偏波合成分離装置
【課題】高い光結合効率を有することができる偏波合成分離装置を提供する。
【解決手段】偏波合成分離装置１Ａは、複屈折材料１１、半波長板１５、複屈折材料１２、レンズ１６および透明平板１７を備える。複屈折材料１１は、ポートＰ１に入出力する直線偏光の光を常光として伝搬させるとともに、ポートＰ２に入出力する直線偏光の光を異常光として伝搬させる。複屈折材料１２は、ポートＰ１に入出力する直線偏光の光を異常光として伝搬させるとともに、ポートＰ２に入出力する直線偏光の光を常光として伝搬させる。レンズ１６は、ポートＰ１，Ｐ２それぞれからの光をポートＰ３に集光し、ポートＰ３からの光をポートＰ１，Ｐ２それぞれに集光する。
【解決手段】偏波合成分離装置１Ａは、複屈折材料１１、半波長板１５、複屈折材料１２、レンズ１６および透明平板１７を備える。複屈折材料１１は、ポートＰ１に入出力する直線偏光の光を常光として伝搬させるとともに、ポートＰ２に入出力する直線偏光の光を異常光として伝搬させる。複屈折材料１２は、ポートＰ１に入出力する直線偏光の光を異常光として伝搬させるとともに、ポートＰ２に入出力する直線偏光の光を常光として伝搬させる。レンズ１６は、ポートＰ１，Ｐ２それぞれからの光をポートＰ３に集光し、ポートＰ３からの光をポートＰ１，Ｐ２それぞれに集光する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光の偏波合成または偏波分離を行う偏波合成分離装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光の偏波合成または偏波分離を行う偏波合成分離装置は、互いに直交する第１方位および第２方位それぞれの直線偏光の光を第１ポートおよび第２ポートに入力される光を複屈折材料により偏波合成して、その偏波合成した光を第３ポートから出力することができる。また、偏波合成分離装置は、第３ポートに入力される光を複屈折材料により偏波分離して、その偏波分離で得られた第１方位の直線偏光の光を第１ポートから出力するとともに、第２方位の直線偏光の光を第２ポートから出力することができる。
【０００３】
第１ポートおよび第２ポートには、光の偏光状態を維持して該光を伝搬させることができる偏波保持光ファイバや平面光導波路の端面が位置している。第３ポートには、光ファイバや平面光導波路の端面が位置している。このような場合、入力ポート（光ファイバまたは平面光導波路の端面位置）に入力した光は発散するので、その発散光はレンズにより収斂されて出力ポート（光ファイバまたは平面光導波路の端面位置）に集光される。
【０００４】
特許文献１に開示された発明の偏波合成分離装置は、第１ポートおよび第２ポートと複屈折材料との間にはレンズが設けられることなく、第３ポートと複屈折材料との間のみにレンズが設けられている。これにより、この偏波合成分離装置は小型化が図られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−１３１５５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に開示された発明の偏波合成分離装置は、第１ポートおよび第２ポートと第３ポートとの間の光結合効率が低いという問題点を有している。
【０００７】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、高い光結合効率を有することができる偏波合成分離装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の偏波合成分離装置は、互いに直交する第１方位および第２方位それぞれの直線偏光の光を第１ポートおよび第２ポートに入力し偏波合成して第３ポートから出力し、第３ポートに入力される光を偏波分離して第１方位の直線偏光の光を第１ポートから出力するとともに第２方位の直線偏光の光を第２ポートから出力する偏波合成分離装置であって、第１ポートおよび第２ポートから第３ポートへ向かう光路に沿って順に設けられた第１複屈折材料，半波長板，第２複屈折材料およびレンズを備え、第１複屈折材料の結晶軸の方位と第２複屈折材料の結晶軸の方位とが互いに異なり、第１複屈折材料が、第１ポートに入出力する直線偏光の光を常光として伝搬させるとともに、第２ポートに入出力する直線偏光の光を異常光として伝搬させ、第２複屈折材料が、第１ポートに入出力する直線偏光の光を異常光として伝搬させるとともに、第２ポートに入出力する直線偏光の光を常光として伝搬させ、レンズが、第１ポートおよび第２ポートそれぞれからの光を第３ポートに集光し、第３ポートからの光を第１ポートおよび第２ポートそれぞれに集光することを特徴とする。
【０００９】
本発明の偏波合成分離装置は、第１複屈折材料および第２複屈折材料それぞれが、互いに同じ結晶からなり、光軸と結晶軸とがなす角度が互いに同じであり、厚みが互いに同じであるのが好適である。第２複屈折材料と第３ポートとの間の光軸に垂直な面に対してレンズが傾斜して配置されているのが好適である。また、第２複屈折材料と第３ポートとの間の光路上に設けられ、その光軸に垂直な平面に対して主面が傾斜して配置された透明平板を更に備えるのが好適である。
【００１０】
