JP2006098561A - Optical isolator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、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に関するものである。 The present invention relates to an optical isolator used for removing return light generated when light emitted from a light source is introduced into various optical elements and optical fibers.
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。 In an optical communication module or the like, light emitted from a light source such as a laser light source is incident on various optical elements or optical fibers, but a part of the incident light is reflected on the end surfaces or inside of the various optical elements or optical fibers. It is scattered. A part of the reflected or scattered light tries to return to the light source as return light, and an optical isolator is used to prevent the return light.
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各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。 Conventionally, this type of optical isolator is configured by installing a flat Faraday rotator between two polarizers, and storing these three components in a cylindrical magnet via respective component holders. It was. Normally, the Faraday rotator is adjusted to a thickness that rotates the polarization plane of light having a predetermined wavelength in the saturation magnetic field by 45 °, and the two polarizers rotate so that their transmission polarization directions are shifted by 45 ° in the rotation direction. Coordinated and configured.
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、小型化が難しく、さらに、光源モジュールに組み込む際に、光アイソレータの偏波面の調整が必要となり実装が煩雑であった。 The optical isolator having such a configuration requires a Faraday rotator and two polarizers as separate parts and a holder for each element, which increases the number of parts and the number of assembling steps. The adjustment work is complicated and incurs high costs. In addition, it is difficult to reduce the size, and further, it is necessary to adjust the polarization plane of the optical isolator when it is incorporated in the light source module, and the mounting is complicated.
このため、ファラデー回転子と偏光子の各光学素子と、直方体の磁石を、平板状の実装基板に設置した光アイソレータも提案されている。 For this reason, an optical isolator in which optical elements of a Faraday rotator and a polarizer and a cuboid magnet are installed on a flat mounting board has been proposed.
特許文献1には図4に示す従来の小型化された光アイソレータ15が示されており、以下にその構成について説明する。
Patent Document 1 shows a conventional miniaturized
光アイソレータ15はファラデー回転子16、偏光子17、18の各光学素子と、直方体の磁石19が、平板状の実装基板20上に配置した構造を有している。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、それぞれの基板20に接する面を基準面とし、この基準面に対し透過偏波方向が0度および45度となるように切り出されている。
しかしながら図4の特許文献1に示すように、ファラデー回転子16、偏光子17、18の各光学素子と、直方体の磁石19が、平板状の実装基板20上に配置した光アイソレータ15においては、これら各光学素子21と平板状の実装基板20、あるいは磁石19と平板状の実装基板20との接合方法の記載がなく、その接合方法によっては光学素子の脱落、クラック接合強度の低下、光学特性の劣化が発生するという問題がある。
However, as shown in Patent Document 1 of FIG. 4, in the
具体的には、単一の実装基板20の表面という狭小領域に光学素子21と磁石19を固定する構造のため、特に高温で溶融固着する接合剤を使用する場合は、磁石19の熱膨張係数が光学素子21に対して大きいため、隣接する光学素子21に影響し、引っ張りの応力を発生させることが一つの原因である。
Specifically, since the
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、ファラデー回転子及び偏光子を含む光学素子と磁石とが、互いに対向する様に、平板状の実装基板上面に配置されるとともに、実装基板上面に光学素子及び磁石が接合剤を介して一体化されている光アイソレータにおいて、前記接合剤が実装基板上面の一部に上記光学素子を配置する段差を形成するとともに、該段差により、前記接合剤が実装基板上で光学素子と接合する領域と磁石と接合する領域とに分離されていることを特徴とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an optical element including a Faraday rotator and a polarizer and a magnet are disposed on the upper surface of a flat mounting substrate so as to face each other, and mounted. In the optical isolator in which the optical element and the magnet are integrated on the upper surface of the substrate via the bonding agent, the bonding agent forms a step for arranging the optical element on a part of the upper surface of the mounting substrate. The bonding agent is separated into a region bonded to the optical element and a region bonded to the magnet on the mounting substrate.
