JP2004061997A - Optical isolator - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光源から出射された光を各種光学素子や光ファイバに導入する際に生じる戻り光を除去するために用いられる光アイソレータに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の光アイソレータにおいて、レーザー等の光源から出射した光は、各種光学素子や光ファイバに入射されるが、入射光の一部は各種光学素子、光ファイバを透過する際、反射や散乱を起こす。反射や散乱した光の一部は光源側に戻るが、この戻り光を遮断するため、光アイソレータが用いられる。
【0003】
この種の光アイソレータは、図3に示すように、断面形状が正方形もしくは長方形の偏光子1、検光子2及びファラデー回転子3をそれぞれ部品ホルダ7,8,9に固定し、円形の貫通孔5を有する円柱状の永久磁石4内にファラデー回転子3が配置される様に構成されている。ファラデー回転子3は飽和磁界強度において所定の波長を持つ光の偏光面を45゜回転する厚みを持ち、偏光子1と検光子2はそれぞれの透過偏波方向が45゜回転方向にずれるように回転調整されて構成されている。
【0004】
この様な光アイソレータにおいては、断面形状が正方形もしくは長方形のファラデー回転子3の周囲に丸い貫通孔5を有する永久磁石4を配設する構造となっている為、永久磁石4の貫通孔5の直径はファラデー回転子3の対角線よりも大きくする必要があり、さらにファラデー回転子3を磁気的に飽和する為に十分な磁界を印加するには永久磁石4の肉厚を確保する必要があり、必然的に外径が大きくなり、光アイソレータの小型化が難しかった。この課題を解決するために、図4に示す様に、光学素子が多角形であり、永久磁石4の貫通孔5をファラデー回転子3の形状に合わせた形状とし、従来存在していた永久磁石4と光学素子間の空隙10を磁界印加に寄与するように利用し、永久磁石4の外径寸法を減少することが可能な光アイソレータが提案されていた(特開2002−82309公報参照)。
【0005】
さらに、光アイソレータを半導体レーザーモジュールに組み込む際には、レーザー光の損失を最小にするために、半導体レーザーからの出射光の偏波面と光アイソレータの偏光子1の偏波面を一致させる必要があるが、従来の光アイソレータは円筒形状であるため、光を通しながら回転調整する必要があり、光アイソレータの組み込み工数が多くかかっていた。この課題を解決するために、図5に示す様に、平板状の取り付け基板11上に四角形の偏光子1,検光子2,ファラデー回転子3と直方体の永久磁石4を設置し、偏光子1の透過偏波方向と基板11を平行にすることにより、偏波面の調整を行うこと無しに半導体レーザーモジュールに組み込める光アイソレータが提案されていた(特開平10−227996号公報参照)。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図4に示す従来の構成では、多角形の光学素子であるため、一般に楕円形状である透過光ビームの透過領域に対して、光学素子上にビームが透過しない無駄な部分が存在していた。その為、光アイソレータの小型化に支障を来していた。
【0007】
さらに、図5に示す従来の構造では、四角形の光学素子の両側に直方体の永久磁石を配置する構造であるため、上記と同様光学素子上にビームが透過しない無駄な部分が存在していた。さらに直方体の磁石を二つ使用し、且つ構成部品保持のための平板状基板が存在するため、寸法が大きく、且つ部品点数が多くなり、光アイソレータの小型化に支障を来していた。
【0008】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、平板状のファラデー回転子、偏光子、検光子の各光学素子と、ファラデー回転子に磁界を印加する永久磁石から構成されている光アイソレータにおいて、各光学素子は断面が楕円状であり、上記永久磁石は各光学素子の形状に合致した貫通孔を備え、該貫通孔に各光学素子を挿入固定するとともに、上記永久磁石の外周の一部に、上記偏光子の透過偏波方向と平行な平面部を形成したことを特徴とする。
【0009】
また、上記偏光子の楕円の長軸方向が透過偏波方向と一致していることを特徴とする。
【0010】
すなわち、本発明によれば、各光学素子の断面形状は断面が透過光ビームの形状とほぼ同様の楕円であり、透過光ビームに対してほぼ無駄な部分が無い大きさとなっており、さらに各光学素子を内部に保持する永久磁石の貫通孔の形状及び寸法が各光学素子とほぼ同様であるため、永久磁石の貫通孔寸法が限界近くまで小さくなっており、ファラデー回転子を磁気的に飽和させるために必要な磁界強度を得るための永久磁石の外形寸法を小さくすることができ、光アイソレータの小型化を実現できる。
