JP3694812B2 - Optical circulator - Google Patents
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、光通信および光情報処理等において、順方向および逆方向で透過光の経路を変える光サーキュレータ、特に、少なくとも一方向の透過光に対してはすべての偏光状態の光に対して動作する光サーキュレータに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
光サーキュレータは、光通信システムにおいて、1本の光フィイバを用いて双方向の通信を行なう際の順逆双方の透過光の分離や、複数の光ファイバ間で透過光の相互の交換を行なう素子として用いられる。一般に、レーザ出射端に設置して逆方向の透過光を分離するためには3端子光サーキュレータが、光ファイバ間相互の透過光の交換のためには4端子の光サーキュレータが使用される。
【0003】
図6および図7に示した従来例をもとに、従来の光サーキュレータの構成について説明する。図6(a)は入出射端より順方向の透過光が光サーキュレータ内に入射した場合の該透過光の透過経路(振舞い)を示した図である。図6は3端子型、図7は4端子型の光サーキュレータの例である。図6(a)において、光サーキュレータは、入出射端13、複屈折結晶平板21,22,23、ファラデー回転子24、入射端14、出射端15を具備して構成されている。図6(a)において左側から右側への透過光の向きを順方向とすると、入出射端13から入射した入射光IL1 は、複屈折結晶平板21によって2種類の偏光に分離される。すなわち、入射光IL1 は、第一の偏光成分をもつ順方向透過光25aおよび第二の偏光成分をもつ順方向透過光25bに分離され、ファラデー回転子24、複屈折結晶平板22、複屈折結晶平板23を順に透過する。複屈折結晶平板23は、順方向透過光25a,25bを合成して、合成透過光LL1 を出射端15へ送出する。出射端15に到達し、出射端15から出射される。
【0004】
一方、図6(b)は入射端より逆方向の透過光が光サーキュレータ内に入射した場合の該透過光の透過経路(振舞い)を示した図である。入射した入射光IL2 は、複屈折結晶平板23によって2種類の偏光に分類される。すなわち、入射光IL2 は、第一の偏光成分をもつ逆方向透過光26aおよび第二の偏光成分をもつ逆方向透過光26bに分離され、複屈折結晶平板22、ファラデー回転子24、複屈折結晶平板21を順に透過する。分離した前記2種類の偏光、すなわち、逆方向透過光26aと逆方向と透過光26bは合成されず、最終的に入出射端13から出射されるのは、逆方向透過光26bのみである。一方、逆方向透過光26aは図中の×位置に達して出射することができない。なお出射端15から逆方向に透過戻り光が入射した場合は、図6(b)に示すように、入出射端13に達する分離光成分は存在しないため、入射光は全く光サーキュレータを透過することができない。
【0005】
図7(a)に示した4端子型光サーキュレータの場合も上記した3端子型光サーキュレータと同様に、入出射端16および入出射端17からそれぞれ入射した入射光IL3 ,IL4 は、その分離光、すなわち、順方向透過光27a及び27b,27c及び27dが減衰することなくそれぞれ複屈折結晶平板23で合成されて、LL3 ,LL4 として入出射端18および入出射端19に到達する。また図7(b)に示すように入出射端18および入出射端19から逆方向の透過光IL5 ,IL6 が入射した場合は、各々の分離光である逆方向透過光28aおよび逆方向透過光28dのみがそれぞれ入出射端17および入出射端16に達する。
複屈折結晶平板23にて分離された残りの透過光、すなわち逆方向透過光28bおよび逆方向透過光28cは、順方向側の入出射端16,17へは達することができず、光サーキュレータの途中ですなわち、図中の×位置に達して出射することができない。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
従来の光サーキュレータでは、以下の2つの問題が存在している。第1の問題は、透過する光の光路差に関するものである。図中の左側から右側へ(順方向)の透過光は、途中の複屈折結晶平板21にて偏波面が互いに直交する2種類の偏光成分に分離され、そののち複屈折結晶平板23にて再び合成される。しかしながら、合計3枚の複屈折結晶平板を透過する際の分離2偏光の光路長は同一ではない。一般に偏光が複屈折結晶平板を透過する際の屈折率は、その偏光面と結晶平板の結晶軸との関係で決定される。この場合、透過光の特定の向きの偏波成分が分離されて結晶表面に対して斜め方向に透過し(異常光)、他方の透過光成分は、そのままま結晶表面に対し垂直に透過する(常光)。このとき、両者が透過する複屈折結晶平板の合計の厚さは当然同じであるが、各結晶平板内での両者の屈折率が異なるため、各々の偏光の透過光路長の合計は一般には等しくはない。
【0007】
複屈折結晶平板21の相対的な厚さを√2tとすると、複屈折結晶平板22および複屈折結晶平板23の相対的な厚さは各々tとなる。図6(a)におけるファラデー回転子24の分を除いた順方向透過光25aおよび順方向透過光25bの光路長の合計は、それぞれnt+(√2+1)n′t、(√2+1)nt+n′tとなり、両者の差は、√2t|n−n′|である。
【0008】
尚、n,n′はそれぞれ複屈折結晶平板の常光、異常光の屈折率である。
【0009】
