(57)【要約】【課題】装置全体の小型化、組み立て・調整工数を低減可能な４ポート型光サーキュレータを提供する。【解決手段】偏光分離合成機能を有する第１の複屈折素子３と、光路シフト機能を有する第２の複屈折素子７と、偏光分離合成機能を有する第３の複屈折素子１１が間隔を開けて一列に配列され、これ等複屈折素子間に４５度ファラデー回転子４、１０と１／２波長板５、６、８、９の組が挿入されると共に、両端に一対の入出射部１、２、１２、１３がそれぞれ設けられた４ポート型光サーキュレータであって、１個のフェルールに１本のファイバが収められた単芯フェルールとレンズとで構成される単芯ファイバコリメータを２組用いて両端側の各入出射部がそれぞれ形成されていることを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
偏光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、偏光分離合成機能を有する第３の複屈折素子が間隔を開けて一列に配列され、これ等複屈折素子間に４５度ファラデー回転子と１／２波長板の組がそれぞれ挿入されていると共に、両端にそれぞれ一対の入出射部が設けられた４ポート型光サーキュレータにおいて、
１個のフェルールに１本のファイバが収められた単芯フェルールとレンズとで構成される単芯ファイバコリメータを２組用いて両端側の各入出射部がそれぞれ形成されていることを特徴とする光サーキュレータ。
【請求項２】
各ファイバからのビームを互いに平行に伝播するように予め調整された２組の単芯ファイバコリメータが単一ホルダに収容されていることを特徴とする請求項１記載の光サーキュレータ。
【請求項３】
第１の複屈折素子と第３の複屈折素子の上記入出射部側における各光学面が、光軸に対して斜めに形成された傾斜光学面になっていることを特徴とする請求項１または２記載の光サーキュレータ。
【請求項４】
上記各４５度ファラデー回転子が、外部磁場がなくても磁気的に飽和した状態が維持されるＢｉ置換希土類鉄ガーネット材料により構成されていることを特徴とする請求項１、２または３記載の光サーキュレータ。
【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に用いられる光サーキュレータに係り、特にデバイスの小型化、部品点数の削減、組立・調整の工数の削減等が図れる４ポート型光サーキュレータの改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−２６４９５４号公報（請求項１〜３、図４）
【０００４】
光サーキュレータとは、ポート丸１からの入射光をポート丸２へ出射し、ポート丸２からの入射光をポート丸３に出射し、ポート丸３からの入射光をポート丸４へ出射するというように、あるポートからの光を他の特定のポートにのみ出射する光分離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偏光面を４５度回転させる４５度ファラデー回転子を用い、光線の非相反性を実現している。
【０００５】
ところで、この種の光サーキュレータとしては、従来、様々なものが提案されており、例えば、図５〜図６に示すように間隔を開けて一列に配列された偏光分離合成機能を有する第１の複屈折素子（Ｌ１）３、光路シフト機能を有する第２の複屈折素子（Ｌ２）７および偏光分離合成機能を有する第３の複屈折素子（Ｌ３）１１と、これ等複屈折素子間にそれぞれ挿入された４５度ファラデー回転子（ＦＲ）４、１０並びに１／２波長板（ＨＷＰ）５、６、８、９の組と、両端にそれぞれ設けられた入出射部とでその主要部が構成されるものが知られている。
【０００６】
また、４ポート型光サーキュレータにおける従来の各入出射部としては、図６に示すように１個のフェルール２０に２本のファイバ２１、２２が収められた２芯フェルール２３とレンズ２４とで構成される２芯ファイバコリメータ２５、２６を用いて形成されていた。
【０００７】
そして、上記２芯ファイバコリメータ２５、２６から２本のコリメートされたビームはある角度で出射するため、図５〜図６に示すように光路補正のための楔形プリズム１５、１７が必要となる。尚、図５においては、２芯フェルールとレンズをまとめて２芯ファイバコリメータ２５、２６の形で示している。
【０００８】