【0011】
さらに、永久磁石の外周面に設けた平面部を底面として利用することで、各光学素子と永久磁石を保持する平板状の基板を必要とすることなく偏光子の偏波面と底面を一致することが可能となり、光アイソレータを半導体レーザーモジュールに組み込む際には、光アイソレータを回転調整することが不要となる。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図を用いて説明する。
【0013】
図1は本発明の光アイソレータの外観を示す斜視図、図2はその断面図である。
【0014】
偏光子1、検光子2、ファラデー回転子3の各光学素子は断面が楕円の平板状であり、永久磁石4に各光学素子に合致した貫通孔5を備え、この貫通孔5内に各光学素子を固定して構成されている。ファラデー回転子3は飽和磁界強度において所定の波長を持つ光の偏光面を45゜回転する厚みを持ち、偏光子1と検光子2はそれぞれの透過偏波方向が45゜回転方向にずれるように構成されている。
偏光子1、検光子2としては、通常赤外偏光ガラス(例:コーニング社製ポーラコア)を用いる。
【0015】
ファラデー回転子3としては希土類鉄ガーネット単結晶、例えば(HoTbBi)3Fe5O12や、(LuTbBi)3(FeAl)5O12等を使用する。
【0016】
永久磁石4は円柱状であり、その外周面の一部が削除されて平面部6を形成しており、中央に各光学素子を挿入固定する為の貫通孔5を有し、貫通孔5は各光学素子とほぼ同形状且つ同寸法の楕円形であり、永久磁石4の外周面の平面部6と貫通孔5の楕円の長軸が平行となるようにする。
【0017】
外周の平面部6の幅は外周の直径の約50%程度にすれば、平面部6を底面にして光アイソレータを設置したときの安定性にも問題が無い。
【0018】
永久磁石4の材質としては、サマリウム・コバルト系磁石や、ネオジウム・鉄・ボロン系磁石等を使用する。
【0019】
偏光子1、検光子2及びファラデー回転子3と永久磁石4との接合は、接合材12として接着剤、半田、低融点ガラス等を用いる。それぞれの材質固有の熱膨張係数に合わせて接合材を選定する必要がある。熱膨張係数が大きく異なると、固定後に各部品に残留応力が発生し、光学特性を満たさないばかりか製品の信頼性を損なってしまう可能性がある為である。光学素子を永久磁石4の貫通孔5に挿入する前に、貫通孔5の内径に接合剤12をあらかじめ塗布しておく。その後、光学素子を挿入し、光学素子の外周と貫通孔5の内径が接合剤12を介して接合されるようにする。
【0020】
光学素子と永久磁石4の貫通孔5の間の隙間はできるだけ小さい方が光アイソレータの小型化に寄与するため望ましい。理想的には隙間が存在せず、光学素子と貫通孔5の内径が接触していることが望ましいが、接合材12が存在するため、少なくともその厚み分、すなわち約10μm〜100μm程度は隙間が存在することになる。
【0021】
光学素子の加工は、一般に大板状の光学素子基板をダイシングソー等により加工するが、この方法では楕円への加工は困難であるため、楕円形状の型を配列した金型と、シリコンカーバイド等の研削剤を用いた超音波加工で行う。
【0022】
偏光子1を加工する際、偏光子1の透過偏波方向と楕円の長軸が一致するように加工することが好ましい。また、検光子2を加工する際は、検光子2の透過偏波方向と楕円の長軸が45°の角度をなすように加工する。このように加工することで、偏光子1と検光子2をそれぞれの楕円長軸が一致するように永久磁石4の貫通穴5内に挿入固定すれば、光を通しながらの回転調整をすることなく光アイソレータの組立が可能となり、光アイソレータの組立時間削減が可能となる。
【0023】
各光学素子形状は、光アイソレータを透過するビームの形状にできるだけ近づけることが光アイソレータの小型化につながり、望ましい。厳密には超音波加工の際、光学素子の外周部に微少なチッピングが発生するため、その分を透過光ビームより大きくして加工する必要があるが、チッピングを撲滅することが可能であれば透過光ビームと全く同形状、同寸法に加工すればよい。また、必ずしも完全な楕円ではなくともよく、比較的楕円に近い形で、その長軸、短軸が外観上明らかに確認できるようであればよい。また、例えば断面が長方形であっても構わない。その際は長方形の長辺が偏光子1の透過偏波方向と一致するように加工し、永久磁石4の貫通孔5の形状も長方形にすればよい。
