JP2006098493A - 複合光学部品および光アイソレータ用素子 - Google Patents

Abstract

【課題】光アイソレータにおいて、より耐湿性、耐光性、耐熱性に優れ、且つ光学素子へのクラック発生を抑制し、良好な光学特性を得る。
【解決手段】入射面又は出射面の中央に略円形状の光透過領域を、および４隅に接合領域を有した四角形状の光学素子を複数備え、互いの接合領域同士で接合して一体化してなる複合光学部品において、上記接合領域は、四隅部の各辺に沿って略Ｌ字状に形成されたものであることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、複数の光学素子同士を接合してなる複合光学部品に関するものであり、詳しくは光源から出射された光を各種光学素子や光ファイバに導入した際に生じる戻り光を除去するために用いられる光アイソレータ用素子に関するものである。

光通信用モジュール等において、レーザ光源等の光源から出射した光は、各種光学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学素子や光ファイバの端面や内部で反射されたり散乱されたりする。この反射や散乱した光の一部は、戻り光として光源に戻ろうとするが、この戻り光を防止するために光アイソレータが用いられる。

従来、この種の光アイソレータは、２枚の偏光子の間に平板状のファラデー回転子を設置し、これら３つの部品を筒状の磁石内に部品ホルダを介して収納することにより構成されていた。通常、ファラデー回転子は飽和磁界内において所定の波長をもつ光の偏光面を４５°回転する厚みに調整され、また２つの偏光子はそれぞれの透過偏光方向が４５°回転方向にずれるように回転調整されて構成されている。

このような構成の光アイソレータは、ファラデー回転子と２つの偏光子が別部品で各素子にホルダが必要であり、そのため部品点数が多くなり組立工数が多くなるばかりか、各部品間の光学上の調整作業が煩雑で、コスト高を招いていた。また小型化が難しかった。

このため、平板状のファラデー回転子の両面にそれぞれ平板状の偏光子を接着一体化した構成の光アイソレータ用素子を、筒状の磁石内中央部に配置した光アイソレータも提案されている。

図３は従来の小型化された光アイソレータ１５の構成を示す図である。

特許文献１には図３に示す従来の光アイソレータが示されており、以下にその構成について説明する。

光アイソレータ１５はファラデー回転子１６、偏光子１７、１８を光透過性が良く屈折率が制御されている光学接着剤１９で、光透過面全体を相互に接着した光アイソレータ用素子２０と筒状の磁石２１とからなる。ここで偏光子１７、１８は透過する光の一方向の偏波成分を吸収し、その偏波成分に直交する偏波成分を透過する機能を有し、また、ファラデー回転子１６は飽和磁界強度において所定波長の光の偏波面を約４５度回転する機能を有する。また２つの偏光子１７、１８は、それぞれの透過偏波方向が約４５度ずれるように配置されている。

図４は従来の光アイソレータ用素子２０の製造方法を示す図である。

まず図４（ａ）（ｂ）に示すように、１０ｍｍ角程度の偏光子基板２２とファラデー回転子基板２３と偏光子基板２４を接着一体化する。ここで偏光子２２の透過偏波方向はある１辺に平行な方向に設定されており、偏光子２４の透過偏波方向は、ある１辺に４５度の方向に設定されている。各光学基板の固定は、偏光子２２とファラデー回転子２３、および偏光子２４は互いの１辺が平行になるよう接着される。また、各光学素子の接着一体化には、前述したように光学的に透明な樹脂が接着剤として用いられ、一般的にエポキシ系、アクリル系の有機系接着剤が使用されている。

ここで、光アイソレータに高いアイソレーションが要求される場合は、ファラデー回転子の偏波回転角度４５＋α度に対し、偏光子２２と偏光子２４の回転ズレを４５−α度に精密に調整する必要がある。具体的には光を逆方向から（偏光子基板２４側から）入射し、透過してくる光が最も小さくなるように偏光子２２と偏光子２４を回転調整する。

次に図４（ｃ）（ｄ）に示すように、光アイソレータ用素子基板２５を、ダイシング等で小さなチップ状の多数の光アイソレータ用素子２０に加工する。この光アイソレータ用素子２０を作製する場合には、大型の偏光子基板とファラデー回転子基板を交互に積層して、接着完了後にこれをカットして多数個の光アイソレータ用素子２０を得るといった方法を用いることにより、作業性や生産量を高くし、さらに部品点数を削減することができる。なお、前記光学接着剤１９としては、一般的にエポキシ系、アクリル系の有機系接着剤が使用されている。

