JP2004361757A

JP2004361757A - 光アイソレータ

Info

Publication number: JP2004361757A
Application number: JP2003161450A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Kimura; 昌行木村; Takuya Kawamura; 卓也川村; Akitoshi Shimo; 彰利下
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2003-06-06
Filing date: 2003-06-06
Publication date: 2004-12-24

Abstract

【課題】強いパワーのレーザ光に対しても、アイソレーションと挿入損失が良好な光アイソレータを提供すること。
【解決手段】中心軸方向の磁界が印加されたファラデー回転子１と、このファラデー回転子１を介して対向した一対のＰＢＳ４とを備える光アイソレータであり、ファラデー回転子１の両面にサファイヤ板２を密着させた。またサファイヤ板２に代えて水晶、ゲルマニウム、グラファイト、シリコン、シリコンナイトライド、ガリウムナイトライドの板を用いてもよい。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として映像機器、光計測器、光通信システム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、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、散乱された光の一部は戻り光として前記光源に戻ろうとするが、この戻り光を遮断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し、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の光の偏光面を４５°回転する厚みに設定され、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いる。レーザパワーが数百ｍＷと低い場合はファラデー回転子の温度上昇もわずかで特段問題は起きない。しかし、光ファイバアンプなどでは１Ｗレベルのパワーを必要とし、そのような光が照射された部分のファラデー回転子の温度が無視できなくなるほど上昇することがある。下記の特許文献１ではハイパワーレーザによる温度上昇を低減するために、ファラデー回転子であるビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜（以下、ＢＩＧと略記する）の片面に非磁性ガーネット基板（以下、ＬＰＥ基板とも略記する）を残すことにより、ＢＩＧでの放熱を促進し、温度の上昇を妨げ、透過損失の増大を防いでいる。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−６６１６０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ＢＩＧは、近赤外で優れた透明性を有するが、波長域によっては光吸収が大きくなる。たとえばＹＡＧレーザの波長（１０６４ｎｍ）での挿入損失は０．５ｄＢ程度である。ＢＩＧに吸収された光のエネルギーは熱に変換されてＢＩＧの温度を上げる。レーザパワーが数百ｍＷの場合にはＬＰＥ基板が放熱作用を示し、問題ないが、加工機や映像用機器などではそのパワーは数Ｗレベルにも達する。この場合ＬＰＥ基板だけでは放熱しきれず、ＢＩＧの温度が上昇し、損失が増大し結晶が破壊されることもある。
【０００６】
また、ＬＰＥ基板を残すことで、挿入損失がＢＩＧのみの時より大きく、アイソレータとしての特性を劣化させる。
【０００７】
この状況にあって、本発明は強いパワーのレーザ光に対しても、アイソレーションと挿入損失が良好な光アイソレータを提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは非常に強いパワーを有するレーザ光に対しても適用できるファラデー回転子を用いた光アイソレータを鋭意検討した。そして、複屈折の位相差５．７４°以下の物質で高熱伝導率（好ましくは２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、少なくとも５Ｗ／ｍ・Ｋ以上）の物質をＢＩＧに密着配置して使用することにより、低ロスでハイパワーレーザに適用できる光アイソレータを完成させた。
【０００９】
