JP2006178188A - 光アイソレータ - Google Patents

Abstract

【課題】平面実装型光アイソレータの小型化と光学特性の劣化を防ぐことができる。
【解決手段】本発明の平面実装型光アイソレータは、光アイソレータ素子の入射側又は出射側に光が通過する領域以外の領域を遮蔽する遮蔽板を配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光源から出射された光を、各種光アイソレータ素子や光ファイバに結合する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。

従来、レーザーダイオード（ＬＤ）等の光源から出射した光は、各種光アイソレータ素子や光ファイバに入射又は結合されるが、その入射光の一部は、各種光アイソレータ素子，光ファイバを透過する際、反射や散乱を引き起こす。この反射や散乱した光の一部は光路を通し光源側に戻るが、この戻り光を遮断するための光学部品として、光アイソレータが一般的に用いられる。この種の光アイソレータは２枚の偏光子の間に、４５度回転調整するファラデー回転子を設置し、これら３枚の光アイソレータ素子を金属基台の実装表面に配置し、固着することによって構成されている。

特許文献１、２で示す表面実装型の光アイソレータの場合、図５に示すように整列基板４４上の両側に一対の永久磁石４３と光アイソレータ素子として偏光子４１、４１、偏光子４１、４１間にファラデー回転子４２とが、光軸方向に平行に並んで取り付けて固定されている。これら各光アイソレータ素子は、光源側から偏光子４１、ファラデー回転子４２、偏光子４１の順となるように光軸方向に並んで基板上に配置されている。光の反射を防ぐため各素子は基板の入射側側面に対し、６°から８°の角度をつけて基板に固定されている。さらに光の入射側に対空気の反射防止膜が施され、各素子間は１０μｍから５０μｍの間隔があけられている。
特開平１０−２２７９９６号公報 特開２００２−１６２６０３号公報

しかしながら、図５に示すような平面実装型の光アイソレータでは、偏光子４１とファラデー回転子４２と永久磁石４３の熱膨張差（偏光子：６５×１０^−７／℃、ファラデー回転子：１１０×１０^−７／℃、永久磁石：８９×１０^−７／℃）が大きいため、各素子と永久磁石４３との間隔をあける必要があった。さらに入射側からの光を偏光子４１、ファラデー回転子４２に対して、光アイソレータ素子の外周に対し１０μｍ内側の内接円に対してあてるためにはサイズを大きくする必要があり小型化が難しかった。

このような大型化が避けられない構造であるので、図２の（ａ）に示すように光アイソレータ素子を通らずに光アイソレータ素子と永久磁石との間に漏れ光が通過しやすく、しかも、この漏れ光を抑えることができず評価の際に以下の不具合があった。即ち、光学特性評価装置を用いた場合、上述の漏れ光により、間違って光アイソレータの光学特性が劣化したものとしてしまい、通常は正常な光アイソレータでも不良と判断してしまうことになり歩留まりが悪くなるものである。これにより光がアイソレータを通らない光も含めて測定することから挿入損失では本来製品の特性値よりも良い値になり、特にアイソレーションでは本来製品特性より１０％ほど低い値になる。

また、この漏れ光を防ぐためには、光源から出射された光のスポット面積よりも光アイソレータ素子の面積を大きくする必要があり、大きなサイズの光アイソレータ素子を整列基板に実装するためには、整列基板上の光アイソレータ素子実装部の幅を大きく取る必要があった。平面実装型の光アイソレータでは、永久磁石と光アイソレータ素子との距離を小さくするのは限界があるため、整列基板の光アイソレータ素子実装部の幅を大きくすることでサイズが大きくなってしまい小型化が難しかった。

本発明は上述の問題点に鑑みて案出されたものであり、小型化が可能であるとともに、歩留まりを向上させることができる光アイソレータを提供することを目的とする。

本発明は、少なくともファラデー回転子と偏光子とが互いに当接した光アイソレータ素子を整列基板上に配置してなる光アイソレータにおいて、上記光アイソレータ素子の入射側又は出射側に光が通過する領域以外の領域を遮蔽する遮蔽板を配置したことを特徴とするものである。

上記遮蔽板は、光を通過する穴が形成されたものであり、上記穴の大きさは入射若しくは出射面に形成される光のスポット面積よりも大きく、入射若しくは出射面の面積よりも小さいものであることを特徴とするものである。

