JP2009134131A - 偏光子と製造方法並びに光アイソレータ - Google Patents

Abstract

【課題】金属粒子の偏光軸のばらつきを簡単に抑制した偏光子とその製造方法の提供、並びにその偏光子を組み込むことでアライメント工程の簡略化とコントラスト比の改善が可能な光アイソレータの提供。
【解決手段】細長い金属粒子を含み前記金属粒子が偏光軸の傾きを示す偏光ガラス母材を用意し、前記偏光ガラス母材を切断して複数個の偏光子チップ母材を切り出し、更に前記偏光子チップ母材から多数個の偏光子を切り出す際に、個々の前記偏光子チップ母材の非光透過面である側面を、前記偏光ガラス母材の前記偏光軸の傾き方向に沿って切り出しを行って多数個の偏光子を製造する。更に、ファラデー回転子の光入出射面にそれぞれ前記偏光子を配置することで光アイソレータを構成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、偏光子と、その偏光子の製造方法、及びその偏光子を含む光アイソレータに関する。

偏光効果は、ハロゲン化銀、ハロゲン化銅又はハロゲン化銅カドミウムの結晶等のハロゲン化金属結晶を含有するガラスで得ることが出来る。これらのハロゲン化金属結晶は、限定するものではないが適量の銀，銅，銅カドミウムと云った金属及びハロゲン化物を含有する組成を有するホウケイ酸ガラス等のガラス内に、公知の工程に従って析出させることが出来る。

これらのハロゲン化金属結晶を含有するガラスを延伸し、次いで、延伸されたガラスの表面を還元雰囲気に晒すことによって、そのようなガラスに偏光効果が生じる。ガラスを延伸することによって、前記ガラス内に細長いハロゲン化金属結晶を配向させるために、一般に前記ガラスのアニール点より高い温度で前記延伸工程は行われる。延伸されたガラスは次いで、約250〜300度より高いが、アニール点より約25〜50度より高くはない温度において還元雰囲気に晒される。これにより、ハロゲン化金属結晶の少なくとも一部が元素金属、例えば銀又は銅に還元された表面層が発現する。偏光ガラスを製造するための工程の例は、特許文献１乃至３の何れかに詳細に説明されている。

米国特許第４３０４５８４号 米国特許第４４７９８１９号 特公平０２−４０６１９号

上述したタイプの偏光ガラスは、限定するものではないが、光通信システム、光記録装置、光センサ及び光干渉計等の装置に用いられる偏光子を作製するために用いられる。光通信システムに用いられる光アイソレータは、一般に、ホルダ内で光軸上に配置された、第１の偏光子、ファラデー回転子、及び第２の偏光子によって構成される。

光アイソレータの機能の１つは、半導体レーザ等の光源を有する光通信システムにおいて順方向に伝搬する光を透過し、光源に向かって伝搬する逆方向伝搬光を阻止することである。光アイソレータは通常、反射による逆方向伝搬光を防止するために、順方向伝搬光の光路上に配置される。例えば、光ファイバシステムでは、半導体レーザのような光源から出射される光が、システム内の、相接している材料間の屈折率の変化又は光ファイバのアライメントずれの箇所に入射されると、光学部品の部品表面によって反射が発生する。反射が発生すると、その結果システム性能の低下や光源に反射戻り光が入射されて光源に悪影響を及ぼすこともある。

しかしながら前記偏光ガラスの内部では、還元された細長い金属粒子の偏光軸が一様に配向されていないことが発見された。言い換えると、金属粒子の偏光軸の角度は偏光ガラスの表面を横切る直線距離即ち位置の関数として若干変化して傾くことが発見された。従来技術に依れば、偏光ガラスの一種であるPolacor（商標）の８mm×８mmの正方形シートの面内で測定された偏光軸の傾き角度は約0.35度と大きく、これは0.043度/mmの偏光軸の傾きを示すものである。

そこで、金属粒子の偏光軸の傾きを抑制した偏光ガラスとその製造方法が考案されている（特許文献４、特許文献５参照）。

米国特許第７１１０１７９号 特表２００６−５１１８３４号

特許文献３又は特許文献４の発明に依れば、0.0375度/mm以下の偏光軸の傾き角度を示す偏光ガラスを製造することが出来る。更に特許文献３又は特許文献４の実施形態に依れば、８mm×８mm，11mm×11mm，15mm×15mm及び30mm×30mmの偏光ガラスシート寸法に対して約0.030度/mmの偏光軸の傾き角度を示す、改善された偏光ガラスシートを製造することが出来るとしている。

