(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
３以上のポートを備え、いずれかのポートに係る光ファイバ（２ｂ）から入力された光を異なるポートに係る光ファイバに出力する光サーキュレータにおいて、
少なくとも３本以上の前記光ファイバ（２ｂ）が配列された配列体（２）とレンズ（７）との間に、複屈折部材（３）、第１の位相部材（４）、偏波回転子（５）、複合複屈折部材（６）が配置され、これらの部材（３，４，５，６）の前記レンズ（７）に対して反対側に第２の位相部材（８）と反射体（９）とが配置されており、
前記配列体（２）における前記いずれかのポートに係る前記光ファイバ（２ｂ）から入力された光は、往路において、前記複屈折部材（３）、前記第１の位相部材（４）、前記偏波回転子（５）、前記複合複屈折部材（６）、前記レンズ（７）、前記第２の位相部材（８）をこの順序で通過して、前記反射体（９）において反射し、反射後の復路において、前記第２の位相部材（８）、前記レンズ（７）、前記複合複屈折部材（６）、前記偏波回転子（５）、前記第１の位相部材（４）、前記複屈折部材（３）をこの順序で通過して、前記配列体（２）における前記異なるポートに係る光ファイバに出力されるように構成した、光サーキュレータ。
【請求項２】
３以上のポートを備え、いずれかのポートに係る光ファイバ（２ｂ）から入力された光を異なるポートに係る光ファイバに出力する光サーキュレータにおいて、
少なくとも３本以上の前記光ファイバ（２ｂ）が配列された配列体（２）とレンズ（７）との間に、複屈折部材（３）、第１の位相部材（４）、偏波回転子（５）、複合複屈折部材（６）が配置され、これらの部材（３，４，５，６）の前記レンズ（７）に対して反対側に第２の位相部材（８）と反射体（９）とが配置されており、
前記配列体（２）における前記いずれかのポートに係る前記光ファイバ（２ｂ）から入力された光は、往路において、前記複屈折部材（３）、前記偏波回転子（５）、前記第１の位相部材（４）、前記複合複屈折部材（６）、前記レンズ（７）、前記第２の位相部材（８）、をこの順序で通過して、前記反射体（９）において反射し、反射後の復路において、前記第２の位相部材（８）、前記レンズ（７）、前記複合複屈折部材（６）、前記第１の位相部材（４）、前記偏波回転子（５）、前記複屈折部材（３）をこの順序で通過して、前記配列体（２）における前記異なるポートに係る光ファイバ（２ｂ）に出力されるように構成した、光サーキュレータ。
【請求項３】
前記配列体（２）における前記いずれかのポートに係る前記光ファイバ（２ｂ）から前記配列体（２）における前記異なるポートに係る光ファイバ（２ｂ）に至るまでの光路において、前記往路で前記複屈折部材（３）を通過する光の偏光状態と、前記復路で前記複屈折部材（３）を通過する光の偏光状態が同一である請求項１または２に記載の光サーキュレータ。
【請求項４】
前記配列体（２）における前記いずれかのポートに係る前記光ファイバ（２ｂ）から前記配列体（２）における前記異なるポートに係る光ファイバ（２ｂ）に至るまでの光路において、前記往路で前記複合複屈折部材（６）を通過するときの偏光状態と、前記復路で複合複屈折部材（６）を通過するときの偏光状態が直交関係である請求項３に記載の光サーキュレータ。
【請求項５】
