JP2015011075A - Optical attenuator - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、物質の電気光学効果を利用して入射光の透過と遮断を制御したり、入射した光の減衰量を可変制御したりするための光アッテネータに関する。 The present invention relates to an optical attenuator for controlling the transmission and blocking of incident light using the electro-optic effect of a substance, and for variably controlling the attenuation of incident light.
光アッテネータとしては、例えば、PLZT(チタン酸ジルコン酸ランタン鉛)などの電気光学効果を有する物質(以下、電気光学物質あるいはEO物質と言う)を用いたものがある。このEO物質を用いた光アッテネータは、一般に、対向配置された一対のコリメータと、平板状のEO物質の両面に電極を形成した電気光学素子、偏光子、検光子、および電極間に電界を印加するための駆動回路から構成され、光が入力される側の一方のコリメータから光が出力される側の他方のコリメータに向かって、偏光子、電気光学素子、検光子がこの順に光路に沿って配置された構造となっている。そして、偏光子と検光子は、光学軸が互いに直交するように対面し、互いに平行となるように配置されている。また、EO物質の両面に配置された二つの電極間にできる電界の方向は、偏光子の光学軸に対して45゜傾いている。 As an optical attenuator, for example, there is one using a substance having an electrooptic effect (hereinafter referred to as an electrooptic substance or an EO substance) such as PLZT (lead lanthanum zirconate titanate). This optical attenuator using an EO material generally applies a pair of collimators arranged in opposition to each other, an electro-optic element having electrodes formed on both sides of a flat EO material, a polarizer, an analyzer, and an electric field applied between the electrodes. The polarizer, the electro-optic element, and the analyzer are arranged in this order along the optical path from one collimator on the light input side to the other collimator on the light output side. It has an arranged structure. The polarizer and the analyzer are arranged so as to face each other so that their optical axes are orthogonal to each other and to be parallel to each other. The direction of the electric field formed between the two electrodes arranged on both sides of the EO material is inclined 45 ° with respect to the optical axis of the polarizer.
そして、電極間に電界を印加していないときは、偏光子を透過してきた直線偏光がその偏波面を維持したまま検光子に入射し、光が遮断される。一方、駆動回路により電極間に十分な電界を印加すると、EO物質を透過する光に位相差(リタデーション)が生じ、その電界方向に偏波面が90゜回転する。その結果、入射光が検光子を透過する。また、電界強度に応じて偏波面の傾きを制御することで検光子を透過する光の強度減衰量を変化させることができる。 When no electric field is applied between the electrodes, the linearly polarized light transmitted through the polarizer enters the analyzer while maintaining its polarization plane, and the light is blocked. On the other hand, when a sufficient electric field is applied between the electrodes by the drive circuit, a phase difference (retardation) occurs in the light transmitted through the EO substance, and the plane of polarization rotates by 90 ° in the direction of the electric field. As a result, incident light passes through the analyzer. Further, the intensity attenuation amount of light transmitted through the analyzer can be changed by controlling the inclination of the polarization plane according to the electric field strength.
なお、上述したEO物質を用いた光アッテネータでは、原理的にEO物質内の電界強度を極めて高くする必要がある。すなわち、電極間の電圧を高くする必要がある。そこで、電極間の電圧(駆動電圧)を低くするために、EO物質を電極で挟持した構造を積層させた多層構造を採用し、70V程度の電圧でも有効に動作する光アッテネータが実用化された。そして、この光アッテネータは実際に市販品として提供されている(例えば、フルウチ化学株式会社製「PLZT高速光シャッター」)。 Incidentally, in the optical attenuator using the above-mentioned EO substance, it is necessary in principle to extremely increase the electric field strength in the EO substance. That is, it is necessary to increase the voltage between the electrodes. Therefore, in order to lower the voltage between electrodes (drive voltage), an optical attenuator that adopts a multilayer structure in which a structure in which an EO substance is sandwiched between electrodes is used and operates effectively even at a voltage of about 70 V has been put into practical use. . This optical attenuator is actually provided as a commercial product (for example, “PLZT high-speed optical shutter” manufactured by Furuuchi Chemical Co., Ltd.).
しかし、上記市販の「PLZT高速光シャッター」では、多層構造の層間を光路としているため、回折、あるいは電極による光散乱や反射が生じ、透過損失が大きくなる、という問題があることから、以下の特許文献1では、EO物質を薄膜化しつつ、集光レンズを用いて、その焦点近傍にEO物質を配置することで、電極間距離を小さくして15V程度の低電圧での駆動を実現しつつ、上述の多層構造に由来する光学的な各種問題を解決している。なお、本発明に関連する文献としては以下の特許文献2や非特許文献1がある。
However, since the above-mentioned commercially available “PLZT high-speed optical shutter” uses an optical path between layers of a multilayer structure, there is a problem that diffraction or light scattering or reflection by electrodes occurs, resulting in a large transmission loss. In
光アッテネータとしては、EO物質の電気光学効果に基づくリタデーションを利用した形態に限らず、種々の原理や物質を利用した形態が存在する。例えば、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)、ファラデー素子、液晶などの光学素子を用いたものである。ここで、光アッテネータの主要な利用分野である光通信での用途を考えると、MEMSや液晶を光学素子として用いた方式では応答速度が遅く、採用し難い。ファラデー素子を用いた方式では、磁界を印加するための構造が複雑であり、素子以外の周辺構成を含めると小型化が難しくなる。また、磁界を可変制御するために電磁石を用いており、その電磁石を駆動するために比較的大きな電流が必要となり省電力化が難しい。 The optical attenuator is not limited to a form using retardation based on the electro-optic effect of the EO substance, and there are forms using various principles and substances. For example, optical elements such as MEMS (Micro Electro Mechanical Systems), Faraday elements, and liquid crystals are used. Here, considering the use in optical communication, which is the main field of application of optical attenuators, a method using MEMS or liquid crystal as an optical element has a slow response speed and is difficult to employ. In the method using the Faraday element, the structure for applying the magnetic field is complicated, and it is difficult to reduce the size if peripheral structures other than the element are included. In addition, an electromagnet is used to variably control the magnetic field, and a relatively large current is required to drive the electromagnet, making it difficult to save power.
一方、EO物質によるリタデーションを利用した光アッテネータでは、高速応答性に優れ、電界を印加するだけで駆動できるため、小型化し易く、また、電界強度によって制御するため、電流がほとんど流れず、省電力でもある。したがって、EO物質を光学素子として用いた光アッテネータは他の素子を用いた光アッテネータよりも省電力化と小型化に有利であると言える。しかし、EO物質を用いた従来の光アッテネータではリタデーションを利用するため光路上に偏向素子を配置することが必須の条件となる。そのため、光路の延長後方を前後方向とすると、その前後方向の長さを縮小することが難しい。また部品点数の増加によるコストアップも問題となる。また、上述した市販の光アッテネータではそれ以前の光アッテネータよりは低電圧で駆動できるものの、それでも70Vの高電圧で駆動する必要がある。上記特許文献1に記載の光アッテネータでは、駆動電圧を15Vまで下げるために、電極間の距離を極めて狭くしている。また、集光レンズも必要としている。そのため、EO物質の加工が難しく、部品点数もさらに多くなり製造コストが増加する。
On the other hand, an optical attenuator using retardation by an EO substance is excellent in high-speed response and can be driven by simply applying an electric field, so that it is easy to miniaturize, and because it is controlled by electric field strength, almost no current flows and power is saved. But there is. Therefore, it can be said that an optical attenuator using an EO substance as an optical element is more advantageous for power saving and miniaturization than an optical attenuator using another element. However, in a conventional optical attenuator using an EO material, it is essential to arrange a deflecting element on the optical path in order to use retardation. For this reason, if the rearward extension of the optical path is the front-rear direction, it is difficult to reduce the length in the front-rear direction. In addition, an increase in cost due to an increase in the number of parts becomes a problem. Further, although the above-described commercially available optical attenuator can be driven at a lower voltage than the previous optical attenuator, it still needs to be driven at a high voltage of 70V. In the optical attenuator described in
ところで、動作原理を問わず光ファイバを用いた光通信用途の光アッテネータでは、基本的にそのサイズを極めて小さくすることがそもそも難しい。具体的には、光アッテネータでは、入力側の光ファイバからの出射光を出力側の光ファイバに結合させる必要があるため、コリメータは光ファイバを保持するフェルールが接続された光ファイバコリメータ(以下、コリメータ)が必須の構成である。所謂「インライン型」「ピグテイル型」などと呼ばれる形態となっている。そして、入力側の光ファイバから出力側の光ファイバに至る光路において、光アッテネータを構成する光学素子は、入力側と出力側のコリメータ間に配置される。すなわち、光アッテネータではその前後方向の長さを縮小することが原理的に難しい。また、光学素子における光の入出射面の領域をコリメータ間の平行光のビーム径よりも大きくする必要もある。例えば、EO物質を光学素子として用いる場合、EO物質の光の入出射面をビーム径よりも大きくする必要がある。そして、EO物質に印加する電界方向はビームの光路を横断する方向であることから、上記特許文献1に記載の光アッテネータのように複雑な構成を採用しない限り、電極間の距離が自ずと大きくなり原理的に駆動電圧を高くする必要がある。駆動電圧を小さくするためにコリメートレンズの径を小さくしたり、特許文献1に記載の技術のように集光レンズを用いたりした上でEO物質の形状を小さくすると、EO物質の加工が困難となるとともに、光学素子を通過させるビーム径も小さくなり、光アッテネータを構成する光学部品の位置を精度良く調整することも困難になる。いずれにしてもコストアップは免れない。
Incidentally, in an optical attenuator for optical communication using an optical fiber regardless of the operating principle, it is basically difficult to make the size extremely small in the first place. Specifically, in an optical attenuator, since it is necessary to couple light emitted from an input-side optical fiber to an output-side optical fiber, the collimator is an optical fiber collimator (hereinafter, referred to as a ferrule) that holds the optical fiber. The collimator is an essential configuration. The so-called “in-line type” and “pigtail type” are used. In the optical path from the input-side optical fiber to the output-side optical fiber, the optical elements constituting the optical attenuator are arranged between the input-side and output-side collimators. That is, it is theoretically difficult to reduce the length of the optical attenuator in the front-rear direction. Further, it is necessary to make the area of the light incident / exit surface in the optical element larger than the beam diameter of the parallel light between the collimators. For example, when an EO substance is used as an optical element, it is necessary to make the light incident / exit surface of the EO substance larger than the beam diameter. Since the direction of the electric field applied to the EO material is a direction crossing the optical path of the beam, the distance between the electrodes naturally increases unless a complicated configuration such as the optical attenuator described in
そこで本発明は、EO物質を光学素子としつつ、さらなる小型化が可能な光アッテネータを大きなコストアップを伴わずに提供することを主な目的としている。 Therefore, the main object of the present invention is to provide an optical attenuator that can be further reduced in size while using an EO substance as an optical element without greatly increasing the cost.
