JP2017198776A

JP2017198776A - 光アイソレータ

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Publication number: JP2017198776A
Application number: JP2016087688A
Authority: JP
Inventors: 聡明渡辺; Toshiaki Watanabe
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 2016-04-26
Filing date: 2016-04-26
Publication date: 2017-11-02
Anticipated expiration: 2036-04-26
Also published as: TWI808054B; WO2017187886A1; TW201741727A; CA3020809C; CN118091997A; JP6863683B2; CN109073907A; US20190243168A1; CA3020809A1; US11409144B2

Abstract

【課題】部材との接合信頼性の高い光アイソレータを提供する。
【解決手段】第一偏光子、強磁性体から成るファラデー回転子、第二偏光子の順に接合固定した光アイソレータチップと、該光アイソレータチップに磁界を印加するための磁石とを含む光アイソレータであって、光アイソレータチップの入射端面又は出射端面が、部材に接合固定されており、光アイソレータの光軸上における、磁石の形成する磁束の中心が、ファラデー回転子の光軸上の中心位置よりも、部材に接合固定された端面側に位置しているものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、光通信や光計測で用いられる、ファイバ端やレンズ端からの反射光を光源となるレーザへ戻さないようにする為の光学部品である光アイソレータに関する。

光通信や光計測において、半導体レーザから出た光が、伝送路途中に設けられた部材表面で反射し、半導体レーザに戻ってくると、レーザ発振が不安定になる。この反射戻り光を遮断する為に、偏光面を非相反で回転させるファラデー回転子を用いた光アイソレータが用いられる（例えば、特許文献１等参照）。

光アイソレータは、例えば、スタブの端面に接合固定され、レセプタクルと一体となる場合もある。このような構成の光アイソレータは、半導体レーザモジュール等に組み込まれて使用される。

特開２０１１−１５０２０８号公報

半導体レーザモジュールには、コスト低減、省スペース化、軽量化等の要求があり、モジュールを構成する各部品についても同様にコスト低減、省スペース化、軽量化等が要求される。

また、半導体レーザモジュールの作製時には、ＹＡＧ溶接による温度上昇や衝撃、ＡｕＳｎ半田接合による温度上昇等の影響があり、光アイソレータとスタブ等の部材との接合界面が、剥離、破断することもある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、従来に比べ、コストが低減され、省スペース化され、軽量で、かつ、熱膨張等の影響があっても部材との接合信頼性の高い光アイソレータを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、第一偏光子、強磁性体から成るファラデー回転子、第二偏光子の順に接合固定した光アイソレータチップと、該光アイソレータチップに磁界を印加するための磁石とを含む光アイソレータであって、
前記光アイソレータチップの入射端面又は出射端面が、部材に接合固定されており、
前記光アイソレータの光軸上における、前記磁石の形成する磁束の中心が、前記ファラデー回転子の前記光軸上の中心位置よりも、前記部材に接合固定された端面側に位置している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。

このように、磁石の形成する磁束の中心を、ファラデー回転子の光軸上の中心位置よりも、光アイソレータチップの部材に接合固定された端面側に位置させる構造とすることにより、光アイソレータチップを部材に押し付ける力がはたらくため、部材への接合信頼性の高い光アイソレータとすることができる。また、磁石が小型化されるので、その分、光アイソレータのコストが低減され、省スペース化され、かつ軽量とすることができる。

このとき、前記磁石は、前記部材に接合固定された光アイソレータチップの端面側と同じ側の端部が、前記部材に接合固定されているものとすることができる。

このように、光アイソレータチップと磁石の同じ側の端部を部材に接合固定することにより、光アイソレータを取り付ける部材を簡易な構造とし、光アイソレータの接合信頼性をより高めることができる。

このとき、前記光アイソレータチップが接合固定される部材と前記磁石が接合固定される部材は、一体となって同一部品を構成する部材であることが好ましい。

このように、一体となって同一部品を構成する部材に光アイソレータチップと磁石を接合固定することにより、それらから構成される部品を容易に製造することができ、それらの部品を幅広い用途に適用することができる。

