JP2009265376A - 光アイソレータ用積層体及び光アイソレータ - Google Patents

Abstract

【課題】接着層の厚さバラツキが小さく、かつその内部に気泡状の介在物を含まない高品質の光アイソレータ用積層体および該積層体から切り出したチップ状素子を用いて作製された高性能な光アイソレータを提供する。
【解決手段】少なくとも、ビスマス置換鉄ガーネット結晶からなるファラデー素子と、該ファラデー素子の光透過面の両側に接着層を介して光透過面で貼り合わされた偏光ガラスからなる積層体であって、前記偏光ガラスの光透過方向の厚さをｔｐ、光透過面の短辺の長さをＴｐとしたときに、前記ｔｐ、Ｔｐが４．５×１０^−３＜ｔｐ／Ｔｐ＜１０^−２の関係を満たすものであることを特徴とする光アイソレータ用積層体。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザ等と組み合わせて使用される高性能な光アイソレータ用積層体及び光アイソレータに関する。

半導体レーザ等と組み合わせて使用される光アイソレータは、ビスマス置換鉄ガーネット結晶からなるファラデー素子の両側に偏光ガラスを接着剤で接合した構造が一般的に用いられている。

この構造を持つ光アイソレータは、２枚の１０ｍｍ角以上の偏光ガラスと、ファラデー素子とを、偏光ガラスの偏波方向４５度付近で消光比が最大となる方向で貼り合わせた積層体から、例えば０．５ｍｍ×０．６ｍｍの直方体形状のチップ状素子を切り出し、これを磁石と組み合わせることで製造される。

このような貼り合わせ素子（積層体）から切り出したチップ状素子を用いる構造の光アイソレータは、偏光ガラス、ファラデー回転子を別々に固定する構成と比較して、低コストにできるという利点がある。
しかし、接着剤を用いるために、接着層の厚さムラや、接合界面に気泡が介在するといったことが発生する。このため、光アイソレータの挿入損失や消光性能が劣化することがあった。

この光アイソレータの特性劣化を防ぐには、ファラデー素子を研磨加工する際に研磨条件を工夫することで形状を整えたり、購入する偏光ガラスの形状を指定すればよい。
しかし、現実的には、１１ｍｍ角以上の大きさのファラデー素子を研磨加工すると平均として０．６μｍ／ｍｍ、最大で１．５μｍ／ｍｍの反りが発生し、また０．２ｍｍ厚の偏光ガラスでは０．１μｍ／ｍｍ程度の反りがある。

従って、ファラデー素子や偏光ガラスの大きさが１５ｍｍ角ではファラデー素子は９μｍ程度、偏光ガラスでは２μｍ程度の反りとなり、この結果、接着剤の厚さは積層体の面内で１１μｍ程度変動することになる。
また、接着剤の厚さが大きく変動するときは、往々にして気泡を巻き込んでいることが多く、気泡が介在したチップ状素子は光アイソレータの特性が劣化することより、歩留まりが低下するという不利益が発生する。

このような問題を解決する方法として、例えばファラデー素子と偏光ガラスの間に、厚さ１μｍ以上１５μｍ以下のスペーサを介在させることにより、接着層の厚さを１μｍ以上１５μｍ以下と固定する光アイソレータ用積層体が開示されている（特許文献１参照）。しかしこのような方法によっても、光アイソレータの特性の劣化の問題を十分に解決することはできなかった。

特開平８−２８６１４９号公報

本発明は、少なくとも、ファラデー素子と偏光ガラスとが接着層を介して接合された光アイソレータ用積層体において、接着層の厚さバラツキが小さく、かつその内部に気泡状の介在物を出来るだけ含まない高品質の光アイソレータ用積層体および該積層体から切り出したチップ状素子を用いて作製された高性能な光アイソレータを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明では、少なくとも、ビスマス置換鉄ガーネット結晶からなるファラデー素子と、該ファラデー素子の光透過面の両側に接着層を介して光透過面で貼り合わされた偏光ガラスからなる積層体であって、前記偏光ガラスの光透過方向の厚さをｔｐ、光透過面の短辺の長さをＴｐとしたときに、前記ｔｐ、Ｔｐが４．５×１０^−３＜ｔｐ／Ｔｐ＜１０^−２の関係を満たすものであることを特徴とする光アイソレータ用積層体を提供する（請求項１）。

