HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
-
Diese Erfindung bezieht sich auf einen optischen
Isolator unabhängig von einer Richtung der Polarisation
und insbesondere auf einen von der Polarisation
unabhängigen optischen Isolator, welcher unabhängig von
der Richtung der Polarisation ist und dessen Montage
und Ausrichtung leicht durchzuführen sind.
Beschreibung des Standes der Technik
-
Ein Halbleiter-Laser ist sehr allgemein als eine
kohärente Lichtquelle für ein angewendetes optisches
Instrument, Lichtkommunikationsausrüstung oder
dergleichen. Jedoch hat der Halbleiter-Laser ein
schwerwiegendes Problem oder Nachteil dahingehend, daß,
wenn ein von dem Halbleiter-Laser ausgesandtes
kohärentes Licht zu einem optischen System gerichtet ist,
wie zu einer Endfläche eines Verbinders, das
kohärente Licht zurück zu der Halbleiter-Laser-Lichtquelle
reflektiert wird, was bewirkt, daß die
Laserschwingung instabil wird.
-
Um die bei dem Halbleiter-Laser auftretenden Probleme
zu beseitigen, wurde ein optischer Isolator auf einer
Ausgangsseite des Halbleiter-Lasers vorgesehen (in
dieser Beschreibung wird angenommen, daß sich die
Ausgangsseite der Laserquelle immer auf der linken
Seite in den Zeichnungen befindet), und es wurde
verhindert, daß ein reflektiertes Laserlicht zu der
Halbleiter-Laser-Lichtquelle zurückkehrt, indem
optische Pfade in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung
zweckmäßig innerhalb des optischen Isolators gestaltet und
angeordnet wurden.
-
Der optische Isolator nach dem Stand der Technik ist
vorgesehen durch ein optisches System enthaltend ein
magneto-optisches Element zum Trennen eines
reflektierten Laserlichts (gezeigt durch einen Lichtstrahl
"b", der sich in den Zeichnungen von rechts nach
links ausbreitet) von einem Laserlicht in
Vorwärtsrichtung, das von der Halbleiter-Laser-Lichtquelle
ausgesandt wurde (gezeigt durch einen Lichtstrahl
"a", der sich von links nach rechts ausbreitet) auf
der Grundlage des Faradaschen Rotationseffekts.
-
Im allgemeinen enthält der optische Isolator nach dem
Stand der Technik ein magneto-optisches Element 3
(ein Faradasches Rotationselement), das an der
Innenseite eines Permanentmagneten 4 angeordnet ist,
welcher sich zwischen einem Polarisator 1 und einem
Analysator 2 befindet, wie in Fig. 1 gezeigt ist, zum
Unterbrechen des reflektierten Laserlichts oder
zurückkehrenden Laserlichts, das zu der
Halbleiter-Laser-Lichtquelle zurückkehrt.
-
Genauer gesagt, in Fig. 1 geht das Laserlicht "a",
das von der Halbleiter-Laser-Lichtquelle in
Vorwärtsrichtung ausgesandt ist, durch das magneto-optische
Element 3 hindurch, nachdem es in dem Polarisator 1
in ein linear polarisiertes Laserlicht umgewandelt
wurde, das eine Schwingungsebene in einer vertikalen
Richtung hat. Eine Polarisationsebene des auf das
magneto-optische Element 3 auftreffenden Laserlichts
wird im Uhrzeigersinn um einen Betrag von 45º
gedreht, wenn es von der Seite der Halbleiter-Laser-
Lichtquelle aus betrachtet wird, wohingegen die
Richtung der Drehung der Polarisationsebene von einer
Richtung der magnetischen Kraft des Perinanentmagneten
und/oder einem Material des magneto-optischen
Elements abhängen kann.
-
Zur Vereinfachung und Klarstellung der Beschreibung
wird für die Richtung der Polarisationsdrehung
angenommen, daß, wenn sie von der Seite der Halbleiter-
Laser-Lichtquelle aus betrachtet wird, eine
Rechtsdrehung immer als eine Drehung im Uhrzeigersinn
bezeichnet wird, während eine Linksdrehung als eine
Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn bezeichnet wird,
sofern dies nachfolgend nicht anders bestimmt ist.
-
Der Analysator 2 ist senkrecht zu einer
Polarisationsebene angeordnet, deren
Polarisationswellen-Abschneidrichtung im Uhrzeigersinn um 45º gedreht ist.
Demgemäß kann eine polarisierte Komponente des
gewöhnlichen Lichts "a" mit einer Polarisationsebene in
einer vertikalen Richtung, das von der Halbleiter-
Laser-Lichtquelle ausgesandt wurde, durch alle
optischen
Elemente wie den Polarisator 1, das
magnetooptische Element 3 und den Analysator 2 hindurchgehen
ohne irgendeinen Verlust mit Ausnahme einer geringen
Absorption und Fresnel-Reflexion.
-
Andererseits tritt das Laserlicht "b" in
Rückwärtsrichtung oder das reflektierte Laserlicht
"reflektiertes zurückkehrendes Licht) bei der Rückkehr zu
der Halbleiter-Laser-Lichtquelle in das
magneto-optische Element 3 ein, nachdem es durch den Analysator 2
hindurchgegangen ist. Eine Polarisationsebene des
reflektierten Laserlichts "b" in Rückwärtsrichtung,
das auf das magneto-optische Element 3 auftrifft,
wird ihrerseits um 45º in derselben Weise wie bei der
Drehung des Laserlichts "a" in Vorwärtsrichtung
gedreht.
-
Da die Drehung der Polarisationsebene des
reflektierten Laserlichts "b" in Rückwärtsrichtung auch in
derselben Richtung wie die des Laserlichts "a" in
Vorwärtsrichtung ungeachtet der Richtung der Ausbreitung
aufgrund eines besonderen Merkmals des
magneto-optischen Elements oder des nichtreziproken Effekts
durchgeführt wird, wird die Polarisationsebene des
Laserlichts "b" am magneto-optischen Element 3 wieder
im Uhrzeigersinn um 45º gedreht. Daher hat die
Polarisationsrichtung des reflektierten Laserlichts "b"
in Rückwärtsrichtung, nachdem es durch das
magnetooptische Element 3 hindurchgegangen ist, einen Winkel
von insgesamt 90º in bezug auf die
polarisationsrichtung des Laserlichts "a" in Vorwärtsrichtung.
-
Auf diese Weise ist das reflektierte Laserlicht "b"
in Rückwärtsrichtung, das durch das magneto-optische
Element 3 hindurchgegangen ist, oder das zu der
Halbleiter-Laser-Lichtquelle reflektierte Licht
(reflektiertes zurückkehrendes Licht) nicht in der Lage,
durch den Polarisator 1 hindurchzugehen, und wird
durch den Polarisator 1 daran gehindert, zu der
Halbleiter-Laser-Lichtquelle zurückzukehren.
-
Ein optischer Isolator hat grundsätzlich die
Funktion, ein von der Seite der
Halbleiter-Laser-Lichtquelle (linke Seite) auftreffendes Licht
hindurchzulassen (zum Beispiel ein Ausgangs-Laserlicht, während
er ein von der entgegengesetzten Seite (rechte Seite)
auftreffendes Licht unterbricht, zum Beispiel ein
reflektiertes Laserlicht in Rückwärtsrichtung.
-
Die vorhergehende Beschreibung bezüglich der Funktion
des optischen Isolators ist auf einen solchen
gerichtet, der einen dichroitischen Polarisator sowohl im
Polarisator 1 als auch im Analysator 2 verwendet, zum
Beispiel den dichroitischen Polarisator, der von
Corning Glass Inc. hergestellt wird und unter dem
Handelsnamen "Polarcor" bekannt ist, jedoch ist es auch
möglich, im wesentlichen dieselbe Funktion wie bei
dem vorhergehenden zu erzielen, indem eine
doppelbrechende Kristallplatte wie aus einem Rutileinkristall
sowohl für den Polarisator als auch den Analysator
verwendet wird. Der Unterschied zwischen diesen
beiden Typen von optischen Isolatoren kann darin
gefunden werden, daß das reflektierte Laserlicht "b" im
Fall des dichroitischen Polarisators am Polarisator 1
unterbrochen wird, wie vorstehend beschrieben ist.
-
Demgegenüber wird im Fall der doppelbrechenden
Kristallplatte das reflektierte Laserlicht "b" daran
gehindert, zu einem Emissionspunkt der Halbleiter-
Laser-Lichtquelle zurückzukehren, indem ein optischer
Pfad des reflektierten Laserlichts "b" diagonal
innerhalb der doppelbrechenden Kristallplatte geändert
wird, worin der optische Pfad oder die optische Achse
des reflektierten Laserlichts "b" von der des
Laserlichts "a" verschoben wird, um von der
doppelbrechenden Kristallplatte zu einem Punkt emittiert zu
werden, der vollständig verschieden von dem optischen
Pfad des Laserlichts "a" in Vorwärtsrichtung ist.
