説明

偏波無依存型光アイソレータ

【課題】高出力の光が入射されてもファラデー回転子の温度上昇を抑制できる偏波無依存型光アイソレータを提供する。
【解決手段】LiNbO単結晶から成る一対の楔形複屈折結晶板1、5と磁性ガーネット単結晶から成るファラデー回転子3を備え、ファラデー回転子の各光透過面にサファイア単結晶板が接合された偏波無依存型光アイソレータであって、各サファイア単結晶板の光透過面がサファイア単結晶板のc面からオフセットされるように形成され、かつ、楔形複屈折結晶板で分離された常光と異常光が共にサファイア単結晶板入射後にサファイア単結晶板のc軸とのなす角度が0.74度以内の条件を満たすように、常光と異常光の光軸がなす角度の2等分線で表される仮想光のサファイア単結晶板への入射角θaと、サファイア単結晶板のc面からのオフセット角θoffが所定範囲に設定されていることを特徴とする。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、磁性ガーネット単結晶により構成されたファラデー回転子と2枚の楔形複屈折結晶板を用いた偏波無依存型光アイソレータに係り、特に、磁性ガーネット単結晶の光吸収に起因した温度上昇に伴う特性の劣化や破損が防止される偏波無依存型光アイソレータの改良に関するものである。
【背景技術】
【0002】
光アイソレータは、順方向への光信号を通過させ、逆方向からの光信号の通過を防ぐ機能を持つ非可逆光デバイスであり、例えば、半導体レーザを光源とする光通信システムにおいて、光信号が反射によって光源側に戻り半導体レーザの発振が不安定となることを防止するために用いられている。
【0003】
光アイソレータは、半導体レーザモジュールに使用されるような偏波依存型光アイソレータと、光ファイバアンプの前後で用いられるような偏波無依存型光アイソレータに大きく分けられる。
【0004】
偏波無依存型光アイソレータでは、通常、偏光子にルチル、YVO、LiNbO等の楔形の複屈折結晶板を使用し、2枚の楔形複屈折結晶板の間に、ファラデー回転子として磁性ガーネット単結晶から成る平板を配置している(特許文献1、特許文献2参照)。ここで、ファラデー回転子は偏光を45度回転させるように結晶の厚みが調整されており、2枚の楔形複屈折結晶板は、それ等の光学軸の方位が互いに45度ずらして配置されている。尚、偏光子およびファラデー回転子から構成される光学素子部分を非相反部と呼ぶ。
【0005】
そして、順方向における第1の楔形複屈折結晶板への入射光は、第1の楔形複屈折結晶板によって常光と異常光に分離するが、ファラデー回転子により偏光が45度回転させられ、かつ、第2の楔形複屈折結晶板の光学軸が第1の楔形複屈折結晶板と45度ずれているため、第2の楔形複屈折結晶板においても常光は常光として、異常光は異常光として入射され、それぞれ平行光として第2の楔形複屈折結晶板から出射され、レンズにより光ファイバに結合される。
【0006】
逆方向からの光は、第2の楔形複屈折結晶板にて常光と異常光に分離され、ファラデー回転子にて45度回転された後は、第1の楔形複屈折結晶板には常光は異常光として、異常光は常光として入射されるため、第1の楔形複屈折結晶板を出た光は平行光にはならず、光ファイバのコアに結合されない。このようにして光アイソレータとして機能する。
【0007】
ところで、ファラデー回転子を構成する上記磁性ガーネット単結晶は、近赤外波長域、特に光通信で用いられる波長域付近(1.2μm〜1.7μm)においては優れた光学的透明性を示し、数百mW程度であれば光の吸収に起因する温度上昇も少なく、問題は殆ど無い。しかし、上記波長域よりも短波長域、特にYAGレーザやYAGレーザの代替として注目されているファイバレーザや光ファイバ増幅器の励起光のような1μm前後の波長域では、磁性ガーネット単結晶における光の吸収が大きくなり、数百mWのレーザパワーにおいては無視できない温度上昇となる。
【0008】
1μm前後の波長域における光アイソレータに用いられるファラデー回転子としては、常磁性単結晶あるいは常磁性ガラスがあるが、これ等を用いるとファラデー回転子の大きさ自体が大きくなるばかりか、ファラデー回転子を磁気飽和させるためには大きな磁石が必要となり、光アイソレータも大きなものとなってしまう。
【0009】
そこで、1μm帯での光アイソレータとしては、小型でありながら、高出力のレーザ光に耐えられることが要求され始めている。
【0010】
ファラデー回転子に磁性ガーネット単結晶を用いつつ、高出力レーザ耐性のある光アイソレータを実現させるため、磁性ガーネット単結晶の光学面にc面サファイア単結晶板を接合させて、温度上昇を抑制した偏波無依存型光アイソレータが特許文献3に記載されている。
【0011】
しかし、特許文献3に記載された偏波無依存型光アイソレータにおいては、c面サファイア単結晶板が接合された磁性ガーネット単結晶(ファラデー回転子)を光アイソレータ内に組み込む際、c面サファイア単結晶板に入射する光の角度が、c軸に対し1〜6度となるように上記磁性ガーネット単結晶(ファラデー回転子)を一つ一つ向きを傾けて配置する必要があるため、光アイソレータの組立てコストが増大する不都合があった。
