JP6132429B2

JP6132429B2 - ファラデー回転子及び光アイソレータの製造方法

Info

Publication number: JP6132429B2
Application number: JP2013075772A
Authority: JP
Inventors: 聡明渡邊
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 2013-04-01
Filing date: 2013-04-01
Publication date: 2017-05-24
Anticipated expiration: 2033-04-01
Also published as: EP2983035A4; US20160054598A1; CN105247405A; EP2983035B1; US10168556B2; DK2983035T3; TWI490554B; CN105247405B; JP2014202773A; WO2014162754A1; EP2983035A1; US20170192258A1; TW201445188A

Description

本発明は、Tb₃Ga₅O₁₂で表されるテルビウムガリウムガーネット（以下、「TGG」と略称する）を用いた高い消光比を有するファラデー回転子及び光アイソレータの製造方法に関する。

光システムでは、光源である半導体レーザー発振器から出射されたレーザー光線は、光通信の経路途上にある光学素子や一部光伝送路途中に設けられた部材表面等から反射光が発生し、この反射光がレーザー発振器に戻ってくると、レーザー発振動作が不安定になったり、レーザー発振器自体が破損したりする可能性がある。そこで、レーザー発振器に戻ってきた反射光を遮断するために、光アイソレータが使用されており、この光アイソレータには、ファラデー効果を利用したファラデー回転子が利用されている。

一般に、1200〜1650nmの光通信領域では、このファラデー回転子の材料として、液相エピタクシャル法で育成したビスマス置換希土類鉄ガーネットが用いられているが、この材料は、500〜1200nmの光通信領域では、成分の鉄に起因する材料吸収が発生するために、近年では、材料吸収の少ないTGGが用いられている。このTGGの場合、CZ法で育成されたTGG単結晶ロッドを加工して用いられているが、このTGG結晶体は、φ1〜2インチサイズでの結晶育成が一般的であり大きな結晶育成が難しく、育成時の歪みに加え加工歪みの影響をも受けやすいという問題がある。

また、CZ法でのTGG単結晶育成の他に、セラミックス技術の向上に伴って、ファラデー回転子の材料としてTGGセラミックスの導入が検討されている。非特許文献１には、熱伝導率及びヴェルデ定数がTGG単結晶と同等のTGGセラミックスが紹介されており、また、非特許文献２には、TGG単結晶と同等のファラデー効果が得られ、消光比が〜40ｄBと極めて良好な高品質のTGGセラミックスの開発について紹介されている。さらに、特許文献３には、一般式R₃Ga₅O₁₂（RはYを含むSm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb及びLuからなる群の少なくとも１種類の希土類元素）で表される透光性希土類ガリウムガーネット焼結体を光アイソレータのファラデー回転子として用いることが記載されている。

しかし、このようなTGGセラミックス焼結体は、その結晶粒界により透過ビームが影響を受けやすくなるし、TGG単結晶の場合と同様に、材料育成時又は製造時の歪みや加工時の歪みによって材料周辺部の消光性能が劣化し、結果的に光アイソレータのアイソレーション（光遮断能）が劣化するといった問題が指摘されている。

「レーザー研究」第３５巻第１２号、８０６頁乃至８１０頁、２００７年１２月「OPTRONICS」No.９、２０１２年、１２３頁乃至１２６頁

特許第５０００９３４号

本発明の目的は、上記事情に鑑み、散乱光の影響を相対的に低減でき、光アイソレータ全体の特性劣化を抑えて、少なくとも38ｄB以上の高い消光比を有するTGGセラミックス焼結体を用いたファラデー回転子及び光アイソレータの製造方法を提供することである。

光アイソレータは、そのアイソレーション（光遮断能）が高い方が好ましく、特に、35ｄB以上の高いアイソレーション（光遮断能）を得ることが好ましいが、そのためには、光アイソレータを構成する個々の光学部材（偏光子、検光子、ファラデー回転子）の光透過部の消光比が少なくとも35dB以上、組立マージンを考慮すると38ｄB以上必要である。また、例えば、２光分離方式の光アイソレータでは、入射光断面に対して消光比が高い領域を広くとる必要がある。

