JP2007256616A

JP2007256616A - 高出力レーザー用偏波無依存型光アイソレータ

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Publication number: JP2007256616A
Application number: JP2006080799A
Authority: JP
Inventors: Junji Iida; 潤二飯田; Toshiki Kishimoto; 俊樹岸本; Yoichi Onozato; 洋一小野里
Original assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Priority date: 2006-03-23
Filing date: 2006-03-23
Publication date: 2007-10-04
Anticipated expiration: 2026-03-23
Also published as: JP4797733B2

Abstract

【課題】１．１μｍ以下の波長で出力２Ｗ以上の高出力レーザーに対し使用しても、光アイソレーション機能が劣化し難い偏波無依存型光アイソレータを提供する。
【解決手段】光軸上に沿って楔形状をした複屈折結晶４とＢｉ置換型ＲＩＧ膜のファラデー回転子５および複屈折結晶４が配置され、各複屈折結晶の外側光軸上にファイバコリメータ３が配置され、ファラデー回転子の各光学面に対しサファイア単結晶のｃ軸が垂直となるようにｃ面サファイア単結晶5aが貼り合わされた構造を有する高出力レーザー用偏波無依存型光アイソレータであって、上記ファラデー回転子を光軸に対し斜めに配置することにより複屈折結晶を透過しｃ面サファイア単結晶に入射する光の角度がサファイア単結晶のｃ軸に対して１度以上６度以内となるようにしたことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は光通信や加工用に使用される高出力レーザーの戻り光対策に用いられる高出力レーザー用偏波無依存型光アイソレータに係り、特に、光アイソレーション機能が劣化し難い高出力レーザー用偏波無依存型光アイソレータの改良に関するものである。

光通信に利用されている半導体レーザーや、レーザー加工等に利用されている固体レーザー等は、レーザー共振器外部の光学面や加工面で反射された光がレーザー素子に戻ってくるとレーザー発振が不安定になる。発振が不安定になると、光通信の場合には信号ノイズとなり、加工用レーザーの場合はレーザー素子が破壊されてしまうことがある。このため、このような反射戻り光がレーザー素子に戻らないように遮断するため光アイソレータが使用される。

近年、従来のＹＡＧレーザーの代替として注目されているファイバレーザーに関しては偏波無依存型インライン光アイソレータが使用される。また、高出力レーザー用の光アイソレータに用いられるファラデー回転子としては、従来、テルビウム・ガリウム・ガーネット結晶膜（以下、ＴＧＧと称する）やテルビウム・アルミニウム・ガーネット結晶膜（以下、ＴＡＧと称する）が用いられてきた。

しかし、ＴＧＧやＴＡＧは単位長さ当たりのファラデー回転係数が小さく、光アイソレータとして機能させるために４５度の偏光回転角を得るには光路長を長くする必要があるため、長さが６ｃｍ程度にもなる大きな結晶を用いなければならなかった。また、高い光アイソレーションを得るには、結晶に一様で大きな磁場をかける必要があるため、強力で大きな磁石を用いていた。このため、光アイソレータの寸法は大きなものとなっていた。また、光路長が長いためにレーザーのビーム形状が結晶内で歪むことがあり、歪みを補正するための光学系が必要となる場合もあった。更に、ＴＧＧは高価でもあるため、小型で安価なファラデー回転子が望まれていた。

一方、光通信分野で専ら用いられているビスマス置換型希土類鉄ガーネット結晶膜（以下、ＲＩＧと称する）をこのタイプのアイソレータに使用することで、大きさを大幅に小型化することが可能である。しかしながら、ＲＩＧは使用する光の波長が、加工用レーザーに用いられる１.１μｍ付近まで短くなると鉄イオンによる光吸収が大きくなり、この光吸収による温度上昇により性能劣化を起こすことが知られている。

