JP4797733B2 - Polarization-independent optical isolator for high-power lasers - Google Patents

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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高出力レーザー用偏波無依存型光アイソレータに係り、特に、光アイソレーション機能が劣化し難い高出力レーザー用偏波無依存型光アイソレータの改良に関するものである。   The present invention relates to a polarization-independent optical isolator for high-power lasers used for countermeasures against return light of high-power lasers used for optical communication and processing, and particularly for high-power lasers whose optical isolation function is unlikely to deteriorate. The present invention relates to an improvement of a polarization-independent optical isolator.

光通信に利用されている半導体レーザーや、レーザー加工等に利用されている固体レーザー等は、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ことがある。このため、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光アイソレータが使用される。   Semiconductor lasers used for optical communications and solid-state lasers used for laser processing, etc., generate laser oscillation when the light reflected from the optical surface or processing surface outside the laser resonator returns to the laser element. It becomes unstable. If the oscillation becomes unstable, signal noise may occur in the case of optical communication, and the laser element may be destroyed in the case of a processing laser. For this reason, an optical isolator is used to block such reflected return light from returning to the laser element.

近年、従来のYAGレーザーの代替として注目されているファイバレーザーに関しては偏波無依存型インライン光アイソレータが使用される。また、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、従来、テルビウム・ガリウム・ガーネット結晶膜(以下、TGGと称する)やテルビウム・アルミニウム・ガーネット結晶膜(以下、TAGと称する)が用いられてきた。   In recent years, polarization-independent in-line optical isolators are used for fiber lasers that are attracting attention as an alternative to conventional YAG lasers. Conventionally, as a Faraday rotator used for an optical isolator for a high-power laser, a terbium gallium garnet crystal film (hereinafter referred to as TGG) or a terbium aluminum garnet crystal film (hereinafter referred to as TAG) has been used. Has been used.

しかし、TGGやTAGは単位長さ当たりのファラデー回転係数が小さく、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るため、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には、結晶に一様で大きな磁場をかける必要があるため、強力で大きな磁石を用いていた。このため、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。更に、TGGは高価でもあるため、小型で安価なファラデー回転子が望まれていた。   However, TGG and TAG have a small Faraday rotation coefficient per unit length, and it is necessary to increase the optical path length to obtain a 45 ° polarization rotation angle in order to function as an optical isolator. Another large crystal had to be used. Moreover, in order to obtain high optical isolation, it is necessary to apply a uniform and large magnetic field to the crystal, so a strong and large magnet was used. For this reason, the size of the optical isolator is large. In addition, since the optical path length is long, the laser beam shape may be distorted in the crystal, and an optical system for correcting the distortion may be required. Furthermore, since TGG is expensive, a small and inexpensive Faraday rotator has been desired.

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)をこのタイプのアイソレータに使用することで、大きさ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1.1μm付近まで短くなると鉄イオンによる光吸収が大きくなり、この光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。   On the other hand, by using a bismuth-substituted rare earth iron garnet crystal film (hereinafter referred to as RIG) exclusively used in the optical communication field for this type of isolator, the size can be greatly reduced. . However, it is known that RIG increases the light absorption by iron ions when the wavelength of light used is shortened to near 1.1 μm used for processing lasers, and the temperature rises due to this light absorption, causing performance deterioration. .

そこで、RIGの温度上昇の問題を改善する方法が提案されている。特許文献1、2に記載された方法は、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で発生した熱を放出し易くしたものである。また、以前から放熱基板として使用されているサファイア等の高熱伝導率基板を用いる方法(特許文献3)も提案されている。
特開2000−66160号公報 特開平7−281129号公報 特開2005−43853号公報
Therefore, a method for improving the problem of RIG temperature rise has been proposed. The methods described in Patent Documents 1 and 2 leave a gadolinium gallium garnet substrate (hereinafter referred to as a GGG substrate), which is a substrate for RIG growth, which is usually removed by polishing, leaving RIG. It is easy to release the heat generated in In addition, a method using a high thermal conductivity substrate such as sapphire that has been used as a heat dissipation substrate has been proposed (Patent Document 3).
JP 2000-66160 A JP 7-281129 A JP 2005-43853 A

しかし、特許文献1に記載された方法を用いても波長1.1μm以下で出力1Wを越すレーザーが入射すると温度上昇が著しくなるため、ファラデー回転子としての性能すなわち回転角度の大幅な減少や入力損失の増大、GGG基板とRIG膜との熱膨張の違いによる歪により生じた複屈折性による消光比劣化等の問題があった。また、特許文献1に記載された方法においては、ファラデー回転角が正確に45度になるように厚みを制御して研磨をしないと、アイソレータを組んだ場合にGGGとRIG境界からの反射を入射側にある偏光子で完全に除くことができず、消光比の劣化を引き起こす。このため、歩留まりよく高い消光比を得ることが困難等の問題があった。   However, even if the method described in Patent Document 1 is used, if a laser beam with a wavelength of 1.1 μm or less and an output exceeding 1 W is incident, the temperature rises remarkably, so that the performance as a Faraday rotator, that is, the rotation angle is greatly reduced or input There have been problems such as an increase in loss and deterioration in extinction ratio due to birefringence caused by distortion due to a difference in thermal expansion between the GGG substrate and the RIG film. Further, in the method described in Patent Document 1, reflection from the GGG and RIG boundary is incident when an isolator is assembled unless the thickness is controlled so that the Faraday rotation angle is accurately 45 degrees. The polarizer on the side cannot be completely removed, causing deterioration of the extinction ratio. For this reason, there are problems such as difficulty in obtaining a high extinction ratio with a high yield.

