JPH11249072A - 偏光子及びそれを用いた光アイソレータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡便かつ小型の優れた偏光子を提供するとと
もに、それを用いた光アイソレータをも提供すること。 【解決手段】直線偏光のみが透過する偏光板３の一主面
に、該偏光板３の偏光透過軸１８から結晶光軸１１を左
又は右回りに２０〜２５°回転傾斜させた１／２波長板
２を接合配置して成る偏光子１、及び、この偏光子１を
ファラデー回転子５の光入射側及び光出射側のいずれか
一方に配設した光アイソレータ４。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光通信機器，光記
録用機器，センサー等に使用される偏光子に関し、特に
半導体レーザと変調器等の導波路デバイスと共に用いら
れる光アイソレータに好適に使用される偏光子に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】光通信の光源に用いられる半導体レーザ
ーダイオード（以下、ＬＤという）は、その出射光が反
射し、再びＬＤの活性層に戻ると発振状態が乱れ、出射
パワーの変動や波長ずれ等が生じ、そのため信号の特性
が劣化する。これを防止するためＬＤは、通常、光アイ
ソレータを利用して反射戻り光を遮断するようにしてい
る。

【０００３】また、光導波路デバイスはＬＤと共に用い
られたり、伝送路の途中に用いられるが、近年は光モジ
ュール全体の小型化に伴い、ＬＤと同一パッケージ内に
実装されるようになってきている。

【０００４】ところで、光導波路デバイスは、基本的に
導波損失や伝搬定数に偏光依存性を持っており、特に光
スイッチや光変調器等はＴＭモード（層構造に垂直な、
すなわち層形成面に垂直な偏光成分）か、ＴＥモード
（層構造に平行な偏光成分）のどちらか一方のみでしか
動作しないものが多い。また、ＬＤは層構造に平行なＴ
Ｅモード、または垂直なＴＭモードに偏光している。さ
らに、通常の光アイソレータは入射光と出射光の偏光方
向が４５度回転するため、ＬＤ，光アイソレータ，光導
波路デバイスを単純に縦列に接続することはできなかっ
た。

【０００５】従来は、図４（ａ）に示すように、ＬＤ６
から出射した光が、集光レンズ７を通って光アイソレー
タ８より水晶から成る１／２波長板２を経て、集光レン
ズ７，光変調器９，集光レンズ７，光ファイバ１０に光
を導入するようにしていた。また、図４（ｂ）に、ＬＤ
６側からみた偏光状態、すなわち光の進行方向へ向かっ
てみた偏光状態の様子を示すように、ＬＤ６はＴＥ偏光
であるが、光アイソレータ４で光進行方向右回りに（フ
ァラデー回転子の特性によっては左回りもある）４５度
偏光方向が回転する。そして、この偏光方向に対してさ
らに右回りに結晶光軸１１が２２．５度傾いた１／２波
長板２でもって、偏光方向が更に右回りに４５度回転
し、その結果、ＬＤ６からのＴＥモードから９０度回転
したＴＭモードとなる。

【０００６】また、光アイソレータを２段にして偏光方
向をＴＭもしくはＴＥ偏光に限定する方法もある。すな
わち、偏光が右回りと左回りの光アイソレータを縦列に
接続すればＬＤ６の偏光は保存され（ＴＥからＴＥ）、
図５（ａ），（ｂ）に示すように、同じ偏光回転方向
（例えば右回りと右回り) の光アイソレータ８，８を縦
列に接続する場合は、ＬＤ６の偏光は９０度回転する
（ＴＥからＴＭ）。なお、図５（ｂ）は図４（ｂ）と同
様にＬＤ６側からみた、すなわち光の進行方向へ向かっ
てみた偏光状態の様子を示す。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、光アイ
ソレータを２段にすることは、１段で必要なアイソレー
ションを達成している場合、コストが２倍になるばかり
か全体が大きくなり現実的でない。また光路長も長くな
り各光学素子のアライメントが困難で光の結合効率も落
ちてしまう。

