JP2018205586A - 光アイソレータ及び半導体レーザモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、小型で低コストの１．５段型光アイソレータを提供することを目的とする。【解決手段】順方向において、入射光と出射光の偏光方向が平行となる光アイソレータであって、光の透過経路上には、第１ファラデー回転子、第１偏光子、第２ファラデー回転子、第２偏光子が順に配置され、第１ファラデー回転子と第２ファラデー回転子に対して、同一方向の磁場が印加されるように磁石が配置され、第１ファラデー回転子と第２ファラデー回転子におけるファラデー回転方向が逆方向であることを特徴とする光アイソレータ。【選択図】図１

Description

本発明は、光通信や光計測で用いられ、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ための光学部品である光アイソレータ及びそれを用いた半導体レーザモジュールに関する。

光通信や光計測において、光源となる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からの反射によって半導体レーザに戻ってくると、レーザ発振が不安定になってしまう。このような反射戻り光を遮断するために、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使用される。

近年、光通信で使用される半導体レーザモジュールには、発振波長域が広い波長可変レーザ光源が用いられることが増えてきている。波長可変レーザ光源に対して使用される光アイソレータには、広い波長域で、高いアイソレーション機能を発揮することが求められる。

また、従来、波長可変レーザ光源を用いる場合は、光アイソレータを温度調節器（ペルチエ素子）上に配置し、波長安定性を高める方法がとられていたが、省電力化の観点から温度調節器は使用されなくなってきており、さらに、モジュール内部の温度も高く設定されることが増えてきている。そのため、波長可変レーザ光源に対して使用される光アイソレータには、広い温度域に対応することも求められている。

このような要求から、一般に、波長可変レーザ光源を用いたモジュールや高い信頼性が求められる用途には、１．５段型光アイソレータや２段型光アイソレータが使用されている。１．５段型光アイソレータは、図５に示すように、光の透過経路上（図中の符号Ｘ）に、第１偏光子５１、第１ファラデー回転子５２、第２偏光子５３、第２ファラデー回転子５４、第三偏光子５５及び１／２波長板５６を順に配置し、その周囲に磁石５７，５８を配置した構成を有する光アイソレータ５０である。図５中の光の透過経路上のａ’〜ｇ’の各箇所における光の偏光方向を表した図が図６である。なお、図６の各ａ’〜ｇ’中の矢印は、光の入射側から見た偏光方向を示すものである。

図６において、例えば、垂直方向に偏光した入射光は、第１偏光子５１、第１ファラデー回転子５２、第２偏光子５３、第２ファラデー回転子５４及び第三偏光子５５を透過する過程で水平方向に偏光した光となる。その後、１／２波長板５６によって偏光面は９０°回転され、入射光と出射光との偏光方向は同一となる。

なお、半導体レーザモジュールでは、半導体レーザチップ、光アイソレータ、導波路型変調器の順に配置される場合が多い。半導体レーザチップは出射偏光方向依存性があり、導波路型変調は入射偏光方向依存性があるため、その間に配置される光アイソレータの入射光と出射光の偏光方向は一致させる必要がある。

特開２００４−２３３３８５号公報

このような１．５段型光アイソレータには、高いアイソレーション機能とともに、小型化、低価格化の要求もあり、改良技術が求められている。

これに対して、特許文献１では、極性が反対となるように２個の磁石を配置し、１／２波長板を用いない構成とする反発型の１．５段型光アイソレータが提案されている。しかしながら、この方法では、２個の磁石が互いに反発するため、組み立てが難しくなり、磁石の固定にも高い信頼性が必要となる。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、小型で低コストの１．５段型光アイソレータ及びこれを用いた半導体レーザモジュールを提供することを目的とする。

