JP4340102B2

JP4340102B2 - Optical isolator

Info

Publication number: JP4340102B2
Application number: JP2003203188A
Authority: JP
Inventors: 由紀子古堅; 哲也菅
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-07-29
Filing date: 2003-07-29
Publication date: 2009-10-07
Anticipated expiration: 2023-07-29
Also published as: JP2005049404A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光源から出射された光を各種光学素子や光ファイバに導入した際に生じる戻り光を除去するために用いられる光アイソレータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光通信用モジュール等において、レーザ光源等の光源から出射した光は、各種光学素子や光ファイバに入射されるが、入射光の一部は各種光学素子や光ファイバの端面や内部で反射されたり散乱されたりする。この反射や散乱した光の一部は、戻り光として光源に戻ろうとするが、この戻り光を防止するために光アイソレータが用いられる。
【０００３】
従来、この種の光アイソレータは、２枚の偏光子の間に平板状のファラデー回転子を設置し、これら３つの部品を筒状の磁石内に各部品ホルダを介して収納することにより構成されていた。通常、ファラデー回転子は飽和磁界内において所定の波長をもつ光の偏光面を４５°回転する厚みに調整され、また２つの偏光子はそれぞれの透過偏光方向が４５°回転方向にずれるように回転調整されて構成されている。
【０００４】
このような構成の光アイソレータは、ファラデー回転子と２つの偏光子が別部品で各素子にホルダが必要であり、そのため部品点数が多くなり組立工数が多くなるばかりか、各部品間の光学上の調整作業が煩雑で、コスト高を招いていた。また、小型化が難しく、さらに、光源モジュールに組み込む際に、光アイソレータの偏波面の調整が必要となり実装が煩雑であった。
【０００５】
このため、ファラデー回転子と偏光子の各光学素子と、直方体の磁石を、平板状の取り付け基板に設置した光アイソレータも提案されている。
【０００６】
特許文献１には図４に示す従来の小型化された光アイソレータ１５が示されており、以下にその構成について説明する。
【０００７】
光アイソレータ１５はファラデー回転子１６、偏光子１７、１８の各光学素子と、直方体の磁石１９が、平板状の取り付け基板２０上に配置した構造を有している。ここで偏光子１７、１８は透過する光の一方向の偏波成分を吸収し、その偏波成分に直交する偏波成分を透過する機能を有し、また、ファラデー回転子１６は飽和磁界強度において所定波長の光の偏波面を約４５度回転する機能を有する。また２つの偏光子１７、１８は、それぞれの基板２０に接する面を基準面とし、この基準面に対し透過偏波方向が０度および４５度となるように切り出されている。
【０００８】
特許文献２には図５に示す従来の小型化された光アイソレータ２５が示されており、以下にその構造について説明する。
【０００９】
ファラデー回転子１６と偏光子１７、１８からなる光アイソレータ素子２１と、一方が開放された形状の磁石２２から構成され、光アイソレータ素子２１は磁石２２の開口部２３に配置されている。光アイソレータ２５は磁石２２の形状をアーチ状に一体化することで、コストダウンを図ったものである。
【００１０】
また、特許文献３には、磁石をアーチ状の一体品とし、取り付け基板に光アイソレータ素子を配置、位置決めする凹部を設けたことが、本出願人により示されている。本発明により光アイソレータ素子と磁石の位置決めが容易となり、また、正確に行うことができる。
【００１１】
【特許文献１】
特開平１０−２２７９９６号
【００１２】
【特許文献２】
特表平１２−５１０９６５号
【００１３】
【特許文献３】
特表平１３−１２５０４３号
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図４の特許文献１に示すように、ファラデー回転子１６、偏光子１７、１８の各光学素子と、直方体の磁石１９が、平板状の取り付け基板２０上に配置した光アイソレータ１５において、平板状の取り付け基板２０に位置上の所望の位置に各光学素子と磁石１９を配置、固定することは、これらの位置を決める構造がないため、それぞれの位置が安定せず、光学特性が安定せず、かつ、組み立てが困難で工数がかかるという問題がある。
【００１５】
また、各光学素子を位置決めする構造を有する基板を用いた場合も、単一の取り付け基板２０に光学素子２１と磁石１９を固定する構造のため、高温で溶融固着する接合剤を使用する場合は、接合するそれぞれの熱膨張係数差による応力が発生し、基板２０のそりや、光学素子の脱落、クラック、特性劣化が発生するという問題がある。
【００１６】
さらに、光アイソレータ１５を光源モジュールに実装する際は、実装方法によって基板２０の材料を最適に選定しなければならず、最適材料の基板ごとに、応力による影響を考慮しなければならない、あるいは、基板に選定できない材料があるという問題があり、設計の自由度が非常に小さい。
【００１７】
また、図５の光アイソレータ２５においては光アイソレータ素子２１と磁石２２との固定方法や、光アイソレータ２５の光源モジュールへの実装方法についての記載はなく、熱膨張係数差による応力の検討がなされていないため、光アイソレータ組み立て時、実装時の特性劣化の問題がある。
【００１８】
また、図５に示す特許文献２の光アイソレータ２５を樹脂接着剤で実装した場合は、応力の影響は大きく受けないが、高温高湿化での接合強度の劣化が生じ、信頼性に問題がある。接着剤からのアウトガスはレーザチップやレンズなどの光学部品表面上に付着し、光学特性を劣化させる危険がある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、上面に溝部を形成した実装基板と、平板状のファラデー回転子及び偏光子を含む光学素子がコア基板上に接合されている光アイソレータコアとから成り、前記溝部底面に前記光アイソレータコアのコア基板が接合されていることを特徴とする。
