JP5991491B2 - ファラデー回転子 - Google Patents

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Description

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反射戻り光対策に用いられる光アイソレータに係り、特に、この光アイソレータの一部を構成するファラデー回転子の改良に関するものである。
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。レーザー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にはレーザー素子が破壊されてしまうことがある。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。通常、光アイソレータは、ファラデー回転子、偏光子、検光子および永久磁石とで構成される。
従来、高出力レーザー用の光アイソレータに組み込まれるファラデー回転子としては、テルビウム・ガリウム・ガーネット結晶（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（以下、ＴＡＧと称する）が用いられてきた。
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いため、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り、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ためには、結晶に一様で大きな磁場をかけることが必要となり、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、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は高価でもあり、小型で安価なファラデー回転子が望まれている。
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膜と称する）は、単位長さ当たりのファラデー回転係数が上記ＴＧＧやＴＡＧに比べて著しく大きいため、光アイソレータを大幅に小型化することが可能である。しかし、使用する光の波長が光通信分野で専ら用いられる１．３μｍ帯や１．５５μｍ帯から加工用レーザーに用いられる１．１μｍ付近まで短くなると、上記ＲＩＧ膜は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。
このため、特許文献１と特許文献２では、ＲＩＧ膜における温度上昇の問題を改善する方法を提案している。
まず、特許文献１では、非磁性ガーネット基板の片面にＲＩＧ膜を育成した後、非磁性ガーネット基板を残したままファラデー回転子として用いる方法を提案している。この方法によれば、非磁性ガーネット基板を介して放熱がなされるため、ＲＩＧ膜の温度上昇を防止できる。尚、この様な構造のファラデー回転子においては、ＲＩＧ膜と非磁性ガーネット基板との界面で反射光が生じるが、レーザー素子（光源）側にＲＩＧ膜を配置することで、上記反射光はＲＩＧ膜を通過する間に偏光が９０度回転し、光アイソレータ外から戻ってきた光と同様に扱えるため、アイソレーションの低下を招くことはない。
また、特許文献２では、ＲＩＧ膜の育成に用いた非磁性ガーネット基板を研削および研磨加工により除去した後、ＲＩＧ膜の両面にサファイア結晶やルチル結晶から成る放熱用基板を接着してＲＩＧ膜の温度上昇を防止する方法を提案している。
特開２０００−６６１６０号公報（請求項１参照） 特開２００６−２１５４９１号公報（請求項１参照）
ところで、特許文献１で提案された方法は、非磁性ガーネット基板の熱伝導率が７Ｗ／ｍ・Ｋ程度とあまり高くないため、ファラデー回転子に高いパワーのレーザー光が入射された場合、非磁性ガーネット基板を介して十分に放熱することができず、依然としてＲＩＧ膜の温度上昇を引き起こす問題が存在した。