上記目的を達成するための本発明は、前後方向を光軸として、前方に配置された入力側の第1の光ファイバから光軸に沿って後方に向けて出射された光の強度を減衰させて出力側の第2の光ファイバから出射する光アッテネータであって、
前記光軸に直交する2方向をそれぞれ上下方向、左右方向として、
一体的なスリーブ内に前記第1の光ファイバが保持されているとともに、当該第1の光ファイバから出射される光を入射して平行光として出射する第1のコリメートレンズが収納されてなる第1の光ファイバコリメータと、
一体的なスリーブ内に前記第2の光ファイバが保持されているとともに、前記第1のコリメートレンズから出射された前記平行光を前記第2の光ファイバに結合させる第2のコリメートレンズが収納されてなる第2の光ファイバコリメータと、
電気光学効果を有する電気光学物質からなる立体の上下両面または左右両面に電極が対面して形成されてなる電気光学素子と、
を備え、
前記第1および第2の光ファイバコリメータの少なくとも一方に前記電気光学素子が内蔵され、
前記電気光学素子は、自身が内蔵されている光ファイバコリメータ内において、光ファイバの開口端からコリメートレンズ間の光路が前記電気光学物質内を通るように配置されているとともに、外部の駆動回路により前記対面する電極間に電界が印加されると、前記電気光学物質内に空間電荷制限状態に伴う屈折率分布が発生し、当該電気光学物質に入射した光の光路を前記電界の強度に応じた角度で偏向させることで、前記第2の光ファイバに入射する光の結合損失を変化させる、
ことを特徴とする光アッテネータとしている。
In order to achieve the above object, the present invention attenuates the intensity of light emitted rearward along the optical axis from the first optical fiber on the input side disposed in the front direction with the front-rear direction as the optical axis. An optical attenuator that emits from the second optical fiber on the output side,
Two directions perpendicular to the optical axis are defined as a vertical direction and a horizontal direction, respectively.
The first optical fiber is held in an integral sleeve, and a first collimating lens that receives the light emitted from the first optical fiber and emits it as parallel light is housed. 1 optical fiber collimator;
The second optical fiber is held in an integral sleeve, and a second collimating lens that couples the parallel light emitted from the first collimating lens to the second optical fiber is housed. A second optical fiber collimator,
An electro-optic element formed by facing electrodes on both upper and lower surfaces or both right and left surfaces of a three-dimensional body made of an electro-optic material having an electro-optic effect;
With
The electro-optic element is incorporated in at least one of the first and second optical fiber collimators,
The electro-optic element is disposed in an optical fiber collimator in which the electro-optic element is incorporated so that an optical path between the opening end of the optical fiber and the collimating lens passes through the electro-optic material, and is driven by an external drive circuit. When an electric field is applied between the electrodes facing each other, a refractive index distribution associated with a space charge limited state is generated in the electro-optical material, and an optical path of light incident on the electro-optical material is determined according to the intensity of the electric field. Changing the coupling loss of light incident on the second optical fiber by deflecting at an angle;
The optical attenuator is characterized by this.
また上記光アッテネータは、前記第1の光ファイバコリメータと前記第2の光ファイバコリメータは双方のコリメートレンズが対面するように前後に直列配置され、
前記電気光学素子は前記第1の光ファイバコリメータにのみ内蔵され、
前記第1の光ファイバは伝搬する光の偏波面の方向を維持する偏波保持光ファイバであって、当該第1の光ファイバを伝搬する光の偏波面の方向が前記上下あるいは左右法方向のいずれかに一致する光アッテネータとすることができる。
Further, the optical attenuator is arranged in series in the front-rear direction so that the first optical fiber collimator and the second optical fiber collimator face each other.
The electro-optic element is incorporated only in the first optical fiber collimator,
The first optical fiber is a polarization maintaining optical fiber that maintains the direction of the polarization plane of the propagating light, and the direction of the polarization plane of the light propagating through the first optical fiber is the vertical or horizontal normal direction. It can be an optical attenuator that matches any one.
あるいは、前記第1の光ファイバコリメータと前記第2の光ファイバコリメータは双方のコリメートレンズが対面するように前後に直列配置され、
前記電気光学素子は前記第1および第2の光ファイバコリメータの双方に内蔵されているとともに、前記第1の光ファイバコリメータに内蔵されている電気光学素子の電極の対面方向と、前記第2の光ファイバコリメータに内蔵されている電気光学素子の電極の対面方向が互いに直交している光アッテネータとすることもできる。
Alternatively, the first optical fiber collimator and the second optical fiber collimator are arranged in series so that both collimating lenses face each other,
The electro-optic element is built in both the first and second optical fiber collimators, the facing direction of the electrodes of the electro-optic element built in the first optical fiber collimator, and the second optical fiber collimator An optical attenuator in which the facing directions of the electrodes of the electro-optic element built in the optical fiber collimator are orthogonal to each other can also be used.
前記第1の光ファイバコリメータと前記第2の光ファイバコリメータは双方のコリメートレンズが対面するように前後に直列配置され、
前記電気光学素子は前記第1および第2の光ファイバコリメータの双方に内蔵されているとともに、前記第1の光ファイバコリメータに内蔵されている電気光学素子の電極の対面方向と、前記第2の光ファイバコリメータに内蔵されている電気光学素子の電極の対面方向が互いに平行であり、
前記第1の光ファイバコリメータと前記第2の光ファイバコリメータ間に1/2波長板が挿入されているとともに、当該1/2波長板は、光学軸が上下左右方向に対して45゜傾いた方向となるように配置されている光アッテネータとしてもよい。
The first optical fiber collimator and the second optical fiber collimator are arranged in series at the front and back so that both collimating lenses face each other,
The electro-optic element is built in both the first and second optical fiber collimators, the facing direction of the electrodes of the electro-optic element built in the first optical fiber collimator, and the second optical fiber collimator The facing directions of the electrodes of the electro-optic element incorporated in the optical fiber collimator are parallel to each other,
A half-wave plate is inserted between the first optical fiber collimator and the second optical fiber collimator, and the optical axis of the half-wave plate is inclined 45 ° with respect to the vertical and horizontal directions. It is good also as an optical attenuator arrange | positioned so that it may become a direction.
前記第2の光ファイバコリメータが前記第1の光ファイバコリメータを兼用しており、当該光ファイバコリメータに前記第1の光ファイバと前記第2の光ファイバとが左右に平行に形成された二芯光ファイバケーブルが保持され、
前記電気光学素子は、上下方向に対面するように電極が形成され、
前記コリメートレンズの後方に1/4波長板と反射板とがこの順に配置されて、
前記1/4波長板は、光学軸が上下左右方向に対して45゜傾いた方向となるように配置され、
前記反射板は、前記第1と第2の光ファイバの開口端間の中点から後方に向かう直線との交点から左右方向に向かって徐々に厚くなるように傾斜角が同じ二つの鏡面を有して、一方の鏡面に第1の光ファイバの開口端から後方に向かう光が入射した際に、第2の光ファイバの開口端に向かう前方に進行する光として一方の斜面を経て前方に反射させる光アッテネータとすることもできる。
The second optical fiber collimator also serves as the first optical fiber collimator, and the first optical fiber and the second optical fiber are formed on the optical fiber collimator in parallel on the left and right. Fiber optic cable is held,
The electro-optic element has electrodes formed so as to face in the vertical direction,
A quarter-wave plate and a reflector are arranged in this order behind the collimating lens,
The quarter-wave plate is disposed such that the optical axis is inclined by 45 ° with respect to the vertical and horizontal directions,
The reflector has two mirror surfaces with the same inclination angle so as to gradually become thicker in the left-right direction from the intersection with the straight line extending backward from the midpoint between the open ends of the first and second optical fibers. Then, when light traveling backward from the opening end of the first optical fiber is incident on one mirror surface, the light traveling forward toward the opening end of the second optical fiber is reflected forward through one slope. It can also be an optical attenuator.
前記電気光学素子が前記第1および第2の光ファイバコリメータの双方に内蔵されている光アッテネータは、前記第1および第2の光ファイバを開口端側のモードフィールド径が拡大されたコア拡散ファイバとすることが可能である。 An optical attenuator in which the electro-optic element is incorporated in both the first and second optical fiber collimators is a core diffusion fiber in which the mode field diameter on the opening end side of the first and second optical fibers is expanded. Is possible.
上記いずれかに記載の光アッテネータにおいて、前記電気光学物質が一般式K1-yMyTa1-xNbxO3(但し、Mは1価の金属、0<x<1、0≦y<1)で表される物質である光アッテネータとすればより好ましい。 In the optical attenuator according to any one of the above, the electro-optical material has the general formula K 1- y My Ta 1-x Nb x O 3 (where M is a monovalent metal, 0 <x <1, 0 ≦ y An optical attenuator that is a substance represented by <1) is more preferable.
本発明の光アッテネータによれば、低電圧駆動が可能で減衰特性に優れている。また、製造の容易性を確保しつつ小型化が可能であり、安価に提供することも期待できる。 The optical attenuator of the present invention can be driven at a low voltage and has excellent attenuation characteristics. Further, it is possible to reduce the size while ensuring the ease of manufacturing, and it can be expected to provide it at a low cost.
===光アッテネータの動作原理===
上述したように、光アッテネータには、高速応答性、省電力化、低電圧駆動、小型化などの性能が求められる。そして本発明者は、さらなる小型化や低電圧駆動を実現するために、上記の市販品「PLZT高速光シャッター」や、上記特許文献1に記載の技術を利用した光アッテネータなど、EO物質の電気光学効果に基づく位相差(リタデーション)を用いた光アッテネータを改良することを考え、鋭意研究を重ねた。
=== Principle of operation of optical attenuator ===
As described above, the optical attenuator is required to have performance such as high-speed response, power saving, low voltage driving, and miniaturization. In order to realize further downsizing and low-voltage driving, the present inventor uses electric power of EO materials such as the above-mentioned commercial product “PLZT high-speed optical shutter” and an optical attenuator using the technique described in
しかしながら、従来のリタデーションを動作原理とした光アッテネータを始め、現存する光アッテネータの延長線上では、さらなる小型化や低電力駆動の実現が極めて困難であることが判明した。そこでEO物質が持つ電気光学効果について再考し、全く新規な構成の光アッテネータの実現可能性について検討した。そして、電界強度の傾斜に起因するEO物質内の屈折率分布による光の偏向作用に注目した。 However, it has been found that it is extremely difficult to realize further downsizing and low power drive on the extension line of existing optical attenuators, including optical attenuators based on the conventional retardation as an operating principle. Therefore, the electro-optic effect of the EO material was reconsidered, and the feasibility of an optical attenuator with a completely new configuration was examined. Then, attention was paid to the light deflection action due to the refractive index distribution in the EO material caused by the gradient of the electric field intensity.