前記接合剤として低融点ガラスが用いられるとともに、光学素子と実装基板を接合する低融点ガラスは、前記ファラデー回転子と実装基板の熱膨張係数のいずれか小さい方と同じかそれ以下の熱膨張係数を有することを特徴とする。 A low-melting glass is used as the bonding agent, and the low-melting glass for bonding the optical element and the mounting substrate is equal to or smaller than the smaller one of the thermal expansion coefficients of the Faraday rotator and the mounting substrate. It is characterized by having.
前前記接合剤として低融点ガラスが用いられるとともに、前記磁石と実装基板を接合する低融点ガラスは、前記磁石と実装基板の熱膨張係数のいずれか小さい方と同じかそれ以下の熱膨張係数を有することを特徴とする。 A low-melting glass is used as the bonding agent before, and the low-melting glass for bonding the magnet and the mounting substrate has a thermal expansion coefficient equal to or lower than the smaller one of the thermal expansion coefficients of the magnet and the mounting substrate. It is characterized by having.
前記接合剤として半田が用いられるとともに、光学素子と実装基板を接合する半田は、前記ファラデー回転子と実装基板の熱膨張係数のいずれか小さい方と同じかそれ以上の熱膨張係数を有することを特徴とする。 Solder is used as the bonding agent, and the solder for bonding the optical element and the mounting board has a thermal expansion coefficient equal to or higher than the smaller one of the thermal expansion coefficients of the Faraday rotator and the mounting board. Features.
前記接合剤として半田が用いられるとともに、前記磁石と実装基板を接合する半田は、前記磁石と実装基板の熱膨張係数のいずれか小さい方と同じかそれ以上の熱膨張係数を有することを特徴とする。 Solder is used as the bonding agent, and the solder for bonding the magnet and the mounting board has a thermal expansion coefficient equal to or greater than the smaller one of the thermal expansion coefficients of the magnet and the mounting board. To do.
本発明の構成によれば、磁石と光学素子を実装基板に高温にて溶融、接合する接合剤を用いて接合する構成の光アイソレータにおいて、実装基板に段差を設けることで、磁石を接合する接合剤と光学素子をする接合剤は互いに接触しない構成となり、光学素子への応力を十分に緩和することができ、光学素子の特性劣化、クラック、脱落の課題を解決することができる。 According to the configuration of the present invention, in an optical isolator having a configuration in which a magnet and an optical element are bonded to a mounting substrate using a bonding agent that melts and bonds at a high temperature, the bonding is performed by providing a step on the mounting substrate. The bonding agent that makes the agent and the optical element does not come into contact with each other, the stress to the optical element can be sufficiently relaxed, and the problems of characteristic deterioration, cracking, and dropping off of the optical element can be solved.
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、本発明の光アイソレータの実施形態を示す斜視図である。 FIG. 1 is a perspective view showing an embodiment of an optical isolator according to the present invention.
