JP2009265545A - 光学素子及びそれを用いた光アイソレータ - Google Patents

Abstract

【課題】形状異方性粒子の配向分散層が薄い偏光ガラスを用いた場合であっても、高いアイソレーション（２５ｄＢ以上）を保つことができる光学素子およびそれを用いた光アイソレータを提供する。
【解決手段】少なくとも、ファラデー回転子の光透過面の両側に、表面に形状異方性粒子が配向分散された偏光ガラスが、光透過面で接着層を介して貼り合わされた光学素子であって、前記偏光ガラスは、前記貼り合わせ面側の片側表面にのみ前記形状異方性粒子が配向分散されたものであり、前記ファラデー回転子のそれぞれの貼り合わせ面の表面からそれぞれの前記偏光ガラスの形状異方性粒子が配向分散された面までの距離ｔが、ｔ≦２０μｍの関係を満たすものであることを特徴とする光学素子。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば半導体レーザー等と組み合わせて使用される光学デバイスに組み込まれる光学素子およびそれを用いた光アイソレータに関する。

ガラス基体に形状異方性金属粒子を配向分散させて作製した偏光ガラスと、ファラデー回転子とを貼り合わせた光学素子を用いて作製された光アイソレータが、光学デバイスとして例えば半導体レーザモジュールに使用されている（例えば非特許文献１参照）。

一般的に、光アイソレータには２５ｄＢ以上のアイソレーション（消光性能）が求められる。
よって、使用する偏光ガラスにも２５ｄＢ以上のアイソレーションが要求される。この偏光ガラスでは、ガラス基体の表面近傍に形状異方性粒子（一般的には銀粒子または銅粒子）が配置されるため、使用する粒子によっては、入射光の後方散乱（光入射方向に反射光が戻る現象）が発生する。

また、形状異方性粒子が配向された層を単に薄くすると、偏光ガラスのアイソレーションが２５ｄＢ以下に低下する問題があり、そしてアイソレーションを向上させる為に、薄い層（１０μｍ未満）に集中的に粒子を配向すると後方散乱が大きくなる。
この為、このような偏光ガラスをファラデー回転子と接合すると、ファラデー回転子表面と偏光ガラスの異方性粒子が配向分散された層で光散乱が発生し、その影響でアイソレーションが劣化する問題がある。

応用光エレクトロニクスハンドブック編集委員会編、「応用光エレクトロニクスハンドブック」ｐ７７−７８、昭晃堂

本発明は、上記問題に鑑みなされたものであって、形状異方性粒子の配向分散層が薄い偏光ガラスを用いた場合であっても、高いアイソレーション（２５ｄＢ以上）を保つことができる光学素子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する。

上記課題を解決するため、本発明では、少なくとも、ファラデー回転子の光透過面の両側に、表面に形状異方性粒子が配向分散された偏光ガラスが、光透過面で接着層を介して貼り合わされた光学素子であって、前記偏光ガラスは、前記貼り合わせ面側の片側表面にのみ前記形状異方性粒子が配向分散されたものであり、前記ファラデー回転子のそれぞれの貼り合わせ面の表面からそれぞれの前記偏光ガラスの形状異方性粒子が配向分散された面までの距離ｔが、ｔ≦２０μｍの関係を満たすものであることを特徴とする光学素子を提供する（請求項１）。

本発明の光学素子は、形状異方性粒子が片面のみに配向分散された偏光ガラスの当該面が、ファラデー回転子の光透過面の両側に接着された光学素子であって、貼り合わせ面から形状異方性粒子が配向分散された面までの距離ｔがｔ≦２０μｍの関係を満たすものとなっているものである。
このように、貼り合わせ面から形状異方性粒子が配向分散された面までの距離ｔがｔ≦２０μｍの関係を満たす光学素子とすることによって、高いアイソレーションを保つことができ、特に、形状異方性粒子が配向分散された層の厚さが薄い場合でも、２５ｄＢ以上のアイソレーションを保つことができ、後方散乱が少ないものとすることができる。

また、本発明では、上述した光学素子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２）。

上述のように、本発明の光学素子は、アイソレーションを高いものとすることができるため、このような光学素子を用いた光アイソレータも、アイソレーションが高いものとすることができる。

以上説明したように、本発明の光学素子とそれを用いた光アイソレータは、高いアイソレーションを保ったものとすることができ、偏光ガラス中の形状異方性粒子が配向分散された層の厚さが薄い場合でも、後方散乱等によるアイソレーションの低下がほとんど発生せず、高いものとすることができる。