本発明者は、上記目的を達成するため鋭意検討を行った結果、順方向において入射光と出射光の偏光方向が平行となる光アイソレータについて、光の透過経路上に、第１ファラデー回転子、第１偏光子、第２ファラデー回転子及び第２偏光子を順に配置すると共に、第１ファラデー回転子と第２ファラデー回転子に対して同一方向の磁場が印加されるように磁石を配置し、この同一方向の磁場を印加する際、第１ファラデー回転子と第２ファラデー回転子とのファラデー回転方向が互いに逆方向となるように第１ファラデー回転子及び第２ファラデー回転子の材料等を選択・調整することにより、従来の１．５段型光アイソレータに比べて、１個の偏光子と１／２波長板との２個の構成部材が不要となり、小型で低コスト、かつ、広い波長域、温度域において高いアイソレーション機能を発揮することを見出し、本発明を完成するに至ったものである。

従って、本発明は、下記の光アイソレータ及びこれを用いた半導体レーザモジュールを提供する。
〔１〕
順方向において、入射光と出射光の偏光方向が平行となる光アイソレータであって、
光の透過経路上には、第１ファラデー回転子、第１偏光子、第２ファラデー回転子、第２偏光子が順に配置され、
第１ファラデー回転子と第２ファラデー回転子に対して、同一方向の磁場が印加されるように磁石が配置され、
第１ファラデー回転子と第２ファラデー回転子におけるファラデー回転方向が逆方向であることを特徴とする光アイソレータ。
〔２〕
上記磁石は、両端が異極に着磁された磁石であって、上記第１ファラデー回転子、第１偏光子、第２ファラデー回転子、第２偏光子の周囲に配置されている〔１〕記載の光アイソレータ。
〔３〕
上記第１ファラデー回転子、第１偏光子、第２ファラデー回転子、第２偏光子は、平板状基台の平面上に設置され、
第２偏光子の透過偏光方向は、基台の設置平面に対して平行である〔１〕又は〔２〕記載の光アイソレータ。
〔４〕
順方向における、上記第１ファラデー回転子の入射面が、光軸に対して傾斜している〔１〕〜〔３〕のいずれかに記載の光アイソレータ。
〔５〕
半導体レーザチップ、上記〔１〕〜〔４〕のいずれかに記載の光アイソレータ、及び導波路型変調器を含んで構成されることを特徴とする半導体レーザモジュール。

本発明の光アイソレータによれば、従来の１．５段型光アイソレータに比べて、１個の偏光子と１／２波長板の２個の構成部材が不要となるので、小型で低コスト、かつ、広い波長域、温度域において高いアイソレーション機能を発揮する光アイソレータを提供することが可能となる。

本発明の一実施態様を示す光アイソレータの概略図である。 図１の光アイソレータを透過する光の偏光方向を表す概念図であり、（Ａ）は順方向、（Ｂ）は逆方向における図である。 本発明の別の実施態様を示す光アイソレータの概略平面図である。 図３の光アイソレータの概略正面図である。 従来の１．５段型光アイソレータの概略図である。 図５の光アイソレータを透過する光の偏光方向を表す概念図であり、（Ａ）は順方向、（Ｂ）は逆方向における図である。

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。

本発明の光アイソレータは、順方向において、入射光と出射光の偏光方向が平行となるものである。このような光アイソレータは、出射偏光方向依存性がある半導体レーザチップと入射偏光方向依存性がある導波路型変調との間に配置される場合などに好ましく用いられる。

先ず、本発明の光アイソレータの構成について、図１及び図２を参照して以下で説明する。

図１は本発明の光アイソレータを示す概略図である。図１に示されるように、本発明の光アイソレータ１０は、光の透過経路上（図中の符号Ｘ）には、第１ファラデー回転子１２、第１偏光子１３、第２ファラデー回転子１４及び第２偏光子１５が順に配置される。また、第１ファラデー回転子１２と第２ファラデー回転子１４に対しては、同一方向の磁場が印加されるように磁石１７，１８が配置されており、第１ファラデー回転子１２と第２ファラデー回転子１４におけるファラデー回転方向が逆方向となるようにしたものである。図１中の光の透過経路上のａ〜ｅの各箇所における光の偏光方向を表した図が図２（Ａ），（Ｂ）である。図２の各ａ〜ｅ中の矢印は、光の入射側から見た偏光方向を示すものである。