特許文献2においては、GGGやガラスをRIG基板の片側あるいは両側に配置する方法を提案しているが、どの方法を用いてもやはり1Wを越すレーザーに対してはファラデー回転子の性能劣化を引き起こしてしまう。   Patent Document 2 proposes a method of arranging GGG or glass on one side or both sides of the RIG substrate. However, any of these methods causes the performance degradation of the Faraday rotator for lasers exceeding 1 W. End up.

他方、特許文献3に記載された方法は、高出力レーザーに対しても性能劣化は限定的であった。しかし、放熱基板であるサファイアが複屈折性を有すため、楔形状をした複屈折結晶が用いられている偏波無依存型光アイソレータに通常のアイソレータと同様の条件で組み込んだ場合には消光比の劣化を引き起こし要求仕様を満足しない問題を有していた。   On the other hand, the method described in Patent Document 3 has limited performance degradation even for high-power lasers. However, since sapphire, a heat dissipation substrate, has birefringence, it is extinguished when incorporated into a polarization-independent optical isolator using wedge-shaped birefringent crystals under the same conditions as a normal isolator. It has a problem that the ratio is deteriorated and the required specifications are not satisfied.

本発明はこのような問題点に着目してなされたもので、その課題とするところは、上述した問題を引き起こすことなく1.1μm以下の波長で出力2W以上の高出力レーザーに対し使用しても、光アイソレーション機能が劣化し難い偏波無依存型光アイソレータを提供することにある。   The present invention has been made paying attention to such problems, and the problem is that the present invention is used for a high-power laser having a wavelength of 1.1 μm or less and an output of 2 W or more without causing the above-described problems. Another object of the present invention is to provide a polarization-independent optical isolator in which the optical isolation function is difficult to deteriorate.

このような課題を解決するため、本発明者等は、ファラデー回転子の各光学面に対してc面サファイア単結晶をそのc軸が垂直となるように貼り合わした構造のファラデー回転子を用意し、このファラデー回転子を用いて通常の偏波無依存型光アイソレータを作成した。   In order to solve such problems, the present inventors prepared a Faraday rotator having a structure in which a c-plane sapphire single crystal is bonded to each optical surface of the Faraday rotator so that its c-axis is vertical. Then, using this Faraday rotator, an ordinary polarization-independent optical isolator was created.

すなわち、この偏波無依存型光アイソレータは、図6に示すように楔形状をした複屈折結晶(ルチル)4とBi置換型RIG膜を用いたファラデー回転子5および楔形状をした複屈折結晶(ルチル)4が光軸上に沿って順に配置され、かつ、ファラデー回転子5を中央にして各複屈折結晶4の外側光軸上にファイバコリメータ3がそれぞれ配置されていると共に、ファラデー回転子5の光が通る各光学面に対してサファイア単結晶のc軸が垂直となるようにc面サファイア単結晶5aがそれぞれ貼り合わされた構造を有するものである。尚、図6中1は波長1064nmの光源(半導体レーザー)、2はファイバ、61はパワーメータを示す。   That is, this polarization-independent optical isolator includes a wedge-shaped birefringent crystal (rutile) 4 and a Faraday rotator 5 using a Bi-substituted RIG film and a wedge-shaped birefringent crystal as shown in FIG. (Rutile) 4 are arranged in order along the optical axis, and the fiber collimator 3 is arranged on the outer optical axis of each birefringent crystal 4 with the Faraday rotator 5 at the center, and the Faraday rotator. The c-plane sapphire single crystal 5a is bonded to each other so that the c-axis of the sapphire single crystal is perpendicular to each optical surface through which light 5 passes. In FIG. 6, 1 is a light source (semiconductor laser) having a wavelength of 1064 nm, 2 is a fiber, and 61 is a power meter.

そして、この偏波無依存型光アイソレータを評価したところ、アイソレーションが15dBから25dBの間に分布し、通常のファイバレーザーに使用するために必要なアイソレーションである25dB以上を得ることが難しいことが確認された。   When this polarization-independent optical isolator is evaluated, it is difficult to obtain an isolation of 25 dB or more which is necessary for use in a normal fiber laser because the isolation is distributed between 15 dB and 25 dB. Was confirmed.