【0012】
そこで、特許文献3の上記不都合を解消させる偏波無依存型光アイソレータが特許文献4において提案されている。
【0013】
すなわち、この偏波無依存型光アイソレータは、各サファイア単結晶板の光透過面が、隣に位置する楔形複屈折結晶板の非傾斜光透過面と平行でかつサファイア単結晶板のc面からオフセットされるように形成されると共に、楔形複屈折結晶板で分離された常光と異常光の光軸がなす角度の2等分線が、サファイア単結晶板のc面に対して垂直である(言い換えて表現すると、楔形複屈折結晶板で分離された常光と異常光の光軸がなす角度の2等分線αが、図7に示すようにサファイア単結晶板2の光透過面と垂直な軸となす角度θだけサファイア単結晶板のc面をオフセットさせる)ことを特徴とするものであった。
【0014】
尚、上記「オフセット」なる用語は、結晶育成等において主に使用される用語で、例えば、サファイアインゴットのc軸に垂直な面で切断して得られるサファイア単結晶板は「c面サファイア単結晶板」と称されるのに対し、上記c軸に垂直な面から角度θだけ傾かせた面で切断して得られるサファイア単結晶板は「c面のオフセット角がθであるサファイア単結晶板」と称される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0015】
【特許文献1】米国特許第4,548,478号公報
【特許文献2】米国特許第5,315,431号公報
【特許文献3】特開2007−256616号公報
【特許文献4】特開2010−048872号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0016】
ところで、特許文献4に記載された偏波無依存型光アイソレータでは、楔形複屈折結晶板で分離された常光と異常光の光軸がなす角度の2等分線が、サファイア単結晶板のc面に対して垂直である(すなわち、上記2等分線が、サファイア単結晶板の光透過面と垂直な軸となす角度だけサファイア単結晶板のc面をオフセットさせる)ことを特徴としているが、上記2等分線で表される仮想光がサファイア単結晶板内に入射した際に屈折する効果を考慮した場合、ピークアイソレーションが35dB程度になってしまうことがあり、安定的に40dB以上になるような高性能の光アイソレータを作成することが困難となる問題を依然として有していた。これは、上記2等分線で表される仮想光についてサファイア内での屈折を考慮した場合、楔形複屈折結晶板で分離された常光と異常光の光軸がなす角度の2等分線を用いて、サファイア内における光線とサファイアc軸とのなす角を正確に表すことはできず、常光とc軸のなす角、あるいは異常光とc軸のなす角が、上記2等分線とc軸のなす角よりも大きくなる場合があり、これに起因して消光比の劣化が生ずるためである。このため、偏光によってはピークアイソレーションが40dBを下回ることがあり得た。
【0017】
更に、特許文献4に記載された偏波無依存型光アイソレータをファイバレーザ用の光アイソレータとして使用した場合、光通信用の光アイソレータと較べて光アイソレータを通過する戻り光の強度が強いため、戻り光が入射側光ファイバのクラッドへ結合してしまうと、クラッドを伝播して入射側光ファイバの入り口側に配置された光学系を損傷してしまう問題も有していた。
【0018】
本発明はこのような問題点に着目してなされたもので、その課題とするところは、高出力の光が入射されてもファラデー回転子の温度上昇を抑制することが可能で、かつ、安定的に40dB以上のピークアイソレーションを有すると共に、ファイバレーザ用の光アイソレータとして使用された場合、戻り光が入射側光ファイバのクラッドへ結合されることの無い偏波無依存型光アイソレータを低コストで提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0019】
そして、本発明は、上記課題を解決するため、本発明者が行なった後述する「実験」と「技術的検討」を経て完成されたものである。
【0020】
すなわち、請求項1に係る発明は、
光路上に配置された一対の楔形複屈折結晶板と、これ等楔形複屈折結晶板間の光路上に配置されかつ磁性ガーネット単結晶により構成されたファラデー回転子と、上記ファラデー回転子を中央にして各楔形複屈折結晶板の外側光路上にそれぞれ配置されかつコリメータに使用するレンズとを備え、上記ファラデー回転子の各光透過面にサファイア単結晶板が接合された偏波無依存型光アイソレータにおいて、
一対の上記楔形複屈折結晶板がLiNbO単結晶によりそれぞれ構成され、
各サファイア単結晶板の光透過面が、隣に位置する楔形複屈折結晶板の非傾斜光透過面と平行で、かつ、サファイア単結晶板のc面からオフセットされるように形成されていると共に、