図1にEO物質eo内に屈折率分布が発生する原理を示した。なお当該図1では、(A)〜(C)の順に、電界印加に伴うEO物質eo内の電子(e、e1〜e4)の分布の推移を示している。EO物質eoを用いた電気光学素子(EO素子)10cは、対向する電極間(Ad−Cd)にEO物質eoを配置した構成であり、その電極(Ad、Cd)となる金属と誘電体であるEO物質eoとがオーミック接触である場合、対向する電極間(Ad−Cd)に電圧を与えると、(A)に示したように、マイナス極側となるカソード電極Cdから放出された電荷(電子)eがプラス極となるアノード電極Adに向かって加速される。ここで電極間(Ad−Cd)に電圧を印加し続けると、(B)に示したように、カソード電極Cdから次々に電子e2が放出されるとともに、先に放出されたそれぞれの電子e1は、自身に向かうように放射方向の電場Eeを発生させる。そして、カソード電極Cdから次々に放出される電子e2と先に放出された電子e1が発生する電場Eeとの間で斥力が働き、後から放出された電子e2が減速し、局所的にさきに放出された電子e1の密度が高くなっていく。その局所的な電子e1の密度が十分に高くなると、(C)に示したように、電子e1が高密度で存在する領域e4における電場が強大となり、一部の電子e3がカソード電極Cd側に反射される。それによって、EO物質eo内に電子eが空間電荷として溜まり、EO物質eo内ではカソード電極Cdからアノード電極Adに向かって電子eの密度に傾斜が発生する。すなわち、電界強度がEO物質eo内の位置で一様でなくなり、所謂「空間電荷制限状態」となる。カソード電極CdとEO物質eoとの境界からアノード電極Adへ向かう距離をxとしたときのEO物質eo内における各種物性と距離xとの関係を図2に示した。図2(A)は距離xと電子密度分布Nとの関係を示しており、(B)は距離xと誘電率εとの関係を示している。そして、EO物質eoの電気光学効果は電界強度に依存し、例えば、カー効果であれば電界強度の2乗に比例する。したがって、EO物質eo内の屈折率は上記距離xの位置に応じて変化し、その結果として、EO物質に入射した光は当該EO物質内で電荷密度が高いところから低いところに向けて曲がる(偏向する)。また、図3に示したように、電極間(Cd−Ad)に印加した電圧Vに応じてその偏向角度θも大きくなる。そして、この光の偏向状態は、EO物質eo内に溜まった空間電荷が自由電荷として放出されるまで持続する。 FIG. 1 shows the principle of generating a refractive index distribution in the EO substance eo. FIG. 1 shows the transition of the distribution of electrons (e, e1 to e4) in the EO substance eo accompanying the application of an electric field in the order of (A) to (C). The electro-optic element (EO element) 10c using the EO substance eo has a configuration in which the EO substance eo is disposed between the opposing electrodes (Ad-Cd). The electrode and the electrodes (Ad, Cd) are made of a metal and a dielectric. When an EO substance eo is in ohmic contact, when a voltage is applied between the opposing electrodes (Ad-Cd), as shown in (A), the charge released from the cathode electrode Cd on the negative electrode side ( E) e is accelerated toward the anode electrode Ad which becomes a positive electrode. Here, when a voltage is continuously applied between the electrodes (Ad-Cd), as shown in (B), electrons e2 are emitted one after another from the cathode electrode Cd, and each electron e1 emitted earlier is The electric field Ee in the radial direction is generated so as to be directed to itself. A repulsive force acts between the electron e2 emitted one after another from the cathode electrode Cd and the electric field Ee generated by the electron e1 emitted earlier, and the electron e2 emitted later decelerates locally. The density of the emitted electrons e1 increases. When the density of the local electrons e1 becomes sufficiently high, as shown in (C), the electric field in the region e4 where the electrons e1 exist at a high density becomes strong, and some of the electrons e3 are moved to the cathode electrode Cd side. Reflected. As a result, electrons e accumulate as space charges in the EO material eo, and a gradient occurs in the density of the electrons e from the cathode electrode Cd to the anode electrode Ad in the EO material eo. That is, the electric field strength is not uniform at the position in the EO substance eo, and a so-called “space charge limited state” is obtained. FIG. 2 shows the relationship between various physical properties in the EO material eo and the distance x, where x is the distance from the boundary between the cathode electrode Cd and the EO material eo to the anode electrode Ad. 2A shows the relationship between the distance x and the electron density distribution N, and FIG. 2B shows the relationship between the distance x and the dielectric constant ε. The electro-optic effect of the EO material eo depends on the electric field strength. For example, the Kerr effect is proportional to the square of the electric field strength. Therefore, the refractive index in the EO material eo changes according to the position of the distance x, and as a result, the light incident on the EO material bends from a high charge density to a low charge in the EO material ( Deflect). Further, as shown in FIG. 3, the deflection angle θ also increases in accordance with the voltage V applied between the electrodes (Cd−Ad). This light deflection state continues until the space charge accumulated in the EO material eo is released as free charge.
図4は、EO素子10cによる光の偏向動作を示す図であり、この図ではEO物質eoの内外を通る光(ビーム)の中心が辿る軌跡(光路)を示している。EO物質eoは複屈折性を有し、当該EO物質eoに入射した光Binは、振動方向が電界Eの方向と平行にTE成分の光(TE光)BTEと、電界Eの方向と直交する成分の光(TM光)BTMとに分離する。EO物質eoは電界印加状態では、それぞれの成分の光(BTE、BTM)に対して異なる屈折率を有しているため、EO物質eoが空間電荷制限状態にあると、それぞれの成分の光(BTE、BTM)が入射光Binの進行方向に対してそれぞれ異なる角度(θE、θM)の方向に偏向する。なお、この図4に示した例では、カー効果に起因する電気光学効果を発現し、そのカー定数における正負の符号と大きさがTE光BTEとTM光BTMとによって異なるEO物質eoを例に挙げており、TE光BTEとTM光BTMは入射光Binに対して反対方向に偏向している。そして、EO物質eo内の各成分の光(BTE、BTM)はEO物質eoの内外の境界にて屈折し、最終的に偏波面が互いに直交する光(BoE、BoM)として互いに異なる方向に向かって出射する。
FIG. 4 is a diagram showing a light deflection operation by the
なお、この空間電荷制限状態の発現原理や、空間電荷制限状態とEO物質eo内での屈折率分布との関係などについては、上記特許文献2や非特許文献1になどに詳しく記載されている。そしてこれらの文献には空間電荷制限状態に伴うEO物質内の屈折率分布を利用し、レーザープリンターの感光体に潜像を形成するためのスキャナなどに適用する実施形態について記載されている。
The expression principle of the space charge limited state and the relationship between the space charge limited state and the refractive index distribution in the EO substance eo are described in detail in the above-mentioned
ここで本発明者は、EO物質における上記光の偏向作用を光アッテネータに利用することを考えた。しかし、上記特許文献2や非特許文献1に記載されている技術は、EO物質に直線偏光を入射させることを前提としている。すなわち、動作原理が異なるだけで構造的には従来の光アッテネータと同じとなり、低電力駆動、小型化などの要請に十分に応えることができない。そこで本発明者は、光アッテネータの構造自体を根本的に見直すこととした。概略的には、光アッテネータを構成するコリメータの構造に着目したところ、光が出射したり結合したりする光ファイバの開口端とコリメートレンズとは、当該コリメートレンズの焦点距離を確保するための空間となっている。そこで、この空間を有効利用することを考え、本発明を想到した。
Here, the present inventor considered using the above-mentioned light deflection action in the EO material for an optical attenuator. However, the techniques described in
===本発明に係る実施例===
本発明の実施例に係る光アッテネータは、入力側の光ファイバから出射した光をコリメータによって平行光に整形しつつ、その平行光を再度コリメータを介して出力側の光ファイバに結合させる基本構成を有しつつ、少なくとも一方のコリメータの上記空間内にEO素子が内蔵されている。そして、このEO素子を駆動することで、EO物質に空間電荷制限状態に基づく光偏向効果を発現させるとともに、その光の偏向角度を制御することで出力側の光ファイバに結合する光ビームの強度を可変制御するように構成されている。そして、以下では、本発明の実施例として、光アッテネータを構成する各種光学素子の配置などに応じて幾つかの具体例を挙げる。なお、以下の説明において同一又は類似の部分に同一の符号を付して重複する説明を省略することがある。
=== Example according to the present invention ===
An optical attenuator according to an embodiment of the present invention has a basic configuration in which light emitted from an input-side optical fiber is shaped into parallel light by a collimator, and the parallel light is again coupled to the output-side optical fiber through the collimator. In addition, an EO element is built in the space of at least one collimator. By driving the EO element, the EO substance exhibits a light deflection effect based on the space charge limited state, and the intensity of the light beam coupled to the output side optical fiber by controlling the deflection angle of the light. Is variably controlled. In the following, some specific examples will be given as examples of the present invention according to the arrangement of various optical elements constituting the optical attenuator. In addition, in the following description, the same code | symbol may be attached | subjected to the same or similar part, and the overlapping description may be abbreviate | omitted.
