JP2004102218A - Optical isolator element, its manufacturing method, and optical isolator using the same - Google Patents
Optical isolator element, its manufacturing method, and optical isolator using the same Download PDFInfo
- Publication number
- JP2004102218A JP2004102218A JP2003021093A JP2003021093A JP2004102218A JP 2004102218 A JP2004102218 A JP 2004102218A JP 2003021093 A JP2003021093 A JP 2003021093A JP 2003021093 A JP2003021093 A JP 2003021093A JP 2004102218 A JP2004102218 A JP 2004102218A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- optical isolator
- flat
- optical
- bonding
- faraday rotator
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Polarising Elements (AREA)
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した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用素子とその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
光通信用モジュール等において、レーザ光源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や光ファイバの端面や内部で反射されたり散乱されたりする。この反射や散乱した光の一部は、戻り光として光源に戻ろうとするが、この戻り光を防止するために光アイソレータが用いられる。
【0003】
従来、この種の光アイソレータは、2枚の偏光子の間に平板状のファラデー回転子を設置し、これら3つの部品を筒状の磁石内に部品ホルダを介して収納することにより構成されていた。通常、ファラデー回転子は飽和磁界内において所定の波長をもつ光の偏光面を45°回転する厚みに調整され、また2つの偏光子はそれぞれの透過偏光方向が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】
このような構成の光アイソレータは、ファラデー回転子と2つの偏光子が別部品で各素子にホルダが必要であり、そのため部品点数が多くなり組立工数が多くなるばかりか、各部品間の光学上の調整作業が煩雑で、コスト高を招いていた。また小型化が難しかった。
【0005】
このため、平板状のファラデー回転子の両面にそれぞれ平板状の偏光子を接着一体化した構成の光アイソレータ用素子を、筒状の磁石内中央部に配置した光アイソレータも提案されている。
【0006】
図6は従来の小型化された光アイソレータ15の構成を示す図である。
【0007】
特許文献1には図6に示す従来の光アイソレータが示されており、以下にその構成について説明する。
【0008】
光アイソレータ15はファラデー回転子16、偏光子17、18を光透過性が良く屈折率が制御されている光学接着剤19で接着した光アイソレータ用素子20と筒状の磁石21とからなる。ここで偏光子17、18は透過する光の一方向の偏波成分を吸収し、その偏波成分に直交する偏波成分を透過する機能を有し、また、ファラデー回転子16は飽和磁界強度において所定波長の光の偏波面を約45度回転する機能を有する。また2つの偏光子17、18は、それぞれの透過偏波方向が約45度ずれるように配置されている。
【0009】
図7は従来の光アイソレータ用素子20の製造方法を示す図である。
【0010】
まず図7(a)(b)に示すように、10mm角程度の偏光子基板22とファラデー回転子基板23と偏光子基板24を接着一体化する。ここで偏光子22の透過偏波方向はある1辺に平行な方向に設定されており、偏光子24の透過偏波方向は、ある1辺に45度の方向に設定されている。各光学基板の固定は、偏光子22とファラデー回転子23、および偏光子24は互いの1辺が平行になるよう接着される。また、各光学素子の接着一体化には、前述したように光学的に透明な樹脂が接着剤として用いられ、一般的にエポキシ系、アクリル系の有機系接着剤が使用されている。
【0011】
ここで、光アイソレータに高いアイソレーションが要求される場合は、ファラデー回転子の偏波回転角度45+α度に対し、偏光子22と偏光子24の回転ズレを45−α度に精密に調整する必要がある。具体的には光を逆方向から(偏光子基板24側から)入射し、透過してくる光が最も小さくなるように偏光子22と偏光子24を回転調整する。
【0012】
次に図6(c)(d)に示すように、光アイソレータ用素子基板25を、ダイシング等で小さなチップ状の多数の光アイソレータ用素子20に加工する。
さらに筆者らは、各光学素子の接合に樹脂を用いない小型化された光アイソレータを提案した。
【0013】
この光アイソレータ用素子20を作製する場合には、大型の偏光子基板とファラデー回転子基板を交互に積層して、接着完了後にこれをカットして多数個の光アイソレータ用素子20を得るといった方法を用いることにより、作業性や生産量を高くし、さらに部品点数を削減することができる。なお、前記光学接着剤19としては、一般的にエポキシ系、アクリル系の有機系接着剤が使用されている。
さらに筆者らは、各光学素子の接合に樹脂を用いない小型化された光アイソレータを提案した。
【0014】
特許文献2には樹脂を用いない小型化された光アイソレータが示されており、これは図6に示す光アイソレータ用素子20の接合に樹脂を用いず、透光性の低融点ガラスを用いたものである。その製造方法は、図7に示すものとほぼ同じであるが、偏光子基板22とファラデー回転子基板23と偏光子基板24を一体化する際に、透光性の低融点ガラスを素子間に挟み込み、低融点ガラスが溶融する温度において、各素子を接合するものである。
【0015】
【特許文献1】
特開平4−338916号
【特許文献2】
特開平8−146351号