この原因を調べたところ、楔形状をした複屈折結晶により常光と異常光に分離したファイバコリメータからの直線偏光が、c面サファイア単結晶の複屈折により楕円偏光になってしまい、消光比が劣化していることが確認された。   When this cause was investigated, linearly polarized light from the fiber collimator separated into ordinary light and extraordinary light by the wedge-shaped birefringent crystal became elliptically polarized light by the birefringence of the c-plane sapphire single crystal, and the extinction ratio deteriorated. It was confirmed that

そこで、c面サファイア単結晶を貼り合せたファラデー回転子(以下複合膜50と呼ぶ)について、図7に示すようにその中心軸100を回転中心にして回転させ、光軸に対し上記ファラデー回転子を順次斜め配置しながらその入射角度θと消光比の関係を測定した。この結果を図8のグラフ図に示す。そして、図8のグラフ図から、入射角度を6度以内にしないと、c面サファイア単結晶に入射する直線偏光はサファイアの複屈折により楕円偏光になり、消光比が25dBを下回ってしまうことが分かった。尚、図7中7は円筒磁石、41は偏光子、42は検光子、63は検出器を示す。   Therefore, a Faraday rotator (hereinafter referred to as a composite film 50) bonded with a c-plane sapphire single crystal is rotated around its central axis 100 as shown in FIG. 7, and the Faraday rotator is rotated with respect to the optical axis. Were sequentially arranged obliquely, and the relationship between the incident angle θ and the extinction ratio was measured. The result is shown in the graph of FIG. From the graph of FIG. 8, unless the incident angle is within 6 degrees, linearly polarized light incident on the c-plane sapphire single crystal becomes elliptically polarized light due to birefringence of sapphire, and the extinction ratio may be less than 25 dB. I understood. In FIG. 7, 7 is a cylindrical magnet, 41 is a polarizer, 42 is an analyzer, and 63 is a detector.

他方、c面サファイア単結晶に対し常光と異常光とも入射角度がほぼ0度になるように角度を調整して図9に示すような偏波無依存型光アイソレータを作成し評価したところ、c面サファイア単結晶の端面には無反射コートを施しているにも拘らず反射戻り光がわずかに存在し、リターンロスが25dB程度になることが分かった。そこで、常光と異常光とも入射角度が1度以上になるように調整したところ、リターンロスは25dBを超えるようになり所望の特性を得られるようになった。尚、図9中62は3dBカプラ、70はパワーメータを示す。   On the other hand, a polarization-independent optical isolator as shown in FIG. 9 was prepared and evaluated by adjusting the angles so that the incident angles of both ordinary light and extraordinary light were approximately 0 degrees with respect to the c-plane sapphire single crystal. It was found that although the non-reflective coating was applied to the end face of the surface sapphire single crystal, there was a slight amount of reflected return light, and the return loss was about 25 dB. Therefore, when the ordinary light and the extraordinary light were both adjusted to have an incident angle of 1 degree or more, the return loss exceeded 25 dB, and desired characteristics were obtained. In FIG. 9, 62 indicates a 3 dB coupler, and 70 indicates a power meter.

このような確認試験から、楔形状をした複屈折結晶を透過しファラデー回転子のc面サファイア単結晶に入射する光の角度を、サファイア単結晶のc軸に対して1度以上6度以内に設定することにより、光アイソレーション機能が劣化し難い偏波無依存型光アイソレータを提供できることを発見するに至った。本発明はこのような技術的検討を経て完成されている。   From such a confirmation test, the angle of the light transmitted through the wedge-shaped birefringent crystal and incident on the c-plane sapphire single crystal of the Faraday rotator is within 1 degree to 6 degrees with respect to the c-axis of the sapphire single crystal. As a result, it has been found that a polarization-independent optical isolator in which the optical isolation function hardly deteriorates can be provided. The present invention has been completed through such technical studies.

すなわち、請求項1に係る発明は、
光軸上に沿って楔形状をした複屈折結晶とBi置換型RIG膜を用いたファラデー回転子および楔形状をした複屈折結晶が順に配置され、かつ、ファラデー回転子を中央にして各複屈折結晶の外側光軸上にファイバコリメータがそれぞれ配置されていると共に、ファラデー回転子の光が通る各光学面に対してサファイア単結晶のc軸が垂直となるようにc面サファイア単結晶がそれぞれ貼り合わされた構造を有する高出力レーザー用偏波無依存型光アイソレータを前提とし、
上記楔形状をした複屈折結晶をルチルで構成しかつ複屈折結晶の楔の角度を0.65度から3.5度の範囲に設定することにより、上記複屈折結晶を透過しc面サファイア単結晶に入射する光の角度が、サファイア単結晶のc軸に対して1度以上6度以内となるようにしたことを特徴とする。
That is, the invention according to claim 1
A birefringent crystal having a wedge shape along the optical axis, a Faraday rotator using a Bi-substituted RIG film, and a birefringent crystal having a wedge shape are arranged in this order, and each birefringence is centered on the Faraday rotator. A fiber collimator is disposed on each outer optical axis of the crystal, and a c-plane sapphire single crystal is attached so that the c-axis of the sapphire single crystal is perpendicular to each optical surface through which the light of the Faraday rotator passes. Assuming a polarization-independent optical isolator for high power lasers with a combined structure,
The wedge-shaped birefringent crystal is made of rutile and the wedge angle of the birefringent crystal is set in the range of 0.65 degrees to 3.5 degrees, so that the birefringent crystal is transmitted and the c-plane sapphire single unit is formed. The angle of light incident on the crystal is 1 to 6 degrees with respect to the c-axis of the sapphire single crystal .