n≠n′のときこの値は零にはならず、その時は従来例として提示した光サーキュレータにおいて、順方向の透過光の分離された偏光成分の光路長は互いに一致しないことがわかる。この透過光が平行光であれば問題はないが、一般的な用途では入出射端13と複屈折結晶平板21の間に集光レンズ(図示していない)を設置し、出射端15の端面にその焦点が配されるように透過光を集光する。このような場合には、この光路長の差の存在のために透過光が光軸方向にずれた2点に集光し、1点に集光させることができない。実際の使用上では出射端15には光ファイバ端面の様に集光領域が非常に狭い素子が用いられる場合が多く、この光路差による集光点の不一致は透過光の減衰(挿入損失)となって現われる。
なお、通常は、上記のレンズの他にさらに複屈折結晶平板23と出射端15および入射端13との間にもう1枚の集光レンズを設置して用いることが多いが、このことによって上記第1の問題に対し解決はされない。又、この問題は図6に示す3端子光サーキュレータだけではなく、図7の4端子光サーキュレータにおいても発生する。
【0010】
第2の問題は、透過する光の分離能に関するものである。本来図6(a)において順方向の透過光は出射端15のみから出射され、その隣りの入射端14からは全く出射されない。しかし実際はファラデー回転子24を透過する間に2種の分離された2偏光はそれぞれが楕円偏光となってしまう。例として透過光が1.3〜1.5μmのレーザ光で、ファラデー回転子が磁性ガーネット膜およびそれを磁気飽和させるための永久磁石からなっている場合には、その楕円率(消光比と考えてよい)は40〜50dB程度となってしまう。従ってこの場合、出射端15からの出射光に比べて−40〜−50dBの強度の光が透過光の漏れ光として入射端14から出射してしまうことになる。
【0011】
以上記した従来の光サーキュレータにおける第2の問題点は、図7に示した4端子型の光サーキュレータでも同様に生じるものである。この場合、本来入出射端18から出射する入出射端16からの順方向透過光の漏れ光が入出射端19から、入出射端19から出射する入出射端17からの順方向透過光の漏れ光が入出射端18から、それぞれ出射する。
【0012】
以上のことから、順方向透過光の光路差が存在せず、かつ順方向出射光の漏れ光が従来型の光サーキュレータに比べて低減し得る構造の光サーキュレータの開発が望まれていた。当発明は、この問題を解決しうる新しい光サーキュレータの構造を提案するものである。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、第1の複屈折結晶平板2枚、第2の複屈折結晶平板2枚、並びに第1及び第2の45°ファラデー回転子からなる光学素子部と、該光学素子部の一端側に配置された入出射端と、他端側に配置された出射端及び入射端とで構成され、前記各45°ファラデー回転子の前後に複屈折板が配置され、前記第1及び前記第2の45°ファラデー回転子の間に前記第1及び前記第2の複屈折結晶平板が配置され、前記第1の複屈折結晶平板と前記第2の複屈折結晶平板の厚さの比が1:√2−1であり、前記第1及び前記第2の45°ファラデー回転子には逆向きの磁界が印加され、ファラデー回転の向きが互いに逆向きであることを特徴とする光サーキュレータが得られる。
【0014】
【作用】
本発明の光サーキュレータにおいて、2枚のファラデー回転子は順方向と逆方向の透過光に対して非相反的に作用する。各素子での回転の向きは互いに逆向きで、その回転角はそれぞれ45°である。一方、各2枚ずつの2種類の複屈折結晶平板は異常光線と常光線に対する分離距離の比がそれぞれ1:√2−1(=tan(22.5°))に定められていて、その分離方向は45°の整数倍となっており、順方向と逆方向の透過光に対して相反的に作用する。これらの非相反的作用素子と相反的作用素子とを組み合わせることで、順方向の光に対しては、偏光に依らず同一点に出射してかつ光路長が1種類であるように選択し、一方逆方向の光に対しては順方向の透過光とは異なる光路をとるように構成する。その結果、順方向の光については、入出射端からの透過光が全て出口側の入出射端(若しくは出射端)に達することになり、また逆方向に進む光は、順方向透過光の入射口である入出射端とは異なる入出射端からその一部が出射することになる。
【0015】
【実施例】
図1〜図5を参照して本発明に係る光サーキュレータの実施例について説明する。図1は本発明の第1の実施例における光サーキュレータを構成する光学素子の構成を示した図である。光サーキュレータは、複屈折結晶平板1、ファラデー回転子5、複屈折結晶平板3、複屈折結晶平板2、ファラデー回転子6及び複屈折結晶平板4の合計6枚の光学素子で構成されている。尚、2種類の実施例を以下で示しているが、その光学素子の構成は共通である。又、2枚のファラデー回転子5,6は、永久磁石等の磁界印加手段を含んでいる。ここで各複屈折結晶平板1,2,3,4の下に図示された白抜きの矢印は、順方向入射光の異常光成分を有する異常光の分離の方向を表わしている。またファラデー回転子5,6の下に記した曲線の矢印は、透過光のファラデー回転の向きを表わしている。各複屈折結晶平板1,2,3,4の厚さ(分離距離)の比は順方向から1:√2−1:1:√2−1であり、それらの異常光成分の分離の方向(白ぬき矢印)は順方向から透過方向に向って順に垂直上方、右斜め下45°、右斜め上45°、水平左向きである。尚、順方向とは、図1において、左から右へ向かう方向である。さらに2枚のファラデー回転子5,6の回転方向(実線矢印)は同じく透過方向に向って順に左回りに45°、右回りに45°である。尚、各光学素子を貫く点線矢印は順方向の透過光の向きである。
