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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023166222
(43)【公開日】2023-11-21
(54)【発明の名称】光アイソレータ
(51)【国際特許分類】
G02B 27/28 20060101AFI20231114BHJP
【ＦＩ】
G02B27/28 A
【審査請求】未請求
【請求項の数】3
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022077129
(22)【出願日】2022-05-09
(71)【出願人】
【識別番号】000002060
【氏名又は名称】信越化学工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100102532
【弁理士】
【氏名又は名称】好宮 幹夫
(74)【代理人】
【識別番号】100194881
【弁理士】
【氏名又は名称】小林 俊弘
(74)【代理人】
【識別番号】100215142
【弁理士】
【氏名又は名称】大塚 徹
(72)【発明者】
【氏名】渡辺 聡明
【テーマコード（参考）】
2H199
【Ｆターム（参考）】
2H199AA02
2H199AA09
2H199AA13
2H199AA24
2H199AA90
(57)【要約】
【課題】
高い光遮断性能を有する光アイソレータを提供することを目的とする。
【解決手段】
光の進行方向に、少なくとも第１偏光子、第１ファラデー回転子、第２偏光子、第３偏光子、第２ファラデー回転子、第４偏光子がこの順に配置された光学素子と、前記第１ファラデー回転子及び前記第２ファラデー回転子に磁場を印加する永久磁石を備えた多段型の光アイソレータであって、前記第２偏光子の透過偏光軸と前記第３偏光子の透過偏光軸の相対角度が０．１度以上である光アイソレータ。
【選択図】図１
高い光遮断性能を有する光アイソレータを提供することを目的とする。
【解決手段】
光の進行方向に、少なくとも第１偏光子、第１ファラデー回転子、第２偏光子、第３偏光子、第２ファラデー回転子、第４偏光子がこの順に配置された光学素子と、前記第１ファラデー回転子及び前記第２ファラデー回転子に磁場を印加する永久磁石を備えた多段型の光アイソレータであって、前記第２偏光子の透過偏光軸と前記第３偏光子の透過偏光軸の相対角度が０．１度以上である光アイソレータ。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
光の進行方向に、少なくとも第１偏光子、第１ファラデー回転子、第２偏光子、第３偏光子、第２ファラデー回転子、第４偏光子がこの順に配置された光学素子と、前記第１ファラデー回転子及び前記第２ファラデー回転子に磁場を印加する永久磁石を備えた多段型の光アイソレータであって、
前記第２偏光子の透過偏光軸と前記第３偏光子の透過偏光軸の相対角度が０．１度以上であることを特徴とする光アイソレータ。
前記第２偏光子の透過偏光軸と前記第３偏光子の透過偏光軸の相対角度が０．１度以上であることを特徴とする光アイソレータ。
【請求項2】
前記第１偏光子と前記第１ファラデー回転子と前記第２偏光子が一体化されたものであり、かつ、前記第３偏光子と前記第２ファラデー回転子と前記第４偏光子が一体化されたものであることを特徴とする請求項１に記載の光アイソレータ。
【請求項3】
前記第２偏光子及び前記第３偏光子は平板型偏光子であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光アイソレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、光アイソレータに関する。
【背景技術】
【0002】
