JP7462309B2

JP7462309B2 - 偏光依存型光アイソレータ

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Publication number: JP7462309B2
Application number: JP2020146453A
Authority: JP
Inventors: 芳忠別府
Original assignee: Orbray
Current assignee: Orbray
Priority date: 2020-09-01
Filing date: 2020-09-01
Publication date: 2024-04-05
Anticipated expiration: 2040-09-01
Also published as: JP2022041328A

Description

本発明は、偏光依存型光アイソレータに関する。

光通信や光計測等に用いられる半導体レーザー素子には、光アイソレータが用いられている。光アイソレータによって、反射光が半導体レーザー素子に戻りレーザー発振が不安定になる事が防止される。この光アイソレータは、偏光依存型（偏波依存型）と、偏光無依存型（偏波無依存型）に分けられる。

光通信や光送信に使われる半導体レーザー素子であるレーザーダイオード（Laser Diode：LD）の出射光の振動方向（偏光方向）は、一方向に定められる。従って、光通信や光送信には、偏光依存型の光アイソレータが用いられる。偏光依存型の光アイソレータとしては、例えば特許文献１又は２に開示の光アイソレータが挙げられる。

特許文献１には、２つの永久磁石を備えた２段型の光アイソレータが開示されている（特許文献１中の第２図参照）。２つの永久磁石は中空形状で、且つ互いに逆向きに磁化されている。従って、１段目の光アイソレータで入射光の偏光面は45°回転されると共に、２段目の光アイソレータで偏光面は-45°回転されて、光が出射される。よって、入射光と出射光の間で偏光面が同一方向となる為、光の入出射間で偏光方向の回転制御が不要となり、光アイソレータの位置決めが容易となる。

また特許文献２には、２つの磁石を備えた光アイソレータが開示されている（特許文献２中の図１参照）。磁石の断面形状は外形が円形状で、更に角形状の穴を備える。その穴にファラデー回転子が装填されている。また２つの磁石は直列に配置されており、対向する面は同極とされ、更に磁石の間に強磁性体のスペーサが配置されている。スペーサの材料としては、純鉄などが開示されている。スペーサを２つの磁石の間に配置する事で、磁石から発生する磁束の捕捉力が高まって、光アイソレータ外部への磁束の発散が低減される。従って、磁石の穴に配置されているファラデー回転子に印加される磁束が増加し、アイソレーション特性が向上可能である。

特開平０２－２７２４１９号公報特開２００１－１７４７５４号公報

前記特許文献１、２開示の２つの光アイソレータとも、ファラデー回転子の印加磁石として中空の円形状の磁石を用いている。従って、光アイソレータ全体の寸法を磁石の外径以下に小さくする事は不可能であった。よって、これらの光アイソレータを搭載する回路基板の高さ寸法を抑える事が出来なかった。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、小型化が可能で、充分なアイソレーション特性を有し、光の入射前と透過後で偏光方向の回転制御が不要となって位置決めが容易な偏光依存型光アイソレータの提供を目的とする。

前記課題は、以下の本発明により解決される。即ち、本発明の偏光依存型光アイソレータは、順方向の光の入射方向に２つの光アイソレータ素子が備えられ、２つの光アイソレータ素子がそれぞれ、偏光子、ファラデー回転子、及び検光子の各光学素子で構成され、更に外形形状が直方体又は立方体に成形された２つの永久磁石が備えられ、２つの永久磁石の同極どうしが対向して配置されており、更に少なくとも永久磁石の間に、磁性体から構成されるヨークが介在して配置されており、ヨークの端部が永久磁石の側面から突出しており、ヨークの端部の突出側の個々の永久磁石の側面に、光アイソレータ素子が１つずつ配置されており、２つのファラデー回転子に、互いに逆方向の磁力線が印加されており、個々のファラデー回転子は個々の永久磁石により飽和磁化されて、互いに45°の偏光面回転角を有すると共に、偏光面の回転方向は互いに逆方向であり、２つの永久磁石の側面は、光の入射方向に対して平行であり、各光学素子の光学面は、永久磁石の側面に対して角度θだけ傾斜して設けられており、２つの永久磁石の側面から遠ざかるに従い、２つの光アイソレータ素子の各光学面は角度θで以て互いに離れて行き、順方向の光の入射方向に於いて、１つ目の偏光子に入射される光の偏光方向は一方向に選択されており、１つ目の偏光子を透過後に１つ目のファラデー回転子に入射された光の偏光面が45°回転され、次に１つ目の検光子と２つ目の偏光子を透過し、更に２つ目のファラデー回転子に入射されて逆方向に光の偏光面が45°回転され、最後に光が２つ目の検光子から透過される事で、順方向の光の入射方向に於いて光の偏光面は、２つの光アイソレータ素子への入射前と透過後で同一方向に保持されており、更に順方向の光の入射方向に於ける１つ目の光アイソレータ素子によって、光の光路がヨークの端部から遠ざかる様にシフトされ、光路がヨークの端部で遮断されない事を特徴とする。