【0016】
次に、この光学素子に透過光が入射した場合の該透過光振舞いについて、図2を参照して説明する。図2(a)は順方向の透過光が入射した場合の分離光のスポット位置に関する説明図である。なお図中の各点は各複屈折結晶平板の面内における分離光の位置(座標)を表わしている。
【0017】
複屈折結晶平板1への透過光の入射点Oで、ここで分離された2偏光のうち異常光成分が点P1へ移動する。次にファラデー回転子5を透過した後、複屈折結晶平板3にて点P1の分離光は点P2に移動する。一方、残る常光成分は点Oから移動しないが、次の複屈折結晶平板2ではこの光が異常光となるので、点Oから点P3へと移動し、ファラデー回転子6を透過した後に、複屈折結晶平板4において点P2に移動する。この間、すでに点P2に移動済の分離光成分は一貫して常光として振舞うので、点P2からの位置の移動は生じない。このため、入射した光は複屈折結晶平板4において点P2で再び合成され、分離光を減衰させずに光サーキュレータを通り抜ける。
【0018】
一方、図2(b)は逆方向の透過光が光サーキュレータに入射した場合の説明図である。ここでは逆方向の透過光が順方向の出射点と同じ位置である点P2に入射した場合を例に説明する。まず複屈折結晶平板4にて入射光は2種の偏光に分離されるが、そのうち異常光成分は次の複屈折結晶平板2を常光として、さらに複屈折結晶平板3を異常光として、そして最後の複屈折結晶平板1を常光として透過するので、その位置は点P3を経由して複屈折結晶平板1の透過後に点P4に達する。一方、複屈折結晶平板4にて分離された2偏光のうちの常光成分は、次の複屈折結晶平板2を異常光として、さらに複屈折結晶平板3を常光として、そして最後の複屈折結晶平板1を異常光として透過するので、その位置は図中の点P5を経由して複屈折結晶平板1を透過した後に最後は図中の点P6に達する。点P4および点P6は順方向の透過光の入射点であるO点とはいづれも大きく離れているので逆方向からの透過光は順方向の入射位置には全く達することができないことがわかる。これは、以下で説明する図4(b)に示された3端子光サーキュレータの出射端15から出射されて、複屈折結晶平板4で分離された2偏光の入出射端13側へ進む透過経路において、各偏光が複屈折結晶平板4,2,3及び1を透過する際、各平板の平面をx−y平面として、各偏光(分離光)の位置を示したものである。従って、前記出射端15からの透過光の常光成分の経路は、P2→P5→P6となり、異常光成分の経路はP2→P3→P4となる。
【0019】
ところで、分離された順方向の2種の偏光成分の位置の移動量の総和(点O→点P1→点P2および点O→点P3→点P2)は全く同じであり、透過した光学素子(複屈折結晶平板、ファラデー素子)それぞれの厚さの和も当然一致するので、2種の偏光の光路長の総和もまた等しいことになる。よって、当特許の光学素子の構成は前述の解決すべき問題点の趣旨に合致するものであると言える。又、逆方向に透過光が進む場合は、反射戻り光の透過損失が大きくなり、高いアイソレーションを得ることができる。
【0020】
次に、具体的な透過光の動き(振舞い)について、図4および図5を参照して説明する。図4は3端子光サーキュレータに関する例、図5は4端子光サーキュレータに関する例である。
【0021】
図4(a)は3端子光サーキュレータの構成光学素子に透過光が逆方向に入射した場合の該透過光の透過経路(振舞い)を示した図である。図4(a)に示すように入射端14及び出射端15は同じ側に配置されており、出射端15はそこを透過する透過光の全ての偏光成分をその向きによらずいずれも出射させる。入出射端13から入射した透過光は、複屈折結晶平板1にて2種の偏光、すなわち順方向透過光9b、順方向透過光9aに分離した後、ファラデー回転子5、複屈折結晶平板3、複屈折結晶平板2、ファラデー回転子6を透過し、その後、複屈折結晶平板4において再び合成されて出射端15より出射される。
【0022】
図4(b)は3端子光サーキュレータの構成光学素子には透過光が逆方向に入射した場合の該透過光の透過経路(振舞い)を示した図である。図4(b)において出射端15とは異なる位置にある入射端14から入射した透過光は、複屈折結晶平板4にて順方向の場合と同じく2種の偏光、すなわち逆方向透過光10aおよび逆方向透過光10bに分離される。その後、ファラデー回転子6、複屈折結晶平板2、複屈折結晶平板3、ファラデー回転子5、複屈折結晶平板1を順に透過して入出射端13からその一方の分離光(図では逆方向透過光10b)のみが出射し、他方の分離光(図では逆方向透過光10a)は、最終的に図中の×位置に達し、光サーキュレータ内部からは出射しない。なお入射端14の位置は、そもそも入出射端13から透過分離光の一部が出射する位置に定められたものなので、このことは当然である。又、出射端15からの透過戻り光の振舞いについては、従来例として前述した光サーキュレータの場合と同様、途中で分離された2偏光、すなわち逆偏光透過光10cおよび逆方向透過光10jの双方は、入出射端13に達することなく図の×印の点に達し、出射することができない。
【0023】