一方、特許文献２で提案された方法では、サファイア結晶基板の熱伝導率が４０Ｗ／ｍ・Ｋと高いためＲＩＧ膜の温度上昇を防止することはできるが、ファラデー回転子の生産性が低いという別の問題が存在した。具体的に説明すると、特許文献２で提案されたファラデー回転子を製造するには、非磁性ガーネット基板上にＲＩＧ膜を育成し、非磁性ガーネット基板を研削および研磨加工により除去した後、ファラデー回転角が４５°になるまでＲＩＧ膜を研磨加工する工程を要する。そして、非磁性ガーネット基板を除去するための研削および研磨加工が必要となる分、特許文献１の方法に較べ生産性に劣ると共に、非磁性ガーネット基板が存在しない状態で以下の厚さとなるまでＲＩＧ膜の研磨加工が必要となる分、ＲＩＧ膜にクラックが入り易くなる。すなわち、光通信用の波長（具体的には１．３μｍ帯や１．５５μｍ帯）の光に対するＲＩＧ膜の厚さは４００μｍ程度であるのに対し、加工用レーザーに用いられる１．１μｍ付近の波長の光に対してはＲＩＧ膜の厚さを２００μｍ以下にする必要がある。この様な薄板の研磨加工においては、慎重に研磨しても微小な結晶欠陥からＲＩＧ膜にクラックが入り易いため研磨加工に長時間を要する問題が存在し、かつ、加工時間を短縮させるため研磨レートを上げるとクラックの発生が顕著になって収率が低下するという問題が存在した。
本発明はこの様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、波長が１．１μｍ以下でかつ出力が１Ｗ以上の高出力レーザーに対し使用しても、光アイソレータにおけるアイソレーション機能の劣化が起こり難く、かつ、生産性にも優れたファラデー回転子を提供することにある。
そこで、上記問題を解決するため本発明者が鋭意研究を重ねた結果、非磁性ガーネット基板の両面に液相エピタキシャル法によりＲＩＧ膜を育成し、かつ、育成されたＲＩＧ膜の各表面に放熱用基板としてサファイア結晶基板を接着した場合、例え波長が１．１μｍ以下で出力が１Ｗ以上の高出力レーザーを入射してもＲＩＧ膜の温度上昇を防止でき、しかも量産性に優れたファラデー回転子が得られることを見出すに至った。
すなわち、請求項１に係る発明は、
光アイソレータの一部を構成するファラデー回転子において、
非磁性ガーネット基板と、非磁性ガーネット基板の両面に液相エピタキシャル法により育成されたビスマス置換型希土類鉄ガーネット膜と、ビスマス置換型希土類鉄ガーネット膜の各表面に接着された放熱用サファイア結晶基板とで構成され、波長１．０６μｍの光に対するビスマス置換型希土類鉄ガーネット膜の吸収係数が９ｃｍ-1以下で、かつ、非磁性ガーネット基板の両面に育成された上記ビスマス置換型希土類鉄ガーネット膜における膜厚の差が１０μｍ以下であることを特徴とする。
また、請求項２に係る発明は、
請求項１に記載のファラデー回転子において、
非磁性ガーネット基板の両面に育成された上記ビスマス置換型希土類鉄ガーネット膜における膜厚の差が４μｍ以下であることを特徴とし、
請求項３に係る発明は、
請求項１または２に記載のファラデー回転子において、
使用する光の波長におけるファラデー回転角が４５°±２°であることを特徴とするものである。
請求項１〜３に記載のファラデー回転子は、
非磁性ガーネット基板と、非磁性ガーネット基板の両面に液相エピタキシャル法により育成されたビスマス置換型希土類鉄ガーネット膜と、ビスマス置換型希土類鉄ガーネット膜の各表面に接着された放熱用サファイア結晶基板とで構成され、波長１．０６μｍの光に対するビスマス置換型希土類鉄ガーネット膜の吸収係数が９ｃｍ-1以下で、かつ、非磁性ガーネット基板の両面に育成された上記ビスマス置換型希土類鉄ガーネット膜における膜厚の差が１０μｍ以下であることを特徴としている。
そして、請求項１〜３に記載のファラデー回転子によれば、ビスマス置換型希土類鉄ガーネット膜の各表面に設けられた透明で熱伝導率に優れた放熱用サファイア結晶基板の作用により、波長が１．１μｍ以下かつ出力が１Ｗ以上の高出力レーザーに対し使用してもビスマス置換型希土類鉄ガーネット膜の温度上昇が起こり難く、かつ、ビスマス置換型希土類鉄ガーネット膜は非磁性ガーネット基板の両面に育成されるため液相エピタキシャル法による育成時間が特許文献１、２に記載された方法の略半分となり、更に、特許文献２に記載された方法と較べて非磁性ガーネット基板を除去するための研削および研磨加工が省略できると共に非磁性ガーネット基板が存在する状態でその両面にそれぞれ育成されたビスマス置換型希土類鉄ガーネット膜の研磨加工が可能となる。