楔形複屈折結晶板で分離された常光と異常光の光軸がなす角度の2等分線で表される仮想光のサファイア単結晶板への入射角θaが、19.19〜24.16度、
上記サファイア単結晶板のc面からのオフセット角θoffが、10.40〜13.80度、および、上記レンズの焦点距離をfとしたとき、3mm≧f≧57.5/θa(mm)の各条件を満たすように設定されていることを特徴とするものである。
【0021】
次に、請求項2に係る発明は、
請求項1に記載の発明に係る偏波無依存型光アイソレータにおいて、
上記ファラデー回転子を中央にして各レンズの外側光路上に、クラッド径が125μm(直径)である光ファイバが配置されていることを特徴とし、
請求項3に係る発明は、
請求項1または2に記載の発明に係る偏波無依存型光アイソレータにおいて、
40dB以上のピークアイソレーション特性を具備することを特徴とし、
また、請求項4に係る発明は、
請求項1、2または3に記載の発明に係る偏波無依存型光アイソレータにおいて、
ファイバレーザ用の光アイソレータに適用されることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【0022】
請求項1記載の発明に係る偏波無依存型光アイソレータによれば、
楔形複屈折結晶板で分離された常光と異常光の光軸がなす角度の2等分線で表される仮想光のサファイア単結晶板への入射角θaが19.19〜24.16度、および、上記サファイア単結晶板のc面からのオフセット角θoffが10.40〜13.80度に設定されていることから、楔形複屈折結晶板で分離された常光と異常光が、共に上記サファイア単結晶板内のc面に対し略垂直となるように入射することになるため、サファイア単結晶の複屈折に起因した消光比の悪影響を最小限にすることができ、40dB以上のピークアイソレーションを安定的に得ることが可能となる。
【0023】
更に、請求項1に記載の発明に係る偏波無依存型光アイソレータによれば、
上記入射角θaが19.19〜24.16度、上記オフセット角θoffが10.40〜13.80度、および、レンズの焦点距離をfとしたとき、3mm≧f≧57.5/θa(mm)の各条件を満たすように設定されていることから、戻り光が入射側光ファイバのクラッドへ結合されることを回避できるため、ファイバレーザ用の光アイソレータとして使用した場合においても、上記戻り光がクラッドを伝播して入射側光ファイバの入り口側に配置された光学系を損傷させることが無い。
【図面の簡単な説明】
【0024】
【図1】図1(A)は偏波無依存型光アイソレータにおける楔形複屈折結晶板で分離された常光と異常光の光軸がなす角度の2等分線で表される仮想光のサファイア単結晶板への入射角θa、および、サファイア単結晶板のc面からのオフセット角θoffを示す説明図、図1(B)は図1(A)の部分拡大図。
【図2】コアとクラッドとで構成される光ファイバの断面説明図。
【図3】磁気飽和させた磁性ガーネット単結晶の光学面にc面サファイア単結晶を接合させた実験用構造体に対し、上記c面サファイア単結晶板に対する入射角度を変えて直線偏光を入射し測定された「入射角度(°)」と「消光比(dB)」との関係を示すグラフ図。
【図4】本発明に係る偏波無依存型光アイソレータの非相反部の構成を示す概略斜視図。
【図5】図5(A)(B)は本発明に係る偏波無依存型光アイソレータの作用を示す説明図。
【図6】入射角θaとレンズの焦点距離fを個々に9組設定して光ファイバ端面における戻り光のずれ量がクラッドの半径である62.5μmより大きくなる条件を個別に求めて得られた「入射角θa」と「レンズの焦点距離」との関係を示すグラフ図。
【図7】特許文献4に記載された偏波無依存型光アイソレータにおけるサファイア単結晶板のc面からのオフセット角を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【0025】
以下、本発明を詳細に説明する。
【0026】
本発明は、従来の課題を解決するため、本発明者が行なった以下の「実験」と「技術的検討」を経て完成されたものである。
【0027】
「実 験」
すなわち、本発明者は、従来の課題を解決するため、周囲に磁石を配置して磁気飽和させた磁性ガーネット単結晶の光学面にc面サファイア単結晶板を接合させた実験用構造体を作製し、この実験用構造体に対し、色々な向きの直線偏光を上記実験用構造体のc面サファイア単結晶板に対する入射角度を変えて入射し、消光比が最悪となる値を測定した。
【0028】
この測定結果を、図3のグラフ図に示す。
【0029】
そして、図3のグラフ図に示された結果から、c面サファイア単結晶板に対する入射光線の入射角度(サファイアc軸と入射光線とのなす角度、すなわち、c軸に対する入射光線の角度)が1.3度以内であれば、消光比は安定的に40dB以上を得ることが確認された。尚、入射光線はサファイア単結晶板に入射する際に屈折するため、入射角度1.3度で入射した光線の、c面サファイア単結晶板内における光軸とc軸のなす角はスネルの法則により0.74度になる。この場合、入射光の光軸とc軸のなす角が0.74度であり、サファイアの複屈折が十分に小さく、かつ、入射光は、c面サファイア単結晶板内のc軸に近いところに入射しているため、サファイアの複屈折による入射光線の分離は、異常光線を考慮することなく常光線のみを検討すればよい。