光計測などで、レーザから出た光が、伝送路途中に設けられた部材表面からの反射光としてレーザ光源に戻ってくると、レーザ発振が不安定になる。この反射戻り光を遮断するために、偏光面を非相反で回転させるファラデー回転子を用いた光アイソレータが用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開平２－２７２４１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
光通信や光計測では、高速通信や高精度実現のために、より波長半値幅の狭いレーザーダイオード（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ：ＬＤ）光が用いられる。また長距離伝送のために、ＬＤチップの光出力向上や、外部増幅器（半導体光増幅器：ＳＯＡ）と組み合わせて用いられる機会が増えている。波長半値幅の狭い光では外部反射光による干渉の影響が大きくなる。光出力向上では外部反射光で戻る光の強度は相対的に強く（大きく）なる。このため、より光遮断性能の高い光アイソレータが求められている。
【0005】
１．５段構造（偏光子３個、ファラデー回転子２個。１．５段型ともいう。）の光アイソレータでは、１段構造（偏光子２個、ファラデー回転子１個。１段型ともいう。）の光アイソレータより高い光遮断性能が得られるが、遮断性能は中央部に用いる偏光子の消光性能に依存していた。また単純に２段構造（偏光子４個、ファラデー回転子２個。２段型ともいう。）の光アイソレータでは、磁束方向やファラデー回転子の回転方向や、その温度依存性等を検討するのみで（例えば、特許文献１）、光遮断性能を向上させる試みがなされていない。
【0006】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、高い光遮断性能を有する光アイソレータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明は、上記目的を達成するためになされたものであり、光の進行方向に、少なくとも第１偏光子、第１ファラデー回転子、第２偏光子、第３偏光子、第２ファラデー回転子、第４偏光子がこの順に配置された光学素子と、前記第１ファラデー回転子及び前記第２ファラデー回転子に磁場を印加する永久磁石を備えた多段型の光アイソレータであって、前記第２偏光子の透過偏光軸と前記第３偏光子の透過偏光軸の相対角度が０．１度以上である光アイソレータを提供する。
【0008】
このような光アイソレータによれば、高い光遮断性能を有する光アイソレータとなる。
【0009】
このとき、前記第１偏光子と前記第１ファラデー回転子と前記第２偏光子が一体化されたものであり、かつ、前記第３偏光子と前記第２ファラデー回転子と前記第４偏光子が一体化されたものとすることができる。
【0010】
これにより、小型化された光アイソレータとなる。
【0011】
このとき、前記第２偏光子及び前記第３偏光子は平板型偏光子である光アイソレータとすることができる。
【0012】
これにより、相対角度の設定をより安定して行うことができるものとなる。
【発明の効果】
【0013】
以上のように、本発明の光アイソレータによれば、高い光遮断性能を有する光アイソレータを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】２段型の光アイソレータの一例を示す。
【図2】２段型の光アイソレータの他の例を示す。
【図3】第２、第３偏光子の透過偏光軸の相対角度θを説明する図面である。
【図4】第２、第３偏光子の透過偏光軸の相対角度θと光アイソレータの逆方向挿入損失の関係を示す。
【図5】第２、第３偏光子の透過偏光軸の相対角度θと光アイソレータの逆方向挿入損失の関係（拡大図）を示す。
【図6】実施例１の２段型の光アイソレータにおける逆方向挿入損失の波長依存性の評価結果を示す。