-
Das emittierte Haibleiter-Laserlicht ist im
wesentlichen ein linear polarisiertes Licht, so daß der
optische Isolator das Laserlicht im wesentlichen ohne
Verlust hierdurch übertragen kann, indem eine
Richtung der Polarisation des Laserlichts mit der
Richtung, in der das polarisierte Licht durch den
Polansator hindurchgelassen wird, ausgerichtet ist. Wenn
jedoch der in Fig. 1 gezeigte optische Isolator
zwischen optische Fasern eingesetzt würde, in welchem
sich im wesentlichen nichtpolarisierte Lichtstrahlen
ausbreiten, werden alle Lichtstrahlen, deren
Polarisationsebenen nicht identisch mit der
Polarisationsrichtung des Polarisators sind, durch den Polarisator
1 behindert und blockiert.
-
Im allgemeinen kann der Betrag des Lichtverlustes an
dem Polarisator, der durch die Blockierung oder
Isolation bewirkt wird, eine Größe von 3 dB erreichen.
Es wurden in der Vergangenheit mehrere optische
Isolatoren zum Eliminieren des Lichtverlustes aufgrund
der Einfügung der optischen Isolatoren vorgeschlagen,
und einige von ihnen sind in japanischen
Patentveröffentlichungen offenbart.
-
In den japanischen Patentveröffentlichungen Nr.
60-51690 und Nr. 58-28561 sind drei doppelbrechende
Kristallplatten zusammengesetzt, um einen optischen
Isolator zu ergeben, während in der japanischen
Patentveröffentlichung Nr. 60-49297 zwei doppelbrechen
de Kristallplatten mit einem optisch aktiven Element
kombiniert sind, und weiterhin werden in der
japanischen Patentveröffentlichung Nr. 61-58809 konische
doppelbrechende Kristallplatten und Linsen verwendet.
-
Entsprechend den optischen Isolatoren, die in den
obigen japanischen Patentveröffentlichungen offenbart
sind, wird das Licht mit ungerichteter Polarisation
einmal in zwei senkrecht polarisierte
Wellenkomponenten mittels einer doppelbrechenden Kristallplatte
aufgespalten, da jedoch diese orthogonal
polarisierten Wellenkomponenten mittels einer anderen
doppelbrechenden Kristallplatte und/oder einer Linse wieder
kombiniert werden, können die beiden polarisierten
Wellenkomponenten durch den optischen Isolator ohne
irgendeinen Verlust übertragen werden.
-
Demgegenüber wird das reflektierte Licht in
Rückwärtsrichtung aufgrund der Nichtreziprozität des
magneto-optischen Elements aus dem magneto-optischen
Element an einem Punkt herausgeführt, der nicht mit
dem Punkt übereinstimmt, an welchem das Licht in
Vorwärtsrichtung eingetreten ist, wodurch das
reflektierte Licht in Rückwärtsrichtung niemals zu der
Halbleiter-Laser-Lichtquelle oder dem
Halbleiter-Laser-Lichtemissionspunkt zurückkehrt.
-
Weiterhin wurde auch ein polarisationsunabhängiger
optischer Isolator in der japanischen
Patentveröffentlichung Nr. 60-51690 vorgeschlagen, dessen
Konfiguration in Fign. 2 und 4 gezeigt ist. Fig. 2 ist
eine Seitenansicht des polarisationsunabhängigen
optischen Isolators, die optische Pfade des sich
hierdurch ausbreitenden Laserlichts "a" zeigt, während
Fig. 4 eine Seitenansicht des
polarisationsunabhängigen optischen Isolators ist, die optische Pfade des
reflektierten Laserlichts "b", das sich in
Rückwärtsrichtung durch den optischen Isolator ausbreitet,
zeigt.
-
In den Fign. 2 und 4 bezeichnet das Element 5 eine
erste doppelbrechende Kristallplatte, die durch
Schneiden eines einachsigen Kristalls wie eines
Rutileinkristalis und dergleichen in eine Platte mit
parallelen Oberflächen in der Weise, daß eine
optische Achse des einachsigen Kristalls gegenüber den
parallelen Oberflächen geneigt ist, erhalten ist, und
das Element 6 bezeichnet ein magneto-optisches
Element bestehend zum Beispiel aus einem
wismutsubstituierten Eisengranat-Einkristall mit einem Faraday-
Rotationswinkel von 45º.
-
Weiterhin bezeichnet das Element 7 eine zweite
doppeibrechende Kristallplatte, von der eine optische
Achse um denselben Betrag wie die der ersten
doppelbrechenden Kristallplatte 5 gegen die Oberflächen
hiervon geneigt ist, jedoch im Uhrzeigersinn um einen
Betrag von 45º gegenüber der ersten doppelbrechenden
Kristailplatte 5 um das auftreffende Laserlicht "a"
als eine Achse gedreht ist, das Element 8 bezeichnet
eine dritte doppelbrechende Platte, von der eine
optische Achse um denselben Betrag wie die der ersten
doppelbrechenden Kristallplatte 5 gegenüber den
Oberflächen hiervon geneigt ist, jedoch entgegen dem
Uhrzeigersinn um einen Betrag von 45º gegenüber der
ersten doppelbrechenden Kristallplatte 5 um das
auftreffende
Laserlicht "a" als eine Achse gedreht ist,
und das Element 9 bezeichnet einen Permanentmagneten,
um das magneto-optische Element 6 magnetisch zu
sättigen.
-
Positionen des Lichtaustritts und Richtungen der
Polarisation an Oberflächen der ersten doppelbrechenden
Kristallplatte 5 des magneto-optischen Elements 6,
der zweiten doppelbrechenden Kristallplatte und der
dritten doppelbrechenden Kristallplatte 8 sind in
Fig. 3 illustriert, und diese Richtungen der
optischen Achse der doppelbrechenden Kristallplatten 5, 7
und 8 sind ebenfalls in derselben Figur illustriert.
-
Die Arbeitsweise des in den Fign. 2 und 4 gezeigten
optischen Isolators wird nun im einzelnen
beschrieben. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, wird das auftreffende
Laserlicht "a" in Vorwärtsrichtung in zwei
Laserstrahlen mit orthogonalen Schwingungsebenen oder ein
gewöhnliches Licht und ein außergewöhnliches Licht
aufgespalten mittels der ersten doppelbrechenden
Platte 5. Das gewöhnliche Licht geht direkt durch die
erste doppelbrechende Kristallplatte 5 hindurch,
während das außergewöhnliche Licht diagonal durch
dieselbe doppelbrechende Kristallplatte 5 fortschreitet.
-
Das gewöhnliche Licht und das außergewöhnliche Licht
treten dann in das magneto-optische Element 6 ein,
nachdem sie durch die erste doppelbrechende
Kristallplatte 5 hindurchgegangen sind, und pflanzen sich
entlang paralleler optischer Pfade fort, wobei jede
Polarisationsebene hiervon an dem magneto-optischen
Element 6 ihrerseits um 45º im Uhrzeigersinn gedreht
wird. Das gewöhnliche Licht und das außergewöhnliche
Licht treten dann in die zweite doppelbrechende
Kristallplatte
7 ein, nachdem sie durch das
magneto-optische Element 6 hindurchgegangen sind.
-
Die zweite doppelbrechende Kristallplatte 7 ist so
angeordnet, daß eine optische Achse von dieser um
einen Betrag von 45º gegenüber der optischen Achse
des ersten doppelbrechenden Kristalls 5 geneigt ist.
Demgemäß schreitet nur die polarisierte Komponente
des Laserlichts, die auf die zweite doppelbrechende
Kristallplatte 7 parallel mit der optischen Achse
hiervon auftrifft, diagonal innerhalb der zweiten
doppelbrechenden Kristallplatte 7 fort. Das durch die
zweite doppelbrechende Kristallplatte 7
hindurchgegangene Laserlicht tritt dann in die dritte
doppelbrechende Kristallplatte 8 ein. Die dritte
doppelbrechende Kristallplatte 8 ist so angeordnet, daß ihre
optische Achse um 90º gegenüber der optischen Achse
des zweiten doppelbrechenden Kristalls 7 geneigt ist.
Demgemäß schreitet die polarisierte Komponente des
auftreffenden Laserlichts parallel mit der optischen
Achse der dritten doppelbrechenden Kristallplatte 8
diagonal durch diese hindurch fort.
-
Durch Auswahl der Dicke der zweiten doppelbrechenden
Kristallplatte 7 und der dritten doppelbrechenden
Kristailplatte 8 derart, daß sie eins durch
Quadratwurzel (1/ 2) der Dicke der ersten doppelbrechenden
Kristallplatte 5 werden, ist es möglich, die beiden
an der ersten doppelbrechenden Kristallplatte 5
getrennten Laserlichtstrahlen an der dritten
doppelbrechenden Kristallplatte 8 in einen Laserlichtstrahl zu
kombinieren.
-
Andererseits kehrt das reflektierte Laserlicht "b" in
Rückwärtsrichtung zu dem magneto-optischen Element 6
zurück, indem es durch die dritte doppelbrechende
Kristallplatte 8 und die zweite doppelbrechende
Kristaliplatte 7 hindurchgeht, wie in Fig. 4 gezeigt
ist, auf der Spur desselben optischen Pfades wie dem
des Laserlichts "a" in Vorwärtsrichtung. Eine
Polansationsrichtung des reflektierten Laserlichts "b" in
umgekehrter Richtung, das durch das magneto-optische
Element 6 hindurchgegangen ist, ist orthogonal zu der
Polarisationsrichtung des Laserlichts "a" in
Vorwärtsrichtung, da es im Uhrzeigersinn um den Betrag
von 45º an dem magneto-optischen Element 6 gedreht
wurde.