【０００８】また、光アイソレータの後段に旋光子を設
けるものは、光アイソレータを２段にするものに比べ低
コストであり、光路長の増大も前者ほどではないが、以
下の問題がある。

【０００９】まず、上記波長板自体は非常に薄く脆いた
めハンドリングが難しい。特に一般に広く用いられる水
晶から成る１／２波長板は、特に波長１５５０ｎｍ用の
場合、約９０μｍ程度の厚さとなるために作業中に破損
することが多い。

【００１０】また、レーザに対して光アイソレータを位
置調整や、回転（偏光方向) を調整した後に、１／２波
長板の調整も行う必要があるので、作業が煩雑となる上
に多大な時間を要していた。特に、光デバイスの分野で
は光学調整がそのコストの大部分を占めており、工数の
増大は大変な問題となる。

【００１１】さらに、１／２波長板自体は薄いため、光
アイソレータと組み合わせても光アイソレータを２段設
けるよりも光路長を短くすることが可能であるが、光ア
イソレータと１／２波長板を別々にする以上、両者の間
に全く空間を存在させないことは不可能である。実際
は、１／２波長板は一度金属等からなるホルダに固定し
た後に位置調整・固定する必要があり、光アイソレータ
のみの場合に比べ、やはり大型化したり、光路長が増大
するなどの問題が避けられない。そしてこのような光路
長の増大は、位置調整の困難さや結合効率の低下を誘発
する。

【００１２】また、１／２波長板を通過した直線偏光
は、消光比がわずかに劣化する。通常は偏光子を通過し
た直後が最も消光比が高い。例えば、ＴＭ動作の変調器
では、ＴＥモードの光は変調をほとんど受けないため、
消光比の低い光が変調器に入射した場合は、出射光に変
調されない光とが混入し、信号が劣化することになる。
このように、光アイソレータと別々に１／２波長板を用
いる場合は、消光比の劣化すなわち信号の劣化は避けら
れなかった。

【００１３】そこで本発明は、上述の諸問題に鑑み案出
されたのであり、簡便かつ小型の優れた偏光子を提供す
るとともに、それを用いた光アイソレータをも提供する
ことを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の偏光子は、直線偏光のみが透過する偏光板
の一主面に、該偏光板の偏光透過軸（偏光方向軸）から
結晶光軸を左又は右回りに２０〜２５°回転傾斜させた
１／２波長板を接合配置して成る。

【００１５】また、偏光板は、透光性を有する誘電体基
板上に、光学異方性を持つ（適当なアスペクト比を有す
る）金属粒子が分散された誘電体層が複数積層された偏
光層を配設したものであることを特徴とする。なおこの
場合、偏光透過軸は金属粒子の短軸方向となる。

【００１６】ここで特に、上記１／２波長板を上記偏光
板に接合する場合に、実際に使用する大きさよりも大面
積の１／２波長板と偏光板を接合した後に、所望の大き
さ形状に切削したり切断する等により、種々の形状の偏
光子を得ることができたり、多数個の偏光子を作製する
ことができる。

【００１７】本発明の光アイソレータは、ファラデー回
転子の光入射側及び光出射側の一方に上記偏光子を設け
たものとする。また、ファラデー回転子側が１／２波長
板の配置側となるように、上記偏光子を配設したことを
特徴とする。

【００１８】また、特に光アイソレータにおいて、偏光
子が順方向に出射する光の偏光方向が入射光と同一方向
になるように配設して偏光方向を補償するようにしても
よい。

