JP2007248541A

JP2007248541A - ファラデー回転機能付き偏光ガラス、および、それを用いた光アイソレータ

Info

Publication number: JP2007248541A
Application number: JP2006068431A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Watabe; 敦渡部; Seiichi Yokoyama; 精一横山; Yoshitaka Yoneda; 嘉隆米田; Yoshiatsu Yokoo; 芳篤横尾
Original assignee: Hoya Corp
Current assignee: Hoya Corp
Priority date: 2006-03-13
Filing date: 2006-03-13
Publication date: 2007-09-27

Abstract

【課題】光アイソレータを構成する個別部品の数を減らし、組み立て工程を軽減する。
【解決手段】偏光ガラス１の表面に、２２．５°のファラデー回転角が得られるように、エアロゾルデポジション法により磁気光学薄膜１ａを成膜し、得られたファラデー回転機能付き偏光ガラス２を２枚、磁気光学薄膜を形成した面を対向させ、且つ、偏光軸を４５゜変位させて配置した。
【選択図】図１

Description

本発明は、光通信、光計測等の分野において使用されるファラデー回転機能付き偏光ガラス、および、それを用いた光アイソレータに関する。

従来、光を一方向にだけ通す光デバイスである光アイソレータは、複数の光学素子の組み合わせで構成され、順方向のレーザ光の反射戻り光を防止する目的で使用されている。光通信分野では、光信号の発光源である半導体レーザの直後に光アイソレータが設置されることが多く、一般には、半導体レーザ、光アイソレータ、光結合レンズ等を一括して筐体中に組み込んだ半導体レーザモジュールの形で使用されている。

図３、図４は従来の光アイソレータの例を示している。
この光アイソレータ１０は、３つのハウジング２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃによって構成されたホルダ２０の内部に、光軸Ｌ方向に沿って３つの光学素子、つまり、偏光子１１と、ファラデー回転子（ファラデー効果を有する磁気光学素子）１２と、検光子１３とを順番に配置し、更に、ホルダ２０の内周に、ファラデー回転子１２に磁力を及ぼす永久磁石１７を配置した構成となっている。ファラデー回転子１２は、永久磁石１７の磁場の中に置かれることで、透過する偏光の偏光面を所定角度だけ回転させる。

図示しない半導体レーザから発生された光信号は、光アイソレータ１０の光軸Ｌに沿って進み、永久磁石１７の内部の磁界１７ａの向きに沿って並んだ偏光子１１、ファラデー回転子１２、検光子１３を順番に通過する。

図５を用いて原理を説明すると、順方向（図３、図４の矢印Ｆ方向）に光アイソレータ１０の光軸Ｌの方向に伝搬する入射光ＲＡは、偏光子１１を透過後、直線偏光となって、ファラデー回転子１２に入射し、ファラデー回転子１２を通過する際に、その偏波面が、磁石４６の磁界強度により通常４５゜回転させられた状態で検光子１３に入射する。この検光子１３の傾きは、予め入射光の偏波面の傾き４５゜と等しく設定されており、入射した光ＲＡは、そのまま検光子１３を透過する。

一方、逆方向に伝搬する戻り光ＲＢは、検光子１３とファラデー回転子１２を透過することにより、偏光子１１の偏波面に対して９０゜傾いた偏波面をもった直線偏光になって偏光子１１に入射されるために、偏光子１１と直交ニコルの関係となって、透過を遮断される。

このような光アイソレータ１０は、図４に示すように、偏光子１１、ファラデー回転子１２、検光子１３といった３つの光学素子と、永久磁石１７と、ホルダ２０とを組み合わせた構造をとることが多く、小型化を達成するために、偏光子１１や検光子１３に薄型化が可能な偏光ガラスを用い、永久磁石１７に高Ｂｓ（飽和磁束密度）のＳｍ−Ｃｏ材またはＮｄ−Ｆｅ−Ｂ材を用いることが多い。また、ファラデー回転子１２は、非磁性ガーネットの基板に磁気光学薄膜（例：Ｂｉ置換型磁性ガーネット膜）を成膜することで作製していることが多い（例えば、特許文献１、２参照）。

これまで実用化されている光アイソレータは、波長が１３１０ｎｍ、１５５０ｎｍといった近赤外域でのものが多い。これは、光通信用のファイバーなどがその波長において光損失が低く、光通信用として適しているためであることと、ファラデー回転子として使用されるバルクのＹＩＧ（Ｙ₃Ｆｅ₅Ｏ₁₂）結晶やＢｉ置換ＹＩＧ（ＢｉＹＩＧ）、さらに液相エピタキシャル法（ＬＰＥ法）により成長させたＢｉ置換ガーネット膜などの光吸収損失もその波長帯で低いことに起因している。