また、他の本発明の偏波合成分離装置は、互いに直交する第１方位および第２方位それぞれの直線偏光の光を第１ポートおよび第２ポートに入力し偏波合成して第３ポートから出力し、第３ポートに入力される光を偏波分離して第１方位の直線偏光の光を第１ポートから出力するとともに第２方位の直線偏光の光を第２ポートから出力する偏波合成分離装置であって、第１ポートおよび第２ポートから第３ポートへ向かう光路に沿って順に設けられた第１複屈折材料，第２複屈折材料およびレンズを備え、第１複屈折材料および第２複屈折材料のうち一方が正結晶であって他方が負結晶であり、第１複屈折材料が、第１ポートに入出力する直線偏光の光を異常光として伝搬させるとともに、第２ポートに入出力する直線偏光の光を常光として伝搬させ、第２複屈折材料が、第１ポートに入出力する直線偏光の光を異常光として伝搬させるとともに、第２ポートに入出力する直線偏光の光を常光として伝搬させ、レンズが、第１ポートおよび第２ポートそれぞれからの光を第３ポートに集光し、第３ポートからの光を第１ポートおよび第２ポートそれぞれに集光することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の偏波合成分離装置は、高い光結合効率を有することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】比較例の偏波合成分離装置１の構成図である。
【図２】比較例の偏波合成分離装置１の光結合効率特性を示すグラフである。
【図３】第１実施形態の偏波合成分離装置１Ａの構成図である。
【図４】第２実施形態の偏波合成分離装置１Ｂの構成図である。
【図５】第３実施形態の偏波合成分離装置１Ｃの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、初めに比較例について説明し、その後に本実施形態について説明する。
【００１４】
図１は、比較例の偏波合成分離装置１の構成図である。この偏波合成分離装置１は、複屈折材料１０、レンズ１６および透明平板１７を備える。偏波合成分離装置１は、ポートＰ１（平面光導波路２１の端面位置）に第１方位の直線偏光の光を入力するとともに、ポートＰ２（平面光導波路２２の端面位置）に第２方位の直線偏光の光を入力し、これらの光を複屈折材料１０により偏波合成して、その偏波合成した光をポートＰ３（光ファイバ２３の端面位置）から出力することができる。また、偏波合成分離装置１は、ポートＰ３に入力される光を複屈折材料１０により偏波分離して、その偏波分離で得られた第１方位の直線偏光の光をポートＰ１から出力するとともに、第２方位の直線偏光の光をポートＰ２から出力することができる。
【００１５】
複屈折材料１０は、ポートＰ１に入出力する直線偏光の光を常光として伝搬させるとともに、ポートＰ２に入出力する直線偏光の光を異常光として伝搬させる。複屈折材料１０は、例えば、ルチル（ＴｉＯ２）、方解石（ＣａＣＯ３）、ＹＶＯ４およびＢＢＯ等の結晶からなる。複屈折材料１０の２つの主面は、互いに平行であり、光軸に直交している。複屈折材料１０の結晶軸は光軸に対して角度θだけ傾斜している。
【００１６】
レンズ１６は、ポートＰ３と複屈折材料１０との間に設けられている。このレンズ１６は、ポートＰ１，Ｐ２それぞれから到達した発散光を収斂させてポートＰ３に集光する。また、レンズ１６は、ポートＰ３から到達した発散光を収斂させてポートＰ１，Ｐ２それぞれに集光する。なお、ポートＰ１，Ｐ２と複屈折材料１０との間にはレンズが設けられていない。ポートＰ１，Ｐ２と複屈折材料１０とは、互いに接していてもよいし、離間していてもよい。
【００１７】
透明平板１７は、複屈折性を有しない材料（例えばサファイア）からなり、ポートＰ３とレンズ１６との間に設けられている。透明平板１７は、互いに平行な２つの主面を有する。透明平板１７の２つの主面は、光軸に対して直交していてもよいし、光軸に垂直な平面に対して傾斜していてもよい。
【００１８】
このように構成される偏波合成分離装置１において偏波分離が行われる場合について以下に考える。ポートＰ３に入力されレンズ１６により収斂されて複屈折材料１０に入力された光は、複屈折材料１０において、常光として伝搬する直線偏光の光と、異常光として伝搬する直線偏光の光と、に分離される。複屈折材料１０において、常光は光軸に平行に伝搬するのに対して、異常光は光軸に対して斜めに伝搬する。また、常光および異常光それぞれに対する複屈折材料１０の屈折率は互いに異なる。したがって、常光として伝搬する直線偏光の光と、異常光として伝搬する直線偏光の光とでは、光軸に垂直な方向について集光位置が互いに異なるだけでなく、光軸の方向についても集光位置が互いに異なる。
【００１９】
ここで、光ファイバ２３の端面から出射されポート３に入力される光の波長を１.５５μｍとし、その出射時の光のモードフィールド径を１０.５μｍとする。複屈折材料１０はルチルからなり、複屈折材料１０の結晶軸は光軸に対して４５度だけ傾斜しているとする。常光として伝搬する直線偏光の光と、異常光として伝搬する直線偏光の光とで、光軸に垂直な方向について集光位置を１２７μｍだけ離間させるには、複屈折材料１０は厚み１.３ｍｍを有する必要がある。この場合の偏波合成分離装置１の光結合効率特性が図２に示されている。
【００２０】
