JP2005524864A - 光アイソレータ、及び直接接合を用いる作成方法 - Google Patents

Abstract

光アイソレータ及び光アイソレータの作成方法が開示される。光アイソレータは光アイソレータの部品を、エポキシ樹脂のような接着剤または個々の部品を結び付けるための機械的素子を用いず、好ましくは２００℃より低い温度で直接接合することにより、及び／または接合界面にリチウムを含むことにより、作成される。

Description

本発明は光アイソレータ及び光アイソレータの作成方法に関する。さらに詳しくは、本発明は光アイソレータを構成する材料の直接接合及びそのような直接接合の実施方法に関する。

光アイソレータは、光ファイバの背面反射を防止するために光通信システムで用いられる素子である。背面反射は、システムを進行している光が、接触している材料間の屈折率の変化またはシステムにおけるファイバの位置合わせずれなどの不整に遭遇したときに、ファイバシステムにおこり得る。背面反射はシステム性能の低下をもたらし、時には送信源、一般にはレーザ、に悪影響を及ぼすことがある。

偏光依存型アイソレータでは、ファラデー回転子を挟み込むために偏光ガラスシートのような偏光子が用いられる。使用時、アイソレータは、光が第１の偏光子を通り、次いでファラデー回転子を通り、次いで第２の偏光子を通って進むように、２本の光ファイバまたは２つのレンズの間に配置される。順方向すなわち通過モード動作の場合、レーザのような光源から発せられた入射光は第１の偏光子を通過する。次いで、光の残りの５０％がファラデー回転子により４５°回転した後に、第１の偏光子に対して４５°ずらされた第２の偏光子を通過し、信号の損失を防止する。偏光は第２の偏光子を通って出てくる。逆方向すなわち阻止モード動作の場合、アイソレータを通して後方に伝えられる反射信号は、第２の偏光子によって偏光した後に、方向に依存しないファラデー回転子により４５°回転して、第１の偏光子に対して９０°ずれた偏光モードになる。したがって、信号がレーザに戻されることはない。

別のタイプのアイソレータ構造では単一の偏光子が用いられ、通過モードにおいて、発せられた信号は初めにガーネットを通過し、次いで偏光子を通過する。戻り信号は偏光してから、発せられた信号の位相に対して戻り信号の位相がずれるように戻り信号を回転させるガーネットを通過する。この方式では、レーザ干渉が最小限に抑えられる。この構造は上述した２つの偏光子を有するアイソレータ構造ほど好ましくはないが、この一偏光子アイソレータ構造は二偏光子アイソレータ構造より安価である。

入射信号が未だ偏光していない用途に対しては偏光無依存型アイソレータが好ましい。しかし、発せられるビームは偏光していない。偏光無依存型アイソレータは、くさび形または平板形の複屈折材料、あるいは薄膜コーティングが施されたプリズムとすることができる、２つのビームスプリッタの間に挟み込まれたファラデー回転子を有する。順方向動作において、レーザから発せられた入射光は第１のビームスプリッタによって２つの相異なる偏光モードに偏光する。それぞれのモードはファラデー回転子及び光半波長板を通過し、光半波長板はファラデー回転子により与えられた４５°回転を補正する。これらのモードは次いで第２のビームスプリッタにより再結合して非偏光放出光になる。逆方向すなわち阻止モード動作において、アイソレータを通して戻される反射光は、第２のビームスプリッタにより２つの相異なる偏光モードに分離される。それぞれのモードがファラデー回転子及び光半波長板を通過すると、信号は（半波長板の方向依存性により）９０°回転する。回転した２つのモードは第１のビームスプリッタで再結合し、結合した信号は送られた信号に対して９０°ずれて伝えられ、よってレーザへの戻り（すなわち反射）が防止される。

ファラデー回転子は一般に、磁場を印加して結晶を光学活性化するように、ガーネット結晶片を磁石で囲むことによりつくられる。このタイプのガーネットは非ラッチ型と称される。別のタイプのファラデー回転子では、外部磁場を必要としない、永久磁化された、すなわちラッチ型のガーネットを用いる。

