JP2005025138A

JP2005025138A - 短波長高パワー用光アイソレータ

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Publication number: JP2005025138A
Application number: JP2003270930A
Authority: JP
Inventors: Kazuaki Ikegai; 一秋池貝; Masaru Sasaki; 勝佐々木; Yoshihiro Konno; 良博今野
Original assignee: Namiki Precision Jewel Co Ltd
Current assignee: Namiki Precision Jewel Co Ltd
Priority date: 2003-07-04
Filing date: 2003-07-04
Publication date: 2005-01-27

Abstract

【課題】ファラデー回転子の光吸収が大きくても、入射光の強度が大きい条件下で使用する場合に、ファラデー回転子の温度上昇を抑えて特性の劣化や長期安定性が損なわれることなく、小型軽量の短波長高パワー用光アイソレータを実現する。
【解決手段】ファラデー回転子の近傍にマグネットを配置すると共に、ファラデー回転子の両側に少なくとも２枚の偏光子を配置し、その偏光子の少なくとも一方を偏光子ホルダに固定し、ファラデー回転子を光信号透過部分以外の面で熱伝導率が200W/m・K以上の材料から成る放熱板に固定すると共に、放熱板の少なくとも一部をマグネット、又は偏光子ホルダに固定するように短波長高パワー用光アイソレータを構成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、短波長で高パワーの光信号が入射した時に、光吸収によるファラデー回転子の温度上昇を抑えることが可能な光アイソレータに関するものである。

光アイソレータは、一方向への光信号の通過を許容し逆方向からの光信号の通過を阻止する機能を持つ非可逆光デバイスであり、例えば半導体レーザを光源とする光通信システムにおいて光信号が反射によって光源側に戻ることを防止するため等に用いられている。一般に光通信で用いられる近赤外波長（1.31μｍ又は1.55μｍ）用の光アイソレータは、ファラデー回転子の磁気光学素子としてBi置換希土類鉄ガーネット単結晶（以下、必要に応じてガーネット単結晶と云う）などを使用している。このようなガーネット単結晶は、通常、ガーネット基板上にLPE（液相エピタキシャル）法で育成した厚膜である。この場合、ガーネット単結晶厚膜をガーネット基板付きのまま使用する場合（例えば、特許文献１参照。）と、研磨加工によってガーネット基板を取り去ってガーネット単結晶厚膜のみで使用する場合の２通りがある。
特開平０７−２８１１２号（第３頁、第７図）

このような近赤外波長用光アイソレータの代表的な例として、ガーネット基板付き磁気光学結晶膜を使用したものを図９に示す。また図１０はマグネット内部に配置されたファラデー回転子の説明図であり、同図(a)はマグネット及びファラデー回転子の正面図を示し、同図(b)はそのｘ−ｘ断面図を示している。この光アイソレータ100は、筒状のマグネット101の内部にガーネット基板102付き磁気光学結晶膜103を装着してファラデー回転子104とし、そのファラデー回転子104を、第１の偏光子105と第２の偏光子106との間に配置する構造である。磁気光学結晶膜103は、例えばBi置換希土類鉄ガーネット単結晶の厚膜であり、ガドリニウム・ガリウム・ガーネット基板（GGG基板）等のガーネット基板102上にLPE法で成膜したものである。図１０に示すように、ガーネット基板102と磁気光学結晶膜103を、それらの外周部２箇所（対角位置）でスポット的に半田107によってマグネット101の内周面に固定する。

ところで最近、上記のような近赤外波長の光信号を増幅する技術として、光ファイバ増幅器が注目されている。その場合、例えば1.31μｍ帯の光信号に対しては1.017μｍ帯励起による光ファイバ増幅器が用いられ、又、1.55μｍ帯の光信号に対しては0.98μｍ帯励起による光ファイバ増幅器が用いられるが、このためには、0.98μｍ帯及び1.017μｍ帯用といった1.00μｍ（1000ｎｍ）付近の光アイソレータが必要となる。このような比較的短波長領域で損失の小さい磁気光学素子としては、常磁性単結晶あるいは常磁性ガラスがあるが、それらを用いると、磁気光学素子の厚みが10mm以上必要となり、光アイソレータが大型化してしまう。更に、常磁性体の磁気光学素子を磁気飽和させるためには巨大なマグネットが必要になり、このことも光アイソレータの大型化を招いてしまう原因となる。