図２は、比較例の偏波合成分離装置１の光結合効率特性を示すグラフである。常光および異常光それぞれの光結合効率特性が示されている。横軸は、複屈折材料１０とレンズ１６との間の距離を表す。常光および異常光それぞれの光結合効率が互いに等しくなる距離が基準（ｚ＝０）とされている。例えば、ｚ＝−５０μｍの距離は、複屈折材料１０とレンズ１６との間の距離が基準より５０μｍだけ短いことを表す。この図から判るように、常光と異常光とでは、光結合効率が最大となる距離ｚは互いに約５０μｍだけ異なっている。基準位置では、常光および異常光それぞれの光結合効率は７４％である。この比較例の偏波合成分離装置１と比較して、以下に説明する本実施形態の偏波合成分離装置は高い光結合効率を有することができる。
【００２１】
図３は、第１実施形態の偏波合成分離装置１Ａの構成図である。図１に示された比較例の偏波合成分離装置１の構成と比較すると、この図３に示される第１実施形態の偏波合成分離装置１Ａは、複屈折材料１０に替えて、複屈折材料１１，１２および半波長板１５を備える点で相違する。透明平板１７の２つの主面は、光軸に対して直交している。
【００２２】
複屈折材料１１，１２および半波長板１５それぞれの２つの主面は、互いに平行であり、光軸に直交している。複屈折材料１１と複屈折材料１２との間に半波長板１５が配置されている。これらは互いに接していなくてもよい。複屈折材料１１および複屈折材料１２それぞれの結晶軸は、光軸に対して傾斜しており、方位が互いに異なる。複屈折材料１１および複屈折材料１２それぞれは、互いに同じ結晶からなり、光軸と結晶軸とがなす角度が互いに同じであり、厚みが互いに同じであってもよい。
【００２３】
複屈折材料１１は、ポートＰ１に入出力する直線偏光の光を常光として伝搬させるとともに、ポートＰ２に入出力する直線偏光の光を異常光として伝搬させる。複屈折材料１２は、ポートＰ１に入出力する直線偏光の光を異常光として伝搬させるとともに、ポートＰ２に入出力する直線偏光の光を常光として伝搬させる。レンズ１６は、ポートＰ１，Ｐ２それぞれからの光をポートＰ３に集光し、ポートＰ３からの光をポートＰ１，Ｐ２それぞれに集光する。
【００２４】
このように構成される偏波合成分離装置１Ａにおいて偏波分離が行われる場合について以下に考える。ポートＰ３に入力されレンズ１６により収斂されて複屈折材料１２に入力された光は、複屈折材料１２において、常光として伝搬する直線偏光の光と、異常光として伝搬する直線偏光の光と、に分離される。複屈折材料１２において、常光は光軸に平行に伝搬するのに対して、異常光は光軸に対して斜めに伝搬する。
【００２５】
複屈折材料１２の後に半波長板１５を経て複屈折材料１１に入力される光は、半波長板１５により直線偏光の方位が９０度だけ異なったものとなる。したがって、複屈折材料１２において常光として伝搬した直線偏光の光は、複屈折材料１１において異常光として伝搬する。また、複屈折材料１２において異常光として伝搬した直線偏光の光は、複屈折材料１１において常光として伝搬する。複屈折材料１１において、常光は光軸に平行に伝搬するのに対して、異常光は光軸に対して斜めに伝搬する。ここで、複屈折材料１２における異常光の伝搬方向と、複屈折材料１１における異常光の伝搬方向とは、光軸に対して互いに反対の方向である。
【００２６】
したがって、互いに直交する２つの直線偏光の光それぞれは、複屈折材料１１，１２の双方において光軸に垂直な方向に離れていく。また、互いに直交する２つの直線偏光の光それぞれは、複屈折材料１１，１２のうち一方の複屈折材料では常光として伝搬し、他方の複屈折材料では異常光として伝搬するので、光軸の方向について同じ集光位置を有することができる。
【００２７】
ここで、光ファイバ２３の端面から出射されポート３に入力される光の波長を１.５５μｍとし、その出射時の光のモードフィールド径を１０.５μｍとする。複屈折材料１１，１２それぞれは厚み０.６５ｍｍのルチルからなるとする。複屈折材料１１，１２それぞれの結晶軸は、光軸に対して４５度だけ傾斜していて光軸に対して対称な方位であるとする。このとき、互いに直交する２つの直線偏光の光の集光位置の間隔（すなわち、ポートＰ１，Ｐ２の間の間隔）は１２７μｍとなる。また、互いに直交する２つの直線偏光の光の光軸方向の集光位置は互いに同じであり、両光の光結合効率は９４％である。
【００２８】
図４は、第２実施形態の偏波合成分離装置１Ｂの構成図である。図３に示された第１実施形態の偏波合成分離装置１Ａの構成と比較すると、この図４に示される第２実施形態の偏波合成分離装置１Ｂは、光軸に垂直な平面に対して透明平板１７の主面が傾斜している点で相違する。
【００２９】
複屈折材料１１，１２において異常光は光軸に対して斜めに伝搬することから、非点収差等が発生し、これがロスの原因となる。本実施形態は、光軸に垂直な平面に対して透明平板１７の主面が傾斜していることにより、この非点収差を補正することができる。透明平板１７は、例えば厚さ０.２８ｍｍのサファイア板であり、光軸に垂直な平面に対して主面が３０度だけ傾斜して配置される。これにより、互いに直交する２つの直線偏光の光それぞれの光結合効率は９７％まで上昇する。
【００３０】
なお、透明平板１７の傾斜は、この図のように平面内だけでなく、上下にあおってもよい。また、レンズ１６を傾けても同様な効果が得られる。
【００３１】
図５は、第３実施形態の偏波合成分離装置１Ｃの構成図である。図１に示された比較例の偏波合成分離装置１の構成と比較すると、この図５に示される第３実施形態の偏波合成分離装置１Ｃは、複屈折材料１０に替えて、複屈折材料１３，１４を備える点で相違する。偏波合成分離装置１Ｃは半波長板を備えていない。
【００３２】
