(57)【要約】【課題】ファラデー回転ミラーにおいて、より小型で、生産性に優れ、さらに良好な光学特性を得る。【解決手段】傾斜面を有する光ファイバの一端に、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、ファラデー回転子と、ガラス体と、全反射ミラーとが順次配置されたファラデー回転ミラーにおいて、前記コアレスファイバのファラデー回転子側の端部には傾斜面を有し、前記ガラス体は光軸が通る非平行な２面を有し、該２面のうちコアレスファイバ側の一方面に前記ファラデー回転子が接合されるとともに、他方面には全反射ミラーが形成されており、且つ、前記コアレスファイバの傾斜面と光軸に垂直な面のなす角度βが、前記ガラス体の一方面と他方面のなす角度α以上に設定されていることを特徴とするファラデー回転ミラー。【選択図】  図１
2006276506.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
傾斜面を有する光ファイバの一端側に、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、ファラデー回転子と、ガラス体と、全反射ミラーとが順次配置されたファラデー回転ミラーにおいて、
前記コアレスファイバのファラデー回転子側端部には傾斜面が設けられており、
前記ガラス体は光軸が通る非平行な２面のうちコアレスファイバ側に位置する一方面に前記ファラデー回転子が接合されるとともに、他方面に前記全反射ミラーが形成されており、
更に前記コアレスファイバの傾斜面と該コアレスファイバの光軸に垂直な面のなす角度βが、前記ガラス体の一方面と他方面のなす角度α以上に設定されていることを特徴とするファラデー回転ミラー。
【請求項２】
前記角度βが３〜９度に設定されていることを特徴とする請求項１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使用され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、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光部品である。
【０００５】
図３に従来のファラデー回転ミラー１０の構成を示す。ファラデー回転ミラー１０は、光ファイバ１１、結合用レンズ１２、ファラデー回転子１４、全反射ミラー１５、磁石１３で構成されている。
【０００６】
ファラデー回転子１４は、ビスマス置換ガーネット等で形成されており、磁石１３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。光ファイバ１１はシングルモードファイバである。
【０００７】
全反射ミラー１５は、光ファイバ１１から出射された光が全反射ミラー１５で反射されるように配設されている。また、結合用レンズ１２は、全反射ミラー１５で反射した光が再び光ファイバ１１に効率よく結合するように配設されている。
【０００８】
図４は、光ファイバ１１の方向から見た、ファラデー回転ミラー１６内の光の偏波の状態を説明する図である。以下、図４を用いて、ファラデー回転ミラー１６の動作原理について説明する。なお、便宜上、光ファイバ１１から出射した光を入射光とし、全反射ミラー１５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。なお、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。
【０００９】
まず、光ファイバ１１から出射した入射光（図４−ａ）は、ファラデー回転子１４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４−ｂ）。その後、全反射ミラー１５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１４に入射する（図４−ｃ）。ファラデー回転子１４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、光ファイバ１１に入射する（図４−ｄ）。
【００１０】
その結果、ファラデー回転ミラー１６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。
【００１１】
図３に示すような従来のファラデー回転ミラー１０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でも使用される。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１０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。