前記配列体（２）における隣合う前記光ファイバの間隔（Ｌｆ）と、前記複合複屈折部材（６）における往路と復路間の分離距離（ｄ）の間に、２対１の比を持たせた請求項１または２に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、光通信システムや光計測分野等で使用される光サーキュレータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光サーキュレータは、光通信や光計測等の分野で重要な非相反光回路素子の１つである。光サーキュレータは、光サーキュレータが入射側と出射側の２ポート型であるのに対し、少なくとも３以上のポートを有し、例えば、１，２，３の番号で表される３ポートを有する場合、順方向の１→２，２→３，３→１の方向に進む光は低損失で、逆方向の１→３，３→２，２→１の方向に進む光は高損失の出力として伝送する。
【０００３】
このような光サーキュレータとしては、例えば、国際公開番号ＷＯ９７／２２０３４に開示された光サーキュレータが知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記光サーキュレータは、光軸に沿って対向配置された一方の光導波路アレイから他方の光導波路アレイへ光を伝送する構造のうえ、構成部品数が多いことから、大型化してしまうという問題があった。しかも、ポート数を増やそうとすると、その分構成部品が増加するため、一層大型化し多ポート化が難しいという問題があった。
【０００５】
本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、多ポートにしても構成部品数が増えることがなく、従来品に比べても小型な光サーキュレータを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明の光サーキュレータにおいては、少なくとも３本以上の光ファイバが配列された配列体とレンズとの間に、複屈折部材、第１の位相部材、偏波回転子、複合複屈折部材が配置され、これらの部材の前記レンズに対して反対側に第２の位相部材と反射体とが配置されている構成としたのである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の光サーキュレータに係る一実施形態を図１乃至図６に基づいて詳細に説明する。
光サーキュレータ１は、図１に示すように、４本の光ファイバが配列された配列体２とレンズ７との間に、複屈折部材３、第１位相部材４、偏波回転子５及び複合複屈折部材６が配置され、これら構成部材３〜６のレンズ７に対して反対側に第２位相部材８と反射体９とが配置されている。複屈折部材３乃至第２位相部材８は、それぞれ光の入出射面にＳiＯ２／ＴiＯ２等の反射防止コーティングを施したものを使用することが望ましい。
【０００８】
ここで、図３（ａ），（ｂ）に、複屈折部材３から反射体９までの配置と、光の進行方向をＺ軸、Ｚ軸に直交する面内のそれぞれ水平方向をＸ軸、鉛直方向をＹ軸としたときの光の偏光状態を示す。これらＸ軸乃至Ｚ軸は、本明細書に添付した他の図面においても同様である。
配列体２は、基板２ａの表面に等間隔、かつ、平行（平行度３度以内）に形成した４本のＶ溝（図示せず）のそれぞれに光ファイバ２ｂが配列固定されている。ここで、４本の光ファイバ２ｂは、以下の説明における区別の便宜上、図１に示すように、それぞれポートＰ1〜Ｐ4と呼ぶ。このとき、配列体２は、レンズ７の中心軸ＡcXから最も近い光ファイバ２ｂ（ポートＰ1）までの距離をａ、複合複屈折部材６で分離される幅をｄとすると、１番目の光ファイバ２ｂを基準とする第ｎ番目の光ファイバ２ｂまでの距離ｗnを、ｗn＝Ｌf×ｎ＝２｛ａ＋２（ｎ−１）ｄ｝＋ｄ（ｎ＝１，２，３，……………）に設定する。但し、Ｌfは隣り合う光ファイバ２ｂの間隔で、レンズ７のバックフォーカスと光サーキュレータ１を構成する部材の結晶長及び結晶長と分離幅の関係を考慮して決定され、本実施形態では１２６μｍに設定した。
【０００９】
