JP4399731B2

JP4399731B2 - 高出力レーザー用ファラデー回転子

Info

Publication number: JP4399731B2
Application number: JP2004323175A
Authority: JP
Inventors: 潤二飯田; 治男石川
Original assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Priority date: 2004-11-08
Filing date: 2004-11-08
Publication date: 2010-01-20
Anticipated expiration: 2024-11-08
Also published as: JP2006133552A

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光アイソレータを構成するファラデー回転子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、レーザー加工などに利用されている固体レーザーなどは、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場合がある。そのため、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に、光アイソレータが使用される。通常、光アイソレータは、ファラデー回転子、偏光子、検光子および永久磁石から構成される。

従来、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、テルビウム・ガリウム・ガーネット結晶（以下、ＴＧＧと称する）やテルビウム・アルミニウム・ガーネット結晶（以下、ＴＡＧと称する）が用いられてきた。

しかしながら、ＴＧＧやＴＡＧは単位長さあたりのファラデー回転係数が小さいため、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り、そのために長さが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ためには、結晶に一様で大きな磁場をかけることが必要であり、強力で大きな磁石を用いていた。そのため、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。さらには、ＴＧＧは高価でもあり、小型で安価なファラデー回転子が望まれていた。

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膜（以下、ＲＩＧと称する）は、単位長さあたりのファラデー回転係数がＴＧＧやＴＡＧに比べて著しく大きいため、光アイソレータ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１μｍ付近まで短くなると鉄イオンによる吸収が大きくなり、吸収による温度上昇により性能劣化を起こすことが知られている。

前記ＲＩＧの温度上昇の問題を改善する方法として、特許文献１が提案されている。この技術は、通常は研磨により除去してしまうＲＩＧ育成用の基板であるガドリニウム・ガリウム・ガーネット基板（以下、ＧＧＧ基板と称する）を残したままにしておき、ＲＩＧで発生した熱を放熱しやすくしたものである。また、ＲＩＧの両面を透明なガーネット基板で一体的に密着挟持して、熱伝導性の高いガーネット基板を介してＲＩＧの熱を放熱する方法も、特許文献２に提案されている。
特開２０００−６６１６０号公報特開平７−２８１１２９号公報

しかしながら、特許文献１の方法ではＲＩＧにおける光吸収による発熱が無くなる訳ではないので、ＲＩＧとＧＧＧ基板が一体化しているが故に、両者の熱膨張係数が異なることに起因する歪みが発生して、ＲＩＧとＧＧＧ基板の双方に複屈折が生じ、光アイソレータに用いたときにアイソレーション機能が劣化するという問題があった。
また、特許文献１には、ＲＩＧで生じた熱を更に放熱し易くした構成として、２枚以上のＧＧＧ基板付きＲＩＧを用いて、ファラデー回転角の合計が４５度となるようにした構成や偏光子をＧＧＧ基板付きＲＩＧからなるファラデー回転子に密着配置し、偏光子を通じて放熱する構成が提案されている。

しかしながら、２枚以上のＧＧＧ基板付きＲＩＧを用いたものは、熱を逃がす能力の面では優れているものの、光源側のＲＩＧとＧＧＧ基板の界面で反射した光は、１枚のＲＩＧで構成されているときとは異なり、ＲＩＧを往復したときに受けるファラデー回転角が９０度とはならないため、レーザー素子に戻ってしまうことになる。

また、特許文献２のように、偏光子をファラデー回転子に密着配置する構成では、偏光子とファラデー回転子とが物理的に接触することを前提に反射防止膜を形成することになるが、２つの平面を物理的に完全に接触させることは難しく、反射防止膜を所望の通り機能させることは困難であって、反射防止膜が機能しないと、光源側の偏光子とファラデー回転子の接触界面で生じた反射光はレーザー素子に戻ってしまうことになる。本発明は、高出力のレーザーに対して使用しても光アイソレーション機能が劣化しないファラデー回転子を提供することを目的としている。

ＲＩＧにおけるファラデー回転角の温度係数は、０．０５度／℃から０．１０度／℃程度であり、光アイソレータでのアイソレーション機能を３０ｄＢ以上に維持するためには、ＲＩＧの温度上昇を２０℃〜３０℃程度に抑える必要がある。また、上述のように他の基板が一体化したＲＩＧを用いたり、ＲＩＧに他の基板を密着配置させたりすると、温度上昇を抑制する能力の面では優れていても、不要な反射光が発生し、光アイソレータとしての機能を損ねてしまう。

