【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光アイソレータおよびそれを用いたレーザダイオード（ＬＤ）モジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
偏波依存型光アイソレータは一方から入射される直線偏波光を実質的に損失なく透過させ（以下、順方向と呼ぶ）、それとは逆方向からの入射光を偏光方向に関係なく遮断するデバイスであり、レーザ光源への戻り光防止などの目的で利用される。以降、上記アイソレータを単に光アイソレータと呼ぶ。
光アイソレータは一般的には１枚のファラデー回転子と２枚の偏光子からなる。ここで、ファラデー回転子は、非相反的なファラデー効果により偏波方向を回転させる素子であり、光アイソレータでは通常４５度回転させるものが使われる。その両側に設置される偏光子は、一方向の偏波成分のみを透過させる素子であり、通常ファラデー回転角である４５度だけ透過方向の軸を回転させておく。
【０００３】
偏光子には、透過する直線偏波に対し直交する偏波成分を吸収させるタイプと、反射や伝搬角度を変えるタイプとがある。吸収型偏光子には、特許文献１記載の銀や銅など針状の金属微粒子を分散させたガラスによる偏光子、あるいは金属の微細なグレーティングによるワイヤーグリッド型偏光子が挙げられる。通常の光アイソレータでは、このような吸収型偏光子を用いることが一般的である。
しかしながら、最近多く用いられる高出力レーザに対しては、吸収材料を用いている前記ガラス偏光子やワイヤーグリッド型偏光子では、不要偏波成分や戻り光の吸収により、素子が発熱し信頼性を劣化させることが問題となっている。
【０００４】
一方、反射型偏光子には、特許文献２記載の自己クローニング法で作製された２次元フォトニック結晶偏光子、特許文献３記載の複屈折性ポリマー膜を使った偏光子、特許文献４記載のグレーティング型偏光子が挙げられる。反射型偏光子は素子自体には吸収がなく、従って耐パワー性において優れている。
しかしながら、非特許文献１記載のような反射型偏光子を用いたアイソレータでは、戻り光の一偏波成分は、ガーネット内を多重反射したのち、ＬＤ側に通過する。そのため、ＬＤの活性層に結合しないように、使用するＬＤの構造に合わせて個別にレンズなどの光路設計をすることが必要であり、多種のＬＤモジュールに共通に対応することが難しかった。また、アイソレータを傾けて使用するために、素子の屈折による光軸シフトがあり、光ファイバとの結合のために調芯することが必要であった。このような理由がアセンブリコストを増加させる要因となっていた。
【０００５】
また特許文献７記載のアイソレータは２枚の反射型偏光子とファラデー回転子からなるアイソレータ内に１枚のくさび型基板を挿入した構造である。これは、順方向の動作において、光の入射方向と出射方向とが屈折により異なるため、ＬＤモジュールに組み込む場合には、レンズ、アイソレータ、光ファイバを同時に調整しなければならず、アセンブリが複雑になる、平行に配置することができないためモジュールが大きくなる、という欠点があった。
【０００６】
【特許文献１】アメリカ合衆国特許第３，６５３，８６３号
【特許文献２】特開２００１−８３３２１号公報
【特許文献３】アメリカ合衆国特許第６，１１１，６９７号
【特許文献４】アメリカ合衆国特許第５７７２９０５
【特許文献５】特開２００２−３０３７３２号公報
【特許文献６】特開平１０−３３５７５８号公報
【特許文献７】特開２０００−１５５２８９号公報
【非特許文献１】本間他，電子情報通信学会ソサイエティー大会，Ｃ−４−１０，２００２年９月
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の光アイソレータのうち、吸収型偏光子を使うタイプでは高出力レーザに対しては信頼性の問題があり、また反射型偏光子を使うタイプでは、耐パワー性は優れるものの、光路設計やアセンブリを詳細にすることが必要であり、量産に向かずコスト低減が難しかった。本発明が解決する課題は、反射型の偏光子を使用することで、耐パワー性に優れ、信頼性の高い光アイソレータを実現するとともに、アセンブリの簡素化により、量産性に優れた小型光アイソレータを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
はじめに本発明における上記課題を解決するための手段の概略を説明する。第一および第二の反射型偏光子の間に、４５°の回転角を有するファラデー回転子を配置する構成をとる。ここで２枚の反射型偏光子をなす平面を平行ではなく、傾きθをもって対向させることが重要である。このように反射形偏光子を配置することによって、戻り光の全ての偏波成分に大きな角度ずれを与え、アイソレータチップから光源側に戻さないことができる。従って多種のＬＤモジュールに対し、共通の構造で対応することができる。また順方向の光線に対しては、入射方向と出射方向とが平行となるような構成をとる。具体的に平行平板を傾ける方法と、くさび基板を互い違いに組み合わせる方法とがある。さらに反射減衰量を得るため、通常はチップを傾けて使用するが、屈折による光軸ずれを相殺する構成が可能であり、ＬＤモジュールの組み立てが容易になる。このように量産性に優れた低コストの小型アイソレータチップを実現することができる。
【０００９】
