JP2005134492A

JP2005134492A - 光アイソレータ及びその製造方法

Info

Publication number: JP2005134492A
Application number: JP2003368067A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Sato; 恭史佐藤; Hiroshi Hashimoto; 浩橋本
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-10-28
Filing date: 2003-10-28
Publication date: 2005-05-26

Abstract

【課題】偏光子の偏光軸、ファラデー回転子の回転角の面内ばらつきのために組み立てられた光アイソレータのアイソレーションが低下し、ばらつきも増大する。
【解決手段】ファラデー回転子と該ファラデー回転子を挟んで設置される少なくても２つの偏光子からなる光アイソレータにおいて、第１の偏光子と第2の偏光子の面内の偏光軸の分布の傾斜方向が略一致するよう配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は非相反性を利用した光アイソレータに関し、特に光通信用に好適な光アイソレータに関する。

光アイソレータは方向性を有し、順方向には光を通すが、逆方向には光を遮断するという機能を有する。光通信、光計測に利用される半導体レーザー（以下LDと略す）は外部から反射光が戻り、LDの活性層に入射すると内部の干渉状態が崩れ、波長のズレ、出力の変動等の不具合を起こす。LDを安定して発振させるために、逆方向の光を遮断する光アイソレータが活用されている。高精度な計測、高速な変調による通信、高密度化のために波長の厳重な制御が必要な通信では光アイソレータは不可欠となっている。

光アイソレータの模式図を図２（A）に示す。光アイソレータ１は第１の偏光子２Ａ、第２の偏光子２Ｂの間に配置されたファラデー回転子３と該ファラデー回転子３に磁界を印加するマグネット（不図示）から構成される。

図２（A）、（B）を用いて順方向、逆方向の光の挙動を示す。なお、偏光子において以降、透過する偏光方向を偏光軸と称するものとする。

図２（A）に示す様に順方向の光４は第１の偏光子２Aを透過し、偏光軸６と同じ方向の直線偏光成分７のみになる。さらにファラデー回転子３によって、偏光方向は４５°回転させられ、第２の偏光子２Bの偏光軸６と一致する。よって、第２の偏光子２Bによって減衰することなく、透過していく。一方図２（B）に示すように逆方向の光５は最初に第２の偏光子２Bに入射し、偏光軸６と同じ方向の直線偏光成分７のみが透過する。この光がファラデー回転子３により４５°偏光方向が回転する。第２の偏光子２Bの偏光軸６が予め４５°傾いていることにより、回転後の光は９０°傾くことになり、第１の偏光子２Aの偏光軸６と直交することにより遮断される。この遮断する効率は入射光のパワーをＰ０、出射光のパワーをＰ１として −１０×ＬＯＧ（Ｐ１／Ｐ０）で示される。

この遮断する効率を逆方向損失、またはアイソレーションと称し、光アイソレータの主たる特性を示し、大きな値ほど良い。また、偏光子は偏光軸と９０°の角度の偏光を最も大きく減衰するため９０°からずれた場合は光を遮断できず、アイソレーションは下がってしまう事になる。

また必要な大きさに偏光子、ファラデー回転子を切断したあと、個別に偏光方向を調整するものもあるが、効率良く作製するため特許文献１、特許文献２に示すように使用する大きさより大きな基板を接着剤等で貼りあわせたあと、所望の大きさに切断するものがある。切断後は多数の光アイソレータとなるが、光学調整は１度で済み効率的である。
特開平６−７５１８９公報特開２００１−２１８３８公報

ところで、これまでの説明では偏光子、ファラデー回転子は一様なものとの前提があるが実際は、実際は同一面内で偏光子なら透過偏光方向（以下偏光軸と表記）、ファラデー回転子ならファラデー回転角のばらつきが存在し一様では無い。図３に偏光子の偏光軸の面内ばらつき測定結果を等高線を使って示す。１０ｍｍ×１０ｍｍの大きさで面内中央の偏光軸を基準（ゼロ度）とし基準との差を示している。即ち面内中央で偏光軸が図中水平方向となる。また、図４にファラデー回転子のファラデー回転角のばらつき測定結果を同じく等高線を使って示す。面内中央部が４５度の回転角であって、周辺は中央部との回転角の差を示している。偏光子の例と同様に一様では無い。

