JP2005338374A - 透明窓付き光アイソレータモジュール及び光素子モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 透明窓付き光アイソレータモジュール及び光素子モジュールにおいて、透明窓の研磨角度の最小化と金属ホルダを含む工程簡略化及び光アイソレータ部品の小型化による低コスト化、納期短縮化を可能とする。
【解決手段】 透明窓の光出射面は光ファイバ先端の傾斜方向と逆方向に設定されていると共に、光アイソレータはフェルールの一端面に固定されていることを特徴とする透明窓付き光アイソレータモジュール。
【選択図】図１

Description

本発明は、光通信に利用される光アイソレータ内蔵型光素子モジュールに関する。

従来の透明窓付き光アイソレータモジュール及び光素子モジュールは、例えば特許文献１に開示されており、その内部構造を図４、図５で説明する。図４は従来の透明窓付き光アイソレータモジュールの縦断面図、図５は光素子モジュールの中央断面図である。

透明窓１は、ガラス、プラスチック等の透明材料からなり、一方の面が他方の面に対して１３°傾斜した断面くさび状に形成したものであり、半導体レーザなどの光素子への近端反射による戻り光を抑制するため、入射する光軸の垂直面に対し一方の面である光入射面１ａが１０°、他方の面である光出射面１ｂが光入射面１ａと逆方向に３°傾斜するように配置するとともに、円筒状の金属ホルダ２の先端部に、その開口面を封止するようＡｕ／Ｓｎはんだにより気密封止固定されている。なお、透明窓１及び金属ホルダ２には予め、図示しない、はんだ付けのためのメタライズが施されている。また、金属ホルダ２の外径には、パッケージ等へ取り付けのためのフランジ３が形成されている。

光アイソレータ素子４は、３枚の偏光子５と２枚のファラデー回転子６から成り、予め３枚の偏光子５の透過偏波面の角度が各々４５°となるよう回転調芯された後、接着剤により張り合わせ固定され、入射する光のビームスポット径よりも充分大きく、かつ光ファイバ７との光軸ズレも考慮された所定の大きさに裁断されて形成され、透明窓１の光出射面１ｂに接着固定されている。

８は、ファラデー回転子６に磁界を印加する円筒型の磁石であり、金属ホルダ２の内径部２ａに接着固定され、光アイソレータ素子４と磁石８によって光アイソレータ９が形成されている。

セラミック又はガラスから成るキャピラリ１０は、中央部に光ファイバ７が挿入可能な貫通孔１０ａを有し、ステンレス又はＦｅ−Ｎｉ材から成る金属パイプ１１に圧入により固定されてフェルール１２が形成されている。なお、キャピラリ１０の貫通孔１０ａに挿入される光ファイバ７は接着剤により保持されている。

ここで、上述のような構造の場合、透明窓付き光アイソレータモジュールを形成するには、光入射面１ａが１０°、光出射面１ｂが光入射面１ａと逆方向に３°に設定された透明窓１から出射された光の光軸の傾きをθとすると、光を効率よく光ファイバ７へ導入するために、光ファイバ７及びキャピラリ１０の一端面１３は、特許文献１にも記載されているように、光軸とは逆に２θの傾きで研磨する必要があることは理論的にも知られており、１３°に設定されている。これは、透明窓１の光入射面１ａと光出射面１ｂの角度を加算した角度と言い換えることができるものである。フェルール１２は、キャピラリ１０の一端面１３と透明窓１の光出射面１ｂの傾斜方向が同一方向となるように金属ホルダ２の内径部２ａに挿通され、ＹＡＧレーザにより貫通溶接固定されている。

図５は図４の透明窓付き光アイソレータモジュール１００を光素子モジュールに用いたときの縦断面図である。角型のパッケージ１３から成る光素子モジュールで、パッケージ１３に内蔵されるモニタ用ＰＤ（フォトダイオード）及び配線用リード線は省略する。

従来の光素子モジュールは、半導体レーザなどの光素子１４、レンズ１５、ステム１６、電子冷却素子１７からなる光学ユニット２００と、光学ユニット２００を収容するパッケージ１３及び透明窓付き光アイソレータモジュール１００とから構成されている。