そこで、ＲＩＧの温度上昇の問題を改善する方法が提案されている。特許文献１、２に記載された方法は、通常は研磨により除去してしまうＲＩＧ育成用の基板であるガドリニウム・ガリウム・ガーネット基板（以下、ＧＧＧ基板と称する）を残したままにしておき、ＲＩＧで発生した熱を放出し易くしたものである。また、以前から放熱基板として使用されているサファイア等の高熱伝導率基板を用いる方法（特許文献３）も提案されている。
特開２０００−６６１６０号公報特開平７−２８１１２９号公報特開２００５−４３８５３号公報

しかし、特許文献１に記載された方法を用いても波長１．１μｍ以下で出力１Ｗを越すレーザーが入射すると温度上昇が著しくなるため、ファラデー回転子としての性能すなわち回転角度の大幅な減少や入力損失の増大、ＧＧＧ基板とＲＩＧ膜との熱膨張の違いによる歪により生じた複屈折性による消光比劣化等の問題があった。また、特許文献１に記載された方法においては、ファラデー回転角が正確に４５度になるように厚みを制御して研磨をしないと、アイソレータを組んだ場合にＧＧＧとＲＩＧ境界からの反射を入射側にある偏光子で完全に除くことができず、消光比の劣化を引き起こす。このため、歩留まりよく高い消光比を得ることが困難等の問題があった。

特許文献２においては、ＧＧＧやガラスをＲＩＧ基板の片側あるいは両側に配置する方法を提案しているが、どの方法を用いてもやはり１Ｗを越すレーザーに対してはファラデー回転子の性能劣化を引き起こしてしまう。

他方、特許文献３に記載された方法は、高出力レーザーに対しても性能劣化は限定的であった。しかし、放熱基板であるサファイアが複屈折性を有すため、楔形状をした複屈折結晶が用いられている偏波無依存型光アイソレータに通常のアイソレータと同様の条件で組み込んだ場合には消光比の劣化を引き起こし要求仕様を満足しない問題を有していた。

本発明はこのような問題点に着目してなされたもので、その課題とするところは、上述した問題を引き起こすことなく１．１μｍ以下の波長で出力２Ｗ以上の高出力レーザーに対し使用しても、光アイソレーション機能が劣化し難い偏波無依存型光アイソレータを提供することにある。

このような課題を解決するため、本発明者等は、ファラデー回転子の各光学面に対してｃ面サファイア単結晶をそのｃ軸が垂直となるように貼り合わした構造のファラデー回転子を用意し、このファラデー回転子を用いて通常の偏波無依存型光アイソレータを作成した。

すなわち、この偏波無依存型光アイソレータは、図６に示すように楔形状をした複屈折結晶（ルチル）４とＢｉ置換型ＲＩＧ膜を用いたファラデー回転子５および楔形状をした複屈折結晶（ルチル）４が光軸上に沿って順に配置され、かつ、ファラデー回転子５を中央にして各複屈折結晶４の外側光軸上にファイバコリメータ３がそれぞれ配置されていると共に、ファラデー回転子５の光が通る各光学面に対してサファイア単結晶のｃ軸が垂直となるようにｃ面サファイア単結晶５ａがそれぞれ貼り合わされた構造を有するものである。尚、図６中１は波長１０６４ｎｍの光源（半導体レーザー）、２はファイバ、６１はパワーメータを示す。

そして、この偏波無依存型光アイソレータを評価したところ、アイソレーションが１５ｄＢから２５ｄＢの間に分布し、通常のファイバレーザーに使用するために必要なアイソレーションである２５ｄＢ以上を得ることが難しいことが確認された。

この原因を調べたところ、楔形状をした複屈折結晶により常光と異常光に分離したファイバコリメータからの直線偏光が、ｃ面サファイア単結晶の複屈折により楕円偏光になってしまい、消光比が劣化していることが確認された。