図5(a)は4端子光サーキュレータに順方向から透過した透過光の透過経路(振舞い)を示した図である。図5(a)に示すように入出射端18,19は、同じ側に配置されており、透過する透過光の全ての偏光成分をその向きによらずいずれも出射させる。入出射端16から入射した透過光は3端子光サーキュレータの場合と同様に、複屈折結晶平板1にて2種の偏光、すなわち、順方向透過光11aおよび順方向透過光11bに分離される。その後、それぞれの分離光、すなわち順方向透過光11a,11bはファラデー回転子5、複屈折結晶平板3、複屈折結晶平板2、ファラデー回転子6を順に透過して、複屈折結晶平板4において再び合成されて入出射端18より出射される。また入出射端17から透過光が入射した場合も上記同様の過程を経て、分離光、すなわち順方向透過光11c,11dは、入出射端19より出射される。
【0024】
図5(b)は4端子光サーキュレータに逆方向から入射された透過光の経路(振舞い)を示した図である。入出射端18から入射した透過光は、複屈折結晶平板4にて順方向の場合と同じく2種の偏光、すなわち逆方向透過光12aおよび逆方向透過光12bに分離される。その後、それぞれの分離光、すなわち逆方向透過光12a,12bはファラデー回転子6、複屈折結晶平板2、複屈折結晶平板3、ファラデー回転子5、複屈折結晶平板1を順に透過して入出射端16からその一方の分離光、すなわち逆方向透過光12bのみが出射し、他方の分離光、すなわち逆方向透過光12aは最終的に図中の×位置に達し、光サーキュレータ内部からは出射しない。入出射端19から逆方向の透過光が入射した場合も、上記同様にその一部、すなわち逆方向透過光12cのみが入出射端17から出射され、他方の分離光、すなわち逆方向透過光12dは光サーキュレータ内部からは出射しない。なお、図4および図5におけるファラデー回転子5,6での磁界印加の向き(矢印H)は互いに逆向きであるが、これはファラデー回転子5とファラデー回転子6におけるファラデー回転の向きが互いに逆向きであることに対応している。尚、図4(a)における複屈折結晶平板2から複屈折結晶平板4に至る点線矢印は側面から見た場合、実際は重なっているが、説明上、斜め上方から見たように図示している。図4(b)における複屈折結晶平板4から複屈折結晶平板3に至る実線矢印は側面から見た場合、実際には重なっているが、説明上、斜め上方から見たように図示している。図5(a),図5(b)においても同様である。
【0025】
次に、以上説明した本発明における3端子および4端子光サーキュレータの光学素子構成に従った、実際の光サーキュレータの構成例について示す。
【0026】
光学素子の構成が図4(a)および図4(b)の3端子光サーキュレータにおいて、複屈折結晶平板としてルチル結晶、ファラデー回転子としてビスマス置換磁性ガーネット膜および磁界印加手段としてのSm−Co永久磁石を用い、各光学素子の光透過面に無反射コートを施す。また合計3箇所の光入出射端は光ファイバ端面であり、透過光の結合のために光ファイバ端面とそれに面した光学素子との間には結合レンズを配する。透過光の波長は順方向、逆方向共に1.55μmであり、ファラデー回転子による回転角は45°、複屈折結晶平板の厚さは順方向から順に1.500mm,0.621mm,1.500mm,0.621mmである。厚い結晶と薄い結晶との比は1:√2−1であり、また各結晶での光学軸方向はその光透過面の法線に対し48°傾いていて、異常光の分離距離は最大となっている。
【0027】
使用した各素子の光学特性は以下の通りである。
【0028】
磁性ガーネット膜を用いたファラデー回転子の特性は、ファラデー回転角が44.8°、挿入損失が0.08dB、消光比が45dBである。
【0029】
ルチル結晶を用いた複屈折結晶平板の特性は、分離常光の楕円率が50dB、挿入損失が0.05〜0.1dBである。
【0030】
これらの光学素子を用いて作成された図4(a)および図4(b)に示される3端子光サーキュレータでは、順方向の挿入損失0.9dB以下、逆方向の光出射端15から光入射端13への透過戻り光の減衰量50dB以上を得た。この数値は用いた磁性ガーネット膜の消光比よりも大きく、従来のファラデー回転子を1枚のみ用いる従来の光サーキュレータにおいては全く実現できなかったものである。なお、光入射端14から光入射端13への透過光(原理的にその半分が減衰する)の挿入損失については特に測定していない。
【0031】
また同じく図5(a)および図5(b)に示される4端子光サーキュレータでも、順方向の挿入損失0.9dB以下、逆方向の光出射端18から光入射端16への透過戻り光の減衰量50dB以上を得ているる。この数値は同じく従来は全く実現できなかったものである。なお、光入射端18から光入射端17への透過光(原理的にその半分が減衰する)の挿入損失については、測定していない。
【0032】
また、図3には図1の場合とは異なる第2の実施例における光サーキュレータの光学素子構成が示されている。用いられる光学素子は、順方向(図の左側)から複屈折結晶平板1、ファラデー回転子5、複屈折結晶平板3、複屈折結晶平板2、ファラデー回転子6、複屈折結晶平板4の6枚である。各複屈折結晶平板の下に記した白抜きの矢印は、異常光成分をもつ順方向入射光の分離の方向を表わしている。またファラデー回転子の下に記した矢印は、各素子での透過光のファラデー回転子の向きを表している。各光学素子を貫く点線矢印は順方向の透過光の向きである。図1に示した光学素子の構成の代わりに上記した素子構成を用いても、全く上記同様の効果を有する光サーキュレータを構成することができる。
ただし、光学素子面内での入出射端の相対位置には若干の相違がある。
【0033】