図に示すように、本発明の光アイソレータ10は、段差9が設けられた実装基板6と、偏光子3、ファラデー回転子2、偏光子4からなる光学素子1と、磁石7とから成り、磁石7は接合剤5aを介して実装基板6と接合され、光学素子1は接合剤5bを介して実装基板6の段部9上に接合されている。ここで、光学素子1と磁石7は段部9の段差側面に対向して配置される。
As shown in the figure, the
実装基板6の材質として光アイソレータ10を半導体レーザモジュールに実装する実装方法によって選択され、例えば、YAG溶接で半導体レーザモジュールのサブマウントに固定される場合は、ステンレス、コバール、パーマロイ等の金属が選択され、また、ハンダによる実装の場合は、前記金属、あるいはセラミック、ガラス等の材料が用いられ実装面にたとえばCr下地でAuメッキを施こしているものが選択される。実装基板6の表面に形成する段差9の高さは、接合剤5a、5bが完全に分離できる程度の高さであればよく、段差9の側面に磁石7を当接させて接合させることができるので、磁石7の配置、特に磁石7同士のX断面における間隔をほぼ設計値どおりに配置固定できる。磁石7同士の間隔は、ファラデー回転子2へ与える磁界強度に大きく影響し、その間隔が設計値より大きくなるとファラデー回転子への磁界強度が弱くなり、アイソレータの特性劣化につながる。従って、段差9の側面に磁石7を当接させて接合させることは、アイソレータの特性安定化、歩留まり向上の点で有効である。なお、段差9の側面に磁石9を当接して配置する場合、磁石9を接合する接合剤5bが磁石9の底面及び側面にも接合させると接合強度が高くなり、また、2個の磁石7を両側から挟むようにハンドリングするアイソレータの固定、保持を行う場合、段差9がハンドリングの力を受け止めるため、その製品強度も強くなる。
The material of the
光学素子1は、平板状の偏光子3、ファラデー回転子2、偏光子4からなり、これら光学素子1の底面は実装基板6の段部9上に精度良く接合剤5bを介して接合されている。
The optical element 1 includes a plate-
接合剤5a、5bには低融点ガラスが用いられ、それらは同一の材料かあるいは異なる組成材料でもよく、ガラス材であるSiO2に他の金属酸化物、例えば酸化鉛や酸化リンや酸化亜鉛を混ぜ合わせ、その融点を低くなるように調整したもので、溶剤とともにクリーム状にしたものを、実装基板6上にあらかじめ塗布し、仮焼成により溶剤をとばしておくか、あるいは実装基板6の上面の5a、5bの領域とほぼ同じ大きさの平板状に形成したプリフォームがもちいられる。このように実装基板6上に形成された低融点ガラス5bと光学素子1、低融点ガラス5aと磁石7をそれぞれ密着させたまま300〜420度の高温炉で数秒から数分間焼成することで接合することができる。
Low melting glass is used for the bonding agents 5a and 5b, which may be the same material or different composition materials, and other metal oxides such as lead oxide, phosphorus oxide and zinc oxide are mixed with the glass material SiO2. In addition, it is adjusted so as to lower its melting point, and is applied in a cream form together with a solvent to the
次に光アイソレータ10の光学素子1とこれらの構成について説明する。
Next, the optical element 1 of the
偏光子3の透過偏波方向は、実装基板6の底面と平行な1辺(これを基準辺と呼ぶ)に対し平行な方向に設定されており、他方の偏光子4の透過偏波方向は、その基準辺に対して45度の方向に設定されている。また、実装基板6の段部9の上面は底面と略平行に加工されており、実装基板6の段部9の上面と偏光子3と偏光子4の基準辺と略一致させ、固定することにより、偏光子3と偏光子4の透過偏波方向は回転調整することなく、互いに45度ずれた状態となり、ファラデー回転子2のファラデー回転角が略45度の場合、最良の挿入損失特性とアイソレーション特性を得ることができる。
The transmission polarization direction of the