このような構成とすれば、図２（Ａ）に示すように、特定の方向に偏光した入射光（図中符号ａ）は、第１ファラデー回転子１２により偏光面が４５°回転する（図中符号ｂ）。次に、第１ファラデー回転子１２により偏光面が回転した光を透過するように第１偏光子１３を透過する（図中符号ｃ）。続いて、第２ファラデー回転子１４により偏光面が、第１ファラデー回転子１２によるファラデー回転方向とは逆方向に４５°回転する（図中符号ｄ）。さらに、第２ファラデー回転子１４により偏光面が回転した光を透過するように第２偏光子１５を透過して（図中符号ｅ）、光アイソレータから出射する。このとき出射光の偏光方向は、入射光の偏光方向と平行となる。

また、逆方向の戻り光は、図２（Ｂ）に示すように、先ず、第２偏光子１４によって、特定の方向に偏光した光のみが透過する（図中符号ｄ）。次に、第２ファラデー回転子１４によって、続く第１偏光子１３において透過可能な偏光方向とは異なる方向に回転する（図中符号ｃ）。このため、第１偏光子１３では戻り光が透過できず、遮断されることになる（図中符号ｂ）。

なお、この第１偏光子１３を透過できる戻り光があった場合でも、第１ファラデー回転子１２により偏光面が回転し、入射光の偏光方向に対して垂直方向となる（図中符号ａ）。半導体レーザチップは、出射レーザ光の偏光方向と同一な方向に偏光した戻り光に対して影響を受けやすいが、直交する方向に偏光した戻り光に対しては影響が小さいという性質がある。そのため、本発明の光アイソレータは、半導体レーザチップと共に用いられることが好ましい。

本発明の光アイソレータを、図５に示される従来の１．５段型光アイソレータと比較すると、本発明の光アイソレータは１個の偏光子と１／２波長板との構成部材を用いていないため、低コストで作製することができ、小型化も可能となる。

本発明の光アイソレータは、同一方向の磁場が印加されたときに、第１ファラデー回転子と第２ファラデー回転子におけるファラデー回転方向が逆方向となるため、第１ファラデー回転子と第２ファラデー回転子とは、互いに異なる材料を用いる。例えば、第１ファラデー回転子の材料として、（ＧｄＢｉ）₃（ＦｅＧａ）₅Ｏ₁₂を用い、第２ファラデー回転子の材料として、（ＴｂＥｕＢｉ）₃（ＦｅＧａ）₅Ｏ₁₂を用いることができる。上記の第１ファラデー回転子と第２ファラデー回転子との材料を入れ替えてもよい。

上記ファラデー回転子の材料は、ファラデー効果を示す材料であれば特に限定されないが、上記のほか、例えば、イットリウム鉄ガーネット（Ｙ₃Ｆｅ₅Ｏ₁₂）、ファラデー回転ガラス、テルビウムガリウムガーネット（Ｔｂ₃Ｇａ₅Ｏ₁₂）等が挙げられ、これらは単結晶でも多結晶でよい。また、上記ファラデー回転子の材料は、ファラデー回転子を短くすることができる観点から、使用波長域においてファラデー回転係数又はベルデ定数の大きな材料を用いることが好ましい。さらに、広い波長域や温度域に対応するため、ファラデー回転係数又はベルデ定数の波長依存性や温度依存性が小さい材料を用いる方が好ましい。

上記ファラデー回転子の回転角度（旋光度）は、ファラデー回転子のファラデー回転係数又はベルデ定数、ファラデー回転子の長さ、磁場の強さによって決定することができる。第１ファラデー回転子及び第２ファラデー回転子において、ファラデー回転角度が４５°となるときが最もアイソレーション機能が高くなる。使用する波長と温度とが一定の場合には、ファラデー回転の回転角度が４５°となるようにファラデー回転子の長さや磁場の強さを決定すればよいが、波長可変レーザ光源を用いる場合や温度が変動する場合は、その使用波長域や使用温度域全体で、アイソレーション機能が安定して高くなるように設計することが好適である。

