JP2006047812A - Optical isolator and manufacturing method therefor - Google Patents
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Description
本発明は、主に光ファイバ通信に用いられる光アイソレータに関する。 The present invention relates to an optical isolator mainly used for optical fiber communication.
光ファイバ通信においては、光源であるレーザーダイオードへの戻り光を防止する為、光アイソレータが用いられる。この光アイソレータは、偏光子とファラデー回転子とを組合せ、レーザーダイオードから発せられたレーザービームは透過させ、光ファイバなどの光導波路からレーザーダイオードへ入るビームは遮蔽するものであり、これによりレーザーダイオードの安定発振を確保することが出来る。 In optical fiber communication, an optical isolator is used to prevent return light to a laser diode as a light source. This optical isolator combines a polarizer and a Faraday rotator, transmits a laser beam emitted from a laser diode, and shields a beam entering the laser diode from an optical waveguide such as an optical fiber, thereby blocking the laser diode. Stable oscillation can be ensured.
このような光アイソレータの一例として、特許文献1に開示された光アイソレータがある。 As an example of such an optical isolator, there is an optical isolator disclosed in Patent Document 1.
上述した特許文献1に係る光アイソレータの場合、レーザーダイオードを射出した光束を光導波路に結合させる為に別途レンズを用意するが、このレンズは光アイソレータと別体となっている為、光アイソレータをレーザーダイオードモジュールに組み込む場合に、レンズと光アイソレータとの位置合わせが必要となり、光アイソレータ組み込みの際の工数増大の原因となっていた。またレンズと光アイソレータとを密着させることが困難である為、レーザーダイオードモジュールの全長を縮めることが困難となっていた。 In the case of the optical isolator according to Patent Document 1 described above, a separate lens is prepared to couple the light beam emitted from the laser diode to the optical waveguide. However, since this lens is separate from the optical isolator, When incorporated in a laser diode module, it is necessary to align the lens and the optical isolator, which causes an increase in man-hours when incorporating the optical isolator. Further, since it is difficult to make the lens and the optical isolator closely contact each other, it has been difficult to reduce the total length of the laser diode module.
本発明は、このような問題点を解決すべくなされたもので、その技術的課題は、組み立て容易でかつレーザーダイオードモジュールの小型化に寄与できる光アイソレータ及びその製造方法を提供することにある。 The present invention has been made to solve such problems, and a technical problem thereof is to provide an optical isolator that can be easily assembled and contribute to downsizing of a laser diode module, and a method for manufacturing the same.
第一の発明によれば、少なくとも2枚の偏光子と、少なくとも1つのファラデー回転子とを備える光アイソレータにおいて、全体の入射側若しくは射出側又はその双方にレンズを一体化したことを特徴とする光アイソレータが得られる。この構成により、光路方向に小型であり、レーザーダイオードモジュールなどに組み込みが容易な光アイソレータとなる。 According to the first invention, in an optical isolator including at least two polarizers and at least one Faraday rotator, a lens is integrated on the entire incident side, the emission side, or both. An optical isolator is obtained. With this configuration, an optical isolator that is small in the optical path direction and can be easily incorporated into a laser diode module or the like.
第二の発明によれば、第一の発明の光アイソレータにおいて、前記レンズは光学ガラスからなるレンズアレイより製作されたことを特徴とする光アイソレータが得られる。この構成ではモールド成形などで加工が可能な光学ガラスによるレンズアレイの板を使用する。 According to a second invention, there is obtained an optical isolator according to the first invention, wherein the lens is manufactured from a lens array made of optical glass. In this configuration, a lens array plate made of optical glass that can be processed by molding or the like is used.
第三の発明によれば、第一の発明の光アイソレータにおいて、前記レンズはシリコン基板より製作されたことを特徴とする光アイソレータが得られる。この構成では高精度の表面加工が可能で高屈折率のシリコン基板上に形成されたレンズアレイを使用する。 According to a third invention, in the optical isolator of the first invention, an optical isolator is obtained in which the lens is manufactured from a silicon substrate. In this configuration, a lens array formed on a silicon substrate having a high refractive index capable of high-precision surface processing is used.