光アイソレータ用積層体を構成するビスマス置換鉄ガーネット結晶からなるファラデー素子と、偏光ガラスのヤング率は各々２１０ＧＰａ、５８．６ＧＰａであることより、これらが同じ厚さならば偏光ガラスのほうが変形しやすい。
これを利用して、偏光ガラスの光透過方向の厚さをｔｐ、光透過面の短辺の長さをＴｐとしたときに、４．５×１０^−３＜ｔｐ／Ｔｐ＜１０^−２の関係を満たすものとすることによって、接着剤を介して貼り付けると偏光ガラスはファラデー素子に沿うように変形させることができる。この結果、従来は接着剤の厚さが不均一であったり、接着層に気泡が介在していた不具合を無くすことが可能となる。また、偏光ガラスに掛かる歪みを小さくすることができる。従って、このような光アイソレータ用積層体を用いて光アイソレータを作製した場合、挿入損失や消光性能が劣化することを抑制することができる。

また、前記偏光ガラスの光透過方向の厚さｔｐが、５０μｍ以上１５０μｍ以下とすることが好ましい（請求項２）。
このように、偏光ガラスの光透過方向の厚さを、５０μｍ以上１５０μｍ以下とすることによって、より偏光ガラスがファラデー素子に沿うように接着したものとすることができるとともに所望特性を発揮できるため、光アイソレータとした場合に、挿入損失や消光性能が劣化することをより抑制することができる。

また、本発明では、本発明に記載の光アイソレータ用積層体を切断したものを用いて作製されたものであることを特徴とする光アイソレータを提供する（請求項３）。
上述のような、ファラデー素子と偏光ガラスとで構成された積層体を用いて作製された光アイソレータ用積層体は、接着層の厚さバラツキや気泡状の介在物をほとんど含まないものであるため、これを切断したものを用いて作製された光アイソレータは、特性が安定しており、また非常に良好な値を示すものとなっている。

以上説明したように、本発明の光アイソレータ用積層体は、接着層の厚みムラや気泡状の介在物をあまり含まないものであることに加えて、ファラデー素子に貼り付けられた偏光ガラスにかかる歪が小さいものとすることができるため、このような光アイソレータ用積層体用いて光アイソレータを作製すると、消光性能といった光学特性の劣化がほとんど発生せず、また特性が安定して高性能なものとなる。

以下、本発明についてより具体的に説明する。
前述のように、安定した特性を示す光アイソレータの開発が待たれていた。

そこで、本発明者は、光アイソレータの性能を劣化させる接着層の問題について、ファラデー素子と偏光ガラスの形状およびその製造方法から調査を行った。

その結果、ファラデー素子については、構成材料となるビスマス希土類鉄ガーネット結晶を液相エピタキシャル法で成長させるときに、基板結晶とエピタキシャル膜との熱膨張率差による歪みを緩和させるために、基板側からエピタキシャル膜表面層に向かって、ガーネット結晶格子の格子定数を大きくしている。このため、結晶内部に歪みが内在してしまい、この結果、１５ｍｍ角でファラデー素子への入射偏波が４５°回転する所望の厚さ、例えば３８０μｍ〜６８０μｍの形状に仕上げたときに数μｍから最大で２０μ程度の反りが発生してしまうことが分かった。この反りについては、基板結晶とエピタキシャル膜との熱膨張率の差に基づく本質的なものであり、研磨条件の変更だけでは避けることは出来ないものである。

