JP3862867B2 - 光アイソレータとその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光回路部品として使用され、順方向には光を透過するが逆方向には透過しない光アイソレータおよびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光通信システムで、半導体レーザーから発した光はレンズを介して光ファイバ端面に投影され伝送されるが、一部の光はレンズや光ファイバの端面で表面反射して半導体レーザーまで戻り、ノイズとなってしまう。この戻り光を除去するために光アイソレータが使用される。光アイソレータは、偏光子、ファラデー回転子および検光子により構成されている。
【０００３】
例えば特開平６−７５１８９号公報には、光学接着剤や樹脂を用いて偏光子、ファラデー回転子、検光子を接着し一体化する光アイソレータが開示されている。接着剤等で接着した光アイソレータは、耐湿性・耐熱性が悪く、アウトガスを発生するため、光アイソレータの光軸がずれたり、他の光学部品に悪影響を及ぼすという問題があった。特開平８−１４６３５１号公報には、透光性の低融点ガラスで部材を接着した光アイソレータが開示されている。低融点ガラスを用いた光アイソレータは、偏光子または検光子とファラデー回転子の屈折率の相違による挿入損失を抑制するために施している無反射コートが劣化し、また偏光子、検光子が偏光ガラスのときは、偏光ガラスが劣化するという弊害があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前記の課題を解決するためなされたもので、光学接着剤、樹脂および低融点ガラスを使用しなくても、強固な接合強度を有し、良好な挿入損失、消光比を有しかつ光学面の劣化のない光学特性の優れた光アイソレータおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するためになされた本発明の光アイソレータは、実施例に対応する図１および図２に示すように、光を透過する光学面となり金属および半金属から選ばれる元素の酸化物の薄膜２１・２２・２３を無反射となる厚さにコートしてある、ガーネット単結晶からなるファラデー回転子２の両表面に、各々偏光ガラスからなる偏光子１および検光子３が接合され、ファラデー回転子２の表面の薄膜２３を構成する該元素と、偏光子１および検光子３に含まれる半金属元素とが、相互作用して一体化されている。
【０００６】
光アイソレータは、ファラデー回転子２の薄膜２３を構成する前記元素と、偏光子１および検光子２に含まれる半金属元素とが各々有している水酸基が、水クラスターを介在して相互作用している。
【０００７】
相互作用は、ファラデー回転子２の薄膜２３の材質がＳｉＯ₂、偏光子１の材質が成分としてＳｉＯ₂を含む偏光ガラスであると、以下のように推測される。これらの材質のＳｉに水が吸着されるとＳｉ−ＯＨ基が生成する。図３に示すように、ファラデー回転子２の薄膜２３のＳｉ−ＯＨ基が水クラスター４を介して偏光子１のＳｉ−ＯＨ基に水素結合し、ファラデー回転子２と偏光子１とは接合する。または図４に示すように、ファラデー回転子２の薄膜２３のＳｉ−ＯＨ基と偏光子１のＳｉ−ＯＨ基とが直接水素結合する。検光子３の偏光ガラスも同様の水素結合を生ずる。
【０００８】
偏光子１は偏光ガラスまたはルチルＹＶＯ₄単結晶からなる。その表面には、ＴｉＯ₂、ＳｉＯ₂ の酸化物から選ばれる単層または多層の薄膜１２、１３からなる無反射コートを電子ビーム蒸着法により施してもよい。検光子３も偏光子１と同様である。
【０００９】
ファラデー回転子２は、例えばガーネット単結晶の磁気光学材料からなる。単結晶の両面の薄膜２１・２２・２３は前記酸化物の単層または多層構造からなる。この酸化物はＡｌ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂、ＳｉＯ₂から選ばれることが好ましい。薄膜２１・２２・２３は、これらの酸化物を、透過光が無反射となる厚さに、電子ビーム法で蒸着されている。
【００１０】
本発明の光アイソレータの製造方法は、ファラデー回転子２の両表面に、光を透過する光学面となり金属および半金属から選ばれる元素の酸化物の薄膜をコートし、その両表面に各々偏光子１および検光子３を当接させ、熱処理することにより薄膜２３を構成する該元素と偏光子１および検光子３に含まれる半金属元素とを相互作用させて一体化することを特徴とする。
【００１１】
