JP2010134066A - ファラデー回転子およびファラデー回転子ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】 １μｍ付近の光に対して透明で、熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫを超えるような高熱伝導でありながら、切断、研磨といった機械加工が容易で、等方的で複屈折を有しない材料の放熱基板を使用して構成したファラデー回転子を提供し、もって小型で安価なファラデー回転子ユニットを提供する。
【解決手段】 ビスマス置換型希土類鉄ガーネット結晶の光入出射面の少なくとも一方の面に、ＧａＰからなる放熱基板を接合させたファラデー回転子とする。さらにこのファラデー回転子を貫通穴を有するホルダーで挟み込み、さらにホルダーは円筒磁石の中心に挿入してヒートシンクを構成したファラデー回転子ユニットとする。
【選択図】 図１

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ファラデー回転子に係り、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ファラデー回転子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ている。
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ている。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・ガーネット単結晶（以下、ＴＧＧと称する）やテルビウム・アルミニウム・ガーネット単結晶（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、小型で安価な光アイソレータが望まれていた。

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（以下、ＲＩＧと称する）をこのタイプの光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、この光吸収による発熱で温度上昇して、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種々提案されている。例えばＲＩＧ結晶の表面に、サファイア、シリコン、ゲルマニウム、亜鉛化セレン、二酸化珪素、酸化マグネシウム、フッ化マグネシウム、ダイヤモンド等の結晶膜を張り付ける技術が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
また、サファイアに加え、ルチル結晶膜を張り付ける技術も開示されている（例えば、特許文献２参照。）。
さらに、酸化アルミニウム、ポリタイプの炭化シリコン、六方晶窒化ガリウム等の結晶膜を張り付ける技術も開示されている（例えば、特許文献３参照。）。
特開２００５−４３８５３号公報 特開２００６−２１５４９１号公報 特開２００７−６５２８９号公報

特許文献１〜３に記載された方法は、熱伝導率の高い透明な放熱基板をＲＩＧの光入出射面に接着し、ＲＩＧで発生した熱を放出し易くしたものである。
ＲＩＧで発生した熱を放出し易くするには、放熱基板の熱伝導率は高い方が好ましいが、前記特許文献１〜３に開示された放熱基板の内、１μｍ付近の光に対しても透明で、熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫを超えるような高熱伝導の放熱基板（ダイヤモンド、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＳｉＣ）は、硬度が高く難加工性であり、かつ高価であるという問題がある。また、複屈折を有しているため、使用に際して光の入射方向に注意を有する材料も含まれている。

そこで、本発明の課題とするところは、１μｍ付近の光に対して透明で、熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫを超えるような高熱伝導でありながら、切断、研磨といった機械加工が容易で、安価であり、等方的で複屈折を有しない材料の放熱基板を使用して構成したファラデー回転子を提供することにある。

上記課題を解決するため本発明のファラデー回転子は、ビスマス置換型希土類鉄ガーネット結晶の光入出射面の少なくとも一方の面に、ＧａＰからなる放熱基板を接合させてなるファラデー回転子とした。
またもう一つの本発明のファラデー回転子は、透過率が９５％以上の透明な非磁性ガーネット基板の両面にビスマス置換型希土類鉄ガーネット結晶を有し、該ビスマス置換型希土類鉄ガーネット結晶の光入出射面表面にＧａＰからなる放熱基板を接合させてなるファラデー回転子とした。

本発明のファラデー回転子では、前記放熱基板をなすＧａＰの不純物濃度が１×１０^１７／ｃｍ^３以下であることが好ましい。
また、前記ＧａＰからなる放熱基板の厚さは２００μｍ以上１０００μｍ以下あることが好ましい。
本発明のファラデー回転子においては、前記ＧａＰからなる放熱基板の接合が、使用波長の光に対する吸収係数が０．１ｃｍ^−１以下である接着剤を介してなされていても良いし、あるいはまた表面活性化常温接合法によりなされているものであっても良い。

本発明のファラデー回転子ユニットは、上記に記載の本発明のファラデー回転子を用いたファラデー回転子ユニットであって、ファラデー回転子の側面および光入出射面における光透過部を除いた部分がヒートシンクで覆われているファラデー回転子ユニットである。
ここで本発明のファラデー回転子ユニットでは、前記ヒートシンクがファラデー回転子を支持するホルダーと円筒磁石からなるものを使用することができる。