【００２０】
本発明の構成によれば、コア基板と光学素子を実装基板に対して低融点ガラスにより堅固に固定することができるので、光学素子の脱落を抑えることができる。また、コア基板の熱膨張係数と厚みを光学素子にあわせて選定できるので、コア基板にはクラックが生じることがなく、かつ、ファラデー回転子の特性劣化が生じない熱膨張係数の材料を選定できるので、光学特性劣化がなく均一で良好な特性の光アイソレータが実現する。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。
【００２２】
図１は、本発明の光アイソレータの実施形態を示す斜視図であり、図２は光アイソレータコア１の構成を示す斜視図である。
【００２３】
図に示すように、本発明の光アイソレータ１０は、上面に溝部６ａを形成した実装基板と、光学素子１ａをコア基板９に接合した光アイソレータコア１とから成り、溝部６ａの底面６ｂに光アイソレータコア１のコア基板９の底面９ａが接合されているものである。また、実装基板６の上面には磁石７が光アイソレータコア１を囲むように形成されている。
【００２４】
実装基板６に形成する溝部６ａは、ほぼ中央部に上面を横断するように形成されており、その幅は光アイソレータコア１と同じか、やや大きい幅の溝が加工されている。即ち、光アイソレータコア１の幅は後述するコア基板の幅Ｘ（図２）を基準としており、幅が同じ場合には溝部６ａをＸ＋０．１ｍｍ、溝部６ａの角部のＲが０．０５以下となるようにして精度良く形成している。また、幅がやや大きい場合には、コア基板９の幅Ｘが短くなり、溝部６ａの一側面を精度良く加工して光アイソレータコア１の取付基準面としてもよい。これにより、光学素子１ａのそれぞれを精度良く組み込む困難性がなくコア基板９の組み込みだけで組み立てができるので、組み立て性が向上し工数を少なくすることができる。
【００２５】
ここで、一般的に半導体レーザモジュール内の基板の材料は熱伝導性のよい熱膨張係数が４〜６×１０^−６／℃程度の小さい材料（窒化アルミニウムや銅タングステン等）が用いられる。従って、実装基板６は半導体レーザモジュール内の基板上に実装されるので熱膨張係数が同等の材料を用いることも望ましい。
【００２６】
また、実装基板６の材質として光アイソレータ１０を半導体レーザモジュールに実装する実装方法によって選択され、例えば、ＹＡＧ溶接で半導体レーザモジュールのサブマウントに固定される場合は、ステンレス、コバール、パーマロイ等の金属が選択され、また、ハンダによる実装の場合は、前記金属、あるいはセラミック、ガラス等の材料が用いられ実装面にたとえばＣｒ下地でＡｕメッキを施こしているものが選択される。
【００２７】
以上のことから実装基板６に用いる材料の選択は、半導体レーザモジュール内の基板と同じ材料の熱膨張係数も４〜６×１０^−６／℃程度のものであり、かつ、実装方法が用途に適した材料を用いると良い。
【００２８】
コア基板９に接合される光学素子１ａは、平板状の偏光子３、ファラデー回転子２、偏光子４からなり、これら光学素子１ａの底面はコア基板９上に精度良く低融点ガラス剤５を介して接合されている。
【００２９】
低融点ガラス剤５は、ガラス材であるＳｉＯ_２に他の金属酸化物、例えば酸化鉛や酸化リンや酸化亜鉛を混ぜ合わせ、その融点を低くなるように調整したもので、溶剤とともにクリーム状にしたものを、コア基板９上にあらかじめ塗布し、仮焼成により溶剤をとばしておくか、あるいはコア基板９の上面とほぼ同じ大きさの平板状に形成したプリフォームがもちいられる。このようにコア基板９上に形成された低融点ガラスと光学素子１ａは密着させたまま３００〜４２０度の高温炉で数秒から数分間焼成することで接合することができる。
【００３０】
低融点ガラス剤５を用いることによって、光学素子２、３、４のメッキ等の前処理は不要であり工数の削減が実現する。また、樹脂による接合に比較して非常に堅固な固定が実現し、高温高湿化での特性劣化がなくなり、信頼性の高い光アイソレータが実現する。
【００３１】
ここで偏光子３の透過偏波方向は、コア基板９と対向する１辺（これを基準辺と呼ぶ）に対し平行な方向に設定されており、他方の偏光子４の透過偏波方向も、その基準辺に対して４５度の方向に設定されている。ここで、コア基板９の上面と偏光子３と偏光子４の基準辺と略一致させ、固定することにより、偏光子３と偏光子４の透過偏波方向は回転調整することなく、互いに４５度ずれた状態となり、ファラデー回転子２のファラデー回転角が略４５度の場合、最良の挿入損失特性とアイソレーション特性を得ることができる。
【００３２】
偏光子３、４は、入射する光の１方向の偏光成分を吸収する機能を有する吸収型偏光子、あるいは入射する光の１方向の偏光成分を分離または合成する複屈折性偏光子で構成される。吸収型偏光子は例えば楕円体形の金属粒子がガラス内に分散された構造の偏光ガラスからなる。この偏光ガラスは長く延伸された金属粒子をガラス自身の中に一方向に配列させることにより偏光特性を持たせたガラスであり、金属粒子の延伸方向に垂直な偏波面を持つ光が透過し、平行な偏波面を持つ光は吸収される。例えば楕円体形の金属粒子がガラス内に分散された構造の偏光ガラスからなる。この偏光ガラスは長く延伸された金属粒子をガラス自身の中に一方向に配列させることにより偏光特性を持たせたガラスであり、金属粒子の延伸方向に垂直な偏波面を持つ光が透過し、平行な偏波面を持つ光は吸収される。
【００３３】
ファラデー回転子２は常温において入射した光の偏波方向が４５度回転する厚みに調整されている。また、光アイソレータ１０に高いアイソレーションが要求される場合は、ファラデー回転子２の偏波回転角度４５＋α度に対し、偏光子３と偏光子４の回転ズレを４５−α度に精密に調整する必要があり、光を逆方向から（偏光子４側から）入射し、透過してくる光が最も小さくなるように偏光子２を回転調整する方法がある。そこであらかじめ偏光子３と偏光子４の透過偏波方向を４５−α度ずらして切り出し、例えば偏光子４の透過偏波方向を基準辺に対して４５−α度とすることも可能である。また、ファラデー回転子の偏波回転角の精度±αは光アイソレータの特性上、１度程度とすることが望ましく、またコア基板９の上面に精度良く設置する。
