JP4628054B2 - 光アイソレータ - Google Patents

Description

本発明は、光源から出射された光を、各種光学素子や光ファイバに結合する際に生じる戻り光を除去するために用いられる光アイソレータに関するものである。

従来、レーザーダイオード（ＬＤ）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又は結合されるが、その入射光の一部は、各種光学素子，光ファイバを透過する際、反射や散乱を引き起こす。この反射や散乱した光の一部は光路を通し光源側に戻るが、この戻り光を遮断するための光学部品として、光アイソレータが一般的に用いられる。この種の光アイソレータは２枚の偏光子の間に、４５度回転調整するファラデー回転子を設置し、これら３枚の光学素子を金属基台の実装表面に配置し、固着することによって構成されている。

特許文献１、２で示す表面実装型の光アイソレータの場合、図4（ａ）に示すように永久磁石４３と光学素子として偏光子４１、ファラデー回転子４２とが、光軸方向に平行に並んで、一つの基板４４表面上に取り付け固定されている。これら各光学素子は、光源側から偏光子４１、ファラデー回転子４２、偏光子４１の順となるように光軸方向に並んで基板上に配置されている。光の反射を防ぐため各素子は基板の入射側側面に対し、６°から８°の角度をつけて基板に固定されている。さらに光の入射側に対空気の反射防止膜が施され、各素子間は１０μｍから５０μｍの間隔があけられている。

表面実装型の光アイソレータでは各素子間の間隔をあける煩雑さを解消するために、図４（ｂ）に示すようなラミネートチップ型光アイソレータ１５のものも提案されている（特許文献３参照）。

光アイソレータ４０はファラデー回転子４２、偏光子４１を光透過性が良く屈折率が制御されている光学接着剤４５で接着した光アイソレータ用素子４０と筒状の磁石４３とからなる。ここで偏光子４１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４２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４１は、それぞれの透過偏波方向が約４５度ずれるように配置されている。
特開平１０−２２７９９６号公報 特開２００２−１６２６０３号公報 特開平４−３３８９１６号

しかしながら、図４（ａ）に示すような平面実装型光アイソレータでは、偏光子とファラデー回転子の熱膨張差（偏光子：６５×１０^−７／℃、ファラデー回転子：１１０×１０^−７／℃）が大きいため各素子間の間隔をあける必要があった。このため小型化が難しく、入射側からの光の反射を抑えることができなかった。さらに基板の入射側側面に対し素子の角度をつける必要があり加工工数と加工時間が掛かっていた。

また、平面実装型光アイソレータで光アイソレータ部分に図４（ｂ）で示すラミネートチップ型アイソレータを使用した場合、素子間隔をあける必要がなくなり小型化が可能であるが、ファラデー回転子４２の両面に板状の偏光子４１を接着剤４５により一体化するため接着剤４５が有機系接着剤の場合は、耐湿性が劣り、特に高温高湿条件下での使用が制限される問題がある。また、長時間あるいは高出力のレーザ光中の使用では接着剤４５の変質の危険があり、信頼性に問題がある。

また、光アイソレータ用素子４０をレーザモジュールに組み込む際、光アイソレータは高温下に曝されるが、接着剤４５として有機系接着剤を用いた場合はこれが分解し、気泡の発生、部材の脱落等が生じる。さらに、有機系接着剤４５からのアウトガスはレーザチップやレンズなどの光学部品表面上に付着し、光学特性を劣化させる危険がある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、主面上に対空気の反射防止膜が施された平板状のファラデー回転子と、主面上に対空気の反射防止膜が施された平板状の偏光子とを、互いの反射防止膜同士を接着剤を用いずに当接させて重ねるとともに、それぞれの側面を保持基板に接合して光アイソレータであって、互いに当接された反射防止膜同士の間の一部に空気層が設けられていることを特徴とするものである。

本発明によれば、熱膨張差による各光学素子への応力を緩和させ、アイソレータの小型化と組み立て工数の少ない光アイソレータが実現する。また、光路上に樹脂がないため長期信頼性に優れ、耐光性、耐熱性、アイソレーション特性に優れた光アイソレータが実現する。