偏光依存型光アイソレータ（ファラデー回転子及び偏光子）及び偏光無依存型光アイソレータ（ビームスプリッタ及びファラデー回転子）の両者の様々な構成部品は一般に、機械的組立部品によるかあるいはエポキシ樹脂または高分子材接着剤によって結び付けられる。機械的組立部品の難点として、隣接部品表面間に存在しやすい空隙並びに最終寸法にダイシングした後の個々のコンポーネントの位置合わせ及びパッケージングが必要であることによる光信号損失の導入がある。代替方法として、大きな材料シートの接着剤による一括集成すなわち積層板化に続くダイシングがあり、これにより、個々のあらかじめダイシングされた部品のパッケージングにともなうコストが避けられる。しかし、接着剤集成品には、アイソレータの光路にエポキシ樹脂または接着剤がある場合の光損失の導入という欠点がある。接着剤集成品の別の欠点は、集成アイソレータが温度変動に遭遇したときに、エポキシ樹脂または接着剤がＣＴＥ（熱膨張係数）不整合及び／または接着剤の屈折率の温度依存性により機能をはたせなくなり、コンポーネントの離層がおこり得ることである。接着剤集成品の別の欠点は、エポキシ樹脂がレーザ損傷を受け易く、光損失を生じ得ること、あるいは高出力用途においては素子の破滅的破壊を生じ得る場合があることである。

光アイソレータのコンポーネント部品を接合するための、低費用で、確実な方法を提供することが望ましいであろう。さらに、接着剤またはエポキシ樹脂を用いず、しかも最終寸法へのダイシングに先立つ一括集成の利点を維持する、アイソレータコンポーネントの接合を達成することが望ましいであろう。

本発明の一実施形態は、少なくとも１つのビームスプリット素子または偏光子に接合されたファラデー回転子を有し、接合がファラデー回転子のキュリー温度より低い温度で、接着剤及びエポキシ樹脂を用いない化学結合または真空接合により形成される、光アイソレータに関する。好ましい実施形態において、温度は約２００℃より低い。いくつかの実施形態において、接合は共有結合及び／または水素結合を含む。ある実施形態において、接合界面はリチウムを含み、リチウムはファラデー回転子あるいはビームスプリッタまたは偏光子のいずれかまたはいずれにも含まれることが好ましい。

本発明のある実施形態は、ファラデー回転子を挟み込み、化学結合形成または真空ボンディングによりファラデー回転子に接合された一対の偏光子を有する偏光依存型アイソレータに関する。別の実施形態は、ファラデー回転子を挟み込み、ファラデー回転子に接合された一対のビームスプリット素子を有する偏光無依存型アイソレータに関する。ファラデー回転子はラッチ型または非ラッチ型のガーネットを有することができる。偏光無依存型アイソレータはビームスプリッタの内の１つとファラデー回転子の間に配置された半波長板をさらに有することができ、半波長板は、接着剤及びエポキシ樹脂を用いない、化学結合または真空接合によりファラデー回転子及びビームスプリッタに接合される。ある実施形態にしたがえば、ファラデー回転子及びビームスプリット素子または偏光子は反射防止膜でコーティングされた接合面を有し、反射防止膜はシリカを含むこともできる。

本発明の別の実施形態は、ファラデー回転子とビームスプリット素子または偏光子の間の、接着剤及びエポキシ樹脂を用いない化学結合または真空接合の形成工程を含む光アイソレータの作成方法に関する。ある実施形態において、ファラデー回転子は一対の偏光子またはビームスプリット素子の間に挟み込まれ、偏光子またはビームスプリット素子に接合される。

化学結合は、第１の接合面を有するファラデー回転子と第２の接合面を有するビームスプリット素子または偏光子の間に、接合面の内の少なくとも１つを第１の接合面と第２の接合面の間の化学結合を容易にするための溶液と接触させることによって形成することができる。酸性溶液またはｐＨが８より高い溶液を用いることができる。水酸化アンモニウムのような水酸化物溶液は、本実施形態にしたがって用いられ得る高ｐＨ溶液の例である。−ＯＨ，≡Ｓｉ−ＯＨ，＝Ｓｉ−（ＯＨ）_２，−Ｓｉ−（ＯＨ）_３，−Ｏ−Ｓｉ−（ＯＨ）_３及びこれらの組合せを含む群から選ばれる終端基を接合面の内の少なくとも１つの上に与えることにより、接合を容易にすることができる。好ましい実施形態において、終端基の大多数には＝Ｓｉ−（ＯＨ）_２，−Ｓｉ−（ＯＨ）_３，−Ｏ−Ｓｉ−（ＯＨ）_３及びこれらの組合せが含まれる。接合面の内の少なくとも１つの上にリチウムを含むことにより、接合をさらに容易にすることができる。

