(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
無偏光の光が入射される第１の複屈折素子と、常光線及び異常光線とに分離された光が入射される第２の複屈折素子と、
２つの前記複屈折素子の間に配置され、磁気飽和時に45度の回転角を有するファラデー回転子と、
前記ファラデー回転子を磁気飽和させるマグネットと、
前記第２の複屈折素子からの常光線及び異常光線を収束させるレンズと、
前記レンズの収束により常光線及び異常光線を点対称に全反射させる全反射部材から構成され、
前記第１の複屈折素子が、光の入射側から見たときに互いに90度結晶軸方向が異なる第１複屈折板と第２複屈折板とから成り、
順方向における光の入射側から見たときの前記第１複屈折板の結晶軸方向が、水平方向を０度として45度若しくは135度に設定されると共に、
前記ファラデー回転子を透過して前記第２の複屈折素子へと伝搬する光の入射側から見たときの前記ファラデー回転子の回転方向が、第１複屈折板の結晶軸方向が45度の場合は右回り、135度の場合は左回りに設定され、
光の入射側から見たときの前記第２の複屈折素子の結晶軸方向が、前記第１複屈折板の結晶軸方向に対して45度異なるように設定され、
前記第１複屈折板に入射された無偏光の光が、常光線と異常光線とに分離され、更に、常光線と異常光線とが前記ファラデー回転子に入射されて45度偏波面が回転され、前記第２の複屈折素子を前記分離された光が透過するときに、前記第１複屈折板を常光線で透過した光は異常光線で透過されると共に、前記第１複屈折板を異常光線で透過した光は常光線で透過され、次に、常光線と異常光線が前記レンズに入射されて前記全反射部材の一点で点対称に全反射され、
前記全反射部材で全反射された常光線と異常光線とが再度、前記第２の複屈折素子と前記ファラデー回転子とに、この順に入射され、最後に前記第２複屈折板を透過するときに、全反射後に前記第２の複屈折素子を常光線で透過した光は異常光線で透過されると共に、全反射後に前記第２の複屈折素子を異常光線で透過した光は常光線で透過され、更に、前記第２複屈折板を透過することで常光線と異常光線の光路が一致されるという往路及び復路の光路を有し、
前記第２の複屈折素子から前記レンズに入射された、前記常光線と前記異常光線の各偏波面の中心と前記全反射部材の一点までの光路長が等距離に設定され、
且つ、
前記第２の複屈折素子が、前記第１の複屈折素子で生じた常光線と異常光線間の分離幅差を0.5μｍ未満、及び偏波分散差を0.05ｐｓ未満に設定するために必要な、素子表面法線方向に対する結晶軸方向と素子表面法線方向厚とを有する
ことを特徴とする光アイソレータ。
【請求項２】
前記第１の複屈折素子の素子表面法線方向に対する結晶軸角度が47.8度に設定されると共に、前記第２の複屈折素子の素子表面法線方向に対する結晶軸角度が59度に設定されることを特徴とする請求項１に記載の光アイソレータ。
【請求項３】
無偏光の光が入射される第１の複屈折素子と、常光線及び異常光線とに分離された光が入射される第２の複屈折素子と、
２つの前記複屈折素子の間に配置され、磁気飽和時に45度の回転角を有するファラデー回転子と、
前記ファラデー回転子を磁気飽和させるマグネットと、
前記第２の複屈折素子からの常光線及び異常光線を収束させるレンズと、
前記レンズの収束により常光線及び異常光線を点対称に全反射させる全反射部材から構成され、
前記第１の複屈折素子が、光の入射側から見たときに互いに180度結晶軸方向が異なる第１複屈折板と第２複屈折板とから成り、
且つ、
順方向における光の入射側から見たときの前記第１複屈折板の結晶軸方向が、水平方向を０度として90度に設定されると共に、
前記ファラデー回転子を透過して前記第２の複屈折素子へと伝搬する光の入射側から見たときの前記ファラデー回転子の回転方向が右回りに設定され、
前記第２の複屈折素子が、光の入射側から見たときに互いに90度結晶軸方向が異なる第３複屈折板と第４複屈折板とから成り、
且つ、
順方向における光の入射側から見たときの前記第３複屈折板の結晶軸方向が、水平方向を０度として135度に設定されると共に、光の入射側から見たときの前記第２の複屈折素子の結晶軸方向が、前記第１の複屈折素子の結晶軸方向に対して45度異なるように設定され、
前記第１複屈折板に入射された無偏光の光が、常光線と異常光線とに分離され、更に、常光線と異常光線とが前記ファラデー回転子に入射されて45度偏波面が回転された後に、前記第３複屈折板を前記分離された光が透過するときに、前記第１複屈折板を常光線で透過した光は異常光線で透過されると共に、前記第１複屈折板を異常光線で透過した光は常光線で透過され、次に、常光線と異常光線が前記レンズに入射されて前記全反射部材の一点で点対称に全反射され、
前記全反射部材で全反射された常光線と異常光線とは、前記第４複屈折板に入射された後に、再度前記ファラデー回転子に入射され、最後に前記第２複屈折板を透過するときに、前記第４複屈折板を常光線で透過した光は異常光線で透過されると共に、前記第４複屈折板を異常光線で透過した光は常光線で透過され、更に、前記前記第２複屈折板を透過することで常光線と異常光線の光路が一致されるという往路及び復路の光路を有し、
前記第３複屈折板から前記レンズに入射された、前記常光線と前記異常光線の各偏波面の中心と前記全反射部材の一点までの光路長が等距離に設定され、
且つ、
前記第１の複屈折素子が、前記第２の複屈折素子で生じた常光線と異常光線間の分離幅差を0.5μｍ未満、及び偏波分散差を0.05ｐｓ未満に設定するために必要な、素子表面法線方向に対する結晶軸方向と素子表面法線方向厚とを有する
ことを特徴とする光アイソレータ。
【請求項４】
前記第２の複屈折素子の素子表面法線方向に対する結晶軸角度が47.8度に設定されると共に、前記第１の複屈折素子の素子表面法線方向に対する結晶軸角度が59度に設定されることを特徴とする請求項３に記載の光アイソレータ。
【請求項５】
前記第１の複屈折素子の素子表面法線方向厚が105μmを超過する値に設定されることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れかに記載の光アイソレータ。
【請求項６】
前記レンズがGRINレンズであると共に、レンズ端面に前記全反射部材として全反射膜が一体形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れかに記載の光アイソレータ。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６の何れかに記載の光アイソレータと、その光アイソレータと光結合される複数の光ファイバとを備えることを特徴とする光学装置。
【請求項８】
前記光ファイバの光入出射端部が斜めに形成されることを特徴とする請求項７に記載の光学装置。
【請求項９】
前記光ファイバの許容曲げ半径 が15mm以下に設定されることを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の光学装置。
【請求項１０】
前記光ファイバがコア拡大光ファイバであることを特徴とする請求項７乃至請求項９の何れかに記載の光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信機器、光情報処理機器等の光ファイバ間に挿入（インライン化）され、光の偏波面に関わり無く動作する偏波無依存型の光アイソレータと、その光アイソレータを備える光学装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバで光を長距離伝搬する場合や、光ファイバで伝搬した光を分岐する場合等で、光の光量が減衰した時には、エルビウムドープ光ファイバ増幅器（以下、増幅器と記す）などによる光増幅が行われている。この様な増幅は、光を電気信号に変換すること無く、光を直接的に増幅するもので、前記増幅器はレンズやミラー、フィルタなど多くの光学素子から構成されている。そのため、これらの光学素子の反射に伴う戻り光や、光ファイバの光入出射端部からの戻り光が増幅器内部で発生すると、光の共振が発生して増幅特性の劣化を誘発してしまう。そこで、戻り光を遮断するために、光アイソレータが使用されている。
【０００３】
更に、光ファイバ内を伝搬する光は、光ファイバに加わる外部応力や光ファイバの曲げの影響により、偏光状態が一定しない。従って、光ファイバ間に挿入する光アイソレータは、光ファイバ内の伝搬光の偏光状態に依存しない偏波無依存型の光アイソレータであることが好ましい。
【０００４】
このような偏波無依存型の光アイソレータとしては、第１、第２、及び第３の複屈折素子と、第１及び第２の45度ファラデー回転子の各光学素子を有し、この各光学素子を光路上に直列に配列する様に、第１及び第２の複屈折素子の間に第１の45度ファラデー回転子を挿入し、第２及び第３の複屈折素子の間に第２の45度ファラデー回転子を挿入したものが考案されている。
【０００５】
しかし、この様な構成では各光学素子が直列に配列されているために光アイソレータの光路方向における寸法が長くなり、小型化の要求に対応出来なかった。又、この光アイソレータと光ファイバとを光結合させようとすると、光ファイバを光アイソレータの両端に配置させなければならない。従って、この様な光アイソレータを増幅器に実装すると、光ファイバが有する曲げ損失の関係から一定の曲げ半径以下に光ファイバを曲げることが出来ないので、増幅器内部における光ファイバの引き回し面積が大きくなり、増幅器の小型化が困難になるという課題があった。更に、前記光アイソレータと光ファイバ間には光結合のために入射側と出射側にそれぞれレンズが必要となる。よって、１つの光アイソレータ当たりに最低２個のレンズを必要とするので、構成部品が多くなるという課題もあった。
【０００６】
この様な、直列配列構成の光アイソレータの課題を考慮して、構成部品点数の削減と小型化が図られたインライン型の光アイソレータが考案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
【特許文献１】特開平０６−０６７１１８号公報（第３−４頁、第１図）
【０００８】
図１３及び図１４はこの様な光アイソレータ100の動作を説明するための側面図であって、図１３は順方向に光が透過した場合の偏光状態及び光路の変化を説明した側面図、図１４は逆方向に光が透過した場合の偏光状態及び光路の変化を説明した図である。
【０００９】
図１３及び図１４の光アイソレータ100において、101、102は光ファイバ、103は光ファイバアレイ、104は複屈折素子、105は1/2波長板、106はGRINレンズ、107はファラデー回転子、108は反射部材、109はガラス板、110はマグネット、111〜118及び121〜128は伝搬光である。
【００１０】
光ファイバ101及び102は、ガラス板上に平行に整列されて光ファイバアレイ３を構成する。ルチル結晶である複屈折素子104の片面半分には1/2波長板105を、残りの片面半分には、1/2波長板105と同じ板厚のガラス板109を貼り付ける。光ファイバ101と102の間に1/2波長板105とガラス板109の境界が来るように位置合わせを行い、光ファイバ102に入出射する光だけが1/2波長板105を透過するようにしている。GRINレンズ106の端面にファラデー回転子107を貼り付け、更にファラデー回転子107に反射部材108を貼り付けている。ファラデー回転子107の外側にはマグネット110を設けている。