反射型偏光子には、特許文献３記載の複屈折率をもつポリマー積層型偏光子、特許文献４のグレーティングをもつ偏光子、特許文献２記載のフォトニツク結晶偏光子でも良い。ここでは後者のフォトニック結晶偏光子について概略を説明する。図２のような周期的な溝列を形成した透明材料基板２０１上に、透明で高屈折率の媒質２０２と低屈折率の媒質２０３とを界面の形状を保存しながら、交互に積層する。各層はｘ方向とｚ方向に周期性があるが、ｙ方向は一様であってもよいし、ｘ軸方向より大きい長さの周期的または非周期的な構造を有していてもよい。
【００１０】
このようにして得られた周期構造体にｚ方向から無偏波光または楕円偏光を入射すると、溝列と平行な偏波即ちｙ偏波と、それに直交するｘ偏波とに対して、ＴＥモードまたはＴＭモードの光がそれぞれ周期構造体の内部に励起される。通常、多層膜では光が伝搬できる波長領域と、光が反射されて遮断される波長領域とをもつ。図２のような面内に凹凸周期を有する場合、その遮断領域に偏波依存性をもたせることができる。例えば、ＴＭ波が透過し、ＴＥ波が反射されるように設計することができる。
【００１１】
当該フォトニツク結晶偏光子は、構成する材料の屈折率、充填率、溝列の周期Ｌｘ、積層方向の周期Ｌｚを調整することで、動作波長域を自由に設定することができる。低屈折率媒質としてはＳｉＯ２を主成分とする材料が最も一般的であり、透明波長領域が広く、化学的、熱的、機械的にも安定であり、成膜も容易に行なえる。しかしながらその他の光学ガラスでもよく、ＭｇＦ２のようにより屈折率の低い材料を用いてもよい。高屈折率材料としては、Ｓｉ、Ｇｅなどの半導体や、Ｔａ２Ｏ５、ＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、ＨｆＯ、Ｓｉ３Ｎ４などの酸化物や窒化物が使用でき、透明波長範囲が広く、可視光領域でも使用できる。一方、半導体は、近赤外域に限定されるが、屈折率が大きい利点がある。
フォトニック結晶偏光子を形成する基板は任意に選ぶことができる。光アイソレータとして用いる場合には、特許文献５記載のように、ファラデー回転子を基板に選ぶと、部品点数を減らすことができて有利である。また個別の偏光子とファラデー回転子を接着する場合と比べると、光路に接着層が入らないため信頼性が向上する。更に、合計の厚さを薄くすることができるため、細かいチップへのダイシングが可能となり、材料コストの低減が可能となる。
【００１２】
次に作製を説明する。まず、図２に示すように、石英ガラスあるいは磁性ガーネット結晶からなる基板上に電子ビームリソグラフィとドライエッチングにより周期的な溝を形成する。あるいはフォトリソグラフィや干渉露光を用いても良い。この基板上に、ＳｉＯ２およびＳｉのターゲットを用い、バイアス・スパッタリング法（あるいはスパッタ成膜とスパッタエッチングを組み合わせたプロセス）により、ＳｉＯ２層とＳｉ層を交互に積層する。そのとき、各層のｘ軸方向に周期的な凹凸の形状を保存しながら成膜を行なうことが肝要である。これは特許文献６記載にある自己クローニング技術と呼ばれており、再現性、均一性が高く、工業的に微細な周期構造（フォトニック結晶）を作製する優れた手法である。
光通信帯（波長１．５５μｍ帯）で使われるフォトニック結晶偏光子では、多層構造の厚さはわずか５〜６μｍ程度であり、ＴＥ偏波の遮断率（消光比）は４５ｄＢ以上と極めて高い値が得られている。このように薄くて高い消光比は、従来の金属分散ガラス型の偏光子では得られない。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の光アイソレータの構造を示す図である。第一の反射型偏光子１０１は４５度のファラデー回転角を有するガーネット結晶１０３上に形成されており、第二の反射型偏光子１０２はガラス基板１０４上に形成されている。これらの素子は、表面における反射光が光路に戻らないように、入射方向（ｚ方向）に対して傾けて円筒状の筐体１０５に固定する。傾き角度は任意であるが、実用上の反射減衰量をとるためには２°から１０°が好ましい。
反射型偏光子としては、特許文献２に記載のフォトニック結晶偏光子、特許文献３記載のポリマー膜積層型偏光子、あるいは特許文献４記載のグレーティング型偏光子でも良い。またガーネット結晶は主にｚ方向に成分をもつ磁界により磁化されている。匡筒を磁石で構成しても良く、リング状の磁石を付与しても良い。
【００１４】
反射型偏光子としてフォトニック結晶偏光子を例にとり説明する。２つの偏光子とも、基板上に溝列をリソグラフィとエッチングにより加工した後、屈折率の異なる２種類の透明薄膜を波状の断面形状を有するように交互に積層している。各基板の溝方向のなす角は４５度であり、ここでは紙面垂直方向とのなす角度をそれぞれ０度と４５度とした。ガーネット結晶の厚さは５００μｍ、ガラス基板の厚さは９４０μｍである。また、フォトニック結晶偏光子は空気に対して反射防止膜が形成されており、基板裏面にも空気に対する反射防止がなされている。
【００１５】
図３（ａ）および（ｂ）にはそれぞれ順方向および逆方向のアイソレータ内の光線を示している。順方向では、ｚ方向から入射した光は、θ１傾けられた第一の偏光子およびそれを保持するガーネット基板を透過する。この際、４５°のファラデー回転を伴う。また屈折により光軸シフトが発生するが、出射光の方向は同じくｚ方向である。次に第二の偏光子保持基板および第二の偏光子を透過する。ここで第二の偏光子を透過する光軸はファラデー回転角４５°だけずらしてあり、ほぼ全ての成分が透過する。この際、θ２傾いているため屈折により光軸シフトが発生するが、出射方向は入射方向と同じｚ方向が維持される。
【００１６】