従来のＢＩＧおよびＬＰＥ基板を用いた光アイソレータにおける、発生した熱の伝播ルートには、（１）ＢＩＧの厚膜を伝わって逃げるルート、（２）ＢＩＧに接触した空気からのルート、（３）ＢＩＧからＬＰＥ基板を伝わって筐体または空気に逃げるルートがある。これらのルートのうち（３）が最も効果的であるが、レーザパワーが１Ｗを超えると放熱しきれず損失が上昇する。そこで筆者らはサファイアなどの熱伝導率が高く、光が透過する物質をＢＩＧに密着させることにより放熱を促進し、ハイパワーに耐える光アイソレータを提供できるようになった。
【００１０】
また、サファイヤのような複屈折結晶を使用する場合には、切断方向によっては、異常光成分が逆方向より透過してアイソレーションを低下させることがある。よってサファイヤは常光、異常光の位相差の小さいところを選んで切断方向を決めねばならない。実用的なアイソレーション２０ｄＢを確保するためには常光と異常光間の位相差は５．７４°以下が必要となる。
【００１１】
以上をまとめると、本発明の光アイソレータは、中心軸方向の磁界が印加されたファラデー回転子と、前記ファラデー回転子を介して対向した一対の偏光子とを備える光アイソレータにおいて、前記ファラデー回転子の少なくとも片面に熱伝導率が５Ｗ／ｍ・Ｋ以上で、かつ光波を透過する板を密着させたことを特徴とする。
【００１２】
前記ファラデー回転子に密着させる板は、サファイヤ、水晶、ゲルマニウム、グラファイト、シリコン、シリコンナイトライド、ガリウムナイトライドから選択されるとよい。
【００１３】
前記ファラデー回転子に密着させる板はサファイヤの板であり、前記板を光波が透過する際に発生する、常光および異常光の間の位相差は５．７４°以下であるとよい。
【００１４】
そして、前記ファラデー回転子に密着させる板は水晶の板であり、前記板を光波が透過する際に発生する、常光および異常光の間の位相差は５．７４°以下であるとよい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００１６】
本発明の一実施の形態における光アイソレータの断面を図１に示す。１はファラデー回転子、２はサファイヤ板、３は磁石、４はＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）、５はホルダである。
【００１７】
図１のように、サファイヤ板２などの高熱伝導率の板をファラデー回転子１の両面に密着させる。但し、片面のみであってもよい。この板の熱伝導率は、サファイヤの場合には２０Ｗ／ｍ・Ｋ程度であり、２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上が好ましいが、５Ｗ／ｍ・Ｋにおいても放熱効果が確認できる。
【００１８】
ところで、熱伝導率が高く、透明な物質は複屈折結晶であることが多い。その場合には、直線偏光が透過するときに複屈折によって生ずる直線偏光度の低下に注意しなければならない。
【００１９】
一般に複屈折結晶中において、等強度の常光成分と異常光成分を有する直線偏光が位相差δ（単位：ｄｅｇ）をもたらす光路を通過すると、楕円偏光となり、ｓｉｎ^２（π・δ／１８０）の短軸方向の成分が発生する。この成分は長軸方向の偏光成分を遮断する偏光子によっては遮断することができないので、その分がアイソレーションを低下させる。
【００２０】
ところで、アイソレーションは逆方向の入射光強度をＩｏとし、透過光強度をＩとすると、−１０・ｌｏｇ（Ｉ／Ｉｏ）で表すことができる。したがって、楕円偏光の短軸方向の成分の発生により、アイソレーションは−１０・ｌｏｇ｛ｓｉｎ^２（π・δ／１８０）｝になる。この位相差δとアイソレーションの関係を図３に示す。
【００２１】
図３のように位相差が５．７４°の時、アイソレーションは２０ｄＢとなる。したがって、実用的なアイソレータで必要となるアイソレーション２０ｄＢを達成するためには位相差は５．７４°以下でなければならない。
【００２２】
以下、サファイヤ板の場合について、詳しく説明する。本実施の形態においてサファイヤ板は厚さ０．４ｍｍで、切断角度はｃ軸に対し６．１°以内とした。その理由は次のとおりである。
【００２３】
位相差φ（単位：ｄｅｇ）と屈折率差△ｎの関係は、φ＝△ｎ・ｄ・１８０／λであるから、位相差φ＝５．７４°、厚みｄ＝０．４ｍｍ、波長λ＝１０６３ｎｍの場合に、屈折率差△ｎ＝５．７４×１０６３×１０^−９／（１８０×０．４×１０^−３）＝０．００００８３となる。
【００２４】
次に、屈折率楕円体の式から△ｎ＝０．００００８３となる傾き角θを求める。サファイヤにおける常光に対する屈折率Ｎｏ＝１．７１２、異常光に対するＮｅ＝１．７００であることより、楕円の式はＸ^２／１．７００^２＋Ｙ^２／１．７１２^２＝１となる。図４に異常光に対する屈折率楕円体を示す。
【００２５】