===第1の実施例===
図5に本発明の第1の実施例に係る光アッテネータ1の概略構造を示した。図5(A)は当該光アッテネータ1の内部構造を示しており、当該光アッテネータ1内を通る光の経路(光路)を側方から見たときの側面図である。(B)は当該光アッテネータ1を構成するEO素子10の構造を示しており、(A)におけるEO素子10を拡大した図である。当該光アッテネータ1は、円筒状の筐体100の両端に入力側の光ファイバ(以下、入力側ファイバ)23aを保持するコリメータ(以下、入力側コリメータ)20aと、出力側の光ファイバ(以下、出力側ファイバ)23bを保持するコリメータ(以下、出力側コリメータ)20bとを対面させるように接続した構成となっている。
=== First Embodiment ===
FIG. 5 shows a schematic structure of the
周知のごとく、コリメータ(20a、20b)は、光ファイバ(23a、23b)の端部を保持するフェルール(21a、21b)とコリメートレンズ(22a、22b)とを円筒状のスリーブ(24a、24b)内に配置したものであるが、当該第1の実施例に係る光アッテネータ1では、入力側コリメータ20aにおけるフェルール21aとコリメートレンズ22aの間にEO素子10が配置されている。なおここでは、入出力側のコリメートレンズ(22a、22b)の光軸50方向を前後方向として規定するとともに、入力側ファイバ23aを前方とする。そして、図中に示したように上下方向を規定する。左右方向については、前方から見たときの方向によって規定する。すなわち、図5(A)は光アッテネータ1を右方から見たときの側面図となり、紙面奥行き方向が左方向となる。
As is well known, the collimator (20a, 20b) includes a ferrule (21a, 21b) that holds the end of the optical fiber (23a, 23b) and a collimator lens (22a, 22b) in a cylindrical sleeve (24a, 24b). In the
EO素子10は、図5(B)に拡大して示したように、一方の電極を兼ねる基板11と薄膜状の金属からなる他方の電極13との間にEO物質(EO層とも言う)12を配置した構成であり、この例では、チタン酸ストロンチウム(STO)を主な組成とした導電性の基板11上にEO物質であるニオブ酸タンタル酸カリウム(KTa1-xNbxO3、以下、KTN)からなる層(EO層)12が形成され、そのEO層12の上に他方の電極として、チタンの層13tと白金の層13pとを積層してなる金属電極層13が形成されている。なお、EO層12を構成するKTNは、ニオブ酸カリウム(KNbO3:KN)とタンタル酸カリウム(KTaO3:KT)とからなる無色透明の結晶であり、温度が上昇すると結晶構造が菱面体晶、斜方晶、正方晶、立方晶と四つの結晶相に変化することで知られている。そして、立方晶の状態から正方晶へ転移する相転移温度に近づけていくと,誘電率εが著しく大きくなる。すなわち、カー効果が相転移温度付近で著しく大きくなる。それによって大きな屈折率変化が誘発される。相転移温度は組成(KNとKTの混合比率)によって変化するので、室温付近で相転移するような組成を選べば、室温で巨大なカー効果が得られることになる。また、KTNを含む一般式K1-yMyTa1-xNbxO3(Mは1価の金属、0<x<1、0≦y<1)で表される物質は優れた電気光学特性を有するとともに、鉛(Pb)を含まない環境に優しいEO物質でもある。
As shown in an enlarged view in FIG. 5B, the
当該EO素子10の作製手順としては、まず、ニオブを1wt%添加したSTOからなる導電性基板11を用意する。導電性基板11の当初の形状は、直径1インチの円形平板状で、厚さdsが650μmとなっている。また基板面14となる円形平面の結晶方位が(100)面となっている。
As a manufacturing procedure of the
そして、この基板面14上にKTNを液相エピタキシャル法により厚さdが15μmとなるまで結晶成長させてEO層12を形成する。さらに、そのEO層12上にスパッタ法によりチタンの層13tを成膜し、そのチタン層13tの上に白金の層13pを成膜して金属電極層13を形成する。最後に直径1インチの導電性基板面14にEO層12と金属電極層13が積層されてなる積層体をコリメータ20a内に収容できる程度の大きさとなるように裁断加工し、その上で、駆動回路と接続経路となる電極端子(図示せず)を導電性基板11と金属電極層13に取り付けてEO素子10を完成させる。
Then, KTN is crystal-grown on the
なお第1の実施例におけるEO素子10では、KTNの比誘電率が25℃で20,000であり、その全体の大きさは、前後長Leoが150μm、左右方向の幅が500μmである。また、上下方向の全高hは、導電性基板11とEO層12と薄膜状の金属電極層13の各層の厚さ(ds、d、dm)を合計したものとなるが、スパッタ法によって形成される薄膜状の金属電極層13の厚さdmは極めて薄く(例えば、500nm)、実質的には導電性基板11とEO層12の厚さを合計した約665μmがEO素子10の高さhとなる。そして、導電性基板11と金属電極層13の層面が光軸50と平行となるように、このEO素子10が入力側コリメータ20aに内蔵されている。ここでは、EO素子10が導電性基板(以下、電極とも言う)11と金属電極層(以下、電極とも言う)13が上下方向で対面するように配置されている。すなわち、外部の駆動回路により電極間(10−13)に電位差を発生させると、EO層12内を光軸50に沿って前後方向に透過する光に対し直交する方向に電界が印加されることになる。
In the
ところで、先に図4にも示したように、EO物質内では偏波面が互いに直交するTE光とTM光に分離されるため、この第1の実施例では、TE光とTM光の一方の光に対応する偏光のみを用いている。そのために、入力側ファイバ23aに偏波保持光ファイバを用い、その入力側ファイバ23aを伝搬する光の偏波面をEO層12に印加される電界方向と平行あるいは直交する方向と一致するように、入力側ファイバ23aとEO素子10との配置関係を調整している。この例では、EO物質12の性質により、TM光に対してTE光の方が大きく偏向することから、入力側ファイバ23a内を伝搬する光の偏波面とEO素子10に印加する電界方向とが平行となるようにしている。すなわち、入力側ファイバ23aから出射する光B0は上下方向に振動する。
By the way, as previously shown in FIG. 4, in the EO material, the polarization planes are separated into TE light and TM light which are orthogonal to each other. Therefore, in this first embodiment, one of TE light and TM light is separated. Only polarized light corresponding to light is used. Therefore, a polarization maintaining optical fiber is used for the
<動作>
次に第1の実施例に係る光アッテネータ1の動作について説明する。図6に第1の実施例に係る光アッテネータ1の動作を示した。図6(A)は、EO素子10に電界を印加していないときに光アッテネータ1内を通る光(以下、ビームとも言う)の光路を示しており、(B)は(A)における円200内を拡大した図である。(C)はEO素子10に電界を印加したときの光路を示している。なお、図中矢印で示した光路はビーム(B0〜B4)の中心の軌跡に対応している。すなわち(B)に示したように、入力側ファイバ23aの開口端26aから出射したビーム(入力光とも言う)B0は開口角αで後方に向かって円錐状に拡がる。また、実際のフェルール(21a、21b)の端面(25a、25b)は光軸50に対して僅かに傾斜している。それによって、外部から光ファイバ(23a、23b)内に意図した方向とは逆方向に進行する光が入射する「戻り光」が発生しないようになっている。したがって、入力側ファイバ23aから出射したビームB0は、厳密にはフェルール21aの端面25a、およびEO素子10の内外の境界で屈折する。しかし、図6(A)(C)を含め、以下の各実施例に係る光アッテネータの動作を示す図では、その動作が理解し易いようにビームの軌跡(光路)を簡略化している。
<Operation>
Next, the operation of the
まず図6(A)に示したように、EO素子10に電界を印加していないときは、偏波保持光ファイバである入力側ファイバ23aからの上下方向に振動する光がEO素子10に入射する。EO層12には電界が印加されていないのでEO層12内ではビームB1は偏向せずにEO素子10から出射される。そして、そのビームB2が入力側コリメートレンズ22aに入射する。
First, as shown in FIG. 6A, when no electric field is applied to the
周知のごとく、光ファイバコリメータ(20a、20b)では光ファイバ(23a、23b)の開口端面(26a、26b)がコリメートレンズ(22a、22b)の焦点位置となるため、入力側ファイバ23aから所定の開口角αで後方に進行するビームB0がコリメートレンズ22aに入射すると、そのビームB2は、光軸50に沿って進行する平行光B3として出射する。そして、入力側コリメートレンズ22aから出射した平行光B3は、出力側コリメートレンズ22bにて集光されるビームB4としてその焦点位置に結合する。この結合位置を出力側ファイバ23bの開口端26bの位置に一致させておけば、結合損失が最小となり、光アッテネータ1は入射光B0を透過させる「オン」状態となる。なお、第1の実施例に係る光アッテネータ1は、入力側ファイバ23aから出射したビームB0の径が10μmであり、オン状態における結合損失は0.6dBであった。
As is well known, in the optical fiber collimators (20a, 20b), the opening end faces (26a, 26b) of the optical fibers (23a, 23b) are the focal positions of the collimating lenses (22a, 22b). When the beam B0 traveling backward at the opening angle α is incident on the
一方(C)に示したように、EO素子10に入射したビームB0の偏光方向は、EO素子10における電極(11、13)の対面方向(上下方向)に一致しているため、電極間(11−13)に電位差を与えてEO物質12に電界を印加すると、そのB0はTE光に相当するビームB11として角度θ方向に偏向する。そしてEO素子10の後端にてEO物質12の内外の屈折率差に応じて屈折し、光軸50に対して角度βの角度方向に進行するビームB12として出射する。このとき入力側コリメータ20a内のEO素子10によりビームが偏向したとしても入力側コリメートレンズ22aの焦点位置は変わっていないので、入力側コリメートレンズ22aに入射したビームB12は、オン状態における平行光B3に対して上下方向にずれた平行光B13として後方に向かい、その平行光B13が出力側コリメートレンズ22bに入射する。それによってこのコリメートレンズ22bから出射したビームB14の結合位置が出力側ファイバ23bの開口端26bの位置からずれる。その結果、結合損失が増加する。すなわち、入力光B0の光強度が減衰する。そして、EO素子10の電極間(11−13)に印加する電圧を調整して偏向角度θを変えることで、出力側ファイバ23bに入射する光B14の強度を可変制御することができる。
On the other hand, as shown in (C), since the polarization direction of the beam B0 incident on the
なお第1の実施例に係る光アッテネータ1では、EO素子10の電極間(11−13)に10Vの電圧を印加したところ、30dBの結合損失が得られ、入力光B0が十分に遮断された「オフ」状態となった。以上より、第1の実施例に係る光アッテネータ1は、実用上十分な減衰特性を備えていることが確認できた。もちろん、入力側と出力側のコリメートレンズ(22a、22b)の間には他の光学部品を配置する必要が無く、入力側と出力側のコリメートレンズ(22a、22b)の双方の焦点距離(fとする)を足した2f分の距離を確保すればよく、従来の光アッテネータと比較してサイズをより小さくすることが可能となる。特に前後長については極めて短くすることが可能となる。
In the
===第2の実施例===
