JP2005157010A

JP2005157010A - 光アイソレータ

Info

Publication number: JP2005157010A
Application number: JP2003396428A
Authority: JP
Inventors: Tomoyuki Hirose; 友幸廣瀬; Gakushi Shoda; 学史庄田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-11-26
Filing date: 2003-11-26
Publication date: 2005-06-16

Abstract

【課題】実装時に直接光アイソレータ素子に接触する場合にはキズや欠損の外観不良を誘発し、キズは光アイソレータ内を光が通過する際に通過光を散乱してしまい、かつ、欠損部は光が通過しないため、挿入損失特性が劣化してしまう特性不良になり生産性を著しく悪化する。
【解決手段】少なくとも２枚の偏光子３、４と、偏光子３、４間に配置されるファラデー回転子５とからなる光アイソレータ素子が接合材を介して保持具に接合されている光アイソレータにおいて、上記保治具は、上記偏光子を接合する保治具１と、上記ファラデー回転子を接合する保治具２とから構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、光通信機器や光計測用センサー等に使用され、光源から発した光が光学系の端面で反射し、光源に戻るのを防止するための光アイソレータに関するものである。

半導体レーザ光源等の光源から出射した光は、各種光アイソレータ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アイソレータ素子、光ファイバを透過する際、反射や散乱を起こす。この反射や散乱した光の一部は光源側に戻り、この戻り光が半導体レーザの活性層に入射すると、発振波長や出力が変動してしまう。そのために、高速・高密度信号伝送などの信頼性の高い光通信や高精度の光計測を行うためには戻り光を防ぐことが不可欠となり、従来から、反射戻り光を除去する手段として光アイソレータが用いられていた。上記光アイソレータの基本的な原理説明を図６（ａ）（ｂ）を用いて説明する。

この光アイソレータは、図６（ａ）に示すように、入射光が偏光子Ｘを通過した後、ファラデー回転子Ｙによって、その偏光面（図中矢印Ｐ）が４５度回転し、更に、偏光子Ｘに対して、４５度（図において反時計方向）傾いた偏光面を有する検光子Ｚを通過する。また、図６（ｂ）に示すように、上記入射光とは逆方向の反射戻り光Ｒは、偏光子３に対して偏光面が一致した成分のみが偏光子Ｚを通過し、この後、上記ファラデー回転子Ｙによって、その偏光面が更に４５度（入射方向から見て反時計方向）回転する。従って、ファラデー回転子Ｙを通過した反射戻り光Ｒは、偏光子Ｘに対して、その偏波面が９０度回転していることとなり、入射側に到達することができなくなる。以上より光アイソレータは一方向からの光は通過させ、逆方向の光の通過を阻止する機能を果たす。

ところで、近年、光モジュールにおける小型化の要求により、モジュールパッケージ内に実装できる光アイソレータが求められている。従来構造としては、一枚の板状体である保治具に光アイソレータ素子である偏光子、ファラデー回転子を接合していた。従来から用いられる保治具の材質はＳＵＳ３０４が用いられ、また、ファラデー回転子の材質はＢｉ置換ガーネット単結晶が用いられ、偏光子の材質は誘電体粒子が内包したホウ珪酸ガラスが用いられているが、それぞれの熱膨張係数に差がありすぎるために、偏光子及びファラデー回転子と保持具との接合に際し、低融点ガラスや半田等の熱処理を必要とする接合材を用いる場合、各光アイソレータ素子と保持具と接合材の熱膨張係数の差異により熱応力が生じ、クラックの発生や光学特性劣化が生じることが知られている。これを解決するのに、例えば、図５に示すように、光アイソレータ素子である偏光子３０，４０及びファラデー回転子５０が保持具上１０〜３０のそれぞれに接合材６０〜８０によって接合されている。各保持具１０〜３０の熱膨張係数はそれぞれに接着される各光アイソレータ素子の熱膨張係数の近傍に設定されており各保持具１０〜３０は溶接により接合される。
特開平１１−１８３８４２号公報参照

しかしながら、特許文献１では、上記熱膨張係数の問題点について言及しているものの、偏光子３０，４０及びファラデー回転子５０を一体化する時のハンドリングの際に、ピンセット等で直接、光アイソレータ素子に接触することになりキズや欠損の外観不良を誘発し、キズは光アイソレータ内を光が通過する際に通過光を散乱してしまい、かつ、欠損部は光が通過しないため、挿入損失特性が劣化してしまう特性不良になるとともに生産性を著しく悪化する問題点があった。

