光増幅装置および光可変減衰器
【課題】光増幅器の利得の波長依存性を補償することができる光増幅装置および光可変減衰器を提供すること。
【解決手段】所定の波長帯域を有する光信号を増幅する光増幅装置であって、波長依存性がある利得特性を有する光増幅器と、磁気光学結晶における光信号の偏光方向の回転を用いて該光信号を可変的に減衰し、減衰特性は光増幅器における利得の波長依存性と実質的に逆の波長依存性を有する光可変減衰器ＡＡＴとを有し、光可変減衰器ＡＡＴにおいて、光信号が減衰されると共に、光増幅器における利得の波長依存性が低減されることを特徴とする。
【解決手段】所定の波長帯域を有する光信号を増幅する光増幅装置であって、波長依存性がある利得特性を有する光増幅器と、磁気光学結晶における光信号の偏光方向の回転を用いて該光信号を可変的に減衰し、減衰特性は光増幅器における利得の波長依存性と実質的に逆の波長依存性を有する光可変減衰器ＡＡＴとを有し、光可変減衰器ＡＡＴにおいて、光信号が減衰されると共に、光増幅器における利得の波長依存性が低減され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、光増幅装置および光可変減衰器に関し、特に、磁気光学結晶を使用した光増幅装置および光可変減衰器に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信システムにおいては、光強度（パワー）を必要に応じて調節する必要があり、そのため光可変減衰器が使用されている。従来の可変減衰器では、ガラス基板上に物質を透過光強度が連続的に変化するように付着され、ガラス基板上の透過位置を機械的に移動されて減衰量が変化される。従来の可変減衰器は、機械的な構造を有するため、信頼性が低い、応答速度が遅い、形状の大型である等の問題を有していた。このため、このような光可変減衰器を、伝送装置に組み込むことは難しく、主に測定器として使用されてきた。
【０００３】
近年、光ファイバ増幅器の技術が進展し、光強度を比較的簡単に増幅することが可能となってきている。このため、１本の光ファイバ中に波長の異なる多数の光を伝送させる波長多重通信方式の検討が行われている。図２８に、典型的な波長多重通信方式のシステム構成図を示す。光ファイバ増幅器を使用すれば、波長多重された複数の光信号を一括して増幅することが可能であり、経済的な光通信システムの構築が可能となる。
【０００４】
光ファイバ増幅器を使用した波長多重通信システムでは、伝送信号の品質は光信号強度と雑音強度との比（光ＳＮＲ）で決定される。各光信号の光ＳＮＲを所定の値以上に保つためには、各光信号の光強度を揃える必要がある。各光信号のレベルは、光源（一般的には、レーザダイオード（ＬＤ）を使用）の出力パワーのばらつき、光源毎に備えられる各種光部品の挿入損失のばらつき等によって、ばらつく。さらに、光ファイバ増幅器も、利得の波長依存性を有し、光ファイバ増幅器を通過すると、各波長毎に光信号のパワーが変化する。このため、光信号のパワーのばらつきを調整し抑圧するための光可変減衰器を、光伝送装置内に組み込む必要がある。
【０００５】
上記の目的のための光可変減衰器として、特開平６−５１２５５「光アッテネータ」が提案されている。図２９に、従来の光可変減衰器の第１の構成例を示す。この光可変減衰器は、磁気光学結晶（ｍａｇｎｅｔｏｏｐｔｉｃａｌ ｃｙｒｉｓｔａｌ）１、偏光子（ｐｏｌａｒｉｚｅｒ）２、磁気光学結晶１に光軸と平行に磁界を印加する第１の磁界印加手段３（この場合は、永久磁石が使用されている）、磁気光学結晶１に光軸と垂直に磁界を印加する第２の磁界印加手段４から構成されている。磁気光学結晶１と、第１の磁界印加手段３と、第２の磁界印加手段４とでファラデー回転子９を構成する。ここでは、第１の磁界印加手段３には、永久磁石が使用され、第２の磁界印加手段４には、印加電流によって発生磁界の強さを調整できる電磁石が使用されている。また、図示しない他の偏光子を通過した直線偏光の光ビーム５は、磁気光学結晶１及び偏光子２をその順で通過する。
【０００６】
この光可変減衰器では、第１の磁界印加手段３で発生された磁界ベクトルと第２の磁界印加手段４で発生された磁界ベクトルとの合成ベクトル（合成磁界）が、磁気光学結晶１に加えられる。このとき、第１の磁界印加手段３で発生された磁界ベクトルが飽和磁界よりも大きいとき、合成ベクトルも飽和磁界よりも大きくなる。この場合、磁気光学結晶１は、実質的に内部の磁区が１つに統合された状態になり、磁気光学結晶１が多くの磁区を有する場合に発生する光ビーム５の損失は低減される。
【０００７】
第２の磁界印加手段４の磁界の強さが印加電流によって調整されると、合成磁界の方向も印加電流に応じて変化する。合成磁界の光ビーム５と同じ方向の成分（磁化ベクトル）の強さに応じて、光ビーム５の偏光方向がファラデー効果によって回転させられる。このファラデー回転角θは、一般的に次式で表される。
θ＝Ｖ・Ｌ・Ｈ （１）
Ｖは、ヴェルデ定数であり、磁気光学結晶１の材質によって決定される。Ｌは、磁気光学結晶１における光路長、Ｈは、磁界の強さを示す。磁気光学結晶１によって偏光方向が回転された光ビーム５は、偏光子２に進む。このとき、偏光子２における偏光方向と、光ビーム５の偏光方向が一致している場合、全ての光ビーム５は、偏光子２を通過する。両者の偏光方向が一致しない場合、光ビーム５の偏光子２の偏光方向の成分のみが通過する。両者の偏光方向が９０度の角度差を有するとき、光ビーム５は偏光子２を通過せず、減衰量が最大となる。
【０００８】
また、特開平６−５１２５５「光アッテネータ」には、その他の光可変減衰器が示されている。図３０に、従来の光可変減衰器の第２の構成例を示す。本光可変減衰器は、光ファイバ６ａと、レンズ７ａと、ウェッジ状の複屈折結晶８ａと、図２９に示したファラデー回転子９と、ウェッジ状の複屈折結晶８ｂと、レンズ７ｂと、光ファイバ６ｂとで構成されている。本光可変減衰器では、光ファイバ６ａから供給された光ビームの複屈折結晶８ａ，８ｂによる複屈折を利用して、光ビームの一部が光ファイバ６ｂに導かれる。光ファイバ６ｂに導く量は、ファラデー回転子９における光ビームの偏光方向の回転角で調整できるので、光ビームのパワーを可変に減衰できる。
【０００９】
本光可変減衰器は、図２９に示す光可変減衰器と異なり、光ファイバ６ａから供給される光ビームの偏光方向に係わらず動作可能である。上記に示した光可変減衰器は、機械的な可動部分を有しておらず、小型化が可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平６−５１２５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
図２９に示す従来の光可変減衰器の第１の構成例では、光可変減衰器に使用する磁気光学結晶（ファラデー素子）として、一般的にＹＩＧやファラデー効果を有するガーネット厚膜が良く用いられる。このようなファラデー素子は、一般的に回転角度に対する波長依存性や温度依存性を有する。表１に、ファラデー素子のファラデー回転角の波長依存性及び温度依存性を示す。
【００１２】
【表１】
【００１３】
表１は、１５５０ｎｍ帯におけるファラデー回転角が４５度のときの波長及び温度の変化に対するファラデー回転角の変化を示している。ガーネット厚膜は、その組成により特性が変化する。上記の例は、比較的大きい場合を示している。上記の表１は、波長或いは温度が増加したとき、ファラデー回転角が減少することを示している。
【００１４】
また、図３１に、磁界Ｈとファラデー回転角との関係を示す。図３１では、磁界Ｈを増加すると、ファラデー回転角は傾きＶ×Ｌで増加し、所定の大きさ以上の磁界ではファラデー回転角は飽和する。これは磁気光学結晶の内部の磁区が単一磁区になったことを示す。図３１では、温度或いは波長が変化すると、傾きＶ×Ｌが変化する。これは、ヴェルデ定数に、波長依存性、温度依存性があることを示している。
【００１５】
さらに、光可変減衰器を光伝送装置に組み込むためには、光可変減衰器の大きさを小型化し、駆動電流を低減する必要がある。
【００１６】
また、図３０に示す従来の光可変減衰器の第２の構成例では、僅かな偏光依存性による損失（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｌｏｓｓ：ＰＤＬ）が、まだ生じている。
【００１７】
本発明の第１の目的は、上記の問題点を鑑みて、光増幅器の利得の波長依存性を補償することができる光増幅装置および光可変減衰器を提供することにある。
【００１８】
本発明の第２の目的は、減衰量の補正が可能な光可変減衰器を提供することにある。
【００１９】
本発明の第３の目的は、小型化が可能な光可変減衰器を提供することにある。
【００２０】
本発明の第４の目的は、消費電力の低減が可能な光可変減衰器を提供することにある。
【００２１】
本発明の第５の目的は、偏光依存性による損失を低減することができる光可変減衰器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
上記課題を解決するために本発明では、下記の手段を講じたことを特徴とするものである。
【００２３】
請求項１記載の発明装置では、所定の波長帯域を有する光信号を増幅する光増幅装置であって、波長依存性がある利得特性を有する光増幅器と、磁気光学結晶における光信号の偏光方向の回転を用いて該光信号を可変的に減衰し、減衰特性は前記光増幅器における利得の前記波長依存性と実質的に逆の波長依存性を有する光可変減衰器とを有し、前記光可変減衰器において、前記光信号が減衰されると共に、前記光増幅器における利得の前記波長依存性が低減されることを特徴とする。
【００２４】
請求項２記載の発明装置では、請求項１記載の光増幅装置において、前記光可変減衰器は、前記光信号の偏光方向を可変に回転させる磁気光学結晶と、前記磁気光学結晶を通過した光信号をその偏光方向に応じて通過させる検光子とを有し、前記検光子の偏光方向、前記光信号の偏光方向、及び前記磁気光学結晶は、所定の減衰量において、前記逆の波長依存性が実質的に得られるように設定されていることを特徴とする。
【００２５】
請求項３記載の発明装置では、光増幅器に接続され前記光増幅器における利得の波長依存性を低減しかつ光信号を減衰するための光可変減衰器であって、前記光信号の偏光方向を可変に回転させる磁気光学結晶と、前記磁気光学結晶を通過した光信号をその偏光方向に応じて通過させる検光子とを有し、前記検光子の偏光方向、前記光信号の偏光方向、及び前記磁気光学結晶は、所定の減衰量において、前記光増幅器の利得の波長依存性と実質的に逆の波長依存性が得られるように設定されていることを特徴とする。
【００２６】
請求項４記載の発明装置では、光ビームのパワーを減衰する光可変減衰器であって、前記光ビームの偏光方向を可変に回転させる磁気光学結晶と、前記磁気光学結晶を通過した光ビームの少なくとも一部を前記光可変減衰器の出力に導く検光子と、前記光可変減衰器の出力光を一部分岐して出力パワーをモニタする出力側受光器とを有し、前記出力側受光器でモニタした前記光可変減衰器の出力パワーが所定の値になるように、前記磁気光学結晶における前記光ビームの偏光方向が制御されることを特徴とする。
【００２７】
請求項５記載の発明装置では、光ビームのパワーを減衰する光可変減衰器であって、前記光ビームの偏光方向を可変に回転させる磁気光学結晶と、前記磁気光学結晶を通過した光ビームの少なくとも一部を前記光可変減衰器の出力に導く検光子と、前記磁気光学結晶に入力される光ビームの入力パワーをモニタする入力側受光器と、前記光可変減衰器の出力パワーをモニタする出力側受光器とを有し、前記入力側受光器でモニタした前記光ビームの入力パワーと前記出力側受光器でモニタした前記光可変減衰器の出力パワーとの比が所定の値になるように、前記磁気光学結晶における前記光ビームの偏光方向が制御されることを特徴とする。
【００２８】
請求項６記載の発明装置では、請求項４又は５記載の光可変減衰器において、前記検光子は複屈折結晶を含み、前記検光子おいて偏光を分離された光ビームの一部を前記出力側受光器に導くアパーチャをさらに有することを特徴とする。
【００２９】
請求項７記載の発明装置では、光ビームのパワーを減衰する光可変減衰器であって、前記光ビームの偏光方向を可変に回転させる磁気光学結晶と、前記磁気光学結晶に印加するための磁界を内部のギャップに発生する磁気回路と、前記磁気光学結晶及び前記磁気回路を収容し基板に実装するための筐体とを有し、前記磁気回路は、前記ギャップの方向が実質的に前記筐体の高さ方向であるように前記筐体に実装されることを特徴とする。
【００３０】
請求項８記載の発明装置では、光ビームのパワーを減衰する光可変減衰器であって、前記光ビームの偏光方向を可変に回転させる磁気光学結晶と、少なくとも一部に半硬質磁性体を含むヨークを有し、前記磁気光学結晶に印加するための磁界を駆動電流によって電気的に発生する磁気回路とを有し、前記駆動電流の供給が停止しても前記磁界は維持されることを特徴とする。
【００３１】
請求項９記載の発明装置では、請求項８記載の光可変減衰器において、前記ヨークは、飽和状態における磁化の異なる複数の半硬質磁性体を部分的に有し、前記半硬質磁性体毎に磁化を制御することによって前記磁気回路で発生する磁界の大きさを段階的に変更できることを特徴とする。
【００３２】
請求項１０記載の発明装置では、光ビームのパワーを減衰する光可変減衰器であって、前記光ビームを複屈折させる第１のウェッジ状複屈折結晶と、前記第１のウェッジ状複屈折結晶で偏光を分離された前記光ビームの偏光方向を可変に回転させる磁気光学結晶と、前記磁気光学結晶に前記光ビームと実質的に垂直に印加するための磁界を発生する磁気回路と、前記磁気光学結晶から出力される光ビームを複屈折させる第２のウェッジ状複屈折結晶とを有し、前記第１のウェッジ状複屈折結晶で偏光を分離された前記光ビームで構成される平面に実質的に垂直に、前記磁気回路の磁界が前記磁気光学結晶に印加されることを特徴とする。
【００３３】
請求項１又は２記載の光増幅装置、及び請求項３記載の光可変減衰器においては、検光子の偏光方向、光信号の偏光方向、及び磁気光学結晶を調節することによって、減衰量の波長依存性を任意に設定できる。従って、利得等化用の光フィルタを使用しないで、光増幅器の利得の波長依存性を補償することができる。また、本光可変減衰器では、減衰量が大きいほど波長依存性が大きくできる。従って、光励起パワーの上限値が小さい場合の光増幅器の利得の波長依存性を良好にキャンセルできる。よって、光ファイバ増幅器の励起光のパワーを小さく設定することができ、光ファイバ増幅器の小型化、低消費電力化が可能になる。
【００３４】
請求項４乃至６のうちいずれか１項記載の光可変減衰器においては、出力側受光器でモニタした光可変減衰器の出力パワーが所定の値になるように制御されたり、入力側受光器でモニタした光ビームのパワーと出力側受光器でモニタした光可変減衰器の出力パワーとの比が所定の値になるように制御される。従って、光可変減衰器の減衰量の温度特性、経時劣化、偏波ロス変動等の補正が可能になる。
【００３５】
請求項７記載の光可変減衰器においては、磁気回路をリング状ヨークで構成すると、光ビームの上側と下側にそれぞれリング状ヨークの半径に相当するスペースを確保するだけでよい。従って、光可変減衰器の高さを低くすることができる。
【００３６】
請求項８記載の光可変減衰器においては、ヨークは少なくとも一部に半硬質磁性体を含む。従って、パルス電流の印加でヨークが磁化され、電流の供給を停止してもその磁化は保持される。よって、光可変減衰器の消費電力を低減できる。
【００３７】
請求項９記載の光可変減衰器においては、磁化の異なる複数の半硬質磁性体を制御することによって、電磁石で発生する磁界を安定に段階的に設定することができる。
【００３８】
請求項１０記載の光可変減衰器においては、磁気光学結晶の磁区を単一化するためのバイアス磁界を屈折平面に実質的に垂直に印加される。それにより偏光依存性損失を低減することができる。
【発明の効果】
【００３９】
上述したように、本発明によれば以下に示す効果を有する。
【００４０】
請求項１又は２記載の光増幅装置、及び請求項３記載の光可変減衰器においては、検光子の偏光方向、光信号の偏光方向、及び磁気光学結晶を調節することによって、減衰量の波長依存性を任意に設定できる。従って、利得等化用の光フィルタを使用しないで、光増幅器の利得の波長依存性を補償することができる。また、本光可変減衰器では、減衰量が大きいほど波長依存性が大きくできる。従って、光励起パワーの上限値が小さい場合の光増幅器の利得の波長依存性を良好にキャンセルできる。よって、光ファイバ増幅器の励起光のパワーを小さく設定することができ、光ファイバ増幅器の小型化、低消費電力化が可能になる。
【００４１】
請求項４乃至６のうちいずれか１項記載の光可変減衰器においては、出力側受光器でモニタした光可変減衰器の出力パワーが所定の値になるように制御されたり、入力側受光器でモニタした光ビームのパワーと出力側受光器でモニタした光可変減衰器の出力パワーとの比が所定の値になるように制御される。従って、光可変減衰器の減衰量の温度特性、経時劣化、偏波ロス変動等の補正が可能になる。
