WO2010110219A1 - 光アイソレータ素子およびこれを用いた光モジュール - Google Patents

光アイソレータ素子およびこれを用いた光モジュール Download PDF

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polarizer
metal particle
optical isolator
particle layer
metal
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明石　朋義
中島　嘉一郎
庄田　学史
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/09—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on magneto-optical elements, e.g. exhibiting Faraday effect
    • G02F1/093—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on magneto-optical elements, e.g. exhibiting Faraday effect used as non-reciprocal devices, e.g. optical isolators, circulators

Definitions

  • the present invention relates to an optical isolator for blocking reflected return light to a light emitting element and an optical module using the same.
  • An optical module equipped with a light emitting element is used for an optical communication device or a sensor light source.
  • the optical isolator element has a Faraday rotator, and a first polarizer and a second polarizer sandwiching the Faraday rotator.
  • the optical isolator element transmits light in the first direction (hereinafter referred to as forward light) as it is, while blocking light in the second direction opposite to the first direction (hereinafter referred to as light in the reverse direction).
  • the optical isolator element includes a multilayer type in which a first polarizer, a first Faraday rotator, a second polarizer, a second Faraday rotator, and a third polarizer are sequentially arranged. have.
  • An absorption type polarizer is generally used as a polarizer constituting such an optical isolator element.
  • Absorptive polarizers form a crystal of a halide such as copper, silver, or cadmium in glass, and the crystal is stretched in one direction by heating and reduced in a hydrogen atmosphere to form a needle-like crystal.
  • Metal particles are precipitated in glass (for example, see JP-A-08-50205).
  • the concentration of the metal halide in the glass cannot be increased beyond a certain level. Therefore, in order to obtain the required extinction ratio characteristic, the layer in which the metal particles are distributed It is necessary to increase the thickness.
  • the metal particle layer is distributed from the polarizer surface to a depth of 50 ⁇ m. Then, by increasing the distribution depth, the amount of metal particles is secured, and desired extinction ratio characteristics are obtained. For this reason, this type of polarizer has a problem that it is difficult to reduce the thickness.
  • the optical isolator element cannot be made small.
  • the spot diameter of incident light gradually expands
  • the spot diameter becomes larger than that of the optical isolator element, vignetting that blocks the ambient light in the spot occurs, resulting in light loss.
  • an absorption type polarizer has a type having a polarization function by embedding metal particles on a glass surface by a physical vapor deposition method such as sputtering, and stretching and orienting the particles (for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 09-178939). ).
  • the distribution depth of the metal particles from the glass surface can be reduced, and the thickness of the polarizer can be reduced.
  • As a compensation in order to obtain a desired extinction ratio characteristic, it is necessary to increase the metal particle density on the glass surface and ensure the amount of metal particles.
  • the refractive index on the glass surface is increased, and light may be reflected due to the difference in refractive index.
  • FIG. 9 it is assumed that light 91 in the reverse direction is incident on the optical isolator element 60 from the first polarizer 62 side. The light 91 in the reverse direction is blocked by the second polarizer 63, but the reflected light 92 partially reflected by the interface 63 a having a high metal particle density of the second polarizer 63 is again the metal particles of the first polarizer 62.
  • the light is reflected by the high-density interface 62a and is emitted as the outgoing light 93 from the second polarizer 63 side to the outside. Since a part of the light in the reverse direction is transmitted through the optical isolator element 60 in this way, there arises a problem that the isolation characteristic is deteriorated.
  • an object of the present invention is to provide an optical isolator element that is less likely to be deteriorated in isolation characteristics and can be easily thinned.
  • An optical isolator element includes a Faraday rotator that rotates a polarization plane of light, a first polarizer disposed on one side of the Faraday rotator, and the other side of the Faraday rotator. And a second polarizer disposed on the side.
  • the first polarizer and the second polarizer are light absorption polarizers having a metal particle layer in which metal particles are distributed.
  • the second polarizer has a metal particle layer in which metal particles are distributed at a density greater than the density of the metal particles distributed in the metal particle layer of the first polarizer.
  • An optical isolator element includes a light absorption type first, second, and third polarizer having metal particle layers in which metal particles are distributed, and the first and second polarizers.
  • a first Faraday rotator disposed between and a second Faraday rotator disposed between the second and third polarizers are arranged in a line.
  • the metal particle density distributed in the metal particle layer of one of the first, second, and third polarizers is distributed in the metal particle layer of another polarizer. It is characterized by being larger.
  • An optical isolator element includes a light absorption type first, second, and third polarizer having metal particle layers in which metal particles are distributed, and the first and second polarizers.
  • a first Faraday rotator disposed between and a second Faraday rotator disposed between the second and third polarizers are arranged in a line.
  • the metal particle density distributed in the metal particle layer of the first and third polarizers is greater than the metal particle density distributed in the metal particle layer of the second polarizer.
  • An optical module includes a light emitting element therein, and any one of the above optical isolator elements is inserted in an optical path of an optical signal emitted from the light emitting element. To do.
  • the metal particle density of the metal particle layer distributed in one of the polarizers facing each other via the Faraday rotator is distributed in the other polarizer.
  • FIG. 3 is a schematic view schematically showing an example of a type A absorption polarizer.
  • FIG. 6 is a perspective view schematically showing an example of a type B absorption polarizer.
  • FIG. 1 shows an optical isolator 1 according to an embodiment of the present invention.
  • the optical isolator 1 has a structure in which a first polarizer 12 and a second polarizer 13 are arranged on one and the other of the Faraday rotator 11.
  • Each of the elements 11, 12, and 13 is a plate having a constant thickness and is arranged in parallel.
  • the Faraday rotator 11 and the first polarizer 12 and the second polarizer 13 disposed on both sides of the Faraday rotator 11 are integrally bonded and fixed using, for example, an adhesive.
  • An adhesive having the same refractive index as that of the elements 11, 12, and 13 is suitable.
  • an acrylic or epoxy thermosetting type, UV curable type, or a combination type of both types is used. Things are used. Of course, it may be arranged via another transparent medium that is not an adhesive, such as air.
  • a bismuth (Bi) -substituted garnet or YIG garnet to which terbium (Tb), gadolinium (Gd) or holmium (Ho) is added, or a self-bias type that does not require a magnet is used.
  • Tb terbium
  • Gd gadolinium
  • Ho holmium
  • an antireflection film composed of a multilayer film such as titania (TiO 2 ) and silica (SiO 2 ) or tantalum pentoxide (Ta 2 O 5 ) and SiO 2 is formed. May be.
  • the reflection of light on the surface of the Faraday rotator 11 can be reduced to a reflection amount of 0.2% or less.
  • the thickness of the Faraday rotator 11 is adjusted such that the Faraday rotation angle is 45 °, for example, in accordance with the type of material of the Faraday rotator 11 and the wavelength of light used. Specifically, it has a thickness of 0.2 to 0.5 mm, although it varies depending on the type of material and the wavelength used. And it arrange
  • the first polarizer 12 of the optical isolator element 1 has a density of metal particles distributed in the metal particle layer included in the surface or inner layer of the second polarizer 13 in the density of metal particles distributed in the metal particle layer included in the surface or inner layer. It is a type A polarizer smaller than the density.
  • the second polarizer 13 has the density of the metal particles distributed in the metal particle layer included in the surface or inner layer of the first polarizer 12 in the density of the metal particles distributed in the metal particle layer included in the surface or inner layer. It is a type B polarizer larger than the density.
  • FIG. 1 shows an example in which the first polarizer 11 is arranged on the left side of the Faraday rotator 11 and the second polarizer 13 is arranged on the right side, the same is true if they are arranged in reverse.
  • the optical isolator element 1 includes a Faraday rotator 11 having a type A polarizer disposed on one surface and a type B polarizer disposed on the other surface.
  • the type A and type B polarizers are arranged to face each other with the Faraday rotator 11 in between.
  • FIG. 10A is a perspective view schematically showing a type A polarizer
  • FIG. 10B is a perspective view schematically showing a type B polarizer.
  • metal particles M1 and M2 are scattered inside the polarizer near the surface. Some of the metal particles M1 and M2 have an elongated shape having a major axis in one axis direction of the polarizer (the vertical direction in FIGS. 10A and 10B).
  • metal particles M1 are scattered in the metal particle layer 71 having a depth D1
  • the type B polarizer shown in FIG. Particles M2 are scattered.