このとき、前記光アイソレータチップが接合固定される部材を、レセプタクルのスタブとすることができる。

このように、光アイソレータチップとレセプタクルのスタブを接合固定すれば、レセプタクルを簡易な構造とすることができ、光アイソレータを接合信頼性のより高いものとすることができる。

このとき、前記磁石が接合固定される部材を、レセプタクルの筐体とすることができる。

このように、光アイソレータチップとレセプタクルの筐体を接合固定すれば、レセプタクルを簡易な構造とすることができ、光アイソレータを接合信頼性のより高いものとすることができる。

本発明によれば、従来に比べ、接合信頼性が高く、かつ、コストが低減され、省スペース化され、さらには、軽量化された光アイソレータを提供することができる。

本発明の光アイソレータの一例を示す概略図（図１（ａ））、及びファラデー回転子の中心と磁束の中心（磁石中心）の関係を示す模式図（図１（ｂ））である（実施例１）。本発明の光アイソレータの別の例を示す概略図（図２（ａ））、及びファラデー回転子の中心と磁束の中心（磁石中心）の関係を示す模式図（図２（ｂ））である（実施例２）。本発明の光アイソレータのさらに別の例を示す概略図（図３（ａ））、及びファラデー回転子の中心と磁束の中心（磁石中心）の関係を示す模式図（図３（ｂ））である（実施例３）。本発明の光アイソレータのさらに別の例を示す概略図（図４（ａ））、及びファラデー回転子の中心と磁束の中心（磁石中心）の関係を示す模式図（図４（ｂ））である（実施例４）。従来の光アイソレータの一例を示す概略図（図５（ａ））、及びファラデー回転子の中心と磁束の中心（磁石中心）の関係を示す模式図（図５（ｂ））である。

以下、本発明について、実施態様の一例として、図を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

図５（ａ）は、従来の光アイソレータを示す概略図である。この光アイソレータ２００は、第一偏光子３、強磁性体からなるファラデー回転子４、第二偏光子５をこの順に接合固定した光アイソレータチップ７と、この光アイソレータチップ７に磁界を印加する磁石６２を有している。この磁石６２は、光アイソレータチップ７を取り囲む円筒形の形状である。光アイソレータ２００の光アイソレータチップ７の左端（入射端面又は出射端面）と磁石６２の左端がそれぞれ、金属ホルダ１１に接合固定されている。

光アイソレータ２００の光軸は、円筒形の磁石６２の中心軸と一致している。磁石６２の左右端部の間には磁束が形成され、光軸上における磁束の中心を、磁石中心と定義する。図５（ｂ）には、部材（金属ホルダ１１）に接合固定された従来の光アイソレータ２００における、磁束の中心（磁石中心）とファラデー回転子４の光軸上の中心位置（以下、図ではＦＲ中心と表記する）の関係が示されている。従来の光アイソレータ２００では、磁束の中心（磁石中心）はファラデー回転子４の光軸上の中心位置よりも右側、すなわち、金属ホルダ１１との接合端面側とは反対側に位置していた。また、図５（ｂ）では、磁石６２の金属ホルダ１１への接着点（図では磁石接着点と表記する）及び光アイソレータチップ７の金属ホルダ１１への接着点（図ではチップ接着点と表記する）も併せて示してある。

磁石６２が形成する磁界内に置かれたファラデー回転子４には、磁石６２から磁力が作用する。ファラデー回転子４の光軸上の中心位置では磁束の中心（磁石中心）に向かう力がはたらく。すなわち、図５（ａ）に示された構造では、金属ホルダ１１と光アイソレータチップ７を引き離す力がはたらく（図５（ｂ）の太線矢印を参照）。このため、金属ホルダ１１と光アイソレータチップ７の間で剥離や破断が発生しやすくなる。また、光アイソレータ２００が高温環境に置かれると、光アイソレータチップ７を金属ホルダ１１に接着している接着剤が軟化して固定が不安定になったり、材質による熱膨張率の差により接合部分で応力が発生するなどして、特に剥離や破断が発生しやすい。

次に、本発明の光アイソレータの一例を示す概略図（図１（ａ））、及びファラデー回転子の中心と磁束の中心（磁石中心）の関係を示す模式図（図１（ｂ））を参照して、本発明の光アイソレータの構成について以下で説明する。