【００４２】
請求項７記載の光可変減衰器においては、磁気回路をリング状ヨークで構成すると、光ビームの上側と下側にそれぞれリング状ヨークの半径に相当するスペースを確保するだけでよい。従って、光可変減衰器の高さを低くすることができる。
【００４３】
請求項８記載の光可変減衰器においては、ヨークは少なくとも一部に半硬質磁性体を含む。従って、パルス電流の印加でヨークが磁化され、電流の供給を停止してもその磁化は保持される。よって、光可変減衰器の消費電力を低減できる。
【００４４】
請求項９記載の光可変減衰器においては、磁化の異なる複数の半硬質磁性体を制御することによって、電磁石で発生する磁界を安定に段階的に設定することができる。
【００４５】
請求項１０記載の光可変減衰器においては、磁気光学結晶の磁区を単一化するためのバイアス磁界を屈折平面に実質的に垂直に印加される。それにより偏光依存性損失を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明に係わる光可変減衰器の構成例。
【図２】偏光子（Ｐ）、ファラデー素子（ＦＲ）、検光子（Ａ）の配置例。（Ａ）は、０度配置と称し、偏光子の偏光方向と検光子の偏光方向が平行である場合、（Ｂ）は、４５度配置と称し、偏光子の偏光方向と検光子の偏光方向との角度差が４５度の場合、（Ｃ）は、９０度配置と称し、偏光子の偏光方向と検光子の偏光方向が直交している場合。
【図３】０度配置の場合のファラデー回転角に対する減衰量の計算結果。
【図４】４５度配置の場合のファラデー回転角に対する減衰量の計算結果。
【図５】９０度配置の場合のファラデー回転角に対する減衰量の計算結果。
【図６】ファラデー回転角と波長或いは温度の変化に対するファラデー回転角の変化量との模式的な関係図。
【図７】偏光子と検光子の偏光方向の角度差が０度の場合の、波長に対する減衰特性。（Ａ）は、波長に対する任意の減衰量の変化、（Ｂ）は、波長に対する任意の減衰量の偏差。
【図８】偏光子と検光子の偏光方向の角度差が４５度の場合の、波長に対する減衰特性。（Ａ）は、波長に対する任意の減衰量の変化、（Ｂ）は、波長に対する任意の減衰量の偏差。
【図９】偏光子と検光子の偏光方向の角度差が７０度の場合の、波長に対する減衰特性。（Ａ）は、波長に対する任意の減衰量の変化、（Ｂ）は、波長に対する任意の減衰量の偏差。
【図１０】偏光子と検光子の偏光方向の角度差が８０度の場合の、波長に対する減衰特性。（Ａ）は、波長に対する任意の減衰量の変化、（Ｂ）は、波長に対する任意の減衰量の偏差。
【図１１】偏光子と検光子の偏光方向の角度差が９０度の場合の、波長に対する減衰特性。（Ａ）は、波長に対する任意の減衰量の変化、（Ｂ）は、波長に対する任意の減衰量の偏差。
【図１２】本発明に係わる光可変減衰器の他の構成例。
【図１３】本発明に係わる光可変減衰器の第２の原理を説明するための図。
【図１４】図１３に示す光可変減衰器の変更例。
【図１５】図１４に示す光可変減衰器の変更例。
【図１６】本発明に係わる光可変減衰器の磁気回路の構成例。
【図１７】図１６に示した光可変減衰器の磁気回路の変更例。（Ａ）は、上から見た断面図、（Ｂ）は、横から見た断面図。
【図１８】本発明の光可変減衰器のその他の構成例。
【図１９】典型的なＥＤＦＡの増幅特性。
【図２０】光可変減衰器が組み込まれた光伝送装置の構成例。
【図２１】光ファイバ増幅器の波長依存性をキャンセルするために調整された光可変減衰器の減衰特性。
【図２２】本発明に係わる光可変減衰器の第５の原理を説明するための構成例。
【図２３】図２２に示す光可変減衰器の変更例。
【図２４】本発明に係わる光可変減衰器の第６の原理を説明するための構成例。（Ａ）は、外観図、（Ｂ）は、上面図、（Ｃ）は、正面図。
【図２５】本発明に係わる光可変減衰器に使用する電磁石の構成を示す図。
【図２６】本発明に係わる光可変減衰器の第７の原理を説明するための構成例。（Ａ）は、上面図、（Ｂ）は、側面図。
【図２７】本発明に係わる光可変減衰器の第７の原理を説明するためのバイアス磁界の方向パターンを示す図。
【図２８】典型的な波長多重通信方式のシステム構成図。
【図２９】従来の光可変減衰器の第１の構成例。
【図３０】従来の光可変減衰器の第２の構成例。
【図３１】磁界Ｈとファラデー回転角との関係。
【発明を実施するための形態】
【００４７】
最初に、本発明の第１の原理について説明する。図１は、本発明に係わる光可変減衰器の構成例である。この光可変減衰器は、偏光子（Ｐ）１０、磁気光学結晶であるファラデー素子（ＦＲ）２０、及び検光子（ａｎａｌｙｚｅｒ）（Ａ）３０より構成される。光ビーム５は、偏光子１０、ファラデー素子２０、検光子３０の順に供給される。
【００４８】
また、光可変減衰器はさらに、ファラデー素子２０に磁界を印加するための永久磁石４０と、ヨーク５２及びコイル５４からなる電磁石５０を有している。永久磁石４０による磁界は、ファラデー素子２０に、光ビーム５の方向と垂直の方向に印加され、電磁石５０による磁界は、ファラデー素子２０に、光ビーム５の方向と同じ方向に印加される。
【００４９】
光ビーム５が偏光子１０に供給されると、偏光子１０の偏光方向と同じ偏光方向を有する直線偏光の光が出力される。この直線偏光の光は、ファラデー素子２０を通過し、このとき、通過光の偏光方向は、光ビーム５の方向に発生した磁化ベクトルの大きさに応じてファラデー効果によって回転される。偏光方向が回転された光ビーム５は、検光子３０へ供給される。
【００５０】
永久磁石４０による磁界は、ファラデー素子２０内の磁区を単一にするくらいに十分大きい。従って、永久磁石４０と電磁石５０との合成磁界も十分大きく、従ってファラデー素子２０内での光ビーム５の損失は非常に少なくできる。電磁石５０の磁界の大きさは、コイル５４に印加する電流によって変化でき、それによって、合成磁界の方向も変化できる。このとき、合成磁界のうちの光ビーム５と同一の方向の成分（磁化ベクトル）によって、光ビーム５の偏光方向がファラデー効果によって回転させられる。ファラデー効果によって回転された光ビーム５の偏光方向が、検光子３０の偏光方向と一致しない場合、光ビーム５の一部或いは全部が検光子３０によって遮断され、光ビーム５は減衰する。
【００５１】
以上の動作は、従来の磁気光学結晶を用いた光可変減衰器の動作と実質的に同じである。本発明では、さらに、偏光子１０及び検光子３０は、ファラデー素子２０におけるファラデー回転が無い状態（光軸方向の磁界が零）の光ビーム５の偏光方向が、検光子３０の偏光方向とほぼ直交状態になるように構成されている。これにより、光可変減衰器の減衰量の温度依存性及び波長依存性を低減することができる。また、上記の直交状態は、光路中に、波長板（偏光を回転できる）を挿入して、偏光子及び検光子の配置を調整することによっても設定可能である。例えば、偏光子と検光子は０度配置に設定しても、波長板を挿入し偏光を９０度回転させることによって、実質的に９０度配置を設定することができる。
【００５２】
以下に原理及び動作について説明する。従来の光可変減衰器では、偏光子１０の偏光方向と検光子３０の偏光方向との角度差は、任意の値に設定できるが、ここでは説明を簡単にするため、３種類の角度差（配置）について検討する。図２に、偏光子（Ｐ）、ファラデー素子（ＦＲ）、検光子（Ａ）の配置例を示す。図２の（Ａ）は、０度配置と称し、偏光子の偏光方向と検光子の偏光方向が平行である場合、図２の（Ｂ）は、４５度配置と称し、偏光子の偏光方向と検光子の偏光方向との角度差が４５度の場合、図２の（Ｃ）は、９０度配置と称し、偏光子の偏光方向と検光子の偏光方向が直交している場合である。図２の（Ｃ）に示す配置が、本発明に係わる光可変減衰器に適用されている。
【００５３】
光可変減衰器の減衰量Ａは、ファラデー素子により回転した光の偏光方向と検出子の偏光方向との相対角度をθとすると、以下の式で示される。
【００５４】
Ａ＝１０ｌｏｇ（ｃｏｓ2（９０−θ＋Ｅ））＋Ｌｏ （２）
Ｅ：消光比（真数）、Ｌｏ：損失（ｄＢ）
ここで、Ｅは、光可変減衰器を構成する光学部品の消光比、Ｌｏは、光学部品の内部損失である。この式により、光可変減衰器の減衰量Ａは、ｃｏｓ2θに応じて増加する。図３に、０度配置の場合のファラデー回転角に対する減衰量の計算結果を示す。図４に、４５度配置の場合のファラデー回転角に対する減衰量の計算結果を示す。図５に、９０度配置の場合のファラデー回転角に対する減衰量の計算結果を示す。上記の図では、ファラデー回転角をＣｏｎｔｒｏｌ Ａｎｇｌｅ（ｄｅｇ）と称している。
【００５５】
（Ａ）の０度配置では、ファラデー回転角が０度（印加磁場が零）のとき、減衰量は最も小さく、ファラデー回転角を増加するに従って、減衰量が増大し、９０度のファラデー回転角において減衰量は最大となる。この場合、２０度付近までのファラデー回転角に対しては、減衰量の変化は緩やかであり、９０度付近のファラデー回転角では、回転角度に対する減衰量の変化は大きい。上記の制御を達成するためには、ファラデー素子の長さＬは、９０度以上回転できる長さが必要である。
【００５６】
（Ｂ）の４５度配置では、ファラデー回転角が０度（印加磁場が零）のとき、減衰量は３ｄＢである。回転角を−４５度に設定すると、減衰量は最小となり、＋４５度に設定すると減衰量は最大となる。この場合、４５度付近のファラデー回転角では、回転角度に対する減衰量の変化が大きい。上記の制御において、逆向きの電流を印加することによって、逆方向のファラデー回転を得ることができる。従って、ファラデー素子の長さＬは、４５度以上回転できる長さでよい。よって、（Ａ）の場合のファラデー素子の長さの半分でよい。
【００５７】
（Ｃ）の９０度配置では、ファラデー回転角が０度（印加磁場が零）のとき、減衰量は最も大きく、ファラデー回転角を増加するに従って、減衰量が減少し、９０度のファラデー回転角において減衰量は最小となる。この場合、０度付近のファラデー回転角に対しては、回転角に対する減衰量の変化は大きく、９０度付近のファラデー回転角では、回転角度に対する減衰量の変化は小さい。上記の制御を達成するためには、ファラデー素子の長さＬは、９０度以上回転できる長さが必要である。
【００５８】
以上の説明に示した様に、最大減衰量付近では、僅かなファラデー回転角の変化で急激な減衰量の変化が生じる。しかし、検討の結果、波長或いは温度の変化に対するファラデー回転角の変化量は、ファラデー回転角に依存することがわかった。図６は、ファラデー回転角と波長或いは温度の変化に対するファラデー回転角の変化量との模式的な関係図である。ファラデー回転角の変化量は、ファラデー回転角に比例している。即ち、ファラデー回転角が０度の場合（印加磁界が零）、波長或いは温度の変化によるファラデー回転角の変化量は、零であり、ファラデー回転角が増加するに従ってファラデー回転角の変化量も増える。
【００５９】
従って、ファラデー回転が発生しない状態（２つの磁石の合成磁界の光ビームと平行の成分が実質的に零となる状態）のときに、波長或いは温度の変化によるファラデー回転角の変化量は最小（実質的に零）であり、この状態で、最大減衰量が得られる様に偏光子、検光子を配置すれば、ファラデー回転角の変化に対する減衰量の変化も小さくなる。従って、減衰量の温度依存性や波長依存性を軽減することができる。このような配置は、上記の（Ｃ）の９０度配置に相当する。
【００６０】
すなわち、波長或いは温度の変化によるファラデー回転角の変化量が最小となるファラデー回転角が零度のときに、ファラデー回転角に対する減衰量の変化量の大きい最大減衰量が得られるようにし、ファラデー回転角の変化量が大きくなる大きいファラデー回転角のときに、緩やかな減衰量の変化を示す小さい減衰量が得られるようにする。
【００６１】
表２に、偏光子及び検光子の０度配置、４５度配置、９０度配置の場合の特徴を示す。
【００６２】
【表２】
【００６３】
０度配置及び９０度配置の場合、入出力ポートの区別は無い。どちらから入力しても、同様の減衰特性を得ることができる。これに対して、４５度配置の場合は、入出力ポートを入れ換えると非相反的な動作を行う。電流が０の場合は、どちらから入力しても３ｄＢの減衰となるが、一方から無減衰で光ビームを透過させている場合は、反対方向からは最大減衰となる。即ち、アイソレータとして動作する。
【００６４】
また、図７から図１１に、偏光子と検光子の偏光方向の角度差がそれぞれ０度、４５度、７０度、８０度、９０度の場合の、波長に対する減衰特性を示す。各図の（Ａ）は、波長に対する任意の減衰量の変化を示し、各図の（Ｂ）は、波長に対する任意の減衰量の偏差を示している。（Ｂ）では、偏差は、波長１５４５ｎｍで正規化されている。
【００６５】
図７の０度配置では、２０ｄＢ以上の減衰量を得る場合、波長に対する減衰量の偏差が大きい。これに対して、図１１の９０度配置では、３５ｄＢ以上の減衰量に対しても、波長に対する減衰量の偏差は非常に小さい。また、減衰量が１ｄＢの場合、ファラデー回転角は大きく、例えば、±１５ｎｍの波長変動に対して、ファラデー回転角の変化は、約±２．５度となる。しかし、図１１の（Ｂ）で示されるように、その時の減衰量の偏差は±０．０１ｄＢ以下であり、光伝送の動作に影響は与えない。
【００６６】
光可変減衰器を光伝送装置に適用する場合、一般的に、０〜２０ｄＢの減衰量がよく使用される。従って、０〜２０ｄＢの減衰量に対する偏差を計算すると、図１０に示す８０度配置の場合の偏差が最も小さいことが分かった。さらに、一般的な使用条件を考慮すると、検光子、偏光子の偏光方向の角度差は、８０度±３０度程度の範囲内に配置すれば、実用上十分に波長依存性を低減することができる。
【００６７】
従って、図１における本発明の光可変減衰器では、偏光子及び検光子は、ファラデー素子２０におけるファラデー回転が無い状態の光ビーム５の偏光方向が、検光子の偏光方向とほぼ直交状態になるように構成される。さらに、偏光子及び検光子の偏光方向の角度差は、８０度±３０度であることが望ましい。
【００６８】
本発明は、図１に示す構成例の他に、光可変減衰器の他の構成例にも適用可能である。図１２は、本発明に係わる光可変減衰器の他の構成例である。この光可変減衰器は、図１の光可変減衰器と同様に、偏光子１０、ファラデー素子２０、及び検光子３０より構成される。さらに、偏光子１０及び検光子３０は、それぞれの偏光方向がほぼ直交状態になるように配置されている。ここでは、説明を簡単にするため、偏光方向の差は９０度とする。
【００６９】
図１２に示す光可変減衰器は、さらに、ファラデー素子２０に磁界を印加するための永久磁石４２と、ヨーク５７及びコイル５９からなる電磁石５５を有している。永久磁石４２は、ドーナツ状の穴を有する２つの磁石で構成されており、光ビーム５は、穴を通過する。永久磁石４２による磁界は、ファラデー素子２０に、光ビーム５の方向と平行の方向に印加され、電磁石５５による磁界は、ファラデー素子２０に、光ビーム５の方向と垂直の方向に印加される。
【００７０】
偏光子１０から出力された直線偏光を有する光ビーム５は、永久磁石４２の穴を介してファラデー素子２０を通過する。偏光方向がファラデー回転された光ビーム５は、さらに他の永久磁石４２の穴を介して検光子３０へ供給される。永久磁石４２による磁界は、ファラデー素子２０内の磁区を単一にするくらいに十分大きい。従って、永久磁石４２と電磁石５５との合成磁界も十分大きく、従ってファラデー素子２０内での光ビーム５の損失は非常に少なくできる。
【００７１】
この光可変減衰器では、コイル５９へ印加する電流を零にすると、光ビーム５の方向のみに永久磁石４２の磁界がかかる。このとき、光ビーム５の偏光方向は大きくファラデー回転し、ファラデー回転角が９０度の場合、減衰量は最小となる。一方、コイル５９へ印加する電流を増大すると、光ビーム５の方向の磁化ベクトルは減少し、ファラデー回転角も減少する。ファラデー回転角が実質的に０度のとき（永久磁石４２と電磁石５５との合成磁界の方向が、光ビーム５の方向と実質的に垂直になった場合）、減衰量は最大となる。ファラデー回転角と減衰量との関係は、図５に示す関係と同じである。
【００７２】
ファラデー回転角が大きいと、波長の変化に対するファラデー回転角の変化量も大きい。しかし、この場合、図５に示すように、ファラデー回転角の変化に対する減衰量の変化量は小さい。よって、波長の変化に対する減衰量の変化量を低減できる。
【００７３】
また、ファラデー回転角が小さいと、波長の変化に対するファラデー回転角の変化量も小さい。従って、この場合、ファラデー回転角の変化に対する減衰量の変化量が大きいが、波長の変化に対する減衰量の変化量を低減できる。本光可変減衰器では、温度変化に対しても、同様に減衰量の変化量を低減できる。また、この光可変減衰器を光伝送装置に適用する場合、図１に示す光可変減衰器と同様に、偏光子と検光子の偏光方向の角度差は、８０度±３０度が好ましい。
【００７４】
なお、本発明に係わる光可変減衰器における偏光子及び検光子の偏光方向の配置は、磁気回路の配置に係わらず、種々の磁気回路の構成に適用可能である。次に、本発明に係わる光可変減衰器の第２の原理について説明する。本発明に係わる光可変減衰器では、電磁石に印加する電流が零のときに、常に光可変減衰器は透過状態にされる。
【００７５】