ＲＩＧ結晶の光入出射面に１００Ｗ／ｍＫを超えるような熱伝導率の高い透明な放熱基板を接着してあるので、放熱性に優れ安定した性能を有するファラデー回転子を得ることができる。また放熱基板として使用するＧａＰ結晶は、硬度が低くて切断、研磨といった機械加工が容易であるので、ファラデー回転子を安価に提供することができる。
また、本発明のファラデー回転子を用いたファラデー回転子ユニットとし、これに偏光子を組み合わせれば、小型で放熱性に優れ、安定した性能を発揮できる光アイソレータが得られる。

本発明者らが鋭意検討したところ、リン化ガリウム（ＧａＰ）単結晶は、約１μｍから１．７μｍ付近まで透明であり、熱伝導率も１１０Ｗ／ｍＫと高く、結晶構造も立方晶で複屈折が無く、機械加工も容易であることを見出し、本発明に至った。
図１は本発明によるファラデー回転子の一例の断面図であり、ファラデー回転角が４５度のＲＩＧ１の光入出射面両面にＧａＰからなる放熱基板２，２が貼り付けてある。ＲＩＧの光入出射面両面にＧａＰ放熱基板が貼り付けてある方が放熱効率が高まるが、ＧａＰの熱伝導率が高いため、片面のみに貼り付けたものでも構わない。また、ＧａＰは多結晶であっても粒界が肉眼で確認できるほど大きいため、熱伝導率の低下は少なく使用可能であるが、粒界による光散乱が生じるため単結晶を使用することが望ましい。
ＧａＰは透明性を確保するために不純物濃度が低い方が望ましく、特に波長が１μｍ付近は不純物による光吸収の影響を受けるため、不純物濃度が１×１０^１７／ｃｍ^３以下であることが好ましい。さらに、好ましくは１×１０^１６／ｃｍ^３以下である。
ＧａＰ単結晶はチョクラルスキー（ＣＺ）法により育成させたインゴットをスライスして研磨したものを使用する。厚さは２００μｍ〜１０００μｍ程度とする。

図２は本発明の別の態様によるファラデー回転子の断面図である。図２中の３は透過率が９５％以上の透明な非磁性ガ−ネット基板であり、Ｇｄ_３Ｇａ_５Ｏ_１２（ＧＧＧと略記される）、（ＣａＧｄ）_３（ＭｇＺｒＧａ）_５Ｏ_１２（ＳＧＧＧと略記される）、Ｇｄ_３（ＳｃＧａ）_５Ｏ_１２（ＧＳＧＧと略記される）などが使用可能である。これら非磁性ガーネット基板は、可視域から近赤外域まで透明であり、少なくとも約１μｍから１．７μｍ付近までは透過率が９５％以上である。
図２に示すように、非磁性ガーネット基板３の両面には、ファラデー回転角の合計が４５度になるようにＲＩＧ１，１が液相エピタキシャル法で育成されており、その表面にＧａＰ放熱基板２，２が貼り付けてある。透明な非磁性ガーネット基板の熱伝導率は７〜９Ｗ／ｍＫであり、ＧａＰの１１０Ｗ／ｍＫに比べると小さいが、発熱体となるＲＩＧが二分割されることにより、ＲＩＧ１枚当たりの発熱量が減るため、放熱性が高まる。

ＲＩＧとＧａＰ放熱基板の接合は、使用波長の光に対する吸収係数が０．１ｃｍ^−１以下の接着剤を用いるか、あるいは真空中で接合面の表面層をイオンビームやプラズマなどによるスパッタエッチングに除去し、活性化させて圧接接合する表面活性化常温接合方法を用いるのが好ましい。接着剤としては、例えば光学用エポキシ樹脂が使用できる。また、表面活性化常温接合法でＲＩＧとＧａＰを接合する場合は、ＧａＰの一方の光入出射面には対空気の無反射コ−トを、他方の光入出射面には対ＲＩＧの無反射コ−トを施し、ＲＩＧには何も成膜しないで行うと良い。ＧａＰの光入出射面両面に無反射コートが施されていると、一方の面のみに無反射コートが施されている場合よりも、無反射コートの膜応力による反りが減るからである。