そこで、ｃ面サファイア単結晶を貼り合せたファラデー回転子（以下複合膜５０と呼ぶ）について、図７に示すようにその中心軸１００を回転中心にして回転させ、光軸に対し上記ファラデー回転子を順次斜め配置しながらその入射角度θと消光比の関係を測定した。この結果を図８のグラフ図に示す。そして、図８のグラフ図から、入射角度を６度以内にしないと、ｃ面サファイア単結晶に入射する直線偏光はサファイアの複屈折により楕円偏光になり、消光比が２５ｄＢを下回ってしまうことが分かった。尚、図７中７は円筒磁石、４１は偏光子、４２は検光子、６３は検出器を示す。

他方、ｃ面サファイア単結晶に対し常光と異常光とも入射角度がほぼ０度になるように角度を調整して図９に示すような偏波無依存型光アイソレータを作成し評価したところ、ｃ面サファイア単結晶の端面には無反射コートを施しているにも拘らず反射戻り光がわずかに存在し、リターンロスが２５ｄＢ程度になることが分かった。そこで、常光と異常光とも入射角度が１度以上になるように調整したところ、リターンロスは２５ｄＢを超えるようになり所望の特性を得られるようになった。尚、図９中６２は３ｄＢカプラ、７０はパワーメータを示す。

このような確認試験から、楔形状をした複屈折結晶を透過しファラデー回転子のｃ面サファイア単結晶に入射する光の角度を、サファイア単結晶のｃ軸に対して１度以上６度以内に設定することにより、光アイソレーション機能が劣化し難い偏波無依存型光アイソレータを提供できることを発見するに至った。本発明はこのような技術的検討を経て完成されている。

すなわち、請求項１に係る発明は、
光軸上に沿って楔形状をした複屈折結晶とＢｉ置換型ＲＩＧ膜を用いたファラデー回転子および楔形状をした複屈折結晶が順に配置され、かつ、ファラデー回転子を中央にして各複屈折結晶の外側光軸上にファイバコリメータがそれぞれ配置されていると共に、ファラデー回転子の光が通る各光学面に対してサファイア単結晶のｃ軸が垂直となるようにｃ面サファイア単結晶がそれぞれ貼り合わされた構造を有する高出力レーザー用偏波無依存型光アイソレータを前提とし、
楔形状をした複屈折結晶を透過し上記ファラデー回転子のｃ面サファイア単結晶に入射する光の角度が、サファイア単結晶のｃ軸に対して１度以上６度以内に設定されていることを特徴とする。

また、請求項２に係る発明は、
請求項１に記載の発明に係る高出力レーザー用偏波無依存型光アイソレータを前提とし、
ｃ面サファイア単結晶が貼り合わされた上記ファラデー回転子を光軸に対し斜めに配置することにより、上記複屈折結晶を透過しｃ面サファイア単結晶に入射する光の角度がサファイア単結晶のｃ軸に対して１度以上６度以内となるようにしたことを特徴とし、
請求項３に係る発明は、
上記ファイバコリメータを斜めに配置することにより光軸に対しファイバコリメータからのコリメータ光を傾け、上記複屈折結晶を透過しｃ面サファイア単結晶に入射する光の角度がサファイア単結晶のｃ軸に対して１度以上６度以内となるようにしたことを特徴とする。

次に、請求項４に係る発明は、
請求項１に記載の発明に係る高出力レーザー用偏波無依存型光アイソレータを前提とし、
上記楔形状をした複屈折結晶をルチルで構成しかつ複屈折結晶の楔の角度を０．６５度から３．５度の範囲に設定することにより、上記複屈折結晶を透過しｃ面サファイア単結晶に入射する光の角度がサファイア単結晶のｃ軸に対して１度以上６度以内となるようにしたことを特徴とし、
請求項５に係る発明は、
上記楔形状をした複屈折結晶をＹＶＯ₄で構成しかつ複屈折結晶の楔の角度を１．１度から５．２度の範囲に設定することにより、上記複屈折結晶を透過しｃ面サファイア単結晶に入射する光の角度がサファイア単結晶のｃ軸に対して１度以上６度以内となるようにしたことを特徴とし、
請求項６に係る発明は、
上記楔形状をした複屈折結晶を方解石で構成しかつ複屈折結晶の楔の角度を１．６度から９．３度の範囲に設定することにより、上記複屈折結晶を透過しｃ面サファイア単結晶に入射する光の角度がサファイア単結晶のｃ軸に対して１度以上６度以内となるようにしたことを特徴とする。