【００１１】
次に、光アイソレータ100の動作を説明する。光ファイバ101から入射した無偏光の光は複屈折素子104で常光線111と異常光線112に分離され、異常光線112の光路が変化する。常光線111と異常光線112はGRINレンズ106の複屈折素子104側端面で平行光線に変換される。GRINレンズ106を透過した光113及び光114はファラデー回転子107を透過したときに左回りに22.5度、更に反射部材108で反射され再びファラデー回転子107を透過したときに22.5度と合わせて45度左に回転する。反射部材108で反射されることで、光113は光115の光路を、光114は光116の光路を進む。ファラデー回転子107を透過した光115及び光116はGRINレンズ106で集光されながら1/2波長板105に入射する。1/2波長板105はその光学軸と角度θをなして入射した直線偏光の光を1/2波長板105の光学軸と−θの角度をなす直線偏光として出射する機能を持つ。1/2波長板105の光学軸方向は異常光112に対して22.5度の角度をなして設けているため、光115及び光116の偏光状態は、1/2波長板105を透過すると偏波面は更に45度左に回転する。1/2波長板105を透過した光は複屈折素子104に入射するので、異常光線である光117と常光線である光118は複屈折素子104を透過したときにはその光路が一致する。また、光117及び118はGRINレンズ106で集光されているので、光ファイバ102に損失が0.5dB程度と効率良く結合される。
【００１２】
一方、図１４において光ファイバ102から無偏光の光が入射されると、複屈折素子104で常光線121と異常光線122に分離され異なった光路を進む。1/2波長板105を透過するときにその偏波面が右回りに回転したのち、GRINレンズ106で平行光に変換される。GRINレンズ106内を伝搬する光123と光124は反射部材108で反射される前後でファラデー回転子107を２回透過するので、この時に偏波面が左回りに合計45度回転する。反射部材108で反射することにより光123は光125の光路を、光124は光126の光路を進む。又、光125及び126はGRINレンズ106で集光されながら進む。ガラス板109を透過した光は複屈折素子104内を透過するとき、光127は常光線として伝搬するので直進し、光ファイバ101に入射しない。光128は異常光線として複屈折素子104を伝搬するので光路がずれ、やはり光ファイバ101に入射しない。
【００１３】
この様に、光ファイバ101から入射した光は光ファイバ102に結合するが、光ファイバ102から入射した光は光ファイバ101には結合しないという、光アイソレータ機能を得ることが出来る。
【００１４】
以上のように反射部材を設けることにより光路を往復路型に形成したので、使用レンズ個数が１個で済み、その分、光アイソレ−タを少ない部品点数で実現出来る。更に、前記直列配列構成の光アイソレータに比べ、光路方向の寸法が短くなるので、小型化の要求に対応することも可能となる。又、光ファイバ101、102を光アイソレータ100の一方だけに配置可能な構成なので、増幅器に実装するときに光ファイバの引き回し面積が減少し、増幅器の小型化に寄与するという効果も得られる。
【００１５】
しかしながら、図１３及び図１４の構成では、光114のみが複屈折素子104でシフトされた上で光113と光11と4がGRINレンズ106に入射されるので、そのシフト分だけ光113と光114との間に光路長差が発生する。従ってGRINレンズ106に入射される前に光113と光114との間の光路長差が所望の数値レベルまで低減化されていないため、反射部材108上の焦点位置にずれが生じてしまい、反射後の伝搬光路が光113と光114とで異なってしまう。よって反射後、複屈折板104で常光線118と異常光線117との光路を一致させた時、偏波依存損失（PDL：Polarization Dependent Loss）が発生して、出射側の光ファイバ102への光結合効率が低下してしまう。
【００１６】
この様なPDLを考慮して、レンズ前段に複数の複屈折素子を配置する光アイソレータ機能を有する光学素子複合モジュールが考案されている（例えば、特許文献２参照）。
【００１７】
【特許文献２】特開平０８−１３６８５９号公報（第１１頁、第８図）
【００１８】
図１５はこの様な光学素子複合モジュールの動作を説明するための側面図である。光学素子複合モジュール130において、GRINレンズ136の第１の端部136aの近傍には、端部136aに近い方から順に、波長選択フィルタ137、ファラデー回転子138及び反射部材140が配列され、ファラデー回転子138の外周部にはマグネット139が設けられている。一方、GRINレンズ136の第２の端部136bの近傍には、端部136bに近い方から順に、1/2波長板135、複屈折素子134及び複数のシングルモード光ファイバ131、132、133が配列されている。複屈折素子134は第１及び第２の複屈折部134a、134bを有し、第１及び第２の複屈折部134a、134bは、それらの結晶軸が互いに180度向きを変えた状態で、GRINレンズ136の光軸に対し所定の方向、例えば光軸に対し略直交する方向又は光軸に対し所定角度傾斜させた方向に配列されている。また、1/2波長板135は光ファイバ133の前方にのみ位置し、光ファイバ131及び132から出射された光は1/2波長板135を透過しないように配置されている。
【００１９】
光ファイバ131から出射される任意の偏光成分をもった波長λ1の光は、第１の複屈折部134aにより二つの直交偏光の光に分離される。分離されたそれぞれの光は、GRINレンズ136により平行光に変換され、波長選択フィルタ137に入射する。この光は波長選択フィルタ137で反射され、GRINレンズ136内を逆進し、GRINレンズ136の光軸に対し入射位置と対称な位置から出射し、第２の複屈折部134bに入射する。第２の複屈折部134bでは、異常光線の伝搬方向が第１の複屈折部134aにおける光の伝搬方向と逆になり、常光線と異常光線の光路が一致されて、光ファイバ132に入射される。
【００２０】
また、光ファイバ132より出射される波長λ2の光は、第２の複屈折部134bで二つの直交偏光に分離される。分離された光はGRINレンズ136で平行光に変換され、波長選択フィルタ137及びファラデー回転子138を透過して反射部材140に入射する。ファラデー回転子138を透過する際、入射光の偏波面が22.5度回転される。反射部材140で反射された光は、再度ファラデー回転子138を透過する際、更に偏波面が22.5度回転される。更に、波長選択フィルタ137及びGRINレンズ136を透過し、1/2波長板135に入射した光は、偏波面が45度回転され、第２の複屈折部134bに入射する。このとき、光の偏光状態は、最初に第２の複屈折部134bにより常光線と異常光線とに分離された状態から90度回転されているため、再度第２の複屈折部134bに入射した際、常光線は異常光線として第２の複屈折部134b内を伝搬し、また異常光線は常光線として第２の複屈折部134b内を伝搬する。そのため、第２の複屈折部134bの出力端でそれぞれの光の光路が一致され、光ファイバ133に入射する。
【００２１】
一方、逆方向の波長λ2の光は、第２の複屈折部134bにより常光線と異常光線とに分離され、1/2波長板135に入射する。1/2波長板135では、入射した光の偏波面が45度回転され、GRINレンズ136に入射する。次に、GRINレンズ136により平行光に変換された光は、ファラデー回転子138により偏波面が22.5度回転され、反射部材140に入射する。反射部材140により反射された光は、再度ファラデー回転子138を透過し、その際、偏波面が更に22.5度回転される。その結果、再度第２の複屈折部134bに入射した際、常光線は常光線として、異常光線は異常光線として第２の複屈折部134b内を進むため、これらの光の光路は一致されることなく光ファイバ132に入射しない。
【００２２】
以上のように、光合波機能と光アイソレ−タ機能とを一体化した光学素子複合モジュ−ル130を実現すると共に、第１及び第２の複屈折部134a、134bに対し、それぞれ結晶軸方向が実質上直交するように第３及び第４の複屈折部134c、134dを貼り合わせ、光ファイバ１と２の常光線と異常光線の光路長長が等しくなるようにしている。このような構成により、常光線と異常光線の光路長差による損失劣化を低減できるとしている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
しかしながら、図１３及び図１４の光アイソレータ100では、ファラデー回転子107の回転角が22.5度（２回透過で計45度）に設定されているため、光が反射されて再び複屈折素子104に入射する際、1/2波長板105が無いとファラデー回転子107による45度回転された偏光状態のまま再度、複屈折素子104に入射される事になる。従って、光115の偏波面が複屈折素子104の結晶軸と一致しないためシフトせず、複屈折素子104を透過したときに光115と光116の光路は一致しないまま、一方の光116のみ光ファイバ102に光結合される。よって、伝搬光と光ファイバ102との結合効率の低下を招く。
【００２４】
又、逆方向の光が光ファイバ102から入射された場合、再度その光が複屈折素子104に入射されるとき、光126の偏波面は複屈折素子104の結晶軸と一致しないためシフトせず、そのまま光126は光ファイバ101に戻り光として入射される。よって、光アイソレータ100の消光比の低下を招く。以上の事は、図１５の光学素子複合モジュール130において光アイソレータ機能を示す光路にも云えることである。
【００２５】
以上のように反射による往復路型の光路を示す光アイソレータの構成では、往路の光路において再度、複屈折素子に光を入射させるときに異常光線の偏波面を結晶軸方向に合わせなければ、所望の光アイソレーション特性を得ることが出来ないので、1/2波長板は必須の光学素子であった。しかしながら、ファラデー回転子とは別に偏波面を回転させる光学素子（1/2波長板）を用意しなければならないので、使用する光学素子の種類の数が前記直列配列構成の光アイソレータよりも多くなり（直列配列構成の光アイソレータは、複屈折素子とファラデー回転子の２種類）、製造工程削減や製造コストの削減として有効な構成とは云えなかった。
【００２６】
更に光路上、1/2波長板を透過する箇所があるため、往路と復路との光路長差を合わせるためにガラス板という新たな別部品も必要となるため、構成部品の絶対数の削減としても有効な構造とは云えなかった。
【００２７】
又、図１５の構成は、光合波機能と光アイソレ−タ機能とを１つの光学装置で一体化させようというものなので光路設計が複雑化してしまう。更に、複屈折素子4c、4dをPDL解消のために設けているが、第３及び第４の複屈折部134c、134dが無くとも光アイソレータ機能を実現することは可能である。即ち、図１５は光アイソレータ機能の実現という観点では必須ではない第３及び第４の複屈折部134c、134dを付設する観点で光路設計がなされた光学装置である。従って、増幅器に実装する光アイソレータの、構造の簡略化や小型化及び低価格化という点では充分な参考とはならなかった。