【００１９】また、順方向に出射する光の偏光方向が入
射光と垂直方向になるように構成してもよい。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
図面に基づき詳細に説明する。図１（ａ）（ｂ）に示す
ように、本発明の偏光子１は、光アイソレータや、例え
ばＶ溝形成基板上に光ファイバ及び発光もしくは受光す
る光素子等が配設された光モジュールに実装するよりも
大きな１／２波長板２と偏光板３とを一体化面接合した
ものである。ここで、偏光板３の偏光透過軸１８から光
進行方向右回りもしくは左回りに（図１（ａ）では左回
りに）結晶光軸１１をθ＝２２．５°傾けた１／２波長
板を接合配置している。なお、Ｌは光透過軸Ｌであり、
Ｌ１、Ｌ２はそれぞれ入射光、出射光を示し、結晶光軸
１１や偏光透過軸１８は光透過軸Ｌに対し略垂直な面内
にある。また図では簡単のため全体を直方体状に図示し
ているが、円柱状やその他の形状であってもよい。ま
た、θは２０〜２５°が好適であり、特に、θ＝２２．
５°±０．５°とすることで、後記する光アイソレータ
においてアイソレーションを最適とすることができる。

【００２１】ここで、偏光板３は透光性を有する誘電体
基板１２の一主面に屈折率が１．０に対する反射防止膜
１５ａが形成されており、他の主面に光吸収異方性（適
当なアスペクト比）を有する金属粒子が分散された誘電
体層が多層に積層された偏光層１３が積層されている。
この偏光層１３と１／２波長板２とが、反射防止膜１５
ｂ、接着材１４、反射防止膜１５ｃを介して接合されて
いる。反射防止膜１５ｂは偏光層１３の上に形成され、
接着材１４の屈折率に対し反射が最少に成るようにＳｉ
Ｏ₂ ／ＴｉＯ₂ 等の多層膜からなる。反射防止膜１５ｃ
も同様に、１／２波長板２の上に接着材１４の屈折率
（例えば、１．５）に対し反射が最少になるように設計
された多層膜より成る。接着材１４の屈折率を１／２波
長板２と合わせれば反射防止膜１５ｃは不要であり、同
様に反射防止膜１５ｂも接着材１４の屈折率を偏光層１
３と合わせれば不要である。

【００２２】誘電体基板１２は、例えばパイレックスガ
ラス（パイレックスとはコーニング・ガラス・インダス
トリーの商標名）や、ＢＫガラス（ＢＫとは、ホーヤガ
ラス社の商標名）等のホウ珪酸ガラスを用い、これ以外
にシリカガラス等の高融点の珪酸塩ガラスやソーダガラ
ス等の低融点ガラスを用いても良い。また、このような
ガラス材料に代えて他の透明な誘電体材料を用いてもよ
いが、ガラス材料は安価で延伸が容易であるので好適に
使用できる。

【００２３】偏光層１３は、所望の消光比及び挿入損失
が得られるように、個数密度が２〜３７個／μm ² で且
つアスペクト比が３〜３０の金属粒子から成る金属粒子
層と誘電体層とが交互に多数積層されたものであり、誘
電体中に金属粒子が分散された層が多層に積層された構
造をなすものである。金属粒子には、Ａｕ，Ａｇ，Ｐ
ｔ，Ｒｈ，Ｉｒ等の貴金属元素やＣｕ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃ
ｒ，Ａｌ及びＷ等の遷移金属から選択される一種以上の
金属であることが好ましく、誘電体層は誘電体基板と同
一の材料が好適に使用される。

【００２４】反射防止膜１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５
ｄは、ＭｇＯ、ＳｉＯ₂ 、ＴａＯ₂、ＴｉＯ₂ 等の多層
膜を用いることができる。その形成はスパッタリングや
イオンプレーティング、蒸着等の薄膜プロセスにより多
層化を行う。

【００２５】接着材１４は、所望の光を透過する例えば
エポキシ系の可視光硬化型や熱硬化型等の光学接着剤、
コーニング社の＃７５９０等の低融点ガラスを用いるこ
とができる。

【００２６】１／２波長板２は、水晶の他に方解石、ル
チル等の複屈折材料を用いることができる。

【００２７】偏光層３は例えば下記Ａの工程にＢ〜Ｄの
工程を複数回繰り返し行い、しかる後にガラス基板を加
熱しながら延伸せしめ、金属粒子に光吸収異方性を具備
させるこようにしている。