【００１２】
特許文献１で本出願人は、結合用レンズ１２の替わりに、光ファイバと外径の同じ、コア拡大ファイバを用いることとしている。また工程数の削減や組立の簡素化のため、ファラデー回転子の一面に全反射ミラー膜を形成させたり、コア拡大ファイバの端面とファラデー回転子とを光学接着剤を介して密着させたりする提案をしている。
【００１３】
図５（ａ）は、特許文献１のファラデー回転ミラー２０を示す構成概略図であり、ファラデー回転ミラー２０は、コア拡大ファイバ２１、ファラデー回転子１４、全反射ミラー膜１５、磁石１３よりなる。磁石１３はリング型の磁石で、内部のファラデー回転子１４に光軸と平行な飽和磁界を与える。ファラデー回転子１４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。全反射ミラー膜１５は、多層誘電体からなり、ファラデー回転子１４の一面に直接形成されている。この多層誘電体からなる全反射ミラー膜１５は、光の損失が小さく、９９％以上の反射率を有する。ここではファラデー回転子１４に全反射ミラー膜１５を直接形成されており、部品点数の削減が実現されている。
【００１４】
図５（ｂ）は、コア拡大ファイバ２１の断面図である。コア拡大ファイバ２１は、コア２１ａとクラッド２１ｂ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、コア２１ａにドープされたＧｅ等を熱拡散することでコア部を拡大して作製される。
【００１５】
光ファイバ２１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。発散角が大きい場合、反射光は光ファイバ２１に結合し難くなる。
【００１６】
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。
【００１７】
また特許文献２で本出願人は、ファラデー回転子の形状をテーパー状とし、不要反射光を抑制するファラデー回転ミラーを提案している。
【特許文献１】特開１９９７−２１６０８号
【特許文献２】特開１９９７−２６５５６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、上述のように従来のファラデー回転ミラーには、以下の問題点があった。
【００１９】
部品点数が多く、各部品毎に精密な光学調整を要し、工数が多く組立が煩雑であり製作に時間がかかる。反射光に、各光学部品端面からの不要反射光が混じり、これがファラデー回転ミラーの特性を低下させる原因となった。
【００２０】
また特許文献１ではファラデー回転ミラー２０の小型化とともに、工程数の削減と組立の簡素化を提案しているが、ファラデー回転子１４に光線がほぼ垂直に入射するため、ファラデー回転子１４の表面に反射防止コーティングの処理を施したとしても、不要反射を十分に抑制することができず、反射減衰量は３０ｄＢ程度にとどまる。これはコア拡大ファイバ２１を用いているためＮＡが小さいことと、ファラデー回転子１４と全反射ミラー１５を一体にしているために、ファラデー回転子１４に傾斜角度を付けられないことが原因である。
【００２１】
このように、特許文献１で提案するファラデー回転ミラー２１は小型化することを可能にしたが、反射減衰量の改善が図れない構造となっている。
【００２２】
特許文献２では、ファラデー回転子をテーパー形状にし、その表面における不要反射の抑制を図ったが、高価な光学結晶をテーパー形状に研磨加工することはコスト高の原因となってしまった。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明は、上記問題点を解決する為、傾斜面を有する光ファイバの一端側に、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、ファラデー回転子と、ガラス体と、全反射ミラーとが順次配置されたファラデー回転ミラーにおいて、前記コアレスファイバのファラデー回転子側端部には傾斜面が設けられており、前記ガラス体は光軸が通る非平行な２面のうちコアレスファイバ側に位置する一方面に前記ファラデー回転子が接合されるとともに、他方面に前記全反射ミラーが形成されており、更に前記コアレスファイバの傾斜面と該コアレスファイバの光軸に垂直な面のなす角度βが、前記ガラス体の一方面と他方面のなす角度α以上に設定されていることを特徴とする。
【００２４】
さらに前記角度βが３〜９度に設定されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