ある実施形態において、本方法は接合面の内の少なくとも１つの上に反射防止膜を形成する工程を含むことができ、好ましい実施形態において反射防止膜はシリカを含む。別の実施形態において、接合は接合面の内の少なくとも１つの上に吸着水酸基を与える工程を含むことができる。その後、接合面間の界面にある吸着水酸基は、例えば、接合面をファラデー回転子のキュリー温度より低い温度に加熱することにより、除去することができる。

本発明は、処理条件、環境試験及び／または供用年数に耐え得る接合強度を与える、簡素で確実な低温の接合方法を提供する。接合形成はファラデー回転子のキュリー温度より低い、好ましくは約２００℃より低い温度でおこることができ、１００℃より低い温度でおこり得る場合もある。本発明のさらなる利点は以下の詳細な説明に述べられる。上述の一般的説明及び以下の詳細な説明はいずれも例示であり、特許請求される本発明のさらなる説明の提供が目的とされていることは当然である。

本発明のいくつかの例示的実施形態を説明する前に、本発明が以下の説明で述べられる構成またはプロセスの詳細に限定されないことを理解すべきである。本発明は、別の実施形態をとることもでき、様々な態様で実施または実行され得る。

本発明にしたがえば、偏光依存型光アイソレータ及び偏光無依存型光アイソレータのいずれをも構成するコンポーネントの対向する面を直接に接合するための様々な方法を用いることにより作成することができる光アイソレータが提供される。本明細書に使用されている、“直接接合”という用語は、２つの面の間の接合が原子または分子レベルで達成され、接着剤またはエポキシ樹脂のような補助材料が接合面間に存在せず、加熱による面の融着を用いずに面が接合されることを意味する。本明細書に使用されている“融着”または“融着接合”という用語は、接合面及び／または接合面に隣接する材料を接合される物品の軟化または変形温度まで加熱する工程を含むプロセスを称する。本発明の方法は対向する面の接合に、接着剤、エポキシ樹脂または融着接合の使用を伴わない。代わりに、本発明は、ガラス材料を変形点まで軟化させるかまたはファラデー回転子材料に損傷を与え得る高い温度を用いずに、面間に直接接合を形成する工程を含む。本発明は、接合された面の界面間を通過する光の歪を基本的にゼロにする、光学的に透明な不浸透性のシールを与えるボンディング方法を提供する。これらのボンディング方法は化学結合形成及び真空ボンディングを含む。アイソレータコンポーネント間の直接接合の形成により、接合されているバルク材料表面と同じ固有物理特性を有する不浸透性シールが可能になる。

真空ボンディングは、２つの清浄な表面を高真空中で接触させ、よって接合を形成する工程を含む。表面が平坦で清浄であれば、高真空により、表面から吸着水分及び炭化水素が除去され、そのような種の吸着が防止される。表面は真空中におかれる前に処理され、清浄化されるか、あるいはイオンミーリングまたはその他のプラズマ手法により真空中で清浄化される。

真空ボンディングは、米国特許第６１５３４９５号明細書に説明されるように、マイクロエレクトロニクス分野において、単結晶シリコン、シリコン上に成長した熱酸化ＳｉＯ_２及び様々な材料のシール形成のために開発されたものである。上記明細書の全内容は参照として本発明に含まれる。本プロセスは室温で施すことができるから、材料間の熱膨張係数（ＣＴＥ）不整合は問題にならない。研磨済ウエハは薄く、トワイマン効果により一般に平坦ではないから、ウエハ表面全体にわたり均等に圧力を印加して適切な接触を生じさせるために専用の治具を用いることができる。