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。吸収型偏光子は例えば楕円体形の金属粒子がガラス内に分散された構造の偏光ガラスからなる。この偏光ガラスは長く延伸された金属粒子をガラス自身の中に一方向に配列させることにより偏光特性を持たせたガラスであり、金属粒子の延伸方向に垂直な偏波面を持つ光が透過し、平行な偏波面を持つ光は吸収される。例えば楕円体形の金属粒子がガラス内に分散された構造の偏光ガラスからなる。この偏光ガラスは長く延伸された金属粒子をガラス自身の中に一方向に配列させることにより偏光特性を持たせたガラスであり、金属粒子の延伸方向に垂直な偏波面を持つ光が透過し、平行な偏波面を持つ光は吸収される。
The
ファラデー回転子2は常温において入射した光の偏波方向が45度回転する厚みに調整されている。また、光アイソレータ10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の回転ズレを45−α度に精密に調整する必要があり、光を逆方向から(偏光子4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2を回転調整する方法がある。そこであらかじめ偏光子3と偏光子4の透過偏波方向を45−α度ずらして切り出し、例えば偏光子4の透過偏波方向を基準辺に対して45−α度とすることも可能である。また、ファラデー回転子の偏波回転角の精度±αは光アイソレータの特性上、1度程度とすることが望ましく、また実装基板6の上面に精度良く設置する。
The
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L方向に十分な磁界を印可することが必要であり、磁石7はファラデー回転子2の両脇に配置されている。
The
磁石7の材料としては、例えばサマリウムコバルトからなる材料が適している。磁石7は光学素子1の両側に配置されており、磁石7には、ファラデー回転子2を通過する光軸方向の磁力線が最大になるような向きに磁極が配置されており、ファラデー回転子2が所定の波長をもつ入射光線の偏光面を45度回転させるだけの磁界強度以上(飽和磁界強度)を有する。また、磁石の形状はこれに限ることもなく、ファラデー回転子に所定の磁界強度を満足すれば、1個でも良く、その形状も限定されない。
As a material of the
ここで、ファラデー回転子2の熱膨張係数は約10×10−6/℃であり、偏光ガラスの熱膨張係数は約6.5×10−6/℃であり、また磁石7の熱膨張係数は約13×10−6/℃であり、これらの熱膨張係数の異なる部材を共通の実装基板6に堅固に実装し、かつ所望の光学特性を得るために本発明は考え出されたものである。すなわち、本発明の構成は実装基板6に形成する接合剤5aと5bが、段部9の効果により互いに接触していないため、磁石7による引っ張り応力が光学素子1、特にファラデー回転子2にかかることなく、良好な特性を示すこと発明した。
Here, the thermal expansion coefficient of the
ここで、より強固な接合状態を得るためには、最適な熱膨張係数を有する低融点ガラスを用いる方がよい。ファラデー回転子2及び接合剤5に生じる応力は、接合剤5を介した磁石7による引っ張りだけではなく、接合剤5自身の熱収縮も原因となり得る。低融点ガラスを用いる場合は、この材料特性として引っ張り応力に弱く、引っ張り応力がかかった状態ではガラスの破断が発生し接合強度の劣化につながるため、接合する部材同士の内、一番熱膨張係数が小さい部材にあわせるか、それ以下の熱膨張係数を有する低融点ガラスを介在することが接合強度の点から望ましい。そのため、ファラデー回転子2と実装基板6の接合には、ファラデー回転子2と実装基板6のいずれか熱膨張係数が小さい方と同じかそれ以下の熱膨張係数を有する接合剤低融点ガラスを介在することが望ましい。これは後述の通り、光アイソレータの特性を左右するファラデー回転子への残留応力の点からも好ましい。また、磁石7と実装基板6の接合には、磁石7と実装基板6のいずれか熱膨張係数が小さい方と同じかそれ以下の熱膨張係数を有する低融点ガラスを介在することが望ましい。このように選択した結果、接合剤5aと接合剤5bで異なる材料配合の低融点ガラスを用いてもよい。
Here, in order to obtain a stronger bonding state, it is better to use a low-melting glass having an optimum thermal expansion coefficient. The stress generated in the
図2は本発明の効果について説明した断面図である。 FIG. 2 is a sectional view for explaining the effect of the present invention.
