JP4683916B2

JP4683916B2 - 光アイソレータ

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Publication number: JP4683916B2
Application number: JP2004375046A
Authority: JP
Inventors: 友幸廣瀬
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2004-06-29
Filing date: 2004-12-24
Publication date: 2011-05-18
Anticipated expiration: 2024-12-24
Also published as: JP2006047955A

Description

本発明は、小型機器の光通信技術に利用される光アイソレータ及びその製造方法に関するものである。

光アイソレータは、光増幅器、半導体レーザ装置等に使用されている。この光アイソレータは、２枚の偏光子の相対角度を約４５°に設定し、それらの間にファラデー回転角が約４５°のファラデー回転子を挿入して互いに固定したものであり、順方向の光は透過させ、逆方向の光は遮断する作用を有するものである。

近年この光アイソレータに対しては、小型化、量産化、低価格化が強く要望されており、その対策として例えば、特許文献１に開示されたような光アイソレータの開発利用が盛んになってきた。

図６に示すように、光アイソレータ素子１０は、偏光子１，３とファラデー回転子２から成り、また、直方体の磁石４を一枚の平板状の整列基板５に合金半田で接合・固定した構造を有したものが開示されている。

また、特許文献２に開示された図７のような、偏光子１，３とファラデー回転子２から成る光学素子と、直方体磁石４をそれぞれ異なる段差を有する整列基板５上に接合材７で接合・固定した構造を有したものも開示されている。

このような構成の光アイソレータは、ＬＤ（レーザダイオード）モジュール内に搭載時に透過偏光方向の位置合わせが容易である、ＴＥＣ（ＴｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃＣｏｏｌｅｒ）上に搭載可能である、小型化が容易である等の優位性があると考えられている。
特開平１０−２２７９９６号公報特開２００１−２６４６９５号公報

ところが、上述のように平面上に磁石と光学素子を配置する構造では、接合材を整列基板に滴下し、その接合材上に光学素子や磁石を配置するため、滴下量が多い場合や、滴下位置が所望の位置からずれた場合、接合材が整列基板の表面からはみ出して裏面に廻り込み、接合材を硬化するときに治具から脱離できない。

また、整列基板が位置決め用のガイド構造になっていても、接合材上に光学素子や磁石を配置するために滴下量が多いと整列基板の所定の位置から光学素子や磁石が位置ずれを起こし、整列基板からはみ出してしまい、接合精度が困難となり、有効開口径を確保できない課題があった。

従来の光アイソレータはＬＤへの近端反射戻り光を防ぐために、光アイソレータ全体を光軸に対して傾斜させる必要があり、ＬＤモジュール内のスペースをより大きく使用し、ＬＤモジュールの小型化の妨げになる課題があった。

また、ＬＤモジュールはＬＤ直近に配置するレンズと光アイソレータは個別に調芯配置するために工数が増加するとともに小型化の妨げになる課題があった。

本発明の目的は、上述の課題に鑑みて案出されたものであり、高精度の接合を実現した上に小型化、低コスト化を可能とし、かつ組立時に発生した不具合を解消した光アイソレータを提供することにある。

上記課題に鑑みて本発明の光アイソレータは、少なくとも偏光子とファラデー回転子とからなる光アイソレータ素子を含む光学部品を整列基板上に接合材を介して接合してなる光アイソレータにおいて、上記整列基板の上記光学部品を搭載する面の中央部に上記光学部品の接合面の面積よりも開口面積が小さい凹部を形成し、該凹部に充填されるとともに上記光学部品の接合面の周囲から表面張力を維持できる範囲内で微小にはみ出した上記接合材を介して接合上記光学部品が接合されていることを特徴とする。

光アイソレータの製造方法としては、少なくとも偏光子とファラデー回転子とからなる光アイソレータ素子を含む光学部品を整列基板上に接合材を介して接合してなる光アイソレータの製造方法において、上記整列基板の上記光学部品を搭載する面の中央部に上記光学部品の接合面よりも開口面積が小さい凹部を形成するとともに、該凹部に上記接合材を表面から溢れるとともに上記接合面に行き渡る滴下量となるように充填した後、上記光学部品を接合材上に配置し、表面張力を維持できる範囲内で接合面の周囲から微小にはみ出させた後、接合材を硬化させて上記光学部品と上記整列基板とを接合したことを特徴とする。