【0024】
一般に光アイソレータを透過するビームの形状は、長軸/短軸の比が1.5〜3.0の楕円状であるため、光学素子の形状もこの比の範囲になるような楕円状に加工することが好ましい。
【0025】
【実施例】
ここで、以下に示す方法で実験を行った。
【0026】
本発明の光アイソレータと、従来の光アイソレータをそれぞれ5個作製し、その光学特性及び外径寸法の確認を行った。試作は波長1550nmについて実施した。
【0027】
まず、本発明の光アイソレータについては、偏光子1、検光子2にはコーニング社製の偏光ガラス(商品名ポーラコア1550H)を用い、ファラデー回転子3には希土類鉄ガーネット単結晶を使用した。
【0028】
光学素子の寸法は、楕円の長軸を1.0mm,短軸を0.6mmとした。偏光子1の透過偏波方向が楕円の長軸と平行になるように超音波加工にて加工を行った。また、検光子2の透過偏波方向が楕円の長軸と45°の角度をなすように超音波加工にて加工を行った。
【0029】
永久磁石4は材質としてサマリウム・コバルト系磁石を使用した。楕円の貫通孔5の寸法は、長軸1.05mm,短軸0.65mm、厚み1.5mmとした。外周は直径1.65mm、外周の平面部6の幅を0.9mmとした。この時永久磁石4の中心軸状の磁界強度は、磁石内部で約1200Gとなり、ファラデー回転子3を磁気的に飽和させるには十分な磁界強度が得られる。
【0030】
光学素子と永久磁石4との固定はエポキシ系熱硬化型接着剤を使用し、光学素子の外周部と永久磁石4の貫通孔5の内壁とで接着固定される様にし、光アイソレータの光路上には接着剤が存在しない構造とした。
【0031】
従来の光アイソレータについては、図3に示す構造のものを作製した。偏光子1、検光子2、ファラデー回転子3はダイシングソーによって1.0mm角の正方形のチップに加工した。
【0032】
これらの光学素子をSUS304製の部品ホルダ7,8,9にエポキシ系熱硬化型接着剤を用いて固定した。ファラデー回転子3に磁界を印加する永久磁石4としてはサマリウム・コバルト系磁石を使用した。永久磁石4はリング状になっており、ファラデー回転子3がその内径部の中央にくるように固定する。永久磁石4の内径は1.8mm,外径は2.6mm、厚みは1.1mmとした。そうすることでファラデー回転子3に1200G以上の磁界が印加され、ファラデー回転子3が磁気的に飽和されて、光アイソレータに必要な機能を果たすようになる。
【0033】
それぞれの光学素子を固定した部品ホルダ7,8,9を光学的に調整し、偏光子1と検光子2が45°の角度をなす様に調整し、それぞれの部品ホルダをYAG溶接にて固定して従来の光アイソレータを完成させた。
【0034】
以上の様にして作製した本発明の光アイソレータと従来の光アイソレータの光学特性と外径寸法の比較を表1に示す。
【0035】
【表1】
【0036】
【表2】
【0037】
表1より、本発明の光アイソレータは、従来の光アイソレータと同等の光学特性を持つことが確認できた。更に表2より、本発明の光アイソレータは、外径寸法を従来の2.6mmから1.65mmにすることができ、約36.5%の小型化が実現できた。
【0038】
【発明の効果】
以上の様に本発明によれば、光学素子の形状及び寸法が透過光ビームとほぼ同形状、且つ同寸法の為、光アイソレータの小型化が実現できる。また、永久磁石外周部の平面部と偏光子の透過偏波方向を一致させることで、光アイソレータを半導体レーザーモジュールに組み込む際の回転調整を省くことができ、組立工数の削減が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の光アイソレータを示す斜視図である。
【図2】本発明の光アイソレータを示す断面図である。
【図3】従来の光アイソレータを示す断面図である。
【図4】従来の光アイソレータを示す斜視図である。
【図5】従来の光アイソレータを示す斜視図である。
【符号の説明】
1:偏光子
2:検光子
3:ファラデー回転子
4:永久磁石
5:貫通孔
6:平面部
7:部品ホルダ
8:部品ホルダ
9:部品ホルダ
10:空隙
11:平板状基板
12:接合材[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical isolator used for removing return light generated when light emitted from a light source is introduced into various optical elements and optical fibers.
