JP3135713B2

JP3135713B2 - 光アイソレータの結合光学系

Info

Publication number: JP3135713B2
Application number: JP04290970A
Authority: JP
Inventors: 聡明渡辺; 俊彦流王
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 1992-10-29
Filing date: 1992-10-29
Publication date: 2001-02-19
Anticipated expiration: 2016-02-19
Also published as: JPH06138411A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば光通信システム
や光計測器に使用される光学部品であり、光源から発し
た光が光学系の端面で反射し光源に戻るのを防止するた
めの光アイソレータの、入射側および出射側に配置され
る結合光学系に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光源からの光を光学系を介して伝達しよ
うとすると、光学系の端面で反射した光が光源に戻って
くる。例えば光ファイバによる信号伝送で、レーザーか
ら発した光はレンズを介してファイバ端面に投影され、
その多くは伝送光としてファイバ内部に入ってゆくが、
レンズやファイバの端面で表面反射をしてレーザーまで
戻ってレーザーの発振を乱し、ノイズを発生させる。こ
のようなノイズを防止するために光アイソレータが使用
されている。

【０００３】図１には光アイソレータ７の概略断面が示
されている。光アイソレータ７は、ガラス偏光板からな
る偏光子３、ファラデー回転子４、ガラス偏光板からな
る検光子６がこの順に配列されている。偏光子３と検光
子６は、偏光方向（または光軸）が４５度回転した状態
に配置されている。ファラデー回転子４の周囲は筒状磁
石５で囲まれ、光路長および磁界強度は偏光方向を４５
度回転させるようになっている。

【０００４】光源からの順方向光は、この光アイソレー
タ７に入射し、偏光子３を透過して１方向の偏光とな
り、磁石５で磁界を印加されたファラデー回転子４を透
過するときに偏光方向が４５度回転し、検光子６を透過
する。このようにして光アイソレータ７を出射した順方
向光は、次の光学系（例えば光ファイバなどの目的対
象）に入射する。一方、目的対象などの表面で反射して
光アイソレータに逆方向から入射する戻り光は、偏光方
向が検光子６と一致したもののみここを透過し、ファラ
デー回転子４では偏光方向がさらに４５度回転して透過
する。したがって、その透過してきた戻り光の偏光方向
は偏光子３の偏光方向に対し９０度回転した直交ニコル
の関係にあるので、戻り光は偏光子３を透過することが
できない。すなわち光学系で反射した戻り光は光アイソ
レータ７を透過しないので、光源に戻ることがなく、光
源のノイズを防止できる。なお、光アイソレータは、図
２の例に示す偏光子１３および検光子１６が偏光ビーム
スプリッタである光アイソレータ１７でも同様の動作を
する。

【０００５】さらに別な光アイソレータの例として図３
に示すように、偏光子２３および検光子２６に複屈折結
晶プリズムを使用した光アイソレータ２７がある。この
光アイソレータ２７の動作原理は光アイソレータ７や光
アイソレータ１７と若干異なる。光源からの順方向光
は、この光アイソレータ２７に入射し、複屈折結晶偏光
子２３を透過して常光線、異常光線に分離され、磁石５
で磁界を印加されたファラデー回転子４を透過するとき
に偏光方向が４５度回転し、複屈折結晶検光子26を透過
する。一方、光アイソレータ２７に逆方向から入射する
戻り光は、複屈折結晶検光子２６で常光線、異常光線に
分離し、ファラデー回転子４で偏光方向が４５度回転し
て複屈折結晶偏光子２３に入射するときに、光源からの
順方向光が複屈折結晶偏光子２３に入射するときとは、
常光線、異常光線が見かけ上入れ代わった状態で入射す
る。そのため、戻り光は光軸ずれを来たして発散するた
めに光源に戻る成分は非常にわずかになる。