上述した偏光子と検光子の９０度配置は、波長依存性、温度依存性を非常に小さくできるが、図１に示す光可変減衰器の磁気回路（永久磁石４０及び電磁石５０）の構成の場合、電磁石５０のコイル５４に印加する電流（駆動電流）が零のとき、減衰量は最大となる。制御回路の故障等で駆動電流が切れた場合に自動的に減衰量が最大となり、これはフェールセイフ機能となる。しかし、逆に光が透過しないため、装置アセンブリに影響を与える恐れがある。実用的には、後者の欠点の方が多い。
【００７６】
図１３は、本発明に係わる光可変減衰器の第２の原理を説明するための図である。図１３に示す光可変減衰器は、図１に示す光可変減衰器と比べて、電磁石５０の代わりに電磁石６０が設けられている。電磁石６０は、永久磁石６６を内蔵するヨーク６２とコイル６４とで構成されている。また、説明の都合上、永久磁石４０は、省略されている。その他の構成は、図１の光可変減衰器と同じである。従って、偏光子１０及び検光子３０は、それらの偏光方向の角度差が９０度であるように設置されている。図１の光可変減衰器と同じ機能を有する要素には同じ参照番号が付されている。
【００７７】
図１３の光可変減衰器では、電磁石６０内の永久磁石６６によって、光ビーム５の方向にバイアス磁界が印加される。このバイアス磁界の強さは、ファラデー素子２０におけるファラデー回転角が９０度であるように設定されている。さらに、コイル６４に電流を印加したときに発生する電磁石６０の磁界は、永久磁石６６のバイアス磁界を打ち消すように動作する。
【００７８】
この光可変減衰器において、コイル６４へ印加される電流が零のとき、永久磁石６６によって、光ビーム５の方向にバイアス磁界のみが印加され、光ビーム５の偏光方向はファラデー素子２０において９０度回転させられる。よって、回転された光ビーム５の偏光方向は、検光子３０の偏光方向と一致し、光可変減衰器の透過率は最大となる。一方、コイル６４へ印加される電流が増加すると、バイアス磁界は打ち消され、ファラデー回転は減少し、その結果、減衰量が増加する。
【００７９】
従って、本光可変減衰器では、故障等で、電磁石６０へ印加する電流が流れなくなっても、光ビームを透過することができ、かつ波長・温度依存性を低減することもできる。図１４に、図１３に示す光可変減衰器の変更例を示す。図１４に示す光可変減衰器では、図１３に示す光可変減衰器と比べて、ファラデー素子２０の代わりに、その半分の長さを有するファラデー素子２２が設けられている。ファラデー素子２２の長さは、電磁石６０内の永久磁石６６のバイアス磁界によって、−４５度のファラデー回転が行なわれるように選択されている。その他の構成は、図１３の光可変減衰器と同じである。従って、偏光子１０及び検光子３０は、それらの偏光方向の角度差が９０度であるように設置されている。図１３の光可変減衰器と同じ機能を有する要素には同じ参照番号が付されている。
【００８０】
この光可変減衰器では、電磁石６０に印加される電流が零のとき、永久磁石６６によるバイアス磁界のみファラデー素子２２に印加され、−４５度のファラデー回転が行なわれる。このとき、透過率は約５０％である。正方向に電流が電磁石６０に印加されると、バイアス磁界は、電磁石６０による磁界によって減少し、ファラデー回転角も減少する。ファラデー回転角が０度のとき、減衰量は最大となる。
【００８１】
一方、負方向に電流が電磁石６０に印加されると、バイアス磁界に、電磁石６０による磁界が加わり、ファラデー回転角は負方向に増加する。ファラデー回転角が−９０度になったとき、透過率は最大となる。従って、本光可変減衰器においても、故障等で、電磁石６０へ印加する電流が流れなくなっても、光ビームを約５０％透過することができ、かつ波長・温度依存性を低減することもできる。さらに、ファラデー回転角が４５度に小さくできるので、電磁石に供給する電力を低減でき、光可変減衰器の低消費電力化も達成できる。
【００８２】
上記の図１３及び図１４の光可変減衰器では、永久磁石をヨーク中に埋め込む構造を図示している。しかし、ヨークの材料の透磁率は非常に高いため、永久磁石をヨークに近接させるだけで、同様の効果を得ることができる。図１５に、図１４に示す光可変減衰器の変更例を示す。図１５に示す光可変減衰器では、図１４に示す光可変減衰器と比べて、電磁石６０の代わりに永久磁石を含まない電磁石５０が設けられ、さらに、ファラデー素子２２に斜めの方向からバイアス磁界を加えるための永久磁石７０が設けられている。その他の構成は、図１４の光可変減衰器と同じである。図１４の光可変減衰器と同じ機能を有する要素には同じ参照番号が付されている。
【００８３】
前述の図１４の光可変減衰器では、ヨーク６２内に設けられた永久磁石６６によってバイアス磁界が、光ビーム５と平行に加えられている。この場合、ファラデー素子２２内の磁区を単一にするために、図１の光可変減衰器と同じように、別の永久磁石によって、光ビーム５と垂直の方向にバイアス磁界をさらに加えることができる。このとき、ファラデー素子２２には、これらのバイアス磁界がベクトル合成された合成磁界が加えられる。図１５に示す光可変減衰器では、この合成磁界を、１つの永久磁石７０によって形成することができる。
【００８４】
従って、本光可変減衰器は、より簡易な構成で、図１４に示す光可変減衰器と同じ効果を有することができる。また、本発明は、図１４に示す光可変減衰器だけでなく図１３の光可変減衰器を含む他の構成例にも適用可能である。次に、本発明に係わる光可変減衰器の第３の原理について説明する。光可変減衰器を装置に組み込む場合、装置の低消費電力化を図るため、光可変減衰器の減衰量を制御する磁気回路のコイルに印加する駆動電力を低減する必要がある。そのためには、磁気回路で発生した磁場を効率よくファラデー素子に印加する必要がある。
【００８５】
図１６は、本発明に係わる光可変減衰器の磁気回路の構成例である。図１６では、ヨーク８２及びコイル８４で構成される電磁石８０と、ファラデー素子２０とが示されている。ファラデー素子２０は、ヨーク８２のギャップ中に隙間なく挿入されている。従って、ヨーク８２で発生した磁界は、外部に洩れることなく効率良くファラデー素子２０に供給でき、その結果、ファラデー素子に強い磁場を均一に印加することができる。従って、ファラデー素子とヨークとの間に隙間がある構成に比べて、コイルに供給する電流を低減でき、電磁石の駆動電力を低減できる。
【００８６】
図１７は、図１６に示した光可変減衰器の磁気回路の変更例である。（Ａ）は、上から見た断面図、（Ｂ）は、横から見た断面図を示す。図１７の光可変減衰器の磁気回路では、図１６に示す電磁石８０と比べて、コイル８４の代わりに、分割された２つのコイル８６−１、８６−２が、ファラデー素子２０の近傍に設けられている。
【００８７】
コイルがファラデー素子２０の近傍に設けられていることによって、ヨーク中の磁気抵抗の影響が低減され、効率よくヨークで発生した磁界をファラデー素子２０に供給することができる。この構成によっても、電磁石の駆動電力を低減できる。さらに、ヨーク８２のループ側の高さを低くできるので、光可変減衰器の高さも低くでき、その結果、実装の容易性が向上する。
【００８８】
なお、図１７に示す光可変減衰器では、偏光子、検光子としてウェッジ状複屈折結晶を使用しており、これにより偏光依存性が除去できる。この動作は、特開平６−５１２５５「光アッテネータ」に開示されている。ヨークで発生した磁界を効率よくファラデー素子に印加する方法として、以下の方法も考えられる。図１６及び図１７の磁気回路において、ファラデー素子を挿入するヨークのギャップは狭いほど、効率良く磁場をファラデー素子に印加することができる。ファラデー素子の比透磁率はヨークのそれに比べて大きくないため、ファラデー素子を介して空間中に漏洩磁場が発生する恐れがある。
【００８９】
このため、ヨークのギャップを出来るだけ狭く保つ必要がある。ギャップを狭くすると、光ビームが透過する面積が減少するため、コリメートされた光ビーム系を小さくする必要がある。この要求は、レンズの焦点距離を短くすることで実現可能である。例えば、レンズの焦点距離を０．７ｍｍにすると、コリメートされたビーム直径は約１４０μｍ程度に小さくできる。このため、組立トレランスを考慮してもヨークのギャップをその約２倍の３００μｍ程度以下に設定することは比較的容易である。
【００９０】
図１８は、本発明の光可変減衰器のその他の構成例である。説明を簡単化するため、磁気回路は省略されている。図１８に示す光可変減衰器では、入射側のレンズにより光ビームがファラデー素子において収束される。従って、ファラデー素子において、ヨークのギャップをさらに狭くすることができる。光ビームは、１００μｍ程度まで絞ることができる。この光学系を光可変減衰器に適用すると、ヨークのギャップの間隔を２００μｍ程度まで狭くすることができる。よって、ヨークで発生した磁界を効率よくファラデー素子に印加でき、駆動電力を一層低減することができる。
【００９１】
次に、本発明に係わる光可変減衰器の第４の原理について説明する。本発明に係わる光可変減衰器では、減衰量の波長依存性を利用することによって、光ファイバ増幅器の利得の波長依存性を補償することができる。まず、光ファイバ増幅器の問題点について説明する。光ファイバ増幅器は、Ｅｒ（エルビウム）添加光ファイバ増幅器（Ｅｒｂｉｕｍ−ＤｏｐｅｄＦｉｂｅｒＡｍｐｌｉｆｉｅｒ：ＥＤＦＡ）が良く使用されている。このＥＤＦＡは、外部から励起（ポンピング）光を供給することによって、入力光を増幅する構成を有している。
【００９２】
図１９に、典型的なＥＤＦＡの増幅特性を示す。図１９は、１５５０ｎｍ付近において、４つの光信号が多重化された多重化信号が増幅されている場合を示している。この図から理解される様に、ＥＤＦＡは、１５３５ｎｍ近辺に利得のピークを有し、増幅特性は平坦ではない。従って、通常は、比較的利得が平坦な、１５４０−１５６０ｎｍ付近の波長帯域が光信号として利用されている。
【００９３】
しかし、この波長帯域においても、光ファイバ増幅器の動作状態により、波長依存性が増大する恐れがある。図１９に示すように、出力パワーを一定制御している状態で入力パワーを増大したり、もしくは、入力パワーを一定にして出力パワーを増大すると（図１９のグラフでは、下側のグラフに相当）、１５６０ｎｍ側よりも１５４０ｎｍ側の短波長側の利得が低下する。
【００９４】
光通信システムでは、光ファイバの長さが敷設する場所毎に異なるため、光ファイバ増幅器に入力されるパワーが異なる。従って、入力パワーが敷設場所ごとに異なる場合、出力パワーの利得の波長依存性が発生する。この波長依存性を防ぐためには、光ファイバ増幅器の利得を一定に保つ必要がある。利得が一定に制御されると、ＥＤＦＡ内のＥｒイオンの反転分布状態のイオンの割合が一定になり、波長依存性の変化を低減することができる。この場合、さらに以下の２つの問題が生じる。
【００９５】
第１の問題は、常に光ファイバ増幅器における利得が一定に制御されると、入力パワーに応じて出力パワーが変化する。この場合、光ファイバでは、非常に小さい部分に光を閉じ込めて光の長距離伝搬が行なわれるため、非線形光学効果の影響が増大する。従って、非線形光学効果の影響をさけるため、光ファイバへの入力パワーを低減するように制御する必要がある。このため、従来の第１の方法では、図２０の様に、光出力を一定に保つために光可変減衰器が光ファイバ増幅器に接続され、さらに、波長依存性の変化を低減するために、光ファイバ増幅器の利得が一定に制御されている。この場合、利得の波長依存性を軽減させるためには、十分な励起光パワーを入力させる必要があり、消費電力の増大、装置の大型化等の問題がある。
【００９６】
第２の問題は、光ファイバ増幅器の利得を一定に制御し、利得の波長依存性を低減する場合、励起パワーを大きくする必要があることである。反転分布状態を所定の状態に設定すると、１５４０ｎｍ−１５６０ｎｍの波長域の利得をほぼ平坦にすることができる。しかし、そのためには、励起パワーを大きくする必要がある。もし、励起パワーが低いと、前述したように反転分布が不完全な状態になり、長波長側の利得が持ち上がる。そこで、従来の第２の方法では、長波長側の損失が大きい特性を有する光フィルタが挿入され、少ない励起パワーで利得の波長依存性を低減できる。しかし、この方法では、光フィルタを必要とし、装置の構成が複雑になる。
【００９７】
以上の問題点を解決するため、前述した本発明に係わる光可変減衰器を適用できる。具体的には、図２０に示した構成における光可変減衰器ＡＴＴとして、本発明に係わる光可変減衰器を適用できる。この場合、光ファイバ増幅器の波長依存性（出力パワーが大きい場合の波長依存性：図１９の下側のグラフ）と逆の波長依存性を有するように、光可変減衰器の偏光子、検光子の角度配置、ＦＲ素子長等のパラメータが調整される。このような光可変減衰器の減衰特性を図２１に示す。長波長側において、減衰量が増加している。
【００９８】
本光可変減衰器を伝送装置に適用することによって、波長依存性をキャンセルするための光フィルタを除去できる。また、本光可変減衰器では、減衰量が大きいほど波長依存性が大きいため、光ファイバ増幅器の利得の波長依存性を良好にキャンセルできる。
【００９９】
後者の利点について、さらに詳細に説明する。もし、入力パワーに関わらず利得を一定に制御できる理想的な光ファイバ増幅器が存在すれば、後者の利点は不要であろう。しかし、実際の光ファイバ増幅器の励起光パワーは有限である。入力パワーが増大した場合、利得を一定に制御するために、励起光パワーを上げる必要がある。この時、光出力を一定に保つため、光可変減衰器の減衰量が増大される。
【０１００】
しかし、入力パワーがさらに増大して励起光パワーが上限値に到達すると、反転分布状態を一定に保つことが不可能になり、光ファイバ増幅器の長波長側の利得が増大する。励起光パワーの上限値が小さいと、その傾向はさらに大きくなる。従って、光可変減衰器が、減衰量が大きい程波長依存性が大きくなるという特性を有していると、励起光パワーの上限値が小さくても利得の波長依存性を効果的にキャンセルすることができる。よって、光ファイバ増幅器の励起光のパワーを小さく設定することができ、光ファイバ増幅器の小型化、低消費電力化が可能になる。
【０１０１】
なお、この様な大きな波長依存性を有する光可変減衰器では、減衰量の温度依存性も大きい予想される。従って、この場合、ファラデー素子の温度を一定に保つ制御回路が付加されていることが望ましい。次に、本発明に係わる光可変減衰器の第５の原理について説明する。磁気光学効果を利用した光可変減衰器では、同一の減衰量に制御する際、減衰量を増加させる制御の場合と、減衰量を減少させる制御の場合とで、電磁石へ印加する駆動電流が異なる場合がある。これは、ファラデー素子の回転角度や磁気回路のヒステリシス特性に起因する。
【０１０２】
図２２は、本発明に係わる光可変減衰器の第５の原理を説明するための構成例である。本構成では、光可変減衰器への入力パワー変動を抑圧し、出力パワーを一定に保つように制御できる。図２２に示す構成例では、図３０に示す光可変減衰器が使用されている。この光可変減衰器では、偏光子及び検光子として、減衰量の偏光依存性を低減するために、ルチル（ｒｕｔｉｌ：二酸化チタンＴｉＯ2）や方解石等の複屈折を有する光学材料をウェッジ状に加工したものを使用している。入出力にファイバを設けずに空間ビームを減衰する場合や、偏波保持ファイバを入出力ファイバとして使用する場合、直線偏光が光可変減衰器に入力される。この場合、偏光子、検光子として、通常のプリズムや誘電体多層膜を使用した偏光分離器を使用することができる。また、図２２では、説明を簡単化するため、バイアス磁場を与える永久磁石は省略されている。
【０１０３】
図２２の光可変減衰器では、光可変減衰器の出力側に、複屈折した２つの光ビームの一部を分岐する光カプラ１００と、レンズ１０２と、複屈折した２つの光ビームの一方を通すアパーチャ１０４と、アパーチャ１０４を通過した光パワーをモニタする受光器１０６が設けられ、光パワーが所定の値になるように光可変減衰器の減衰量が制御される。出力側の検光子８ｂ（複屈折結晶）を通過した光ビームは、光カプラ１００により、光ビームの一部を分離する。分離された光ビームは、レンズ１０２及びアパーチャ１０４を介して受光器１０６に入力される。
【０１０４】
光カプラ１００の分岐比は、ファイバ６ｂに供給される主信号の減衰量が僅かであり、かつ分岐された光ビームが受光器１０６で十分モニタできるように設定される。例えば、分岐比は、１０：１〜２０：１程度に設定できる。図２２の光可変減衰器では、光カプラで分離した光ビームがレンズ１０２及びアパーチャ１０４を介して受光器１０６に入力される。複屈折テーパ板を偏光子、検光子として使用した光可変減衰器では、ファラデー回転子９において光ビームの偏光方向が回転し、光ビームの出力光ファイバ６ｂでの結合位置にずれが生じる。従って、光ビームの一部は光ファイバ６ｂに供給されず、減衰動作が行なわれる。
【０１０５】