このため、波長が１．１μｍ以下でかつ出力が１Ｗ以上の高出力レーザーの光アイソレータに適用したときに高いアイソレーション効果を維持できる生産性に優れたファラデー回転子を提供できる効果を有する。
本発明に係るファラデー回転子の断面図。 本発明のファラデー回転子が組み込まれた実施例と比較例に係る光アイソレータの断面図。
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
まず、本発明に係るファラデー回転子は、上述したように非磁性ガーネット基板と、非磁性ガーネット基板の両面に液相エピタキシャル法により育成されたビスマス置換型希土類鉄ガーネット膜と、ビスマス置換型希土類鉄ガーネット膜の各表面に接着された放熱用サファイア結晶基板とで構成され、波長１．０６μｍの光に対するビスマス置換型希土類鉄ガーネット膜の吸収係数が９ｃｍ-1以下で、かつ、非磁性ガーネット基板の両面に育成された上記ビスマス置換型希土類鉄ガーネット膜における膜厚の差が１０μｍ以下であることを特徴としている。
まず、非磁性ガーネット基板の両面に育成されるビスマス置換型希土類鉄ガーネット膜（ＲＩＧ膜）の膜厚は均等であることが望ましいが、研磨加工等に起因する若干の膜厚差は許容され、許容される膜厚の差は１０μｍ以下であることを必要とし、好ましくは４μｍ以下とする。上記膜厚の差が１０μｍを超えた場合、ＲＩＧ膜が形成された非磁性ガーネット基板に反りが生じると共に、膜厚の厚い方のＲＩＧ膜の放熱効果が劣るため温度上昇によりＲＩＧ膜の吸収係数が大きくなり、挿入損失が増加したり、温度の不均衡による応力誘起複屈折により消光比劣化を招いたりして光アイソレータとしての性能劣化を引き起こす。尚、ＲＩＧ膜の膜厚に差が生じた場合には、膜厚の薄い方のＲＩＧ膜を光入射側に配置することで２枚のＲＩＧ膜（２枚のＲＩＧ膜とは、非磁性ガーネット基板の両面にそれぞれ育成されたＲＩＧ膜を指している）における光吸収量が等しくなるように作用するため好ましい。
また、波長１．０６μｍの光に対するＲＩＧ膜の吸収係数は９ｃｍ-1以下であることを必要とする。非磁性ガーネット基板の両面に育成されたＲＩＧ膜の膜厚が等しい場合、吸収係数が大きくなるにつれて入射側のＲＩＧ膜と出射側のＲＩＧ膜の光吸収量の差が大きくなり、温度の不均衡による応力誘起複屈折により消光比劣化を招くようになる。
更に、本発明に係るファラデー回転子においては、使用する光の波長でファラデー回転角が４５°であることが好ましい。ファラデー回転角が４５°±２°よりずれた場合、光アイソレータとしての性能劣化を来すからである。
本発明に係るファラデー回転子において液相エピタキシャル法により所望膜厚のＲＩＧ膜を得るのに要する育成時間は、非磁性ガーネット基板の両面にＲＩＧ膜を同時にエピタキシャル成長させていくため、非磁性ガーネット基板の片面にのみＲＩＧ膜を育成している特許文献１に記載された方法の半分となる。また、育成後の加工時間も、非磁性ガーネット基板を削除するための工程が無いため、特許文献２に記載されたファラデー回転子と較べて全工程で１／３となる。更に、特許文献２に記載された方法では脆性破壊が生じ易いＲＩＧ膜を単体（非磁性ガーネット基板が除去されるため）で研磨加工しなければならないのに対し、本発明に係るファラデー回転子においては、脆性破壊し難い非磁性ガーネット基板が存在する状態で加工処理するため、研磨加工時にＲＩＧ膜の割れが生じ難い。
ところで、非磁性ガーネット基板の両面にＲＩＧ膜が育成されたファラデー回転子を光アイソレータに組み込んだ場合、ＲＩＧ膜と非磁性ガーネット基板との界面における反射光によるアイソレーションの低下が懸念される。この点については、ファラデー回転子を光軸に対して傾斜させて配置することにより、上記反射光が光源側の光ファイバに結合しなくなるためアイソレーションの低下を防止することができる。