また、偏光ガラスについては、例えば１５ｍｍ×１５ｍｍ×０．２ｍｍ厚のものについて調べると、反りが数μｍ程度あることが分かった。

このような反りがあるファラデー素子と偏光ガラス２枚とを、例えば熱硬化性のエポキシ樹脂を使って貼り合わせた光アイソレータ用積層体の接着層を観察すると、接着層の厚みにムラがり、またその中に気泡状の介在物が生じており、このような積層体から切り出したチップ状の素子を用いた光アイソレータでは、光学特性のバラツキが大きくなることが分かった。

この課題を解決するために、本発明者は鋭意検討した結果、ファラデー素子よりヤング率が小さい偏光ガラスの厚さを薄くする方法を考案した。
具体的には、偏光ガラスの光透過方向の厚さをｔｐ、光透過面の短辺の長さをＴｐとした時に、ｔｐ、Ｔｐが４．５×１０^−３＜ｔｐ／Ｔｐ＜１０^−２の関係を満たすように偏光ガラスをファラデー素子の形状に倣うように変形させて偏光ガラスとファラデー素子とで構成される積層体を形成する。このようにすると、偏光ガラスはファラデー素子の反りに倣うように変形するため、接着剤の厚さムラがほとんど見られない光アイソレータ用積層体を得ることができることを見出し、本発明を完成させた。

以下、本発明について図を参照して詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
本発明の光アイソレータ用積層体１０は、少なくとも、ビスマス置換鉄ガーネット結晶からなるファラデー素子１２と、該ファラデー素子１２の光透過面の両側に、接着層１３を介して光透過面で貼り合わされた偏光ガラス１１からなるものである。
そして、偏光ガラス１１は、光透過方向の厚さをｔｐ、光透過面の辺の長さａ、ｂのうち短い方の辺の長さをＴｐとしたときに、４．５×１０^−３＜ｔｐ／Ｔｐ＜１０^−２の関係を満たすものである。

このように、偏光ガラスの光透過方向の厚さをｔｐ、光透過面の短辺の長さをＴｐとしたときに、４．５×１０^−３＜ｔｐ／Ｔｐ＜１０^−２の関係を満たすものであれば、偏光ガラスとファラデー素子を接着層を介して貼り合わせた際に偏光ガラスがファラデー素子に沿うように変形した状態で貼りつく。その結果、接着層の厚さが不均一になることを防止することができるため、接着層に気泡が残存することを防止することができ、また偏光ガラスに掛かる歪みを小さくすることができる。従って、気泡や歪みによる挿入損失や消光性能の劣化が発生することを抑制することができる。

すなわち、偏光ガラスの厚さは薄いほうがファラデー素子の形状に倣うように変形することから、薄いほうがより好ましく、ｔｐが１０^−２×Ｔｐより小さいものとすると前述したような問題はほぼ完全に起きなくなる。ただ、偏光ガラスの厚さを薄くしすぎると、ハンドリングに支障をきたすことより、偏光ガラスの厚さｔｐは、最低でも４．５×１０^−３×Ｔｐより大きい必要がある。

ここで、偏光ガラス１１の光透過方向の厚さｔｐが、５０μｍ以上１５０μｍ以下とすることが好ましい。
このように、偏光ガラスの光透過方向の厚さｔｐが、５０μｍ以上１５０μｍ以下であれば、偏光ガラスが、よりファラデー素子に沿うように接着したものとすることができる。このため、光アイソレータとした時に、より挿入損失や消光性能が劣化することを抑制することができる。また、このような厚さを有すれば、偏光ガラスとしての所望の特性を奏することができる。

そして、このような光アイソレータ用積層体１０を切断したものを用いて、光アイソレータを作製することができる。
前述のように、本発明の光アイソレータ用積層体は接着層の厚さバラツキや気泡状の介在物をほとんど含まないものであるので、このような光アイソレータ用積層体を切断したものを用いて作製された光アイソレータは、光アイソレータ特性が非常に良好かつ安定したものとすることができる。