第四の発明によれば、第一から第三のいずれかの発明の光アイソレータにおいて、前記レンズは結像効果を有する回折光学素子であることを特徴とする光アイソレータが得られる。この構成では、結像効果を有する回折光学素子をレンズとして用いる。 According to a fourth invention, there is provided an optical isolator according to any one of the first to third inventions, wherein the lens is a diffractive optical element having an imaging effect. In this configuration, a diffractive optical element having an imaging effect is used as a lens.
第五の発明によれば、偏光子の少なくとも2枚の板、ファラデー回転子の少なくとも1枚の板、及びレンズアレイの板を、前記板の光学面が対向するように一体化した上で、切断することを特徴とする、光アイソレータの製造方法が得られる。この方法により、一体化した数枚の板から多数の光アイソレータチップを切断分離によって得る。 According to the fifth invention, after integrating at least two plates of the polarizer, at least one plate of the Faraday rotator, and the plate of the lens array so that the optical surfaces of the plates face each other, A method for manufacturing an optical isolator, characterized by cutting, is obtained. By this method, a large number of optical isolator chips are obtained by cutting and separating from several integrated plates.
本発明の光アイソレータの場合、光アイソレータとレンズとを一体化することにより、レンズと光アイソレータとの位置調整を省略することが出来、レーザーダイオードモジュールへの組み込みが容易な光アイソレータとなる。またレンズと光アイソレータが密着することにより、レーザーダイオードモジュールの全長の短縮に寄与することが出来る。 In the case of the optical isolator of the present invention, by integrating the optical isolator and the lens, position adjustment between the lens and the optical isolator can be omitted, and the optical isolator can be easily incorporated into the laser diode module. Further, the close contact between the lens and the optical isolator can contribute to shortening the overall length of the laser diode module.
本発明の最良の形態に係る光アイソレータは、少なくとも光学素子としての偏光子及びファラデー回転子を備えてなる光アイソレータにおいて、光アイソレータの入射側或いは反射側、或いはその双方にレンズを取り付ける。この場合のレンズは、材質的には、光学ガラスを用いたもの、シリコンを用いたものがよく、そして、非球面のもの、結像作用を有する回折素子を用いる。 The optical isolator according to the best mode of the present invention is an optical isolator comprising at least a polarizer and a Faraday rotator as optical elements, and a lens is attached to the incident side, the reflection side, or both of the optical isolator. In this case, the lens is preferably made of optical glass or silicon, and is made of an aspherical lens or a diffractive element having an imaging function.
更に、レンズをアレイ化しておき、光アイソレータ素子を構成する偏光子及び磁性ガーネット厚膜の板(プレート)を一体化したものに、アレイ化したレンズを一体化すれば、一度のプロセスで多数の光アイソレータを作製することが可能になるものである。 Furthermore, if the lens is arrayed, and the polarizer and magnetic garnet thick plate (plate) constituting the optical isolator element are integrated, the arrayed lens is integrated into a single process. An optical isolator can be manufactured.
以下は、本発明の光アイソレータについて、幾つかの実施例を上げ、図面を参照して具体的に説明する。 Hereinafter, the optical isolator of the present invention will be described in detail with reference to the drawings with some embodiments.
図1は、本発明の実施例1に係る光アイソレータの製作工程の概要を示した斜視図、図2は本発明の実施例1に係る光アイソレータに用いられるレンズアレイの側面図である。 FIG. 1 is a perspective view showing an outline of a manufacturing process of an optical isolator according to Embodiment 1 of the present invention, and FIG. 2 is a side view of a lens array used in the optical isolator according to Embodiment 1 of the present invention.
図1において、1はレンズアレイであり、光学ガラスであるM−NbFD83(HOYA(株)製)上に、直径0.8mmの非球面レンズがアレイ状に形成されたものである。その非球面形状は、次の式で表される。 In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a lens array, in which an aspherical lens having a diameter of 0.8 mm is formed in an array on M-NbFD83 (manufactured by HOYA), which is an optical glass. The aspheric shape is expressed by the following equation.