傾き角θでの異常光に対する屈折率をＮ’とすると、△ｎ＝Ｎｏ−Ｎ’＝０．００００８３であるから、Ｎ’＝（Ｘ^２＋Ｙ^２）^１／２＝１．７１２−０．００００８３である。また、Ｘ＝ｔａｎθ・Ｙよりθを求めると、θ＝６．１°となる。よってサファイヤのｃ軸に対する切断方向は６．１°以内とする。
【００２６】
光アイソレータの作製について、説明を続ける。空気と接する光学面にはＡＲコートを施す。偏光子にはＰＢＳを用い、これも空気に接する面にはＡＲコートを施した。ホルダは熱伝導の良い銅材を用いた。このようにして光アイソレータを作製する。
【００２７】
ところで、サファイヤに代えて、水晶を用いることができる。このとき２０ｄＢ以上のアイソレーションを確保するために、異常光と常光に対する位相差が５．７４°以下となる結晶方位と厚さを選択する必要がある。なお、水晶の熱伝導率は結晶方位によって異なるが、５〜１０Ｗ／ｍ・Ｋ程度である。
【００２８】
また、サファイヤに代えて、ゲルマニウム、グラファイト、シリコン、シリコンナイトライド、ガリウムナイトライドを用いることもできる。なお、ファラデー回転子の両面において、互いに異なる材料を用いることも可能である。
【００２９】
【実施例】
次に本発明の実施例を説明する。
【００３０】
（実施例１）本実施例の光アイソレータの構造は、ファラデー回転子１の片面にのみサファイヤ板を密着させた点を除いて、図１と共通である。ファラデー回転子１としてはビスマス置換希土類鉄ガーネットを使用し、入射面にサファイア板２を密着させた。このときサファイヤ板２の厚さは０．４ｍｍで、切断角度はｃ軸に対し６．１°以内とした。その理由は、既に説明したように、２０ｄＢ以上のアイソレーションを確保するためである。
【００３１】
空気と接する面にはＡＲコートを施した。偏光子にはＰＢＳ４を用い、これも空気に接する面にはＡＲコートを施した。ホルダ５は熱伝導の良い銅材を用い、光アイソレータを作製した。
【００３２】
（実施例２）本実施例の光アイソレータの構造は図１のとおりである。ガーネットの両面にサファイヤを密着させ、他は実施例１と同様にして光アイソレータを作製した。
【００３３】
（比較例）ガーネットの片面にＬＰＥ膜（比磁性ガーネット基板）を密着させ、他は実施例１と同様にして光アイソレータを作製した。
【００３４】
以上のように作製した光アイソレータにおいてレーザパワーと挿入損失の関係を示したのが図２である。実施例１および２においては、レーザパワー５Ｗ以下で、０．８ｄＢ以下の挿入損失が得られ、比較例においては、レーザパワー２Ｗで挿入損失が２ｄＢを超えた。
【００３５】
以上のように、ガーネットに複屈折結晶の位相差５．７４°以下の物質でサファイヤ板をＢＩＧに密着配置して使用することにより、低ロスでハイパワーレーザに適用できる光アイソレータが作製できた。なお、ファラデー回転子に水晶の板を密着させた場合、水晶の板は結晶方位によっては熱伝導率が５Ｗ／ｍ・Ｋ程度になるが、水晶の板を用いても放熱の効果を確認することができた。
【００３６】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、強いパワーのレーザ光に対しても実用的なアイソレーションと挿入損失を有する光アイソレータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光アイソレータを示す断面図。
【図２】実施例および比較例の光アイソレータにおけるレーザパワーと挿入損失の関係を示す図。
【図３】位相差δとアイソレーションの関係を示す図。
【図４】異常光に対する屈折率楕円体を示す図。
【符号の説明】
１ファラデー回転子
２サファイヤ板
３磁石
４ＰＢＳ
５ホルダ

Claims

中心軸方向の磁界が印加されたファラデー回転子と、前記ファラデー回転子を介して対向した一対の偏光子とを備える光アイソレータにおいて、前記ファラデー回転子の少なくとも片面に熱伝導率が５Ｗ／ｍ・Ｋ以上で、かつ光波を透過する板を密着させたことを特徴とする光アイソレータ。
請求項１に記載の光アイソレータにおいて、前記ファラデー回転子に密着させる板は、サファイヤ、水晶、ゲルマニウム、グラファイト、シリコン、シリコンナイトライド、ガリウムナイトライドから選択されてなることを特徴とする光アイソレータ。
請求項１に記載の光アイソレータにおいて、前記ファラデー回転子に密着させる板はサファイヤの板であり、前記板を光波が透過する際に発生する、常光および異常光の間の位相差は５．７４°以下であることを特徴とする光アイソレータ。
請求項１に記載の光アイソレータにおいて、前記ファラデー回転子に密着させる板は水晶の板であり、前記板を光波が透過する際に発生する、常光および異常光の間の位相差は５．７４°以下であることを特徴とする光アイソレータ。