図2は本発明と従来の光アイソレータの熱応力のかかり方を説明する図であり、(a)はY−Y線断面であり、接合剤50が実装基板20の全面に形成され、磁石19とファラデー回転子15が共に接合剤50により固着されている様子を示し、(b)は図1のX−X線断面図であり、接合剤5a、5bが実装基板6の段部9の効果により、互いに接触せずに別領域に形成され、磁石7が接合剤5aによって、光学素子1が接合剤5bにより固着されている様子を示す。なお、ガラスは引っ張り応力に対して弱いので、接合相手との応力が許容範囲を超えないように熱膨張係数や固着温度を最適に設定した状態での様子である。
2A and 2B are views for explaining how the thermal stress is applied to the present invention and the conventional optical isolator. FIG. 2A is a cross-sectional view taken along the line YY, and the
物体は温度の上昇により膨張し、温度の降下により収縮する。温度1℃の変化によって生じる単位長さあたりの収縮量を熱膨張係数といい、これをαで表す。各接合部における応力は、接合剤50、5a、5bの固着温度(ほぼガラス転移温度Tgと等しい)付近で発生し始め、ここから温度が下がるほど各残留応力は大きくなる。図中の矢印は各部材が温度降下時に収縮する方向を示している。
The object expands with increasing temperature and contracts with decreasing temperature. The amount of shrinkage per unit length caused by a change in temperature of 1 ° C. is called a thermal expansion coefficient, and this is represented by α. The stress at each joint starts to occur near the fixing temperature (approximately equal to the glass transition temperature Tg) of the
また、光学素子1の内、ファラデー回転子2はその残留応力、特に引っ張り応力により、その消光比が大幅に低下することがわかっている。ファラデー回転子2の消光比とは、入射した直線偏波の光のうち、どれだけの光が直線偏波を保持したまま回転するかをパワーの比で表したものである。
Further, it has been found that the extinction ratio of the
以上の考察から、図2(a)の構成では、熱膨張係数が大きい磁石19が接合剤50の固着温度から常温への温度降下に伴い大きく収縮し、図中の矢印Fの方向に接合剤50を介してファラデー回転子16を引っ張るため、ファラデー回転子16の消光比の低下や、低融点ガラス50にクラック発生という問題が生じる。これに対し本発明の図2(b)では段差9により接合剤5aと5bが分離しているため、磁石7の収縮に伴う影響をファラデー回転子2が受けにくい構成となっているために、ファラデー回転子2の特性低下や接合剤5のクラックが発生しにくくなる。
From the above consideration, in the configuration of FIG. 2A, the
本発明は接合剤5a、5bとして低融点ガラスを用いた場合について説明したが、本発明の段部の効果はこれに限ることはなく、常温より高い温度で硬化する接合剤、たとえば熱硬化型の樹脂接着剤や、半田、ロウ材による接合についても同様の効果を得ることができる。特に本実施例で説明した低融点ガラス5を接合剤として用いた場合、光学素子2、3、4のメッキ等の前処理は不要であり工数の削減が実現する、または、樹脂による接合に比較して非常に堅固な固定が実現し、高温高湿化での特性劣化がなくなり、信頼性の高い光アイソレータが実現する、等の効果が期待される。
Although this invention demonstrated the case where low melting glass was used as joining agent 5a, 5b, the effect of the step part of this invention is not restricted to this, Joining agent hardened | cured at temperature higher than normal temperature, for example, thermosetting type The same effect can be obtained for bonding with a resin adhesive, solder, or brazing material. In particular, when the low
ここで接合剤として半田を用いる場合は、より強固な接合状態を得るために、最適な熱膨張を有する半田を用いる方がよい。 Here, when solder is used as the bonding agent, it is better to use solder having optimum thermal expansion in order to obtain a stronger bonding state.