また、請求項2に係る発明は、
光軸上に沿って楔形状をした複屈折結晶とBi置換型RIG膜を用いたファラデー回転子および楔形状をした複屈折結晶が順に配置され、かつ、ファラデー回転子を中央にして各複屈折結晶の外側光軸上にファイバコリメータがそれぞれ配置されていると共に、ファラデー回転子の光が通る各光学面に対してサファイア単結晶のc軸が垂直となるようにc面サファイア単結晶がそれぞれ貼り合わされた構造を有する高出力レーザー用偏波無依存型光アイソレータを前提とし、
上記楔形状をした複屈折結晶をYVO 4 で構成しかつ複屈折結晶の楔の角度を1.1度から5.2度の範囲に設定することにより、上記複屈折結晶を透過しc面サファイア単結晶に入射する光の角度が、サファイア単結晶のc軸に対して1度以上6度以内となるようにしたことを特徴とする。
The invention according to claim 2
A birefringent crystal having a wedge shape along the optical axis, a Faraday rotator using a Bi-substituted RIG film, and a birefringent crystal having a wedge shape are arranged in this order, and each birefringence is centered on the Faraday rotator. A fiber collimator is disposed on each outer optical axis of the crystal, and a c-plane sapphire single crystal is attached so that the c-axis of the sapphire single crystal is perpendicular to each optical surface through which the light of the Faraday rotator passes. Assuming a polarization-independent optical isolator for high power lasers with a combined structure,
The wedge-shaped birefringent crystal is made of YVO 4 and the wedge angle of the birefringent crystal is set in the range of 1.1 degrees to 5.2 degrees, so that the birefringent crystal is transmitted and c-plane sapphire is transmitted. The angle of light incident on the single crystal is 1 to 6 degrees with respect to the c-axis of the sapphire single crystal .

次に、請求項に係る発明は、
光軸上に沿って楔形状をした複屈折結晶とBi置換型RIG膜を用いたファラデー回転子および楔形状をした複屈折結晶が順に配置され、かつ、ファラデー回転子を中央にして各複屈折結晶の外側光軸上にファイバコリメータがそれぞれ配置されていると共に、ファラデー回転子の光が通る各光学面に対してサファイア単結晶のc軸が垂直となるようにc面サファイア単結晶がそれぞれ貼り合わされた構造を有する高出力レーザー用偏波無依存型光アイソレータを前提とし、
上記楔形状をした複屈折結晶を方解石で構成しかつ複屈折結晶の楔の角度を1.6度から9.3度の範囲に設定することにより、上記複屈折結晶を透過しc面サファイア単結晶に入射する光の角度が、サファイア単結晶のc軸に対して1度以上6度以内となるようにしたことを特徴とする。
Next, the invention according to claim 3 is
A birefringent crystal having a wedge shape along the optical axis, a Faraday rotator using a Bi-substituted RIG film, and a birefringent crystal having a wedge shape are arranged in this order, and each birefringence is centered on the Faraday rotator. A fiber collimator is disposed on each outer optical axis of the crystal, and a c-plane sapphire single crystal is attached so that the c-axis of the sapphire single crystal is perpendicular to each optical surface through which the light of the Faraday rotator passes. Assuming a polarization-independent optical isolator for high power lasers with a combined structure,
By forming the wedge-shaped birefringent crystal from calcite and setting the wedge angle of the birefringent crystal in the range of 1.6 degrees to 9.3 degrees, the birefringent crystal is transmitted through the c-plane sapphire single unit. The angle of light incident on the crystal is 1 to 6 degrees with respect to the c-axis of the sapphire single crystal .

請求項1〜3に記載の発明に係る高出力レーザー用偏波無依存型光アイソレータによれば、楔形状をした複屈折結晶を透過しファラデー回転子のc面サファイア単結晶に入射する光の角度が、サファイア単結晶のc軸に対して1度以上6度以内に設定されているため、1.1μm以下の波長で出力2W以上の高出力レーザーに対し使用しても高いアイソレーション効果を維持することが可能となる。 According to the polarization-independent optical isolator for a high-power laser according to any one of claims 1 to 3 , the light transmitted through the wedge-shaped birefringent crystal and incident on the c-plane sapphire single crystal of the Faraday rotator. Since the angle is set within the range of 1 to 6 degrees with respect to the c-axis of the sapphire single crystal, a high isolation effect can be obtained even when used for a high-power laser with a wavelength of 1.1 μm or less and an output of 2 W or more. Can be maintained.

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.