減衰量が零の場合、出力ファイバ６ｂのコアの中央に光ビームが結合される。減衰を生じさせるために光ビームの偏光方向にファラデー回転が与えられると、コアからはずれた位置に光ビームが結合し、光パワーが減衰される。従って、分離された光ビームを受光器１０６で受信する場合においても、光ファイバと同様に受光面積を十分に小さく絞らないと、全ての光ビームが受光器１０６に供給され、光ビームのパワーを正確に測定できない。即ち、結合する位置を変化させても受光径がその位置ずれより広ければ、減衰量を測定できない。なお、モニタ側のレンズの焦点距離等を適当に設定すれば、光ファイバのコアよりも大きな面積の受光面を確保できる。従って、受光器１０６の前面に、アパーチャ１０４が設けられている。受光面が十分小さい場合は、アパーチャは不要である。
【０１０６】
次に、図２２の光可変減衰器の外部に設けられた制御回路の動作について説明する。受光器１０６で光電変換した電気信号は、増幅器１０８により適当なレベルの電気信号に増幅される。増幅された電気信号は、誤差検出回路１１０に入力される。制御電圧発生回路１１２は、所望の光パワーに対応する電圧を出力する。リニアライザ１１４は、光可変減衰器のコイルへの印加電力と減衰量との関係を補正するために設けられている。ファラデー回転角は印加電力に対して比例するが、減衰量は、ファラデー回転角のｃｏｓ2に比例する。従って、設定電圧と出力光パワーとの関係を線形或いは対数の関係になるように、設定電圧が補正される。この設定電圧は、前述の電気信号と共に誤差検出回路１１０に入力され、それらの差分の信号が制御すべき誤差信号として出力される。
【０１０７】
誤差検出回路１１０から出力された誤差信号では、位相補償回路１１６により電気回路の時定数の調整が行なわれる。ファラデー回転を生じさせる電磁石のコイルはインダクタンスを有しているため、応答特性が劣化しリンギングを発生する恐れがある。従って、位相補償回路１１６では、それらを防止するために制御回路の周波数特性が調整される。駆動回路１１８は、コイルを駆動するための電力増幅回路である。
【０１０８】
上述した制御を使用することによって、制御電圧発生回路１１２で発生した設定電圧に相当する出力パワーを常に得ることができる。なお、制御電圧発生回路１１２は、外部からの制御電圧を与えることでリモート制御が可能となる。本構成例では、光可変減衰器の温度特性、経時劣化、偏波ロス変動等の補正も可能になる。
【０１０９】
図２３は、図２２に示す光可変減衰器の変更例である。本光可変減衰器では、図２２に示す光可変減衰器と比べて、光ビームの分岐手段と受光手段とが光可変減衰器の入力側にさらに付加されている。この構成例では、入力光パワーに関係なく、所定の減衰量を得るように制御することができる。図２２と同じ機能を有するエレメントには同じ参照番号を付している。
【０１１０】
本光可変減衰器では、入力側に出力側と同様に、光カプラ１００ａと受光器１０６ａとが設けられている。入力光パワーの一部（例えば、１／１０〜１／２０）が分岐され、受光器１０６ａでモニタされる。入力側は、複屈折テーパ板からなる偏光子を通過する前に光パワーの一部が分岐されているため、出力側に設けられている受光径を制限するためのアパーチャ１０４は不要である。
【０１１１】
図２３の光可変減衰器では、入力側及び出力側の受光器１０６ａ，１０６ｂで受光した信号は、増幅器１０８ａ，１０８ｂで適切なレベルまで増幅され、割算回路１２０に入力される。この割算回路１２０では、出力パワーと入力パワーの比が計算される。この演算結果は、誤差検出回路１１０に入力される。それと同時に、減衰量に対応する設定電圧も誤差検出回路１１０に入力される。誤差検出回路１１０は制御誤差信号を発生し、その信号は位相補償され、駆動回路１１８を介してコイルを駆動する。上記の制御回路によって、入力部と出力部の光パワーの比が一定になるように制御され、光可変減衰器の減衰量が一定に制御できる。
【０１１２】
次に、本発明に係わる光可変減衰器の第６の原理について説明する。光可変減衰器を光伝送装置に実装する場合、光可変減衰器は小型化する必要がある。特に、プリント板上に実装し、そのプリント板を重ねて伝送装置を構成する場合があるので、光可変減衰器の高さを低くする必要がある。さらに、光伝送装置の消費電力の低減のために、光可変減衰器の消費電力を低減することは重要である。
【０１１３】
図２４は、本発明に係わる光可変減衰器の第６の原理を説明するための構成例である。（Ａ）は、外観図、（Ｂ）は、ａ方向に見た図、（Ｃ）は、ｂ方向に見た図である。ただし、図２４では、説明を簡単にするため、ファラデー回転子のみ記載しており、偏光子、検光子は省略されている。
【０１１４】
図２４に示すファラデー回転子は、ファラデー素子１３０と、ヨーク１３４及びコイル１３６を有する電磁石１３２と、永久磁石１３８とで構成される。電磁石１３２のヨーク１３４と永久磁石１３８は、ギャップを有するリング形状（例えば、馬蹄形）を成している。ファラデー素子１３０は、ヨーク１３４のギャップの中に設けられている。電磁石１３２は、ファラデー素子１３０に、光ビーム１４０と垂直の方向に磁界を印加し、永久磁石１３８は、ファラデー素子１３０に、光ビーム１４０の方向に磁界を印加している。
【０１１５】
図２４の（Ｃ）では、特に、光可変減衰器が筐体１４２に収納されている様子を示している。この図では、電磁石１３２のギャップの方向が、筐体１４２の高さ方向に配置されている。従って、光ビーム１４０が、筐体１４２の高さのほぼ中間に位置することができる。
【０１１６】
前述したように、実装上の理由により光デバイスの高さは低いことが望ましい。光可変減衰器の場合、電磁石のヨークがリング状の形をしているので、この直径が光可変減衰器の高さに大きく影響する。具体的には、光ビームの位置が光可変減衰器の高さの中間に設定されることが、外部とのインタフェース上望ましい。図２９に示す従来の光可変減衰器では、光ビームの上側と下側にそれぞれリング状ヨークの直径に相当するスペースが必要であり、光可変減衰器の高さが大きくなる。しかし、図２４に示す光可変減衰器の構成例では、光ビーム１４０の上側と下側にそれぞれリング状ヨークの半径に相当するスペースを確保するだけでよい。従って、光可変減衰器の高さを低くすることができる。
【０１１７】
図２４の（Ｂ）では、永久磁石１３８が馬蹄形の形状を有し、光ビーム１４０を遮らない範囲で、ファラデー素子１３０にそれを挟むように近接設置されている。また、永久磁石１３８のヨークの先は細くなっていることが示されている。上記の構成によって、図２９に示す従来の光可変減衰器と比べて、永久磁石１３８の磁界を効率的にファラデー素子１３０に印加できる。従って、永久磁石１３８は、外部に磁場を漏洩することを防ぐことができ、電磁石への影響も低減できる。これにより、電磁石の制御が複雑になるのを防ぐことができる。さらに、この場合、永久磁石１３８の磁力を低減できる。
【０１１８】
さらに、図２４の（Ａ）に示すように、電磁石１３２のヨーク１３４は、ギャップに近い部分に半硬質磁性体１４４を含んでいる。図２９に示す従来の光可変減衰器では、ヨークが全て軟質磁性体で形成されているので、磁界を供給するために電磁石に常に電流を供給する必要がある。図２４に示すように電磁石のヨークに半硬質磁性体を使用すると、パルス電流の印加でヨークが磁化され、電流の供給を停止してもその磁化は保持される。従って、光可変減衰器の消費電力を低減できる。この場合、ヨーク全体を半硬質磁性体で構成する必要はなく、図２４（Ａ）に示すようにヨーク中に部分的に半硬質磁性体を設けることによってもその効果は得られる。
【０１１９】
しかし、半硬質磁性体は、飽和領域では安定した磁化が得られるが、未飽和領域では大きなヒステリシス特性を示し、安定な磁化を得ることは難しい。従って、磁界の中間段階での制御は難しい。この問題を解決するために、図２５に示す構成が考えられる。図２５は、本発明に係わる光可変減衰器に使用する電磁石の構成を示す図である。
【０１２０】
本電磁石では、電磁石のヨーク中に部分的にそれぞれの飽和領域での磁力が異なる複数の半硬質磁性体１４４ａ〜１４４ｅが設けられている。また、各々の半硬質磁性体には、個別にコイルが設けられており、各半硬質磁性体を独立的に飽和領域で駆動することができる。従って、これらのコイルに供給する電流をオン／オフ制御することによって、所望の半硬質磁性体のみを動作させ、段階的に電磁石で発生する磁界を安定に設定することができる。
【０１２１】
次に、本発明に係わる光可変減衰器の第７の原理について説明する。ウェッジ状複屈折結晶を利用した光可変減衰器では、図３０の従来の光可変減衰器で説明したように、僅かな偏光依存性損失（ＰＤＬ）が発生する。本発明に係わる光可変減衰器は、この偏光依存性損失をさらに低減する。
【０１２２】
図２６は、本発明に係わる光可変減衰器の第７の原理を説明するための構成例である。（Ａ）は、上面図、（Ｂ）は、側面図である。図２７は、本発明に係わる光可変減衰器の第７の原理を説明するためのバイアス磁界の方向パターンを示す図である。（Ａ）は、バイアス磁界を屈折平面に垂直に印加する場合、（Ｂ）は、バイアス磁界を屈折平面と平行に印加する場合である。
【０１２３】
図２６に示す光可変減衰器は、図３０に示す光可変減衰器と比べて、ファラデー素子１５０の磁区を単一にするためのバイアス磁界１５４が示されている。このバイアス磁界１５４は、光ビームに対して垂直にファラデー素子１５０に印加される。バイアス磁界１５４を発生するための磁石１５２は、図２６の（Ｂ）のみに示されており、（Ａ）では省略されている。また、実際には、ファラデー回転を発生させるため、光ビームと平行な磁界もファラデー素子１５０に印加される。しかし、これらの図では、説明を簡単にするため、光ビームと平行な磁界の図示は省略されている。その他の構成は、図３０に示す光可変減衰器と同じであり、同じ機能を有するエレメントには同じ参照番号を付している。
【０１２４】
図２６の光可変減衰器では、光ビームは複屈折結晶８ａにおいて複屈折され、屈折角度の異なる常光及び異常光の成分を有する光ビームに変換される。常光及び異常光は、ファラデー素子１５０においてバイアス磁界１５４を供給される。このバイアス磁界１５４は、常光１５６及び異常光１５８で構成される平面（屈折平面と称する）に対して垂直に印加されている。この様子は、図２７の（Ａ）にも示されている。従って、常光１５６及び異常光１５８共に、同じ大きさのバイアス磁界１５４が印加される。
【０１２５】
これに対して、図２７の（Ｂ）に示すように、バイアス磁界は、屈折平面に対して平行に印加することもできる。ただし、バイアス磁界は、光ビームに対して実質的に垂直に印加される。この場合、常光１５６及び異常光１５８は異なる屈折角を有しているため、各光に印加されるバイアス磁界は、僅かに異なる。この磁界の大きさの差によって、偏光依存性損失が発生すると考えられる。
【０１２６】
従って、図２６や図２７（Ａ）に示すように、バイアス磁界を屈折平面に実質的に垂直に印加することによって、偏光依存性損失を低減することができる。この明細書において上述した本発明に係わる光可変減衰器では、２種類の磁気回路を利用して減衰量の制御が行なわれるため、光可変減衰器の外部に磁気回路の磁場が漏洩する恐れがある。特に、永久磁石の磁場は強く、外部への影響が大きい。この影響を軽減させるために、永久磁石にも電磁石と同様にヨークを設けたり、筐体を磁気シールドする方法が有効である。
【０１２７】
以上、本発明の実施例により説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく、本発明の範囲内で改良及び変形が可能であることは言うまでもない。
【符号の説明】
【０１２８】
１ 磁気光学結晶（ファラデー素子）
２ 偏光子
３ 永久磁石
４ 電磁石
５ 光ビーム
６ａ、６ｂ 光ファイバ
７ａ、７ｂ レンズ
８ａ、８ｂ 複屈折結晶
９ ファラデー回転子
１０ 偏光子
２０、２２ 磁気光学結晶（ファラデー素子）
３０ 検光子
４０、４２ 永久磁石
５０、５５、６０、８０ 電磁石
５２、５７、６２、８２ ヨーク
５４、５９、６４、８４ コイル
６６ 永久磁石
７０ 永久磁石
８６−１、８６−２ コイル
１００、１００ａ、１００ｂ 光カプラ
１０２ レンズ
１０４ アパーチャ
１０６、１０６ａ、１０６ｂ 受光器
１０８、１０８ａ、１０８ｂ 増幅器
１１０ 誤差検出回路
１１２ 制御電圧発生回路
１１４ リニアライザ
１１６ 位相補償回路
１１８ 駆動回路
１２０ 割算回路
１３０ ファラデー素子
１３２ 電磁石
１３４ ヨーク
１３６ コイル
１３８ 永久磁石
１４０ 光ビーム
１４２ 筐体
１５０ ファラデー素子
１５２ 磁石
１５４ バイアス磁界
１５６ 常光
１５８ 異常光
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光増幅装置および光可変減衰器に関し、特に、磁気光学結晶を使用した光増幅装置および光可変減衰器に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信システムにおいては、光強度（パワー）を必要に応じて調節する必要があり、そのため光可変減衰器が使用されている。従来の可変減衰器では、ガラス基板上に物質を透過光強度が連続的に変化するように付着され、ガラス基板上の透過位置を機械的に移動されて減衰量が変化される。従来の可変減衰器は、機械的な構造を有するため、信頼性が低い、応答速度が遅い、形状の大型である等の問題を有していた。このため、このような光可変減衰器を、伝送装置に組み込むことは難しく、主に測定器として使用されてきた。
【０００３】
近年、光ファイバ増幅器の技術が進展し、光強度を比較的簡単に増幅することが可能となってきている。このため、１本の光ファイバ中に波長の異なる多数の光を伝送させる波長多重通信方式の検討が行われている。図２８に、典型的な波長多重通信方式のシステム構成図を示す。光ファイバ増幅器を使用すれば、波長多重された複数の光信号を一括して増幅することが可能であり、経済的な光通信システムの構築が可能となる。
【０００４】
光ファイバ増幅器を使用した波長多重通信システムでは、伝送信号の品質は光信号強度と雑音強度との比（光ＳＮＲ）で決定される。各光信号の光ＳＮＲを所定の値以上に保つためには、各光信号の光強度を揃える必要がある。各光信号のレベルは、光源（一般的には、レーザダイオード（ＬＤ）を使用）の出力パワーのばらつき、光源毎に備えられる各種光部品の挿入損失のばらつき等によって、ばらつく。さらに、光ファイバ増幅器も、利得の波長依存性を有し、光ファイバ増幅器を通過すると、各波長毎に光信号のパワーが変化する。このため、光信号のパワーのばらつきを調整し抑圧するための光可変減衰器を、光伝送装置内に組み込む必要がある。
【０００５】
上記の目的のための光可変減衰器として、特開平６−５１２５５「光アッテネータ」が提案されている。図２９に、従来の光可変減衰器の第１の構成例を示す。この光可変減衰器は、磁気光学結晶（ｍａｇｎｅｔｏｏｐｔｉｃａｌ ｃｙｒｉｓｔａｌ）１、偏光子（ｐｏｌａｒｉｚｅｒ）２、磁気光学結晶１に光軸と平行に磁界を印加する第１の磁界印加手段３（この場合は、永久磁石が使用されている）、磁気光学結晶１に光軸と垂直に磁界を印加する第２の磁界印加手段４から構成されている。磁気光学結晶１と、第１の磁界印加手段３と、第２の磁界印加手段４とでファラデー回転子９を構成する。ここでは、第１の磁界印加手段３には、永久磁石が使用され、第２の磁界印加手段４には、印加電流によって発生磁界の強さを調整できる電磁石が使用されている。また、図示しない他の偏光子を通過した直線偏光の光ビーム５は、磁気光学結晶１及び偏光子２をその順で通過する。
【０００６】
この光可変減衰器では、第１の磁界印加手段３で発生された磁界ベクトルと第２の磁界印加手段４で発生された磁界ベクトルとの合成ベクトル（合成磁界）が、磁気光学結晶１に加えられる。このとき、第１の磁界印加手段３で発生された磁界ベクトルが飽和磁界よりも大きいとき、合成ベクトルも飽和磁界よりも大きくなる。この場合、磁気光学結晶１は、実質的に内部の磁区が１つに統合された状態になり、磁気光学結晶１が多くの磁区を有する場合に発生する光ビーム５の損失は低減される。
【０００７】
第２の磁界印加手段４の磁界の強さが印加電流によって調整されると、合成磁界の方向も印加電流に応じて変化する。合成磁界の光ビーム５と同じ方向の成分（磁化ベクトル）の強さに応じて、光ビーム５の偏光方向がファラデー効果によって回転させられる。このファラデー回転角θは、一般的に次式で表される。
θ＝Ｖ・Ｌ・Ｈ （１）
Ｖは、ヴェルデ定数であり、磁気光学結晶１の材質によって決定される。Ｌは、磁気光学結晶１における光路長、Ｈは、磁界の強さを示す。磁気光学結晶１によって偏光方向が回転された光ビーム５は、偏光子２に進む。このとき、偏光子２における偏光方向と、光ビーム５の偏光方向が一致している場合、全ての光ビーム５は、偏光子２を通過する。両者の偏光方向が一致しない場合、光ビーム５の偏光子２の偏光方向の成分のみが通過する。両者の偏光方向が９０度の角度差を有するとき、光ビーム５は偏光子２を通過せず、減衰量が最大となる。
【０００８】
また、特開平６−５１２５５「光アッテネータ」には、その他の光可変減衰器が示されている。図３０に、従来の光可変減衰器の第２の構成例を示す。本光可変減衰器は、光ファイバ６ａと、レンズ７ａと、ウェッジ状の複屈折結晶８ａと、図２９に示したファラデー回転子９と、ウェッジ状の複屈折結晶８ｂと、レンズ７ｂと、光ファイバ６ｂとで構成されている。本光可変減衰器では、光ファイバ６ａから供給された光ビームの複屈折結晶８ａ，８ｂによる複屈折を利用して、光ビームの一部が光ファイバ６ｂに導かれる。光ファイバ６ｂに導く量は、ファラデー回転子９における光ビームの偏光方向の回転角で調整できるので、光ビームのパワーを可変に減衰できる。