現在、光アイソレータ用として広く用いられている偏光子の構造の模式図を図５に示す。ガラス１１内に金属粒子１０が分散した構造を持つ。金属粒子１０は、針状をしておりこの長軸方向と平行な直線偏光成分（図中ｘ方向）は吸収し、長軸方向と垂直な偏光成分７（図中ｙ方向）は吸収せず透過させてしまう。従って偏光軸６は金属粒子１０の長軸と垂直方向のｙ方向である。このような偏光子はガラス１１中に球状の金属粒子１０を分散させた後に、ガラス１１ごと引き延ばして作製される。引き伸ばすことによって、ガラス１１を変形させ、内部の金属粒子も針状に引き伸ばされながら配向する。従って金属粒子の配向方向１２は、引き伸ばされたガラス１１の形状に依存してしまう。

図６に引き伸ばされたガラス形状を示す。延伸されたガラス１１には平行に延びてない部分がありこれが内部の金属粒子の配向方向１２を決めてしまう。しかも一見平行に延びていても、中心部と外延部では、ガラス１１の変形量が異なる為、広範囲にわたって延伸状態が均一になることは困難であった。前述の様に、従来の偏光子はその作製上、偏光軸方向に面内分布が生じることは原理的に避けられなかった。一般には特性を測定する偏光子中央部を、その偏光子の偏光軸に代表させていたが、その偏光軸に対し、プラス部分とマイナス部分が実際には生じていることになる。このプラスマイナスは図３の偏光軸分布が示すように連続的に存在する。

ここで、偏光子面内のプラス角度部分からマイナス角度部分への最大傾斜に相当する方向を偏光軸分布の傾斜方向１３と定義する。例えば図３によればの等高線に垂直であってプラスからマイナスに向かう方向となり、紙面上では右上から左下に向かう方向となる。

さらにファラデー回転子は、その厚み（光透過方向の長さ）で回転角が決定される為、加工による厚みの誤差がそのままファラデー回転角のばらつきに影響を与えてしまっていた。図４に示すように同心円状に分布する場合は中心部だけ薄くなっていることを示す。

但し、ファラデー回転子の場合は研磨による厚さ精度に起因しているため、左右や上下方向に分布する場合もあり得る。

光アイソレータ組立調整時に光を通した個所を基準にするため、光を通した部分の近傍は厳密に偏光方向が合っているが、その周辺は、偏光子の偏光軸の面内ばらつきのために光学特性が劣化してしまう。特に特許文献２に示すような大きな基板を貼りあわせる場合、中央と外周部の偏光軸、回転角の方向の差が小さな光学素子の場合より大きくなってしまう。偏光軸なり、中央部に光を通し光学調整をした場合、外周部では偏光方向のズレがより大きくなってしまうという問題点があった。これを多数個に切り出せば、外周部に相当する光アイソレータはアイソレーションが低く、不良発生が生じ、また全体としてはばらつきが大きく工程能力が著しく低くなるといった問題となる。図８に実際に大きな基板（１０ｍｍ角）を貼りあわせた後、８１個に切り出して作製した光アイソレータのアイソレーションのばらつきを示す。切り出し時に２個破損し７９個のデータとなっている。分布に２つの山があり、アイソレーションは１０ｄBの幅をもってしまっている。

また、偏光子、ファラデー回転子を必要な大きさに切断した後に、個別に光学調整する光アイソレータの場合も、中心部と外周部でアイソレーションが異なるというアイソレーションの面内ばらつきが原理的に存在することになる。

本発明はファラデー回転子と該ファラデー回転子を挟んで設置される少なくとも２つの偏光子からなる光アイソレータにおいて、第１の偏光子と第2の偏光子の面内の偏光軸の分布の傾斜方向が略一致するよう配置したことを特徴とする。

本発明によれば、同一のばらつきを持つ偏光子を使用してもアイソレーションの最小値が向上する。またアイソレーションのばらつきが減少し、非常に安定した特性となる。全く同一の材料特性でありながら偏光軸分布の傾斜方向を合わせるだけで、完成品の性能は明らかに向上する。