【0016】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述のようにファラデー回転子16の両面に板状の偏光子17、18を接着剤19により一体化した光アイソレータ用素子20において接着剤19が有機系接着剤の場合は、耐湿性が劣り、特に高温高湿条件下での使用が制限される問題がある。また、長時間あるいは高出力のレーザ光中の使用では接着剤19の変質の危険があり、信頼性に問題がある。
【0017】
また、光アイソレータ用素子20をレーザモジュールに組み込む際、光アイソレータ15は高温下に曝されるが、接着剤19として有機系接着剤を用いた場合はこれが分解し、気泡の発生、部材の脱落等が生じる。さらに、有機系接着剤19からのアウトガスはレーザチップやレンズなどの光学部品表面上に付着し、光学特性を劣化させる危険がある。
【0018】
また、ファラデー回転子16の両面に板状の偏光子17、18を低融点ガラス19により接着して一体化した光アイソレータ用素子20においては、低融点ガラス19のガラス転移温度が数百度と高く、これを溶融させ各部材同士を固着させた後、室温まで冷却する際、熱応力が増加し、クラック等が発生する危険がある。また、ファラデー回転子16に熱応力が加わるとこれを透過する光の消光比が劣化し、光アイソレータ15の諸特性、特に逆方向損失特性が劣化する。
【0019】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、1以上の平板状のファラデー回転子と2以上の平板状の偏光子を、直接接合することにより積層、一体化させたことを特徴とするものである。
【0020】
また、1以上の平板状のファラデー回転子と2以上の平板状の偏光子を、無機材料からなる多層膜を介して直接接合することにより積層、一体化させたことを特徴とするものである。
【0021】
さらに、1以上の平板状のファラデー回転子と2以上の平板状の偏光子を積層、一体化させた光アイソレータ用素子において、前記平板状のファラデー回転子と前記平板状の偏光子からなる被接合材料の表面を清浄化する工程と、真空中にて前記被接合材料同士を接触させ、ファンデルワールス力により接合する工程を含む光アイソレータ用素子の製造方法を特徴とするものである。
【0022】
また、前記平板状のファラデー回転子と前記平板状の偏光子からなる被接合材料の表面を清浄化する工程と、前記被接合材料における接合面のうち少なくとも1つの表面に水酸基を吸着させて表面を活性化させる工程と、真空中にて前記被接合材料同士を接触させ、一方の被接合材料表面の水酸基と他方の被接合材料表面の酸素原子との間に生じる水素結合力により接合する工程を含む光アイソレータ用素子の製造方法を特徴とするものである。
【0023】
さらに、前記被接合材料の表面に無機材料からなる多層膜を形成する工程を含む、光アイソレータ用素子の製造方法を特徴とするものである。
【0024】
また、前記被接合材料の接合を室温下にて行うことを特徴とするものである。
【0025】
さらに、前記光アイソレータ用素子の周囲に磁石を備えて光アイソレータを構成することを特徴とするものである。
【0026】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。
【0027】
図1は、本発明の光アイソレータの実施形態を示す斜視図である。
【0028】
図1に示すように、光アイソレータ1はファラデー回転子2、偏光子3、4を、直接接合することにより積層し、一体化した光アイソレータ用素子5と筒状の磁石6とからなる。なお、光アイソレータ用素子5は大型のファラデー回転子基板と同じく大型の偏光子基板2枚を直接接合させた後、適当な大きさに細分化し、作製される。
【0029】
ファラデー回転子2は、例えばビスマス置換ガーネット結晶等で、その厚みは所定の波長をもつ入射光線の偏光面が45度回転する様に設定する。一般に、偏波面を回転させるためには、入射光線の光軸L方向に十分な磁界を印可することが必要である。また、自己バイアス型のファラデー回転子を用いれば磁石なしでも光アイソレータ1は動作し、磁石6は不要となる。
【0030】
2枚の偏光子3、4は、入射する光の1方向の偏光成分を吸収する機能を有する吸収型偏光子、あるいは入射する光の1方向の偏光成分を分離または合成する複屈折性偏光子で構成される。例えば、ファラデー回転子2が入射する光の偏光面を45゜光軸まわりに回転させるもので、偏光子3、4として吸収型偏光子を用いた場合、偏光子3の透過偏光方向を偏光子4の透過偏光方向に対して45゜光軸まわりにずらした構成とすればよい。
【0031】
本実施例においては、偏光子3とファラデー回転子2の接合面、およびファラデー回転子2と偏光子4の接合面は、各表面の原子同士が常温下で直接接合されており、接着剤等の異種材料は存在しない。偏光子3、4とファラデー回転子2の接合界面には、数nmの非常に薄い中間層が存在するのみである。
【0032】
図2は本発明の光アイソレータ用素子の作製方法を示す図である。
【0033】
先ず図2(a)に示すように、大型の偏光子基板とファラデー回転子基板を直接接合すべく、光学素子7(大型の偏光子基板及びファラデー回転子基板)の表面を研磨により平滑化し、次に図2(b)に示すようにスパッタにより清浄化、表面活性化する。
【0034】
研磨工程は、化学的な腐食作用のある液体に、セラミックスやダイヤモンドの研磨砥粒を混ぜて研磨するCMP(Chemical Mechanical Polishing)と呼ばれる方法等を用い、平坦度10μm以下、面粗さ10nm以下の超平滑面が望ましい。また接合のためには、表面の加工変質層を除去するよう研磨加工する。上記の研磨方法は数nm単位で研磨が可能で研磨層の下部にほとんどダメージを与えない。また、単なる機械研磨では、平坦度、面粗さは所望の値を達成しても加工により化学的に変化した加工変質層が残存し、この後の面接合ができない。
【0035】
なお、CMPは、ポリッシュと洗浄からなる。ポリッシュは、図2(a)に示すように光学素子7を超純水中でポリッシングパッド8を用いてポリッシュした後、平均粒径30nmのSiO2粒子をNaOH溶液に懸濁させたコロイダルシリカ9中でポリッシュする。洗浄は、(イ)アルコールによる超音波バス、(ロ)超純水による超音波バス、(ハ)スピンドライヤーにて乾燥する。なお各工程間は超純水でリンスされる。
【0036】
上記研磨工程の後、図2(b)に示すように、大型の光学素子7(偏光子基板とファラデー回転子基板)を真空槽10内に対向しておき、イオンビームまたは中性の原子を各光学素子に照射することにより清浄化、表面活性化を行う。これは大気中で接合表面に付着した気体分子の層や汚染物や酸化膜を除去して、清浄な面を出すためである。表面活性化は通常、アルゴン高速原子ビームなどの不活性ガス(Fast Atom Beam)を照射し、スパッタすることにより、物質表面をエッチングすると、これらの表面層を除去することができ、この処理により接合面は他の原子と強い結合力をもつ活性な状態になる。