そこで、近赤外波長の光信号の場合と同様、磁気光学素子に鉄ガーネット等の厚膜を用いて光アイソレータの小型化を図ることを検討した。しかし、Bi置換希土類鉄ガーネット等のガーネット体では、0.9μｍ付近にピークをもつFe3価の光吸収が１μｍ前後まで拡がりをもつため、1.05μｍよりも短い波長領域では光吸収が大きい。この種の材料の0.98μｍ帯域での損失は、通常6.0ｄＢ程度もあり、最近の材料開発の進展に伴って低減しつつあるが、それでも3.5ｄＢ程度はある。光ファイバ増幅器に用いる光アイソレータは、その特性上、入射光の光強度が大きいことから、磁気光学結晶膜が吸収した光が熱に変わって光信号透過部分に大きな温度上昇を引き起こす。これによって磁気光学結晶膜のファラデー回転角が変化し、消光比が劣化するばかりでなく、長期信頼性の点でも問題が生じる。

そのため、従来の近赤外波長の信号光に用いる光アイソレータの構造を、そのまま短波長高パワー用光アイソレータには採用できない。また光計測用などでも高パワー用の光アイソレータが求められることがあるが、従来の光アイソレータの構造では対応できない。

本発明は上記課題に鑑みて成されたものであり、その目的は、ファラデー回転子の光吸収が大きくても、入射光の強度が大きい条件下で使用する場合に、ファラデー回転子の温度上昇を抑えて特性の劣化や長期安定性が損なわれることなく、小型軽量の短波長高パワー用光アイソレータを実現することである。

上記各課題を解決するために、本発明の請求項１記載の短波長高パワー用光アイソレータは、ファラデー回転子の近傍にマグネットを配置すると共に、ファラデー回転子の両側に少なくとも２枚の偏光子を配置してなる短波長高パワー用光アイソレータにおいて、２枚の偏光子の少なくとも一方は偏光子ホルダに固定され、ファラデー回転子は光信号透過部分以外の面で熱伝導率が200W/m・K以上の材料から成る放熱板に固定されると共に、放熱板の少なくとも一部がマグネット、又は偏光子ホルダに固定されて成ることを特徴とする短波長高パワー用光アイソレータとしている。

更に請求項２記載の短波長高パワー用光アイソレータは、ファラデー回転子が、ファラデー回転角22.5度を有し且つファラデー回転方向が同一方向である２枚のファラデー回転子から構成されることを特徴とする短波長高パワー用光アイソレータとしている。

更に請求項３記載の短波長高パワー用光アイソレータは、放熱板の平面形状は、ファラデー回転子が固定される箇所が平面状に形成されると共に、それ以外の箇所が凹凸状に形成されることを特徴とする短波長高パワー用光アイソレータとしている。

本発明の短波長高パワー用光アイソレータに依れば、入射光が短波長で高パワーである条件下で使用する場合にファラデー回転子の光吸収が大きくても、ファラデー回転子の温度上昇を抑えることが可能になる。従って、ファラデー回転角の温度依存性による消光比の劣化を防止でき長期信頼性も確保できると共に、ファラデー回転子に常磁性体を使用しなくてもよいためマグネットの大型化を抑制することもできる。これによって1.05μｍ以下の波長領域で大きく且つ重いファラデー回転子を使用しなくてもよくなり、小形で軽量の短波長高パワー用光アイソレータを実現できる。これにより光ファイバ増幅器や各種光計測装置などの小形化・軽量化を図ることも可能になる。

＜第１の実施形態＞
以下、本発明に係る短波長高パワー用光アイソレータ（以下、単に光アイソレータと云う）の第１の実施形態について、図１〜図４を参照しながら詳細に説明する。図１は本発明の光アイソレータの一例を示す正面図であり、図２は図１の光アイソレータのｙ−ｙ断面図であり、図３と図４は図１、図２の光アイソレータに使用される磁気光学素子と放熱板を示す斜視図である。