本発明の偏光依存型光アイソレータに依れば、２つの永久磁石が直方体又は立方体に成形されている。従って、中空の円形状の磁石を用いる光アイソレータに於ける、ファラデー回転子の外周を磁石で囲う必要が無くなる。よって、高さ寸法を抑える事が可能となり、光アイソレータの小型化が可能となる。

更に、永久磁石の外側に向かって発散する磁力線が、磁性体であるヨークの突出した端部に引き寄せられ、ファラデー回転子により多くの磁力線が平行に印加される。従って、所望の回転角を得る事ができ、充分なアイソレーション特性（40ｄＢ以上）が実現可能となる。

更に、２つのファラデー回転子の偏光面回転方向が逆方向なので、順方向の光の入射方向に於いて光の偏光面は、２つの光アイソレータ素子への入射前と透過後で、同一方向に保持される。従って、光の入射方向に於ける光アイソレータの前後方向で、光の偏光方向の回転制御が不要となり、光アイソレータの位置決めが容易となる。

更に、順方向の光の入射方向に於ける１つ目の光アイソレータ素子によって、光の光路がヨークの端部から遠ざかる様にシフトされ、光路がヨークの端部で遮断されない。従って、光の伝搬光路がヨークの突出端部で遮断される事態や、突出端部で予期しない方向への光の反射と云った事態が防止され、光アイソレータの光学特性や動作の安定化が図れる。

本発明に係る光アイソレータの実施形態を示す斜視図である。図１の光アイソレータを示す平面図である。（a）図１の光アイソレータに備えられる、永久磁石の着磁工程を示す斜視図である。（b）図３（a）で着磁された永久磁石から生じる磁力線を模式的に示す平面図である。（a）図１の光アイソレータに備えられる、光学素子の構成の一例を示す模式図である。（b）図４（a）に示す各光学素子が接着され、１段目の光アイソレータ素子を示す模式図である。（a）図３に示す各永久磁石に、各光アイソレータ素子が接着される工程を示す斜視図である。（b）図５（a）で接着された各光アイソレータ素子と永久磁石とを示す斜視図である。（a）図５(b)に示す各光アイソレータ素子と永久磁石を、ヨークを挟んで接着する工程を示す斜視図である。（b）図６（a）で接着された各部品を示す斜視図である。図６（b）で接着された永久磁石とヨークに於ける、磁力線の状態を模式的に示す平面図である。図６（b）に示す各部品を、基台に接着する工程を示す斜視図である。図１の光アイソレータに於ける、入射光の伝搬状態を模式的に示す平面図である。順方向での光の伝搬路に於ける、偏光動作を示す説明図である。

本実施の形態の第一の特徴は、順方向の光の入射方向に２つの光アイソレータ素子が備えられ、２つの光アイソレータ素子がそれぞれ、偏光子、ファラデー回転子、及び検光子の各光学素子で構成され、更に外形形状が直方体又は立方体に成形された２つの永久磁石が備えられ、２つの永久磁石の同極どうしが対向して配置されており、更に少なくとも永久磁石の間に、磁性体から構成されるヨークが介在して配置されており、ヨークの端部が永久磁石の側面から突出しており、ヨークの端部の突出側の個々の永久磁石の側面に、光アイソレータ素子が１つずつ配置されており、２つのファラデー回転子に、互いに逆方向の磁力線が印加されており、個々のファラデー回転子は個々の永久磁石により飽和磁化されて、互いに45°の偏光面回転角を有すると共に、偏光面の回転方向は互いに逆方向であり、２つの永久磁石の側面は、光の入射方向に対して平行であり、各光学素子の光学面は、永久磁石の側面に対して角度θだけ傾斜して設けられており、２つの永久磁石の側面から遠ざかるに従い、２つの光アイソレータ素子の各光学面は角度θで以て互いに離れて行き、順方向の光の入射方向に於いて、１つ目の偏光子に入射される光の偏光方向は一方向に選択されており、１つ目の偏光子を透過後に１つ目のファラデー回転子に入射された光の偏光面が45°回転され、次に１つ目の検光子と２つ目の偏光子を透過し、更に２つ目のファラデー回転子に入射されて逆方向に光の偏光面が45°回転され、最後に光が２つ目の検光子から透過される事で、順方向の光の入射方向に於いて光の偏光面は、２つの光アイソレータ素子への入射前と透過後で同一方向に保持されており、更に順方向の光の入射方向に於ける１つ目の光アイソレータ素子によって、光の光路がヨークの端部から遠ざかる様にシフトされ、光路がヨークの端部で遮断されない偏光依存型光アイソレータと云う事である。

この構成に依れば、２つの永久磁石が直方体又は立方体に成形されている。従って、中空の円形状の磁石を用いる光アイソレータに於ける、ファラデー回転子の外周を磁石で囲う必要が無くなる。よって、高さ寸法を抑える事が可能となり、光アイソレータの小型化が可能となる。