また、複数の光ファイバ２ｂは、複屈折部材３側を加熱してコアをＴＥＣ（thermal expanded core）処理し、モードフィールド径(MFD: mode field diameter)を拡大させることにより広がり角を小さくしたMFD拡大部２ｃを有する。MFD拡大部２ｃとしては、前記ＴＥＣ処理をした光ファイバに限るものではなく、分布屈折率型ファイバや微小レンズを用いてもよい。一方、配列体２は、３本以上の光ファイバを等間隔、かつ、平行に配列することができれば、光ファイバが４本以上の多数であってもよいことは言うまでもなく、また、上記の他、例えば、多心コネクタ用のセラミックスやＳＵＳからなるフェルール、Ｖ溝アレイに複数の光ファイバを固定したものあるいは複数の光ファイバを合成樹脂でモールドしたもの等、種々のものを使用することができる。
【００１０】
複屈折部材３は、光ファイバ２ｂから出射した光の常光線と異常光線への分離と反射体９で反射して戻ってくる偏光を合成するもので、光ファイバ２ｂの間隔を常光線と異常光線とに分離する分離幅に一致させる。複屈折部材３は、複屈折結晶板や１軸性光学結晶（偏光子）が使用され、例えば、ルチル（TiO２），方解石（CaCO３），イットリウム・オソバナデート（YVO４），アルファバリウム・ボーデート（αBaB２O４）等の結晶がある。複屈折部材３は、最小の結晶長となるように光学軸を入射光に対して４２〜５０度前後に加工し、入手の容易性や結晶自体の信頼性を考慮すると、ルチルが好ましい。複屈折部材３は、結晶長ｔを、光ファイバ２ｂの間隔Ｌfに対してＬf＝約0.１ｔの関係に設定し、本実施形態では、２ｍｍ角、厚さ約1.３ｍｍの、光学軸４５でカットした偏光分離素子を用いた。
【００１１】
第１位相部材４は、複屈折部材３を透過した偏光の偏光面を４５度回転させるもので、複合相反性偏波回転子や複合１／２波長板等が使用され、例えば、ＴＢＩＧ，ＧＢＩＧ等のガーネットや水晶等がある。複合相反性偏波回転子は、０次単プレートや１次単プレート等、可能な限り薄いことが望ましく、高次の波長板を使用すると、波長特性と温度特性が悪くなる。第１位相部材４は、複合１／２波長板を使用するときには、図３（ａ）に示すように、光学軸ＡOP1がＹ軸に対して−２2.５度傾いた１／２波長板４ａと光学軸ＡOP2がＹ軸に対して＋２2.５度傾いた１／２波長板４ｂとを接合面４ｃでＹ軸方向に重ね、紫外線硬化型等の光学接着剤で接着して使用する。第１位相部材４は、用いる接着剤が接合面４ｃから光の入出射面にはみ出さないように注意する。
【００１２】
本実施形態では、第１位相部材４として、光学軸ＡOP1の傾きが−２2.５度と光学軸ＡOP2の傾きが＋２2.５度の０次単プレート水晶波長板を、ダイシングソーで接合面４ｃのチッピングが０．０２ｍｍ以下の精度となるようにカットしたものを使用した。
偏波回転子５は、第１位相部材４を透過した偏光の偏光面を回転させる非相反偏波回転子で、使用波長帯域で旋光角が４５度程度のできるだけ薄いものを使用する。偏波回転子５は、例えば、ガーネット，ＴＢＩＧ（テルビウム・ビスマス・アイアン・ガーネット），ＧＢＩＧ（ガドリニウム・ビスマス・アイアン・ガーネット）等を使用することができる。本実施形態では、光の進行方向に対して右回りのガーネットを用いたが、左回りのガーネットを用いる場合、第１位相部材４は、それぞれ光学軸ＡOP1が＋２2.５度、光学軸ＡOP2が−２2.５度の傾きとすればよい。
【００１３】
偏波回転子５は、図１において、第１位相部材４の位置と入れ替えてもよい。このように配置すると、偏波回転子５は、透過する光の拡がり角が一定のため、光のビーム径が小さいところで使用できる。このため、光サーキュレータ１は、偏波回転子５をこのように配置すると、組立誤差や構成部品の加工誤差によるビーム蹴られの可能性が少なくなる。
【００１４】