【0030】
「技術的検討」
次に、楔形複屈折結晶板で分離された常光および異常光が、サファイア単結晶板内においてサファイア単結晶板のc軸とのなす角度が、それぞれ上記0.74度以内となるための条件について検討した。
【0031】
すなわち、図1(A)(B)に示すように、順方向入射側並びに出射側の楔形複屈折結晶板1、5で分離された常光と異常光の光軸がなす角度の2等分線で表される仮想光のサファイア単結晶板2、4への入射角θa、および、サファイア単結晶板2、4のc面からのオフセット角θoffについて、偏波無依存型光アイソレータに用いられるレンズの焦点距離も考慮して検討した。
【0032】
ここで、入射角θaとオフセット角θoffを検討する場合、高出力のレーザ光が入射される光アイソレータでは、後述のように戻り光のクラッドへの結合も考慮する必要がある。そこで、コアとクラッドとで構成される光ファイバの断面を図2に示す。尚、波長1.06μ付近のファイバレーザで用いられるインライン光アイソレータの光ファイバは、通常、ファイバのコア径が6μm(直径)、ファイバのクラッド径が125μm(直径)である。
【0033】
(1)上記仮想光のサファイア単結晶板への入射角θa
入射角θaが小さ過ぎる場合、図5(B)に記載された逆方向(順方向とは反対方向)からの戻り光が入射側のレンズ8を介して光ファイバ6のコア近傍に戻るため、コアに結合してアイソレーションを悪化させてしまう。また、例え戻り光がコアに結合せずにクラッドに結合したとしても、ファイバレーザ用光アイソレータの場合、光通信用の光アイソレータと較べて光アイソレータを通過する光の強度が強いため、クラッドに結合した戻り光が、クラッドを伝播して入射側光ファイバの入り口側にある光学系を損傷してしまうことがある。従って、光通信用の光アイソレータに較べて上記入射角θaを大きくする必要がある。
【0034】
しかし、入射角θaを大きくし過ぎると、光の屈折による光軸のシフト(移動)量が大きくなるため、楔形複屈折結晶板やファラデー回転子のサイズを大きくする必要があり、不経済となる。
【0035】
従って、仮想光のサファイア単結晶板への入射角θaを設定する場合、戻り光が入射側光ファイバのクラッドに結合し難く、かつ、経済性の条件を満たす範囲に設定することを要する。
【0036】
(2)サファイア単結晶板のc面からのオフセット角θoff
入射角θaとオフセット角θoffが決まると、図1(A)に示すサファイア単結晶板2、4内における実際の光路が決定される。楔形複屈折結晶板1、5で分離された常光と異常光のサファイア単結晶板入射後の光路と、サファイア単結晶板のc軸とのなす角度が、上記0.74度以内であれば、楔形複屈折結晶板で分離された常光がサファイア単結晶板内で異常光に分離され、あるいは、楔形複屈折結晶板で分離された異常光がサファイア単結晶板内で常光に分離される割合が少ないため、図3のグラフ図で確認されたように消光比が40dB以上となり、ピークアイソレーションが安定的に40dB以上になる。
【0037】
(3)ビームサイズとレンズ焦点距離の関係
磁性ガーネット単結晶におけるビームサイズは、光ファイバの開口数と光アイソレータに使用されるレンズの焦点距離の積で与えられる。
【0038】
磁性ガーネット単結晶での発熱を抑制するには、磁性ガーネット単結晶に入射するレーザ光のエネルギー密度が低い方が有利なため、レンズの焦点距離は長い方が良いことになる。しかし、レンズの焦点距離が長くなると磁性ガーネット単結晶や楔型複屈折結晶の大きさが大きくなるばかりでなく、レンズ両側の光ファイバとの位置調整において高い精度が必要になり、量産には向かない。
【0039】
以上のことを考慮した場合、量産製品では、レンズの焦点距離は3mm以下になることが必要になる。
【0040】
(4)戻り光のファイバ端面への入射位置
コア径が6μm(直径)、クラッド径が125μm(直径)である通常の光ファイバを前提とし、上記戻り光がクラッドに結合しない条件(楔角θb、入射角θa、コリメータに使用するレンズの焦点距離f)を検討した。
【0041】
戻り光は、図5(B)に示すようにレンズ8を介して光ファイバ6のコア近傍に戻る。光ファイバ6端面のコア中心から戻り光がどの程度ずれるかは、楔型複屈折結晶1からの戻り光の出射角とレンズ8の焦点距離fの積で与えられる。上記出射角の大きさは楔型複屈折結晶の楔角θbに依存し、レンズの焦点距離が短いと、大きな楔角θbを持った複屈折結晶を使わないかぎり、戻り光が光ファイバのクラッドに結合しないようにすることはできない。
【0042】
