JP5188623B2 - 光アイソレータ素子およびこれを用いた光モジュール - Google Patents

Description

本発明は、発光素子への反射戻り光を遮断する光アイソレータおよびこれを用いた光モジュールに関する。発光素子を搭載した光モジュールは光通信機器またはセンサー用光源等に使用される。

光アイソレータ素子は、ファラデー回転子と、このファラデー回転子を挟む第１偏光子および第２偏光子とを有している。光アイソレータ素子は、第１方向の光（以下、順方向の光という）をそのまま透過させる一方、第１方向と逆の第２方向の光（以下、逆方向の光という）を遮断する。また、光アイソレータ素子には、第１偏光子、第１ファラデー回転子、第２偏光子、第２ファラデー回転子、第３偏光子が順次配置されて構成される多層タイプもあり、同様の働きを持つ。

このような光アイソレータ素子を構成する偏光子には、一般に吸収型偏光子が用いられている。吸収型偏光子とは、ガラス中に銅、銀、またはカドミウム等のハロゲン化物の結晶を形成させ、その結晶を加熱により一方向に延伸するとともに、水素雰囲気中で還元することによって、針状の金属粒子をガラス中に析出させたものである（例えば、特開平０８−５０２０５号公報参照）。

しかしながら、このような偏光子を用いた光アイソレータ素子では、ガラス中のハロゲン化金属の濃度を一定以上大きくすることができないので、必要な消光比特性を得るためには、金属粒子が分布する層の厚みを厚くする必要がある。通常、偏光子表面から５０μｍの深さまで金属粒子層が分布している。そして、分布深さを深くすることによって金属粒子の量を確保し、所望の消光比特性を得ている。このため、このタイプの偏光子は厚みを薄くし難いという問題がある。

また、偏光子の厚みが厚いと、光アイソレータ素子を小さくできないという問題がある。入射する光のスポット径が次第に拡大するような光ビームの場合、スポット径が光アイソレータ素子より大きくなると、スポット中の周辺光が遮られてしまうケラレが生じて光損失を生じる。このため、光アイソレータ素子のサイズをスポット径より十分大きくしておく必要がある。したがって、光アイソレータ素子を小型化し難いという問題があった。

また吸収型偏光子には、スパッタリング等の物理蒸着法でガラス表面に金属粒子を埋め込み、これを延伸して配向させることで、偏光機能を有するタイプもある（例えば、特開平０９−１７８９３９号公報）。

このタイプの偏光子を用いて光アイソレータ素子を作製した場合、ガラス表面からの金属粒子の分布深さを浅くすることができ、偏光子の厚みを薄くすることができる。その代償として、所望の消光比特性を得るために、ガラス表面の金属粒子密度を高くし、金属粒子の量を確保する必要がある。

しかしながら、ガラス表面での金属粒子の密度を高くした場合、ガラス表面での屈折率が高くなり、その屈折率差によって光の反射を生じる場合がある。この場合、例えば、図９に示すように、第１偏光子６２側から光アイソレータ素子６０に逆方向の光９１が入射したとする。逆方向の光９１は第２偏光子６３で遮られるのであるが、第２偏光子６３の金属粒子密度の高い界面６３ａで一部反射した反射光９２が、再び第１偏光子６２の金属粒子密度の高い界面６２ａで反射し、第２偏光子６３側から外側へ出射光９３として出射されてしまう場合がある。逆方向の光の一部がこのように光アイソレータ素子６０を透過してしまうので、アイソレーション特性が劣化するという問題が生じる。

以上のような問題に鑑み、本発明は、アイソレーション特性の劣化が少なく、薄くすることが容易な光アイソレータ素子の提供を目的とする。

本発明の一実施形態に係る光アイソレータ素子は、光の偏光面を回転させるファラデー回転子と、このファラデー回転子の一方面側に配置される第１偏光子と、前記ファラデー回転子の他方面側に配置される第２偏光子とを備える。前記第１偏光子および前記第２偏光子は、金属粒子が分布する金属粒子層を有する光吸収型の偏光子である。そして、前記第２偏光子は、前記第１偏光子の金属粒子層に分布ずる金属粒子の密度より大きい密度で金属粒子が分布する金属粒子層を有している。

また、本発明の一実施形態に係る光アイソレータ素子は、金属粒子が分布する金属粒子層を有する光吸収型の第１，第２，第３偏光子と、前記第１および第２偏光子の間に配置された第１ファラデー回転子と、前記第２および第３偏光子の間に配置された第２ファラデー回転子とが一列に並べて配置されている。そして、前記第１，第２，第３偏光子のうち、いずれか一枚の偏光子の前記金属粒子層に分布する金属粒子密度が他の偏光子の前記金属粒子層に分布する金属粒子密度より大きいことを特徴とする。

また、本発明の一実施形態に係る光アイソレータ素子は、金属粒子が分布する金属粒子層を有する光吸収型の第１，第２，第３偏光子と、前記第１および第２偏光子の間に配置された第１ファラデー回転子と、前記第２および第３偏光子の間に配置された第２ファラデー回転子とが一列に並べて配置されている。そして、前記第１および第３偏光子の前記金属粒子層に分布する金属粒子密度が、前記第２偏光子の前記金属粒子層に分布する金属粒子密度より大きいことを特徴とする。