ところで、光アイソレータは、TGGを用いたファラデー回転子等で構成されているが、このTGGは、高価であるためにそのコストを抑える観点から、TGGの外径を小さくして使用されているのが実情である。一方で、このTGGの外径を小さくすると、２光分離方式の光アイソレータでは、２光がファラデー回転子の外径近傍を透過することになり、外径近傍透過時のアイソレーション劣化が問題となる。少なくとも35ｄB以上の高いアイソレーション（光遮断能）を得るためには、その外径周辺での消光比が38ｄB以上であることが必須の条件となってくる。

そこで、本発明者らは、TGGセラミックス焼結体の光遮断能の劣化という上記問題を解決して、光アイソレータのアイソレーション（光遮断能）が38ｄB以上という上記条件を達成するために、鋭意研究を重ねてきたところ、TGGセラミックス焼結体では、その透過ビーム径をD0.3mmより小さく絞った場合に、結晶粒界の影響を受けて光散乱の影響が大きくなり、光アイソータの光遮断能が劣化するという新たな問題が発生することを判明した。また、TGG結晶体では外径研削加工後の加工歪みによる特性劣化の影響が大きいことも判明した。

そして、本発明者らは、この新たな問題の解決に取り組み中で、粒径と透過ビーム径との間に相互依存性があることを見出すと共に、透過ビーム径を0.3mm以上の範囲に、また粒径を0.2〜5.0μmの範囲にそれぞれ設定してやれば、アイソレーションの劣化を改善して、少なくとも38ｄB以上の高いアイソレーションを安定して確保することができることを知見した。また、TGGセラミックス焼結体やTGG結晶体の場合では、材料育成時又は製造時の歪みや加工時の歪みにより消光性能が劣化するが、TGGセラミックス焼結体の場合でも、これをアニール処理すればTGG結晶体の場合と同様に、その消光性能が顕著に改善されることを知見し、本発明に至ったものである。

すなわち、本発明のファラデー回転子の製造方法は、平均粒径が0.2〜5.0μmのTGGセラミックス焼結体を用いて、これに研磨または研削加工を施すとともに、1400〜1700℃でアニール処理を施して、その消光比を0.3mm以上の透過ビーム径の場合で少なくとも38ｄB以上に改善したTGGセラミックス焼結体を用いて製造したことを特徴とする。

また、本発明の方法で製造されたファラデー回転子は、好ましくは、光アイソレータの製造のために用いられるものである。

本発明によれば、散乱光の影響を相対的に低減でき、光アイソレータ全体の特性劣化を抑えて、少なくとも38ｄB以上の高い消光比を有するTGGセラミックス焼結体を用いたファラデー回転子及びこのファラデー回転子を用いた光アイソレータを提供することができる。

偏光無依存型光アイソレータの構成例である。透過ビーム径0.1mm時の消光比と平均粒子径の関係図である。ワークの各平均粒子径における透過ビーム径と消光比の関係図である。 CZ法φ1.5インチ径にて育成したTGG結晶の切断断面図であり、１３個所の測定点を示す。 TGG結晶体の初期と研削後及びアニール処理後の消光比の測定点を示す図である。 TGGセラミックス焼結体の初期と研削後及びアニール処理後の消光比の測定点を示す図である。

以下に、本発明の一実施形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

図１は、偏光無依存型光アイソレータの構成例を示したものである。500〜1200nmの光通信領域では、近年、ファイバレーザー技術が注目され、このファイバレーザー技術に光アイソレータが使用されている。そして、この光アイソレータには、ファイバを透過する光を扱うために、図１のような偏光無依存型光アイソレータが使用されているが、本発明のTGGを用いたファラデー回転子１は、このような偏光無依存型光アイソレータに主に用いられる。

