TW201445188A

TW201445188A - 法拉第轉子及使用該法拉第轉子的光隔離器

Info

Publication number: TW201445188A
Application number: TW103111789A
Authority: TW
Inventors: Toshiaki Watanabe
Original assignee: Shinetsu Chemical Co
Priority date: 2013-04-01
Filing date: 2014-03-28
Publication date: 2014-12-01
Also published as: WO2014162754A1; JP2014202773A; CN105247405A; CN105247405B; JP6132429B2; EP2983035A1; US20160054598A1; US20170192258A1; EP2983035A4; TWI490554B; US10168556B2; DK2983035T3; EP2983035B1

Abstract

本發明的目的是提供一種能夠相對地降低散亂光的影響、抑制光隔離器整體的特性劣化、使用具有至少38dB以上的高消光比的TGG陶瓷燒結體的法拉第轉子以及採用該法拉第轉子的光隔離器。本發明的特徵在於，其為使用平均粒徑為0.2~5.0μm的TGG陶瓷燒結體且透射光束直徑為0.3mm以上的法拉第轉子，優選該TGG陶瓷燒結體實施退火處理。

Description

法拉第轉子及使用該法拉第轉子的光隔離器

本發明涉及使用以Tb₃Ga₅O₁₂表示的鋱鎵石榴石(以下，簡稱為「TGG」)的具有高消光比的法拉第轉子及使用該法拉第轉子的光隔離器。

在光系統中，從作為光源的半導體雷射振蕩器射出的雷射光線，會從位於光通訊的路徑途中的光學元件或設置於一部分光傳輸線途中的部件表面等產生反射光，若這種反射光返回到雷射振蕩器，會使雷射振蕩動作變得不穩定，有時可能會導致雷射振蕩器本身發生損壞。因此，為了遮斷返回到雷射振蕩器的反射光而使用光隔離器，在這種光隔離器中，採用利用了法拉第效應的法拉第轉子。

一般來講，在1200~1650nm的光通訊區域內，使用通過液相磊晶(liquid phase epitaxial)法培養的鉍置換稀土族鐵石榴石作為這種法拉第轉子的材料。不過，由於該材料在500~1200nm的光通訊區域會發生起因於鐵成分的材料吸收，因此，近年來材料吸收比較少的TGG正得到應用。在該TGG的情況下，通常是將用CZ法培養的TGG單結晶棒進行加工而使用，但是，這種TGG結晶存在如下問題：結晶培養尺寸通常為φ 1~2英寸，培養較大的結晶比較困難，除了培養時的變形外，也容易受加工變形的影響。

另外，除了使用CZ法的TGG單結晶培養之外，隨著陶瓷技術的提高，正探討引入TGG陶瓷作為法拉第轉子的材料。非專利文獻1中介紹了一種熱導率及費爾德常數(Verdet constant)與TGG單結晶同等的TGG陶瓷。另外，在非專利文獻2中，對可獲得與TGG單結晶同等的法拉第效應、消光比為~40dB非常良好的高質量TGG陶瓷的開發進行了介紹。還有，專利文獻3中記載了使用以通式R₃Ga₅O₁₂(其中，R為選自由包含Y的釤(Sm)，銪(Eu)，釓(Gd)，鋱(Tb)，鏑(Dy)，鈥(Ho)，鉺(Er)，銩(Tm)，鐿(Yb)及鑥(Lu)組成的組中的至少1種稀土元素)表示的透光性稀土族鎵石榴石燒結體作為光隔離器的法拉第轉子的技術。

然而，這種TGG陶瓷燒結體被指出存在以下問題，透射光束易受其結晶晶界的影響，並且，與TGG單結晶的情況同樣，材料周邊部的消光性能會因材料培養時或制造的變形和加工時的變形而惡化，結果導致光隔離器的隔離性能(光隔斷能力)惡化。

