CN105247405B - 法拉第转子及使用该法拉第转子的光隔离器 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的是提供一种能够相对地降低散乱光的影响、抑制光隔离器整体的特性劣化、使用具有至少38dB以上的高消光比的TGG陶瓷烧结体的法拉第转子以及采用该法拉第转子的光隔离器。本发明的特征在于，其为使用平均粒径为0.2～5.0μm的TGG陶瓷烧结体且透射光束直径为0.3mm以上的法拉第转子，优选该TGG陶瓷烧结体实施退火处理。

Description

法拉第转子及使用该法拉第转子的光隔离器
技术领域
本发明涉及使用以Tb3Ga5O12表示的铽镓石榴石(以下，简称为“TGG”)的具有高消光比的法拉第转子及使用该法拉第转子的光隔离器。
背景技术
在光系统中，从作为光源的半导体激光振荡器射出的激光光线，会从位于光通讯的路径途中的光学元件或设置于一部分光传输线途中的部件表面等产生反射光，若这种反射光返回到激光振荡器，会使激光振荡动作变得不稳定，有时可能会导致激光振荡器本身发生损坏。因此，为了遮断返回到激光振荡器的反射光而使用光隔离器，在这种光隔离器中，采用利用了法拉第效应的法拉第转子。
一般来讲，在1200～1650nm的光通讯区域内，使用通过液相外延(liquid phaseepitaxial)法培养的铋置换稀土族铁石榴石作为这种法拉第转子的材料。不过，由于该材料在500～1200nm的光通讯区域会发生起因于铁成分的材料吸收，因此，近年来材料吸收比较少的TGG正得到应用。在该TGG的情况下，通常是将用CZ法培养的TGG单结晶棒进行加工而使用，但是，这种TGG结晶存在如下问题：结晶培养尺寸通常为φ1～2英寸，培养较大的结晶比较困难，除了培养时的变形外，也容易受加工变形的影响。
另外，除了使用CZ法的TGG单结晶培养之外，随著陶瓷技术的提高，正探讨引入TGG陶瓷作为法拉第转子的材料。非专利文献1中介绍了一种热导率及费尔德常数(Verdetconstant)与TGG单结晶同等的TGG陶瓷。另外，在非专利文献2中，对可获得与TGG单结晶同等的法拉第效应、消光比为～40dB非常良好的高质量TGG陶瓷的开发进行了介绍。还有，专利文献3中记载了使用以通式R3Ga5O12(其中，R为选自由包含Y的钐(Sm),铕(Eu),钆(Gd),铽(Tb),镝(Dy),钬(Ho),铒(Er),铥(Tm),镱(Yb)及镥(Lu)组成的组中的至少1种稀土元素)表示的透光性稀土族镓石榴石烧结体作为光隔离器的法拉第转子的技术。
然而，这种TGG陶瓷烧结体被指出存在以下问题，透射光束易受其结晶晶界的影响，并且，与TGG单结晶的情况同样，材料周边部的消光性能会因材料培养时或制造的变形和加工时的变形而恶化，结果导致光隔离器的隔离性能(光隔断能力)恶化。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1《激光研究》第35卷第12号，806页至810页，2007年12月。
非专利文献2《OPTRONICS》No.9，2012年，123页至126页。
专利文献
专利文献1日本专利第5000934号。
发明内容
发明要解决的问题
鉴于上述情况，本发明的目的是提供一种能够相对地降低散乱光的影响、抑制光隔离器整体的特性劣化、采用具有至少38dB以上的高消光比的TGG陶瓷烧结体的法拉第转子以及采用该法拉第转子的光隔离器。
就光隔离器而言，优选其隔离性能(光隔断能力)高，特别优选能得到35dB以上的高隔离性能(光隔断能力)的光隔离器，不过，为此，需要构成光隔离器的各个的光学部件(偏光片，检偏器，法拉第转子)的光透过部的消光比至少在35dB以上，如果考虑到装配馀量的话，需要在38dB以上。另外，例如在2光分离方式的光隔离器中，相对于入射光断面需要有更大面积的消光比高的区域。
然而，光隔离器是由采用TGG的法拉第转子等而构成的，由于这种TGG比较昂贵，从压缩成本的观点，实际当中通常是缩小TGG的外径而使用。但另一方面，若缩小该TGG的外径，在2光分离方式的光隔离器中，2光会透过法拉第转子的外径近旁，外径近旁透过时的隔离性能的劣化成为问题。为了获得至少35dB以上的高隔离性能(光隔断能力)，必要条件是其外径周边的消光比为38dB以上。
因此，为了解决以上所述的TGG陶瓷烧结体的光隔断能力劣化的问题，实现光隔离器的隔离性能(光隔断能力)为38dB以上的条件，本发明人进行了深入的研究，结果判明，在TGG陶瓷烧结体中，当将其透射光束的直径缩小为小于D0.3mm时，将产生受结晶粒界的影响使光散乱的影响变大，光隔离器的光隔断能力恶化这样的新问题。同时还判明，在TGG结晶体中外径研磨加工后的加工变形对特性劣化的影响较大。