本発明の構成によれば、整列基板上に接合材を介して光アイソレータ素子を含む光学部品を接合するが、その接合材は光学部品の接合面の面積よりも開口面積が小さい凹部に充填されているために、光学部品が小型化し、凹部に充填した接合材を凹部の開口面から突出させた場合、光学部品が表面張力により整列基板上の凹部の中央位置に移動するので位置ズレが防止できるとともに、光軸がずれることもなく接合ができ、従来構造と比較して、より一層、小型化することができるとともに、光アイソレータ素子を調整無しに配置する事が可能となるため歩留まりがよく低コストの光アイソレータを提供する事ができる。

以下、本発明の実施の形態を図によって説明する。なお、従来技術と同じものについては同じ符号を用いるものとする。

図１は本発明の光アイソレータの構造を説明する図であり、（ａ）は本発明の光アイソレータの組立時の概略斜視図、（ｂ）は接着固定後の組立完成品の斜視図である。

本発明の光アイソレータは、光アイソレータ素子１０を含む光学部品Ｘを整列基板５上に接合材７を介して接合してなる。

整列基板５は光アイソレータ素子１０と磁石４を含む光学部品Ｘを搭載する面のほぼ中央部（図では整列基板５の中央に光アイソレータ素子１０、その両端に磁石４を搭載しており、それぞれの搭載領域の中央部分をいう）に光アイソレータ素子１０、磁石４の接合面よりも開口面積が小さな凹部６を設けてある。ここで、接合面とは、各光学部品Ｘの下面の面積全体をいう。

この凹部６上に接合材７を凹部６の開口面積より溢れて開口から突出するように滴下して充填する。また、凹部６から溢れ出た接合材７は光アイソレータ素子１０と磁石４の接合面積より小さい面積となるように広げ、後で詳細に説明するように接合材７上に光アイソレータ素子１０と磁石４を押し当てて配置する。

本発明に用いられる整列基板５の材質は、光アイソレータの光学特性を安定化するためにも後述のファラデー回転子２の熱膨張係数に近似しているのが望ましく、５０Ｎｉ−ＦｅやＳＵＳ４３０、ＳＦ２０Ｔなどの金属や、ジルコニアなどのセラミックスが望ましい。金属の場合は切削加工とエンドミル等の精密加工の他、ＭＩＭ成型でも作製可能である。

接合面８、９は接合材７の接合力を高めるために、接合面積の増加やアンカー効果を目的として面粗さを粗くする他にショットブラスト処理や梨地処理することが望ましい。また、光アイソレータ素子１０と磁石６が接合材７を介して直接接合された場合、熱膨張係数の違いにより偏光子１、３にクラックが生じる場合がある。そのため物理的に接合しない構造として接合面８と接合面９は段差構造となっていることが望ましいが、治具等により接合時に両者が接合しない方法があれば、その限りではない。

光アイソレータ素子１０は、ガラス基板に誘電体粒子を内包するタイプや誘電体積層タイプなどの透過偏光方向と直交する偏光方向を吸収する偏光子１、３と、ＴｂやＧｄもしくはＨｏを添加したＢｉ置換ガーネットやＹＩＧガーネットからなるファラデー回転子２から構成され、予め偏光子１と３の透過偏波面の角度が４５°となるよう回転調芯された後、各々接合材により貼り合わせ固定される。

この光アイソレータ素子１０はＬＤモジュールからの信号光の光束面積を確保し、かつ整列基板５の接合面８内に収納することを考慮し、所定の大きさに切断して形成し接合面８に接着固定される。ファラデー回転子２に十分な飽和磁界強度を付与するための磁石４は、磁界強度の耐熱性に優れた直方体からなるＳｍ−Ｃｏ系やＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系の磁石が望ましい。

磁石４は焼結体のため、作製時に粉末が磁石表面につき、異物として光アイソレータの光路を塞ぐ可能性がある他、作製時の不慮の作業にて磁力の引力により磁石同士が衝突して磁石が割れる可能性がある。それらを防止するために磁石の表面にＮｉなどのメッキを施すことが望ましい。

