JP4770506B2 - 導波路型光アイソレータ及び導波路型光アイソレータに用いられる磁石ホルダ - Google Patents

Description

本発明は導波路型光アイソレータ用磁石ホルダ及びそれを利用した導波路型光アイソレータに関し、特に棒磁石の装着精度を高めると共に、装着された棒磁石の長期信頼性を担保する導波路型光アイソレータ用磁石ホルダ及びそれを利用した導波路型光アイソレータに関する。

光アイソレータは、一方向のみ光を透過させ、これと反対の方向に伝搬しようとする光を阻止する素子である。例えば、光アイソレータを半導体レーザの出射端に配置することによって、半導体レーザから出射される光は光アイソレータを透過し、逆に光アイソレータを通して半導体レーザに入射しようとする光は、光アイソレータによって阻止され、半導体レーザに入射することはできない。光アイソレータを半導体レーザの出射端に配置しないと、半導体レーザに反射戻り光が入射し、これが半導体レーザの発振特性を劣化させてしまう。すなわち、光アイソレータは半導体レーザに入射しようとする光を遮り、半導体レーザの特性を劣化させることなく、安定な発振を保つ働きをする。

光アイソレータには、光が透過する領域において光の伝搬方向に直行する断面内に光を閉じ込める導波作用の無い構造（バルク型）と、導波作用のある構造（導波路型）とが存在する。近年では共に小型化が強く求められており、それに伴って各部品の小型化も必要となっている。

バルク型光アイソレータの小型化を行うための構造が、特許文献１（特開２００１−２６４６９５号公報）及び特許文献２（特開２００５−２４９７４号公報）に開示されている。

特許文献１では、光学素子接合部平面の高さをその周辺部高さと異なる段差を設けることで、光アイソレータ素子と永久磁石を基板上に接合・一体化し、高精度で組み立て位置決めができ、接合強度が高く、光学素子の接合歪みを回避した信頼性の高い、低コストの光アイソレータを提案している。また、特許文献２では、凹字型、Ｕ字型、Ｗ字型のいずれかを有するホルダを利用して、永久磁石と光学素子を固定することで、要求される小型化を可能とし、かつ組立の自動化が容易であり、組立コストの低減を可能とする平面実装型光アイソレータが提案されている。
特開２００１−２６４６９５号公報 特開２００５−２４９７４号公報

上述したように、光アイソレータの小型化を行う際には、各部品の小型化も必須事項である。特に導波路型光アイソレータにおいて、２つの導波路に対応する２つの永久磁石は磁気ガーネットに接着剤を利用して貼付されており、互いの応力が常に働いている状態となるため、剥離したりしてその長期信頼性について不安が残る構造であった。

また、近年の光アイソレータの小型化はめざましく、永久磁石も更に小型化されている。この永久磁石によって導波路を通過する光に対して磁場を与えるが、適切な位相変化を光に対して与えるためには、２つの永久磁石を適切な距離をもって磁気ガーネット上へ装着することが必要である。近年各部品が著しく小型化されているために、適切な位置への永久磁石の装着は非常に困難な作業となっていた。

永久磁石には、一般的に小型化を可能とするために強力な希土類系焼結磁石が用いられており、その特性の安定性からＳｍ−ＣｏやＮｄＦｅＢ系の焼結磁石がよく用いられる。また、その他磁石として、フェライト磁石（Ｂａ、Ｓｒ）が利用されている。しかしながら、この焼結磁石は非常にもろく、加工が難しいため、応力等に対処できかつ要求される小型化に応え得る大きさの光アイソレータ用の永久磁石を得ることが困難であった。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、棒磁石を精密に収納して固定する導波路型光アイソレータ用磁石ホルダを提供すること、そして棒磁石の磁気ガーネットへの精密装着を可能にし、装着された棒磁石の長期信頼性を担保した導波路型光アイソレータを提供することにある。