ところで、上記２芯フェルール２３を使用する場合、レンズ２４を透過してコリメートされたビームを光軸に平行に伝播させるため上述したような光路補正用の楔形プリズム１５、１７が必要になる。また、この楔形プリズム１５、１７の頂角はレンズ２４を透過してくる２本のビームのなす角度（クロス角）から決定される。従って、デバイスに組込む上記２芯ファイバコリメータのクロス角が部品ごとばらついていると、出力ポートから出射した光が２個の楔形プリズム１５、１７を透過した後において入力ポートに結合する効率が低下してしまう問題があった。
【０００９】
以下、図７（Ａ）（Ｂ）を用いてこの問題を詳細に説明する。尚、見通しを良くするために２個の楔形プリズムの間での光の経路のみを考え、複屈折素子によるビームのシフト、偏光面の回転の影響はここでは考えないことにする。
【００１０】
まず、図７（Ａ）（Ｂ）においてαを出射側のビームのクロス角、Ａをプリズムの頂角、Ｓ１をプリズム１個を透過したときの出射角、Ｓ２を同じプリズム２個を通過した後のクロス角、ｎをプリズムの屈折率とすると、以下の数式（１）の関係が成り立つ。
【００１１】
ｓｉｎ  Ｓ１  ＝  ｎ・ｓｉｎ  ［  Ａ  −  ａｒｃｓｉｎ  （α／ｎ）］        （１）
ここで、Ｓ１、Ａ、α  ≪  １とすれば、上記数式（１）から数式（２）が導かれる。
【００１２】
Ｓ１  ≒  ｎ・（  Ａ  −  α／ｎ  ）                        （２）
また、１個のプリズムを透過した２本のビームが平行になるのは、Ｓ１  ＝  Ａのときであるから、
Ａ  ≒  α／（  ｎ  −  １）                              （３）
Ｓ２  ≒  ２・（  ｎ  −  １）・Ａ  −  α                  （４）
の関係が成り立つ。
【００１３】
そして、これ等数式（３）（４）より、プリズム２個を通過した後のクロス角が入射側のクロス角に等しいとき、挿入損失が最小になることが分かる。
【００１４】
ここで、２芯フェルールを使用したときのビームのクロス角αは、レンズの焦点距離をｆ、２芯フェルールにおけるファイバのコアの間隔をＤとした場合、
ｔａｎα＝Ｄ／（２・ｆ）となり一義的に決まってしまう。
【００１５】
そして、部品の寸法や調整精度の不足により出射側のクロス角αにばらつきが生じる（すなわち、デバイスに組込む２芯ファイバコリメータのクロス角が部品ごとばらついている）と、２個のプリズムを透過してきた光のクロス角Ｓ２にもばらつきが生じて挿入損失が大きくなることが分かる。
【００１６】
この場合、上記クロス角のばらつきを小さくするには２芯ファイバコリメータを構成する２芯フェルールとレンズを精密に調整することを要し、組み立て・調整に多大な時間が必要となることから、その分、光サーキュレータの製造効率を上げることが困難になる問題点があった。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこの様な問題点に着目してなされたもので、その課題とするところは、デバイスの小型化、部品点数の削減、組立・調整の工数の削減等が図れる４ポート型光サーキュレータを提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
すなわち、請求項１に係る発明は、
偏光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、偏光分離合成機能を有する第３の複屈折素子が間隔を開けて一列に配列され、これ等複屈折素子間に４５度ファラデー回転子と１／２波長板の組がそれぞれ挿入されていると共に、両端にそれぞれ一対の入出射部が設けられた４ポート型光サーキュレータを前提とし、
１個のフェルールに１本のファイバが収められた単芯フェルールとレンズとで構成される単芯ファイバコリメータを２組用いて両端側の各入出射部がそれぞれ形成されていることを特徴とするものである。
【００１９】
また、請求項２に係る発明は、
請求項１記載の発明に係る光サーキュレータを前提とし、
各ファイバからのビームを互いに平行に伝播するように予め調整された２組の単芯ファイバコリメータが単一ホルダに収容されていることを特徴とし、
請求項３に係る発明は、
請求項１または２記載の発明に係る光サーキュレータを前提とし、
第１の複屈折素子と第３の複屈折素子の上記入出射部側における各光学面が、光軸に対して斜めに形成された傾斜光学面になっていることを特徴とし、
請求項４に係る発明は、
請求項１、２または３記載の発明に係る光サーキュレータを前提とし、