以下、本発明の実施例について比較例を挙げて具体的に説明する。
［実施例１］
（ファラデー回転子の作製）
図１に示す非磁性ガーネット基板４として厚さ４００μｍのＧｄ3（ＳｃＧａ）5Ｏ12基板（ＧＳＧＧ基板）を用い、上記非磁性ガーネット基板４の両面に、液相エピタキシャル成長法により組成式Ｎｄ0.71Ｇｄ1.10Ｂｉ1.19Ｆｅ5Ｏ12で示されるＲＩＧ膜１を１００μｍそれぞれ育成した。得られたＲＩＧ膜１における波長１．０６μｍの光に対する吸収係数は６．１ｃｍ-1であった。
次に、波長１．０６μｍの光に対するファラデー回転角が４５°になるよう上記非磁性ガーネット基板４両面のＲＩＧ膜の厚さがそれぞれ６８μｍとなるまで研磨加工した。
次に、研磨加工後におけるＲＩＧ膜の両表面に、対エポキシ系接着剤に対応させるための無反射コーティング膜（反射防止膜）を設けた。
また、図１に示すサファイア結晶基板２として厚さ７５０μｍのサファイア結晶基板を用意し、サファイア結晶基板２の片面に対空気に対応させるための無反射コーティング膜（反射防止膜）を設けると共に、もう一方の面に、対エポキシ系接着剤に対応させるための無反射コーティング膜（反射防止膜）を設けた。
そして、エポキシ系接着剤を用いて、ＲＩＧ膜とサファイア結晶基板における対エポキシ系接着剤用の無反射コーティング膜（反射防止膜）が設けられた面同士を貼り合せ、エポキシ系接着剤を硬化させた後、２ｍｍ角のサイズに切断し、かつ、図１に示す真鍮製のヒートシンク３に固定して、非磁性ガーネット基板４と、非磁性ガーネット基板４の両面にそれぞれ育成されたビスマス置換型希土類鉄ガーネット膜１、１と、ビスマス置換型希土類鉄ガーネット膜１、１の両表面に接着された放熱用サファイア結晶基板２、２とで構成されるファラデー回転子を製造した。
（光アイソレータの組立て）
次に、上記ファラデー回転子を用いて図２に示す光アイソレータを組立てた。図２中の符号５はファラデー回転子を示しており、ファラデー回転子５は、図１に示したファラデー回転子と同じものである。また、符号６は偏光子（一方は検光子）、符号７は筒状の永久磁石である。
そして、ファラデー回転子５と、偏光子（検光子）６、６と、永久磁石７とで構成される光アイソレータに、波長１．０６μｍ、ビーム径０．５ｍｍのレーザー光を照射し、特許文献２の図３に示された光学系により挿入損失とアイソレーションをそれぞれ測定した。
尚、レーザー光は、その強度が２０ｍＷと２Ｗの２種類とした。
結果を表１に示す。
［実施例２］
（ファラデー回転子の作製）
ＲＩＧ膜１の組成をＮｄ0.82Ｇｄ1.08Ｂｉ1.10Ｆｅ5Ｏ12とした以外は、実施例１と同様にしてＲＩＧ膜を育成した。得られたＲＩＧ膜における波長１．０６μｍの光に対する吸収係数は６．９ｃｍ-1であった。
次に、波長１．０６μｍの光に対するファラデー回転角が４５°になるよう上記非磁性ガーネット基板４両面のＲＩＧ膜の厚さがそれぞれ６９μｍとなるまで研磨加工した後、実施例１と同様にしてファラデー回転子を作製した。
（光アイソレータの組立て）
得られたファラデー回転子を用い、実施例１と同様にして光アイソレータを組立て、かつ、実施例１と同様に光アイソレータの特性を評価した。
結果を表１に示す。
［実施例３］
（ファラデー回転子の作製）
ＲＩＧ膜１の組成をＮｄ01.24Ｇｄ0.89Ｂｉ0.87Ｆｅ5Ｏ12とした以外は、実施例１と同様にしてＲＩＧ膜を育成した。得られたＲＩＧ膜における波長１．０６μｍの光に対する吸収係数は８．４ｃｍ-1であった。
次に、波長１．０６μｍの光に対するファラデー回転角が４５°になるよう上記非磁性ガーネット基板４両面のＲＩＧ膜の厚さがそれぞれ７３μｍとなるまで研磨加工した後、実施例１と同様にしてファラデー回転子を作製した。
（光アイソレータの組立て）
得られたファラデー回転子を用い、実施例１と同様にして光アイソレータを組立て、かつ、実施例１と同様に光アイソレータの特性を評価した。
結果を表１に示す。
［実施例４］
（ファラデー回転子の作製）