本発明で用いられる第１偏光子と第２偏光子については、その偏光子の種類は特に限定されず、第１偏光子と第２偏光子とは、互いに異なる種類の偏光子を用いてもよく、或いは、同一の偏光子を用いてもよい。光アイソレータに用いられる偏光子の種類としては、偏光ガラス、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）、複屈折性結晶を用いたプリズム型偏光子、ワイヤーグリッド型偏光子等が挙げられる。中でも、偏光ガラスは、光路長を短縮できるため好ましい。

前述したように、第１偏光子は、第１ファラデー回転子により偏光面が回転した光を透過するように設置される。また、第２偏光子は、第２ファラデー回転子により偏光面が回転した光を透過するように設置される。なお、ファラデー回転角度は使用波長や温度によって変動するため、ここでは、一部の偏光成分が透過すればよい。また、第１偏光子と第２偏光子の透過偏光方向は、相対的に４５°異なるようにすることが好ましい。

本発明に用いる磁石の種類は特に限定されず、ＳｍＣｏ磁石、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石、射出成型磁石等を用いることができる。なかでもＳｍＣｏ磁石は、キュリー温度が高く、錆びにくいため好ましい。また、その形状も限定されない。

前述したように、磁石は、第１ファラデー回転子及び第２ファラデー回転子に対して、同一方向の磁場が印加されるように配置されるものである。本発明で使用される磁石の個数は１個であっても複数個でもよく、第１ファラデー回転子及び第２ファラデー回転子には、別の磁石によって磁場を印加してもよい。

上記磁石は、両端が異極に着磁された磁石であって、第１ファラデー回転子、第１偏光子、第２ファラデー回転子及び第２偏光子の周囲に配置されていることが好適である。例えば、円筒状の磁石の内部に、第１ファラデー回転子、第１偏光子、第２ファラデー回転子及び第２偏光子が配置されていてもよく、或いは、複数個の棒状又は平板状の磁石を、第１ファラデー回転子、第１偏光子、第２ファラデー回転子及び第２偏光子の周囲に配置してもよい。

第１ファラデー回転子、第１偏光子、第２ファラデー回転子及び第２偏光子は、平板状基台の平面上に設置されてもよい。例えば、図３に示す光アイソレータ１０は、第１ファラデー回転子１２、第１偏光子１３、第２ファラデー回転子１４及び第２偏光子１５が平板状基台１９の平面上に設置されている。このようにすれば、光アイソレータを半導体レーザモジュール内に設置する際に、接合歪みによる特性劣化を防ぐことができるので好適である。また、図４に示すように、第２偏光子１５の透過偏光方向は、基台１９の設置平面１９ａに対して平行であることが好ましい。このようにすれば、入射偏光方向依存性がある導波路型変調器等と併せて使用する際に、組み込みが容易となる。

本発明では、順方向において、第１ファラデー回転子の入射面が、光軸に対して傾斜していることが好ましい。このようにすれば、第１ファラデー回転子表面に形成した対空気ＡＲコートにおける残存反射の影響を低減することができ有利である。

本発明の光アイソレータは、半導体レーザチップ及び導波路型変調を一体とした半導体レーザモジュールとして用いることができる。この半導体レーザモジュールにおいては、半導体レーザチップ、光アイソレータ、導波路型変調器の順に配置されることが好ましい。

以下、実施例及び比較例を示し、本発明を具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に制限されるものではない。