【図7】第２、第３の偏光子の透過偏光軸の相対角度θと、順方向の挿入損失の関係を示す。
【図8】２段型の光アイソレータの逆方向挿入損失及び第２、第３の偏光子の消光性能の波長依存性の一例を示す。
【発明を実施するための形態】
【0015】
以下、本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【0016】
上述のように、高い光遮断性能を有する光アイソレータが求められていた。
【0017】
本発明者らは、上記課題について鋭意検討を重ねた結果、光の進行方向に、少なくとも第１偏光子、第１ファラデー回転子、第２偏光子、第３偏光子、第２ファラデー回転子、第４偏光子がこの順に配置された光学素子と、前記第１ファラデー回転子及び前記第２ファラデー回転子に磁場を印加する永久磁石を備えた多段型の光アイソレータであって、前記第２偏光子の透過偏光軸と前記第３偏光子の透過偏光軸の相対角度が０．１度以上である光アイソレータにより、高い光遮断性能を有する光アイソレータとなることを見出し、本発明を完成した。
【0018】
以下、図面を参照して説明する。
【0019】
［光アイソレータ］
まず、多段型構造の光アイソレータについて説明する。図１に一例として、２段型の光アイソレータ１００Ａの例を示す。図１に示されるように、２段型の光アイソレータ１００Ａは、偏光子４個とファラデー回転子２個を用い、順方向（光の進行方向）において、第１偏光子１、第１ファラデー回転子１３、第２偏光子２、第３偏光子３、第２ファラデー回転子１４、第４偏光子４がこの順に配置された光学素子１０と、第１ファラデー回転子１３に磁場を印加する永久磁石１１、第２ファラデー回転子１４に磁場を印加する永久磁石１２を備えたものである。図１には、光学素子１０の第１段目（第１偏光子１、第１ファラデー回転子１３、第２偏光子２）及び永久磁石１１と、光学素子１０の第２段目（第３偏光子３、第２ファラデー回転子１４、第４偏光子４）及び永久磁石１２とが別体として配置されている例を示している。
まず、多段型構造の光アイソレータについて説明する。図１に一例として、２段型の光アイソレータ１００Ａの例を示す。図１に示されるように、２段型の光アイソレータ１００Ａは、偏光子４個とファラデー回転子２個を用い、順方向（光の進行方向）において、第１偏光子１、第１ファラデー回転子１３、第２偏光子２、第３偏光子３、第２ファラデー回転子１４、第４偏光子４がこの順に配置された光学素子１０と、第１ファラデー回転子１３に磁場を印加する永久磁石１１、第２ファラデー回転子１４に磁場を印加する永久磁石１２を備えたものである。図１には、光学素子１０の第１段目（第１偏光子１、第１ファラデー回転子１３、第２偏光子２）及び永久磁石１１と、光学素子１０の第２段目（第３偏光子３、第２ファラデー回転子１４、第４偏光子４）及び永久磁石１２とが別体として配置されている例を示している。
【0020】
また、複数段を一体化した多段型の光アイソレータとすることも好ましい。例えば、図１に記載の１段目と２段目とを一体化して、図２に示すような一体型の２段型光アイソレータ１００Ｂとすることができる。この場合、第１ファラデー回転子１３と第２ファラデー回転子１４に磁場を印加する永久磁石として一つの永久磁石１５を備えるものとすることができる。このような光アイソレータでは第２偏光子と第３偏光子間の空隙を無くすことで小型化されたものとすることができる。
【0021】
第１偏光子、第１ファラデー回転子、第２偏光子、第３偏光子、第２ファラデー回転子、第４偏光子、永久磁石のそれぞれについては、公知のものを適宜採用することができる。例えば、ファラデー回転子としては、（ＴｂＥｕＢｉ）３（ＦｅＧａ）５Ｏ１２や（ＧｄＢｉ）３（ＦｅＧａ）５Ｏ１２を用いることが好ましい。また、上記説明では２段型の光アイソレータの例を挙げたが、２段より多段の多段型光アイソレータとすることも可能である。
【0022】