また、光アイソレータ素子は偏光子３０、４０、ファラデー回転子５０を接合固定した保持具１０〜３０同士を接合するが、接合された保治具の底面部は同一面上に無く、凹凸形状となってしまうために、光モジュールへの固定時に凸部が支点となって光アイソレータに曲げ応力が働き、その影響でファラデー回転子の消光比が劣化し、アイソレーション特性が悪化する問題点があった。さらに、光アイソレータ素子の中心位置と上記接合面までの高さが変化する為、光アイソレータを通過する光の一部が光アイソレータ素子の端部に蹴られて損失劣化を引き起こす問題があった。

上記課題を鑑みて、本発明の光アイソレータは、少なくとも２枚の偏光子と、該偏光子間に配置される少なくとも１枚のファラデー回転子とからなる光アイソレータ素子が接合材を介して保持具に接合されている光アイソレータにおいて、上記保治具は、上記偏光子を接合する第１の保治具と、上記ファラデー回転子を接合する第２の保治具とからなることを特徴とする。

上記第１の保治具と第２の保治具とを接合することにより、上記光アイソレータ素子の位置決めがされていることを特徴とする。

上記第１又は第２の保持具の光アイソレータ素子を搭載する領域に凹部を形成したことを特徴とする。

上記第１又は２の保持具の凹部の反対側に平面部を形成したことを特徴とする。

上記光アイソレータ素子は、上記第１の保持具とファラデー回転子間及び上記第２の保治具と偏光子間に間隙を形成するように第１の保治具及び第２の保治具にそれぞれ接合されていることを特徴とする。

本発明の構成によれば、少なくとも２つの偏光子を一体的に接合する第１の保治具と、ファラデー回転子を接合する第２の保治具に分けることにより、第1の保持具と第２の保持具は接合する光アイソレータ素子の構成部品の熱膨張係数が近いものが選択され、これにより光アイソレータ素子と保持具とそれらを接合する接合材の熱膨張係数差を小さく設定することができ、熱膨張係数の差異での熱応力による光アイソレータ素子のクラックや光学特性劣化を防止することが可能となるとともに、偏光子間にファラデー回転子を配置させるだけであるので、製造時にキズや欠損の外観不良を誘発することを防止することができる。

また、上記第１の保治具と第２の保治具とが接合するようにしているので、保治具の寸法精度を調整するだけで簡単に偏光子、ファラデー回転子の位置決めを行うことが可能となるために、格段に製造効率を向上させることが可能となる。

さらに、第１の保持具又は第２の保持具の光アイソレータ素子の搭載領域を凹部に形成した構造としているので、光アイソレータ素子は第１又は第２の保持具の凹部に内包しながら第１又は第２の保持具の凹部外周で接合するために、光モジュール実装時に光アイソレータ素子に接触し、キズや欠損の外観不良を発生させる不慮の事故を防ぐことが可能である。

また、第１又は第２の保持具に接合される偏光子もしくはファラデー回転子を搭載する凹部の反対側に平面部を形成しているために、光モジュール固定時に平面部で簡単に面接合することができ、曲げ応力が原因によるアイソレーション特性が劣化する問題点を完全に改善することが可能となるとともに、第１又は第２の保持具の平面部を基準面とすることで、光アイソレータ素子の中心高さを一定にすることができるため、常に一定の光有効径を確保することができる。

また、本発明光アイソレータ素子は、上記第１の保持具とファラデー回転子間及び上記第２の保治具と偏光子間に間隙を形成するように第１の保治具及び第２の保治具にそれぞれ接合されているために、嵌合時に接触による光アイソレータ素子のキズや欠損、脱落などの不慮の事故を防止することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図によって説明する。図１に本発明の第１の実施形態である光アイソレータを示し、（ａ）は外観斜視図であり、（ｂ）〜（ｅ）は製造工程毎の概略断面図を示す。