以上説明したように、本発明の第1及び第2の実施例における光サーキュレータでは、いづれも順方向の分離2偏光の光路長が等しく、かつ逆方向の透過戻り光の光減衰量として50dB以上の数値が得られており、これらはいずれも従来の光サーキュレータでは実現し得なかったものである。従って、本発明の光サーキュレータは、今後の光通信関連等での光サーキュレータが用いられる場面では、大きな貢献が期待される。本実施例では、各複屈折結晶平板の分離距離の比は、1−√2−1:1:√2−1及び√2−1:1:√2−1:1の2つを示したが、1:1:√2−1:√2−1及び√2−1:√2−1:1:1の場合でも上記同様の効果が得られる。
【0034】
【発明の効果】
以上記した様に、特許請求の範囲の内容に基づいて、その透過時に分離・合成される入射光の光路長を等しくすることで、従来生じていた順方向透過光の出射端における透過損失の原因を除去することと、またその内部に2枚のファラデー回転子を用いることで反射戻り光の透過減衰量の向上(実施例での実測値50dB以上)を図ることができる。
【0035】
又、この光サーキュレータの使用によって、従来製品に比べて光学特性の大幅な向上を図ることができるのでとくに光通信等の、従来から光サーキュレータを必要としていながら高性能な製品が存在しないために止むなくその使用を断念していた分野において、光サーキュレータの使用が活発化し、システム全体の特性・信頼性の大幅な進歩が図られることが期待される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第一の実施例における光サーキュレータを構成する光学素子の構成を示した図である。
【図2】図2(a)は、左側から順方向の入射光が入射した場合の光学素子面内での透過光の中心の位置を示した図であり、図2(b)は、右側から逆方向の透過光が入射した場合について示した図である。
【図3】第二の実施例における光サーキュレータを構成する光学素子の構成を示した図である。
【図4】図4(a)は、図1の3端子光サーキュレータの構成光学素子に透過光が順方向に入射した場合の該透過光の透過経路について示した図であり、図4(b)は、図4(a)の入射端若しくは出射端から逆方向の透過光が入射した場合の該透過光の透過経路について示した図である。
【図5】図5(a)は、4端子光サーキュレータに順方向から透過した透過光が入射した場合の該透過光の透過経路(振舞い)について示した図であり、図5(b)は図5(a)の入出射端若しくは入出射端から逆方向の透過光が入射した場合の該透過光の透過経路について示した図である。
【図6】図6(a)は従来の3端子光サーキュレータに順方向の透過光が入射した場合の該透過光の透過経路について示した図であり、図6(b)は、図6(a)の入出射端から逆方向の透過光が入射した場合の該透過光の透過経路について示した図である。
【図7】図7(a)は従来の4端子光サーキュレータに順方向の透過光が入射した場合の該透過光の透過経路について示した図であり、図7(b)は、図7(a)の入出射端から逆方向の透過光が入射した場合の該透過光の透過経路について示した図である。
【符号の説明】
1,2,3,4,21,22,23 複屈折結晶平板
5,6,24 ファラデー回転子
9a,9b,11a,11b,11c,11d,25a,25b,27a,27b,27c,27d 順方向透過光
10a,10b,10c,10d,12a,12b,12c,12d,26a,26b,26c,26d,28a,28b,28c,28d 逆方向透過光
13,16,17,18,19 入出射端
14 入射端
15 出射端[0001]
[Industrial application fields]
The present invention is an optical circulator that changes the path of transmitted light in the forward direction and the reverse direction in optical communication and optical information processing, and in particular, operates on light in all polarization states for transmitted light in at least one direction. It relates to an optical circulator.
[0002]
[Prior art]
An optical circulator is an element that separates both forward and reverse transmitted light when performing bidirectional communication using a single optical fiber in an optical communication system, and exchanges transmitted light among a plurality of optical fibers. Used. In general, a three-terminal optical circulator is used for installing at the laser emission end to separate transmitted light in the reverse direction, and a four-terminal optical circulator is used for exchanging transmitted light between optical fibers.