本発明は導波路型光アイソレータ及び導波路型光アイソレータに用いられる磁石ホルダに関し、本発明の上記目的は、基板と、導波層と、磁気ガーネットと、磁界印加手段と、パッケージ基板とを備え、互いに平行な２本の導波路が前記導波層に形成されてなる導波路型光アイソレータであって、前記磁界印加手段は、第１磁石及び第２磁石を具備し、前記第１磁石及び前記第２磁石は、磁石ホルダに収納されて固定され、前記磁石ホルダは、基部と、該基部から延びる第１突起部、第２突起部、及び第３突起部の少なくとも３つの突起部とを有し、前記基部と前記第１突起部と前記第２突起部とにより第１収納部を形成し、前記基部と前記第２突起部と前記第３突起部とにより第２収納部を形成して成り、前記第１磁石及び前記第２磁石は、同極性が対向するように、前記磁石ホルダの前記第１収納部及び前記第２収納部にそれぞれ収納して固定されて前記磁気ガーネット上に配設され、下方の前記２本の導波路にそれぞれ反平行な磁界を印加することによって効果的に達成される。

また、本発明の上記目的は、前記第２突起部の幅が、前記磁気ガーネット上における前記第１磁石と前記第２磁石との間の実装距離に等しいことにより、或いは前記磁石ホルダは、前記基部を上側にして前記第２突起部が前記磁気ガーネット上に配設されていることによって、より効果的に達成される。

また、本発明の上記目的は、前記第１突起部及び前記第３突起部が、前記パッケージ基板の上面まで延びており、前記基板、前記導波層、前記磁気ガーネット、及び前記磁界印加手段が前記磁石ホルダの内部に収納されることにより、或いは、前記磁石ホルダは、前記基部を下側にして、前記磁石ホルダの上面に、前記磁気ガーネット、前記導波層、前記基板をこの順に配設し、前記磁石ホルダを前記パッケージ基板として用いることによって、より効果的に達成される。

また、本発明の上記目的は、上記導波路型光アイソレータ用磁石ホルダを利用した導波路型光アイソレータによって、より効果的に達成される。

本発明の導波路型光アイソレータ用磁石ホルダによれば、相反発する２つの棒磁石（約２００μｍ×３００μｍ×６ｍｍ）を精度良く収納して固定（保持）することが可能となる。また、ステンレス材等の構造体で機械的に保持若しくは固定するため、２個の棒磁石間の反発応力等に対する長期信頼性を向上することができる。

さらには、上記磁石ホルダを使用して導波路型光アイソレータを構成した場合には、各基板（チップ）及び棒磁石を磁石ホルダ内部に被覆することで、光アイソレータ全体の長期信頼性を担保することができると共に、小型化が可能となる。

以下に、本発明に係る導波路型光アイソレータ用磁石ホルダ及びそれを利用した導波路型光アイソレータについて、図面を参照して説明する。

図１は、本発明に係る導波路型光アイソレータ用磁石ホルダ６を使用した導波路型光アイソレータ１の斜視構造図であり、図２はそのＡ−Ａ´断面図である。

導波路型光アイソレータ１は、化合物半導体基板（ＩｎＰ基板）２上に半導体材料を用いた導波層３を形成し、導波層３上に２つの導波路３１、３２を形成し、磁気光学材料で成る磁気ガーネット４を載置している。磁気ガーネット４の上面には磁気光学材料の磁化を所定の方向に揃えるための磁界印加手段として使用される永久磁石５（５１、５２）が設けられており、２本の永久磁石５（５１、５２）は導波路型光アイソレータ用磁石ホルダ６（以下、単に「磁石ホルダ６」とする）の溝部６１、６２に収納されて固定されている。

上述した半導体レーザに限らず、光増幅器などの光能動素子においては、意図しない逆向き光が入射することによって、素子の動作特性が劣化する。導波路型光アイソレータ１は一方向にしか光を透過しないため、光能動素子に意図せず逆向きに光が入射することを防止することができる。

この導波路型光アイソレータ１は、光干渉計を構成する２本の光導波路中に発生する伝搬方向によって大きさが異なる位相変化（以下、「非相反位相効果」とする）を用いて、順方向伝搬波に対しては２本の光導波路を伝搬する光波が同位相となるように、逆方向に伝搬する逆方向伝搬波に対しては逆移相になるように設定される。

導波路型光アイソレータ１の動作原理を、図７に示す。二つの光波が同位相になる場合には、構造の対称性から出力側に設けたテーパ状分岐結合器１０５において中央の出力端１１１から出力される（図７（ｂ））。一方、逆位相になる場合は、左側（導波路型光アイソレータ１１０にとっては入力端となる側）のテーパ状分岐結合器１０５において反対称の分布が形成されるため、対称構造のテーパ状分岐結合器１０５の中央出力端（入力端）１１０からは出力されずに、両脇に設けた不要光出力端１１２から出力される（図７（ｃ））。すなわち、左側のテーパ状分岐結合器１０５の入力端１１０から入射した光波は、右側のテーパ状分岐結合器１０５の出力端１１１から出力され、逆に右側のテーパ状分岐結合器１０５の出力端１１１から入力された光は、左側のテーパ状分岐結合器１０５の入力端１１０に戻ることなく、入力端１１０を逆方向伝搬波からアイソレートすることができる。