図１及び図２の光アイソレータ１において、２は円筒形のマグネットであり、マグネット２の筒穴内にファラデー回転子３が放熱板４を介して取り付けられる。これによりファラデー回転子３の近傍にマグネット２が配置される。マグネット２には、例えばサマリウムコバルト（Sm-Co）系マグネットやネオジ（Nd-Fe-B）系マグネット、フェライトマグネットなどを用いることができるが、特にSm-Co系マグネットは高い磁気特性が得られるため小型化に適しており、又、温度安定性及び対酸化性に優れているので最適である。

ファラデー回転子３はLPE法により作製したBi置換希土類鉄ガーネット等の単結晶等が用いられ、光信号入射方向に飽和磁場が印加されている場合に、入射された光信号の偏光方向を光軸回りに正確に45度回転させるために、光信号の進行方向（図２の矢印Ｉ）に対して所定の厚さを有するように構成されている。放熱板４は銅タングステン合金等の熱伝導率の高い材料で形成されたものであり、図２〜図４に示すようにファラデー回転子３の光信号透過部分3aに相対する箇所は、光信号透過部分3aの形状に沿うように切り欠き部4aが設けられる。その切り欠き部4aと光信号透過部分3aとを位置合わせしながら、ファラデー回転子３は光信号透過部分3a以外の面で放熱板４に固定される。放熱板４の材料には、高熱伝導率で熱膨張係数がファラデー回転子３の熱膨張係数（約10.2×10^-6／℃）と近似である銅タングステン合金を使用するのが望ましい。銅タングステン合金には銅の含有％により種々のものが存在するが、熱伝導率が200W/m・K以上で熱膨張係数が約8.0×10^-6／℃〜10.0×10^-6／℃の範囲内にあるW-20CuやW-30Cu等が最適である。このような材料から成る放熱板４とファラデー回転子３とを、半田材や低融点ガラスなどと云った無機接合材により固定する。無機材を使用することにより、有機接合材のような温度や湿度の厳しい使用環境における耐久性の劣化や接合材の収縮の発生、及びアウトガスの発生を防止することが可能になる。放熱板４とファラデー回転子３とは互いの熱膨張係数が近似なので、半田材等の高温融点接合材を使用してもファラデー回転子３に応力歪みが発生する可能性を抑えることができる。

５及び６は平板状のガラス基板から成る偏光子であり、ガラス基板に誘電体粒子を内包するタイプや、ガラス基板上に誘電体を積層させるタイプ等である。２枚の偏光子５、６は光軸８（図２参照）方向において、ファラデー回転子３の前後両側に配置される。どちらの偏光子５、６も偏光透過方向に対して直交する偏光方向の入射光を吸収・遮断する作用を有していて、例えばコーニング社製「商品名ポーラコア」などを用いることができる。偏光子６の光信号透過部分における偏光透過方向は、偏光子５の偏光透過方向に対して相対的に約45度、ファラデー回転子３の回転方向に異なるように形成される。

２枚の偏光子５、６の少なくとも一方は、偏光子ホルダ７に固定される。図２の例ではファラデー回転子３の前段側（光信号の入射側）に位置する偏光子５が偏光子ホルダ７に固定されている。偏光子５の光信号透過部分5aと相対する偏光子ホルダ７の箇所には、
光信号透過部分5aの形状に沿うように孔が設けられ、この孔と光信号透過部分5aとを位置合わせしながら、偏光子５は偏光子ホルダ７に固定される。偏光子ホルダ７は、その熱膨張係数が偏光子５の熱膨張係数（約6.5×10^-6／℃）と近似の材料を用いることが望ましく、具体的な材料としてはFe-Ni-Co合金（商品名コバール、熱膨張係数：約5.0×10^-6／℃）等が最適である。偏光子５と偏光子ホルダ７とは無機接合材によって固定される。

他方、偏光子６はTi等から成るスペーサ９を挟んでファラデー回転子３に無機接合材によって固定される。スペーサ９を、ファラデー回転子３と偏光子６の各熱膨張係数の中間の値を有する材料に選定することにより、無機接合材の溶融固化時に各光学素子に発生する応力歪みを低減させることが可能になる。