特開平７−２０９６２０号公報特開平５−１７３１０２号公報

ところで、従来の光アイソレータ１０は、偏光子１１、ファラデー回転子１２、検光子１３、という３つの個別の光学要素を組み合わせて構成しているので、部品コストが高くなるという問題があった。また、個別部品を組み合わせて光アイソレータを構成するには、煩雑な組み立て工程が必要であるから、組み立てコストも高くなるという問題があった。また、小型化の要請に関しても、光軸方向での必要長さが、個別部品の合計寸法以上となるので、寸法縮小に限界があった。

本発明は上記事情に鑑み、光アイソレータを構成する場合の個別部品の数を減らすことができると共に、煩雑な組み立て工程を軽減することができ、しかも、小型化を達成することのできるファラデー回転機能付き偏光ガラス、および、それを用いた光アイソレータを提供することを目的としている。

請求項１の発明のファラデー回転機能付き偏光ガラスは、偏光ガラスの表面に、所定のファラデー回転角が得られるように磁気光学薄膜を成膜してなることを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１において、前記所定のファラデー回転角が２２．５°であることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１または２において、前記偏光ガラスが、形状異方性を有する金属粒子をガラス中に配向して分散させたものであることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかにおいて、前記磁気光学薄膜が、Ｂｉ置換型ガーネット膜であることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれかにおいて、前記磁気光学薄膜が、エアロゾルデポジション法により作製されていること特徴とする。

請求項６の発明の光アイソレータは、ファラデー回転角が合わせて４５°となる請求項１〜５のいずれか記載のファラデー回転機能付き偏光ガラス２枚が、前記磁気光学薄膜を形成した面を対向させ、且つ、前記磁気光学薄膜の偏光軸を４５゜変位させて配置されていることを特徴とする。

請求項７の発明は、請求項６において、前記２枚のファラデー回転機能付き偏光ガラスの磁気光学薄膜を形成した面同士を張り合わせて一体化してなることを特徴とする。

本発明によれば、偏光ガラス自体を基板として、その表面にＢｉ置換型ガーネット等の磁気光学薄膜を成膜しているので、例えば光アイソレータを構成する場合に、個別部品としての構成点数を少なくすることができ、部品コストや組み立てコストの低減を図ることができる。また、成膜する膜厚も、例えば、必要なファラデー回転角４５°の半分の回転角２２．５°相当の厚みですむため、厚膜化による種々の問題（例えば、クラックが発生する問題や、外周部に行くほど同心円状の割れを生じて、切り出し面積が減少して歩留まりが悪化する問題）の解消を図ることもできる。また、磁気光学薄膜を成膜するためだけの専用の基板（ガドリニウム・ガリウム・ガーネット(GGG)のような基板）が不要であるため、余計な基板コストがかからなくなる。また、偏光ガラス自体の表面に磁気光学薄膜を形成することで、光アイソレータを構成する場合の個別部品点数を削減しているので、光軸方向における必要長さを短くすることができ、光アイソレータの小型化に貢献できる。

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明のファラデー回転機能付き偏光ガラスを２枚用いて構成した光アイソレータ用の光学要素の構成図である。

この光学要素３は、光アイソレータを構成する３つの光学要素、即ち、偏光子とファラデー回転子と検光子とを、２枚のファラデー回転機能付き偏光ガラス２、２で構成したものである。各ファラデー回転機能付き偏光ガラス２は、偏光ガラス１の表面に、２２．５°のファラデー回転角が得られるように、磁気光学薄膜（例：Ｂｉ置換型ガーネット膜）１ａをエアロゾルデポジション法により成膜してなるもので、磁気光学薄膜１ａを形成した面を対向させ、且つ、偏光軸を４５゜変位させて配置することで、光アイソレータ用の光学要素３を構成している。この場合、磁気光学薄膜１ａを形成した面同士を、図１（ｂ）のように接着剤（図示略）で貼り合わせ一体化しておいてもよい。

このように光学要素３を構成して、図４の例のように永久磁石と組み合わせることにより、順方向の入射光ＲＡを透過し、逆方向の戻り光ＲＢは透過しない光アイソレータが出来上がる。なお、２枚合わせにするファラデー回転機能付き偏光ガラス２の組み合わせは、合わせた状態で４５°のファラデー回転角が得られるような組み合わせを選択すればよく、必ずしも同じ厚さ（２２．５°のファラデー回転角が得られる膜厚）に磁気光学薄膜１ａを形成したものを組み合わせなくてもよい。