本発明の光アイソレータは、図１に示すように偏光子３，４と、その偏光子３，４間に配置されるファラデー回転子５とからなる光アイソレータ素子が接合材６，７，８を介して保持具１、２に接合されており、保治具１、２は、上記偏光子３、４を一度に接合する第１の保治具１と、上記ファラデー回転子５を接合する第２の保治具２とからなる。

保持具１は、偏光子３，４が搭載される領域が凹部１１に形成されており、その反対側は平面部１２を形成している。また、保持具２は、ファラデー回転子５が搭載される領域が凹部１１に形成されており、その反対側は平面部１２を形成している。この保治具１、２の形状はいずれかが凹部１１を形成していればよく、一方が板状体と他方が凹部形状をしたものの組み合わせでも構わない。

ところで、保治具１、２同士は互いに凹部１１の外周同士で接合するだけで簡単に光アイソレータ素子が位置決めできるようになっている。これは、保治具の厚みＬの寸法を精度よく形成しているためであり、この寸法Ｌは平面１２から光アイソレータ素子の中心高さと光アイソレータの有効径からから算出される値である。

保持具１には、偏光子３，４を保持固定する為に凹部１１が形成され、凹部１１と反対側の面は平面部１２を形成している。保持具１の凹部１１には偏光子３，４が接合材６，７を介して固定されるが、偏光子３，４間にはファラデー回転子５が配置できるよう空隙があるよう設定されている。本発明光アイソレータでは少なくとも１枚の偏光子、少なくとも１枚のファラデー回転子から構成がすることが可能である。このとき、偏光子３の透過偏光方向１４は平面部１２に対して平行に設定されており、偏光子４の透過偏光方向（不図示）は偏光子３の透過偏光１４に対して反時計回り４５度になるように設定されている。同様に、保持具２に直線偏光を反時計回りに４５度回転させるファラデー回転子５を保持固定する為の凹部１１が形成され、凹部１１の反対側の面には平面部１３が形成されている。保持具２の凹部１１にはファラデー回転子５が接合材８を介して所定の位置に固定される。

そして、光アイソレータ素子は、上記保持具１とファラデー回転子５間及び上記保治具２と偏光子３，４間に間隙を形成するように保治具１及び保治具２にそれぞれ接合されている。

偏光子３，４が固定された保持具１とファラデー回転子５が固定された保持具２は、互いの凹部１１が相対するように嵌合し、接合面１０をレーザ溶接で固定することにより光アイソレータが完成する。

発明を満足することができる。

本発明に用いる偏光子３、４にはガラス基板に誘電体粒子を内包するタイプや誘電体積層タイプなどの透過偏光方向と直交する偏光方向を吸収する偏光子が用いられる。また、ファラデー回転子５は自己磁化を有するガーネットを使用しているが、磁界を印加する磁石を有していれば自己磁化を有していないＴｂ、Ｇｄ、Ｈｏを添加したＢｉ置換ガーネットやＹＩＧガーネットでも実施可能である。

保持具１に使用される材質としては上記熱膨張係数を有する４５Ｎｉ−Ｆｅ合金や３２Ｆｅ−１７Ｎｉ−Ｃｏ合金が望ましく、保持具２に使用される材質としては５０Ｎｉ−Ｆｅ合金や４２Ｆｅ−６Ｎｉ−Ｃｒ合金、ＳＵＳ４３０が望ましい。接合材としてはアウトガスの発生を抑制できる無機材料低融点ガラスや半田があり、熱膨張係数の調整が可能で表面処理が不要である低融点ガラスが望ましい。また、保持具同士の接合で半田固定の場合は、保持具２の材質としてジルコニアセラミックスでも使用可能である。

保持具１及び２の接合方法としては、局所加熱のために光アイソレータ素子への熱応力集中は無く、光アイソレータ素子のクラックや消光比劣化は発生しないレーザ溶接が望ましい。