【0037】
ここで真空槽10は真空ポンプ11によって排気、真空化され、その真空度は接合面の洗浄度に影響を与えるため、できるだけ高い方が望ましく、現実的には10― 2Pa以上が必要である。また、図2(b)中で12はビーム源、13は不活性ガス導入装置を示す。ここでイオンビームまたは中性原子の照射強度、照射時間を適宜設定し、光学素子7表層の約10nm程度を除去する。光学素子7を真空槽10内に配置し、真空ポンプ11によって10−4Pa程度まで排気する。次にアルゴンなどの不活性ガスによるイオンビームまたは中性の原子を各光学素子に照射する。
【0038】
上記工程を経た後、真空中、室温下にて各光学素子7の表面同士を面全体で密着させるとファンデルワールス力により自然に吸着する。なお、清浄化された光学素子7表面は、非結合状態になっている軌道、つまりダングリングボンドが多く発生する。これらのダングリングボンドは極めて活性であるからそのまま放置すると、たとえ真空槽10を高真空に維持しても、真空槽10内に残留している窒素や炭素、炭化水素等の不純物が表面に化学吸着して表面を不活性化してしまう。そこで、光学素子7の清浄工程の後、それぞれを密着させるまではなるべく短時間で終了させる必要がある。
【0039】
また各光学素子7の接合を強固にするために、面密着時に加圧することが望ましい。ここで、加圧力は、接合面の面粗さに大きく関係し、例えば接合面が10nmRa程度の面粗さの場合は、1kgf程小さな加圧でも表面間の密着は達成される。
【0040】
ここで、図1に示す光アイソレータ1に高いアイソレーションが要求される場合は、ファラデー回転子2の偏波回転角度45+α度に対し、偏光子3と偏光子4の透過偏波方向の回転ズレを45−α度に精密に調整する必要がある。具体的には大型のファラデー回転子基板と大型の偏光子基板2枚を接合する際、光を逆方向から入射し、透過してくる光が最も小さくなるように大型の偏光子基板同士を回転調整する。なお、大型の偏光子基板の外形に対する透過偏波方向や大型のファラデー回転子基板の偏波回転角等、各光学素子7の偏光特性をあらかじめ測定しておけば、真空層10内にて各光学素子7外形の相対角度を調整した後、互いに接合することにより、優れた光学特性をもつ光アイソレータ用素子5を得ることが出来る。
【0041】
なお、ファラデー回転子2と2枚の偏光子3、4を直接接合すると、境界部分ではそれぞれの屈折率が異なるため、入射した光線の一部が反射されるが、境界部分に面する光学素子7の表面に、あらかじめ無機材料の多層膜からなる反射防止膜を施すことによりこれを防止することができる。その場合、境界部分は、例えばSiO2あるいはTiO2あるいはTa2O5からなる約数百nmの膜同士の接合となるが、接合原理は変わらない。また、成膜された反射防止膜の表面に、隣接する光学素子の屈折率と同様の屈折率を持つ材料を数百nmから数μm成膜しておけば、清浄化工程により表層の数十nmが除去されても反射防止膜は正常に動作する。
【0042】
最後に、図2(c)の様に直接接合された大型の光学素子14をダイシングやワイヤーカット等の方法を用い、適当な大きさにカットして多数個の光アイソレータ用素子5を得る。
【0043】
図3は本発明の光アイソレータ用素子5の接合界面を示す模式図である。
【0044】
まずあらかじめ研磨砥粒37により接合表面を平滑化する。平滑化された偏光子基板表面の原子32、およびファラデー回転子基板表面の原子33には酸化膜や汚染物質35が付着結合している。これをイオン、又は中性原子36によりエッチング清浄化し、原子32、33の結合手が出るように表面の活性化を行う。この結合手が残る活性化された表面が互いに接触すると、原子同士が互いに結合し物質の接合が行われる。この時、原子レベルでは多少でこぼこしていても、表面間に働く原子間力によって接合が可能でありが、さらに原子同士を密着させ結合させるために加圧を行っている。
【0045】
このように接合された偏光子基板とファラデー回転子基板は非常に強い接合強度を示し、バルクとほぼ同じ強度を有する。また本発明の原理から、各素子の表面原子状態は、素子の接合強度に非常に重要な要素であることがわかる。
【0046】
図4は本発明の第2の実施形態を示す斜視図である。
【0047】
光アイソレータ素子30は偏光子3とファラデー回転子2と偏光子4からなり、これらは各素子の接合表面に形成された軟質材38で接合されている。軟質材は金属あるいは半金属の薄膜で、その成膜は蒸着やメッキ等により行う。また、その厚みは損失の増大や偏波特性等の光学的影響がない厚みとする必要があり、光の波長をλとすると軟質材の厚みはλ/4以下であることが好ましい。
【0048】
軟質材を接合表面に蒸着することにより、その表面はSiO2やTiO2の誘電体硬質材より軟らかくなるため、加圧した際に変形し、より接合しやすくなる。軟質材としては、金属では、例えばAu、Al、Ag、Cu、Sn、Zn、Ga等、半金属ではSiあるいはこれらの金属を主成分とする合金を用いる。
【0049】
本実施形態の製造方法は前述した図2に示す方法と同じである。しかし、平滑化度、真空度、加圧力は、直接SiO2やTiO2を接合する第1の実施例にくらべて、接合条件はゆるくなり、常温接合がしやすくなる。
【0050】
また安定な接合を得るためには、互いの接合界面の原子は同一の金属・半金属であることが望ましい。例えばアルミニウム(Al)あるいはシリコン(Si)の薄膜を偏光子基板、およびファラデー回転子基板の接合面に数十nmの厚みにあらかじめ蒸着し接合する。
【0051】
以上、上記製造工程では大型の光学素子14を作製する際、ファラデー回転子基板と偏光子基板の接合表面を平滑化、清浄化し、光学素子7表面を活性化させた上で両者を密着、加圧し、ファンデルワールス力により直接接合させたが、さらに各光学素子7表面に水酸基を吸着させて、光学素子表面を活性化させた上で両者を密着させ、水素結合力により直接接合を行う方法もある。
【0052】
この場合、水酸基を吸着させるためには、真空雰囲気中で、清浄化された光学素子7に水分子を吹き付けて水分子と水酸基を吸着させた後に、前記水分子を除去する程度のエネルギーをプラズマビームやマイクロ波等にて光学素子7表面に与え、吸着した表面の水分子を除去し、水酸基のみを残留させればよい。
【0053】
もしくは、水分子に高周波あるいは直流電圧を印加し、その発生する電磁界によって、あるいはその電磁界により生成されたプラズマエネルギーによって水分子を水酸基に分解し、水酸基の形で、清浄化された光学素子7表面に噴射して水酸基を吸着させることでも実現できる。
【0054】
このように、本発明では光学素子7同士が直接接合されており、接着剤等の有機物は一切用いていないため耐湿性に優れた光アイソレータ用素子5を得ることが出来る。