そこで、楔型複屈折結晶の楔角θbと入射角θaは1対1の対応関係(楔型複屈折結晶の楔角θbを特定することで上記入射角θaが必然的に特定される関係)にあることを前提に、入射角θaとレンズ8の焦点距離fを個々に複数組(図6において9組)設定して光ファイバ6端面における戻り光のずれ量がクラッドの半径である62.5μmより大きくなる条件を個別に求めたところ、上記9組の組合せデータから図6の曲線で示す結果が得られ、更にこの曲線から、光ファイバ6端面における戻り光のずれ量がクラッドの半径である62.5μmより大きくなる条件、すなわちf≧57.5/θa(mm)なる条件が求められた。
【0043】
すなわち、光ファイバ6端面における戻り光のずれ量がクラッドの半径である62.5μmより大きくなるためには、コリメータに使用するレンズの焦点距離をfとしたとき、図6の曲線に基づきf≧57.5/θa(mm)の条件を満たすことが必要となる。
【0044】
(5)楔形複屈折結晶板をLiNbO結晶で構成した場合のθb、θa、θoff
次に、コア径が6μm(直径)、クラッド径が125μm(直径)である、通常の光ファイバを前提とし、ピークアイソレーションが40dB以上を確保でき、かつ、上記戻り光がクラッドに結合しない具体的条件(楔角θb、入射角θa、オフセット角θoff、コリメータに使用するレンズの焦点距離f)を検討した。
【0045】
そして、焦点距離が2mmと3mmの2種のレンズを用いた結果を表1に示す。
【0046】
【表1】

【0047】
本発明は、上述した(1)〜(5)の検討事項から導かれた図6のグラフ図に示された条件と、上記表1の「条件2〜5」に示されたデータに基づき完成されている。
【0048】
すなわち、本発明は、
光路上に配置された一対の楔形複屈折結晶板と、これ等楔形複屈折結晶板間の光路上に配置されかつ磁性ガーネット単結晶により構成されたファラデー回転子と、上記ファラデー回転子を中央にして各楔形複屈折結晶板の外側光路上にそれぞれ配置されかつコリメータに使用するレンズとを備え、上記ファラデー回転子の各光透過面にサファイア単結晶板が接合された偏波無依存型光アイソレータにおいて、
一対の上記楔形複屈折結晶板がLiNbO単結晶によりそれぞれ構成され、
各サファイア単結晶板の光透過面が、隣に位置する楔形複屈折結晶板の非傾斜光透過面と平行で、かつ、サファイア単結晶板のc面からオフセットされるように形成されていると共に、
楔形複屈折結晶板で分離された常光と異常光の光軸がなす角度の2等分線で表される仮想光のサファイア単結晶板への入射角θaが、19.19〜24.16度、
上記サファイア単結晶板のc面からのオフセット角θoffが、10.40〜13.80度、および、上記レンズの焦点距離をfとしたとき、3mm≧f≧57.5/θa(mm)の各条件を満たすように設定されていることを特徴とするものである。
【0049】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【0050】
まず、実施の形態に係る偏波無依存型光アイソレータは、図4に示すように、光の透過方向順に、第1の楔形複屈折結晶板1、第1のサファイア単結晶板2、磁性ガーネット単結晶(ファラデー回転子)3、第2のサファイア単結晶板4、第2の楔形複屈折結晶板5が配置されている。
【0051】
また、第1のサファイア単結晶板2と第2のサファイア単結晶板4の各光透過面が、隣に位置する第1の楔形複屈折結晶板1と第2の楔形複屈折結晶板5の非傾斜光透過面と平行でかつサファイア単結晶板2、4のc面からオフセットされるように形成され、更に、楔形複屈折結晶板1、5で分離された常光と異常光が、共にサファイア単結晶板2、4のc軸に対し0.74度以内となるように、上述した入射角θaが19.19〜24.16度、サファイア単結晶板のc面からのオフセット角θoffが10.40〜13.80度にそれぞれ設定されている。
【0052】
尚、この偏波無依存型光アイソレータに組み込まれるレンズ8、9(図5参照)の焦点距離をfとしたとき、「3mm≧f≧57.5/θa(mm)」の条件が満たされるように設定されており、かつ、コア径が6μm(直径)、クラッド径が125μm(直径)である通常の光ファイバ6、7(図5参照)が用いられている。
【0053】
そして、この偏波無依存型光アイソレータは以下のように機能する。
【0054】
まず、図5(A)に示すように、光ファイバ6のコアから出射した順方向の光はレンズ8を介して平行光となり、第1の楔形複屈折結晶板1に入射する。第1の楔形複屈折結晶板1に入射した光は、常光と異常光に分離され、第1のサファイア単結晶板2に入射する。ここで、上記2種類の常光と異常光は、空気と第1のサファイア単結晶板2の界面で屈折する。サファイア単結晶板2を通過した光は、磁性ガーネット単結晶(ファラデー回転子)3との界面で再度屈折し、更に偏光面が45度回転させられた後、第2のサファイア単結晶板4界面で屈折した後、サファイア単結晶板4を通過し、サファイア単結晶板4と空気の界面で屈折し、第2の楔形複屈折結晶板5に入射する。
【0055】