ファラデー回転子３が固定された放熱板４は、少なくともその一部がマグネット２又は偏光子ホルダ７に固定される。図２には、放熱板４がファラデー回転子３が固定される面と逆側の面全体で偏光子ホルダ７に固定されると共に、ファラデー回転子３の固定箇所以外の外周部寄りの箇所でマグネット２に固定されてなる構成の光アイソレータ１を示している。

マグネット２の片側には、Fe等の強磁性体から成るリング状のヨーク10が設けられる。ヨーク10は偏光子５、６及びファラデー回転子３の光信号透過部分に該当する個所に穴部を有する。このようなヨーク10をマグネット２に密着させることにより、マグネット２から発生する磁束をヨーク10の穴部付近に集中させることが可能になり、ファラデー回転子３への磁束印加効率を向上させることが可能となる。又、11は光アイソレータ１全体の強度を確保するためのケースである。

以上のように構成された光アイソレータ１に、短波長で高パワーを有する光信号が入射されると、ファラデー回転子３は光信号透過部分3aで光吸収により発熱する。光信号透過部分3aで発生した熱はファラデー回転子３内部を伝導して行き、ファラデー回転子２外周部寄りから放熱板４へと伝って行く。放熱板４に伝わった熱は、更に偏光子ホルダ７及びマグネット２へと伝導する。このようにして、光吸収により発生する熱は、ファラデー回転子３を経由して偏光子ホルダ７やマグネット２等の光アイソレータ構成部品へ放熱されるため、ファラデー回転子３の放熱効率が向上し、温度上昇を抑えられる。

なお、本実施形態は種々変更可能であり、例えば放熱板４の固定部品を偏光子ホルダ７又はマグネット２のどちらか一方にしてもよい。

＜第２の実施形態＞
次に、本発明に係る光アイソレータの第２の実施形態について、図５を参照しながら詳細に説明する。図５は第２の実施形態の光アイソレータの断面図である。なお、第１の実施形態と同一箇所には同一番号を付し、重複する説明は省略、もしくは簡略して記述する。

第２の実施形態が第１の実施形態と異なる点は、ファラデー回転子３の両面に１枚ずつ放熱板４が固定され、２枚の放熱板４にファラデー回転子３が固定されているということである。このような構成とすることにより、放熱板４が１枚増加された分第１の実施形態に比べ、光吸収により発生した熱をもう一方の放熱板４にも分散して伝導・拡散することができるので、より効率良くファラデー回転子３を放熱して速やかに温度上昇を抑えることが可能となる。

＜第３の実施形態＞
次に、本発明に係る光アイソレータの第３の実施形態について、図６を参照しながら詳細に説明する。図６は第３の実施形態の光アイソレータの断面図である。なお、前記各実施形態と同一箇所には同一番号を付し、重複する説明は省略、もしくは簡略して記述する。

第３の実施形態が前記各実施形態と異なる点は、45度ファラデー回転子が22.5度のファラデー回転角を有する２枚を組み合わせることにより構成されるということである。当然ながら、２枚の22.5度ファラデー回転子3'、3'のファラデー回転の方向は同一方向である。

２枚のファラデー回転子3'、3'で光吸収により発生した熱は、ファラデー回転子3'、3'内部から放熱板４、４を伝わって偏光子ホルダ７、７及びマグネット２へと放熱される。ここでファラデー回転子3'、3'は、本来45度のファラデー回転が生じる厚みを２枚に分割したものであり、１枚当たりの厚さを薄くすることが可能になるため光吸収も少なくなる。従って、１枚当たりのファラデー回転子3'の温度上昇を45度ファラデー回転子３よりも
抑えることが可能になる。よって１枚のファラデー回転子3'当たりに発生する熱を分散することができるので、光アイソレータ１全体としての温度上昇も少なくすることが可能になる。

＜第４の実施形態＞
次に、本発明に係る光アイソレータの第４の実施形態について、図７及び図８を参照しながら詳細に説明する。図７は第４の実施形態の光アイソレータに用いられる放熱板の説明図であり、同図(a)は放熱板の平面形状を示す正面図であり、同図(b)は同図(a)の放熱板の側面図である。又、図８は第４の実施形態の光アイソレータの断面図である。なお、前記各実施形態と同一箇所には同一番号を付し、重複する説明は省略、もしくは簡略して記述する。