素子の傾け角と基板の厚さは、屈折による光軸シフトが相殺されるように次式のように設定されることが望ましい。即ち、第一の反射型偏光子を保持する基板、第二の反射型偏光子を保持する基板のそれぞれの屈折率をｎ１、ｎ２、傾き角をθ１、θ２、厚さをｔ１、ｔ２としたとき、それぞれの基板を透過する際の屈折による光軸ずれの大きさｄ１とｄ２は、ｄ１＝ｔ１／ｃｏｓ（θａ）×ｓｉｎ（θ１−θａ）、ｄ２＝ｔ２／ｃｏｓ（θｂ）×ｓｉｎ（θ１−θｂ）、ただしθａ＝ｓｉｎ−１（ｓｉｎθ１／ｎ１）、θｂ＝ｓｉｎ−１（ｓｉｎθ２／ｎ２）である。従って、ｄ１＝ｄ２となる関係を保つように屈折率、角度、厚さを定めれば、光軸シフトは生じない。
【００１７】
ガーネット結晶は組成により特性が異なるが、例えば前記のようにガーネットの屈折率を２．４、４５°の回転角を与える厚さを５００μｍ、ガラス基板の屈折率を１．４５、傾き角を５°とすると、ガラス基板の厚さは９４０μｍとなる。光軸シフトがなければＬＤとファイバの間に２つのレンズを用いたコリメート系の任意の位置に挿入することができ、アセンブリを容易にすることができる。ただし、アイソレータの前後に使われる光学系で光軸ずれを許容できるのであれば、上記の関係に限られるものではない。
【００１８】
一方、逆方向の動作では、光ファイバからの戻り光のうち、一つの偏波成分は第ニのフォトニック結晶偏光子１０２で反射される。傾き角度をθ（＝θ１＝θ２）とすると、反射光は光ファイバに対して２θの角度ずれをもつため、光ファイバには結合しない。また直交する偏波成分は、第ニのフォトニック結晶偏光子を透過した後、第一のフォトニック結晶偏光子で反射され、再び第二のフォトニック結晶偏光子で反射される。そのとき、ｚ軸に対する光線の方向は４θとなる。傾きθおよび２つの偏光子の間隔を適切に選ぶことにより、光ビームは前記匡筒の内壁に達し、ＬＤ側には遮断される。
【００１９】
図４（ａ）は本アイソレータを用いたＬＤモジュールの概念図である。ＬＤ４０１から出射された拡散する光ビームは、第一のレンズ４０２を通ることにより平行ビームとなる。上記アイソレータを通り、第二のレンズ４０３により集光され、光ファイバ４０４に結合する。本アイソレータは入射光と出射光の光軸ずれを伴わないため、図３のようなコリメート系に挿入しても、光ファイバの光軸調整を発生させることがない。予め結合が取れているＬＤと光ファイバの間にアイソレータを挿入するだけでよいから、アセンブリのコストを大幅に低減することが可能になる。
また、図４（ｂ）のように、ファイバ側から見た反射減推量を高くするために、ファイバの先端を斜めに加工した場合には、光線をファイバの軸方向に戻すためにくさびガラスを挿入することが効果的である。
【００２０】
用いるレンズ系にはＬＤ出射光を光ファイバに効率良く結合でき、安価なものであれば特に制約はない。例えば、焦点距離ｆが１．８ｍｍのレンズはビーム直径を２００μｍにすることができ、アイソレータチップを小型化することが可能になる。また安価な球レンズを用いることもできる。例えばＢＫ７（屈折率１．５）で直径５００μｍ程度のものでも良い。
図８は前記アイソレータを用いたＬＤモジュールの構成例である。筐体８０１に、ＬＤチップ４０１、第一のレンズ４０２、前記アイソレータ、第二レンズ４０３、くさびガラス４０６、フェルール８０２に取り付けられた光ファイバ４０４の順に取り付ける。ＬＤから出射された必要な偏波は、筐体８０１の軸方向に平行に進む。アイソレータによる光軸ずれはないので、各部品が筐体の中心があっていれば、無調芯でＬＤモジュールを組み立てることが可能になる。
【００２１】
【実施例】
上記の実施形態以外の実施例を以下に示す。
（実施例１）
本発明の光アイソレータの一つの実施例を、図５を使って説明する。第一の反射型偏光子であるフォトニック結晶偏光子５０１と、第二の反射型偏光子であるフォトニック結晶偏光子５０２は、ファラデー回転子であるガーネット結晶５０３の表面に直接形成されている。ファラデー回転角は２枚の合計で４５°回転するように設定されている。ここではそれぞれ２２．５°回転するような同一の回転係数、厚さを有するものを例にする。しかしながら、それに限定されるものではない。例えば、回転波長係数や温度係数の異なる２種類のガーネット結晶を使うことで、帯域拡大や動作環境の条件を緩和させることも可能である。２枚のファラデー回転子は、入射方向に対してそれぞれ角度θだけ傾いて、匡筒５０４に固定されている。ここでθを５°とした。ガーネット結晶はリング状磁石５０５で磁化されている。但し、外部磁界の必要のないガーネット結晶を使う場合には磁石は不要となる。
【００２２】
本実施例の構造では、偏光子を保持する基板は同じ材料、同じ厚さであるため、取り付け角度を等しくしておくだけで、順方向において入射光と出射光の光軸シフトは生じない。但し、ＬＤや光ファイバの設置条件により、適切なシフト量を与えることが必要あるいは許容できる場合には、傾き角を調整することが可能である。
動作は前記と同様である。順方向は第一の偏光子を透過した一偏波成分は、２つのファラデー回転子を透過したのち偏波面が４５°回転し、第二の偏光子を透過する。基板厚さと傾き角θが等しければ、光軸の変化はない。逆方向については、一つの偏波成分は第二の偏光子で反射される。残りの偏波成分は、第二の偏光子を透過した後、第一の偏光子で反射され、第二の偏光子でさらに反射され、大きな角度ずれが生じるため、匡筒に当たり遮断される。
【００２３】