この熱処理を行うことによって、ファラデー回転子２の表面の薄膜２３を構成する前記元素と、偏光子１および検光子３に含まれる半金属元素とが相互作用して一体化された光アイソレータが得られる。
【００１２】
この製造方法でファラデー回転子２に偏光子１および検光子３を当接するにあたり、酸または水で洗浄処理する。好ましくは塩酸−過酸化水素−純水の溶液、硫酸−過酸化水素−純水の溶液、アンモニア−過酸化水素−純水の溶液にて洗浄処理する。この洗浄処理によって、ファラデー回転子２の薄膜２３に含まれる前記元素と、偏光子１、検光子３に含まれる半金属元素とに均一にＯＨ基がつくため、相互作用し易くなる。
【００１３】
ファラデー回転子２に偏光子１および検光子３を当接後、熱処理するときの条件は２００〜３００℃、特に好ましくは、２５０℃、２時間である。この条件で得た光アイソレータは、接合強度１００ｇ／ｍｍ^２以上である。この温度より高温で熱処理すると接合面強度は大きくなる。この理由は以下のように推察される。偏光子１がＳｉＯ_２を含む偏光ガラス、ファラデー回転子２の薄膜２３がＳｉＯ_２膜の場合、熱処理を２００℃以下で行ったとき、Ｓｉ間の相互作用は図３に示すような水素結合が主であり、偏光子１とファラデー回転子２の薄膜２３との表面間の距離は０．７ｎｍである。それに対し、熱処理条件が７００℃以下の高温になるにつれ図４に示すような水素結合が主となり、表面間の距離は０．３５ｎｍとなる。
【００１４】
このような表面間の距離より大きな表面のマイクロラフネス、すなわち鏡面の全面にみられる数μｍの厚さむらや数十μｍのそりは、表面が弾性変形するため、接合においては全く支障がない。
【００１５】
本発明の熱処理条件で得た光アイソレータは挿入損失０．３ｄＢ以下、消光比３５ｄＢ以上の良好な光学特性を有する。しかし、この熱処理条件以上では高温になるにつれ材質ごとの熱膨張係数による歪みが増大し、光アイソレータの消光比が小さくなってしまう。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面により詳細に説明する。
【００１７】
図１に示すように、本発明の光アイソレータは、偏光子１、ファラデー回転子２、検光子３が接合されて一体化している。ファラデー回転子２は、ガーネット単結晶からなる。その両面に、順にＡｌ₂Ｏ₃膜２１、ＴｉＯ₂膜２２、ＳｉＯ₂膜２３が蒸着されている。偏光子は、偏光ガラスからなり、ガラス成分にＳｉＯ₂を含む。偏光子１の片表面にはＴｉＯ₂膜１２、ＳｉＯ₂膜１３が蒸着され、無反射コーティングとなっている。検光子３も偏光子１と同様な構成である。
【００１８】
このような光アイソレータは以下のように製造される。まず、ファラデー回転子２と、偏光子１および検光子３を塩酸−過酸化水素−純水の溶液、硫酸−過酸化水素−純水の溶液、アンモニア−過酸化水素−純水の溶液にて順に洗浄処理する。ファラデー回転子２の一方の薄膜２３に偏光子１の薄膜１２、１３が形成されていない面を当接させ、ファラデー回転子２の反対側の面に検光子３の薄膜３２、３３が形成されていない面を当接させ、２５０℃、２時間の熱処理する。このような処理によりファラデー回転子２の表面の薄膜２３を構成するＳｉと、偏光子１および検光子３の材質に含まれるＳｉとが相互作用することにより一体化する。
【００１９】
以下に、本発明を適用する実施例と本発明を適用外の比較例を示し、詳細に説明する。
【００２０】
実施例１
ガーネット単結晶の表面を鏡面研磨加工で仕上げ、形状１５ｍｍ×１５ｍｍ、厚さ０．５ｍｍに切断した。その両面に電子ビーム蒸着で順に厚さ８０ｎｍのＡｌ₂Ｏ₃膜、厚さ５０ｎｍのＴｉＯ₂膜、厚さ７０ｎｍのＳｉＯ₂膜の３層を形成して、ファラデー回転子とした。
【００２１】
偏光ガラスの表面を鏡面研磨加工で仕上げ、形状１５ｍｍ×１５ｍｍ、厚さ０．５ｍｍに切断した。その片面に電子ビーム蒸着で順に厚さ５０ｎｍのＴｉＯ₂膜、厚さ２６５ｎｍのＳｉＯ₂膜の２層を形成して、偏光子および検光子とした。
【００２２】
偏光子、ファラデー回転子、検光子を塩酸：過酸化水素：純水が１：１：５の溶液、硫酸：過酸化水素：純水が１：１：５の溶液、アンモニア：過酸化水素：純水が１：１：５の溶液にて順番に５分間ずつ洗浄処理した。
【００２３】
ファラデー回転子の両表面に、偏光子および検光子の無反射コートしていない面を当接させ、室温で消光比が最大となるように光軸を調整した。このものを２５０℃で２時間熱処理を行った後、放冷して一体化した。これを切断して形状２ｍｍ×２ｍｍの光アイソレータを試作した。
【００２４】