【００３４】
ファラデー回転子２は、例えば、ビスマス置換ガーネット結晶等で、その厚みは所定の波長をもつ入射光線の偏光面が４５度回転する様に設定する。一般に、偏波面を回転させるためには、入射光線の光軸Ｌ方向に十分な磁界を印可することが必要である。また、自己バイアス型のファラデー回転子を用いれば磁界なしで偏波の回転が実現するため磁石は不要となる。
【００３５】
ファラデー回転子２の熱線膨張係数は約１０×１０^−６／℃、偏光ガラスの熱膨張係数は約６．５×１０^−６／℃であり、これらの熱膨張係数の異なるファラデー回転子２、偏光子３、４がコア基板９上に低融点ガラスを介して整列されている。ここで、ファラデー回転子２は接合時の残留応力により、その消光比が低下するために、コア基板９の熱膨張係数はファラデー回転子２と同等か、あるいはファラデー回転子２への残留応力が圧縮方向へかかるようにコア基板の熱膨張係数を設定する必要がある。ここで、圧縮方向とは、コア基板９とファラデー回転子２の接合面の当接領域内部へ向う方向である。なお、ファラデー回転子２の消光比とは、入射した直線偏波の光のうち、どれだけの光が直線偏波を保持したまま回転するかをパワーの比で表したものである。即ち、本発明者らは鋭意検討の結果、コア基板９の熱膨張係数が９×１０^−６／℃以上とファラデー回転子２と近くかそれ以上で、ファラデー回転子２の消光比低下が発生しないこと見出した。そこで、コア基板９にはセラミックではジルコニアや、金属では５０Ｆｅ−Ｎｉの合金、ステンレスのＳＵＳ４３０等を用いることが望ましい。
【００３６】
この場合、コア基板９の厚みが０．１ｍｍ以上、好ましくは０．２〜０．５ｍｍとする。その理由は、コア基板９の厚みが薄すぎると実装基板６の熱膨張係数の影響を受け、ファラデー回転子２の消光比が低下することがあり望ましくない。また、コア基板９の厚みが０．５ｍｍより大きいと、実装基板６の高さを含めた光アイソレータ１０が高背化し、設計の自由度が小さくなり望ましくない。
【００３７】
磁石７の材料としては、例えばＳｍＣｏが適している。磁石７は光アイソレータコア１を囲むようにアーチ状に形成されており、実装基板６に形成した溝部６ａの両側の２平面に両端面が接合されている。本発明でいうアーチ状とは半円筒状のものだけでなく、図１に示すように、一方が開口した開口部８を有するものであれば外周が角張ったものであっても良い。
【００３８】
また、本実施の形態では磁石７が光アイソレータ素子１を覆うように説明したが、これに限定されず、磁石７は少なくともファラデー回転子２を囲む構成にすると良い。
【００３９】
さらに、磁石７には、ファラデー回転子２を通過する光軸方向の磁力線が最大になるような向きに磁極が配置されており、言い換えるとファラデー回転子２が所定の波長をもつ入射光線の偏光面を４５度回転する様に磁極が配置されており、磁石の外観形状から磁極７の位置が容易に判別できる。
【００４０】
本発明の光アイソレータ１０の製造方法としては、ファラデー回転子２、偏光子３、４をコア基板上に精度良く接合して光アイソレータコアを作製し、さらに半導体レーザモジュール内の基板上に実装する実装基板６上に光アイソレータコアを精度良く形成した溝部６に実装する。
【００４１】
以上説明したように、本発明の構成によれば、コア基板９と光学素子１ａを実装基板６に対して低融点ガラス５により堅固に固定することができる。また、光学素子１ａの脱落を抑えることができるとともに、コア基板９の熱膨張係数と厚みを光学素子１ａにあわせて選定できるので、コア基板９にはクラックが生じることがなく、かつ、ファラデー回転子２の特性劣化が生じない熱膨張係数の材料を選定できるので、光学特性劣化がなく均一で良好な特性の光アイソレータが実現する。
【００４２】
図３は、本発明の光アイソレータの第２の実施形態を示す斜視図である。図に示すように、光アイソレータ１１に用いる磁石１９は実装基板６の光アイソレータコア１が実装される溝部６ａ両側の２平面に接合されていればよく、本実施例に示すように略立方体の２個の磁石を用いても良い。
【００４３】
【実施例】
本発明の実施例として図１に示した本発明の光アイソレータＡと、コア基板を用いず直接、実装基板に光アイソレータの光学素子を実装した光アイソレータＢを試作し、その特性について比較した。各部品と構成について以下に説明する。
【００４４】
偏光子は、コーニング社製のポーラコア（製品名）を用い、サイズは１ｍｍ角で厚み０．２ｍｍのものを使用し、基板との実装辺を基準辺とし、入射側の偏光子３は基準辺に平行な偏波方向を透過し、出射側の偏光子４は基準辺に対して４５度の偏波方向を透過するように設定した。
【００４５】
ファラデー回転子はビスマス置換ガーネットを用い、サイズは１ｍｍ角で厚み０．４ｍｍ、飽和磁界強度中における偏波回転角は４５度であった。いずれも波長１．５５μｍの光に対して動作する素子であり、偏光子、ファラデー回転子の両面には対空気（ｎ＝１）の反射防止膜が施されている。
【００４６】
光アイソレータＡはコア基板にジルコニア基板を用い、その上面に低融点ガラスを介して偏光子とファラデー回転子と偏光子の各光学素子の基準辺を接合した。接合は、低融点ガラスの溶融温度３８０度、１分で焼成した。
【００４７】
コア基板のサイズは幅Ｗ＝１．１ｍｍ、長さＤ＝１．２ｍｍ、厚みｔ＝０．０５ｍｍ、ｔ＝０．１ｍｍ、ｔ＝０．２ｍｍ、ｔ＝０．３ｍｍの４種類の基板を用いた。
【００４８】
実装基板はコバールを用い、実装基板のサイズは幅Ｗ＝２．８ｍｍ、厚みｔ＝０．５ｍｍ、長さＤ＝１．４ｍｍ、溝の幅は１．２ｍｍ、深さは０．２ｍｍとした。磁石は２．８ｍｍ×１．５ｍｍ×１．４ｍｍで、一方に１．２ｍｍ×１．１ｍｍ×１．４ｍｍの溝が作製された横コの字型で、実装基板の溝部と対向させて接合した。光アイソレータコアは磁石と実装基板の溝部が対向されて作製された空間内に配置し、光アイソレータコアのコア基板と実装基板は低融点ガラスにて接合した。
【００４９】
光アイソレータＢは光学素子と実装基板と磁石は光アイソレータＡと同様のサイズ、材料を用いたが、コア基板を介さずに、光学素子を直接実装基板に低融点ガラスにより接合した。
【００５０】
表１は試作した光アイソレータのアイソレーション特性を示す。
【００５１】
【表１】