但し、ファラデー回転子２が自己保磁力を有するファラデー回転子２を用いる場合は磁石４が不要となる。

さらに、図２（ａ）は図１（ａ）に示した本発明の光アイソレータに、光学部品Ｘとして整列基板５に光アイソレータ素子１０の入射側にレンズ２１を配置した組立時の概略斜視図である。整列基板５は光アイソレータ素子１０とレンズ２１を含む光学部品Ｘを搭載する接合面８のほぼ中心線に光アイソレータ素子１０、レンズ２１の接合面よりも開口面積が小さく、かつ光アイソレータ素子１０とレンズ２１の双方に対面する溝部２０を設けてある。ここで、接合面８とは、各光学部品Ｘの下面の面積全体をいう。

この溝部２０上に図１の実施の形態と同様に接合材７を溝部２０の開口面積より溢れて開口から突出するように滴下して充填する。また、溝部２０から溢れ出た接合材７は光アイソレータ素子１０と磁石４の接合面積より小さい面積となるように広げ、接合材７上に光アイソレータ素子１０とレンズ２１を配置する。図２（ｂ）は接着固定後の組立完成品の斜視図である。

図３に本発明の光アイソレータ素子１０と整列基板５の接合面８と接合材７での接合状態について示す。接合面８のほぼ中央部に施した凹部６上にディスペンサを用いて接合材７を滴下する。滴下量については接合材７の粘性、ディスペンサの空気圧、接合材７が入っているシリンダー（不図示）の針穴径を調整して適宜設定し、凹部６の開口面から突出し、その開口面積より大きく凹部６を充填でき、光アイソレータ素子１０の接着面より小さい滴下量とする。（ａ）に示すように、光アイソレータ素子１０の接合面の中心位置と滴下した接合材７の中心位置が一致するように光アイソレータ素子１０を配置、接触させた。光アイソレータ素子１０の自重により、接合材７は光アイソレータ素子１０〜接合面８で広がるが、表面張力により、（ｂ）のように表面張力を維持できる範囲内で光アイソレータ素子１０から微小にはみ出すか、もしくは（ｃ）のように光アイソレータ素子１０との接触面よりはみ出すことはなく、光アイソレータ素子１０を微小サイズにしても凹部６を略中心として設置することができる。

光アイソレータ素子１０を接合材７と接触させた際に光アイソレータ素子１０に押圧を施す場合があるが、押圧が大きすぎる場合や接合面８に対して垂直でない方向からの押圧の場合には、接合材７が光アイソレータ素子１０の接触面からはみ出し、接合面８からもはみ出す場合があるため、押圧せずに自重にまかせたほうが望ましい。また、磁石４と整列基板５の接合面９との接合においても同様である。

図４は本発明の光アイソレータの上面図を示す。半導体レーザ素子への近端反射による戻り光を抑制するため、光アイソレータ素子１０は光軸に対して４〜１０度°傾斜している。整列基板５の接合面８の横幅は光アイソレータ素子１０がはみ出さないように適宜設定している。同様に、図５の本発明の光アイソレータに示すように光アイソレータ素子１０は図４に示す直方体形状ではなく、上面図からみて平行四辺形形状で入射面と出射面が光軸に対して傾斜している四角柱でも良い。

なお、このような構成の光アイソレータは、ＬＤ（レーザダイオード）モジュール内に搭載時に透過偏光方向の位置合わせが容易である、ＴＥＣ（ＴｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃＣｏｏｌｅｒ）上に搭載される。

以下、本発明の実施例として図１に示す光アイソレータと、従来例として図７に示す光アイソレータを各１００個作製し、歩留まりの比較を行った。

図１において、５０Ｎｉ−Ｆｅからなり、寸法が幅３ｍｍ（接合面８の幅；１．２ｍｍ、接合面９の幅；０．９ｍｍ）×奥行き２ｍｍ×接合面８の高さ０．４ｍｍ（接合面９の高さ０．３ｍｍ）の整列基板５において接合面８，９のそれぞれの中央部にφ０．２ｍｍ、座繰り深さ０．１ｍｍの凹部６を設けた。接合面８，９はショットブラスト処理をして面を粗く加工している。一方、光アイソレータ素子１０は半導体レーザからの出射光のビーム径がφ０．８ｍｍであるためにそれを包含するために□０．９ｍｍ×厚み０．８ｍｍの直方体に切断して形成した。なお、光アイソレータ素子１０の切断形成前に偏光子１、ファラデー回転子２、偏光子３は、予め偏光子１と３の透過偏波面の角度が４５°となるよう回転調芯した後、接合材により貼り合わせ固定している。