図２はエアロゾルデポジション法により磁気光学薄膜を成膜する成膜装置の一例を示す。
この成膜装置は、被成膜基板（本例では、図１に示す偏光ガラス１）１０１が内部に配置された成膜チャンバ１０５と、成膜チャンバ１０５内に配置された被成膜基板１０１の表面に向けてエアロゾルを噴射する噴射ノズル１０４と、この噴射ノズル１０４にエアロゾルを送るべく、パイプライン１０６および分級器１０７を介して接続されたエアロゾル発生器１０８と、このエアロゾル発生器１０８に搬送ガスを導入するべく、パイプライン１０６およびマスフロー制御器１０９を介して接続された搬送ガス用高圧ガスボンベ１１０と、を有している。

被成膜基板１０１は、成膜チャンバ１０５の上部に設けられた基板ホルダ１０２に保持されており、ＸＹステージ１０３によって基板ホルダ１０２と共にＸＹ方向に移動させられる。図中矢印は基板走査方向を模式的に示している。噴射ノズル１０４は、その被成膜基板１０１の下方位置に上向きに配備されている。１１１は膜厚モニタ、１１２はエアロゾル発生器１０８を振動させるための振動機である。

このような構成において、高圧ボンベ１１０からの搬送ガスは、マスフロー制御器１０９で流量調節されながらエアロゾル発生器１０８に供給される。エアロゾル発生器１０８は、振動を利用して微粒子を搬送ガス中に浮遊させてエアロゾル化する。成膜チャンバ１０５の内部は、真空ポンプ（図示せず）で約５０Ｐａ程度に減圧されており、この圧力とエアロゾル発生器１０８内部の圧力との差圧によって生じるガス流によって、エアロゾル化された原料微粒子は、分級器１０７を介して成膜チャンバ１０５内に導かれ、噴射ノズル１０４を通して被成膜基板１０１の表面に向けて噴射される。ガスによって搬送された原料微粒子は、例えば１ｍｍ以下の微小開口の噴射ノズル１０４を通すことで、数百ｍ／ｓまでに加速されて噴射され、被成膜基板１０１の表面に堆積して薄膜となる。

実施例１では、偏光ガラスの波長１．５５μmでの屈折率１．４７２と、Ｂｉ置換ＹＩＧの屈折率２．２を考慮して、ＳｉＯ_２とＴａ_２Ｏ_５の交互層よりなる反射防止膜を施したＡＲコート付き偏光ガラスを用意し、上記の成膜装置を使用して、その表面にＢｉ置換型ガーネット膜を形成した。使用した偏光ガラスは、「ＨＯＹＡ株式会社製」の近赤外光用偏光ガラス「ＣＵＰＯ１５５０ｎｍ」であり、サイズは１５ｍｍ角で、厚さが０．２ｍｍｔであった。

この偏光ガラスを被成膜基板１０１として、成膜チャンバ１０５内の基板ホルダ１０２に固定した。そして、０．８μm以下の粒径に粉砕したＢｉ置換ＹＩＧ粉末をエアロゾル発生器１０８に入れ、振動機１１２で５００ｒｐｍの振動を与えた。成膜チャンバ１０５内を真空引きして０．５Ｔｏｒｒにし、キャリアガスとしてＮ２ガスを流速５Ｌ／ｍｉｎで流して、エアロゾル発生器１０８のチャンバ内の真空度は５００Ｔｏｒｒとして、成膜チャンバ１０５との圧力差により、Ｂｉ：ＹＩＧ粉末を幅１５ｍｍ、スリット幅５００μｍの噴射ノズル１０４から噴出させて成膜した。ただし、被成膜基板１０１である偏光ガラスと噴射ノズル１０４との距離は５ｍｍとし、基板ホルダ１０２は、ＸＹステージ１０３で１ｍｍ／ｓｅｃの速度で一方向に反復運動させた。

水晶発振式の膜厚モニタ１１１で膜厚を測定しながら成膜して、光アイソレータ用のガーネット膜に必要な回転角４５゜の半分の２２．５°を得るための目標膜厚２５０μｍに対して±１μｍの精度で成膜を終了した。

次に、図１に示すような光アイソレータ用の光学要素３を構成する場合は、まず、前述のように、２５０μｍの膜厚のガーネット膜（磁気光学薄膜１a）をＡＲコート付き偏光ガラス１に形成したファラデー回転機能付き偏光ガラス２を２枚用意する。そして、それら２枚のファラデー回転機能付き２を、両方の偏光ガラス１の偏光方向が４５°交差する関係に位置決めした状態で、ガーネット膜（磁気光学薄膜１a）同士を対向させて配置する。