また、本発明の一実施形態に係る光モジュールは、内部に発光素子を備え、前記発光素子から出射された光信号の光路中に上記いずれかの光アイソレータ素子が挿入されていることを特徴とする。

本発明の一実施形態に係る光アイソレータ素子によれば、ファラデー回転子を介して互いに対向する偏光子のいずれか一方に分布する金属粒子層の金属粒子密度が他方の偏光子に分布する金属粒子層の金属粒子密度より小さいことにより、一方の偏光子で生じる反射光を少なくして光アイソレータ素子のアイソレーションの劣化を減じることができる。

本発明の光アイソレータ素子の実施の形態の一例を示す側面図である。 図１の光アイソレータ素子を用いた他の実施形態の例を示す側面図である。 図１の光アイソレータ素子を用いた他の実施形態の例を示す側面図である。 図１の光アイソレータ素子を用いた他の実施形態の例を示す側面図である。 本発明の光アイソレータ素子の実施の形態の他の例を示す側面図である。 本発明の光アイソレータ素子の実施の形態の他の例を示す側面図である。 本発明の一実施形態に係る光アイソレータ素子を透過する光の態様を示す模式図である。 発明の一実施形態に係る光アイソレータ素子を透過する光の態様を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る光アイソレータ素子を透過する光の態様を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る光アイソレータ素子を透過する光の態様を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る光アイソレータ素子を用いた光ファイバ保持部品の例を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る光アイソレータ素子を用いた光ファイバ保持部品の例を示す要部拡大断面図である。 本発明の一実施形態に係る光アイソレータ素子を用いた光ファイバ保持部品の他の例を示す要部拡大断面図である。 従来の光アイソレータ素子を透過する逆方向光の様態を示す模式図である。 タイプＡの吸収型偏光子の例を模式的に示すな視図である。 タイプＢの吸収型偏光子の例を模式的に示す斜視図である。

以下、本発明の実施の形態の各例について図面に基づき詳細に説明する。

図１に、本発明の一実施形態に係る光アイソレータ１を示す。光アイソレータ１は、ファラデー回転子１１の一方および他方に第１偏光子１２と第２偏光子１３が配置された構造とされている。それぞれの素子１１，１２，１３はそれぞれ一定厚みの板状であり平行に配置されている。ファラデー回転子１１と、その両側に配置された第１偏光子１２および第２偏光子１３とは、例えば、接着剤を用いて一体に接着固定されている。なお、接着剤は、素子１１，１２，１３と同じ屈折率を持つものが適しており、接着剤の種類としては、アクリル系やエポキシ系の熱硬化型、ＵＶ硬化型、両者の併用タイプのものが使用される。勿論、接着剤ではない他の透明媒体、例えば空気等を介して配置されていても良い。

ファラデー回転子１１は、テルビウム（Ｔｂ）、ガドリニウム（Ｇｄ）またはホルミウム（Ｈｏ）を添加したビスマス（Ｂｉ）置換ガーネットまたはＹＩＧガーネット、さらには磁石が不要な自己バイアス型のものが用いられる。ファラデー回転子１１の表面に、例えば、チタニア（ＴｉＯ_２）およびシリカ（ＳｉＯ_２）、または、５酸化２タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）およびＳｉＯ_２等の多層膜で構成される反射防止膜を形成してもよい。このような反射防止膜を用いれば、ファラデー回転子１１の表面における光の反射を反射量０．２％以下にすることができる。ファラデー回転子１１の厚みは、ファラデー回転子１１の材質の種類と使用する光の波長にあわせて、ファラデー回転角が例えば４５°になるような厚みに調整されている。具体的に、材質の種類と使用する波長によって異なるがおおむね、０．２〜０．５mmの厚みを有する。そして、順方向光に対して、第１偏光子１２と第２偏光子１３の透過偏波面が互いに４５°になるように配置される。

吸収型偏光子には、タイプＡとタイプＢがある。光アイソレータ素子１の第１偏光子１２は、表面または内層に含まれる金属粒子層に分布する金属粒子の密度が第２偏光子１３の表面または内層に含まれる金属粒子層に分布する金属粒子の密度より小さいタイプＡの偏光子である。これに対して、第２偏光子１３は、表面または内層に含まれる金属粒子層に分布する金属粒子の密度が第１偏光子１２の表面または内層に含まれる金属粒子層に分布する金属粒子の密度より大きいタイプＢの偏光子である。

なお、図１ではファラデー回転子１１の左側に第１偏光子１１を配置し、右側に第２偏光子１３を配置した例を示しているが、その逆に配置されても全く同じである。光アイソレータ素子１は、ファラデー回転子１１のいずれか一方の面にタイプＡの偏光子、他方の面にタイプＢの偏光子が配置されたものである。または、ファラデー回転子１１を挟んでタイプＡおよびタイプＢの偏光子を対向させて配置されたものである。