光素子１４は、はんだによりステム１６上に搭載固定され、光素子１４の出射光を集光するレンズ１５は、ステム１６上にはんだ又はＹＡＧレーザにより搭載され、ステム１６は、電子冷却素子１７上にはんだにより搭載固定され、光学ユニット２００が形成されている。

光学ユニット２００は、パッケージ１３内に収容し、透明窓付き光アイソレータモジュール１００は、パッケージ１３に具備されたステンレス又はＦｅ−Ｎｉ材などの金属から成るＰＫＧパイプ１３ａに挿通して、光学ユニット２００から出射された光の光軸に対し、光学ユニット２００はＺ方向、透明窓付き光アイソレータモジュール１００はＸＹ及び回転方向に調整した後（図の矢印参照）、光学ユニット２００の電子冷却素子１７はパッケージ１３内にはんだ固定、透明窓付き光アイソレータモジュール１００の金属ホルダ２のフランジ３は、ＰＫＧパイプ１３ａにＹＡＧレーザによる全周溶接により気密封止固定されて光素子モジュールが形成されている。
特開平１１−２９５５６４号公報

しかしながら、図４及び図５に示す従来の構造では、断面くさび状に形成した透明窓１の傾斜面が垂直面に対して１３°も研磨しているため、少ない傾斜面とした場合に比べると研磨しろが大きくなり、透明窓１が高価であった上、光ファイバ７へ効率よく光を導入するために透明窓１の光出射面１ａの傾斜方向と光ファイバ７の研磨面である光ファイバ７及びキャピラリ１０の一端面１３の傾斜方向を同一方向として、角度を１３°に設定する必要があった。

このため、傾斜角度の大きいフェルール１２側にはキャピラリ１０の外径からはみ出す可能性があるので光アイソレータが取り付けにくく、傾斜角度が比較的小さい透明窓１の光出射面１ｂに光アイソレータ素子４が取り付けられ、金属ホルダ２の内径部２ａに光アイソレータ９が形成されていた。

この場合、光アイソレータ素子９の光学面の面積を決定するにあたり、光が集光される光ファイバ７の位置と光アイソレータ素子４の光学面の中心軸ズレ、すなわち金属ホルダ２の内径精度及び金属パイプ１１の外径精度、金属パイプ１１の外径と光ファイバ７が挿通されるキャピラリ１０の貫通孔１０ａとの偏心精度、金属ホルダ２の内径部２ａに対する光アイソレータ素子４の搭載位置精度を考慮する必要があり、光アイソレータ素子４の光学面の面積は、中心軸ズレを考慮し、入射する光のビーム径に対して大きくする必要があるため大型化するものである。従って、光アイソレータ素子４に入射されるビーム径は例えば約φ０．3ｍｍに対し、縦１．０ｍｍ×横１．０ｍｍより小さくできないという課題があった。

更に、透明窓１を金属ホルダ２に気密封止固定する手段として、はんだを用いていたため、接合のために透明窓１及び金属ホルダ２にＡｕなどのメタライズを施す必要があり、低コスト化の他、短納期化が困難であるという課題があった。

本発明の目的は、上述の課題に鑑みて案出されたものであり、小型化、低コスト化を可能とするとともに、短納期化も可能とした透明窓付き光アイソレータモジュール及び光素子モジュールを提供することにある。

上記課題に鑑みて本発明の透明窓付き光アイソレータモジュールは、中央に光ファイバの一端を装着すると共に、一端面を上記光ファイバの一端面と同じ方向に傾斜させてなるキャピラリと、該キャピラリの一端面側に配置された光アイソレータと、該光アイソレータの光入射側に配置した光を透過する断面くさび形状の透明窓とを備え、光素子から出射された光を上記透明窓と光アイソレータとを透過させて上記光ファイバの一端面へ入射させる光素子モジュールにおいて、上記透明窓の光出射面は上記光ファイバ先端の傾斜方向と逆方向に設定されていると共に、上記光アイソレータは上記キャピラリの一端面に固定されていることを特徴とする。