次に作製方法について述べる。ガーネット基板上に対石英ガラス用のＡＲコートを形成したのち、石英膜を厚さ５μｍ堆積する。その後、溝列を電子ビームリソグラフィとドライエッチングにより形成する。ここではピッチ０．５μｍとした。石英膜を自己クローニング条件で形成することにより、矩形の溝を波状に整形する。その後、ＳｉＯ２とアモルファスシリコンの多層膜を同様に自己クローニングプロセスで積層する。厚さはそれぞれ０．２２μｍと０．３５μｍである。積層周期は１２周期とする。最後に対空気に対するＡＲ膜を堆積する。全膜厚は約７μｍとなった。ここでガーネット基板の厚さは２５０μｍ、大きさは約１１ｍｍ角であった。
次に偏光子を積層したガーネット基板をチップ状に切断する。例えば０．７ｍｍ角に切断し、透過する偏光軸を概略４５°となるように匡筒に貼り付ける。固定は半田付けでもよく、また接着剤を使用しても良い。
【００２４】
（実施例２）
図６は本発明の光アイソレータの一つの実施例を示す。第一の反射型偏光子１０１はガラス基板１０４の上に、第二の反射型偏光子１０２はガラス基板１０４の上に形成されており、その間に４５°の回転角を有するファラデー回転子１０３が配置されている。ファラデー回転子はリング状の磁石１０５で磁化されている。ファラデー回転子の法線方向は、光の入射方向に対して僅かに傾けられている。順方向および逆方向の動作は前記のアイソレータとほぼ同じである。
【００２５】
（実施例３）
図７は本発明の光アイソレータの一つの実施例を示す。アイソレータチップは、４５°の回転角を有するファラデー回転子１０３と、くさび形基板７０１に形成された第一の反射型偏光子１０１と第二の反射型偏光子１０２からなる。ここで反射型偏光子として、フォトニック結晶偏光子を用いた。その他の反射型偏光子でも同様である。くさびの頂角θｗはどちらも等しくし、チップ全体が平行になるように図７のように張り合わせる。但し、偏光子のなす平面は平行ではなく、くさびの頂角θｗ分だけ傾くようにする。チップに対して、入射角θｉで光を入射する。ここではθｗを５°、θｉを５°とした。
【００２６】
順方向の動作は基本的には前述のアイソレータと同様である。第一の偏光子を透過した偏波成分が、ファラデー回転子により４５°偏波面が回転し、第二の偏光子を透過する。２枚のくさびを互い違いに貼り合わせているため、出射光は入射光と平行である。
逆方向の光の内、ある偏波成分は第二の偏光子で反射され、角度ずれにより光軸からずれる。残りの偏波成分は、第二の偏光子を透過し、第一の偏光子で反射し、さらに第二の偏光子で反射される。第一の偏光子を透過するが、光は入射方向に対して１５度の角度ずれが生じるため、ＬＤには結合しない。
【００２７】
次に作製方法について述べる。平行平板ガラス基板に溝列をリソグラフィとエッチングにより形成し、フォトニック結晶偏光子を積層する。積層条件は前記のものとした。積層後、基板の裏面を研磨して、くさび形状に加工する。ここでくさびの頂角θｗを５°とした。このように加工した２枚のフォトニック結晶偏光子を、図７のように、片方を内側に、片方を外側になるようにファラデー回転子を接着する。
偏光子およびファラデー回転子の大きさをそれぞれ１０ｍｍ角とし、それらを貼り合わせてから、１ｍｍ角に切断する。ダイシングされたアイソレータチップを匡体に固定する。このとき、切り出したアイソレータチップの中には２枚のくさび基板の厚さが等しくないものが含まれる。しかしながら、チップ全体の厚さは等しく、順方向における光軸シフト量は同じであるので、光結合への影響はない。また、逆方向の角度ずれも変わらないので、アイソレーション特性にも影響はない。本実施例の場合、２枚の偏光子の光軸をファラデー回転角の４５°となるように貼り合わせる作業は大きな基板で行うだけ、多数のアイソレータチップを形成できるため、アセンブリが簡素化される。
【００２８】
【発明の効果】
本発明の構造からなるアイソレータは、ファラデー回転子の両側に２枚の反射型偏光子を配置し、２枚の偏光子を平行ではなく傾斜させて向かい合わせることで形成される。本発明のアイソレータは、吸収型偏光子を用いるタイプと比べて、光吸収による発熱がないため信頼性に優れる。ガーネット上に直接形成したフォトニック結晶偏光子を用いると、さらに部品点数を削減でき、組立てコスト削減に適している。また、順方向の光軸ずれを起こさない配置が可能であるため、アイソレータをＬＤモジュールの中に簡単に組み入れることが可能となる。このように量産性に優れたＬＤモジュールはメトロ系や加入者系における光送信器に応用されるなど用途は広く、従来の光モジュールを置きかえることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を表わす光アイソレータ
【図２】フォトニック結晶偏光子の構造を表す図
【図３】光線により本発明のアイソレータの動作を表す図
【図４】本発明を表わす光アイソレータを用いたＬＤモジュール
【図５】本発明の実施例を示す図
【図６】本発明の実施例を示す図
【図７】本発明の実施例を示す図
【図８】本発明を表す光アイソレータを用いたＬＤモジュール
【符号の説明】
１０１ 第一の反射型偏光子
１０２ 第ニの反射型偏光子
１０３ ファラデー回転子
１０４ ガラス基板
１０５ 円筒状の筐体
２０１ 凹凸パターン付き基板
２０２ 高屈折率材料
２０３ 低屈折率材料
４０１ ＬＤ
４０２ 第一のレンズ
４０３ 第二のレンズ
４０４ 光ファイバ
４０５ 磁石
４０６ プリズム
５０１ ２２．５°の回転角を与えるファラデー回転子
７０１ くさび形状をした基板
８０１ 筐体
８０２ フェルール[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical isolator and a laser diode (LD) module using the same.