図１０ＡはタイプＡの偏光子を模式的に表した斜視図、図１０ＢはタイプＢの偏光子を模式的に表した斜視図である。タイプＡおよびタイプＢの偏光子は、表面に近い偏光子内部に金属粒子Ｍ１，Ｍ２が散在している。いくつかの金属粒子Ｍ１，Ｍ２は偏光子の１軸方向（図１０Ａ，図１０Ｂにおいては上下方向）に長径を有する細長い形状を有している。図１０Ａに示すタイプＡの偏光子には、深さＤ１の金属粒子層７１に金属粒子Ｍ１が散在し、図１０Ｂに示すタイプＢの偏光子には、深さＤ２の金属粒子層７２に金属粒子Ｍ２が散在している。

なお、図１０Ａ，図１０Ｂは金属粒子層７１，７２が偏光子の表面付近に形成されている例を示すが、金属粒子層７１，７２が偏光子の内部に形成されていてもよい。この場合は、金属粒子Ｍ１，Ｍ２の密度が偏光子の内部において最も高くなる。ここで、金属粒子層７１，７２の深さＤ１，Ｄ２は、ＴＥＭを用いた断面観察によって金属粒子Ｍ１，Ｍ２の存在が確認される金属粒子層７１，７２の厚さで定義される。

図１０Ａ，図１０Ｂに示すように、タイプＢの偏光子の表面または内層に分布する金属粒子層７２の厚みＤ２は、タイプＡの偏光子の金属粒子層７１の厚みＤ１の１／２以下である。そして、タイプＡの偏光子では、表面または内層に分布する金属粒子Ｍ１の分布密度がタイプＢの偏光子より小さく、分布する金属粒子Ｍ１の分布厚さＤ１がタイプＢの偏光子の分布厚さＤ２より厚い。

タイプＡの偏光子は、先ず石英ガラス等のガラス中に銅（Ｃｕ），銀（Ａｇ），またはカドミウム（Ｃｄ）等のハロゲン化物結晶を形成させる。このガラスおよびハロゲン化物結晶を加熱により軟化させてガラスとともに一方向に延伸しつつ、水素雰囲気中で加熱還元してガラス表面に金属粒子Ｍ１を析出させたものである。ハロゲン化物結晶は、延伸される過程において一部が一方向に配向された針状結晶となり、還元されて針状の金属粒子Ｍ１が形成される。

このタイプＡの偏光子は、ハロゲン化物結晶表面または、ハロゲン化物結晶内部に形成された金属粒子Ｍ１が、偏光子表面から２０μｍ以上の深さまで分布している。しかし、金属粒子Ｍ１の分布密度が低いため、表面層の屈折率は母材（石英ガラスであればｎ＝１．４６）と同程度となっている。金属粒子Ｍ１の分布密度が低いため、偏光子内の屈折率はほぼ一定の値となり、対空気に対して偏光子の反射は４％程度のほぼ安定した反射率となる。表面にＴｉＯ_２/ＳｉＯ_２またはＴａ_２Ｏ_５/ＳｉＯ_２等の多層膜で構成されたＡＲコートを施すことにより、反射率を０．５％未満にすることが可能である。しかしながら、金属粒子Ｍ１の分布深さＤ１が深いため、厚みが薄い偏光子を作製する等の目的には不適である。具体的に、タイプＡの偏光子の厚みは、０．１〜１ｍｍの範囲である。

タイプＢの偏光子は、スパッタリング等でガラス等の母材表面に金属粒子Ｍ２を埋め込み、これを加熱してガラスとともに一方向に延伸することによって、針状の金属粒子Ｍ２を一方向に配向させ、偏光機能を発揮するものである。ガラス中にハロゲン化物を含まないという特徴があり、金属粒子Ｍ２はガラス表面から高々１０μｍの範囲に分布している。金属粒子Ｍ２には、タイプＡの偏光子と同じく銅または銀等の金属が使用される。

タイプＢの偏光子は、遮断偏光方向（遮断される方向の偏波面を有する）の光に対して母材表面近くでの金属粒子Ｍ２の密度が高いため、屈折率が高くなり、対空気層に対して偏光子の反射は４〜１５％程度の反射が発生する。遮断偏光方向の光に対しては、ＡＲコートを表面に施しても、０．５〜１１％程度の反射が発生する。透過偏光方向（透過される偏波面を有する）の光に対しては、金属粒子Ｍ２は光を透過させる。屈折率は母材のガラスと同程度の一定の値となり、反射率は、対空気層に対して４％程度の安定した反射率となる。この場合は、ＡＲコートを表面に施すことにより０．５％未満程度の反射率にすることが可能となる。母材表面での金属粒子Ｍ２の分布密度を低くした場合は、偏光子の消光比が劣化するためアイソレータ素子１に使用する偏光子としては不適となる。本タイプＢの偏光子は、母材表面に金属粒子Ｍ２が集中しているため、厚みが薄い偏光子を作製する等の目的には好適である。具体的に、タイプＢの偏光子の厚みは、０．０３μｍ〜１ｍｍの範囲で作製することができる。