【００５２】
光アイソレータＡについては、コア基板の厚みｔ＝０．０５〜０．３ｍｍの４種類の光アイソレータのうち、ｔ＝０．０５ｍｍのものは実装基板の熱膨張の影響を受け、ファラデー回転子に引っ張りの残留応力がかかっているため、アイソレーションの低下が見られたが、コア基板厚みｔ＝０．１ｍｍ以上の光アイソレータはアイソレーション３５ｄＢ以上の良好なアイソレーション特性が確認できた。光アイソレータＢについては、実装基板との接合時の残留応力の影響で２０ｄＢのアイソレーション特性しか得ることができなかった。
【００５３】
以上の試作の結果からコア基板の厚みｔ＝０．２ｍｍとし、５０個の光アイソレータを作製し、特性を測定した。その結果すべての光アイソレータは、挿入損失が０．３ｄＢ以下、アイソレーションが３５ｄＢ以上の、良好で均一な特性を有することを確認した。
【００５４】
次に作製した光アイソレータの信頼性評価を行った。試験は、Ｔｅｌｃｏｒｄｉａ１２２１に示される振動試験、衝撃試験、温度サイクル試験、高温保持試験、低温保持試験、高温高湿試験を実施し、すべての試験において、挿入損失の変化量が±０．２ｄＢ以下、アイソレーションの変化量が±３ｄＢ以下と良好な結果を得ることができた。
【００５５】
以上の試作により、光学特性が安定し、かつ、組み立てが容易で工数が少なく、光学素子の脱落、クラック、特性劣化がない信頼性に優れた光アイソレータを提供することができる。さらに、光アイソレータ１５を光源モジュールに実装する際にも、特性劣化がなく、長期信頼性に優れたものとなるのは明らかである。
【００５６】
【発明の効果】
本発明によれば、光学特性が安定し、かつ、組み立てが容易で工数が少なく、光学素子の脱落、クラック、特性劣化がなく、均一で良好な特性の光アイソレータが実現する。さらに、光アイソレータを光源モジュールに実装する際にも、特性劣化がなく、長期信頼性に優れた光アイソレータが実現する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光アイソレータの実施形態を示す斜視図である。
【図２】光アイソレータコアの構成を示す斜視図である。
【図３】本発明の光アイソレータの第２の実施形態を示す斜視図である。
【図４】従来の小型化された光アイソレータの構成を示す図である。
【図５】従来の小型化された光アイソレータの構成を示す図である。
【符号の説明】
１：光アイソレータコア
１０、１１、１５，２５：光アイソレータ
２、１６：ファラデー回転子
３、４、１７、１８：偏光子
５：低融点ガラス
７、１９、２２：磁石
６、２０：実装基板
９：コア基板[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical isolator used for removing return light generated when light emitted from a light source is introduced into various optical elements and optical fibers.
[0002]
[Prior art]
In an optical communication module or the like, light emitted from a light source such as a laser light source is incident on various optical elements or optical fibers, but a part of the incident light is reflected on the end surfaces or inside of the various optical elements or optical fibers. It is scattered. A part of the reflected or scattered light tries to return to the light source as return light, and an optical isolator is used to prevent the return light.
[0003]
Conventionally, this type of optical isolator is configured by installing a flat Faraday rotator between two polarizers, and storing these three components in a cylindrical magnet via respective component holders. It was. Normally, the Faraday rotator is adjusted to a thickness that rotates the polarization plane of light having a predetermined wavelength in the saturation magnetic field by 45 °, and the two polarizers rotate so that their transmission polarization directions are shifted by 45 ° rotation direction. Coordinated and configured.
[0004]
The optical isolator having such a configuration requires a Faraday rotator and two polarizers as separate parts and a holder for each element, which increases the number of parts and the number of assembling steps. The adjustment work is complicated and incurs high costs. In addition, it is difficult to reduce the size, and further, it is necessary to adjust the polarization plane of the optical isolator when it is incorporated in the light source module, and the mounting is complicated.
[0005]
For this reason, an optical isolator in which optical elements of a Faraday rotator and a polarizer and a cuboid magnet are installed on a flat mounting board has been proposed.
[0006]
Patent Document 1 shows a conventional miniaturized optical isolator 15 shown in FIG. 4, and the configuration thereof will be described below.
[0007]
The optical isolator 15 has a structure in which optical elements of a Faraday rotator 16 and