また、上記光アイソレータが固定された上記キャピラリの一端面の傾斜角度は、４°〜８°に設定されていることを特徴とする。

更に、上記透明窓は、円筒型の金属ホルダに低融点ガラスにより気密封止固定されていることを特徴とする。

加えて、本発明の光素子モジュールは、上記透明窓付き光アイソレータモジュールに光が入射可能に構成した光素子を有する光学ユニットを備えることを特徴とする。

本発明の構成によれば、光出射面とキャピラリ及び光ファイバの研磨面の傾斜角度が逆方向となるよう設定することで、透明窓の研磨角度を小さくして研磨しろを少なくすることが可能となり小型化を達成できる。これにより、キャピラリに光アイソレータ素子を接着固定し、磁石をキャピラリにつけた光アイソレータ付きフェルールを提供することができる。従って、キャピラリに光アイソレータ素子を接着固定できると、光アイソレータ素子の光学面の中心と光ファイバの位置を直接接合しているので、光ファイバと光アイソレータ素子との取り付け精度が向上し、従来構造に比較して格段に光アイソレータ素子の面積を小さくでき、小型化、低コスト化が可能となる。

また、透明窓を金属ホルダに低融点ガラスにより気密封止固定することで、Ａｕなどのメタライズを不要とし、低コスト化ばかりでなく短納期対応も可能となる。

このように、透明窓の研磨角度を小さくし、光アイソレータ素子を小型化し、透明窓及び金属ホルダをノーメタライズ化した透明窓付き光アイソレータモジュールを使用することで、光素子モジュールの低コスト化及び短納期化が可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図によって説明する。なお、従来技術と同じものについては同じ符号を用いるものとする。

図１は、本発明の透明窓付き光アイソレータモジュールの縦断面図である。

本発明の透明窓付き光アイソレータモジュールは、透明窓１を取り付けた金属ホルダ２内に光ファイバ７を有したフェルール１２が取り付けられた構造である。

透明窓１は、ガラス、プラスチック等の透明材料からなりる断面がくさび状に形成されたものであり、一方の面が他方の面に対して４°の傾斜を有し、半導体レーザなどの光素子への近端反射による戻り光を抑制するため、一方の面である入射する光軸の垂直面に対し光入射面１ａが１０〜１４°、他方の面である光出射面１ｂが光入射面１ａと同一方向に６〜１０°の傾斜となるように有底円筒状の金属ホルダ２の底面に形成した貫通孔にその開口部を覆うように低融点ガラスにより気密封止固定されている。

ここで、透明窓１の形状としては、くさび状、特に、図１に示すくさび状は上下面に対して一方の面は傾斜面（図の１ａ）であり、他方の面は垂直面（図の１ｂ）となった形状としている。この理由としては、透明窓１の形成工程で安価な平面ガラスの片面のみが研磨されているためである。従って、くさび状であれば、上述のような形状に限定されるものではない。

また、上述のように透明窓１及び金属ホルダ２に低融点ガラスにより接合させるので透明窓１及び金属ホルダ２には、はんだ付けのためのメタライズを施す必要がない。なお、金属ホルダ２の外径には、パッケージ等へ取り付けのためのフランジ３が形成されている。

フェルール１２は、中央に貫通孔１０ａを有したキャピラリ１０、光アイソレータ９、光ファイバ７及びそれらを固定する金属パイプ１１から構成されている。

キャピラリ１０はセラミック又はガラスから成り、中央の貫通孔１０ａに光ファイバ７の端部を接着剤により挿入固定され、一端面が光ファイバ７の端面と同じ方向に研磨した傾斜面となっている。ここで、傾斜面としては、光入射面１ａが１０〜１４°、光出射面１ｂが光入射面１ａと逆方向に６〜１０°に設定され、透明窓１から出射された光を効率よく光ファイバ７の端面へ導入するために、光ファイバ７及びキャピラリ１０の一端面１３は、透明窓１の光入射面１ａの角度から光出射面１ｂの角度を減算した４〜８°に斜め研磨されている。詳細は後述する。また、このキャピラリ１０はステンレス又はＦｅ−Ｎｉ材から成る金属パイプ１１の一方開口に圧入により固定される。