[0002]
[Prior art]
A polarization-dependent optical isolator is a device that transmits linearly polarized light incident from one side substantially without loss (hereinafter referred to as the forward direction), and blocks incident light from the opposite direction regardless of the polarization direction. Yes, it is used for the purpose of preventing return light to the laser light source. Hereinafter, the isolator is simply referred to as an optical isolator.
An optical isolator generally includes one Faraday rotator and two polarizers. Here, the Faraday rotator is an element for rotating the polarization direction by a non-reciprocal Faraday effect, and an optical isolator that rotates by 45 degrees is usually used. The polarizers provided on both sides of the polarizer are elements that transmit only one-way polarization component, and the axis of the transmission direction is rotated by 45 degrees, which is a normal Faraday rotation angle.
[0003]
Polarizers include a type that absorbs a polarization component orthogonal to a transmitted linear polarization and a type that changes the reflection or propagation angle. Examples of the absorbing polarizer include a polarizer made of glass in which needle-like metal fine particles such as silver and copper are dispersed or a wire grid polarizer made of a fine metal grating described in Patent Document 1. In an ordinary optical isolator, such an absorption polarizer is generally used.
However, for high-power lasers that are frequently used recently, the glass polarizer or wire grid polarizer using an absorbing material generates heat due to the absorption of unnecessary polarization components and return light, thereby reducing reliability. Deterioration is a problem.
[0004]
On the other hand, a reflective polarizer includes a two-dimensional photonic crystal polarizer produced by a self-cloning method described in Patent Document 2, a polarizer using a birefringent polymer film described in Patent Document 3, and a light polarizer described in Patent Document 4. Grating type polarizers are exemplified. The reflective polarizer has no absorption in the element itself, and is therefore excellent in power resistance.
However, in an isolator using a reflective polarizer as described in Non-Patent Document 1, one polarization component of return light passes through the garnet after multiple reflections, and then passes to the LD side. Therefore, it is necessary to individually design an optical path such as a lens in accordance with the structure of the LD to be used so as not to be coupled to the active layer of the LD, and it has been difficult to cope with various types of LD modules in common. In addition, since the isolator is used in an inclined state, there is an optical axis shift due to refraction of the element, and it is necessary to perform alignment for coupling with the optical fiber. Such a reason has increased the assembly cost.
[0005]
The isolator described in Patent Document 7 has a structure in which one wedge-shaped substrate is inserted into an isolator including two reflective polarizers and a Faraday rotator. This is because, in the forward operation, the incident direction and the outgoing direction of light differ due to refraction. Therefore, when incorporating into an LD module, the lens, isolator, and optical fiber must be adjusted simultaneously, which complicates assembly. However, there is a disadvantage that the module cannot be arranged in parallel and the module becomes large.
[0006]
[Patent Document 1] United States Patent No. 3,653,863 [Patent Document 2] Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-83321 [Patent Document 3] United States Patent No. 6,111,697 [Patent Document 4] United States Patent No. 5772905
[Patent Document 5] Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-303732 [Patent Document 6] Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-335758 [Patent Document 7] Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-155289 [Non-Patent Document 1] Honma et al., IEICE Society Competition, C-4-10, September 2002
[Problems to be solved by the invention]
Among the conventional optical isolators, the type using an absorption polarizer has a reliability problem with a high-output laser, and the type using a reflective polarizer has excellent power resistance, but has an optical path design and assembly. And it was difficult to reduce the cost for mass production. The problem to be solved by the present invention is to realize a highly reliable optical isolator which is excellent in power resistance by using a reflective polarizer, and is small in size and mass productivity by simplifying an assembly. Is to provide.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
First, the outline of the means for solving the above-mentioned problem in the present invention will be described. A configuration is adopted in which a Faraday rotator having a rotation angle of 45 ° is arranged between the first and second reflective polarizers. Here, it is important that the planes forming the two reflective polarizers are opposed to each other with an inclination θ, not parallel. By arranging the reflective polarizers in this manner, a large angle shift is given to all the polarization components of the return light, and the return light cannot be returned from the isolator chip to the light source side. Therefore, it is possible to cope with various types of LD modules with a common structure. In addition, for a forward light ray, a configuration is adopted in which the incident direction and the outgoing direction are parallel. Specifically, there are a method of tilting the parallel plate and a method of alternately combining the wedge substrates. In order to further obtain the return loss, the chip is usually used with the chip tilted. However, a configuration for canceling the optical axis shift due to refraction is possible, and the LD module is easily assembled. Thus, a low-cost small isolator chip having excellent mass productivity can be realized.