上記各４５度ファラデー回転子が、外部磁場がなくても磁気的に飽和した状態が維持されるＢｉ置換希土類鉄ガーネット材料により構成されていることを特徴とするものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００２１】
尚、この実施の形態においては、光サーキュレータの組立て時における調整を簡便にできるようにするため、各ファイバからのビームが互いに平行に伝播するように予め調整された２組の単芯ファイバコリメータを単一ホルダに収容して固定したものが適用され、光サーキュレータの調芯作業はこのホルダを微調することにより行われている。
【００２２】
また、図１は本発明の実施の形態に係る４ポート型光サーキュレータの概略構成図、図２は２組の単芯ファイバコリメータが収容かつ固定された単一ホルダと傾斜光学面を有する第１の複屈折素子との位置関係を示す概略斜視図、図３〜図４は実施の形態に係る４ポート型光サーキュレータ本体部分の偏光状態の動作説明図である。また、図３〜図４におけるＨＷＰは１／２波長板、ＦＲ１、ＦＲ２はファラデー回転子を示し、また、図３〜図４におけるＦ軸は複屈折素子における進相（Ｆａｓｔ）軸、ｏ、ｅは複屈折素子中の常光、異常光の偏光方向をそれぞれ示している。
【００２３】
まず、本発明の実施の形態に係る４ポート型光サーキュレータ本体部分の構成について説明する。
【００２４】
図１に示すように第１の複屈折素子（Ｌ１）３と第２の複屈折素子（Ｌ２）７と第３の複屈折素子（Ｌ３）１１とを間隔を開けて一列に配置する。
【００２５】
そして、第１の複屈折素子３と第２の複屈折素子７の間に第１のファラデー回転子（ＦＲ１）４と第１の１／２波長板（ＨＷＰ）５、６の第１の組を挿入し、第２の複屈折素子７と第３の複屈折素子１１の間に第２の１／２波長板（ＨＷＰ）８、９の第２の組と第２のファラデー回転子（ＦＲ２）１０を挿入する。
【００２６】
ここで、各複屈折素子３、７、１１はルチルからなる。また、各複屈折素子３、１１における入出力ポート側の光学面は光軸に対して斜めに形成された傾斜光学面となっており、複屈折素子７両側の光学面は光軸に対して垂直で互いに平行な形状になっている。尚、各複屈折素子３、１１における入出力ポート側の光学面が傾斜光学面になっているため、図２に示すように複屈折素子３の光学面で反射したファイバからのビームが単芯ファイバコリメータ５１、５２側へ戻り難い構造になっている。また、各複屈折素子の光学軸は光軸との角度が４７．８度であり、第１の複屈折素子３と第２の複屈折素子７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７と第３の複屈折素子１１の光学軸も紙面内では垂直な関係にある。また、第１の複屈折素子３と第３の複屈折素子１１は偏光分離合成機能を有し、中央の第２の複屈折素子７は光路シフト機能を有している。
【００２７】
次に、第１の組の１／２波長板５におけるＦ軸は紙面内の水平軸に対して６７．５度、１／２波長板６におけるＦ軸は紙面内水平軸に対して−６７．５度の方位に設定してあり、第２の組の１／２波長板８におけるＦ軸は紙面内の水平軸に対して６７．５度、１／２波長板９におけるＦ軸は紙面内水平軸に対して−６７．５度の方位に設定してある。また、第１および第２のファラデー回転子４、１０は、図示外の永久磁石によって左側のポートからみて時計回りに４５度回転するように設定されている。尚、上記第１および第２のファラデー回転子４、１０については、外部磁場がなくても磁気的に飽和した状態が維持されるＢｉ置換希土類鉄ガーネット材料により構成し、上記永久磁石を省略する構造に変更してもよい。この場合、回転方向と回転角は同様に設定される。また、この様なＢｉ置換希土類鉄ガーネット材料としては、例えば、（Ｅｕ，Ｈｏ，Ｂｉ）３（Ｆｅ，Ｇａ）５Ｏ１２、（Ｔｂ，Ｂｉ）３（Ｆｅ，Ａｌ，Ｇａ）５Ｏ１２、（Ｈｏ，Ｔｂ，Ｂｉ）３（Ｆｅ，Ａｌ，Ｇａ）５Ｏ１２などが挙げられる。
【００２８】
このような光サーキュレータ本体部分の両端に、図１に示すようにそれぞれ入出射部１、２、１２、１３が位置する。実際には、入出射部１、２はコリメートされたビームの光軸が互いに平行になるように予め調整された２組の単芯ファイバコリメータが単一ホルダに組み込まれて配置されている。同様に、入出射部１２、１３もコリメートされたビームの光軸が互いに平行になるように予め調整された２組の単芯ファイバコリメータが単一ホルダに組み込まれて配置されている。