  • the metal particle layers 71 and 72 may be formed inside the polarizer.
  • the density of the metal particles M1 and M2 is highest inside the polarizer.
  • the depths D1 and D2 of the metal particle layers 71 and 72 are defined by the thicknesses of the metal particle layers 71 and 72 in which the presence of the metal particles M1 and M2 is confirmed by cross-sectional observation using a TEM.
  • the thickness D2 of the metal particle layer 72 distributed on the surface or inner layer of the type B polarizer is 1 ⁇ 2 or less of the thickness D1 of the metal particle layer 71 of the type A polarizer. is there.
  • the distribution density of the metal particles M1 distributed on the surface or the inner layer is smaller than that of the type B polarizer, and the distribution thickness D1 of the distributed metal particles M1 is the distribution thickness of the type B polarizer. Thicker than D2.
  • a type A polarizer first forms a halide crystal such as copper (Cu), silver (Ag), or cadmium (Cd) in a glass such as quartz glass.
  • the glass and halide crystals are softened by heating and stretched in one direction together with the glass, and are heated and reduced in a hydrogen atmosphere to deposit metal particles M1 on the glass surface.
  • the halide crystals become acicular crystals that are partially oriented in one direction, and are reduced to form acicular metal particles M1.
  • metal particles M1 formed on the halide crystal surface or inside the halide crystal are distributed to a depth of 20 ⁇ m or more from the polarizer surface.
  • the reflectance can be made less than 0.5%.
  • the distribution depth D1 of the metal particles M1 is deep, it is not suitable for the purpose of producing a thin polarizer.
  • the thickness of the type A polarizer is in the range of 0.1 to 1 mm.
  • the metal particles M2 are embedded in the surface of a base material such as glass by sputtering and the like, and this is heated and stretched in one direction together with the glass, whereby the needle-like metal particles M2 are oriented in one direction. It exhibits a polarizing function. There is a feature that no halide is contained in the glass, and the metal particles M2 are distributed in a range of 10 ⁇ m at most from the glass surface.
  • the metal particles M2 are made of a metal such as copper or silver as in the case of the type A polarizer.
  • the type B polarizer has a high refractive index due to the high density of the metal particles M2 near the surface of the base material with respect to the light in the cutoff polarization direction (having the polarization plane in the cutoff direction), and the anti-air layer
  • the reflection of the polarizer occurs about 4 to 15%.
  • the metal particles M2 transmit the light.
  • the refractive index is a constant value similar to that of the base glass, and the reflectance is a stable reflectance of about 4% with respect to the air layer.
  • the extinction ratio of the polarizer is deteriorated, so that it is not suitable as a polarizer used in the isolator element 1.
  • This type B polarizer is suitable for the purpose of producing a thin polarizer because the metal particles M2 are concentrated on the surface of the base material. Specifically, the thickness of the type B polarizer can be produced in the range of 0.03 ⁇ m to 1 mm.
  • the distribution density of the metal particles M1 and M2 can be confirmed by observing a thin section of the polarizer with a TEM.
  • the observed metal particles M1 and M2 can specify the type of metal using EDS (energy dispersive X-ray analysis).
  • a depth at which the metal particles M1 and M2 are not observed from the surface of the base material is defined as a distribution depth. Since the type B polarizer does not contain metal atoms inside the base material, the distribution depth can also be examined by an elemental analysis instrument such as XPS (X-ray photoelectron spectroscopy).
  • XPS X-ray photoelectron spectroscopy
  • the type A polarizer has the feature that the density of the metal particles is low overall, but the depth of distribution is deep, and it is distributed to around 50 ⁇ m.
  • the type B polarizer has a feature that the distribution density in the vicinity of the surface is high but the distribution depth is shallow, and the metal particles are concentrated in the vicinity of the surface having a depth of 10 ⁇ m at most.
  • layers containing metal particles are formed on both surfaces of the polarizer.
  • since the distribution depth of the metal particles is deep, it is more difficult to make the polarizer thinner when the metal particle layer is formed on both sides.
  • the distribution depth of the metal particles is 1 ⁇ 2 or less that of type A. Then, by combining the two types of polarizers into the optical isolator element 1, it is possible to improve the degradation of isolation characteristics. This will be described with reference to FIG.
  • FIG. 4A shows a type A polarizer used for the first polarizer 12 and a type B polarizer used for the second polarizer 13.
  • incident light 41 in the opposite direction is incident, a part of the incident light 41 is reflected by the high refractive index metal particle layer 13 a of the second polarizer 13, and reflected light 42 is generated.
  • the first polarizer 12 does not have a high refractive index layer, the reflected light 43 from the first polarizer 12 hardly occurs.
  • the reflection of the surface 12a of the first polarizer 12 of type A is 0.5% or less, and there is little possibility that the reflected light 43 that affects the isolation characteristic is generated.
  • the reflected light 42 travels back and forth within the Faraday rotator 11, so that most of the reflected light 42 is absorbed by the first polarizer 12.
  • the type A first polarizer 12 does not have a high refractive index layer. Incident light 41 hardly generates reflected light 42 in the metal particle layer 12 a of the first polarizer 12. Therefore, even if the reflected light 42 is reflected by the metal particle layer 12a of the second polarizer 12, the reflected light 43 is very small and there is little possibility of degrading the isolation characteristics.
  • Such an optical isolator element 1 according to an embodiment of the present invention can be used in a stacked manner, and the isolation characteristics can be further improved.
  • An example of such an optical isolator 2 used in a stacked manner will be described with reference to FIGS. 2A, 2B, and 2C.
  • the optical isolator element 2 in FIG. 2A is an example in which type B polarizers are used for the first polarizer 23 and the fourth polarizer 26, and type A polarizers are used for the second polarizer 24 and the third polarizer 25. Indicates.
  • the optical isolator element 2 in FIG. 2B is an example in which type A polarizers are used for the first polarizer 23 and the fourth polarizer 26, and type B polarizers are used for the second polarizer 24 and the third polarizer 25. Indicates.
  • the optical isolator element 2 in FIG. 2C is an example in which a type B polarizer is used for the first polarizer 23, and a type A polarizer is used for the second polarizer 24, the third polarizer 25, and the fourth polarizer 26. Is shown.
  • the conventional optical isolator element 1 is used as shown in FIG. 2C. It is possible to overlap and use optical isolator elements using the type A of the mold on both sides.
  • the second polarizer 24 and the third polarizer 25 need to be overlapped with the same direction so that the polarization directions are the same.
  • 2A, 2B, and 2C show an example in which the optical isolators of FIG. 1 are combined in two stages, but three or more stages may be combined.
  • 2A, FIG. 2B, and FIG. 2C do not show all examples in which the optical isolators of FIG. 1 are combined in multiple layers, but there are no restrictions on the way of stacking, and other ways of stacking are possible.
  • the first polarizer 23 and the third polarizer 25 may be type B polarizers
  • the second polarizer 24 and the fourth polarizer 26 may be type A polarizers.
  • the optical isolator element 3 of the present embodiment uses two Faraday rotators, and the isolation is lower than that of the optical isolator element 2 shown in FIGS. 2A, 2B, and 2C. As compared with the optical isolator element 1 shown in FIG. 1, sufficiently high isolation characteristics can be obtained, and there is an advantage that the optical isolator element 2 shown in FIGS. 2A, 2B, and 2C can be made thinner.
  • a first polarizer 33, a first Faraday rotator 31, a second polarizer 34, a second Faraday rotator 32, and a third polarizer 35 are arranged in a line, and these are arranged.
  • the structure is fixed by stacking.
  • Each element 33, 31, 34, 32, 35 is arranged in parallel.
  • the first Faraday rotator 31 and the second Faraday rotator 32 can be the same as the Faraday rotator 11 shown in FIG.
  • the second polarizer 34 is arranged at 45 ° with respect to the transmission polarization plane of the first polarizer 33 with respect to the forward light
  • the third polarizer 35 is the transmission polarization plane of the second polarizer 34. It arrange
  • FIG. 3A shows an example in which a type B polarizer is used for the first polarizer 33 and the third polarizer 35, and a type A polarizer is used for the second polarizer 34.
  • the optical isolator element 2 in FIG. 3B shows an example in which a type A polarizer is used for the first polarizer 33 and the third polarizer 35 and a type B polarizer is used for the second polarizer 34.
  • the optical isolator element 3 either of the examples of FIGS. 3A and 3B can be used.