〈実施例１〉
第１ファラデー回転子として（ＧｄＢｉ）₃（ＦｅＧａ）₅Ｏ₁₂結晶を、第２ファラデー回転子として（ＴｂＥｕＢｉ）₃（ＦｅＧａ）₅Ｏ₁₂結晶を選択した。これらの材料は、同一方向の磁場を印加した際に、ファラデー回転は逆方向となる。また、第１偏光子及び第２偏光子として、偏光ガラス（コーニング社製ポーラコア）を用いた。

第１ファラデー回転子として、１１．０ｍｍ×１１．０ｍｍの（ＧｄＢｉ）₃（ＦｅＧａ）₅Ｏ₁₂結晶を準備し、片面には対空気ＡＲ（反射防止）コートを、もう一方の面には対接着剤ＡＲコートを施した。この（ＧｄＢｉ）₃（ＦｅＧａ）₅Ｏ₁₂結晶の対接着剤ＡＲコートを施した側に、第１偏光子を、接着剤を介して貼り付けた。この第１偏光子の大きさは、１１．０ｍｍ×１１．０ｍｍ×０．２ｍｍであり、その両面には対接着剤ＡＲコートを施してある。さらに、第１偏光子には、第２ファラデー回転子として、１１．０ｍｍ×１１．０ｍｍの（ＴｂＥｕＢｉ）₃（ＦｅＧａ）₅Ｏ₁₂結晶を、接着剤を介して貼り付けた。この結晶の両面には対接着剤ＡＲコートを施してある。

一方、片面には対空気ＡＲ（反射防止）コートを、もう一方の面には対接着剤ＡＲコートを施した１１．０ｍｍ×１１．０ｍｍ×０．２ｍｍの第２偏光子を準備した。この第２偏光子の対接着剤ＡＲコートを施した側を、第２ファラデー回転子に接着剤を介して貼り付けた。

第１ファラデー回転子、第１偏光子、第２ファラデー回転子、第２偏光子を貼り合せたものを、１．０ｍｍ×１．０ｍｍサイズに切断して、光学素子を作製した。作製した光学素子を平板状の基台の平面上に配置し、さらに、光学素子の周囲に、棒状のＳｍＣｏ磁石を二個配置して、第１ファラデー回転子と第２ファラデー回転子に対して、同一方向の磁場が印加されるようにして、光アイソレータを作製した。

なお、ここでは、温度２５℃、波長１５５０ｎｍで、第１ファラデー回転子及び第２ファラデー回転子におけるファラデー回転角度が４５°となるように、ファラデー回転子の長さ、磁場の強さを設定している。また、第１偏光子と第２偏光子の透過偏光方向は、相対的に４５°異なっている。

作製した光アイソレータの順方向における挿入損失は０．２５ｄＢであった。アイソレーションを評価するため、第２偏光子の透過偏光方向と同一方向の偏光を逆方向から入射した。第１ファラデー回転子透過後の偏光状態を確認するため、偏光板を回転させてその透過光を測定した。その結果、透過光の水平方向〔図２（Ｂ）の符号ａに示す矢印に垂直方向〕成分は−５５ｄＢ、垂直方向〔図２（Ｂ）の符号ａに示す矢印と同一方向〕成分は−４８ｄＢであった。

実施例１の光アイソレータは、従来の１．５段型光アイソレータ（比較例１）と比較して、アイソレーション機能は同等でありながら、光軸方向について、約０．３ｍｍ（偏光子：０．２ｍｍ、１／２波長板：約０．１ｍｍ）の短尺化が可能となる。また、偏光子１枚と１／２波長板１枚分のコストを削減することができる。

〈比較例１〉
ファラデー回転子として（ＴｂＥｕＢｉ）₃（ＦｅＧａ）₅Ｏ₁₂結晶を選択した。また、偏光子として、偏光ガラス（コーニング社製ポーラコア）を用いた。

片面には対空気ＡＲ（反射防止）コートを、もう一方の面には対接着剤ＡＲコートを施した１１．０ｍｍ×１１．０ｍｍ×０．２ｍｍの第１偏光子を準備した。この第１偏光子の対接着剤ＡＲコートを施した側に、第１ファラデー回転子として、１１．０ｍｍ×１１．０ｍｍの（ＴｂＥｕＢｉ）₃（ＦｅＧａ）₅Ｏ₁₂結晶を、接着剤を介して貼り付けた。この結晶の両面には対接着剤ＡＲコートを施してある。

