JP4429010B2 - 光アイソレータ - Google Patents

Description

本発明は、光源から出射した光が各種光学素子や光ファイバに入射した際に生じる戻り光を除去する光アイソレータに関するものである。

光通信用モジュール等において、レーザ光源等の光源から出射した光は、各種光学素子や光ファイバに入射されるが、入射光の一部は各種光学素子や光ファイバの端面や内部で反射されたり散乱されたりする。この反射や散乱した光の一部は、戻り光として光源に戻ろうとするが、この戻り光を防止するために光アイソレータが用いられる。

従来この種の光アイソレータは、２枚の偏光子の間に平板状のファラデー回転子を設置し、これら３つの部品を筒状の磁石内に部品ホルダを介して収納することにより構成されていた。通常、ファラデー回転子は飽和磁界内において所定の波長をもつ光の偏光面を４５度回転する厚みに調整され、また２つの偏光子はそれぞれの透過偏光方向が４５度回転方向に相対的にずれるように回転調整されて構成されている。

このような構成の光アイソレータは、ファラデー回転子と２つの偏光子が別部品で各素子にホルダが必要であり、そのため部品点数が多くなり組立工数が多くなるばかりか、各部品間の光学上の調整作業が煩雑で、コスト高を招くばかりか小型化が難しかった。また、光源モジュールに組み込む際に、飽和磁界を形成するための磁石の位置についての調整、即ち、光アイソレータの偏波面の調整も必要となり実装が煩雑であった。

このため、ファラデー回転子と偏光子の各光学素子と、直方体の磁石を、平板状の整列基板に設置した光アイソレータが各種提案されている。

特許文献１には図５（ａ）に示す従来の小型化された光アイソレータ１７が示されており、光アイソレータ１７はファラデー回転子１２、偏光子１３、１４の光アイソレータ素子１１と直方体の磁石１６が、平板状の整列基板１５上に配置された構造を有している。ここで偏光子１３、１４は透過する光の一方向の偏波成分を吸収し、その偏波成分に直交する偏波成分を透過する機能を有し、また、ファラデー回転子１２は飽和磁界強度において所定波長の光の偏波面を約４５度回転する機能を有する。また２つの偏光子１３、１４は、基板１５に接するそれぞれの面を基準面とし、この基準面に対し透過偏波方向が０度および４５度となるように切り出されている。

特許文献２には図６に示す従来の小型化された光アイソレータ２０が示されており、ファラデー回転子１２と偏光子１３、１４からなる光アイソレータ素子１９と、端面の各２カ所が当接しているアーチ状の磁石１６から構成され、光アイソレータ素子１９の光軸が磁石１６の開口側内部１８に配置されている。
特開平１０−２２７９９６号公報 特表平１２−５１０９６５号公報

しかしながら、特許文献１のようにファラデー回転子１２、偏光子１３、１４の光アイソレータ素子１１と直方体の磁石１６を平板状の整列基板１５上に配置した光アイソレータ１７においては、小型化の目的で平板状の整列基板１５上に光アイソレータ素子１１と磁石１６を配置しているために、一般的に利用される整列基板１５や光アイソレータ素子１１が利用される材質に比べて磁石１６の線膨張係数が最も大きくなる。即ち、図５（ｂ）に示すように従来の光アイソレータ１１においては、磁石１６と整列基板１５の当接領域は２箇所あり、磁石１６と整列基板５１の当接領域全部に大きな応力が分布するものであった。従って、光アイソレータ１１の小型化が進むにつれて磁石１６と整列基板５１の当接領域がファラデー回転子１２の近傍に存在することとなり、これにより、磁石１６の線膨張係数に起因する応力の影響をファラデー回転子１２が受けやすくなってきた。その結果、実装後の温度変化によってアイソレーションや挿入損失などの光学特性が低下し、製品の光学特性にばらつきが生じる問題があった。

また、特許文献２の光アイソレータ２０においても、磁石１６が光アイソレータ素子１９を覆う構成のため、同一平面上に磁石１６と光アイソレータ素子１９が設置された場合に、平面を介して光アイソレータ素子１９に大きな応力が加わるため同様の問題があった。