本発明にしたがって用いられ得る別のタイプのボンディングプロセスは、化学結合形成を含む。２つのガラスまたは金属の表面間の化学結合の形成により、接合されているバルク材料表面と同じ固有物理特性を有する不浸透性シールが可能になる。文献では、低温ボンディング技術がソーダ石灰−ケイ酸ガラス及び結晶石英について報告されている（例えば、エイ・サヤー（A. Sayah），ディー・ソリニャック（D. Solignac），ティー・キュエニ（T. Cueni），「マイクロチップ化学分析用途のための新規な低温ボンディング技術の開発」，Sensors and Actuators，２０００年，第８４巻，ｐ.１０３−１０８，及び、ピー・ラングステン（P. Rangsten），オー・ヴァリン（O. Vallin），ケイ・ハーマンズソン（K. Hermansson），ワイ・バックランド（Y. Backlund），「石英対石英直接接合」，J. Electrochemical Society，１９９９年，第１４６巻，第３号，ｐ.１１０４−１１０５を参照されたい）。それぞれの全内容が本明細書に参照として含まれる、サヤ文献及びラングステン文献はいずれも酸洗浄技法の使用を開示している。その全内容が本明細書に参照として含まれる、別の記事、エイチ・ナカニシ（H. Nakanishi），ティー・ニシモト（T. Nishimoto），エム・カニ（M. Kani），ティー・サイトー（T. Saitoh），アール・ナカムラ（R. Nakamura），ティー・ヨシダ（T. Yoshida），エス・ショージ（S. Shoji），「ＳｉＯ_２−ＳｉＯ_２ ＨＦボンディングの条件最適化、信頼性評価及びＵＶ検出マイクロフローセルへの適用」，Sensors and Actuators，２０００年，第８３巻，ｐ.１３６−１４１は、接合面を初めにフッ酸に接触させることによる石英ガラスの低温ボンディングを開示している。

本発明の一実施形態にしたがえば、接合されるべきアイソレータコンポーネントの対向する表面上に官能基が与えられる。対向する表面の接合形成に先立つ、接着剤、高温の予備処理または腐食性フッ酸処理は必要とされない。本発明の一実施形態においては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムまたは水酸化アンモニウムのような高ｐＨ塩基性溶液がアイソレータコンポーネントの接合面上に官能基を与えるために用いられる。好ましい実施形態において、粒子状汚染物及び可溶重金属をそれぞれ除去するため、表面が初めに洗剤を用いて洗浄され、次いで硝酸溶液のような酸性溶液でリンスされる。

本発明の一実施形態にしたがえば、接合されるべき表面が高ｐＨ溶液に接触させられ、リンスされ、圧力をかけられて接触し、所望の温度、好ましくは、一般に材料仕様から知られる、ファラデー回転子材料のキュリー温度より低い温度まで徐々に加熱される。接合がおこる界面に汚染物または副生成物を導入しない“クリーン”熱源を用いることが好ましい。そのような熱源として、誘導加熱、マイクロ波加熱、ラジオ周波数（ＲＦ）加熱及び電気抵抗加熱などがあるが、これらには限定されない。接合形成を強化するため、表面は平坦であることが好ましく、表面整合は、乾燥表面の予備洗浄を実施し、圧力をかけて接触させて、干渉縞の度合いを観察することによって確認される。生じる干渉縞は、技術上既知の技法により測定し、判読して、整合平坦性を決定することができる。また、個別の表面平坦性を評価するため、オプティカルフラットまたは干渉計を用いることもできる。

本発明の接合形成プロセスは、シールされるべきそれぞれのアイソレータ表面を適切な平坦性が得られるまで機械加工する工程を含むことが好ましい。約１μｍより小さい平坦レベル及び約２.０ｎｍＲＭＳより小さい粗さレベルが特に好ましい。研磨後、それぞれの表面は、清浄表面を生成するために、初めに洗剤を用い、続いて低ｐＨ酸性溶液に浸し、最後に高ｐＨ塩基性溶液に浸すなど、適切な洗浄プロセスで清浄化されることが好ましい。アイソレータ表面がシリコンを含む実施形態において、そのような洗浄及び浸漬により、ケイ酸様終端表面基、例えば、≡Ｓｉ−ＯＨ，＝Ｓｉ−（ＯＨ）_２，−Ｓｉ−（ＯＨ）_３及び−Ｏ−Ｓｉ−（ＯＨ）_３終端表面基が与えられる。低ｐＨ処理のみを用い、終端表面水酸基に依存する接合形成系と比較して、本発明は、いくつかの理由で、より強固な接合をシリコン含有品間に与えると考えられる。理論に束縛されることは望まないが、より大きなケイ酸様終端基により、表面からより遠くまで延びる表面基間で結合形成（水素結合及び共有結合の両者）がおこり得ると考えられる。＝Ｓｉ−（ＯＨ）_２，−Ｓｉ−（ＯＨ）_３及び−Ｏ−Ｓｉ−（ＯＨ）_３など、より大きな表面終端基は≡Ｓｉ−ＯＨよりも表面から遠くまで延び、これらのより大きな基は立体運動をより受け易く、立体運動はこれらのより大きな基を有する表面間の接合形成を一層促進する。さらに、それぞれの表面はかなり粗くすることができ、それでも、＝Ｓｉ−（ＯＨ）_２，−Ｓｉ−（ＯＨ）_３及び−Ｏ−Ｓｉ−（ＯＨ）_３終端基が表面から延びる長さにより、接合形成がおこる。