複合複屈折部材６は、常光線を異常光線に、異常光線を常光線に、それぞれ切り替えるもので、光ファイバ２ｂの間隔の半分を常光線と異常光線とに分離する分離幅に一致させる。複合複屈折部材６は、複合複屈折結晶板や複合１軸性光学結晶（偏光子）が使用され、例えば、ルチル（TiO２），方解石（CaCO３），イットリウム・オソバナデート（YVO４），アルファバリウム・ボーデート（αBaB２O４）等の結晶がある。複合複屈折部材６は、例えば、図４（ａ）に示すように、光学軸ＡOP1がＺ軸に対してθ1＝約−４２〜−５０度傾いた結晶板６ａと光学軸ＡOP2がＺ軸に対してθ2＝約＋４２〜＋５０度傾いた結晶板６ｂとを接合面６ｃでＸ方向に重ね、光学接着剤で接着して使用する。複合複屈折部材６は、結晶軸が複屈折部材３の結晶軸と直交するように配置する。
【００１５】
このとき、複合複屈折部材６は、接着剤が接合面６ｃから光の入出射面にはみ出さないように注意する。また、複合複屈折部材６は、結晶板６ａ，６ｂをダイシングソーでチッピングが０．１ｍｍ以下の精度となるようにカットしたものを使用し、接着剤は、可能な限り薄くすることによりピラミダルエラー（pyramidal error）を抑制する。本実施形態では、ルチルを光学軸ＡOP1，ＡOP2をＺ軸に対して±４５度でカットした厚み約0.６３ｍｍの２枚のサバール板を反転させて図２のように接合面６ｃで貼り合わせたものを使用した。
【００１６】
ここで、複合複屈折部材６は、図４（ｂ）に示すように、図４（ａ）の場合とは逆に、光学軸ＡOP1がＺ軸に対してθ1＝約＋４２〜＋５０度傾いた結晶板６ａと光学軸ＡOP2がＺ軸に対してθ2＝約−４２〜−５０度傾いた結晶板６ｂとを接合面６ｃでＸ方向に重ね、光学接着剤で接着してもよい。この場合、４本の光ファイバ２ｂは、図１に示した場合とは逆に、レンズ７の中心軸Ａcに近い光ファイバ２ｂがポートＰ3，Ｐ4、遠い光ファイバ２ｂがポートＰ1，Ｐ2となる。
【００１７】
レンズ７は、入射する光の偏波モード分散のキャンセルとコリメーションを行うもので、非球面レンズ，ボールレンズ，平凸レンズあるいは分布屈折レンズ等を使用することができる。但し、レンズ７は、配列体２との間に前記構成部材３〜６を配置し得るバックフォーカスを有するレンズを使用する。本実施形態では、焦点距離ｆ＝1.８ｍｍの非球面レンズを使用した。
【００１８】
第２位相部材８は、１／４波長板等の位相差板で、０次単プレートや０次２枚構成の水晶板が適当で、高次の波長板を使用すると、波長特性と温度特性が悪くなる。第２位相部材８は、４５度旋光の非相反偏波回転子、例えば、ＧＢＩＧ等のガーネットを用いてもよい。本実施形態では、第２位相部材８として、光学軸ＡOPを偏光方向に対して４５度に設置した１／４波長板を用いた。
【００１９】
反射体９は、第２位相部材８を通過した光を反射する反射鏡で、本実施形態では、例えば、ベース９ａの表面にＳiＯ２／ＴiＯ２をコーティングした反射鏡を用いた。
本発明の光サーキュレータ１は、以上のように、４本の光ファイバ２ｂが配列された配列体２とレンズ７との間に、複屈折部材３、第１位相部材４、偏波回転子５及び複合複屈折部材６が配置され、構成部材３〜６のレンズ７に対して反対側に第２位相部材８と反射体９とが配置された構造を特徴とする。即ち、光サーキュレータ１は、配列体２のいずれかの光ファイバ２ｂから入射した光を反射体９で反射させることで折り返させる構造である。
【００２０】
従って、光サーキュレータ１において、例えば、４本の光ファイバ２ｂのポート１に入射した光は、Ｘ，Ｙ軸を含む平面において、図２（ａ）に示すように複屈折部材３〜第２位相部材８へと伝搬し、反射体９で反射され、図２（ｂ）に示すように、４本の光ファイバ２ｂのポート２に低損失で出射されてゆく。このとき、図２（ａ），図２（ｂ）において、丸印は光の進行方向に対し紙面に垂直なＺ軸方向に振動する偏光、矢印は光の進行方向に対し紙面に平行なＸ軸方向に振動する偏光である。