この数1において、Z:非球面たる光学面の周辺部における、面頂に対する光軸方向の変位量(所謂サグ量)、c:中心部付近における曲率、k:円錐係数、r:面頂からの距離、a1:rの2次の係数、a2:rの4次の係数、a3:rの6次の係数、a4:rの8次の係数である。本実施例1の非球面においては、c=1.79547、k=−0.046336、a1=0.414119、a2=−2.728137、a3=−0.194329、a4=1.140452、である。また中心部の厚み(面頂部から反対側の平面までの厚み)は0.2mmである。 In Equation 1, Z: displacement in the optical axis direction (so-called sag amount) with respect to the surface apex at the periphery of the optical surface that is an aspheric surface, c: curvature near the center, k: cone coefficient, r: from the surface apex , A 1 : r quadratic coefficient, a 2 : r fourth coefficient, a 3 : r sixth coefficient, a 4 : r eighth coefficient. In the aspherical surface of Example 1, c = 1.759547, k = −0.046336, a 1 = 0.414119, a 2 = −2.7728137, a 3 = −0.194329, a 4 = 1. 140452. The thickness of the central portion (the thickness from the top of the surface to the opposite plane) is 0.2 mm.
レンズアレイ1は、光学ガラスM−NbFD83(HOYA(株)製)をプレート状に、射出成形により上記形状に成形したものである。2は第一の偏光子、4は第二の偏光子としてのCUPO(HOYA(株)の商品名)であり、ファラデー回転子の偏光回転方向に応じて、順方向(レンズアレイ1から偏光子4へ光ビームが伝搬する方向)にて入射ビームが通るように、透過偏光方向の角度は45度を成している。また第一の偏光子2、第二の偏光子4とも、その厚みは0.2mmである。
The lens array 1 is obtained by molding optical glass M-NbFD83 (manufactured by HOYA Co., Ltd.) into a plate shape and the above shape by injection molding. 2 is a first polarizer, and 4 is a CUPO (trade name of HOYA Co., Ltd.) as a second polarizer. The forward direction (from the lens array 1 to the polarizer) depends on the polarization rotation direction of the Faraday rotator. The angle of the transmitted polarization direction is 45 degrees so that the incident beam passes in the direction of propagation of the light beam to 4). The thickness of both the
3はファラデー回転子を構成する磁性ガーネット厚膜であり、内部磁界が飽和するような磁界を印加すると、入射偏光方向を回転させる作用がある。磁性ガーネット厚膜3は、1550nmで入射偏光方向を45度回転させるよう、その厚みは0.5mmである。
本実施例1のアイソレータを製作する場合にはまず、第一の偏光子2、磁性ガーネット厚膜3、第二の偏光子4を貼り合わせる。この場合、光学特性を重視する場合には、第二の偏光子4の側から使用波長の光ビームを入射し、第一の偏光子2の側に射出してくる漏れ光が極力少なくなるように、第一の偏光子2と第二の偏光子4との相対角度を調整する。これに対して製造タクトの短縮を優先する場合には、第一の偏光子2、磁性ガーネット厚膜3、第二の偏光子4の3枚の部材の縁を揃えて接着すればよい。
When the isolator according to the first embodiment is manufactured, first, the
光アイソレータを構成する3つの部材を接着した後に、レンズアレイ1を接着固定し、複合体5を作成する。接着固定した後に、図示しないがダイシングソー、ワイヤーカッター等を用い、光アイソレータ素子1個にレンズアレイ1を構成していた非球面レンズが1個組み合わされるように切断分離し、光アイソレータチップ6を製作する。図示しないが、この光アイソレータチップ6に、磁性ガーネット厚膜3に磁界を印加する為の永久磁石を付加することにより、光アイソレータとして動作する。
After bonding the three members constituting the optical isolator, the lens array 1 is bonded and fixed, and the
本実施例1においては、高屈折率を有するモールド用光学ガラスをレンズの材質に用いたことにより、レンズ系の収差を良好に補正することが出来、射出ビームの開口数0.4のレーザーダイオードを、開口数0.1のシングルモードファイバに結合させる場合において、レーザーダイオード端面〜レンズ面の距離を0.6mm、第二の偏光子4の射出面〜シングルモードファイバの距離を1.8mmとし、ビーム伝搬方向に直交する方位の位置を調整することによって、レーザーダイオードからシングルモードファイバ迄の距離を3.5mmと短くした上で、波長1550nmにおいて結合効率80%を得ることが出来た。 In the first embodiment, by using a molding optical glass having a high refractive index as a lens material, aberrations of the lens system can be favorably corrected, and a laser diode having a numerical aperture 0.4 of the emitted beam Is coupled to a single mode fiber having a numerical aperture of 0.1, the distance from the laser diode end surface to the lens surface is 0.6 mm, and the distance from the exit surface of the second polarizer 4 to the single mode fiber is 1.8 mm. By adjusting the position of the azimuth perpendicular to the beam propagation direction, the distance from the laser diode to the single mode fiber was shortened to 3.5 mm, and a coupling efficiency of 80% was obtained at a wavelength of 1550 nm.