請求項１〜６に記載の発明に係る高出力レーザー用偏波無依存型光アイソレータによれば、楔形状をした複屈折結晶を透過しファラデー回転子のｃ面サファイア単結晶に入射する光の角度が、サファイア単結晶のｃ軸に対して１度以上６度以内に設定されているため、１．１μｍ以下の波長で出力２Ｗ以上の高出力レーザーに対し使用しても高いアイソレーション効果を維持することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

まず、本発明に用いられるファラデー回転子は、上述したように回転角が４５度であるビスマス置換型ＲＩＧ膜を、熱伝導率の高い透明な放熱用基板であるｃ面サファイア単結晶ではさみ、出来上がった複合膜をダイシングソー等により所望の大きさのチップに切断したものである。このチップの少なくても一方の端面については、レーザー入射径から１．５倍以上の部分の四隅を高熱伝導率のヒートシンクに熱的に接触させるものである。

上記ｃ面サファイア単結晶についてはその厚みが０．５ｍｍのものを用いた。また、ｃ面サファイア単結晶の空気と接する面側には予め反射防止膜を施しておき、接着剤と接する面側にもやはり反射防止膜を施す。

そして、波長域７５０ｎｍから１１００ｎｍで吸収係数が０．１ｃｍ^−１以下のエポキシ樹脂を用いて、ビスマス置換型ＲＩＧ膜の光学面に上記ｃ面サファイア単結晶を貼り合わせる。尚、ｃ面サファイア単結晶、ビスマス置換型ＲＩＧ膜、ｃ面サファイア単結晶をエポキシ樹脂で同時に貼り合わせる際、上側から圧することにより接着剤の厚みが１０μｍよりも大きくならないようにする。また、ｃ面サファイア単結晶が平行平面の場合には、ビスマス置換型ＲＩＧ膜に接着させた後、ダイシングソーで必要な大きさに切断する。

このようにして作製された複合膜（ｃ面サファイア単結晶を各光学面に貼り合わせたビスマス置換型ＲＩＧ膜）を、図２および図３に示すようにファイバコリメータ３と楔の角度が５度に設定された複屈折結晶（ルチル）４の間に配置し、かつ、図２に示すように光軸に対して上記複合膜（すなわちｃ面サファイア単結晶５ａが貼り合わされたファラデー回転子５）を３度以上６．５度以内で複屈折結晶（ルチル）４からでてきた光のｃ面サファイア単結晶５ａへの入射角度が減る方向に傾け、あるいは、図３に示すように光軸に対して上記ファイバコリメータ３を３度以上６．５度以内で複屈折結晶（ルチル）４からでてきた光のｃ面サファイア単結晶５ａへの入射角度が減る方向に傾けて、本発明に係る高出力レーザー用偏波無依存型光アイソレータが得られる。。

次に、光軸に対し複合膜（ｃ面サファイア単結晶５ａが貼り合わされたファラデー回転子５）若しくはファイバコリメータ３を斜めに配置する上記方法に代えて、楔形状をした複屈折結晶の楔の角度を所定の範囲に調整する方法によっても２５ｄＢ程度のアイソレーションを得ることは可能である。すなわち、図４に示すようにファラデー回転子５とｃ面サファイア単結晶５ａとで構成される複合膜若しくはファイバコリメータ３を光軸に対し斜めに配置せず、かつ、複屈折結晶４の楔の角度を所定の範囲に調整することにより、上記複屈折結晶４を透過しファラデー回転子５のｃ面サファイア単結晶５ａに入射する光の角度が、サファイア単結晶５ａのｃ軸に対して１度以上６度以内に設定された高出力レーザー用偏波無依存型光アイソレータを得ることができる。