【００２１】
但し、４本の光ファイバ２ｂのポート４に入射した光は、損失が大きいため、逆方向に進んでポート１へ出射されることはない。同様に、光ファイバ２ｂに入射した光は、ポート２→ポート３，ポート３→ポート４へと出射されるが、逆方向に進むことはない。このように、光サーキュレータ１は、光の伝搬方向に関して非相反な特性を有している。
【００２２】
このとき、図３（ａ），（ｂ）で規定したように、光の進行方向をＺ軸、Ｚ軸に直交する面内のそれぞれ水平方向をＸ軸、鉛直方向をＹ軸とし、反射体９側から見たとすると、横方向がＸ軸、縦方向がＹ軸で、説明の便宜上、横方向を１３分割して１から１３で、縦方向を５分割してａ〜ｅで、それぞれ表すと、ポート１の位置は、マトリクス的に見ると図５（ａ）に示すように“６ｄ”となる。この関係は、以下の図５（ｂ）〜図６（ｇ）においても同様である。また、符号ＡcYはレンズ７のＹ軸方向における中心軸、符号ＡcXはレンズ７のＸ軸方向における中心軸である。
【００２３】
従って、例えば、ポート１に入射した光は、光ファイバ２ｂ内を伝搬して複屈折部材３へ出射され、図５（ｂ）に示すように、複屈折部材３で、結晶軸に直交した常光線と、同じく平行な異常光線とに分離される。
次に、第１位相部材４は、光学軸ＡOP1がＹ軸に対して−２2.５度、光学軸ＡOP2がＹ軸に対して＋２2.５度、それぞれ傾いているので、分離された常光線と異常光線は、第１位相部材４を通過すると、図５（ｃ）に示すように、偏光方向がそれぞれ４５度回転し、偏光方向が同方向となる。ここで、図中、符号４ｃは、２つの０次単プレート水晶波長板の接合面である。
【００２４】
次いで、これらの光は、偏波回転子５を通過することで、図５（ｄ）に示すように、左回りに旋光され、複屈折部材３の結晶軸と平行な偏光にそろえられる。しかる後、これらの光は、複合複屈折部材６に入射する。このとき、複合複屈折部材６は、結晶軸が複屈折部材３の結晶軸と直交していることから、図５（ｅ）に示すように、複屈折部材３から見て異常光線となる偏光は常光線として通過してゆく。
【００２５】
次に、複合複屈折部材６通過した光は、レンズ７で所定角度屈折するが、図５（ｆ）に示すように、偏光状態は変化しない。このときの屈折角は、レンズ７の中心軸ＡcX，ＡcYから光の中心位置とレンズ７の焦点距離ｆにより決まる。
次いで、レンズ７を通過した光は、第２位相部材８に入射する。第２位相部材８は、光学軸ＡOPが偏光方向に対して４５度に設置されているので、図５（ｇ）に示すように、通過する光は右円偏光となる。
【００２６】
そして、右円偏光となった光は、反射体９で入射角と反対側に反射することで位相が変化し、図６（ａ）に示す左円偏光となる。このように、光サーキュレータ１においては、反射体９によって光が反射され、全体の光路長が短縮される。次に、反射された左円偏光は、再度第２位相部材８を通過することで、図６（ｂ）に示すように、レンズ７を通過した光（図５（ｆ）参照）と直交する水平方向の偏光となる。
【００２７】
ついで、水平方向の偏光は、再度レンズ７を通過することにより、図６（ｃ）に示すように、レンズ７の中心軸ＡcYに関し、図５（ｆ）の場合と対称の位置に出射される。このとき、レンズ７の通過前後で偏光状態は変化しない。
しかる後、レンズ７を通過した偏光は、複合複屈折部材６を通過することで、図６（ｄ）に示すように、異常光線としてビーム位置が水平方向右側へシフトする。
【００２８】
次に、これらの偏光は、偏波回転子５を通過後に、図６（ｅ）に示すように、左に４５度旋光される。この状態は、Ｙ軸方向におけるビーム位置は異なっているが、図５（ｃ）に示したように、複屈折部材３側から第１位相部材４を通過した後の偏光状態と同じである。