【０００６】光アイソレータに光源光を入射させ、光ア
イソレータから目的対象に向けて光を出射するために、
光アイソレータの入射側および出射側にレンズを配置し
てる例が、特公昭61-58811号公報に開示されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記のように光アイソ
レータは、その出射側にある目的対象で反射した戻り光
が光源側（入射側）に戻るのを遮断する機能を本来的に
有するものである。偏光子による偏光が完全に直線偏光
になりにくいことや、複屈折結晶偏光子の光軸に対する
結晶切り出し角度の誤差により常光線と異常光線との分
離距離が得にくいことにより、実際上はある程度の戻り
光が通過してしまう。上記特公昭61-58811号公報の構成
によれば、光アイソレータの偏光子、ファラデー回転
子、検光子の組み合わせを２段にすることにより、通過
してしまう戻り光を少なくしようとしている。しかし同
公報には、光アイソレータの入射側および出射側にどの
ようなレンズを配置したら、戻り光を減少させることが
できるかは記載されていない。総じて従来の光アイソレ
ータで、入射側および出射側に配置するのに適した結合
光学系は知られていない。また出射側に用いるファイバ
形状との結合に適した光学系は知られていない。

【０００８】本発明はこのように従来の技術に鑑みてな
されたもので、光アイソレータの入射側および出射側に
配置する結合光学系であり、戻り光を遮断する光アイソ
レータの本来的機能を助ける働きのある光学系を提供す
ることを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めになされた本発明を適用する光アイソレータの結合光
学系を、実施例に対応する図１により説明する。図１に
示すように、本発明の光アイソレータの結合光学系は、
偏光子３、筒状磁石５内のファラデー回転子４、検光子
６がこの順に配列された光アイソレータ７の入射側およ
び出射側に配置されるものである。該結合光学系は、入
射光学系が第１の光ファイバ８からの光を略平行光にし
て該光アイソレータ７に入射させる第１レンズ１、出射
光学系が該光アイソレータ７から出射する光を第２の光
ファイバ９に集光する第２レンズ２である。第１レンズ
１の焦点距離f_１が第２レンズ２の焦点距離f_２より短く
なっている。

【００１０】図４に示す例では、第２の光ファイバ９が
その端面を傾斜させた光ファイバであり、光アイソレー
タ７の中心軸ｃ１に光ファイバ９の傾斜した先端が近づ
く方向に、第２レンズ２の中心軸ｃ２と光ファイバの中
心軸ｃ２とを一致させたままずらしている。

【００１１】光アイソレータは、図１に示すように偏光
子３および検光子６がガラス偏光板の光アイソレータ７
を使用できる。さらに光アイソレータは、図２に示すよ
うな偏光子１３および検光子１６が偏光ビームスプリッ
タである光アイソレータ１７を使用できる。また光アイ
ソレータは、図３に示すような偏光子２３および検光子
２６が複屈折結晶プリズムである光アイソレータ２７を
使用できる。

【００１２】

【作用】第１の光ファイバ８からの順方向光は、第１レ
ンズ１、光アイソレータ７、第２レンズ２を透過して第
２の光ファイバ９に集光して多くは入射するが、一部が
第２の光ファイバ９で表面反射して第２レンズ２側から
光アイソレータ７に入射する。入射した戻り光は、光ア
イソレータ７の本来的な機能により第１の光ファイバ８
までは殆ど戻らない構成となっているが、僅かな一部が
第１の光ファイバ８へ到達してしまう。そのとき第１レ
ンズ１の焦点距離f_１が第２レンズ２の焦点距離f_２より
短いため、第１の光ファイバ８まで戻る光がより少なく
なり、光アイソレータ７の本来的な機能が実質的に強化
されることになる。