また第二の特徴は、光アイソレータ素子毎に、偏光子、ファラデー回転子、及び検光子が光学面で接着されており、更に光アイソレータ素子が永久磁石の側面に接着されており、更に２つの永久磁石とヨークが接着されて基台に載置されている偏光依存型光アイソレータとした事である。

この構成に依れば、光アイソレータの構成部品間を直接接着する事で、余計な隙間や部品を介在させる事が無くなる為、光アイソレータの小型化が可能となる。

また第三の特徴は、同極どうしで対向して配置されている２つの永久磁石の磁極がＳ極であり、ヨークがＳ極側のみに配置されている偏光依存型光アイソレータとした事である。

この構成に依れば、ヨークの設置個数を最小限に抑えながら、永久磁石から発散しようとする磁力線をヨークの端部で引き寄せて集中させる事ができ、磁束密度が増加した状態で且つ平行な磁力線領域を各ファラデー回転子に効率良く印加可能となる。

以下、図１～図１０を参照して本発明の実施形態に係る偏光依存型光アイソレータの一例を説明する。なお、図１、図２、図９、及び図１０に示すX軸乃至Z軸は、それぞれの図で対応している。光の入射方向をZ軸、Z軸に直交する面のうち水平方向をX軸、垂直方向をY軸としている。本実施形態では、Z軸方向に沿って光アイソレータ素子２から光アイソレータ素子３へと向かう光の入射及び伝搬方向を順方向、逆に-Z軸方向に沿って光アイソレータ素子３から光アイソレータ素子２へと向かう光の伝搬方向を逆方向と記載する。

図１及び図２に示す様に、本発明に係る偏光依存型光アイソレータ１（以下、単に「光アイソレータ１」と記載）では、光アイソレータ素子２が永久磁石４の側面に配置されていると共に、光アイソレータ素子３が永久磁石５の側面に１つずつ配置されている。更に、光アイソレータ素子２の側面は永久磁石４の側面に接着されていると共に、光アイソレータ素子３の側面は永久磁石５の側面に接着されている。

光アイソレータ素子２は、偏光子2a、ファラデー回転子2c、及び検光子（偏光子）2bから構成されている。また光アイソレータ素子３も、偏光子3a、ファラデー回転子3c、及び検光子（偏光子）3bから構成されている。各ファラデー回転子2c又は3cは、永久磁石４又は５から印加される磁力線により飽和磁化され、45°偏光面を回転させる。また各光学素子のそれぞれの光学面には、SiO₂/TiO₂等の反射防止コートを施す事が望ましい。

光アイソレータ１に備えられる２つの永久磁石４と５は、外形形状が同一形状に成形されており、図１と図２ではそれぞれ直方体に成形されている。なお、永久磁石４と５の外形形状は、図示の直方体の他に立方体でも良い。永久磁石４と５は、同じ強さの磁力線を発する事が好ましい為、同一材料、同一形状、及び同一体積が好ましい。

光アイソレータ１では、２つの永久磁石４及び５を直方体又は立方体に成形するので、中空の円形状の磁石を用いる光アイソレータに於ける、ファラデー回転子の外周を磁石で囲う必要が無くなる。よって、高さ寸法を抑える事が可能となり、光アイソレータ１の小型化が可能となる。

更に、互いの永久磁石４と５は、同極どうしが対向して配置されている。図１と図２ではＳ極どうしの磁極が対向配置されているが、Ｎ極どうしを対向配置しても良い。

更に少なくとも永久磁石４と５の間には、磁性体から構成されるヨーク６が介在して配置されている。ヨーク６の左右の側面に、永久磁石４又は５がそれぞれ配置され、接着されている。

更に、永久磁石４及び５とヨーク６が、基台７上に載置されて配置される。従って、基台７によって光アイソレータ１全体が任意の箇所に実装可能な、いわゆる表面実装型の光アイソレータとして構成されている。

２個の永久磁石４と５の着磁方向は、光の入射方向（図１と図２の矢印Z軸方向）と平行に着磁されている。更に、それぞれの着磁方向は図３（a）に示す様に反対方向（即ち反発し合う方向）に設定されている。よって図３（b）より、各永久磁石４、５のＮ極から放出された磁力線（図中の矢印二点鎖線）は、Ｓ極付近で反発し合うと共に、各Ｓ極へと吸収されて行く。

２個の永久磁石４と５の着磁方向を互いに反対方向に配置しただけでは、図３（b）に示す様に各永久磁石４又は５の前後左右方向へと発散する磁力線が多く発生してしまい、ファラデー回転子2c又は3cの偏光回転に必要な磁束密度が得られない問題が生ずる。