試作した光アイソレータの接合強度は１３６ｇ／ｍｍ^２であった。挿入損失は０．１９ｄＢ、消光比は３７．７ｄＢであった。挿入損失と消光比は、波長１．３１μｍで測定した。さらに接合界面と垂直の方向から光学顕微鏡で４００倍にて接合界面の状態を観察したところ全ての試料で面内は全て一様に観察された。
【００２５】
実施例２
偏光子および検光子にルチル単結晶を用いたこと以外は、実施例１と同様にして光アイソレータを試作した。接合強度は１２１ｇ／ｍｍ^２であった。挿入損失は０．２５ｄＢ、消光比は３５．９ｄＢであった。
【００２６】
比較例１
洗浄処理はアセトン、純水で５分間行い、熱処理条件は２００、３００、４００℃各２時間の３条件であることを変えた以外は実施例１と同様にして、３種類の光アイソレータを試作した。３種類はいずれも接合強度は２８〜３３ｇ／ｍｍ^２しかなく十分な接合強度を得ることができなかった。挿入損失は０．１８〜０．１９ｄＢ、消光比は４２．２〜４３．３ｄＢであった。
【００２７】
比較例２
熱処理温度が１００℃であること以外は実施例１と同様にして、光アイソレータを試作した。接合強度は２８ｇ／ｍｍ^２しかなく十分な結合強度は得られなかった。
【００２８】
比較例３
実施例１で準備した洗浄処理済みの偏光子、ファラデー回転子、検光子を透光性低融点ガラスで接着した。低融点ガラスは、波長１．３１μｍでの屈折率が１．５１である。３５０℃、２時間の熱処理を行い接着固定し、光アイソレータを試作した。接合強度は６２０ｇ／ｍｍ^２と強固な接合強度を有していた。しかし挿入損失１．８ｄＢ、消光比３０．６ｄＢであった。光学顕微鏡４００倍にて観察したところ接合界面の荒れが観察された。
【００２９】
この結果、本発明の光アイソレータは、本発明を適用外の光アイソレータに比べ、接合強度、挿入損失および消光比が良好で、光学面の劣化がない。
【００３０】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明の光アイソレータは、強固な接合強度を有し、光学面の劣化が少なく、良好な挿入損失、消光比を有し光学特性が優れている。本発明の製造方法によれば、ホルダを必要とせず、光学接着剤、樹脂および低融点ガラスを使用しないため、工程数が少なく、低コストで信頼性の高い光アイソレータを提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用する本発明の実施例の斜視図である。
【図２】本発明を適用する本発明の実施例の部分拡大図である。
【図３】水素結合の結合状態を説明する図である。
【図４】同じく水素結合の結合状態を説明する図である。
【符号の説明】
１は偏光子、２はファラデー回転子、３は検光子、４は水クラスター、１２、２２、３２はＴｉＯ₂膜、１３、２３、３３はＳｉＯ₂膜、２１はＡｌ₂Ｏ₃膜である。

Claims (6)

1. 光を透過する光学面となり金属および半金属から選ばれる元素の酸化物の薄膜を無反射となる厚さにコートしてある、ガーネット単結晶からなるファラデー回転子の両表面に、各々偏光ガラスからなる偏光子および検光子が接合され、該ファラデー回転子の表面の該薄膜を構成する該元素と、該偏光子および該検光子に含まれる半金属元素とが相互作用して一体化されていることを特徴とする光アイソレータ。
2. 該ファラデー回転子の該薄膜を構成する該元素と、該偏光子および該検光子に含まれる半金属元素とが各々有している水酸基が、水クラスターを介在して相互作用していることを特徴とする請求項１に記載の光アイソレータ。
3. 該酸化物が、Ａｌ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂、ＳｉＯ₂から選ばれることを特徴とする請求項３に記載の光アイソレータ。
4. ファラデー回転子の両表面に、光を透過する光学面となり金属および半金属から選ばれる元素の酸化物の薄膜をコートし、その両表面に各々偏光子および検光子を当接させ、熱処理することにより該薄膜を構成する該元素と該偏光子および該検光子に含まれる半金属元素とを相互作用させて一体化することを特徴とする光アイソレータの製造方法。
5. 該ファラデー回転子に該偏光子および該検光子を当接するにあたり、酸または水で処理することを特徴とする請求項４に記載の光アイソレータの製造方法。
6. 前記熱処理を２００〜３００℃で行うことを特徴とする請求項４に記載の光アイソレータの製造方法。

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