図１の偏光無依存型光アイソレータは、一般に、ファラデー回転子１の両端に偏光材料が配置される構成であり、入射した光は、常光と異常光に分離し、ファラデー回転子１で偏光方向を45度回転し、1/2波長板４を透過した後に、検光子３で合波されて出射する。一方、逆方向から戻る光は、検光子３で分離し、1/2波長板４を透過した後に、ファラデー回転子１で45度偏光方向が回転し、偏光子２に至るが、このときの光は、入射光の経路の偏光方向に対して90度異なるために、偏光子２で合波されることはなく、更に分離した状態で偏光子２を出射し、入射光位置には戻らないことから、アイソレータ機能を果たすことになる。

次に、本発明の具体的な実施例について説明する。

実施例１では、先ず、TGG成分を混合し、予備焼成した後にホット・アイソスタティック・プレッシング（HIP）し、これを1250℃で焼結して外径φ6×L22mmの透明焼成体を得た。その後、この透明焼成体の両端を研磨し、エッチングを施してSEM像を観察すると共にその粒径を観察したところ、得られた焼成体の平均粒径は0.2μmであった。なお、この平均粒径（以下、「粒径」と称する）は、任意直線状の粒子数を確認することで算出した。

また、この透明焼成体を追焼成した場合の粒径との関係を調べるために、1400〜1700℃で各々5時間の間、追焼成を行った後に、その両端を研磨し、エッチングを施して粒径を確認したところ、粒径は0.3〜9.8μmであった。表１にその値を示す。この表１の結果から、焼成温度が高くなれば粒径が大きくなることが確認された。

次に、レーザービーム径と粒径との関係を調べるために、表１に示す各粒径のワークを研磨加工し、無反射コート（ARコート）を施してから、波長1064nmで、レーザービーム径Dを2.0、1.0、0.5、0.3、0.2、0.1mmと変化させて、各ワーク中心部の消光比を測定した。レーザービーム径Dが0.1mmの時の各粒径の消光比の測定値を表２に示すと共に、図２に消光比と粒径の関係を示す。
この結果から、レーザービーム径Dが0.1mmの時では、粒界の影響によると思われる消光比の揺らぎが大きくなり、数値の安定性が悪くなることが確認された。

また、表３には、レーザービーム径Dを2.0、1.0、0.5、0.3、0.2、0.1mmとそれぞれ変化させた時の各粒径のワーク中心部の消光比の測定値を示すと共に、図３にレーザービーム径と消光比の関係を示す。

この結果から、レーザービーム径Dが2.0〜0.5mmの範囲では、各粒径について、その消光比はほぼ同じ値を示すが、0.3、0.2、0.1mmとビーム径が小さくなるに従って消光性能の劣化が大きくなり、0.2、0.1mmでは、38dB以上の値を安定して得ることができないことが確認された。したがって、消光比38dB以上の値を安定して得るためには、レーザービーム径Dが0.3〜2.0mmの範囲であることが必要である。また、粒径についても、レーザービーム径Dが0.3〜2.0mmの範囲において、消光比38dB以上の値を安定して得るためには、0.2〜5μmの範囲、好ましくは、0.3〜3.0μmの範囲であることが確認された。

以上の結果から、Tb₃Ga₅O₁₂で表されるセラミックス焼結体を用いて、高い消光比を有するファラデー回転子や高いアイソレーション（光遮断能）を有する光アイソレータを構成するためには、TGGセラミックス焼結体の粒径が0.2〜5μmで、かつファラデー回転子の透過ビーム径が0.3mm以上であることが必要である。

次に、TGG結晶体とTGGセラミックス焼結体とをそれぞれアニール処理した場合の消光比面内分布について説明する。
先ず、TGG結晶体については、CZ法にてφ1.5インチ径のTGG結晶体を育成し、両端部を切断し長さ20mmとした後に、研磨加工し、5mm□のエリアに見立てて１３個所の測定点を設定した。図４に１３個所の測定点を示す。この１３個所のエリア中央部について、φ1.0mmビーム（1064nm）の消光比を測定したところ、消光比は33〜39ｄBであった。また、本結晶体を1200℃で24時間アニール処理を施して再度測定したところ、消光比は36〜41ｄBに向上した。表４に研磨加工後と熱処理後の消光比の測定値を示す。