以上のような動作は、図７（ａ）に示す構成によって実現される。まず、干渉光路の一方を他方に比べて長くすることによって、２本の光路間に伝搬方向に依存しない位相差（相反位相差）を発生させる。また、磁気光学効果を有する材料（以下、「磁気光学材料」とする）を平面状の光導波路中に配置し、外部から導波路面内で伝搬方向に直交する方向（すなわち横方向）に磁界を印加して、磁気光学材料の磁化を配向させることによって非相反移相効果を発生させる。光の伝搬方向と磁化の配向方向の関係によって、磁気光学効果による非相反移相効果が決まり、磁化方向を保ったまま伝搬方向を反転させると、非相反移相効果が異なる。以下、順方向伝搬波と逆方向伝搬波の非相反移相効果の差を非相反移相量とする。

図７の導波路型光アイソレータでは、干渉計を構成する２本の導波路に互いに反平行に磁界が印加されているため、２本の導波路中を同じ距離伝搬した際の光波の位相差が非相反移相量に一致する。また、順方向伝搬波に対して非相反移相効果によって、２本の導波路間に＋φの位相差が生じるとすると、逆方向伝搬波に対してはこれと異符号−φの位相差が生じることになる。

この磁界による非相反移相効果に加え、２本の導波路に１／４波長に相当する光路長差を設けることによって、光路の長い導波路を伝搬する光がπ／２だけ大きな位相変化（以下、「相反位相差」とする）を持つように設計されていた。順方向伝搬波に対して、光路の長い導波路の方が短い導波路に比べて非相反移相効果による“位相差（非相反位相差）−π／２”を生じるようにすれば、順方向伝搬波に対して２本の導波路を伝搬する光波は同位相となる（分岐結合器の中央出力端から出力される）。伝搬方向を反転すると、非相反位相差は符号が反転するため、光路の長い導波路の方が非相反位相差＋π／２を与えられる。これと光路長差による＋π／２の位相差が加わり、逆位相状態（位相差π）で分岐結合器に入力されることになる（分岐結合器の２本の外側導波路から出力される）。このように正常光と異常光とを位相差を利用してアイソレートしていた。

本発明で用いる永久磁石（以下、「棒磁石」とする）５１、５２は棒状の直方体をしており、加工性が良く、小型化が可能な鋳造磁石（Ｆｅ−Ａｌ−Ｎｉ）を一例として利用する。なお、小型化は上述の２００μｍ×３００μｍ×６ｍｍを一例として、同等以上に小型かつ非相反移相器として十分な磁場を作成できる磁石であれば、鋳造磁石（Ｆｅ−Ａｌ−Ｎｉ）には限定しない。磁石ホルダ６に収納され固定された２本の棒磁石５１、５２は、磁気ガーネット４の上面に対してエポキシ樹脂、シリコン樹脂等の樹脂接着剤により接着される。

磁石ホルダ６は図３に示すように断面略Ｅ字状の長形構造であり、ステンレス材をワイヤ放電加工、微細レーザ加工等の加工法により容易に製造することが可能である。材料は非磁性超合金材等でも良く、棒磁石５（５１、５２）を収納して固定できると共に、磁場に影響を及ぼされないものであれば良い。加工精度を考慮する場合、非磁性超合金材が最も好ましい。図２に示すように磁石ホルダ６は、第一の導波路３１と第二の導波路３２に沿って載置される棒磁石５１、５２の各位置に対応して棒磁石５１、５２を収納して固定する溝部６１、６２が設けられている。