具体的には、非円筒形である直方体又は立方体の永久磁石（図１と図２では、永久磁石４と５）を備える光アイソレータでは、Ｎ極から発せられた磁力線の内、各ファラデー回転子へと印加されない磁力線は、各ファラデー回転子の磁化には関わらない。一例として、直方体又は立方体の永久磁石を備える光アイソレータでは、永久磁石から発せられた磁力線の内、約75％の磁束は各ファラデー回転子に印加されず、残り約25％の磁束分しか各ファラデー回転子の磁化に貢献しないとの試算を得ている。

しかし光アイソレータ１に於いては、ファラデー回転子2c又は3cが、ファラデー効果により透過光の偏光面を45°回転させる為には、永久磁石４又は５から少なくとも飽和磁化される為の磁界が印加される必要がある。そこで永久磁石４又は５を配置する場合、ファラデー回転子2c又は3cに対して少なくとも飽和磁界を印加可能となるよう、ファラデー回転子2c又は3cの磁化に貢献しない無効な磁束分まで予め考慮して、永久磁石４又は５の材料や形状、体積を決定しなければならなかった。

又は、ファラデー回転子2cと3cに於ける光の入射方向の厚みを増加させて、45°の偏光面回転角（以下、「回転角」と記載）を得る必要があった。

光アイソレータ１の小型化の為には、各構成部品の寸法は抑制したい。従って、ファラデー回転子2cと3cの厚みを抑制する場合、永久磁石４及び５の磁束密度を上げる事が考えられる。しかし磁束密度を上げる為には永久磁石４と５が大きくなってしまう。また永久磁石４と５が大きくなると、光アイソレータ１全体も大きくなってしまう為、光アイソレータ１の小型化が困難になる。そこでファラデー回転子2cと3c、及び永久磁石４と５共に寸法拡大を防止しながら、ファラデー回転子2c及び3cへ印加する磁束密度を向上させる必要がある。

そこで本出願では、図１、図２、図６、及び図７に示す様に、光アイソレータ１にヨーク６を備える。図７より、Ｎ極から発生した磁力線（図中、二点鎖線）は、磁力線を発した永久磁石４又は５のＳ極及びヨーク６に引き寄せられる事で、永久磁石４又は５の側面に分布する。

本発明に係る光アイソレータ１では、ファラデー回転子2c又は3cが配置されている側の永久磁石４又は５の側面から、ヨーク６の端部が突出している（図２、図７、図９参照）。一方、ファラデー回転子2c又は3cが配置されない永久磁石４及び５側面に面するヨーク端部は、磁石４又は５の各側面から若干奥まって配置されている（図２、図７、図９参照）。従って、突出したヨーク６端部側により多くの磁力線が引き寄せられる（即ち、図７に於けるヨーク６上側の端面よりも下側の端面に、より多くの磁力線が引き寄せられる）。よって、ヨーク６突出側の永久磁石４又は５側面に配置された光アイソレータ素子２又は３に於ける各ファラデー回転子2c又は3cに、より多くの磁力線が印加される事となり、各ファラデー回転子2c又は3cが容易に飽和磁化され、永久磁石４又は５やファラデー回転子2c又は3cの大型化を抑制又は防止出来る。

更にファラデー回転子2c又は3cの偏光面回転方向及び回転角は、印加される磁力線の特に光入射方向（Z軸方向）と平行な磁力線成分の強さに依存する。

従って、永久磁石４又は５の磁力線の強さが、ファラデー回転子2c又は3cの飽和量に十分足りるとしても、ファラデー回転子2c又は3cの光透過領域に飽和量として十分な有効磁束が印加されなければ、ファラデー回転子2c又は3cは所望の回転角を得ることが出来ない。即ち、光アイソレータ１に於いては、永久磁石４又は５そのものの絶対値の磁力線の強さだけで無く、ファラデー回転子2c又は3cの光透過領域に印加される磁力線がどれほど光入射方向に対して平行であるかと云う、平行度も考慮されなければならない。

前記図３（b）に示すようにＮ極から放出された磁力線はＳ極に向かう際、連続的にループを形成するため、光の入射方向（前記Z軸方向）に対し真に平行となる磁力線領域は殆ど無い。よってヨーク６が無い場合、ファラデー回転子2c又は3cを永久磁石４又は５の側面に配置する際、極めて正確に位置決めしないと、Z軸方向に平行な磁力線領域からファラデー回転子2c又は3cが外れ、ファラデー回転子2c又は3cを飽和磁化出来ない。従ってヨーク６が無いと、永久磁石４又は５に対するファラデー回転子2c又は3cの位置決めに手間取り、光アイソレータ１の歩留り向上を阻害してしまう。

更に、磁力線は最短経路を通ってＮ極からＳ極に向かう性質がある為、大きなループを描くように永久磁石の外側に向かって発散する磁力線成分もある。従って、この磁力線成分が光アイソレータ１からの漏れ磁束となり、光アイソレータ１外部の他の光学部品に悪影響を及ぼす恐れもある。