本発明の光アイソレータの斜視図を図１（ａ）に示す。

本発明の光アイソレータは、偏光子１１、１３、ファラデー回転子１２の各光学素子と直方体の永久磁石１８とを平板状の保持基板１４上に配置した構造を有している。素子のサイズは素子と保持基板１４との接着による応力の緩和と接着強度、素子の破壊強度を考慮し、縦横ともに２ｍｍ以下であることが好ましく、素子と保持基板１４との接合では素子への応力を少なくするために素子側面の１面に対してのみで固定する方が好ましい。

偏光子１１、１３の偏光方向はファラデー回転子１２を挟んで正確に４５゜である必要がある。そして、直方体に成形した永久磁石１８を光軸に平行に着磁して、平板上のファラデー回転子１２の横に光軸に平行に並べて配置することにより所望の光アイソレータが構成される。

また、これら光学素子と永久磁石を保持基板１４に固定する際には、接着剤、半田、低融点ガラスのいずれかを用いるが、半導体レーザー素子と一緒に密封されたパッケージ内での接着剤の分解物が問題となる場合は、半導体レーザー素子を劣化させる可能性の少ない半田や低融点ガラスを用いて固着することが望ましい。このため、偏光子１１、１３、ファラデー回転子１２は透過光の通過する面を矩形とし、少なくとも直交する四つの側面の内、保持基板１４に接する側面にメタライズを施し、金と錫の合金の半田により固着することが望ましい。メタライズの最表面は金であることが望ましく、四つの面及び光学面の一部に透過光の妨げにならない位置に同様にメタライズの施されていることは更に好ましい。

偏光子１１、１３、ファラデー回転子１２と永久磁石１８の保持基板１４への固着は別々でも良く同時でもよい。工程の短縮の観点からは同時固着が望ましく、工程の容易さの観点からは別々に行うことが良いが、別々に行う場合は、後から行う固着の際に先に固着に用いた合金よりも融点の低い合金または金属を用いるのが望ましい。

本発明においては、偏光子１１とファラデー回転子１２、およびファラデー回転子１２と偏光子１３は各主面同士が当接しており、接着剤等の異種材料は存在しない。そのため、各主面間は接着されず一部に空気層を有しており、熱膨張係数による悪影響を防止できる。

ここでファラデー回転子１２の両面は偏光子１１および偏光子１２の屈折率に対する反射防止膜が施されており、同様に偏光子１２および偏光子１３にも反射防止膜が施されている。通常、偏光子とファラデー回転子が密着し空気層がない場合は、偏光子、ファラデー回転子ともに反射防止膜を施す必要はないが、素子間に接着剤を使用せず完全に空気層の存在をなくすることはできないため、偏光子、ファラデー回転子とも屈折率ｎ＝１に対する反射防止膜を施す必要がある。図１に示す例においては偏光子とファラデー回転子が密着しているため、ファラデー回転子に対偏光子の反射防止膜を施すことにより、各光学素子端面からの反射を防止することができる。また、反射防止膜を構成する各層の膜厚は２μｍ以下とする。

反射防止膜の形成方法は公知の方法でよく、スパッタリング法、真空蒸着法、ＣＶＤ 法等の方法で形成すればよい。なおスパッタリング法は、以下の原理により行うものである。まず、真空状態にした加工容器内で膜を付ける試料の近傍に膜の原料（ターゲット）を配置し、試料とターゲットの間に電圧をかけることで、電子やイオンを高速移動させ、ターゲットに衝突させる。ターゲットに衝突したイオンは、ターゲットの粒子をはじき飛ばす。（スパッタリング現象）はじき飛ばされた原料の粒子が試料に衝突、付着し、膜が形成される。真空蒸着では、真空状態にした加工容器内で膜を付ける試料の近傍に膜のターゲットを配置し、同様に真空状態にした加工容器内で膜を付ける試料にターゲットを対向させ、膜の原料を加熱し、蒸発、気化した原料を試料に衝突させることで膜を形成する。またＣＶＤ法は、試料を気体原料の雰囲気内におき、化学反応によって、試料表面に高純度の薄膜を形成する。

以上説明したように、本発明では光学素子同士の接合に接着剤等の有機物は一切用いていないため耐湿性に優れた光アイソレータを得ることが出来る。

また、光アイソレータにはＬＤ光源からの高出力光が通過するが、光学素子同士を接着剤により接合した場合は、接着剤部分が劣化し透過率が増加することにより、光アイソレータの挿入損失特性の劣化が懸念される。しかしながら本発明では、接着剤等の有機物は一切用いていないため耐光性のある光アイソレータを得ることが出来る。さらに光学素子間の一部に空気層を有することにより、熱膨張係数の違う偏光子とファラデー回転子への応力を緩和させることができる。