図１（ａ）に示す本発明の光アイソレータ１１０は、第一偏光子３、強磁性体から成るファラデー回転子４、第二偏光子５の順に接合固定した光アイソレータチップ７と、この光アイソレータチップ７に磁界を印加するための磁石１２とを有している。光アイソレータチップ７の入射端面又は出射端面が、金属ホルダ１１に接合固定されている。そして、図１（ｂ）に示すように、光アイソレータ１１０の光軸上における、磁石１２の形成する磁束の中心（磁石中心）が、ファラデー回転子４の光軸上の中心位置（ＦＲ中心）よりも、金属ホルダ１１に接合固定された端面側に位置している。

このように、磁束の中心（磁石中心）を、ファラデー回転子４の光軸上の中心位置よりも、光アイソレータチップ７の接合固定された端面側に位置させる構造とすることにより、光アイソレータチップ７を金属ホルダ１１に常に押し付ける力がはたらくため（図１（ｂ）の太線矢印参照）、光アイソレータ１１０の部材（金属ホルダ１１）への接合信頼性を極めて高くすることができる。また、磁石寸法を短尺化することができるため、コスト低減、省スペース化、軽量化することが可能となる。

ファラデー回転子４の中心にはたらく力は、図１（ａ）において、ファラデー回転子４に対して左右方向に作用する力のバランスにより決まる。そして、磁束の中心（磁石中心）とファラデー回転子４の光軸上の中心位置が一致する場合には、左右方向に作用する力はほぼ等しくなり、左右のいずれの方向にもほとんど力がはたらかない。換言すれば、磁束の中心（磁石中心）とファラデー回転子４の光軸上の中心位置が一致していない場合には、ファラデー回転子４の光軸上の中心位置を磁束の中心（磁石中心）に近づけようとする力がはたらくことになる。上述した光アイソレータチップ７を金属ホルダ１１に押し付ける力は、このような力である。

また、磁石１２は、金属ホルダ１１に接合固定された光アイソレータチップ７の端面側と同じ側の端部が、金属ホルダ１１に接合固定されているものとすることができる。このように、光アイソレータチップ７と磁石１２の同じ側の端部を金属ホルダ１１に接合固定することにより、光アイソレータ１１０を取り付ける部材を簡易な構造とし、光アイソレータの接合信頼性（接合安定性）をより高めることができる。

図１を参照して説明した本発明の光アイソレータ１１０では、光アイソレータチップ７と磁石１２は、同一部材に接合固定されるが、本発明はこれに限定されず、図３（ａ）に示すように、一体となって同一部品を構成する部材に接合固定することもできる。例えば、光アイソレータチップが接合固定される部材を、レセプタクルのスタブとし、磁石が接合固定される部材を、レセプタクルの筐体とすることができる。

具体的には、図３（ａ）のように、本発明の光アイソレータの上述したのとは別の例の概略図が示され、図３（ｂ）はファラデー回転子の中心と磁束の中心（磁石中心）の関係を示す模式図である。図３（ａ）に示す態様では、光アイソレータチップ７が接合固定される部材を、レセプタクルのスタブ３１とすることができる。また、磁石３２が接合固定される部材を、レセプタクルの筐体３３とすることができる。このような構造とすることにより、レセプタクルを簡易な構造とすることができ、光アイソレータ１３０の接合信頼性をより高めることができる。

また、図３（ａ）においても、磁束の中心（磁石中心）は、ファラデー回転子４の光軸上の中心位置よりも、光アイソレータチップ７の接合固定された端面側に位置している。このため、図３（ｂ）に示すように、光アイソレータチップ７（ファラデー回転子４）をレセプタクルのスタブ３１に押し付ける力がはたらき、光アイソレータの接合信頼性が向上する。

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）
図１（ａ）に示す光アイソレータを以下のようにして作製した。まず、ファラデー回転子４として、（ＴｂＥｕ）_２Ｂｉ_１Ｆｅ_４．８Ｇａ_０．２Ｏ_１２を用いて、波長１５５０ｎｍの光に対して、２５℃でファラデー回転角度が４５ｄｅｇになるように研磨加工し（長さ０．６０ｍｍ）、さらに両端面に対エポキシのＡＲコート膜を施した。

