JP2007058147A - 光アイソレータ - Google Patents

Abstract

【課題】光アイソレータにおいて、光アイソレータ素子によるビームシフトを補正し、挿入損失、反射減衰量も充分確保できる方法を提案する。
【解決手段】光アイソレータＭ１において、第１光ファイバ５と、該第１光ファイバ５から導出される光が光学的に結合される第２光ファイバ６と、第１光ファイバ５と第２光ファイバ６との間に、前記光の入射面２１が光軸１８に対して角度φで傾斜する光アイソレータ素子１を備え、光アイソレータ素子１の入射面２１と対向する第１光ファイバ５の端面１５は、前記光軸に対して角度θで傾斜する平面部を含んで構成され、角度φと角度θとの間に、φ＜θの関係が成り立つ構成とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、光通信機器、センサー等に使用される光モジュールに搭載され、光モジュール外部からの反射戻り光を遮断する、光アイソレータに関する。

光アイソレータは方向性を有し、順方向には光を通すが、逆方向には光を遮断するという機能を有する。光通信、光計測に利用される半導体レーザー（以下ＬＤと略す）は外部から反射光が戻り、ＬＤの活性層に入射すると内部の干渉状態が崩れ、波長のズレ、出力の変動等の不具合を起こす。ＬＤを安定して発振させるために、逆方向の光を遮断する光アイソレータが活用されている。高精度な計測、高速な変調による通信、高密度化のために波長の厳重な制御が必要な通信では光アイソレータは不可欠となっている。

以下に光アイソレータの一般的な動作について簡単に説明する。図１４に示すように、光アイソレータは、二つの偏光子２、４でファラデー回転子３を挟むようにして構成されている。このような構成において、順方向光はそのまま透過し逆方向光は遮断される。なお、ファラデー回転子３は外部から磁界を印加することでファラデー効果を得るものと、自発磁化により外部磁界なしてファラデー効果を持つものがあるが、ここでは特に磁界を印加するための磁石は図示しないものとする。

従来、図１５に示すように、ＬＤモジュール１１７においては、パッケージ内にＬＤ１１２、レンズ１１３、１１５、光アイソレータ１１４、シングルモードファイバ１１６、ＰＤ（フォトダイオード）１１１が収納されている。ＬＤ１１２から出射された光は、レンズ１１３でコリメートされ光アイソレータ１１４を通過し、レンズ１１５で集光されシングルモードファイバ１１６に入射する。全体は外部の環境から遮断するためパッケージに内蔵される。一般的には、このような構成で光アイソレータ１１４は使用されるが、本構造では、それぞれの部材が別々にホルダーに固定された後にアライメントされるので、部品点数が多く、部品同士の位置調整も複雑で大型化するといった問題があった。

そこで、モジュール全体を小型化しアライメントを容易にするために、図１０、図１２に示すような光アイソレータＭ２が提案されている。（特許文献１を参照）
光アイソレータＭ２は基体１２にモードフィールド径が異なる複数の光ファイバを収容してなり、基体１２にモードフィールド径が最大の光ファイバを２つに分断する凹部１０を形成するとともに、凹部１０内に光アイソレータ素子１を配置したものである。

基体１２に収容される光ファイバは、モードフィールド径が１０μｍのシングルモードファイバ７Ａ、モードフィールド径を拡大するレンズ効果を持ったマルチモードファイバ８Ａ、コアレスファイバ９、マルチモードファイバ８Ｂ、およびシングルモードファイバ７Ｂの順で融着され固定される。コアレスファイバ９は、凹部１０にて分断された状態になっており、凹部１０に光アイソレータ素子１が接着剤にて固定されている。また、凹部１０は、透過性充填材１１が充填されている。

ここでマルチモードファイバ８Ａ、８Ｂは、ファイバの中心軸から徐々に屈折率が小さくなるような軸対称の屈折率分布を有する光ファイバであり、一般にはマルチモード伝送用に用いられており、ファイバ中心軸からの距離に対してほぼ２乗の屈折率分布を持つ。この屈折率分布はＧＲＩＮレンズと同様にレンズ効果を持つため、適当な屈折率分布のマルチモードファイバを適切な長さで用いれば結合光学系を構成することができる。
特開２００４−６１８７１号公報

しかしながら、特許文献１記載の従来技術では、図１１に示すとおり、光アイソレータ素子１の光の入射面２１側の第１光ファイバの端面１５と、光アイソレータ素子１の光の入射面２１とが光軸１９に対して９０度の角度で設置されているため、光アイソレータ素子１からの光の反射が発生した場合、反射戻り光２０が増加するという問題があった。

これは、光アイソレータ素子１を構成するファラデー回転子３の屈折率が２．３０程度あり、偏光子２の屈折率が１．４６程度であるため、光アイソレータ素子１を透過光１９が透過する際に、この屈折率差から境界面３１より光の反射が生じる。また、光アイソレータ素子１が配置されている凹部１０には、コアレスファイバ９、偏光子２とほぼ同じ屈折率の透過性充填剤１１が充填されているため、入射面２１、端面１５からの反射は抑制できるが、上記した境界面３１からの反射戻り光２０を防止することは困難であった。そこで、境界面３１からの反射を防止するためファラデー回転子３の表面に反射防止膜を形成するという手段も考えられるが、反射防止膜で達成できる反射率は０．２％程度（約２７ｄＢ）であり、反射防止対策としては不十分であるという問題があった。

一方、反射戻り光２０を防止する手段としては、光アイソレータ素子１の入射面２１を光軸１８に対して９０度で設置するのではなく、図１２に示すように、９０度より大きい角度φで設置するという手段がある。これは、図１３に示すように、この方法では光アイソレータ素子１からの反射戻り光２０は、光軸１８に対して反射角度をもって反射し、反射戻り光２０が光ファイバ５に対して位置ずれが生じるので、反射戻り光２０の光ファイバ５のコアへの伝搬を抑制することが可能となったため、これにより、反射戻り光２０を低減することができた。しかし、図１３に示すように、透過光１９は光アイソレータ素子１を透過する際に角度Ｆ２の屈折が発生するため、ファラデー回転子３の入射側の境界面３１と出射側の境界面３２でビームシフトが生じ、光の挿入損失を増加させるという問題があった。