-
Demgemäß wird das reflektierte Laserlicht "b" in
Rückwärtsrichtung aus der ersten doppelbrechenden
Kristallplatte 5 an einem Punkt herausgeführt, der
ein anderer als der Auftreffpunkt des Laserlichts "a"
in Vorwärtsrichtung beim Hindurchgehen durch die
erste doppelbrechende Kristailplatte 5 ist.
-
Gemäß dem polarisationsunabhängigen optischen
Isolator können, wie vorstehend beschrieben ist, das
nichtpolarisierte Laserlicht, das mit "a" bezeichnet
ist und sich von der linken Seite oder der Seite, an
der sich die Halbleiter-Laser-Lichtquelle befindet
(Laserlicht-Emissionsseite) ausbreitet, und das
nichtpolarisierte Laserlicht "b", das sich von der
rechten Seite oder der anderen Seite des optischen
Isolators aus ausbreitet, vollständig isoliert
werden.
-
Ein anderes System wurde von Matsumoto in der
japanischen Patentveröffentlichung Nr. 58-28561
vorgeschlagen, worin Linsen 10 und 11 an den beiden äußeren
Grenzen der ersten doppelbrechenden Kristallplatte 5
und der dritten doppelbrechenden Kristallplatte 8
vorgesehen sind, wie in Fig. 5 gezeigt ist, zum
Konvergieren des Laserlichts innerhalb des optischen
Isolators. Gemäß dieser Konfiguration kann ein
Abstand zum Trennen der beiden polarisierten
Laserkomponenten innerhalb der optischen Isolators verkürzt
werden, und die Dicke der doppelbrechenden
Kristallplatten kann verringert werden. Wie in dem optischen
Isolator nach Fig. 5 ersichtlich ist, sind optische
Pfade des Laserlichts "a" in Vorwärtsrichtung und des
Laserlichts "b" in Rückwärtsrichtung dieselben wie
die nach den Fign. 2 und 4.
-
Ein anderer Typ von optischem Isolator wurde von von
Uchida in der japanischen Patentveröffentlichungs
Nr. 60-49297 vorgeschlagen, worin doppelbrechende
Kristallplatten und ein optisch aktives Element wie
in Fig. 6 gezeigt verwendet werden. Dieser Typ von
optischem Isolator wird erhalten durch Einsetzen
eines optisch aktiven Elements 13 für die zweite
doppelbrechende Kristallplatte 7 des
polarisationsunabhängigen optischen Isolators nach Fig. 4.
-
Gemäß diesem optischen Isolator nach Fig. 6 wird die
Polarisationsebene des Laserlichts in
Vorwärtsrichtung, das von der linken Seite der doppelbrechenden
Kristallplatte 5 auftrifft, an dem magneto-optischen
Element 6 im Uhrzeigersinn um 45º gedreht, jedoch
wird die Polarisationsebene des Laserlichts noch
einmal entgegen dem Uhrzeigersinn um 45º an dem optisch
aktiven Element 13 gedreht. Somit hat das auf das
doppelbrechende Kristallelement 12 auftreffende
Laserlicht dieselbe Polarisationsebene wie die des
durch die doppelbrechende Kristallplatte 5
hindurchgegangenen Laserlichts oder des auf das
magneto-optische
Element 6 auftreffenden Laserlichts. Auf diese
Weise werden das gewöhnliche Licht und das
außergewöhnliche Licht, welche an der doppelbrechenden
Kristallplatte 5 in zwei Strahlen gespalten wurden,
mittels der doppelbrechenden Kristallplatte 12 wieder
kombiniert.
-
Im Gegensatz zu dem Obigen wird im Fall des
reflektierten Laserlichts in Rückwärtsrichtung oder der
Lichtausbreitung von der rechten Seite der
doppelbrechenden Kristallplatte 12 des optischen Isolators zur
linken Seite hin die Polarisationsebene im
Uhrzeigersinn um 45º gedreht, wenn es durch das optisch aktive
Element 13 hindurchgeht. Die gedrehte
Polarisationsebene des reflektierten Laserlichts wird wiederum um
45º im Uhrzeigersinn gedreht, wenn es durch das
magneto-optische Element 6 hindurchgeht.
-
Demgemäß hat die Polarisationsebene des reflektierten
Laserlichts in Rückwärtsrichtung, das durch das
magneto-optische Element 6 hindurchgegangen ist, einen
Unterschied von 90º gegenüber der
Polarisationsrichtung des Laserlichts in Vorwärtsrichtung. Daher tritt
das reflektierte Laserlicht in Rückwärtsrichtung, das
in die doppelbrechende Kristallplatte 5 eingetreten
ist, aus dieser an einem Punkt heraus, der ein
anderer als der Auftreffpunkt des Laserlichts in
Vorwärtsrichtung ist, wodurch verhindert wird, daß das
reflektierte Laserlicht in Rückwärtsrichtung zu dem
Punkt des Emission des Laserlichts oder der
Halbleiter-Laser-Lichtquelle zurückkehrt.
-
Zusätzlich zu dem Obigen wurde noch ein anderer Typ
von optischem Isolator von Shirasaki in der
japanischen Patentveröffentlichung Nr. 61-58809
vorgeschlagen,
worin konische doppelbrechende Kristallplatten
verwendet werden (wie in Fig. 8 gezeigt). Dieser Typ
von optischem Isolator verwendet konische
doppelbrechende Kristallplatten 14 und 15 als die
doppelbrechenden Kristallplatten.
-
Gemäß dem optischen Isolator nach Fig. 8 tritt das
sich in Vorwärtsrichtung ausbreitende Laserlicht "a"
in die zweite konische doppelbrechende Kristallplatte
15 ein geht durch diese parallel getrennt hindurch
und tritt in eine Linse 11 ein, um auf der
Empfangsseite auf eine optische Faser 17 fokussiert zu
werden.
-
Demgegenüber tritt, wie in Fig. 8 gezeigt ist, das
reflektierte Laserlicht "b" in Rückwärtsrichtung in
die erste doppelbrechende Kristallplatte 14 ein,
nachdem es durch das magneto-optische Element 6
hindurchgegangen ist. Der optische Pfad des reflektier
ten Lichts "b" wird dann durch die Wirkung der ersten
doppelbrechenden Kristailplatte 14 divergiert,
wodurch das reflektierte Laserlicht "b" niemals die
optische Faser 16 auf der Sendeseite erreicht.
Kürzlich zieht eine Kommunikation über optische Fasern
die Aufmerksamkeit in einem Kommunikationsbereich als
ein Kommunikationssystem mit hoher Geschwindigkeit
und großer Kapazität auf sich. Im Lichte der obigen
Tendenz wurden in der Vergangenheit viele Forschungen
und Entwicklungen durchgeführt, um die Kommunikation
über optische Fasern zu verwirklichen, wobei die
Kommunikation über optische Fasern zu einer praktischen
Verwendung geführt und eine höhere Geschwindigkeit
bei der Kommunikation über optische Fasern erhalten
wurden. Demgemäß wurden verschiedene Typen von
optischen Isolatoren wie die oben beschriebenen
vorgeschlagen,
welche einen der Hauptteile eines Senders
und Empfängers in dem Kommunikationssystem mit
optischen Fasern bilden.
-
Jedoch verwenden alle vorgeschlagenen
polarisationsunabhängigen optischen Isolatoren den Faradaschen
Rotationseffekt des magneto-optischen Elements, daher
haben eine Fehlausrichtung eines optischen Systems
und Fehler wie eine Abweichung von dem Faradaschen
Drehwinkel von 45º, die in einem Vorgang der
Herstellung eines optischen Elements oder des
Zusammensetzens eine optischen Einrichtung auftreten, bisher zu
schwerwiegenden Problemen geführt.
-
Genauer gesagt, ein wismuthsubstituierter
Eisengranat-Einkristall, der durch ein
Flüssigphasen-Epitaxieverfahren hergestellt ist, wird normalerweise als
das magneto-optische Element für den optischen
Isolator verwendet. Der wismutsubstituierte Eisengranat-
Einkristall, der auf einem nichtmagnetischen
Granatsubstrat zu einer Dicke von mehreren hundert
Mikrometern durch das Flüssigphasen-Epitaxieverfahren
gewachsen ist, wird genau auf die Dicke geschliffen,
mit der der Faradasche Drehwinkel von 45º erhalten
werden kann.
-
Der wismutsubstituierte Eisengranat-Einkristall, der
für das magneto-optische Element des optischen
Isolators verwendbar ist, wird aus einer Anzahl von
Pellets ausgewählt, die durch Schleifen des
wismutsubstituierten Eisengranat-Einkristalls auf der
Grundlage einer zulässigen Dickentoleranz erhalten wurden.