【０００９】
本光可変減衰器は、図２９に示す光可変減衰器と異なり、光ファイバ６ａから供給される光ビームの偏光方向に係わらず動作可能である。上記に示した光可変減衰器は、機械的な可動部分を有しておらず、小型化が可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平６−５１２５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
図２９に示す従来の光可変減衰器の第１の構成例では、光可変減衰器に使用する磁気光学結晶（ファラデー素子）として、一般的にＹＩＧやファラデー効果を有するガーネット厚膜が良く用いられる。このようなファラデー素子は、一般的に回転角度に対する波長依存性や温度依存性を有する。表１に、ファラデー素子のファラデー回転角の波長依存性及び温度依存性を示す。
【００１２】
【表１】
【００１３】
表１は、１５５０ｎｍ帯におけるファラデー回転角が４５度のときの波長及び温度の変化に対するファラデー回転角の変化を示している。ガーネット厚膜は、その組成により特性が変化する。上記の例は、比較的大きい場合を示している。上記の表１は、波長或いは温度が増加したとき、ファラデー回転角が減少することを示している。
【００１４】
また、図３１に、磁界Ｈとファラデー回転角との関係を示す。図３１では、磁界Ｈを増加すると、ファラデー回転角は傾きＶ×Ｌで増加し、所定の大きさ以上の磁界ではファラデー回転角は飽和する。これは磁気光学結晶の内部の磁区が単一磁区になったことを示す。図３１では、温度或いは波長が変化すると、傾きＶ×Ｌが変化する。これは、ヴェルデ定数に、波長依存性、温度依存性があることを示している。
【００１５】
さらに、光可変減衰器を光伝送装置に組み込むためには、光可変減衰器の大きさを小型化し、駆動電流を低減する必要がある。
【００１６】
また、図３０に示す従来の光可変減衰器の第２の構成例では、僅かな偏光依存性による損失（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｌｏｓｓ：ＰＤＬ）が、まだ生じている。
【００１７】
本発明の第１の目的は、上記の問題点を鑑みて、光増幅器の利得の波長依存性を補償することができる光増幅装置および光可変減衰器を提供することにある。
【００１８】
本発明の第２の目的は、減衰量の補正が可能な光可変減衰器を提供することにある。
【００１９】
本発明の第３の目的は、小型化が可能な光可変減衰器を提供することにある。
【００２０】
本発明の第４の目的は、消費電力の低減が可能な光可変減衰器を提供することにある。
【００２１】
本発明の第５の目的は、偏光依存性による損失を低減することができる光可変減衰器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
上記課題を解決するために本発明では、下記の手段を講じたことを特徴とするものである。
【００２３】
請求項１記載の発明装置では、所定の波長帯域を有する光信号を増幅する光増幅装置であって、波長依存性がある利得特性を有する光増幅器と、磁気光学結晶における光信号の偏光方向の回転を用いて該光信号を可変的に減衰し、減衰特性は前記光増幅器における利得の前記波長依存性と実質的に逆の波長依存性を有する光可変減衰器とを有し、前記光可変減衰器において、前記光信号が減衰されると共に、前記光増幅器における利得の前記波長依存性が低減されることを特徴とする。
【００２４】
請求項２記載の発明装置では、請求項１記載の光増幅装置において、前記光可変減衰器は、前記光信号の偏光方向を可変に回転させる磁気光学結晶と、前記磁気光学結晶を通過した光信号をその偏光方向に応じて通過させる検光子とを有し、前記検光子の偏光方向、前記光信号の偏光方向、及び前記磁気光学結晶は、所定の減衰量において、前記逆の波長依存性が実質的に得られるように設定されていることを特徴とする。
【００２５】
請求項３記載の発明装置では、光増幅器に接続され前記光増幅器における利得の波長依存性を低減しかつ光信号を減衰するための光可変減衰器であって、前記光信号の偏光方向を可変に回転させる磁気光学結晶と、前記磁気光学結晶を通過した光信号をその偏光方向に応じて通過させる検光子とを有し、前記検光子の偏光方向、前記光信号の偏光方向、及び前記磁気光学結晶は、所定の減衰量において、前記光増幅器の利得の波長依存性と実質的に逆の波長依存性が得られるように設定されていることを特徴とする。
【００２６】
請求項４記載の発明装置では、光ビームのパワーを減衰する光可変減衰器であって、前記光ビームの偏光方向を可変に回転させる磁気光学結晶と、前記磁気光学結晶を通過した光ビームの少なくとも一部を前記光可変減衰器の出力に導く検光子と、前記光可変減衰器の出力光を一部分岐して出力パワーをモニタする出力側受光器とを有し、前記出力側受光器でモニタした前記光可変減衰器の出力パワーが所定の値になるように、前記磁気光学結晶における前記光ビームの偏光方向が制御されることを特徴とする。
【００２７】
請求項５記載の発明装置では、光ビームのパワーを減衰する光可変減衰器であって、前記光ビームの偏光方向を可変に回転させる磁気光学結晶と、前記磁気光学結晶を通過した光ビームの少なくとも一部を前記光可変減衰器の出力に導く検光子と、前記磁気光学結晶に入力される光ビームの入力パワーをモニタする入力側受光器と、前記光可変減衰器の出力パワーをモニタする出力側受光器とを有し、前記入力側受光器でモニタした前記光ビームの入力パワーと前記出力側受光器でモニタした前記光可変減衰器の出力パワーとの比が所定の値になるように、前記磁気光学結晶における前記光ビームの偏光方向が制御されることを特徴とする。
【００２８】
請求項６記載の発明装置では、請求項４又は５記載の光可変減衰器において、前記検光子は複屈折結晶を含み、前記検光子おいて偏光を分離された光ビームの一部を前記出力側受光器に導くアパーチャをさらに有することを特徴とする。
【００２９】
請求項７記載の発明装置では、光ビームのパワーを減衰する光可変減衰器であって、前記光ビームの偏光方向を可変に回転させる磁気光学結晶と、前記磁気光学結晶に印加するための磁界を内部のギャップに発生する磁気回路と、前記磁気光学結晶及び前記磁気回路を収容し基板に実装するための筐体とを有し、前記磁気回路は、前記ギャップの方向が実質的に前記筐体の高さ方向であるように前記筐体に実装されることを特徴とする。
【００３０】
請求項８記載の発明装置では、光ビームのパワーを減衰する光可変減衰器であって、前記光ビームの偏光方向を可変に回転させる磁気光学結晶と、少なくとも一部に半硬質磁性体を含むヨークを有し、前記磁気光学結晶に印加するための磁界を駆動電流によって電気的に発生する磁気回路とを有し、前記駆動電流の供給が停止しても前記磁界は維持されることを特徴とする。
【００３１】
請求項９記載の発明装置では、請求項８記載の光可変減衰器において、前記ヨークは、飽和状態における磁化の異なる複数の半硬質磁性体を部分的に有し、前記半硬質磁性体毎に磁化を制御することによって前記磁気回路で発生する磁界の大きさを段階的に変更できることを特徴とする。
【００３２】
請求項１０記載の発明装置では、光ビームのパワーを減衰する光可変減衰器であって、前記光ビームを複屈折させる第１のウェッジ状複屈折結晶と、前記第１のウェッジ状複屈折結晶で偏光を分離された前記光ビームの偏光方向を可変に回転させる磁気光学結晶と、前記磁気光学結晶に前記光ビームと実質的に垂直に印加するための磁界を発生する磁気回路と、前記磁気光学結晶から出力される光ビームを複屈折させる第２のウェッジ状複屈折結晶とを有し、前記第１のウェッジ状複屈折結晶で偏光を分離された前記光ビームで構成される平面に実質的に垂直に、前記磁気回路の磁界が前記磁気光学結晶に印加されることを特徴とする。
【００３３】
請求項１又は２記載の光増幅装置、及び請求項３記載の光可変減衰器においては、検光子の偏光方向、光信号の偏光方向、及び磁気光学結晶を調節することによって、減衰量の波長依存性を任意に設定できる。従って、利得等化用の光フィルタを使用しないで、光増幅器の利得の波長依存性を補償することができる。また、本光可変減衰器では、減衰量が大きいほど波長依存性が大きくできる。従って、光励起パワーの上限値が小さい場合の光増幅器の利得の波長依存性を良好にキャンセルできる。よって、光ファイバ増幅器の励起光のパワーを小さく設定することができ、光ファイバ増幅器の小型化、低消費電力化が可能になる。
【００３４】
請求項４乃至６のうちいずれか１項記載の光可変減衰器においては、出力側受光器でモニタした光可変減衰器の出力パワーが所定の値になるように制御されたり、入力側受光器でモニタした光ビームのパワーと出力側受光器でモニタした光可変減衰器の出力パワーとの比が所定の値になるように制御される。従って、光可変減衰器の減衰量の温度特性、経時劣化、偏波ロス変動等の補正が可能になる。
【００３５】
請求項７記載の光可変減衰器においては、磁気回路をリング状ヨークで構成すると、光ビームの上側と下側にそれぞれリング状ヨークの半径に相当するスペースを確保するだけでよい。従って、光可変減衰器の高さを低くすることができる。
【００３６】
請求項８記載の光可変減衰器においては、ヨークは少なくとも一部に半硬質磁性体を含む。従って、パルス電流の印加でヨークが磁化され、電流の供給を停止してもその磁化は保持される。よって、光可変減衰器の消費電力を低減できる。
【００３７】
請求項９記載の光可変減衰器においては、磁化の異なる複数の半硬質磁性体を制御することによって、電磁石で発生する磁界を安定に段階的に設定することができる。
【００３８】
請求項１０記載の光可変減衰器においては、磁気光学結晶の磁区を単一化するためのバイアス磁界を屈折平面に実質的に垂直に印加される。それにより偏光依存性損失を低減することができる。
【発明の効果】
【００３９】
上述したように、本発明によれば以下に示す効果を有する。
【００４０】
請求項１又は２記載の光増幅装置、及び請求項３記載の光可変減衰器においては、検光子の偏光方向、光信号の偏光方向、及び磁気光学結晶を調節することによって、減衰量の波長依存性を任意に設定できる。従って、利得等化用の光フィルタを使用しないで、光増幅器の利得の波長依存性を補償することができる。また、本光可変減衰器では、減衰量が大きいほど波長依存性が大きくできる。従って、光励起パワーの上限値が小さい場合の光増幅器の利得の波長依存性を良好にキャンセルできる。よって、光ファイバ増幅器の励起光のパワーを小さく設定することができ、光ファイバ増幅器の小型化、低消費電力化が可能になる。
【００４１】
請求項４乃至６のうちいずれか１項記載の光可変減衰器においては、出力側受光器でモニタした光可変減衰器の出力パワーが所定の値になるように制御されたり、入力側受光器でモニタした光ビームのパワーと出力側受光器でモニタした光可変減衰器の出力パワーとの比が所定の値になるように制御される。従って、光可変減衰器の減衰量の温度特性、経時劣化、偏波ロス変動等の補正が可能になる。
【００４２】
請求項７記載の光可変減衰器においては、磁気回路をリング状ヨークで構成すると、光ビームの上側と下側にそれぞれリング状ヨークの半径に相当するスペースを確保するだけでよい。従って、光可変減衰器の高さを低くすることができる。
【００４３】
請求項８記載の光可変減衰器においては、ヨークは少なくとも一部に半硬質磁性体を含む。従って、パルス電流の印加でヨークが磁化され、電流の供給を停止してもその磁化は保持される。よって、光可変減衰器の消費電力を低減できる。
【００４４】
請求項９記載の光可変減衰器においては、磁化の異なる複数の半硬質磁性体を制御することによって、電磁石で発生する磁界を安定に段階的に設定することができる。
【００４５】
請求項１０記載の光可変減衰器においては、磁気光学結晶の磁区を単一化するためのバイアス磁界を屈折平面に実質的に垂直に印加される。それにより偏光依存性損失を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明に係わる光可変減衰器の構成例。
【図２】偏光子（Ｐ）、ファラデー素子（ＦＲ）、検光子（Ａ）の配置例。（Ａ）は、０度配置と称し、偏光子の偏光方向と検光子の偏光方向が平行である場合、（Ｂ）は、４５度配置と称し、偏光子の偏光方向と検光子の偏光方向との角度差が４５度の場合、（Ｃ）は、９０度配置と称し、偏光子の偏光方向と検光子の偏光方向が直交している場合。
【図３】０度配置の場合のファラデー回転角に対する減衰量の計算結果。
【図４】４５度配置の場合のファラデー回転角に対する減衰量の計算結果。
【図５】９０度配置の場合のファラデー回転角に対する減衰量の計算結果。
【図６】ファラデー回転角と波長或いは温度の変化に対するファラデー回転角の変化量との模式的な関係図。
【図７】偏光子と検光子の偏光方向の角度差が０度の場合の、波長に対する減衰特性。（Ａ）は、波長に対する任意の減衰量の変化、（Ｂ）は、波長に対する任意の減衰量の偏差。
【図８】偏光子と検光子の偏光方向の角度差が４５度の場合の、波長に対する減衰特性。（Ａ）は、波長に対する任意の減衰量の変化、（Ｂ）は、波長に対する任意の減衰量の偏差。
【図９】偏光子と検光子の偏光方向の角度差が７０度の場合の、波長に対する減衰特性。（Ａ）は、波長に対する任意の減衰量の変化、（Ｂ）は、波長に対する任意の減衰量の偏差。
【図１０】偏光子と検光子の偏光方向の角度差が８０度の場合の、波長に対する減衰特性。（Ａ）は、波長に対する任意の減衰量の変化、（Ｂ）は、波長に対する任意の減衰量の偏差。
【図１１】偏光子と検光子の偏光方向の角度差が９０度の場合の、波長に対する減衰特性。（Ａ）は、波長に対する任意の減衰量の変化、（Ｂ）は、波長に対する任意の減衰量の偏差。
【図１２】本発明に係わる光可変減衰器の他の構成例。
【図１３】本発明に係わる光可変減衰器の第２の原理を説明するための図。
【図１４】図１３に示す光可変減衰器の変更例。
【図１５】図１４に示す光可変減衰器の変更例。
【図１６】本発明に係わる光可変減衰器の磁気回路の構成例。
【図１７】図１６に示した光可変減衰器の磁気回路の変更例。（Ａ）は、上から見た断面図、（Ｂ）は、横から見た断面図。
【図１８】本発明の光可変減衰器のその他の構成例。
【図１９】典型的なＥＤＦＡの増幅特性。
【図２０】光可変減衰器が組み込まれた光伝送装置の構成例。
【図２１】光ファイバ増幅器の波長依存性をキャンセルするために調整された光可変減衰器の減衰特性。
【図２２】本発明に係わる光可変減衰器の第５の原理を説明するための構成例。
【図２３】図２２に示す光可変減衰器の変更例。
【図２４】本発明に係わる光可変減衰器の第６の原理を説明するための構成例。（Ａ）は、外観図、（Ｂ）は、上面図、（Ｃ）は、正面図。
【図２５】本発明に係わる光可変減衰器に使用する電磁石の構成を示す図。
【図２６】本発明に係わる光可変減衰器の第７の原理を説明するための構成例。（Ａ）は、上面図、（Ｂ）は、側面図。
【図２７】本発明に係わる光可変減衰器の第７の原理を説明するためのバイアス磁界の方向パターンを示す図。
【図２８】典型的な波長多重通信方式のシステム構成図。
【図２９】従来の光可変減衰器の第１の構成例。
【図３０】従来の光可変減衰器の第２の構成例。
【図３１】磁界Ｈとファラデー回転角との関係。
【発明を実施するための形態】
【００４７】
最初に、本発明の第１の原理について説明する。図１は、本発明に係わる光可変減衰器の構成例である。この光可変減衰器は、偏光子（Ｐ）１０、磁気光学結晶であるファラデー素子（ＦＲ）２０、及び検光子（ａｎａｌｙｚｅｒ）（Ａ）３０より構成される。光ビーム５は、偏光子１０、ファラデー素子２０、検光子３０の順に供給される。
【００４８】
また、光可変減衰器はさらに、ファラデー素子２０に磁界を印加するための永久磁石４０と、ヨーク５２及びコイル５４からなる電磁石５０を有している。永久磁石４０による磁界は、ファラデー素子２０に、光ビーム５の方向と垂直の方向に印加され、電磁石５０による磁界は、ファラデー素子２０に、光ビーム５の方向と同じ方向に印加される。
【００４９】
光ビーム５が偏光子１０に供給されると、偏光子１０の偏光方向と同じ偏光方向を有する直線偏光の光が出力される。この直線偏光の光は、ファラデー素子２０を通過し、このとき、通過光の偏光方向は、光ビーム５の方向に発生した磁化ベクトルの大きさに応じてファラデー効果によって回転される。偏光方向が回転された光ビーム５は、検光子３０へ供給される。
【００５０】
永久磁石４０による磁界は、ファラデー素子２０内の磁区を単一にするくらいに十分大きい。従って、永久磁石４０と電磁石５０との合成磁界も十分大きく、従ってファラデー素子２０内での光ビーム５の損失は非常に少なくできる。電磁石５０の磁界の大きさは、コイル５４に印加する電流によって変化でき、それによって、合成磁界の方向も変化できる。このとき、合成磁界のうちの光ビーム５と同一の方向の成分（磁化ベクトル）によって、光ビーム５の偏光方向がファラデー効果によって回転させられる。ファラデー効果によって回転された光ビーム５の偏光方向が、検光子３０の偏光方向と一致しない場合、光ビーム５の一部或いは全部が検光子３０によって遮断され、光ビーム５は減衰する。