なお本実施例1においては、レーザーダイオード側(光アイソレータの入射側)にレンズを配置したが、レーザーダイオード〜レンズの距離を大きく取ることが出来る場合には、第二の偏光子側(光アイソレータの射出側)に、光学面の形状が最適化されたレンズを配置しても同様の効果を得ることが出来る。 In the first embodiment, the lens is arranged on the laser diode side (incident side of the optical isolator). However, when the distance between the laser diode and the lens can be increased, the second polarizer side (optical isolator) is used. The same effect can be obtained even if a lens having an optimized optical surface shape is disposed on the light exit side.
また本実施例においては、偏光子としてCUPO(HOYA(株)製)を用いたが、同様の吸収型偏光子であるポーラーコア(コーニング社製)や、分離型の偏光子であるルチルを用いても同様の効果を得ることが出来る。 In this example, CUPO (manufactured by HOYA) was used as the polarizer, but a polar core (manufactured by Corning), which is a similar absorption polarizer, or rutile, which is a separate polarizer, was used. However, the same effect can be obtained.
図3は本発明の実施例2に係る光アイソレータの製作工程の概要を示した斜視図である。図3において、7は第一のレンズアレイであり、シリコン基板上に結像作用を有する回折素子が、エッチングにより形成されたものである。図4は、第一のレンズアレイ7の中心部の模式的断面図であり、8は、第一のレンズアレイを構成する回折素子の中心部である。レンズアレイを構成する各レンズの各輪帯は入射光波面に対して位相差を与える。第一のレンズアレイ7を構成するレンズによって与えられる位相差は、以下の式で与えられる。
FIG. 3 is a perspective view showing an outline of a manufacturing process of an optical isolator according to
この数2において、Φは位相差(ラジアン)、Aiはi次の係数、ρは面の半径(mm)である。本実施例2においては、A1=−8103.315706、A2=15419.85である。
In
9は第一の偏光子であるポーラーコア(コーニング社製)で、その厚みは0.2mmである。10は内部の磁場によりファラデー効果を発現する、所謂、硬磁性ガーネット厚膜であり、その厚みは0.5mmである。11は第二の偏光子であるポーラーコア(コーニング社製)で、その厚みは0.2mmである。
9 is a polar core (manufactured by Corning), which is a first polarizer, and its thickness is 0.2 mm.