以下、本発明の実施形態を説明する。

図１（A）は本発明の光アイソレータを示し、第１の偏光子２Aの偏光軸分布の傾斜方向１３と第２の偏光子２Bの偏光軸分布の傾斜方向１３が略一致した場合である。一方、図１（B）は比較例を示し、第１の偏光子２Aの偏光軸分布の傾斜方向１３と第２の偏光子２Bの偏光軸分布の傾斜方向１３が一致しない場合を示す。図１（B）の第２の偏光子２Bは図１（A）の第２の偏光子２Bと全く同じ偏光軸の分布を持つ。単に１８０度回転させて使用しているだけである。即ち、２つの偏光子間に偏光軸分布の傾斜方向が近い場合と遠い場合があるのは、特別なことではなく、同じ偏光子を用いて、偏光軸分布の傾斜方向も１８０度異なってしまうのである。

なお、図１では中央でゼロ度、即ち水平方向に偏光軸を持つ第1の偏光子２Aの分布は簡略に左右方向に一様に分布している場合を示しているが一般に、図３に示すように、やや傾いている。

このように、図１（Ａ）に示す偏光軸分布の傾斜方向を合わせる条件にすれば、アイソレーション値が高く、ばらつきも少ない安定した特性が得られる。

また、図８には、偏光子２Ａ、２Ｂの偏光軸分布の面内ばらつきとアイソレーションの関係を示す。１０ｍｍ×１０ｍｍでの分布としている。アイソレーションの最大値は等しいものの、最小値と平均値は偏光軸の面内ばらつきが大きいほど低下してしまう。

光アイソレータは、最低でも２５ｄB程度のアイソレーションが要求される。そのため、作製上の誤差等を考慮すれば偏光軸の面内ばらつきは少なくとも±２．５°以下である必要がある。また、より特性の高いアイソレーション３０ｄBの光アイソレータを得るためには、作製上の誤差等も考慮して好ましくは±１°以内の偏光軸の面内ばらつきが必要である。

本発明の光アイソレータの製造方法は、第１の偏光子２Ａとファラデー回転子3を接合し、第2の偏光子２Ｂの面内の偏光軸の分布の傾斜方向が前記第１の偏光子２Ａの偏光軸の分布の傾斜方向と略一致するよう配置し、光学調整をしたあとに相互に接合する。このとき、個々の素子単位で製造してもよいし、大型基板の状態で上記のように製造した後、分割して個々の光アイソレータを形成することもできる。

図１に示す本発明実施例の光アイソレータを作製した。偏光子として硼珪酸ガラス中に銀の針状粒子が分散している１０ｍｍ角の偏光子２A、２Bを用いた。この偏光子２Aは、消光比５２．５ｄB、挿入損失０．０３６ｄB、偏光軸の面内分布±０．５°であり、偏光子２Bは偏光軸の面内分布のみが異なり±０．６°である。また、片面に対空気用のＡＲコートを施している。

次にTbBi置換型ガーネットからなる１０ｍｍ角のファラデー回転子３を用いた。ファラデー回転角は中央で４５度であり、外周に向かってやや回転角が増加する同心円状の分布をもつ。最外周で＋０．１２°である。ファラデー回転子３は両面に対接着剤（屈折率１．５）用のＡＲコートを施している。また消光比は４６ｄＢである。

作製手順を図１０を用いて説明する。図１０（A）に示すように偏光子２Ｂ、ファラデー回転子３を接着剤により接着し、図１０（Ｂ）の形態にする。次に図１０（Ｃ）に示すように偏光子２Ａを直列に並べ、ファラデー回転子３と偏光子２Ａの間に接着剤（不図示）を滴下し、偏光子２Ｂ側から、逆方向の光５をほぼ中央部に入射し、偏光子２Ａ側で光量をモニターながら偏光子２Ａを光軸回りに回転調整し、モニターしている光量が最小になる場所で仮固定を行う。なお、偏光子２Ａ、２Ｂとも、ＡＲコート面は外側に向ける。また、偏光軸分布の傾斜方向１３は図１（Ａ）と（Ｂ）に示すようにの２種があるが、偏光子２Ａ、２Ｂの偏光軸分布の傾斜方向１３が近いほうの（Ａ）の関係とする。

それぞれの素子間には接着剤としてエポキシテクノロジー社のエポテック３０２−３Ｍを用い、仮固定後、恒温層にて１５０℃１時間にて熱硬化させた。

次に図１０（Ｄ）に示すようにこの貼りあわされた１０ｍｍ角の光アイソレータより、２２５個の小型光アイソレータをダイシングにより切断加工し作製した。完成した２２５個の光アイソレータのアイソレーションのヒストグラムを図９に示す。