[0002]
[Prior art]
In a conventional optical isolator, light emitted from a light source such as a laser is incident on various optical elements and optical fibers, but a part of the incident light causes reflection and scattering when transmitting through various optical elements and optical fibers. . A part of the reflected or scattered light returns to the light source side, and an optical isolator is used to block the returned light.
[0003]
As shown in FIG. 3, this type of optical isolator fixes a
[0004]
In such an optical isolator, the permanent magnet 4 having a round through hole 5 is provided around the Faraday
[0005]
Furthermore, when incorporating the optical isolator into the semiconductor laser module, it is necessary to make the plane of polarization of the light emitted from the semiconductor laser coincide with the plane of polarization of the
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional configuration shown in FIG. 4, since the optical element is a polygonal optical element, there is a useless portion where the beam does not transmit on the optical element with respect to the transmission area of the transmitted light beam which is generally elliptical. Was. This has hindered miniaturization of the optical isolator.
[0007]
Further, the conventional structure shown in FIG. 5 has a structure in which rectangular parallelepiped permanent magnets are arranged on both sides of a rectangular optical element, so that there is a useless portion on the optical element similar to the above, in which a beam is not transmitted. Further, the use of two rectangular magnets and the presence of a flat substrate for holding the components, the size is large and the number of components is large, which hinders miniaturization of the optical isolator.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and is configured by a flat Faraday rotator, a polarizer, each optical element of an analyzer, and a permanent magnet that applies a magnetic field to the Faraday rotator. In an optical isolator, each optical element has an elliptical cross section, and the permanent magnet has a through-hole matching the shape of each optical element, and inserts and fixes each optical element in the through-hole. A flat portion parallel to the transmission polarization direction of the polarizer is formed on a part of the outer periphery.
[0009]
In addition, the major axis direction of the ellipse of the polarizer coincides with the transmission polarization direction.
[0010]
That is, according to the present invention, the cross-sectional shape of each optical element is an ellipse whose cross section is almost the same as the shape of the transmitted light beam, and has a size with almost no useless portion for the transmitted light beam. Since the shape and size of the through hole of the permanent magnet that holds the optical element inside is almost the same as each optical element, the size of the through hole of the permanent magnet is reduced to near the limit, and the Faraday rotator is magnetically saturated. The external dimensions of the permanent magnet for obtaining the required magnetic field strength can be reduced, and the size of the optical isolator can be reduced.
[0011]
Furthermore, by using the flat portion provided on the outer peripheral surface of the permanent magnet as a bottom surface, the polarization plane and the bottom surface of the polarizer can be matched without requiring a flat substrate holding each optical element and the permanent magnet. When an optical isolator is incorporated in a semiconductor laser module, it is not necessary to adjust the rotation of the optical isolator.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0013]
FIG. 1 is a perspective view showing an appearance of an optical isolator of the present invention, and FIG. 2 is a sectional view thereof.
[0014]
Each optical element of the
As the
[0015]
As the
[0016]
The permanent magnet 4 has a columnar shape, a part of the outer peripheral surface thereof is removed to form a flat portion 6, and has a through hole 5 in the center for inserting and fixing each optical element. It is an ellipse having substantially the same shape and dimensions as each optical element, and the major axis of the ellipse of the through hole 5 is parallel to the plane portion 6 of the outer peripheral surface of the permanent magnet 4.
[0017]
If the width of the outer peripheral flat portion 6 is about 50% of the outer peripheral diameter, there is no problem in stability when the optical isolator is installed with the flat portion 6 as the bottom surface.
[0018]
As the material of the permanent magnet 4, a samarium / cobalt magnet, a neodymium / iron / boron magnet, or the like is used.
[0019]
The bonding between the
[0020]
It is desirable that the gap between the optical element and the through hole 5 of the permanent magnet 4 be as small as possible because it contributes to downsizing of the optical isolator. Ideally, there is no gap, and it is desirable that the optical element and the inner diameter of the through hole 5 are in contact with each other. However, since the bonding material 12 is present, the gap is at least as thick as the thickness, that is, about 10 μm to 100 μm. Will exist.
[0021]
The processing of an optical element is generally performed by processing a large plate-shaped optical element substrate with a dicing saw or the like. However, since processing into an ellipse is difficult with this method, a mold in which elliptical molds are arranged and a silicon carbide or the like are used. This is performed by ultrasonic processing using an abrasive.