polarizers

17 and 18 and a rectangular magnet 19 are arranged on a flat mounting board 20. Here, the

polarizers

17 and 18 have a function of absorbing a polarization component in one direction of transmitted light and transmitting a polarization component orthogonal to the polarization component, and the Faraday rotator 16 has a saturation magnetic field strength. 1 has a function of rotating the polarization plane of light of a predetermined wavelength by about 45 degrees. The two

polarizers

17 and 18 are cut out so that the plane contacting the respective substrates 20 is a reference plane, and the transmitted polarization directions are 0 degrees and 45 degrees with respect to the reference plane.
[0008]
Patent Document 2 shows a conventional miniaturized optical isolator 25 shown in FIG. 5, and the structure thereof will be described below.
[0009]
The optical isolator element 21 includes a Faraday rotator 16 and

polarizers

17 and 18, and one of the magnets 22 having an open shape. The optical isolator element 21 is disposed in the opening 23 of the magnet 22. The optical isolator 25 is intended to reduce costs by integrating the shape of the magnet 22 into an arch shape.
[0010]
In addition, Patent Document 3 shows that the present applicant has provided a concave portion for arranging and positioning an optical isolator element on a mounting substrate by using a magnet as an integral arch. According to the present invention, the optical isolator element and the magnet can be easily positioned and can be accurately performed.
[0011]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 10-227996
[Patent Document 2]
Special table hei 12-510965 [0013]
[Patent Document 3]
Special table hei 13-125043 [0014]
[Problems to be solved by the invention]
However, as shown in Patent Document 1 of FIG. 4, in the optical isolator 15 in which the optical elements of the Faraday rotator 16 and the