【００２８】Ａ：ガラス基板を用意する工程 Ｂ：ガラス基板の上面に金属微粒子を薄膜形成法により
被着形成する工程 Ｃ：前記ガラス基板を軟化点より低い温度で加熱して、
金属微粒子を成長させて金属粒子層を形成させる工程 Ｄ：前記金属粒子層上に薄膜形成法により誘電体層を形
成させる工程 また、上記接合は接着材を用いる以外に、接合させる表
面をＣＭＰ等の研磨法により清浄にし、親水性になるよ
うに処理した上で主にファンデルワールス力を利用して
接触し、しかる後に加熱して接合を行う所謂表面接合等
により行ってもよい。

【００２９】また、図２（ａ），（ｂ）に示すように、
上記のようにして作製した偏光子１を用いて、光アイソ
レータ４を構成することができる。すなわち、鉄系合金
やコバール等の材料から成るホルダ１６内に光Ｌの入射
方向から誘電体中に光学異方性を有する金属を分散させ
て形成した特定角度の直線偏光のみを透過するための偏
光子１７、磁性ガーネット等から成るファラデー回転子
５、及び上記偏光子１が順に配設されている。ここで、
偏光子１は１／２波長板２がファラデー回転子５側に位
置するように配設されている。

【００３０】上記偏光子１は図３に示すように、偏光板
３の透過偏光方向に対し１／２波長板２の結晶光軸を右
回りに２２．５度傾けて接合してもよい。このような１
／２波長板一体型偏光子を用いた光アイソレータによれ
ば、水平方向の偏光（ＴＥモード）を入射し、そのまま
水平方向の偏光を出射することができ、ＴＥモードで動
作する導波路デバイスに対して好適に使用可能となる。

【００３１】以上のように、本発明の偏光子１によれ
ば、偏光層１３と１／２波長板２とを接合することによ
り、偏光層１３が外界から遮断され外気から保護される
だけでなく、偏光板３の裏面は接合後であっても自由に
研磨が可能で、設計上の都合による厚さの制御、または
光路長短縮化が可能となる。特に、偏光板３単体では破
損の恐れにより薄片化に限界があるが（約１５０μｍ程
度が限界）、１／２波長板２と一体化することで全体で
１５０μｍまで薄くすることが可能となる。また、１／
２波長板２も単体では非常に薄く割れやすいが、偏光板
３と一体化することで実装中の破損はほとんど無くな
る。

【００３２】また、１／２波長板２と偏光板３はあらか
じめ大型の基板を用いて一括の位置合わせが行われてお
り、このような１／２波長板一体型偏光子１は単体の偏
光子と全く同一の工程で光アイソレータ内に実装するこ
とができる。

【００３３】また、光アイソレータに組み込んだ後の全
体の大きさは１／２波長板２が無い場合に比べほとんど
変わらないし、光路長もほとんど変わらない。図２
（ａ）に示すように、１／２波長板２が光アイソレータ
４の内側（ファラデー回転子５側）になるよう実装する
ことで、光は１／２波長板２を透過した後、偏光板３を
通過することになり消光比が劣化しない。これは、単に
光アイソレータ４に１／２波長板２を外付け一体化した
だけでは実現し得ない特性である。

【００３４】

【実施例】次に、より具体的な実施例について説明す
る。

【００３５】〔例１〕図１に示すように、ＢＫ−７ガラ
ス（ＳｉＯ₂ ：６９％，Ｂ₂ Ｏ₃ ：１０％，Ｎａ₂ Ｏ：
８％，Ｋ₂ Ｏ：８％，ＢａＯ：３％（但し，組成は重量
％）、軟化点：７２４℃）から成る誘電体基板上に、ス
パッタリング及び熱処理によりＣｕの島状膜（以下、Ｃ
ｕ膜）をＣｕ粒子直径が約１００ｎｍを中心に分布する
よう形成した。