【００２８】
本発明は上記各課題に鑑みてなされたものであり、その目的は増幅器に実装される光アイソレータの、構造の簡略化や小型化、及び低価格化を実現すると共に、偏波分散（PMD：Polarization Mode Dispersion）及びPDLを所望の数値レベルまで低減化して特性向上を図ることが可能な光アイソレータの提供と、その光アイソレータを備えた光学素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２９】
本発明の請求項１記載の発明は、無偏光の光が入射される第１の複屈折素子と、常光線及び異常光線とに分離された光が入射される第２の複屈折素子と、２つの前記複屈折素子の間に配置され、磁気飽和時に45度の回転角を有するファラデー回転子と、前記ファラデー回転子を磁気飽和させるマグネットと、前記第２の複屈折素子からの常光線及び異常光線を収束させるレンズと、前記レンズの収束により常光線及び異常光線を点対称に全反射させる全反射部材から構成され、前記第１の複屈折素子が、光の入射側から見たときに互いに90度結晶軸方向が異なる第１複屈折板と第２複屈折板とから成り、順方向における光の入射側から見たときの前記第１複屈折板の結晶軸方向が、水平方向を０度として45度若しくは135度に設定されると共に、前記ファラデー回転子を透過して前記第２の複屈折素子へと伝搬する光の入射側から見たときの前記ファラデー回転子の回転方向が、第１複屈折板の結晶軸方向が45度の場合は右回り、135度の場合は左回りに設定され、光の入射側から見たときの前記第２の複屈折素子の結晶軸方向が、前記第１複屈折板の結晶軸方向に対して45度異なるように設定され、前記第１複屈折板に入射された無偏光の光が、常光線と異常光線とに分離され、更に、常光線と異常光線とが前記ファラデー回転子に入射されて45度偏波面が回転され、前記第２の複屈折素子を前記分離された光が透過するときに、前記第１複屈折板を常光線で透過した光は異常光線で透過されると共に、前記第１複屈折板を異常光線で透過した光は常光線で透過され、次に、常光線と異常光線が前記レンズに入射されて前記全反射部材の一点で点対称に全反射され、前記全反射部材で全反射された常光線と異常光線とが再度、前記第２の複屈折素子と前記ファラデー回転子とに、この順に入射され、最後に前記第２複屈折板を透過するときに、全反射後に前記第２の複屈折素子を常光線で透過した光は異常光線で透過されると共に、全反射後に前記第２の複屈折素子を異常光線で透過した光は常光線で透過され、更に、前記第２複屈折板を透過することで常光線と異常光線の光路が一致されるという往路及び復路の光路を有し、前記第２の複屈折素子から前記レンズに入射された、前記常光線と前記異常光線の各偏波面の中心と前記全反射部材の一点までの光路長が等距離に設定され、且つ、前記第２の複屈折素子が、前記第１の複屈折素子で生じた常光線と異常光線間の分離幅差を0.5μｍ未満、及び偏波分散差を0.05ｐｓ未満に設定するために必要な、素子表面法線方向に対する結晶軸方向と素子表面法線方向厚とを有することを特徴とする光アイソレータである。
【００３０】
更に、本発明の請求項２記載の発明は、前記第１の複屈折素子の素子表面法線方向に対する結晶軸角度が47.8度に設定されると共に、前記第２の複屈折素子の素子表面法線方向に対する結晶軸角度が59度に設定されることを特徴とする光アイソレータである。
【００３１】
又、本発明の請求項３記載の発明は、無偏光の光が入射される第１の複屈折素子と、常光線及び異常光線とに分離された光が入射される第２の複屈折素子と、２つの前記複屈折素子の間に配置され、磁気飽和時に45度の回転角を有するファラデー回転子と、前記ファラデー回転子を磁気飽和させるマグネットと、前記第２の複屈折素子からの常光線及び異常光線を収束させるレンズと、前記レンズの収束により常光線及び異常光線を点対称に全反射させる全反射部材から構成され、前記第１の複屈折素子が、光の入射側から見たときに互いに180度結晶軸方向が異なる第１複屈折板と第２複屈折板とから成り、且つ、順方向における光の入射側から見たときの前記第１複屈折板の結晶軸方向が、水平方向を０度として90度に設定されると共に、前記ファラデー回転子を透過して前記第２の複屈折素子へと伝搬する光の入射側から見たときの前記ファラデー回転子の回転方向が右回りに設定され、前記第２の複屈折素子が、光の入射側から見たときに互いに90度結晶軸方向が異なる第３複屈折板と第４複屈折板とから成り、且つ、順方向における光の入射側から見たときの前記第３複屈折板の結晶軸方向が、水平方向を０度として135度に設定されると共に、光の入射側から見たときの前記第２の複屈折素子の結晶軸方向が、前記第１の複屈折素子の結晶軸方向に対して45度異なるように設定され、前記第１複屈折板に入射された無偏光の光が、常光線と異常光線とに分離され、更に、常光線と異常光線とが前記ファラデー回転子に入射されて45度偏波面が回転された後に、前記第３複屈折板を前記分離された光が透過するときに、前記第１複屈折板を常光線で透過した光は異常光線で透過されると共に、前記第１複屈折板を異常光線で透過した光は常光線で透過され、次に、常光線と異常光線が前記レンズに入射されて前記全反射部材の一点で点対称に全反射され、前記全反射部材で全反射された常光線と異常光線とは、前記第４複屈折板に入射された後に、再度前記ファラデー回転子に入射され、最後に前記第２複屈折板を透過するときに、前記第４複屈折板を常光線で透過した光は異常光線で透過されると共に、前記第４複屈折板を異常光線で透過した光は常光線で透過され、更に、前記前記第２複屈折板を透過することで常光線と異常光線の光路が一致されるという往路及び復路の光路を有し、前記第３複屈折板から前記レンズに入射された、前記常光線と前記異常光線の各偏波面の中心と前記全反射部材の一点までの光路長が等距離に設定され、且つ、前記第１の複屈折素子が、前記第２の複屈折素子で生じた常光線と異常光線間の分離幅差を0.5μｍ未満、及び偏波分散差を0.05ｐｓ未満に設定するために必要な、素子表面法線方向に対する結晶軸方向と素子表面法線方向厚とを有することを特徴とする光アイソレータである。
【００３２】
更に、本発明の請求項４記載の発明は、前記第２の複屈折素子の素子表面法線方向に対する結晶軸角度が47.8度に設定されると共に、前記第１の複屈折素子の素子表面法線方向に対する結晶軸角度が59度に設定されることを特徴とする光アイソレータである。
【００３３】
更に、本発明の請求項５記載の発明は、前記第１の複屈折素子の素子表面法線方向厚が105μmを超過する値に設定されることを特徴とする光アイソレータである。
【００３４】
更に、本発明の請求項６記載の発明は、前記レンズがGRINレンズであると共に、レンズ端面に前記全反射部材として全反射膜が一体形成されていることを特徴とする光アイソレータである。
【００３５】
又、本発明の請求項７記載の発明は、前記光アイソレータと、その光アイソレータと光結合される複数の光ファイバとを備えることを特徴とする光学装置である。
【００３６】
更に、本発明の請求項８記載の発明は、前記光ファイバの光入出射端部が斜めに形成されることを特徴とする光学装置である。
【００３７】
更に、本発明の請求項９記載の発明は、前記光ファイバの許容曲げ半径 が15mm以下に設定されることを特徴とする光学装置である。
【００３８】
更に、本発明の請求項１０記載の発明は、前記光ファイバがコア拡大光ファイバであることを特徴とする光学装置である。
【発明の効果】
【００３９】
本発明に係る光アイソレータに依れば、光アイソレータを構成する光学素子の種類を、複屈折素子とファラデー回転子、及びレンズと全反射部材のみに抑えることが可能となる。従って、従来の往復路型光路を有する光アイソレータにおいて必要だった1/2波長板やガラス板といった光学素子を省略することが可能である。よって、光アイソレータを構成するために用いる光学素子の種類及び絶対数を削減して、光アイソレータの製造工程の削減と製造コストの削減を図れる、往路型光路を有する光アイソレータ構造を実現することが出来る。
【００４０】
更に、本発明に係る光アイソレータは、その光アイソレ−タ機能を実現するために必須となる光学素子のみで構成されているので、光路設計が単純化されると共に、光アイソレータの構造の簡略化、小型化、及び低価格化を実現することが可能となる。又、光アイソレ−タ機能を実現する上で必須の光学素子である、第１又は第２の複屈折素子のどちらか一方に、PDL及びPMDの低減化機能を持たせているため、光アイソレータの特性を向上させることも可能となる。
【００４１】
反射による往復路型光路を有する光アイソレータでは、同じ光学素子を２回、光が透過するため、前記光アイソレータから出射する光に、１つの光学素子で発生するPMDやPDLが２倍になって作用を及ぼす。しかしながら本発明に係る光アイソレータでは、往路の光路で発生したPMDやPDLは、全反射部材で全反射される前に低減化されるため、そのPMDやPDLが復路の光路に深刻な作用を及ぼすことを防止できる。更に、復路の光路で発生するPMDやPDLも、結晶軸方向補正と素子法線方向厚補正の施された第１の複屈折素子又は第２の複屈折素子に光を透過させることによって低減化される。従って、入射側の光ファイバに伝搬光が入射される段階までに、その伝搬光のPMDやPDLを所望の数値レベルまで低減化することが可能となる。
【００４２】
更に、第１又は第２の複屈折素子のどちらか一方にPDLとPMDの低減化機能を持たせる際に、PDLとPMDのどちらを優先した補正とするかは、第１又は第２の複屈折素子のどちらか一方の結晶軸角度と素子表面法線方向厚を変更するだけで対応可能である。従って、光アイソレータ個々の用途や要求される特性に応じて容易に変更可能であるため、光アイソレータの用途拡大を図ることも容易である。
【００４３】
光アイソレータのPDL特性に直接影響を与える分離幅差を最小値に抑えるように優先的に補正を行った場合は、二光路の光を全反射部材のほぼ一点で全反射させることが可能となる。従って、全反射に伴う、レンズ内部での二光路の光の光路長差をほぼ皆無にすることが可能となる。従って、レンズ内部での往復路型光路における二光路の光の間で発生するPDLを所望の数値レベルまで低減化することが出来る。
【００４４】
更に、順方向の光路において、第１の複屈折素子と第２の複屈折素子を透過後の常光線と異常光線との各偏波面の中心位置が、全反射部材の一点から等距離になるように、第１の複屈折素子の結晶軸方向と第２の複屈折素子の結晶軸方向、及び第１の複屈折素子の素子表面法線方向厚と第２の複屈折素子の素子表面法線方向とを設定するので、レンズ内部における前記一点までの常光線と異常光線の各光路長を等距離とすることが可能となる。従って、全反射部材での全反射に伴う、レンズ内部における常光線と異常光線との光路長差をほぼ皆無とすることが可能なので、PDLの低減化により一層の効果がある。
【００４５】