并且，本发明人在致力于解决这一新问题的研究中发现，在粒径与透射光束直径之间存在互相依存性，并且，如果分别将透射光束直径设定为0.3mm以上的范围，同时将粒径设定为0.2～5.0μm的范围的话，能够改善隔离性能的劣化，至少能够稳定地确保38dB以上的高隔离性能。同时还发现，对于TGG陶瓷烧结体和TGG结晶体，虽然材料培养时或制造时的变形和加工时的变形会使消光性能恶化，但即使对于TGG陶瓷烧结体，若实施退火处理的话，则与TGG结晶体同样，其消光性能会显著改善，从而促成了本发明。
解决问题的技术方案
即，本发明的法拉第转子的特征在于，使用平均粒径为0.2～5.0μm的TGG陶瓷烧结体，且透射光束直径为0.3mm以上、至少具有38dB以上的消光比。
并且，本发明的TGG陶瓷烧结体的特征在于，其被实施退火处理。另外，本发明的法拉第转子优选用于光隔离器。
发明的效果
能够提供一种能够相对地降低散乱光的影响、抑制光隔离器整体的特性劣化、采用具有至少38dB以上的高消光比的TGG陶瓷烧结体的法拉第转子以及采用该法拉第转子的光隔离器。
附图说明
图1是偏振无关型光隔离器的构成例。
图2是透射光束直径为0.1mm时的消光比与平均粒子直径的关系图。
图3是在工件的各平均粒子直径处的透射光束直径与消光比的关系图。
图4是用CZ法培养的直径φ1.5英寸的TGG结晶的切断截面图，示出了13个测量点。
图5是表示TGG结晶体的初始和研磨后及退火处理后的消光比的测量点的图。
图6是表示TGG陶瓷烧结体的初始和研磨后及退火处理后的消光比的测量点的图。
符号说明
法拉第转子：1
偏光片：2
检偏器：3
1/2波片：4
磁体：5
具体实施方式
以下对本发明的一实施方式进行说明，不过，本发明并非限定于该实施方式。
图1示出了偏振无关型光隔离器的构成例。近年来，在500～1200nm的光通讯区域，光纤激光技术备受关注，而光隔离器被用于该光纤激光技术中。而且，为了能够处理透过光纤的光，这种光隔离器使用图1所示的偏振无关型光隔离器，本发明的TGG的法拉第转子1主要被用于这种偏振无关型光隔离器。
通常，图1的偏振无关型光隔离器是在法拉第转子1的两端配置偏振光材料而构成。入射的光被分离成通常光和异常光，通过法拉第转子1使偏振光方向旋转45度，透过1/2波片4之后，由检偏器3合波后而射出。另一方面，从反方向返回的光由检偏器3分离，透过1/2波片4之后，通过法拉第转子1使偏振光方向旋转45度，到达偏光片2。不过，由于此时的光相对于入射光的路径的偏振光方向相差90度，故不会由偏光片2合波，而是以进一步分离的状态从偏光片2射出，不返回到入射光位置，从而发挥隔离器的功能。
实施例
以下，对本发明的具体实施例进行说明。
实施例1
在实施例1中，首先混合TGG成分，预烧结后，进行热等静压(HIP)，在1250℃下进行烧结得到外径φ6×L22mm的透明烧结体。然后，对该透明烧结体两端进行研磨并实施蚀刻，观察SEM像及其粒径，发现所得到的烧结体的平均粒径为0.2μm。需要说明的是，这里的平均粒径(以下，称“粒径”)，是通过确认任意直线状的粒子数而算出的。
另外，为了调查对该透明烧结体进行追加烧结的情况与粒径的关系，在1400～1700℃下分别进行了5小时追加烧结之后，研磨其两端并实施蚀刻，对粒径进行了确认发现，粒径为0.3～9.8μm。表1给出了该数值。从该表1的结果可以确认到，烧结温度越高粒径越大。
表1样品的追加烧结温度与平均粒径
接下来，为了调查与激光束直径与粒径的关系，对表1中所示各粒径的工件进行研磨加工，并实施无反射涂层(AR涂层)后，以波长1064nm，使激光束直径D变化为2.0、1.0、0.5、0.3、0.2、0.1mm，对各工件中心部位的消光比进行了测量。表2示出了激光束直径D为0.1mm时的各粒径的消光比的测量值，并且图2给出了消光比与粒径的关系。
从这个结果可以确认，当激光束直径D为0.1mm时，被认为是由于结晶粒界影响的消光比的摆动变大，数值的稳定性恶化。
表2
另外，表3示出了使激光束直径D分别变化为2.0，1.0，0.5，0.3，0.2，0.1mm时的各粒径的工件中心部位的消光比的测量值，并且图3给出了激光束直径与消光比的关系。
表3