尚、上記複屈折結晶としては、ルチル、ＹＶＯ₄、および、方解石等を例示できるが、これ等材料で楔形状をした複屈折結晶を構成した場合、その楔の角度は以下の表１に示すような角度となる。

従って、複屈折結晶をルチルで構成した場合には、楔の角度を０．６５度から３．５度の範囲に設定することにより、ｃ面サファイア単結晶に入射する光の角度をサファイア単結晶のｃ軸に対して１度以上６度以内に設定できる。また、上記複屈折結晶をＹＶＯ₄で構成した場合には、楔の角度を１．１度から５．２度の範囲に、また、複屈折結晶を方解石で構成した場合には、楔の角度を１．６度から９．３度の範囲に設定することにより、上記ｃ面サファイア単結晶に入射する光の角度をサファイア単結晶のｃ軸に対して１度以上６度以内に設定することが可能となる。

以下、本発明の実施例について説明する。

この偏波無依存型光アイソレータは、図１に示すように楔形状をした複屈折結晶（ルチル）４とＢｉ置換型ＲＩＧ膜を用いたファラデー回転子５および楔形状をした複屈折結晶（ルチル）４が光軸上に沿って順に配置され、かつ、ファラデー回転子５を中央にして各複屈折結晶４の外側光軸上にファイバコリメータ（コリメータレンズ）３がそれぞれ配置されていると共に、ファラデー回転子５の光が通る各光学面に対してサファイア単結晶のｃ軸が垂直となるようにｃ面サファイア単結晶５ａがそれぞれ貼り合わされた構造を有している。また、ファラデー回転子５とｃ面サファイア単結晶５ａとで構成される複合膜５０は、図１に示すように真鍮製のヒートシンク１５で覆われ、かつ、ホルダーにより一体的に保持されている。尚、図１中１は波長１０６４ｎｍの光源（半導体レーザー）、２はファイバ、７は磁石、８０はパワーメータを示す。また、上記波長１０６４ｎｍでファラデー回転子５の厚みは１４０μｍであり、挿入損失は０．６ｄＢ程度である。

まず、上記ファラデー回転子５は所望の厚みに両面を平面研磨し、かつ、両面に対接着剤用の反射防止膜を施した。このファラデー回転子５の両面に対し、片面を対接着剤用の反射防止膜を施しかつ反対面を対空気用の反射防止膜を施した厚さ５００μｍのＣ面サファイア単結晶５ａ基板を、波長１０６４ｎｍでの吸収係数が小さいエポキシ接着剤を介して貼り合わせた。このようにして得られた複合膜５０を２．０ｍｍ角になるようにダイシングソーで切断した。

この複合膜５０を上記真鍮製のヒートシンク１５で覆い、かつ、光軸に対してヒートシンク１５ごと４度傾けると共に、楔の角度が５度に設定された複屈折結晶（ルチル）４の間に入れた。

そして、上記ファイバコリメータ（コリメータレンズ）３間に、図１に示すように複屈折結晶（ルチル）４、複合膜５０、磁石７等から成る光学部品を挿入しかつ調整して実施例１に係る偏波無依存型光アイソレータを構成したところ、入力損失１．５ｄＢ、アイソレーション３２ｄＢが得られ、これ等特性は２Ｗのレーザーに対しても殆ど変わらなかった。

本発明に係る偏波無依存型光アイソレータは、１．１μｍ以下の波長で出力２Ｗ以上の高出力レーザーに対し使用しても高いアイソレーション効果を維持するため、光通信やレーザー加工等における高出力レーザー用の光アイソレータとして広範に利用される可能性を有している。