本発明はこれらの課題に鑑みて案出されたものであり、本発明の光アイソレータは、平板状の整列基板と、一対の側面を有し、前記整列基板上に設けられ、かつファラデー回転子及び偏光子を含む光アイソレータ素子と、前記光アイソレータ素子の一対の側面と対峙するように、前記光アイソレータ素子の近傍における前記整列基板上に接合された磁石と、を備えた光アイソレータにおいて、前記磁石には、前記整列基板と接合する面において凹部が形成されており、前記凹部は、前記光アイソレータ素子の一対の側面を挟むようにして複数形成されていることを特徴とする。

また、前記凹部は、前記ファラデー回転子と対峙する部位に形成されている。

本発明の構成によれば、前記磁石の整列基板との接合部位が２つ以上となるように形成されているために、整列基板と磁石との接合面積を少なくすることができ、その結果、接合面で発生する応力を低減することが可能になる。

また、前記磁石の接合部位は、前記光アイソレータ素子のファラデー回転子と対峙する前記磁石の領域以外に形成されているために、磁石と整列基板との当接領域をファラデー回転子から充分離すことができる。従って、磁石と整列基板との接合面で発生する応力の影響をファラデー回転子が受けにくくなるため、アイソレーションの低下や光学素子の剥離脱落、光学素子へのクラック発生を回避できる。

その結果、小型化に設計しても、接合後に光アイソレータ素子が整列基板から脱落せず、しかも、光アイソレータ素子に割れや欠けが発生せず、ファラデー回転子の光学特性が劣化しない光アイソレータの製造が可能になる。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。

図１は、本発明の光アイソレータの実施形態を示す斜視図である。図に示すように、光アイソレータ７は平板状の整列基板５上に、柱状の光アイソレータ素子１の底面を接合するとともに、光アイソレータ素子１の一対の側面１ａ、１ｂと対峙するように整列基板５上にそれぞれ接合してなるアーチ状の磁石６とから構成されている。

光アイソレータ素子１は、少なくとも１以上の平板状のファラデー回転子と偏光子（いずれも図１では不図示）の光学面同士を対面させて柱状に形成したものである。この場合、ファラデー回転子と偏光子を対面させただけに限らず、光学面同士を接合材にて接合して一体化して形成してもよい。配列順序としては１段型と呼ばれる光アイソレータの場合、周知の如く、光の出射方向に向かって偏光子、ファラデー回転子、偏光子の配列とする。なお、光アイソレータ素子１の詳細は後述する。

整列基板５の材質は光アイソレータ素子１の実装に用いる接合材（不図示）によって選択され、例えば結合材が半田による固定の場合には、ステンレス、コバール、パーマロイ等の金属が適しており、あるいはセラミック、ガラス等の表面に例えばＣｒ下地でＡｕメッキのメタライズ層を施こした材料でも良い。また、結合材が低融点ガラスで固定する場合にも同様に、接着性や線膨張係数を考慮して整列基板５の材料は選ばれる。

アーチ状に形成された磁石６は、光アイソレータ素子１の側面１ａ、１ｂ側の２カ所の整列基板５上で接合されているが、その２カ所の領域とも、磁石６の接合部位が２つ以上となるように形成されている。具体的には、磁石６の各接合面に凹部６ｂを形成することで、２つの接合部位６ａ、６ａを形成している。

図２、図３を用いて詳細に説明する。図２（ａ）は光アイソレータ７を説明する俯瞰図であり、前述していない符号の表す意味は２がファラデー回転子、３、４が偏光子である。図中の一点鎖線部はＡ−Ａ断面箇所を表し、図２（ｂ）は各々Ａ−Ａ断面図である。また、図３は、本発明の光アイソレータの接合領域を説明する図であり、詳しくは整列基板５の一面で、磁石６を当接する側の平面を表している。図中で斜線部８ａ〜８ｄは、磁石６と整列基板５の当接領域を表す。

図に示すように、上述のように磁石６が整列基板５と当接する当接部位６ａ、６ａに挟まれた凹部６ｂは整列基板５に当接しない部分である。この場合、磁石６と整列基板５の線膨張係数差に起因する応力は、当接部分で大きく、当接していない部分ではその影響が小さくなる。例えば、アルミナセラミックス基板とサマリウムコバルト磁石を当接させた一例では、凹部６ｂを設けることで応力は１／１０〜１／２０に減じる。すなわち、当接部位６ａの当接領域を小さくするほど線膨張係数の差による応力は低減される。