偏光軸の分布に考慮しない図７の例に比較し、ばらつきが少なく、アイソレーション値の最低値も上がっていることがわかる。

次に、前記組合せでのシミュレーション結果を表１に示す。偏光子２A、２B、ファラデー回転子３の大きさはそれぞれ１０×１０ｍｍ、第１の偏光子２Aの偏光軸分布は中央をゼロ度とし、−０．５〜＋０．５°、第２の偏光子２Bの偏光軸分布は中央を４５°とし−０．６〜＋０．６°の分布とした。なお第１の偏光子と同一の偏光子を４５度回転させた方向で切り出せば偏光軸分布の最大最小はの幅は広がるため、前述の偏光軸分布になる。ファラデー回転子３は図４の実測に準じてファラデー回転角が中央部に対し、外周で０．１２°大きくなるように設定している。また偏光子の消光比は実測に基づき５２ｄＢ、挿入損失は０．０４ｄＢ、ファラデー回転子の消光比は４５ｄＢ、挿入損失は０．０８ｄＢとした。表１に示すように、偏光軸分布の傾斜方向を合わせた場合（４５°）では、アイソレーションの最低値は３８ｄB、標準偏差は１．４９ｄBに対して、偏光軸分布の傾斜方向を合わせた場合の逆（２２５°）では、アイソレーションの最低値は３３ｄB、標準偏差は３．１１ｄBとアイソレーション値は低く、ばらつきも増大してしまうことが判る。

また、図８には偏光子の偏光軸面内ばらつき幅とアイソレーションの関係を示す。偏光子の消光比は４０ｄB、挿入損失は０．０４ｄB、ファラデー回転子の消光比は４０ｄBで計算したものである。偏光子としての最適値を見積もるために、ファラデー回転子の回転角ばらつきはゼロと仮定した。光アイソレータは、最低でも２５ｄB程度のアイソレーションが要求される。そのため、作製上の誤差等を考慮すれば偏光軸の面内ばらつきは少なくても２．５°以下である必要がある。また、より特性の高いアイソレーション３０ｄBの光アイソレータを得るためには、作製上の誤差等も考慮して１°以内の偏光軸の面内ばらつきが必要である。

（Ａ）は本発明の実施例を説明する模式図である。（Ｂ）は（Ａ）に対する比較例を示す模式図である、従来の光アイソレータを説明する模式図である。（Ａ）は順方向の動作、（Ｂ）は逆方向の動作を示す。偏光子の偏光軸の面内分布を表すグラフである。ファラデー回転子の回転角の面内分布を表すグラフである。偏光子の構造を示す模式図である。延伸された偏光子の配向方向を示す模式図である。偏光軸分布を考慮しないで作製した光アイソレータのアイソレーション特性のばらつきを示すヒストグラムである。偏光子の偏光軸面内ばらつき幅とアイソレーションの関係を示すグラフである。本発明の実施例により作製した光アイソレータのアイソレーション特性のばらつきを示すヒストグラムである。本発明の光アイソレータの製造方法を説明する図である。

符号の説明

１、光アイソレータ
２A、第１の偏光子、２B、第２の偏光子
３、ファラデー回転子
４、順方向の光
５、逆方向の光
６、偏光軸
７、直線偏光成分
８、入射光
９、出射光
１０、金属粒子
１１、ガラス
１２、配向方向
１３、偏光軸の分布の傾斜方向

Claims

ファラデー回転子と該ファラデー回転子を挟んで設置される少なくとも２つの偏光子からなる光アイソレータにおいて、第１の偏光子と第2の偏光子の面内の偏光軸の分布の傾斜方向が略一致するよう配置したことを特徴とする光アイソレータ
前記第１の偏光子と前記第２の偏光子のそれぞれの偏光軸の面内ばらつきが±２．５°以下であることを特徴とする請求項１に記載の光アイソレータ。
ファラデー回転子と該ファラデー回転子を挟んで設置される少なくとも２つの偏光子からなる光アイソレータにおいて、第１の偏光子とファラデー回転子を接合し、第2の偏光子の面内の偏光軸の分布の傾斜方向が前記第１の偏光子の偏光軸の分布の傾斜方向と略一致するよう配置し、光学調整をしたあとに相互に接合することを特徴とする光アイソレータの製造方法。