以上のような課題を鑑み、光アイソレータ素子１によるビームシフトを補正し、反射減衰量を確保しながら、挿入損失の低い光アイソレータＭ１を提案する。

具体的には、本発明は、第１光ファイバと、該第１光ファイバから導出される光が光学的に結合される第２光ファイバと、前記第１光ファイバと前記第２光ファイバとの間に、前記光の入射面が光軸に対して角度φで傾斜する光アイソレータ素子を備え、該光アイソレータ素子の前記入射面と対向する前記第１光ファイバの端面は、前記光軸に対して角度θで傾斜する平面部を含んで構成され、前記角度φと前記角度θとの間に、φ＜θの関係が成り立つことを特徴とする。

また、前記光アイソレータ素子の前記光の出射面と対向する前記第２光ファイバの端面は、前記光軸に対して角度θで傾斜する平面部を含んで構成されることを特徴とする。

さらに、前記角度φが９０．５度〜９２．０度であり、前記角度θが９８．０度〜１０２．０度であることを特徴とする。

加えて、前記第１光ファイバと前記第２光ファイバを内部で保持する基体を備え、
該基体の表面に開口する凹部が設けられるとともに、前記基体の内部に、前記凹部に連通する一対の内孔が設けられ、該一対の内孔に前記第１光ファイバおよび前記第２光ファイバを嵌挿した上、前記凹部の底面に前記光アイソレータ素子を配置したことを特徴とする。

又、前記第１光ファイバおよび／または前記第２光ファイバは、シングルモードファイバ部、グレーデットインデックスファイバ部、を備え、前記光アイソレータ素子側から、グレーデットインデックスファイバ部、シングルモードファイバ部の順で構成されていることを特徴とする。

更に前記第１光ファイバおよび前記第２光ファイバはそれぞれグレーデットインデックスファイバ部を備え、前記第１光ファイバは、光の入射側に第１偏波保持ファイバ部をさらに備えて構成されていることを特徴とする。

加えて、前記第２光ファイバは、光の出射側に第２偏波保持ファイバ部をさらに備えて構成されていることを特徴とする。

また前記第１光ファイバおよび／または前記第２光ファイバは、前記光アイソレータ素子側にコアレスファイバ部をさらに備えることを特徴とする。

さらに、前記第１偏波保持ファイバ部および／または前記第２偏波保持ファイバ部は、その一端を前記基体の端面から突出させた上、前記基体の内部に保持されることを特徴とする。

本発明の光アイソレータによれば、第１光ファイバと第２光ファイバとの間に、光の入射面が光軸に対して角度φで傾斜する光アイソレータ素子を設け、該光アイソレータ素子の前記入射面と対向する前記第１光ファイバの端面が含んでいる平面部を前記光軸に対して角度θで傾斜させ、前記角度φと前記角度θとの間に、φ＜θの関係が成り立つように構成することにより、光アイソレータ素子からの光の反射戻り光が第１光ファイバに導入されるのを抑制するとともに、光アイソレータ素子を透過する光の第２光ファイバのコアに対するビームシフトを補正することができるため、第１光ファイバと第２光ファイバとの光の接続損失を低減することができる。

さらに、光アイソレータ素子の光の出射面と対向する第２光ファイバの端面が含んでいる平面部を光軸に対して前記角度θで傾斜させるように配置することにより、例えば、第１光ファイバと第２光ファイバを同軸上に配置さえすれば、容易に光の反射戻り光の防止と光の接続損失の抑制をすることができる。

さらに、前記角度φが９０．５度〜９２．０度、前記角度θが９８．０度〜１０２．０度の範囲であれば、反射戻り光の反射減衰量を低下させ、かつ光の接続損失の低減効果を向上させることができる。

以下に本発明に係る実施形態について図面に基づき詳細に説明する。なお、各図において同一部材については、同一符号を付し説明を省略するものとする。

図１、図２に示すように、光アイソレータM１は、基体１２の内孔に、シングルモードファイバ部７Ａ、グレイデッドインデックスファイバ部８Ａ、コアを持たないコアレスファイバ部９Ａの順列に接続した第１光ファイバ５と、コアを持たないコアレスファイバ部９Ｂ、グレイテッドインデックスファイバ部８Ｂ、シングルモードファイバ部７Ｂの順列に接続した第２光ファイバ６を固定してなる。そして、第１光ファイバ５および第２光ファイバ６は、基体１２に設けられた一対の内孔にそれぞれ嵌挿されるとともに、基体１２の表面に開口する凹部１０にて対向するように分断されており、この凹部１０の底面に、第１偏光子２と第２偏光子４に挟まれるファラデー回転子３を有する光アイソレータ素子１が配置されており、該光アイソレータ素子１の周囲には、凹部１０を充填するように透過性充填材１１で満たされている。なお、基体１２から突出したシングルモードファイバ部７Ａ、７Ｂは一定の長さを備えた所謂ピグテイル形状としている（不図示）。

シングルモードファイバ部７Ａ、７Ｂは、モードフィールド径が約１０μｍ、クラッド径が約１２５μｍの光ファイバであり、基体１２から出た部分の入射光ファイバ１３、出射光ファイバ１４は、クラッド部が露出された状態もしくは、被覆材に覆われた状態となっている。被覆材は、クラッド部を保護する機能を有しており、通常φ０．２５ｍｍもしくはφ０．９ｍｍの紫外線硬化樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリエステルエラストマー等の高分子樹脂で構成されている。入射光ファイバ１３の先端部分は、ＬＤとの結合に適するように、例えば、先球形状にしてもよい。