本発明に係る多段型の光アイソレータは、第２偏光子２の透過偏光軸と第３偏光子３の透過偏光軸の相対角度θが０．１度以上とされたものである。例えば図３に示すように、第２偏光子２と第３偏光子３とを、平行としたまま相対的に回転させることで、第２偏光子２の透過偏光軸５と第３偏光子３の透過偏光軸６の相対角度θを調整できる。このように、光学素子１０の中央部に位置し隣り合う第２、第３偏光子の透過偏光軸の相対角度θを０．０度（°）からずらし、透過偏光軸の相対角度θを０．１度（°）以上とすることで、第２、第３偏光子の消光性能値に制限されることなく、高い逆方向挿入損失を得ることができる。
【0023】
第２偏光子及び第３偏光子は、平板型偏光子とすることが好ましい。このような第２偏光子及び第３偏光子であれば、透過偏光軸の相対角度θの設定をより安定して行うことができる光アイソレータとなる。
【0024】
図８に、２段型の光アイソレータの逆方向挿入損失及び第２、第３の偏光子の消光性能の波長依存性の一例を示した。使用する偏光子の消光性能が無限大に大きいと仮定した場合、用いるファラデー回転子のファラデー回転角度波長依存から計算した光アイソレータの逆方向挿入損失は、図８の一点鎖線で示すようになる。実際には偏光子の消光性能は有限であり、第２、第３偏光子の消光性能は光波長に対して点線で示すような特性である。第２、第３偏光子の透過偏光軸の相対角度θを０．０度（°）とした場合の２段型の光アイソレータの逆方向挿入損失の実測値を、図８中の実線で示す。図８中の実線で示されるように、２つ（２段）のアイソレータを挿入して得られる逆方向挿入損失の値は、第２、第３偏光子の消光性能近傍の数値となっており、中間に配置する偏光子の消光性能に依存、制限されることを示している。
【0025】
本発明者は、第２、第３偏光子の透過偏光軸の相対角度θを０．０度（°）から徐々に拡大していくと、偏光子の消光性能と離れ、光アイソレータの逆方向挿入損失が大きな値を示すようになることを見出した。図４、図５に、第２、第３偏光子の透過偏光軸の相対角度θと光アイソレータの逆方向挿入損失の関係を示す。比較のために偏光子の消光性能（点線）も示してある。なお、図４は相対角度θが０～１４度（°）の範囲、図５は相対角度θが０～２度（°）の部分を拡大した図である。図４，５に示すように、第２、第３偏光子の透過偏光軸の相対角度θを０．０度（°）から徐々に拡大していくと、光アイソレータの逆方向挿入損失は偏光子の消光性能から離れ、大きな値を示すようになる。透過偏光軸の相対角度を付けることで、各々の偏光子が独立した機能を有するように作用すると考えられる。
【0026】
第２、第３偏光子の透過偏光軸の相対角度θが０．０度（°）のときは、第２、第３偏光子が一体化して機能し、結果として１．５段型の光アイソレータ（偏光子３個、ファラデー回転子２個）と同じ挙動を示し、偏光子の性能により強く依存していたと考えられる。
【0027】
一方、図７に示すように、第２、第３の偏光子の透過偏光軸の相対角度θを大きくすると、光アイソレータの順方向挿入損失は、透過偏光軸の相対角度θが０．０度（°）のときの０．１８ｄＢから、徐々に増大することが確認された。本発明に係る光アイソレータにおいて、第２、第３の偏光子の透過偏光軸の相対角度θの上限値は特に限定されないが、順方向挿入損失は小さい値が要求される観点から、透過偏光軸の相対角度θの上限値は、例えば、１０．０度（°）以下、好ましくは５．０度（°）以下、より好ましくは１．０度（°）以下とすることができる。
【実施例0028】
以下、実施例を挙げて本発明について具体的に説明するが、これは本発明を限定するものではない。
【0029】
図１に示すような２段型の光アイソレータを作製した。偏光子としては、Ａｇ粒子を分散配向させた平板型ガラス偏光子（Ｃｏｒｎｉｎｇ社：Ｐｏｌａｒｃｏｒ）を用いた。また、ファラデー回転子は（ＴｂＥｕＢｉ）３（ＦｅＧａ）５Ｏ１２を用いた。
【0030】