特許文献３又は特許文献４に依れば、金属粒子の偏光軸のばらつきを最小限に抑えるために、偏光ガラスの延伸中にガラスの面内の温度プロファイル、及び／又は、応力等の製造パラメータを変更している。偏光軸のばらつきは、偏光ガラス内の金属粒子の長軸が、ガラス製造中の非一様な応力及び／又は温度により偏光ガラスの面内で平行でなくなると考えられている。

図４は偏光ガラスを製造するための一般的な製造装置100を示す。製造装置100は、延伸炉によって加熱ゾーン101を有する。ハロゲン化金属結晶を含有するガラスプリフォーム102が加熱ゾーン101を通過され、引張ローラー103による張力の下で延伸されて、延伸されたガラスシート104が形成される。加熱ゾーン101の温度を調節したり、延伸中にガラスに印加される応力即ち張力を、応力の方向に概ね垂直な方向に即ちシートの幅に亘って、更に一様に近くなり得るように調節することにより、偏光軸のばらつきを最小限に抑えることが出来る。

偏光軸のばらつきが許容値まで小さくなるまで、この一連の工程が反復される。ある好ましい実施形態において、延伸中にガラスにかかる応力がガラスの延伸方向に概ね垂直な方向で一様であるように、応力即ち張力を調節する。

偏光ガラスにおける偏光軸のばらつきは、そのような偏光ガラスから製造される偏光子を組み込んでいる光アイソレータのコントラスト比に影響を及ぼすと考えられる。しかしながら以上のような改良された偏光子を搭載することにより、約40dBより高いアイソレーション即ちコントラスト比を示す、受動的にアライメントが取られた光アイソレータが提供される。

しかし、特許文献３又は特許文献４の技術内容では、偏光軸のばらつきを抑えた偏光子を得るためには、偏光ガラスの延伸中にガラスの面内の温度プロファイル、及び／又は、応力等の製造パラメータを変える等と云った複雑な工程の改良が必要であり、その分製造工程やコストが掛かっていた。

本発明は上記課題に基づいて為されたものであり、その目的は、金属粒子の偏光軸のばらつきを従来技術に比べてより簡単に抑制した偏光子とその製造方法の提供、並びにその偏光子を組み込むことでアライメント工程の簡略化とコントラスト比の改善が可能な光アイソレータを提供することである。

本発明の請求項１に記載の発明は、細長い金属粒子を含み、前記金属粒子が偏光軸の傾きを示す偏光ガラス母材を用意し、
前記偏光ガラス母材を切断して複数個の偏光子チップ母材を切り出し、更に前記偏光子チップ母材から多数個の偏光子を切り出す際に、
個々の前記偏光子チップ母材の非光透過面である側面を、前記偏光ガラス母材の前記偏光軸の傾き方向に沿って切り出しを行うことを特徴とする偏光子の製造方法である。

又、本発明の請求項２に記載の発明は、細長い金属粒子を含み、前記金属粒子が偏光軸の傾きを示す偏光ガラス母材を切断して複数個の偏光子チップ母材を切り出し、更に前記偏光子チップ母材から多数個の偏光子を切り出す際に、
個々の前記偏光子チップ母材の非光透過面である側面を、前記偏光ガラス母材の前記偏光軸の傾き方向に沿って切り出しが行われることを特徴とする請求項１記載の製造方法により製造された偏光子である。

又、本発明の請求項３に記載の発明は、ファラデー回転子の光入出射面にそれぞれ請求項２に記載の偏光子を配置することで構成され、
前記光アイソレータのコントラスト比が45dB以上であることを特徴とする光アイソレータである。

本発明は偏光ガラス母材から個々の偏光子チップ母材を切り出す際に、偏光ガラス母材の偏光軸の傾き方向に沿って切り出しを行う。その偏光子チップ母材から偏光子を切り出すことによって、切り出し工程の改良だけで個々の偏光子の偏光軸の傾きを抑制することが出来る。従って、従来の技術に比べて偏光軸の傾きをより簡単に抑制することが可能となる。

また、本発明に係る偏光子を備えて構成される光アイソレータは、受動的にアライメントが取ることが可能となるため、アライメントの工程を簡略化することが出来ると共に、光アイソレータのコントラスト比を45dB以上とすることが可能となる。

以下、本発明に係る偏光子とその製造方法、及び光アイソレータを、図１〜図３を参照しながら説明する。偏光ガラス母材は、先願で公知の工程に従って製造される。前記公知の工程は大きく分けて、バッチ溶融，銀凝集，延伸，還元の４つの工程で構成される。

まず、塩化物，臭化物およびヨウ化物から成る群より選択される１つ以上のハロゲン化物と銀とを含むガラスのバッチを溶融する。次に、前記溶融体を冷却し、所望の形状のガラス品へと成形する。