接合材は加熱溶融させて光アイソレータ素子と保持具を接合するためには接合材を加熱溶融させる必要があるため、光アイソレータ素子と保持具と接合材の熱膨張係数のマッチングが重要である。しかしながら、偏光子３，４は熱膨張係数が６３〜６５×１０^−７／℃、ファラデー回転子は１１０×１０^−７／℃であるために、同一保持具内に偏光子３，４とファラデー回転子５を上記接合材で固定したときに熱応力集中による光アイソレータ素子のクラックやファラデー回転子の消光比劣化が問題となっている。本発明では、光アイソレータ素子と接合材と保持具の熱膨張係数差が１５×１０^−７／℃以内となるように偏光子３，４の固定には熱膨張係数が６５×１０^−７／℃の接合材６，７と、熱膨張係数が７５×１０^−７／℃の保持具１を用い、ファラデー回転子５の固定には熱膨張係数が９５×１０^−７／℃の接合材８と、熱膨張係数が１００×１０^−７／℃の保持具２を用いる事により、熱応力によるクラックや消光比劣化を防止することができる。

さらに、本発明光アイソレータは偏光子３、４、ファラデー回転子５が保持具１，２に内包されるために構造のために、光モジュール実装時のハンドリングの際に直接光アイソレータ素子に接触することが無くなり、キズや欠損の外観不良を発生させる不慮の事故を防止することができるとともに、保持具２の面１３がフラットであるために光モジュールへの吸引搬送が可能となって、光モジュールの組立自動化に適応した構造である。

また、本発明光アイソレータは保持具１の一部に平面１２が形成されているために、光モジュール固定時に平面部１２で面接合することができ、保持具接合面の凸部が支点となって発生した曲げ応力が発生しない構造であり、曲げ応力の影響によるファラデー回転子５の消光比劣化から誘発されるアイソレーション特性劣化を改善することができる。さらに、保持具１の平面部１２を基準面とすることで、光アイソレータ素子の中心高さを一定にすることができるため、常に一定の光有効径を確保することができる光アイソレータを提供できる。

さらに、光アイソレータ素子は、保持具１とファラデー回転子５間及び保治具２と偏光子３，４間に間隙を形成するように保治具１及び保治具２にそれぞれ接合されているために、保持具同士の嵌合の組立作業時における保持具と光アイソレータ素子との接触による光アイソレータ素子のキズや欠損、脱落などの不慮の事故を防止することが可能となった。

図２の（ａ）〜（ｅ）に本発明の第２の実施形態である光アイソレータ工程毎の概略図を示す。

光アイソレータ素子の固定方法として、光アイソレータ素子側面で接合材６，７（不図示），８を用いて、保持具１，２と固定するために、保持具１，２の光アイソレータ素子との接触角部を面取りし、面取り部１５に接合材６，７（不図示），８を配置して固定している。

図３の（ａ）〜（ｄ）に本発明の第３の実施形態である光アイソレータ工程毎の概略図を示す。光アイソレータからの近端反射光がＬＤへ戻るのを防止するために保持具１，２の凹部１１を外形に対して傾斜させた場合を示す。これにより、ＬＤからの入射光に対して、光アイソレータ素子が全て傾斜している為に、光アイソレータ素子端面からの反射光がＬＤへ帰着しないため、光アイソレータ内部の近端反射光をＬＤへ戻るのを防止でき、ＬＤの発信光を安定化できる利点がある。

図４の（ａ）〜（ｄ）に本発明の第４の実施形態である光アイソレータ工程毎の概略図を示す。ファラデー回転子５に磁界を印加する磁石９を搭載した場合を示す。これにより、自己磁化を有するファラデー回転子５の場合、回転角の波長、温度依存性が大きいため、所望のアイソレーションを確保することができない場合があるために、自己磁化を有していないために外部から磁界を印加させる必要のあるが、回転角の波長、温度依存性が小さいファラデー回転子５を使用する。このファラデー回転子５を使用するために磁石９を保持具２に低融点カ゛ラスや半田、接着剤等の接合材で固定搭載している。これにより、所望のアイソレーションを確保できる利点がある。

ここで、本発明の図１に示す光アイソレータで本発明効果を対比するためのサンプル各３０個作製し、クラックの有無とアイソレーション特性による比較を行った。

光アイソレータサンプル１は光アイソレータ素子と接合材と保持具の熱膨張係数差が１５×１０^−７／℃以内となるように設定した。具体的には熱膨張係数が６５×１０^−７／℃の偏光子３，４の固定には熱膨張係数が６５×１０^−７／℃の低融点ガラス接合材６，７と、熱膨張係数が７５×１０^−７／℃の４５Ｎｉ−Ｆｅ合金の保持具１を用い、熱膨張係数が１１０×１０^−７／℃のファラデー回転子５の固定には熱膨張係数が９８×１０^−７／℃の低融点ガラス接合材８と、熱膨張係数が１００×１０^−７／℃の５０Ｎｉ−Ｆｅ合金の保持具２を用いた。それぞれを接合した後、保持具１，２は突合せ面１０をＹＡＧ溶接にて接合固定した。