磁石ホルダ６の溝部６１、６２はそれぞれ中央部の突起部６３と、両側端の突起部６４及び６５で形成されており、突起部６３、６４、６５の強度によって棒磁石５１及び５２の反発応力等の影響を排除し、棒磁石５１及び５２が安定して保持されることによって、第１棒磁石５１及び第２棒磁石５２が磁気ガーネット５上から剥離することを防ぎ、長期信頼性を担保している。突起部６３は溝部６１と溝部６２とを隔離する手段であると共に、突起部６３の幅が磁気ガーネット５上における第１棒磁石５１と第２棒磁石５２との間の実装距離に等しい幅を有することにより棒磁石５１、５２を固定している。これにより、棒磁石５１及び５２を精度良く実装することができる。言い換えると、磁石ホルダ６は、図３に示すように、基部６０と、その基部６０から延びる第１〜第３の突起部６４、６３、６５を有し、基部６０と第１の突起部６４と第２の突起部（中央部の突起部）６３とにより、図２中の棒磁石５１の収納部となる第１の溝部６１を形成し、基部６０と第２の突起部６３と第３の突起部６５とにより、図２中の棒磁石５２の収納部となる第２の溝部６２を形成した構成としている。そして、図２の例のように、棒磁石５１及び棒磁石５２は、同極性が対向するように、磁石ホルダの第１の溝部６１及び第２の溝部６２にそれぞれ収納して固定されて磁気ガーネット４上に配設され、下方の２本の導波路３１，３２にそれぞれ反平行な磁界を印加するように構成されている。

なお、図４に示すように、突起部６３は構造として内部に更に溝を持つ構造を有しても良い。すなわち、突起部６３が棒磁石５１を突起部６４とで収納するための突起部６６と、棒磁石５２を突起部６５とで収納するための突起部６７との二つの突起部である構造等も考えられる。ゆえに突起部６３は、棒磁石５１、５２間の実装距離を固定することが可能な構造であれば限定しない。ただし、突起部６３、６４、６５のいずれかが棒磁石５１、５２と共に磁気ガーネット４と接し、接着剤等で磁気ガーネット４に接着されることで棒磁石５１、５２が安定して載置される必要がある。また、突起部６４、６５も突起部６３と同様に内部に更に溝を持つ構造を有しても良い。図２に示すように、導波路型光アイソレータ１の小型化に伴い、棒磁石５寸法は約２００μｍ×３００μｍ×６ｍｍが要求仕様となっており、ＩｎＰ基板２、導波層（導波路）３及び磁気ガーネット４の横幅は０．５ｍｍである。導波路３１、３２間の幅は、双方の導波路に反平行な磁界を印加する必要があることから、０．３ｍｍとする必要がある。これに応じて、棒磁石５１、５２間に０．１ｍｍの間隔を設けて磁気ガーネット４上に設置する。

これを実現するために、磁石ホルダ６の突起部６３に幅０．１ｍｍを設け、溝部６１及び６２をそれぞれ０．２ｍｍ幅として棒磁石５１、５２を固定している。突起部６３は棒磁石５１、５２と同じ高さである０．３ｍｍを有し、磁気ガーネット４上には樹脂接着剤が塗布され、棒磁石５１、５２を保持した磁気ホルダ６が磁気ガーネット４上に載置されることで、棒磁石５１、５２も磁気ガーネット４上に載置され、樹脂接着剤等で固定される。

図５は、磁石ホルダ６の突起部６１及び突起部６５をパッケージ基板（支持基板）７に装着するに最適な一例を示しており、両側端の突起部６４及び６５がパッケージ基板７の上面にまで延びている。つまり、突起部６４及び６５は、ＩｎＰ基板２、導波層３及び磁気ガーネット４を棒磁石５１、５２と共にパッケージ基板７に固定するため、棒磁石５１、５２、磁気ガーネット４、導波層３及びＩｎＰ基板２を収納すると共に、それら合計高さと同じ高さを有する。また、突起部６４の内壁と突起部６５の内壁との幅は、ＩｎＰ基板２、導波層３及び磁気ガーネット４と同じ幅を有する。突起部６３は上述したように磁気ガーネット４に棒磁石５と共に接着されるように、棒磁石５と同じ０．３ｍｍを有する。

突起部６４及び６５の先端部はパッケージ基板７の上面に、接着剤等によって固着される。これにより、棒磁石５の長期信頼性を担保すると共に、導波路型光アイソレータ１全体が磁石ホルダ６によりパッケージ基板７に固定されることとなり、導波路型光アイソレータ１全体の長期信頼性をも担保することとなる。