金属粒子Ｍ１，Ｍ２の分布密度は、偏光子を薄くカットした断面をＴＥＭにて観測することによって確認することが可能である。観測された金属粒子Ｍ１，Ｍ２は、ＥＤＳ（エネルギー分散型Ｘ線分析）を用いて、金属の種類を特定することができる。なお、母材表面から金属粒子Ｍ１，Ｍ２が観測されなくなる深さを分布深さとする。タイプＢの偏光子は、母材内部に金属原子を含まないので、ＸＰＳ(Ｘ線光電子分光分析)等の元素分析機器にて分布深さを調べることも可能である。タイプＡの偏光子では、金属粒子Ｍ１，Ｍ２として析出していないハロゲン化金属を母材中に含むため、ＸＰＳによる分析で分布深さを特定することは困難である。

タイプＡの偏光子は、金属粒子の密度が全体に低いが分布深さは深く、５０μｍ付近まで分布しているという特徴を持っている。それに対してタイプＢの偏光子では、表面付近の分布密度は高いが分布深さは浅く、金属粒子が高々深さ１０μｍの表面付近に集中しているという特徴を持っている。吸収型偏光子は、消光比特性を向上させるため、偏光子の両側表面に金属粒子を含む層が形成されている。タイプＡの偏光子の場合は、金属粒子の分布深さが深いため、両面に金属粒子層を形成した場合は、偏光子を薄くするのはさらに困難である。

このようにタイプＢの偏光子は、金属粒子の分布深さがタイプＡの１／２以下の深さとなっている。そして、両タイプの偏光子を組み合わせて光アイソレータ素子１とすることで、アイソレーション特性の劣化を改善することが可能である。これを図４を用いて説明する。

図４Ａは、第１偏光子１２にタイプＡの偏光子、第２偏光子１３にタイプＢの偏光子を用いたものである。逆方向の入射光４１が入射した場合、第２偏光子１３の高屈折率な金属粒子層１３ａで入射光４１の一部が反射し、反射光４２が発生する。しかし、第１偏光子１２には高屈折率な層が無いため、第１偏光子１２による反射光４３はほとんど生じない。実際、タイプＡの第１偏光子１２の表面１２ａの反射は、０．５％以下であり、アイソレーション特性に影響を与える程の反射光４３を生じる虞は少ない。なお、反射光４２はファラデー回転子１１内を往復することになるので、第１偏光子１２で大半吸収されてしまう。

また、図４Ｂのように、第２偏光子１３側から逆方向の入射光４１が入射した場合には、タイプＡの第１偏光子１２には高屈折率な層がないため、逆方向の入射光４１は、第１偏光子１２の金属粒子層１２ａでほとんど反射光４２を生じない。したがって、反射光４２が第２偏光子１２の金属粒子層１２ａで反射したとしても、反射光４３は非常に小さなもので、アイソレーション特性を劣化させる虞は少ない。

このような本発明の一実施形態に係る光アイソレータ素子１は、複数枚重ねて用いることができ、アイソレーション特性をさらに向上させることができる。このような複数枚重ねて用いた光アイソレータ２の例を図２Ａ，図２Ｂ，図２Ｃを用いて説明する。

図２Ａの光アイソレータ素子２は、第１偏光子２３および第４偏光子２６にタイプＢの偏光子を用い、第２偏光子２４および第３偏光子２５にタイプＡの偏光子を用いた例を示す。図２Ｂの光アイソレータ素子２は、第１偏光子２３および第４偏光子２６にタイプＡの偏光子を用い、第２偏光子２４および第３偏光子２５にタイプＢの偏光子を用いた例を示す。図２Ｃの光アイソレータ素子２は、第１偏光子２３にタイプＢの偏光子を用い、第２偏光子２４、第３偏光子２５、第４偏光子２６はタイプＡの偏光子を用いた例を示している。

タイプＢの偏光子をできるだけ多く使用した方が光アイソレータ素子２の厚みを薄くする等の目的のためには望ましいが、図２Ｃのように本発明の一実施形態に係る光アイソレータ素子１に従来型のタイプＡを両側に用いた光アイソレータ素子を重ねて用いることは可能である。なお、第２偏光子２４および第３偏光子２５は偏光方向が同じになるように方向を合わせて重ねる必要がある。

図２Ａ，図２Ｂ，図２Ｃでは、図１の光アイソレータを２段に重ねて組み合わせた例を示したが、３段以上組み合わせて構成することもできる。また、図２Ａ，図２Ｂ，図２Ｃでは図１の光アイソレータを多層に組み合わせる場合の全ての例を示していないが、重ね方に制限はなく、この他の重ね方も可能である。例えば、第１偏光子２３および第３偏光子２５をタイプＢの偏光子とし、第２偏光子２４および第４偏光子２６がタイプＡの偏光子としてもよい。