从这个结果可以确认，在激光束直径D为2.0～0.5mm的范围内，各粒径的消光比显示出大体相同数值，不过，随著激光束直径往0.3，0.2，0.1mm变小，消光性能的劣化变大，在0.2，0.1mm下，无法稳定地获得38dB以上的值。因此，为了稳定地获得消光比38dB以上的值，需要激光束直径D在0.3～2.0mm的范围。另外，还确认到，在激光束直径D为0.3～2.0mm的范围，为了稳定地获得消光比38dB以上的值，粒径需要在0.2～5μm的范围，优选为0.3～3.0μm的范围。
以上结果表明，为了使用以Tb3Ga5O12表示的陶瓷烧结体构成具有高消光比的法拉第转子和具有高隔离性能(光隔断能力)的光隔离器，需要TGG陶瓷烧结体的粒径为0.2～5μm，且法拉第转子的透射光束直径为0.3mm以上。
接下来，就对TGG结晶体和TGG陶瓷烧结体分别进行了退火处理情况下的消光比面内分布进行说明。
首先，对于TGG结晶体，采用CZ法培养直径为φ1.5英寸的TGG结晶体，切断两端部使长度为20mm，然后进行研磨加工，设定了13个相当于5mm的方块区域的测量点。图4表示13个测量点。对于这13个区域的中央部，测量了φ1.0mm的激光束(1064nm)的消光比，结果为33～39dB。另外，在1200℃下对本结晶体实施24小时的退火处理后再一次进行了测量，消光比提高到36～41dB。表4示出了研磨加工后和热处理后的消光比的测量值。
表4培养结晶的消光比
测量点 培养/研磨加工后 热处理后
1 33 36
2 34 38
3 38 40
4 35 38
5 31 37
6 36 41
7 39 40
8 35 40
9 33 37
10 34 38
11 36 40
12 35 39
13 33 36
从以上测量结果可以确认到，在研磨加工后的TGG结晶体中，越往工件的周边部(测量点1，5，9及13)消光比越恶化，不过，该周边部的消光比的劣化，可通过实施退火处理加以改善。
另外，将光束从φ1.0mm缩小为φ0.5mm，并在图4表示的13个测量点对消光比进行测量的结果，同样确认到，越往工件的周边部消光比越恶化，不过，通过对本工件再次在1250℃下实施24小时的退火处理，周边部的消光比得到了改善。
再者，对于将以图4中数字7所示的部分设想为5mm的方块时的TGG结晶体的初始消光比面内分布与切出5mm的方块并将外径研磨加工成φ4.5mm研磨后的消光比面内分布，如图5所示，以工件中心为基准，以纵·横0.5mm的间隔分别在纵·横方向上的9个测量点使用φ0.5mm的激光束进行了测量。此后，将研磨后的TGG结晶体实施退火处理，并对其面内分布也进行了测定，从而得到表5所示的测量结果。
表5样品(TGG结晶体)的消光比面内分布
通过这个测量结果可以确认，在这种TGG结晶体中，初始消光比及研磨加工后的消光比均是越往工件周边越恶化，但这种周边消光比的劣化可通过实施退火处理得到显著的改善。
然后，对于TGG陶瓷烧结体，使用表面所示的平均粒径0.3μm的TGG陶瓷烧结体进行了同样的步骤。具体而言，对该陶瓷烧结体进行研磨加工，如图6所示，以纵·横0.5mm的间隔，分别在纵·横方向设定9个测量点，使用φ0.5mm的级光束，测定了初始消光比的面内分布。此后，测定了将外径研磨加工成φ4.5mm研磨后的消光比面内分布和将其实施退火处理(1400℃，3小时)后的面内分布，得到如表6所示的测量结果。
表6样品(陶瓷烧结体)的消光比面内分布
通过这个测量结果可以确认，TGG陶瓷烧结体的情况也和TGG结晶体同样，周边部消光比的劣化能够通过实施退火处理而得到显著地改善。
比较例
使用对实施例1的TGG陶瓷烧结体实施研磨并在外周近旁观察到消光比的劣化的图5中的工件，构成如图1所示的光隔离器，所得到的光隔离器的光学特性如下：插入损耗为0.20dB，光隔离性能为34.1dB，由于外周部的消光比劣化区域的影响，为小于35dB的低光隔离性能值。
实施例2
另一方面，从在上述比较例中使用的光隔离器中取出TGG陶瓷烧结体，剥离除去AR涂层面的薄膜，以与追加烧结同样的温度(1400～1700℃)实施两小时的退火处理，之后再次进行研磨加工后实施AR涂层，并对该工件的消光比进行测定，结果确认到了退火处理的效果对外径近旁的消光比的改善。并且，使用该工件再次构成光隔离器，并测量其光学特性，得到了插入损耗0.19dB，隔离性能40.2dB的较高数值。

Claims (1)

1.一种使用法拉第转子制造光隔离器的方法，包括：
将烧结TGG粉得到的由Tb3Ga5O12表示的陶瓷烧结体进一步在1400-1700℃温度范围内追加烧结，以提供平均粒径大于3.0微米但不超过5.0微米的陶瓷烧结体；
研磨所述陶瓷烧结体；
在所述研磨之后在1400-1700℃温度范围内退火所述陶瓷烧结体。
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