グレイテッドインデックスファイバ部８Ａ、８Ｂは、光ファイバの中心軸から外周に向かって徐々に小さくなるような軸対称の屈折率分布を有する光ファイバであり、一般にはマルチモード伝送用に用いられている。この屈折率分布は、光ファイバの中心軸からの距離、即ち、光ファイバ半径のほぼ２乗の値に依存して光ファイバの外周に向かって小さくなっている。また、この屈折率分布はＧＲＩＮレンズと同様にレンズ効果を持つため、適当な屈折率分布のグレイテッドインデックスファイバを適切な長さで用いれば結合光学系を構成することができる。

また、グレイテッドインデックスファイバ部８Ａ、８Ｂの直径は、約φ０．１２５mmであり、長さは、シングルモードファイバ部７Ａの出射光をモードフィールド径が約４０μｍに拡大するように調整されており、第１光ファイバ５および第２光ファイバ６のグレイテッドインデックスファイバ部８Ａ、８Ｂを略同一の長さにすれば、第１光ファイバ５および第２光ファイバ間の光結合の結合効率を上昇させる、即ち、光の挿入損失を低減することができる。

なお、グレイデッドインデックスファイバ部８Ａの端面１５に点光源があったときのコリメート条件は、GRINレンズのピッチ長を示すＰは、Ｐ＝０．２５と規定されているが、実際に、結合効率が最も高いのは２つのグレイデッドインデックスファイバ部８Ａ、８Ｂの中央でビームウエストが一致する（焦点を持つ）場合である。つまり、Ｐ＝０．２５の際、ビームウエストはほぼグレイデッドインデックスファイバ部８Ａ、８Ｂとコアレスファイバ部９Ａ、９Ｂの境界部に位置することになり、グレイデッドインデックスファイバ部８Ａ、８Ｂ間に光アイソレータ素子１を挟む場合はビームウエストが一致しない。従って、グレイデッドインデックスファイバ部８Ａ、８Ｂとコアレスファイバ部の境界部から離れた位置にビームウエストを形成するためにはＰ＞０．２５の条件が必要になる。

コアレスファイバ部９Ａ、９Ｂは屈折率ｎが一様のガラス体であり、例えば、ｎ＝１．４６程度を有する石英系のガラス体を用いることができる。また、コアレスファイバ部９の長さは、第１光ファイバ５、第２光ファイバ６において同一である必要はないが、第１光ファイバ５および第２光ファイバ６を構成するコアレスファイバ部９Ａ、９Ｂの長さの合計と第１光ファイバ５の端面１５と第２光ファイバ６の端面１６間の距離の和が、２つのグレイデッドインデックスファイバ部８Ａ、８Ｂによるビームスポットが中央で一致する（焦点を持つ）ように調整されている。

基体１２は、表面に開口し、かつ光軸１８に対して斜めに角度θで傾斜した平面部を有する凹部１０を具備するとともに、凹部１０に連通する一対の内孔が設けられている。そして、その一対の内孔に、それぞれ第１光ファイバ５および第２光ファイバ６を嵌挿させ、凹部１０の底面に配置された光アイソレータ素子１を介して第１光ファイバ５および第２光ファイバ６とを光結合させるようにしている。また、基体１２の形状は、長尺状の円筒体、貫通孔を有する角柱であればよいが、モジュールを構成する際にパッケージ等と組み合わせて使用するため、組み合わせやすい円筒状が望ましい。また、基体１２の材質はセラミックス、樹脂など特に限定されるものではないが、凹部１０の底面と貫通孔の位置関係を合わせる必要があるため、精度良く作製可能な光通信用のコネクタ等に使用されるジルコニアセラミックスが望ましい。基体１２が円筒状のフェルールである場合、その直径は１．０〜３．０ｍｍであるが、光通信で高精度に使用するためには、直径が１．２４９ｍｍもしくは２．４９９ｍｍであることが望ましい。また、基体１２の長さは、第１光ファイバ５および第２光ファイバ６および凹部１０を構成するために、４ｍｍ以上あればよい。

凹部１０には、第１偏光子２と第２偏光子４の間にファラデー回転子３を挟み込み、一体化して作製した光アイソレータ素子１が配置されている。また、第１偏光子２、ファラデー回転子３、および第２偏光子４の形状は、厚みが０．２〜６ｍｍの平板であり、大きさは、０．２〜０．６ｍｍ角程度のものが使用される。また、第１偏光子２、第２偏光子４は、誘電体粒子を内包させたガラス基板や誘電体の積層体から構成される透過偏光方向と直行する偏光成分を吸収する偏光板、または複屈折結晶から構成され、回折格子等を利用した反射型や光路をシフトさせる偏光板等を用いることができる。ファラデー回転子３の材質は、Ｔｂ、Ｇｄ、Ｈｏを添加したＢｉ置換ガーネットやＹＩＧガーネット、さらには磁石が不要な自己バイアス型のものでも構成が可能である。また、ファラデー回転子３の表面は透光性充填材１１に対し、例えば、ＴｉＯ_２／ＳｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５／ＳｉＯ_２等の多層膜で構成される反射防止膜を形成してもよい。この反射防止膜は、ファラデー回転子３の表面からの光の反射を反射量０．２％以下程度防止することができる。

光アイソレータ素子１は、第１偏光子２の第１光ファイバ５側に、第１光ファイバ５から出射される光が入射される光の入射面２１を有しており、一方で、第２偏光子の第２光ファイバ６側に、第１偏光子およびファラデー回転子３を透過してくる光を出射する光の出射面２２を有している。

また、光アイソレータ素子１は、光の入射面２１が光軸１８に対して角度φとなるように傾けて配置されるととともに、光アイソレータ素子１の入射面２１と第１ファイバ５の端面１５および出射面２２と第２ファイバ６の端面１６の間に、コアレスファイバ９Ａ、９Ｂの屈折率と同等の屈折率を有する透光性充填材１１が充填されている。なお、ファラデー回転子３に自発磁化の効果がないのであれば、光アイソレータ素子１の外周部に磁界印加手段を設ける。