さらに、光アイソレータ９は、フェルール１２の一端側に配置され、光アイソレータ素子４と円筒状の磁石８とから構成されている。具体的には、キャピラリ１０の一端面１３の略中央には、光ファイバ７の端面を覆うように光アイソレータ素子４が取り付けられ、キャピラリ１０の一方側が円筒状の磁石８の開口内に圧入されている。

光アイソレータ素子４は、３枚の偏光子５と２枚のファラデー回転子６から成り、予め３枚の偏光子６の透過偏波面の角度が各々４５°となるよう回転調芯された後、接着剤により張り合わせ固定され、入射する光のビームスポット径のφ０．３ｍｍよりも充分大きい光学面となる縦０．４５ｍｍ×横０．４５ｍｍ程度の大きさに裁断されて形成されたものである。

磁石８は、ファラデー回転子６に磁界を印加するものであり、上述のようにキャピラリ１０の一端を磁石８内に挿通し、磁石８の端面と金属パイプ１１の端面同士を接着固定している。

光アイソレータ９が取り付けられたフェルール１２は、キャピラリ１０の一端面１３と透明窓１の光出射面１ｂの傾斜方向が逆方向となるように金属ホルダ２の内径部２ａに挿通され、ＹＡＧレーザにより貫通溶接固定されている。これにより、透明窓付き光アイソレータモジュール１００が形成されている。

図２は、本発明の透明窓付き光アイソレータモジュール１００の透明窓１と光アイソレータ９が取り付けられたフェルール１２の先端部の縦断面図であり、光が入出射する面の傾斜角度の関係を示す。

透明窓１から出射された光の光軸の傾きをθとすると、光を効率よく光ファイバ７へ導入するためには、光ファイバ７及びキャピラリ１０の一端面１３は、光軸とは逆に２θの傾きで研磨する必要があることは前述した。

透明窓１の光軸と垂直となる面に対する光入射面１ａの傾斜角度をＡとし、光出射面１ｂの角度をＢとし、光ファイバ７及びキャピラリ１０の一端面１３の研磨角度をＣ（２θ）とする。このとき、従来例のように角度Ｂが角度Ｃと同一方向に傾斜している場合は、角度Ａと角度Ｂを加算した角度がＣ、すなわちＡ＋Ｂ＝Ｃとすることで、光ファイバ７へ効率よく光を導入することができる。一方、図２に示す本発明のように光軸の垂直面に対し角度Ｂが従来例とは逆方向に傾斜している場合は、角度Ａから角度Ｂを減算した角度がＣ、すなわちＡ−Ｂ＝Ｃとすることで、光ファイバ７へ効率よく光を導入することができる。また、角度Ｃを４°以上とすることで、半導体レーザなどの光素子への近端反射を抑制することができ、８°以下とすることで、光アイソレータ素子４をキャピラリ１０の一端面１３のほぼ中央に設置固定してもキャピラリ１０外径からはみ出すことがないため、磁石８をキャピラリ１０に挿通固定する事ができ、フェルール１２に光アイソレータ９を形成することができる。

図３は図１の透明窓付き光アイソレータモジュール１００を光素子モジュールに用いたときの縦断面図である。角型のパッケージ１３から成る光素子モジュールで、パッケージ１３に内蔵されるモニタ用ＰＤ（フォトダイオード）及び配線用リード線は省略する。

本発明の光素子モジュールは、半導体レーザなどの光素子１４、レンズ１５、ステム１６、電子冷却素子１７からなる光学ユニット２００と、光学ユニット２００を収容するパッケージ１３及び透明窓付き光アイソレータモジュール１００とから構成されている。

光素子１４は、はんだによりステム１６上に搭載固定され、光素子１４の出射光を集光するレンズ１５は、ステム１６上にはんだ又はＹＡＧレーザにより搭載され、ステム１６は、電子冷却素子１７上にはんだにより搭載固定され、光学ユニット２００が形成されている。