ここで、実施の形態に係る偏波無依存型光アイソレータにおいて、上記第1の楔形複屈折結晶板1によって常光と異常光に分離された光は、第2の楔形複屈折結晶板5に常光は常光として、異常光は異常光として入射されるため、第2の楔形複屈折結晶板5から出射される光は平行光となり、レンズ9により出射側の光ファイバ7のコアへ結合させることができる。
【0056】
このとき、第1の楔形複屈折結晶板1で分離された常光と異常光は共に第1のサファイア単結晶板2のc面に対してほぼ垂直に入射し、かつ、磁性ガーネット単結晶3は平行平板と考えて良いので、第二のサファイア単結晶板4のc面に対しても上記光線は略垂直に入射するため、サファイア単結晶板での消光比の劣化を最低限に抑えることが可能となる。
【0057】
また、戻ってきた逆方向の光は、図5(B)に示すようにレンズ9を通り、第2の楔形複屈折結晶板5において常光と異常光に分離し、磁性ガーネット単結晶(ファラデー回転子)3により45度回転される。そして、順方向の場合と同様、サファイア単結晶板を光が通過する際に消光比の劣化を最低限に抑えることができ、これにより第2の楔形複屈折結晶板5における常光が第1の楔形複屈折結晶板1で常光となり、第2の楔形複屈折結晶板5における異常光が第1の楔形複屈折結晶板1で異常光となるようなことが抑制されるため、第1の楔形複屈折結晶板1を出た光が入射側の光ファイバ6のコアへ入射することを防止でき、高いアイソレーションが維持される。
【0058】
更に、この実施の形態に係る偏波無依存型光アイソレータにおいては、コリメータに使用するレンズ8、9の焦点距離をfとしたとき、「3mm≧f≧57.5/θa(mm)」の条件が満たされ、かつ、コア径が6μm(直径)、クラッド径が125μm(直径)である通常の光ファイバ6、7が用いられているため、光ファイバ6端面における戻り光のずれ量がクラッドの半径である62.5μmより大きくなっている。
【0059】
従って、ファイバ6のクラッドに戻り光が結合して、入射側光ファイバの入り口側にある光学系を損傷させることがない。
【実施例】
【0060】
以下、本発明の実施例について具体的に説明する。
【0061】
[実施例1]
ファラデー回転子を構成する磁性ガーネット単結晶は、液相エピタキシャル法で育成したもので、ファラデー回転角が45度となるように研磨により厚みが調整されている。
【0062】
また、楔形複屈折結晶板としては楔角θbが15.7度のLiNbO単結晶を用い、これにより、楔形複屈折結晶板で分離された常光と異常光の光軸がなす角度の2等分線で表される仮想光のサファイア単結晶板への入射角θa(図1B参照)が19.19度に調整されている。LiNbO単結晶はYAGレーザの波長(1.06μm)の光に対し、常光の屈折率n=2.232と異常光の屈折率n=2.156を有する。このため、第1の楔形複屈折結晶板から第2の楔形複屈折結晶板へ進行するYAGレーザ光の光軸は、常光が19.82度程度傾き、異常光は18.56度傾いている。
【0063】
また、上記楔形複屈折結晶板で分離された常光と異常光のサファイア単結晶板入射後の光路と、サファイア単結晶板のc軸とのなす角度が0.74度以内となる条件を確保するため、サファイア単結晶板のc面からのオフセット角θoff(図1B参照)が、10.40〜11.19度の範囲内に調整されたサファイア単結晶板を用意した。
【0064】
上記サファイア単結晶板は、サファイア単結晶板のc面が互いに平行になるように、接着剤を用いて磁性ガーネット結晶両面に貼り付けた後、小片に切り分け、サファイア単結晶板付きのファラデー回転子を作製した。
【0065】
このように作製したファラデー回転子を、図4に示すように第1の楔形複屈折結晶板1と第2の楔形複屈折結晶板5の間に、サファイア単結晶板の光透過面が楔形複屈折結晶板の非傾斜光透過面と平行となるよう配置し、実施例1に係る偏波無依存型光アイソレータを製造した。
【0066】
第1および第2の楔形複屈折結晶板1、5の傾斜面は、それぞれ磁性ガーネット単結晶3と対向する側ではなく反対側に位置しており、傾斜面同士が平行になるように第1および第2の楔形複屈折結晶板1、5を配置した。尚、図4には図示されていないが、磁性ガーネット単結晶3の外側(磁性ガーネット単結晶における非光透過面側)には、それぞれの結晶を保持するためのホルダ、および、磁性ガーネット単結晶を磁気的に飽和させるための磁石が配置されている。また、これ等各単結晶板の光透過面には、使用波長に対する反射防止膜が施されている。
【0067】
そして、実施例1に係る偏波無依存型光アイソレータにYAGレーザ光を入射し、特性を評価したところ、光路内のサファイア単結晶板における消光比の劣化を最低限に抑えられることから、50dBのアイソレーションを得ることができた。
【0068】
また、この偏波無依存型光アイソレータにおいては、コア径が6μm(直径)、クラッド径が125μm(直径)である光ファイバ6、7を適用し、かつ、焦点距離が3mmのレンズ8、9を適用しているが、光ファイバ6のクラッドに戻り光が結合することは無かった。但し、焦点距離が2mmのレンズに代えた場合、光ファイバ6のクラッドに戻り光が結合し、入射側光ファイバの入り口側にある光学系を損傷させる危険性を有するものであった。