現有技術文獻

非專利文獻

非專利文獻1「雷射研究」第35卷第12號，806頁至 810頁，2007年12月

非專利文獻2「OPTRONICS」No.9，2012年，123頁至 126頁

專利文獻

專利文獻1 日本專利第5000934號

鑒於上述情況，本發明的目的是提供一種能夠相對地降低散亂光的影響、抑制光隔離器整體的特性劣化、採用具有至少38dB以上的高消光比的TGG陶瓷燒結體的法拉第轉子以及採用該法拉第轉子的光隔離器。

就光隔離器而言，優選其隔離性能(光隔斷能力)高，特別優選能得到35dB以上的高隔離性能(光隔斷能力)的光隔離器，不過，為此，需要構成光隔離器的各個的光學部件(偏光片，析光片，法拉第轉子)的光透過部的消光比至少在35dB以上，如果考慮到裝配餘量的話，需要在38dB以上。另外，例如在2光分離方式的光隔離器中，相對於入射光斷面需要有更大面積的消光比高的區域。

然而，光隔離器是由採用TGG的法拉第轉子等而構成的，由於這種TGG比較昂貴，從壓縮成本的觀點，實際當中通常是縮小TGG的外徑而使用。但另一方面，若縮小該TGG的外徑，在2光分離方式的光隔離器中，2光會透過法拉第轉子的外徑近旁，外徑近旁透過時的隔離性能的劣化成為問題。為了獲得至少35dB以上的高隔離性能(光隔斷能力)，必要條件是其外徑周邊的消光比為38dB以上。

因此，為了解決以上所述的TGG陶瓷燒結體的光隔斷能力劣化的問題，實現光隔離器的隔離性能(光隔斷能力)為38dB以上的條件，本發明人進行了深入的研究，結果判明，在TGG陶瓷燒結體中，當將其透射光束的直徑縮小為小於D0.3mm時，將產生受結晶粒界的影響使光散亂的影響變大，光隔離器的光隔斷能力惡化這樣的新問題。同時還判明，在TGG結晶體中外徑研磨加工後的加工變形對特性劣化的影響較大。

並且，本發明人在致力於解決這一新問題的研究中發現，在粒徑與透射光束直徑之間存在互相依存性，並且，如果分別將透射光束直徑設定為0.3mm以上的範圍，同時將粒徑設定為0.2~5.0μm的範圍的話，能夠改善隔離性能的劣化，至少能夠穩定地確保38dB以上的高隔離性能。同時還發現，對於TGG陶瓷燒結體和TGG結晶體，雖然材料培養時或制造時的變形和加工時的變形會使消光性能惡化，但即使對於TGG陶瓷燒結體，若實施退火處理的話，則與TGG結晶體同樣，其消光性能會顯著改善，從而促成了本發明。

即，本發明的法拉第轉子的特徵在於，使用平均粒徑為 0.2~5.0μm的TGG陶瓷燒結體，且透射光束直徑為0.3mm以上、至少具有38dB以上的消光比。

並且，本發明的TGG陶瓷燒結體的特徵在於，其被實施退火處理。另外，本發明的法拉第轉子優選用於光隔離器。

能夠提供一種能夠相對地降低散亂光的影響、抑制光隔離器整體的特性劣化、採用具有至少38dB以上的高消光比的TGG陶瓷燒結體的法拉第轉子以及採用該法拉第轉子的光隔離器。

1‧‧‧法拉第轉子

2‧‧‧偏光片

3‧‧‧析光片

4‧‧‧1/2波長板

5‧‧‧磁石

圖1是偏振無關型光隔離器的構成例。

圖2是透射光束直徑為0.1mm時的消光比與平均粒子直徑的關系圖。

圖3是在工件的各平均粒子直徑處的透射光束直徑與消光比的關系圖。

圖4是用CZ法培養的直徑φ 1.5英寸的TGG結晶的切斷截面圖，示出了13個測量點。

圖5是表示TGG結晶體的初始和研磨後及退火處理後的消光比的測量點的圖。

圖6是表示TGG陶瓷燒結體的初始和研磨後及退火處理後的消光比的測量點的圖。

以下對本發明的一實施方式進行說明，不過，本發明並非限定於該實施方式。

圖1示出了偏振無關型光隔離器的構成例。近年來，在500~1200nm的光通訊區域，光纖雷射技術備受關註，而光隔離器被用於該光纖雷射技術中。而且，為了能夠處理透過光纖的光，這種光隔離器使用圖1所示的偏振無關型光隔離器，本發明的TGG的法拉第轉子1主要被用於這種偏振無關型光隔離器。