このような光アイソレータ用積層体１０の製造方法について以下簡単に説明する。
まず、少なくとも偏光ガラス１１を２枚、ファラデー素子１２を１つ準備する。

このとき、準備する偏光ガラスは、例えば、１５ｍｍ×１５ｍｍ×０．２ｍｍ厚もしくは１５ｍｍ×１５ｍｍ×０．５ｍｍ厚程度の偏光ガラス基材を、ワックスを介して石英等の定板に貼り付けた後に、研磨機でコロイダルシリカにより所望の厚さまで研磨を行ったものとすればよい。この厚さの調整は、研磨時間の調整によって行うことが望ましい。
このように厚さを調整した偏光ガラスを、研磨による歪みによって発生した反りを解消するために、より望ましくは、水素を含む雰囲気で、３５０〜４００℃で５０〜１００時間加熱処理を行う。

また、ファラデー素子１２については、一般的に用いられているビスマス置換型鉄ガーネット結晶を準備すればよく、例えば、液相エピタキシャル法によって作製したインゴットから、波長１．３μｍ〜１．６μｍ帯の光の偏光面を４５°回転させるような所望の厚さにスライス・研磨等の加工を行ったウェハー状のビスマス置換鉄ガーネット結晶を準備すればよい。

その後、ファラデー素子１２の片側の光透過面に、上記処理を行った偏光ガラス１１の光透過面とを、接着層１３として熱硬化性エポキシ樹脂を介して貼り合わせ、その後、ファラデー素子１２の別の光透過面にもう一枚の偏光ガラス１１を同じように光透過面で、例えば熱硬化性エポキシ樹脂からなる接着層１３を介して貼り付けることで、光アイソレータ用積層体１０を作製することが出来る。
このようにして作製した光アイソレータ用積層体は、前述のように、接着層の厚みムラや気泡状の介在物をほとんど含まないものである。加えて、ファラデー素子に貼り付けられた偏光ガラスにかかる歪が小さいものであるので、光アイソレータとした時に挿入損失や消光性能が劣化することを抑制することができるものとなっている。

以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例１−６、比較例１−４）
まず、偏波方向が４５°異なる２種類の金属分散型偏光ガラス基材を用意した。準備した偏光ガラスは、短辺の長さが１５ｍｍのものを７枚×２種類、１１ｍｍのものを３枚×２種類準備した。
そして準備した金属分散型偏光ガラス基材の光挿入損失、消光性能、反りを評価した。その結果、光挿入損失の値は０．０３ｄＢ〜０．０６ｄＢ、消光性能は、中心波長で４４ｄＢ〜５２ｄＢ、反りは平均１．５μｍ（１μｍ／ｍｍ）、最大２μｍ（１．３μｍ／ｍｍ）であった。

その後、１００℃に加熱したホットプレート上に直径１００ｍｍの石英板を載置して加熱し、この石英板上にワックスを溶融させ、準備した厚みが４８０μｍの金属分散型偏光ガラス基材とその周辺に厚さ約４８０μｍの青板ガラス４枚とを載せ室温まで冷却し、石英ガラス−青板ガラスで囲んだ金属分散型偏光ガラス元材を作製した。

このワックスで貼り付けた金属分散型偏光ガラス元材を、研磨装置を使って、コロイダルシリカを用いて研磨して、金属分散型偏光ガラス板とした。
このとき、研磨時間を変えることで金属分散型偏光ガラス板の厚さを後述する表１、表２に記載したような厚さになるよう調整した。なお、金属分散型偏光ガラス板の厚さが５０μ未満になると通常のピンセットで取り扱うことは無理であった。また、真空ピンセットで取り出しても、その後の貼り合わせ工程でワレが生じた。

研磨後、ホットプレート上で加熱し、石英板から金属分散型偏光ガラス板を取り出し、石英製の炉心管内に投入して水素雰囲気下で３５０℃、５０時間加熱して偏光ガラスを作製した。その後に、光透過面の長さ、光透過方向の厚さ、光挿入損失、消光性能、反りを評価した。