ＬＤから出射される光は、入射光ファイバ１３を通り、第１光ファイバ５のシングルモードファイバ部７Ａに導入され、グレイデッドインデックスファイバ部８Ａによってビーム径を拡大され、コアレスファイバ部９の中央でビームウエストをもつビームとなって光アイソレータ素子１を通過し、再び第２光ファイバ６のコアレスファイバ部９Ｂ内を通過し、グレイデッドインデックスファイバ部８Ｂによりビーム径が収束され、第２のシングルモードファイバ７Ｂを通り出射光ファイバ１４に伝搬される。

ここで、図９に示すような従来の光アイソレータにおいては、光アイソレータ素子１は、光アイソレータ素子１の光の入射面が光軸１８に対して角度φで傾けて設置されてはいるが、第１光ファイバ５の端面１５、および第２光ファイバ６の端面１６が光軸に対して垂直（９０度）で配置されているため、第１偏光子２とファラデー回転子３との境界面３１で発生する反射戻り光２０の第１光ファイバへの入射は抑制できるが、光アイソレータ素子１を伝搬した透過光１９は、偏光子２とファラデー回転子３の境界面３１において角度Ｆ２で伝搬角度が変化するため、ビームシフトを生じ、透過光１９は第２光ファイバ６の端面１６からずれた位置に入射されるので、光の挿入損失が増加する。

これに対し、本発明の光アイソレータＭ１では、以下のような理由により反射戻り光を防止するとともに、光の挿入損失を抑制することができる。

第１ファイバ５の端面１５が有する平面部を光軸１８に対して角度θで傾けると、図３に示すように、透光性充填材１１とコアレスファイバ部９の屈折率差から端面１５からの出射光は角度Ｆ１で出射される。これにより、反射戻り光を抑制するために光軸に対して角度φで傾けて配置された光アイソレータ素子１を通過することにより発生する角度Ｆ２によるビームシフトをうち消すことができる。ここで、角度Ｆ１は、透過性充填材１１の屈折率および、角度θにより、決定される。透過性充填材１１とコアレスファイバ部９の屈折率差が大きい場合は、第１光ファイバ５の端面１５での散乱による反射が発生するので、透過性充填材１１の屈折率は、コアレスファイバ部９が有する屈折率に対して０．９〜１．１倍の範囲にする事が望ましく、さらに、角度Ｆ１を発生させるために透過性充填材の屈折率はコアレスファイバ部９と異ならせる必要があるので、透過性充填材１１の屈折率は、コアレスファイバ部９が有する屈折率に対して０．９〜０．９８倍の範囲もしくは、１．０２〜１．１倍の範囲であることが好ましい。

また、一般的に使用されるファラデー回転子３の屈折率が約２．３０程度であるのに対し、第１偏光子２、第２偏光子４の屈折率が約１．４６と屈折率差が大きいため、光アイソレータ素子１を角度φで傾けると角度Ｆ２の変化量が大きいが、一方で、透過性充填材１１と端面１５の屈折率差は前述したように１．１倍と小さいので、角度θで傾けたときの角度Ｆ１の変化量は角度Ｆ２の変化量に比べて小さくなる。そのため、本発明のように、角度φに対して角度θを大きくする構成をとれば、前述したビームシフトをうち消すことが可能となり、光の挿入損失を抑制することができる。なお、光軸１８に対する傾斜角度を示す角度φおよび角度θ、即ち、光軸１８と光アイソレータ素子の光の入射面２１との成す角度（角度φ）、および光軸１８と第１光ファイバ５の端面１５の平面部との成す角度（角度θ）は、図１、２に示すように、９０度より大きく１８０度より小さい範囲内における鈍角で示されるものである。

さらに、光アイソレータ素子１の光の出射面と対向する第２光ファイバ６の端面１６が有する平面部の角度は、第１光ファイバ５の端面１５の角度θと同一であることが望ましい。これは、角度φおよび角度θを最適化し第２光ファイバ６の端面１６でのビームシフトを抑制できたとしても、第２光ファイバ６の端面１６の角度が角度θと異なっているときには、シングルモードファイバ部の伝搬条件から若干はずれる虞があるため、第２光ファイバ６のグレイデッドインデックスファイバ８Ｂとシングルモードファイバ７Ｂの境界部で結合ロスが生じる場合があるからである。これに対し、第２光ファイバ６の端面１６の角度が角度θと同一の場合には、前述した結合ロスを抑制することができるため、第２光ファイバ６の端面１６の角度は第１光ファイバ５の端面１５の角度θと同一であることが望ましい。また、第１光ファイバ５の端面１５と第２光ファイバ６の端面１６を同一の角度θにする方法としては、例えば、第１光ファイバ５の端面１５および第２光ファイバ６の端面１６が露出する基体１２に設ける凹部１０の側面の平面部が同等の角度になるように凹部１０を加工すればよい。

さらに、角度θとしては、９０．５〜９２．５度の範囲にあることが望ましい。これは、角度θが９０．５度未満であると、光モジュールにおいて必要と考えられる反射減衰量３０ｄＢ以上を実現することが困難となるからである。また、角度θが大きいほど実現できる反射減衰量は大きくなるが、挿入損失の増加を防止するためにφを大きくする必要が生じ、φの最大値が、コアレスファイバ部９の長さによって制約されるため、現実的には９２．５度以下とする事が望ましい。

一方、角度φとしては、９８．０〜１０２．０度の範囲にあることが望ましい。これは、角度φが９８．０度未満であると、角度Ｆ２が大きくなり、挿入損失が増加する場合があるのに対し、９８．０〜１０２．０度の範囲であれば、挿入損失の増加を０．３ｄＢ以内に押さえることが可能となるからである。