【0055】
また、光アイソレータ用素子5にはLD光源からの高出力光が通過するが、光学素子7同士を接着剤により接合した場合は、接着剤部分が劣化し透過率が増加することにより、光アイソレータ用素子の挿入損失特性の劣化が懸念される。しかしながら本発明では、接着剤等の有機物は一切用いていないため耐光性のある光アイソレータ用素子5を得ることが出来る。
【0056】
さらに、光アイソレータ用素子5をレーザモジュールに組み込む場合の固定方法としては、半田の溶融固着、またはYAGレーザによる固定、さらには熱硬化型の接着剤を用いた接合などが考えられるが、いずれの場合も光アイソレータ用素子5は高温下に曝されることになる。しかしながら本発明では、接着剤等の有機物は一切用いていないため、高温下に於いても樹脂の劣化は生じず、耐熱性のある光アイソレータ用素子5を得ることが出来る。
【0057】
ここで、光アイソレータ用素子5は大型のファラデー回転子基板と大型の偏光子基板2枚を積層後、適当な大きさに細分化されたものであるが、この作製作業工程中、特に低融点ガラスを用い大型の光学素子を積層する場合は、発生する熱応力の影響により、各光学素子にクラック等が発生したり、接着部に剥離が生じたりする。なお、2種の被着材を、接合用部材を用いて接合する場合に発生する熱応力Pは以下のように示される。
【0058】
P=K×Δα×L×(t2−t1)+E・・・(式1)
なお、Kは各部材の弾性率等に基づく係数、Δαは被着材間の熱膨張係数差、Lは被着材のサイズ、t2は接着時の加熱温度(低融点ガラスを用いた接合の場合はガラス転移温度)、t1は室温、Eは他の要因による応力を示す。このように被着材に加わる熱応力は被着材間の熱膨張係数差、および接着時の加熱温度、被着材のサイズに比例し、これらが大きいと、被着材に加わる熱応力も増加することになる。
【0059】
一般的に低融点ガラスのガラス転移温度は300℃以上であり、(t2−t1)項が大きくなるために生じる熱応力が大きくなる。これを補うため被着材のサイズL、つまり大型の光学素子のサイズは一定以下にする必要があるため、必然的に一括して得られる光アイソレータ用素子5の数量も制限される。
【0060】
これに対して本発明による方法を用いるならば光学素子同士は、室温下にて接合されるため、(t2−t1)項が小さくなり、熱応力の発生を十分に抑制することが可能となるため、大型の光学素子同士を接合し、光アイソレータ用素子を一括して得ることが出来る。したがって光アイソレータの低価格化が可能となる。
【0061】
また、光アイソレータ1において、構成部材、特にファラデー回転子2に熱応力が生じると、これを通過する直線偏光の消光比に劣化が生じ、光アイソレータ1の逆方向損失特性が劣化する。図1に従いこれを説明する。逆方向から入射する反射戻り光は偏光子4を透過し、直線偏光となる。ファラデー回転子2を透過した直線偏光は−45度回転するが、同時にこれに対し直交する偏光成分も生じる。消光比に劣化が生じると、この直交する偏波成分が増加するが、これは偏光子3を透過するため、逆方向損失特性の劣化となる。
【0062】
図5はファラデー回転子に加わる応力と消光比の関係を示す図である。
【0063】
なお図5中では横軸に応力、縦軸にファラデー回転子2透過光の消光比を示す。ここで分かるように応力が加わっていない状態では、透過光の消光比が47dBと良好であっても、応力が増加するに従い透過光の消光比は劣化し、3kgf/mm2以上では光アイソレータ1の一般的な特性下限設定値である25dBを下回ることがわかる。
【0064】
いま、光アイソレータ1における接着用部材として低融点ガラスを用いるならば、ファラデー回転子に加わる熱応力が大きくなるが、本発明の方法に依るならば、光アイソレータ用素子を構成する光学素子全てを室温下にて接合しているため、この熱応力の発生を十分に抑制することが出来る。すなわち光学特性の優れた光アイソレータ用素子5を得ることが出来る。
【0065】
なお、本発明において室温下とは−20〜70℃の温度範囲をいう。
【0066】
【実施例】
本発明の光アイソレータの実施例とし図1に示した光アイソレータ用素子の試作を行った。
【0067】
大型の偏光子基板の寸法は10mm×10mm×t0.2mm、屈折率は1.47、大型のファラデー回転子基盤の厚みは10mm×10mm×t0.4mm、屈折率は2.35である。なお、大型の偏光子基板2枚の外形に対する透過偏波方向や、大型のファラデー回転子基板の偏光回転角度等、偏光特性はあらかじめ測定されており、良好なアイソレーション特性を得るための、大型の偏光子基板同士の相対角度が算出されている。
【0068】
また大型の偏光子基板は、コーニング社製のポーラコア(製品名)を用い、大型のファラデー回転子基板はビスマス置換ガーネットを用いた。さらに大型のファラデー回転子基板表面にはTiO2とSiO2を適宜複数層成膜し、屈折率1.45の媒質に対する反射防止膜を施した後、表面にSiO2を100nmだけ成膜している。なお、SiO2の屈折率は1.45である。
【0069】
次にCMPの手法を用いて大型の偏光子基板表面、および大型のファラデー回転子基板最表面のSiO2膜表面に化学研磨を施す。研磨液には化学的な腐食作用のある硫酸過酸化水素混合液を用いた。これにより各基板の面粗さは約10nmRaとなった。
【0070】
次に偏光子基板とファラデー回転子基板の表面活性化、および接合は真空槽内にておこなった。基板は真空槽内の所定の冶具に保持し、真空度は真空ポンプにより10−7Torrまで排気した。その後、基板表面をArのビームにより60秒間照射し、表面の洗浄および活性化を行った。Arビームのエネルギーは約1keV、照射角は表面に対して45度とした。Arビーム照射によるエッチングは約5nmで十分小さく、光学特性に影響はない。その後、偏光子基板とファラデー回転子基板は真空槽内にて外形を基準として相対角度を調整した後、互いに直接接触、加圧し接合した。加圧は1kgfで3分間行い接合した。この接合により、屈折率1.47の大型の偏光子基板と、大型のファラデー回転子基板表面に成膜された屈折率1.45のSiO2が接触することになるが、両者の屈折率差は十分小さいため、この境界面での反射率も0.01%と十分小さくなる。を接触・加圧し接合した。加圧は1kgfで3分間行い接合した。
【0071】
接合された大型の光学素子は、ダイシングによって切断し、1.2mm×1.3mmのブロック状光アイソレータ用素子5を49個作製した。
【0072】
これらの49個の光アイソレータ用素子はクラック、カケ、剥離等の発生はなく、また、作製した光アイソレータ素子に飽和磁界を印可し、特性を測定した結果、すべての光アイソレータは、挿入損失が0.2dB以下、アイソレーションが40dB以上の、良好で均一な特性を有することを確認した。なお、比較例として低融点ガラスにより各光学素子を接着し、その他寸法等を本発明の製品と等しくした製品も同時に作製した。上記の条件にて作製した光アイソレータ用素子のアイソレーション特性平均値及び光学素子に生じたクラックの発生率を表1に示す。