なお、反りの測定は以下のように顕微鏡の焦点合わせ機構を使うことで行った。
基準面となるシリコンウェハー上に、予め厚みが既知の金属片を置き、顕微鏡付随のダイアルを校正した後、金属分散型偏光ガラスをシリコンウェハー上にセットして、ａ１：シリコンウェハー上面の位置、ａ２：偏光ガラス上面の位置を測定し、ａ２−ａ１＝Ａを求める。
次に、金属分散型偏光ガラスを裏返して、同様に、ｂ１：シリコンウェハー上面の位置、ｂ２：偏光ガラス上面の位置を測定し、ｂ２−ｂ１＝Ｂを求める。
そして、Ａ−Ｂの値を計算した。この値が反りの値となる。また、異なる大きさの試料を比較するため、試料の単位長さ当たりの反りを求めた。

その後、金属分散型偏光ガラスの両面にＡＲコートを施し、予め反りの大きさを評価したファラデー回転子と金属分散型偏光ガラスとを、エポキシ樹脂によって貼り合わせた後に、エポキシ樹脂を６５℃で予備硬化させた後、１５０℃で本硬化させて、光アイソレータ用積層体を作製した。

その後、作製した光アイソレータ用積層体を、０．５ｍｍ×０．６ｍｍ角のチップ形状に切断した。各実施例及び比較例において、このチップ状素子は約３００個得られた。
そしてこのチップ状素子の断面を顕微鏡で観察し、接着剤の厚さを測定し、最大値と最小値を求めた。また、光が通る方向から接着層の状態を観察し、気泡状介在物の有無を確認した。

その後、このチップ状素子を各々の実施例及び比較例で５０個を任意に抽出して、アルミナ製の基材の上に接着剤で貼り付け、直方体磁石２個で挟む構成の光アイソレータを作製した。
そして作製した光アイソレータの、光挿入損失と消光性能を評価し、特性が一番悪いものの値を表１、表２に示した。

表１に示したように、実施例の光アイソレータ用積層体を用いて作製された光アイソレータは、接着層の厚さバラツキが最大でも３μｍ程度であり、非常に均一なものとなっていることが分かった。また、接着層中の気泡介在物は発見されなかったことからも、偏光ガラスとファラデー回転子が密着して接着されていることが分かる。
そして、挿入損失は最大でも０．１４ｄＢ、また消光比も最小で３９ｄＢ、最大４５ｄＢと非常に良好な値であることが分かった。

これに対し、表２に示したように、４．５×１０^−３＜ｔｐ／Ｔｐ＜１０^−２の条件を満たさない比較例の光アイソレータ用積層体を用いて作製された光アイソレータは、偏光ガラスが薄いために取扱中に割れたり、接着層の厚さバラツキが実施例のものに比べて３倍以上あるなど、良好とは言えないものであった。また比較例３、４では接着層中に気泡が混入しており、また挿入損失も非常に大きかった。そして消光比も最大値は良好な値であったが、最小値が実施例に比べて小さく、光アイソレータとして実用するには心許ない水準となってしまうことが分かった。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

本発明の光アイソレータ用積層体の構造の概略の一例を示した概略断面図である。

符号の説明

１０…光アイソレータ用積層体、 １１…偏光ガラス、 １２…ファラデー素子、 １３…接着層。

Claims (3)

1. 少なくとも、ビスマス置換鉄ガーネット結晶からなるファラデー素子と、該ファラデー素子の光透過面の両側に接着層を介して光透過面で貼り合わされた偏光ガラスからなる積層体であって、
   前記偏光ガラスの光透過方向の厚さをｔｐ、光透過面の短辺の長さをＴｐとしたときに、前記ｔｐ、Ｔｐが４．５×１０^−３＜ｔｐ／Ｔｐ＜１０^−２の関係を満たすものであることを特徴とする光アイソレータ用積層体。
2. 前記偏光ガラスの光透過方向の厚さｔｐが、５０μｍ以上１５０μｍ以下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用積層体。
3. 請求項１または請求項２に記載の光アイソレータ用積層体を切断したものを用いて作製されたものであることを特徴とする光アイソレータ。

Images