[0003]
The configuration of a conventional optical circulator will be described based on the conventional examples shown in FIGS. FIG. 6A is a diagram showing a transmission path (behavior) of transmitted light when forward transmitted light enters the optical circulator from the input / output end. FIG. 6 shows an example of a three-terminal type optical circulator, and FIG. 7 shows an example of a four-terminal type optical circulator. In FIG. 6A, the optical circulator includes an input /
[0004]
On the other hand, FIG. 6B is a diagram showing a transmission path (behavior) of transmitted light when transmitted light in the reverse direction from the incident end enters the optical circulator. Incident incident light IL 2 Are classified into two types of polarized light by the birefringent crystal
[0005]
In the case of the four-terminal optical circulator shown in FIG. 7A, similarly to the above-described three-terminal optical circulator, incident light IL incident from the incident /
The remaining transmitted light separated by the birefringent crystal
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
The conventional optical circulator has the following two problems. The first problem relates to the optical path difference of transmitted light. The transmitted light from the left side to the right side (forward direction) in the figure is separated into two types of polarized light components whose polarization planes are orthogonal to each other at a halfway birefringent crystal
[0007]
When the relative thickness of the birefringent crystal
[0008]
Here, n and n ′ are the ordinary light and extraordinary light refractive indexes of the birefringent crystal flat plate, respectively.
[0009]
When n ≠ n ′, this value does not become zero, and at that time, in the optical circulator presented as a conventional example, it can be seen that the optical path lengths of the polarization components separated from the transmitted light in the forward direction do not coincide with each other. If this transmitted light is parallel light, there is no problem, but in a general application, a condensing lens (not shown) is installed between the incident /
Normally, in addition to the above-mentioned lens, another condensing lens is often used between the birefringent crystal
[0010]
The second problem relates to the ability to separate transmitted light. Originally, in FIG. 6A, the transmitted light in the forward direction is emitted only from the emission end 15 and is not emitted from the adjacent incident end 14 at all. However, in practice, the two separated two polarized lights are each elliptically polarized while passing through the
[0011]
The second problem in the conventional optical circulator described above is similarly caused in the four-terminal optical circulator shown in FIG. In this case, the leakage light of the forward transmitted light from the incident /
[0012]
From the above, there has been a demand for the development of an optical circulator having a structure in which there is no optical path difference of forward transmitted light and the leakage light of forward emitted light can be reduced as compared with a conventional optical circulator. The present invention proposes a new optical circulator structure that can solve this problem.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, an optical element unit comprising two first birefringent crystal flat plates, two second birefringent crystal flat plates, and first and second 45 ° Faraday rotators, It is composed of an incident / exit end disposed on one end side, an exit end and an incident end disposed on the other end side, A birefringent plate is disposed before and after each 45 ° Faraday rotator, and the first and second birefringent crystal plates are disposed between the first and second 45 ° Faraday rotators, The first birefringent crystal flat plate and the second birefringent crystal flat plate; thickness Ratio is 1: √2-1, A reverse magnetic field is applied to the first and second 45 ° Faraday rotators, and Faraday rotation is performed. An optical circulator characterized in that the directions are opposite to each other is obtained.
[0014]
[Action]
In the optical circulator of the present invention, the two Faraday rotators act nonreciprocally with respect to transmitted light in the forward direction and in the reverse direction. The direction of rotation of each element is opposite to each other, and the rotation angle is 45 °. On the other hand, the two types of birefringent crystal flat plates, each having two sheets, have a ratio of separation distance between extraordinary rays and ordinary rays set to 1: √2-1 (= tan (22.5 °)), respectively. The separation direction is an integral multiple of 45 °, and acts reciprocally on transmitted light in the forward direction and the reverse direction. By combining these non-reciprocal working elements and reciprocal working elements, for forward light, it is selected so that it emits to the same point regardless of polarization and has one type of optical path length, On the other hand, the light in the reverse direction is configured to take a different optical path from the transmitted light in the forward direction. As a result, for the forward light, all the transmitted light from the input / output end reaches the input / output end (or output end) on the exit side, and the light traveling in the reverse direction is incident on the forward transmitted light. A part of the light is emitted from an incoming / outgoing end different from the incoming / outgoing end which is a mouth.
[0015]
【Example】
An embodiment of an optical circulator according to the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a diagram showing the configuration of an optical element constituting the optical circulator in the first embodiment of the present invention. The optical circulator is composed of a total of six optical elements: a birefringent crystal flat plate 1, a
[0016]
Next, the transmitted light behavior when transmitted light is incident on the optical element will be described with reference to FIG. FIG. 2A is an explanatory diagram regarding the spot position of the separated light when forward transmitted light is incident. Each point in the figure represents the position (coordinates) of the separated light in the plane of each birefringent crystal flat plate.