【0073】
【表1】
【0074】
ここで示されたように、低融点ガラスを用いた光アイソレータ用素子では大きな熱応力が生じたためにアイソレーション特性が著しく劣化し。また、偏光子部にクラックが発生した。これに対し本発明の方法に従ったものでは良好なアイソレーション特性が得られ、クラックも発生もしなかった。
【0075】
また、チップ化された光アイソレータ用素子のせん断試験を行ったところ、全ての素子は接合面では破断が発生せず、素子内部からの破壊となり、接合強度は十分であることを確認した。
【0076】
以上の試作により、接着剤を用いた光アイソレータ素子と同等の工数、小型化が実現し、かつ、接合面の長期安定性、樹脂フリー構成が実現した。
【0077】
【発明の効果】
上述のように本発明による光アイソレータは1以上の平板状のファラデー回転子と2以上の平板状の偏光子を、直接接合して積層、一体化させたことにより、熱応力によるクラックの発生を抑制し、耐光性、耐熱性、アイソレーション特性に優れた光アイソレータ用素子を一括して作製することができる。また非常に小型で均一な品質の光アイソレータが作製できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の光アイソレータの実施形態を示す斜視図である。
【図2】(a)〜(c)は本発明の光アイソレータ用素子の作製方法を示す図である。
【図3】本発明の光アイソレータ用素子の接合界面を示す模式図である。
【図4】本発明の第2の実施形態を示す斜視図である。
【図5】ファラデー回転子に加わる応力と消光比の関係を示す図である。
【図6】従来の光アイソレータの構成を示す斜視図である。
【図7】従来の光アイソレータの構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
1、15、31:光アイソレータ
2、16:ファラデー回転子
3、4、17、18:偏光子
5、20、30:光アイソレータ用素子
6、21:磁石
7:光学素子
8:ポリッシングパッド
9:コロイダルシリカ
10:真空槽
11:真空ポンプ
12:ビーム源
13:不活性ガス導入装置
14:大型の光学素子
19:接着剤
32、33:原子
35:汚染物質
36:中性原子
37:研磨砥粒
38:金属膜[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an element for 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, and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
In an optical communication module or the like, light emitted from a light source such as a laser light source is incident on various optical elements or optical fibers, but a part of the incident light is reflected on various optical elements or the end face or inside of the optical fiber. Or scattered. A part of the reflected or scattered light tends to return to the light source as return light, and an optical isolator is used to prevent the return light.
[0003]
Conventionally, this type of optical isolator is configured by installing a flat Faraday rotator between two polarizers and storing these three components in a cylindrical magnet via a component holder. Was. Normally, the Faraday rotator is adjusted to a thickness that rotates the plane of polarization of light having a predetermined wavelength by 45 ° in a saturation magnetic field, and the two polarizers are rotated so that their transmission polarization directions are shifted by 45 °. Adjusted and configured.
[0004]
In the optical isolator having such a configuration, the Faraday rotator and the two polarizers are separate parts, and each element requires a holder. Therefore, not only the number of parts and the number of assembling steps are increased, but also the optical performance between the parts is increased. Adjustment work is complicated, resulting in high costs. Also, miniaturization was difficult.
[0005]
For this reason, there has been proposed an optical isolator in which an optical isolator element having a configuration in which a flat polarizer is bonded and integrated on both surfaces of a flat Faraday rotator is arranged in the center of a cylindrical magnet.