好ましい実施形態においては、表面が乾燥することなく集成される。次いで、吸着水分が蒸発し、ケイ酸様表面基が凝縮して共有結合界面を形成するように、表面を、例えば１００〜２００℃の、２００℃より低い温度に、好ましくは１００℃より低い温度に加熱しながら、小から中程度の（１ｐｓｉ（６.９×１０^３Ｐａ）もの小ささの）負荷を表面にかける。

本発明のある実施形態にしたがえば、上述したように、平坦な接合面を提供することが望ましい。接合されるべき表面については、平坦性が５μｍないしさらに小さくなり、好ましくは平坦性が１μｍないしさら小さくなるように表面が仕上げられることが好ましい。

化学結合ガラス面の好ましい実施形態に関するさらなる情報は、本特許出願の譲受人に共に譲渡され、発明者としてロバート・サビア（Robert Sabia）を名義人とし、名称を「シリコン含有品の直接接合」とする、米国特許同時継続出願明細書に見ることができ、この明細書の全内容は本明細書に参照として含まれる。しかし、本発明は上記同時継続出願明細書に開示される化学結合形成方法に限定されず、その他の化学結合形成方法及び真空ボンディングも、これらがアイソレータコンポーネントを構成する材料に適合すれば、本発明にしたがって用いることができる。さらに、本発明のある実施形態における接合形成は、接合面の内の少なくとも１つの上にリチウムを含むことにより強化することができる。接合面内または接合面上のリチウムの導入に関するさらなる情報は、同時継続出願の、共に譲渡され、発明者としてロバート・サビア、ラリー・マン（Larry Mann）及びデニス・スミス（Dennis Smith）を名義人とし、名称を「リチウムを用いる直接接合法」とする、米国特許出願明細書に見ることができる。

本発明の様々な実施形態は光アイソレータ並びに、空隙なしにまたは接着剤を用いずに表面をシールして接触させることによる、偏光依存型及び偏光無依存型のアイソレータを作成するための方法に関する。一実施形態にしたがえば、偏光依存型アイソレータを作成するために、イットリウム−鉄ガーネット（ＹＩＧ）またはビスマス−鉄ガーネット（ＢＩＧ）のようなファラデー回転子にＰｏｌａｒｃｏｒ（商標）ガラスのような偏光子をシールすることにより、偏光依存型アイソレータコア（すなわち、中間にファラデー回転子を持つサンドイッチ型構造）が作成される。別の実施形態において、化学結合形成により単一の偏光子またはビームスプリット素子に接合されたファラデー回転子を有するアイソレータコアが提供される。

図１Ａを参照すれば、ファラデー回転子１６を挟み込んだ一対の偏光子１２，１４を有する偏光依存型アイソレータコア１０が示される。偏光子１２，１４は、上述した真空ボンディングまたは化学結合形成方法により、ファラデー回転子に接合される。非ラッチ型ガーネット材料がファラデー回転子に用いられる場合、材料にバイアスをかける方法の１つは、図１Ａに示されるようにアイソレータコアを磁石１８に挿入する工程を含む。非ラッチ型材料にバイアスをかける別の既知の方法を用いることができる。ラッチ型ガーネット材料がファラデー回転子１６に用いられる場合、磁石１８でファラデー回転子１６にバイアスをかける必要はない。

図１Ｂに示される別の実施形態において、一対のビームスプリッタ２２，２４の間にファラデー回転子２６を挟み込むことにより、偏光無依存型アイソレータコア２０を作成できる。一般に、ビームスプリッタ２２，２４は平板形またはくさび形の単結晶のルチルまたはバナジン酸イットリウムのような複屈折材料を含むが、他のタイプのビームスプリッタを本発明にしたがって用いることができる。一般に、偏光無依存型アイソレータは、ファラデー回転子２６とビームスプリッタ２４の間に配置された半波長板２５も有する。アイソレータコアを構成する隣接面は、上述したような化学結合形成法または真空ボンディング法を用いて接合される。先に説明した実施形態におけるように、ファラデー回転子２６を形成するために非ラッチ型材料が用いられる場合、アイソレータコア２０は磁石２８に挿入される。しかし、ファラデー回転子を形成するためにラッチ型ガーネットが用いられる場合には、磁石を排除することができる。