【００２９】
次に、図３〜図４を用いてこの実施の形態に係る光サーキュレータ本体部分の動作について説明する。尚、図３（Ｂ）の「丸１→丸２ｐａｔｈ」は入出射部１のポート丸１から入出射部１２のポート丸２へ光が伝送される状態を示している。
【００３０】
まず、ポート丸１からの光は図３（Ｂ）に示すように第１の複屈折素子（Ｌ１）３により常光と異常光に分離され、第１のファラデー回転子（ＦＲ１）４および第１の１／２波長板（ＨＷＰ）６、７の組を通過する。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（Ｌ２）７に対しては常光となるので光はシフトせずにそのまま直進する。第２の１／２波長板（ＨＷＰ）８、９の組および第２のファラデー回転子（ＦＲ２）１０を通過したときに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（Ｌ３）１１により常光と異常光が合成されて１本の光線となり、ポート丸２に結合する。
【００３１】
次に、図４（Ｂ）の「丸３←丸２ｐａｔｈ」は入出射部１２のポート丸２から入出射部２のポート丸３へ光が伝送される状態を示している。
【００３２】
まず、ポート丸２からの光は図４（Ｂ）に示すように第３の複屈折素子（Ｌ３）１１により常光と異常光に分離され、第２のファラデー回転子（ＦＲ２）１０および第２の１／２波長板（ＨＷＰ）８、９の組を通過する。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（Ｌ２）７に対しては異常光となるので光はシフトして進む。第１の１／２波長板（ＨＷＰ）５、６の組および第１のファラデー回転子（ＦＲ１）４を通過したときに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（Ｌ１）３により常光と異常光が合成されて１本の光線となり、ポート丸３に結合する。このようにポート丸２からの出射光はポート丸３に結合し、ポート丸１には戻らない。
【００３３】
次に、「ポート丸３→ポート丸４」の経路について説明する。まず、ポート丸３からの光は第１の複屈折素子３により常光と異常光に分離され、第１のファラデー回転子４および第１の１／２波長板６、７の組を通過する。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７に対しては常光となるので光はシフトせずにそのまま直進する。第２の１／２波長板８、９の組および第２のファラデー回転子１０を通過したときに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１１により常光と異常光が合成されて１本の光線となり、ポート丸４に結合する。
【００３４】
また、ポート丸４からの光は第３の複屈折素子１１により常光と異常光に分離され、第２のファラデー回転子１０および第２の１／２波長板８、９の組を通過する。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７に対しては異常光となるので光はシフトして進む。第１の１／２波長板５、６の組および第１のファラデー回転子４を通過したときに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３により常光と異常光が合成されて１本の光線となるがどのポートとも結合しない。
【００３５】
この実施の形態に係る光サーキュレータ本体部分の一端に位置する入出射部１、２は、上述したように２組の単芯ファイバコリメータ５１、５２を単一ホルダ５０に収めた構造になっている（図２参照）。他端に位置する入出射部１２、１３も同じ構造になっている。図示外の単芯フェルールとレンズとで構成される上記単芯ファイバコリメータ５１、５２はコリメートされたビームの光軸が互いに平行になるように予め調整された後、単一ホルダ５０に固定されている。
【００３６】
ここで、単一ホルダ５０内に固定されている２組の単芯ファイバコリメータ５１、５２におけるファイバのコアの中心間の距離をｄとし、第１の複屈折素子３の長さをＭ１とすれば、入出射部１のポート丸１から出射した光が入出射部１２のポート丸２に結合するとき、紙面内に垂直な方向に約Ｍ１／１０だけ光路がシフトする。第２の複屈折素子７の長さをＭ２、第３の複屈折素子７の長さをＭ１とすれば、入出射部１２のポート丸２から出射した光が入出射部２のポート丸３に結合するとき、紙面内で垂直な方向に約Ｍ１／１０だけ光路がシフトし、さらに紙面内で水平な方向に約Ｍ２／１０だけ光路がシフトする。