[0006]
FIG. 6 is a diagram showing a configuration of a conventional miniaturized
[0007]
[0008]
The
[0009]
FIG. 7 is a view showing a method of manufacturing the conventional
[0010]
First, as shown in FIGS. 7A and 7B, a
[0011]
Here, when high isolation is required for the optical isolator, it is necessary to precisely adjust the rotation shift between the
[0012]
Next, as shown in FIGS. 6C and 6D, the optical
Furthermore, the authors have proposed a miniaturized optical isolator that does not use a resin for joining each optical element.
[0013]
In the case of manufacturing the
Furthermore, the authors have proposed a miniaturized optical isolator that does not use a resin for joining each optical element.
[0014]
[0015]
[Patent Document 1]
JP-A-4-338916
[Patent Document 2]
JP-A-8-146351
[0016]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the
[0017]
When the
[0018]
Further, in the
[0019]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has been made in view of the above problems, and is characterized in that one or more flat Faraday rotators and two or more flat polarizers are laminated and integrated by directly bonding. It is assumed that.
[0020]
Further, one or more flat Faraday rotators and two or more flat polarizers are laminated and integrated by directly bonding via a multilayer film made of an inorganic material. .
[0021]
Further, in an optical isolator element obtained by laminating and integrating one or more flat Faraday rotators and two or more flat polarizers, a cover made of the flat Faraday rotator and the flat polarizer is provided. A method for manufacturing an element for an optical isolator, comprising a step of cleaning the surface of a bonding material and a step of bringing the materials to be bonded into contact with each other in a vacuum and bonding them by van der Waals force.
[0022]
A step of cleaning a surface of a material to be joined comprising the flat Faraday rotator and the flat polarizer; and adsorbing a hydroxyl group to at least one surface of the joining surfaces of the material to be joined. And a step of bringing the materials to be joined into contact with each other in a vacuum and joining them by a hydrogen bonding force generated between a hydroxyl group on one surface of the material to be joined and an oxygen atom on the surface of the other material to be joined. A method for manufacturing an element for an optical isolator including:
[0023]
Furthermore, the present invention is characterized by a method for manufacturing an element for an optical isolator, including a step of forming a multilayer film made of an inorganic material on the surface of the material to be joined.
[0024]
Further, the bonding of the materials to be bonded is performed at room temperature.
[0025]
Furthermore, a magnet is provided around the optical isolator element to constitute an optical isolator.
[0026]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0027]
FIG. 1 is a perspective view showing an embodiment of the optical isolator of the present invention.
[0028]
As shown in FIG. 1, the
[0029]
The
[0030]
The two
[0031]
In the present embodiment, the bonding surfaces of the
[0032]
FIG. 2 is a view showing a method for manufacturing an element for an optical isolator of the present invention.
[0033]
First, as shown in FIG. 2A, the surface of the optical element 7 (the large polarizer substrate and the Faraday rotator substrate) is smoothed by polishing to directly join the large polarizer substrate and the Faraday rotator substrate. Next, as shown in FIG. 2B, cleaning and surface activation are performed by sputtering.
[0034]
The polishing step uses a method called CMP (Chemical Mechanical Polishing) for polishing by mixing abrasive grains of ceramics or diamond with a liquid having a chemical corrosive action, and has a flatness of 10 μm or less and a surface roughness of 10 nm or less. A super smooth surface is desirable. For joining, polishing is performed so as to remove the work-affected layer on the surface. The above polishing method can be polished in a unit of several nm and hardly damages a lower portion of the polishing layer. Further, in the case of simple mechanical polishing, even if the desired flatness and surface roughness are achieved, a damaged layer that has been chemically changed by processing remains, and subsequent surface bonding cannot be performed.
[0035]
In addition, CMP consists of polishing and washing. As shown in FIG. 2A, the
[0036]
After the above-mentioned polishing step, as shown in FIG. 2B, a large-sized optical element 7 (a polarizer substrate and a Faraday rotator substrate) is opposed to the inside of the
[0037]
Here, the
[0038]
After the above steps, if the surfaces of the respective
[0039]
In addition, in order to strengthen the bonding of the
[0040]
Here, when a high isolation is required for the
[0041]
When the
[0042]
Finally, the large
[0043]
FIG. 3 is a schematic view showing a bonding interface of the
[0044]
First, the bonding surface is smoothed in advance by polishing
[0045]
The polarizer substrate and the Faraday rotator substrate thus bonded have extremely high bonding strength, and have almost the same strength as the bulk. It is also understood from the principle of the present invention that the surface atomic state of each element is a very important factor for the bonding strength of the element.
[0046]
FIG. 4 is a perspective view showing a second embodiment of the present invention.
[0047]
The
[0048]
By depositing a soft material on the bonding surface, the surface becomes
[0049]
The manufacturing method of this embodiment is the same as the method shown in FIG. However, the degree of smoothing, the degree of vacuum, and the pressure2And TiO2As compared with the first embodiment in which the bonding is performed, the bonding conditions are relaxed, and the bonding at room temperature is facilitated.
[0050]
In addition, in order to obtain stable bonding, it is desirable that atoms at the bonding interface be the same metal or metalloid. For example, a thin film of aluminum (Al) or silicon (Si) is vapor-deposited and bonded to the bonding surface of the polarizer substrate and the Faraday rotator substrate in a thickness of several tens nm in advance.
[0051]
As described above, when manufacturing the large-sized
[0052]
In this case, in order to adsorb the hydroxyl group, in a vacuum atmosphere, water molecules are sprayed on the cleaned
[0053]
Alternatively, a high-frequency or direct-current voltage is applied to water molecules, and the purified optical element is decomposed into hydroxyl groups by the electromagnetic field generated by the generated electromagnetic field or by the plasma energy generated by the electromagnetic field, and in the form of hydroxyl groups. It can also be realized by spraying on the
[0054]
As described above, in the present invention, the
[0055]
Also, high output light from an LD light source passes through the
[0056]
Further, as a fixing method when the
[0057]
Here, the
[0058]
P = K × Δα × L × (t2-t1) + E (Equation 1)
K is a coefficient based on the elastic modulus of each member, etc., Δα is a difference in thermal expansion coefficient between the adherends, L is the size of the adherend, and t2 is a heating temperature at the time of bonding (for bonding using low melting glass, In this case, glass transition temperature), t1 is room temperature, and E is stress due to other factors. In this way, the thermal stress applied to the adherend is proportional to the difference in thermal expansion coefficient between the adherends, the heating temperature at the time of bonding, and the size of the adherend. Will increase.