光アイソレータの別の実施形態（図示せず）において、光アイソレータは、偏光子またはビームスプリッタの露出面側に接合された光学レンズを有することができる。偏光子またはビームスプリッタのいずれか１つまたはいずれもが接合されたレンズを有し得ると考えられる。先に説明した実施形態におけるように、偏光子またはビームスプリッタとレンズの隣接面は上述したように化学結合形成法または真空ボンディング法を用いて接合される。偏光子またはビームスプリッタに接合されたレンズの機能は、光アイソレータを通過する信号のコリメーションを補助すること及び／または光アイソレータから発せられる信号の集束を補助することである。本用途に用いられ得るレンズのタイプとして分布屈折率（ＧＲＩＮ）レンズがあるが、これには限定されない。

図２〜４は、本発明の様々な実施形態にしたがうアイソレータを作成するために用いられ得る作成プロセスの一例を示す。図２に示されるように、光アイソレータコアの個々の層を作成するために用いられる材料のシートは、化学結合形成または真空ボンディングを強化するために、適切な平坦性をもつまで、処理および研磨される。好ましくは、接合面は１μｍより小さい平坦性を有するべきである。図２に示されるように、ファラデー回転子材料シート３８が一対の偏光子材料またはビームスプリッタ材料のシート３２，３４に挟み込まれる。ファラデー回転子材料シート３８は適切な平坦性をもつまで研磨された接合面３７，３９を有する。ビームスプリッタまたは偏光子のシート３２は接合面３１を有し、ビームスプリッタまたは偏光子のシート３４は接合面３３を有する。接合面３１及び３３は適切な平坦性をもつまで研磨される。それぞれのシートの接合面３１，３３，３７，３９は次いで、真空ボンディングまたは化学結合形成のために、洗浄され、処理される。化学結合形成が用いられる場合、シートを化学的に結合するために好ましい洗浄溶液は水酸化アンモニウムである。シート３２，３８，３４は次いで、アイソレータコアシート４０を形成するために、接合面３１と３７が接触し、接合面３９と３７が接触するように、重ね合わされる。接合されたシートは、接合形成を強化するため、ファラデー回転子材料のキュリー温度より低い温度に適度に加熱することができる。シートが接合されてコアシート４０にされた後、シートは、図４に示されるようにダイシングして複数のアイソレータコア５０にすることができ、コア５０のそれぞれはシート材料３２，３４及び３８から構成される。その後、アイソレータコア５０は技術上既知の技法にしたがって処理することができる。

材料シート３２，３８及び３４には反射防止膜を施すことができ、この場合には、それぞれのシートの反射防止膜の外層が接合面を構成することは理解されるであろう。アイソレータコアを構成する材料間の屈折率差（例えば、Ｐｏｌａｒｃｏｒの１.５１０とビスマス−鉄ガーネットの２.３５）のため、ほとんどの場合に、反射防止（ＡＲ）膜がアイソレータコンポーネント間の界面に存在する必要がある。したがって、実際上、接合形成は現実には、１つのコンポーネント（回転子またはビームスプリッタあるいは回転子または偏光子）のＡＲ膜付面の間、隣接する全ての面がＡＲ膜を有する場合の２つのＡＲ膜付面の間、あるいは一方の面が十分な（完全な）ＡＲ膜を有し、第２の面が、それ自体には反射を制限する作用はないが、接合形成を補助するＳｉＯ_２表面被覆を有する場合の２つの面の間で実施される。これらのサンドイッチ構造は、高出力レーザに対する特定の用途をもつ、複数のファラデー回転子層を有することによる多段アイソレーションをつくるために作成することもできる。