第１ファラデー回転子には、１１．０ｍｍ×１１．０ｍｍ×０．２ｍｍの第２偏光子を、接着剤を介して貼り付けた。第２偏光子の両面には対接着剤ＡＲコートを施してある。さらに、第２偏光子には、第２ファラデー回転子として、１１．０ｍｍ×１１．０ｍｍの（ＴｂＥｕＢｉ）₃（ＦｅＧａ）₅Ｏ₁₂結晶を、接着剤を介して貼り付けた。この結晶の両面には対接着剤ＡＲコートを施してある。

第２ファラデー回転子には、１１．０ｍｍ×１１．０ｍｍ×０．２ｍｍの第三偏光子を、接着剤を介して貼り付けた。第２偏光子の両面には対接着剤ＡＲコートを施してある。
一方、片面には対空気ＡＲ（反射防止）コートを、もう一方の面には対接着剤ＡＲコートを施した１１．０ｍｍ×１１．０ｍｍ×０．０９ｍｍの水晶１／２波長板を準備した。この水晶１／２波長板の対接着剤ＡＲコートを施した側を、第三偏光子に接着剤を介して貼り付けた。

第１偏光子、第１ファラデー回転子、第２偏光子、第２ファラデー回転子、第三偏光子、１／２波長板を貼り合せたものを、１．０ｍｍ×１．０ｍｍサイズに切断して、光学素子を作製した。作製した光学素子の周囲に、棒状のＳｍＣｏ磁石を二個配置して、第１ファラデー回転子と第２ファラデー回転子に対して、同一方向の磁場が印加されるようにして、光アイソレータを作製した。

なお、ここでは、温度２５℃、波長１５５０ｎｍで、第１ファラデー回転子及び第２ファラデー回転子におけるファラデー回転角度が４５°となるように、ファラデー回転子の長さ、磁場の強さを設定している。

作製した光アイソレータの順方向における挿入損失は０．２８ｄＢであった。アイソレーションを評価するため、第２偏光子の透過偏光方向と同一方向の偏光を逆方向から入射して、透過光を測定したところ−５４．５ｄＢであった。

１０ 光アイソレータ
１２ 第１ファラデー回転子
１３ 第１偏光子
１４ 第２ファラデー回転子
１５ 第２偏光子
１７，１８ 磁石
１９ 基台

Claims (5)

1. 順方向において、入射光と出射光の偏光方向が平行となる光アイソレータであって、
   光の透過経路上には、第１ファラデー回転子、第１偏光子、第２ファラデー回転子、第２偏光子が順に配置され、
   第１ファラデー回転子と第２ファラデー回転子に対して、同一方向の磁場が印加されるように磁石が配置され、
   第１ファラデー回転子と第２ファラデー回転子におけるファラデー回転方向が逆方向であることを特徴とする光アイソレータ。
2. 上記磁石は、両端が異極に着磁された磁石であって、上記第１ファラデー回転子、第１偏光子、第２ファラデー回転子、第２偏光子の周囲に配置されている請求項１記載の光アイソレータ。
3. 上記第１ファラデー回転子、第１偏光子、第２ファラデー回転子、第２偏光子は、平板状基台の平面上に設置され、
   第２偏光子の透過偏光方向は、基台の設置平面に対して平行である請求項１又は２記載の光アイソレータ。
4. 順方向における、上記第１ファラデー回転子の入射面が、光軸に対して傾斜している請求項１〜３のいずれか１項記載の光アイソレータ。
5. 半導体レーザチップ、上記請求項１〜４のいずれか１項記載の光アイソレータ、及び導波路型変調器を含んで構成されることを特徴とする半導体レーザモジュール。

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