本発明での更に好ましい形態は、磁石６の接合部位６ａは、光アイソレータ素子１のファラデー回転子２と対峙する磁石６の領域以外に形成されていることである。即ち、ファラデー回転子２に対峙する磁石６の位置に凹部６ｂが形成されるのが好ましい。これにより、ファラデー回転子２と整列基板５の当接領域の近傍において応力が低減する効果が充分に得られ、ファラデー回転子２の光学特性は劣化しにくくなる。

磁石６の接合面に形成する凹部６ｂの具体的な位置を図３に示す。即ち、図３に示すように整列基板５上にファラデー回転子２が配置される領域９を整列基板５の長辺１０ａに平行に両短辺１０ｂ、１０ｃ側へ移動させた場合にとる軌跡ｘ（太点線内）に磁石６が当接しないように凹部６ｂの形成位置が決められる。なお、この例のファラデー回転子２は図示していない入射光軸に対して傾斜しており、反射を抑制する配置になっている。

凹部６ｂの深さとしては０．１ｍｍ以上あればよく、接合材の厚みが０．０３〜０．１ｍｍであることから０．３ｍｍであれば効果を確保できる。これ以上凹部６ｂの深さを設けた場合は磁束密度がファラデー回転子２の飽和磁束密度以下にならないよう留意する必要がある。

磁石６の材料としては、例えばＳｍＣｏが適している。この磁石６は光アイソレータ素子１を覆うように整列基板５上の４カ所に各端面が当接するアーチ状の磁石に形成されている。本発明でいうアーチ状は半円筒状のものだけでなく、図１に示すように、整列基板５と当接する側が開口した形状を有するものであれば外周が角張ったものであっても良い。磁石６の成形は、プレス型を所望の形状にしておき、材料粉体をプレス型に流し込み、成形後、焼結して形成することができる。

また、本実施の形態では磁石６が光アイソレータ素子１を覆うように説明したが、これに限定されず、磁石６は少なくともファラデー回転子２を覆う構成にすると良い。

さらに、磁石６には、ファラデー回転子２を通過する光軸方向の磁力線が最大になるような向きに磁極が配置されており、言い換えるとファラデー回転子２が所定の波長をもつ入射光線の偏光面を４５度回転する様に磁極が配置されている。

ファラデー回転子２は、例えばビスマス置換ガーネット結晶等で、その厚みは所定の波長をもつ入射光線の偏光面が４５度回転する様に設定する。一般に、偏波面を回転させるためには、入射光線の光軸方向に十分な磁界を印可することが必要である。

偏光子３、４は、入射する光の１方向の偏光成分を吸収する機能を有する吸収型偏光子、あるいは入射する光の１方向の偏光成分を分離または合成する複屈折性偏光子で構成される。例えば、ファラデー回転子２が入射する光の偏光面を４５゜光軸まわりに回転させるもので、偏光子３、４として吸収型偏光子を用いた場合、偏光子３の透過偏光方向を偏光子４の透過偏光方向に対して４５゜光軸まわりにずらした構成とすればよい。

ここでファラデー回転子２、偏光子３および偏光子４の両面は、屈折率ｎ＝１に対する反射防止膜が両面に施されており、偏光子３および偏光子４とファラデー回転子が密着している場合は、偏光子が空気と接する入出射面には屈折率ｎ＝１に対する反射防止膜を施し、ファラデー回転子の両面には対偏光子の反射防止膜を施してある。

ここで偏光子３の透過偏波方向は、ある１辺（これを基準辺と呼ぶ）に平行な方向に設定されており、他方の偏光子４の透過偏波方向は、ある１辺（基準辺）に４５度の方向に設定されている。ファラデー回転子２は常温において入射した光の偏波方向が４５度回転する厚みに調整されている。通常、光アイソレータに高いアイソレーションが要求される場合は、ファラデー回転子の偏波回転角度４５＋α度に対し、偏光子３と偏光子４の回転ズレを４５−α度に精密に調整する必要があり、光を逆方向から（偏光子５側から）入射し、透過してくる光が最も小さくなるように偏光子を回転調整する方法があるが、個々の光アイソレータ素子１で回転調整をすることは非常に煩雑であり、工数も増えてしまう。