図６は、本発明の更に別の実施例を示しており、パッケージ基板を磁石ホルダ６Ａと兼備させた例である。磁石ホルダ６Ａは、棒磁石５１及び５２を埋設する埋設部７０及び７１と、埋設部７０及び７１とを隔てる突起部６８とを有する。埋設部７０、突起部６８及び埋設部７１の合算幅がＩｎＰ基板２、導波層３及び磁気ガーネット４と同じ幅を有することで、棒磁石５１、５２を含む導波路型光アイソレータ全体を安定化させることが可能である。

埋設部７０及び７１は棒磁石５１及び５２と同じ寸法（約２００μｍ×３００μｍ×６ｍｍ）を有し、それを隔てる突起部６８は棒磁石５１及び５２がそれぞれ０．１ｍｍ幅で実装されるように、突起部６８自身も０．１ｍｍ幅を有する。

棒磁石５１、５２は、磁石ホルダ６Ａの埋設部７０、７１にそれぞれ埋設される。磁気ガーネット４の棒磁石載置側表面には樹脂接着剤が塗布されており、磁石ホルダ６Ａ上に磁気ガーネット４が載置されることにより磁石ホルダ６Ａに磁気ガーネット４が接着されて固定されることとなる。これにより棒磁石５１及び５２は固定され、長期安定性を有する導波路型光アイソレータを提供することができる。

なお、棒磁石等の寸法数値は一例であり、数値等は任意である。

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

本発明に係る導波路型光アイソレータ用磁石ホルダを使用した導波路型光アイソレータの一例を示す斜視構造図である。 図１のＡ−Ａ´断面図である。 本発明に係る導波路型光アイソレータ用磁石ホルダ６の一例を示す斜視図である。 磁石ホルダの他の例を示す断面図である。 磁石ホルダの他の例を示す断面図である。 本発明の更に別の実施例を示す断面図である。 導波路型光アイソレータの動作原理を説明するための図である。

符号の説明

１ 導波路型光アイソレータ
２ ＩｎＰ基板
３ 導波層
３１，３２ 導波路
４ 磁気ガーネット
５（５１、５２） 永久磁石（棒磁石）
６、６Ａ 導波路型光アイソレータ用磁石ホルダ
６１、６２ 溝部
６３、６４、６５、６６、６７ 突起部
７０、７１ 埋設部
１０５ テーパ状分岐結合器
１１０ 中央出力端（入力端）
１１１ 出力端
１１２ 不要光出力端

Claims (6)

1. 基板と、導波層と、磁気ガーネットと、磁界印加手段と、パッケージ基板とを備え、互いに平行な２本の導波路が前記導波層に形成されてなる導波路型光アイソレータであって、
   前記磁界印加手段は、第１磁石及び第２磁石を具備し、
   前記第１磁石及び前記第２磁石は、磁石ホルダに収納されて固定され、
   前記磁石ホルダは、基部と、該基部から延びる第１突起部、第２突起部、及び第３突起部の少なくとも３つの突起部とを有し、
   前記基部と前記第１突起部と前記第２突起部とにより第１収納部を形成し、
   前記基部と前記第２突起部と前記第３突起部とにより第２収納部を形成して成り、
   前記第１磁石及び前記第２磁石は、同極性が対向するように、前記磁石ホルダの前記第１収納部及び前記第２収納部にそれぞれ収納して固定されて前記磁気ガーネット上に配設され、下方の前記２本の導波路にそれぞれ反平行な磁界を印加することを特徴とする導波路型光アイソレータ。
2. 前記第２突起部の幅が、前記磁気ガーネット上における前記第１磁石と前記第２磁石との間の実装距離に等しいことを特徴とする請求項１に記載の導波路型光アイソレータ。
3. 前記磁石ホルダは、前記基部を上側にして前記第２突起部が前記磁気ガーネット上に配設されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の導波路型光アイソレータ。
4. 前記第１突起部及び前記第３突起部が、前記パッケージ基板の上面まで延びており、
   前記基板、前記導波層、前記磁気ガーネット、及び前記磁界印加手段が前記磁石ホルダの内部に収納されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の導波路型光アイソレータ。
5. 前記磁石ホルダは、前記基部を下側にして、前記磁石ホルダの上面に、前記磁気ガーネット、前記導波層、前記基板をこの順に配設し、前記磁石ホルダを前記パッケージ基板として用いることを特徴とする請求項１又は２に記載の導波路型光アイソレータ。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の導波路型光アイソレータに用いられる磁石ホルダ。

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