光学ユニット２００は、パッケージ１３内に収容し、透明窓付き光アイソレータモジュール１００は、パッケージ１３に具備されたステンレス又はＦｅ−Ｎｉ材からなるＰＫＧパイプ１３ａに挿通して、光学ユニット２００から出射された光の光軸に対し、光学ユニット１３はＺ方向、透明窓付き光アイソレータモジュール１００はＸＹ及び回転方向に調整した後、光学ユニット２００の電子冷却素子１７はパッケージ１３内にはんだ固定、透明窓付き光アイソレータモジュール１００の金属ホルダ２のフランジ３は、ＰＫＧパイプ１３ａにＹＡＧレーザによる全周溶接により気密封止固定されて光素子モジュールが形成されている。

本発明では、図４で示した従来例よりも透明窓１の研磨角度を１／３以下に小さくして研磨しろを少なくしたことで透明窓１自身の低コスト化を実現するとともに、光出射面１ｂと光ファイバ７及びキャピラリ１０の一端面１３の研磨角度が逆方向となるよう設定することで、光ファイバ７へ導入する効率を損なうことなく、磁石８をキャピラリ１０に挿通して、キャピラリ１０に光アイソレータ素子４を接着固定でき、フェルール１２に光アイソレータ９を形成することができる。このような構成とすることで、光アイソレータ素子４の光学面の中心と光ファイバ７の位置を精度良く搭載することができるため、図４で示した従来例に比較して光アイソレータ素子４の光学面の面積を約１／５程度に小さくでき、小型化、低コスト化が可能となる。

また、図４で示した従来例では、透明窓１を金属ホルダ２にはんだにより気密封止固定し、図５で示したように金属ホルダ２をＰＫＧパイプ１３ａに同じくはんだにより気密封止固定しているため、透明窓１及び金属ホルダ２にＡｕなどのメタライズが必要であったのに対し、本発明では透明窓１を金属ホルダ２に低融点ガラスにより気密封止固定することで、Ａｕなどのメタライズを不要とし、光素子モジュールとしての低コスト化及び短納期化が可能となる。

以下、本発明の実施例として図１及び図２に示す透明窓付き光アイソレータモジュールと図３に示す光素子モジュールを作製した。光素子モジュールは、光素子が半導体レーザからなる半導体レーザモジュールとした。

図１において、透明窓１は、一対の面が４°の傾斜を有する断面くさび形状とし、入射する光軸の垂直面に対し光入射面１ａが１３°、光出射面１ｂが光入射面１ａと同一方向に９°の傾斜となるように円筒状の金属ホルダ２の先端部に低融点ガラスにより気密封止固定した。金属ホルダ２の外径には、パッケージへ取り付けのためのフランジ３を形成した。

中央部に貫通孔１０ａを有するセラミックから成るキャピラリ１０をステンレス材から成る金属パイプ１１に圧入により固定し、フェルール１２を形成した。光ファイバ７はフェルール１２に挿通して接着剤により固定した。光ファイバ７及びキャピラリ１０の一端面１３は、透明窓１の光入射面１ａの角度１３°から光出射面１ｂの角度９°を減算した角度となる４°に斜め研磨した。

３枚の偏光子５と２枚のファラデー回転子６から成る光アイソレータ素子４は、３枚の偏光子５の透過偏波面の角度が各々４５°となるよう回転調芯した後、接着剤により張り合わせ固定し、光学面を縦０．４５ｍｍ×横０．４５ｍｍの大きさに裁断して、キャピラリ１０の一端面１３のほぼ中央部に接着固定した。

磁石８は、キャピラリ１０を挿通してキャピラリ及び金属パイプに接着固定し、光アイソレータ素子９と磁石１０によって光アイソレータ９を形成した。

光アイソレータ９が取り付けられたフェルール１２は、キャピラリ１０の一端面１３と透明窓１の光出射面１０ｂの傾斜方向が逆方向となるように金属ホルダ２の内径部２ａに挿通し、ＹＡＧレーザにより貫通溶接固定した。これにより、図２で示したように透明窓１の光入射面１ａの角度Ａが１３°、光出射面１ｂの角度Ｂが９°、光ファイバ７の一端面１３の角度Ｃが４°であることからＡ−Ｂ＝Ｃが成り立ち、光を効率よく光ファイバ７へ導入することができる。

