のもの約０．５ｍｍ用いた。コアレスファイバ４は石英母材と同じ屈折率を持つものを用い、ファイバ長は約０．４ｍｍ用いた。
【００５０】
フェルール９ａは側面の加工はされていない円筒型のジルコニア製のものを用いた。
【００５１】
これらファイバを外径調芯による融着により接続を行った。融着接続したファイバをフェルール９ａに接着剤で実装した。この後、ダインシングソーでフェルールを図１に示すとおり加工した。加工角度は５°で行った。
【００５２】
その後加工したフェルール９ａの端面にファラデー回転子５を光学接着剤で密着させて接続し、紫外線を照射して固定した。さらに全反射ミラー６を光学接着剤で接着させた。接着剤を硬化する前に調芯を行い、挿入損失が０．７ｄＢ（反射率８５％）以下になるようにし、最適位置で紫外線を照射し硬化させた。反射減衰量は−６２ｄＢとなり、従来技術と同等となった。
【表１】
2006276507.tif 000003
【００５３】
以上の実施例に従って、工程時間の概算を見積もり、表１に示す通り、量産性に優れており本発明の有効性を確認した。
【００５４】
同様に図２に示す、構成のファラデー回転子を作製し同等な特性となった。またファラデー回転子５と全反射ミラー６の間に、屈折率１．５の光学樹脂を充填させることで全反射ミラーの調芯時間は約１／３に低減し、さらに本発明の有効性を確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明のファラデー回転ミラーの概略構成であり、(ａ)は側面断面図、（ｂ）は俯瞰断面図、（ｃ）はＧＩファイバの屈折率分布を示す模式図、（ｄ）はＧＩファイバ内部における蛇行周期の模式図である。
【図２】本発明の別のファラデー回転ミラーの実施形態であり、(ａ)は側面断面図、（ｂ）は俯瞰断面図である。
【図３】フェルールの加工角度とファラデー回転ミラーの反射減衰量を示すグラフである。
【図４】特許文献１のファラデー回転ミラーであり、（ａ）はファラデー回転ミラーの概略断面図、（ｂ）はコア拡大ファイバ単体の概略断面図である。
【図５】ファラデー回転ミラー内の光の偏波の状態を説明する模式図である。
【符号の説明】
【００５６】
１、１１、１０１、１１１：ファラデー回転ミラー
２        ：シングルモードファイバ
３        ：グレーデッドインデックスファイバ
３ａ      ：コア
３ｂ      ：クラッド
４        ：コアレスファイバ
５、１５  ：ファラデー回転子
６、１６  ：全反射ミラー
７、１７  ：磁石
８        ：光学接着剤
９ａ、９ｂ、９ｃ：フェルール
１３      ：コア拡大ファイバ
１８      ：光学接着剤
【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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