次に本発明の別の実施形態に係る光アイソレータ素子３を図３Ａ，図３Ｂを用いて説明する。

本実施形態の光アイソレータ素子３は、ファラデー回転子が２枚使用されたもので、図２Ａ，図２Ｂ，図２Ｃに示す光アイソレータ素子２に比較して、アイソレーションは、低くなるが、図１に示す光アイソレータ素子１に比較して十分高いアイソレーション特性を得ることができ、図２Ａ，図２Ｂ，図２Ｃに示す光アイソレータ素子２に対して薄型化できるというメリットがある。

本実施形態の光アイソレータ素子３は、第１偏光子３３、第１ファラデー回転子３１、第２偏光子３４、第２ファラデー回転子３２および第３偏光子３５が一列に並べて配置され、これらを積層して固定した構造とされている。各素子３３，３１，３４，３２，３５は平行に配置されている。第１ファラデー回転子３１および第２ファラデー回転子３２には、図１に示すファラデー回転子１１と同じものを使用することが可能である。そして、順方向光に対して第２偏光子３４は第１偏光子３３の透過偏波面に対して４５°となるように配置され、第３偏光子３５は第２偏光子３４の透過偏波面に対して４５°となるように配置される。

図３Ａの光アイソレータ素子３は、第１偏光子３３および第３偏光子３５にタイプＢの偏光子を用い、第２偏光子３４にタイプＡの偏光子を用いた例を示す。図３Ｂの光アイソレータ素子２は、第１偏光子３３および第３偏光子３５にタイプＡの偏光子を用い、第２偏光子３４にタイプＢの偏光子を用いた例を示している。光アイソレータ素子３としては、図３Ａ，図３Ｂの例のどちらでも用いることができる。

なお、図３Ｂの例において、タイプＢの偏光子を第２偏光子３４に配置する例を示したが、タイプＢを１枚使用する場合、タイプＢの偏光子は第２偏光子３４に限られることはなく、第１，第２，第３偏光子３３，３４，３５のいずれか一枚に用いることでもよい。このように、第１，第２，第３偏光子３３，３４，３５のいずれか一枚の偏光子が金属粒子層に分布する金属粒子密度が大きいタイプＢの偏光子とすればよい。

ただし、図３Ａの構成とすると、より薄型の光アイソレータ素子３とできる可能性があり望ましい。これら光アイソレータ素子３のアイソレーション特性について、図５を用いて説明する。

図５Ａは図３Ａの光アイソレータ素子３を用いた場合を示す。逆方向の入射光４１に対し、タイプＢの第３偏光子３５の金属粒子層３５ａで反射した反射光４２が発生する。反射光４２は、偏光子３４がタイプＡの偏光子であるため、金属粒子層３４ａでほとんど反射されず、したがって第２偏光子３４の金属粒子層３４ａで反射される反射光４３は小さなものとなる。また、反射光４２は、第２ファラデー回転子３２内を往復することになるので、第２偏光子３４に戻ってきたときには偏光方向が９０°回転しており、第２偏光子３４を通過して第１偏光子３３に到達する光は小さなものとなる。したがって、光アイソレータ素子３から出射される反射光４３はアイソレーション特性を劣化させる程ではなくなる。

図５Ｂの光アイソレータ素子３は図３Ｂの光アイソレータ素子３を用いた場合を示す。逆方向の入射光４１は、第３偏光子３５がタイプＡの偏光子であるため、金属粒子層３５ａでほとんど反射されず、反射光４２は小さなものとなる。また、第２偏光子３４の表面で生じた反射光４４は、第１偏光子３３がタイプＡの偏光子であるため、第１偏光子３３でほとんど反射されず、反射光４５は小さなものとなる。したがって、反射光４４および反射光４５は小さなものとなり、アイソレーション特性の劣化を生じる程ではない。図３Ｂでは、第２偏光子３４にタイプＢの偏光子を用いたが、第１偏光子３３または、第３偏光子３５にタイプＢの偏光子を用いた場合でも同様の効果を得ることができる。

図６に光アイソレータ素子１，２，３を用い、光モジュールの一部を構成する光アイソレータ素子付き光ファイバ保持部品を構成する場合の例を断面図で示す。この光アイソレータ素子１，２，３付き光ファイバ保持部品は、光ファイバ５３を保持したフェルール５１が保持部材５２によって保持されている。フェルール５１の先端面は光軸に対し斜め鏡面研磨が施されている。そして、光アイソレータ素子１，２，３のいずれかがフェルール５１の先端面に接着剤等で固定されている。例えば、この図６に示すような光ファイバ保持部品を発光素子（不図示）が実装されたパッケージの光出力部等に用い、発光素子から出射された光信号の光路中に光アイソレータ１，２，３が挿入されることによって、光モジュールが構成される。なお、５４は光アイソレータ１，２，３の外側に配置された磁石を示す。

このように、発光素子から出射された光信号がレンズ等によって集光され、この集光ビームが光ファイバ５３の先端に入射されるようにする場合、光アイソレータ素子１の配置を光モジュールの使用用途に合わせ選択するのが良い。すなわち、フェルール５１の先端面にタイプＡの偏光子１２、反対側がタイプＢの偏光子１３となるように光アイソレータ１を配置するとよい。