非磁性ガーネット基板４両面のＲＩＧ膜１の厚さを、一方のＲＩＧ膜１が７１μｍ、他方のＲＩＧ膜１が６７μｍ（膜厚の差は４μｍ）となるように研磨加工した以外は、実施例２と同様にしてファラデー回転子を作製した。
（光アイソレータの組立て）
得られたファラデー回転子を用い、実施例１と同様にして光アイソレータを組立て、かつ、実施例１と同様に光アイソレータの特性を評価した。
尚、評価に際し、膜厚が薄い側のＲＩＧ膜（膜厚６７μｍ）を光入射側に配置した。
結果を表１に示す。
［実施例５］
（ファラデー回転子の作製）
非磁性ガーネット基板４両面のＲＩＧ膜１の厚さを、一方のＲＩＧ膜１が７４μｍ、他方のＲＩＧ膜１が６４μｍ（膜厚の差は１０μｍ）となるように研磨加工した以外は、実施例２と同様にしてファラデー回転子を作製した。
（光アイソレータの組立て）
得られたファラデー回転子を用い、実施例１と同様にして光アイソレータを組立て、かつ、実施例１と同様に光アイソレータの特性を評価した。
尚、評価に際し、膜厚が薄い側のＲＩＧ膜（膜厚６４μｍ）を光入射側に配置した。
結果を表１に示す。
［比較例１］
（ファラデー回転子の作製）
図１に示す非磁性ガーネット基板４として、厚さ４００μｍの（ＧｄＣａ）3（ＧａＭｇＺｒ）5Ｏ12基板（ＳＧＧＧ基板）を用い、上記非磁性ガーネット基板４の両面に、液相エピタキシャル成長法により組成式がＹｂ0.2Ｔｂ1.6Ｂｉ1.19Ｆｅ5Ｏ12示されるＲＩＧ膜１を１００μｍそれぞれ育成した。得られたＲＩＧ膜１における波長１．０６μｍの光に対する吸収係数は１３．８ｃｍ-1であった。
次に、波長１．０６μｍの光に対するファラデー回転角が４５°になるよう上記非磁性ガーネット基板４両面のＲＩＧ膜の厚さがそれぞれ６７μｍとなるまで研磨加工した後、実施例１と同様にしてファラデー回転子を作製した。
（光アイソレータの組立て）
得られたファラデー回転子を用い、実施例１と同様にして光アイソレータを組立て、かつ、実施例１と同様に光アイソレータの特性を評価した。
結果を表１に示す。
Figure 0005991491
『確 認』
（１）実施例１〜５に係る光アイソレータは、２Ｗのレーザー光を入射しても挿入損失は１ｄＢを下回り、かつ、アイソレーションも３０ｄＢ以上を確保している。
（２）これに対し、比較例１（ＲＩＧ膜１における波長１．０６μｍの光に対する吸収係数が１３．８ｃｍ-1）に係る光アイソレータは、２Ｗのレーザー光を入射すると挿入損失が１ｄＢ以上に、アイソレーションも３０ｄＢ未満に劣化してしまい、光アイソレータの特性が大いに劣っていることが確認される。
本発明に係るファラデー回転子は、ＲＩＧ膜で発生する熱を効果的に放散させることができるので、光通信やレーザー加工等における高出力レーザー用のファラデー回転子として広範に利用できる産業上の利用可能性を有している。
１ ビスマス置換型希土類鉄ガーネット膜（ＲＩＧ膜）
２ サファイア結晶基板
３ ヒートシンク
４ 非磁性ガーネット基板
５ ファラデー回転子
６ 偏光子（検光子）
７ 永久磁石

Claims (3)

  1. 光アイソレータの一部を構成するファラデー回転子において、
    非磁性ガーネット基板と、非磁性ガーネット基板の両面に液相エピタキシャル法により育成されたビスマス置換型希土類鉄ガーネット膜と、ビスマス置換型希土類鉄ガーネット膜の各表面に接着された放熱用サファイア結晶基板とで構成され、波長１．０６μｍの光に対するビスマス置換型希土類鉄ガーネット膜の吸収係数が９ｃｍ-1以下で、かつ、非磁性ガーネット基板の両面に育成された上記ビスマス置換型希土類鉄ガーネット膜における膜厚の差が１０μｍ以下であることを特徴とするファラデー回転子。
  2. 非磁性ガーネット基板の両面に育成された上記ビスマス置換型希土類鉄ガーネット膜における膜厚の差が４μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のファラデー回転子。
  3. 使用する光の波長におけるファラデー回転角が４５°±２°であることを特徴とする請求項１および２に記載のファラデー回転子。
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