光アイソレータサンプル２は光アイソレータ素子と接合材と保持具の熱膨張係数差が１５×１０^−７／℃以上となるように設定した。具体的には熱膨張係数が６５×１０^−７／℃の偏光子３，４の固定には熱膨張係数が６５×１０^−７／℃の低融点ガラス接合材６，７と、熱膨張係数が１７３×１０^−７／℃のＳＵＳ３０４の保持具１を用い、熱膨張係数が１１０×１０^−７／℃のファラデー回転子５の固定には熱膨張係数が７５×１０^−７／℃の低融点ガラス接合材８と、熱膨張係数が７５×１０^−７／℃の４５Ｎｉ−Ｆｅ合金の保持具２を用いた。

この結果、光アイソレータサンプル１は組立時での光アイソレータ素子、接合材にクラックの発生は無く、アイソレーション特性も平均値で３７．５ｄＢと所望の特性値を得ることが出来た。

しかしながら、光アイソレータサンプル２は組立時に保持具１にて偏光子と低融点ガラスにクラックが６０％の発生率で発生した。また、アイソレーション特性は平均値で３３．６ｄＢと熱膨張係数差によるファラデー回転子への熱応力が付加されて消光比が劣化したことにより特性劣化が発生した。

これより、各光アイソレータ素子と接合材と保持具の熱膨張係数差が１５×１０^−７／℃以内に設定するとともに本発明構造のように熱膨張係数差が大きい光アイソレータ素子をそれぞれ別体として保持具に接合した後にそれぞれをレーザ接合等で固定することにより、熱応力による光アイソレータ素子のクラックや消光比劣化を防止することが確認できた。

さらに、図１で示した本発明形態と図５で示した従来形態のサンプルをそれぞれ５０個試作し、光アイソレータ素子のキズ、欠損等の外観不良の発生頻度の比較を行った。その結果、図５で示した従来形態のサンプルは図１で示した本発明形態のサンプルと比較し、キズ、欠損の外観不良発生頻度は約１０倍であったことから、図１で示した本発明形態は外観不良発生に対して十分防止効果があることを確認した。

（ａ）は本発明の第１の実施形態である光アイソレータの外観図であり、（ｂ）〜（ｅ）はその製造工程を示す断面図である。（ａ）〜（ｅ）は本発明の第２の実施形態である光アイソレータの工程概略図である。（ａ）〜（ｄ）は本発明の第３の実施形態である光アイソレータの工程概略図である。（ａ）〜（ｄ）は本発明の第４の実施形態である光アイソレータの工程概略図である。従来の光アイソレータの外観図である。（ａ），（ｂ）ともに光アイソレータの原理を説明する図である。

符号の説明

１：保持具（第１の保持具）
２：保持具（第２の保持具）
３：偏光子
４：偏光子
５：ファラデー回転子
６〜８：接合材
９：磁石
１０：接合面
１１：凹部
１２：平面部（保持具１）
１３：平面部（保持具２）

Claims

少なくとも２枚の偏光子と、該偏光子間に配置される少なくとも１枚のファラデー回転子とからなる光アイソレータ素子が接合材を介して保持具に接合されている光アイソレータにおいて、上記保治具は、上記偏光子を接合する第１の保治具と、上記ファラデー回転子を接合する第２の保治具とからなることを特徴とする光アイソレータ。
上記第１の保治具と第２の保治具とを接合することにより、上記光アイソレータ素子の位置決めがされていることを特徴とする請求項１記載の光アイソレータ。
上記第１又は第２の保持具の光アイソレータ素子を搭載する領域に凹部を形成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の光アイソレータ。
上記第１又は２の保持具の凹部の反対側に平面部を形成したことを特徴とする請求項３に記載の光アイソレータ。
上記光アイソレータ素子は、上記第１の保持具とファラデー回転子間及び上記第２の保治具と偏光子間に間隙を形成するように配置されていることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の光アイソレータ。