即ち、従来のファラデー回転子16及び接合剤50に生じる応力は、接合剤50を介した磁石19による引っ張りだけではなく、ファラデー回転子16および接合剤50自身の熱収縮も原因となり得る。これに対して本発明では、段差9により磁石7による引っ張りを抑制したので、半田を接合剤として用いる場合は、ファラデー回転子2より熱膨張係数が大きい半田を介在することが接合強度の点から望ましい。この理由は、ファラデー回転子2より熱膨張係数が小さい半田を用いた場合には、材料特性としてファラデー回転子2に比べて引っ張り応力に強く、引っ張り応力がかかった状態でも半田の破断が発生することはないが、逆にファラデー回転子2へは引っ張り応力に弱く、ひどい場合にはファラデー回転子2に破断が発生する原因となるからである。
That is, the stress generated in the
これは、光アイソレータの特性を左右するファラデー回転子への残留応力の点からも好ましい。また、磁石7と実装基板6の接合には、同様の理由により、磁石7より熱膨張係数が大きい半田を介在することが望ましい。このように選択した結果、接合剤5aと接合剤5bで異なる材料配合の半田を用いることが最も好ましい。
This is also preferable from the viewpoint of the residual stress on the Faraday rotator that affects the characteristics of the optical isolator. In addition, for the same reason, it is desirable that solder having a larger thermal expansion coefficient than that of the
以上説明したように、本発明の構成によれば、磁石7と光学素子1を共通の実装基板6に高温にて溶融、接合する接合剤5a、5bを用いて接合する構成の光アイソレータにおいて、磁石7を接合剤5aで、光学素子1を接合剤5bで接合し、接合剤5aと接合剤5bとは互いに確実に接触しない段差9を用いた構成とすることで、光学素子1への応力を緩和することができ、光学素子1の特性劣化、クラック、脱落の課題を解決することができる。
As described above, according to the configuration of the present invention, in the optical isolator configured to bond the
本発明の実施例として図2(a)に示した従来の実装基板を用いた光アイソレータAと、図2(b)に示した本発明の光アイソレータBを試作し、その特性について比較した。 As an example of the present invention, an optical isolator A using the conventional mounting substrate shown in FIG. 2 (a) and an optical isolator B of the present invention shown in FIG. 2 (b) were prototyped and their characteristics were compared.
各部品と構成について以下に説明する。 Each component and configuration will be described below.
偏光子は、コーニング社製のポーラコア(製品名)を用い、サイズは1mm角で厚み0.2mmのものを使用し、実装基板との実装辺を基準辺とし、入射側の偏光子は基準辺に平行な偏波方向を透過し、出射側の偏光子は基準辺に対して45度の偏波方向を透過するように設定した。なお、偏光子の熱膨張係数は6.5×10−6/℃のものを用いた。 The polarizer is a polar core (product name) manufactured by Corning, and the size is 1 mm square and the thickness is 0.2 mm. The mounting side with the mounting board is the reference side, and the polarizer on the incident side is the reference side. The output side polarizer is set to transmit a polarization direction of 45 degrees with respect to the reference side. The polarizer had a thermal expansion coefficient of 6.5 × 10 −6 / ° C.
ファラデー回転子はビスマス置換ガーネットを用い、サイズは1mm角で厚み0.5mm、飽和磁界強度中における偏波回転角は45度であった。なお、ファラデー回転子の熱膨張係数は10×10−6/℃のものを用いた。 The Faraday rotator was a bismuth-substituted garnet, the size was 1 mm square, the thickness was 0.5 mm, and the polarization rotation angle in the saturation magnetic field strength was 45 degrees. In addition, the thermal expansion coefficient of the Faraday rotator was 10 × 10 −6 / ° C.
いずれも波長1.55μmの光に対して動作する素子であり、偏光子、ファラデー回転子の両面には対空気(n=1)の反射防止膜が施されている。 Both are elements that operate with respect to light having a wavelength of 1.55 μm, and antireflection films for air (n = 1) are applied to both surfaces of the polarizer and the Faraday rotator.
光アイソレータA、Bとも実装基板の材料にジルコニアセラミックスを用い、その上面に低融点ガラスをあらかじめ塗布しておく。ジルコニアの熱膨張係数は10.5×10−6/℃であり、ファラデー回転子の熱膨張係数とほぼ同じであり、ファラデー回転子に実装基板からの応力の影響を受けない構成とした。 For both optical isolators A and B, zirconia ceramics is used as the material of the mounting substrate, and low melting point glass is applied in advance to the upper surface thereof. The thermal expansion coefficient of zirconia is 10.5 × 10 −6 / ° C., which is almost the same as the thermal expansion coefficient of the Faraday rotator, and the Faraday rotator is not affected by the stress from the mounting board.