本発明の実施例に係る高出力レーザー用偏波無依存型光アイソレータの構成説明図。本発明の実施の形態に係る高出力レーザー用偏波無依存型光アイソレータの構成説明図。本発明の他の実施の形態に係る高出力レーザー用偏波無依存型光アイソレータの構成説明図。本発明の他の実施の形態に係る高出力レーザー用偏波無依存型光アイソレータの構成説明図。高出力レーザー用偏波無依存型光アイソレータにおける構成部品としての楔形状をした複屈折結晶の説明図。従来例に係る偏波無依存型光アイソレータの構成説明図。偏波無依存型光アイソレータにおける複合膜のＣ面サファイア単結晶への入射角度と消光比との関係を測定する方法を示す説明図。Ｃ面サファイア単結晶への入射角度と消光比との関係を示すグラフ図。上記ｃ面サファイア単結晶端面からの反射戻り光に起因するリターンロスを測定する方法を示す説明図。

符号の説明

２ファイバ
３ファイバコリメータ
４楔形状をした複屈折結晶
５ファラデー回転子
５ａｃ面サファイア単結晶

Claims

光軸上に沿って楔形状をした複屈折結晶とＢｉ置換型ＲＩＧ膜を用いたファラデー回転子および楔形状をした複屈折結晶が順に配置され、かつ、ファラデー回転子を中央にして各複屈折結晶の外側光軸上にファイバコリメータがそれぞれ配置されていると共に、ファラデー回転子の光が通る各光学面に対してサファイア単結晶のｃ軸が垂直となるようにｃ面サファイア単結晶がそれぞれ貼り合わされた構造を有する高出力レーザー用偏波無依存型光アイソレータにおいて、
楔形状をした複屈折結晶を透過し上記ファラデー回転子のｃ面サファイア単結晶に入射する光の角度が、サファイア単結晶のｃ軸に対して１度以上６度以内に設定されていることを特徴とする高出力レーザー用偏波無依存型光アイソレータ。
ｃ面サファイア単結晶が貼り合わされた上記ファラデー回転子を光軸に対し斜めに配置することにより、上記複屈折結晶を透過しｃ面サファイア単結晶に入射する光の角度がサファイア単結晶のｃ軸に対して１度以上６度以内となるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の高出力レーザー用偏波無依存型光アイソレータ。
上記ファイバコリメータを斜めに配置することにより光軸に対しファイバコリメータからのコリメータ光を傾け、上記複屈折結晶を透過しｃ面サファイア単結晶に入射する光の角度がサファイア単結晶のｃ軸に対して１度以上６度以内となるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の高出力レーザー用偏波無依存型光アイソレータ。
上記楔形状をした複屈折結晶をルチルで構成しかつ複屈折結晶の楔の角度を０．６５度から３．５度の範囲に設定することにより、上記複屈折結晶を透過しｃ面サファイア単結晶に入射する光の角度がサファイア単結晶のｃ軸に対して１度以上６度以内となるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の高出力レーザー用偏波無依存型光アイソレータ。
上記楔形状をした複屈折結晶をＹＶＯ₄で構成しかつ複屈折結晶の楔の角度を１．１度から５．２度の範囲に設定することにより、上記複屈折結晶を透過しｃ面サファイア単結晶に入射する光の角度がサファイア単結晶のｃ軸に対して１度以上６度以内となるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の高出力レーザー用偏波無依存型光アイソレータ。
上記楔形状をした複屈折結晶を方解石で構成しかつ複屈折結晶の楔の角度を１．６度から９．３度の範囲に設定することにより、上記複屈折結晶を透過しｃ面サファイア単結晶に入射する光の角度がサファイア単結晶のｃ軸に対して１度以上６度以内となるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の高出力レーザー用偏波無依存型光アイソレータ。