次に、入射面側および出射面側に対空気のＡＲコート膜を施した偏光ガラス（第二偏光子５、第一偏光子３）を準備し、ファラデー回転子４にエポキシ接着剤で接合固定した。これを、０．８ｍｍ□（一辺０．８ｍｍの正方形断面を有する）に切断加工して、光アイソレータチップ７とした。

そして、金属ホルダ（第１の部材）１１に、光アイソレータチップ７の出射端面とＳｍＣｏ磁石１２（外径２ｍｍ、内径１．３ｍｍ、長さ０．４ｍｍ）を接着固定して光アイソレータ１１０を作製した。このとき、図１（ｂ）に示すように、磁石１２の形成する光軸上の磁束の中心（磁石中心）は、ファラデー回転子４の光軸上の中心位置（ＦＲ中心）よりも、出射端面側（左側）に位置している。また、作製した光アイソレータ１１０の順方向挿入損失は０．１４ｄＢ、アイソレーションは４３ｄＢであった。

実施例１の光アイソレータ１１０では、比較例１の（後述する）光アイソレータと比較して、磁石の重量、体積、コストを、それぞれ約４／１５に低減できた。

また、この光アイソレータ１１０をレーザモジュールに組み込む工程において、温度２６０℃で１時間経過した際も、光アイソレータチップ７と金属ホルダ１１の接着部に異常は見られなかった。

（実施例２）
図２（ａ）に示す光アイソレータを以下のようにして作製した。まず、光アイソレータチップ７を実施例１と同様にして作製した。そして、円盤状の金属ホルダ（第２の部材）２１に、光アイソレータチップ７の出射端面とＳｍＣｏ磁石２２（外径２ｍｍ、内径１．３ｍｍ、長さ０．６ｍｍ）を接着固定して、実施例１と同様にして光アイソレータ１２０を作製した。実施例２では、金属ホルダの形状及びＳｍＣｏ磁石の大きさが、実施例１とは異なっている。

このとき、図２（ｂ）に示すように、磁石２２の形成する光軸上の磁束の中心は、ファラデー回転子４の光軸上の中心位置（ＦＲ中心）よりも、出射端面側（左側）に位置している。また、作製した光アイソレータ１２０の順方向挿入損失は０．１６ｄＢ、アイソレーションは４２ｄＢであった。

実施例２の光アイソレータ１２０では、後述の比較例１の光アイソレータと比較して、磁石の重量、体積、コストを、それぞれ約６／１５に低減できた。

また、この光アイソレータ１２０をレーザモジュールに組み込む工程において、温度２６０℃で１時間経過した際も、光アイソレータチップ７と円盤状の金属ホルダ２１の接着端部に異常は見られなかった。

（実施例３）
図３（ａ）に示す光アイソレータを以下のようにして作製した。まず、光アイソレータチップ７を実施例１と同様にして作製した。そして、レセプタクルのスタブ（第３の部材）３１に光アイソレータチップ７の出射端面を接着固定し、また、レセプタクル筐体（第４の部材）３３にＳｍＣｏ磁石３２（外径２ｍｍ、内径１．３ｍｍ、長さ０．８ｍｍ）を接着固定して、光アイソレータ１３０を作製した。実施例３では、光アイソレータチップ７が接合固定される部材と磁石３２が接合固定される部材とが一体となって同一部品を構成する部材であり、光アイソレータチップ７が接合固定される部材（スタブ３１）の端面が光軸に対して傾斜している点において、実施例１及び２とは異なっている。

このとき、図３（ｂ）に示すように、磁石３２の形成する光軸上の磁束の中心は、ファラデー回転子４の光軸上の中心位置（ＦＲ中心）よりも、出射端面側（左側）に位置している。また、作製した光アイソレータ１３０の順方向挿入損失は０．１５ｄＢ、アイソレーションは４３ｄＢであった。

実施例３の光アイソレータ１３０では、比較例１の光アイソレータと比較して、磁石の重量、体積、コストを、それぞれ約８／１５に低減できた。

また、この光アイソレータ１３０をレーザモジュールに組み込む工程において、温度１５０℃で１０時間経過した際も、光アイソレータチップ７とスタブ３１の接着部に異常は見られなかった。