以上、本発明によれば、傾斜面を有する光ファイバの一端に、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、ファラデー回転子と、ガラス体と、全反射ミラーとが順次配置されたファラデー回転ミラーにおいて、前記コアレスファイバのファラデー回転子側の端部には傾斜面を有し、前記ガラス体は光軸が通る非平行な２面を有し、該２面のうちコアレスファイバ側の一方面に前記ファラデー回転子が接合されるとともに、他方面には全反射ミラーが形成されており、且つ、前記コアレスファイバの傾斜面と光軸に垂直な面のなす角度βが、前記ガラス体の一方面と他方面のなす角度α以上に設定されていることを特徴とするので、挿入損失が最小となるよう全反射ミラーの調心を行うと、同時にファラデー回転子は光ファイバからの出射光に対し所望の最適角度をもって配置されるので反射減衰量も抑制できる。すなわち、ファラデー回転子に角度をつけて配置することで、ファラデー回転ミラー表面における不要反射は効果的に抑制されるため、ファラデー回転ミラーの挿入損失と反射減衰量の両方の特性を簡便な作業で同時に良好な値に調整することが可能になる。
【００２６】
また安価なガラス体の形状を変えるだけでファラデー回転子の配置角度は自由に変更することができる。
【００２７】
さらに、ガラス体とファラデー回転子を接合する工程は無調心であり、あらかじめ別工程で行っておくことができるので、生産性に優れるだけでなく、部材点数が大幅に減り、量産性に優れたファラデー回転子となる。
【００２８】
前記角度βが３〜９度に設定されていることを特徴としているので、部材の屈折率の大小関係に起因して発生する屈折角にかなった部材配置となり、低損失で高反射減衰量を有したファラデー回転子となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。なお、従来技術と同様の符号については同じ符号を用いる。
【００３０】
図１は本発明のファラデー回転ミラーの構成を示す図である。
【００３１】
図示するとおりファラデー回転ミラー１は、光ファイバ２、グレーデッドインデックスファイバ３、ファラデー回転子４、ガラス体５、全反射ミラー６、磁石７、コアレスファイバ８よりなる。
【００３２】
３は光ファイバ２と略同径の光ファイバ型レンズであり、グレーデッドインデックスファイバやグリンレンズ、コア拡大ファイバなどが該当する。グレーデッドインデックスファイバは、軸対称にほぼ２乗の屈折率分布をもつもので、屈折率分布型レンズとして使用することができる。使用波長に対して最適な長さＺで切断することにより、光ファイバ２から放出された光線を発散させずに平行光もしくは集光することができ、ファラデー回転ミラー１の結合を効率よくすることができる。
【００３３】
磁石７は、リング型の磁石で内部のファラデー回転子４に光軸と平行な飽和磁界を与える。
【００３４】
ファラデー回転子４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。
【００３５】
全反射ミラー６は、誘電体多層膜からなり、ガラス体５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。
【００３６】
また、ファラデー回転子４には光の反射を防止するために反射防止膜を施すことが望ましい。この反射防止膜により、ファラデー回転ミラー１の挿入損失は小さくなり、特性の低下を引き起こす不用反射も低減することができる。
【００３７】
しかしながら、反射減衰量を５０ｄＢ以上にするにはコアレスファイバ８の端面を３乃至９度の角度βに斜め研磨するだけではなく、コアレスファイバ８とファラデー回転子４とガラス体５との屈折率の大小関係によって生じる屈折角に合わせて、ガラス体５の傾斜面の角度αも決めなくてはならない。傾斜角度の最適値はスネルの法則から求まる。
【００３８】
すなわち、コアレスファイバ８にはグレーデッドインデックスファイバ３によるレンズ効果を補うように低い屈折率を持つ材料が選ばれ、例えば石英の屈折率１．４６などが適している。一方、ガラス体５の材料には屈折率が１．５乃至１．８の、例えばＢＫ７など、透光性に優れ、科学的に安定な光学ガラスが選ばれる。
【００３９】
上述のような屈折率をもつ材料を選んだとき、角度αより角度βを大きくするとファラデー回転ミラー１の挿入損失を０．８ｄＢ以下に抑えることが可能となる。
【００４０】
ここで、ファラデー回転子４とガラス体５はあらかじめ無調心で接合されており、光学素子ブロック１７を形成している。組立時には光学素子ブロック１７を動かして全反射ミラー６の角度を挿入損失が最小となるように調整すれば、ファラデー回転子４はガラス体の傾斜角度αにしたがった角度で固定されることになる。このとき、光ファイバ型レンズ３の端面に光学素子ブロック１７を接合すれば支持部材は大幅に省略できる。また、スペースが無い分、長さを短くできる。