[0017]
At the incident point O of the transmitted light to the birefringent crystal flat plate 1, the extraordinary light component of the two polarized lights separated here moves to the point P1. Next, after passing through the
[0018]
On the other hand, FIG. 2B is an explanatory diagram when transmitted light in the reverse direction enters the optical circulator. Here, the case where the transmitted light in the reverse direction is incident on the point P2 at the same position as the emission point in the forward direction will be described as an example. First, incident light is separated into two kinds of polarized light by the birefringent crystal
[0019]
By the way, the total of the movement amounts of the two separated polarization components in the forward direction (point O → point P1 → point P2 and point O → point P3 → point P2) is exactly the same, and the transmitted optical element ( Since the sum of the thicknesses of the birefringent crystal flat plate and the Faraday element naturally matches, the sum of the optical path lengths of the two types of polarized light is also equal. Therefore, it can be said that the configuration of the optical element of this patent is consistent with the above-mentioned problem to be solved. Further, when the transmitted light travels in the opposite direction, the transmission loss of the reflected return light increases, and high isolation can be obtained.
[0020]
Next, specific movement (behavior) of transmitted light will be described with reference to FIGS. FIG. 4 shows an example related to a three-terminal optical circulator, and FIG. 5 shows an example related to a four-terminal optical circulator.
[0021]
FIG. 4A is a diagram showing a transmission path (behavior) of transmitted light when transmitted light is incident on the constituent optical elements of the three-terminal optical circulator in the reverse direction. As shown in FIG. 4A, the entrance end 14 and the exit end 15 are arranged on the same side, and the exit end 15 emits all the polarization components of the transmitted light passing therethrough regardless of the direction. . The transmitted light incident from the incident /
[0022]
FIG. 4B is a diagram showing a transmission path (behavior) of transmitted light when transmitted light is incident on the constituent optical elements of the three-terminal optical circulator in the reverse direction. In FIG. 4B, the transmitted light incident from the incident end 14 at a position different from the output end 15 is two types of polarized light, that is, the reverse direction transmitted light 10a and the birefringent crystal
[0023]
FIG. 5A is a diagram showing a transmission path (behavior) of transmitted light transmitted from the forward direction to the four-terminal optical circulator. As shown in FIG. 5A, the incident / exit ends 18 and 19 are arranged on the same side, and emit all the polarized components of transmitted light to be transmitted regardless of their directions. As in the case of the three-terminal optical circulator, the transmitted light incident from the input /
[0024]
FIG. 5B is a diagram showing a path (behavior) of transmitted light incident on the four-terminal optical circulator from the reverse direction. The transmitted light incident from the incident /
[0025]
Next, a configuration example of an actual optical circulator according to the optical element configuration of the three-terminal and four-terminal optical circulator in the present invention described above will be shown.
[0026]
In the three-terminal optical circulator shown in FIGS. 4A and 4B, the optical element has a rutile crystal as a birefringent crystal plate, a bismuth-substituted magnetic garnet film as a Faraday rotator, and Sm-Co permanent as a magnetic field applying means. Using a magnet, a non-reflective coating is applied to the light transmission surface of each optical element. In addition, a total of three light incident / exit ends are optical fiber end faces, and coupling lenses are disposed between the optical fiber end faces and the optical elements facing the optical fiber end faces for coupling of transmitted light. The wavelength of transmitted light is 1.55 μm in both forward and reverse directions, the rotation angle by the Faraday rotator is 45 °, and the thickness of the birefringent crystal plate is 1.500 mm, 0.621 mm, 1.500 mm in order from the forward direction. 0.621 mm. The ratio of the thick crystal to the thin crystal is 1: √2-1, and the optical axis direction of each crystal is inclined by 48 ° with respect to the normal of the light transmission surface, and the separation distance of the extraordinary light is maximum. It has become.
[0027]
The optical characteristics of each element used are as follows.
[0028]
The characteristics of a Faraday rotator using a magnetic garnet film are a Faraday rotation angle of 44.8 °, an insertion loss of 0.08 dB, and an extinction ratio of 45 dB.
[0029]
The characteristics of the birefringent crystal flat plate using rutile crystal are that the ellipticity of separated ordinary light is 50 dB and the insertion loss is 0.05 to 0.1 dB.
[0030]
In the three-terminal optical circulator shown in FIGS. 4A and 4B made using these optical elements, forward insertion loss is 0.9 dB or less, and light is incident from the light emitting end 15 in the reverse direction. Attenuation of 50 dB or more of return light transmitted to the
[0031]
Similarly, in the four-terminal optical circulator shown in FIGS. 5A and 5B, the insertion loss of the forward direction is 0.9 dB or less, and the transmitted return light from the
[0032]
FIG. 3 shows an optical element configuration of an optical circulator in a second embodiment different from the case of FIG. The optical elements used are six from the forward direction (left side of the figure): a birefringent crystal flat plate 1, a
However, there is a slight difference in the relative position of the incident / exit end within the optical element surface.
[0033]
As described above, in the optical circulators according to the first and second embodiments of the present invention, the optical path lengths of the separated two polarized light beams in the forward direction are equal and the optical attenuation amount of the transmitted light in the reverse direction is 50 dB or more. These values are obtained, and none of these can be realized by a conventional optical circulator. Accordingly, the optical circulator according to the present invention is expected to make a great contribution in the future use of the optical circulator for optical communication and the like. In this example, the ratio of the separation distance of each birefringent crystal flat plate was two: 1-√2-1: 1: √2-1 and √2-1: 1: √2-1: 1. However, even in the case of 1: 1: √2-1: √2-1 and √2-1: √2-1: 1: 1, the same effect as described above can be obtained.