このことを、図７を用いて説明する。発光素子からの集光ビーム５５は、光ファイバ５３の先端部付近で焦点を結ぶように設定される。光モジュールが光ファイバアンプに用いるポンプレーザモジュール等であり、光源出力が数10ｍＷ〜数100ｍＷクラスの大出力光である場合、金属粒子密度が大きいタイプＢの第２偏光子１３を透過する光ビーム径が、金属粒子密度が小さいタイプＡの第１偏光子１２の光ビーム径に対して大きくなるように光アイソレータ素子１を配置するのが好ましい。すなわち、発光素子側がタイプＢの第２偏光子１３、フェルール５１の先端面側がタイプＡの第１偏光子１２となるように配置するのが好ましい。このように配置すると、タイプＡに比較して金属粒子層の厚みが薄く、耐光性の低いタイプＢの第２偏光子１３が、ビームのエネルギー密度が小さいビーム径の側に配置されるので、有利である。

また、フェルール５１側から戻ってきた反射戻り光は、光ファイバ５３のモードフィールド径程度のビーム径５５で第１偏光子１２に入射する。第２偏光子１３に到達する際には、ビーム径が広がって大きくなっているので、第２偏光子１３におけるビームのエネルギー密度は、第１偏光子１２における密度に対して小さくなる。タイプＢの偏光子は表面の金属粒子の密度が高く、タイプＡに比較してビームが表面の金属粒子層で吸収され、局所的に過熱される傾向があって耐光性が低い。このため、ビーム径が大きくなる側の第２偏光子１３にタイプＢの偏光子を使った方がよい。

図７では、図１のアイソレータ素子１を用いて説明したが、図２Ａ，図２Ｂ，図２Ｃ，図３Ａ，図３Ｂのアイソレータ素子２，３においても同様であり、ビーム径がより大きい側にタイプＢの偏光子が配置されるようにするのがよい。また、本説明では、光ファイバ保持部品について説明したが、光レセプタクルに対して使用する場合、また、アイソレータ素子単体で光アイソレータを構成する場合も、同様にビームのエネルギー密度が低い方にタイプＢの偏光子を配置するようにすると耐光性を向上させることができる。

一方で、光モジュールが、光変調器、特に１０Ｇｂ／ｓ〜４０Ｇｂ／ｓ程度で高速度に直接変調を行う場合、光アイソレータ１の配置は、図８に示すようにフェルール５１の先端面にタイプＢの第２偏光子１３、反対側にタイプＡの第１偏光子１２となるようにするのがよい。

このことを図１１を用いて説明する。フェルール５１側から戻ってきた反射戻り光５６のうち、遮断偏光方向の光成分は、偏光子の金属粒子層に一旦吸収されて熱に変換されるが、一部が熱放射光５７として再放射される。この時の放射方向は偏光子の法線方向を中心に広範囲に及ぶため、その一部が光ファイバ５３に再度結合すると、光信号に対しノイズとなる。

第２偏光子１３がタイプＢの偏光子であった場合、フェルール５１側から戻ってきた反射戻り光５６のうち、遮断偏光方向の光成分の一部が高屈折率な金属粒子層１３ａで反射されて反射光５８になる。この時の反射角θは、第２偏光子１３への入射角φに等しいため、光ファイバ５３に対して大きな角度を持つ。従って、この反射光５８は光ファイバ５３へ結合し難い。また、反射されなかった遮断偏光方向の光成分は、金属粒子層で吸収された後に一部が熱放射光５７として放射されるが、反射光５８として反射された分、第２偏光子１３の金属粒子に吸収される光が小さくなるため、吸収により生じる放射光５７も少なくなる。従って、光ファイバ５３と再結合する光の強度が小さくなり、光信号に対するノイズ成分も減少する。

なお、第２偏光子１３の金属粒子層１３ａをファラデー回転子１１側に配置することにより、光ファイバ５３と金属粒子層１３ａとの間隔が広がるため、金属粒子層１３ａで生じた放射光５７が光ファイバ５３により結合し難くなり、光信号に対するノイズもより減少する。

図６に示す光アイソレータ素子付き光ファイバ保持部品を構成する場合、このように集光ビームの焦点となる光ファイバ５３の端面に光アイソレータ素子１，２，３を固定すれば、半導体レーザ等の発光素子（不図示）から放射された光がレンズ（不図示）を介して集光され、光のスポット径が小さくなる場所に、光アイソレータ素子１，２，３が設置されるため、光アイソレータ素子１，２，３のサイズを小さくできるという利点がある。そして、本発明の実施形態に係る薄型の光アイソレータ素子１，２，３を用いれば、さらに小型でアイソレーション特性に優れる光ファイバ保持部品を提供することができる。