[0059]
Generally, the glass transition temperature of low-melting glass is 300 ° C. or higher, and the (t2−t1) term increases, thereby increasing the thermal stress. To compensate for this, the size L of the adherend, that is, the size of the large optical element, must be kept at a certain value or less, so that the number of
[0060]
On the other hand, if the method according to the present invention is used, the optical elements are joined at room temperature, so that the term (t2−t1) becomes small, and the generation of thermal stress can be sufficiently suppressed. Therefore, large-sized optical elements can be joined together to collectively obtain optical isolator elements. Therefore, the cost of the optical isolator can be reduced.
[0061]
In the
[0062]
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the stress applied to the Faraday rotator and the extinction ratio.
[0063]
In FIG. 5, the horizontal axis indicates stress, and the vertical axis indicates the extinction ratio of light transmitted through the
[0064]
Now, if a low-melting glass is used as the bonding member in the
[0065]
In addition, in this invention, below room temperature means the temperature range of -20-70 degreeC.
[0066]
【Example】
As an example of the optical isolator of the present invention, the optical isolator element shown in FIG. 1 was prototyped.
[0067]
The size of the large polarizer substrate is 10 mm × 10 mm × t0.2 mm, the refractive index is 1.47, the thickness of the large Faraday rotator base is 10 mm × 10 mm × t0.4 mm, and the refractive index is 2.35. The polarization characteristics such as the transmission polarization direction with respect to the outer shape of the two large polarizer substrates and the polarization rotation angle of the large Faraday rotator substrate are measured in advance. Are calculated.
[0068]
Further, a polar core substrate (product name) manufactured by Corning Incorporated was used for a large polarizer substrate, and bismuth-substituted garnet was used for a large Faraday rotator substrate. On the surface of a larger Faraday rotator substrate, TiO2And SiO2Are appropriately formed into layers and an antireflection film is applied to a medium having a refractive index of 1.45.2Is formed to a thickness of only 100 nm. Note that SiO2Has a refractive index of 1.45.
[0069]
Next, the surface of the large polarizer substrate and the
[0070]
Next, the surface activation and bonding of the polarizer substrate and the Faraday rotator substrate were performed in a vacuum chamber. The substrate is held in a predetermined jig in a vacuum chamber.-7Evacuated to Torr. Thereafter, the substrate surface was irradiated with an Ar beam for 60 seconds to clean and activate the surface. The energy of the Ar beam was about 1 keV, and the irradiation angle was 45 degrees with respect to the surface. Etching by Ar beam irradiation is sufficiently small at about 5 nm, and does not affect optical characteristics. Thereafter, the polarizer substrate and the Faraday rotator substrate were adjusted in relative angle based on the outer shape in a vacuum chamber, and then directly contacted with each other, pressed and joined. Pressure was applied at 1 kgf for 3 minutes for bonding. With this bonding, a large polarizer substrate with a refractive index of 1.47 and a SiO film with a refractive index of 1.45 formed on the surface of a large Faraday rotator substrate.2However, since the refractive index difference between the two is sufficiently small, the reflectance at this interface is also sufficiently small at 0.01%. Were pressed and joined. Pressure was applied at 1 kgf for 3 minutes for bonding.
[0071]
The joined large-sized optical element was cut by dicing to produce 49 1.2 mm × 1.3 mm block-shaped
[0072]
These 49 optical isolator elements had no cracks, chips, peeling, etc., and a saturated magnetic field was applied to the manufactured optical isolator elements.As a result of measuring the characteristics, all the optical isolators had insertion loss. It was confirmed that it had good and uniform characteristics of 0.2 dB or less and isolation of 40 dB or more. As a comparative example, a product in which each optical element was bonded with a low-melting glass and other dimensions and the like were equal to those of the product of the present invention was simultaneously manufactured. Table 1 shows the average value of the isolation characteristics of the optical isolator element manufactured under the above conditions and the rate of occurrence of cracks generated in the optical element.
[0073]
[Table 1]
[0074]
As shown here, in the optical isolator element using the low melting point glass, a large thermal stress is generated, so that the isolation characteristic is significantly deteriorated. In addition, cracks occurred in the polarizer. On the other hand, according to the method of the present invention, good isolation characteristics were obtained, and no crack was generated.
[0075]
Further, when a shear test was performed on the chip-formed optical isolator elements, it was confirmed that all the elements did not break at the bonding surface, but were broken from inside the element, and that the bonding strength was sufficient.
[0076]
With the above prototype, man-hours and size reduction equivalent to those of the optical isolator element using an adhesive were realized, and the long-term stability of the bonding surface and a resin-free configuration were realized.
[0077]
【The invention's effect】
As described above, the optical isolator according to the present invention reduces the occurrence of cracks due to thermal stress by directly bonding, laminating, and integrating one or more flat Faraday rotators and two or more flat polarizers. It is possible to collectively manufacture optical isolator elements which are suppressed and have excellent light resistance, heat resistance and isolation characteristics. Also, an optical isolator of very small size and uniform quality can be manufactured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing an embodiment of an optical isolator of the present invention.
FIGS. 2A to 2C are diagrams illustrating a method for manufacturing an element for an optical isolator according to the present invention.
FIG. 3 is a schematic view showing a bonding interface of the optical isolator element of the present invention.
FIG. 4 is a perspective view showing a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a relationship between a stress applied to a Faraday rotator and an extinction ratio.
FIG. 6 is a perspective view showing a configuration of a conventional optical isolator.
FIG. 7 is a perspective view showing a configuration of a conventional optical isolator.