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、形状異方性粒子の配向分散層が薄い偏光ガラスを用いた場合でも、高いアイソレーション（２５ｄＢ以上）を保つことができる光学素子およびそれを用いた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、形状異方性粒子の配向分散層が薄い偏光ガラスを用いた場合でも、高いアイソレーション（２５ｄＢ以上）を保つことができる光学素子の構造について調査を行った。
その結果、偏光ガラスの片面のみに形状異方性粒子を配向分散させ、当該分散層に近いほうの光透過面でファラデー回転子を接着させ、かつ形状異方性粒子が配向分散された層の表面とファラデー回転子との貼り合わせ面との距離ｔが、ｔ≦２０μｍの関係を満たすものであれば、アイソレーションを高い状態で保つ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ながら詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。図１は、本発明の光学素子の構造の一例を示した概略断面図である。

本発明の光学素子１０は、少なくとも、ファラデー回転子１２と、ファラデー回転子の光透過面の両側に、ガラス基体１１ｂ中に、ガラスの片側の表面層近くに形状異方性粒子が配向分散された層１１ａを有する偏光ガラス１１と、偏光ガラス１１とファラデー回転子１２を接着するための接着層１３とを備えたものである。
そして、偏光ガラス１１の形状異方性粒子配向分散層１１ａが形成された方側の光透過面とファラデー回転子の光透過面とが、接着層１３を介して貼り合わされている。
また、ファラデー回転子１２の貼り合わせ面の表面と、形状異方性粒子配向分散層１１ａとの間の距離ｔが、ｔ≦２０μｍの関係を満たすものとなっている。

ここで、偏光ガラス１１は、アイソレーションが２５ｄＢ以上のものを用いることが望ましい。このような偏光ガラスであれば、光学素子のアイソレーションを高い状態で保つことができる。

通常、形状異方性粒子が配向分散された層の異方性粒子で発生する後方散乱の影響で、１）ファラデー回転子表面と異方性粒子間、および２）もう一方の偏光ガラスとファラデー回転子間、３）２つの偏光ガラスの異方性粒子間で多重反射散乱光が発生しアイソレーションが劣化する。しかし接着層を含むｔの長さを短くする事でこの現象が緩和、影響が小さくなる傾向があり、ｔが２０μｍ以下で良好な値が得られる。そのため、そのアイソレーションを高いものとすることができ、特に形状異方性粒子配向分散層の厚さが薄い場合でも、レーザー光の後方散乱を抑制しつつ高いアイソレーション（２５ｄＢ以上）効果を発揮できるものとすることができる。

そして、このような光学素子１０を用いて、光アイソレータを作製することができる。以上説明してきたように、本発明の光学素子はアイソレーションが高いものであるため、このような光学素子を用いて作製された光アイソレータもアイソレーションが高いものとすることができる。

このような光学素子１０の製造方法について以下簡単に説明する。
先ず、少なくとも偏光ガラスを２枚、ファラデー回転子を１つ準備する。
このとき、偏光ガラスは、片面のみに形状異方性粒子が配向分散された層が形成されたものを準備する。

その後、ファラデー回転子の光透過面の両側か、もしくは偏光ガラスの形状異方性粒子配向分散層が形成された側の光透過面に接着層を形成する。この接着層は、例えばエポキシ樹脂とすることができる。

次に、形成した接着層を介して、ファラデー回転子の光透過面と偏光ガラスの形状異方性粒子配向分散層が形成された方側の光透過面を貼り合わせて、光学素子を作製する。このとき、偏光ガラスの形状異方性粒子配向分散層から近い方の光透過面がファラデー回転子との貼り合わせ面となる。
このように作製した光学素子は、たとえ形状異方性粒子が配向分散された層が薄い場合であっても、後方散乱等を抑制することができ、よって高いアイソレーションを保つものとなっている。

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１〜４・比較例１〜４）
まず、偏光ガラスを４８枚、ファラデー回転子を２４個準備した。
準備した偏光ガラスは、１５ｍｍ×１５ｍｍの大きさであり、また図２に示したように、ガラス基体の片面に形状異方性粒子配向分散層が深さ４μｍの位置に形成されたものである。その偏光ガラスの消光比は、各々２５ｄＢ（実施例１・比較例１）のものが１２枚、３２ｄＢ（実施例２・比較例２）のものが１２枚、３８ｄＢ（実施例３・比較例３）のものが１２枚、４５ｄＢ（実施例４・比較例４）のものが１２枚とした。
また、ファラデー回転子は、波長１５５０ｎｍのレーザー光の偏光面が４５°回転するものとし、貼り合わせ面となる光透過面の両方に、予め対接着剤ＡＲコートを施した。