さらに本出願人は、各光学素子の接合に樹脂を用いない小型化された光アイソレータを提案した。特許文献２には樹脂を用いない小型化された光アイソレータが示されており、これは図３に示す光アイソレータ用素子２０の接合に樹脂を用いず、透光性の低融点ガラスを用いたものである。その製造方法は、図４に示すものとほぼ同じであるが、偏光子基板２２とファラデー回転子基板２３と偏光子基板２４を一体化する際に、透光性の低融点ガラスを素子間に挟み込み、低融点ガラスが溶融する温度において、各素子を接合するものである。

特許文献３には光学素子の間に平板状物質を配置し、光学素子と平板状物質を接着剤で接合する方法が記載されている。

特許文献４には光学素子の表面に条溝を形成した後、メタライズ膜を成膜し、前記条溝の溝幅より狭い切断幅で切断する方法が記載されている。これは図５に示す光学素子６の表面の四隅に略三角形状のメタライズ膜５を形成するものである。
特開平４−３３８９１６号公報 特開平８−１４６３５１号公報 特開２００１−２４２４１９号公報 特許第３４３９２７５号公報

しかし、上述のようにファラデー回転子１６の両面に板状の偏光子１７、１８を接着剤１９により一体化した光アイソレータ用素子２０において接着剤１９が有機系接着剤の場合は、耐湿性が劣り、特に高温高湿条件下での使用が制限される問題がある。また、長時間あるいは高出力のレーザ光中の使用では接着剤１９の変質の危険があり、信頼性に問題がある。

また、光アイソレータ用素子２０をレーザモジュールに組み込む際、光アイソレータ１５は高温下に曝されるが、接着剤１９として有機系接着剤を用いた場合はこれが分解し、気泡の発生、部材の脱落等が生じる。さらに、有機系接着剤１９からのアウトガスはレーザチップやレンズなどの光学部品表面上に付着し、光学特性を劣化させる危険がある。

また、ファラデー回転子１６の両面に板状の偏光子１７、１８を低融点ガラス１９により接着して一体化した光アイソレータ用素子２０においては、低融点ガラス１９のガラス転移温度が数百度と高く、これを溶融させ各部材同士を固着させた後、室温まで冷却する際、熱応力が増加し、クラック等が発生する危険がある。また、ファラデー回転子１６に熱応力が加わるとこれを透過する光の消光比が劣化し、光アイソレータ１５の諸特性、特に逆方向損失特性が劣化する。

また、特許文献３にあるように光学面のほぼ全面にわたって接着をしてしまうと、たとえ透過光ビームの透過孔を設けたとしても、光学面全体への応力分布は避けられず光学特性が劣化する問題があった。

また、特許文献４では光学素子６の表面の四隅に略三角形状のメタライズ膜５を形成するが、このような膜形状の場合、特に光透過領域に近い側のメタライズ膜外縁部に沿った領域に強い応力が集中するので、その応力集中部に沿った割れが発生し、最悪の場合メタライズ膜の直下の光学素子内部にまで割れが達するほど光学素子に強いストレスが加わる問題があった。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、本願発明の複合光学部品は、入射面又は出射面の中央に略円形状の光透過領域を、該光透過領域以外の４隅に接合領域を有した四角形状の光学素子を複数備え、互いの接合領域同士を接合して一体化してなる複合光学部品において、上記接合領域は、四隅部の各辺に沿って略Ｌ字状に形成されたものであることを特徴とする。

また、上記略Ｌ字状の接合領域の角部をＲ状に形成したものであることを特徴とする。

さらに、複数の光学素子は複数の偏光子及びファラデー回転子であって各偏光子間にファラデー回転子を介在させていることを特徴とする。

本発明の構成によれば、接合領域を四隅部の各辺に沿って略Ｌ字状に形成することにより、光透過領域の外周側に実質的な接合領域を位置させることを少なくできるとともに、接合作業時の冷却硬化による熱応力が光透過領域側にかかるのを緩和させることができ、これにより、熱応力によるクラックの発生を抑制し、耐光性、耐熱性、アイソレーション特性に優れた光アイソレータ用素子を生産できる。また、光路上に有機系接着剤を用いないので耐湿性に優れ、接合剤が変質しないだけでなく、レーザモジュール内で使用した場合、ガスが発生しないのでレーザモジュールの性能を劣化させることもない。

本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。なお、従来技術と同様の符号については同じ符号を用いる。

図１は、本発明の複合光学部品の一例である光アイソレータ用素子の実施形態を示す斜視図、図２は、本発明の光学素子同士の接続領域である金属多層膜のパターンの形状を示す図である。

図１に示すように、光アイソレータ用素子１はそれぞれが略同一の四角形状で形成された光学素子６、即ち、ファラデー回転子２、偏光子３、４からなり、図２で示すように各光学素子６は相対する光学面（入射面または出射面）の光透過領域７以外の４隅部に接合領域を有し、その接合領域に金属多層膜５を成膜し、この場合半田もしくはロウ材８で３枚の光学素子が接合してある。詳細は後述する。