複屈折材料１３，１４それぞれの２つの主面は、互いに平行であり、光軸に直交している。複屈折材料１３と複屈折材料１４とは互いに接していなくてもよい。複屈折材料１３は負結晶であり、複屈折材料１４は正結晶である。なお、正結晶とは、異常光の屈折率より常光の屈折率が小さい結晶である。また、複屈折材料１３を正結晶とし複屈折材料１４を負結晶としても良い。
【００３３】
複屈折材料１３は、ポートＰ１に入出力する直線偏光の光を異常光として伝搬させるとともに、ポートＰ２に入出力する直線偏光の光を常光として伝搬させる。複屈折材料１４は、ポートＰ１に入出力する直線偏光の光を異常光として伝搬させるとともに、ポートＰ２に入出力する直線偏光の光を常光として伝搬させる。レンズ１６は、ポートＰ１，Ｐ２それぞれからの光をポートＰ３に集光し、ポートＰ３からの光をポートＰ１，Ｐ２それぞれに集光する。
【００３４】
複屈折材料の結晶軸と光軸とがなす角度をθとし、複屈折材料の厚みをｔとし、常光の屈折率をｎｏとし、異常光の屈折率をｎｅとする。このとき、光軸に垂直な方向の常光と異常光との間隔Δｙは下記（１）式で表される。また、光軸方向の常光と異常光との集光位置のズレ量Δｆは下記（２）式で表される。異種の複屈折材料１３，１４を組み合わせる場合は、各複屈折材料のΔｙの和が所望の値になり、かつ、各複屈折材料のΔｆの和が０になるよう、各複屈折材料の厚みｔや軸角度θを決定すればよい。
【００３５】
【数１】
【００３６】
【数２】
【００３７】
本実施形態では、光ファイバ２３の端面から出射されポート３に入力される光の波長を１.５５μｍとし、その出射時の光のモードフィールド径を１０.５μｍとする。複屈折材料１４は厚み０.８２２ｍｍで軸角度４５度のルチルであるとする。複屈折材料１３は厚み０.４７０ｍｍで軸角度４５度の方解石であるとする。ただし、複屈折材料１３，１４それぞれの結晶軸は、光軸に対して対称な方位であるとする。このとき、互いに直交する２つの直線偏光の光の集光位置の間隔（すなわち、ポートＰ１，Ｐ２の間の間隔）は１２７μｍとなる。また、互いに直交する２つの直線偏光の光の光軸方向の集光位置は互いに同じであり、両光の光結合効率は９７％である。
【符号の説明】
【００３８】
１，１Ａ〜１Ｃ…偏波合成分離装置、１０〜１４…複屈折材料、１５…半波長板、１６…レンズ、１７…透明平板、２１，２２…平面光導波路、２３…光ファイバ、Ｐ１〜Ｐ３…ポート。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光の偏波合成または偏波分離を行う偏波合成分離装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光の偏波合成または偏波分離を行う偏波合成分離装置は、互いに直交する第１方位および第２方位それぞれの直線偏光の光を第１ポートおよび第２ポートに入力される光を複屈折材料により偏波合成して、その偏波合成した光を第３ポートから出力することができる。また、偏波合成分離装置は、第３ポートに入力される光を複屈折材料により偏波分離して、その偏波分離で得られた第１方位の直線偏光の光を第１ポートから出力するとともに、第２方位の直線偏光の光を第２ポートから出力することができる。
【０００３】
第１ポートおよび第２ポートには、光の偏光状態を維持して該光を伝搬させることができる偏波保持光ファイバや平面光導波路の端面が位置している。第３ポートには、光ファイバや平面光導波路の端面が位置している。このような場合、入力ポート（光ファイバまたは平面光導波路の端面位置）に入力した光は発散するので、その発散光はレンズにより収斂されて出力ポート（光ファイバまたは平面光導波路の端面位置）に集光される。
【０００４】
特許文献１に開示された発明の偏波合成分離装置は、第１ポートおよび第２ポートと複屈折材料との間にはレンズが設けられることなく、第３ポートと複屈折材料との間のみにレンズが設けられている。これにより、この偏波合成分離装置は小型化が図られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−１３１５５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に開示された発明の偏波合成分離装置は、第１ポートおよび第２ポートと第３ポートとの間の光結合効率が低いという問題点を有している。
【０００７】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、高い光結合効率を有することができる偏波合成分離装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の偏波合成分離装置は、互いに直交する第１方位および第２方位それぞれの直線偏光の光を第１ポートおよび第２ポートに入力し偏波合成して第３ポートから出力し、第３ポートに入力される光を偏波分離して第１方位の直線偏光の光を第１ポートから出力するとともに第２方位の直線偏光の光を第２ポートから出力する偏波合成分離装置であって、第１ポートおよび第２ポートから第３ポートへ向かう光路に沿って順に設けられた第１複屈折材料，半波長板，第２複屈折材料およびレンズを備え、第１複屈折材料の結晶軸の方位と第２複屈折材料の結晶軸の方位とが互いに異なり、第１複屈折材料が、第１ポートに入出力する直線偏光の光を常光として伝搬させるとともに、第２ポートに入出力する直線偏光の光を異常光として伝搬させ、第２複屈折材料が、第１ポートに入出力する直線偏光の光を異常光として伝搬させるとともに、第２ポートに入出力する直線偏光の光を常光として伝搬させ、レンズが、第１ポートおよび第２ポートそれぞれからの光を第３ポートに集光し、第３ポートからの光を第１ポートおよび第２ポートそれぞれに集光することを特徴とする。