本発明に係る高出力レーザー用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の入射側および出射側に、透明な放熱用基板を前記ビスマス置換型希土類鉄ガーネットとの間に１００μｍ以下（０を含まない）の隙間を隔て配置し、かつ前記ビスマス置換型希土類鉄ガーネットおよび前記放熱用基板の各全外側面をヒートシンクに、熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の接合材を介して熱的に接触していることを特徴とし、また入射側から第１の放熱用基板、第１のビスマス置換型希土類鉄ガーネット、第２の放熱用基板、第２のビスマス置換型希土類鉄ガーネット、第３の放熱用基板の順に配置され、前記第１のビスマス置換型希土類鉄ガーネットおよび前記第２のビスマス置換型希土類鉄ガーネットのそれぞれのファラデー回転角の合計が４５度であることを特徴とする。そして、前記隙間には水素および／またはヘリウムガス、もしくは水が充填されていることを特徴とし、かつ前記放熱用基板の熱伝導率が７Ｗ／ｍ・Ｋ以上、２０００Ｗ／ｍ・Ｋ以下で、かつ反射防止膜を形成した状態での透過率が９０％以上で、厚みが０．２ｍｍ以上、１ｍｍ未満であることを特徴とする。さらに、
前記ビスマス置換型希土類鉄ガーネットの形状が矩形であり、寸法の短い方の一辺の長さが入射ビーム径の３倍以内であることを特徴とし、かつ
前記放熱用基板がサファイア基板であることを特徴とする。
本発明は、他の基板が一体化したＲＩＧを用いたり、ＲＩＧに他の基板を密着配置させたりすることなしに、ＲＩＧの温度上昇を２０℃〜３０℃程度に抑制する方法について鋭意研究した結果見出されたものであり、ＲＩＧの入射側および出射側に、透明な放熱用基板をＲＩＧとの間に１００μｍ以下（０を含まない）の隙間を隔てて配置し、かつＲＩＧおよび放熱用基板のそれぞれの全外側面を磁石内面に配置したヒートシンクに、熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の接合材を介して熱的に接触させたものである。

ＲＩＧの入射側および出射側に配置した放熱用基板との隙間が１００μｍ以下であればＲＩＧから放熱用基板に熱を伝えることができ、ＲＩＧおよび放熱用基板の全外側面をヒートシンクに熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・K以上の接合材を介して熱的に接触させれば、ＲＩＧから直接ヒートシンクへと至る経路、およびＲＩＧから放熱用基板を経由してヒートシンクへと至る経路を通じて、ＲＩＧで発生した熱をヒートシンクに逃がすことができるため、ＲＩＧのアイソレーション機能を損なうことなしに温度上昇を大幅に抑制できるようになる。

上記したように本発明を用いることで、６００ｍＷ以上の高出力レーザーであっても、光アイソレータに用いたときに高いアイソレーション効果を維持できる小型で安価なファラデー回転子を提供することが可能になった。

本発明のファラデー回転子は、上記したようにビスマス置換型希土類鉄ガーネットの入射側および出射側に、透明な放熱用基板をビスマス置換型希土類鉄ガーネットとの間に隙間を隔て配置し、かつビスマス置換型希土類鉄ガーネットおよび前記放熱用基板の各全外側面をヒートシンクに、高熱伝導率を有する接合材を介して熱的に接触させるものであるが、本発明のファラデ−回転子を、１Ｗを超えるような高出力のレーザーに対して適用する場合には、入射側から第１の放熱用基板、第１のＲＩＧ、第２の放熱用基板、第２のＲＩＧ、第３の放熱用基板の順に配置し、第１のＲＩＧと第２のＲＩＧのファラデー回転角の合計を４５度となるようにするのがよい。ＲＩＧを複数個に分けた理由は、その方が放熱がし易くなるからである。ただし、３分割以上では、ＲＩＧの厚みが極めて薄くなり、加工性と取り扱いが難しくなるため、２分割までとすることが好ましい。