ファラデー回転子２は、例えばビスマス置換ガーネット結晶等で、その厚みは所定の波長をもつ入射光線の偏光面が４５度回転する様に設定する。一般に、偏波面を回転させるためには、入射光線の光軸Ｚ方向に十分な磁界を印可することが必要である。また、自己バイアス型のファラデー回転子を用いれば磁石なしでも光アイソレータ用素子１は動作する。

２枚の偏光子３、４は、入射する光の１方向の偏光成分を吸収する機能を有する吸収型偏光子、あるいは入射する光の１方向の偏光成分を分離または合成する複屈折性偏光子で構成される。例えば、ファラデー回転子２が入射する光の偏光面を４５゜光軸まわりに回転させるもので、偏光子３、４として吸収型偏光子を用いた場合、偏光子３の透過偏光方向を偏光子４の透過偏光方向に対して４５゜光軸まわりにずらした構成とすればよい。

ここで、図１に示す光アイソレータ用素子１に高いアイソレーションが要求される場合は、ファラデー回転子２の偏波回転角度４５＋α度に対し、偏光子３と偏光子４の透過偏波方向の回転ズレを４５−α度に精密に調整する必要がある。具体的にはファラデー回転子と偏光子２枚を接合する際、光を逆方向から入射し、透過してくる光が最も小さくなるように偏光子基板同士を回転調整する。

一般的に２種の光学素子６を、半田もしくはロウ材８を用いて接合する場合に発生する熱応力Ｐは以下のように示される。

Ｐ＝Ｋ×Δα×Ｌ×（ｔ２−ｔ１）＋Ｅ・・・（式１）
なお、Ｋは各部材の弾性率等に基づく係数、Δαは被着材間の熱膨張係数差、Ｌは被着材のサイズ、ｔ２は接着時の加熱温度（低融点ガラスを用いた接合の場合はガラス転移温度）、ｔ１は室温、Ｅは他の要因による応力を示す。このように光学素子６に加わる熱応力は各光学素子６間の熱膨張係数差、および接着時の加熱温度、光学素子６のサイズに比例し、これらが大きいと、光学素子６に加わる熱応力も増加することになる。

また、光アイソレータ用素子１において、構成部材、特にファラデー回転子２に熱応力が生じると、これを通過する直線偏光の消光比に劣化が生じ、光アイソレータ用素子１の逆方向損失特性が劣化する。即ち、図１に示すように逆方向から入射する反射戻り光は偏光子４を透過し、直線偏光となる。ファラデー回転子２を透過した直線偏光は−４５度回転するが、同時にこれに対し直交する偏光成分も生じる。消光比に劣化が生じると、この直交する偏波成分が増加するが、これは偏光子３を透過するため、逆方向損失特性の劣化となる。

本実施の形態においては、偏光子３とファラデー回転子２の接合面、およびファラデー回転子２と偏光子４の接合面は、各光学面の中央に位置させる略円形状の光透過領域７以外の４隅に接合領域を設け、その接合領域に金属多層膜を形成し、それを介して半田もしくはロウ材で接合されている。金属多層膜の成膜形状について次に説明する。

図２（ａ）〜（ｄ）は本発明の金属多層膜のパターンの例を示す図である。本発明では金属多層膜５が偏光子３、４等から構成する光学素子６の４隅部に接合領域を有し、その接合領域は各辺に沿った略Ｌ字状に金属多層膜を形成したものであり、光透過領域７の外周側には金属多層膜ができる限り存在させないようにしたものである。

本発明で用いられる金属多層膜の材料としては、下地層としてＣｒもしくはＴｉを用い、中間層にはＰｔもしくはＰｄ、その上にＡｕ層を成膜するものであり、Ａｕ層の上にはロウ材として機能するＡｕＳｎ層を成膜する場合もある。高精細なパターンニングには、フィルム感材やガラス乾板にパターンを描画してマスクとする、フォトリソグラフによるエッチング手法がとられる。