Die Dicke der Pellets des wismutsubstituierten
Eisengranat-Einkristalls, die für das magneto-optische
Element ausgewählt wurden, hat Schwankungen von
mehreren
Mikrometern. Da die Dickenschwankungen des
wismutsubstituierten Eisengranat-Einkristalls nur durch
die Genauigkeit des Schleifvorgangs bewirkt werden,
ist es unmöglich, die Dickenschwankungen vollständig
entsprechend dem gegenwärtigen Stand der
Schleiftechnik zu eliminieren. Demgemäß können bisher die
Qualität und optische Genauigkeit des wismutsubstituierten
Eisengranats für die Verwendung in dem optischen
Isolator als das magneto-optische Element nur durch das
vorbeschriebene Auswahiverfahren aufrechterhalten
werden, wohingegen die Qualität des
wismutsubstituierten Eisengranats verbessert werden kann durch
Verringerung der Toleranzen, während die Ausbeute des
Produkts herabgesetzt wird, und es wird dadurch
unwirtschaftlich.
-
Weiterhin ist bekannt, daß eine Menge einer festen
Lösung von Wismut in dem wismutsubstituierten
Eisengranat-Einkristall, der durch das
Flüssigphasen-Epitaxieverfahren erhalten ist, abhängig von einer
leichten Änderung in einer Wachstumsbedingung des
Einkristalis variieren kann, und ein Faradascher
Drehwinkel pro Dickeneinheit des gewachsenen
Einkristalls kann in Abhängigkeit von der Menge der festen
Lösung von Wismut in dem Einkristall variieren. Die
Qualität oder die Toleranz des Faradaschen
Drehwinkels des wismutsubstituierten
Eisengranat-Einkristalls, der gegenwärtig auf dem Markt verfügbar ist,
zur Verwendung als ein magneto-optisches Element
beträgt normalerweise 1 bis 2 %.
-
Demgemäß hat das durch Schleifen des
wismutsubstituierten Eisengranat-Einkristalls, der durch das
Flüssigphasen-Epitaxieverfahren hergestellt wurde,
erhaltene
magneto-optische Element einen Fehler von 0,5
bis 1,0 % hinsichtlich des Faradaschen Drehwinkels.
-
Wie vorbeschrieben ist, hat der als das
magneto-optische Element zu verwendende wismutsubstituierte
Eisengranat-Einkristall einen solchen Fehler
hinsichtlich des Faradaschen Drehwinkels, daß er zumindest
der Toleranz der Auswahl äquivalent ist. Um daher
eine große Isolation als ein optischer Isolator zu
erhalten, ist es erforderlich, eine Richtung der
optischen Achse der ersten doppelbrechenden Platte
auszurichten oder zu kompensieren um einen Betrag,
welcher gleich einem Abweichungswinkel (Δθ) von dem
Bezugswinkel von 45º ist.
-
Wenn angenommen wird, daß der Abweichungswinkel Δθ
gleich ein Grad (Δθ = 1º) gegenüber dem Bezugswinkel
ist, wird ein Schwächungsverhältnis der ersten
doppelbrechenden Platte 35 dB sein (das theoretische
maximale Schwächungsverhältnis) gemäß einer Gleichung
von -10 x log [sin²(Δθ)]. Praktisch liegt die für den
optischen Isolator geforderte Isolation bei oder über
dB. Wenn daher der Abweichungswinkel Δθ gegenüber
dem Bezugswinkel ein Grad beträgt, kann eine
geforderte Funktion theoretisch befriedigt werden, und es
ist weder eine Ausrichtung noch eine Kompensation für
die doppelbrechende Kristallplatte entlang ihrer
optischen Achse erforderlich.
-
Jedoch wird in dem tatsächlichen Zustand der
Abweichungswinkel Δθ gegenüber dem Bezugswinkel von dem
theoretischen Wert von ein Grad gedehnt aufgrund der
Temperaturabhängigkeit und der
Lichtwellenlängen-Abhängigkeit des Faradaschen Drehwinkels des
magnetooptischen Elements und weiterhin der Differenz
zwischen
einer Wellenlänge des Laserlichts, das bei dem
Vorgang des Zusammenbaus verwendet wurde, und einer
Wellenlänge des Laserlichts bei der tatsächlichen
Verwendung, welche Differenz normalerweise mehrere nm
beträgt, wodurch sich die Schwierigkeit ergibt, das
äußerste von 30 dB aufrechtzuerhalten.
-
Hinsichtlich eines optischen Isolators, der zum
Beispiel den Abweichungswinkel Δθ von ein Grad hat und
durch Verwendung von Ho1,1Tb0,6Bi1,3Fe&sub5;O&sub1;&sub2;, das auf dem
Markt verfügbar ist, zusammengesetzt ist, wird, wenn
eine Umgebunqstemperatur sich um mehr als 12º C
ändert oder die Wellenlänge des verwendeten Laserlichts
sich um 6 nm oder mehr von der des Laserlichts, das
während des Zusammenbaus verwendet wurde,
unterscheidet, der Abweichungswinkel Δθ gegenüber dem
Bezugswinkel 1,8º oder mehr, wodurch die Isolation auf
weniger als 30 dB abnimmt und die Praktikabilität
verliert.
-
Um die praktische Funktion und Qualität des optischen
Isolators sicherzustellen, ist es für die optische
Isolation erforderlich, während des Zusammenbaus
zumindest 40 dB oder mehr aufrechtzuerhalten. Jedoch
ist es praktisch unmöglich, eine derart hohe optische
Isolation nur durch Verbesserung der Qualität des
magneto-optischen Elements aufrechtzuerhalten und all
dies ist wirtschaftlich nachteilig. Die Ausrichtung
und Kompensation entlang der optischen Achse der
ersten doppelbrechenden Kristallplatte sind
Voraussetzung als der zweitbeste Plan zu Verbesserung der
optischen Isolation, und weiterhin haben sie die
Wichtigkeit als die grundsätzliche Technik in der
industriellen Praxis.
-
Ein Überblick über die Ausrichtung und Kompensation
entlang der optischen Achse der ersten
doppelbrechenden Kristallplatte wird nun unter Bezugnahme auf Fig.
7 beschrieben.
-
Fig. 7 ist ein Darstellung, die einen optischen
Isolator zeigt zur Illustration der Ausrichtung und
Kompensation entlang der optischen Achse des optischen
Isolators beispielsweise durch Bezugnahme auf den
optischen Isolator, der in den Fign. 2 und 4 gezeigt
ist. Der Vorgang der Ausrichtung und Einstellung des
optischen Isolators wird erhalten durch:
-
1) Anbringen von Linsen 10 und 11 und optischen
Fasern 16 und 17 an den beiden Enden des optischen
Isolators;
-
2) Übertragen des Laserlichts von der optischen Faser
16 auf der linken Seite oder der Seite der
Halbleiter-Laser-Lichtquelle und Bestätigen des korrekten
Empfangs des Laserlichts durch die optische Faser 17
auf der rechten Seite oder der Empfangsseite;
-
3) Übertragen des Laserlichts in einer
Rückwärtsrichtung von der optischen Faser 17 auf der rechten Seite
und Drehen der ersten doppelbrechenden Kristallplatte
5, um die Stärke des Laserlichts "b'" (gezeigt durch
eine punktierte Linie in Fig. 7), das die optische
Faser 16 auf der linken Seite erreicht, zu
minimieren.
-
Im allgemeinen ist ein Kerndurchmesser der optischen
Faser so klein wie 5 bis 10 µm. Demgemäß wird der
Vorgang für die Ausrichtung und Kompensation entlang
der optischen Achse des optischen Isolators genau mit
extremer Sorgfalt durchgeführt. Jedoch wird ein
optischer Pfad oder eine optische Achse des optischen
Systems leicht durch die Ausrichtung der ersten
doppelbrechenden
Kristallplatte 5 versetzt, wohingegen,
wenn die Achse des optischen Pfades des optischen
Systems versetzt ist, das Laserlicht "b'" niemals von
der optischen Faser 16 empfangen werden kann.
-
Normalerweise werden die Ausrichtung, Kompensation
und Steuerung der optischen Achse der ersten
doppelbrechenden Kristallplatte 5 und die der Achse des
optischen Pfades des optischen Systems durchgeführt,
indem das Laserlicht "b'" der optischen Faser 16
folgt, die mit einem Leistungsmesser gekoppelt ist.
Jedoch ist es im tatsächlichen Betrieb oft schwierig
für die Bedienungsperson, zu unterscheiden und zu
entscheiden, ob ein Zustand der Verschwindens sich
aus der geeigneten Ausrichtung des optischen Pfades
der doppelbrechenden Kristallplatte ergibt oder
nicht, da dasselbe Verschwinden auftreten kann, wenn
kein Laserlicht die optische Faser erreicht aufgrund
der Fehlausrichtung der Achse des optischen Pfades
des optischen Systems. Nach dem gegenwärtigen
technischen Stand muß die optische Ausrichtung der
doppelbrechenden Kristallplatte 5 durchgeführt werden,
indem die optischen Fasern 16 genau bewegt werden mit
Verwendung einer Präzisionseinstellvorrichtung, wenn
das auftreffende Laserlicht gewissenhaft mit
außerordentlicher Sorgfalt der optischer Faser 16
nachgeführt wird. Daher ist es noch schwierig, ein
Massenproduktionssystem zu mechanisieren und anzuwenden.
Der vorbeschriebene Nachteil war einer der
Hauptgründe für die Verzögerung der Vielseitigkeit des
polansationsunabhängigen optischen Isolators.