第1の実施例に係る光アッテネータ1では、入力側ファイバ23aに偏波保持光ファイバを用いていた。しかし、一般的な光伝送路はシングルモード光ファイバ(SMF)で構成されている。そこで、第2の実施例として、入力側ファイバ23aを出力側ファイバ23bと同様にSMFにしても対応可能な光アッテネータを挙げる。図7に第2の実施例に係る光アッテネータ2の構造を示した。ここでも第1の実施例と同様に前後上下左右の方向を規定すると、図7(A)は当該光アッテネータ2を右方から見たときの側面図であり、(B)は上方から見たときの平面図である。この図7に示したように、第2の実施例に係る光アッテネータ2では入力側コリメータ20aと出力側コリメータ20bの双方にEO素子(10a、10b)が内蔵されている。そして、入力側コリメータ20a内のEO素子(入力側EO素子)10aと出力側コリメータ20b内の出力側EO素子10bの電極(11、13)の形成面が互いに直交している。すなわち、入力側と出力側のEO素子(10a、10b)ではEO物質12に印加される電界の方向が互いに直交している。
=== Second Embodiment ===
In the
この光アッテネータ2の動作については、オン状態では第1の実施例と同様に入力側EO素子10aに入射した光は偏向せず、入力側EO素子10aから後方に向かって出射したビームは、入力側コリメートレンズ22a、出力側コリメートレンズ22b、および出力側EO素子10bを経て出力側ファイバ23bの開口端26bの位置に結合する。なお、入力光のビームの径は10μmであり、オン状態における結合損失は0.6dBであった。
Regarding the operation of the
図8に第2の実施例の光アッテネータ2のオフ状態における動作を示した。図8(A)は、光アッテネータ2を右方から見たときの光路を示しており、(B)は上方から見たときの光路を示している。また(C)は(A)(B)に示した光路上の各位置(P1、P2)を前方から見たときのビームの位置を示している。入力側と出力側のEO素子(10a、10b)の電極間(11−13)に電圧を印加すると、それぞれのEO素子(10a、10b)のEO物質12内が空間電荷制限状態となる。入力側ファイバ23aから出射した入力光が入力側EO素子10aに入射すると、その光はEO物質12内で振動方向が互いに直交するTE光B1eとTM光B1mに分離されるとともに、それぞれが異なる角度の方向に偏向する。そしてTE光B1eとTM光B1mがEO素子10aの後端にて屈折し、光軸50からずれた位置から異なる角度方向に進行する二本のビーム(B2e、B2m)がEO素子10から後方に向けて出射する。すなわち偏光依存性を有する2本のビーム(B2e、B2m)が出射する。
FIG. 8 shows the operation of the
この2本のビーム(B2e、B2m)は、入力側コリメートレンズ22aにて個別に平行光(B3e、B3m)として出力側コリメートレンズ22bに入射し、それぞれの結合位置に向かって屈折し、その屈折光(B4e、B4m)が出力側EO素子10bに入射する。出力側EO素子10bのEO物質12には入力側EO素子10aと直交する方向に同じ強度の電界が印加されており、出力側EO素子10bに入射したビーム(B4e、B4m)は、偏波面が入れ替わったビーム(B5m、B5e)として偏向しながら後方に進行する。そして二本のビーム(B5m、B5e)の位相が揃った状態で出力側EO素子10bから出射し偏波依存性が解消される。したがって、出力側ファイバ23bの開口端26bには入力側および出力側EO素子(10a、10b)の電極間(11−13)に印加した電圧に応じた結合損失でビームが入射されることになる。そして、第2の実施例に係る光アッテネータ2では、入力側と出力側のEO素子(10a、10b)の電極間(11−13)に10Vの電圧を印加したとき30dBの結合損失となった。このように第2の実施例に係る光アッテネータ2では、汎用的なSMFを用いつつ第1の実施例に係る光アッテネータ1と同様に低電圧でも十分に実用的な減衰特性を有する。なお、出力側EO素子10bの電極間(11−13)には、入力側EO素子10aにおけるTE光B1eとTM光B1mの偏向角度と一致するように電圧を印加すればよく、電圧と偏向角度との関係が入力側と出力側のEO素子(10a、10b)で一致していない場合は、フィードバック制御などを用いて入力側と出力側EO素子(10a、10b)のいずれか、あるいは双方の電極間(11−13)に印加する電圧値を調整すればよい。
The two beams (B2e, B2m) are individually incident on the output
===第3の実施例===
第2の実施例では、入力側EO素子10aに電界を印加した際のビームの偏光依存性を解消するために入出力側のそれぞれのEO素子(10a、10b)における電界方向を直交させていた。すなわち、電極(11、13)の形成面が光軸50に対して90°回転していた。そのため、電極(11、13)に取り付けられる端子が入力側EO素子10aと出力側EO素子10bとで異なる方向に配置されることになり、端子から駆動回路に至る配線の引き回しが煩雑となる可能性がある。そこで、第3の実施例として、二つのEO素子(10a、10b)の電極(11、13)が同じ方向となるように配置した光アッテネータを挙げる。
=== Third embodiment ===
In the second embodiment, in order to eliminate the polarization dependence of the beam when an electric field is applied to the input-
図9(A)〜(C)に第3の実施例に係る光アッテネータ3の構造と動作を示した。図9(A)は当該光アッテネータ3を右方から見たときの構造を示しており、入力側と出力側のEO素子(10a、10b)の電極(11、13)を平行に配置する代わりに、コリメートレンズ間(22a―22b)に1/2波長板30が配置されている。図9(B)は1/2波長板30を前方から見たときの図であり、当該1/2波長板30の光学軸31の方向を示している。そして、1/2波長板30の光学軸31は、光軸50に沿って前方から見たときに、EO素子(10a、10b)において電極(11、13)が形成されている面の法線方向に対して45゜の角度で交差するように設定されている。すなわち、電極間(11−13)に電圧を印加したときに発生する電界方向と45゜の角度で交差するように設定されている。
FIGS. 9A to 9C show the structure and operation of the
図9(C)は第3の実施例に係る光アッテネータ3のオフ状態における動作を示している。この図に示したように、入力光が入力側コリメータ20aを出射するまでの光路は第2の実施例の光アッテネータ2と同様であり、TE光およびTM光に対応する2本のビーム(B11e、B11m)がそれぞれB11e→B12e→B13eおよびB11m→B12m→B13mの経路で後方に向かう。そして、入力側コリメートレンズ22aから出射した2本のビーム(B12e、B13m)が1/2波長板30に入射すると、それぞれのビーム(B12e、B13m)の偏波面が90°回転したビーム(B14m、B14e)に変換されて出力側コリメートレンズ22bの入射し、その出力側コリメートレンズ22bにて屈折した二本のビーム(B15m、B15e)が出力側EO素子10bに入射する。出力側EO素子10bには入力側EO素子10aと同じ強度の電界が同じ方向に印加されており、出力側EO素子10b内ではビーム(B16e、B16m)が自身の偏波面と電界の印加方向とに従って偏向しながら後方に進行し、出力側EO素子10bの後端にて結合する。すなわち、光軸50に対して上下方向にずれた位置に結合する。そして、その結合位置に応じた強度の光が出力側ファイバ23bに入射する。なお、第3の実施例に係る光アッテネータ3では、入力光のビーム径が10μmであり、オン状態では0.6dBの結合損失となった。また入出力側のEO素子(10a、10b)の電極間(11−13)に10Vの電圧を印加してオフ状態としたときの結合損失は30dBであった。
FIG. 9C shows the operation of the
===第4の実施例===
上記第1〜第3の実施例に係る光アッテネータ(1〜3)は、入力側コリメータ20aと出力側コリメータ20bを個別に備え、それぞれのコリメータ(20a、20b)を光軸50を合わせた状態で対面配置させていた。すなわち透過型の光アッテネータ(1〜3)を構成していた。そこで第4の実施例として反射型の光アッテネータを挙げる。
=== Fourth embodiment ===
The optical attenuators (1-3) according to the first to third embodiments are individually provided with an input-
図10に第4の実施例に係る光アッテネータ4の構造を示した。図10(A)は当該光アッテネータ4を上方から見たときの平面図であり、(B)は同じ光アッテネータ4を右方から見たときの側面図である。図示したように当該光アッテネータ4では一つのコリメータ20を備え、このコリメータ20の後方に1/4波長板40と反射板60がこの順に配置された構造となっている。そして(A)に示したように、コリメータ20に接続されているフェルール21には二芯の光ファイバ23、所謂「パンダファイバ」が保持されて、そのパンダファイバ23の一方の光ファイバが入力側ファイバ23aであり、他方が出力側ファイバ23bとなっている。そして、一つのコリメータ20が入力側と出力側のコリメータを兼ねている。また反射板60の前面側の鏡面は凹状であり、入出力側の光ファイバ(23a、23b)の開口端(26a、26b)の中点から後方に向かう直線(以下、中心軸)51に対して左右対称となるように二つの傾斜面(61a、61b)が形成されている。また、中心軸51に対して左方にある傾斜面61aおよび右方にある傾斜面61bは、入力側の光ファイバ23aの開口端26aから後方に向かう軸(以下、第1の光軸)50a上および出力側ファイバ23bの開口端26bから後方に向かう軸(以下、第2の光軸)50b上のそれぞれに形成されている。そして、この二つの傾斜面(61a、61b)は互いに直交している。
FIG. 10 shows the structure of the
EO素子10の電極(11、13)は、(B)に示したように、二本の光ファイバ(23a、23b)の並列方向(左右方向)に対して直交する方向(上下方向)に電界が印加されるように、EO物質12の上下の面に形成されている。なお、第4の実施例におけるEO素子10のサイズは、左右幅W=250μm、前後長Leo=250μmとしている。またEO物質12の厚さd=20μmとしている。1/4波長板40の配置については、図11に示したように、中心軸51に沿って前方から見たときに光学軸41がEO素子10の電極間(11−13)に電圧を印加したときに発生する電界方向と45゜の角度で交差するように設定されている。
The electrodes (11, 13) of the
図12は、第4の実施例に係る光アッテネータ4の動作を示す図であり、図12(A)はオン状態における光路を上方から見たときの図であり、(B)と(C)はともにオフ状態における光路を右方から見たときの図であり、(B)は入力側ファイバ23aからの入力光がEO素子10内でTE光として分離したビームB21eの光路(B21e→B22e→B23e→B25m→B26m→B27m)を示しており、(C)はEO素子10内でTM光として分離したビームB21mの光路(B21m→B22m→B23m→B25e→B26e→B27e)を示している。
FIG. 12 is a diagram illustrating the operation of the
第4の実施例に係る光アッテネータ4では、図12(A)に示したように、EO素子10のEO物質12に電界が印加されておらずオン状態にあるとき、入力側ファイバ23aから出射したビームが第1の光軸50aに沿って後方に向かってEO素子10、コリメートレンズ22、1/4波長板40を透過し(B21→B22→B23)、反射板60の一方の傾斜面61aに入射する。ビーム(B21〜B23)はEO素子10内でTE光とTM光に分離するとともに、1/4波長板40にて1/4波長分の位相差が与えられて円偏向に変換されるものの、EO素子10内で偏向されないため同じ光路を辿る。
In the
そして、反射板60に到達したビームB23は、入力側ファイバ23aの光軸50a上にある傾斜面(61a、61b)によってコの字型に屈曲して前方に反射し、第2の光軸50bに沿って1/4波長板40とコリメートレンズ22を経て出力側ファイバ23bに結合する。なお、オン状態にあるときの結合損失は0.7dBであった。
Then, the beam B23 that has reached the reflecting