[0009]
The reflective polarizer may be a polymer-laminated polarizer having a birefringence described in Patent Document 3, a polarizer having a grating described in Patent Document 4, or a photonic crystal polarizer described in Patent Document 2. Here, the latter photonic crystal polarizer will be briefly described. A transparent high-refractive-index medium 202 and a low-refractive-index medium 203 are alternately stacked on a transparent material substrate 201 on which a periodic groove array as shown in FIG. 2 is formed, while maintaining the shape of the interface. Each layer has a periodicity in the x direction and the z direction, but the y direction may be uniform, or may have a periodic or aperiodic structure having a length greater than the x-axis direction.
[0010]
When non-polarized light or elliptically polarized light is incident on the periodic structure obtained as described above from the z direction, the TE mode is applied to the polarization parallel to the groove row, that is, the y polarization, and the x polarization orthogonal thereto. Alternatively, light in the TM mode is excited inside the periodic structure. In general, a multilayer film has a wavelength region in which light can propagate and a wavelength region in which light is reflected and cut off. In the case where the unevenness period is in the plane as shown in FIG. 2, the cutoff region can have polarization dependency. For example, it can be designed so that a TM wave is transmitted and a TE wave is reflected.
[0011]
The Photonic crystal polarizers, the refractive index of the material constituting, filling rate, by adjusting the period L x, the period L z in the stacking direction of the groove array, it is possible to set the operating wavelength range freely. As the low refractive index medium, a material containing SiO 2 as a main component is the most common, has a wide transparent wavelength range, is chemically, thermally, and mechanically stable, and can be easily formed into a film. However, other optical glass may be used, and a material having a lower refractive index such as MgF 2 may be used. Semiconductors such as Si and Ge, and oxides and nitrides such as Ta 2 O 5 , TiO 2 , Nb 2 O 5 , HfO, and Si 3 N 4 can be used as the high refractive index material, and the transparent wavelength range is wide. , Can also be used in the visible light range. On the other hand, semiconductors are limited to the near infrared region, but have the advantage of a large refractive index.
The substrate on which the photonic crystal polarizer is formed can be arbitrarily selected. When used as an optical isolator, as described in Patent Literature 5, it is advantageous to select a Faraday rotator for the substrate because the number of components can be reduced. Further, compared with the case where the individual polarizers and the Faraday rotator are bonded, the reliability is improved because the bonding layer does not enter the optical path. Further, since the total thickness can be reduced, dicing into fine chips becomes possible, and the material cost can be reduced.
[0012]
Next, fabrication will be described. First, as shown in FIG. 2, periodic grooves are formed on a substrate made of quartz glass or magnetic garnet crystal by electron beam lithography and dry etching. Alternatively, photolithography or interference exposure may be used. Using a target of SiO 2 and Si, an SiO 2 layer and a Si layer are alternately stacked on the substrate by a bias sputtering method (or a process combining sputter deposition and sputter etching). At that time, it is important to form a film while preserving the shape of each layer periodically in the x-axis direction. This is referred to as a self-cloning technique described in Patent Document 6, and is an excellent technique for producing an industrially fine periodic structure (photonic crystal) with high reproducibility and uniformity.
In a photonic crystal polarizer used in the optical communication band (wavelength 1.55 μm band), the thickness of the multilayer structure is only about 5 to 6 μm, and the cutoff ratio (extinction ratio) of TE polarization is as high as 45 dB or more. Values have been obtained. Such a thin and high extinction ratio cannot be obtained with a conventional metal-dispersed glass polarizer.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is a diagram showing the structure of the optical isolator of the present invention. The first reflective polarizer 101 is formed on a garnet crystal 103 having a Faraday rotation angle of 45 degrees, and the second reflective polarizer 102 is formed on a glass substrate 104. These elements are fixed to the cylindrical housing 105 by being inclined with respect to the incident direction (z direction) so that the reflected light on the surface does not return to the optical path. Although the inclination angle is arbitrary, it is preferably 2 ° to 10 ° in order to obtain a practical return loss.
As the reflective polarizer, a photonic crystal polarizer described in Patent Literature 2, a polymer film laminated polarizer described in Patent Literature 3, or a grating polarizer described in Patent Literature 4 may be used. The garnet crystal is mainly magnetized by a magnetic field having a component in the z direction. The casing may be constituted by a magnet, or a ring-shaped magnet may be provided.
[0014]
A photonic crystal polarizer will be described as an example of a reflective polarizer. In each of the two polarizers, after a groove array is processed on the substrate by lithography and etching, two types of transparent thin films having different refractive indexes are alternately laminated so as to have a wavy cross-sectional shape. The angle between the groove direction of each substrate and the direction perpendicular to the paper is 45 degrees. The thickness of the garnet crystal is 500 μm, and the thickness of the glass substrate is 940 μm. The photonic crystal polarizer has an antireflection film formed on air, and the back surface of the substrate is also antireflection on air.
[0015]
3 (a) and 3 (b) show light rays in the forward and reverse isolators, respectively. In the forward direction, light incident from the z direction passes through the first polarizer tilted by θ 1 and the garnet substrate holding the first polarizer. At this time, a 45 ° Faraday rotation is involved. Although the optical axis shift occurs due to refraction, the direction of the emitted light is also the z direction. Next, the light passes through the second polarizer holding substrate and the second polarizer. Here, the optical axis transmitting the second polarizer is shifted by a Faraday rotation angle of 45 °, and almost all components are transmitted. In this case, although the optical axis shift by refraction since the inclined theta 2 is generated, the emission direction is the same z-direction as the incident direction is maintained.