図３は本発明によるファラデー回転子ユニットの一例を示す断面図である。本発明のファラデー回転子ユニット３０はＧａＰ放熱基板を備えた本発明のファラデー回転子１０（２０）を貫通穴５を有したホルダー６と７で挟み込み、さらにホルダー６、７は円筒磁石８の中心に挿入されている。ここで、ファラデー回転子１０（２０）は前述のＧａＰ放熱基板を貼り付けた本発明の使用し、ファラデー回転子１０（２０）を構成するＲＩＧを光が透過するとき、光の一部が吸収され熱に変換される。図１に示す構成の本発明のファラデー回転子１０を使用した場合は、２枚のＧａＰ放熱基板２，２を介して熱はホルダー６，７へ逃げていき、さらに、円筒形磁石８へ逃げていくことでＲＩＧの温度上昇を抑えている。図２の構成のファラデー回転子２０を使用した場合は、発生した熱はＧａＰ放熱基板２，２と透明な非磁性ガ−ネット基板３を介してホルダー６、７へ逃げていき、さらに、円筒形磁石８へ逃げていくことでＲＩＧの温度上昇を抑えている。すなわち、図３の例では、ホルダー６、７と円筒形磁石８とでヒートシンクが構成されている。

図１に示すファラデー回転子及びそれを用いたファラデー回転子ユニットの作製について説明する。まず、直径３インチのＳＧＧＧ基板の片面にＲＩＧとして（ＢｉＧｄＹｂ）_３Ｆｅ_５Ｏ_１２を液相エピタキシャル法により育成した。育成後、１１ｍｍ角に切断し、研削によりＳＧＧＧ基板を削除した後、ＲＩＧのファラデー回転角が４５°になる様に光学研磨によりＲＩＧの両面を研磨した。このときのＲＩＧの厚みは１４０μｍであった。また、両研磨面には１０６４ｎｍの光に対する対接着剤用の無反射コ−トを施した。

次に不純物濃度が３×１０^１６／ｃｍ^３の厚みが５００μｍのＧａＰ単結晶基板の片面に１０６４ｎｍの光に対する対接着剤用無反射コ−トを、他面に対空気の無反射コ−トを施した。このＧａＰ単結晶基板を上記ＲＩＧの光入出射面両面に光学接着剤を用いて貼り付けた後、光入出射面が１．５ｍｍ角となるように切断し、ファラデー回転子を得た。なお、使用した光学接着剤の波長１０６４ｎｍの光に対する吸収係数は０．１ｃｍ^−１であり、接着層の厚みは５μｍ以下とした。
上記ファラデー回転子を、貫通穴が設けられた真ちゅう製のホルダーで挟み込み、ホルダー同士を半田で固定した後、円筒形状のＳｍＣｏ磁石の中に半田で固定し、図３に示すファラデー回転子ユニットとした。なお、半田固定に先立ち、真ちゅう製ホルダー、磁石には金めっきを施した。

図２に示すファラデー回転子及びそれを用いたファラデー回転子ユニットの作製について説明する。
まず、液相エピタキシャル法により直径３インチで、波長における透過率が９５％以上のＳＧＧＧ基板の両面にＲＩＧとして（ＢｉＧｄＹｂ）_３Ｆｅ_５Ｏ_１２を育成した。育成後、１１ｍｍ角に切断し、ＳＧＧＧ基板の両面に育成された各ＲＩＧのファラデー回転角が２２．５度になる様に光学研磨を施した。このときの各ＲＩＧの厚みは７０μｍであった。また、両研磨面には１０６４ｎｍの光に対する対接着剤用の無反射コ−トを施した。

次に、実施例１と同様に、上記ＲＩＧの光入出射面にＧａＰ単結晶基板を貼り付けた後、光入出射面が１．５ｍｍ角となるように切断し、ファラデー回転子を得た。
また、実施例１と同様に、ファラデー回転子を貫通穴が設けられた真ちゅう製のホルダーで挟み込み、ホルダー同士を半田で固定した後、円筒形状のＳｍＣｏ磁石の中に半田で固定してファラデー回転子ユニットとした。

（比較例）
ＧａＰ単結晶基板に代えて、Ｃ面サファイア結晶基板を用いたこと以外は実施例１と同様にして、ファラデー回転子およびそれを用いたファラデー回転子ユニットを得た。