いかなる態様でも本発明を限定する目的はなしに、以下の実施例により本発明をさらに十分に説明する。

本実施例は、コーニング社（Corning, Inc.）から入手できるＰｏｌａｒｃｏｒ偏光ガラスシートが、互いに接合可能であり、シートの離層をおこさずにダイシングに耐え得ることを実証するものである。先に１μｍより小さい平坦性をもつまで研磨した２枚のＰｏｌａｒｃｏｒガラスシートにＡＲ膜[ＳｉＯ_２-ＺｒＯ_２-ＳｉＯ_２]を被覆し、真空下における熱蒸発によりリチウム金属で予備処理し、２００℃で２４時間かけて加熱処理した。シートを洗剤溶液（Ｍｉｃｒｏｃｌｅａｎ ＣＡ０５）で洗浄し、水中でリンスして、１０体積％の硝酸溶液に１時間浸した。酸浸漬試料を水中でリンスし、次いで１５体積％の水酸化アンモニウム溶液に１時間浸した。試料を再びリンスし、接合面を湿状態に維持し、１平方インチ当り約１０ポンド（約６.９×１０^４ Ｐａ）の圧力及び７５℃の接合形成温度の下で２４時間かけて接合した。接合したシートを２ｍｍのストリップにダイシングした。ダイシング作業の間シートは離層しなかった。

本実施例は、ファラデー回転子材料シートを挟み込んだＰｏｌａｒｃｏｒガラスシートから構成されるアイソレータコアが、互いに接合可能であり、離層を生じずにダイシングしてアイソレータコアにすることができることを実証する。先に１μｍより小さい平坦性をもつまで研磨してＡＲ膜を施した２枚のＰｏｌａｒｃｏｒガラスシートを、真空下における熱蒸発によるリチウム金属被覆で予備処理し、２００℃で２４時間かけて加熱処理した。リチウム被覆Ｐｏｌａｒｃｏｒシートを、平坦な、ＡＲ膜付ビスマス−鉄ガーネット（ＢＩＧ）シート（ＭＧＣから購入）とともに洗剤溶液（Ｍｉｃｒｏｃｌｅａｎ ＣＡ０５）で洗浄し、水中でリンスして、１０体積％硝酸溶液に１時間浸した。酸浸漬試料を水中でリンスし、次いで１５体積％水酸化アンモニウム溶液に１時間浸した。試料を再びリンスし、接合面を湿状態に維持し、Ｐｏｌａｒｃｏｒシートがファラデー回転子シートを挟み込むように重ね合わせ、１平方インチ当り約１０ポンド（約６.９×１０^４ Ｐａ）の圧力及び１１５℃の接合形成温度の下で２４時間かけて接合した。接合したシートを図４に示されるタイプの２ｍｍ×２ｍｍのコア構造にダイシングした。ダイシング作業の間シートは離層しなかった。

本発明は、適用可能な面間に、接着剤、エポキシ樹脂または空隙を用いずに化学結合または真空接合が得られる、アイソレータ構造及びシール形成または接合形成プロセスに向けられる。シールまたは接合は１００℃以下の温度で達成することができ、したがって本プロセスをラッチ型及び非ラッチ型のガーネットに適用可能とする。当業界において公知であるように、キュリー温度より高い温度へのガーネット材料の加熱は、キュリー温度より高い温度への加熱により材料の特性が損なわれるから、避けるべきである。シールまたは接合は、高出力レーザ用途のために偏光子とファラデー回転子の交互層が集成される多層コア構造（すなわち、２，３，４またはそれより多くのファラデー回転子がそれぞれの回転子に対して偏光子と直列になっている多段アイソレーション）について達成可能である。

本発明のシール形成または接合形成プロセスは、ガラス、結晶及び反射防止膜付表面の相互の集成に用いることができる。空隙をもって個別に組み立てられる部品（例えば、偏光子、回転子、半波長板）を有するアイソレータでは、それぞれの材料と空気の間の屈折率差によるそれぞれの表面における背面反射を防止するために、反射防止（ＡＲ）膜が必要である。２つの材料の間の屈折率差による同様の差が接合界面に存在する。したがって、そのような材料間の界面にはＡＲ膜が必要であり得る。一般的なＡＲ膜は、主に密着のための基層材料（例：ガラス表面のＡＲ膜用のＳｉＯ_２）、次に、被覆される部品と屈折率がかなり異なる材料（例：ＺｒＯ_２，Ａｌ_２Ｏ_３，Ｎｂ_２Ｏ_３等）、及びＳｉＯ_２外層を有する。好ましい実施形態において、ＳｉＯ_２のようなシリコンを含む外層が接合形成を容易にするために好ましい。ある実施形態において、接合界面を形成する、接合面の一方が反射防止膜を有し、他方の接合面は接合形成を容易にするためのシリカ膜のようなシリコン含有膜を有する被膜と被膜付材料の間のＣＴＥの差により応力が若干かかったＡＲ膜が生じ得る。したがって、多くの交互層を有する被膜構成には２つの材料についての屈折率差及びＣＴＥ差が考慮されるべきであることが、当業者には理解されるであろう。