そこでヨーク６を設けると共に、ヨーク６端部を永久磁石４又は５の側面からファラデー回転子2c又は3c側へと突出させる事で、磁力線がヨーク６端部に向かって真っ直ぐに引き寄せられ、ヨーク６端部付近までZ軸方向に対する平行度が保たれる（図７参照）。従ってヨーク６を設けない形態に比べ、平行となる磁力線成分の領域がZ軸方向に拡大され、ファラデー回転子2c及び3cの飽和磁化に於いて有効な磁束が増大する。

Z軸に平行な直線の磁力線領域内であれば、どこにファラデー回転子2c又は3cを配置しても所望の回転角を得る事が出来る。従って、Z軸方向に於けるファラデー回転子2c又は3cの位置決め精度が緩やかとなる為、ファラデー回転子2c又は3cの位置決めを速やかに完了させる事が可能となり、光アイソレータ１の歩留り向上が図れる。

更に、漏れ磁束となっていた発散磁力線成分も、ヨーク６端部に引っ張られて光アイソレータ１内部に導かれる為、光アイソレータ１外部の他の光学部品に対する悪影響を防止する事も出来る。

各永久磁石４及び５は、ヨーク６の側面に互いに反発力を有しながらも接着される。ヨーク６のZ軸方向に於ける厚みは、ヨーク６内部で各永久磁石４及び５の磁力線が交叉しない程度の厚みが望ましい。厚みの上限値としては、磁力線の引き寄せによるアイソレータ特性の効果が著しく低下しない程度とする。本実施形態では一例として0.6ｍｍ以下とする。更に厚みの下限値としては、永久磁石４と５の同極間での反発力が増大し、ヨーク６への双方の永久磁石４と５の接着作業性が困難とならない程度の厚みが、最低限必要とある。本実施形態では一例として0.2ｍｍ以上とする。

ヨーク６端部の永久磁石４又は５側面からの突出量は、永久磁石４又は５の大型化や組成変更を行う事無く、ファラデー回転子2c又は3cが飽和磁化可能な程度とする。本実施形態では、飽和磁化として13ｋＧ（1.3Ｔ）以上が望ましい。飽和磁化が高い程、永久磁石４又は５から発生している磁束の捕捉力（吸引力）が高くなる為であり、その効果は13kG以上で認められる。

更に光アイソレータ１では、突出したヨーク６端部のY軸方向に於ける上下端を、図６（a）に示す様に面取りする。従って、ファラデー回転子2c又は3cの光透過領域に磁力線をより効率的に印加する事が可能となる。

ヨーク６としては、鉄（Fe）、純鉄、パーマロイＢ、パーマロイＤ、ケイ素鋼、ＳＵＳ４０３の何れかを使用する。

なお本実施形態では、Ｓ極どうしの磁極対向を説明したが、Ｎ極どうしの磁極対向でも良い。但し、磁力線が吸収される磁極であるＳ極を対向させ、更にＳ極側である対向面間にのみヨーク６を配置した形態が、最も好ましい。その理由は、ヨークの設置個数を最小限の１個に抑えながら、永久磁石４又は５から発散しようとする磁力線をヨーク６の端部で引き寄せて集中させる事ができ、磁束密度が増加した状態で且つ平行な磁力線領域を各ファラデー回転子2c又は3cに効率良く印加可能となる為である。無論、Ｎ極側にもヨークを配置しても良い。

永久磁石４及び５の材料としては、ファラデー回転子2c又は3cを飽和磁化させる必要性から高性能な希土類磁石が望ましく、具体的にはSm-Co系磁石やNdFeB系磁石が挙げられる。

更に各永久磁石４と５は、同極どうしが対向配置されている為、永久磁石４及び５の側面に分布する磁力線の向き、及び各ファラデー回転子2c又は3cに印加される磁力線の向きは、互いに逆方向となる。従って、ファラデー回転子2cと3cでは透過する光の偏光面の回転方向は、同一角度ながら逆方向となる。

図１、図２、及び図４より、偏光子2a、ファラデー回転子2c、検光子2b、及び偏光子3a、ファラデー回転子3c、検光子3bの各光学素子は、外形形状が直方体に形成される。

光アイソレータ１は、図示しない光の順方向での入射方向（図１及び図２の矢印Z軸方向）から見て、１つ目の光アイソレータ素子２を１段目、２つ目の光アイソレータ素子３を２段目とする、２段型の光アイソレータとして構成されている。１段目のファラデー回転子2cの偏光面回転方向は、矢印Z軸方向から見て反時計方向に設定されている。一方、２段目のファラデー回転子3cの偏光回転方向は、矢印Z軸方向から見て時計方向に設定されている。

偏光子2a及び3aは、偏光吸収及び透過型の光学素子である。また検光子2b、3bも偏光吸収及び透過型の偏光子である。従って、光アイソレータ１は、偏光依存型である。検光子2bの偏光透過方向は、矢印Z軸方向から見て、偏光子2aの偏光透過方向に対して反時計方向に45°異なる様に設定される。また検光子3bの偏光透過方向は、矢印Z軸方向から見て、偏光子3aの偏光透過方向に対して時計方向に45°異なる様に設定される。なお、検光子2bと偏光子3aの偏光透過方向は、Z軸方向から見て同一方向に設定される。