（評価）
実施例１、２および比較例のファラデー回転子ユニットの光学評価を行った。
まず、波長が１０６４ｎｍで、光強度が０．１Ｗ、ビーム直径が１ｍｍのＮｄ：ＹＡＧレーザー光を各ファラデー回転子ユニットに入射させ、挿入損失とファラデー回転角を測定した。光強度が０．１Ｗでは、光吸収による発熱量が少なく、ＲＩＧの温度上昇が少ないため、性能劣化が生じない条件である。この条件で測定された挿入損失とファラデー回転角を表１に示すが、いずれのファラデー回転子ユニットも、挿入損失は０．７ｄＢ、ファラデー回転角は４５±１度であった。
次に、入射するＮｄ：ＹＡＧレーザー光強度を３Ｗまで上げて、同様に挿入損失およびファラデー回転角の測定を行った。なお、入射光強度を上げると光吸収によりＲＩＧの温度が上昇し、挿入損失およびファラデー回転角の値は変化していくが、ＲＩＧの温度が一定となり、測定値が定常状態になったときの値を入射光強度が３Ｗのときの測定値とした。同様に測定結果を表１に示す。

ＧａＰ放熱基板を用いた実施例では、サファイア放熱基板を用いた比較例と比べて、挿入損失の増大、ファラデー回転角の低下が抑制されており、特に実施例２ではそれが顕著である。
なお、表１には、光アイソレ−タとしたときに推定されるアイソレーション値も併せて示した。アイソレーション値は、光強度０．１Ｗのときのアイソレーション値を４０ｄＢと仮定し、３Ｗのときのアイソレ−ション値をファラデー回転角の変化から、式１を用いて計算した。実施例１、２では入射光強度が３Ｗでも３０ｄＢを上回っているが、比較例では３０ｄＢを下回ることが推測される。

［式１］

アイソレーション値＝−10・log｛10^(-40/10)＋sin²（ファラデー回転角の変化）｝

実施例１、２および比較例のファラデー回転子ユニットについて、ファラデー回転子ユニットを構成するＲＩＧの温度のシミュレーションを行った結果を図４に示す。挿入損失およびファラデー回転角の実測値から予想されるように、放熱基板にＧａＰ結晶を使用した本発明のファラデー回転子ユニットの場合（曲線：ａ，ｂ）は、放熱基板にサファイア結晶を用いた比較例（曲線：ｃ）に比べて、入射光強度が増大しても温度上昇が抑制されることがわかる。

本発明によるファラデー回転子の一例の断面図である。 本発明の別の態様によるファラデー回転子の断面図である。 本発明によるファラデー回転子ユニットの一例の断面図である。 ファラデー回転子を構成するＲＩＧの温度上昇シミュレーションの結果を示す図である。

符号の説明

１ ビスマス置換型希土類鉄ガーネット結晶（ＲＩＧ）
２ ＧａＰ放熱基板
３ 非磁性ガーネット基板
５ 貫通穴
６，７ ホルダー
８ 円筒磁石
１０，２０ ファラデー回転子
３０ ファラデー回転子ユニット

Claims (8)

1. ビスマス置換型希土類鉄ガーネット結晶の光入出射面の少なくとも一方の面に、ＧａＰからなる放熱基板を接合させてなることを特徴とするファラデー回転子。
2. 透過率が９５％以上の透明な非磁性ガーネット基板の両面にビスマス置換型希土類鉄ガーネット結晶を有し、該ビスマス置換型希土類鉄ガーネット結晶の光入出射面表面にＧａＰからなる放熱基板を接合させてなることを特徴とするファラデー回転子。
3. 前記放熱基板であるＧａＰの不純物濃度が １×１０^１７／ｃｍ^３以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のファラデー回転子。
4. 前記ＧａＰからなる放熱基板の厚さが２００μｍ以上１０００μｍ以下あることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のファラデー回転子。
5. 前記ＧａＰからなる放熱基板の接合が、使用波長の光に対する吸収係数が０．１ｃｍ^−１以下である接着剤を介してなされていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のファラデー回転子。
6. 前記ＧａＰからなる放熱基板の接合が、表面活性化常温接合法によりなされていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のファラデー回転子。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載のファラデー回転子を用いたファラデー回転子ユニットであって、ファラデー回転子の側面および光入出射面における光透過部を除いた部分がヒートシンクで覆われていること特徴とするファラデー回転子ユニット。
8. 前記ヒートシンクがファラデー回転子を支持するホルダーと円筒磁石からなること特徴とする請求項７に記載のファラデー回転子ユニット。