通常，圖1的偏振無關型光隔離器是在法拉第轉子1的兩端配置偏振光材料而構成。入射的光被分離成通常光和異常光，通過法拉第轉子1使偏振光方向旋轉45度，透過1/2波長板4之後，由析光片3合波後而射出。另一方面，從反方向返回的光由析光片3分離，透過1/2波長板4之後，通過法拉第轉子1使偏振光方向旋轉45度，到達偏光片2。不過，由於此時的光相對於入射光的路徑的偏振光方向相差90度，故不會由偏光片2合波，而是以進一步分離的狀態從偏光片2射出，不返回到入射光位置，從而發揮隔離器的功能。

實施例

以下，對本發明的具體實施例進行說明。

實施例1

在實施例1中，首先混合TGG成分，預燒結後，進行熱等靜壓(HIP)，在1250℃下進行燒結得到外徑φ 6×L22mm的透明燒結體。然後，對該透明燒結體兩端進行研磨並實施蝕刻，觀察SEM像及其粒徑，發現所得到的燒結體的平均粒徑為0.2μm。需要說明的是，這裏的平均粒徑(以下，稱「粒徑」)，是通過確認任意直線狀的粒子數而算出的。

另外，為了調查對該透明燒結體進行追加燒結的情況與粒徑的關系，在1400~1700℃下分別進行了5小時追加燒結之後，研磨其兩端並實施蝕刻，對粒徑進行了確認發現，粒徑為0.3~9.8μm。表1給出了該數值。從該表1的結果可以確認到，燒結溫度越高粒徑越大。

接下來，為了調查與雷射束直徑與粒徑的關系，對表1中所示各粒徑的工件進行研磨加工，並實施無反射塗層(AR塗層)後，以波長1064nm，使雷射束直徑D變化為2.0、1.0、0.5、0.3、0.2、0.1mm，對各工件中心部位的消光比進行了測量。表2示出了雷射束直徑D為0.1mm時的各粒徑的消光比的測量值，並且圖2給出了消光比與粒徑的關系。

從這個結果可以確認，當雷射束直徑D為0.1mm時，被認為是由於結晶粒界影響的消光比的擺動變大，數值的穩定性惡化。

另外，表3示出了使雷射束直徑D分別變化為2.0，1.0，0.5，0.3，0.2，0.1mm時的各粒徑的工件中心部位的消光比的測量值，並且圖3給出了雷射束直徑與消光比的關系。

從這個結果可以確認，在雷射束直徑D為2.0~0.5mm的範圍內，各粒徑的消光比顯示出大體相同數值，不過，隨著雷射束直徑往0.3，0.2，0.1mm變小，消光性能的劣化變大，在0.2，0.1mm下，無法穩定地獲得38dB以上的值。因此，為了穩定地獲得消光比38dB以上的值，需要雷射束直徑D在0.3~2.0mm的範圍。另外，還確認到，在雷射束直徑D為0.3~2.0mm的範圍，為了穩定地獲得消光比38dB以上的值，粒徑需要在0.2~5μm的範圍，優選為0.3~3.0μm的範圍。

以上結果表明，為了使用以Tb₃Ga₅O₁₂表示的陶瓷燒結體構成具有高消光比的法拉第轉子和具有高隔離性能(光隔斷能力)的光隔離器，需要TGG陶瓷燒結體的粒徑為0.2~5μm，且法拉第轉子的透射光束直徑為0.3mm以上。