光アイソレータ素子２又は３を構成する各光学素子の光学面の面積は、同一に形成される。また光アイソレータ素子２又は３を構成する各光学素子の厚みも、光アイソレータ素子２又は３間で同一に形成される。

更に図４（b）に示す様に、ファラデー回転子2cの光学面には、それぞれ偏光子2a又は検光子2bが接着され、光アイソレータ素子２が構成されている。なお、光アイソレータ素子３に於ける、偏光子3a、ファラデー回転子3c、及び検光子3bも、光アイソレータ素子２と同様に各光学素子の光学面が接着されて構成される。

ファラデー回転子2c及び3cは、一例としてBi置換希土類鉄ガーネット結晶で構成される。またファラデー回転子2c及び3c共に、同一材料及び同一工法で製作される事が、製造コストや製造工程の抑制が図られて好ましいと共に、同一の磁束密度で飽和磁化可能となり、光アイソレータ１の動作制御が容易となる。

前記の通り光アイソレータ素子２又は３は、図５に示される様に各永久磁石４又は５の側面に接着されて配置される。配置の際、光アイソレータ素子２又は３を構成する各光学素子の光学面は、永久磁石４又は５の側面に対して角度θだけ傾斜して設けられる（図２参照）。従って、２つの永久磁石４及び５の側面から遠ざかる（図２では下方に向かう方向）に従い、２つの光アイソレータ素子２及び３の各光学面は角度θで以て互いに離れて行く。

なお、光アイソレータ素子２又は３が接着される永久磁石４又は５の側面は、Z軸に対して平行に配置される。角度θだけ各光学素子の光学面が傾斜される事により、発光源（例えばLD）から入射された光が、各光学素子の光学面で反射又は散乱されても、その光が戻り光として発光側に戻る事が防止出来る。

図９では、順方向に於ける光の入射及び伝搬光路を、二点鎖線で示している。また図９の（A）～（C）は、光アイソレータ１に於ける順方向での光路の各断面を示しており、符号（A）での断面に於ける光の偏光状態が図１０（a）に示されている。同様に符合（B）断面に於ける光の偏光状態が図１０（b）に、符合（C）断面に於ける光の偏光状態が図１０（c）にそれぞれ示されている。

順方向に於いて偏光子2aに入射される光の偏光方向は、図示しない発光源から出射される光の長軸側偏光方向の一方向に、予め選択されている。更にその偏光方向は、偏光子2aの偏光透過軸方向と同一方向に調整されている。本実施形態では一例として図９符合（A）断面及び図１０（a）に示す様に、X軸方向に平行な水平方向に選択されている。従って、一方向に選択されている光の偏光面はその状態を保持したまま、１つ目の偏光子2aを透過し、その後ファラデー回転子2cに入射される。

１つ目のファラデー回転子2cが飽和磁化されている事により、入射された光の偏光面はZ軸方向から見て45°反時計方向に回転される（図１０（a）から図１０（b）への回転）。

偏光面が45°回転された光は、ファラデー回転子2cを透過し、その後１つ目の検光子2bに入射される。検光子2bの偏光透過軸方向は、偏光子2aと45°反時計周りに異なる方向に調整されている為、図１０（b）の偏光面を保持したまま光は検光子2bを透過して、光アイソレータ素子２から出射される。

図９より、偏光子2aに於ける光学面2a1の傾斜角度θ、及び外部空間の屈折率と偏光子2aの屈折率の差分により、偏光子2aに入射した光は光アイソレータ素子２内部で、X軸方向へと光路がシフトされながら伝搬する。よって、突出したヨーク６端部から遠ざかる様に光アイソレータ素子２内部で外側へと水平方向に、光の光路がシフトされる。

また、光アイソレータ素子２から光が出射される際に、光の伝搬方向に対する検光子2bの光学面2b1の傾斜角度φ、及び外部空間の屈折率と検光子2bの屈折率の差分により、光アイソレータ素子２内部でX軸方向へとシフトしていた光路は、光学面2b1から出射する際に屈折され、Z軸と平行に出射し、光アイソレータ素子３の偏光子3aへと入射される。

図９より、光学面2b1から出射した時の光路がヨーク６の突出した端部で遮断されない程度まで、光アイソレータ素子２内部で光路がシフトされる様に、θの角度値を設定する。本実施形態ではθは少なくとも４°以上が好ましい。更に光学面2b1面上からの光の出射を考慮するとθは12°以下が好ましい。またφは、θの設定値に応じて、φ＋θが180°の関係を満足する様に導出可能である。