無論、光が往復路型となることに伴い、光アイソレータの光路方向の寸法が短小化されるので、光アイソレータの小型化の要求に対応することも可能となる。又、光ファイバを光アイソレータの一方だけに配置可能な構成となるので、増幅器に光アイソレータを実装するときに光ファイバの引き回し面積を減少させて、増幅器の小型化を図ることも可能となる。
【００４６】
更に、往復路型の光路とすることによりレンズ個数を１個に削減可能であると共に、レンズ個数の削減に伴い、光ファイバとレンズとの位置調整（調芯組立工程）の工程も削減することが可能となる。
【００４７】
そのレンズをGRINレンズにすると共に、レンズ端面に前記全反射部材として全反射膜を一体形成することにより、点対称の反射による往復路型光路の設計が容易に行えると共に、光アイソレータの光路方向の寸法をより短小化することが可能となる。
【００４８】
更に、前記光アイソレータとその光アイソレータと光結合される複数の光ファイバとを備えた光学装置において、光ファイバの光入出射端部を斜めに形成することにより、光アイソレータの光学素子を伝搬光光路に対して斜めに配置、もしくは前記光学素子を楔形状に加工しなくとも、光学素子の光入出射面から光ファイバへの反射戻り光を防止することが可能となる。
【００４９】
又、光ファイバに、許容曲げ半径 が15mm以下に設定された光ファイバを使用することにより、光ファイバの曲げ損失を低減することが可能となる。従って、光ファイバをコンパクトに巻いて増幅器内部における光ファイバの引き回し面積を減少させ、増幅器の小型化に寄与することが可能となる。
【００５０】
更に、前記光ファイバにコア拡大光ファイバを用いることにより、複数の光ファイバ間の軸ずれに伴う損失を抑制出来るため、光アイソレータに対して光ファイバを配置させる際に、水平方向（Ｘ軸方向）と垂直方向（Ｙ軸方向）のトレランスを緩和させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５１】
＜第１の実施形態＞
以下、本発明の第１の実施形態について図１〜図６を参照しながら詳細に説明する。図１は本発明の光アイソレータの第１の実施形態を示す概略斜視図であり、図２は図１の光アイソレータと複数の光ファイバとを光結合させた光学装置に、順方向に光が伝搬するときの光路を示した側面図であり、図３は図１の光アイソレータの構成部品である第１の複屈折素子を前記光ファイバ側から見たときの平面図であり、図４は前記光学装置に逆方向に光が伝搬するときの光路を示した側面図である。
【００５２】
図１〜図４に示す通り、光アイソレータ１は、第１の複屈折素子４及び第２の複屈折素子５（共にルチル結晶）、ファラデー回転子６、ファラデー回転子６を磁気飽和させるための図示しないマグネット、レンズ７、及び全反射部材８とから構成される。前記第１の複屈折素子４、第２の複屈折素子５、及びファラデー回転子６は共に平板状に形成されている。更に、その光アイソレータ１と二本の光ファイバ２及び３とが、互いに光結合するように配置されることで、光学装置が形成されている。
【００５３】
更に詳述すると、図２及び図４において、複数の光ファイバ２、３は図中Ｙ軸方向に250μｍの間隔を開けて平行に配列されており、その光入出射端部は研磨加工により斜めに形成されている。第１の複屈折素子４は図３に示すように二枚の複屈折板（第１複屈折板4a、第２複屈折板4b）から構成されており、順方向における光の入射側（光ファイバ２からの光の出射方向）から見たときのそれぞれの結晶軸X11、X21方向が、互いに90度異なるように配置されている。前記光の入射側から見たときの、第１複屈折板4aの結晶軸X11方向は、図３のＸ軸に平行である水平方向を０度として、その０度から135度傾くように設定されている。従って、第２複屈折板4bの結晶軸X21方向は前記135度から90度異なるように、前記０度から45度傾くように設定される。第１及び第２の複屈折素子４、５の光入出射面には反射防止膜を設けている。
【００５４】
第１複屈折板4aと第２複屈折板4bとを互いに接着固定するときは、その境界が光ファイバ２、３の間に来るように配置する。更に、光ファイバ２からの出射光は第１複屈折板4aのみを透過し、光ファイバ３に入出射される光は第２複屈折板4bのみを透過する様に、光ファイバ２、３によって入出射される光の拡がりを考慮して前記境界の位置決めを行うものとする。
【００５５】
ファラデー回転子６はガーネット単結晶などのファラデー効果を有する磁気光学結晶から成り、その厚さは磁気飽和時に45度の回転角を有するように設定される。このファラデー回転子６は２つの前記複屈折素子４及び５の間に配置され、更に、入射光偏波面の回転方向は、ファラデー回転子６を透過して第２の複屈折素子５へと伝搬される光の入射側、即ち光ファイバ２側からＺ軸に沿って見たときに左回り（反時計回り）となるように設定されている。
【００５６】
図１において、ファラデー回転子６を挟んで、第１複屈折板4aと面対向に配置されている第２の複屈折素子５の、光の入射側（Ｚ軸方向）から見たときの結晶軸X31方向は、前記結晶軸X11方向に対して45度異なるように設定する。結晶軸X31方向の一例としては、前記135度に対して45度異なる方向である、Ｙ軸方向即ち前記水平方向を０度としてその０度から90度傾くように設定されるものとする。
【００５７】
レンズ７は、その屈折率が中央部（レンズ７の光軸）に近づくにつれて高くなるように連続的に異なる、円筒形状のラジアル屈折率分布型（GRIN：GRadient INdex）レンズである。更に、レンズ６の片端面には全反射部材８として全反射膜が一体形成されている（以後、全反射膜８と記す）。
【００５８】
以上のように構成された光アイソレータ１及び光学装置の動作を以下に説明する。図５は光アイソレータ１における順方向の光の偏光状態を示す図であり、図６は光アイソレータ１における逆方向の光の偏光状態を示す図である。図５中の（Ａ）〜（Ｈ）は、それぞれ図２における破線Ａ〜Ｈで示した各断面における光の偏波面を表わし、図６中の（Ａ）〜（Ｈ）は、それぞれ図４における破線Ａ〜Ｈで示した各断面における光の偏波面を表わす。なお光の偏光状態は、光ファイバ２及び３側からＺ軸に沿って見た伝搬光の偏波面を示すものとする。又、偏波面の回転は時計回りを右回り、反時計回りを左回りと記述する。レンズ７内での光の振る舞いは、伝搬光の中心の振る舞いを模式的に描写したものである。
【００５９】
なお、光ファイバ２又は３から出射され全反射膜８で全反射されるまでの光路を「往路」、一方、全反射膜８で全反射され光ファイバ３又は２に入射されるまでの光路を「復路」と定義し、これら光路を総称して「往復路型の光路」と記す。又、光ファイバ２から出射されて光ファイバ３へ入射される一連の光路を「順方向の光路」、一方、光ファイバ３から出射されて光ファイバ２へ入射される一連の光路を「逆方向の光路」と定義する。
【００６０】
まず順方向の光路から説明する。最初に、光ファイバ２から第１複屈折板4aに無偏光状態の光(図５(Ａ))が入射される。その光の偏波面のうち、結晶軸X11に平行な偏波面である光12は異常光線となり、光12の光路は図２に示すように斜め下側方向にシフトされる(図５(Ｂ))。一方、光11の偏波面は結晶軸X11に対し非平行なのでシフトされず常光線として直進する。従って、前記無偏光状態の光は、第１複屈折板4aで光11と光12とに分離され異なる光路を伝搬する。ファラデー回転子６の回転方向は、結晶軸X11方向が前記の通り135度の場合は、左回りに設定される。従って、ファラデー回転子６に入射された光11と光12の各偏波面は、左回りに約45度回転される(図５(Ｃ))。
【００６１】
その後、光11と光12は第２の複屈折素子５に入射される。前述の通り結晶軸X31方向は、結晶軸X11方向に対して45度異なるように設定されており、この45度の相対角度差はファラデー回転子６の回転角と同一値でもある。従って、ファラデー回転子６で左回りに回転された光11の偏波面と結晶軸X31方向とは平行になる。よって、図５(Ｃ)で示す偏波面の光11、光12が第２の複屈折素子５に入射すると、第１複屈折板4aを常光線で透過した光11が今度は異常光線となるので、図２に示すように斜め下側方向へとシフトする(図５(Ｄ))。一方、第１複屈折板4aを異常光線で透過した光12の偏波面は、結晶軸X31に対し非平行なのでシフトされず、常光線として直進する。
【００６２】
以上のように、光11と光12とが、第１複屈折板4aと第２の複屈折素子５とを透過するときに、必ず常光線と異常光線の両方の偏光状態をとるように結晶軸X11方向と結晶軸X31方向、及び第１の複屈折素子４の素子表面法線方向厚t1と第２の複屈折素子５の素子表面法線方向厚t2とを設定する。且つ、順方向において、異常光線を図２に示すように共に斜め下側方向にシフトさせることも考慮して結晶軸X11方向と結晶軸X31方向とを設定することにより、第１複屈折板4aと第２の複屈折素子５を透過後の光11と光12の各偏波面の中心11c、12cの位置を、全反射膜８上の一点f1から等距離（中心11cと一点f1間の距離と、中心12cと一点f1間の距離とが等しい状態）に設定することが可能となる。第２の複屈折素子５を透過した光11、光12は、次にレンズ７に入射される。
【００６３】
レンズ７内部に入射した光11と光12は、徐々に全反射膜８の面上の一点f1へと収束されていき、一点f1で一致されて点対称に全反射される。前記のように中心11cと一点f1間の距離と、中心12cと一点f1間の距離とが等しくなるように結晶軸X11方向と結晶軸X31方向、及び第１の複屈折素子４の素子表面法線方向厚t1と第２の複屈折素子５の素子表面法線方向厚t2とを設定しているので、全反射後の中心11cと一点f1間の距離と、中心12cと一点f1間の距離とも等しくなる。全反射されてレンズ７から出射した光11、光12(図５(Ｅ))は、再度第２の複屈折素子５に入射される。往路の光路と同様に、第２の複屈折素子５内部では、光11の偏波面が結晶軸X31方向と平行になるので光11が異常光線となり、図２に示すように斜め上側方向へとシフトされる(図５(Ｆ))。一方の光12の偏波面は結晶軸X31方向に対して非平行なので、シフトされず常光線として直進して行く。
【００６４】
次に、再度ファラデー回転子６に入射された光11と光12の各偏波面は、左回りに約45度回転される(図５(Ｇ))。光11と光12は往復路型光路で計２回ファラデー回転子６を透過するので、各偏波面は、第１複屈折板4aからの出射時の偏光状態(図５(Ｂ))と比べて合計90度左に回転される事となる。この偏光状態で光11と光12は第１の複屈折素子４の第２複屈折板4bに入射される。
【００６５】
前述のように、第２複屈折板4bの結晶軸X21方向は、第１複屈折板4aの結晶軸X11方向に対して90度異なるように配置されており、又、復路の光路においてファラデー回転子６を透過後の光11と光12の各偏波面は、第１複屈折板4aからの出射時の偏光状態(図５(Ｂ))と比べて、合計90度左に回転されている。従って、往路の光路において第１複屈折板4a透過時に異常光線であった光12が、復路の光路においても異常光線となるので、図２に示すように第２複屈折板4bに入射した光12は斜め上側方向へとシフトされる(図５(Ｈ))。一方、光11は第２複屈折板4b内部では常光線なので、第２複屈折板4b内部を直進する。即ち、全反射膜８で全反射された後に第２の複屈折素子５を常光線で透過した光12は異常光線で透過されると共に、全反射膜８で全反射された後に第２の複屈折素子５を異常光線で透過した光11は常光線で透過されることになる。シフトされることによって光11と光12は第２複屈折板4bを透過したときにその光路が一致する。従って、常光線と異常光線とが一致された元の入射光の状態で、光ファイバ３に光が光結合される。光11及び光12は、レンズ７で集光されているので、光ファイバ３に挿入損失0.5dB程度と効率よく光結合される。
