(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトニック結晶から成る反射型の第１の偏光子、光透過性平行平板、平行平板の４５度ファラデー回転子、フォトニック結晶から成る反射型の第２の偏光子をこの順で平行に並べて固定配備して成ると共に、全体が入射光の光軸に対して傾いて設置されることを特徴とする光アイソレータ。
【請求項２】
請求項１記載の光アイソレータにおいて、前記第１の偏光子及び前記第２の偏光子を成す前記フォトニック結晶は、基板表面に形成された所定の形状に従って凹凸形状を保持しながら堆積された高屈折率媒質及び低屈折率媒質の多層膜から成ることを特徴とする光アイソレータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として光通信機器や光情報処理機器等に用いられると共に、光を一方向にのみ透過させて逆方向には遮断する光学素子である光アイソレータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の光アイソレータは、一例として２つの偏光子と、これらの偏光子間に設けられて磁場が印加される４５度ファラデー回転子とが光軸上に位置合わせされて配備された構成となっている。実用化されている既存の光アイソレータにおいて、その偏光子の材料としては、複屈折単結晶のプリズム、金属粒子を含むガラス、誘電体及び金属の複合多層膜等が挙げられる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述した既存の光アイソレータの場合、その構成要素である偏光子は材料自体が高価である上、その製造に際して切断や光学研磨等の加工工程を要することにより製造コストを低減化することが困難となっているため、光アイソレータ全体の価格を高める要因となっている。実際に、既存の光アイソレータでは、製造コストの約５０％以上を偏光子が占めることがある。
【０００４】
本発明は、このような問題点を解決すべくなされたもので、その技術的課題は、光学的な特性を損うこと無く低価格で製造上において量産可能な偏光子を備えた光アイソレータを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、フォトニック結晶から成る反射型の第１の偏光子、光透過性平行平板、平行平板の４５度ファラデー回転子、フォトニック結晶から成る反射型の第２の偏光子をこの順で平行に並べて固定配備して成ると共に、全体が入射光の光軸に対して傾いて設置される光アイソレータが得られる。
【０００７】
また、本発明によれば、上記の光アイソレータにおいて、第１の偏光子及び第２の偏光子を成すフォトニック結晶は、基板表面に形成された所定の形状に従って凹凸形状を保持しながら堆積された高屈折率媒質及び低屈折率媒質の多層膜から成る光アイソレータが得られる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に実施例を挙げ、本発明の光アイソレータについて、図面を参照して詳細に説明する。
【０００９】
最初に、本発明の光アイソレータの技術的概要を説明する。本発明の光アイソレータにおいては、その構成要素となる偏光子にフォトニック結晶から成る反射型のものを使用する。フォトニック結晶は、基板表面に形成された所定の形状に従って凹凸形状を保持しながら堆積された高屈折率媒質及び低屈折率媒質の多層膜から成る。こうしたフォトニック結晶から成る反射型の偏光子を用いて４５度ファラデー回転子と組み合わせれば光アイソレータを構成できる。
【００１０】
フォトニック結晶から成る偏光子の開発には、近年の高屈折率媒質及び低屈折率媒質から成る人工的な周期構造体におけるフォトン（光子）の状態密度の研究成果が関与している。即ち、互いに直交する２つの直線偏光においてそれぞれが独立に周波数と波動ベクトルとの関係を持ち、バンドギャップ（フォトンの状態密度が零となる周波数帯域）もそれぞれの偏光に固有であり、しかも或る周波数帯域において一方の偏光に対する状態密度が零であり、他方の偏光に対する状態密度が零にならない場合の周波数帯域において偏光子としての作用が可能な周期構造体の開発である。こうした周期構造体は、一方の偏光を反射し、他方の偏光を波動ベクトルを保存しながら透過させる。