【０００９】
本発明の偏波合成分離装置は、第１複屈折材料および第２複屈折材料それぞれが、互いに同じ結晶からなり、光軸と結晶軸とがなす角度が互いに同じであり、厚みが互いに同じであるのが好適である。第２複屈折材料と第３ポートとの間の光軸に垂直な面に対してレンズが傾斜して配置されているのが好適である。また、第２複屈折材料と第３ポートとの間の光路上に設けられ、その光軸に垂直な平面に対して主面が傾斜して配置された透明平板を更に備えるのが好適である。
【００１０】
また、他の本発明の偏波合成分離装置は、互いに直交する第１方位および第２方位それぞれの直線偏光の光を第１ポートおよび第２ポートに入力し偏波合成して第３ポートから出力し、第３ポートに入力される光を偏波分離して第１方位の直線偏光の光を第１ポートから出力するとともに第２方位の直線偏光の光を第２ポートから出力する偏波合成分離装置であって、第１ポートおよび第２ポートから第３ポートへ向かう光路に沿って順に設けられた第１複屈折材料，第２複屈折材料およびレンズを備え、第１複屈折材料および第２複屈折材料のうち一方が正結晶であって他方が負結晶であり、第１複屈折材料が、第１ポートに入出力する直線偏光の光を異常光として伝搬させるとともに、第２ポートに入出力する直線偏光の光を常光として伝搬させ、第２複屈折材料が、第１ポートに入出力する直線偏光の光を異常光として伝搬させるとともに、第２ポートに入出力する直線偏光の光を常光として伝搬させ、レンズが、第１ポートおよび第２ポートそれぞれからの光を第３ポートに集光し、第３ポートからの光を第１ポートおよび第２ポートそれぞれに集光することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の偏波合成分離装置は、高い光結合効率を有することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】比較例の偏波合成分離装置１の構成図である。
【図２】比較例の偏波合成分離装置１の光結合効率特性を示すグラフである。
【図３】第１実施形態の偏波合成分離装置１Ａの構成図である。
【図４】第２実施形態の偏波合成分離装置１Ｂの構成図である。
【図５】第３実施形態の偏波合成分離装置１Ｃの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、初めに比較例について説明し、その後に本実施形態について説明する。
【００１４】
図１は、比較例の偏波合成分離装置１の構成図である。この偏波合成分離装置１は、複屈折材料１０、レンズ１６および透明平板１７を備える。偏波合成分離装置１は、ポートＰ１（平面光導波路２１の端面位置）に第１方位の直線偏光の光を入力するとともに、ポートＰ２（平面光導波路２２の端面位置）に第２方位の直線偏光の光を入力し、これらの光を複屈折材料１０により偏波合成して、その偏波合成した光をポートＰ３（光ファイバ２３の端面位置）から出力することができる。また、偏波合成分離装置１は、ポートＰ３に入力される光を複屈折材料１０により偏波分離して、その偏波分離で得られた第１方位の直線偏光の光をポートＰ１から出力するとともに、第２方位の直線偏光の光をポートＰ２から出力することができる。
【００１５】
複屈折材料１０は、ポートＰ１に入出力する直線偏光の光を常光として伝搬させるとともに、ポートＰ２に入出力する直線偏光の光を異常光として伝搬させる。複屈折材料１０は、例えば、ルチル（ＴｉＯ２）、方解石（ＣａＣＯ３）、ＹＶＯ４およびＢＢＯ等の結晶からなる。複屈折材料１０の２つの主面は、互いに平行であり、光軸に直交している。複屈折材料１０の結晶軸は光軸に対して角度θだけ傾斜している。
【００１６】
レンズ１６は、ポートＰ３と複屈折材料１０との間に設けられている。このレンズ１６は、ポートＰ１，Ｐ２それぞれから到達した発散光を収斂させてポートＰ３に集光する。また、レンズ１６は、ポートＰ３から到達した発散光を収斂させてポートＰ１，Ｐ２それぞれに集光する。なお、ポートＰ１，Ｐ２と複屈折材料１０との間にはレンズが設けられていない。ポートＰ１，Ｐ２と複屈折材料１０とは、互いに接していてもよいし、離間していてもよい。
【００１７】
透明平板１７は、複屈折性を有しない材料（例えばサファイア）からなり、ポートＰ３とレンズ１６との間に設けられている。透明平板１７は、互いに平行な２つの主面を有する。透明平板１７の２つの主面は、光軸に対して直交していてもよいし、光軸に垂直な平面に対して傾斜していてもよい。
【００１８】
このように構成される偏波合成分離装置１において偏波分離が行われる場合について以下に考える。ポートＰ３に入力されレンズ１６により収斂されて複屈折材料１０に入力された光は、複屈折材料１０において、常光として伝搬する直線偏光の光と、異常光として伝搬する直線偏光の光と、に分離される。複屈折材料１０において、常光は光軸に平行に伝搬するのに対して、異常光は光軸に対して斜めに伝搬する。また、常光および異常光それぞれに対する複屈折材料１０の屈折率は互いに異なる。したがって、常光として伝搬する直線偏光の光と、異常光として伝搬する直線偏光の光とでは、光軸に垂直な方向について集光位置が互いに異なるだけでなく、光軸の方向についても集光位置が互いに異なる。