-
Um die Ausrichtung und Kompensation der optischen
Achse doppelbrechenden Kristallplatte und die der
Achse des optischen Pfades des optischen Systems
einfacher
zu machen, kann eine Trennung zwischen dem
Laserlicht "b" und dem Laserlicht "b'" vergrößert
werden. Gemäß dem vorbeschriebenen Verfahren ist es
möglich, das Laserlicht "b'" anzunehmen oder zu
empfangen, indem Gebrauch von einem auf dem Markt
erhältlichen Photodetektor gemacht wird, wenn die
Trennung zwischen dem Laserlicht "b'" und dem Laserlicht
"b'" so gewählt wird, daß sie mehrere Millimeter
beträgt. Demgemäß wird der Vorgang der Einstellung und
Kompensation der optischen Achse der ersten
doppelbrechenden Kristallplatte und der der Achse des
optischen Pfades des optischen Systems sehr leicht.
-
Um jedoch eine Trennung beispielsweise von mehreren
Millimetern (mm) zwischen dem Licht "b" und dem Licht
"b'" zu schaffen, ist es erforderlich, die Dicke der
doppelbrechenden Kristallplatte 5 so auszuwählen, daß
sie mehrere Zentimeter oder mehr trägt, und auch die
anderen doppelbrechenden Kristallplatten dicker zu
machen, wie die doppelbrechende Kristallplatte 7 und
auch die doppelbrechende Kristallplatte 8.
Normalerweise bestehen die doppelbrechenden Kristallplatten
aus teurem Rutileinkristall. Daher ist das Verfahren
der Vergrößerung der Trennung zwischen dem Laserlicht
"b" und dem Laserlicht "b'" nicht vernünftig und
unvermeidlich aus wirtschaftlichen und technischen
Gesichtspunkten. Daher ist es keine Übertreibung
festzustellen, daß das vorbeschriebene Verfahren nicht
praktikabel als eine industrielle Technologie ist.
-
Der Vorgang der Ausrichtung und Kompensation der
optischen Achse der ersten doppelbrechenden
Kristallplatte und der der Achse des optischen Pfades des
optischen Systems wurden vorstehend mit Bezug auf die
Fign. 2 und 4 beschrieben, jedoch haben die in den
Fign. 5 und 6 gezeigten optischen Isolatoren ähnliche
Probleme.
-
Es wird nun auf Fig. 8 Bezug genommen, in der ein
optischer Isolator mit konischen doppelbrechenden
Kristallplatten 14 und 15 gezeigt ist, worin ein
Trennungswinkel des Laserlichts "a" und des
Laserlichts "b" erweitert werden kann durch Erhöhen der
Schrägungswinkel der konischen doppelbrechenden
Kristallplatten 14 und 15. Demgemäß wird der Vorgang der
Ausrichtung und Kompensation der optischen Achse der
ersten doppelbrechenden Kristallplatte und der der
Achse des optischen Pfades des optischen Systems
etwas leichter im Vergleich mit den Verfahren nach dem
Stand der Technik. Wenn jedoch die Schrägungswinkel
erweitert werden, ist ein großer optischer Isolator
vorgesehen aufgrund der Tatsache, daß ein Abstand
zwischen der Linse 11, welche zum Konvergieren des
durch die konische doppelbrechende Kristallplatte 15
in die optische Faser 17 übertragenen Lichtes dient,
und der optischen Faser 17 verlängert ist, da die
Trennung zwischen den Lichtstrahlen in der
Vorwärtsrichtung groß wird, und hier werden Probleme wie die
Erhöhung eines optischen Kopplungsverlustes und
dergleichen verursacht.
-
Wie vorbeschrieben ist, ist gemäß dem
polarisationsunabhängigen optischen Isolator nach dem Stand der
Technik, da ein Laserlichtstrahl oder von der
Halbleiter-Laser-Lichtquelle emittiertes Laserlicht an
Oberflächen des optischen Systems reflektiert wird,
ein reflektiertes Rückkehr-Laserlicht zu der
Halbleiter-Laser-Lichtquelle gegeben. Die Laserschwingung an
der Halbleiter-Laser-Lichtquelle wird instabil, wenn
das reflektierte Rückkehr-Laserlicht wieder in diese
eintritt. Um demgemäß den optischen Isolator für eine
praktische Verwendung auszubilden, war es
unerläßlich, eine winkelmäßige Ausrichtung der
doppelbrechenden Kristallplatte durchzuführen oder eine
Operation der optischen Ausrichtung und Kompensation in
einer Richtung entlang der optischen Achse. Wie
vorstehend beschrieben wurde, ist die Operation der
optischen Ausrichtung und Kompensation des optischen
Isolators entlang der optischen Achse extrem
schwierig. Daher ist es eines der wichtigsten Themen auf
dem Gebiet der Kommunikation über optische Fasern,
einen optischen Isolator vorzusehen, der nur eine
leichte oder keine optische Ausrichtung und
Kompensation erfordert für die allgemeine Einführung des
Halbleiter-Lasers und insbesondere des
Kommunikationssystems mit optischen Fasern.
-
Um die Schwierigkeiten wie vorbeschrieben zu
eliminieren, wurde ein polarisationsunabhängiger optischer
Isolator, der in Fig. 9 gezeigt ist, von Shiraishi
und Kawakami, Research Institute of Electrical
Communication, Tohoku University (Trans. IECE Japan,
Spring 1991, C-290) vorgeschlagen.
-
In Fig. 9 sind Elemente 18 und 19 doppelbrechende
Kristallplatten, Elemente 20 und 21 sind Lamda-Halbe-
Platten und Elemente 22 und 23 sind
polarisationsabhängige optische Isolatoren. Ein auftreffendes
Laserlicht "a" wird an der ersten doppelbrechenden
Kristallplatte 18 in gekreuzte Laserstrahlen oder ein
gewöhnliches Licht "c" und ein außergewöhnliches
Licht "d" gespalten, während ein optischer Pfad für
das gewöhnliche Licht "c" durch denselben Buchstaben
"c" angezeigt ist und der des außergewöhnlichen
Lichts "d" durch denselben Buchstaben "d". Eine
Polarisationsebene
des außergewöhnlichen Lichts "d" wird
durch die Lamda-Halbe-Platte 20, die in den optischen
Pfad hiervon eingefügt ist, um 90º gedreht, um mit
der Polarisationsebene des gewöhnlichen Lichts "c"
übereinzustimmen. Das außergewöhnliche Licht "d"
tritt dann zusammen mit dem gewöhnlichen Licht "c" in
die polarisationsabhängigen optischen Isolatoren 22
und 23 ein. Da das auftreffende außergewöhnliche
Licht "d" dieselbe Polarisationsebene hat wie die des
gewöhnlichen Lichts "c", ist das außergewöhnliche
Licht "d" in der Lage, durch die
polarisationsabhängigen optischen Isolatoren 22 und 23 hindurchzugehen,
die beide in Ausrichtung mit der
Polarisationsrichtung des gewöhnlichen Lichts "c" angeordnet sind. Die
Polarisationsebenen des gewöhnlichen Lichts "c" und
des außergewöhnlichen Lichts "d" werden um 90º
gedreht, wenn sie durch die polarisationsabhängigen
optischen Isolatoren 22 und 23 hindurchgehen, daher
werden sowohl das Licht "c" als auch das Licht "d"
das außergewöhnliche Licht. Das Licht "c" wird dann
wieder mittels einer anderen Lamda-Halbe-Platte 21,
die in den optischen Pfad des Lichts "c" eingefügt
ist, um 90º gedreht. Demgemäß werden dann das
gewöhnliche Licht "c" und das außergewöhnliche Licht "d"
durch die zweite doppelbrechende Kristallplatte 19
wieder kombiniert.
-
Andererseits ist das reflektierte Laserlicht "b" in
Rückwärtsrichtung nicht in der Lage, durch die
polarisationsabhängigen optischen Isolatoren 22 und 23
hindurchzugehen. Daher kann eine Ausrichtung des
Polarisators zum Kompensieren einer optischen
Fehlausrichtung, die durch eine winkelmäßige Abweichung des
Faradaschen Rotators bewirkt wird, zufriedenstellend
durchgeführt werden nur durch vorhergehende
Ausrichtung
der polarisationsabhängigen optischen
Isolatoren. Demgemäß sind der Zusammenbau und die
Ausrichtung dieses Typs von optischem Isolator
vergleichsweise leichter als die der zuerst erwähnten
herkömmlichen optischen Isolatoren nach dem Stand der
Technik. Jedoch benötigt dieser optische Isolator zwei
doppelbrechende Kristallplatten, zwei Lamda-Halbe-
Platten und zwei polarisationsabhängige optische Iso-
latoren, von denen jeder aus zwei Polarisatoren,
einem Faradaschen Element und einem Permanentmagneten
besteht. Es ist augenscheinlich, daß dieser optische
Isolator Nachteile in wirtschaftlicher Hinsicht
aufweist, da die Einzelelemente von diesem zu viele sind
im Vergleich mit dem herkömmlichen
polarisationsunabhängigen optischen Isolator.