一方、図12(B)と(C)に示したように、EO物質12に電界を印加したときは、EO素子10によって分離したTE光のビームB21eとTM光のビームB21mのそれぞれが電界強度に応じた角度で上下方向に偏向し、第1の光軸50aからずれた二本のビーム(B22e、B22m)がコリメートレンズ22を介して平行光(B23e、B23m)として後方に向かう。そして第1の光軸50aに対して上下方向にずれた二本の平行光(B23e、B23m)がそれぞれ1/4波長板40に入射し、それぞれ1/4波長分の位相差が与えられて円偏光として反射板60に入射し、左側の傾斜面61aによって光路が右方(紙面手前方向)にシフトされ(B23e→B24e、B23m→B24m)、さらに右側の傾斜面61bにて再度反射する。そして前方への反射光が1/4波長板40に入射する。それによって、前方から後方に向かうTE光とTM光のそれぞれに対応するビームは、往復で1/2波長分の位相差が与えられ、偏波面が90°回転する。そして1/4波長板40から後方に向かう二本のビーム(平行光:B25m、B25e)は第2の光軸50bからずれた光路を辿り、再度コリメートレンズ22とEO素子を経て偏波依存性が解消された状態で同じ位置からEO素子10から前方に向かって出射する(B25m→B26m→B27m、B25e→B26e→B27e)。なお第4の実施例に係る光アッテネータ4では、EO素子10の電極間(11−13)の電圧を15Vとしたときに結合損失が30dBであった。
On the other hand, as shown in FIGS. 12B and 12C, when an electric field is applied to the
このように第4の実施例に係る光アッテネータ4では、上記各実施例と同様に実用上十分な光減衰特性を有しつつ、低電圧での駆動が可能である。そして、第1〜第3の実施例と比較して、前後方向の全長をさらに短くすることが可能となる。
As described above, the
===第5の実施例===
ところで、EO素子は、電極間の電圧が同じであれば電極間の厚さが小さい程より電界強度が大きくなる。言い換えれば、より低電圧で駆動しても所定の減衰特性が得られる。しかし、EO素子以外の光アッテネータを構成する光ファイバは、そのコア径が10μm程度であるとすると、EO素子の電極間の厚さはそれ以上必要となる。また、電極間の厚さをビーム径に近づけると、EO素子の前後方向にビームを効率良く進行させるために、EO素子と光ファイバの開口端との上下左右方法の相対位置を極めて精度よく調整する必要が生じる。具体的には、光ファイバから出射するビームは平行光ではなく、所定の開口角で出射する。一般的なSMFでは、ビーム径はその出射時点では10μm程度であるが、光ファイバコリメータ内ではコリメートレンズに至るまでにそのビームの径が拡がる。そして、光ファイバの開口数N/Aはコアの径が小さいほど大きい。すなわち、開口角が大きくなる。
=== Fifth embodiment ===
By the way, in the EO element, when the voltage between the electrodes is the same, the electric field strength increases as the thickness between the electrodes decreases. In other words, a predetermined attenuation characteristic can be obtained even when driven at a lower voltage. However, if the optical fiber constituting the optical attenuator other than the EO element has a core diameter of about 10 μm, the thickness between the electrodes of the EO element is further required. In addition, when the thickness between the electrodes is brought close to the beam diameter, the relative position of the up / down / left / right method between the EO element and the open end of the optical fiber is adjusted with extremely high accuracy in order to advance the beam efficiently in the longitudinal direction of the EO element. Need to do. Specifically, the beam emitted from the optical fiber is not parallel light but emitted at a predetermined opening angle. In a general SMF, the beam diameter is about 10 μm at the time of emission, but in the optical fiber collimator, the beam diameter expands until reaching the collimating lens. The numerical aperture N / A of the optical fiber is larger as the core diameter is smaller. That is, the opening angle is increased.
したがって、光ファイバの開口端とコリメートレンズ間にEO素子を配置することを前提としている本発明の光アッテネータでは、所謂「ケラレ」を考慮する必要がある。すなわち、入力側ファイバからEO素子に入射したビームの径がEO物質内で徐々に広がり、そのビームの径方向外側の縁の部分がEO物質の端面に接触してビームの周辺光量が低下しないようにすることが必要となる。そのためには、EO素子の後端側でのビーム径を考慮してEO物質の厚さを設定することが必要となる。 Therefore, it is necessary to consider so-called “vignetting” in the optical attenuator of the present invention which is premised on the arrangement of the EO element between the opening end of the optical fiber and the collimating lens. That is, the diameter of the beam incident on the EO element from the input side fiber gradually expands in the EO material, and the edge portion on the outer side in the radial direction of the beam does not come into contact with the end surface of the EO material so It is necessary to make it. For this purpose, it is necessary to set the thickness of the EO material in consideration of the beam diameter on the rear end side of the EO element.
しかし、ケラレを考慮してEO物質の厚さを大きくすると電界強度が小さくなるという背反が生じる。すなわちEO素子を高電圧で駆動する必要がある。EO素子が厚いと光アッテネータの上下方向の大きさを小さくすることも難しくなる。EO素子の厚さを薄くすればケラレに加え、コリメータの組み立てに際して許容できる調整誤差が小さくなるという問題が発生する。例えば、許容される組み立て誤差が同じ1μmでもビーム径と同等の10μmの厚さのEO素子に対して調整する場合と、100μmの厚さのEO素子に対して調整する場合とでは、10μmの厚さのEO素子の位置を調整するほうが遙かに難しい。そこで本発明の第5の実施例として、EO素子の厚さを大きくしてコリメータ内における光ファイバとEO素子との相対位置関係を容易にかつ高精度に調整することが可能な構成を備えつつ、低い電圧でも十分な減衰特性を有している光アッテネータを挙げる。 However, when the thickness of the EO material is increased in consideration of vignetting, a contradiction occurs that the electric field strength decreases. That is, it is necessary to drive the EO element with a high voltage. When the EO element is thick, it is difficult to reduce the vertical size of the optical attenuator. If the thickness of the EO element is reduced, in addition to vignetting, there arises a problem that an allowable adjustment error is reduced when the collimator is assembled. For example, when adjusting for an EO element having a thickness of 10 μm, which is equal to the beam diameter, even when the allowable assembly error is the same 1 μm, the thickness is 10 μm when adjusting for an EO element having a thickness of 100 μm. It is much more difficult to adjust the position of the EO element. Accordingly, as a fifth embodiment of the present invention, a configuration is provided in which the thickness of the EO element is increased so that the relative positional relationship between the optical fiber and the EO element in the collimator can be easily adjusted with high accuracy. An optical attenuator having sufficient attenuation characteristics even at a low voltage will be mentioned.
第5の実施例に係る光アッテネータの基本構成は、第2あるいは第3の実施例に係るアッテネータと同じである。しかし、コリメータに保持された光ファイバが一般的なSMFではなく、開口端側のモードフィールド径が拡大されたコア拡散ファイバ、所謂「TECファイバ」としている点に特徴を有している。なお、第5の実施例に係る光アッテネータの動作は第2あるいは第3の実施例に係る光アッテネータと同様である。以下に、第5の実施例に係る光アッテネータの具体的な構造や特性について説明する。 The basic configuration of the optical attenuator according to the fifth embodiment is the same as that of the attenuator according to the second or third embodiment. However, it is characterized in that the optical fiber held by the collimator is not a general SMF, but a so-called “TEC fiber” in which the mode field diameter on the opening end side is enlarged. The operation of the optical attenuator according to the fifth embodiment is the same as that of the optical attenuator according to the second or third embodiment. The specific structure and characteristics of the optical attenuator according to the fifth embodiment will be described below.