[Explanation of symbols]
1, 15, 31: Optical isolator
2, 16: Faraday rotator
3, 4, 17, 18: polarizer
5, 20, 30: Optical isolator element
6, 21: magnet
7: Optical element
8: Polishing pad
9: Colloidal silica
10: vacuum chamber
11: vacuum pump
12: Beam source
13: Inert gas introduction device
14: Large optical element
19: Adhesive
32, 33: atom
35: Pollutant
36: Neutral atom
37: Abrasive abrasive
38: Metal film
Claims (10)
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003021093A JP2004102218A (en) | 2002-07-19 | 2003-01-29 | Optical isolator element, its manufacturing method, and optical isolator using the same |
US10/758,692 US7253956B2 (en) | 2003-01-29 | 2004-01-15 | Optical isolator element, a method for producing such an element, and an optical isolator using such an element |
EP04000895A EP1443357A1 (en) | 2003-01-29 | 2004-01-16 | An optical isolator element, a method for producing such an element, and an optical isolator using such an element |
CNB2004100027072A CN1271448C (en) | 2003-01-29 | 2004-01-19 | Component for light isolator, its mfg. method and light isolator using such component for light isolator |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002211587 | 2002-07-19 | ||
JP2003021093A JP2004102218A (en) | 2002-07-19 | 2003-01-29 | Optical isolator element, its manufacturing method, and optical isolator using the same |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2004102218A true JP2004102218A (en) | 2004-04-02 |
Family
ID=32300396
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2003021093A Pending JP2004102218A (en) | 2002-07-19 | 2003-01-29 | Optical isolator element, its manufacturing method, and optical isolator using the same |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2004102218A (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2007034697A1 (en) * | 2005-09-26 | 2007-03-29 | Japan Electronic Materials Corporation | Probe card and method for manufacturing same |
JP2011158514A (en) * | 2010-01-29 | 2011-08-18 | Kyocera Kinseki Corp | Optical device |
CN104459923A (en) * | 2013-09-24 | 2015-03-25 | 昂纳信息技术(深圳)有限公司 | Method for controlling thickness of bonding layer between optical assembly and carrier |
KR20210030972A (en) * | 2018-08-02 | 2021-03-18 | 비와이디 컴퍼니 리미티드 | Glass composite, casing, display device and terminal device |
-
2003
- 2003-01-29 JP JP2003021093A patent/JP2004102218A/en active Pending
Cited By (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2007034697A1 (en) * | 2005-09-26 | 2007-03-29 | Japan Electronic Materials Corporation | Probe card and method for manufacturing same |
JP2011158514A (en) * | 2010-01-29 | 2011-08-18 | Kyocera Kinseki Corp | Optical device |
CN104459923A (en) * | 2013-09-24 | 2015-03-25 | 昂纳信息技术(深圳)有限公司 | Method for controlling thickness of bonding layer between optical assembly and carrier |
KR20210030972A (en) * | 2018-08-02 | 2021-03-18 | 비와이디 컴퍼니 리미티드 | Glass composite, casing, display device and terminal device |
JP2021532054A (en) * | 2018-08-02 | 2021-11-25 | ビーワイディー カンパニー リミテッド | Glass complex, housing, display device and terminal device |
JP2021533065A (en) * | 2018-08-02 | 2021-12-02 | ビーワイディー カンパニー リミテッド | Glass complex, housing, display device and terminal device |
JP7351900B2 (en) | 2018-08-02 | 2023-09-27 | ビーワイディー カンパニー リミテッド | Glass composite manufacturing method, housing manufacturing method, display device manufacturing method |
JP7353353B2 (en) | 2018-08-02 | 2023-09-29 | ビーワイディー カンパニー リミテッド | Glass composite manufacturing method, housing manufacturing method, display device manufacturing method |
KR102666002B1 (en) * | 2018-08-02 | 2024-05-14 | 비와이디 컴퍼니 리미티드 | Glass composites, casings, display devices and terminal devices |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6950235B2 (en) | Optical isolators and methods of manufacture | |
US6791748B2 (en) | Optical isolators and methods of manufacture | |
JP2004102218A (en) | Optical isolator element, its manufacturing method, and optical isolator using the same | |
JP4688024B2 (en) | Faraday rotator manufacturing method and optical isolator incorporating the rotator | |
US7253956B2 (en) | Optical isolator element, a method for producing such an element, and an optical isolator using such an element | |
JP2002321947A (en) | Optical device and method for producing the same | |
US6806990B2 (en) | Optical device and method for producing optical device | |
JP2003255269A (en) | Optical isolator | |
JP2003322826A (en) | Optical isolator | |
WO1996020423A1 (en) | Optical device assembly for optical isolator and production method thereof | |
JP2003195047A (en) | Method for manufacturing optical device and optical device | |
JP2003161914A (en) | Optical device and method for manufacturing optical device | |
JP2000249983A (en) | Production of optical non-reciprocal device | |
JP2003207744A (en) | Method of manufacturing optical device, and optical device | |
JP4959884B2 (en) | Optical device manufacturing method | |
JP2006154343A (en) | Faraday rotator and its manufacturing method | |
JP2003161913A (en) | Optical device and method for manufacturing optical device | |
JP4903326B2 (en) | Optical device and method for manufacturing optical device | |
JP2003270438A (en) | Method for manufacturing optical device, and optical device | |
JP2003270436A (en) | Method for manufacturing optical device, and optical device | |
JP2003043416A (en) | Optical isolator | |
JP2003084255A (en) | Optical device and method of manufacturing the same | |
JP2003227930A (en) | Method for manufacturing optical device and optical device | |
JP2004317815A (en) | Optical isolator | |
JP3554140B2 (en) | Optical isolator element and method of manufacturing the same |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Effective date: 20050811 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20070806 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Effective date: 20070817 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 |
|
A521 | Written amendment |
Effective date: 20071012 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Effective date: 20080129 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20080603 |