低融点ガラスについても同様にファラデー回転子への応力を考慮して10.5×10−6/℃より若干小さく、8×10−6/℃のものを選択した。 Similarly, a low melting point glass having a size slightly smaller than 10.5 × 10 −6 / ° C. and 8 × 10 −6 / ° C. was selected in consideration of stress on the Faraday rotator.
実装基板のサイズは幅W=3.2mm、長さD=1.5mm、厚みt=0.3mmで、光アイソレータAに用いる実装基板上面のほぼ全面に低融点ガラスを塗布した。光アイソレータBに用いる実装基板は、そのほぼ中央部に幅W=1mm、長さD=1.5mmの段差(高さは0.25mmである)を形成し、第一の低融点ガラス(熱膨張係数8×10−6/℃)を塗布し、段差の両側に幅W=0.8mm、長さD=1.5mmの第二の低融点ガラス(熱膨張係数6×10−6/℃)を塗布し、第一の低融点ガラスと第二の低融点ガラスは段差により完全に分離させた。磁石は幅W=0.8mm、長さD=1.4mm、厚みT=1.4mmの略直方体の磁石を2個用いた。
The size of the mounting substrate was a width W = 3.2 mm, a length D = 1.5 mm, and a thickness t = 0.3 mm. Low melting point glass was applied to almost the entire upper surface of the mounting substrate used for the optical isolator A. The mounting substrate used for the optical isolator B is formed with a step (having a height of 0.25 mm) having a width W = 1 mm and a length D = 1.5 mm at substantially the center thereof, and the first low-melting glass (heat The second low melting point glass (
光アイソレータA、Bとも試作条件は同じくし、低融点ガラスを介して偏光子とファラデー回転子と偏光子の各光学素子の基準辺、および磁石を光アイソレータAの実装基板、あるいは光アイソレータBの実装基板に接合した。接合は、低融点ガラスの溶融温度380度、1分で焼成した。 The optical isolators A and B have the same prototype conditions, and the reference side of each optical element of the polarizer, the Faraday rotator and the polarizer, and the magnet are mounted on the mounting substrate of the optical isolator A or the optical isolator B through the low melting point glass. Bonded to the mounting board. The bonding was performed at a melting temperature of 380 ° C. for 1 minute for the low-melting glass.
表1は試作した5個の光アイソレータのアイソレーション特性とその平均値を示す。
光アイソレータAについては、アイソレーション特性の平均値が21.5dBと非常に低く、磁石の高熱膨張の影響をファラデー回転子が受けていることが予想される。これに対し、光アイソレータBはアイソレーション特性の平均値が45.0dBと高く、本発明による特性の改善が確認できた。 For the optical isolator A, the average value of the isolation characteristic is very low at 21.5 dB, and it is expected that the Faraday rotator is affected by the high thermal expansion of the magnet. On the other hand, the optical isolator B has an average isolation characteristic as high as 45.0 dB, confirming the improvement of the characteristics according to the present invention.
以上の試作の結果から、50個の光アイソレータBを作製し特性を測定した。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。 From the results of the above trial manufacture, 50 optical isolators B were manufactured and the characteristics were measured. As a result, all the optical isolators were confirmed to have good and uniform characteristics with an insertion loss of 0.3 dB or less and an isolation of 35 dB or more.
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。 Next, the reliability of the produced optical isolator was evaluated. The tests were conducted vibration test, impact test, temperature cycle test, high temperature holding test, low temperature holding test, high temperature high humidity test shown in Telcordia 1221. In all tests, the amount of change in insertion loss is ± 0.2 dB or less, A good result was obtained in which the amount of change in isolation was ± 3 dB or less.