【００５１】
以上の動作は、従来の磁気光学結晶を用いた光可変減衰器の動作と実質的に同じである。本発明では、さらに、偏光子１０及び検光子３０は、ファラデー素子２０におけるファラデー回転が無い状態（光軸方向の磁界が零）の光ビーム５の偏光方向が、検光子３０の偏光方向とほぼ直交状態になるように構成されている。これにより、光可変減衰器の減衰量の温度依存性及び波長依存性を低減することができる。また、上記の直交状態は、光路中に、波長板（偏光を回転できる）を挿入して、偏光子及び検光子の配置を調整することによっても設定可能である。例えば、偏光子と検光子は０度配置に設定しても、波長板を挿入し偏光を９０度回転させることによって、実質的に９０度配置を設定することができる。
【００５２】
以下に原理及び動作について説明する。従来の光可変減衰器では、偏光子１０の偏光方向と検光子３０の偏光方向との角度差は、任意の値に設定できるが、ここでは説明を簡単にするため、３種類の角度差（配置）について検討する。図２に、偏光子（Ｐ）、ファラデー素子（ＦＲ）、検光子（Ａ）の配置例を示す。図２の（Ａ）は、０度配置と称し、偏光子の偏光方向と検光子の偏光方向が平行である場合、図２の（Ｂ）は、４５度配置と称し、偏光子の偏光方向と検光子の偏光方向との角度差が４５度の場合、図２の（Ｃ）は、９０度配置と称し、偏光子の偏光方向と検光子の偏光方向が直交している場合である。図２の（Ｃ）に示す配置が、本発明に係わる光可変減衰器に適用されている。
【００５３】
光可変減衰器の減衰量Ａは、ファラデー素子により回転した光の偏光方向と検出子の偏光方向との相対角度をθとすると、以下の式で示される。
【００５４】
Ａ＝１０ｌｏｇ（ｃｏｓ2（９０−θ＋Ｅ））＋Ｌｏ （２）
Ｅ：消光比（真数）、Ｌｏ：損失（ｄＢ）
ここで、Ｅは、光可変減衰器を構成する光学部品の消光比、Ｌｏは、光学部品の内部損失である。この式により、光可変減衰器の減衰量Ａは、ｃｏｓ2θに応じて増加する。図３に、０度配置の場合のファラデー回転角に対する減衰量の計算結果を示す。図４に、４５度配置の場合のファラデー回転角に対する減衰量の計算結果を示す。図５に、９０度配置の場合のファラデー回転角に対する減衰量の計算結果を示す。上記の図では、ファラデー回転角をＣｏｎｔｒｏｌ Ａｎｇｌｅ（ｄｅｇ）と称している。
【００５５】
（Ａ）の０度配置では、ファラデー回転角が０度（印加磁場が零）のとき、減衰量は最も小さく、ファラデー回転角を増加するに従って、減衰量が増大し、９０度のファラデー回転角において減衰量は最大となる。この場合、２０度付近までのファラデー回転角に対しては、減衰量の変化は緩やかであり、９０度付近のファラデー回転角では、回転角度に対する減衰量の変化は大きい。上記の制御を達成するためには、ファラデー素子の長さＬは、９０度以上回転できる長さが必要である。
【００５６】
（Ｂ）の４５度配置では、ファラデー回転角が０度（印加磁場が零）のとき、減衰量は３ｄＢである。回転角を−４５度に設定すると、減衰量は最小となり、＋４５度に設定すると減衰量は最大となる。この場合、４５度付近のファラデー回転角では、回転角度に対する減衰量の変化が大きい。上記の制御において、逆向きの電流を印加することによって、逆方向のファラデー回転を得ることができる。従って、ファラデー素子の長さＬは、４５度以上回転できる長さでよい。よって、（Ａ）の場合のファラデー素子の長さの半分でよい。
【００５７】
（Ｃ）の９０度配置では、ファラデー回転角が０度（印加磁場が零）のとき、減衰量は最も大きく、ファラデー回転角を増加するに従って、減衰量が減少し、９０度のファラデー回転角において減衰量は最小となる。この場合、０度付近のファラデー回転角に対しては、回転角に対する減衰量の変化は大きく、９０度付近のファラデー回転角では、回転角度に対する減衰量の変化は小さい。上記の制御を達成するためには、ファラデー素子の長さＬは、９０度以上回転できる長さが必要である。
【００５８】
以上の説明に示した様に、最大減衰量付近では、僅かなファラデー回転角の変化で急激な減衰量の変化が生じる。しかし、検討の結果、波長或いは温度の変化に対するファラデー回転角の変化量は、ファラデー回転角に依存することがわかった。図６は、ファラデー回転角と波長或いは温度の変化に対するファラデー回転角の変化量との模式的な関係図である。ファラデー回転角の変化量は、ファラデー回転角に比例している。即ち、ファラデー回転角が０度の場合（印加磁界が零）、波長或いは温度の変化によるファラデー回転角の変化量は、零であり、ファラデー回転角が増加するに従ってファラデー回転角の変化量も増える。
【００５９】
従って、ファラデー回転が発生しない状態（２つの磁石の合成磁界の光ビームと平行の成分が実質的に零となる状態）のときに、波長或いは温度の変化によるファラデー回転角の変化量は最小（実質的に零）であり、この状態で、最大減衰量が得られる様に偏光子、検光子を配置すれば、ファラデー回転角の変化に対する減衰量の変化も小さくなる。従って、減衰量の温度依存性や波長依存性を軽減することができる。このような配置は、上記の（Ｃ）の９０度配置に相当する。
【００６０】
すなわち、波長或いは温度の変化によるファラデー回転角の変化量が最小となるファラデー回転角が零度のときに、ファラデー回転角に対する減衰量の変化量の大きい最大減衰量が得られるようにし、ファラデー回転角の変化量が大きくなる大きいファラデー回転角のときに、緩やかな減衰量の変化を示す小さい減衰量が得られるようにする。
【００６１】
表２に、偏光子及び検光子の０度配置、４５度配置、９０度配置の場合の特徴を示す。
【００６２】
【表２】
【００６３】
０度配置及び９０度配置の場合、入出力ポートの区別は無い。どちらから入力しても、同様の減衰特性を得ることができる。これに対して、４５度配置の場合は、入出力ポートを入れ換えると非相反的な動作を行う。電流が０の場合は、どちらから入力しても３ｄＢの減衰となるが、一方から無減衰で光ビームを透過させている場合は、反対方向からは最大減衰となる。即ち、アイソレータとして動作する。
【００６４】
また、図７から図１１に、偏光子と検光子の偏光方向の角度差がそれぞれ０度、４５度、７０度、８０度、９０度の場合の、波長に対する減衰特性を示す。各図の（Ａ）は、波長に対する任意の減衰量の変化を示し、各図の（Ｂ）は、波長に対する任意の減衰量の偏差を示している。（Ｂ）では、偏差は、波長１５４５ｎｍで正規化されている。
【００６５】
図７の０度配置では、２０ｄＢ以上の減衰量を得る場合、波長に対する減衰量の偏差が大きい。これに対して、図１１の９０度配置では、３５ｄＢ以上の減衰量に対しても、波長に対する減衰量の偏差は非常に小さい。また、減衰量が１ｄＢの場合、ファラデー回転角は大きく、例えば、±１５ｎｍの波長変動に対して、ファラデー回転角の変化は、約±２．５度となる。しかし、図１１の（Ｂ）で示されるように、その時の減衰量の偏差は±０．０１ｄＢ以下であり、光伝送の動作に影響は与えない。
【００６６】
光可変減衰器を光伝送装置に適用する場合、一般的に、０〜２０ｄＢの減衰量がよく使用される。従って、０〜２０ｄＢの減衰量に対する偏差を計算すると、図１０に示す８０度配置の場合の偏差が最も小さいことが分かった。さらに、一般的な使用条件を考慮すると、検光子、偏光子の偏光方向の角度差は、８０度±３０度程度の範囲内に配置すれば、実用上十分に波長依存性を低減することができる。
【００６７】
従って、図１における本発明の光可変減衰器では、偏光子及び検光子は、ファラデー素子２０におけるファラデー回転が無い状態の光ビーム５の偏光方向が、検光子の偏光方向とほぼ直交状態になるように構成される。さらに、偏光子及び検光子の偏光方向の角度差は、８０度±３０度であることが望ましい。
【００６８】
本発明は、図１に示す構成例の他に、光可変減衰器の他の構成例にも適用可能である。図１２は、本発明に係わる光可変減衰器の他の構成例である。この光可変減衰器は、図１の光可変減衰器と同様に、偏光子１０、ファラデー素子２０、及び検光子３０より構成される。さらに、偏光子１０及び検光子３０は、それぞれの偏光方向がほぼ直交状態になるように配置されている。ここでは、説明を簡単にするため、偏光方向の差は９０度とする。
【００６９】
図１２に示す光可変減衰器は、さらに、ファラデー素子２０に磁界を印加するための永久磁石４２と、ヨーク５７及びコイル５９からなる電磁石５５を有している。永久磁石４２は、ドーナツ状の穴を有する２つの磁石で構成されており、光ビーム５は、穴を通過する。永久磁石４２による磁界は、ファラデー素子２０に、光ビーム５の方向と平行の方向に印加され、電磁石５５による磁界は、ファラデー素子２０に、光ビーム５の方向と垂直の方向に印加される。
【００７０】
偏光子１０から出力された直線偏光を有する光ビーム５は、永久磁石４２の穴を介してファラデー素子２０を通過する。偏光方向がファラデー回転された光ビーム５は、さらに他の永久磁石４２の穴を介して検光子３０へ供給される。永久磁石４２による磁界は、ファラデー素子２０内の磁区を単一にするくらいに十分大きい。従って、永久磁石４２と電磁石５５との合成磁界も十分大きく、従ってファラデー素子２０内での光ビーム５の損失は非常に少なくできる。
【００７１】
この光可変減衰器では、コイル５９へ印加する電流を零にすると、光ビーム５の方向のみに永久磁石４２の磁界がかかる。このとき、光ビーム５の偏光方向は大きくファラデー回転し、ファラデー回転角が９０度の場合、減衰量は最小となる。一方、コイル５９へ印加する電流を増大すると、光ビーム５の方向の磁化ベクトルは減少し、ファラデー回転角も減少する。ファラデー回転角が実質的に０度のとき（永久磁石４２と電磁石５５との合成磁界の方向が、光ビーム５の方向と実質的に垂直になった場合）、減衰量は最大となる。ファラデー回転角と減衰量との関係は、図５に示す関係と同じである。
【００７２】
ファラデー回転角が大きいと、波長の変化に対するファラデー回転角の変化量も大きい。しかし、この場合、図５に示すように、ファラデー回転角の変化に対する減衰量の変化量は小さい。よって、波長の変化に対する減衰量の変化量を低減できる。
【００７３】
また、ファラデー回転角が小さいと、波長の変化に対するファラデー回転角の変化量も小さい。従って、この場合、ファラデー回転角の変化に対する減衰量の変化量が大きいが、波長の変化に対する減衰量の変化量を低減できる。本光可変減衰器では、温度変化に対しても、同様に減衰量の変化量を低減できる。また、この光可変減衰器を光伝送装置に適用する場合、図１に示す光可変減衰器と同様に、偏光子と検光子の偏光方向の角度差は、８０度±３０度が好ましい。
【００７４】
なお、本発明に係わる光可変減衰器における偏光子及び検光子の偏光方向の配置は、磁気回路の配置に係わらず、種々の磁気回路の構成に適用可能である。次に、本発明に係わる光可変減衰器の第２の原理について説明する。本発明に係わる光可変減衰器では、電磁石に印加する電流が零のときに、常に光可変減衰器は透過状態にされる。
【００７５】
上述した偏光子と検光子の９０度配置は、波長依存性、温度依存性を非常に小さくできるが、図１に示す光可変減衰器の磁気回路（永久磁石４０及び電磁石５０）の構成の場合、電磁石５０のコイル５４に印加する電流（駆動電流）が零のとき、減衰量は最大となる。制御回路の故障等で駆動電流が切れた場合に自動的に減衰量が最大となり、これはフェールセイフ機能となる。しかし、逆に光が透過しないため、装置アセンブリに影響を与える恐れがある。実用的には、後者の欠点の方が多い。
【００７６】
図１３は、本発明に係わる光可変減衰器の第２の原理を説明するための図である。図１３に示す光可変減衰器は、図１に示す光可変減衰器と比べて、電磁石５０の代わりに電磁石６０が設けられている。電磁石６０は、永久磁石６６を内蔵するヨーク６２とコイル６４とで構成されている。また、説明の都合上、永久磁石４０は、省略されている。その他の構成は、図１の光可変減衰器と同じである。従って、偏光子１０及び検光子３０は、それらの偏光方向の角度差が９０度であるように設置されている。図１の光可変減衰器と同じ機能を有する要素には同じ参照番号が付されている。
【００７７】
図１３の光可変減衰器では、電磁石６０内の永久磁石６６によって、光ビーム５の方向にバイアス磁界が印加される。このバイアス磁界の強さは、ファラデー素子２０におけるファラデー回転角が９０度であるように設定されている。さらに、コイル６４に電流を印加したときに発生する電磁石６０の磁界は、永久磁石６６のバイアス磁界を打ち消すように動作する。
【００７８】
この光可変減衰器において、コイル６４へ印加される電流が零のとき、永久磁石６６によって、光ビーム５の方向にバイアス磁界のみが印加され、光ビーム５の偏光方向はファラデー素子２０において９０度回転させられる。よって、回転された光ビーム５の偏光方向は、検光子３０の偏光方向と一致し、光可変減衰器の透過率は最大となる。一方、コイル６４へ印加される電流が増加すると、バイアス磁界は打ち消され、ファラデー回転は減少し、その結果、減衰量が増加する。
【００７９】
従って、本光可変減衰器では、故障等で、電磁石６０へ印加する電流が流れなくなっても、光ビームを透過することができ、かつ波長・温度依存性を低減することもできる。図１４に、図１３に示す光可変減衰器の変更例を示す。図１４に示す光可変減衰器では、図１３に示す光可変減衰器と比べて、ファラデー素子２０の代わりに、その半分の長さを有するファラデー素子２２が設けられている。ファラデー素子２２の長さは、電磁石６０内の永久磁石６６のバイアス磁界によって、−４５度のファラデー回転が行なわれるように選択されている。その他の構成は、図１３の光可変減衰器と同じである。従って、偏光子１０及び検光子３０は、それらの偏光方向の角度差が９０度であるように設置されている。図１３の光可変減衰器と同じ機能を有する要素には同じ参照番号が付されている。
【００８０】
この光可変減衰器では、電磁石６０に印加される電流が零のとき、永久磁石６６によるバイアス磁界のみファラデー素子２２に印加され、−４５度のファラデー回転が行なわれる。このとき、透過率は約５０％である。正方向に電流が電磁石６０に印加されると、バイアス磁界は、電磁石６０による磁界によって減少し、ファラデー回転角も減少する。ファラデー回転角が０度のとき、減衰量は最大となる。
【００８１】
一方、負方向に電流が電磁石６０に印加されると、バイアス磁界に、電磁石６０による磁界が加わり、ファラデー回転角は負方向に増加する。ファラデー回転角が−９０度になったとき、透過率は最大となる。従って、本光可変減衰器においても、故障等で、電磁石６０へ印加する電流が流れなくなっても、光ビームを約５０％透過することができ、かつ波長・温度依存性を低減することもできる。さらに、ファラデー回転角が４５度に小さくできるので、電磁石に供給する電力を低減でき、光可変減衰器の低消費電力化も達成できる。
【００８２】
上記の図１３及び図１４の光可変減衰器では、永久磁石をヨーク中に埋め込む構造を図示している。しかし、ヨークの材料の透磁率は非常に高いため、永久磁石をヨークに近接させるだけで、同様の効果を得ることができる。図１５に、図１４に示す光可変減衰器の変更例を示す。図１５に示す光可変減衰器では、図１４に示す光可変減衰器と比べて、電磁石６０の代わりに永久磁石を含まない電磁石５０が設けられ、さらに、ファラデー素子２２に斜めの方向からバイアス磁界を加えるための永久磁石７０が設けられている。その他の構成は、図１４の光可変減衰器と同じである。図１４の光可変減衰器と同じ機能を有する要素には同じ参照番号が付されている。
【００８３】
前述の図１４の光可変減衰器では、ヨーク６２内に設けられた永久磁石６６によってバイアス磁界が、光ビーム５と平行に加えられている。この場合、ファラデー素子２２内の磁区を単一にするために、図１の光可変減衰器と同じように、別の永久磁石によって、光ビーム５と垂直の方向にバイアス磁界をさらに加えることができる。このとき、ファラデー素子２２には、これらのバイアス磁界がベクトル合成された合成磁界が加えられる。図１５に示す光可変減衰器では、この合成磁界を、１つの永久磁石７０によって形成することができる。
【００８４】
従って、本光可変減衰器は、より簡易な構成で、図１４に示す光可変減衰器と同じ効果を有することができる。また、本発明は、図１４に示す光可変減衰器だけでなく図１３の光可変減衰器を含む他の構成例にも適用可能である。次に、本発明に係わる光可変減衰器の第３の原理について説明する。光可変減衰器を装置に組み込む場合、装置の低消費電力化を図るため、光可変減衰器の減衰量を制御する磁気回路のコイルに印加する駆動電力を低減する必要がある。そのためには、磁気回路で発生した磁場を効率よくファラデー素子に印加する必要がある。
【００８５】