【００６６】
次に、逆方向の光路を説明する。光ファイバ３から無偏光の光が入射されると(図６(Ｈ))、入射光は第２複屈折板4bで、常光線である光13と異常光線である光14とに分離されて、光14が図４に示すように斜め下側方向へとシフトされ(図６(Ｇ))、光13と光14は異なった光路を伝搬する。更に、ファラデー回転子６を透過するときに各偏波面は左回りに約45度回転され(図６(Ｆ))、その後第２の複屈折素子５に入射される。第２の複屈折素子５内部では光14の偏波面が結晶軸X31方向と平行になるので異常光線となり、更に図４に示すように斜め下側方向へとシフトされていく(図６(Ｅ))。
【００６７】
次に、光13と光14はレンズ７に入射され、徐々に全反射膜８の面上の一点f1へと収束されていき、一点f1で一致されて点対称に全反射され、レンズ７から再度、第２の複屈折素子５に入射される(図６(Ｄ))。第２の複屈折素子５に入射した光14は異常光線として伝搬するので、図４に示すように斜め上側方向へとシフトされ(図６(Ｃ))、再度ファラデー回転子６に入射される。
【００６８】
ファラデー回転子６に入射された光13と光14の各偏波面は、左回りに更に約45度回転される(図６(Ｂ))。従って、ファラデー回転子６から２度目に出射されたときの光13と光14の各偏波面(図６(Ｂ))は、第２複屈折板4b出射時の各偏波面(図６(Ｇ))と比べて左回りに90度回転される偏光状態となる。この偏光状態で光13と光14は第１の複屈折素子４の第１複屈折板4aに入射される。
【００６９】
前述のように、第１複屈折板4aの結晶軸X11方向は、第２複屈折板4bの結晶軸X21方向に対して90度異なるように配置されており、又、復路の光路においてファラデー回転子６透過後の光13と光14の各偏波面は、第２複屈折板4bからの出射時の偏光状態(図６(Ｇ))と比べて合計90度左に回転されている。従って、往路の光路において第２複屈折板4b透過時に異常光線であった光14が、復路の光路においても異常光線となり、図４に示すように斜め上側方向へと更にシフトされる(図６(Ａ))。一方、光13は第１複屈折板4a内部では常光線なので、第１複屈折板4a内部を直進する。従って、光13と光14の光路は互いにずれて一致せず、光ファイバ２にはどちらも入射しない。
【００７０】
以上のように、光ファイバ２から入射した光は光ファイバ３に光結合するが、光ファイバ３から入射した光は光ファイバ２には光結合しないという光アイソレータ機能を光アイソレータ１は得ることが出来る。この光アイソレータ機能を実現するために、第１及び第２の複屈折素子４と５とは相反素子である必要がある。更に、ファラデー回転子６は非相反素子である必要がある。
【００７１】
本実施形態では、光アイソレータ１を構成する光学素子の種類を、複屈折素子とファラデー回転子、及びレンズと全反射部材のみに抑えることが出来た。従って、従来の往復路型光路を有する光アイソレータで必要とされていた、1/2波長板やガラス板を省略することが可能となる。よって、光アイソレータを構成するために用いる光学素子の種類及び絶対数を削減して、光アイソレータの製造工程の削減と製造コストの削減を図れる、往路型光路を有する光アイソレータ構造が実現可能となった。
【００７２】
勿論、従来の往復路型光路を有する光アイソレータと同様に、光路方向の寸法が短小化されるので小型化の要求に対応することも可能となる。又、光ファイバ２、３を光アイソレータ１の一方だけに配置可能な構成なので、増幅器に実装するときに光ファイバの引き回し面積を減少させて、増幅器の小型化を図ることも可能である。
【００７３】
更に、往復路型の光路とすることによりレンズ個数を１個に削減可能になると共に、レンズ個数の削減に伴い、光ファイバとレンズとの位置調整（調芯組立工程）の工程も削減することが可能となる。
【００７４】
次に、第１及び第２の複屈折素子４、５の各屈折率の違いに基づく、光11と光12のPMDとPDLの低減化手段について説明する。まず、第１の複屈折素子４における異常光線の実効屈折率nne1は、数１で表される。
【００７５】
【数１】
0004714811.tif 000002
【００７６】
但し、noは常光線屈折率、neは異常光線屈折率をそれぞれ表し、no：2.453、ne：2.709とする。又、数１からも分かるようにnne1は、第１又は第２複屈折板4a、4bの結晶軸と異常光線波面法線方向とのなす角度θrに依存する。第１の複屈折素子４の素子表面法線厚t1を200μｍとすると、t1分の厚みを有する第１の複屈折素子４を常光線が透過したときの、第１の複屈折板素子４の素子表面法線からの常光線の分離幅So1は、数２で表される。
【００７７】
【数２】
0004714811.tif 000003
【００７８】
ここで、θoは常光線の実効光線角度（常光線の光線方向と前記素子表面法線とのなす角度）であり、
【００７９】
【数３】
0004714811.tif 000004
【００８０】
と表される。ここで、αは前記素子表面法線に対する光の入射角度であり、光ファイバ２、３の光入出射端部のコア軸に対する傾斜角度が12度と設定される場合、αは5.5度と設定する。
【００８１】
又、t1分の厚みを有する第１の複屈折素子４を異常光線が透過したときの、前記素子表面法線からの異常光線の分離幅Se1は、
【００８２】
【数４】
0004714811.tif 000005
【００８３】
と表される。ここで、θe1は異常光線の光線方向と前記素子表面法線とのなす角度であり、
【００８４】
【数５】
0004714811.tif 000006
【００８５】
で表される。なお、θecは異常光線と、その異常光線が入射する第１複屈折板4a又は第２複屈折板4bの結晶軸とのなす角度であり、
【００８６】
【数６】
0004714811.tif 000007
と表される。前記θrは、
【００８７】
【数７】
0004714811.tif 000008
と表される。なお、数７中の係数a、b、cは、
【００８８】
【数８】
0004714811.tif 000009
【００８９】
【数９】
0004714811.tif 000010
【００９０】
【数１０】
0004714811.tif 000011
【００９１】
と表される。θ1は第１複屈折板4a又は第２複屈折板4bの、各々の素子表面法線と結晶軸との角度を表し（図１、図２、図４の結晶軸X12、X22方向に該当）、47.8度が素子表面法線方向厚t1を最小厚に抑えつつ、後述の分離幅Soe1を最大にすることが可能となるので最適である。従って、第１の複屈折素子４の、入射光光線方向に対する常光線と異常光線の分離幅の合計Soe1は、
【００９２】
【数１１】
0004714811.tif 000012
【００９３】
と表され、上記各パラメータ数値を代入して計算すると、Soe1：20.119μｍと導き出される。
【００９４】
更に、異常光線波面法線方向と前記素子表面法線方向とのなす角度θed1は、
【００９５】
【数１２】
0004714811.tif 000013
【００９６】
と表される。従って、第１の複屈折素子４によって発生する常光線と異常光線の光路長差d1は、
【００９７】
【数１３】
0004714811.tif 000014
【００９８】
と表される。数１３に上記各パラメータ数値を代入して計算すると、d1：28.031μｍと導き出される。更に、この光路長差d1によって生ずる偏波分散PMD1は、
【００９９】
【数１４】
0004714811.tif 000015
と表され、PMD1：0.094ｐｓが導き出される。vは光速で、v：299792458m/sとする。
【０１００】
本発明における、第１の複屈折素子４で発生する光11と光12間のPMD及びPDLを、所望の数値レベルまで低減化させる手段は、第２の複屈折素子５の素子表面法線方向厚t2と、素子表面法線方向に対する結晶軸X32方向とを、前記PMDとPDLの値に応じて設定することである。これにより、第１の複屈折素子４で発生する光11と光12間のPMD及びPDLを、第２の複屈折素子５に光11と光12を透過させるときに所望の数値レベルまで低減化させるものである。
【０１０１】
次に、第２の複屈折素子５にPMD及びPDLを所望の数値レベルまで低減化させるための結晶軸方向補正と素子表面法線方向厚補正が施されない場合における、分離幅Soe2と偏波分散値PMD2を求める。第２の複屈折素子５における異常光線の実効屈折率nne1は、前記数１で表される。
【０１０２】
結晶軸X11方向と結晶軸X31方向に伴う、第１複屈折板4aと第２の複屈折素子５における異常光線の分離方向の相違から、第２の複屈折素子５の素子表面法線厚t2は前記t1の１／（√２）倍である約141μｍに設定する。このt2分の厚みを有する第２の複屈折素子５を常光線が透過したときの、第２の複屈折板素子５の素子表面法線からの常光線のシフト量So2は、数１５で表される。
【０１０３】
【数１５】
0004714811.tif 000016
【０１０４】
なお、常光線の光線方向と前記素子表面法線とのなす角度は前記数３で表されるθoと同一である。更に、前記素子表面法線に対する光の入射角度は前記αと同一の5.5度に設定する。
【０１０５】
又、t2分の厚みを有する第２の複屈折素子５を異常光線が透過したときの、前記素子表面法線からの異常光線の分離幅Se2は、
【０１０６】
【数１６】
0004714811.tif 000017
【０１０７】
と表される。なお、異常光線の光線方向と前記素子表面法線とのなす角度は前記数５で表されるθe1と同一である。更に、異常光線と、その異常光線が入射する第２の複屈折素子５の結晶軸とのなす角度は前記数６で表されるθecと同一である。第２の複屈折素子５の結晶軸と、異常光線波面法線方向とのなす角度は前記数７で表されるθrと同一であり、係数a、b、cもそれぞれ前記数８、数９、数１０と同一に表されるため、記載は省略する。
【０１０８】
まず第２の複屈折素子５を、第１の複屈折素子４と同一の結晶軸方向で配置した場合を考慮するために、第２の複屈折素子の素子表面法線と結晶軸との角度（結晶軸X32方向）を前記θ1と同一の47.8度に設定する。従って、第２の複屈折素子５の、入射光光線方向に対する常光線と異常光線の分離幅の合計Soe2は、
【０１０９】
【数１７】
0004714811.tif 000018
【０１１０】
と表され、上記各パラメータ数値を代入して計算すると、Soe2：14.184μｍと導き出される。
【０１１１】
更に、異常光線波面法線方向と前記素子表面法線方向とのなす角度は、前記数１２で表されるθed1と同一である。従って、第２の複屈折素子５によって発生する常光線と異常光線の光路長差d2は、