第１及び第２偏光子として、光の入射面および出射面に相当する偏光ガラス表面（１１ｍｍ□、厚さ０．２ｍｍ、消光性能５２ｄＢ）に１５５０ｎｍの対空気ＡＲコートを施した。１５５０ｎｍにおける４５．０度ファラデー回転子（１１ｍｍ□厚さ０．５４ｍｍ）には、対エポキシコートを両面に施し、エポキシ接着剤を介して、偏光ガラスのＡＲコート無し面と貼り合せ、第１及び第２偏光子の透過偏光軸の相対角度が４５．０度になるように接合固定した。その後、２ｍｍ□に切断加工し、永久磁石（外径φ５．０ｍｍ×内径φ２．９ｍｍ×長さ１．２ｍｍ）中に挿入し接合固定した。これを２段型の光アイソレータの第１段目とし、第２段目の第３偏光子、第４偏光子、第２ファラデー回転子、永久磁石も第１段目と同様の材料、工程で作製した。
【0031】
（比較例）
第２、第３偏光子の透過偏光軸の相対角度θを０．０度（°）とした。このときは、図８中の実線で示されるように、２つのアイソレータを挿入して得られる逆方向挿入損失の値は、第２、第３偏光子の消光性能近傍の数値となった。前述したように、逆方向挿入損失は中間に配置する偏光子の消光性能に依存することを示している。第２、第３偏光子が一体化して機能し、結果として１．５段型の光アイソレータ（偏光子３個、ファラデー回転子２個）と同じ挙動を示し、偏光子の性能により強く依存していたと考えられる。
第２、第３偏光子の透過偏光軸の相対角度θを０．０度（°）とした。このときは、図８中の実線で示されるように、２つのアイソレータを挿入して得られる逆方向挿入損失の値は、第２、第３偏光子の消光性能近傍の数値となった。前述したように、逆方向挿入損失は中間に配置する偏光子の消光性能に依存することを示している。第２、第３偏光子が一体化して機能し、結果として１．５段型の光アイソレータ（偏光子３個、ファラデー回転子２個）と同じ挙動を示し、偏光子の性能により強く依存していたと考えられる。
【0032】
（実施例１）
第２、第３偏光子の透過偏光軸の相対角度θを０．３度（°）に固定して、逆方向挿入損失の波長依存性の評価を行った。結果を図６に示す。図６中、実線は実施例１における逆方向挿入損失の波長依存性の実測値を示す。なお、一点鎖線及び点線は図４と同じである。実施例１における逆方向挿入損失の波長依存性の実測値は、図８の実線と異なり、評価波長域全般においてより高い数値を示し、一点鎖線で示すファラデー回転子のファラデー回転角度波長依存性計算値に近い挙動を示した。この観点からも、偏光子の消光性能依存性に比べて、より高い逆方向挿入損失が実現できたと考えられる。
第２、第３偏光子の透過偏光軸の相対角度θを０．３度（°）に固定して、逆方向挿入損失の波長依存性の評価を行った。結果を図６に示す。図６中、実線は実施例１における逆方向挿入損失の波長依存性の実測値を示す。なお、一点鎖線及び点線は図４と同じである。実施例１における逆方向挿入損失の波長依存性の実測値は、図８の実線と異なり、評価波長域全般においてより高い数値を示し、一点鎖線で示すファラデー回転子のファラデー回転角度波長依存性計算値に近い挙動を示した。この観点からも、偏光子の消光性能依存性に比べて、より高い逆方向挿入損失が実現できたと考えられる。
【0033】
（実施例２）
図２に示すような一体型の２段型光アイソレータを作製した。偏光子として用いた１５ｍｍ□、厚さ０．１２ｍｍの偏光ガラス（消光性能５２ｄＢ）において、第１、第４偏光ガラス表面には１５５０ｎｍの対空気ＡＲコートを施した。１５ｍｍ□の第１、第２ファラデー回転子として用いた１５５０ｎｍにおける４５．０度ファラデー回転子（厚さ０．４１ｍｍ）には、対エポキシコートを両面に施し、エポキシ接着剤を介して、偏光ガラスのＡＲコート無し面と貼り合せ、第１、第２偏光子及び第３、第４偏光子は、それぞれ相対角度が４５．０度になるように接合固定した。その後、第２、第３偏光子の透過偏光軸の相対角度θを０．５度として接合固定し、一体化した２段型の光アイソレータ板を作製した。その後、０．８ｍｍ□に切断加工し、永久磁石中（外径φ３．０×内径φ１．２ｍｍ×長さ１．６ｍｍ）に挿入し接合固定した。波長１５５０ｎｍの光において、順方向挿入損失０．２０ｄＢ、逆方向挿入損失が７３ｄＢと高い光遮断性能を有する光アイソレータを作製できた。