  • the type B polarizer is arranged in the second polarizer 34 in the example of FIG. 3B.
  • the type B polarizer is limited to the second polarizer 34. It may be used for any one of the first, second, and third polarizers 33, 34, and 35. As described above, any one of the first, second, and third polarizers 33, 34, and 35 may be a type B polarizer having a high metal particle density distributed in the metal particle layer.
  • FIG. 3A the configuration shown in FIG. 3A is desirable because there is a possibility that the optical isolator element 3 can be made thinner.
  • the isolation characteristics of these optical isolator elements 3 will be described with reference to FIG.
  • FIG. 5A shows a case where the optical isolator element 3 of FIG. 3A is used.
  • reflected light 42 reflected by the metal particle layer 35 a of the type B third polarizer 35 is generated.
  • the reflected light 42 is hardly reflected by the metal particle layer 34a because the polarizer 34 is a type A polarizer. Therefore, the reflected light 43 reflected by the metal particle layer 34a of the second polarizer 34 is small.
  • the reflected light 42 reciprocates in the second Faraday rotator 32, the polarization direction is rotated by 90 ° when it returns to the second polarizer 34, and passes through the second polarizer 34.
  • the light reaching the first polarizer 33 is small. Therefore, the reflected light 43 emitted from the optical isolator element 3 does not deteriorate the isolation characteristics.
  • FIG. 5B shows the case where the optical isolator element 3 of FIG. 3B is used.
  • the incident light 41 in the reverse direction is hardly reflected by the metal particle layer 35a because the third polarizer 35 is a type A polarizer, and the reflected light 42 is small.
  • the reflected light 44 generated on the surface of the second polarizer 34 is hardly reflected by the first polarizer 33 because the first polarizer 33 is a type A polarizer, and the reflected light 45 is small. Become. Therefore, the reflected light 44 and the reflected light 45 are small and do not deteriorate the isolation characteristics.
  • the type B polarizer is used for the second polarizer 34, but the same effect can be obtained even when the type B polarizer is used for the first polarizer 33 or the third polarizer 35. it can.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing an example in which an optical fiber holding component with an optical isolator element that constitutes a part of an optical module is configured using the optical isolator elements 1, 2, and 3.
  • this optical fiber holding component with optical isolator elements 1, 2, and 3 a ferrule 51 that holds an optical fiber 53 is held by a holding member 52.
  • the tip surface of the ferrule 51 is subjected to oblique mirror polishing with respect to the optical axis.
  • One of the optical isolator elements 1, 2, 3 is fixed to the front end surface of the ferrule 51 with an adhesive or the like.
  • optical isolators 1 and 2 are placed in the optical path of an optical signal emitted from the light emitting element. , 3 are inserted to form an optical module.
  • Reference numeral 54 denotes a magnet disposed outside the optical isolators 1, 2, 3.
  • the arrangement of the optical isolator element 1 is used for the optical module. It is better to select according to the application.
  • the optical isolator 1 is preferably arranged so that the type A polarizer 12 is provided on the tip surface of the ferrule 51 and the type B polarizer 13 is provided on the opposite side.
  • the condensed beam 55 from the light emitting element is set so as to be focused near the tip of the optical fiber 53.
  • the optical module is a pump laser module or the like used for an optical fiber amplifier, and the light source output is a large output light of several tens mW to several hundred mW class, the light beam transmitted through the type B second polarizer 13 having a high metal particle density
  • the optical isolator element 1 it is preferable to arrange the optical isolator element 1 so that the diameter becomes larger than the light beam diameter of the type A first polarizer 12 having a small metal particle density.
  • the light emitting element side so that the second polarizer 13 of type B and the tip surface side of the ferrule 51 become the first polarizer 12 of type A.
  • the thickness of the metal particle layer is thinner than type A, and the second polarizer 13 of type B, which has low light resistance, is arranged on the beam diameter side where the energy density of the beam is small. It is advantageous.
  • the reflected return light returned from the ferrule 51 side is incident on the first polarizer 12 with a beam diameter 55 that is about the mode field diameter of the optical fiber 53.
  • the beam diameter increases and increases, so that the energy density of the beam in the second polarizer 13 is smaller than the density in the first polarizer 12.
  • the type B polarizer has a high density of surface metal particles, and the light is absorbed by the surface metal particle layer and tends to be locally heated as compared with type A, and has low light resistance. For this reason, it is better to use a type B polarizer for the second polarizer 13 on the side where the beam diameter is increased.
  • a type B polarizer is preferably arranged.
  • the optical fiber holding component has been described.
  • the type B is also set to have a lower beam energy density. The light resistance can be improved by arranging the polarizers.
  • the optical isolator 1 is arranged on the tip surface of the ferrule 51 as shown in FIG. It is preferable that the second polarizer 13 for B is the first polarizer 12 for type A on the opposite side.
  • the light component in the blocking polarization direction is once absorbed by the metal particle layer of the polarizer and converted into heat, but part of it is re-radiated as heat radiation light 57. Is done. Since the radiation direction at this time extends over a wide range centering on the normal direction of the polarizer, if a part of the radiation direction is coupled to the optical fiber 53 again, it becomes noise to the optical signal.
  • the second polarizer 13 is a type B polarizer
  • the reflected return light 56 returned from the ferrule 51 side a part of the light component in the blocking polarization direction is reflected by the metal particle layer 13a having a high refractive index.
  • the reflected light 58 is obtained. Since the reflection angle ⁇ at this time is equal to the incident angle ⁇ to the second polarizer 13, it has a large angle with respect to the optical fiber 53. Therefore, it is difficult for the reflected light 58 to be coupled to the optical fiber 53.
  • the light component in the blocking polarization direction that has not been reflected is partially radiated as thermal radiation 57 after being absorbed by the metal particle layer, but is reflected as reflected light 58 by the second polarizer 13. Since the light absorbed by the metal particles is reduced, the emitted light 57 generated by the absorption is also reduced. Therefore, the intensity of the light recombined with the optical fiber 53 is reduced, and the noise component for the optical signal is also reduced.
  • interval of the optical fiber 53 and the metal particle layer 13a spreads by arrange
  • the optical fiber holding part with an optical isolator element shown in FIG. 6 When the optical fiber holding part with an optical isolator element shown in FIG. 6 is configured, if the optical isolator elements 1, 2, and 3 are fixed to the end face of the optical fiber 53 that becomes the focal point of the condensed beam in this way, a semiconductor laser or the like Since the light emitted from the light emitting element (not shown) is condensed through a lens (not shown) and the optical isolator elements 1, 2, and 3 are installed in a place where the spot diameter of the light is reduced, the optical isolator There is an advantage that the size of the elements 1, 2 and 3 can be reduced. If the thin optical isolator elements 1, 2, and 3 according to the embodiment of the present invention are used, it is possible to provide an optical fiber holding component that is smaller and has excellent isolation characteristics.
  • optical isolator element 3 shown in FIG. 3A was produced by the following procedure.
  • a Faraday rotator having a thickness of 0.45 mm made of bismuth-substituted garnet ((BiR) 3 Fe 5 O 12 ) was used as the first Faraday rotator 31 and the second Faraday rotator 32.
  • a type A polarizer was used as the second polarizer 34
  • a type B polarizer was used as the first polarizer 33 and the third polarizer 35.
  • a SiO 2 + B 2 O 3 glass base material was used, and a silver halide crystal formed in the glass was stretched and oriented while being heated, and reduced in a hydrogen atmosphere. The thing of 200 micrometers was used.
  • the metal particles (silver particles) deposited near the surface had a distribution depth of 50 ⁇ m.
  • a SiO 2 + B 2 O 3 glass base material was used, and the one having a thickness of 80 ⁇ m produced by heating and stretching silver particles formed in the glass by sputtering was used.
  • the distribution depth of the silver particles near the surface was 5 ⁇ m.
  • Comparative Example 1 a conventional optical isolator element was produced.
  • the first Faraday rotator and the second Faraday rotator are the same as the Faraday rotators 31 and 32 described above, and the second polarizer 34 described above is used as the first polarizer, the second polarizer, and the third polarizer.
  • the same type A polarizer was used. This was cut into a size of 0.5 mm ⁇ 0.6 mm by a dicer to produce a conventional optical isolator element.
  • Comparative Example 2 a first type polarizer, a second polarizer, and a third polarizer were manufactured using the same type B polarizer as the first polarizer 33 described above.