図13に第5の実施例に係る光アッテネータ5の構造と各部位のサイズを示した。図13(A)は当該光アッテネータ5を右方から見たときの側面図であり、(B)は光アッテネータ5の前方部分を拡大した図である。図13に示した光アッテネータ5は、上記第2の実施例に係る光アッテネータ2と同様の基本構成を備えている。しかし、光ファイバ(123a、123b)にTECファイバを用いている点が大きく異なっている。なお、TECファイバ(123a、123b)はその開口端(126a、126b)とその近傍のコアが拡散されているが、TECファイバ(123a、123b)自体は一般の光ファイバと同様に汎用のフェルールへの挿入が可能である。そして図13(B)では、説明を容易にするためにTECファイバ(123a、123b)の開口端(126a、126b)の形状を便宜上変えている。
FIG. 13 shows the structure of the optical attenuator 5 according to the fifth embodiment and the size of each part. FIG. 13A is a side view when the optical attenuator 5 is viewed from the right side, and FIG. 13B is an enlarged view of the front portion of the optical attenuator 5. The optical attenuator 5 shown in FIG. 13 has the same basic configuration as the
また、第5の実施例に係る光アッテネータ5では、第2の実施例の光アッテネータ2と特性を比較するために、EO素子110aのEO物質12の厚さdを当該第2の実施例に係る光アッテネータ2に用いたEO素子(10a、10b)に対して2倍以上の32μmとしている。さらにEO物質12を挟持する電極111は、EO素子(110a、110b)が上下あるいは左右対称となるようにスパッタ法によって形成したチタン薄膜として、EO素子(110a、110b)の全高hは実質的にEO物質12の厚さと同等となる。前後長LeoについてはEO素子110aの後端でケラレが発生しなければよく、駆動電圧に応じて適宜に設定すればよい。例えば、入力側ファイバ123aの開口端126aにおけるビームの径φ0がEO素子110aの後端でのビーム径φ1=2φ0となるときの長さLeoとすれば、当該Leoは、上記ビーム径φ0と入力光の波長λとEO物質12の屈折率nとを用いて以下の式1によって求めることができる。なお、EO物質12がKTNであれば、n=2.185である。入力光の波長λについては、光通信で用いられる光の波長λ=1550nmとすればよい。
Leo=πnφ0 2{(d/2φ0)2−1}1/2/λ・・・(式1)
Further, in the optical attenuator 5 according to the fifth embodiment, the thickness d of the
Leo = πnφ 0 2 {(d / 2φ 0 ) 2 −1} 1/2 / λ (Formula 1)
また、光アッテネータ5全体のサイズについて、前後方向の全長Lは、コリメートレンズ(22a、22b)の焦点距離fに依存し、入出力側のコリメートレンズ間(22a−22b)の距離D1は焦点距離fの2倍であり、入出力側の光ファイバ(123a、123b)の開口端間(126a−126b)の距離D2は焦点距離fの4倍となる。上下左右方向のサイズについては、光通信分野では光学部品をラックボードに実装してシステム化していることから、このラックボードへの実装を想定して設定している。具体的には、円筒状の筐体100の外径φ2を3.5mmとしている。そして第5の実施例に係る光アッテネータ5では、径φ2=3.5mmを有する筐体100にEO素子(110a、110b)を内蔵したコリメータ(20a、20b)を接続した構成となっている。またコリメータ(20a、20b)に内蔵されるコリメートレンズ(22a、22b)については、焦点距離fと径φ3、およびレンズの厚さを考慮した作動距離WDがコリメータ(20a、20b)内に収納可能な数値であればよい。さらに、コリメートレンズ(22a、22b)は光アッテネータ5を構成する他の部品よりも相対的に高価な部品でもあるので、安価に入手可能な市販の汎用非球面レンズを採用している。以下では、第5の実施例に係る光アッテネータ5の減衰特性について説明する。
The total length L of the optical attenuator 5 depends on the focal length f of the collimating lenses (22a, 22b), and the distance D1 between the collimating lenses on the input / output side (22a-22b) is the focal length. The distance D2 between the open ends (126a-126b) of the input / output side optical fibers (123a, 123b) is four times the focal length f. The size in the vertical and horizontal directions is set on the assumption that it is mounted on a rack board because optical components are systemized by mounting them on a rack board in the optical communication field. Specifically, the outer diameter phi 2 of the
<特性評価>
第5の実施例に係る光アッテネータ5の特性を評価するために、焦点距離fが異なる3種類の市販の非球面レンズのいずれかを用いて図13に示した光アッテネータ5(サンプルAとする)を3種類作製した。また、第2の実施例の光アッテネータ2の特性と比較するために、光ファイバをSMFとした以外は第5の実施例の光アッテネータ5と同じ構成の光アッテネータ(サンプルBとする)を同様に3種類のレンズのいずれかを用いて作製した。なお、EO素子(10a、10b、110a、110b)の前後長Leoについては、上記式1に従って設定し、当該式1におけるφ0は、サンプルAについてはφ0=15μmとし、サンプルBについてはφ0=5μmとした。
<Characteristic evaluation>
In order to evaluate the characteristics of the optical attenuator 5 according to the fifth embodiment, the optical attenuator 5 (sample A) shown in FIG. 13 is used by using any one of three types of commercially available aspherical lenses having different focal lengths f. ) Were produced. Further, in order to compare with the characteristics of the
以下の表1に上記3種類のレンズ1〜3の焦点距離fと作動距離WDを示した。
Table 1 below shows the focal length f and the working distance WD of the three types of
つぎに、表1に示したレンズ1〜3を用いて作製した3種類のサンプルAおよびサンプルBについて、EO素子(110a、110b)の電極間(111−111)に40.5Vの電圧を印加したときの結合損失を測定した。図14にサンプルAとサンプルBの結合損失を示した。この図14では、各サンプルについて使用した3種類のレンズに対応する焦点距離fを横軸として各サンプルの結合損失を示した。そしてこの図に示したように、SMFを用いたサンプルBでは、コリメートレンズの種類によらず、光通信用途では十分に実用的なオフ時の減衰率である30dBに達しなかった。因みにサンプルBと実質的に同じ構成の第2の実施例の光アッテネータ2では、EO素子(10a、10b)におけるEO物質12の厚さが15μmでサンプルBの1/2で、10Vで30dBの結合損失が得られている。
Next, a voltage of 40.5 V was applied between the electrodes (111-111) of the EO elements (110a, 110b) for the three types of samples A and B produced using the
一方、TEC(123a、123b)ファイバを用いたサンプルAでは、30dBの減衰率を遙かに超える50dBの結合損失が得られ、実用的には「過剰スペック」となった。そこで、サンプルAについて、EO素子(110a、110b)に印加する電圧を28Vとしたところ、図15に示したように、約30dBの結合損失となった。なお、この28Vで30dBの結合損失を得るためのEO素子(110a、110b)の前後長Leoは上記式1に従ってLeo=370μmとしている。
On the other hand, in the sample A using the TEC (123a, 123b) fiber, a coupling loss of 50 dB far exceeding the attenuation factor of 30 dB was obtained, which was practically “excess spec”. Therefore, for sample A, when the voltage applied to the EO elements (110a, 110b) was 28 V, a coupling loss of about 30 dB was obtained as shown in FIG. The longitudinal length Leo of the EO elements (110a, 110b) for obtaining a coupling loss of 30 dB at 28V is set to Leo = 370 μm according to the
このように、第5の実施例に係る光アッテネータ5では、TECファイバ(123a、123b)を用いることでNAを小さくすることができ、入力側ファイバ123aから出射したビームがEO物質12内を通過する際、その後端に至るまでビームが大きく拡がらず、EO素子(110a、110b)の厚さを薄くすることができる。そのためコリメートレンズ(22a、22b)の焦点距離f内であればEO素子(110a、110b)の前後長Leoをより長くすることができる。したがって、駆動電圧が同じであれば、ビームをより大きく偏向させることができる。
As described above, in the optical attenuator 5 according to the fifth embodiment, the NA can be reduced by using the TEC fiber (123a, 123b), and the beam emitted from the
一方、結合損失が同じであれば、駆動電圧を低くすることができ、EO素子(110a、110b)の全高hを厚くすることができる。そのため、光ファイバ(123a、123b)の中心とEO素子(110a、110b)との相対位置関係を調整する際の許容誤差が増え、例えば、光コネクタなどに用いられる汎用的なスリーブ内にEO素子(110a、110b)を高度な調整工程を経ずに組み込むことが可能となる。すなわち、市販されているスリーブ内にEO素子(110a、110b)を挿入するだけでEO素子内蔵型のコリメータ(20a、20b)を組み立てることができる。結果として、光アッテネータ5をさらに安価に提供することが可能となる。 On the other hand, if the coupling loss is the same, the drive voltage can be lowered, and the total height h of the EO elements (110a, 110b) can be increased. Therefore, an allowable error when adjusting the relative positional relationship between the center of the optical fiber (123a, 123b) and the EO element (110a, 110b) is increased. For example, the EO element is included in a general-purpose sleeve used for an optical connector or the like. (110a, 110b) can be incorporated without an advanced adjustment process. That is, the EO element built-in collimator (20a, 20b) can be assembled simply by inserting the EO element (110a, 110b) into a commercially available sleeve. As a result, the optical attenuator 5 can be provided at a lower cost.
なお、第5の実施例に係る光アッテネータ5で、上記表1に記載した焦点距離f=1.81mmのレンズ2を用いて作製したものは、筐体100の外径φ2が3.5mmで全長Lが10mmであり、極めた小型にすることができた。
Note that the optical attenuator 5 according to the fifth embodiment, which is manufactured using the
===応答速度と駆動について===
本発明の実施例に係る光アッテネータは光通信分野に適用することを想定している。そのため、例えば、光バーストに際して瞬間的に光アッテネータをオフにするような場合に対応した応答速度が求められる。そこで第5の実施例に係る光アッテネータ5の応答特性について評価してみた。応答特性はEO素子をRLC等価回路と見なして遅延時間を計算することで評価することができる。
=== Response speed and drive ===
The optical attenuator according to the embodiment of the present invention is assumed to be applied to the optical communication field. Therefore, for example, a response speed corresponding to a case where the optical attenuator is turned off instantaneously at the time of optical burst is required. Therefore, the response characteristics of the optical attenuator 5 according to the fifth embodiment were evaluated. The response characteristic can be evaluated by calculating the delay time by regarding the EO element as an RLC equivalent circuit.
まず、EO素子のキャパシタンスCは、電極の面積SとEO物質の厚さdとEO物質の誘電率εから
C=εS/d(=ε0εrS/d)・・・(式2)
の式で求めることができる。ここではEO素子(110a、110b)の左右幅Wは、EO物質12の厚さd(=32μm)としており、S=d×Leoとなり、C=εLeoとなる。なお、KTNの比誘電率εrは20000である。また前後長Leoは上述したように370μmとしている。
First, the capacitance C of the EO element, the area S and thickness of the EO material d and EO dielectric constant material ε C = εS / d (= ε 0 ε r S / d) of the electrode (Equation 2)
It can be calculated by the following formula. Here, the left-right width W of the EO elements (110a, 110b) is the thickness d (= 32 μm) of the
ここで、電極間(111−111)に上記式2により求めたキャパシタンスCを100%として、キャパシタンスが10%から90%になるまでの時間を応答時間tとすると、当該応答時間tは、電極111から端子を経て駆動装置に至る抵抗Rと上記キャパシタンスCを用いて、以下の式3
t=RC(In0.1−In0.9)・・・(式3)
によって求められる。そして、R=200Ωであったので、応答時間tはt=28.8nsとなる。なお、光通信における光バーストに対して必要とされる応答速度(応答時間)は1μs程度であるので、光通信用途において全く問題がないことが確認できた。
Here, assuming that the capacitance C obtained by the
t = RC (In0.1-In0.9) (Formula 3)
Sought by. Since R = 200Ω, the response time t is t = 28.8 ns. Since the response speed (response time) required for the optical burst in optical communication is about 1 μs, it has been confirmed that there is no problem in optical communication applications.
ところで、上記の応答時間はEO素子が空間電荷制限状態に制御されていることが前提となる。EO素子において電荷を担うキャリアは電子であるが、その電子の移動速度は遅く、電荷移動度としては3.3(cm2/v・s)程度である。したがって、上記応答時間で常時駆動させるためには、空間電荷制限状態を発現させてそれを維持し続けることが必要となる。具体的には、先に図1(C)に示したように、EO物質eo内に電子密度の高い領域e4が偏在しつつ、カソード電極Cd側からEO物質eoに順次供給された電子eがアノード電極Adに順次到達してEO物質eo内に電流が流れ続けている状態を維持することが必要である。 By the way, the above response time is premised on that the EO element is controlled in the space charge limited state. In the EO element, carriers that carry charge are electrons, but the movement speed of the electrons is slow, and the charge mobility is about 3.3 (cm 2 / v · s). Therefore, in order to always drive with the response time, it is necessary to develop and maintain the space charge limited state. Specifically, as shown in FIG. 1C, the region e4 having a high electron density is unevenly distributed in the EO material eo, and the electrons e sequentially supplied from the cathode electrode Cd side to the EO material eo It is necessary to maintain a state in which the anode electrode Ad is sequentially reached and current continues to flow in the EO material eo.