また、角度θと角度φの傾斜方向については、透過性充填材１１の屈折率がコアレスファイバ部９の１．０２〜１．１０倍であるときは、図１に示されるような傾斜角度の関係である必要があり、０．９〜０．９８倍であるときは、図２に示されるような傾斜角度の関係である必要がある。また、図４（ａ）は透過性充填材１１が１．０２〜１．１０倍の場合、図４（ｂ）は０．９〜０．９８倍の場合の透過光１９の出射方向を示す。これらの図に示すように、第１光ファイバ５の端面１５での出射光の方向が屈折率により異なるため、角度θと角度φの位置関係が透過性充填材１１の屈折率により異なる。

以上のような構成により、本発明の光アイソレータＭ１は、挿入損失を低下させることなく、反射戻り光を抑制することが可能となる。

なお、上記した実施の形態では、第１光ファイバ５、第２光ファイバ６はコアレスファイバ部９Ａ、９Ｂを備えているが、図６に示すように、本発明ではコアレスファイバ部９Ａ、９Ｂを備えない構成であってもよい。このような場合は、第１光ファイバ５の端面１５と第２光ファイバ６の端面１６間の距離が、２つのグレイデッドインデックスファイバ部８Ａ、８Ｂによるビームスポットが中央で一致する（焦点を持つ）ように調整すればよい。このように、第１光ファイバ５、第２光ファイバ６がコアレスファイバ部９Ａ、９Ｂを備えない場合には、光アイソレータＭ１の製造工程において、シングルモードファイバ部７Ａとグレイテッドインデックスファイバ部８Ａ、グレイテッドインデックスファイバ部８Ｂとシングルモードファイバ部７Ｂ、とをそれぞれ融着接続すればよい。したがって、後述するコアレスファイバ部９Ａ、９Ｂがある場合と比し、光ファイバ同士を接続するための融着点が少なくなるため、光アイソレータＭ１の製造工程を簡略化することができる。

また、第１光ファイバ５は、図７に示すように、光の入射側に第１偏波保持ファイバ部７Ａ’を備えることが好ましい。これは、光の入射側に備えられている光ファイバがシングルモードファイバであると、例えば、該シングルモードファイバに曲げが発生したり、応力が付加されると、前記シングルモードファイバを伝播する光の偏波面が回転する場合がある。これにより、第１偏光子２に入射する光の偏波面は、光アイソレータ素子１の第１偏光子２の偏波面に対して角度ズレが発生するため、光の挿入損失が変動する可能性がある。

これに対し、偏波保持ファイバ７Ａ’は光の偏波面を保持した状態で光を伝搬させる機能を有する光ファイバであり、種々の形態が考案されている。図８（ａ）に示すような通常のシングルモードファイバは、コア８２とクラッド８１にて構成されているが、偏波保持ファイバは、図８（ｂ）に示すように、コア８２の両側に配置された略円形の応力付与部８３によりコア８２に歪みを加えて２つの偏波モードの伝搬定数に差を付けたもので、図のスロー軸８４方向、もしくはファースト軸８５方向に偏波を保持する機能を有するものである。

第１光ファイバ５に偏波保持ファイバ部７Ａ’を設けると、即ち、図９に示すように、例えば、光アイソレータＭ１とＬＤ１１２を光学的に結合する光モジュールを作製する場合、光の入射側に位置する第１光ファイバ５に偏波保持ファイバ部７Ａ’を設け、偏波保持ファイバ部７Ａ’の端部を基体１２から突出させて入射光ファイバ１３とすると、該入射ファイバ１３に曲げや応力が発生したとしても偏波面が保持されるので、光の出力変動を抑制することができる。なお、入射光ファイバ１３が基体１２内に完全に保持されている場合には、外力による応力の発生や曲げは生じないが、入射光ファイバ１３が基体より突出している場合には、外力による応力の発生や曲げが生じやすいため、偏波保持ファイバ７Ａ’を用いることが好ましい。さらに、グレイデッドインデックスファイバ部８Ａ、８Ｂ、およびコアレスファイバ部９Ａ、９Ｂを基体１２内に保持すれば、外力の発生を抑制することができるため、偏波面の回転を低減することができる。このように、第１光ファイバ５の光の入射側に偏波保持ファイバ部７１を設けることにより、光の偏波面の回転を抑制できるため、ＬＤ１１２と光アイソレータＭ１の間の距離を大きくすることが可能となる。そのため、図９に示すような光モジュールを用いてトランシーバを作製すれば、ＬＤ１１２と光アイソレータＭ１の位置をトランシーバの基板内で比較的自由に配置することができるようになるため、トランシーバの小型化が容易になる。

また、第２ファイバ６の光の出射側に偏波保持ファイバ部７Ｂ’を設け、該偏波保持ファイバ部７Ｂ’の端部を基体１２から突出させて出射光ファイバ１４とすると、該出射光ファイバ１４の偏波面を保持できるので、光アイソレータＭ１を偏波保持可能なインライン型光アイソレータとして使用することが可能となる。

次に、本発明の光アイソレータＭ１の製造方法について、以下に述べる。

まず、図５に示すように、シングルモードファイバ部７Ａ、グレイデッドインデックスファイバ部８Ａ、コアレスファイバ部９、グレイテッドインデックスファイバ部８Ｂ、シングルモードファイバ部７Bの順で融着接続し、光ファイバ体１７を作製する。次に円筒状のジルコニア製の基体１２に予め貫通孔を形成しておき、その貫通孔に光ファイバ体１７をエポキシ系熱硬化型接着材にて固定する。

その後、基体１２の周面の一部から光ファイバ体１７のコアレスファイバ部９をダイシングしてコアレスファイバ部９Ａ、９Ｂに分断するとともに、光軸１８に対して角度θで傾斜する平面部を有する凹部１０を形成する。これに伴い、光ファイバ体１７は、第１光ファイバ５と第２光ファイバ６に分けられる。

次に、あらかじめ作製したおいた偏光子２、ファラデー回転子３、偏光子４からなる光アイソレータ素子１を凹部１０内に光軸１８に対して角度φで紫外線熱併用型のアクリル系接着剤にて接着し、凹部１０と光アイソレータ素子１の隙間に、ガラス転移温度ＴＧが、ＴＧ＜−４０度程度と低い、エポキシ系の紫外線硬化型接着剤からなる透光性充填材１１を充填し、硬化させることにより、本発明の光アイソレータＭ１を作製することができる。