上記実施例１と同様に作成した２枚のファラデー回転機能付き偏光ガラス２を、実施例１と同様に、偏光ガラス１の偏光方向が４５°に交差するように、ガーネット膜（磁気光学薄膜１ａ）面同士を対向させて配置し、更に接着することで、光アイソレータ用の光学要素３とした。ただし、接着面同士の各２５０μｍの膜厚のガーネット膜表面には、Ｂｉ置換ＹＩＧと光学接着剤（ダイキン製オプトダインＵＶ−３２００）の波長１．５μmでの屈折率１．４９９を考慮して、ＳｉＯ_２とＴａ_２Ｏ_５の交互層で構成した反射防止膜を施した。この反射防止膜上に上記光学接着剤を塗布し、２５０μｍの膜厚のガーネット膜付き偏光ガラス２枚を張り合わせた。

上記実施例１と同様に作成した２枚のファラデー回転機能付き偏光ガラス２を、合わせて回転角４５゜となるように選択して、２枚の偏光ガラスの偏光軸が４５°で交差するように対向配置して、ガーネット膜（磁気光学薄膜１ａ）面同士を接着する。なお、ここで、目標膜厚２５０μｍに対して±１μｍの精度を超えて成膜されたものについては、２枚の組で目標膜厚５００μｍに対し±２μｍの精度となるように選択することもできる。

上記各実施例では、レーザ光の使用波長が１．５５μｍの場合を想定して作製しているが、他の任意の波長を想定して作製しても勿論よい。その場合、屈折率の波長依存性を考慮して、使用波長に応じた反射防止膜を形成することになる。

例えば、可視光の波長領域でＨｅのｄ線（波長５８７ｎｍ）で考慮した場合、実施例１では、偏光ガラスの屈折率（nｄ）＝１．４９とＢｉ置換ＹＩＧの屈折率（nｄ）＝２．３４を考慮して、ＳｉＯ_２とＴａ_２Ｏ_５の交互層よりなる反射防止膜を施した偏光ガラスを用意する。そして、上記の成膜装置を使用して、偏光ガラスの反射防止膜を形成した表面に、Ｂｉ置換型ガーネット膜を形成する。ここで使用する偏光ガラスは前記と同様である。

また、実施例２の場合は、接着剤の屈折率（nｄ）＝１．５１となるので、偏光ガラス表面に形成したＢｉ置換型ガーネット膜面には、それを考慮した反射防止膜を形成した上で、接着剤を介して接合することになる。

なお、上記実施例１では、反射防止膜を、ガーネット膜を成膜する偏光ガラス表面に形成する場合、上記実施例２では、その上で更に、反射防止膜を、接着剤で接合するガーネット膜面に形成する場合について述べたが、偏光ガラスのその他の光の入出端面（ガーネット膜を形成しない面）にも、外界（主に空気）との関係で反射防止膜を形成しておいても良い。

本発明の実施形態のファラデー回転機能付き偏光ガラスを２枚組み合わせて構成した光アイソレータ用の光学要素の構成図で、（ａ）は原理構成を示す斜視図、（ｂ）は断面図である。本発明の実施形態のファラデー回転機能付き偏光ガラスを製造するための成膜装置の概略構成図である。従来の光アイソレータの外観構成を示す斜視図である。従来の光アイソレータの内部構成を示すよう断面図である。従来の光アイソレータの原理構成を示す斜視図である。

符号の説明

１偏光ガラス
１ａＢｉ置換型ガーネット膜（磁気光学薄膜）
２ファラデー回転機能付き偏光ガラス
３光アイソレータ用の光学要素

Claims

偏光ガラスの表面に、所定のファラデー回転角が得られるように磁気光学薄膜を成膜してなることを特徴とするファラデー回転機能付き偏光ガラス。
前記所定のファラデー回転角が２２．５°であることを特徴とする請求項１に記載のファラデー回転機能付き偏光ガラス。
前記偏光ガラスが、形状異方性を有する金属粒子をガラス中に配向して分散させたものであることを特徴とする請求項１または２記載のファラデー回転機能付き偏光ガラス。
前記磁気光学薄膜が、Ｂｉ置換型ガーネット膜であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のファラデー回転機能付き偏光ガラス。
前記磁気光学薄膜が、エアロゾルデポジション法により作製されていること特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のファラデー回転機能付き偏光ガラス。
ファラデー回転角が合わせて４５°となる請求項１〜５のいずれか記載のファラデー回転機能付き偏光ガラス２枚が、前記磁気光学薄膜を形成した面を対向させ、且つ、前記磁気光学薄膜の偏光軸を４５゜変位させて配置されていることを特徴とする光アイソレータ。
前記２枚のファラデー回転機能付き偏光ガラスの磁気光学薄膜を形成した面同士を張り合わせて一体化してなることを特徴とする請求項６記載の光アイソレータ。