まず、本発明に用いられるファラデー回転子は、上述したように回転角が45度であるビスマス置換型RIG膜を、熱伝導率の高い透明な放熱用基板であるc面サファイア単結晶ではさみ、出来上がった複合膜をダイシングソー等により所望の大きさのチップに切断したものである。このチップの少なくても一方の端面については、レーザー入射径から1.5倍以上の部分の四隅を高熱伝導率のヒートシンクに熱的に接触させるものである。   First, the Faraday rotator used in the present invention sandwiches a bismuth-substituted RIG film having a rotation angle of 45 degrees as described above with a c-plane sapphire single crystal that is a transparent heat dissipation substrate having high thermal conductivity, The completed composite film is cut into chips of a desired size using a dicing saw or the like. At least one end face of this chip is to thermally contact the four corners of the portion 1.5 times or more from the laser incident diameter with a heat sink having high thermal conductivity.

上記c面サファイア単結晶についてはその厚みが0.5mmのものを用いた。また、c面サファイア単結晶の空気と接する面側には予め反射防止膜を施しておき、接着剤と接する面側にもやはり反射防止膜を施す。   The c-plane sapphire single crystal having a thickness of 0.5 mm was used. In addition, an antireflection film is provided in advance on the side of the c-plane sapphire single crystal in contact with air, and the antireflection film is also provided on the side of the surface in contact with the adhesive.

そして、波長域750nmから1100nmで吸収係数が0.1cm−1以下のエポキシ樹脂を用いて、ビスマス置換型RIG膜の光学面に上記c面サファイア単結晶を貼り合わせる。尚、c面サファイア単結晶、ビスマス置換型RIG膜、c面サファイア単結晶をエポキシ樹脂で同時に貼り合わせる際、上側から圧することにより接着剤の厚みが10μmよりも大きくならないようにする。また、c面サファイア単結晶が平行平面の場合には、ビスマス置換型RIG膜に接着させた後、ダイシングソーで必要な大きさに切断する。 Then, the c-plane sapphire single crystal is bonded to the optical surface of the bismuth-substituted RIG film using an epoxy resin having an absorption coefficient of 0.1 cm −1 or less in a wavelength range of 750 nm to 1100 nm. When the c-plane sapphire single crystal, the bismuth-substituted RIG film, and the c-plane sapphire single crystal are bonded together with an epoxy resin, the thickness of the adhesive is prevented from becoming larger than 10 μm by pressing from above. When the c-plane sapphire single crystal is a parallel plane, it is bonded to a bismuth substitution RIG film and then cut into a required size with a dicing saw.

このようにして作製された複合膜(c面サファイア単結晶を各光学面に貼り合わせたビスマス置換型RIG膜)を、図2および図3に示すようにファイバコリメータ3と楔の角度が5度に設定された複屈折結晶(ルチル)4の間に配置し、かつ、図2に示すように光軸に対して上記複合膜(すなわちc面サファイア単結晶5aが貼り合わされたファラデー回転子5)を3度以上6.5度以内で複屈折結晶(ルチル)4からでてきた光のc面サファイア単結晶5aへの入射角度が減る方向に傾け、あるいは、図3に示すように光軸に対して上記ファイバコリメータ3を3度以上6.5度以内で複屈折結晶(ルチル)4からでてきた光のc面サファイア単結晶5aへの入射角度が減る方向に傾けて、参考例に係る高出力レーザー用偏波無依存型光アイソレータが得られる。 The composite film (bismuth-substituted RIG film in which c-plane sapphire single crystal is bonded to each optical surface) thus fabricated is used, and the angle between the fiber collimator 3 and the wedge is 5 degrees as shown in FIGS. 2 and the composite film (ie, the Faraday rotator 5 in which the c-plane sapphire single crystal 5a is bonded) with respect to the optical axis as shown in FIG. Is tilted in the direction in which the incident angle of the light coming from the birefringent crystal (rutile) 4 to the c-plane sapphire single crystal 5a is reduced by 3 degrees or more and 6.5 degrees or as shown in FIG. tilt angle of incidence decreases direction to the c-plane sapphire single crystal 5a of the light flowing out from the birefringent crystal (rutile) 4 within 6.5 degrees 3 degrees to the fiber collimator 3, according to a reference example for Polarization-independent light for high-power lasers Isolator can be obtained.

次に、光軸に対し複合膜(c面サファイア単結晶5aが貼り合わされたファラデー回転子5)若しくはファイバコリメータ3を斜めに配置する上記方法に代えて、楔形状をした複屈折結晶の楔の角度を所定の範囲に調整する方法によっても25dB程度のアイソレーションを得ることは可能である。すなわち、図4に示すようにファラデー回転子5とc面サファイア単結晶5aとで構成される複合膜若しくはファイバコリメータ3を光軸に対し斜めに配置せず、かつ、複屈折結晶4の楔の角度を所定の範囲に調整することにより、上記複屈折結晶4を透過しファラデー回転子5のc面サファイア単結晶5aに入射する光の角度が、サファイア単結晶5aのc軸に対して1度以上6度以内に設定された本発明の高出力レーザー用偏波無依存型光アイソレータを得ることができる。 Next, instead of the above-described method in which the composite film (Faraday rotator 5 with the c-plane sapphire single crystal 5a bonded) or the fiber collimator 3 is arranged obliquely with respect to the optical axis, a wedge-shaped birefringent crystal wedge Isolation of about 25 dB can also be obtained by adjusting the angle to a predetermined range. That is, as shown in FIG. 4, the composite film or the fiber collimator 3 composed of the Faraday rotator 5 and the c-plane sapphire single crystal 5a is not arranged obliquely with respect to the optical axis, and the wedge of the birefringent crystal 4 By adjusting the angle to a predetermined range, the angle of light transmitted through the birefringent crystal 4 and incident on the c-plane sapphire single crystal 5a of the Faraday rotator 5 is 1 degree with respect to the c-axis of the sapphire single crystal 5a. The polarization-independent optical isolator for a high-power laser of the present invention set within 6 degrees can be obtained.