図３において、半導体レーザからなる光素子１４をはんだによりステム１６上に搭載固定し、レンズ１５は、ステム１６上にはんだにより搭載し、ステム１６は電子冷却素子１７上に同じくはんだにより搭載固定して、光学ユニット２００を形成した。

光学ユニット２００は、パッケージ１３内に収容し、透明窓付き光アイソレータモジュール１００は、パッケージ１３に具備したＦｅ−Ｎｉ材からなるＰＫＧパイプ１３ａに挿通して、光学ユニット２００から出射された光の光軸に対し、光学ユニット２００はＺ方向、透明窓付き光アイソレータモジュール１００はＸＹ及びθ方向に調整した後、光学ユニット２００の電子冷却素子１７はパッケージ１３内にはんだ固定、透明窓付き光アイソレータモジュール１００の金属ホルダ２のフランジ３は、ＰＫＧパイプ１３ａにＹＡＧレーザによる全周溶接により気密封止固定した。

本実施例の光素子モジュールでは、透明窓１の研磨角度を従来例の１３°に比し４°として、研磨しろを１／３以下とした低コストな透明窓を採用し、光出射面１ａとキャピラリ１０及び光ファイバ７の一端面１３の傾斜角度が逆方向となるよう設定することで、光ファイバ７へ導入する効率を損なうことなく、磁石８をキャピラリ１０に挿通して、キャピラリ１０に光アイソレータ素子４を接着固定できた。このようにフェルール１２に光アイソレータ９を形成することで、光アイソレータ素子４の光学面の中心と光ファイバ７の位置を精度良く搭載することができたため、従来例の光アイソレータ素子４の面積１ｍｍ^２に比較して本実施例では約０．２ｍｍ^２として約１／５に低減したことで裁断個数を増やし、低コスト化できた。

更に、従来例では透明窓１を金属ホルダ２にはんだにより気密封止固定していたのに対し、本実施例では、透明窓１を金属ホルダ２に低融点ガラスにより気密封止固定したことで、Ａｕなどのメタライズを不要とし、低コストで納期も短縮した光素子モジュールを提供することが可能となった。

本発明の透明窓付き光アイソレータモジュールの縦断面図である。 本発明の透明窓付き光アイソレータモジュールの透明窓及び光アイソレータ付きフェルールの縦断面図である。 本発明の光素子モジュールの縦断面図である。 従来の透明窓付き光アイソレータモジュールの縦断面図である。 従来の光素子モジュールの縦断面図である。

符号の説明

１…透明窓
１ａ…光入射面
１ｂ…光出射面
２…金属ホルダ
２ａ…内径部
３…フランジ
４…光アイソレータ素子
５…偏光子
６…ファラデー回転子
７…光ファイバ
８…磁石
９…光アイソレータ
１０…キャピラリ
１１…金属パイプ
１２…フェルール
１３…先端面
１４…光素子
１５…レンズ
１６…ステム
１７…電子冷却素子
１００…透明窓付き光アイソレータモジュール
２００…光学ユニット

Claims (4)

1. 中央に光ファイバの一端を装着すると共に、一端面を上記光ファイバの一端面と同じ方向に傾斜させてなるキャピラリと、該キャピラリの一端面側に配置された光アイソレータと、該光アイソレータの光入射側に配置した光を透過する断面くさび形状の透明窓とを備え、光素子から出射された光を上記透明窓と光アイソレータとを透過させて上記光ファイバの一端面へ入射させる光素子モジュールにおいて、上記透明窓の光出射面は上記光ファイバ先端の傾斜方向と逆方向に設定されていると共に、上記光アイソレータは上記キャピラリの一端面に固定されていることを特徴とする透明窓付き光アイソレータモジュール。
2. 上記光アイソレータが固定された上記キャピラリの一端面の傾斜角度は、４°〜８°に設定されていることを特徴とする請求項１記載の透明窓付き光アイソレータモジュール。
3. 上記透明窓は、円筒型の金属ホルダに低融点ガラスにより気密封止固定されていることを特徴とする請求項１及び２記載の透明窓付き光アイソレータモジュール。
4. 請求項１〜３に記載の透明窓付き光アイソレータモジュールに光が入射可能に構成した光素子を有する光学ユニットを有する光素子モジュール。

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