さらに、光アイソレータをレーザモジュールに組み込む場合の固定方法としては、半田の溶融固着、またはＹＡＧレーザによる固定、さらには熱硬化型の接着剤を用いた接合などが考えられるが、いずれの場合も光アイソレータは高温下に曝されることになる。しかしながら本発明では、接着剤等の有機物は一切用いていないため、高温下に於いても樹脂の劣化は生じず、耐熱性のある光アイソレータを備えたレーザモジュールを得ることができる。

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１１ｍｍ角で厚み０．２ｍｍのものを、互いの透過偏波方向は４５°ずらして光学調整の後に、１ｍｍ角に切り出した。ファラデー回転子のサイズは１１ｍｍ角で厚み０．４５ｍｍ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４５．０°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、偏光子と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。

このようにして作製した光アイソレータの特性を測定した結果、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４０ｄＢ以上の良好で均一な特性を有することを確認した。

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。

一方、従来の平面実装型光アイソレータでは偏光子１１、１３とファラデー回転子１２の間には隙間を空けて固定しているが、この隙間が無くても反射率の劣化はなく問題ないことを実験と計算にて確認を行った。

図２（ａ）に実験方法を示す。フェルール（先端はフラット、角度無し）２２にファイバ２３を固定し、偏光子２４をその先に接着固定した。接着した偏光子２４の両面には対空気の反射防止膜が施されている。さらに両面に対空気の反射防止膜が施されているファラデー回転子２５を偏光子２４の上に載せてプレシジョンリフレクトメータ２１にて反射のピークが有るか確認し、ファラデー回転子２５を偏光子２４での反射が４６〜４９ｄＢ程度と対空気の反射防止膜レベルの特性を示し、反射特性に影響を及ぼさないことを確認した。図２（ｂ）が偏光子２４のみを載せて計測した結果で、図２（ｃ）が偏光子２４の上にファラデー回転子２５を載せたときの結果である。

次に計算にて確認を行った。計算は多層膜の反射を元に、反射膜の反射率を計算した。図３に薄膜の干渉について示す。図３の面1が図２（ａ）のフェルール２２と偏光子２４の間となり、図３の面２が図２（ａ）の偏光子２４とファラデー回転子２５の間となる。それぞれの反射防止膜の設計は表1の通りとし、成膜方法は一般的な真空蒸着法で行った。この設計により強度反射率の計算を行い、０．００％となることを確認した。

以上のように、対空気の反射防止膜が施されている２枚の光学素子の面を密着させ空気層を無くしても、空気層がある場合と同じ特性が得られるということになった。

（ａ）は本発明の光アイソレータの実施形態を示す斜視図、（ｂ）は側面図である。 （ａ）は偏光子、ファラデー回転子間の隙間をなくした場合の反射特性を確認する実験装置を示す図、（ｂ）、（ｃ）はその結果を示す図である。 薄膜の干渉を説明するための図である。 （ａ）は従来の平面実装型光アイソレータを示す斜視図、（ｂ）は従来のラミネートチップ型アイソレータを示す斜視図である。

符号の説明

１０：光アイソレータ用素子
１１、１３、２４、４１：偏光子
１２、２５、４２：ファラデー回転子
１４、４４：基板
１５、４５：接着剤
１６：反射防止膜
１７：空気層
１８、４３：永久磁石
２１：プレシジョンリフレクトメータ
２２：フェルール
２３：ファイバ

Claims (2)

1. 主面上に対空気の反射防止膜が施された平板状のファラデー回転子と、主面上に対空気の反射防止膜が施された平板状の偏光子とを、互いの前記反射防止膜同士を接着剤を用いずに当接させて重ねるとともに、それぞれの側面を保持基板に接合してなる光アイソレータであって、
   互いに当接された前記反射防止膜同士の間の一部に空気層が設けられていることを特徴とする光アイソレータ。
2. 請求項１に記載の光アイソレータが、半田の溶融固着、ＹＡＧレーザ溶接による固定または熱硬化型の接着剤を用いた接合によって固定されたことを特徴とするレーザモジュール。

Images