尚、上記複屈折結晶としては、ルチル、YVO4、および、方解石等を例示できるが、これ等材料で楔形状をした複屈折結晶を構成した場合、その楔の角度は以下の表1に示すような角度となる。 Examples of the birefringent crystal include rutile, YVO 4 , and calcite. When a birefringent crystal having a wedge shape is formed of these materials, the angle of the wedge is shown in Table 1 below. It becomes such an angle.

Figure 0004797733
従って、複屈折結晶をルチルで構成した場合には、楔の角度を0.65度から3.5度の範囲に設定することにより、c面サファイア単結晶に入射する光の角度をサファイア単結晶のc軸に対して1度以上6度以内に設定できる。また、上記複屈折結晶をYVO4で構成した場合には、楔の角度を1.1度から5.2度の範囲に、また、複屈折結晶を方解石で構成した場合には、楔の角度を1.6度から9.3度の範囲に設定することにより、上記c面サファイア単結晶に入射する光の角度をサファイア単結晶のc軸に対して1度以上6度以内に設定することが可能となる。
Figure 0004797733
Therefore, when the birefringent crystal is made of rutile, the angle of light incident on the c-plane sapphire single crystal is set by setting the wedge angle in the range of 0.65 degrees to 3.5 degrees. It can be set within the range of 1 to 6 degrees with respect to the c axis. When the birefringent crystal is made of YVO 4 , the wedge angle is in the range of 1.1 to 5.2 degrees, and when the birefringent crystal is made of calcite, the wedge angle is set. By setting the angle from 1.6 degrees to 9.3 degrees, the angle of the light incident on the c-plane sapphire single crystal is set to 1 degree or more and 6 degrees or less with respect to the c-axis of the sapphire single crystal. Is possible.

以下、本発明の参考例について説明する。
参考例
Hereinafter, reference examples of the present invention will be described.
[ Reference example ]

この偏波無依存型光アイソレータは、図1に示すように楔形状をした複屈折結晶(ルチル)4とBi置換型RIG膜を用いたファラデー回転子5および楔形状をした複屈折結晶(ルチル)4が光軸上に沿って順に配置され、かつ、ファラデー回転子5を中央にして各複屈折結晶4の外側光軸上にファイバコリメータ(コリメータレンズ)3がそれぞれ配置されていると共に、ファラデー回転子5の光が通る各光学面に対してサファイア単結晶のc軸が垂直となるようにc面サファイア単結晶5aがそれぞれ貼り合わされた構造を有している。また、ファラデー回転子5とc面サファイア単結晶5aとで構成される複合膜50は、図1に示すように真鍮製のヒートシンク15で覆われ、かつ、ホルダーにより一体的に保持されている。尚、図1中1は波長1064nmの光源(半導体レーザー)、2はファイバ、7は磁石、80はパワーメータを示す。また、上記波長1064nmでファラデー回転子5の厚みは140μmであり、挿入損失は0.6dB程度である。   As shown in FIG. 1, this polarization-independent optical isolator includes a wedge-shaped birefringent crystal (rutile) 4, a Faraday rotator 5 using a Bi-substituted RIG film, and a wedge-shaped birefringent crystal (rutile). ) 4 are arranged in order along the optical axis, and a fiber collimator (collimator lens) 3 is arranged on the outer optical axis of each birefringent crystal 4 with the Faraday rotator 5 at the center. The c-plane sapphire single crystal 5a is bonded to each other so that the c-axis of the sapphire single crystal is perpendicular to each optical surface through which the light of the rotor 5 passes. Further, the composite film 50 composed of the Faraday rotator 5 and the c-plane sapphire single crystal 5a is covered with a heat sink 15 made of brass as shown in FIG. 1, and is integrally held by a holder. In FIG. 1, 1 is a light source (semiconductor laser) having a wavelength of 1064 nm, 2 is a fiber, 7 is a magnet, and 80 is a power meter. The thickness of the Faraday rotator 5 at the wavelength of 1064 nm is 140 μm, and the insertion loss is about 0.6 dB.