上記遮蔽板の穴は入射若しくは出射面の形状と略同じに形成されたものであることを特徴とするものである。

上記整列基板上の光アイソレータの両隣に２つの磁石体が配置されるとともに上記整列基板、磁石体、遮蔽板とで上部が開口する筺体を形成するとともに、その上部開口を遮蔽する蓋体を配置したことを特徴とするものである。

本発明によれば、評価の際に光アイソレータ素子を通らない漏れ光による光学特性の劣化を有効に防ぐことができる。従って、歩留まりを有効に防止することができるとともに、漏れ光を防止するために光源から出射されるスポット面積よりも大きくとっていた光アイソレータ素子面積を小さくすることができるため、磁石と光アイソレータ素子との距離を小さくするのは限界があるものの、光アイソレータ素子そのもの、即ち、光アイソレータ素子の光が通過する領域以外の領域を小さくすることができ、それに伴い永久磁石と整列基板の寸法を小さくすることができるためアイソレータの小型化が実現できる。

図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。

図１は本発明の光アイソレータを示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は正面図を示す。

本発明の光アイソレータは、整列基板１４の表面に、光の通過方向に沿って配置された偏光子１１、１１と、その偏光子１１、１１の間に配置されたファラデー回転子１２とで構成する光アイソレータ素子１００が配置されている。

各光アイソレータ素子１００の両側には、その整列基板１４の表面上に直方体の永久磁石１３が配置され、本発明の特徴部である光アイソレータ素子に光が通過する領域以外の領域を遮蔽する通光用穴付遮蔽板１６、上部開口遮蔽用蓋体１７を光の入出射側又は出射側の整列基板１４上に配置した構造を有している。

光アイソレータ素子１００のサイズは光アイソレータ素子１００と整列基板１４との接着による応力の緩和と接着強度、素子の破壊強度を考慮し、縦横ともに２ｍｍ以下であることが好ましく、光アイソレータ素子１００と整列基板１４との接合では光アイソレータ素子１００への応力を少なくするために、その底面の１面に対してのみで固定する方が好ましい。

偏光子１１は、例えばアルカリ硼珪酸ガラス等の材質からなり、その偏光子を配置する方向はアイソレーション特性を得る理由から光の通過方向に対してファラデー回転子１２を挟んで正確に４５゜である必要がある。

ファラデー回転子１２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°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る。

永久磁石１３は、ファラデー回転子１２に対して十分な磁界を印可する必要があるため、例えばネオジム（Ｎｄ）・鉄（Ｆｅ）・ボロン（Ｂ）を主成分とした粉末冶金による焼結製品であるネオジ磁石が望まれる。

そして、光アイソレータ素子１００に対して永久磁石１３を光軸に平行に着磁して、光軸に平行に並べて配置することにより所望の光アイソレータが構成される。

通光用穴付遮蔽板１６、上部開口遮蔽用蓋体１７は、鋼材が好ましい。鋼材とは、たとえば鉄や銅合金、ステンレス、アルミニウム等があげられる。特に通光用穴付遮蔽板１６においては、通光用穴の加工が必要になってくるため、加工性の良好なアルミニウムやステンレス（ＳＵＳ３０３）が望まれる。通光用穴付遮蔽板１６が光源から出射された光が光アイソレータ素子１００と永久磁石１３との間を通ることを防ぐために入射側に配置されるのが好ましく、より好ましくは光アイソレータ素子１００を通光用穴付遮蔽板１６と永久磁石１３とにより覆い隠すように形成するのが以下に示す漏れ光を完全に防止する面で好ましい。

また、通光用穴付遮蔽盤１６は光アイソレータ素子１００の入射側に配置するのが光源から出射された光を光アイソレータ素子１００と永久磁石１３との間に光を通さないために好ましいが、出射側に入る戻り光を光アイソレータ素子１００と永久磁石１３との間に通さないためには出射側に配置しても構わない。

特に通光穴付遮蔽板１６の厚さは通光用穴の加工を容易にするため薄い方がよく、２ｍｍ以下であることが好ましい。さらに、遮蔽板の穴形状は図３（ａ）のような円形のほか、（ｂ）のような四角形、（ｃ）のような遮蔽板の底面から加工されたアーチ上のものから形成される。