図１６は、本発明に係わる光可変減衰器の磁気回路の構成例である。図１６では、ヨーク８２及びコイル８４で構成される電磁石８０と、ファラデー素子２０とが示されている。ファラデー素子２０は、ヨーク８２のギャップ中に隙間なく挿入されている。従って、ヨーク８２で発生した磁界は、外部に洩れることなく効率良くファラデー素子２０に供給でき、その結果、ファラデー素子に強い磁場を均一に印加することができる。従って、ファラデー素子とヨークとの間に隙間がある構成に比べて、コイルに供給する電流を低減でき、電磁石の駆動電力を低減できる。
【００８６】
図１７は、図１６に示した光可変減衰器の磁気回路の変更例である。（Ａ）は、上から見た断面図、（Ｂ）は、横から見た断面図を示す。図１７の光可変減衰器の磁気回路では、図１６に示す電磁石８０と比べて、コイル８４の代わりに、分割された２つのコイル８６−１、８６−２が、ファラデー素子２０の近傍に設けられている。
【００８７】
コイルがファラデー素子２０の近傍に設けられていることによって、ヨーク中の磁気抵抗の影響が低減され、効率よくヨークで発生した磁界をファラデー素子２０に供給することができる。この構成によっても、電磁石の駆動電力を低減できる。さらに、ヨーク８２のループ側の高さを低くできるので、光可変減衰器の高さも低くでき、その結果、実装の容易性が向上する。
【００８８】
なお、図１７に示す光可変減衰器では、偏光子、検光子としてウェッジ状複屈折結晶を使用しており、これにより偏光依存性が除去できる。この動作は、特開平６−５１２５５「光アッテネータ」に開示されている。ヨークで発生した磁界を効率よくファラデー素子に印加する方法として、以下の方法も考えられる。図１６及び図１７の磁気回路において、ファラデー素子を挿入するヨークのギャップは狭いほど、効率良く磁場をファラデー素子に印加することができる。ファラデー素子の比透磁率はヨークのそれに比べて大きくないため、ファラデー素子を介して空間中に漏洩磁場が発生する恐れがある。
【００８９】
このため、ヨークのギャップを出来るだけ狭く保つ必要がある。ギャップを狭くすると、光ビームが透過する面積が減少するため、コリメートされた光ビーム系を小さくする必要がある。この要求は、レンズの焦点距離を短くすることで実現可能である。例えば、レンズの焦点距離を０．７ｍｍにすると、コリメートされたビーム直径は約１４０μｍ程度に小さくできる。このため、組立トレランスを考慮してもヨークのギャップをその約２倍の３００μｍ程度以下に設定することは比較的容易である。
【００９０】
図１８は、本発明の光可変減衰器のその他の構成例である。説明を簡単化するため、磁気回路は省略されている。図１８に示す光可変減衰器では、入射側のレンズにより光ビームがファラデー素子において収束される。従って、ファラデー素子において、ヨークのギャップをさらに狭くすることができる。光ビームは、１００μｍ程度まで絞ることができる。この光学系を光可変減衰器に適用すると、ヨークのギャップの間隔を２００μｍ程度まで狭くすることができる。よって、ヨークで発生した磁界を効率よくファラデー素子に印加でき、駆動電力を一層低減することができる。
【００９１】
次に、本発明に係わる光可変減衰器の第４の原理について説明する。本発明に係わる光可変減衰器では、減衰量の波長依存性を利用することによって、光ファイバ増幅器の利得の波長依存性を補償することができる。まず、光ファイバ増幅器の問題点について説明する。光ファイバ増幅器は、Ｅｒ（エルビウム）添加光ファイバ増幅器（Ｅｒｂｉｕｍ−ＤｏｐｅｄＦｉｂｅｒＡｍｐｌｉｆｉｅｒ：ＥＤＦＡ）が良く使用されている。このＥＤＦＡは、外部から励起（ポンピング）光を供給することによって、入力光を増幅する構成を有している。
【００９２】
図１９に、典型的なＥＤＦＡの増幅特性を示す。図１９は、１５５０ｎｍ付近において、４つの光信号が多重化された多重化信号が増幅されている場合を示している。この図から理解される様に、ＥＤＦＡは、１５３５ｎｍ近辺に利得のピークを有し、増幅特性は平坦ではない。従って、通常は、比較的利得が平坦な、１５４０−１５６０ｎｍ付近の波長帯域が光信号として利用されている。
【００９３】
しかし、この波長帯域においても、光ファイバ増幅器の動作状態により、波長依存性が増大する恐れがある。図１９に示すように、出力パワーを一定制御している状態で入力パワーを増大したり、もしくは、入力パワーを一定にして出力パワーを増大すると（図１９のグラフでは、下側のグラフに相当）、１５６０ｎｍ側よりも１５４０ｎｍ側の短波長側の利得が低下する。
【００９４】
光通信システムでは、光ファイバの長さが敷設する場所毎に異なるため、光ファイバ増幅器に入力されるパワーが異なる。従って、入力パワーが敷設場所ごとに異なる場合、出力パワーの利得の波長依存性が発生する。この波長依存性を防ぐためには、光ファイバ増幅器の利得を一定に保つ必要がある。利得が一定に制御されると、ＥＤＦＡ内のＥｒイオンの反転分布状態のイオンの割合が一定になり、波長依存性の変化を低減することができる。この場合、さらに以下の２つの問題が生じる。
【００９５】
第１の問題は、常に光ファイバ増幅器における利得が一定に制御されると、入力パワーに応じて出力パワーが変化する。この場合、光ファイバでは、非常に小さい部分に光を閉じ込めて光の長距離伝搬が行なわれるため、非線形光学効果の影響が増大する。従って、非線形光学効果の影響をさけるため、光ファイバへの入力パワーを低減するように制御する必要がある。このため、従来の第１の方法では、図２０の様に、光出力を一定に保つために光可変減衰器が光ファイバ増幅器に接続され、さらに、波長依存性の変化を低減するために、光ファイバ増幅器の利得が一定に制御されている。この場合、利得の波長依存性を軽減させるためには、十分な励起光パワーを入力させる必要があり、消費電力の増大、装置の大型化等の問題がある。
【００９６】
第２の問題は、光ファイバ増幅器の利得を一定に制御し、利得の波長依存性を低減する場合、励起パワーを大きくする必要があることである。反転分布状態を所定の状態に設定すると、１５４０ｎｍ−１５６０ｎｍの波長域の利得をほぼ平坦にすることができる。しかし、そのためには、励起パワーを大きくする必要がある。もし、励起パワーが低いと、前述したように反転分布が不完全な状態になり、長波長側の利得が持ち上がる。そこで、従来の第２の方法では、長波長側の損失が大きい特性を有する光フィルタが挿入され、少ない励起パワーで利得の波長依存性を低減できる。しかし、この方法では、光フィルタを必要とし、装置の構成が複雑になる。
【００９７】
以上の問題点を解決するため、前述した本発明に係わる光可変減衰器を適用できる。具体的には、図２０に示した構成における光可変減衰器ＡＴＴとして、本発明に係わる光可変減衰器を適用できる。この場合、光ファイバ増幅器の波長依存性（出力パワーが大きい場合の波長依存性：図１９の下側のグラフ）と逆の波長依存性を有するように、光可変減衰器の偏光子、検光子の角度配置、ＦＲ素子長等のパラメータが調整される。このような光可変減衰器の減衰特性を図２１に示す。長波長側において、減衰量が増加している。
【００９８】
本光可変減衰器を伝送装置に適用することによって、波長依存性をキャンセルするための光フィルタを除去できる。また、本光可変減衰器では、減衰量が大きいほど波長依存性が大きいため、光ファイバ増幅器の利得の波長依存性を良好にキャンセルできる。
【００９９】
後者の利点について、さらに詳細に説明する。もし、入力パワーに関わらず利得を一定に制御できる理想的な光ファイバ増幅器が存在すれば、後者の利点は不要であろう。しかし、実際の光ファイバ増幅器の励起光パワーは有限である。入力パワーが増大した場合、利得を一定に制御するために、励起光パワーを上げる必要がある。この時、光出力を一定に保つため、光可変減衰器の減衰量が増大される。
【０１００】
しかし、入力パワーがさらに増大して励起光パワーが上限値に到達すると、反転分布状態を一定に保つことが不可能になり、光ファイバ増幅器の長波長側の利得が増大する。励起光パワーの上限値が小さいと、その傾向はさらに大きくなる。従って、光可変減衰器が、減衰量が大きい程波長依存性が大きくなるという特性を有していると、励起光パワーの上限値が小さくても利得の波長依存性を効果的にキャンセルすることができる。よって、光ファイバ増幅器の励起光のパワーを小さく設定することができ、光ファイバ増幅器の小型化、低消費電力化が可能になる。
【０１０１】
なお、この様な大きな波長依存性を有する光可変減衰器では、減衰量の温度依存性も大きい予想される。従って、この場合、ファラデー素子の温度を一定に保つ制御回路が付加されていることが望ましい。次に、本発明に係わる光可変減衰器の第５の原理について説明する。磁気光学効果を利用した光可変減衰器では、同一の減衰量に制御する際、減衰量を増加させる制御の場合と、減衰量を減少させる制御の場合とで、電磁石へ印加する駆動電流が異なる場合がある。これは、ファラデー素子の回転角度や磁気回路のヒステリシス特性に起因する。
【０１０２】
図２２は、本発明に係わる光可変減衰器の第５の原理を説明するための構成例である。本構成では、光可変減衰器への入力パワー変動を抑圧し、出力パワーを一定に保つように制御できる。図２２に示す構成例では、図３０に示す光可変減衰器が使用されている。この光可変減衰器では、偏光子及び検光子として、減衰量の偏光依存性を低減するために、ルチル（ｒｕｔｉｌ：二酸化チタンＴｉＯ2）や方解石等の複屈折を有する光学材料をウェッジ状に加工したものを使用している。入出力にファイバを設けずに空間ビームを減衰する場合や、偏波保持ファイバを入出力ファイバとして使用する場合、直線偏光が光可変減衰器に入力される。この場合、偏光子、検光子として、通常のプリズムや誘電体多層膜を使用した偏光分離器を使用することができる。また、図２２では、説明を簡単化するため、バイアス磁場を与える永久磁石は省略されている。
【０１０３】
図２２の光可変減衰器では、光可変減衰器の出力側に、複屈折した２つの光ビームの一部を分岐する光カプラ１００と、レンズ１０２と、複屈折した２つの光ビームの一方を通すアパーチャ１０４と、アパーチャ１０４を通過した光パワーをモニタする受光器１０６が設けられ、光パワーが所定の値になるように光可変減衰器の減衰量が制御される。出力側の検光子８ｂ（複屈折結晶）を通過した光ビームは、光カプラ１００により、光ビームの一部を分離する。分離された光ビームは、レンズ１０２及びアパーチャ１０４を介して受光器１０６に入力される。
【０１０４】
光カプラ１００の分岐比は、ファイバ６ｂに供給される主信号の減衰量が僅かであり、かつ分岐された光ビームが受光器１０６で十分モニタできるように設定される。例えば、分岐比は、１０：１〜２０：１程度に設定できる。図２２の光可変減衰器では、光カプラで分離した光ビームがレンズ１０２及びアパーチャ１０４を介して受光器１０６に入力される。複屈折テーパ板を偏光子、検光子として使用した光可変減衰器では、ファラデー回転子９において光ビームの偏光方向が回転し、光ビームの出力光ファイバ６ｂでの結合位置にずれが生じる。従って、光ビームの一部は光ファイバ６ｂに供給されず、減衰動作が行なわれる。
【０１０５】
減衰量が零の場合、出力ファイバ６ｂのコアの中央に光ビームが結合される。減衰を生じさせるために光ビームの偏光方向にファラデー回転が与えられると、コアからはずれた位置に光ビームが結合し、光パワーが減衰される。従って、分離された光ビームを受光器１０６で受信する場合においても、光ファイバと同様に受光面積を十分に小さく絞らないと、全ての光ビームが受光器１０６に供給され、光ビームのパワーを正確に測定できない。即ち、結合する位置を変化させても受光径がその位置ずれより広ければ、減衰量を測定できない。なお、モニタ側のレンズの焦点距離等を適当に設定すれば、光ファイバのコアよりも大きな面積の受光面を確保できる。従って、受光器１０６の前面に、アパーチャ１０４が設けられている。受光面が十分小さい場合は、アパーチャは不要である。
【０１０６】
次に、図２２の光可変減衰器の外部に設けられた制御回路の動作について説明する。受光器１０６で光電変換した電気信号は、増幅器１０８により適当なレベルの電気信号に増幅される。増幅された電気信号は、誤差検出回路１１０に入力される。制御電圧発生回路１１２は、所望の光パワーに対応する電圧を出力する。リニアライザ１１４は、光可変減衰器のコイルへの印加電力と減衰量との関係を補正するために設けられている。ファラデー回転角は印加電力に対して比例するが、減衰量は、ファラデー回転角のｃｏｓ2に比例する。従って、設定電圧と出力光パワーとの関係を線形或いは対数の関係になるように、設定電圧が補正される。この設定電圧は、前述の電気信号と共に誤差検出回路１１０に入力され、それらの差分の信号が制御すべき誤差信号として出力される。
【０１０７】
誤差検出回路１１０から出力された誤差信号では、位相補償回路１１６により電気回路の時定数の調整が行なわれる。ファラデー回転を生じさせる電磁石のコイルはインダクタンスを有しているため、応答特性が劣化しリンギングを発生する恐れがある。従って、位相補償回路１１６では、それらを防止するために制御回路の周波数特性が調整される。駆動回路１１８は、コイルを駆動するための電力増幅回路である。
【０１０８】
上述した制御を使用することによって、制御電圧発生回路１１２で発生した設定電圧に相当する出力パワーを常に得ることができる。なお、制御電圧発生回路１１２は、外部からの制御電圧を与えることでリモート制御が可能となる。本構成例では、光可変減衰器の温度特性、経時劣化、偏波ロス変動等の補正も可能になる。
【０１０９】
図２３は、図２２に示す光可変減衰器の変更例である。本光可変減衰器では、図２２に示す光可変減衰器と比べて、光ビームの分岐手段と受光手段とが光可変減衰器の入力側にさらに付加されている。この構成例では、入力光パワーに関係なく、所定の減衰量を得るように制御することができる。図２２と同じ機能を有するエレメントには同じ参照番号を付している。
【０１１０】
本光可変減衰器では、入力側に出力側と同様に、光カプラ１００ａと受光器１０６ａとが設けられている。入力光パワーの一部（例えば、１／１０〜１／２０）が分岐され、受光器１０６ａでモニタされる。入力側は、複屈折テーパ板からなる偏光子を通過する前に光パワーの一部が分岐されているため、出力側に設けられている受光径を制限するためのアパーチャ１０４は不要である。
【０１１１】
図２３の光可変減衰器では、入力側及び出力側の受光器１０６ａ，１０６ｂで受光した信号は、増幅器１０８ａ，１０８ｂで適切なレベルまで増幅され、割算回路１２０に入力される。この割算回路１２０では、出力パワーと入力パワーの比が計算される。この演算結果は、誤差検出回路１１０に入力される。それと同時に、減衰量に対応する設定電圧も誤差検出回路１１０に入力される。誤差検出回路１１０は制御誤差信号を発生し、その信号は位相補償され、駆動回路１１８を介してコイルを駆動する。上記の制御回路によって、入力部と出力部の光パワーの比が一定になるように制御され、光可変減衰器の減衰量が一定に制御できる。
【０１１２】
次に、本発明に係わる光可変減衰器の第６の原理について説明する。光可変減衰器を光伝送装置に実装する場合、光可変減衰器は小型化する必要がある。特に、プリント板上に実装し、そのプリント板を重ねて伝送装置を構成する場合があるので、光可変減衰器の高さを低くする必要がある。さらに、光伝送装置の消費電力の低減のために、光可変減衰器の消費電力を低減することは重要である。
【０１１３】
図２４は、本発明に係わる光可変減衰器の第６の原理を説明するための構成例である。（Ａ）は、外観図、（Ｂ）は、ａ方向に見た図、（Ｃ）は、ｂ方向に見た図である。ただし、図２４では、説明を簡単にするため、ファラデー回転子のみ記載しており、偏光子、検光子は省略されている。
【０１１４】
図２４に示すファラデー回転子は、ファラデー素子１３０と、ヨーク１３４及びコイル１３６を有する電磁石１３２と、永久磁石１３８とで構成される。電磁石１３２のヨーク１３４と永久磁石１３８は、ギャップを有するリング形状（例えば、馬蹄形）を成している。ファラデー素子１３０は、ヨーク１３４のギャップの中に設けられている。電磁石１３２は、ファラデー素子１３０に、光ビーム１４０と垂直の方向に磁界を印加し、永久磁石１３８は、ファラデー素子１３０に、光ビーム１４０の方向に磁界を印加している。
【０１１５】
図２４の（Ｃ）では、特に、光可変減衰器が筐体１４２に収納されている様子を示している。この図では、電磁石１３２のギャップの方向が、筐体１４２の高さ方向に配置されている。従って、光ビーム１４０が、筐体１４２の高さのほぼ中間に位置することができる。
【０１１６】
前述したように、実装上の理由により光デバイスの高さは低いことが望ましい。光可変減衰器の場合、電磁石のヨークがリング状の形をしているので、この直径が光可変減衰器の高さに大きく影響する。具体的には、光ビームの位置が光可変減衰器の高さの中間に設定されることが、外部とのインタフェース上望ましい。図２９に示す従来の光可変減衰器では、光ビームの上側と下側にそれぞれリング状ヨークの直径に相当するスペースが必要であり、光可変減衰器の高さが大きくなる。しかし、図２４に示す光可変減衰器の構成例では、光ビーム１４０の上側と下側にそれぞれリング状ヨークの半径に相当するスペースを確保するだけでよい。従って、光可変減衰器の高さを低くすることができる。
【０１１７】