接合面８の凹部６上にディスペンサにより接合材７を滴下してその上に光アイソレータ素子１０のほぼ中央部と一致するように配置し、加熱により接合材を硬化固定した。このとき、偏光子１の透過偏波面は整列基板５の接合面８に対して平行になるように設置する。

ファラデー回転子２に磁界を印加するための直方体形状（幅０．８ｍｍ×奥行き１．８ｍｍ×高さ１．２ｍｍ）の磁石６はＳｍ−Ｃｏ製であり、表面にはＮｉメッキを施している。

同様に接合面９の凹部６上にディスペンサにより接合材７を滴下してその上に磁石６のほぼ中央部と一致するように配置し、加熱により接合材を硬化固定した。今回は熱硬化性接合材を用いたが、接合力を確保できる紫外線硬化接合材、可視硬化接合材であってもよい。

図７に示す従来例の光アイソレータの整列基板５にはそれぞれの接合面に凹部６を施していない。作製方法は本発明実施例と同様である。

表１に従来例の光アイソレータと本発明光アイソレータにおける、整列基板からの光アイソレータ素子のはみだし、光学素子クラック、整列基板からの接合材はみだし、整列基板からの磁石はみだしの歩留まりについての比較を示す。

本実施例の光アイソレータでは、光アイソレータ素子１０と接合材７との滴下量と位置関係により整列基板５の接合面８中央部に固定されるため、光アイソレータ素子１０が位置ずれを起こし、有効開口径小や磁石との接合による光学素子のクラック発生が無くなったため、従来例よりそれぞれ１３％、１８％改善できた。

また、滴下する接合材６は接合面８、９の中央部の位置となり、接着量も制御されるために接合時の接合材の接合面８、９からのはみ出しは無くなり、光アイソレータ素子１０と同様に磁石６においても整列基板５からのはみ出しが無くなるように制御することが可能となった。

これにより、従来例と比較して接合材７の整列基板５からのはみ出し、磁石６の整列基板５はみ出しについて、それぞれ８％、１０％改善できた。さらに、組立上、接合材滴下位置が光アイソレータ素子１０や磁石６の位置決めの目印にもなるため、接合面８，９に搭載時の作業効率も従来例と比較して３０％改善できた。それとともに光アイソレータ素子１０の位置決めが容易に出来ることから従来例と比較して光アイソレータ素子１０のサイズも小さくすることが可能となる。上記より、従来例と比較して本実施例では、歩留まり改善、作業効率改善、小型化可能となるため低コストな光アイソレータを提供することが可能となった。

本発明の光アイソレータの組立斜視図である。本発明の光アイソレータの組立斜視図である。本発明の光アイソレータの接合概略図である。本発明の光アイソレータの上面図である。本発明の光アイソレータの上面図である。従来の光アイソレータの斜視図である。従来の光アイソレータの斜視図である。

符号の説明

１…偏光子
２…ファラデー回転子
３…偏光子
４…磁石
５…整列基板
６…凹部
７…接合材
８…光アイソレータ素子との接合面
９…磁石との接合面
１０…光アイソレータ素子
２０…溝部
２１…レンズ

Claims

少なくとも偏光子とファラデー回転子とからなる光アイソレータ素子を含む光学部品を整列基板上に接合材を介して接合してなる光アイソレータにおいて、上記整列基板の上記光学部品を搭載する面の中央部に上記光学部品の接合面よりも開口面積が小さい凹部を形成し、該凹部に充填されるとともに上記光学部品の接合面の周囲から表面張力を維持できる範囲内で微小にはみ出した上記接合材を介して上記光学部品が接合されていることを特徴とする光アイソレータ。
少なくとも偏光子とファラデー回転子とからなる光アイソレータ素子を含む光学部品を整列基板上に接合材を介して接合してなる光アイソレータの製造方法において、上記整列基板の上記光学部品を搭載する面の中央部に上記光学部品の接合面よりも開口面積が小さい凹部を形成するとともに、該凹部に上記接合材を表面から溢れるとともに上記接合面に行き渡る滴下量となるように充填した後、上記光学部品を接合材上に配置し、表面張力を維持できる範囲内で接合面の周囲から微小にはみ出させた後、接合材を硬化させて上記光学部品と上記整列基板とを接合したことを特徴とする光アイソレータの製造方法。