polarizers

17 and 18 and the rectangular parallelepiped magnet 19 are arranged on a flat mounting substrate 20, Arranging and fixing each optical element and magnet 19 at a desired position on the flat mounting board 20 has no structure for determining these positions, so the respective positions are not stable and the optical characteristics are stable. In addition, there is a problem that assembly is difficult and man-hours are required.
[0015]
Also, when a substrate having a structure for positioning each optical element is used, when a bonding agent that melts and fixes at a high temperature is used because the optical element 21 and the magnet 19 are fixed to a single mounting substrate 20. There is a problem that stress is generated due to the difference in thermal expansion coefficient between the respective joints, causing warpage of the substrate 20, dropping of the optical element, cracking, and characteristic deterioration.
[0016]
Furthermore, when the optical isolator 15 is mounted on the light source module, the material of the substrate 20 must be optimally selected according to the mounting method, and the influence of stress must be considered for each substrate of the optimal material, or There is a problem that there are materials that cannot be selected for the substrate, and the degree of freedom in design is very small.
[0017]
Further, in the optical isolator 25 of FIG. 5, there is no description of a method for fixing the optical isolator element 21 and the magnet 22 and a method for mounting the optical isolator 25 on the light source module, and stress due to a difference in thermal expansion coefficient has been studied. Therefore, there is a problem of characteristic deterioration at the time of assembling and mounting the optical isolator.
[0018]
In addition, when the optical isolator 25 of Patent Document 2 shown in FIG. 5 is mounted with a resin adhesive, it is not greatly affected by stress, but the bonding strength deteriorates at high temperature and high humidity, and there is a problem in reliability. is there. The outgas from the adhesive adheres to the surface of an optical component such as a laser chip or a lens, and there is a risk of deteriorating optical characteristics.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has been made in view of the above problems, and is an optical isolator in which a mounting substrate having a groove formed on an upper surface, and an optical element including a flat-plate Faraday rotator and a polarizer are bonded on a core substrate. And a core substrate of the optical isolator core is bonded to the bottom surface of the groove.
[0020]
According to the configuration of the present invention, the core substrate and the optical element can be firmly fixed to the mounting substrate with the low melting point glass, so that the optical element can be prevented from falling off. In addition, since the thermal expansion coefficient and thickness of the core substrate can be selected according to the optical element, a material having a thermal expansion coefficient that does not cause cracks in the core substrate and does not cause deterioration of the characteristics of the Faraday rotator can be selected. Therefore, an optical isolator having uniform and good characteristics without deterioration of optical characteristics is realized.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0022]
FIG. 1 is a perspective view showing an embodiment of an optical isolator according to the present invention, and FIG. 2 is a perspective view showing a configuration of an optical isolator core 1.
[0023]
As shown in the figure, an optical isolator 10 according to the present invention includes a mounting substrate having a groove 6a formed on the upper surface and an optical isolator core 1 in which an optical element 1a is bonded to a core substrate 9. The bottom surface 9a of the core substrate 9 of the isolator core 1 is joined. A magnet 7 is formed on the upper surface of the mounting substrate 6 so as to surround the optical isolator core 1.
[0024]
The groove 6a formed in the mounting substrate 6 is formed so as to cross the upper surface substantially at the center, and the width thereof is the same as that of the optical isolator core 1 or a groove having a slightly larger width is processed. That is, the width of the optical isolator core 1 is based on the width X (FIG. 2) of the core substrate to be described later. When the width is the same, the groove 6a is X + 0.1 mm, and the corner R of the groove 6a is 0.05 or less. And is formed with high accuracy. Further, when the width is slightly large, the width X of the core substrate 9 may be shortened, and one side surface of the groove 6a may be processed with high accuracy to serve as an attachment reference surface of the optical isolator core 1. As a result, there is no difficulty in assembling each of the optical elements 1a with high accuracy, and assembly can be performed only by assembling the core substrate 9, so that the assemblability is improved and the number of steps can be reduced.
[0025]
Here, generally, the material of the substrate in the semiconductor laser module is a small material (aluminum nitride, copper tungsten, etc.) having a good thermal conductivity and a thermal expansion coefficient of about 4 to 6 × 10 ⁻⁶ / ° C. Therefore, since the mounting substrate 6 is mounted on the substrate in the semiconductor laser module, it is also desirable to use a material having the same thermal expansion coefficient.
[0026]
Further, the material of the mounting substrate 6 is selected by a mounting method in which the optical isolator 10 is mounted on the semiconductor laser module. For example, when it is fixed to the submount of the semiconductor laser module by YAG welding, a metal such as stainless steel, kovar, permalloy, etc. In the case of mounting by solder, a material such as the above-mentioned metal, ceramic, glass or the like is used, and the mounting surface is subjected to Au plating with a Cr base, for example, is selected.
[0027]
From the above, the material used for the mounting substrate 6 is selected so that the thermal expansion coefficient of the same material as the substrate in the semiconductor laser module is about 4 to 6 × 10 ⁻⁶ / ° C., and the mounting method is used for the purpose. Use a suitable material.
[0028]
The optical element 1 a bonded to the core substrate 9 is composed of a plate-shaped polarizer 3, a Faraday rotator 2, and a polarizer 4, and the bottom surface of these optical elements 1 a is placed on the core substrate 9 with a low melting point glass agent 5 with high accuracy. Are joined through.
[0029]
The low-melting glass agent 5 is a glass material made of SiO ₂ and mixed with other metal oxides such as lead oxide, phosphorus oxide or zinc oxide, and adjusted to lower its melting point. The preform is applied on the core substrate 9 in advance and the solvent is removed by pre-baking, or a preform formed in a flat plate shape having substantially the same size as the upper surface of the core substrate 9 is used. As described above, the low melting point glass formed on the core substrate 9 and the optical element 1a can be bonded together by being baked for several seconds to several minutes in a high temperature furnace of 300 to 420 degrees.
[0030]
By using the low melting point glass agent 5, pretreatment such as plating of the