  • the thickness and isolation characteristics of the optical isolator element 2 and the optical isolator elements of Comparative Examples 1 and 2 were measured. Isolation characteristics are measured by inserting each optical isolator element in a direction opposite to the light transmission direction in a collimator optical system having a wavelength of 1550 nm and a beam diameter of 0.3 mm, and measuring the output light intensity with a power meter. Asked. Each evaluation was performed one by one. The results are shown in Table 1.
  • the comparative example 1 has a thickness of 1.508 mm and an isolation characteristic of 61.8 dB
  • the comparative example 2 has a thickness of 1.145 mm and an isolation characteristic of 19 dB.
  • the thickness is 1.266 mm
  • the isolation characteristic is 62.3 dB
  • the isolation characteristic is not inferior to that of the comparative example 1 and is confirmed to be significantly improved with respect to the comparative example 2. did it. It was also recognized that miniaturization could be achieved.
  • the optical isolator element 3 according to each embodiment of the present invention, the light absorption type first polarizer 33, the second polarizer 34, the third polarizer 35 arranged in a row, A first Faraday rotator 31 disposed between the first polarizer 33 and the second polarizer 34, and a second Faraday rotator 32 disposed between the second polarizer 34 and the third polarizer 35.
  • the isolation characteristic is improved. It was found that an isolator element 3 that does not deteriorate is obtained. This also makes it possible to reduce the size of the isolator element 3.

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Abstract

光アイソレータ素子１は、光の偏光面を回転させるファラデー回転子１１と、このファラデー回転子１１の一方面側に配置され、金属粒子が分布する層を有する光吸収型の第１偏光子１２と、ファラデー回転子１１の他方面側に配置され、第１偏光子１２の金属粒子層に分布する金属粒子の密度より大きい密度で金属粒子が分布する金属粒子層を有する光吸収型の第２偏光子１３とを備えている。第２偏光子１３と第１偏光子１２との間で反射光が生じることを原因とするアイソレーション劣化を抑制できる。

Description

光アイソレータ素子およびこれを用いた光モジュール
　本発明は、発光素子への反射戻り光を遮断する光アイソレータおよびこれを用いた光モジュールに関する。発光素子を搭載した光モジュールは光通信機器またはセンサー用光源等に使用される。
　光アイソレータ素子は、ファラデー回転子と、このファラデー回転子を挟む第１偏光子および第２偏光子とを有している。光アイソレータ素子は、第１方向の光（以下、順方向の光という）をそのまま透過させる一方、第１方向と逆の第２方向の光（以下、逆方向の光という）を遮断する。また、光アイソレータ素子には、第１偏光子、第１ファラデー回転子、第２偏光子、第２ファラデー回転子、第３偏光子が順次配置されて構成される多層タイプもあり、同様の働きを持つ。
　このような光アイソレータ素子を構成する偏光子には、一般に吸収型偏光子が用いられている。吸収型偏光子とは、ガラス中に銅、銀、またはカドミウム等のハロゲン化物の結晶を形成させ、その結晶を加熱により一方向に延伸するとともに、水素雰囲気中で還元することによって、針状の金属粒子をガラス中に析出させたものである（例えば、特開平０８－５０２０５号公報参照）。
　しかしながら、このような偏光子を用いた光アイソレータ素子では、ガラス中のハロゲン化金属の濃度を一定以上大きくすることができないので、必要な消光比特性を得るためには、金属粒子が分布する層の厚みを厚くする必要がある。通常、偏光子表面から５０μｍの深さまで金属粒子層が分布している。そして、分布深さを深くすることによって金属粒子の量を確保し、所望の消光比特性を得ている。このため、このタイプの偏光子は厚みを薄くし難いという問題がある。
　また、偏光子の厚みが厚いと、光アイソレータ素子を小さくできないという問題がある。入射する光のスポット径が次第に拡大するような光ビームの場合、スポット径が光アイソレータ素子より大きくなると、スポット中の周辺光が遮られてしまうケラレが生じて光損失を生じる。このため、光アイソレータ素子のサイズをスポット径より十分大きくしておく必要がある。したがって、光アイソレータ素子を小型化し難いという問題があった。
　また吸収型偏光子には、スパッタリング等の物理蒸着法でガラス表面に金属粒子を埋め込み、これを延伸して配向させることで、偏光機能を有するタイプもある（例えば、特開平０９－１７８９３９号公報）。
　このタイプの偏光子を用いて光アイソレータ素子を作製した場合、ガラス表面からの金属粒子の分布深さを浅くすることができ、偏光子の厚みを薄くすることができる。その代償として、所望の消光比特性を得るために、ガラス表面の金属粒子密度を高くし、金属粒子の量を確保する必要がある。
　しかしながら、ガラス表面での金属粒子の密度を高くした場合、ガラス表面での屈折率が高くなり、その屈折率差によって光の反射を生じる場合がある。この場合、例えば、図９に示すように、第１偏光子６２側から光アイソレータ素子６０に逆方向の光９１が入射したとする。逆方向の光９１は第２偏光子６３で遮られるのであるが、第２偏光子６３の金属粒子密度の高い界面６３ａで一部反射した反射光９２が、再び第１偏光子６２の金属粒子密度の高い界面６２ａで反射し、第２偏光子６３側から外側へ出射光９３として出射されてしまう場合がある。逆方向の光の一部がこのように光アイソレータ素子６０を透過してしまうので、アイソレーション特性が劣化するという問題が生じる。
　以上のような問題に鑑み、本発明は、アイソレーション特性の劣化が少なく、薄くすることが容易な光アイソレータ素子の提供を目的とする。
　本発明の一実施形態に係る光アイソレータ素子は、光の偏光面を回転させるファラデー回転子と、このファラデー回転子の一方面側に配置される第１偏光子と、前記ファラデー回転子の他方面側に配置される第２偏光子とを備える。前記第１偏光子および前記第２偏光子は、金属粒子が分布する金属粒子層を有する光吸収型の偏光子である。そして、前記第２偏光子は、前記第１偏光子の金属粒子層に分布ずる金属粒子の密度より大きい密度で金属粒子が分布する金属粒子層を有している。