図２４の（Ｂ）では、永久磁石１３８が馬蹄形の形状を有し、光ビーム１４０を遮らない範囲で、ファラデー素子１３０にそれを挟むように近接設置されている。また、永久磁石１３８のヨークの先は細くなっていることが示されている。上記の構成によって、図２９に示す従来の光可変減衰器と比べて、永久磁石１３８の磁界を効率的にファラデー素子１３０に印加できる。従って、永久磁石１３８は、外部に磁場を漏洩することを防ぐことができ、電磁石への影響も低減できる。これにより、電磁石の制御が複雑になるのを防ぐことができる。さらに、この場合、永久磁石１３８の磁力を低減できる。
【０１１８】
さらに、図２４の（Ａ）に示すように、電磁石１３２のヨーク１３４は、ギャップに近い部分に半硬質磁性体１４４を含んでいる。図２９に示す従来の光可変減衰器では、ヨークが全て軟質磁性体で形成されているので、磁界を供給するために電磁石に常に電流を供給する必要がある。図２４に示すように電磁石のヨークに半硬質磁性体を使用すると、パルス電流の印加でヨークが磁化され、電流の供給を停止してもその磁化は保持される。従って、光可変減衰器の消費電力を低減できる。この場合、ヨーク全体を半硬質磁性体で構成する必要はなく、図２４（Ａ）に示すようにヨーク中に部分的に半硬質磁性体を設けることによってもその効果は得られる。
【０１１９】
しかし、半硬質磁性体は、飽和領域では安定した磁化が得られるが、未飽和領域では大きなヒステリシス特性を示し、安定な磁化を得ることは難しい。従って、磁界の中間段階での制御は難しい。この問題を解決するために、図２５に示す構成が考えられる。図２５は、本発明に係わる光可変減衰器に使用する電磁石の構成を示す図である。
【０１２０】
本電磁石では、電磁石のヨーク中に部分的にそれぞれの飽和領域での磁力が異なる複数の半硬質磁性体１４４ａ〜１４４ｅが設けられている。また、各々の半硬質磁性体には、個別にコイルが設けられており、各半硬質磁性体を独立的に飽和領域で駆動することができる。従って、これらのコイルに供給する電流をオン／オフ制御することによって、所望の半硬質磁性体のみを動作させ、段階的に電磁石で発生する磁界を安定に設定することができる。
【０１２１】
次に、本発明に係わる光可変減衰器の第７の原理について説明する。ウェッジ状複屈折結晶を利用した光可変減衰器では、図３０の従来の光可変減衰器で説明したように、僅かな偏光依存性損失（ＰＤＬ）が発生する。本発明に係わる光可変減衰器は、この偏光依存性損失をさらに低減する。
【０１２２】
図２６は、本発明に係わる光可変減衰器の第７の原理を説明するための構成例である。（Ａ）は、上面図、（Ｂ）は、側面図である。図２７は、本発明に係わる光可変減衰器の第７の原理を説明するためのバイアス磁界の方向パターンを示す図である。（Ａ）は、バイアス磁界を屈折平面に垂直に印加する場合、（Ｂ）は、バイアス磁界を屈折平面と平行に印加する場合である。
【０１２３】
図２６に示す光可変減衰器は、図３０に示す光可変減衰器と比べて、ファラデー素子１５０の磁区を単一にするためのバイアス磁界１５４が示されている。このバイアス磁界１５４は、光ビームに対して垂直にファラデー素子１５０に印加される。バイアス磁界１５４を発生するための磁石１５２は、図２６の（Ｂ）のみに示されており、（Ａ）では省略されている。また、実際には、ファラデー回転を発生させるため、光ビームと平行な磁界もファラデー素子１５０に印加される。しかし、これらの図では、説明を簡単にするため、光ビームと平行な磁界の図示は省略されている。その他の構成は、図３０に示す光可変減衰器と同じであり、同じ機能を有するエレメントには同じ参照番号を付している。
【０１２４】
図２６の光可変減衰器では、光ビームは複屈折結晶８ａにおいて複屈折され、屈折角度の異なる常光及び異常光の成分を有する光ビームに変換される。常光及び異常光は、ファラデー素子１５０においてバイアス磁界１５４を供給される。このバイアス磁界１５４は、常光１５６及び異常光１５８で構成される平面（屈折平面と称する）に対して垂直に印加されている。この様子は、図２７の（Ａ）にも示されている。従って、常光１５６及び異常光１５８共に、同じ大きさのバイアス磁界１５４が印加される。
【０１２５】
これに対して、図２７の（Ｂ）に示すように、バイアス磁界は、屈折平面に対して平行に印加することもできる。ただし、バイアス磁界は、光ビームに対して実質的に垂直に印加される。この場合、常光１５６及び異常光１５８は異なる屈折角を有しているため、各光に印加されるバイアス磁界は、僅かに異なる。この磁界の大きさの差によって、偏光依存性損失が発生すると考えられる。
【０１２６】
従って、図２６や図２７（Ａ）に示すように、バイアス磁界を屈折平面に実質的に垂直に印加することによって、偏光依存性損失を低減することができる。この明細書において上述した本発明に係わる光可変減衰器では、２種類の磁気回路を利用して減衰量の制御が行なわれるため、光可変減衰器の外部に磁気回路の磁場が漏洩する恐れがある。特に、永久磁石の磁場は強く、外部への影響が大きい。この影響を軽減させるために、永久磁石にも電磁石と同様にヨークを設けたり、筐体を磁気シールドする方法が有効である。
【０１２７】
以上、本発明の実施例により説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく、本発明の範囲内で改良及び変形が可能であることは言うまでもない。
【符号の説明】
【０１２８】
１ 磁気光学結晶（ファラデー素子）
２ 偏光子
３ 永久磁石
４ 電磁石
５ 光ビーム
６ａ、６ｂ 光ファイバ
７ａ、７ｂ レンズ
８ａ、８ｂ 複屈折結晶
９ ファラデー回転子
１０ 偏光子
２０、２２ 磁気光学結晶（ファラデー素子）
３０ 検光子
４０、４２ 永久磁石
５０、５５、６０、８０ 電磁石
５２、５７、６２、８２ ヨーク
５４、５９、６４、８４ コイル
６６ 永久磁石
７０ 永久磁石
８６−１、８６−２ コイル
１００、１００ａ、１００ｂ 光カプラ
１０２ レンズ
１０４ アパーチャ
１０６、１０６ａ、１０６ｂ 受光器
１０８、１０８ａ、１０８ｂ 増幅器
１１０ 誤差検出回路
１１２ 制御電圧発生回路
１１４ リニアライザ
１１６ 位相補償回路
１１８ 駆動回路
１２０ 割算回路
１３０ ファラデー素子
１３２ 電磁石
１３４ ヨーク
１３６ コイル
１３８ 永久磁石
１４０ 光ビーム
１４２ 筐体
１５０ ファラデー素子
１５２ 磁石
１５４ バイアス磁界
１５６ 常光
１５８ 異常光
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の波長帯域を有する光信号を増幅する光増幅装置であって、
波長依存性がある利得特性を有する光増幅器と、
磁気光学結晶における光信号の偏光方向の回転を用いて該光信号を可変的に減衰し、減衰特性は前記光増幅器における利得の前記波長依存性と実質的に逆の波長依存性を有する光可変減衰器とを有し、前記光可変減衰器において、前記光信号が減衰されると共に、前記光増幅器における利得の前記波長依存性が低減されることを特徴とする光増幅装置。
【請求項２】
前記光可変減衰器は、
前記光信号の偏光方向を可変に回転させる磁気光学結晶と、
前記磁気光学結晶を通過した光信号をその偏光方向に応じて通過させる検光子とを有し、
前記検光子の偏光方向、前記光信号の偏光方向、及び前記磁気光学結晶は、所定の減衰量において、前記逆の波長依存性が実質的に得られるように設定されていることを特徴とする請求項１記載の光増幅装置。
【請求項３】
光増幅器に接続され前記光増幅器における利得の波長依存性を低減しかつ光信号を減衰するための光可変減衰器であって、
前記光信号の偏光方向を可変に回転させる磁気光学結晶と、
前記磁気光学結晶を通過した光信号をその偏光方向に応じて通過させる検光子とを有し、
前記検光子の偏光方向、前記光信号の偏光方向、及び前記磁気光学結晶は、所定の減衰量において、前記光増幅器の利得の波長依存性と実質的に逆の波長依存性が得られるように設定されていることを特徴とする光可変減衰器。
【請求項４】
光ビームのパワーを減衰する光可変減衰器であって、
前記光ビームの偏光方向を可変に回転させる磁気光学結晶と、
前記磁気光学結晶を通過した光ビームの少なくとも一部を前記光可変減衰器の出力に導く検光子と、
前記光可変減衰器の出力光を一部分岐して出力パワーをモニタする出力側受光器とを有し、
前記出力側受光器でモニタした前記光可変減衰器の出力パワーが所定の値になるように、前記磁気光学結晶における前記光ビームの偏光方向が制御されることを特徴とする光可変減衰器。
【請求項５】
光ビームのパワーを減衰する光可変減衰器であって、
前記光ビームの偏光方向を可変に回転させる磁気光学結晶と、
前記磁気光学結晶を通過した光ビームの少なくとも一部を前記光可変減衰器の出力に導く検光子と、
前記磁気光学結晶に入力される光ビームの入力パワーをモニタする入力側受光器と、
前記光可変減衰器の出力パワーをモニタする出力側受光器とを有し、
前記入力側受光器でモニタした前記光ビームの入力パワーと前記出力側受光器でモニタした前記光可変減衰器の出力パワーとの比が所定の値になるように、前記磁気光学結晶における前記光ビームの偏光方向が制御されることを特徴とする光可変減衰器。
【請求項６】
前記検光子は複屈折結晶を含み、前記検光子おいて偏光を分離された光ビームの一部を前記出力側受光器に導くアパーチャをさらに有することを特徴とする請求項４又は５記載の光可変減衰器。
【請求項７】
光ビームのパワーを減衰する光可変減衰器であって、
前記光ビームの偏光方向を可変に回転させる磁気光学結晶と、
前記磁気光学結晶に印加するための磁界を内部のギャップに発生する磁気回路と、
前記磁気光学結晶及び前記磁気回路を収容し基板に実装するための筐体とを有し、
前記磁気回路は、前記ギャップの方向が実質的に前記筐体の高さ方向であるように前記筐体に実装されることを特徴とする光可変減衰器。
【請求項８】
光ビームのパワーを減衰する光可変減衰器であって、
前記光ビームの偏光方向を可変に回転させる磁気光学結晶と、
少なくとも一部に半硬質磁性体を含むヨークを有し、前記磁気光学結晶に印加するための磁界を駆動電流によって電気的に発生する磁気回路とを有し、
前記駆動電流の供給が停止しても前記磁界は維持されることを特徴とする光可変減衰器。
【請求項９】
前記ヨークは、飽和状態における磁化の異なる複数の半硬質磁性体を部分的に有し、
前記半硬質磁性体毎に磁化を制御することによって前記磁気回路で発生する磁界の大きさを段階的に変更できることを特徴とする請求項８記載の光可変減衰器。
【請求項１０】
光ビームのパワーを減衰する光可変減衰器であって、
前記光ビームの偏光分離を行う第１のウェッジ状複屈折結晶と、
前記第１のウェッジ状複屈折結晶で偏光を分離された前記光ビームの偏光方向を可変に回転させる磁気光学結晶と、
前記磁気光学結晶に前記光ビームと実質的に垂直に印加するための磁界を発生する磁気回路と、
前記磁気光学結晶から出力される光ビームを複屈折させる第２のウェッジ状複屈折結晶とを有し、
前記第１のウェッジ状複屈折結晶で偏光を分離された前記光ビームで構成される平面に実質的に垂直に、前記磁気回路の磁界が前記磁気光学結晶に印加されることを特徴とする光可変減衰器。
【請求項１】
所定の波長帯域を有する光信号を増幅する光増幅装置であって、
波長依存性がある利得特性を有する光増幅器と、
磁気光学結晶における光信号の偏光方向の回転を用いて該光信号を可変的に減衰し、減衰特性は前記光増幅器における利得の前記波長依存性と実質的に逆の波長依存性を有する光可変減衰器とを有し、前記光可変減衰器において、前記光信号が減衰されると共に、前記光増幅器における利得の前記波長依存性が低減されることを特徴とする光増幅装置。
【請求項２】
前記光可変減衰器は、
前記光信号の偏光方向を可変に回転させる磁気光学結晶と、
前記磁気光学結晶を通過した光信号をその偏光方向に応じて通過させる検光子とを有し、
前記検光子の偏光方向、前記光信号の偏光方向、及び前記磁気光学結晶は、所定の減衰量において、前記逆の波長依存性が実質的に得られるように設定されていることを特徴とする請求項１記載の光増幅装置。
【請求項３】
光増幅器に接続され前記光増幅器における利得の波長依存性を低減しかつ光信号を減衰するための光可変減衰器であって、
前記光信号の偏光方向を可変に回転させる磁気光学結晶と、
前記磁気光学結晶を通過した光信号をその偏光方向に応じて通過させる検光子とを有し、
前記検光子の偏光方向、前記光信号の偏光方向、及び前記磁気光学結晶は、所定の減衰量において、前記光増幅器の利得の波長依存性と実質的に逆の波長依存性が得られるように設定されていることを特徴とする光可変減衰器。
【請求項４】
光ビームのパワーを減衰する光可変減衰器であって、
前記光ビームの偏光方向を可変に回転させる磁気光学結晶と、
前記磁気光学結晶を通過した光ビームの少なくとも一部を前記光可変減衰器の出力に導く検光子と、
前記光可変減衰器の出力光を一部分岐して出力パワーをモニタする出力側受光器とを有し、
前記出力側受光器でモニタした前記光可変減衰器の出力パワーが所定の値になるように、前記磁気光学結晶における前記光ビームの偏光方向が制御されることを特徴とする光可変減衰器。
【請求項５】
光ビームのパワーを減衰する光可変減衰器であって、
前記光ビームの偏光方向を可変に回転させる磁気光学結晶と、
前記磁気光学結晶を通過した光ビームの少なくとも一部を前記光可変減衰器の出力に導く検光子と、
前記磁気光学結晶に入力される光ビームの入力パワーをモニタする入力側受光器と、
前記光可変減衰器の出力パワーをモニタする出力側受光器とを有し、
前記入力側受光器でモニタした前記光ビームの入力パワーと前記出力側受光器でモニタした前記光可変減衰器の出力パワーとの比が所定の値になるように、前記磁気光学結晶における前記光ビームの偏光方向が制御されることを特徴とする光可変減衰器。
【請求項６】
前記検光子は複屈折結晶を含み、前記検光子おいて偏光を分離された光ビームの一部を前記出力側受光器に導くアパーチャをさらに有することを特徴とする請求項４又は５記載の光可変減衰器。
【請求項７】
光ビームのパワーを減衰する光可変減衰器であって、
前記光ビームの偏光方向を可変に回転させる磁気光学結晶と、
前記磁気光学結晶に印加するための磁界を内部のギャップに発生する磁気回路と、
前記磁気光学結晶及び前記磁気回路を収容し基板に実装するための筐体とを有し、
前記磁気回路は、前記ギャップの方向が実質的に前記筐体の高さ方向であるように前記筐体に実装されることを特徴とする光可変減衰器。
【請求項８】
光ビームのパワーを減衰する光可変減衰器であって、
前記光ビームの偏光方向を可変に回転させる磁気光学結晶と、
少なくとも一部に半硬質磁性体を含むヨークを有し、前記磁気光学結晶に印加するための磁界を駆動電流によって電気的に発生する磁気回路とを有し、
前記駆動電流の供給が停止しても前記磁界は維持されることを特徴とする光可変減衰器。
【請求項９】
前記ヨークは、飽和状態における磁化の異なる複数の半硬質磁性体を部分的に有し、
前記半硬質磁性体毎に磁化を制御することによって前記磁気回路で発生する磁界の大きさを段階的に変更できることを特徴とする請求項８記載の光可変減衰器。
【請求項１０】
光ビームのパワーを減衰する光可変減衰器であって、
前記光ビームの偏光分離を行う第１のウェッジ状複屈折結晶と、
前記第１のウェッジ状複屈折結晶で偏光を分離された前記光ビームの偏光方向を可変に回転させる磁気光学結晶と、
前記磁気光学結晶に前記光ビームと実質的に垂直に印加するための磁界を発生する磁気回路と、
前記磁気光学結晶から出力される光ビームを複屈折させる第２のウェッジ状複屈折結晶とを有し、
前記第１のウェッジ状複屈折結晶で偏光を分離された前記光ビームで構成される平面に実質的に垂直に、前記磁気回路の磁界が前記磁気光学結晶に印加されることを特徴とする光可変減衰器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【公開番号】特開２０１０−１４００４６（Ｐ２０１０−１４００４６Ａ）
【公開日】平成２２年６月２４日（２０１０．６．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１８８９０（Ｐ２０１０−１８８９０）
【出願日】平成２２年１月２９日（２０１０．１．２９）
【分割の表示】特願２００７−１８５９８６（Ｐ２００７−１８５９８６）の分割
【原出願日】平成８年３月１日（１９９６．３．１）
【出願人】（３０９０１５１３４）富士通オプティカルコンポーネンツ株式会社 (72)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年６月２４日（２０１０．６．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１月２９日（２０１０．１．２９）
【分割の表示】特願２００７−１８５９８６（Ｐ２００７−１８５９８６）の分割
【原出願日】平成８年３月１日（１９９６．３．１）
【出願人】（３０９０１５１３４）富士通オプティカルコンポーネンツ株式会社 (72)
【Ｆターム（参考）】
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