12は第二のレンズアレイであり、第一のレンズアレイ同様、シリコン基板上に結像作用を有する回折素子が、エッチングにより形成されたものである。その構造については、第一のレンズアレイ7と同様であるので説明を省略する。第二のレンズアレイを構成する各レンズの各輪帯は、入射光波面に対して位相差を与える。第二のレンズアレイ12を構成するレンズによって与えられる位相差は、第一のレンズアレイ7の場合と同様の式で与えられ、第二のレンズアレイ12の場合は、A1=−2027.515737、A2=16150.13である。
本実施例2のアイソレータを組み立てる場合にはまず、第一の偏光子9、硬磁性ガーネット厚膜10、第二の偏光子11を貼り合わせる。この場合、光学特性を重視する場合には、第二の偏光子11の側から使用波長の光ビームを入射し、第一の偏光子9の側に射出してくる漏れ光が極力少なくなるように、第一の偏光子9と第二の偏光子11との相対角度を調整する。これに対して製造タクトの短縮を優先する場合には、第一の偏光子9、硬磁性ガーネット厚膜10、第二の偏光子11の3枚の部材の縁を揃えて接着すればよい。
When assembling the isolator according to the second embodiment, first, the
光アイソレータを構成する3つの部材を接着した後に、第一のレンズアレイ7及び第二のレンズアレイ12を接着固定し、複合体13を製作する。接着固定した後に、図示しないがダイシングソー、ワイヤーカッター等を用い、光アイソレータ素子1個に第一のレンズアレイ7及び第二のレンズアレイ12を構成していた回折素子が各々1個組み合わされるように切断分離し、光アイソレータチップ14を製作する。
After bonding the three members constituting the optical isolator, the first lens array 7 and the
本実施例2においては、厚み0.3mmのシリコン基板上に結像作用を有する回折素子を形成したことにより、射出ビームの開口数0.4のレーザーダイオードを、開口数0.1のシングルモードファイバに結合させる場合において、レーザーダイオード端面〜レンズ面の距離を0.25mm、第二の偏光子4の射出面〜シングルモードファイバの距離を0.9mmとし、ビーム伝搬方向に直交する方位の位置を調整することによって、レーザーダイオードからシングルモードファイバ迄の距離を3.5mmと短くした上で、波長1550nmにおいて、結合効率90%を得ることが出来た。 In the second embodiment, a diffraction element having an imaging function is formed on a silicon substrate having a thickness of 0.3 mm, so that a laser diode with a numerical aperture of 0.4 is used as a single mode with a numerical aperture of 0.1. In the case of coupling to a fiber, the distance from the laser diode end surface to the lens surface is 0.25 mm, the distance from the exit surface of the second polarizer 4 to the single mode fiber is 0.9 mm, and the position is in the direction perpendicular to the beam propagation direction. By adjusting the distance, the distance from the laser diode to the single mode fiber was shortened to 3.5 mm, and a coupling efficiency of 90% was obtained at a wavelength of 1550 nm.
本実施例においては、結像作用を有する回折素子を結合用レンズとして用いることにより、光アイソレータの全長を更に短くすることが出来たものである。 In this embodiment, the total length of the optical isolator can be further shortened by using a diffractive element having an imaging function as a coupling lens.
図5は、本発明の実施例3に係る光アイソレータの製作工程の概要を示した斜視図である。図5において、15はレンズアレイであり、シリコン基板上に、炭酸ガスレーザーによるレーザーアブレーションにより、非球面レンズの形状を形成したものである。非球面形状は以下の式で表される。
FIG. 5 is a perspective view showing an outline of the manufacturing process of the optical isolator according to the third embodiment of the present invention. In FIG. 5,
この数3における各係数の意味は実施例1における係数と同様であるので説明を省略する。本実施例3においては、c=−1.031137、k=−2.39681、a1=−0.052863、a2=0.027988、a3=a4=0、である。
Since the meaning of each coefficient in
16は第一の偏光子であるポーラーコア(コーニング社製)であり、その厚みは0.2mmである。17は磁性ガーネット厚膜であり、その厚みは0.5mmである。18は第二の偏光子であるポーラーコア(コーニング社製)であり、その厚みは0.2mmである。
本実施例3の光アイソレータを組み立てる場合には、まず、第一の偏光子16、磁性ガーネット厚膜17、第二の偏光子18を貼り合わせる。この場合、光学特性を重視する場合には、第二の偏光子18の側から使用波長の光ビームを入射し、第一の偏光子16の側に射出してくる漏れ光が極力少なくなるように、第一の偏光子16と第二の偏光子18との相対角度を調整する。これに対して製造タクトの短縮を優先する場合には、第一の偏光子16、磁性ガーネット厚膜17、第二の偏光子18の3枚の部材の縁を揃えて接着すればよい。