　また、本発明の一実施形態に係る光アイソレータ素子は、金属粒子が分布する金属粒子層を有する光吸収型の第１，第２，第３偏光子と、前記第１および第２偏光子の間に配置された第１ファラデー回転子と、前記第２および第３偏光子の間に配置された第２ファラデー回転子とが一列に並べて配置されている。そして、前記第１，第２，第３偏光子のうち、いずれか一枚の偏光子の前記金属粒子層に分布する金属粒子密度が他の偏光子の前記金属粒子層に分布する金属粒子密度より大きいことを特徴とする。
　また、本発明の一実施形態に係る光アイソレータ素子は、金属粒子が分布する金属粒子層を有する光吸収型の第１，第２，第３偏光子と、前記第１および第２偏光子の間に配置された第１ファラデー回転子と、前記第２および第３偏光子の間に配置された第２ファラデー回転子とが一列に並べて配置されている。そして、前記第１および第３偏光子の前記金属粒子層に分布する金属粒子密度が、前記第２偏光子の前記金属粒子層に分布する金属粒子密度より大きいことを特徴とする。
　また、本発明の一実施形態に係る光モジュールは、内部に発光素子を備え、前記発光素子から出射された光信号の光路中に上記いずれかの光アイソレータ素子が挿入されていることを特徴とする。
　本発明の一実施形態に係る光アイソレータ素子によれば、ファラデー回転子を介して互いに対向する偏光子のいずれか一方に分布する金属粒子層の金属粒子密度が他方の偏光子に分布する金属粒子層の金属粒子密度より小さいことにより、一方の偏光子で生じる反射光を少なくして光アイソレータ素子のアイソレーションの劣化を減じることができる。
本発明の光アイソレータ素子の実施の形態の一例を示す側面図である。 図１の光アイソレータ素子を用いた他の実施形態の例を示す側面図である。 図１の光アイソレータ素子を用いた他の実施形態の例を示す側面図である。 図１の光アイソレータ素子を用いた他の実施形態の例を示す側面図である。 本発明の光アイソレータ素子の実施の形態の他の例を示す側面図である。 本発明の光アイソレータ素子の実施の形態の他の例を示す側面図である。 本発明の一実施形態に係る光アイソレータ素子を透過する光の態様を示す模式図である。 発明の一実施形態に係る光アイソレータ素子を透過する光の態様を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る光アイソレータ素子を透過する光の態様を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る光アイソレータ素子を透過する光の態様を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る光アイソレータ素子を用いた光ファイバ保持部品の例を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る光アイソレータ素子を用いた光ファイバ保持部品の例を示す要部拡大断面図である。 本発明の一実施形態に係る光アイソレータ素子を用いた光ファイバ保持部品の他の例を示す要部拡大断面図である。 従来の光アイソレータ素子を透過する逆方向光の様態を示す模式図である。 タイプＡの吸収型偏光子の例を模式的に示すな視図である。 タイプＢの吸収型偏光子の例を模式的に示す斜視図である。
　以下、本発明の実施の形態の各例について図面に基づき詳細に説明する。
　図１に、本発明の一実施形態に係る光アイソレータ１を示す。光アイソレータ１は、ファラデー回転子１１の一方および他方に第１偏光子１２と第２偏光子１３が配置された構造とされている。それぞれの素子１１，１２，１３はそれぞれ一定厚みの板状であり平行に配置されている。ファラデー回転子１１と、その両側に配置された第１偏光子１２および第２偏光子１３とは、例えば、接着剤を用いて一体に接着固定されている。なお、接着剤は、素子１１，１２，１３と同じ屈折率を持つものが適しており、接着剤の種類としては、アクリル系やエポキシ系の熱硬化型、ＵＶ硬化型、両者の併用タイプのものが使用される。勿論、接着剤ではない他の透明媒体、例えば空気等を介して配置されていても良い。
　ファラデー回転子１１は、テルビウム（Ｔｂ）、ガドリニウム（Ｇｄ）またはホルミウム（Ｈｏ）を添加したビスマス（Ｂｉ）置換ガーネットまたはＹＩＧガーネット、さらには磁石が不要な自己バイアス型のものが用いられる。ファラデー回転子１１の表面に、例えば、チタニア（ＴｉＯ２）およびシリカ（ＳｉＯ２）、または、５酸化２タンタル（Ｔａ２Ｏ５）およびＳｉＯ２等の多層膜で構成される反射防止膜を形成してもよい。このような反射防止膜を用いれば、ファラデー回転子１１の表面における光の反射を反射量０．２％以下にすることができる。ファラデー回転子１１の厚みは、ファラデー回転子１１の材質の種類と使用する光の波長にあわせて、ファラデー回転角が例えば４５°になるような厚みに調整されている。具体的に、材質の種類と使用する波長によって異なるがおおむね、０．２～０．５mmの厚みを有する。そして、順方向光に対して、第１偏光子１２と第２偏光子１３の透過偏波面が互いに４５°になるように配置される。
　吸収型偏光子には、タイプＡとタイプＢがある。光アイソレータ素子１の第１偏光子１２は、表面または内層に含まれる金属粒子層に分布する金属粒子の密度が第２偏光子１３の表面または内層に含まれる金属粒子層に分布する金属粒子の密度より小さいタイプＡの偏光子である。これに対して、第２偏光子１３は、表面または内層に含まれる金属粒子層に分布する金属粒子の密度が第１偏光子１２の表面または内層に含まれる金属粒子層に分布する金属粒子の密度より大きいタイプＢの偏光子である。
　なお、図１ではファラデー回転子１１の左側に第１偏光子１１を配置し、右側に第２偏光子１３を配置した例を示しているが、その逆に配置されても全く同じである。光アイソレータ素子１は、ファラデー回転子１１のいずれか一方の面にタイプＡの偏光子、他方の面にタイプＢの偏光子が配置されたものである。または、ファラデー回転子１１を挟んでタイプＡおよびタイプＢの偏光子を対向させて配置されたものである。
　図１０ＡはタイプＡの偏光子を模式的に表した斜視図、図１０ＢはタイプＢの偏光子を模式的に表した斜視図である。タイプＡおよびタイプＢの偏光子は、表面に近い偏光子内部に金属粒子Ｍ１，Ｍ２が散在している。いくつかの金属粒子Ｍ１，Ｍ２は偏光子の１軸方向（図１０Ａ，図１０Ｂにおいては上下方向）に長径を有する細長い形状を有している。図１０Ａに示すタイプＡの偏光子には、深さＤ１の金属粒子層７１に金属粒子Ｍ１が散在し、図１０Ｂに示すタイプＢの偏光子には、深さＤ２の金属粒子層７２に金属粒子Ｍ２が散在している。
　なお、図１０Ａ，図１０Ｂは金属粒子層７１，７２が偏光子の表面付近に形成されている例を示すが、金属粒子層７１，７２が偏光子の内部に形成されていてもよい。この場合は、金属粒子Ｍ１，Ｍ２の密度が偏光子の内部において最も高くなる。ここで、金属粒子層７１，７２の深さＤ１，Ｄ２は、ＴＥＭを用いた断面観察によって金属粒子Ｍ１，Ｍ２の存在が確認される金属粒子層７１，７２の厚さで定義される。
　図１０Ａ，図１０Ｂに示すように、タイプＢの偏光子の表面または内層に分布する金属粒子層７２の厚みＤ２は、タイプＡの偏光子の金属粒子層７１の厚みＤ１の１／２以下である。そして、タイプＡの偏光子では、表面または内層に分布する金属粒子Ｍ１の分布密度がタイプＢの偏光子より小さく、分布する金属粒子Ｍ１の分布厚さＤ１がタイプＢの偏光子の分布厚さＤ２より厚い。
　タイプＡの偏光子は、先ず石英ガラス等のガラス中に銅（Ｃｕ），銀（Ａｇ），またはカドミウム（Ｃｄ）等のハロゲン化物結晶を形成させる。このガラスおよびハロゲン化物結晶を加熱により軟化させてガラスとともに一方向に延伸しつつ、水素雰囲気中で加熱還元してガラス表面に金属粒子Ｍ１を析出させたものである。ハロゲン化物結晶は、延伸される過程において一部が一方向に配向された針状結晶となり、還元されて針状の金属粒子Ｍ１が形成される。