接下來，就對TGG結晶體和TGG陶瓷燒結體分別進行了退火處理情況下的消光比面內分布進行說明。

首先，對於TGG結晶體，採用CZ法培養直徑為φ 1.5英寸的TGG結晶體，切斷兩端部使長度為20mm，然後進行研磨加工，設定了13個相當於5mm的方塊區域的測量點。圖4表示13個測量點。對於這13個區域的中央部，測量了φ 1.0mm的雷射束(1064nm)的消光比，結果為33~39dB。另外，在1200℃下對本結晶體實施24小時的退火處理後再一次進行了測量，消光比提高到36~41dB。表4示出了研磨加工後和熱處理後的消光比的測量值。

從以上測量結果可以確認到，在研磨加工後的TGG結晶體中，越往工件的周邊部(測量點1，5，9及13)消光比越惡化，不過，該周邊部的消光比的劣化，可通過實施退火處理加以改善。

另外，將光束從φ 1.0mm縮小為φ 0.5mm，並在圖4表示的13個測量點對消光比進行測量的結果，同樣確認到，越往工件的周邊部消光比越惡化，不過，通過對本工件再次在1250℃下實施24小時的退火處理，周邊部的消光比得到了改善。

再者，對於將以圖4中數字7所示的部分設想為5mm的方塊時的TGG結晶體的初始消光比面內分布與切出5mm的方塊並將外徑研磨加工成φ 4.5mm研磨後的消光比面內分布，如圖5所示，以工件中心為基準，以縱‧橫0.5mm的間隔分別在縱‧橫方向上的9個測量點使用φ 0.5mm的雷射束進行了測量。此後，將研磨後的TGG結晶體實施退火處理，並對其面內分布也進行了測定，從而得到表5所示的測量結果。

通過這個測量結果可以確認，在這種TGG結晶體中，初始消光比及研磨加工後的消光比均是越往工件周邊越惡化，但這種周邊消光比的劣化可通過實施退火處理得到顯著的改善。

然後，對於TGG陶瓷燒結體，使用表面所示的平均粒徑0.3μm的TGG陶瓷燒結體進行了同樣的步驟。具體而言，對該陶瓷燒結體進行研磨加工，如圖6所示，以縱‧橫0.5mm的間隔，分別在縱‧橫方向設定9個測量點，使用φ 0.5mm的級光束，測定了初始消光比的面內分布。此後，測定了將外徑研磨加工成φ 4.5mm研磨後的消光比面內分布和將其實施退火處理(1400℃,3小時)後的面內分布，得到如表6所示的測量結果。

通過這個測量結果可以確認，TGG陶瓷燒結體的情況也和TGG結晶體同樣，周邊部消光比的劣化能夠通過實施退火處理而得到顯著地改善。

比較例

使用對實施例1的TGG陶瓷燒結體實施研磨並在外周近旁觀察到消光比的劣化的圖5中的工件，構成如圖1所示的光隔離器，所得到的光隔離器的光學特性如下：插入損耗為0.20dB，光隔離性能為34.1dB，由於外周部的消光比劣化區域的影響，為小於35dB的低光隔離性能值。

實施例2

另一方面，從在上述比較例中使用的光隔離器中取出TGG陶瓷燒結體，剝離除去AR塗層面的薄膜，以與追加燒結同樣的溫度(1400~1700℃)實施兩小時的退火處理，之後再次進行研磨加工後實施AR塗層，並對該工件的消光比進行測定，結果確認到了退火處理的效果對外徑近旁的消光比的改善。並且，使用該工件再次構成光隔離器，並測量其光學特性，得到了插入損耗0.19dB，隔離性能40.2dB的較高數值。

1‧‧‧法拉第轉子

2‧‧‧偏光片

3‧‧‧析光片

4‧‧‧1/2波長板

5‧‧‧磁石

Claims

一種法拉第轉子，其特徵在於，該法拉第轉子使用平均粒徑為0.2~5.0μm的TGG陶瓷燒結體，且透射光束直徑為0.3mm以上。
如申請專利範圍第1項所述的法拉第轉子，其中，所述TGG陶瓷燒結體被實施退火處理。
如申請專利範圍第1或2項所述的法拉第轉子，其中，所述陶瓷燒結體至少具有38dB以上的消光比。
一種光隔離器，其特徵在於，該光隔離器使用申請專利範圍第1至3項中任一項所述的法拉第轉子。