【0069】
[実施例2]
上記楔形複屈折結晶板として楔角θbが16.0度のLiNbO単結晶を用い、楔形複屈折結晶板で分離された常光と異常光の光軸がなす角度の2等分線で表される仮想光のサファイア単結晶板への入射角θa(図1B参照)が19.57度に調整されている点と、楔形複屈折結晶板で分離された常光と異常光のサファイア単結晶板入射後の光路と、サファイア単結晶板のc軸とのなす角度が0.74度以内となる条件を確保するため、サファイア単結晶板のc面からのオフセット角θoff(図1B参照)が10.62〜11.40度の範囲内に調整されたサファイア単結晶板を用意した点を除き、実施例1と同様に機能する偏波無依存型光アイソレータを製造した。
【0070】
そして、実施例2に係る偏波無依存型光アイソレータにYAGレーザ光を入射し、特性を評価したところ、光路内のサファイア単結晶板における消光比の劣化を最低限に抑えられることから、50dBのアイソレーションを得ることができた。
【0071】
また、この偏波無依存型光アイソレータにおいても、焦点距離が3mmのレンズを適用した場合、光ファイバ6のクラッドに戻り光が結合することは無かった。但し、焦点距離が2mmのレンズに代えた場合、光ファイバ6のクラッドに戻り光が結合し、入射側光ファイバの入り口側にある光学系を損傷させる危険性を有するものであった。
【0072】
[実施例3]
上記楔形複屈折結晶板として楔角θbが18.0度のLiNbO単結晶を用い、楔形複屈折結晶板で分離された常光と異常光の光軸がなす角度の2等分線で表される仮想光のサファイア単結晶板への入射角θa(図1B参照)が22.17度に調整されている点と、楔形複屈折結晶板で分離された常光と異常光のサファイア単結晶板入射後の光路と、サファイア単結晶板のc軸とのなす角度が0.74度以内となる条件を確保するため、サファイア単結晶板のc面からのオフセット角θoff(図1B参照)が12.08〜12.76度の範囲内に調整されたサファイア単結晶板を用意した点を除き、実施例1と同様に機能する偏波無依存型光アイソレータを製造した。
【0073】
そして、実施例3に係る偏波無依存型光アイソレータにYAGレーザ光を入射し、特性を評価したところ、光路内のサファイア単結晶板における消光比の劣化を最低限に抑えられることから、50dBのアイソレーションを得ることができた。
【0074】
また、この偏波無依存型光アイソレータにおいても、焦点距離が3mmのレンズを適用した場合、光ファイバ6のクラッドに戻り光が結合することは無かった。更に、焦点距離が2mmのレンズに代えた場合、光ファイバ6のクラッドに戻り光が結合し、入射側光ファイバの入り口側にある光学系を損傷させる危険性を有するものであった。
【0075】
[実施例4]
上記楔形複屈折結晶板として楔角θbが19.5度のLiNbO単結晶を用い、楔形複屈折結晶板で分離された常光と異常光の光軸がなす角度の2等分線で表される仮想光のサファイア単結晶板への入射角θa(図1B参照)が24.16度に調整されている点と、楔形複屈折結晶板で分離された常光と異常光のサファイア単結晶板入射後の光路と、サファイア単結晶板のc軸とのなす角度が0.74度以内となる条件を確保するため、サファイア単結晶板のc面からのオフセット角θoff(図1B参照)が13.18〜13.80度の範囲内に調整されたサファイア単結晶板を用意した点を除き、実施例1と同様に機能する偏波無依存型光アイソレータを製造した。
【0076】
そして、実施例4に係る偏波無依存型光アイソレータにYAGレーザ光を入射し、特性を評価したところ、光路内のサファイア単結晶板における消光比の劣化を最低限に抑えられることから、50dBのアイソレーションを得ることができた。
【0077】
また、この偏波無依存型光アイソレータにおいては、焦点距離が3mmのレンズを適用した場合、光ファイバ6のクラッドに戻り光が結合することは無かった。更に、焦点距離が2mmのレンズに代えた場合、光ファイバ6のクラッドに戻り光が結合し、入射側光ファイバの入り口側にある光学系を損傷させる危険性を有するものであった。
【0078】
[比較例1]
上記楔形複屈折結晶板として楔角θbが15.0度のLiNbO単結晶を用い、楔形複屈折結晶板で分離された常光と異常光の光軸がなす角度の2等分線で表される仮想光のサファイア単結晶板への入射角θa(図1B参照)が18.29度に調整されている点と、楔形複屈折結晶板で分離された常光と異常光のサファイア単結晶板入射後の光路と、サファイア単結晶板のc軸とのなす角度が0.74度以内となる条件を確保するため、サファイア単結晶板のc面からのオフセット角θoff(図1B参照)が9.89〜10.72度の範囲内に調整されたサファイア単結晶板を用意した点を除き、実施例1と同様に機能する偏波無依存型光アイソレータを製造した。