-
Wie vorbeschrieben ist, war es unerläßlich für die
polarisationsunabhängigen optischen Isolatoren nach
dem Stand der Technik, genaue und feine Einstellungen
und Kompensationen entlang der optischen Achse des
optischen Isolators zur Eliminierung jeglicher
Defekte, die sich aus winkelmäßigen Fehlern des
Faradaschen Drehwinkels ergeben, durchzuführen. Weiterhin
erfordert ein anderer polarisationsunabhängiger opti
scher Isolator nach dem Stand der Technik zu viele
Einzelelemente wie zwei Sätze von
polarisationsabhängigen optischen Isolatoren, wodurch dieser
wirtschaftliche Nachteile aufweist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Es ist daher eine Aufgabe dieser Erfindung, Nachteile
zu eliminieren, die bei dem polarisationsunabhängigen
optischen Isolator nach dem Stand der Technik
auftreten, was ein leichter Zusammenbau, eine leichte
Ausrichtung
und weniger Einzelelemente sind, während er
Merkmale hat, die zu einer größeren Genauigkeit,
einem niedrigeren optischen Verlust, einer höheren
Qualität, einer geringeren Größe und größeren Menge bei
niedrigem Preis aus dem Gesichtspunkt der
Herstellungsindustrie beitragen, um eine Halbleiter-Laser-
Kommunikation populär zu machen, insbesondere eine
Kommunikation über optische Fasern.
-
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem optischen
Isolator, der die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
Bevorzugte Ausführungsbeispiel des optischen Isolators
gemäß der Erfindung sind in den Ansprüche 2 und 3
spezifiziert.
-
Gemäß der Erfindung umfaßt ein optischer Isolator in
Folge: eine erste doppelbrechende Kristallplatte, die
so orientiert ist, daß sie einen ersten polarisierten
Lichtstrahl räumlich in zwei linear polarisierte
Strahlen aufteilt, die aus der Platte als
parallele Strahlen mit orthogonalen
Polarisierungsrichtungen austreten; ein erstes magneto-optisches
Element mit einem Rotationswinkel von im wesentlichen
45º, das in einem ersten Permanentmagneten angeordnet
ist und von den parallelen Strahlen durchquert wird;
zwei Polarisatoren, die so orientiert sind, daß sie
einen im wesentlichen 90º-Unterschied zwischen ihren
Polarisationsübertragungsachsen aufweisen, wobei
jeder Polarisator von einem der parallelen Strahlen
durchquert wird; ein zweites magneto-optisches
Element mit einem Rotationswinkel von im wesentlichen
45º, das in einem zweiten Permanentmagneten
angeordnet ist und von den zwei parallelen Strahlen
durchquert wird; und eine zweite doppelbrechende
Kristallplatte, die so orientiert ist, daß sie räumlich die
zwei parallelen Strahlen mit orthogonalen
Polarisierungsrichtungen kombiniert.
-
Mit diesem optischen Isolator wird eine allgemein
geforderte optische Funktion erfüllt, selbst wenn der
Isolator zusammengesetzt wird, ohne daß irgendeine
Ausrichtung erfolgt. Demgemäß können die hohe
Genauigkeit und die schwierige Ausrichtung, welche beim
Stand der Technik erforderlich waren, eliminiert
werden.
-
Mit dem vorliegenden optischen Isolator ist im
wesentlichen keine Ausrichtung entlang einer Richtung
der optischen Achse der doppelbrechenden
Kristallplatte notwendig. Wenn jedoch eine extrem hohe
Wirksamkeit erforderlich ist, kann diese erhalten werden
durch Ausführung einer einfachen und leichten
Ausrichtung und Einstellung der Polarisatoren entlang
der optischen Achse hiervon, wodurch die
Produktionskosten des optischen Isolators beträchlich
herabgesetzt werden, selbst wenn die Ausrichtung und
Kompensation durchgeführt wurden. Indem die einfache und
leichte Ausrichtung der Polarisatoren entlang der
Richtung des optischen Pfades durchgeführt wird, wird
das reflektierte Laserlicht in Rückwärtsrichtung
vollständig von den Polarisatoren abgeschnitten.
-
Bei dem vorliegenden optischen Isolator kann ein
Betrag des reflektierten Lichts in Rückwärtsrichtung,
das durch die Polarisatoren hindurchgeht, leicht
gemessen werden, direkt durch Verwendung eines
Photodetektors, der auf dem Markt erhältlich ist. Demgemäß
kann die optische Ausrichtung oder die Handhabung
hierfür entlang der Richtung der optischen Pfade der
Polarisatoren einfach durchgeführt werden durch
Verwendung
eines kommerziell erhältlichen
Photodetektors, ohne von der Intuition oder Erfahrung
abzuhängen wie bei den optischen Isolatoren nach dem Stand
der Technik.
-
Weiterhin sind keine besonderen doppelbrechenden
Kristaliplatten erforderlich, wohingegen jede geeignete
doppelbrechende Kristallplatte auf dem Markt
ausgewählt werden kann, zum Beispiel Kalkspat,
Rutileinkristall und dergleichen sind geeignet für die
doppelbrechenden Kristallplatten des vorliegenden
optischen Isolators des leichten Erhalts wegen. Darüber
hinaus ist nicht erforderlich, daß die zwischen den
magneto-optischen Elementen anzuordnenden
Polarisatoren von Besonderheit sind, sondern herkömmliche
Polarisatoren können auf dem Markt ausgewählt werden und
zum Beispiel ein dichroitischer Polarisator ist sehr
geeignet wegen der Wirksamkeit. Weiterhin ist es
bevorzugt, die Qualität des Faradaschen Rotators oder
den Faradaschen Drehwinkel innerhalb eines Bereichs
von 45º ± 5º auszuwählen, mehr bevorzugt 45º ± 3º.
Wenn eine Abweichung des Faradaschen Drehwinkels des
Faradaschen Rotators 5º überschreitet, ist es nicht
lohnend, da ein Einsatzverlust gegen das Laserlicht
in Vorwärtsrichtung beträchtlich wird.
-
Weiterhin kann bei dem vorliegenden optischen
Isolator aufgrund seiner Ausbildung ein Grad der
Verschlechterung der Isolation auf einem Minimum
gehalten werden gegenüber einer Änderung der
Umgebungstemperatur und einer Änderung der Wellenlänge. Es ist
keine Übertreibung festzustellen, daß die
vorgenannten Vorteile zu einer großen Verbesserung auf dem
Gebiet der optischen Isolatoren führen, und der
optische Isolator, der die vorliegende Erfindung
verkörpert,
kann zu einer allgemeinen Einführung und
Verteilung des Halbleiter-Lasers und insbesondere der
Kommunikation über optische Fasern beitragen.
-
Die grundsätzliche Ausbildung des optischen Isolators
gemäß dieser Erfindung ist ein
polarisationsunabhängiger optischer Isolator, wie vorstehend beschrieben
ist, jedoch ist augenscheinlich für den Fachmann, daß
die vorliegende Erfindung auch als ein
polarisationsabhängiger optischer Isolator angewendet werden kann.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
-
Fig. 1A ist ein Diagramm, das einen optischen
Isolator nach dem Stand der Technik
zum Isolieren eines reflektierten
Laserlichts zu einer Halbleiter-Laser-
Lichtquelle zeigt;
-
Fig. 1B ist ein Diagramm, das Änderungen von
Polarisationsrichtungen entlang
optischer Pfade illustriert;
-
Fig. 2 ist ein Diagramm, das einen
polarisationsunabhängigen optischen Isolator
mit optischen Pfaden in
Vorwärtsrichtung zeigt;
-
Fig. 3 ist ein Diagramm, das Polarisations
richtungen und optische Pfade nach
Fig. 2 zeigt;
-
Fig. 4 ist ein Diagramm, das optische Pfade
in Rückwärtsrichtung des
polarisationsunabhängigen
optischen Isolators
nach Fig. 2 zeigt;
-
Fig. 5 ist ein Diagramm, das einen anderen
polarisationsunabhängigen optischen
Isolator mit optischen Pfaden nach dem
Stand der Technik zeigt;
-
Fig. 6 ist ein Diagramm, das noch einen
anderen polarisationsunabhängigen
optischen Isolator mit optischen Pfaden
nach dem Stand der Technik zeigt;
-
Fig. 7 ist ein Diagramm, das ein Verfahren
zum Zusammensetzen des
polarisationsunabhängigen optischen Isolators nach
Fig. 5 zeigt;
-
Fig. 8 ist ein Diagramm, das die Ausbildung
und Lichtpfade eines anderen
polarisationsunabhängigen optischen Isolators
nach dem Stand der Technik zeigt;
-
Fig. 9 ist ein Diagramm, das noch einen
anderen polarisationsunabhängigen
optischen Isolator mit optischen Pfaden
nach dem Stand der Technik zeigt;
-
Fig. 10A ist ein Diagramm, das einen
polarisationsunabhängigen optischen Isolator
zeigt, der die vorliegende Erfindung
verkörpert, um das Prinzip hiervon zu
illustrieren;
-
Fig. 10B ist ein Diagramm, das Änderungen von
optischen Pfaden und
Polarisationsrichtungen entlang der optischen Pfade
illustriert; und
-
Fig. 11 ist eine Querschnittsansicht eines
polarisationsunabhängigen optischen
Isolators, der die vorliegende
Erfindung verkörpert.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
-
Eine Ausbildung eines die vorliegende Erfindung
verkörpernden optischen Isolators ist schematisch in
Fig. 10 gezeigt.