よって光の伝搬光路がヨーク６の突出端部で遮断される事態や、突出端部で予期しない方向への光の反射と云った事態が防止され、光アイソレータ１の光学特性や動作の安定化が図れる。

光アイソレータ素子２から出射され図１０（b）の偏光面を有する光は、次に順方向の光の入射方向に於いて２つ目の偏光子3aに入射する。検光子2bと偏光子3aの偏光透過方向は、Z軸方向から見て同一方向に設定されている為、光の偏光面は図１０（b）の状態を保持したまま偏光子3aを透過し、その後ファラデー回転子3cに入射される。

２つ目のファラデー回転子3cが飽和磁化されている事により、入射された光の偏光面はZ軸方向から見て45°逆方向（時計方向）に回転される（図１０（b）から図１０（c）への回転）。

偏光面が45°回転された光は、ファラデー回転子3cを透過し、最後に２つ目の検光子3bに入射される。検光子3bの偏光透過軸方向は、偏光子3aと45°時計周りに異なる方向に調整されている為、図１０（c）の偏光面を保持したまま光は検光子3bを透過して、光アイソレータ素子３から出射される。

図９より、Z軸方向に対する偏光子3aの光学面の傾斜角度φ、及び外部空間の屈折率と偏光子3aの屈折率の差分により、偏光子3aに入射した光は光アイソレータ素子３内部で、-X軸方向へと光路がシフトされながら伝搬する。

また、光アイソレータ素子３から光が出射される際に、光の伝搬方向に対する検光子3bの光学面3b1の傾斜角度θ、及び外部空間の屈折率と検光子3bの屈折率の差分により、光アイソレータ素子３内部で-X軸方向へとシフトしていた光路は、光学面3b1から出射する際に屈折され、Z軸と平行に出射される。

前記の通り、光アイソレータ素子２又は３を構成する各光学素子の厚みは同一に設定されている。従って、光アイソレータ素子２内部でX軸方向にシフトされたシフト量は、光アイソレータ素子３内部での-X軸方向へのシフト量で相殺される。よって、検光子3bの光学面3b1から出射された光の光路は、断面（A）と同じ伝搬位置に戻る。

図１０（a）と図１０（c）の比較から明らかな様に、順方向の光の入射方向に於いて光の偏光面は、２つの光アイソレータ素子２及び３への入射前（即ち光アイソレータ素子２への入射前）と透過後（即ち光アイソレータ素子３の透過後）で、同一方向であるX軸方向に保持されている事が分かる。従って、光の入射方向に於ける光アイソレータ１の前後方向で、光の偏光方向の回転制御が不要となり、光アイソレータ１の位置決めが容易となる。

なお、-Z軸方向すなわち逆方向に光が伝搬して、検光子3bに入射した光は、検光子3bの偏光透過方向に平行な偏光面のみ透過し、次にファラデー回転子3cで更に45°偏光面が回転され、図１０（b）の偏光面に対して90°異なる偏光面となる。従って偏光子3aで遮断される為、高い消光比（消光特性）が達成される。更に、永久磁石４及び５の外側に向かって発散する磁力線が、磁性体であるヨーク６の突出した端部に引き寄せられ、ファラデー回転子2c又は3cにより多くの磁力線が平行に印加される。従って、所望の回転角を得る事ができ、充分なアイソレーション特性（40ｄＢ以上）が実現可能となる。

更に、光アイソレータ素子２又は３を構成する各光学素子の光入出射面が接着され、隙間空間の発生が防止されている。併せて前記の通り、各光学素子のそれぞれの光学面に反射防止コートを施す事により、各光学素子への光の入出射時のフレネル反射を防止する事が出来る。

光アイソレータ素子２又は３が各側面に接着された永久磁石４又は５と、永久磁石４又は５が接着されたヨーク６の各構成部品は、図８に示される様に１枚の基台７上に載置されて接着される。基台７にはアルミナセラミックスやジルコニアセラミックス、非磁性ステンレス等が用いられる。特に望ましい材料は非磁性材料である。その理由はファラデー回転子2c又は3cに印加される磁力線強度の低下及び印加方向の変動等が防止され、所望のファラデー効果の発揮が図る為である。

各光学素子の光学面どうしの接着や、永久磁石４又は５とヨーク６との接着、及び永久磁石４、５とヨーク６の基台７への接着は、接着剤や溶接、又はねじ止めと云った物理的手段から適宜選択可能である。特に量産性や各構成部品の特性低下防止の点で好ましい固定方法は、半田付けである。半田材としては、例えば約273℃で溶融可能な、Au／Snを含有する低温半田材が有効である。更に、半田材が溶着可能となる様に所定の金属を予め成膜してメタライズしておく事が望ましい。メタライズずる金属としては、例えば「Cr、Ni、Au」、或いは「Cr、Pt、Au」、或いは「Ti、Pt、Au」の組み合わせが挙げられる。