【００１３】このような現象が起きる理由は以下のとお
りである。第１の光ファイバ８の光は、たとえば光ファ
イバから出るレーザー光であったとしても若干の大きさ
（コアの太さ）があり、レンズの収差や配置上の寸法誤
差等もあるので、第１レンズ１の出射光（光アイソレー
タ７の入射光）は完全な平行光にはなり得ない。そのた
め第２レンズ２の出射光を第２の光ファイバ９の完全な
一点に集光することは困難で、ある程度の大きさを有す
ることになる。そのため第２の光ファイバ９で表面反射
した戻り光は、第２レンズ２により略平行光になるが、
完全な平行光にはなり得ない。そのとき第１レンズ１の
焦点距離f_１が第２レンズ２の焦点距離f_２より短くなっ
ていると、第１の光ファイバ８から出射した順方向光が
第１レンズ１により放散（反射戻り光では収斂）する光
束の見込角αは大きいが、第２レンズ２により第２の光
ファイバ９に収斂（反射戻り光では放散）する光束の見
込角βは小さい。そのため、第２の光ファイバ９に入射
する順方向光は光軸ずれ、ピントずれがあっても効率よ
く入射し、第２の光ファイバ９から反射した戻り光が第
１の光ファイバ８に戻ったときは実際上の光束の広がり
が大きく、第１の光ファイバ８の有効な光出射部分（光
ファイバのコア）に当たることは少なくなり、その周囲
に当たるものが多くなる。

【００１４】図４に示す例のように、第２の光ファイバ
９がその端面を傾斜させた光ファイバであると、第２の
光ファイバ９で表面反射した光は順方向光の経路（主光
線は第１レンズ１および光アイソレータ７の中心軸ｃ１
に一致）を逆に戻るのではなく、傾斜方向にずれて反射
するため、光路から外れるものが多くなり、第１の光フ
ァイバ８に戻る成分はさらに少なくなる。このように端
面を傾斜させた光ファイバ９を使用する場合には、光ア
イソレータ７の中心軸ｃ１に対して、第２レンズ２の中
心軸ｃ２と光ファイバの中心軸ｃ２とを一致させたまま
移動して、中心軸ｃ１と中心軸ｃ２をずらしている。こ
れにより、光ファイバ９の端面が傾斜しているために順
方向光が光ファイバ９に入射し難くなることを防ぐこと
ができる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の実施例を詳細に説明する。図
１は本発明を適用する光アイソレータの結合光学系の実
施例の一部断面側面図である。この図に示すように、光
源である第１光ファイバ８からの光を、第１レンズ１、
アイソレータ７、第２レンズ２を経由して、目的対象で
ある第２光ファイバ９に伝える構成となっている。第１
光ファイバ８および第２光ファイバ９は通信用光ファイ
バであり、図示外の部分は必要な長さを有している。さ
らに第１光ファイバ８は例えばレーザー、第２光ファイ
バ９はフォトダイオード（不図示）にそれぞれ連結して
いる。第１光ファイバ８から焦点距離f₁を離して第１レ
ンズ１が配置される。第２レンズ２からその焦点距離f₂
を離して第２光ファイバ９が配置される。そして第１レ
ンズ１の焦点距離f₁が第２レンズ２の焦点距離f₂より短
く、また第１レンズ１の有効径と第２レンズ２の有効径
は等しくなっている。

【００１６】第１レンズ１と第２レンズ２の中間に配置
される光アイソレータ７は、偏光子３、ファラデー回転
子４、検光子６が順に配列されている。偏光子１と検光
子３は、ともにガラス偏光板であり同一の構造である
が、偏光方向が４５度回転した状態に配置されている。
ファラデー回転子４の周囲は筒状磁石５で囲まれ、光路
長および磁界強度は偏光方向を４５度回転させる関係に
なっている。