　このタイプＡの偏光子は、ハロゲン化物結晶表面または、ハロゲン化物結晶内部に形成された金属粒子Ｍ１が、偏光子表面から２０μｍ以上の深さまで分布している。しかし、金属粒子Ｍ１の分布密度が低いため、表面層の屈折率は母材（石英ガラスであればｎ＝１．４６）と同程度となっている。金属粒子Ｍ１の分布密度が低いため、偏光子内の屈折率はほぼ一定の値となり、対空気に対して偏光子の反射は４％程度のほぼ安定した反射率となる。表面にＴｉＯ２/ＳｉＯ２またはＴａ２Ｏ５/ＳｉＯ２等の多層膜で構成されたＡＲコートを施すことにより、反射率を０．５％未満にすることが可能である。しかしながら、金属粒子Ｍ１の分布深さＤ１が深いため、厚みが薄い偏光子を作製する等の目的には不適である。具体的に、タイプＡの偏光子の厚みは、０．１～１ｍｍの範囲である。
　タイプＢの偏光子は、スパッタリング等でガラス等の母材表面に金属粒子Ｍ２を埋め込み、これを加熱してガラスとともに一方向に延伸することによって、針状の金属粒子Ｍ２を一方向に配向させ、偏光機能を発揮するものである。ガラス中にハロゲン化物を含まないという特徴があり、金属粒子Ｍ２はガラス表面から高々１０μｍの範囲に分布している。金属粒子Ｍ２には、タイプＡの偏光子と同じく銅または銀等の金属が使用される。
　タイプＢの偏光子は、遮断偏光方向（遮断される方向の偏波面を有する）の光に対して母材表面近くでの金属粒子Ｍ２の密度が高いため、屈折率が高くなり、対空気層に対して偏光子の反射は４～１５％程度の反射が発生する。遮断偏光方向の光に対しては、ＡＲコートを表面に施しても、０．５～１１％程度の反射が発生する。透過偏光方向（透過される偏波面を有する）の光に対しては、金属粒子Ｍ２は光を透過させる。屈折率は母材のガラスと同程度の一定の値となり、反射率は、対空気層に対して４％程度の安定した反射率となる。この場合は、ＡＲコートを表面に施すことにより０．５％未満程度の反射率にすることが可能となる。母材表面での金属粒子Ｍ２の分布密度を低くした場合は、偏光子の消光比が劣化するためアイソレータ素子１に使用する偏光子としては不適となる。本タイプＢの偏光子は、母材表面に金属粒子Ｍ２が集中しているため、厚みが薄い偏光子を作製する等の目的には好適である。具体的に、タイプＢの偏光子の厚みは、０．０３μｍ～１ｍｍの範囲で作製することができる。
　金属粒子Ｍ１，Ｍ２の分布密度は、偏光子を薄くカットした断面をＴＥＭにて観測することによって確認することが可能である。観測された金属粒子Ｍ１，Ｍ２は、ＥＤＳ（エネルギー分散型Ｘ線分析）を用いて、金属の種類を特定することができる。なお、母材表面から金属粒子Ｍ１，Ｍ２が観測されなくなる深さを分布深さとする。タイプＢの偏光子は、母材内部に金属原子を含まないので、ＸＰＳ(Ｘ線光電子分光分析)等の元素分析機器にて分布深さを調べることも可能である。タイプＡの偏光子では、金属粒子Ｍ１，Ｍ２として析出していないハロゲン化金属を母材中に含むため、ＸＰＳによる分析で分布深さを特定することは困難である。
　タイプＡの偏光子は、金属粒子の密度が全体に低いが分布深さは深く、５０μｍ付近まで分布しているという特徴を持っている。それに対してタイプＢの偏光子では、表面付近の分布密度は高いが分布深さは浅く、金属粒子が高々深さ１０μｍの表面付近に集中しているという特徴を持っている。吸収型偏光子は、消光比特性を向上させるため、偏光子の両側表面に金属粒子を含む層が形成されている。タイプＡの偏光子の場合は、金属粒子の分布深さが深いため、両面に金属粒子層を形成した場合は、偏光子を薄くするのはさらに困難である。
　このようにタイプＢの偏光子は、金属粒子の分布深さがタイプＡの１／２以下の深さとなっている。そして、両タイプの偏光子を組み合わせて光アイソレータ素子１とすることで、アイソレーション特性の劣化を改善することが可能である。これを図４を用いて説明する。
　図４Ａは、第１偏光子１２にタイプＡの偏光子、第２偏光子１３にタイプＢの偏光子を用いたものである。逆方向の入射光４１が入射した場合、第２偏光子１３の高屈折率な金属粒子層１３ａで入射光４１の一部が反射し、反射光４２が発生する。しかし、第１偏光子１２には高屈折率な層が無いため、第１偏光子１２による反射光４３はほとんど生じない。実際、タイプＡの第１偏光子１２の表面１２ａの反射は、０．５％以下であり、アイソレーション特性に影響を与える程の反射光４３を生じる虞は少ない。なお、反射光４２はファラデー回転子１１内を往復することになるので、第１偏光子１２で大半吸収されてしまう。
　また、図４Ｂのように、第２偏光子１３側から逆方向の入射光４１が入射した場合には、タイプＡの第１偏光子１２には高屈折率な層がないため、逆方向の入射光４１は、第１偏光子１２の金属粒子層１２ａでほとんど反射光４２を生じない。したがって、反射光４２が第２偏光子１２の金属粒子層１２ａで反射したとしても、反射光４３は非常に小さなもので、アイソレーション特性を劣化させる虞は少ない。
　このような本発明の一実施形態に係る光アイソレータ素子１は、複数枚重ねて用いることができ、アイソレーション特性をさらに向上させることができる。このような複数枚重ねて用いた光アイソレータ２の例を図２Ａ，図２Ｂ，図２Ｃを用いて説明する。
　図２Ａの光アイソレータ素子２は、第１偏光子２３および第４偏光子２６にタイプＢの偏光子を用い、第２偏光子２４および第３偏光子２５にタイプＡの偏光子を用いた例を示す。図２Ｂの光アイソレータ素子２は、第１偏光子２３および第４偏光子２６にタイプＡの偏光子を用い、第２偏光子２４および第３偏光子２５にタイプＢの偏光子を用いた例を示す。図２Ｃの光アイソレータ素子２は、第１偏光子２３にタイプＢの偏光子を用い、第２偏光子２４、第３偏光子２５、第４偏光子２６はタイプＡの偏光子を用いた例を示している。
　タイプＢの偏光子をできるだけ多く使用した方が光アイソレータ素子２の厚みを薄くする等の目的のためには望ましいが、図２Ｃのように本発明の一実施形態に係る光アイソレータ素子１に従来型のタイプＡを両側に用いた光アイソレータ素子を重ねて用いることは可能である。なお、第２偏光子２４および第３偏光子２５は偏光方向が同じになるように方向を合わせて重ねる必要がある。
　図２Ａ，図２Ｂ，図２Ｃでは、図１の光アイソレータを２段に重ねて組み合わせた例を示したが、３段以上組み合わせて構成することもできる。また、図２Ａ，図２Ｂ，図２Ｃでは図１の光アイソレータを多層に組み合わせる場合の全ての例を示していないが、重ね方に制限はなく、この他の重ね方も可能である。例えば、第１偏光子２３および第３偏光子２５をタイプＢの偏光子とし、第２偏光子２４および第４偏光子２６がタイプＡの偏光子としてもよい。
　次に本発明の別の実施形態に係る光アイソレータ素子３を図３Ａ，図３Ｂを用いて説明する。
　本実施形態の光アイソレータ素子３は、ファラデー回転子が２枚使用されたもので、図２Ａ，図２Ｂ，図２Ｃに示す光アイソレータ素子２に比較して、アイソレーションは、低くなるが、図１に示す光アイソレータ素子１に比較して十分高いアイソレーション特性を得ることができ、図２Ａ，図２Ｂ，図２Ｃに示す光アイソレータ素子２に対して薄型化できるというメリットがある。
　本実施形態の光アイソレータ素子３は、第１偏光子３３、第１ファラデー回転子３１、第２偏光子３４、第２ファラデー回転子３２および第３偏光子３５が一列に並べて配置され、これらを積層して固定した構造とされている。各素子３３，３１，３４，３２，３５は平行に配置されている。第１ファラデー回転子３１および第２ファラデー回転子３２には、図１に示すファラデー回転子１１と同じものを使用することが可能である。そして、順方向光に対して第２偏光子３４は第１偏光子３３の透過偏波面に対して４５°となるように配置され、第３偏光子３５は第２偏光子３４の透過偏波面に対して４５°となるように配置される。
　図３Ａの光アイソレータ素子３は、第１偏光子３３および第３偏光子３５にタイプＢの偏光子を用い、第２偏光子３４にタイプＡの偏光子を用いた例を示す。図３Ｂの光アイソレータ素子２は、第１偏光子３３および第３偏光子３５にタイプＡの偏光子を用い、第２偏光子３４にタイプＢの偏光子を用いた例を示している。光アイソレータ素子３としては、図３Ａ，図３Ｂの例のどちらでも用いることができる。
　なお、図３Ｂの例において、タイプＢの偏光子を第２偏光子３４に配置する例を示したが、タイプＢを１枚使用する場合、タイプＢの偏光子は第２偏光子３４に限られることはなく、第１，第２，第３偏光子３３，３４，３５のいずれか一枚に用いることでもよい。このように、第１，第２，第３偏光子３３，３４，３５のいずれか一枚の偏光子が金属粒子層に分布する金属粒子密度が大きいタイプＢの偏光子とすればよい。
　ただし、図３Ａの構成とすると、より薄型の光アイソレータ素子３とできる可能性があり望ましい。これら光アイソレータ素子３のアイソレーション特性について、図５を用いて説明する。
