光アイソレータのチュートリアル

機能
光アイソレータはパッシブ型の磁気光学デバイスで、1方向にしか光を透過しません。 アイソレータの後方(下流)で生じる後方反射や信号から光源を保護するために使われます。 後方反射によって、レーザ光源の損傷や、モードホップや振幅変調、周波数シフトが生じる場合があります。 高パワーの用途では、後方反射が、光学系を不安定にし、出力スパイクを発生させる可能性があります。

光アイソレータの1方向性は、ファラデ 効果により実現されます。 1842年にMichael Faradayは、光が磁場にさらされたガラス(または別の材質)を透過すると、偏光面が回転するということを発見しました。 回転の向きは光の伝播方向ではなく、磁場の方位によって決まります。したがって回転は非相反的です。 回転量βはV x B x dで表されます。ここでV、B、dはそれぞれ下記のように定義されます。

図1. ファラデーローテータの直線偏光への影響

ファラデ回転

β = V x B x d

V:ベルデ定数。光学物質の特性でradian/T • mで表される。　

B:磁束密度でテスラで表される。

d:光学物質を通過する光路の長さで、mで表される。

光アイソレータは、入射側偏光子、マグネット付きファラデーローテータ、出射側偏光子から構成されます。 入射側偏光子は、直線偏光だけをファラデーローテータに透過するフィルタとして機能します ファラデ素子によって入射光の偏光面は45°回転させられて、その後に光はもう1つの直線偏光子から出射します。 そこで入射信号に対して出射光は45°回転していることになります。 逆方向では、ファラデ回転子は順方向においてと同じ方向に光の偏光面を回転し続けるので、光の偏光面は入射信号に対して 90°回転していることになります。 光の偏光面は、この時点で入射側偏光子の透過軸に対して垂直となり、光エネルギーは偏光子の種類によって反射または吸収されます。

図2.1段型の偏光依存型アイソレータ。逆方向に伝搬する光は、入力側偏光子によって遮断されます。

偏光依存型アイソレータ

順方向モード
この例では、入力側偏光子の軸は垂直です( 図2では0°)。 レーザ光は偏光に関係なく、入射偏光子に入ると直線偏光に切り出されます。 その後、ファラデーローテータによって、ロッドは偏光面 (POP)を同じ方向に45°回転させます。 最終的に、光は軸45°の出射側偏光子から出力されます。 そのため、光は45°のPOPでアイソレータを離れます。

2段型のアイソレータでは、出射側偏光子から出力された光がさらにファラデーローテータと偏光子を通るため、1段型のアイソレータよりもアイソレーションが高くなります。

逆方向モード
アイソレータを逆方向に進む光は最初に出射側偏光子に入ります。出射側偏光子により、光を入射側偏光子に対して45°の直線偏光に切り出されます。 この光がファラデーローテータのロッドに入るとロッドは偏光面(POP)を同じ方向に45°回転させるので、入射側偏光子に対して全部で90°回転することになり、光の偏光面はこの時点で入射側偏光子の透過軸に対して垂直なので、光は偏光子によって反射または吸収されます。

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図3.1段型の偏光無依存型アイソレータ。 逆方向からの光は入力ポートには結合せず、筐体で散乱・吸収されます。

偏光無依存型ファイバーアイソレータ

順方向モード
偏光無依存型ファイバーアイソレータでは、入射光は複屈折性結晶によって2つに分岐します(図3参照)。 分岐した2本の光は、ファラデーローテータと1/2波長板によって偏光回転され、2つ目の複屈折性結晶により再結合されます。

2段型のアイソレータでは、1段型のアイソレータに加え、さらにファラデーローテータ、1/2波長板、複屈折性ビーム分離プリズムが追加されており、光はこれらの素子を通ってコリメートレンズに出射されるため、1段型のアイソレータよりもアイソレーションが高くなります。

逆方向モード
後方反射光などの逆方向から入力する光は、2つ目の複屈折性結晶に入射し、2本のビームに分岐します。 逆方向に進行する光では1/2波長板による偏光回転はファラデーローテータによる偏光回転により相殺されます。2本の光はいずれも、入射側の複屈折性ビーム分離プリズムから出力後、入力ポートに結合されず、アイソレータ筐体の壁に当たり散乱・吸収されます。これによって、逆方向からの光は入力側ファイバに伝搬しません。

一般情報

損傷閾値
当社のアイソレータは、市場に出ている従来のアイソレータと比べて高い透過率とアイソレーションを持っています。 さらに、25年の実績と5つの米国特許に裏打ちされ、同じ開口数の他社製品よりも小型で高性能な製品が揃っています。可視域からYAGレーザ波長までのアイソレータには、ファラデーローテータ 結晶としてTGG (テルビウムガリウムガーネット)を使用しています。TGGは光学品質、ベルデ定数、高出力レーザ耐力において極めて優れています。 当社のTGGアイソレーターロッドは、1064nmにおいての損傷閾値は15nsパルス(1.5GW/cm²)で22.5J/cm²、CWレーザで 20kW/cm²という試験結果となっています。 しかしながら、ビームのホットスポットによって引き起こされるレーザーパワーによる損傷に関しては当社が保証できないことにご留意ください。

図4. アイソレータ IO-5-780-HP入射前と出射後のパルス分散測定値

磁石
アイソレータのサイズと性能を決定する時、磁石は主要な要素となります。 磁石のサイズは、磁場強度だけではなく機械的設計によっても左右されます。当社の磁石の多くは単品ではなく複数の部品を組み合わせたものです。 当社独自のモデリングシステムによって、サイズ、光路長、回転、磁場の均一性に影響を与える 多くのパラメータを最適化しています。 当社の米国特許4,856,878 には、複数のYAGレーザ用の大口径アイソレータで採用されている設計に関して説明されています。 これらのアイソレータのまわりには強力な磁場があるので、5cm以内に鉄や磁性体を近づけないようにしてください。