第４の実施形態が前記各実施形態と異なる点は、放熱板の平面形状が凹凸状に形成されるということである。図７に示すように、図示しないファラデー回転子が固定される箇所4bのみ平面状に形成され、それ以外の箇所は矩形波の形状が連続するように凹凸状に形成されている。なお、放熱板4'の材料は前記放熱板４と同一である。更に、図８に示すように、放熱板4'が固定される偏光子ホルダ７の一面も、放熱板4'の凹凸形状と重なり合うように凹凸状に形成されている。

以上のように放熱板4'の平面形状を変更することにより、放熱板4'の表面積をリング状の平面部品からなる前記放熱板４に比べて大きく取ることが可能になる。従って、光吸収によりファラデー回転子３に発生した熱を拡大分の表面積によってより効率良く放熱することができ、ファラデー回転子３の温度上昇をより速やかに効率良く抑えることが可能となる。なお、箇所4bのみ平面状に形成したのは、ファラデー回転子３との接合面積を十分に確保して一定の接合強度を得るためである。

又、偏光子ホルダ７の一面も、放熱板4'の凹凸形状と重なり合うように凹凸状に形成されているため表面積が拡大し、放熱板4'に伝導してきた熱を効率良く放熱することが可能となる。なお、放熱板4'の凹凸形状と向き合うマグネット２の形状を凹凸状に形成しても良い。

なお、本実施形態は種々変更可能であり、例えば放熱板4'の平面形状を矩形波の形状から成る凹凸状ではなく、波形の凹凸状に成形しても良い。

本発明の光アイソレータを光通信システム等に用いられる光通信モジュール、半導体レーザモジュール、光増幅器等のパッシブ光デバイスに利用することにより、半導体レーザ光源への反射戻り光の防止や、光増幅器内部での光の共振の発生を防止することができる。

本発明の第１の実施形態の光アイソレータを示す正面図。図１の光アイソレータのｙ−ｙ断面図。図１及び図２の光アイソレータに使用されるファラデー回転子と放熱板を示す斜視図。図３のファラデー回転子と放熱板とが固定された状態を示す斜視図。本発明の第２の実施形態の光アイソレータの断面図。本発明の第３の実施形態の光アイソレータの断面図。 (a) 本発明の第４の実施形態の光アイソレータに使用される放熱板の平面形状を示す正面図。(b) 図７(a)の放熱板の側面図。本発明の第４の実施形態の光アイソレータの断面図。従来の近赤外波長用光アイソレータの一例であるガーネット基板付き磁気光学結晶膜を使用した光アイソレータを示す側面図。 (a) マグネット及びファラデー回転子の正面図。(b) 図１０(a)のｘ−ｘ断面図。

符号の説明

１光アイソレータ
２マグネット
３ 45度ファラデー回転子
3' 22.5度ファラデー回転子
４、4' 放熱板
５、６偏光子
７偏光子ホルダ
８光軸
９スペーサ
10 ヨーク
11 ケース

Claims

ファラデー回転子の近傍にマグネットを配置すると共に、ファラデー回転子の両側に少なくとも２枚の偏光子を配置してなる短波長高パワー用光アイソレータにおいて、２枚の偏光子の少なくとも一方は偏光子ホルダに固定され、ファラデー回転子は光信号透過部分以外の面で熱伝導率が200W/m・K以上の材料から成る放熱板に固定されると共に、放熱板の少なくとも一部がマグネット、又は偏光子ホルダに固定されて成ることを特徴とする短波長高パワー用光アイソレータ。
前記ファラデー回転子が、ファラデー回転角22.5度を有し且つファラデー回転方向が同一方向である２枚のファラデー回転子から構成されることを特徴とする請求項１記載の短波長高パワー用光アイソレータ。
前記放熱板の平面形状は、前記ファラデー回転子が固定される箇所が平面状に形成されると共に、それ以外の箇所が凹凸状に形成されることを特徴とする請求項１又は２記載の短波長高パワー用光アイソレータ。