そこで本発明においては、１０ｍｍ角程度の偏光子基板とファラデー回転子２と偏光子３、４を、上述の方法で光学調整し、水溶性接着剤等で仮止め一体化する。この仮止め一体化された状態で１ｍｍ角程度のチップ状に加工し、加工時に基準辺を決めておく。例えばダイシングにより長方形に加工する場合は、加工時、基準辺に段差加工を施しておくことや、超音波加工等により所望のチップ状に加工する場合は、Ｄカット形状としておき、基準辺を明確にしておく。このように、基準辺を作製しチップ加工した後に、仮止めをはずし、各光学素子を洗浄しておけば、回転調整を一括で済ませておくことが可能である。

図４は本発明の他の実施の形態を説明する図であり、図１の実施形態との違いは２個の磁石６を用いている点である。この場合においても、整列基板５と当接する磁石６の面に凸部６ａと凹部６ｂが形成されており、その効果も同様である。

本発明の実施例として図１に示した光アイソレータを試作し、特性の評価および信頼性試験を行った。各部品と構成について以下に説明する。

偏光子は、コーニング社製のポーラコア（製品名）を用い、サイズは１０ｍｍ角で厚み０．２ｍｍのものを、互いの透過偏波方向は４５度ずらして光学調整の後に、１ｍｍ角に切り出した。ファラデー回転子はビスマス置換ガーネットを用い、サイズは１０ｍｍ角で厚み０．４ｍｍのものを、１ｍｍ角に切り出した。飽和磁界強度中における偏波回転角は４５度であった。いずれも波長１．５５μｍの光に対して動作する素子であり、偏光子、ファラデー回転子の両面には対空気（ｎ＝１）の反射防止膜が施されている。

このとき、大判の光学素子を光学調整した状態で保持して接合固定すると１ｍｍ角の個片に切りだした際に柱状の光アイソレータ素子が形成される。

磁石は、圧縮成形法で作成され断面形状が略コの字型となっているものを用いる。磁石の成型時には、図１に示すような凹部６ｂを０．２ｍｍの深さで同時に成形し、それによって４カ所の当接部位６ｂも形成した。

次に、図１に示すように整列基板上に光アイソレータ素子を配置するとともに、磁石を基板に載置し、あらかじめ基板に印刷された低融点ガラスを３８０℃で加熱溶融して光学素子と磁石を基板に固定した。

このようにして５０個の光アイソレータを作製し、特性を測定した。その結果、すべての光アイソレータは、挿入損失が０．３ｄＢ以下、アイソレーションが３５ｄＢ以上の、良好で均一な特性を有することを確認した。

次に作製した光アイソレータの信頼性評価を行った。試験は、Ｔｅｌｃｏｒｄｉａ１２２１に示される振動試験、衝撃試験、温度サイクル試験、高温保持試験、低温保持試験、高温高湿試験を実施し、すべての試験において、挿入損失の変化量が±０．２ｄＢ以下、アイソレーションの変化量が±３ｄＢ以下と良好な結果を得ることができた。

以上の試作により、工数の削減が実現し、かつ長期安定性に優れ、樹脂フリーの光アイソレータが実現した。

本発明の光アイソレータの実施形態１を示す図である。 （ａ）、（ｂ）本発明の光アイソレータの効果を説明する図である。 本発明の光アイソレータの接合領域を説明する図である。 本発明の光アイソレータの実施形態２を示す図である。 （ａ）、（ｂ）は従来の光アイソレータの構成を示す図である。 従来の光アイソレータの構成を示す図である。

符号の説明

１ 光アイソレータ素子
２ ファラデー回転子
３、４ 偏光子
５、 整列基板
６ 磁石
６ａ 当接部位
６ｂ 凹部
７ 光アイソレータ

Claims (2)

1. 平板状の整列基板と、
   一対の側面を有し、前記整列基板上に設けられ、かつファラデー回転子及び偏光子を含む光アイソレータ素子と、
   前記光アイソレータ素子の一対の側面と対峙するように、前記光アイソレータ素子の近傍における前記整列基板上に接合された磁石と、を備えた光アイソレータにおいて、
   前記磁石には、前記整列基板と接合する面において凹部が形成されており、
   前記凹部は、前記光アイソレータ素子の一対の側面を挟むようにして複数形成されていることを特徴とする光アイソレータ。
2. 前記凹部は、前記ファラデー回転子と対峙する部位に形成されている、請求項１に記載の光アイソレータ。

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