第１ファイバ５および第２ファイバ６にシングルモードファイバ部７Ａ、７Ｂの代わりに偏波保持ファイバ部７Ａ’、７Ｂ’を使用する場合には、偏波保持ファイバ部７Ａ’、グレイデッドインデックスファイバ部８Ａ、コアレスファイバ部９、グレイデッドインデックスファイバ部８Ｂ、偏波保持ファイバ部７Ｂ’の順で融着接続し、光ファイバ体を作製する。次に円筒状のジルコニア製の基体１２に予め貫通孔を形成しておき、その貫通孔に光ファイバ体をエポキシ系熱硬化型接着剤にて固定する。

その後、ダイシングにより凹部１０を形成するが、第１ファイバ５の偏波保持ファイバ７１Ａのスロー軸８４、もしくはファースト軸８５と凹部１０の底面が平行となるように凹部１０を形成する。その後は、シングルモードファイバ部７Ａ’、７Ｂ’を使用する場合と同じ手順にて作製すればよい。

また、第１光ファイバ５および第２光ファイバ６にコアレスファイバ部９Ａ、９Ｂを設けない場合には、シングルモードファイバ部７Ａ、グレイデッドインデックスファイバ部８Ａ、８Ｂ、シングルモードファイバ部７Ｂの順で融着接続し、光ファイバ体を作製し、ダイシングの際にグレイデッドインデックスファイバ部８Ａ、８Ｂが略同一の長さになるように凹部１０を形成すればよい。

本発明の第１の実施例について説明する。

まず、モードフィールド径が１０μｍ、長さが１ｍの石英系シングルモードファイバ部７Ａと、コア径１０５μｍ、長さが０．８ｍｍ、コア中心とクラッド境界付近における屈折率差が０．５５％のグレイデッドインデックスファイバ部８Ａと、長さが２ｍｍ、純石英でコアを持たないコアレスファイバ部９と、長さが０．８ｍｍであり、グレイデッドインデックスファイバ部８Ａと同様のパラメータを持つグレイデッドインデックスファイバ部８Ｂと、長さが１ｍ、モードフィールド径が１０μｍの石英系シングルモードファイバ部７Ｂとを、上記した順に融着接続し光ファイバ体１７を作製した。

その後、光通信用に用いられるジルコニア製の外径１．２４９ｍｍ、内径０．１２６mm、長さ６．４ｍｍの円筒状のフェルールを基体１２として用い、その貫通孔に光ファイバ体１７を挿入し、エポキシ系熱硬化型接着材にて固定した。

次に、基体１２の周面の一部から光ファイバ体１７のコアレスファイバ部９の部分をダイシングにより、光ファイバ体１７を第１光ファイバ５、第２光ファイバ６のように分断するとともに、基体１２の表面に凹部１０を形成した。なお、凹部１０は、第１光ファイバ５の端面１５と第２光ファイバ６の端面１６が露出する凹部１０の側面は平面であり、また、その角度は光軸１８に対して角度θになるように形成したため、第１光ファイバ５の端面１５と第２光ファイバ６の端面１６は、光軸１８に対して角度θになるように形成されていることになる。

さらに、第１の偏光子２、ファラデー回転子３、第２の偏光子４からなる光アイソレータ素子１を凹部１０内にＵＶ熱併用型のアクリル系接着剤にて接着し、隙間に透光性充填材１１としてエポキシ系の低ＴＧ（ＴＧ＜−５０度）の紫外線硬化型接着剤を充填した。第１偏光子２、および第２の偏光子４は、大きさが０．３×０．４ｍｍ、厚みが０．２ｍｍの銀粒子等の誘電体粒子を内包させたガラス基板で構成され、ファラデー回転子３は、大きさが０．３ｍｍ×０．４ｍｍ、厚みが０．４ｍｍのガーネット製のものを使用した。ここで、透光性充填材１１の屈折率は１．４８、コアレスファイバ部の屈折率は１．４５であり、透光性充填材１１のコアレスファイバ部９に対する相対屈折率は１．０３である。なお、光アイソレータ素子１は、光軸１８に対して光アイソレータ素子１の光の入射面２１の角度が角度θになるように形成した。

そして、角度θおよび角度φを変化させ、複数のサンプル（試料番号１〜１１）を作製し、各サンプルの光の挿入損失および光の反射減衰量を評価した。その結果を表１に示す。

ここで、光の挿入損失は、入射光ファイバ１３から波長１３１０ｎｍの光を偏波コントローラにて偏波を変化させながら入射させ、出射光ファイバから出力される光をディテクタで読みとり、偏波を変化させたときの光の挿入損失の最小値を読みとった。なお、挿入損失は、角度φが９０度、角度θが９０度の時の挿入損失を基準値０ｄＢとし、それに対する変化量とした。

また、光の反射減衰量は、プレシジョンリフレクトメータを用いて入射光ファイバ１３から波長１３１０ｎｍの光を入射させ、反射戻り光が最大となる反射光の値を読みとった。結果は表１に示す。

表１に示すように、本発明の比較例である試料番号１は、光の挿入損失の発生は防止できたが、反射戻り光２０を防止することができなかったため、反射減衰量が２７ｄＢとなり、反射減衰量は３０ｄＢ以下と小さかった。また、試料番号２では、角度φが角度θより大きかったため、光のアイソレーション特性を示す反射減衰量は向上したが、光アイソレータ素子を通過した光のビームシフトを補正することができなかったため、光の挿入損失が０．５５ｄＢのように大きくなった。