[0016]
It is desirable that the tilt angle of the element and the thickness of the substrate are set as in the following equation so that the optical axis shift due to refraction is canceled. That is, the refractive index of the substrate holding the first reflective polarizer and the refractive index of the substrate holding the second reflective polarizer are n 1 and n 2 , the inclination angles are θ 1 and θ 2 , and the thickness is t. When t 1 and t 2 , the magnitudes d 1 and d 2 of the optical axis shift due to refraction when transmitting through the respective substrates are d 1 = t 1 / cos (θ a ) × sin (θ 1 −θ a) ), D 2 = t 2 / cos (θ b ) × sin (θ 1 −θ b ), where θ a = sin −1 (sin θ 1 / n 1 ), θ b = sin −1 (sin θ 2 / n 2) ). Therefore, if the refractive index, angle, and thickness are determined so as to maintain the relationship of d 1 = d 2 , no optical axis shift occurs.
[0017]
The characteristics of the garnet crystal vary depending on the composition. For example, as described above, the refractive index of the garnet is 2.4, the thickness giving a 45 ° rotation angle is 500 μm, the refractive index of the glass substrate is 1.45, and the inclination angle is 5 °, the thickness of the glass substrate is 940 μm. If there is no optical axis shift, it can be inserted at an arbitrary position in a collimating system using two lenses between the LD and the fiber, and the assembly can be facilitated. However, the above relationship is not limited as long as the optical system used before and after the isolator can tolerate the optical axis shift.
[0018]
On the other hand, in the operation in the reverse direction, one polarization component of the return light from the optical fiber is reflected by the second photonic crystal polarizer 102. Assuming that the tilt angle is θ (= θ 1 = θ 2 ), the reflected light has an angle shift of 2θ with respect to the optical fiber, and is not coupled to the optical fiber. After passing through the second photonic crystal polarizer, the orthogonal polarization components are reflected by the first photonic crystal polarizer and again reflected by the second photonic crystal polarizer. At that time, the direction of the light beam with respect to the z axis is 4θ. By appropriately selecting the inclination θ and the interval between the two polarizers, the light beam reaches the inner wall of the casing and is blocked on the LD side.
[0019]
FIG. 4A is a conceptual diagram of an LD module using the present isolator. The diverging light beam emitted from the LD 401 passes through the first lens 402 and becomes a parallel beam. The light passes through the isolator and is collected by the second lens 403 and is coupled to the optical fiber 404. Since the present isolator does not involve the optical axis shift between the incident light and the output light, even if the isolator is inserted into the collimating system as shown in FIG. 3, the optical axis of the optical fiber will not be adjusted. Since it is only necessary to insert an isolator between the LD and the optical fiber that have been previously coupled, the cost of assembly can be significantly reduced.
Further, as shown in FIG. 4B, when the tip of the fiber is processed obliquely in order to increase the amount of reflection deduction seen from the fiber side, wedge glass is used to return the light beam in the axial direction of the fiber. It is effective to insert.
[0020]
The lens system to be used is not particularly limited as long as it can efficiently couple the light emitted from the LD to the optical fiber and is inexpensive. For example, a lens having a focal length f of 1.8 mm can have a beam diameter of 200 μm, which makes it possible to reduce the size of the isolator chip. Also, an inexpensive spherical lens can be used. For example, BK7 (refractive index 1.5) and a diameter of about 500 μm may be used.
FIG. 8 shows a configuration example of an LD module using the isolator. The LD chip 401, the first lens 402, the isolator, the second lens 403, the wedge glass 406, and the optical fiber 404 attached to the ferrule 802 are attached to the housing 801 in this order. The required polarized light emitted from the LD travels parallel to the axial direction of the housing 801. Since there is no optical axis shift due to the isolator, if each component is located at the center of the housing, it becomes possible to assemble the LD module without alignment.
[0021]
【Example】
Examples other than the above embodiment will be described below.
(Example 1)
One embodiment of the optical isolator of the present invention will be described with reference to FIG. A photonic crystal polarizer 501 as a first reflective polarizer and a photonic crystal polarizer 502 as a second reflective polarizer are formed directly on the surface of a garnet crystal 503 as a Faraday rotator. . The Faraday rotation angle is set so that the two sheets are rotated by 45 ° in total. Here, an example having the same rotation coefficient and the same thickness so as to rotate by 22.5 ° is taken as an example. However, it is not limited thereto. For example, by using two kinds of garnet crystals having different rotation wavelength coefficients and different temperature coefficients, it is possible to relax the band and the conditions of the operating environment. The two Faraday rotators are fixed to the housing 504 at an angle θ with respect to the incident direction. Here, θ was set to 5 °. The garnet crystal is magnetized by the ring-shaped magnet 505. However, if a garnet crystal that does not require an external magnetic field is used, no magnet is required.
[0022]
In the structure of this embodiment, since the substrates holding the polarizer are of the same material and have the same thickness, the optical axes of the incident light and the emitted light do not shift in the forward direction only by making the mounting angles equal. However, if it is necessary or permissible to give an appropriate shift amount depending on the installation conditions of the LD and the optical fiber, the tilt angle can be adjusted.
The operation is the same as described above. In the forward direction, one polarization component transmitted through the first polarizer is transmitted through two Faraday rotators, then the polarization plane is rotated by 45 °, and transmitted through the second polarizer. If the substrate thickness is equal to the tilt angle θ, there is no change in the optical axis. In the opposite direction, one polarization component is reflected by the second polarizer. The remaining polarization components are transmitted through the second polarizer, then reflected by the first polarizer, and further reflected by the second polarizer, causing a large angle shift and hitting the housing and being cut off.