【００３７】
ポート丸１からポート丸２、ポート丸３からポート丸４へ光が伝播する場合、ビーム径は約４００μｍなので、紙面内に垂直な方向のシフト量は、単芯ファイバコリメータ５１、５２に組込まれているレンズの直径が１ｍｍで、０．６ｍｍあれば複屈折素子内で分離した常光と異常光が重なることはないので、Ｍ１は６ｍｍ以上あればよい。
【００３８】
ポート丸２からポート丸３へ光が伝播する場合に、紙面内に水平な光路のシフト量が単芯ファイバコリメータ５１、５２におけるファイバのコアの中心間距離ｄに等しくなるように第２の複屈折素子７の長さを決定する。単芯ファイバコリメータ５１、５２の直径が１．４ｍｍ程度なので、第２の複屈折素子７の必要な長さは約１４ｍｍとなる。
【００３９】
また、図２に示したように単一ホルダ５０に近接している第１の複屈折素子３の光学面は光軸に対して斜めに形成された傾斜光学面となっており、上記複屈折素子３の光学面で反射したファイバからの反射ビームが単芯ファイバコリメータ５１、５２側へ戻り難い構造になっている。この構造は同じ光サーキュレータ本体を構成する他端の単一ホルダに近接する第３の複屈折素子１１の光学面も光軸に対して斜めに形成された傾斜光学面となっている。
【００４０】
【発明の効果】
請求項１記載の発明に係る４ポート型光サーキュレータによれば、
１個のフェルールに１本のファイバが収められた単芯フェルールとレンズとで構成される単芯ファイバコリメータを２組用いて両端側の各入出射部がそれぞれ形成されているため、２芯ファイバコリメータが適用されている従来の４ポート型光サーキュレータと比較して、光路補正用の楔型プリズムを削減することができると共にクロス角のばらつきに伴う歩留まりの悪さを改善することが可能となる。
【００４１】
また、請求項２記載の発明に係る４ポート型光サーキュレータによれば、
各ファイバからのビームを互いに平行に伝播するように予め調整された２組の単芯ファイバコリメータが単一ホルダに収容されているため、調芯作業を大幅に改善させることが可能となる。
【００４２】
次に、請求項３記載の発明に係る４ポート型光サーキュレータによれば、
第１の複屈折素子と第３の複屈折素子の上記入出射部側における各光学面が、光軸に対して斜めに形成された傾斜光学面になっているため、各複屈折素子の光学面で反射したファイバからの反射ビームが単芯ファイバコリメータ側へ戻り難くなる効果を有する。
【００４３】
また、請求項４記載の発明に係る４ポート型光サーキュレータによれば、
４５度ファラデー回転子が、外部磁場がなくても磁気的に飽和した状態が維持されるＢｉ置換希土類鉄ガーネット材料により構成されているため、永久磁石を削減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る４ポート型光サーキュレータの概略構成図。
【図２】２組の単芯ファイバコリメータが収容かつ固定された単一ホルダと傾斜光学面を有する第１の複屈折素子との位置関係を示す概略斜視図。
【図３】図３（Ａ）は本発明の実施の形態に係る４ポート型光サーキュレータの概略構成図、図３（Ｂ）はこの４ポート型光サーキュレータ本体部分の偏光状態の動作説明図。
【図４】図４（Ａ）は本発明の実施の形態に係る４ポート型光サーキュレータの概略構成図、図４（Ｂ）はこの４ポート型光サーキュレータ本体部分の偏光状態の動作説明図。
【図５】従来例に係る４ポート型光サーキュレータの概略構成図。
【図６】従来例に係る４ポート型光サーキュレータの概略構成斜視図。
【図７】図７（Ａ）は２個の楔型プリズムが組込まれた従来例に係る４ポート型光サーキュレータの上記２個の楔型プリズムを通過したビームの光路説明図、図７（Ｂ）は１個の楔型プリズムを通過するビームの角度を示す光路説明図。
【符号の説明】
１  入出射部
２  入出射部
３  第１の複屈折素子
４  ファラデー回転子
５  １／２波長板
６  １／２波長板
７  第２の複屈折素子
８  １／２波長板
９  １／２波長板
１０  ファラデー回転子
１１  第３の複屈折素子
１２  入出射部
１３  入出射部
【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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