まず、上記ファラデー回転子5は所望の厚みに両面を平面研磨し、かつ、両面に対接着剤用の反射防止膜を施した。このファラデー回転子5の両面に対し、片面を対接着剤用の反射防止膜を施しかつ反対面を対空気用の反射防止膜を施した厚さ500μmのC面サファイア単結晶5a基板を、波長1064nmでの吸収係数が小さいエポキシ接着剤を介して貼り合わせた。このようにして得られた複合膜50を2.0mm角になるようにダイシングソーで切断した。   First, both sides of the Faraday rotator 5 were polished to a desired thickness, and an antireflection film for an adhesive was applied to both sides. A C-plane sapphire single crystal 5a substrate having a thickness of 500 μm, with one side coated with an antireflection film for adhesive and the other side coated with an antireflection film for air, on both sides of the Faraday rotator 5, It bonded together through the epoxy adhesive with a small absorption coefficient in 1064 nm. The composite film 50 thus obtained was cut with a dicing saw so as to be 2.0 mm square.

この複合膜50を上記真鍮製のヒートシンク15で覆い、かつ、光軸に対してヒートシンク15ごと4度傾けると共に、楔の角度が5度に設定された複屈折結晶(ルチル)4の間に入れた。   The composite film 50 is covered with the heat sink 15 made of brass, and is inclined between the heat sink 15 and the optical axis by 4 degrees, and is inserted between the birefringent crystals (rutile) 4 in which the wedge angle is set to 5 degrees. It was.

そして、上記ファイバコリメータ(コリメータレンズ)3間に、図1に示すように複屈折結晶(ルチル)4、複合膜50、磁石7等から成る光学部品を挿入しかつ調整して本発明の参考例に係る偏波無依存型光アイソレータを構成したところ、入力損失1.5dB、アイソレーション32dBが得られ、これ等特性は2Wのレーザーに対しても殆ど変わらなかった。 Then, as shown in FIG. 1, an optical component composed of a birefringent crystal (rutile) 4, a composite film 50, a magnet 7 and the like is inserted and adjusted between the fiber collimators (collimator lenses) 3, and a reference example of the present invention. When the polarization-independent optical isolator according to the above was constructed, an input loss of 1.5 dB and an isolation of 32 dB were obtained, and these characteristics were almost unchanged even with a 2 W laser.

本発明に係る偏波無依存型光アイソレータは、1.1μm以下の波長で出力2W以上の高出力レーザーに対し使用しても高いアイソレーション効果を維持するため、光通信やレーザー加工等における高出力レーザー用の光アイソレータとして広範に利用される可能性を有している。   The polarization-independent optical isolator according to the present invention maintains a high isolation effect even when used for a high-power laser having a wavelength of 1.1 μm or less and an output of 2 W or more. It has the potential to be widely used as an optical isolator for output lasers.

本発明の参考例に係る高出力レーザー用偏波無依存型光アイソレータの構成説明図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a configuration explanatory diagram of a polarization-independent optical isolator for a high-power laser according to a reference example of the present invention. 本発明の参考例に係る高出力レーザー用偏波無依存型光アイソレータの構成説明図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a configuration explanatory diagram of a polarization-independent optical isolator for a high-power laser according to a reference example of the present invention. 本発明の参考例に係る高出力レーザー用偏波無依存型光アイソレータの構成説明図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a configuration explanatory diagram of a polarization-independent optical isolator for a high-power laser according to a reference example of the present invention. 本発明の実施の形態に係る高出力レーザー用偏波無依存型光アイソレータの構成説明図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a configuration explanatory diagram of a polarization-independent optical isolator for a high-power laser according to an embodiment of the present invention. 高出力レーザー用偏波無依存型光アイソレータにおける構成部品としての楔形状をした複屈折結晶の説明図。Explanatory drawing of the birefringent crystal | crystallization made into the wedge shape as a component in the polarization independent type optical isolator for high power lasers. 従来例に係る偏波無依存型光アイソレータの構成説明図。FIG. 10 is a configuration explanatory diagram of a polarization-independent optical isolator according to a conventional example. 偏波無依存型光アイソレータにおける複合膜のC面サファイア単結晶への入射角度と消光比との関係を測定する方法を示す説明図。Explanatory drawing which shows the method to measure the relationship between the incident angle to the C-plane sapphire single crystal of a composite film in a polarization independent optical isolator, and an extinction ratio. C面サファイア単結晶への入射角度と消光比との関係を示すグラフ図。The graph which shows the relationship between the incident angle to C surface sapphire single crystal, and an extinction ratio. 上記c面サファイア単結晶端面からの反射戻り光に起因するリターンロスを測定する方法を示す説明図。Explanatory drawing which shows the method of measuring the return loss resulting from the reflected return light from the said c surface sapphire single-crystal end surface.

符号の説明Explanation of symbols

2 ファイバ
3 ファイバコリメータ
4 楔形状をした複屈折結晶
5 ファラデー回転子
5a c面サファイア単結晶
2 Fiber 3 Fiber collimator 4 Wedge-shaped birefringent crystal 5 Faraday rotator 5a c-plane sapphire single crystal

Claims (3)