次に、図３Ａに示す実施形態の光アイソレータ素子３の実施例を示す。図３Ａに示す光アイソレータ素子３を次の手順で作製した。

第１ファラデー回転子３１および第２ファラデー回転子３２には、ビスマス置換型ガーネット（（ＢｉＲ）_３Ｆｅ_５Ｏ_１２）から成る厚み０．４５ｍｍのファラデー回転子を用いた。これに、第２偏光子３４としてタイプＡ、第１偏光子３３および第３偏光子３５としてタイプＢの偏光子を用いた。

タイプＡの偏光子には、ＳｉＯ_２＋Ｂ_２Ｏ_３のガラス母材を用い、ガラス中に形成された銀のハロゲン化物結晶を加熱しつつ延伸して配向させ、水素雰囲気中で還元させた厚さ２００μｍのものを用いた。表面付近に析出された金属粒子（銀粒子）の分布深さが５０μｍのものを用いた。

タイプＢの偏光子には、同じくＳｉＯ_２＋Ｂ_２Ｏ_３のガラス母材を用い、スパッタリングによってガラス中に形成された銀粒子を加熱しつつ延伸して作製した厚み８０μｍのものを用いた。表面付近の銀粒子の分布深さは５μｍであった。

これらの素子を光学調芯した後に、ＵＶ熱硬化併用接着剤を用いて接着し、その後、ダイサーを用いて幅０．５ｍｍ×奥行０．６ｍｍの長方形のサイズに切り分け、光アイソレータ素子１を作製した。

次に比較例１として、従来の光アイソレータ素子を作製した。第１ファラデー回転子と第２ファラデー回転子は前述したファラデー回転子３１，３２と同じものを用い、第１偏光子、第２偏光子および第３偏光子には、前述した第２偏光子３４と同じタイプＡの偏光子を用いた。これをダイサーによって０．５ｍｍ×０．６ｍｍのサイズに切り分け、従来の光アイソレータ素子を作製した。

さらに比較例２として、第１偏光子、第２偏光子および第３偏光子に、前述した第１偏光子３３と同じタイプＢの偏光子を用いたものを作製した。

そして、これらの光アイソレータ素子２および比較例１、比較例２の光アイソレータ素子の厚みとアイソレーション特性を測定した。アイソレーション特性の測定は、波長１５５０ｎｍ、直径０．３ｍｍのビーム径のコリメータ光学系に、各光アイソレータ素子を光透過方向と反対方向に挿入し、パワーメータで、その出力光強度を測定して求めた。なお、それぞれ１個ずつ評価を実施した。その結果を表１に示す。

表１に示すように、比較例１では、厚み１．５０８ｍｍ、アイソレーション特性６１．８ｄＢ、比較例２では、厚み１．１４５ｍｍ、アイソレーション特性１９ｄＢであるのに対して、本発明の一実施形態による光アイソレータ素子２では、厚み１．２６６ｍｍ、アイソレーション特性が６２．３ｄＢとなり、アイソレーション特性において比較例１とは遜色なく、比較例２に対しては格段に向上していることが確認できた。また、小型化も達成出来ていることが認められた。

以上の結果から、本発明の各実施形態に係る光アイソレータ素３によれば、一列に並べて配置された光吸収型の第１偏光子３３，第２偏光子３４，第３偏光子３５と、第１偏光子３３および第２偏光子３４の間に配置された第１ファラデー回転子３１と、第２偏光子３４および第３偏光子３５の間に配置された第２ファラデー回転子３２とを備えた光アイソレータ素子２の、第１偏光子３３および第３偏光子３５の組にタイプＢの偏光子を用い、第２偏光子３４にタイプＡの偏光子を用いることにより、アイソレーション特性の劣化を生じないアイソレータ素子３が得られることが解った。また、これによってアイソレータ素子３を小型化することもできる。

なお、本発明は上述の実施の形態および実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内であれば種々の変更は可能である。例えば、上述の実施の形態の一例では偏光子のガラス母材としてＳｉＯ_２＋Ｂ_２Ｏ_３を用いたが、Ａｌ_２Ｏ_３等の他の酸化物系ガラス材料を使用してもよい。

また、上記実施の形態の説明において上下左右という用語は、単に図面上の位置関係を説明するために用いたものであり、実際の使用時における位置関係を意味するものではない。

１，２，３：光アイソレータ素子
１１：ファラデー回転子
３１：第１ファラデー回転子
３２：第２ファラデー回転子
１２，３３：第１偏光子
１３，３４：第２偏光子
３５：第３偏光子
５１：フェルール
５２：キャピラリ
５３：光ファイバ
５４：磁石

Claims (18)