電流を流し続けるためには、例えば、低速な周波数(例えば40Hz)で掃引すればよい。その上で、所定の結合損失が得られる電圧を印加すればよい。そこで、上記各実施例に係る光アッテネータ1〜5の実用的な駆動方法として、空間電荷制御状態となる準位に電荷がトラップされた状態とする駆動方法(以下、トラップ電荷制御モード)を例示する。図16にトラップ電荷制御モードによるEO素子の駆動波形を示した。DCバイアスVdcに振幅(Vs−Vdc)の低周波(例えば40Hz)AC変調信号を重畳した駆動信号acとしている。例えば、図15に示した結合損失が得られるように第5の実施例に係る光アッテネータ5をラップ電荷制御モードにて駆動する場合では、Vdc=14VのDCバイアスを印加して振幅14Vの低周波信号をEO素子(110a、110b)の電極間(111−111)に印加する。それによってこの光アッテネータ5は最大電位差Vs=28Vで駆動されることになる。
In order to keep the current flowing, for example, the sweep may be performed at a low frequency (for example, 40 Hz). In addition, a voltage that provides a predetermined coupling loss may be applied. Therefore, as a practical driving method of the
この発明は、光ファイバ網を用いた光通信に適用することができる。 The present invention can be applied to optical communication using an optical fiber network.
1〜5 光アッテネータ、20,20a,20b 光ファイバコリメータ、
21,21a,21b フェルール 22,22a,22b コリメートレンズ、
23a、23b、123a、123b 光ファイバ、
26a、26b、126a、126b 光ファイバの開口端、
10,10a,10b,110a,110b 電気光学素子(EO素子)、
11,13,111,Ad,Cd 電極、
12,eo 電気光学物質(EO物質、EO層)、30 1/2波長板、
40 1/4波長板、50,50a,50b 光軸、60 反射板
1-5 optical attenuator, 20, 20a, 20b optical fiber collimator,
21, 21a,
23a, 23b, 123a, 123b optical fiber,
26a, 26b, 126a, 126b Optical fiber open ends,
10, 10a, 10b, 110a, 110b Electro-optical element (EO element),
11, 13, 111, Ad, Cd electrodes,
12, eo electro-optic material (EO material, EO layer), 30 1/2 wavelength plate,
40 1/4 wavelength plate, 50, 50a, 50b optical axis, 60 reflector
Claims (7)
前記光軸に直交する2方向をそれぞれ上下方向、左右方向として、
一体的なスリーブ内に前記第1の光ファイバが保持されているとともに、当該第1の光ファイバから出射される光を入射して平行光として出射する第1のコリメートレンズが収納されてなる第1の光ファイバコリメータと、
一体的なスリーブ内に前記第2の光ファイバが保持されているとともに、前記第1のコリメートレンズから出射された前記平行光を前記第2の光ファイバに結合させる第2のコリメートレンズが収納されてなる第2の光ファイバコリメータと、
電気光学効果を有する電気光学物質からなる立体の上下両面または左右両面に電極が対面して形成されてなる電気光学素子と、
を備え、
前記第1および第2の光ファイバコリメータの少なくとも一方に前記電気光学素子が内蔵され、
前記電気光学素子は、自身が内蔵されている光ファイバコリメータ内において、光ファイバの開口端からコリメートレンズ間の光路が前記電気光学物質内を通るように配置されているとともに、外部の駆動回路により前記対面する電極間に電圧が印加されると、前記電気光学物質内に空間電荷制限状態に伴う屈折率分布が発生し、当該電気光学物質に入射した光の光路を前記印加した電圧よって発生した電界の強度に応じた角度方向に偏向させることで、前記第2の光ファイバに入射する光の結合損失を変化させる、
ことを特徴とする光アッテネータ。 Using the front-rear direction as the optical axis, the intensity of the light emitted backward from the first optical fiber disposed on the front side along the optical axis is attenuated and emitted from the second optical fiber on the output side. An optical attenuator that
Two directions perpendicular to the optical axis are defined as a vertical direction and a horizontal direction, respectively.
The first optical fiber is held in an integral sleeve, and a first collimating lens that receives the light emitted from the first optical fiber and emits it as parallel light is housed. 1 optical fiber collimator;
The second optical fiber is held in an integral sleeve, and a second collimating lens that couples the parallel light emitted from the first collimating lens to the second optical fiber is housed. A second optical fiber collimator,
An electro-optic element formed by facing electrodes on both upper and lower surfaces or both right and left surfaces of a three-dimensional body made of an electro-optic material having an electro-optic effect;
With
The electro-optic element is incorporated in at least one of the first and second optical fiber collimators,
The electro-optic element is disposed in an optical fiber collimator in which the electro-optic element is incorporated so that an optical path between the opening end of the optical fiber and the collimating lens passes through the electro-optic material, and is driven by an external drive circuit. When a voltage is applied between the facing electrodes, a refractive index distribution associated with a space charge limited state is generated in the electro-optical material, and an optical path of light incident on the electro-optical material is generated by the applied voltage. By changing the coupling loss of light incident on the second optical fiber by deflecting it in an angular direction according to the intensity of the electric field;
An optical attenuator characterized by that.
前記電気光学素子は前記第1の光ファイバコリメータにのみ内蔵され、
前記第1の光ファイバは伝搬する光の偏波面の方向を維持する偏波保持光ファイバであって、当該第1の光ファイバを伝搬する光の偏波面の方向が前記上下あるいは左右法方向のいずれかに一致する、
ことを特徴とする光アッテネータ。 In Claim 1, said 1st optical fiber collimator and said 2nd optical fiber collimator are arranged in series back and forth so that both collimating lenses may face,
The electro-optic element is incorporated only in the first optical fiber collimator,
The first optical fiber is a polarization maintaining optical fiber that maintains the direction of the polarization plane of the propagating light, and the direction of the polarization plane of the light propagating through the first optical fiber is the vertical or horizontal normal direction. Matches either
An optical attenuator characterized by that.
前記電気光学素子は前記第1および第2の光ファイバコリメータの双方に内蔵されているとともに、前記第1の光ファイバコリメータに内蔵されている電気光学素子の電極の対面方向と、前記第2の光ファイバコリメータに内蔵されている電気光学素子の電極の対面方向が互いに直交している、
ことを特徴とする光アッテネータ。 In Claim 1, said 1st optical fiber collimator and said 2nd optical fiber collimator are arranged in series back and forth so that both collimating lenses may face,
The electro-optic element is built in both the first and second optical fiber collimators, the facing direction of the electrodes of the electro-optic element built in the first optical fiber collimator, and the second optical fiber collimator The facing directions of the electrodes of the electro-optic element built in the optical fiber collimator are orthogonal to each other,
An optical attenuator characterized by that.
前記電気光学素子は前記第1および第2の光ファイバコリメータの双方に内蔵されているとともに、前記第1の光ファイバコリメータに内蔵されている電気光学素子の電極の対面方向と、前記第2の光ファイバコリメータに内蔵されている電気光学素子の電極の対面方向が互いに平行であり、
前記第1の光ファイバコリメータと前記第2の光ファイバコリメータ間に1/2波長板が挿入されているとともに、当該1/2波長板は、光学軸が上下左右方向に対して45゜傾いた方向となるように配置されている、
ことを特徴とする光アッテネータ。 In Claim 1, said 1st optical fiber collimator and said 2nd optical fiber collimator are arranged in series back and forth so that both collimating lenses may face,
The electro-optic element is built in both the first and second optical fiber collimators, the facing direction of the electrodes of the electro-optic element built in the first optical fiber collimator, and the second optical fiber collimator The facing directions of the electrodes of the electro-optic element incorporated in the optical fiber collimator are parallel to each other,
A half-wave plate is inserted between the first optical fiber collimator and the second optical fiber collimator, and the optical axis of the half-wave plate is inclined 45 ° with respect to the vertical and horizontal directions. Arranged in a direction,
An optical attenuator characterized by that.
前記電気光学素子は、上下方向に対面するように電極が形成され、
前記コリメートレンズの後方に1/4波長板と反射板とがこの順に配置されて、
前記1/4波長板は、光学軸が上下左右方向に対して45゜傾いた方向となるように配置され、
前記反射板は、前記第1と第2の光ファイバの開口端間の中点から後方に向かう直線との交点から左右方向に向かって徐々に厚くなるように傾斜角が同じ二つの鏡面を有して、一方の鏡面に第1の光ファイバの開口端から後方に向かう光が入射した際に、第2の光ファイバの開口端に向かう前方に進行する光として一方の斜面を経て前方に反射させる、
ことを特徴とする光アッテネータ。 2. The first optical fiber collimator according to claim 1, wherein the second optical fiber collimator also serves as the first optical fiber collimator, and the first optical fiber and the second optical fiber are parallel to the optical fiber collimator in the left-right direction. The formed two-core optical fiber cable is held,
The electro-optic element has electrodes formed so as to face in the vertical direction,
A quarter-wave plate and a reflector are arranged in this order behind the collimating lens,
The quarter-wave plate is disposed such that the optical axis is inclined by 45 ° with respect to the vertical and horizontal directions,
The reflector has two mirror surfaces with the same inclination angle so as to gradually become thicker in the left-right direction from the intersection with the straight line extending backward from the midpoint between the open ends of the first and second optical fibers. Then, when light traveling backward from the opening end of the first optical fiber is incident on one mirror surface, the light traveling forward toward the opening end of the second optical fiber is reflected forward through one slope. Let
An optical attenuator characterized by that.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013134231A JP2015011075A (en) | 2013-06-26 | 2013-06-26 | Optical attenuator |
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ID=52304319
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2018112625A (en) * | 2017-01-10 | 2018-07-19 | 日本電信電話株式会社 | Two-dimensional light deflector |
JP2018151514A (en) * | 2017-03-13 | 2018-09-27 | サンテック株式会社 | Light power attenuator |
-
2013
- 2013-06-26 JP JP2013134231A patent/JP2015011075A/en active Pending
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JP2018112625A (en) * | 2017-01-10 | 2018-07-19 | 日本電信電話株式会社 | Two-dimensional light deflector |
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