図２に示すような一体型の２段型光アイソレータを作製した。偏光子として用いた１５ｍｍ□、厚さ０．１２ｍｍの偏光ガラス（消光性能５２ｄＢ）において、第１、第４偏光ガラス表面には１５５０ｎｍの対空気ＡＲコートを施した。１５ｍｍ□の第１、第２ファラデー回転子として用いた１５５０ｎｍにおける４５．０度ファラデー回転子（厚さ０．４１ｍｍ）には、対エポキシコートを両面に施し、エポキシ接着剤を介して、偏光ガラスのＡＲコート無し面と貼り合せ、第１、第２偏光子及び第３、第４偏光子は、それぞれ相対角度が４５．０度になるように接合固定した。その後、第２、第３偏光子の透過偏光軸の相対角度θを０．５度として接合固定し、一体化した２段型の光アイソレータ板を作製した。その後、０．８ｍｍ□に切断加工し、永久磁石中（外径φ３．０×内径φ１．２ｍｍ×長さ１．６ｍｍ）に挿入し接合固定した。波長１５５０ｎｍの光において、順方向挿入損失０．２０ｄＢ、逆方向挿入損失が７３ｄＢと高い光遮断性能を有する光アイソレータを作製できた。
【0034】
以上のとおり、本発明の実施例によれば、高い光遮断性能を有する光アイソレータを得ることができた。
【0035】
本明細書は、以下の態様を包含する。
［１］：光の進行方向に、少なくとも第１偏光子、第１ファラデー回転子、第２偏光子、第３偏光子、第２ファラデー回転子、第４偏光子がこの順に配置された光学素子と、前記第１ファラデー回転子及び前記第２ファラデー回転子に磁場を印加する永久磁石を備えた多段型の光アイソレータであって、前記第２偏光子の透過偏光軸と前記第３偏光子の透過偏光軸の相対角度が０．１度以上である光アイソレータ。
［２］：前記第１偏光子と前記第１ファラデー回転子と前記第２偏光子が一体化されたものであり、かつ、前記第３偏光子と前記第２ファラデー回転子と前記第４偏光子が一体化されたものである上記［１］の光アイソレータ。
［３］：前記第２偏光子及び前記第３偏光子は平板型偏光子である上記［１］又は上記［２］の光アイソレータ。
［１］：光の進行方向に、少なくとも第１偏光子、第１ファラデー回転子、第２偏光子、第３偏光子、第２ファラデー回転子、第４偏光子がこの順に配置された光学素子と、前記第１ファラデー回転子及び前記第２ファラデー回転子に磁場を印加する永久磁石を備えた多段型の光アイソレータであって、前記第２偏光子の透過偏光軸と前記第３偏光子の透過偏光軸の相対角度が０．１度以上である光アイソレータ。
［２］：前記第１偏光子と前記第１ファラデー回転子と前記第２偏光子が一体化されたものであり、かつ、前記第３偏光子と前記第２ファラデー回転子と前記第４偏光子が一体化されたものである上記［１］の光アイソレータ。
［３］：前記第２偏光子及び前記第３偏光子は平板型偏光子である上記［１］又は上記［２］の光アイソレータ。
【0036】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【符号の説明】
【0037】
１…第１偏光子、 ２…第２偏光子、 ３…第３偏光子、 ４…第４偏光子、
５…第２偏光子の透過偏光軸、６…第３偏光子の透過偏光軸、 １０…光学素子、
１１，１２…永久磁石、 １３…第１ファラデー回転子、
１４…第２ファラデー回転子、１５…永久磁石、
１００Ａ、１００Ｂ…光アイソレータ。
５…第２偏光子の透過偏光軸、６…第３偏光子の透過偏光軸、 １０…光学素子、
１１，１２…永久磁石、 １３…第１ファラデー回転子、
１４…第２ファラデー回転子、１５…永久磁石、
１００Ａ、１００Ｂ…光アイソレータ。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】