【0079】
そして、比較例1に係る偏波無依存型光アイソレータにYAGレーザ光を入射し、特性を評価したところ、光路内のサファイア単結晶板における消光比の劣化を最低限に抑えられることから、50dBのアイソレーションを得ることができた。
【0080】
しかし、比較例1に係る偏波無依存型光アイソレータにおいては、焦点距離が3mmのレンズを用いた場合と焦点距離が2mmのレンズを用いた場合とも、光ファイバ6のクラッドに戻り光が結合し、入射側光ファイバの入り口側にある光学系を損傷させる危険性を有するものであった。
【0081】
[比較例2]
上記楔形複屈折結晶板として楔角θbが20.0度のLiNbO単結晶を用い、楔形複屈折結晶板で分離された常光と異常光の光軸がなす角度の2等分線で表される仮想光のサファイア単結晶板への入射角θa(図1B参照)が24.83度に調整されている点と、楔形複屈折結晶板で分離された常光と異常光のサファイア単結晶板入射後の光路と、サファイア単結晶板のc軸とのなす角度が0.74度以内となる条件を確保するため、サファイア単結晶板のc面からのオフセット角θoff(図1B参照)が13.55〜14.14度の範囲内に調整されたサファイア単結晶板を用意した点を除き、実施例1と同様に機能する偏波無依存型光アイソレータを製造した。
【0082】
そして、比較例2に係る偏波無依存型光アイソレータにYAGレーザ光を入射し、特性を評価したところ、光路内のサファイア単結晶板における消光比の劣化を最低限に抑えられることから、50dBのアイソレーションを得ることができた。
【0083】
しかし、比較例2に係る偏波無依存型光アイソレータにおいては、仮想光のサファイア単結晶板への入射角θa(図1A参照)が24.83度と大き過ぎるため、楔形複屈折結晶板やファラデー回転子のサイズを大きくする必要が生じ不経済であった。
【産業上の利用可能性】
【0084】
本発明に係る偏波無依存型光アイソレータによれば、高出力の光が入射されても光アイソレーション機能の低下が少ないため、光通信やレーザ加工等における高出力レーザ用光アイソレータとして広範に利用される可能性を有している。
【符号の説明】
【0085】
1 第1の楔形複屈折結晶板
2 第1のサファイア単結晶板
3 磁性ガーネット単結晶(ファラデー回転子)
4 第2のサファイア単結晶板
5 第2の楔形複屈折結晶板
6 光ファイバ
7 光ファイバ
8 レンズ
9 レンズ
100 楔形複屈折結晶板の非傾斜光透過面
200 サファイア単結晶板の光透過面
300 常光と異常光の光軸がなす角度の2等分線で表される仮想光の光軸
400 位置調整困難
500 クラッドへの結合大
600 不経済

【特許請求の範囲】
【請求項1】
光路上に配置された一対の楔形複屈折結晶板と、これ等楔形複屈折結晶板間の光路上に配置されかつ磁性ガーネット単結晶により構成されたファラデー回転子と、上記ファラデー回転子を中央にして各楔形複屈折結晶板の外側光路上にそれぞれ配置されかつコリメータに使用するレンズとを備え、上記ファラデー回転子の各光透過面にサファイア単結晶板が接合された偏波無依存型光アイソレータにおいて、
一対の上記楔形複屈折結晶板がLiNbO単結晶によりそれぞれ構成され、
各サファイア単結晶板の光透過面が、隣に位置する楔形複屈折結晶板の非傾斜光透過面と平行で、かつ、サファイア単結晶板のc面からオフセットされるように形成されていると共に、
楔形複屈折結晶板で分離された常光と異常光の光軸がなす角度の2等分線で表される仮想光のサファイア単結晶板への入射角θaが、19.19〜24.16度、
上記サファイア単結晶板のc面からのオフセット角θoffが、10.40〜13.80度、および、上記レンズの焦点距離をfとしたとき、3mm≧f≧57.5/θa(mm)の各条件を満たすように設定されていることを特徴とする偏波無依存型光アイソレータ。
【請求項2】
上記ファラデー回転子を中央にして各レンズの外側光路上に、クラッド径が125μm(直径)である光ファイバが配置されていることを特徴とする請求項1に記載の偏波無依存型光アイソレータ。
【請求項3】
40dB以上のピークアイソレーション特性を具備することを特徴とする請求項1または2に記載の偏波無依存型光アイソレータ。
【請求項4】
ファイバレーザ用の光アイソレータに適用されることを特徴とする請求項1、2または3に記載の偏波無依存型光アイソレータ。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【公開番号】特開2013−45000(P2013−45000A)
【公開日】平成25年3月4日(2013.3.4)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−183565(P2011−183565)
【出願日】平成23年8月25日(2011.8.25)
【出願人】(508377532)株式会社エス・エム・エムプレシジョン (6)
【Fターム(参考)】