温度
磁石およびファラデーローテータは、温度に依存性があります。温度が上昇するにつれ、磁場強度とベルデ定数は減少します。 使用温度が室温との間に±10 °C以上差がある場合には、当社までご相談ください。

パルス分散
屈折率が1を超える材質内を、パルスが伝播するとパルス幅は拡がります。 この分散はパルス幅に反比例するため、超高速レーザではこの傾向が顕著になります。

τ: アイソレータ入射前のパルス幅

τ_(z): アイソレータ出射後のパルス幅

例:
t = 197 fs results in t_(z) = 306 fs  (右写真)
t = 120 fs results in t_(z) = 186 fs

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カスタムアイソレータの例
カスタム仕様狭帯域波長可変アイソレータ。異なる入力偏光子と出力偏光子で波長650 nm、温度40 °C用に最適化

非標準のカスタム品

お客様のご要望に最大限にお応えするため、ご希望の多いフリースペース型とファイバーアイソレータを標準品としてご用意しております。現在では90種類を超えるアイソレータを標準品としてラインナップしています。当社ではさらに、開口サイズ、波長範囲、パッケージサイズ、偏光子の異なる非標準品のアイソレータもカスタム品としてご提供しております。また、特定の動作温度にチューニングしたアイソレータや、発熱素子や冷却素子とサーミスタを内蔵したアイソレータを製造することも可能です。 非標準品のアイソレータのお見積りにつきましては、下記フォームを当社に送信していただくか、または当社までご連絡ください。

アイソレータにつきましては、当社では長年カスタム対応を行っており、様々な組み込み製品、研究機関のご要望にお応えして製品をご提供してきた実績があり、特別な設計要求仕様に合わせた製品をお届けすることができます。さらに、カスタム仕様のアイソレータのご提供とは別に、お客様のご用途に合わせた様々なカスタムアプリケーションサービスもご提供しています(上のカスタムアプリケーションサービス例をご参照ください)。

フリースペース型アイソレータ

当社では標準品以外のフリースペース型アイソレータをニーズに柔軟に対応して製造しております。お客様のニーズに対応するため、当社の標準的な製品仕様に関しては、ほぼ全ての組み合わせで対応いたします。右の表には、ご提供可能な仕様の範囲が記載されています。

狭帯域波長と広帯域波長のいずれの製品仕様も選択可能です。製品のサイズは、必要とされる最大パワー値と開口サイズによって決まりますので、特別なご要望があれば、当社までお問い合わせください。

ファラデーローテータ

ファラデーローテータは、532 nm～1550 nmの中心波長でご用意しております。当社のアイソレータに内蔵されている部品と同じ製品で、入射偏光を45°回転させます。偏光回転角度や中心波長の異なるファラデーローテータをご希望の場合には当社までご連絡ください。

ファイバーアイソレータ

当社は、光学素子、ファイバ結合デバイスやアイソレータの経験を活かし、ファイバーアイソレータに関して、総合的なソリューションをご提供しています。広範囲の仕様をカバーするために、柔軟な製品設計を行なっています。現在は、1064 nm近辺の波長で、ファイバーアイソレータの最大パワー値を高める方向で設計・開発を進めています。またASEフィルタやタップを統合したモデルもご提供可能です。当社で対応可能な仕様の範囲については、右表をご参照ください。

多くの場合、ファイバの仕様がアイソレータの対応できる最大パワーを決定します。当社は組み込み製品、研究機関などで標準的なシングルモード、マルチモード、偏波保持(PM)ファイバ、ダブル、またはトリプルクラッドファイバに加え、10 µm～30 µmのLMAファイバやPM LMAファイバなど特殊なファイバの製造でもカスタム品の実績を積んでいます。

波長633 nm以下でご利用の場合は、フリースペース型アイソレータをFiberBenchと組み合わせて、ファイバ結合コンポーネントを構成していただくことをお勧めしています。FiberBenchシステムは、良好な結合効率でフリースペース型光学素子を光ファイバーシステムとしてお使いいただけるように設計された小型ベンチタイプのモジュールです。ご要望に応じて、下の写真のように、アイソレータを2個の位置決めピンが付いた光学マウントに取り付けた状態でお届けすることも可能です。

当社では現在、光ファイバーアイソレータを可視領域まで拡張する開発に取り組んでいます。詳細については、当社までお問い合わせください。

カスタム仕様光ファイバーアイソレータ

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カスタム仕様フリースペース型アイソレータ、波長633 nm以下

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2個のスチール製ピンがFiberBenchに差し込まれています

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マウント済みアイソレータ

受注オプション

下の表では、当社が過去に製造したアイソレータやローテータの特注品に関する情報を掲載しています。当社では製造したカスタム仕様アイソレータの部品のほとんどを在庫しています。 お見積りをご希望の場合には下記のNon-Stock Isolator Worksheetをご使用ください。

カスタム品注文書

カスタム仕様のアイソレータのお見積りをご希望の場合は、下記を入力して送信するか、当社まで直接ご連絡ください。

下のセレクションガイドは、当社のファイバーアイソレータの全ての製品が掲載されています。 波長域ごとの該当製品や仕様、アイソレータの種類についての詳細は、下のカラーバーをクリックするとご覧いただけます。尚、当社ではフリースペース型アイソレータやカスタムアイソレータもご提供しております。