【００１９】
ここで、光ファイバ２３の端面から出射されポート３に入力される光の波長を１.５５μｍとし、その出射時の光のモードフィールド径を１０.５μｍとする。複屈折材料１０はルチルからなり、複屈折材料１０の結晶軸は光軸に対して４５度だけ傾斜しているとする。常光として伝搬する直線偏光の光と、異常光として伝搬する直線偏光の光とで、光軸に垂直な方向について集光位置を１２７μｍだけ離間させるには、複屈折材料１０は厚み１.３ｍｍを有する必要がある。この場合の偏波合成分離装置１の光結合効率特性が図２に示されている。
【００２０】
図２は、比較例の偏波合成分離装置１の光結合効率特性を示すグラフである。常光および異常光それぞれの光結合効率特性が示されている。横軸は、複屈折材料１０とレンズ１６との間の距離を表す。常光および異常光それぞれの光結合効率が互いに等しくなる距離が基準（ｚ＝０）とされている。例えば、ｚ＝−５０μｍの距離は、複屈折材料１０とレンズ１６との間の距離が基準より５０μｍだけ短いことを表す。この図から判るように、常光と異常光とでは、光結合効率が最大となる距離ｚは互いに約５０μｍだけ異なっている。基準位置では、常光および異常光それぞれの光結合効率は７４％である。この比較例の偏波合成分離装置１と比較して、以下に説明する本実施形態の偏波合成分離装置は高い光結合効率を有することができる。
【００２１】
図３は、第１実施形態の偏波合成分離装置１Ａの構成図である。図１に示された比較例の偏波合成分離装置１の構成と比較すると、この図３に示される第１実施形態の偏波合成分離装置１Ａは、複屈折材料１０に替えて、複屈折材料１１，１２および半波長板１５を備える点で相違する。透明平板１７の２つの主面は、光軸に対して直交している。
【００２２】
複屈折材料１１，１２および半波長板１５それぞれの２つの主面は、互いに平行であり、光軸に直交している。複屈折材料１１と複屈折材料１２との間に半波長板１５が配置されている。これらは互いに接していなくてもよい。複屈折材料１１および複屈折材料１２それぞれの結晶軸は、光軸に対して傾斜しており、方位が互いに異なる。複屈折材料１１および複屈折材料１２それぞれは、互いに同じ結晶からなり、光軸と結晶軸とがなす角度が互いに同じであり、厚みが互いに同じであってもよい。
【００２３】
複屈折材料１１は、ポートＰ１に入出力する直線偏光の光を常光として伝搬させるとともに、ポートＰ２に入出力する直線偏光の光を異常光として伝搬させる。複屈折材料１２は、ポートＰ１に入出力する直線偏光の光を異常光として伝搬させるとともに、ポートＰ２に入出力する直線偏光の光を常光として伝搬させる。レンズ１６は、ポートＰ１，Ｐ２それぞれからの光をポートＰ３に集光し、ポートＰ３からの光をポートＰ１，Ｐ２それぞれに集光する。
【００２４】
このように構成される偏波合成分離装置１Ａにおいて偏波分離が行われる場合について以下に考える。ポートＰ３に入力されレンズ１６により収斂されて複屈折材料１２に入力された光は、複屈折材料１２において、常光として伝搬する直線偏光の光と、異常光として伝搬する直線偏光の光と、に分離される。複屈折材料１２において、常光は光軸に平行に伝搬するのに対して、異常光は光軸に対して斜めに伝搬する。
【００２５】
複屈折材料１２の後に半波長板１５を経て複屈折材料１１に入力される光は、半波長板１５により直線偏光の方位が９０度だけ異なったものとなる。したがって、複屈折材料１２において常光として伝搬した直線偏光の光は、複屈折材料１１において異常光として伝搬する。また、複屈折材料１２において異常光として伝搬した直線偏光の光は、複屈折材料１１において常光として伝搬する。複屈折材料１１において、常光は光軸に平行に伝搬するのに対して、異常光は光軸に対して斜めに伝搬する。ここで、複屈折材料１２における異常光の伝搬方向と、複屈折材料１１における異常光の伝搬方向とは、光軸に対して互いに反対の方向である。
【００２６】
したがって、互いに直交する２つの直線偏光の光それぞれは、複屈折材料１１，１２の双方において光軸に垂直な方向に離れていく。また、互いに直交する２つの直線偏光の光それぞれは、複屈折材料１１，１２のうち一方の複屈折材料では常光として伝搬し、他方の複屈折材料では異常光として伝搬するので、光軸の方向について同じ集光位置を有することができる。
【００２７】
ここで、光ファイバ２３の端面から出射されポート３に入力される光の波長を１.５５μｍとし、その出射時の光のモードフィールド径を１０.５μｍとする。複屈折材料１１，１２それぞれは厚み０.６５ｍｍのルチルからなるとする。複屈折材料１１，１２それぞれの結晶軸は、光軸に対して４５度だけ傾斜していて光軸に対して対称な方位であるとする。このとき、互いに直交する２つの直線偏光の光の集光位置の間隔（すなわち、ポートＰ１，Ｐ２の間の間隔）は１２７μｍとなる。また、互いに直交する２つの直線偏光の光の光軸方向の集光位置は互いに同じであり、両光の光結合効率は９４％である。
【００２８】
図４は、第２実施形態の偏波合成分離装置１Ｂの構成図である。図３に示された第１実施形態の偏波合成分離装置１Ａの構成と比較すると、この図４に示される第２実施形態の偏波合成分離装置１Ｂは、光軸に垂直な平面に対して透明平板１７の主面が傾斜している点で相違する。