更に、少なくとも前記ガラス品の歪点より高くかつ前記ガラス品の軟化点より上に75度を越えない温度で、AgCl，AgBr及びAgIから成る群より選択される約200〜5000Åの範囲の大きさを有するハロゲン化銀結晶粒子を前記ガラス品の中に生じさせるのに十分な時間、前記ガラス品を加熱処理する。

ガラス品の歪点未満の温度では、ガラス品の粘度が高くなり過ぎるためにハロゲン化銀結晶粒子の成長が起きない。従って、歪点より高い結晶温度が好ましく、ガラス品の軟化点より上に75度までの温度と設定する。加熱処理中に生じるハロゲン化銀結晶粒子の直径は、ガラス品の重大な曇りの発生を防止するため、約5000Å以下とする必要がある。

次に、前記ガラス品のアニール点より高く且つ前記ガラス品が約10⁸ポアズの粘度を示す温度より低い温度で、応力下において、前記ハロゲン化銀結晶粒子が少なくとも5:1のアスペクト比まで延伸されるように前記ガラス品を延伸する。

延伸工程は、前記ガラス品のアニール点より高く且つ前記ガラス品の軟化点より低い温度で行う。このようにして、ガラスが約10⁸ポアズの粘度を示す温度が最高温度となるように調整される。通常、延伸工程は、大きい応力の発生を可能にし、且つ、ハロゲン化銀結晶粒子の再球状化を阻止するように、ガラス品の軟化点より75度以上低い温度で行う。

更に、約250度より高い温度であり且つガラス品のアニール点より上に約25度を越えない温度において、前記延伸されたハロゲン化銀結晶粒子の少なくとも一部が、それら延伸された粒子中、及び／又は、それらの粒子上に沈積した2:1より大きいアスペクト比を有する銀元素粒子に還元されるように、なおかつ、10μｍ以上の厚さを有する還元表面層を前記ガラス品の表面上に形成するのに十分な時間、大気圧下で前記延伸されたガラス品を還元雰囲気に晒す。

大気条件下における還元雰囲気中での延伸された前記ガラス品の還元は、ハロゲン化銀結晶粒子の再球状化の傾向を防止するため、250度より高くガラス品のアニール点より上に25度以下の温度、好ましくはアニール点より若干低い温度で行われる。ハロゲン化銀結晶粒子が銀元素粒子に還元された際に、それらの銀元素粒子が2:1より大きいアスペクト比を示すように延伸中にハロゲン化銀結晶粒子のアスペクト比を少なくとも5:1とし、それによって後の還元工程中に重大な破損が起こらないようにしながら輻射線スペクトルの赤外線領域の少なくとも端付近に長波長ピークを有するようにするため、最初の加熱処理中に生じたハロゲン化銀結晶は約200Å以上の直径を有する必要がある。

前記還元条件よりも高い温度、及び、より長い還元時間を用いると、延伸された粒子が収縮、及び／又は、分裂してハロゲン化銀結晶粒子の再球状化を引き起こす。このような再球状化は、偏光子のコントラストの低下及び／又はピーク吸収バンドの狭窄化又はピーク吸収バンドの短い波長方向へのシフトを招く。

以上のような工程によって、輻射線スペクトルの赤外線領域において偏光特性を示すガラス品から構成される偏光子が製造される。

延伸工程においてガラス品を引き延ばすことにより、ガラス品内部に凝集されているハロゲン化金属結晶が引き延ばされて配向される。しかしながら図１に示されるように延伸工程後に得られるシート状の偏光ガラス母材１内部のハロゲン化金属結晶の配向方向は一様にはならず、ハロゲン化金属結晶の偏光軸1aの角度は偏光ガラス母材１の表面を横切る直線距離即ち位置の関数として若干傾きながら変化する。このまま還元されると、偏光軸1aの角度変化が見られる、即ち一様に配向されていない細長い金属粒子を有する偏光ガラス母材となってしまう。上記従来の製造工程によって製造された偏光ガラス母材の金属粒子の偏光軸1aの傾きは、約0.04〜0.07度/mmを示す。

偏光軸1aのばらつきは、偏光ガラス母材１内部の金属粒子の長軸が、ある程度はガラス品製造中の非一様な応力及び／又は温度によりガラス品の面内で平行ではないという事実によると考えられる。

このような大型のシート状の偏光ガラス母材１を製造、用意した後に、続いて図２(a)に示すように、5ｍｍ×5ｍｍ以上の正方の複数個の偏光子チップ母材５を偏光ガラス母材１からダイシング等で切り出し、更に図２(b)のように、個々の偏光子チップ母材５から小さな、一般には0.5ｍｍ×0.5ｍｍ正方〜1.35ｍｍ×1.35ｍｍ正方のチップ状の多数個の偏光子２を偏光チップ５からダイシング等で切り出す。図２(a)及び図２(b)中の一点鎖線1bは切断線を示す。偏光子チップ母材５を切り出す際のダイシングは、基準とする偏光軸1aを定め、その偏光軸1aと、個々の前記偏光子チップ母材５の非光透過面である側面とが平行になるように行われる。従って、個々の偏光子チップ母材５の前記側面が、偏光ガラス母材１の基準とする偏光軸1aの傾き方向と沿うように切り出される。なお、個々の偏光子チップ母材５の切り出しは、還元後に行う。