-
In Fig. 10 bezeichnen Elemente 24 und 25
doppelbrechende Kristailplatten, Elemente 26 und 27 bezeichnen
Polarisatoren, Elemente 28 und 29 bezeichnete
magneto-optische Elemente und Elemente 30 und 31
bezeichnen Permanentmagneten.
-
Das von der Halbleiter-Laser-Lichtquelle emittierte
Laserlicht "a" tritt in die erste doppelbrechende
Kristailplatte 24 ein und geht durch diese hindurch,
während in zwei Laserlichtstrahlen geteilt wird,
deren Schwingungsebenen orthogonal zueinander sind. Die
durch die erste doppelbrechende Kristallplatte 24
hindurchgegangenen beiden Laserlichtstrahlen pflanzen
sich parallel zueinander fort und treten in das erste
magneto-optische Element 28 ein. Eine
Polarisationsebene jedes auf das erste magneto-optische Element 28
auftreffenden Laserlichtstrahls wird durch das
magneto-optische Element 28 um einen Betrag von 45º ent
gegen dem Uhrzeigersinn gedreht. Jeder durch das
erste magneto-optische Element 28 hindurchgegangene
Laserlichtstrahl pflanzt sich jeweils durch die
Polarisatoren 26 und 27, deren Polarisationsebenen so
ausgerichtet sind, daß sie jeweils hiermit
zusammenfallen, fort, und treten in das zweite
magneto-optische Element 29 ein. Jeder auf das zweite
magnetooptische Element 29 auftreffende Laserlichtstrahl
wird mit seiner Polarisationsebene um einen Betrag
von 45º im Uhrzeigersinn gedreht und pflanzt sich
durch dieses fort. Die durch das zweite
magneto-optische Element 29 hindurchgegangenen Laserlichtstrahlen
treten dann in die zweite doppelbrechende
Kristallplatte 25 ein und ihre optischen Pfade werden an der
doppelbrechenden Kristallplatte 25 wieder miteinander
kombiniert.
-
In Fig. 10 sind Richtungen der Magnetisierung von
Permanentmagneten 30 und 31 einander entgegengesetzt,
jedoch, wenn die Richtung der Magnetisierung des
Permanentmagneten 31 identisch mit der des
Permanentmagneten 30 ist, kann die Polarisationsebene durch den
Permanentmagneten 31 um den Betrag von 45º entgegen
dem Uhrzeigersinn gedreht werden. Mit anderen Worten,
durch Umkehren der Richtung der Magnetisierung des
Permanentmagneten können die Richtungen der
Fortpflanzung der Laserlichtstrahlen an der zweiten
doppelbrechenden Kristallplatte 25 von der Fortpflanzung
in gerader Vorwärtsrichtung in die schräge
Fortpflanzung bzw. die schräge Fortpflanzung in die
Fortpflanzung in gerade Vorwärtsrichtung geändert werden.
Jedoch werden in jedem der obigen Fälle die beiden
getrennten Laserlichtstrahlen durch die Wirkung der
zweiten doppelbrechenden Kristallplatte 25 zu einem
Strahl vereinigt, wodurch keine Probleme bewirkt
werden.
-
Andererseits wird das reflektierte Laserlicht "b" in
Rückwärtsrichtung an der zweiten doppelbrechenden
Kristallplatte 25 noch einmal in zwei
Laserlichtstrahlen gespalten, wenn es durch diese hindurchgeht,
und die beiden Laserlichtstrahlen treten wieder in
das zweite magneto-optische Element 29 ein. Die
Polarisationsebene der auf das zweite magneto-optische
Element 29 auftreffenden reflektierten
Laserlichtstrahlen werden um den Betrag von 45º im
Uhrzeigersinn gedreht, so daß jeder der Laserlichtstrahlen
orthogonal zu der Polarisationsebene der Laserlicht
strahlen wird, die gespaltenen Laserlichtstrahlen des
Laserlichts "a" in Vorwärtsrichtung. Auf diese Weise
sind die beiden Laserlichtstrahlen in
Rückwärtsrichtung, welche durch das zweite magneto-optische
Element 29 hindurchgegangen sind, nicht in der Lage,
durch die Polarisatoren 26 und 27 hindurchzugehen,
als wenn sie abgeschnitten sind.
-
Bei der obigen Beschreibung wurde der Faradasche
Drehwinkel des magneto-optischen Elements auf 45º
eingestellt und ausgerichtet. Jedoch ist es praktisch
unmöglich, den Faradaschen Drehwinkel des
magnetooptischen Elements genau auf 45º einzustellen und
auszurichten. Der Faradasche Drehwinkel des
magnetooptischen Elements hat im Gebrauch tatsächlich eine
Toleranz ± 1º um die 45º aufgrund von
Herstellungsproblemen, oder es hat einen Qualitätsfehler von
solchem Betrag.
-
Für den Fall des reflektierten Laserlichts "b", da
die Polarisationsebenen der durch das
magneto-optische
Element 29 übertragenen Laserlichtstrahlen nicht
vollständig übereinstimmen mit Abschneidrichtungen
der Polarisatoren 26 und 27 für das polarisierte
Licht, kann demgemäß ein Teil des reflektierten
Lichts "b" durch die Polarisatoren 26 und 27
hindurchgehen, wohingegen Polarisationsebenen des
übertragenen Laserlichts identisch sind mit
Übertragungsrichtungen der Polarisatoren 26 und 27 für das
polarisierte Licht. Die Laserlichtstrahlen des
reflektierten Laserlichts "b", die durch die Polarisatoren
26 und 27 hindurchgegangen sind, treten in das erste
magneto-optische Element 28 ein, und die
Polarisationsebenen hiervon werden um 45º entgegen dem
Uhrzeigersinn gedreht, wodurch sich ergebende
Polarisationsebenen orthogonal zu den Polarisationsebenen der
Laserlichtstrahlen des Laserlichts "a" in
Vorwärtsrichtung auf der rechten Seite der ersten
doppelbrechenden Kristallplatte 24 sind.
-
Auf diese Weise kann das reflektierte Laserlicht "b"
in Rückwärtsrichtung an Punkten austreten, welche
verschieden sind von dem Eintrittspunkt des
Laserlichts "a" in Vorwärtsrichtung auf der linken Seite
der ersten doppelbrechenden Kristallplatte 24.
-
Da das reflektierte Laserlicht fast vollständig
abgeschnitten oder sein optischer Pfad gebogen ist durch
den Polarisator 26, Polarisator 27 und die erste
doppelbrechende Kristallplatte 24, selbst wenn ein
Qualitätsfehler bei dem magneto-optischen Element
gegeben ist oder insbesondere, wenn der Faradasche
Drehwinkel um einen Betrag von mehreren Grad gegenüber
dem Bezugswert von 45º verschoben ist, ist es gemäß
dieser Erfindung möglich, ein hohes
Isolationsverhältnis zu erzielen. Mit anderen Worten, wenn
beispielsweise angenommen wird, daß der optische Pfad
der ersten doppelbrechenden Kristallplatte 24 einen
Winkel von 45º gegen jede Abschneidrichtung der
Polarisatoren 26 und 27 für polarisiertes Licht macht,
und eine Abweichung von dem Faradaschen Drehwinkel
von 45º des ersten magneto-optischen Elements 28,
oder der Qualitätsfehler Δθ 5º beträgt, wird eine
Lichtmenge, die durch die Polarisatoren 26 und 27
hindurchgeht, gleich -20 dB. Zusätzlich hierzu ist
eine Menge von Laserlicht, welche nicht getrennt ist
von einer Versetzung der Polarisationsebene an der
ersten doppelbrechenden Kristallplatte 24, oder das
entlang desselben optischen Pfades des Laserlichts
haie zurückzukehrende Laserlicht, ebenfalls -20 dB,
wodurch die theoretische Isolation mehr als -40 dB
ist.
-
Gemäß dem optischen Isolator nach dieser Erfindung
wird eine optische Ausrichtung entlang einer Richtung
der optischen Achse der doppelbrechenden
Kristallplatte im wesentlichen nicht benötigt. Um ein höheres
Isolationsverhältnis zu erzielen, kann jedoch die
optische Ausrichtung entlang der Richtung des
optischen Pfades für die Polarisatoren 26 und 27
durchgeführt werden. In dem Fall der Durchführung der
optischen Ausrichtung ist es nur erforderlich, die
Polarisatoren 26 und 27 einzustellen, so daß das
reflektierte Laserlicht in Rückwärtsrichtung
vollständig von den Polarisatoren 26 und 27 abgeschnitten
wird.
-
In dem optischen Isolator nach der vorliegenden
Erfindung kann eine Menge des reflektierten Laserlichts
in Rückwärtsrichtung, die durch die Polarisatoren 26
und 27 hindurchgeht, leicht und direkt durch
Verwendung
eines Photodetektors gemessen werden, der auf
dem Markt erhältlich ist, um die
Ausrichtungshandhabung oder -operation entlang des optischen Pfades der
Polarisatoren ohne irgendeine Intuition oder
Erfahrung durchzuführen, welche bei den optischen
Isolatoren nach dem Stand der Technik erforderlich waren.