ＲＩＧおよび放熱用基板をヒートシンクに熱的に接触させる接合材としては、半田や銀粉等を分散させた高熱伝導性ペーストや高熱伝導性接着剤が使用できるが、接合信頼性の点から半田が望ましい。また、接合材の厚みが厚すぎると熱抵抗が大きくなり、ＲＩＧを放熱し難くなるので、厚みを０．１ｍｍ以内にするのが好ましい。ＲＩＧおよび放熱用基板の外側面の一部だけをヒートシンクに接合すると、放熱が阻害され、ＲＩＧの温度が上昇するだけでなく、ＲＩＧや放熱用基板に非対称な温度分布が生じ、歪が発生してしまうため、複屈折が生ずるので好ましくない。

ＲＩＧと放熱用基板の隙間には、水素および／またはヘリウムガス、もしくは水を充填することが好ましいが、この場合には取り扱いの点からヘリウムが好ましく、ヘリウムと他のガスを混合した混合ガスでも構わない。

放熱用基板の熱伝導率は、７Ｗ／ｍ・Ｋを下回る材料では、ＲＩＧでの発熱を十分に放熱し難くなる。熱伝導率は高いほうが好ましいが、高くても、実存する材料としてはダイヤモンドの２０００Ｗ／ｍ・Ｋまでである。また、放熱用基板の透過率は、低いと光アイソレータの挿入損失が増えるため、使用するレーザー光の波長において９０％以上とすることが好ましい。具体的にはＧＧＧ、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）、サファイア、ルチル、ダイヤモンドといった結晶があげられるが、入手のし易さから、熱伝導率が４２Ｗ／ｍ・Ｋと比較的高いサファイアが好ましい。ガラスは熱伝導率があまり高くはないので、使用する波長に応じ、前記した透明結晶から選択するのが好ましい。

放熱用基板の厚みは、０．２ｍｍ未満では十分な放熱の効果が発揮し難く、１ｍｍ以上になると放熱用基板での光の損失が増えてくるので、０．２ｍｍ以上、１ｍｍ未満が好ましい。なお、２枚のＲＩＧを用いる場合には、２枚のＲＩＧの間に入る放熱用基板は、複屈折性のある材料を用いるとビームが分離してしまい、分離後に合波する必要があるため、可及的に複屈折性の無い材料を用いるのが好ましい。また、ＲＩＧと放熱用基板の大きさは、入射するレーザー光のビーム径に比べて極端に大きいとヒートシンクへの放熱性が悪くなるため、矩形形状であるＲＩＧと放熱用基板の短い方の一辺の長さを入射ビーム径の３倍以内とするのがよい。

以下に図１を用いて、実施例１のファラデー回転子の組立てについて説明する。
光アイソレータとして、ＹＡＧレーザーの発振波長である１０６４ｎｍの光に対し、ファラデー回転角が４５度となるように厚みを１７０μｍとした後に、対空気の反射防止膜を施し、３ｍｍ角に切断したＲＩＧ１を用いた。なお、前記ＲＩＧ１の１０６４ｎｍにおける挿入損失は０．７ｄＢであった。

放熱用基板としては、ＲＩＧ同様に３ｍｍ角に切断した厚さ０．５ｍｍのＣ面サファイア基板２を用いた。サファイア基板に対しても、１０６４ｎｍの光に対する対空気用の反射防止膜を施した。ＲＩＧ１とサファイア基板２の全外側面には、金蒸着をした後、インジウムの半田メッキを形成した。外径８ｍｍ、長さ１０ｍｍで、中心部にＲＩＧ１とサファイア基板２を収める角型の貫通孔が形成された円筒形の真鍮製ホルダー３に金メッキを施し、ＲＩＧ１と２枚のサファイア基板２をそれぞれの間隔が１０μｍとなるようにスペーサ（図示せず）を介して貫通孔に挿入し、１７０℃に加熱することで半田付けを行い、本発明のファラデー回転子を形成した。この場合、真鍮製ホルダー３がヒートシンクに相当する。