（実施例４）
図４（ａ）に示すように、本実施例では、図３（ａ）に示す実施例３の光アイソレータ１３０と比べて、光アイソレータチップ７の入射端面が磁石や部材の端面の位置から外側に突出しないように、レセプタクルの筐体４３の一端を延伸させている。ＳｍＣｏ磁石４２はＳｍＣｏ磁石３２と同様のものであり、レセプタクルのスタブ４１はレセプタクルのスタブ３１と同様のものである。

これによって、レーザモジュールに組み込み時に、光アイソレータチップ７の端面が、レンズ筐体等に当たって欠け等を発生させる可能性を回避することができる。

（比較例１）
図５（ａ）に示す光アイソレータを以下のようにして作製した。まず、ファラデー回転子４として、（ＴｂＥｕ）_２Ｂｉ_１Ｆｅ_４．８Ｇａ_０．２Ｏ_１２を用いて、波長１５５０ｎｍの光に対して、２５℃でファラデー回転角度が４５ｄｅｇになるように研磨加工し（長さ０．６０ｍｍ）、さらに両端面に対エポキシのＡＲコート膜を施した。

次に、入射面側および出射面側に対空気のＡＲコート膜を施した偏光ガラス（第二偏光子５、第一偏光子３）を準備し、ファラデー回転子４にエポキシ接着剤で接合固定した。これを、０．８ｍｍ□に切断加工して、光アイソレータチップ７とした。

そして、金属ホルダ１１に、光アイソレータチップ７の出射端面とＳｍＣｏ磁石６２（外径２ｍｍ、内径１．３ｍｍ、長さ１．５ｍｍ）を接着固定して光アイソレータ２００を作製した。このとき、光アイソレータチップ７の入射端面は、磁石６２の金属ホルダ１１に接合固定されていない端部から突出しない構造であることが一般的である。また、磁石６２の形成する光軸上の磁束の中心（磁石中心）は、ファラデー回転子４の光軸上の中心位置（ＦＲ中心）よりも、入射端面側（右側）に位置している。また、作製した光アイソレータ２００の順方向挿入損失は０．１５ｄＢであり、アイソレーションは４２ｄＢであった。

この光アイソレータ２００をレーザモジュールに組み込む工程において、温度１５０℃で１０時間経過した際に、光アイソレータチップ７と金属ホルダ１１の接着部が破断、剥離した。

これは、光アイソレータ２００が高温になりエポキシ接着剤が軟化した際に、磁性体であるファラデー回転子４に対して、磁束の中心（磁石中心）方向に力がはたらいたためであると考えられる（図５（ｂ）を参照）。

また、比較例１では、実施例１〜４と比較して磁石の重量及び体積が大きいため光アイソレータの小型化（省スペース化、軽量化）と低コスト化が困難であった。

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。

３…第一偏光子、４…ファラデー回転子、５…第二偏光子、
７…光アイソレータチップ、１１…金属ホルダ、
１２、２２、３２、４２、６２…磁石、
２１…円盤状の金属ホルダ、
３１、４１…レセプタクルのスタブ、３３、４３…レセプタクルの筐体、
１１０、１２０、１３０…本発明の光アイソレータ、
２００…従来の光アイソレータ。

Claims

第一偏光子、強磁性体から成るファラデー回転子、第二偏光子の順に接合固定した光アイソレータチップと、該光アイソレータチップに磁界を印加するための磁石とを含む光アイソレータであって、
前記光アイソレータチップの入射端面又は出射端面が、部材に接合固定されており、
前記光アイソレータの光軸上における、前記磁石の形成する磁束の中心が、前記ファラデー回転子の前記光軸上の中心位置よりも、前記部材に接合固定された端面側に位置しているものであることを特徴とする光アイソレータ。
前記磁石は、前記部材に接合固定された光アイソレータチップの端面側と同じ側の端部が、前記部材に接合固定されているもの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。
前記光アイソレータチップが接合固定される部材と前記磁石が接合固定される部材は、一体となって同一部品を構成する部材であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光アイソレータ。
前記光アイソレータチップが接合固定される部材が、レセプタクルのスタブであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の光アイソレータ。
前記磁石が接合固定される部材が、レセプタクルの筐体であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の光アイソレータ。