【００３６】その後、スパッタリングによりＢＫ−７ガ
ラスの薄膜（以下、ＢＫ−７膜）を１５０ｎｍの厚みに
成膜し、このＣｕ膜とＢＫ−７膜を交互にそれぞれ１０
層ずつ積層したものを約６３０度にて延伸し、Ｃｕに異
方性、配向性を付与した（個数密度約１０個／μｍ² 、
平均のアスペクト比１０：１）。

【００３７】このようにして多層膜が延伸された表面１
μｍ程度が偏光層になり、その特性は消光比４２ｄＢ、
挿入損失０．０８ｄＢであった。

【００３８】一方、１／２波長板は水晶を９０μｍの厚
さに成形したもので結晶光軸（Ｃ軸）は面内にある。

【００３９】上記偏光板は１０mm×１０mm×０．３mmと
し、１／２波長板は１０mm×１０mm×０．０９mmとし
た。また、接合面には屈折率１．６に対する反射防止膜
（ＳｉＯ₂ とＴｉＯ₂ の多層膜）を形成し、接合面と反
対の面には屈折率１．０に対する反射防止膜１４が同様
な材料で形成した。

【００４０】１／２波長板２の結晶光軸１１は図１にお
いて破線矢印で示しているが、偏光板３の透過偏光方向
１８に対し１／２波長板２の光学軸は左回りに２２．５
度の角度を持たせて接合させた。ここで接合には熱硬化
型のエポキシ系接着剤エポテック３５３（屈折率１．
６）を用いた。この接着剤は厚み約５０μｍで充填さ
れ、８５℃２時間で硬化させた。

【００４１】ここで、接合後の厚さは４４０μｍだが、
実装上の都合や光路長の調整等で必要な場合は１５０μ
ｍまで研磨して薄くすることができる。

【００４２】また、光アイソレータとしては直径１〜
１．５mmの円盤状の偏光子を用いることができるが、こ
こでは直径１．５mmの円盤状の偏光子を１０mm×１０mm
角の基板から３９個カッティングして得たものを使用し
た。なお、遊離砥粒に超音波振動を与えワークを切削す
る超音波加工機で容易に取り出すことができた。また、
切りしろは５０μｍ程度であった。以上のように素子３
９個分の光軸調整を一括で行うことが可能であった。

【００４３】また、光アイソレータとしては、図２
（ａ）に示すように、偏光子１７、ファラデー回転子
５、及び１／２波長板一体型偏光子１から成る。なお、
各々は５０アロイ等の鉄系の合金やステンレス等で作ら
れたホルダ１６に接着剤や低融点ガラス，はんだ等で固
定した後に回転調整しＹＡＧレーザにて固定した。

【００４４】次に、図２（ｂ）に基づいて、上記光アイ
ソレータの作動について説明する。図２（ｂ）は各点の
偏光方向を、断面図の下にＬＤから光Ｌの進行方向に向
かう角度から見て示している。ＬＤからの光Ｌは水平方
向（ＴＥモード）に偏光しているが、偏光子１７はその
まま水平方向の偏光は透過する。ファラデー回転子５に
より光進行方向右回り４５度に偏光が回転する。１／２
波長板一体型の偏光子１の１／２波長板２の結晶光軸１
１は垂直方向（偏光透過軸）から左回りに２２．５度傾
いているため、これにファラデー回転子５を通過して水
平より４５度右回りに回転した（すなわち垂直より左回
りに４５度に相当）光が入射すると偏光方向は垂直（Ｔ
Ｍモード）になる。１／２波長板一体型偏光子１の偏光
子の偏光透過方向は垂直なので、光はそのまま透過す
る。ＴＥモードのＬＤ発光に対し、ＴＭモードで動作す
る導波路デバイスに好適に利用できる。