この測定結果から、研磨加工後のTGG結晶体では、消光比がワークの周辺部（測定点１、５、９及び１３）に行くに従って劣化しているが、この周辺部での消光比劣化は、アニール処理を施すことで改善されることが確認された。

また、光ビームをφ1.0mmからφ0.5mmに絞り込み、図４に示す１３個所の測定点で消光比を測定したところ、同様に、ワークの周辺部に行くに従って劣化しているが、本ワークに再度1250℃で24時間アニール処理を施すことで、周辺部の消光比が改善されることが確認された。

さらに、図４の数字７で示す部分を5mm□に想定した場合のTGG結晶体の初期の消光比面内分布と5mm□に切り出して外径をφ4.5mmまで研削加工した研削後の消光比面内分布を、図５に示すように、ワーク中心を基準として、縦・横0.5mm間隔で縦・横方向にそれぞれ９個所の測定点でφ0.5mmのビームを用いて測定した。その後、研削後のTGG結晶体をアニール処理してその面内分布をも測定したところ、表５に示すような測定結果が得られた。

この測定結果によれば、このTGG結晶体の場合、初期及び研磨加工後では、ワークの周辺部に行くに従って消光比が同様に劣化しているが、この周辺部の消光比の劣化はアニール処理を施すことで顕著に改善されることが確認された。

次に、TGGセラミックス焼結体についても、表３に示す平均粒径0.3μmのTGGセラミックス焼結体を用いて同様に行った。具体的には、このセラミックス焼結体を研磨加工し、図６に示すように、縦・横0.5mm間隔で縦・横方向にそれぞれ９個所の測定点を設定し、φ0.5mmのビームを用いて、初期の消光比の面内分布を測定した。その後、外径をφ4.5mmまで研削加工した研削後の消光比の面内分布と、これをアニール処理（1400℃-3時間）した後の面内分布を測定したところ、表６に示すような測定結果が得られた。

この測定結果によれば、TGGセラミックス焼結体の場合でも、TGG結晶体の場合と同様に、周辺部の消光比の劣化はアニール処理を施すことで顕著に改善されることが確認された。

比較例

実施例１のTGGセラミックス焼結体に研削加工を施して外周近傍の消光比の劣化が見られた図５のワークを用いて、図１のような光アイソレータを構成したところ、得られた光アイソレータの光学特性は、挿入損失が0.20ｄBで、光アイソレーションが34.1ｄBであり、外周部の消光比劣化域の影響で35ｄB未満の低い光アイソレーション値であった。

一方、上記比較例で使用した光アイソレータからTGGセラミックス焼成体を取り出して、ARコート面の薄膜を剥離除去し、追焼成と同じ温度（1400〜1700℃）で2時間のアニール処理を施し、その後再度研磨加工した後に、ARコートを施したワークの消光比を測定したところ、アニール処理の効果によって外径近傍の消光比の改善が見られた。そして、このワークを用いて再度光アイソレータを構成し、その光学特性を測定したところ、挿入損失が0.19ｄBであり、アイソレーションが40.2ｄBという高い数値が得られた。

１ファラデー回転子
２偏光子
３検光子
４１／２波長板
５磁石

Claims

平均粒径が0.2〜5.0μmのTGGセラミックス焼結体を用いて、これに研磨または研削加工を施すとともに、1400〜1700℃でアニール処理を施して、その消光比を0.3mm以上の透過ビーム径の場合で少なくとも38ｄB以上に改善したTGGセラミックス焼結体を用いて製造したことを特徴とするファラデー回転子の製造方法。
請求項１に記載の方法で製造されたファラデー回転子を用いたことを特徴とする光アイソレータの製造方法。