ついで、これらの光は、第１位相部材４を通過すると、図６（ｆ）に示すように、偏光方向がそれぞれ４５度回転し、偏光方向が直交方向となる。
【００２９】
そして、この後、これらの光は、複屈折部材３を通過することにより、それぞれ常光線と異常光線として合波され、図６（ｇ）に示すように、“９ｄ”に対応するポート２の光ファイバ２ｂに入射される。ここで、図中、“１ｄ”，“４ｄ”，“６ｄ”及び“１１ｄ”の丸印は、それぞれ他のポートに対応する位置を示している。
【００３０】
以下、他のポート２，３，４においても、光は、上記と同様に、複屈折部材３と反射体９との間を伝搬される。
以上のように、光サーキュレータ１は、配列体２とレンズ７との間に、複屈折部材３、第１位相部材４、偏波回転子５及び複合複屈折部材６が配置され、構成部材３〜６のレンズ７に対して反対側に第２位相部材８と反射体９とが配置された構造を特徴とする。このため、光サーキュレータ１は、光ファイバの数、従ってポート数を多数にしても、光を反射させない構造のものに比べて構成部品数を半減させて小型にすることができる。また、構成部材３〜６の表面で反射した光は、反射角の２倍で発散するため、光ファイバ２ｂに入射し難くなる。このため、光サーキュレータ１は、リターンロス対策を施す必要がない。
【００３１】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、多ポートにしても構成部品数が増えることがなく、従来品に比べても小型な光サーキュレータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光サーキュレータの構成を示す平面図である。
【図２】図１の光サーキュレータにおいて、複数の光ファイバのポートに沿った断面における入射光の偏光状態を示す断面図（ａ）と、反射体から戻ってくる反射光の偏光状態を示す断面図（ｂ）である。
【図３】図１の光サーキュレータにおいて、複屈折部材から反射体までの配置と、光の進行方向をＺ軸、Ｚ軸に直交する面内のそれぞれ水平方向をＸ軸、鉛直方向をＹ軸としたときの光の偏光状態を前半側（ａ）と後半側（ｂ）とに２分して示した斜視図である。
【図４】図１の光サーキュレータにおいて、複合複屈折部材を構成する２つの結晶板の光学軸の第１の配置を示す斜視図（ａ）と、第２の配置を示す斜視図（ｂ）である。
【図５】図１の光サーキュレータにおいて、各構成部材を通過した後における光の状態の前半側を示す説明図である。
【図６】図１の光サーキュレータにおいて、各構成部材を通過した後における光の状態の後半側を示す説明図である。
【符号の説明】
１                光サーキュレータ
２                配列体
２ｂ              光ファイバ
２ｃ              MFD拡大部
３                複屈折部材
４                第１位相部材
５                偏波回転子
６                複合複屈折部材
７                レンズ
８                第２位相部材
９                反射体
ＡcX，ＡcY        中心軸（レンズの）
ＡOP              光学軸
ＡOP1，ＡOP2      光学軸
Ｐ1〜Ｐ4          ポート
【図１】
0004070053.tif 000002
【図２】
0004070053.tif 000003
【図３】
0004070053.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
0004070053.tif 000007