本発明者が鋭意検討の結果、金属多層膜と光学素子の線膨張係数差による熱応力は、四角形状の光学素子６の４隅部が三角形になる接合領域とすると、このような膜形状の場合、特に光透過領域に近い側のメタライズ膜外縁部に沿った領域に強い応力が集中するので、その応力集中部に沿った割れが発生し、最悪の場合メタライズ膜の直下の光学素子内部にまで割れが達するほど光学素子に強いストレスが加わる問題がるのに対して、金属多層膜を隅部の各辺に沿った略Ｌ字状に形成することにより、光透過領域７の外周側に実質的な接合領域を位置させるのを少なくすると、光透過光領域７内に応力が拡がるのを抑制させることができるのを見出した。従って、光透過領域７と対向する側に三角形状から切り欠いた略Ｌ字状のものが好ましい。特に、図２（ａ）や（ｃ）に図示するように光透過光領域７からエッジ部分２５を有する辺に沿って応力が集中するものと考えられ、光透過領域７と対向する接合領域の辺が離れるように形成するのがよい。特に、図２（ａ）のエッジ部分２５の急峻な角部にはまだ応力が集中するので、これを緩和するため図２（ｂ）〜（ｄ）のＬ字状の各辺の角部であるエッジ部分２５にＣ面やＲ形状を形成するのは効果がある。特に図２（ｃ）は、光透過領域７からエッジ部分２５が離れ、急峻な角部がなく、接合領域も広いために、接合強度を確保したまま応力を緩和できるのでよい。

本説明では光アイソレータ用素子１を例に挙げて説明をしたが、複数個の光学素子６をその面同士で貼り合わせる複合光学部品においても同様に、接合領域で発生する熱応力が光透過領域へ及ぼす影響を低減する効果は変わらない。

本発明の実施例として図１に示した光アイソレータ用素子を用いた光アイソレータを試作し、特性の評価および信頼性試験を行った。各部品と構成について以下に説明する。

偏光子の寸法は１．２ｍｍ×１．３ｍｍ×ｔ０．２ｍｍ、屈折率は１．４７、ファラデー回転子の寸法は１．２ｍｍ×１．３ｍｍ×ｔ０．４ｍｍ、屈折率は２．３５である。なお、偏光子２枚の外形に対する透過偏波方向や、ファラデー回転子の偏光回転角度等、偏光特性はあらかじめ測定されており、良好なアイソレーション特性を得るための、偏光子同士の相対角度は算出されている。

また偏光子は、コーニング社製のポーラコア（製品名）を用い、ファラデー回転子はビスマス置換ガーネットを用いた。さらにファラデー回転子表面には対空気の反射防止膜を施してある。

各偏光子の片面、およびファラデー回転子の両面の四隅領域にはＣｒ−Ｐｔ−Ａｕの順に多層膜が成膜されており、さらにその最表面にはＡｕＳｎロウ材が成膜されている。これらの光学素子を窒素雰囲気内で２９０℃の加熱ヒータブロック上にて、治工具を用いて順に積み上げて熱圧着した。

こうして作製した光アイソレータ用素子を使い図３に示した表面実装型アイソレータ５０個を試作し、その光学特性を評価した。その結果、すべての光アイソレータは、挿入損失が０．３ｄＢ以下、アイソレーションが３５ｄＢ以上の、良好で均一な特性を有することを確認した。

次に作製した光アイソレータの信頼性評価を行った。試験は、Ｔｅｌｃｏｒｄｉａ１２２１に示される振動試験、衝撃試験、温度サイクル試験、高温保持試験、低温保持試験、高温高湿試験を実施し、すべての試験において、挿入損失の変化量が±０．２ｄＢ以下、アイソレーションの変化量が±３ｄＢ以下と良好な結果を得ることができた。

以上の試作により、光学特性が安定し、かつ、組み立てが容易で、光学素子の脱落、クラック、特性劣化がない信頼性に優れた金属接合の光アイソレータを提供することができる。

本発明の複合光学部品の一例である光アイソレータ用素子の実施形態を示す斜視図である。 （ａ）〜（ｄ）は、本発明の光学素子同士の接続領域である金属多層膜パターンの形状を示す図である。 従来の光アイソレータの構成を示す斜視図である。 従来の光アイソレータ用素子の製造工程を示す図である。 （ａ）、（ｂ）は従来の光学素子同士の接続領域である金属多層膜パターンを示す図である。

符号の説明

１、２０ 光アイソレータ用素子
２、１６、２３ ファラデー回転子
３、４、１７、１８、２２、２４ 偏光子
５ 金属多層膜
６ 光学素子
７ 透過光領域
８ 半田もしくはロウ材
１５ 光アイソレータ
１９ 接着剤
２１ 磁石
２５ エッジ
Ｚ 光軸の方向

Claims (3)

1. 入射面又は出射面の中央に略円形状の光透過領域を、該光透過領域以外の４隅に接合領域を有した四角形状の光学素子を複数備え、互いの接合領域同士を接合して一体化してなる複合光学部品において、上記接合領域は、四隅部の各辺に沿って略Ｌ字状に形成されたものであることを特徴とする複合光学部品。
2. 上記略Ｌ字状の接合領域の角部をＲ状に形成したものであることを特徴とする請求項２に記載の複合光学部品。
3. 複数の光学素子は複数の偏光子及びファラデー回転子であって各偏光子間にファラデー回転子を介在させていることを特徴とする光アイソレータ素子。

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