[0034]
【The invention's effect】
As described above, based on the content of the claims, by making the optical path length of the incident light separated and combined at the time of transmission equal, the transmission loss at the outgoing end of the forward transmission light that has conventionally occurred can be reduced. By removing the cause and using two Faraday rotators in the interior, it is possible to improve the transmission attenuation of the reflected return light (measured value of 50 dB or more in the embodiment).
[0035]
In addition, the use of this optical circulator can greatly improve the optical characteristics compared to conventional products, so there is no high-performance product that has conventionally required an optical circulator, such as optical communication. It is expected that the use of optical circulators will become more active in the field where the use has been abandoned, and the characteristics and reliability of the entire system will be greatly improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an optical element constituting an optical circulator in a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 (a) is a diagram showing the position of the center of transmitted light within the optical element surface when forward light is incident from the left side, and FIG. 2 (b) is the right side. It is the figure shown about the case where the transmitted light of the reverse direction enters from.
FIG. 3 is a diagram showing a configuration of an optical element constituting the optical circulator in the second embodiment.
4A is a diagram showing a transmission path of transmitted light when transmitted light is incident on the constituent optical elements of the three-terminal optical circulator of FIG. 1 in the forward direction; FIG. FIG. 4B is a diagram illustrating a transmission path of transmitted light when transmitted light in the reverse direction is incident from the incident end or the output end of FIG.
FIG. 5A is a diagram showing a transmission path (behavior) of transmitted light when transmitted light transmitted from the forward direction enters the four-terminal optical circulator, and FIG. FIG. 6 is a view showing a transmission path of transmitted light when transmitted light in the reverse direction is incident from the incident / exit end or the incident / exit end of FIG.
6A is a diagram showing a transmission path of transmitted light when forward transmitted light is incident on a conventional three-terminal optical circulator; FIG. 6B is a diagram illustrating FIG. It is the figure shown about the permeation | transmission path | route of this transmitted light when the transmitted light of the reverse direction injects from the entrance / exit end of a).
7A is a diagram showing a transmission path of transmitted light when forward transmitted light is incident on a conventional four-terminal optical circulator, and FIG. 7B is a diagram illustrating FIG. It is the figure shown about the permeation | transmission path | route of this transmitted light when the transmitted light of the reverse direction injects from the entrance / exit end of a).
[Explanation of symbols]
1,2,3,4,21,22,23 Birefringent crystal flat plate
5, 6, 24 Faraday rotator
9a, 9b, 11a, 11b, 11c, 11d, 25a, 25b, 27a, 27b, 27c, 27d Forward transmitted light
10a, 10b, 10c, 10d, 12a, 12b, 12c, 12d, 26a, 26b, 26c, 26d, 28a, 28b, 28c, 28d Reverse transmitted light
13, 16, 17, 18, 19 Input / output end
14 Incident end
15 Output end
Claims (6)
前記各45°ファラデー回転子の前後に複屈折板が配置され、
前記第1及び前記第2の45°ファラデー回転子の間に前記第1及び前記第2の複屈折結晶平板が配置され、
前記第1の複屈折結晶平板と前記第2の複屈折結晶平板の厚さの比が1:√2−1であり、前記第1及び前記第2の45°ファラデー回転子には逆向きの磁界が印加され、ファラデー回転の向きが互いに逆向きであることを特徴とする光サーキュレータ。An optical element portion comprising two first birefringent crystal flat plates, two second birefringent crystal flat plates, and first and second 45 ° Faraday rotators, and one end side of the optical element portion It is composed of an entrance and exit end, an exit end and an entrance end arranged on the other end side,
Birefringent plates are arranged before and after each 45 ° Faraday rotator,
The first and second birefringent crystal plates are disposed between the first and second 45 ° Faraday rotators;
The thickness ratio of the first birefringent crystal flat plate and the second birefringent crystal flat plate is 1: √2-1, and the first and second 45 ° Faraday rotators are opposite to each other. An optical circulator, wherein a magnetic field is applied and the directions of Faraday rotation are opposite to each other.
前記各45°ファラデー回転子の前後に複屈折板が配置され、
前記第1及び前記第2の45°ファラデー回転子の間に前記第1及び前記第2の複屈折結晶平板が配置され、
前記第1の複屈折結晶平板と前記第2の複屈折結晶平板の厚さの比が1:√2−1であり、前記第1及び前記第2の45°ファラデー回転子には逆向きの磁界が印加され、ファラデー回転の向きが互いに逆向きであることを特徴とする光サーキュレータ。An optical element portion comprising two first birefringent crystal flat plates, two second birefringent crystal flat plates, and first and second 45 ° Faraday rotators, and one end side of the optical element portion The first and second input / output ends, and the third and fourth input / output ends arranged on the other end side,
Birefringent plates are arranged before and after each 45 ° Faraday rotator,
The first and second birefringent crystal plates are disposed between the first and second 45 ° Faraday rotators;
The thickness ratio of the first birefringent crystal flat plate and the second birefringent crystal flat plate is 1: √2-1, and the first and second 45 ° Faraday rotators are opposite to each other. An optical circulator, wherein a magnetic field is applied and the directions of Faraday rotation are opposite to each other.
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