1. 光の偏光面を回転させるファラデー回転子と、該ファラデー回転子の一方面側に配置され、金属粒子が分布する金属粒子層を有する第１偏光子と、前記ファラデー回転子の他方面側に配置され、前記第１偏光子の金属粒子層に分布する金属粒子の密度より大きい密度で金属粒子が分布する金属粒子層を有する第２偏光子とを備えたことを特徴とする光アイソレータ素子。
2. 前記第１偏光子の前記金属粒子層の厚みが前記第２偏光子の前記金属粒子層の厚みより厚いことを特徴とする請求項１記載の光アイソレータ素子。
3. 前記第１偏光子の前記金属粒子層の厚みが前記第２偏光子の前記金属粒子層の厚みの２倍以上であることを特徴とする請求項１記載の光アイソレータ素子。
4. 前記第１偏光子は、透明基板上に物理的蒸着法により誘電体層と金属粒子層とを蒸着し、基板を延伸させることによって前記金属粒子層に含まれる金属粒子を細長い形状に成形した偏光子であり、前記第２偏光子は、ハロゲン化金属を含むガラス基材の表面近くにハロゲン化金属を還元させて形成された金属粒子を、基板を延伸させることによって細長い形状に成形した偏光子であることを特徴とする請求項１記載の光アイソレータ素子。
5. 請求項１記載の光アイソレータ素子を複数枚重ねたことを特徴とする光アイソレータ素子。
6. 一列に並べて配置され、金属粒子が分布する金属粒子層を有する光吸収型の第１，第２，第３偏光子と、前記第１および第２偏光子の間に配置された第１ファラデー回転子と、前記第２および第３偏光子の間に配置された第２ファラデー回転子とを備えた光アイソレータ素子であって、前記第１，第２，第３偏光子のうち、いずれか一枚の偏光子の前記金属粒子層に分布する金属粒子密度が他の偏光子の前記金属粒子層に分布する金属粒子密度より大きいことを特徴とする光アイソレータ素子。
7. 前記第１，第２，第３偏光子のうち、いずれか一枚の偏光子の前記金属粒子層の厚みが他の偏光子の前記金属粒子層の厚みより薄いことを特徴とする請求項６記載の光アイソレータ素子。
8. 前記第１，第２，第３偏光子のうち、いずれか一枚の偏光子の前記金属粒子層の厚みが他の偏光子の前記金属粒子層の厚みの１／２以下であることを特徴とする請求項６記載の光アイソレータ素子。
9. 前記第１，第２，第３偏光子のうち、いずれか一枚の偏光子は、透明基板上に物理的蒸着方法により誘電体層と金属粒子層とを蒸着し、基板を延伸させることによって前記金属粒子層に含まれる金属粒子を細長い形状に成形した偏光子であり、他の偏光子は、ハロゲン化金属を含むガラス基材の表面近くにハロゲン化金属を還元させて形成された金属粒子を、基板を延伸させることによって細長い形状に成形した偏光子であることを特徴とする請求項６記載の光アイソレータ素子。
10. 一列に並べて配置され、金属粒子が分布する金属粒子層を有する光吸収型の第１，第２，第３偏光子と、前記第１および第２偏光子の間に配置された第１ファラデー回転子と、前記第２および第３偏光子の間に配置された第２ファラデー回転子とを備えた光アイソレータ素子であって、前記第１および第３偏光子の前記金属粒子層に分布する金属粒子密度が、前記第２偏光子の前記金属粒子層に分布する金属粒子密度より大きいことを特徴とする光アイソレータ素子。
11. 前記第１および第３偏光子の前記金属粒子層の厚みが前記第２偏光子の前記金属粒子層の厚みより薄いことを特徴とする請求項１０記載の光アイソレータ素子。
12. 前記第１および第３偏光子の前記金属粒子層の厚みが前記第２偏光子の前記金属粒子層の厚みの１／２以下であることを特徴とする請求項１０記載の光アイソレータ素子。
13. 前記第１および第３偏光子は、透明基板上に物理的蒸着方法により誘電体層と金属粒子層とを蒸着し、基板を延伸させることによって前記金属粒子層に含まれる金属粒子を細長い形状に成形した偏光子であり、前記第２偏光子は、ハロゲン化金属を含むガラス基材の表面近くにハロゲン化金属を還元させて形成された金属粒子を、基板を延伸させることによって細長い形状に成形した偏光子であることを特徴とする請求項１０記載の光アイソレータ素子。
14. 内部に発光素子を備え、前記発光素子から出射された光信号の光路中に請求項１記載の光アイソレータ素子が挿入されていることを特徴とする光モジュール。
15. 前記発光素子から出射された集光ビームの途中に挿入され、前記第１偏光子を透過する光ビーム径が、前記第２偏光子を透過する光ビーム径に対して大きくなるように前記光アイソレータ素子が配置されていることを特徴とする請求項１４記載の光モジュール。
16. 内部に発光素子を備え、前記発光素子から出射された光信号の光路中に請求項６記載の光アイソレータ素子が挿入されていることを特徴とする光モジュール。
17. 前記発光素子から出射された集光ビームの途中に挿入され、前記金属粒子層の金属粒子密度が大きい偏光子を透過する光ビーム径が、金属粒子密度が小さい偏光子を透過する光ビーム径に対して大きくなるように前記光アイソレータ素子が配置されていることを特徴とする請求項１６記載の光モジュール。
18. 内部に発光素子を備え、前記発光素子から出射された光信号の光路中に請求項１０記載の光アイソレータ素子が挿入されていることを特徴とする光モジュール。

Images