以上のように、本発明は偏光ガラス母材１から個々の偏光子２を切り出す際に、偏光ガラス母材１の偏光軸1aの傾き方向と、偏光子チップ母材５の非光透過面である側面とを沿わせて偏光子チップ母材５を切り出し、更に、その偏光子チップ母材５を切断することで個々の偏光子２を製造する。従って、偏光子チップ母材５を切り出した時点で、偏光子チップ母材５中の偏光軸1aの傾きを抑制することが可能となるため、切り出し工程の改良だけで個々の偏光子２の偏光軸1aの傾きを抑制することが出来る。従って、従来の技術のように、偏光ガラス１の延伸中にガラスの面内の温度プロファイル、及び／又は、応力等の製造パラメータを変える等と云った複雑な工程の改良を経ることなく、偏光軸1aの傾きを簡単に抑制することが可能となる。

図３に本発明に係る偏光子２，２から構成される代表的な偏光依存性光アイソレータ４を示す。光透過軸の方向に関して45度の差を有するように２つの偏光子２，２を、ファラデー回転子３を挟み込むように配置して、光アイソレータ４を構成する。つまり、ファラデー回転子３の光入出射面にそれぞれ偏光子２，２が配置されることで光アイソレータ４が構成される。ファラデー回転子３は45度の回転角を有する。

偏光子２，２における偏光軸1aの傾きは、そのような偏光子２，２を組み込んでいる光アイソレータ４のコントラスト比に影響を及ぼす。偏光軸1aの傾きは、偏光子２のアライメントを動的にとることによって補償できるが、動的アライメントには時間がかかり、高価な装置が必要となり、光アイソレータ４の製造コストを増加させてしまう。

しかしながら、本発明に係る偏光子２，２は、前記の通り偏光子チップ母材５を偏光軸1aの傾き方向に沿って切り出すので、個々の偏光子２，２における偏光軸1aの傾きは抑制される。以上のような構成により受動的にアライメントが取られた光アイソレータ４を提供することが可能となるため、アライメントの工程を簡略化することが出来る。又、光アイソレータ４のコントラスト比を45dB以上とすることが可能となる。

本発明に係る偏光子並びに光アイソレータは、光通信装置、光記録装置、光センサ、光ファイバ増幅器及び光干渉計等の光学装置に用いられる。

ハロゲン化金属結晶又は金属粒子が偏光軸の傾きを示す偏光ガラス母材を概念的に示す平面図。 (a) 図１の偏光ガラス母材から複数個の偏光子チップ母材を切り出す状態を概念 的に示す平面図。 (b) 偏光子ガラス母材から切り出された偏光子チップ母材から、多数個の偏光子を切り出す状態を概念的に示す平面図。 (c) 偏光チップ母材から切り出された個々の偏光子と偏光軸の方向を概念的に示す平面図。 本発明に係る偏光子を備えて構成される光アイソレータを示す概念図。 偏光ガラス品の製造方法の概略図。

符号の説明

１ 偏光ガラス母材
1a 偏光軸
1b 切断線
２ 偏光子
３ ファラデー回転子
４ 光アイソレータ
５ 偏光子チップ母材

Claims (3)

1. 細長い金属粒子を含み、前記金属粒子が偏光軸の傾きを示す偏光ガラス母材を用意し、 前記偏光ガラス母材を切断して複数個の偏光子チップ母材を切り出し、更に前記偏光子チップ母材から多数個の偏光子を切り出す際に、
   個々の前記偏光子チップ母材の非光透過面である側面を、前記偏光ガラス母材の前記偏光軸の傾き方向に沿って切り出しを行うことを特徴とする偏光子の製造方法。
2. 細長い金属粒子を含み、前記金属粒子が偏光軸の傾きを示す偏光ガラス母材を切断して複数個の偏光子チップ母材を切り出し、更に前記偏光子チップ母材から多数個の偏光子を切り出す際に、
   個々の前記偏光子チップ母材の非光透過面である側面を、前記偏光ガラス母材の前記偏光軸の傾き方向に沿って切り出しが行われることを特徴とする請求項１記載の製造方法により製造された偏光子。
3. 光アイソレータは、ファラデー回転子の光入出射面にそれぞれ請求項２に記載の偏光子を配置することで構成され、
   前記光アイソレータのコントラスト比が45dB以上であることを特徴とする光アイソレータ。

Images