これに対して本発明の第１の実施例（試料番号４〜１３）は、角度θが角度φより大きくしたため、光アイソレータ素子１から生じる反射戻り光２０が第１光ファイバに導入されるのを抑制するとともに、光アイソレータ素子を通過した光のビームシフトを補正することができたため、反射減衰量を向上させ、かつ光の挿入損失を抑制することができた。さらに、試料番号４〜１１では、角度φが９０．５度〜９２．０度であり、角度θが９８度〜１０２度であったため、反射減衰量をさらに向上させ、かつ光の挿入損失をさらに抑制することができた。

以上の結果から、第１光ファイバ５と、該第１光ファイバ５から導出される光が光学的に結合される第２光ファイバ６と、前記第１光ファイバ５と前記第２光ファイバ６との間に、前記光の入射面２１が光軸１８に対して角度φで傾斜する光アイソレータ素子１を備え、前記光アイソレータ素子１の前記光の入射面２１に対向する前記第１光ファイバの端面１５は、前記光軸１８に対して角度θで傾斜し、前記角度φと前記角度θとの間には、φ＜θの関係とすることで、挿入損失の増加を抑制するとともに、反射戻り光を防止することができる。

次に、第１光ファイバ５に偏波保持ファイバ７Ａ’を使用した光アイソレータＭ１と第１光ファイバ５にシングルモードファイバ７Ａを使用した光アイソレータＭ１に対し、それぞれ振動試験を実施し、出射光ファイバ１４からの出力光の変動量を検証した。

まず、本発明の第２の実施例（試料番号１４〜１７）として、長さが１０ｃｍ、モードフィールド径が１０μｍの石英系偏波保持ファイバ７Ａ’と、コア径１０５μｍ、長さが０．８ｍｍ、コア中心とクラッド境界付近における屈折率差が０．５５％のグレイデッドインデックスファイバ８Ａと、長さが２ｍｍ、純石英でコアを持たないコアレスファイバ９と、長さが０．８ｍｍであり、グレイデッドインデックスファイバ８Ａと同様のパラメータを持つグレイデッドインデックスファイバ８Ｂと、長さが１ｍ、モードフィールド径が１０μｍの石英系シングルモードファイバ７Ｂと、を上記した順に融着接続し光ファイバ体１７を作製した。

また、本発明の第３の実施例（試料番号１９〜２１）として、偏波保持ファイバ７Ａ’の代わりに、長さが１０ｃｍ、モードフィールド径が１０μｍの石英系シングルモードファイバ７Ａを融着接続した光ファイバ体１７を作製した。

その後、それぞれの光ファイバ体１７を光通信用に用いられるジルコニア製の外径１．２４９ｍｍ、内径０．１２６mm、長さ６．４ｍｍの円筒状のフェルールを基体１２として用い、その貫通孔に光ファイバ体１７を挿入し、エポキシ系熱硬化型接着材にて固定した。なお、本発明の第２、３の実施例においては、グレイデッドインデックスファイバ部８Ａ、グレイデッドインデックスファイバ部８Ｂ、コアレスファイバ部９Ａ、およびコアレスファイバ部９Ｂは、基体１２の内部に保持されている。一方、光の入射側に設けられる第１光ファイバ５の一部を構成する偏波保持ファイバ７Ａ’（第２の実施例）とシングルモードファイバ７Ｂ（第３の実施例）は、基体１２の端面から突出させて、入射光ファイバ１３とした。また、本発明の第２、３の実施例においては、光の出射側に設けられる第２光ファイバ６の一部を構成するシングルモードファイバ７Ｂは、基体１２の端面から突出させて、出射光ファイバ１４とした。

次に、基体１２の周面の一部から光ファイバ体１７のコアレスファイバ９の部分をダイシングにより、光ファイバ体１７を第１光ファイバ５（偏波保持ファイバ部７Ａ’もしくはシングルモードファイバ部７Ａ、グレイデッドインデックスファイバ部８Ａ、コアレスファイバ部９Ａ）、第２光ファイバ６（コアレスファイバ部９Ｂ、グレイデッドインデックスファイバ部８Ｂ、シングルモードファイバ部７Ｂ）のように分断するとともに、基体１２の表面に凹部１０を形成した。なお、凹部１０は、第１光ファイバ５の端面１５と第２光ファイバ６の端面１６が露出する凹部１０の側面は平面であり、また、その角度は光軸１８に対して角度が１００度になるように形成したため、第１光ファイバ５の端面１５と第２光ファイバ６の端面１６は、光軸１８に対する角度θが１００度になるように傾斜して形成されていることになる。

さらに、第１の偏光子２、ファラデー回転子３、第２の偏光子４からなる光アイソレータ素子１を凹部１０内にＵＶ熱併用型のアクリル系接着剤にて接着し、隙間に透光性充填材１１としてエポキシ系の低ＴＧ（ＴＧ＜−５０度）の紫外線硬化型接着剤を充填した。第１の偏光子、および第２の偏光子は、大きさが０．３×０．４ｍｍ、厚みが０．２ｍｍの銀粒子等の誘電体粒子を内包させたガラス基板で構成され、ファラデー回転子は、大きさが０．３ｍｍ×０．４ｍｍ、厚みが０．４mmのガーネット製のものを使用した。ここで、透光性充填材１１の屈折率は１．４８、コアレスファイバの屈折率は１．４５であり、透光性充填材１１のコアレスファイバ９に対する相対屈折率は１．０３である。なお、光アイソレータ素子１は、光軸１８に対して光アイソレータ素子１の光の入射面２１の角度φが９１．５度になるように配置した。

最後に、上記で作製した光アイソレータＭ１の入射光ファイバ１３の端部に曲率半径１０μｍの先球９１を形成した後に、入射光ファイバ１３をＬＤ１１２が収納されている筺体１１８に固定し、図９に示す光モジュールを作製した。