optical elements

2, 3, and 4 is unnecessary, and the man-hour can be reduced. In addition, compared to resin bonding, very firm fixation is realized, and characteristic deterioration due to high temperature and high humidity is eliminated, thereby realizing a highly reliable optical isolator.
[0031]
Here, the transmission polarization direction of the polarizer 3 is set in a direction parallel to one side facing the core substrate 9 (referred to as a reference side), and the transmission polarization direction of the other polarizer 4 is also set. The angle is set to 45 degrees with respect to the reference side. Here, by making the upper surface of the core substrate 9 and the reference sides of the polarizer 3 and the polarizer 4 substantially coincide with each other and fixing, the transmission polarization directions of the polarizer 3 and the polarizer 4 are not adjusted to each other. When the Faraday rotation angle of the Faraday rotator 2 is approximately 45 degrees, the best insertion loss characteristic and isolation characteristic can be obtained.
[0032]
The polarizers 3 and 4 are configured by an absorption polarizer having a function of absorbing a unidirectional polarization component of incident light, or a birefringent polarizer that separates or synthesizes a unidirectional polarization component of incident light. The The absorptive polarizer is made of, for example, polarizing glass having a structure in which ellipsoidal metal particles are dispersed in glass. This polarizing glass is a glass having polarization characteristics by arranging long stretched metal particles in one direction in the glass itself, light having a polarization plane perpendicular to the stretch direction of the metal particles is transmitted, Light with a parallel polarization plane is absorbed. For example, it is made of polarizing glass having a structure in which ellipsoidal metal particles are dispersed in glass. This polarizing glass is a glass having polarization characteristics by arranging long stretched metal particles in one direction in the glass itself, light having a polarization plane perpendicular to the stretch direction of the metal particles is transmitted, Light with a parallel polarization plane is absorbed.
[0033]
The Faraday rotator 2 is adjusted to have a thickness at which the polarization direction of light incident at room temperature rotates 45 degrees. When high isolation is required for the optical isolator 10, the rotational deviation between the polarizer 3 and the polarizer 4 is precisely adjusted to 45−α degrees with respect to the polarization rotation angle 45 + α degrees of the Faraday rotator 2. There is a method in which light is incident from the opposite direction (from the side of the polarizer 4), and the polarizer 2 is rotationally adjusted so that the transmitted light is minimized. Therefore, the transmission polarization directions of the polarizer 3 and the polarizer 4 can be cut out by shifting by 45-α degrees in advance, and for example, the transmission polarization direction of the polarizer 4 can be set to 45-α degrees with respect to the reference side. Further, it is desirable that the accuracy ± α of the polarization rotation angle of the Faraday rotator is about 1 degree due to the characteristics of the optical isolator, and the accuracy is set on the upper surface of the core substrate 9.
[0034]
The Faraday rotator 2 is, for example, a bismuth-substituted garnet crystal, and the thickness thereof is set so that the polarization plane of incident light having a predetermined wavelength rotates 45 degrees. In general, in order to rotate the plane of polarization, it is necessary to apply a sufficient magnetic field in the direction of the optical axis L of incident light. In addition, if a self-biased Faraday rotator is used, polarization rotation can be achieved without a magnetic field, so that no magnet is required.
[0035]
The Faraday rotator 2 has a thermal linear expansion coefficient of about 10 × 10 ⁻⁶ / ° C., and the polarizing glass has a thermal expansion coefficient of about 6.5 × 10 ⁻⁶ / ° C., and these Faraday rotators 2 have different thermal expansion coefficients. Polarizers 3 and 4 are aligned on the core substrate 9 via low-melting glass. Here, since the extinction ratio of the Faraday rotator 2 is reduced due to the residual stress at the time of bonding, the thermal expansion coefficient of the core substrate 9 is equal to that of the Faraday rotator 2 or the residual stress on the Faraday rotator 2 is It is necessary to set the thermal expansion coefficient of the core substrate so as to be applied in the compression direction. Here, the compression direction is a direction toward the inside of the contact area of the joint surface between the core substrate 9 and the Faraday rotator 2. The extinction ratio of the Faraday rotator 2 is a ratio of power indicating how much of the incident linearly polarized light rotates while maintaining the linearly polarized light. That is, as a result of intensive studies, the present inventors have found that the coefficient of thermal expansion of the core substrate 9 is 9 × 10 ⁻⁶ / ° C. or higher, which is close to or higher than the Faraday rotator 2, and the extinction ratio of the Faraday rotator 2 is reduced. I found it not. Therefore, it is desirable to use zirconia for the ceramic for the core substrate 9, 50Fe—Ni alloy for the metal, SUS430 for stainless steel, or the like.
[0036]
In this case, the thickness of the core substrate 9 is 0.1 mm or more, preferably 0.2 to 0.5 mm. The reason is that if the thickness of the core substrate 9 is too thin, it is undesirably affected by the thermal expansion coefficient of the mounting substrate 6 and the extinction ratio of the Faraday rotator 2 may decrease. On the other hand, if the thickness of the core substrate 9 is larger than 0.5 mm, the optical isolator 10 including the height of the mounting substrate 6 becomes tall, which is not desirable because the degree of freedom in design is reduced.
[0037]