[0023]
Next, a manufacturing method will be described. After forming an AR coat for quartz glass on a garnet substrate, a quartz film is deposited to a thickness of 5 μm. After that, a groove row is formed by electron beam lithography and dry etching. Here, the pitch was 0.5 μm. By forming a quartz film under self-cloning conditions, the rectangular groove is shaped like a wave. Thereafter, a multilayer film of SiO 2 and amorphous silicon is similarly laminated by a self-cloning process. The thicknesses are 0.22 μm and 0.35 μm, respectively. The lamination cycle is 12 cycles. Finally, an AR film for air is deposited. The total film thickness was about 7 μm. Here, the thickness of the garnet substrate was 250 μm, and the size was about 11 mm square.
Next, the garnet substrate on which the polarizers are laminated is cut into chips. For example, it is cut into a square of 0.7 mm, and affixed to the housing so that the transmitted polarization axis is approximately 45 °. The fixing may be performed by soldering or an adhesive may be used.
[0024]
(Example 2)
FIG. 6 shows one embodiment of the optical isolator of the present invention. The first reflective polarizer 101 is formed on a glass substrate 104, and the second reflective polarizer 102 is formed on a glass substrate 104. A Faraday rotator 103 having a 45 ° rotation angle is formed between the first reflective polarizer 101 and the glass substrate 104. Are located. The Faraday rotator is magnetized by a ring-shaped magnet 105. The normal direction of the Faraday rotator is slightly inclined with respect to the light incident direction. The forward and reverse operation is almost the same as that of the above-mentioned isolator.
[0025]
(Example 3)
FIG. 7 shows one embodiment of the optical isolator of the present invention. The isolator chip includes a Faraday rotator 103 having a rotation angle of 45 °, a first reflective polarizer 101 and a second reflective polarizer 102 formed on a wedge-shaped substrate 701. Here, a photonic crystal polarizer was used as the reflective polarizer. The same applies to other reflective polarizers. The wedges have the same apex angle θ w , and the chips are stuck together as shown in FIG. However, the plane formed by the polarizer is not parallel, and is inclined by the wedge apex angle θ w . Light is incident on the chip at an incident angle θ i . Here, 5 ° the θ w, was 5 ° the θ i.
[0026]
The operation in the forward direction is basically the same as that of the above-described isolator. The polarization component transmitted through the first polarizer has its polarization plane rotated by 45 ° by the Faraday rotator, and is transmitted through the second polarizer. Since the two wedges are stuck alternately, the outgoing light is parallel to the incident light.
Of the light in the opposite direction, a certain polarization component is reflected by the second polarizer and deviates from the optical axis due to an angle shift. The remaining polarization components are transmitted through the second polarizer, reflected by the first polarizer, and further reflected by the second polarizer. Although the light passes through the first polarizer, the light is not coupled to the LD because an angle shift of 15 degrees occurs with respect to the incident direction.
[0027]
Next, a manufacturing method will be described. A row of grooves is formed on a parallel plate glass substrate by lithography and etching, and a photonic crystal polarizer is laminated. The lamination conditions were as described above. After lamination, the back surface of the substrate is polished and processed into a wedge shape. Here, the vertex angle θ w of the wedge was set to 5 °. As shown in FIG. 7, a Faraday rotator is bonded to the two photonic crystal polarizers processed as described above so that one is on the inside and the other is on the outside.
The size of the polarizer and the Faraday rotator are each set to 10 mm square, and after laminating, cut into 1 mm square. Fix the diced isolator chip to the housing. At this time, some of the cut-out isolator chips have different thicknesses of the two wedge substrates. However, since the thickness of the entire chip is equal and the optical axis shift amount in the forward direction is the same, there is no effect on optical coupling. Further, since the angle deviation in the reverse direction does not change, the isolation characteristics are not affected. In the case of this embodiment, since the work of bonding the optical axes of the two polarizers so that the Faraday rotation angle is 45 ° is performed on a large substrate, a large number of isolator chips can be formed, so that the assembly is simplified. .
[0028]
【The invention's effect】
The isolator having the structure of the present invention is formed by arranging two reflective polarizers on both sides of a Faraday rotator and facing the two polarizers at an angle instead of in parallel. The isolator of the present invention is superior in reliability because it does not generate heat due to light absorption, as compared with the type using an absorption polarizer. Use of a photonic crystal polarizer formed directly on a garnet can further reduce the number of components, and is suitable for reducing assembly costs. Further, since an arrangement that does not cause a forward optical axis shift is possible, the isolator can be easily incorporated into the LD module. The LD module excellent in mass productivity as described above is widely used, for example, applied to an optical transmitter in a metro system or a subscriber system, and can replace a conventional optical module.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an optical isolator showing the present invention. FIG. 2 is a diagram showing the structure of a photonic crystal polarizer. FIG. 3 is a diagram showing the operation of the isolator of the present invention by light rays. LD module used FIG. 5 shows an embodiment of the present invention FIG. 6 shows an embodiment of the present invention FIG. 7 shows a embodiment of the present invention FIG. 8 shows an optical isolator representing the present invention LD module using SYMBOL [Description of symbols]
Reference Signs List 101 first reflective polarizer 102 second reflective polarizer 103 Faraday rotator 104 glass substrate 105 cylindrical housing 201 substrate with concave / convex pattern 202 high refractive index material 203 low refractive index material 401 LD
402 First lens 403 Second lens 404 Optical fiber 405 Magnet 406 Prism 501 Faraday rotator 701 giving a rotation angle of 22.5 ° Wedge-shaped substrate 801 Housing 802 Ferrule