【００１７】上記構成の光学系で第１光ファイバ８から
レーザー光を送ると、第１レンズ１の焦点に第１光ファ
イバ８が配置されているから、光ファイバのコアという
小さな点から出た順方向光は略平行光となって光アイソ
レータ７に入射し、透過する。光アイソレータ７を出射
した平行光は、第２レンズ２の焦点に第２光ファイバ９
が配置されているから小さく集光され、ほとんどが第２
光ファイバ９に入射してゆく。しかし一部の光が第２光
ファイバ９で表面反射し、その反射光は第２レンズ２を
通して光アイソレータ７に入射する。入射した反射戻り
光は、光アイソレータ７の本来的な機能によりほとんど
遮断されるが、僅かな成分が光アイソレータ７を透過し
てしまう。そのとき第１レンズ１の焦点距離f₁が第２レ
ンズ２の焦点距離f₂より短くなっているため、見込角α
は見込角βより大きい。そのため、第２レンズ２から第
２光ファイバ９に入射する順方向光は光軸ずれ、ピント
ずれがあっても効率よく入射するが、第２光ファイバ９
から反射した戻り光が第１光ファイバ８に戻ったときは
第１レンズ１による実際上の光束の広がりが大きく、第
１光ファイバ８の有効な光出射部分（光ファイバのコ
ア）に当たることは少なくなり、その周囲に当たるもの
が多くなる。したがって第１光ファイバ８に連結してい
るレーザーフォトダイオード（不図示）まで戻る反射光
は極めて少ないものとなる。

【００１８】図２は光アイソレータの別な実施例を示す
ものである。上記した図１に示す光アイソレータの結合
光学系で光アイソレータ７の代わりに、この図２に示す
光アイソレータ１７で置き換えても同様の動作をする。
この光アイソレータ１７の偏光子１３および検光子１６
が偏光ビームスプリッタであり、直角ガラスプリズムを
２枚貼り合わせ、接合面に誘電体多層膜を施したもので
ある。

【００１９】さらに光アイソレータの別な実施例が図３
に示してある。この光アイソレータ２７は偏光子２３お
よび検光子２６に複屈折結晶を使用した例である。この
光アイソレータ２７を図１の光アイソレータ７と置き換
えた場合には、やはり戻り光が光源まで戻るのを防止で
きるが、動作原理は光アイソレータ７や光アイソレータ
１７を使用した場合と若干異なる。第１光ファイバ８か
らの順方向光は第１レンズ１により略平行光となって光
アイソレータ２７に入射し、複屈折結晶偏光子２３を透
過して常光線、異常光線に分離され、磁石５で磁界を印
加されたファラデー回転子４を透過するときに偏光方向
が４５度回転し、複屈折結晶検光子２６を透過し、第２
レンズ２により第２光ファイバ９に小さく集光されて入
射してゆく。第２光ファイバ９で表面反射した戻り光は
第２レンズ２を通って光アイソレータ２７に入射する。
この戻り光は、複屈折結晶検光子２６で常光線、異常光
線に分離し、ファラデー回転子４で偏光方向が４５度回
転して複屈折結晶偏光子23に入射し、さらに複屈折結晶
偏光子２３で発散し、第１レンズ１に入射する。第１レ
ンズ１は焦点距離f₁が短いため、第１光ファイバ８には
一層光が収束しにくい。その結果、光源側に反射光が戻
らない光アイソレータ２７の機能が増強される。

【００２０】図４は目的対象９を端面が角度γだけ傾斜
した光ファイバにした実施例である。第２レンズ２の中
心軸ｃ２と第２光ファイバ９の中心軸ｃ２とを一致させ
たまま平行移動し、光アイソレータ７の中心軸ｃ１から
ｘだけずらして配置する。ずらす方向は第２光ファイバ
９の傾斜した先端が中心軸ｃ１に近づく方向（図示の上
方向）である。このように構成するこよにより、第２光
ファイバ９で表面反射する光が傾斜方向にずれるため、
光路から外れるものが多くなり、第１光ファイバ８に戻
る成分はさらに少なくなる。第２光ファイバ９の端面が
傾斜していることにより光が入射し難くなることを防
ぎ、順方向光が第２光ファイバ９に効率良く入射するこ
とになる。