光軸上に沿って楔形状をした複屈折結晶とBi置換型RIG膜を用いたファラデー回転子および楔形状をした複屈折結晶が順に配置され、かつ、ファラデー回転子を中央にして各複屈折結晶の外側光軸上にファイバコリメータがそれぞれ配置されていると共に、ファラデー回転子の光が通る各光学面に対してサファイア単結晶のc軸が垂直となるようにc面サファイア単結晶がそれぞれ貼り合わされた構造を有する高出力レーザー用偏波無依存型光アイソレータにおいて、
上記楔形状をした複屈折結晶をルチルで構成しかつ複屈折結晶の楔の角度を0.65度から3.5度の範囲に設定することにより、上記複屈折結晶を透過しc面サファイア単結晶に入射する光の角度が、サファイア単結晶のc軸に対して1度以上6度以内となるようにしたことを特徴とする高出力レーザー用偏波無依存型光アイソレータ。
A birefringent crystal having a wedge shape along the optical axis, a Faraday rotator using a Bi-substituted RIG film, and a birefringent crystal having a wedge shape are arranged in this order, and each birefringence is centered on the Faraday rotator. A fiber collimator is disposed on each outer optical axis of the crystal, and a c-plane sapphire single crystal is attached so that the c-axis of the sapphire single crystal is perpendicular to each optical surface through which the light of the Faraday rotator passes. In a polarization-independent optical isolator for a high-power laser having a combined structure,
The wedge-shaped birefringent crystal is made of rutile and the wedge angle of the birefringent crystal is set in the range of 0.65 degrees to 3.5 degrees, so that the birefringent crystal is transmitted and the c-plane sapphire single unit is formed. A polarization-independent optical isolator for a high-power laser , characterized in that the angle of light incident on the crystal is 1 to 6 degrees with respect to the c-axis of the sapphire single crystal .
光軸上に沿って楔形状をした複屈折結晶とBi置換型RIG膜を用いたファラデー回転子および楔形状をした複屈折結晶が順に配置され、かつ、ファラデー回転子を中央にして各複屈折結晶の外側光軸上にファイバコリメータがそれぞれ配置されていると共に、ファラデー回転子の光が通る各光学面に対してサファイア単結晶のc軸が垂直となるようにc面サファイア単結晶がそれぞれ貼り合わされた構造を有する高出力レーザー用偏波無依存型光アイソレータにおいて、
上記楔形状をした複屈折結晶をYVO 4 で構成しかつ複屈折結晶の楔の角度を1.1度から5.2度の範囲に設定することにより、上記複屈折結晶を透過しc面サファイア単結晶に入射する光の角度が、サファイア単結晶のc軸に対して1度以上6度以内となるようにしたことを特徴とする高出力レーザー用偏波無依存型光アイソレータ。
A birefringent crystal having a wedge shape along the optical axis, a Faraday rotator using a Bi-substituted RIG film, and a birefringent crystal having a wedge shape are arranged in this order, and each birefringence is centered on the Faraday rotator. A fiber collimator is disposed on each outer optical axis of the crystal, and a c-plane sapphire single crystal is attached so that the c-axis of the sapphire single crystal is perpendicular to each optical surface through which the light of the Faraday rotator passes. In a polarization-independent optical isolator for a high-power laser having a combined structure,
The wedge-shaped birefringent crystal is made of YVO 4 and the wedge angle of the birefringent crystal is set in the range of 1.1 degrees to 5.2 degrees, so that the birefringent crystal is transmitted and c-plane sapphire is transmitted. A polarization-independent optical isolator for a high-power laser , wherein the angle of light incident on the single crystal is 1 to 6 degrees with respect to the c-axis of the sapphire single crystal .
光軸上に沿って楔形状をした複屈折結晶とBi置換型RIG膜を用いたファラデー回転子および楔形状をした複屈折結晶が順に配置され、かつ、ファラデー回転子を中央にして各複屈折結晶の外側光軸上にファイバコリメータがそれぞれ配置されていると共に、ファラデー回転子の光が通る各光学面に対してサファイア単結晶のc軸が垂直となるようにc面サファイア単結晶がそれぞれ貼り合わされた構造を有する高出力レーザー用偏波無依存型光アイソレータにおいて、
上記楔形状をした複屈折結晶を方解石で構成しかつ複屈折結晶の楔の角度を1.6度から9.3度の範囲に設定することにより、上記複屈折結晶を透過しc面サファイア単結晶に入射する光の角度が、サファイア単結晶のc軸に対して1度以上6度以内となるようにしたことを特徴とする高出力レーザー用偏波無依存型光アイソレータ。
A birefringent crystal having a wedge shape along the optical axis, a Faraday rotator using a Bi-substituted RIG film, and a birefringent crystal having a wedge shape are arranged in this order, and each birefringence is centered on the Faraday rotator. A fiber collimator is disposed on each outer optical axis of the crystal, and a c-plane sapphire single crystal is attached so that the c-axis of the sapphire single crystal is perpendicular to each optical surface through which the light of the Faraday rotator passes. In a polarization-independent optical isolator for a high-power laser having a combined structure,
By forming the wedge-shaped birefringent crystal from calcite and setting the wedge angle of the birefringent crystal in the range of 1.6 degrees to 9.3 degrees, the birefringent crystal is transmitted through the c-plane sapphire single unit. A polarization-independent optical isolator for a high-power laser , characterized in that the angle of light incident on the crystal is 1 to 6 degrees with respect to the c-axis of the sapphire single crystal .
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