　図５Ａは図３Ａの光アイソレータ素子３を用いた場合を示す。逆方向の入射光４１に対し、タイプＢの第３偏光子３５の金属粒子層３５ａで反射した反射光４２が発生する。反射光４２は、偏光子３４がタイプＡの偏光子であるため、金属粒子層３４ａでほとんど反射されず、したがって第２偏光子３４の金属粒子層３４ａで反射される反射光４３は小さなものとなる。また、反射光４２は、第２ファラデー回転子３２内を往復することになるので、第２偏光子３４に戻ってきたときには偏光方向が９０°回転しており、第２偏光子３４を通過して第１偏光子３３に到達する光は小さなものとなる。したがって、光アイソレータ素子３から出射される反射光４３はアイソレーション特性を劣化させる程ではなくなる。
　図５Ｂの光アイソレータ素子３は図３Ｂの光アイソレータ素子３を用いた場合を示す。逆方向の入射光４１は、第３偏光子３５がタイプＡの偏光子であるため、金属粒子層３５ａでほとんど反射されず、反射光４２は小さなものとなる。また、第２偏光子３４の表面で生じた反射光４４は、第１偏光子３３がタイプＡの偏光子であるため、第１偏光子３３でほとんど反射されず、反射光４５は小さなものとなる。したがって、反射光４４および反射光４５は小さなものとなり、アイソレーション特性の劣化を生じる程ではない。図３Ｂでは、第２偏光子３４にタイプＢの偏光子を用いたが、第１偏光子３３または、第３偏光子３５にタイプＢの偏光子を用いた場合でも同様の効果を得ることができる。
　図６に光アイソレータ素子１，２，３を用い、光モジュールの一部を構成する光アイソレータ素子付き光ファイバ保持部品を構成する場合の例を断面図で示す。この光アイソレータ素子１，２，３付き光ファイバ保持部品は、光ファイバ５３を保持したフェルール５１が保持部材５２によって保持されている。フェルール５１の先端面は光軸に対し斜め鏡面研磨が施されている。そして、光アイソレータ素子１，２，３のいずれかがフェルール５１の先端面に接着剤等で固定されている。例えば、この図６に示すような光ファイバ保持部品を発光素子（不図示）が実装されたパッケージの光出力部等に用い、発光素子から出射された光信号の光路中に光アイソレータ１，２，３が挿入されることによって、光モジュールが構成される。なお、５４は光アイソレータ１，２，３の外側に配置された磁石を示す。
　このように、発光素子から出射された光信号がレンズ等によって集光され、この集光ビームが光ファイバ５３の先端に入射されるようにする場合、光アイソレータ素子１の配置を光モジュールの使用用途に合わせ選択するのが良い。すなわち、フェルール５１の先端面にタイプＡの偏光子１２、反対側がタイプＢの偏光子１３となるように光アイソレータ１を配置するとよい。
　このことを、図７を用いて説明する。発光素子からの集光ビーム５５は、光ファイバ５３の先端部付近で焦点を結ぶように設定される。光モジュールが光ファイバアンプに用いるポンプレーザモジュール等であり、光源出力が数10ｍＷ～数100ｍＷクラスの大出力光である場合、金属粒子密度が大きいタイプＢの第２偏光子１３を透過する光ビーム径が、金属粒子密度が小さいタイプＡの第１偏光子１２の光ビーム径に対して大きくなるように光アイソレータ素子１を配置するのが好ましい。すなわち、発光素子側がタイプＢの第２偏光子１３、フェルール５１の先端面側がタイプＡの第１偏光子１２となるように配置するのが好ましい。このように配置すると、タイプＡに比較して金属粒子層の厚みが薄く、耐光性の低いタイプＢの第２偏光子１３が、ビームのエネルギー密度が小さいビーム径の側に配置されるので、有利である。
　また、フェルール５１側から戻ってきた反射戻り光は、光ファイバ５３のモードフィールド径程度のビーム径５５で第１偏光子１２に入射する。第２偏光子１３に到達する際には、ビーム径が広がって大きくなっているので、第２偏光子１３におけるビームのエネルギー密度は、第１偏光子１２における密度に対して小さくなる。タイプＢの偏光子は表面の金属粒子の密度が高く、タイプＡに比較してビームが表面の金属粒子層で吸収され、局所的に過熱される傾向があって耐光性が低い。このため、ビーム径が大きくなる側の第２偏光子１３にタイプＢの偏光子を使った方がよい。
　図７では、図１のアイソレータ素子１を用いて説明したが、図２Ａ，図２Ｂ，図２Ｃ，図３Ａ，図３Ｂのアイソレータ素子２，３においても同様であり、ビーム径がより大きい側にタイプＢの偏光子が配置されるようにするのがよい。また、本説明では、光ファイバ保持部品について説明したが、光レセプタクルに対して使用する場合、また、アイソレータ素子単体で光アイソレータを構成する場合も、同様にビームのエネルギー密度が低い方にタイプＢの偏光子を配置するようにすると耐光性を向上させることができる。
　一方で、光モジュールが、光変調器、特に１０Ｇｂ／ｓ～４０Ｇｂ／ｓ程度で高速度に直接変調を行う場合、光アイソレータ１の配置は、図８に示すようにフェルール５１の先端面にタイプＢの第２偏光子１３、反対側にタイプＡの第１偏光子１２となるようにするのがよい。
　このことを図１１を用いて説明する。フェルール５１側から戻ってきた反射戻り光５６のうち、遮断偏光方向の光成分は、偏光子の金属粒子層に一旦吸収されて熱に変換されるが、一部が熱放射光５７として再放射される。この時の放射方向は偏光子の法線方向を中心に広範囲に及ぶため、その一部が光ファイバ５３に再度結合すると、光信号に対しノイズとなる。
　第２偏光子１３がタイプＢの偏光子であった場合、フェルール５１側から戻ってきた反射戻り光５６のうち、遮断偏光方向の光成分の一部が高屈折率な金属粒子層１３ａで反射されて反射光５８になる。この時の反射角θは、第２偏光子１３への入射角φに等しいため、光ファイバ５３に対して大きな角度を持つ。従って、この反射光５８は光ファイバ５３へ結合し難い。また、反射されなかった遮断偏光方向の光成分は、金属粒子層で吸収された後に一部が熱放射光５７として放射されるが、反射光５８として反射された分、第２偏光子１３の金属粒子に吸収される光が小さくなるため、吸収により生じる放射光５７も少なくなる。従って、光ファイバ５３と再結合する光の強度が小さくなり、光信号に対するノイズ成分も減少する。
　なお、第２偏光子１３の金属粒子層１３ａをファラデー回転子１１側に配置することにより、光ファイバ５３と金属粒子層１３ａとの間隔が広がるため、金属粒子層１３ａで生じた放射光５７が光ファイバ５３により結合し難くなり、光信号に対するノイズもより減少する。
　図６に示す光アイソレータ素子付き光ファイバ保持部品を構成する場合、このように集光ビームの焦点となる光ファイバ５３の端面に光アイソレータ素子１，２，３を固定すれば、半導体レーザ等の発光素子（不図示）から放射された光がレンズ（不図示）を介して集光され、光のスポット径が小さくなる場所に、光アイソレータ素子１，２，３が設置されるため、光アイソレータ素子１，２，３のサイズを小さくできるという利点がある。そして、本発明の実施形態に係る薄型の光アイソレータ素子１，２，３を用いれば、さらに小型でアイソレーション特性に優れる光ファイバ保持部品を提供することができる。
　次に、図３Ａに示す実施形態の光アイソレータ素子３の実施例を示す。図３Ａに示す光アイソレータ素子３を次の手順で作製した。
　第１ファラデー回転子３１および第２ファラデー回転子３２には、ビスマス置換型ガーネット（（ＢｉＲ）３Ｆｅ５Ｏ１２）から成る厚み０．４５ｍｍのファラデー回転子を用いた。これに、第２偏光子３４としてタイプＡ、第１偏光子３３および第３偏光子３５としてタイプＢの偏光子を用いた。
　タイプＡの偏光子には、ＳｉＯ２＋Ｂ２Ｏ３のガラス母材を用い、ガラス中に形成された銀のハロゲン化物結晶を加熱しつつ延伸して配向させ、水素雰囲気中で還元させた厚さ２００μｍのものを用いた。表面付近に析出された金属粒子（銀粒子）の分布深さが５０μｍのものを用いた。
　タイプＢの偏光子には、同じくＳｉＯ２＋Ｂ２Ｏ３のガラス母材を用い、スパッタリングによってガラス中に形成された銀粒子を加熱しつつ延伸して作製した厚み８０μｍのものを用いた。表面付近の銀粒子の分布深さは５μｍであった。
　これらの素子を光学調芯した後に、ＵＶ熱硬化併用接着剤を用いて接着し、その後、ダイサーを用いて幅０．５ｍｍ×奥行０．６ｍｍの長方形のサイズに切り分け、光アイソレータ素子１を作製した。