[Ausführungsbeispiel 1]
-
Bevorzugte Ausführungsbeispiele dieser Erfindung
werden unter Bezugnahme auf Fig. 11 näher beschrieben.
-
In Fig. 11 ist ein polarisationsunabhängiger
optischer Isolator gezeigt, der gemäß den folgenden
Schritten hergestellt ist, wie nachfolgend
beschrieben ist.
-
Eine optische Einmodus-Faser 32 mit einem
Kerndurchmesser von 10 µm und eine Gradientenlinse 34 wurden
in jeweiligen Positionen von einer zylindrischen
Metall-Einspannvorrichtung 36 angeordnet durch
Ausrichtung beider Mittelachsen in Linie miteinander und
durch Verwendung eines Klebmittels fixiert. In
gleicher Weise wurden eine optische Einmodus-Faser 33 und
eine Gradientenlinse 35 in jeweiligen Positionen von
einer anderen zylindrischen
Metall-Einspannvorrichtung 37 angeordnet durch Ausrichten beider
Mittelachsen in Linie miteinander und durch Verwendung eines
Klebmittels fixiert. Ein Kopplungsverlust der
optischen Fasern war 0,6 dB. Ein Abstand zwischen
Endflächen der Gradientenlinsen 34 und 35 war 8,4 mm, wenn
beide Einspannvorrichtungen an vorbestimmten Teilen
einer Metall-Einspannvorrichtung 38 mit einer Länge
von 8 mm befestigt wurden.
-
Die Metall-Einspannvorrichtung 38 ist mit Sitzen zum
Installieren und Einstellen der doppelbrechenden
Kristallplatten 24 und 25, der magneto-optischen
Elemente 28 und 29, kombinierten Polarisatoren 26 und 27
und Permanentmagneten 30 und 31 vorgesehen. Die
doppelbrechenden Kristallplatten 24 und 25 aus
Rutileinkristall, deren Trennungsabstand 300 µm gegen ein
Licht mit einer Wellenlänge von 1,55 µm beträgt,
wurden an den vorbeschriebenen Sitzen der
Metall-Spannvorrichtung 38 gemäß einem herkömmlichen Verfahren
installiert. Die beiden Stücke von dichroitischen
Polarisatoren 26 und 27, wie "Polarcor", welches ein
Handelsname der corning Company ist, wurden auf einem
vorbestimmten Teil einer Metall-Spannvorrichtung 39
parallel angebracht und befestigt, indem ihre
Abschneidrichtungen für polarisierte Wellen vertikal
gerichtet wurden. Das magneto-optische Element 28 wie
aus Ho1,1tb0,6Bi1,3Fe&sub5;O&sub1;&sub2; [HoTbBiIG]-Einkristall mit einem
Faradaschen Drehwinkel von 44,1º (bei einer
Wellenlänge von 1,55 µm) wurde an einem vorbestimmten Teil
einer Metall-Spannvorrichtung 40 befestigt, in den
zylindrischen Seltene Erden-Permanentmagneten 30
eingefügt und in diesem befestigt. Auf ähnliche Weise
wurde das magneto-optische Element 29 wie aus
Ho1,1tb0,6Bi1,3Fe&sub5;O&sub1;&sub2; [HoTbBiIG]-Einkristall mit einem
Faradaschen Drehwinkel von 45,8º (bei der Wellenlänge
von 1,55 Mm] an einem vorbestimmten Teil einer
Metall-Spannvorrichtung 41 befestigt, in den
zylindrischen Seltene Erden-Permanentmagneten 31 eingefügt
und darin befestigt. In dem obigen
Ausführungsbeispiel wurden alle optischen Elemente in der üblichen
Weise mit einer nichtreflektierenden Beschichtung mit
der Wellenlänge 1,55 µm in der Mitte versehen.
-
Als nächstes wurden die teilweise zusammengesetzten
Polarisatoren 26 und 27 in einem optischen Block
zusammengesetzt, welcher durch den Buchstaben "A" in
Fig. 11 gezeigt ist, wobei sie zwischen den
magnetooptischen Elementen 28 und 29 gehalten sind.
-
Der zusammengesetzte optische Block wurde dann in
einen vorbeschriebenen Teil der
Metall-Spannvorrichtung 38 eingesetzt und die optische Faser wurde mit
der Halbleiter-Laser-Lichtquelle und die optische
Faser 33 mit einem optischen Leistungsmesser
gekoppelt. Der optische Isolator dieses bevorzugten
Ausführungsbeispiels wurde zusammengesetzt, indem eine
genaue Einstellung der Position der
Metall-Spannvorrichtung 37 innerhalb einer vertikalen Ebene
vorgenommen wurde, welche senkrecht zu einem optischen
Pfad ist, in der Weise, daß die Intensität eines auf
den optischen Leistungsmesser am größten gemacht
wird, indem er mit einem Laserlicht mit einer
Wellenlänge von 1,55 µm, das von der Halbleiter-Laser-
Lichtquelle emittiert wurde, bestrahlt wird.
-
Ein festgestellter leichter Verlust in
Vorwärtsrichtung (die Richtung des Laserlichts "a") des polarisa
tionsunabhängigen optischen Isolators nach diesem
Ausführungsbeispiel war 1,0 dB, während einer
leichter Verlust in Rückwärtsrichtung (die Richtung des
Laserlichts "b") hiervon oder eine optische Isolation
52 dB war.
-
Wenn die Meß-Wellenlänge von 1500 nm zu 1600 nm
geändert wurde, während die Meßtemperatur bei 25º C
gehalten wurde, wurde eine optische Isolation von
mehr als 38 dB erhalten. Weiterhin war, wenn eine
Umgebungstemperatur von -20º C auf 80º C geändert
wurde, während die Meß-Wellenlänge bei 1550 nm
festgehalten wurde, die optische Isolation ebenfalls mehr
als 38 dB.
[Ausführungsbeispiel 2]
-
Die magneto-optischen Elemente 28 und 29 nach dem
zweiten Ausführungsbeispiel haben wismutsubstituierte
Eisengranat-Einkristalle mit Faradaschen Drehwinkeln
von 42,5º und 42,0º verwendet anstelle des
wismutsubstituiierten Eisengranat-Einkristalle nach dem ersten
Ausführungsbeispiel mit den Faradaschen Drehwinkeln
von 44,1º und 45,8º bei der Wellenlänge von 1,55 µm.
Der Rest der Einzelelemente zum Zusammensetzen und
Herstellen eines polarisationsunabhängigen optischen
Isolators nach dem zweiten Ausführungsbeispiel war
derselbe wie der beim ersten Ausführungsbeispiel.
Eine Charakteristik des polarisationsunabhängigen
optischen Isolators nach diesem zweiten
Ausführungsbeispiel wurde in derselben Weise wie die beim ersten
Ausführungsbeispiel gemessen, worin eine optische
Isolation 42 dB betrug und ein optischer
Kopplungsverlust zwischen den optischen Fasern 1,1 dB war.
[Vergleichsbeispiel]
-
Zum Vergleichen einer Wirkungsweise wurde der in Fig.
gezeigte polarisationsunabhängige optische Isolator
gemäß dem Verfahren nach dem Stand der Technik
hergestellt (Japanische Patentveröffentlichung Nr. 58-
28561), das in Fig. 7 gezeigt ist, durch Verwendung
des magneto-optischen Elements aus Ho1,1tb0,6Bi1,3Fe&sub5;O&sub1;&sub2;
[HoTbBiIG]-Einkristall mit dem Faradaschen Winkel von
45,7º. Eine Charakteristik dieses
polarisationsunabhängigen optischen Isolators wurde in derselben Weise
wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel gemessen,
worin die optische Isolation 41 dB und der
Einfügungsverlust 0,9 dB betrufen. Weiterhin wurde die optische
Isolation gemessen durch Festsetzen der
Meßlicht-Wellenlänge auf 1550 nm, während die umgebungstemperatur
verändert wurde, worin die optische Isolation 30 dB
oder weniger war innerhalb eines Bereichs bei oder
unterhalb 0º C oder bei oder oberhalb 60º C.
-
Wie vorstehend beschrieben wurde, ist gemäß dieser
Erfindung ein polarisationsunabhängiger optischer
Isolator vorgesehen, in einem industriellen Maßstab
und niedrigen Produktionskosten, welcher
Eigenschaften hat, die für den optischen Isolator zur
Verwendung bei der Halbleiter-Laser-Kommunikation oder in
dem Kommunikationssystem mit optischen Fasern
erforderlich sind, und insbesondere mit der optischen
Isolation von 30 dB oder darüber, ohne Durchführen
hochgenauer Ausrichtungen der Polarisatoren und
doppelbrechenden Kristallplatten, welche Ausrichtungen
unumgänglich und extrem schwierig waren bei der
Herstellung des polarisationsunabhängigen optischen
Isolators nach dem Stand der Technik.
-
Es ist für den Fachmann offensichtlich, daß sich die
vorgehende Beschreibung nur auf bevorzugte
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung bezieht und
daß verschiedene Änderungen und Modifikationen im
Rahmen der Erfindung durchgeführt werden können, ohne
daß von ihrem Umfang abgewichen wird.