【００１１】
特に、このような周期構造体としてのフォトニック結晶の中でも、上述したように基板表面に形成された形状に従って凹凸形状を保持しながら堆積された高屈折率媒質及び低屈折率媒質の多層膜から成るフォトニック結晶は、光アイソレータ用偏光子として優れた特質を備えている。例えば堆積層の垂線方向を中心とする方向から入射する入射光に対して偏光子として作用するため、光学研磨を必要としないという点が顕著な特質として挙げられる。
【００１２】
しかしながら、こうしたフォトニック結晶から成る反射型の偏光子は、透過しない光を反射させるので、その特長を活かすための構造として、反射光を光アイソレータの光学系の外に導き出すように設計する必要があり、こうした条件を充足することによって、高い逆方向損失を持つ光アイソレータを構成することができる。
【００１３】
図１は、本発明の一実施例に係る光アイソレータの基本構成を示した側面図である。この光アイソレータは、フォトニック結晶から成る反射型の第１の偏光子１、光透過性平行平板ガラス４、平行平板の４５度ファラデー回転子３、フォトニック結晶から成る反射型の第２の偏光子２をこの順で平行に並べて接着剤等により互いに固定配備して成ると共に、全体が入射光の光軸に対して傾いて設置されている。
【００１４】
このうち、第１の偏光子１及び第２の偏光子２は、それぞれの透過偏光方向が互いに４５度の角度を成すように設定されており、それらのフォトニック結晶は、基板表面に形成された所定の形状に従って凹凸形状を保持しながら堆積された高屈折率媒質及び低屈折率媒質の多層膜から成り、大面積で光学研磨を必要としない。４５度ファラデー回転子３は、ＧｄＢｉＦｅガーネット厚膜から成り、光の進行方向に沿った磁場Ｈが印加される。
【００１５】
図２は、この光アイソレータの順方向及び逆方向における透過光の光路を示した側面図である。
【００１６】
先ず、この光アイソレータの順方向における透過光について説明する。順方向における入射光は、光路５に沿って第１の偏光子１に入射した後、第１の偏光子１、平行平板ガラス４、４５度ファラデー回転子３、及び第２の偏光子２を左側から右側へ進んで透過した後、第２の偏光子２から出射光として光路６に沿って出射する。
【００１７】
次に、この光アイソレータの逆方向における透過光について説明する。逆方向における入射光は、光路６に沿って第２の偏光子２に入射した際、一方の偏光成分が光路７の方向に沿って反射光として反射されると共に、他方の偏光成分が第２の偏光子２を透過し、４５度ファラデー回転子３と平行平板ガラス４とを透過して第１の偏光子１に至る。このとき、他方の偏光成分は偏光方向が第１の偏光子１の透過方向から９０度回転しているため、入射光は第１の偏光子１で反射された後、平行平板ガラス４と４５度ファラデー回転子３とを透過して第２の偏光子２に至る。又、このときの他方の偏光成分は偏光方向が第２の偏光子２の透過方向から９０度回転しているため、入射光は第２の偏光子２で反射された後、４５度ファラデー回転子３と平行平板ガラス４とを透過して第１の偏光子１に入射する。この際、入射光は偏光方向が第１の偏光子１の透過方向に一致しているため、第１の偏光子１を透過して光路８に沿って透過光として出射する。この逆方向における透過光の光路８は、順方向における入射光の光路５から平行移動したものとなっている。
【００１８】
図３は、このような光アイソレータを使用した光学系装置の構成を例示した側面図である。この光学系装置は、レーザダイオード９からのレーザ光を集光レンズ１０を通して光アイソレータ１１に入射させ、光アイソレータ１１を通過した透過光を光ファイバ端１２に結合させるように各部がレーザ光の光軸に合わせられて配備されている。
【００１９】
この光学系装置において、光アイソレータ１１による逆方向における透過光の光路８の順方向における入射光の光路５からの平行シフト量をｓとし、集光レンズ１０の像倍率をｍとすれば、逆方向における透過光はレーザダイオード９の発光部分からｓ／ｍだけ離れた位置に集光し、レーザダイオード９の発光部分に結合しない。
【００２０】