その後、偏光ガラスの形状異方性粒子配向分散層が形成された側の表面側に対して、後に形成するエポキシ樹脂接着層の厚さを変更したり、該偏光ガラスのガラス基体と屈折率が同等のガラス板を挿入することによって厚さを調整して、形状異方性粒子配向分散層とファラデー回転子との貼り合わせ面との距離ｔが次に示すような値になるようにした。偏光ガラスの消光比が２５ｄＢのもののときｔ＝５、１０、２０を実施例１、ｔ＝３０、４０、５０を比較例１とした。また、偏光ガラスの消光比が３２ｄＢのもののときｔ＝５、１０、２０を実施例２、ｔ＝３０、４０、５０を比較例２とした。そして、偏光ガラスの消光比が３８ｄＢのもののときｔ＝５、１０、２０を実施例３、ｔ＝３０、４０、５０を比較例３とした。また、偏光ガラスの消光比が４５ｄＢのもののときｔ＝５、１０、２０を実施例４、ｔ＝３０、４０、５０を比較例４とした。

そして、偏光ガラスは、形状異方性粒子配向分散層がある側の光透過面には対接着剤ＡＲコートを、接着層を介してファラデー回転子と接合される側とは逆の光透過面には対空気ＡＲコートを施した。

その後、ファラデー回転子の光透過面と偏光ガラスの形状異方性粒子配向分散層がある側の光透過面とを、エポキシ接着剤を用いて接着して、光学素子を製造した。

その後、接合固定した光学素子を側面からＳＥＭ観察し、ファラデー回転子の接合表面と形状異方性粒子配向分散層との間の距離を測定して、各々の光学素子において所望の距離ｔになっていることを確認した。ここで、エポキシ接着剤は、硬化後はガラス基体部分と同等と成る為、ガラス層と見なしてその長さに加えて観察・測定した。

作製した光学素子のアイソレーションを評価するために、光学素子中のファラデー回転子に必要十分な磁場を与えた状態で、波長１５５０ｎｍのレーザーを光学素子の光透過面に入射して、アイソレーションの評価を行った。その評価結果を図３に示す。図３は、光学素子のファラデー回転子表面と形状異方性粒子配向分散層との間の距離に対する消光比の値を示したグラフである。

図３に示すように、光アイソレータに必要な２５ｄＢ以上の数値は、用いた偏光ガラスの消光比に係らず、距離ｔが２０μｍ以下であることで達成出来る事が判明した。逆に、消光比が高い偏光ガラスを用いた場合であっても、ｔが２０より大きい場合、高いアイソレーションを保つことができないことがわかった。

（比較例５）
比較例５として、図４に示すように、偏光ガラスの両表面の表面近傍に、形状異方性粒子配向分散層のある偏向ガラス（消光比４５ｄＢ）とファラデー回転子を用いて実施例同様に貼り合わせを行って光学素子を作製し、そのアイソレーションを評価したところ、アイソレーションは最大２１ｄＢしか得られず、光アイソレータに必要とされる特性を満たさないことがわかった。

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。

本発明の光学素子の構造の概略の一例を示した概略断面図である。 実施例及び比較例で用いた偏光ガラス部分の拡大図である。 実施例と比較例の光学素子のファラデー回転子表面と形状異方性粒子配向分散層との間の距離に対するアイソレーションの値を示したグラフである。 比較例５の光学素子の概略を示した概略図である。

符号の説明

１０…光学素子、 １１…偏光ガラス、 １１ａ…形状異方性粒子配向分散層、 １１ｂ…ガラス基体、 １２…ファラデー回転子、 １３…接着層。

Claims (2)

1. 少なくとも、ファラデー回転子の光透過面の両側に、表面に形状異方性粒子が配向分散された偏光ガラスが、光透過面で接着層を介して貼り合わされた光学素子であって、
   前記偏光ガラスは、前記貼り合わせ面側の片側表面にのみ前記形状異方性粒子が配向分散されたものであり、
   前記ファラデー回転子のそれぞれの貼り合わせ面の表面からそれぞれの前記偏光ガラスの形状異方性粒子が配向分散された面までの距離ｔが、ｔ≦２０μｍの関係を満たすものであることを特徴とする光学素子。
2. 請求項１に記載の光学素子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。

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