【０１１２】
【数１８】
0004714811.tif 000019
【０１１３】
と表される。数１８に上記各パラメータ数値を代入して計算すると、d2：19.762μｍと導き出される。更に、この光路長差d2によって生ずる偏波分散PMD2は、
【０１１４】
【数１９】
0004714811.tif 000020
【０１１５】
と表され、PMD2：0.066ｐｓが導き出される。
【０１１６】
前記のように、第２の複屈折素子５の素子表面法線厚t2は、前記t1の１／（√２）倍に設定するので、第２の複屈折素子５の目標分離幅Soe2Tは、
【０１１７】
【数２０】
0004714811.tif 000021
【０１１８】
と表され、Soe1：20.119μｍより、Soe2T：14.226μｍと導き出される。従って、目標分離幅Soe2Tと前記Soe2との差分（第１の複屈折素子４との分離幅差）S1は0.042μｍと導き出される。
【０１１９】
更に、第１の複屈折素子４で発生する偏波分散PMD1と、第２の複屈折素子５で発生する偏波分散PMD2との、偏波分散差PMD0は、
【０１２０】
【数２１】
0004714811.tif 000022
【０１２１】
と表され、PMD0：0.028ｐｓと導き出される。
【０１２２】
以上から、第２の複屈折素子５の結晶軸方向補正及び素子表面法線方向厚補正を行わない場合には、分離幅差0.042μｍ、偏波分散差0.028ｐｓが発生する。よって、第２の複屈折素子５のPMD2を0.028ｐｓ遅らせて0.094ps付近とし、且つ、分離幅が14.23μmとなるように、複屈折素子５の素子表面法線方向に対する結晶軸方向と素子表面法線方向厚を求めれば良いことが分かる。
【０１２３】
次に、第２の複屈折素子５の結晶軸方向補正と素子表面法線方向厚補正により、第１の複屈折素子４で発生する光11と光12間のPMDとPDLを所望の数値レベルまで低減化する課程を記述する。結晶軸方向補正と素子表面法線方向厚補正とが施された第２の複屈折素子５における異常光線の実効屈折率nne1nは、数２２で表される。
【０１２４】
【数２２】
0004714811.tif 000023
【０１２５】
但し、noは常光線屈折率、neは異常光線屈折率をそれぞれ表し、数１からも分かるようにnne1nは、第２の複屈折素子５の結晶軸と異常光線波面法線方向とのなす角度θrnに依存する。前記第２の複屈折素子５の素子表面法線厚t2を可変させるので、新たに変数tmで表し、tmは初期値145μｍから終了値165μｍまで整数単位で可変可能とする。この様なtm分の厚みを有する第２の複屈折素子５を常光線が透過したときの、第２の複屈折板素子５の素子表面法線からの常光線の分離幅So1mは、数２３で表される。
【０１２６】
【数２３】
0004714811.tif 000024
【０１２７】
なお、常光線の光線方向と前記素子表面法線とのなす角度は前記数３で表されるθoと同一である。更に、前記素子表面法線に対する光の入射角度は前記αと同一の5.5度に設定する。
【０１２８】
又、tm分の厚みを有する第２の複屈折素子５を異常光線が透過したときの、前記素子表面法線からの異常光線の分離幅Se1(m, n)は、
【０１２９】
【数２４】
0004714811.tif 000025
【０１３０】
と表される。ここで、θe2nは異常光線の光線方向と前記素子表面法線とのなす角度であり、
【０１３１】
【数２５】
0004714811.tif 000026
【０１３２】
で表される。なお、θecnは異常光線と、第２の複屈折素子５の結晶軸とのなす角度であり、
【０１３３】
【数２６】
0004714811.tif 000027
と表される。θrnは、
【０１３４】
【数２７】
0004714811.tif 000028
と表される。なお、数２７中の係数an、bn、cnは、
【０１３５】
【数２８】
0004714811.tif 000029
【０１３６】
【数２９】
0004714811.tif 000030
【０１３７】
【数３０】
0004714811.tif 000031
【０１３８】
と表される。θnは第２の複屈折素子５の素子表面法線と結晶軸との角度変数であり（図１、図２、図４の結晶軸X32方向に該当）、θnは初期値58.5度から終了値60.5度まで0.1度単位で可変可能とする。従って、第２の複屈折素子５の、入射光光線方向に対する常光線と異常光線の分離幅の合計Soe2(m, n)は、
【０１３９】
【数３１】
0004714811.tif 000032
【０１４０】
と表される。従って、第２の複屈折素子５び目標分離幅Soe2TとSoe2(m, n)との差分（第１の複屈折素子４との分離幅差）ST(m, n)は、
【０１４１】
【数３２】
0004714811.tif 000033
【０１４２】
と表される。
【０１４３】
更に、異常光線波面法線方向と前記素子表面法線方向とのなす角度θed1nは、
【０１４４】
【数３３】
0004714811.tif 000034
【０１４５】
と表される。従って、第２の複屈折素子５によって発生する常光線と異常光線の光路長差d2(m, n)は、
【０１４６】
【数３４】
0004714811.tif 000035
【０１４７】
と表される。更に、この光路長差d2(m, n)によって生ずる偏波分散PMD2(m, n)は、
【０１４８】
【数３５】
0004714811.tif 000036
と表される。よって、第１の複屈折素子４で発生する偏波分散PMD1と、第２の複屈折素子５で発生する偏波分散PMD2(m, n)との、偏波分散差PMD0(m, n)は、
【０１４９】
【数３６】
0004714811.tif 000037
【０１５０】
と表される。
【０１５１】
数３２と数３６を用いて、第２の複屈折素子５の素子表面法線方向厚tmを可変させた場合の分離幅差ST(m, n)と偏波分散差PMD0(m, n)を求め、その結果の一部を表１に表す。但し、第２の複屈折素子５の素子表面法線方向に対する結晶軸角度θnは59度に統一した。
【０１５２】
【表１】
0004714811.tif 000038
【０１５３】
各複屈折素子４、５の各結晶軸X12、X22、X32方向や各素子表面法線方向厚t1、tm、及びそれらの組み合わせは多様に考えられるため、１パターンには限定されない。しかしながら、分離幅差ST(m, n)の低減化を優先させる場合には、結晶軸X12、X22方向を前記47.8度に設定すると共に、表１より、θn（結晶軸X32方向）を59度、素子表面法線方向厚tmを157μmに設定するのが望ましいことが分かる。θn：59度、素子表面法線方向厚tm：157μmの組み合わせとすることにより、分離幅差ST(m, n)を最小値の約0.004μｍ、偏波分散差PMD0(m, n)を約0.006ｐｓまで低減化することが出来る。なお、分離幅差ST(m, n)及び偏波分散差PMD0(m, n)の値の大小判断は絶対値で行う。
【０１５４】
往復路型の光路を有する光アイソレータ１の場合は、第１及び第２の複屈折素子４、５に光が往路・復路の２回透過するので、最悪でも分離幅差ST(m, n)は約0.008μｍ、偏波分散差PMD0(m, n)は約0.012ｐｓとなる。しかしながら、前記θnを59度、素子表面法線方向厚tmを157μｍに設定することにより、第１の複屈折素子４で生じた常光線と異常光線との間の分離幅差Soe1と偏波分散PMD1を、実用上所望される数値レベル（分離幅差ST(m, n)＜0.5μｍ、偏波分散差PMD0(m, n)＜0.05ｐｓ）の範囲内まで低減可能な第２の複屈折素子５を形成することが可能となる。従って、第１複屈折板4aで発生した光11と光12間のPMDとPDLは、レンズ７に入射される前に第２の複屈折素子５を透過することによって所望の数値レベルまで低減化される。
【０１５５】
同様に、全反射膜８で全反射された光は、第２の複屈折素子５と第２複屈折板4bとを透過することによって、光11と光12間のPMDとPDLは、光ファイバ３に入射される前までに、所望の数値レベルまで低減化される。これは、往路の光路で発生したPMDとPDLは往路の光路において低減化され、復路の光路で発生したPMDとPDLは復路の光路において低減化されることを示す。反射による往復路型光路を有する光アイソレータでは、同じ光学素子を２回、光が透過するため、前記光アイソレータから出射する光に、１つの光学素子で発生するPMDやPDLは２倍になって作用を及ぼす。しかしながら光アイソレータ１では、往路の光路で発生したPMDやPDLは、全反射膜８で全反射される前に低減化されるため、そのPMDやPDLが復路の光路に深刻な作用を及ぼすことが防止できる。更に、復路の光路で発生するPMDやPDLも、結晶軸方向補正と素子法線方向厚補正の施された第２の複屈折素子５と、第２復屈折板4bとに光を透過させることによって低減化される。従って、光ファイバ２から出射された光が、光ファイバ３に入射される段階では、その入射光のPMDやPDLは所望の数値レベルまで低減化されている。
【０１５６】
本実施形態に係る光アイソレータ１は、その光アイソレ−タ機能を実現するために必須である光学素子のみで構成されているので、光路設計が単純化されると共に、光アイソレータ１の構造の簡略化、小型化、及び低価格化を実現することが可能となる。又、光アイソレ−タ機能を実現する上で必須の光学素子である、第２の複屈折素子５に、PDL及びPMDの低減化機能を持たせているため、同時に光アイソレータ１の特性を向上させることも可能となる。
【０１５７】
上記で、光アイソレータ１の分離幅差ST(m, n)が最小となるように優先して、第２の複屈折素子５のθnと素子表面法線方向厚tmを求めたが、第１及び第２の複屈折素子４と５を透過後のPMD0(m, n)が最小となるように優先した場合はまた別の解がある。分離幅差ST(m, n)は光アイソレータ１のPDL特性に直接影響を与えるが、伝搬光のビーム径を大きくすることにより軽減することが可能である。将来、光通信環境が40Gbps以上の高速通信になった場合、PMDが問題となるので、その場合はPMD0(m, n)が最小となるように優先した解で対応することが出来る。具体的には、第１の複屈折素子４の素子表面法線方向に対する結晶軸角度θ1（結晶軸X12、X22方向）を前記47.8度に設定すると共に、第２の複屈折素子５の結晶軸角度θn（結晶軸X32方向）を素子表面法線方向に対して59度、及び分離幅差ST(m, n)が0.5μｍ未満でPMD0(m, n)が最小となる、素子表面法線方向厚tm：152μmに設定することが望ましい。
【０１５８】
以上のように、第２の複屈折素子５にPDLとPMDの低減化機能を持たせる際に、PDLとPMDのどちらを優先した補正とするかは、第２の複屈折素子５の結晶軸角度θnと素子表面法線方向厚tmの数値を変更するだけで対応可能である。従って、光アイソレータ個々の用途や要求される特性に応じて、容易に変更可能であるため、光アイソレータの用途拡大を図ることが出来る。
【０１５９】
順方向においては２つの光路の光11、光12はレンズ７に入射する前に、２枚の複屈折素子４及び５を透過する。更に、第２の複屈折素子５の素子表面法線方向厚tmが157μｍと設定されていれば、光11及び光12の分離幅差ST(m, n)は第２の複屈折素子５から出射した時点（図２Ｄの時点）で最小値に抑えられる。光アイソレータ１のPDL特性に直接影響を与える分離幅差ST(m, n)が最小値に抑えられているので、光11及び光12を全反射膜８上のほぼ同一点で全反射させることが可能となる。