【００４１】
図２は本発明のファラデー回転ミラーの先端部の構造を示す断面図である。前述の符号については説明を省略する。なお、接着剤による層は図示していない。
【００４２】
Ｍは光路の中心軸を模式的に表した線である。このとき、符号Ａ乃至Ｄはそれぞれ、屈折角の大きさを表している。このとき角度βを３〜９度の範囲で選ぶと反射減衰量が５０ｄＢ以上となり高性能なファラデー回転ミラーとなる。
【００４３】
以上、本実施例に示したファラデー回転ミラー１によれば、より小型で、生産性に優れ、さらに良好な光学特性を得ることができる。
【実施例】
【００４４】
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を試作し、特性の評価および信頼性試験を行った。各部品と構成について以下に説明する。
【００４５】
ファラデー回転子４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、全反射ミラー６は、誘電体多層膜であって、ガラス体５の一面に直接形成され、反射率９９％以上のものを用いた。ファラデー回転子４の表面、およびガラス体の全反射ミラー膜の反対面には対接着剤の反射防止膜を施してある。
【００４６】
磁石７は、外径が２．５ｍｍφのリング型で内部のファラデー回転子４に光軸と平行な飽和磁界を与える。
【００４７】
光ファイバ２は１５５０ｎｍ用のシングルモードファイバであって、モードフィールド径が８μｍのものを用いた。
【００４８】
ファラデー回転子４とガラス体５はあらかじめ無調心で接合されており、光学素子ブロック１７を形成している。
【００４９】
コアレスファイバ８の屈折率が１．４６、ファラデー回転子４の屈折率が２．４、ガラス体の屈折率が１．５としたとき、光ファイバ２の端面傾斜角βは８度で、ガラス体５の傾斜角度は７．７度とした。
【００５０】
このガラス体１７を動かすことで全反射ミラー６を調心し、挿入損失が０．５ｄＢとなるようにした。このとき、ガラス体の傾斜角度は７．７度に設定してあるため、ファラデー回転子４は光軸に対し略７．７度の角度で固定され、挿入損失０．５ｄＢ、反射減衰量５５ｄＢのファラデー回転子が得られた。
【００５１】
図５に示す従来のファラデー回転ミラーは、挿入損失１．０ｄＢ、反射減衰量２８ｄＢであることから、本発明により大幅な性能改善が達成された。また図３の従来のファラデー回転ミラーは部品点数が１５を超えていたが、本発明によるファラデー回転子では部品点数を１０点以下に減らすことができ、調心箇所も３カ所あったものが１箇所に簡略化できた。
【００５２】
次に作製したファラデー回転ミラーの信頼性評価を行った。試験は、Ｔｅｌｃｏｒｄｉａ１２２１に示される振動試験、衝撃試験、温度サイクル試験、高温保持試験、低温保持試験、高温高湿試験を実施し、すべての試験において、挿入損失の変化量が±０．２ｄＢ以下、反射減衰量の変化量が±３ｄＢ以下と良好な結果を得ることができた。
【００５３】
以上の試作により、小型で、生産性に優れ、さらに光学特性が良好で、かつ、信頼性に優れたファラデー回転ミラーを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明のファラデー回転ミラーの構成を示す断面図である。
【図２】本発明のファラデー回転ミラーの先端部の構造を示す断面図である。
【図３】従来のファラデー回転ミラーの構成を示す断面図である。
【図４】ファラデー回転ミラーの機能を示す模式図である。
【図５】従来のファラデー回転ミラーの別の構成であり、（ａ）はファラデー回転ミラー、（ｂ）はコア拡大ファイバの断面図である。
【符号の説明】
【００５５】
１、１０、１６、２０    ファラデー回転ミラー
２、１１    光ファイバ
３    グレーデッドインデックスファイバ
４、１４    ファラデー回転子
５    ガラス体
６、１５    全反射ミラー
７、１３    磁石
１２    結合用レンズ
１７    光学素子ブロック
８    コアレスファイバ
２１    コア拡大ファイバ
２１ａ    コア
２１ｂ    クラッド
α    ガラス体の傾斜角度
β    傾斜角度
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ    屈折角
Ｌ    光路
Ｍ    光路の中心軸
【図１】
2006276506.tif 000003
【図２】
2006276506.tif 000004
【図３】
2006276506.tif 000005
【図４】
2006276506.tif 000006
【図５】
2006276506.tif 000007