この光学系装置における各構成要素（光学素子）を光学接着剤で貼り合わせた場合、平行シフト量ｓは、ｔf を４５度ファラデー回転子３の厚さ、ｔg を平行平板ガラス４の厚さ、ｎf を４５度ファラデー回転子３の屈折率、ｎg を平行平板ガラス４の屈折率、θを光アイソレータ１１の入射光に対する傾き角度とした場合、近似的にｓ＝ｓｉｎθ｛３ｔf （ｎf 2 −ｓｉｎ2 θ）-1/2＋３ｔg （ｎg 2 −ｓｉｎ2 θ）-1/2−（ｔf ＋ｔg ）（１−ｓｉｎ2 θ）-1/2｝なる関係で表わすことができる。
【００２１】
図４は、この光学系装置の光アイソレータ１１における傾き角度θ（ｄｅｇ）に対する平行シフト量ｓ（μｍ）の関係を示したものである。但し、ここでは４５度ファラデー回転子３の厚さｔf ＝４５０μｍ、平行平板ガラス４の厚さｔg ＝１ｍｍ、４５度ファラデー回転子３の屈折率ｎf ＝２．３、平行平板ガラス４の屈折率ｎg ＝１．５の場合の図となっている。
【００２２】
図４からは、例えば光アイソレータ１１を傾き角度５度で使用すると、約９５μｍの平行シフト量ｓが得られることが判り、集光レンズ１０の像倍率を３とすると平行シフト量ｓは上述した関係式からレーザダイオード９の近くで約３２μｍの変位量が得られる。この変位量は、逆方向における透過光をレーザダイオード９の発光部に結合させないため十分なものである。
【００２３】
以上に説明した光アイソレータ１１やそれを使用した光学系装置において、各光学素子を平行に設置する方法は、光学的接着剤による直接接着や各光学素子を保持する機構部品を用いて簡易に行うことが可能であり、量産に向くものとなっている。
【００２４】
図５は、この光学系装置の光アイソレータ１１における傾き角度を５度としたときの平行平板ガラス４の厚さｔg （μｍ）に対する平行シフト量ｓ（μｍ）の関係を示したものである。
【００２５】
図５からは、設定可能な光アイソレータ１１の傾き角度θに対して平行平板ガラス４の厚さｔg をどの程度にして選択すれば良いかが判る。
【００２６】
ところで、平行平板ガラス４の役割は第１の偏光子１と第２の偏光子２との間の距離を大きくし、平行シフト量ｓを大きくすることであるため、その材質はガラスに限定されず、光透過性と適切な屈折率を持っていれば他の材料を用いても良い。
【００２７】
図６は、本発明の実施例２に係る光アイソレータの基本構成を示した側面図である。この光アイソレータは、フォトニック結晶から成る反射型の第１の偏光子１３、４５度ファラデー回転子１４、フォトニック結晶から成る反射型の第２の偏光子１５をこの順で並べて配備して成ると共に、第１の偏光子１３及び第２の偏光子１５を非平行に配置し、且つ４５度ファラデー回転子１４と第１の偏光子１３及び第２の偏光子１５の何れか一方（ここでは第１の偏光子１３）とをほぼ平行に配置して成っている。
【００２８】
このうち、第１の偏光子１３及び第２の偏光子１５は、それぞれの透過偏光方向が互いに４５度の角度を成すように設定され、且つ光学面が非平行に約１度の角度で設置されており、それらのフォトニック結晶は、基板表面に形成された所定の形状に従って凹凸形状を保持しながら堆積された高屈折率媒質及び低屈折率媒質の多層膜から成り、大面積で光学研磨を必要としない。４５度ファラデー回転子１４は、ＧｄＢｉＦｅガーネット厚膜から成り、光の進行方向に沿った磁場Ｈが印加される。
【００２９】
図７は、この光アイソレータの順方向及び逆方向における透過光の光路を示した側面図である。
【００３０】
先ず、この光アイソレータの順方向における透過光について説明する。順方向における入射光は、光路１６に沿って第１の偏光子１３に入射した後、第１の偏光子１３、４５度ファラデー回転子１４、及び第２の偏光子１５を左側から右側へ進んで透過した後、第２の偏光子２から出射光として光路１７に沿って出射する。
【００３１】
次に、この光アイソレータの逆方向における透過光について説明する。逆方向における入射光は、光路１７に沿って第２の偏光子１５に入射した際、一方の偏光成分が光路１８の方向に沿って反射光として反射されると共に、他方の偏光成分が第２の偏光子１５及び４５度ファラデー回転子１４を透過して第１の偏光子１３に至る。このとき、他方の偏光成分は偏光方向が第１の偏光子１３の透過方向から９０度回転しているため、入射光は第１の偏光子１３で反射された後、４５度ファラデー回転子１４を透過して第２の偏光子１５に至る。又、このときの他方の偏光成分は偏光方向が第２の偏光子１５の透過方向から９０度回転しているため、入射光は第２の偏光子１５で反射された後、４５度ファラデー回転子１４を透過して第１の偏光子１３に入射する。この際、入射光は偏光方向が第１の偏光子１３の透過方向に一致しているため、第１の偏光子１３を透過して光路１９に沿って透過光として出射する。この逆方向における透過光の光路１９は、順方向における入射光の光路１６に対して第１の偏光子１３及び第２の偏光子１５が成す角度の２倍（約２度分）だけ傾いたものとなっている。