【００２９】
複屈折材料１１，１２において異常光は光軸に対して斜めに伝搬することから、非点収差等が発生し、これがロスの原因となる。本実施形態は、光軸に垂直な平面に対して透明平板１７の主面が傾斜していることにより、この非点収差を補正することができる。透明平板１７は、例えば厚さ０.２８ｍｍのサファイア板であり、光軸に垂直な平面に対して主面が３０度だけ傾斜して配置される。これにより、互いに直交する２つの直線偏光の光それぞれの光結合効率は９７％まで上昇する。
【００３０】
なお、透明平板１７の傾斜は、この図のように平面内だけでなく、上下にあおってもよい。また、レンズ１６を傾けても同様な効果が得られる。
【００３１】
図５は、第３実施形態の偏波合成分離装置１Ｃの構成図である。図１に示された比較例の偏波合成分離装置１の構成と比較すると、この図５に示される第３実施形態の偏波合成分離装置１Ｃは、複屈折材料１０に替えて、複屈折材料１３，１４を備える点で相違する。偏波合成分離装置１Ｃは半波長板を備えていない。
【００３２】
複屈折材料１３，１４それぞれの２つの主面は、互いに平行であり、光軸に直交している。複屈折材料１３と複屈折材料１４とは互いに接していなくてもよい。複屈折材料１３は負結晶であり、複屈折材料１４は正結晶である。なお、正結晶とは、異常光の屈折率より常光の屈折率が小さい結晶である。また、複屈折材料１３を正結晶とし複屈折材料１４を負結晶としても良い。
【００３３】
複屈折材料１３は、ポートＰ１に入出力する直線偏光の光を異常光として伝搬させるとともに、ポートＰ２に入出力する直線偏光の光を常光として伝搬させる。複屈折材料１４は、ポートＰ１に入出力する直線偏光の光を異常光として伝搬させるとともに、ポートＰ２に入出力する直線偏光の光を常光として伝搬させる。レンズ１６は、ポートＰ１，Ｐ２それぞれからの光をポートＰ３に集光し、ポートＰ３からの光をポートＰ１，Ｐ２それぞれに集光する。
【００３４】
複屈折材料の結晶軸と光軸とがなす角度をθとし、複屈折材料の厚みをｔとし、常光の屈折率をｎｏとし、異常光の屈折率をｎｅとする。このとき、光軸に垂直な方向の常光と異常光との間隔Δｙは下記（１）式で表される。また、光軸方向の常光と異常光との集光位置のズレ量Δｆは下記（２）式で表される。異種の複屈折材料１３，１４を組み合わせる場合は、各複屈折材料のΔｙの和が所望の値になり、かつ、各複屈折材料のΔｆの和が０になるよう、各複屈折材料の厚みｔや軸角度θを決定すればよい。
【００３５】
【数１】
【００３６】
【数２】
【００３７】
本実施形態では、光ファイバ２３の端面から出射されポート３に入力される光の波長を１.５５μｍとし、その出射時の光のモードフィールド径を１０.５μｍとする。複屈折材料１４は厚み０.８２２ｍｍで軸角度４５度のルチルであるとする。複屈折材料１３は厚み０.４７０ｍｍで軸角度４５度の方解石であるとする。ただし、複屈折材料１３，１４それぞれの結晶軸は、光軸に対して対称な方位であるとする。このとき、互いに直交する２つの直線偏光の光の集光位置の間隔（すなわち、ポートＰ１，Ｐ２の間の間隔）は１２７μｍとなる。また、互いに直交する２つの直線偏光の光の光軸方向の集光位置は互いに同じであり、両光の光結合効率は９７％である。
【符号の説明】
【００３８】
１，１Ａ〜１Ｃ…偏波合成分離装置、１０〜１４…複屈折材料、１５…半波長板、１６…レンズ、１７…透明平板、２１，２２…平面光導波路、２３…光ファイバ、Ｐ１〜Ｐ３…ポート。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに直交する第１方位および第２方位それぞれの直線偏光の光を第１ポートおよび第２ポートに入力し偏波合成して第３ポートから出力し、前記第３ポートに入力される光を偏波分離して前記第１方位の直線偏光の光を前記第１ポートから出力するとともに前記第２方位の直線偏光の光を前記第２ポートから出力する偏波合成分離装置であって、
前記第１ポートおよび前記第２ポートから前記第３ポートへ向かう光路に沿って順に設けられた第１複屈折材料，半波長板，第２複屈折材料およびレンズを備え、
前記第１複屈折材料の結晶軸の方位と前記第２複屈折材料の結晶軸の方位とが互いに異なり、
前記第１複屈折材料が、前記第１ポートに入出力する直線偏光の光を常光として伝搬させるとともに、前記第２ポートに入出力する直線偏光の光を異常光として伝搬させ、
前記第２複屈折材料が、前記第１ポートに入出力する直線偏光の光を異常光として伝搬させるとともに、前記第２ポートに入出力する直線偏光の光を常光として伝搬させ、
前記レンズが、前記第１ポートおよび前記第２ポートそれぞれからの光を前記第３ポートに集光し、前記第３ポートからの光を前記第１ポートおよび前記第２ポートそれぞれに集光する、
ことを特徴とする偏波合成分離装置。
【請求項２】
前記第１複屈折材料および前記第２複屈折材料それぞれが、互いに同じ結晶からなり、光軸と結晶軸とがなす角度が互いに同じであり、厚みが互いに同じである、ことを特徴とする請求項１に記載の偏波合成分離装置。
【請求項３】
前記第２複屈折材料と前記第３ポートとの間の光軸に垂直な面に対して前記レンズが傾斜して配置されている、ことを特徴とする請求項１に記載の偏波合成分離装置。
【請求項４】
前記第２複屈折材料と前記第３ポートとの間の光路上に設けられ、その光軸に垂直な平面に対して主面が傾斜して配置された透明平板を更に備える、ことを特徴とする請求項１に記載の偏波合成分離装置。