【０１６０】
更に前記の通り、第１複屈折板4aと第２の複屈折素子５を透過後の光11と光12の各偏波面の中心11c、12cの各位置が、全反射膜８上の一点f1から等距離（中心11cと一点f1間の距離と、中心12cと一点f1間の距離が等しい状態）になるように、結晶軸X11方向と結晶軸X31方向、及び素子表面法線方向厚t1とtm（＝t2）とを設定する。よって、レンズ７内部における一点f1までの光11と光12の光路長が等距離となる。従って、全反射膜８での全反射に伴う、レンズ７内部での光11と光12との光路長差をほぼ皆無にすることが可能となる。
【０１６１】
以上、第２の複屈折素子５の結晶軸角度θnと素子表面法線方向厚tmの数値変更による分離幅差ST(m, n)の最小値化と、結晶軸X11方向と結晶軸X31方向及び素子表面法線方向厚t1とtm（＝t2）の設定による、各偏波面の中心11c、12cの位置と一点f1までの距離の均等化によって、レンズ７内部での往復路型光路における光11と光12間に発生するPDLを所望の数値レベルまで低減化することが出来る。又、レンズ７にGRINレンズを使用すると共に、そのレンズ端面に全反射部材として全反射膜８を一体形成しているので、点対称の反射による往復路型光路の設計が容易に行えると共に、光アイソレータ１の光路方向（Ｚ軸方向）の寸法をより短小化することが可能となる。
【０１６２】
更に、前記の通り、光ファイバ２、３の光入出射端部を斜めに形成することにより、光学素子を伝搬光光路に対して斜めに配置、もしくは前記光学素子を楔形状に加工しなくとも、光学素子の光入出射面から光ファイバ２、３への反射戻り光を防止することが可能となる。
【０１６３】
なお、第１の複屈折素子４の素子表面法線方向厚t1は、少なくとも105μｍを超過する値に設定されなければならない。その理由は、光ファイバ２から入射された光が、第１複屈折板4aで常光線と異常光線とに分離される際、その分離幅Soe1は第１複屈折板4aの素子表面法線方向厚t1の約10分の１であり、更に、第１複屈折板4aに入射される光を完全に常光線と異常光線とに分離するためには、光ファイバ２のモードフィールド径（MFD）も考慮しなければならない。シングルモード光ファイバの場合コア径の値はおよそ10.5μｍであり、更にこの10.5μｍという数値は、種々の光ファイバの中でも最小値の部類なので、あらゆる種類の光ファイバからの入射光を完全に常光線と異常光線とに分離させることを考慮すると、素子表面法線方向厚t1の値は105μｍを超過させる必要がある。
【０１６４】
なお、光アイソレータ１及び光アイソレータ１を備えた光学装置はその技術思想に基づいて種々変更可能であり、例えば第１及び第２の複屈折素子４、５の各結晶軸X11、X12、X21、X22、X31、X32方向や、素子表面法線方向厚t1、t2（＝tm）などは要求される特性に応じて種々変更可能であることは云うまでもなく、図１〜図４に示した１パターンに限定されるものではない。例えば、結晶軸X11方向及び結晶軸X21方向の変更に関しては、図７に示すように水平方向を０度として、結晶軸X11方向を０度から45度傾くように設定すると共に、結晶軸X21方向を結晶軸X11方向に対して90度異ならせるというパターンに変更しても良い。図７の場合、光アイソレータ機能を得るために、ファラデー回転子６の回転方向も第１の複屈折素子４の結晶軸X11、X21方向の変更に合わせて、右回りに変更する必要がある。
【０１６５】
又、光ファイバ２、３をコア拡大光ファイバに変更しても良い。コア拡大光ファイバを用いることにより、光ファイバ２と３との間の軸ずれに伴う損失を抑制出来るため、光アイソレータ１に対する光ファイバ２、３配置の際の、水平方向（Ｘ軸方向）と垂直方向（Ｙ軸方向）のトレランスを緩和させることが可能となる。
【０１６６】
又、光ファイバ２、３に、許容曲げ半径 が15mm以下に設定された光ファイバを使用することにより、光ファイバの曲げ損失を低減することが可能となる。従って、光ファイバ２、３をコンパクトに巻いて増幅器内部における光ファイバの引き回し面積を減少させ、増幅器の小型化に寄与することが可能となる。更に、レンズ７はGRINレンズを例に取り説明したが、非球面レンズを代わりに用いても良い。
【０１６７】
＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態について図８〜図１０を参照しながら説明する。図８は本発明の光アイソレータの第２の実施形態を示す概略斜視図であり、図９は図８の光アイソレータと複数の光ファイバとを光結合させた光学装置に、順方向に光が伝搬するときの光路を示した側面図であり、図１０は前記光学装置に逆方向に光が伝搬するときの光路を示した側面図である。なお、第１の実施形態で説明した光アイソレータ１及び光学装置と同一箇所には同一番号を付し、重複する箇所の説明は省略もしくは簡略化して記述する。
【０１６８】
図８〜図１０に示す通り、光アイソレータ1'は、第１の複屈折素子４及び第２の複屈折素子5'（共にルチル結晶）、ファラデー回転子６、ファラデー回転子６を磁気飽和させるための図示しないマグネット、レンズ７、及び全反射膜８とから構成される。
【０１６９】
第１の複屈折素子４は図８に示すように二枚の複屈折板（第１複屈折板4a、第２複屈折板4b）から構成されており、順方向における光の入射側（光ファイバ２からの光の出射方向）から見たときのそれぞれの結晶軸X11'、X21'方向が、互いに180度異なるように配置されている。前記光の入射側から見たときの、第１複屈折板4aの結晶軸X11'方向は、Ｘ軸に平行である水平方向を０度として、その０度から90度傾くように設定されている。従って、第２複屈折板4bの結晶軸X21'方向は前記90度から180度異なるように、やはり前記０度から90度傾くように設定される。
【０１７０】
ファラデー回転子６の入射光偏波面の回転方向は、ファラデー回転子６を透過して第２の複屈折素子5'へと伝搬される光の入射側、即ち光ファイバ２側からＺ軸に沿って見たときに右回り（時計回り）となるように設定されている。
【０１７１】
図１において、ファラデー回転子６を挟んで、第１複屈折板4aと面対向に配置されている第２の複屈折素子5'も、図８に示すように二枚の複屈折板（第３複屈折板5a、第４複屈折板5b）から構成されており、順方向における光の入射側（光ファイバ２からの光の出射方向）から見たときのそれぞれの結晶軸X31'、X41方向が、互いに90度異なるように配置されている。前記光の入射側（光ファイバ２からの光の出射方向）から見たときの、第３複屈折板5aの結晶軸X31'方向は、Ｘ軸に平行である水平方向を０度として、その０度から135度傾くように設定されている。従って、第４複屈折板5bの結晶軸X41方向は前記135度から90度異なるように、前記０度から45度傾くように設定される。
【０１７２】
更に、光の入射側から見たときの前記結晶軸X31'、X41方向は、前記結晶軸X11'、X21'方向に対して45度異なるように設定されている。
【０１７３】
第１複屈折板4aと第２複屈折板4b、及び第３複屈折板5aと第４複屈折板5bとを互いに接着固定するときは、その境界が光ファイバ２、３の間に来るように配置する。更に、順方向の往路光路において、光ファイバ２から出射される光が、第１及び第３複屈折板4a、5aのみを透過し、光ファイバ３に入出射される光は第２及び第４複屈折板4b、5bのみを透過する様に、光ファイバ２、３によって入出射される光の拡がりを考慮して前記境界の位置決めを行うものとする。
【０１７４】
次に、光アイソレータ1'及び光学装置の動作を以下に説明する。図１１は光アイソレータ1'における順方向の光の偏光状態を示す図であり、図１２は光アイソレータ1'における逆方向の光の偏光状態を示す図である。図１１中の（Ａ）〜（Ｈ）は、それぞれ図９における破線Ａ〜Ｈで示した各断面における光の偏波面を表わし、図１２中の（Ａ）〜（Ｈ）は、それぞれ図１０における破線Ａ〜Ｈで示した各断面における光の偏波面を表わす。なお光の偏光状態は、光ファイバ２及び３側からＺ軸に沿って見た伝搬光の偏波面を示すものとする。又、偏波面の回転は時計回りを右回り、反時計回りを左回りと記述する。レンズ７内での光の振る舞いは、伝搬光の中心の振る舞いを模式的に描写したものである。
【０１７５】
なお本実施形態でも、光ファイバ２又は３から出射され全反射膜８で全反射されるまでの光路を「往路」、一方、全反射膜８で全反射され光ファイバ３又は２に入射されるまでの光路を「復路」と定義し、これら光路を総称して「往復路型の光路」と記す。又、光ファイバ２から出射されて光ファイバ３へ入射される一連の光路を「順方向の光路」、一方、光ファイバ３から出射されて光ファイバ２へ入射される一連の光路を「逆方向の光路」と定義する。
【０１７６】
まず、順方向の光路から説明する。最初に、光ファイバ２から第１複屈折板4aに無偏光状態の光(図１１(Ａ))が入射される。その光の偏波面のうち、結晶軸X11'に平行な偏波面である光16は異常光線となり、光16の光路は図９に示すように斜め下側方向にシフトされる(図１１(Ｂ))。一方、光15の偏波面は結晶軸X11'に対し非平行なのでシフトされず常光線として直進する。従って、前記無偏光状態の光は、第１複屈折板4aで光15と光16とに分離され異なる光路を伝搬する。ファラデー回転子６の回転方向は、前記の通り右回りに設定されているので、ファラデー回転子６に入射された光15と光16の各偏波面は、右回りに約45度回転される(図１１(Ｃ))。
【０１７７】
その後、光15と光16は第３複屈折板5aに入射される。前述の通り結晶軸X31'方向は、結晶軸X11'方向に対して45度異なるように設定されており、この45度の相対角度差はファラデー回転子６の回転角と同一値でもある。従って、ファラデー回転子６で右回りに回転された光15の偏波面と結晶軸X31'方向とが平行になる。よって、図１１(Ｃ)で示す偏波面の光15、光16が第３複屈折板5aに入射すると、第１複屈折板4aを常光線で透過した光15が今度は異常光線となるので、図９に示すように斜め下側方向へとシフトする(図１１(Ｄ))。一方、第１複屈折板4aを異常光線で透過した光16の偏波面は、結晶軸X31'に対し非平行なのでシフトされず、常光線として直進する。
【０１７８】
以上のように、光15と光16とが、第１複屈折板4aと第３複屈折板5aとを透過するときに、必ず常光線と異常光線の両方の偏光状態をとるように結晶軸X11'方向と結晶軸X31'方向、及び第１の複屈折素子４の素子表面法線方向厚t1と第２の複屈折素子5'の素子表面法線方向厚t2とを設定する。且つ、順方向において、異常光線を図９に示すように共に斜め下側方向にシフトさせることも考慮して結晶軸X11'方向と結晶軸X31'方向とを設定することにより、第１複屈折板4aと第３複屈折板5aを透過後の光15と光16の各偏波面の中心15c、16cの位置を、全反射膜８上の一点f1から等距離（中心15cと一点f1間の距離と、中心16cと一点f1間の距離とが等しい状態）に設定することが可能となる。第３複屈折板5aを透過した光15、光16は、次にレンズ７に入射される。