そして、得られた光モジュール（試料番号１４〜２１）について、以下のような振動試験を行い、出射光ファイバ１４からの出力光の変動量を検証した。

まず、各光モジュールの光の出力パワーを光パワーメータにて読みとり、その後、各モジュールを振動試験にかけた。振動試験は、米国防総省規格MIL-STD-883 method2007の試験条件Ａにて実施した。具体的には、光モジュールを単振動で振動させることができる振動板に取り付け、ピーク加速度が２０ｇ（ｇは重力加速度）となる単振動で振動させる。このとき、振動数は２０〜２０００Ｈｚでほぼ対数的に変化させる。そして、２０〜２０００Ｈｚまでの全振動数範囲の通過及び２０Ｈｚへの復帰は４分以上であることとし、このサイクルは、Ｘ、Ｙ、Ｚの３方向に対して、各４回（計１２回）振動させた。この振動試験の後、振動板から光モジュールを離脱し、光モジュールの出力パワーを再度読みとり、光の減衰量を測定した。結果を表２に示す。

表２に示すように、本発明の第２の実施例（試料番号１４〜１７）は、第１光ファイバ５に偏波保持ファイバ部７Ａ’を設けたため、光モジュールを振動させて第１光ファイバ５に外力が発生して位置ずれや曲げが生じても、光の偏波面の回転を抑制することが可能となった。これにより、第１偏光子２における光の吸収が低減され、出力光の変動が本発明の第３の実施例に比べて小さくすることができた。

本発明の光アイソレータを示すものであり、（ａ）は断面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ’における横断面図である。 本発明の他の実施形態を示すものであり、（ａ）は断面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ’における横断面図である。 本発明の光アイソレータを透過する光の態様を示す模式図である。 第１光ファイバから出射する光の態様を示す模式図である。 本発明の光アイソレータの製造工程を示す説明図である。 本発明の他の実施形態を示すものであり、（ａ）は断面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ’における横断面図である。 本発明の他の実施形態を示すものであり、（ａ）は断面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ’における横断面図である。 光ファイバの端面を示すものであり、（ａ）はシングルモードファイバ部の断面図、（ｂ）は偏波保持ファイバ部の断面図である。 本発明の光アイソレータの構成と動作を説明する模式図である。 従来の光アイソレータを示す横断面図である。 従来の光アイソレータを透過する光の態様を示す模式図である。 従来の光アイソレータを示す横断面図である。 従来の光アイソレータを透過する光の態様を示す模式図である。 従来の光アイソレータの構成を説明する斜視図である。 従来の光アイソレータの構成と動作を説明する模式図である。

符号の説明

１・・・光アイソレータ素子
２・・・第１偏光子
３・・・ファラデー回転子
４・・・第２偏光子
５・・・第１光ファイバ
６・・・第２光ファイバ
７Ａ、７Ｂ・・・シングルモードファイバ部
７Ａ’、７Ｂ’・・・偏波保持ファイバ部
８Ａ、８Ｂ・・・グレイテッドインデックスファイバ部
９Ａ、９Ｂ・・・コアレスファイバ部
１０・・・凹部
１１・・・透過性充填材
１２・・・基体
１３・・・入射光ファイバ
１４・・・出射光ファイバ
１５、１６・・端面
１７・・・光ファイバ体
１８・・・光軸
１９・・・透過光
２０・・・反射戻り光
２１・・・入射面
２２・・・出射面
３１、３２・・・境界面
８１・・・クラッド
８２・・・コア
８３・・・応力付与部
８４・・・スロー軸
８５・・・ファースト軸
９１・・・先球
１１１・・・ＰＤ（フォトダイオード）
１１２・・・ＬＤ（レーザーダイオード）
１１３・・・レンズ
１１４・・・光アイソレータ
１１５・・・レンズ
１１６・・・光ファイバ
１１７・・・ＬＤモジュール
１１８・・・筺体
Ｍ１、Ｍ２・・・光アイソレータ

Claims (9)

1. 第１光ファイバと、該第１光ファイバから導出される光が光学的に結合される第２光ファイバと、前記第１光ファイバと前記第２光ファイバとの間に、前記光の入射面が光軸に対して角度φで傾斜する光アイソレータ素子を備え、該光アイソレータ素子の前記入射面と対向する前記第１光ファイバの端面は、前記光軸に対して角度θで傾斜する平面部を含んで構成され、前記角度φと前記角度θとの間に、φ＜θの関係が成り立つことを特徴とする光アイソレータ。
2. 前記光アイソレータ素子の前記出射面と対向する前記第２光ファイバの端面は、前記光軸に対して角度θで傾斜する平面部を含んで構成されることを特徴とする請求項１に記載の光アイソレータ。
3. 前記角度φが９０．５度〜９２．０度であり、前記角度θが９８．０度〜１０２．０度であることを特徴とする請求項１または２に記載の光アイソレータ。
4. 前記第１光ファイバと前記第２光ファイバを内部で保持する基体を備え、
   該基体の表面に開口する凹部が設けられるとともに、前記基体の内部に、前記凹部に連通する一対の内孔が設けられ、該一対の内孔に前記第１光ファイバおよび前記第２光ファイバを嵌挿した上、前記凹部の底面に前記光アイソレータ素子を配置したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光アイソレータ。
5. 前記第１光ファイバおよび／または前記第２光ファイバは、シングルモードファイバ部、グレーデットインデックスファイバ部、を備え、
   前記光アイソレータ素子側から、グレーデットインデックスファイバ部、シングルモードファイバ部の順で構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光アイソレータ。
6. 前記第１光ファイバおよび前記第２光ファイバはそれぞれグレーデットインデックスファイバ部を備え、
   前記第１光ファイバは、光の入射側に第１偏波保持ファイバ部をさらに備えて構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光アイソレータ。
7. 前記第２光ファイバは、光の出射側に第２偏波保持ファイバ部をさらに備えて構成されていることを特徴とする請求項６に記載の光アイソレータ。
8. 前記第１光ファイバおよび／または前記第２光ファイバは、前記光アイソレータ素子側にコアレスファイバ部をさらに備えることを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の光アイソレータ。
9. 前記第１偏波保持ファイバ部および／または前記第２偏波保持ファイバ部は、その一端を前記基体の端面から突出させた上、前記基体の内部に保持されることを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載の光アイソレータ。

Images