【００３２】
図８は、このような光アイソレータを使用した光学系装置の構成を例示した側面図である。この光学系装置は、レーザダイオード２０からのレーザ光を凸レンズ２１を通して光アイソレータ２２に入射させ、光アイソレータ２２を通過した透過光を凸レンズ２３を通して光ファイバ端２４に結合させるように各部がレーザ光の光軸に合わせられて配備されている。
【００３３】
この光学系装置において、光アイソレータ２２には、ほぼ平行光束のレーザ光が入射する。逆方向における透過光の光路１９と順方向における入射光の光路１６とが成す角度をφとし、凸レンズ２１の焦点距離をｆとすると、逆方向における透過光の集光点はレーザダイオード２０の発光部分の中心から約ｆφだけ変位する。通常の光アイソレータでは順方向における透過光に対する逆方向における透過光の角度変化が１度以上あれば、高い逆方向損失が得られるため、この光学系装置の光アイソレータ２２の場合には充分な基本機能が確保される。
【００３４】
尚、図６及び図７に示した実施例２の光アイソレータ２２では、第１の偏光子１３及び４５度ファラデー回転子１４を平行に並べて第２の偏光子１５をこれらに対して非平行になる配置構成を説明したが、これに代えて４５度ファラデー回転子１４及び第２の偏光子１５を平行に並べて第１の偏光子１３をこれらに対して非平行になる配置構成としても良い。
【００３５】
【発明の効果】
以上に述べた通り、本発明の光アイソレータによれば、従来の複屈折単結晶のプリズム、金属粒子を含むガラス、誘電体及び金属の複合多層膜等から成る偏光子の材料を改良してフォトニック結晶を用いた反射型の偏光子を用いており、このフォトニック結晶は基板表面に形成された所定の形状に従って凹凸形状を保持しながら堆積された高屈折率媒質及び低屈折率媒質の多層膜から成る大面積で光学研磨を必要としないものであるため、光学的な特性を損うこと無く製造上において低価格で量産可能になる。結果として、既存の光アイソレータと同程度の光学的な特性（挿入損失及び逆方向損失）を有し、従来よりも簡易にして低価格に光アイソレータを製造できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１に係る光アイソレータの基本構成を示した側面図である。
【図２】図１に示す光アイソレータの順方向及び逆方向における透過光の光路を示した側面図である。
【図３】図１に示す光アイソレータを使用した光学系装置の構成を例示した側面図である。
【図４】図３に示す光学系装置の光アイソレータにおける傾き角度に対する平行シフト量の関係を示したものである。
【図５】図４で説明した光学系装置の光アイソレータにおける平行平板ガラスの厚さに対する平行シフト量の関係を示したものである。
【図６】本発明の実施例２に係る光アイソレータの基本構成を示した側面図である。
【図７】図６に示す光アイソレータの順方向及び逆方向における透過光の光路を示した側面図である。
【図８】図６に示す光アイソレータを使用した光学系装置の構成を例示した側面図である。
【符号の説明】
１、１３  第１の偏光子
２、１５  第２の偏光子
３、１４  ４５度ファラデー回転子
４  平行平板ガラス
５〜８、１６〜１９  光路
９、２０  レーザダイオード
１０  集光レンズ
１１、２２  光アイソレータ
１２、２４  光ファイバ端
２１、２３  凸レンズ
【図１】
0004157634.tif 000002
【図２】
0004157634.tif 000003
【図３】
0004157634.tif 000004
【図４】
0004157634.tif 000005
【図５】
0004157634.tif 000006
【図６】
0004157634.tif 000007
【図７】
0004157634.tif 000008
【図８】
0004157634.tif 000009