通光穴付遮蔽板１６の通光用穴の加工方法は公知の方法でよく、微小深穴加工、レーザー加工、精密プレス加工、微細放電加工、超音波加工、エッチング加工等の方法で形成すればよい。加工コストの点から見た場合、最小穴径がφ０．０４ｍｍまで可能な微小深穴加工や最小穴径がφ０．０５ｍｍまで可能なエッジング加工が望ましい。

また、これら光アイソレータ素子１００と永久磁石１３を整列基板１４に固定する際には、半導体レーザー素子と一緒に密封されたパッケージ内で接着剤の分解物などにより半導体を劣化させる可能性の少ない金属やガラスなどで固着されることが望ましい。このため、各光アイソレータ素子１００の偏光子１１、ファラデー回転子１２は透過光の通過する面と通光用穴付遮蔽板１６を矩形とし、少なくとも直交する四つの面の内、整列基板１４に接する底面にメタライズを施し、金と錫の合金により固着することが望ましい。メタライズの最表面は金であることが望ましく、四つの面及び光学面の一部に透過光の妨げにならない位置に同様にメタライズの施されていることは更に好ましい。

光アイソレータ素子１００の偏光子１１、ファラデー回転子１２、通光用穴付遮蔽板１６、上部開口遮蔽用蓋体１７と永久磁石１３の固着は別々でも良く同時でもよい。工程の短縮の観点からは同時固着が望ましく、工程の容易さの観点からは別々に行うことが良いが、別々に行う場合は、後から行う固着の際に先に固着に用いた合金よりも融点の低い合金または金属を用いるのが望ましい。

本実施例では光アイソレータ素子１１、１２の光アイソレータ部の入射側に通光用穴付遮蔽板１６があり、通光用穴付遮蔽板１６と永久磁石１３に接着した状態で上部開口遮蔽用蓋体１７が付けられている。

通光用穴付遮蔽板１６は、光を通過するための穴が形成されており、穴の大きさは入射若しくは出射面に形成される光のスポット面積よりも大きく、光アイソレータ素子１００の入射若しくは出射面の面積よりも小さく光アイソレータ素子１００に対し内接円の面積が確保できる大きさである必要がある。

このため、通光用穴の大きさは、入射された光の半径をＲｌ、光アイソレータ素子１００の縦、横のサイズで小さい辺をＡｍｉｎとした場合、通行用穴の半径Ｒは、以下の式を満足する必要がある。

Ｒｌ ≦ Ｒ ≦ Ａｍｉｎ ／ ２
縦横サイズは、光アイソレータ素子１００の縦をＡ、横をＢ、光アイソレータ素子１００と永久磁石１３との間隔をＴ４とすると、光アイソレータ素子１００と永久磁石１３の間をふさぐ理由から通光用穴付遮蔽板１６の縦サイズの最小値Ａ１ｍｉｎと横サイズの最小値Ｂ１ｍｉｎは以下の式を満足する必要がる。

Ａ１ｍｉｎ ＝ Ａ
Ｂ１ｍｉｎ ＝ Ｂ ＋ ２ × Ｔ４
また、上部開口遮蔽用蓋体１６のサイズは、光アイソレータ素子１１、１２の光アイソレータ部の上部漏れ光を防ぐために、アイソレータ部の全体を覆う必要がある。このため、上部開口遮蔽用蓋体のサイズは、偏光子の厚さＴ１、ファラデー回転子の厚さＴ２、偏光子とファラデー回転子の間隔Ｔ３、偏光子、ガーネットの横幅Ａ、入射面に対する光アイソレータ素子の角度をθ、光アイソレータ素子と永久磁石との間隔をＴとすると、上部開口遮蔽用蓋体の横幅の最小値Ａ２ｍｉｎと、縦のサイズの最小値Ｂ２ｍｉｎは以下の式を満足する必要がある。

Ａ２ｍｉｎ ＝ Ａ × ｃｏｓθ ＋ Ｔ × ２
Ｂ２ｍｉｎ ＝（Ａ−Ｔ１×ｔａｎθ）×ｓｉｎθ
＋（２×Ｔ１＋Ｔ２＋２×Ｔ３）／ｃｏｓθ
このような構成にすると、本発明では図２（ｂ）に示すように、光アイソレータ部に通光用穴付遮蔽板１６と上部開口遮蔽用蓋体１７が配置され、確実に漏れ光を防ぐことができ平面実装型アイソレータの光学特性の劣化を防ぐことができる。