When assembling the optical isolator of Example 3, first, the
光アイソレータを構成する3つの部材を接着して複合体19を製作した後に、レンズアレイ15を第一の偏光子16に接着固定する。この場合図示のとおり、レンズアレイ15の非球面レンズ形状が形成された面を、第一の偏光子16の入射面に接着する。この場合レンズアレイ15と、第一の偏光子16との間には接着剤が充填されることとなるが、本実施例3においては、波長1550nmにおける屈折率が1.539のエポキシ系接着剤を使用している。
After the three members constituting the optical isolator are bonded to produce the composite 19, the
接着固定した後に、図示しないがダイシングソー、ワイヤーカッター等を用い、光アイソレータ素子1個にレンズが1個組み合わされるように切断分離し、光アイソレータチップ20を製作する。図示しないが、このアイソレータチップ20に、磁性ガーネット厚膜17に磁界を印加する為の永久磁石を付加することにより、光アイソレータとして動作させる。
After bonding and fixing, although not shown, using a dicing saw, a wire cutter or the like, the
本実施例3においては、厚み0.3mmのシリコン基板上に非球面形状を形成したことにより、射出ビームの開口数0.4のレーザーダイオードを、開口数0.1のシングルモードファイバに結合させる場合において、レーザーダイオード端面〜レンズ面の距離を0.48mm、第二の偏光子4の射出面〜シングルモードファイバの距離を1.81mmとし、ビーム伝搬方向に直交する方位の位置を調整することによって、波長1550nmにおいて結合効率95%を得ることが出来た。 In the third embodiment, an aspherical shape is formed on a silicon substrate having a thickness of 0.3 mm, so that a laser diode having a numerical aperture of 0.4 is coupled to a single mode fiber having a numerical aperture of 0.1. In this case, the distance from the laser diode end surface to the lens surface is 0.48 mm, the distance from the exit surface of the second polarizer 4 to the single mode fiber is 1.81 mm, and the position of the azimuth perpendicular to the beam propagation direction is adjusted. As a result, a coupling efficiency of 95% was obtained at a wavelength of 1550 nm.
本実施例3では、シリコン基板上に形成した非球面形状部を、光アイソレータ素子の側に対向させることにより、基板の平面側がレーザーダイオード側に対向することとなり、収差補正上、良好な配置とすることにより、特に高結合効率を達成することが出来た。 In the third embodiment, the aspherical surface portion formed on the silicon substrate is opposed to the optical isolator element side, so that the plane side of the substrate is opposed to the laser diode side. By doing so, particularly high coupling efficiency could be achieved.
以上本発明に係る光アイソレータにおいて、以上3つの実施例を基に説明した。3つの実施例において、光アイソレータ素子はいずれも、第一の偏光子と磁性ガーネット薄膜、及び第二の偏光子とからなる、所謂、一段型の光アイソレータであったが、1段型光アイソレータを直列に2つ並べた、所謂、2段型光アイソレータであっても、或いは、1段型光アイソレータの射出側に、更に磁性ガーネット薄膜と、第三の偏光子とを配置した、1.5段型光アイソレータであっても差し支えなく、本発明の効果は同様に発揮される。 The optical isolator according to the present invention has been described based on the above three embodiments. In the three embodiments, each of the optical isolator elements is a so-called single-stage optical isolator composed of a first polarizer, a magnetic garnet thin film, and a second polarizer. 2 are arranged in series, or a so-called two-stage optical isolator, or a magnetic garnet thin film and a third polarizer are further arranged on the emission side of the one-stage optical isolator. Even if it is a five-stage optical isolator, the effect of the present invention is exhibited similarly.
1,15 レンズアレイ
2,9,16 第一の偏光子
3,17 磁性ガーネット厚膜
4,11,18 第二の偏光子
5,13,19 複合体
6,14,20 光アイソレータチップ
7 第一のレンズアレイ
8 回折素子の中心部
10 硬磁性ガーネット厚膜
12 第二のレンズアレイ
1,15
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