　次に比較例１として、従来の光アイソレータ素子を作製した。第１ファラデー回転子と第２ファラデー回転子は前述したファラデー回転子３１，３２と同じものを用い、第１偏光子、第２偏光子および第３偏光子には、前述した第２偏光子３４と同じタイプＡの偏光子を用いた。これをダイサーによって０．５ｍｍ×０．６ｍｍのサイズに切り分け、従来の光アイソレータ素子を作製した。
　さらに比較例２として、第１偏光子、第２偏光子および第３偏光子に、前述した第１偏光子３３と同じタイプＢの偏光子を用いたものを作製した。
　そして、これらの光アイソレータ素子２および比較例１、比較例２の光アイソレータ素子の厚みとアイソレーション特性を測定した。アイソレーション特性の測定は、波長１５５０ｎｍ、直径０．３ｍｍのビーム径のコリメータ光学系に、各光アイソレータ素子を光透過方向と反対方向に挿入し、パワーメータで、その出力光強度を測定して求めた。なお、それぞれ１個ずつ評価を実施した。その結果を表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１に示すように、比較例１では、厚み１．５０８ｍｍ、アイソレーション特性６１．８ｄＢ、比較例２では、厚み１．１４５ｍｍ、アイソレーション特性１９ｄＢであるのに対して、本発明の一実施形態による光アイソレータ素子２では、厚み１．２６６ｍｍ、アイソレーション特性が６２．３ｄＢとなり、アイソレーション特性において比較例１とは遜色なく、比較例２に対しては格段に向上していることが確認できた。また、小型化も達成出来ていることが認められた。
　以上の結果から、本発明の各実施形態に係る光アイソレータ素３によれば、一列に並べて配置された光吸収型の第１偏光子３３，第２偏光子３４，第３偏光子３５と、第１偏光子３３および第２偏光子３４の間に配置された第１ファラデー回転子３１と、第２偏光子３４および第３偏光子３５の間に配置された第２ファラデー回転子３２とを備えた光アイソレータ素子２の、第１偏光子３３および第３偏光子３５の組にタイプＢの偏光子を用い、第２偏光子３４にタイプＡの偏光子を用いることにより、アイソレーション特性の劣化を生じないアイソレータ素子３が得られることが解った。また、これによってアイソレータ素子３を小型化することもできる。
　なお、本発明は上述の実施の形態および実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内であれば種々の変更は可能である。例えば、上述の実施の形態の一例では偏光子のガラス母材としてＳｉＯ２＋Ｂ２Ｏ３を用いたが、Ａｌ２Ｏ３等の他の酸化物系ガラス材料を使用してもよい。
　また、上記実施の形態の説明において上下左右という用語は、単に図面上の位置関係を説明するために用いたものであり、実際の使用時における位置関係を意味するものではない。
　１，２，３：光アイソレータ素子
　１１：ファラデー回転子
　３１：第１ファラデー回転子
　３２：第２ファラデー回転子
　１２，３３：第１偏光子
　１３，３４：第２偏光子
　３５：第３偏光子
　５１：フェルール
　５２：キャピラリ
　５３：光ファイバ
　５４：磁石

Claims (18)

  1. 光の偏光面を回転させるファラデー回転子と、該ファラデー回転子の一方面側に配置され、金属粒子が分布する金属粒子層を有する第１偏光子と、前記ファラデー回転子の他方面側に配置され、前記第１偏光子の金属粒子層に分布する金属粒子の密度より大きい密度で金属粒子が分布する金属粒子層を有する第２偏光子とを備えたことを特徴とする光アイソレータ素子。
  2. 前記第１偏光子の前記金属粒子層の厚みが前記第２偏光子の前記金属粒子層の厚みより厚いことを特徴とする請求項１記載の光アイソレータ素子。
  3. 前記第１偏光子の前記金属粒子層の厚みが前記第２偏光子の前記金属粒子層の厚みの２倍以上であることを特徴とする請求項１記載の光アイソレータ素子。
  4. 前記第１偏光子は、透明基板上に物理的蒸着法により誘電体層と金属粒子層とを蒸着し、基板を延伸させることによって前記金属粒子層に含まれる金属粒子を細長い形状に成形した偏光子であり、前記第２偏光子は、ハロゲン化金属を含むガラス基材の表面近くにハロゲン化金属を還元させて形成された金属粒子を、基板を延伸させることによって細長い形状に成形した偏光子であることを特徴とする請求項１記載の光アイソレータ素子。
  5. 請求項１記載の光アイソレータ素子を複数枚重ねたことを特徴とする光アイソレータ素子。
  6. 一列に並べて配置され、金属粒子が分布する金属粒子層を有する光吸収型の第１，第２，第３偏光子と、前記第１および第２偏光子の間に配置された第１ファラデー回転子と、前記第２および第３偏光子の間に配置された第２ファラデー回転子とを備えた光アイソレータ素子であって、前記第１，第２，第３偏光子のうち、いずれか一枚の偏光子の前記金属粒子層に分布する金属粒子密度が他の偏光子の前記金属粒子層に分布する金属粒子密度より大きいことを特徴とする光アイソレータ素子。
  7. 前記第１，第２，第３偏光子のうち、いずれか一枚の偏光子の前記金属粒子層の厚みが他の偏光子の前記金属粒子層の厚みより薄いことを特徴とする請求項６記載の光アイソレータ素子。
  8. 前記第１，第２，第３偏光子のうち、いずれか一枚の偏光子の前記金属粒子層の厚みが他の偏光子の前記金属粒子層の厚みの１／２以下であることを特徴とする請求項６記載の光アイソレータ素子。
  9. 前記第１，第２，第３偏光子のうち、いずれか一枚の偏光子は、透明基板上に物理的蒸着方法により誘電体層と金属粒子層とを蒸着し、基板を延伸させることによって前記金属粒子層に含まれる金属粒子を細長い形状に成形した偏光子であり、他の偏光子は、ハロゲン化金属を含むガラス基材の表面近くにハロゲン化金属を還元させて形成された金属粒子を、基板を延伸させることによって細長い形状に成形した偏光子であることを特徴とする請求項６記載の光アイソレータ素子。
  10. 一列に並べて配置され、金属粒子が分布する金属粒子層を有する光吸収型の第１，第２，第３偏光子と、前記第１および第２偏光子の間に配置された第１ファラデー回転子と、前記第２および第３偏光子の間に配置された第２ファラデー回転子とを備えた光アイソレータ素子であって、前記第１および第３偏光子の前記金属粒子層に分布する金属粒子密度が、前記第２偏光子の前記金属粒子層に分布する金属粒子密度より大きいことを特徴とする光アイソレータ素子。
  11. 前記第１および第３偏光子の前記金属粒子層の厚みが前記第２偏光子の前記金属粒子層の厚みより薄いことを特徴とする請求項１０記載の光アイソレータ素子。
  12. 前記第１および第３偏光子の前記金属粒子層の厚みが前記第２偏光子の前記金属粒子層の厚みの１／２以下であることを特徴とする請求項１０記載の光アイソレータ素子。
  13. 前記第１および第３偏光子は、透明基板上に物理的蒸着方法により誘電体層と金属粒子層とを蒸着し、基板を延伸させることによって前記金属粒子層に含まれる金属粒子を細長い形状に成形した偏光子であり、前記第２偏光子は、ハロゲン化金属を含むガラス基材の表面近くにハロゲン化金属を還元させて形成された金属粒子を、基板を延伸させることによって細長い形状に成形した偏光子であることを特徴とする請求項１０記載の光アイソレータ素子。
  14. 内部に発光素子を備え、前記発光素子から出射された光信号の光路中に請求項１記載の光アイソレータ素子が挿入されていることを特徴とする光モジュール。
  15. 前記発光素子から出射された集光ビームの途中に挿入され、前記第１偏光子を透過する光ビーム径が、前記第２偏光子を透過する光ビーム径に対して大きくなるように前記光アイソレータ素子が配置されていることを特徴とする請求項１４記載の光モジュール。
  16. 内部に発光素子を備え、前記発光素子から出射された光信号の光路中に請求項６記載の光アイソレータ素子が挿入されていることを特徴とする光モジュール。
  17. 前記発光素子から出射された集光ビームの途中に挿入され、前記金属粒子層の金属粒子密度が大きい偏光子を透過する光ビーム径が、金属粒子密度が小さい偏光子を透過する光ビーム径に対して大きくなるように前記光アイソレータ素子が配置されていることを特徴とする請求項１６記載の光モジュール。
  18. 内部に発光素子を備え、前記発光素子から出射された光信号の光路中に請求項１０記載の光アイソレータ素子が挿入されていることを特徴とする光モジュール。
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