さらに、光アイソレータの小型化を行うためには、光アイソレータ素子１００を小さくする必要があり、このためには入射された光の直径と光アイソレータ素子の縦と横のサイズを同じにする必要がある。これにより、整列基板の光アイソレータ素子実装部の幅を削ることで整列基板のサイズを小さくすることができ小型化が行える。

本発明の実施例として図１に示した光アイソレータを試作し、特性の評価を行った。各部品と構成について以下に説明する。

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１１ｍｍ角で厚み０．２ｍｍのものを、互いの透過偏波方向は４５°ずらして光学調整の後に、１ｍｍ角に切り出した。ファラデー回転子のサイズは１１ｍｍ角で厚み０．４５ｍｍのものを、１ｍｍ角に切り出した。飽和磁界強度中における偏波回転角は４５．０°であった。いずれも波長１．５５μｍの光に対して動作する素子であり、偏光子と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。また、通光用穴付き遮蔽板にはアルミニウム（Ａ５０５２）を使用し、サイズは３ｍｍ×２ｍｍで厚さ０．５ｍｍのものを使用し、上部開口遮蔽用蓋体には、遮蔽板同様、アルミニウム（Ａ５０５２）で、サイズが３ｍｍ×２．３５ｍｍで厚さは０．５ｍｍのものを使用した。通光用穴の直径は０．８ｍｍである。

次にステンレス性基板（ＳＵＳ３０３）に低融点ガラスを塗布し、この上に偏光子とファラデー回転子と偏光子を配置した。その際、２枚の偏光子はその基準面が互いに平行となるように配置し、光アイソレータ素子上面から０．５ｋｇｆの押圧力で加圧して固定した。

次に光アイソレータ素子同様に永久磁石を上面から０．５ｋｇｆの押圧力で加圧して固定し、基板の入射側側面に低融点ガラスを塗布し、通光用穴付き遮蔽板を配置、通光用穴付き遮蔽板と永久磁石上部に低融点ガラスを塗布し、上部開口遮蔽用蓋体を配置した。

このようにして作製した光アイソレータの特性を図４のような構成の評価系を使って、挿入損失、アイソレーションの測定を行った。図４の評価系はコリメータ５２から基準偏光子５６を介して出射された測定光を、ディテクタ５４で受光する。なお、基準偏光子５６は、アイソレータの入射面の偏波角度に対し、平行に調整されている。測定した結果、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４０ｄＢ以上の良好で均一な特性を有することを確認した。

以上の試作により、光学特性の劣化を防ぎ、かつ小型化が可能な光アイソレータが実現した。

（ａ）本発明の光アイソレータの実施形態を示す斜視図、（ｂ）は本発明の光アイソレータの実施形態を示す正面図である。 （ａ）従来の光アイソレータでの通光状態を示す図、（ｂ）本発明の光アイソレータでの通光状態を示す図である。 通光用穴付遮蔽板の穴形状の例を示す図である。 表面実装型のアイソレータにおける評価系を示す図である。 従来の平面実装型の光アイソレータを示す図である。

符号の説明

１１、４１：偏光子
１２、４２：ファラデー回転子
１３、４３：永久磁石
１４、４４：基板
１６：通光用穴付遮蔽板
１７：上部開口遮蔽用蓋体
５１：波長可変光源
５２：コリメータ
５３：平面実装型アイソレータ
５４：ディテクタ
５５：パワーメータ
５６：基準偏光子

Claims (4)

1. 少なくともファラデー回転子と偏光子とが互いに当接した光アイソレータ素子を整列基板上に配置してなる光アイソレータにおいて、上記光アイソレータ素子の入射側又は出射側に光が通過する領域以外の領域を遮蔽する遮蔽板を配置したことを特徴とする光アイソレータ。
2. 上記遮蔽板は、光を通過する穴が形成されたものであり、上記穴の大きさは入射若しくは出射面に形成される光のスポット面積よりも大きく、入射若しくは出射面の面積よりも小さいものであることを特徴とする請求項１に記載の光アイソレータ。
3. 上記遮蔽板の穴は入射若しくは出射面の形状と略同じに形成されたものであることを特徴とする請求項２に記載の光アイソレータ。
4. 上記整列基板上の光アイソレータの両隣に２つの磁石体が配置されるとともに上記整列基板、磁石体、遮蔽板とで上部が開口する筺体を形成するとともに、その上部開口を遮蔽する蓋体を配置したことを特徴とする請求項２又は３に記載の光アイソレータ。

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