[0022]
When processing the
[0023]
It is desirable that the shape of each optical element be as close as possible to the shape of the beam transmitted through the optical isolator, which leads to downsizing of the optical isolator. Strictly speaking, during ultrasonic processing, micro chipping occurs at the outer peripheral portion of the optical element, so it is necessary to process it by making it larger than the transmitted light beam, but if chipping can be eliminated What is necessary is just to process into the same shape and the same dimension as the transmitted light beam. Further, the shape is not necessarily a perfect ellipse, but may be any shape as long as its major axis and minor axis can be clearly confirmed in appearance in a relatively elliptical form. Also, for example, the cross section may be rectangular. In this case, the long side of the rectangle may be processed so as to match the transmission polarization direction of the
[0024]
Generally, the shape of a beam transmitted through an optical isolator is an ellipse having a ratio of major axis / minor axis of 1.5 to 3.0, and the shape of an optical element is also processed into an elliptical shape within the range of this ratio. Is preferred.
[0025]
【Example】
Here, an experiment was performed by the following method.
[0026]
Five optical isolators of the present invention and five conventional optical isolators were manufactured, and their optical characteristics and outer diameter dimensions were confirmed. The trial production was performed at a wavelength of 1550 nm.
[0027]
First, as for the optical isolator of the present invention, a polarizing glass (trade name: Polar core 1550H) manufactured by Corning Co., Ltd. was used for the
[0028]
The dimensions of the optical element were such that the major axis of the ellipse was 1.0 mm and the minor axis was 0.6 mm. Processing was performed by ultrasonic processing so that the transmission polarization direction of the
[0029]
As the material of the permanent magnet 4, a samarium-cobalt magnet was used. The dimensions of the elliptical through-hole 5 were a major axis of 1.05 mm, a minor axis of 0.65 mm, and a thickness of 1.5 mm. The outer circumference had a diameter of 1.65 mm, and the width of the outer flat portion 6 was 0.9 mm. At this time, the magnetic field strength of the central axis of the permanent magnet 4 becomes about 1200 G inside the magnet, and a magnetic field strength sufficient to magnetically saturate the
[0030]
The optical element and the permanent magnet 4 are fixed with an epoxy-based thermosetting adhesive at the outer peripheral portion of the optical element and the inner wall of the through hole 5 of the permanent magnet 4 so as to be fixed on the optical path of the optical isolator. Had no adhesive.
[0031]
A conventional optical isolator having the structure shown in FIG. 3 was manufactured. The
[0032]
These optical elements were fixed to
[0033]
The
[0034]
Table 1 shows a comparison of the optical characteristics and outer diameters of the optical isolator of the present invention and the conventional optical isolator manufactured as described above.
[0035]
[Table 1]
[0036]
[Table 2]
[0037]
From Table 1, it was confirmed that the optical isolator of the present invention has optical characteristics equivalent to those of the conventional optical isolator. Further, as shown in Table 2, the optical isolator of the present invention was able to reduce the outer diameter dimension from 2.6 mm to 1.65 mm, thereby achieving a reduction in size of about 36.5%.
[0038]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, since the shape and dimensions of the optical element are substantially the same as and the same as those of the transmitted light beam, the size of the optical isolator can be reduced. Further, by making the plane of polarization of the outer peripheral portion of the permanent magnet coincide with the transmission polarization direction of the polarizer, rotation adjustment when the optical isolator is incorporated into the semiconductor laser module can be omitted, and the number of assembly steps can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing an optical isolator of the present invention.
FIG. 2 is a sectional view showing an optical isolator of the present invention.
FIG. 3 is a sectional view showing a conventional optical isolator.
FIG. 4 is a perspective view showing a conventional optical isolator.
FIG. 5 is a perspective view showing a conventional optical isolator.
[Explanation of symbols]
1: Polarizer 2: Analyzer 3: Faraday rotator 4: Permanent magnet 5: Through hole 6: Flat part 7: Component holder 8: Component holder 9: Component holder 10: Air gap 11: Flat substrate 12: Bonding material
Claims (2)
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2002222439A JP2004061997A (en) | 2002-07-31 | 2002-07-31 | Optical isolator |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102955269A (en) * | 2012-11-28 | 2013-03-06 | 索尔思光电(成都)有限公司 | FSI with larger light beam buffer area and design method thereof |
-
2002
- 2002-07-31 JP JP2002222439A patent/JP2004061997A/en active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN102955269A (en) * | 2012-11-28 | 2013-03-06 | 索尔思光电(成都)有限公司 | FSI with larger light beam buffer area and design method thereof |
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