【００２１】このように効率良く入射する理由は以下の
とおりである。図５の（ａ）に示すとおり、光ファイバ
９の端面が直角であると、光ファイバ９の入射光の強度
分布特性（出射光の強度分布特性も同じ）Ｉは、主光軸
線が光ファイバ９の中心軸ｃに一致して上下対称であ
る。しかし（ｂ）に示すとおり、光ファイバ９の端面が
角度γだけ傾斜していると、強度分布特性Ｉは対称形に
ならず、主光軸線Ｉｃが光ファイバ９の中心軸ｃから下
側に外れる。すなわち、端面の傾斜した光ファイバ９か
ら出射する光の主光軸線Ｉｃが傾斜とは逆方向（図では
下側）に屈折する。このことは、スネルの法則により明
らかである。光の可逆性から入射光の主光軸線Ｉｃも光
ファイバ９の傾斜した先端側に傾いており、光アイソレ
ータ７の中心軸ｃ１をこの方向にずらしておけば、光ア
イソレータ７を出射した順方向光が第２光ファイバ９に
効率良く入射することになる。

【００２２】なお、図４の実施例では、第２レンズ２の
中心軸ｃ２と第２光ファイバ９の中心軸ｃ２とを一致さ
せたまま平行移動して、光アイソレータ７の中心軸ｃ１
からｘだけずらして配置しているが、第２レンズ２およ
び第２光ファイバ９の中心軸ｃ２と光アイソレータ７の
中心軸ｃ１が交差するように、第２レンズ２および第２
光ファイバ９または光アイソレータ７のいずれかを回転
移動させて配置してもよい。

【００２３】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように本発明を適
用する光アイソレータの結合光学系は、戻り光が光源ま
でもどるのを、実質的に減少させることができるので、
光アイソレータの本来的な機能、すなわち戻り光を無く
す機能がより強化されることになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用する光アイソレータの結合光学系
の実施例の一部断面側面図。

【図２】光アイソレータの実施例を示す一部断面側面
図。

【図３】光アイソレータの実施例を示す一部断面側面
図。

【図４】本発明の光アイソレータの結合光学系の別な実
施例の一部断面側面図。

【図５】光ファイバ９の入出射光の強度分布特性を説明
する図。

【符号の説明】

１は第１レンズ、２は第２レンズ、３は偏光子、４はフ
ァラデー回転子、５は筒状磁石、６は検光子、７・１７
・２７は光アイソレータ、８は光源、９は目的対象。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平２−165110（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−55623（ＪＰ，Ａ) 特表平２−500691（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】偏光子、筒状磁石内のファラデー回転
子、検光子がこの順に配列された光アイソレータの、入
射側および出射側に配置される結合光学系において、入
射光学系が第１の光ファイバからの光源光を略平行光に
して該光アイソレータに入射させる第１レンズ、出射光
学系が該光アイソレータから出射する光を第２の光ファ
イバに集光する第２レンズであり、第１レンズの焦点距
離が第２レンズの焦点距離より短いことを特徴とする光
アイソレータの結合光学系。
【請求項２】前記第２の光ファイバがその端面を傾斜
させた光ファイバであり、前記光アイソレータからの出
射光の光の中心軸に対して該光ファイバの傾斜した先端
が近づく方向に、前記第２レンズの中心軸と該光ファイ
バの中心軸とを一致させたままずらせたことを特徴とす
る請求項１に記載の光アイソレータの結合光学系。
【請求項３】前記光アイソレータの偏光子および検光
子がガラス偏光板であることを特徴とする請求項１また
は請求項２に記載の光アイソレータの結合光学系。
【請求項４】前記光アイソレータの偏光子および検光
子が偏光ビームスプリッタであることを特徴とする請求
項１または請求項２に記載の光アイソレータの結合光学
系。
【請求項５】前記光アイソレータの偏光子および検光
子が複屈折結晶であることを特徴とする請求項１または
請求項２に記載の光アイソレータの結合光学系。