【０１７９】
レンズ７内部に入射した光15と光16は、徐々に全反射膜８の面上の一点f1へと収束されていき、一点f1で一致されて点対称に全反射される。前記のように中心15cと一点f1間の距離と、中心16cと一点f1間の距離とが等しくなるように結晶軸X11'方向と結晶軸X31'方向、及び第１の複屈折素子４の素子表面法線方向厚t1と第２の複屈折素子5'の素子表面法線方向厚t2とを設定しているので、全反射後の中心15cと一点f1間の距離と、中心16cと一点f1間の距離とも等しくなる。全反射されてレンズ７から出射した光15、光16(図１１(Ｅ))は、第４複屈折板5bに入射される。往路の光路と異なり、第４複屈折板5b内部では、光16の偏波面が結晶軸X41方向と平行になるので光16が異常光線となり、図２に示すように斜め下側方向へとシフトされる(図１１(Ｆ))。一方の光15の偏波面は結晶軸X41方向に対して非平行なので、シフトされず常光線として直進して行く。
【０１８０】
次に、再度ファラデー回転子６に入射された光15と光16の各偏波面は、右回りに約45度回転される(図１１(Ｇ))。光15と光16は往復路型光路で計２回ファラデー回転子６を透過するので、各偏波面は、第１複屈折板4aからの出射時の偏光状態(図１１(Ｂ))と比べて合計90度右に回転される事となる。この偏光状態で光15と光16は第１の複屈折素子４の第２複屈折板4bに入射される。
【０１８１】
前述のように、第２複屈折板4bの結晶軸X21'方向は、第１複屈折板4aの結晶軸X11'方向に対して180度異なるように配置されており、又、復路の光路においてファラデー回転子６を透過後の光15と光16の各偏波面は、第１複屈折板4aからの出射時の偏光状態(図１１(Ｂ))と比べて、合計90度右に回転されている。従って、往路の光路において第１複屈折板4a透過時に常光線であった光15が、復路の光路では異常光線となるので、図９に示すように第２複屈折板4bに入射して斜め下側方向へとシフトされる(図１１(Ｈ))。一方、光16は第２複屈折板4b内部では常光線なので、第２複屈折板4b内部を直進する。
即ち、全反射膜８で全反射された後に第４複屈折板5bを常光線で透過した光15は異常光線で透過されると共に、全反射膜８で全反射された後に第４複屈折板5bを異常光線で透過した光16は常光線で透過されることになる。シフトされることによって光15と光16は第２複屈折板4bを透過したときにその光路が一致する。従って、常光線と異常光線とが一致された元の入射光の状態で、光ファイバ３に光が光結合される。
【０１８２】
次に、逆方向の光路を説明する。光ファイバ３から無偏光の光が入射されると(図１２(Ｈ))、入射光は第２複屈折板4bで、常光線である光18と異常光線である光17とに分離されて、光17が図１０に示すように斜め上側方向へとシフトされ(図１２(Ｇ))、光17と光18は異なった光路を伝搬する。更に、ファラデー回転子６を透過するときに各偏波面は右回りに約45度回転され(図１２(Ｆ))、その後第４複屈折板5bに入射される。第４複屈折板5b内部では光17の偏波面が結晶軸X41方向と平行になるので異常光線となり、更に図１０に示すように斜め上側方向へとシフトされていく(図１２(Ｅ))。
【０１８３】
次に、光17と光18はレンズ７に入射され、徐々に全反射膜８の面上の一点f1へと収束されていき、一点f1で一致されて点対称に全反射され、レンズ７から第３複屈折板5aに入射される(図１２(Ｄ))。第３複屈折板5aに入射した光18は異常光線として伝搬するので、図１０に示すように斜め上側方向へとシフトされ(図１２(Ｃ))、再度ファラデー回転子６に入射される。
【０１８４】
ファラデー回転子６に入射された光17と光18の各偏波面は、右回りに更に約45度回転される(図１２(Ｂ))。従って、ファラデー回転子６から２度目に出射されたときの光17と光18の各偏波面(図１２(Ｂ))は、第２複屈折板4b出射時の各偏波面(図１２(Ｇ))と比べて右回りに90度回転される偏光状態となる。この偏光状態で光17と光18は第１の複屈折素子４の第１複屈折板4aに入射される。
【０１８５】
前述のように、第１複屈折板4aの結晶軸X11'方向は、第２複屈折板4bの結晶軸X21'方向に対して180度異なるように配置されており、又、復路の光路においてファラデー回転子６透過後の光17と光18の各偏波面は、第２複屈折板4bからの出射時の偏光状態(図１２(Ｇ))と比べて合計90度左右に回転されている。従って、往路の光路において第２複屈折板4b透過時に常光線であった光18が、復路の光路では異常光線となり、図１０に示すように斜め上側方向へと更にシフトされる(図１２(Ａ))。一方、光17は第１複屈折板4a内部では常光線なので、第１複屈折板4a内部を直進する。従って、光17と光18の光路は互いにずれて一致せず、光ファイバ２にはどちらも入射しない。
【０１８６】
以上のように、光ファイバ２から入射した光は光ファイバ３に光結合するが、光ファイバ３から入射した光は光ファイバ２には光結合しないという光アイソレータ機能を光アイソレータ1'は得ることが出来る。この光アイソレータ機能を実現するためには、第１及び第２の複屈折素子４と5'とは相反素子である必要がある。更に、ファラデー回転子６は非相反素子である必要がある。
【０１８７】
第１、第３複屈折板4a、5a、及び、第２、第４複屈折板4b、5bの、各屈折率の違いに基づく、光15と光16のPMDとPDLの低減化には、前記数３２と数３６を用いて前記分離幅差ST(m, n)及び前記PMD0(m, n)のどちらかが最小となるように優先した解を求めれば良いが、解の決定に際しては実用上所望される数値レベル（分離幅差ST(m, n)＜0.5μｍ、偏波分散差PMD0(m, n)＜0.05ｐｓ）を満たすこととする。
【０１８８】
なお、前記結晶軸X11'、X21'方向が前記結晶軸X11、X21方向から変更になったことと、前記結晶軸X31方向が前記結晶軸X31'、X41方向に変更になったことに伴い、第２の複屈折素子5'には前記数１〜数１４とその技術思想を適用し、第１の複屈折素子４には前記数１５〜数３６とその技術思想を適用することとする。まず第３、第４複屈折板5a、5bの素子表面法線方向厚t2（200μｍ）と各結晶軸X32'、X42方向（47.8度）を定めてから、補正により結晶軸X12、X22'方向と前記素子表面法線方向厚t1との最適解を求めれば良い。
【０１８９】
更に前記の通り、第１複屈折板4aと第３複屈折板5aを透過後の光15と光16の各偏波面の中心15c、16cの各位置が、全反射膜８上の一点f1から等距離（中心15cと一点f1間の距離と、中心16cと一点f1間の距離が等しい状態）になるように、結晶軸X11'方向と結晶軸X31'方向、及び素子表面法線方向厚t1とtm（＝t2）とを設定している。よって、レンズ７内部における一点f1までの光15と光16の光路長が等距離となる。従って、全反射膜８での全反射に伴う、レンズ７内部での光15と光16との光路長差をほぼ皆無にすることが可能となる。
【０１９０】
以上、第１の複屈折素子４の結晶軸X12、X22'方向と素子表面法線方向厚t1の数値変更による分離幅差ST(m, n)の最小値化と、結晶軸X11'方向と結晶軸X31'方向、及び素子表面法線方向厚t1とtm（＝t2）の設定による、各偏波面の中心15c、16cの位置と一点f1までの距離の均等化によって、レンズ７内部での往復路型光路における光15と光16間に発生するPDLを所望の数値レベルまで低減化することが出来る。
【０１９１】
なお、光アイソレータ1'及びその光アイソレータ1'を備えた光学装置が、光アイソレータ1及びその光アイソレータ1を備えた光学装置と同様の、機能的作用と効果を有することは云うまでもないので、記載は省略する。更に、第１の実施形態で考慮されていた技術的思想に基づく変更が、光アイソレータ1'及びその光アイソレータ1'を備えた光学装置にも適用可能であることも当然である。
【産業上の利用可能性】
【０１９２】
本発明の光アイソレータを増幅器に利用することにより、半導体レーザ光源への反射戻り光を防止することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【０１９３】
【図１】本発明の光アイソレータの第１の実施形態を示す概略斜視図。
【図２】図１の光アイソレータと複数の光ファイバとを光結合させた光学装置に、順方向に光が伝搬するときの光路を示した側面図。
【図３】図１の光アイソレータの構成部品である第１の複屈折素子を光ファイバ側から見たときの平面図。
【図４】光学装置に逆方向に光が伝搬するときの光路を示した側面図。
【図５】図１の光アイソレータにおける順方向の光の偏光状態を示す図。
【図６】図１の光アイソレータにおける逆方向の光の偏光状態を示す図。
【図７】図１の光アイソレータの変更例を示す概略斜視図。
【図８】本発明の光アイソレータの第２の実施形態を示す概略斜視図。
【図９】図８の光アイソレータと複数の光ファイバとを光結合させた光学装置に、順方向に光が伝搬するときの光路を示した側面図。
【図１０】光学装置に逆方向に光が伝搬するときの光路を示した側面図。
【図１１】図８の光アイソレータにおける順方向の光の偏光状態を示す図。
【図１２】図８の光アイソレータにおける逆方向の光の偏光状態を示す図。
【図１３】従来のインライン型の光アイソレータに順方向の光が透過した場合の偏光状態及び光路の変化を説明した側面図。
【図１４】図１３の光アイソレータに逆方向の光が透過した場合の偏光状態及び光路の変化を説明した図。
【図１５】レンズ前段に複数の複屈折素子を配置する光アイソレータ機能を有する従来の光学素子複合モジュールの動作を説明するための側面図。
【符号の説明】
【０１９４】
１、1'        光アイソレータ
２、３       光ファイバ
４           第１の複屈折素子
4a           第１複屈折板
4b           第２複屈折板
５、5'        第２の複屈折素子
5a           第３複屈折板
5b           第４複屈折板
６           ファラデー回転子
７           レンズ
８           全反射膜
11〜18      光
【図１】
0004714811.tif 000039
【図２】
0004714811.tif 000040
【図３】
0004714811.tif 000041
【図４】
0004714811.tif 000042
【図５】
0004714811.tif 000043
【図６】
0004714811.tif 000044
【図７】
0004714811.tif 000045
【図８】
0004714811.tif 000046
【図９】
0004714811.tif 000047
【図１０】
0004714811.tif 000048
【図１１】
0004714811.tif 000049
【図１２】
0004714811.tif 000050
【図１３】
0004714811.tif 000051
【図１４】
0004714811.tif 000052
【図１５】
0004714811.tif 000053