上記ファラデー回転子を真鍮製ホルダー３の外側に配置した円筒形のＳｍ−Ｃｏ磁石４の貫通孔に挿入し、ホルダー３と磁石４の間に高熱伝導性の銀ペーストを充填した。このように銀ペーストを充填することにより、Ｓｍ−Ｃｏ磁石もヒートシンクとして機能させることができる。上記ファラデー回転子とＳｍ−Ｃｏ磁石を一体化したものを、消光比が４０ｄＢの偏光子と検光子の間に入れて、光アイソレータとし、図３に示す光学系で特性を評価した。波長が１０６４ｎｍで、ビーム径が１ｍｍのＮｄ：ＹＡＧレーザー光を上記光アイソレータの逆方向から入射したところ、図４に示すようにＹＡＧレーザーのレーザー出力が１Ｗまでアイソレーション３０ｄＢを維持することができた。

ＲＩＧとして、ファラデー回転角が２２．５度となるように厚みを８５μｍとした以外は実施例１と同様に作製したものを２枚用意した。放熱用基板としては、実施例１と同じサファイア基板を３枚用意し、サファイア基板、ＲＩＧ、サファイア基板、ＲＩＧ、サファイア基板の順に、実施例１と同様にして真鍮製ホルダー内に固定し、実施例２のファラデー回転子（図２参照）を作製した。上記ファラデー回転子を実施例１と同じ光学系において評価したところ、図４に示すようにレーザー出力が１．５Ｗまでアイソレーション３０ｄＢを維持することができた。

ＲＩＧ膜と放熱用基板の間の隙間に空気の代わりにヘリウムガスを充填した以外は実施例１と同様にして実施例３のファラデー回転子を作製した。このファラデー回転子を実施例１と同じ光学系において評価したところ、図４に示すようにレーザー出力が２Ｗまでアイソレーション３０ｄＢを維持することができた。

本発明のファラデ−回転子は、放熱用基板を光アイソレーターとして用いるビスマス置換型希土類鉄ガーネット膜（ＲＩＧ）と間隙を隔てて放熱基板を配置し、かつＲＩＧおよび放熱基板の外側端面をヒートシンクと熱的に接触させて、筒状の磁石貫通孔に配置することにより、ＲＩＧの光アイソレーション機能を損なうことなしにＲＩＧに発生する熱を効果的に放散させることができるので、光通信やケーザー加工などにおける高出力レーザー用のファラデ−回転子として広範に利用することができる。

実施例１のファラデー回転子の断面図である。実施例２のファラデー回転子の断面図である。アイソレーションを評価した光学系を示す図である。光アイソレータを構成し、アイソレーションを評価した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膜（ＲＩＧ）
２放熱用基板
３ホルダー（ヒートシンク）
４磁石
５Ｎｄ：ＹＡＧレーザー
６偏光子
７検光子
８検出器
９表示器
１０磁石付きファラデー回転子

Claims

ビスマス置換型希土類鉄ガーネットの入射側および出射側に、透明な放熱用基板を前記ビスマス置換型希土類鉄ガーネットとの間に１００μｍ以下（０を含まない）の隙間を隔て配置し、かつ前記ビスマス置換型希土類鉄ガーネットおよび前記放熱用基板の各全外側面をヒートシンクに、熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の接合材を介して熱的に接触していることを特徴とする高出力レーザー用ファラデー回転子。
入射側から第１の放熱用基板、第１のビスマス置換型希土類鉄ガーネット、第２の放熱用基板、第２のビスマス置換型希土類鉄ガーネット、第３の放熱用基板の順に配置され、前記第１のビスマス置換型希土類鉄ガーネットおよび前記第２のビスマス置換型希土類鉄ガーネットのそれぞれのファラデー回転角の合計が４５度であることを特徴とする請求項１記載の高出力レーザー用ファラデー回転子。
前記隙間には水素および／またはヘリウムガス、もしくは水が充填されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の高出力レーザー用ファラデー回転子。
前記放熱用基板の熱伝導率が７Ｗ／ｍ・Ｋ以上、２０００Ｗ／ｍ・Ｋ以下で、かつ反射防止膜を形成した状態での透過率が９０％以上で、厚みが０．２ｍｍ以上、１ｍｍ未満であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の高出力レーザー用ファラデー回転子。
前記ビスマス置換型希土類鉄ガーネットの形状が矩形であり、寸法の短い方の一辺の長さが入射ビーム径の３倍以内であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の高出力レーザー用ファラデー回転子。
前記放熱用基板がサファイア基板であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の高出力レーザー用ファラデー回転子。