光アイソレータ１の構成部品間を直接接着する事で、余計な隙間や部品を介在させる事が無くなり、その分、光アイソレータ１の小型化が可能となる。

光アイソレータ１に伝搬される光の中心波長は1.31μｍ（O-band）や、1.55μｍ（C-band）が挙げられると共に、伝搬光の中心波長を複数波長域とする事が望ましい。その理由は、複数波長域で同時に市場要求を満足する波長多重通信方式に対応して光路動作が可能となり、大容量通信にも対応出来る為である。

以下に本発明に係る実施例を説明するが、本発明は以下の実施例にのみ限定されるものではない。

本実施例の偏光依存型光アイソレータは、図１～図１０に示す構造及び光伝搬動作を有する。なお、前記実施形態と重複する説明は、省略若しくは簡略化して説明する。光アイソレータ素子２及び３を構成する各光学素子のそれぞれの光学面には、SiO₂/TiO₂の反射防止コートを施した。更に各光学素子に於けるθは６°に設定した。

また本実施例では、Ｓ極どうしを対向させて２つの永久磁石４及び５を配置すると共に、１つのヨーク６を永久磁石（４及び５）のＳ極間に介在させた。各永久磁石４及び５はSm-Co系磁石とすると共に、ヨーク６の材料には鉄（Fe）を使用した。またヨーク６の厚みは0.3ｍｍとした。なお飽和磁化は13ｋＧ（1.3Ｔ）とした。

更に基台７には、ジルコニアセラミックスを用いた。

本実施例の偏光依存型光アイソレータに、順方向に光を入射させて光の伝搬動作を確認したところ、光の偏光面が２つの光アイソレータ素子２及び３への入射前と透過後で、同一方向に保持されている事が確認された。

一方、逆方向に光を伝搬させたところ、40ｄＢ以上のアイソレーション特性が確認され、高い消光比（消光特性）が達成されている事が確認された。なお、伝搬光の中心波長は1.31μｍとした。

１偏光依存型光アイソレータ
２、３光アイソレータ素子
2a、3a 偏光子
2a1、3a1 順方向での光伝搬路に於ける、偏光子の光入射光学面
2b、3b 検光子
2b1、3b1 順方向での光伝搬路に於ける、検光子の光出射光学面
2c、3c ファラデー回転子
４、５永久磁石
６ヨーク
７基台
θ 永久磁石の側面及び光の伝搬方向に対する、光学素子の光学面の傾斜角度
φ 光の伝搬方向に対する、光学素子の光学面の傾斜角度

Claims

順方向の光の入射方向に２つの光アイソレータ素子が備えられ、
２つの光アイソレータ素子がそれぞれ、偏光子、ファラデー回転子、及び検光子の各光学素子で構成され、
更に外形形状が直方体又は立方体に成形された２つの永久磁石が備えられ、２つの永久磁石の同極どうしが対向して配置されており、
更に少なくとも永久磁石の間に、磁性体から構成されるヨークが介在して配置されており、
ヨークの端部が永久磁石の側面から突出しており、
ヨークの端部の突出側の個々の永久磁石の側面に、光アイソレータ素子が１つずつ配置されており、
２つのファラデー回転子に、互いに逆方向の磁力線が印加されており、
個々のファラデー回転子は個々の永久磁石により飽和磁化されて、互いに45°の偏光面回転角を有すると共に、偏光面の回転方向は互いに逆方向であり、
２つの永久磁石の側面は、光の入射方向に対して平行であり、
各光学素子の光学面は、永久磁石の側面に対して角度θだけ傾斜して設けられており、
２つの永久磁石の側面から遠ざかるに従い、２つの光アイソレータ素子の各光学面は角度θで以て互いに離れて行き、
順方向の光の入射方向に於いて、１つ目の偏光子に入射される光の偏光方向は一方向に選択されており、１つ目の偏光子を透過後に１つ目のファラデー回転子に入射された光の偏光面が45°回転され、次に１つ目の検光子と２つ目の偏光子を透過し、更に２つ目のファラデー回転子に入射されて逆方向に光の偏光面が45°回転され、最後に光が２つ目の検光子から透過される事で、順方向の光の入射方向に於いて光の偏光面は、２つの光アイソレータ素子への入射前と透過後で同一方向に保持されており、
更に順方向の光の入射方向に於ける１つ目の光アイソレータ素子によって、光の光路がヨークの端部から遠ざかる様にシフトされ、光路がヨークの端部で遮断されない偏光依存型光アイソレータ。
前記光アイソレータ素子毎に、前記偏光子、前記ファラデー回転子、及び前記検光子が前記光学面で接着されており、更に前記光アイソレータ素子が前記永久磁石の側面に接着されており、更に２つの前記永久磁石と前記ヨークが接着されて基台に載置されている請求項１に記載の偏光依存型光アイソレータ。
同極どうしで対向して配置されている２つの前記永久磁石の磁極がＳ極であり、前記ヨークがＳ極側のみに配置されている請求項１又は２に記載の偏光依存型光アイソレータ。