以上の試作により、光学特性が安定し、かつ、組み立てが容易で工数が少なく、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光アイソレータを提供することができる。 By the above trial manufacture, it is possible to provide an optical isolator having stable optical characteristics, easy assembly, less man-hours, and excellent in reliability without dropping, cracking, and characteristic deterioration of optical elements.
本発明の第2の実施例として、本発明と従来の光アイソレータの熱応力の数値解析を行った。解析条件としては、ファラデー回転子の熱膨張係数を10.5×10−6(1/℃)、偏光子の熱膨張係数を6.34×10−6(1/℃)、磁石の熱膨張係数を光軸方向を6.5×10−6(1/℃)、光軸と垂直方向を13.0×10−6(1/℃)、接合剤の熱膨張係数を以下の組み合わせで9.0×10−6(1/℃)及び6.0×10−6(1/℃)の二種類のものを、また、接合剤の融点を380℃とし、20℃まで温度を下げた際の熱応力を見た。この時の実装基板の材質はアルミナセラミックスとし、その熱膨張係数を7.1×10−6(1/℃)とした。 As a second embodiment of the present invention, numerical analysis of the thermal stress of the present invention and the conventional optical isolator was performed. As analysis conditions, the thermal expansion coefficient of the Faraday rotator was 10.5 × 10 −6 (1 / ° C.), the thermal expansion coefficient of the polarizer was 6.34 × 10 −6 (1 / ° C.), and the thermal expansion of the magnet The coefficient is 6.5 × 10 −6 (1 / ° C.) in the optical axis direction, the direction perpendicular to the optical axis is 13.0 × 10 −6 (1 / ° C.), and the thermal expansion coefficient of the bonding agent is 9 in the following combinations: 0.0 × 10-6 (1 / ° C.) and 6.0 × 10 −6 (1 / ° C.), when the melting point of the bonding agent is 380 ° C. and the temperature is lowered to 20 ° C. I saw the thermal stress. The material of the mounting substrate at this time was alumina ceramics, and its thermal expansion coefficient was 7.1 × 10 −6 (1 / ° C.).
解析のパターンとしては、図2(b)の光アイソレータで接合剤5の熱膨張係数が9.0×10−6(1/℃)(パターン1)、図2(b)の光アイソレータで接合剤5の熱膨張係数が6.0×10−6(1/℃)(パターン2)、図2(a)の光アイソレータで接合剤50の熱膨張係数が9.0×10−6(1/℃)(パターン3)、図2(a)の光アイソレータで接合剤50の熱膨張係数が6.0×10−6(1/℃)(パターン4)の4パターンについて解析を行った。解析結果を表2に示す。また、パターン2、4についての応力分布を図3に示す。
以上の解析より、光学素子と実装基板を接合する低融点ガラスは、ファラデー回転子と実装基板の熱膨張係数のいずれか小さい方と同じかそれ以下の熱膨張係数を有するものを採用したほうが(パターン2、パターン4)、ファラデー回転子への応力が低くなることがわかった。さらに、図2(b)に示される接合剤5a、bの分離は(パターン1、パターン2)、さらにファラデー回転子2の応力低減に有効であり、クラックや特性劣化に効果があることが確認できた。なお、半田についても実験例1、2と同様の実験をおこなったが、光学素子と実装基板を接合する半田は、ファラデー回転子と実装基板の熱膨張係数のいずれか小さい方と同じかそれ以上の熱膨張係数を有するものを採用したほうが、ファラデー回転子への応力が低くなり、良好なアイソレーション特性が実現することがわかった。
From the above analysis, it is better to adopt the low melting point glass that joins the optical element and the mounting substrate, which has a thermal expansion coefficient equal to or smaller than the smaller one of the thermal expansion coefficients of the Faraday rotator and the mounting substrate ( It was found that the stress on the
1、21:光学素子
10、11、15:光アイソレータ
2、16:ファラデー回転子
3、4、17、18:偏光子
5:接合剤
6、20:実装基板
7、19、22:磁石
9:段部
1, 2:
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