【請求項５】
互いに直交する第１方位および第２方位それぞれの直線偏光の光を第１ポートおよび第２ポートに入力し偏波合成して第３ポートから出力し、前記第３ポートに入力される光を偏波分離して前記第１方位の直線偏光の光を前記第１ポートから出力するとともに前記第２方位の直線偏光の光を前記第２ポートから出力する偏波合成分離装置であって、
前記第１ポートおよび前記第２ポートから前記第３ポートへ向かう光路に沿って順に設けられた第１複屈折材料，第２複屈折材料およびレンズを備え、
前記第１複屈折材料および前記第２複屈折材料のうち一方が正結晶であって他方が負結晶であり、
前記第１複屈折材料が、前記第１ポートに入出力する直線偏光の光を異常光として伝搬させるとともに、前記第２ポートに入出力する直線偏光の光を常光として伝搬させ、
前記第２複屈折材料が、前記第１ポートに入出力する直線偏光の光を異常光として伝搬させるとともに、前記第２ポートに入出力する直線偏光の光を常光として伝搬させ、
前記レンズが、前記第１ポートおよび前記第２ポートそれぞれからの光を前記第３ポートに集光し、前記第３ポートからの光を前記第１ポートおよび前記第２ポートそれぞれに集光する、
ことを特徴とする偏波合成分離装置。
【請求項１】
互いに直交する第１方位および第２方位それぞれの直線偏光の光を第１ポートおよび第２ポートに入力し偏波合成して第３ポートから出力し、前記第３ポートに入力される光を偏波分離して前記第１方位の直線偏光の光を前記第１ポートから出力するとともに前記第２方位の直線偏光の光を前記第２ポートから出力する偏波合成分離装置であって、
前記第１ポートおよび前記第２ポートから前記第３ポートへ向かう光路に沿って順に設けられた第１複屈折材料，半波長板，第２複屈折材料およびレンズを備え、
前記第１複屈折材料の結晶軸の方位と前記第２複屈折材料の結晶軸の方位とが互いに異なり、
前記第１複屈折材料が、前記第１ポートに入出力する直線偏光の光を常光として伝搬させるとともに、前記第２ポートに入出力する直線偏光の光を異常光として伝搬させ、
前記第２複屈折材料が、前記第１ポートに入出力する直線偏光の光を異常光として伝搬させるとともに、前記第２ポートに入出力する直線偏光の光を常光として伝搬させ、
前記レンズが、前記第１ポートおよび前記第２ポートそれぞれからの光を前記第３ポートに集光し、前記第３ポートからの光を前記第１ポートおよび前記第２ポートそれぞれに集光する、
ことを特徴とする偏波合成分離装置。
【請求項２】
前記第１複屈折材料および前記第２複屈折材料それぞれが、互いに同じ結晶からなり、光軸と結晶軸とがなす角度が互いに同じであり、厚みが互いに同じである、ことを特徴とする請求項１に記載の偏波合成分離装置。
【請求項３】
前記第２複屈折材料と前記第３ポートとの間の光軸に垂直な面に対して前記レンズが傾斜して配置されている、ことを特徴とする請求項１に記載の偏波合成分離装置。
【請求項４】
前記第２複屈折材料と前記第３ポートとの間の光路上に設けられ、その光軸に垂直な平面に対して主面が傾斜して配置された透明平板を更に備える、ことを特徴とする請求項１に記載の偏波合成分離装置。
【請求項５】
互いに直交する第１方位および第２方位それぞれの直線偏光の光を第１ポートおよび第２ポートに入力し偏波合成して第３ポートから出力し、前記第３ポートに入力される光を偏波分離して前記第１方位の直線偏光の光を前記第１ポートから出力するとともに前記第２方位の直線偏光の光を前記第２ポートから出力する偏波合成分離装置であって、
前記第１ポートおよび前記第２ポートから前記第３ポートへ向かう光路に沿って順に設けられた第１複屈折材料，第２複屈折材料およびレンズを備え、
前記第１複屈折材料および前記第２複屈折材料のうち一方が正結晶であって他方が負結晶であり、
前記第１複屈折材料が、前記第１ポートに入出力する直線偏光の光を異常光として伝搬させるとともに、前記第２ポートに入出力する直線偏光の光を常光として伝搬させ、
前記第２複屈折材料が、前記第１ポートに入出力する直線偏光の光を異常光として伝搬させるとともに、前記第２ポートに入出力する直線偏光の光を常光として伝搬させ、
前記レンズが、前記第１ポートおよび前記第２ポートそれぞれからの光を前記第３ポートに集光し、前記第３ポートからの光を前記第１ポートおよび前記第２ポートそれぞれに集光する、
ことを特徴とする偏波合成分離装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−９８６０１（Ｐ２０１２−９８６０１Ａ）
【公開日】平成２４年５月２４日（２０１２．５．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２４７４８４（Ｐ２０１０−２４７４８４）
【出願日】平成２２年１１月４日（２０１０．１１．４）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月２４日（２０１２．５．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月４日（２０１０．１１．４）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
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