【００４５】以上のように、１／２波長板一体型偏光子
を用いればＴＥ偏光をＴＭ偏光に変換する機能を持った
光アイソレータを、光アイソレータ大きさを変更するこ
と無く、光路長もほとんど変わらないで構成することが
できる。また、１／２波長板による消光比の劣化も無
い。

【００４６】

【発明の効果】本発明の偏光子及び光アイソレータによ
れば、以下に述べる効果を奏することができる。 ・１／２波長板と偏光板とが一体化されているため、１
００μｍ以下の厚みしかない波長板が実装中に破損し難
くなる。 ・薄膜型の偏光板を用い、偏光層が接合面に位置するよ
うに１／２波長板と偏光板接合すれば、偏光面が外気よ
り保護され信頼性が向上するばかりでなく、偏光子の裏
面が研磨できるので、機構設計、光学設計( 光路長) に
応じて、全体の厚さを帰ることが可能である。また、接
合することにより剛性が増すので、偏光子単体の場合よ
りも更に薄く研磨できる。 ・大型の偏光板と１／２波長板で一括位置合わせした後
に、所望の大きさの偏光子にカッティングすることによ
り、簡便かつ迅速に量産が可能である。 ・通常、別々の素子として組み立てると素子間に必ず空
間が存在するが、本発明によれば１／２波長板と偏光板
の間に広くとも接着材の厚み分（数十μｍ）しかないた
め光路長が短くなる。 ・全体が小型化する。 ・あらかじめ、１／２波長板と偏光板を一体化している
ので、光アイソレータそのものの工程は変わらず、偏光
方向保存あるいは直交させた導波路デバイスに好適な光
アイソレータを少ない工数、時間で簡便に製造できる。 ・１／２波長板を内側（ファラデー回転子側）にして光
アイソレータを構成することで消光比が劣化せず、導波
路デバイスの特性を損うことがない。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明に係る偏光子の実施形態を説明
するための模式的な斜視図であり、（ｂ）は（ａ）の断
面図である。

【図２】（ａ）は本発明に係る光アイソレータの実施形
態を説明するための模式的な断面図であり、（ｂ）は
（ａ）における各光通過点における偏光状態を示す図で
ある。

【図３】本発明に係る偏光子の他の実施形態を説明する
ための模式的な斜視図である。

【図４】（ａ）は従来の光アイソレータによる偏光を説
明する光システムの模式図であり、（ｂ）は（ａ）の各
光通過点における偏光状態を示す図である。

【図５】（ａ）は従来の他の光アイソレータによる偏光
を説明する光システムの模式図であり、（ｂ）は（ａ）
の各光通過点における偏光状態を示す図である。

【符号の説明】

１：偏光子 ２：１／２波長板 ３：偏光板 ４：光アイソレータ ５：ファラデー回転子 ６：半導体レーザダイオード（ＬＤ） ７：集光レンズ ９：光変調器 １１：結晶光軸 １０：光ファイバ １２：誘電体基板 １３：偏光層 １４：接着材 １５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ：反射防止膜 １７：偏光子 １８：偏光透過軸

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直線偏光のみが透過する偏光板の一主面
   に、該偏光板の偏光透過軸に対し結晶光軸を左又は右回
   りに２０〜２５°回転傾斜させた１／２波長板を接合配
   置して成る偏光子。
2. 【請求項２】 前記偏光板は、透光性を有する誘電体基
   板上に光学異方性を有する金属粒子が分散された誘電体
   層が複数積層された偏光層を配設したものであることを
   特徴とする請求項１に記載の偏光子。
3. 【請求項３】 ファラデー回転子の光入射側及び光出射
   側のいずれか一方に、請求項１に記載の偏光子を配設し
   たことを特徴とする光アイソレータ。
4. 【請求項４】 前記ファラデー回転子に対し、前記１／
   ２波長板の配置側が向くように請求項１に記載の偏光子
   を配設したことを特徴とする請求項３に記載の光アイソ
   レータ。