本発明の精神及び範囲を逸脱することなく本発明に様々な改変及び変形がなされ得ることが当業者には明らかであろう。したがって、本発明の改変及び変形が添付される特許請求項及びそれらの等価物の範囲に入れば、本発明はそれらの改変及び変形を包含するとされる。

本発明の一実施形態にしたがう光アイソレータの分解組立図である 本発明の別の実施形態にしたがう光アイソレータの分解組立図である 本発明の一実施形態にしたがう光アイソレータを形成するための材料層の斜視分解組立図である 接合された図２の材料層の斜視図である 材料層が小区画にダイシングされた後の、図３に示される材料層の斜視図である

符号の説明

１０ 偏光依存型アイソレータコア
１２，１４ 偏光子
１６ ファラデー回転子
１８ 磁石

Claims (14)

1. 接合界面を設けるために少なくとも１つのビームスプリット素子または偏光子と接合されたファラデー回転子を有し、接合に接着剤及びエポキシ樹脂が用いられていない光アイソレータにおいて、
   前記接合が前記接合界面にリチウムを含む化学結合または真空接合であることを特徴とする光アイソレータ。
2. 前記接合が共有結合及び／または水素結合を含むことを特徴とする請求項１に記載の光アイソレータ。
3. 前記接合界面が前記ファラデー回転子または前記ビームスプリット素子または前記偏光子の表面にリチウムを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の光アイソレータ。
4. 前記光アイソレータが、ファラデー回転子を挟み込み、前記ファラデー回転子に接合された一対の偏光子を有する偏光依存型光アイソレータであり、前記ファラデー回転子がラッチ型ガーネットまたは非ラッチ型ガーネットを有することを特徴とする請求項１に記載の光アイソレータ。
5. 前記一対の偏光子の一方または両方の外部表面上に配置されるレンズをさらに有し、前記レンズが、接着剤及びエポキシ樹脂を用いない化学結合または真空接合により前記偏光子に接合されていることを特徴とする請求項４に記載の光アイソレータ。
6. 前記光アイソレータが、ファラデー回転子を挟み込み、前記ファラデー回転子に接合された一対のビームスプリット素子を有する偏光無依存型光アイソレータであり、前記ファラデー回転子がラッチ型ガーネットまたは非ラッチ型ガーネットを有することを特徴とする請求項１に記載の光アイソレータ。
7. 前記一対のビームスプリット素子の一方と前記ファラデー回転子の間に配置された半波長板をさらに有し、前記半波長板が、接着剤及びエポキシ樹脂を用いない化学結合または真空接合により前記ファラデー回転子及び前記ビームスプリット素子に接合されていることを特徴とする請求項６に記載の光アイソレータ。
8. 前記一対のビームスプリット素子の一方または両者の外部表面上に配置されたレンズをさらに有し、前記レンズが、接着剤及びエポキシ樹脂を用いない化学結合または真空接合により前記ビームスプリット素子に接合されていることを特徴とする請求項６に記載の光アイソレータ。
9. 接着剤及びエポキシ樹脂を用いない接合をファラデー回転子とビームスプリット素子または偏光子の間に形成する工程を含む光アイソレータの作成方法において、
   前記接合が約２００℃より低い温度において形成され、前記接合が化学結合または真空接合であることを特徴とする方法。
10. ファラデー素子を一対の偏光子またはビームスプリット素子の間に挟み込む工程及び前記ファラデー素子を前記ビームスプリット素子または偏光子に接合する工程をさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 第１の接合面を有するファラデー回転子及び第２の接合面を有するビームスプリット素子または偏光子を提供する工程及び前記第１の接合面及び前記第２の接合面の内の少なくとも１つを前記第１の接合面と前記第２の接合面の間の化学結合を容易にするための溶液に接触させる工程をさらに含むことを特徴とする請求項９または１０に記載の方法。
12. 前記溶液のｐＨが８より高いことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. 前記第１の接合面及び前記第２の接合面の少なくとも一方の上に、−ＯＨ，＝Ｓｉ−（ＯＨ）_２，−Ｓｉ−（ＯＨ）_３，−Ｏ−Ｓｉ−（ＯＨ）_３及びこれらの組み合わせを含む群から選ばれる終端基を与える工程をさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
14. 前記第１の接合面及び前記第２の接合面の少なくとも一方の上にリチウムを与える工程をさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。

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