For example, SmCo is suitable as the material of the magnet 7. The magnet 7 is formed in an arch shape so as to surround the optical isolator core 1, and both end surfaces are joined to two planes on both sides of the groove 6 a formed in the mounting substrate 6. The arch shape referred to in the present invention is not limited to a semi-cylindrical shape, but may be one having an open outer periphery as long as one has an opening 8 as shown in FIG.
[0038]
In the present embodiment, the magnet 7 is described so as to cover the optical isolator element 1. However, the present invention is not limited to this, and the magnet 7 may be configured to surround at least the Faraday rotator 2.
[0039]
Further, the magnet 7 is provided with a magnetic pole in such a direction that the magnetic field lines in the optical axis direction passing through the Faraday rotator 2 are maximized. In other words, the Faraday rotator 2 is configured to polarize incident light having a predetermined wavelength. The magnetic poles are arranged so as to rotate the surface by 45 degrees, and the position of the magnetic pole 7 can be easily determined from the appearance of the magnet.
[0040]
As a method of manufacturing the optical isolator 10 of the present invention, the Faraday rotator 2 and the polarizers 3 and 4 are bonded to a core substrate with high accuracy to produce an optical isolator core, and further mounted on the substrate in the semiconductor laser module. It mounts in the groove part 6 which formed the optical isolator core on the mounting substrate 6 accurately.
[0041]
As described above, according to the configuration of the present invention, the core substrate 9 and the optical element 1 a can be firmly fixed to the mounting substrate 6 by the low melting point glass 5. In addition, the optical element 1a can be prevented from falling off, and the thermal expansion coefficient and thickness of the core substrate 9 can be selected according to the optical element 1a, so that the core substrate 9 is not cracked and is rotated by Faraday rotation. Since a material having a coefficient of thermal expansion that does not cause deterioration of the characteristics of the child 2 can be selected, an optical isolator having uniform and good characteristics without deterioration of optical characteristics can be realized.
[0042]
FIG. 3 is a perspective view showing a second embodiment of the optical isolator of the present invention. As shown in the figure, the magnet 19 used in the optical isolator 11 only needs to be joined to two planes on both sides of the groove 6a where the optical isolator core 1 of the mounting substrate 6 is mounted. Two magnets may be used.
[0043]
【Example】
As an embodiment of the present invention, the optical isolator A of the present invention shown in FIG. 1 and an optical isolator B in which an optical element of the optical isolator is directly mounted on a mounting substrate without using a core substrate were experimentally manufactured, and their characteristics were compared. Each component and configuration will be described below.
[0044]
The polarizer used is a polar core (product name) manufactured by Corning, the size is 1 mm square and the thickness is 0.2 mm, the mounting side with the substrate is the reference side, and the polarizer 3 on the incident side is the reference side The output side polarizer 4 is set to transmit a polarization direction of 45 degrees with respect to the reference side.
[0045]
The Faraday rotator was a bismuth-substituted garnet, the size was 1 mm square, the thickness was 0.4 mm, and the polarization rotation angle in the saturation magnetic field strength was 45 degrees. Both are elements that operate with respect to light having a wavelength of 1.55 μm, and antireflection films for air (n = 1) are applied to both surfaces of the polarizer and the Faraday rotator.
[0046]
In the optical isolator A, a zirconia substrate is used as a core substrate, and a reference side of each optical element of the polarizer, the Faraday rotator, and the polarizer is bonded to the upper surface of the optical isolator A through a low-melting glass. The bonding was performed at a melting temperature of 380 ° C. for 1 minute for the low-melting glass.
[0047]
The size of the core substrate is four types of substrates having a width W = 1.1 mm, a length D = 1.2 mm, a thickness t = 0.05 mm, t = 0.1 mm, t = 0.2 mm, and t = 0.3 mm. Using.
[0048]
The mounting board is made of Kovar, the mounting board has a width W = 2.8 mm, a thickness t = 0.5 mm, a length D = 1.4 mm, a groove width 1.2 mm, and a depth 0.2 mm. . The magnet is 2.8mm x 1.5mm x 1.4mm and has a horizontal U-shape with a 1.2mm x 1.1mm x 1.4mm groove on one side. did. The optical isolator core was disposed in a space formed by facing the groove of the magnet and the mounting substrate, and the core substrate of the optical isolator core and the mounting substrate were joined with low-melting glass.
[0049]
The optical isolator B uses the same size and material as the optical isolator A for the optical element, the mounting substrate, and the magnet, but the optical element is directly bonded to the mounting substrate with a low melting point glass without using the core substrate.
[0050]
Table 1 shows the isolation characteristics of the prototype optical isolator.
[0051]
[Table 1]

[0052]
As for the optical isolator A, among the four types of optical isolators having a core substrate thickness t = 0.05 to 0.3 mm, those with t = 0.05 mm are affected by the thermal expansion of the mounting substrate, and are thus used as Faraday rotators. Although a decrease in isolation was observed due to the tensile residual stress, an optical isolator with a core substrate thickness t = 0.1 mm or more was able to confirm good isolation characteristics with an isolation of 35 dB or more. For the optical isolator B, only an isolation characteristic of 20 dB could be obtained due to the influence of residual stress at the time of bonding to the mounting substrate.
[0053]
From the results of the above trial manufacture, the thickness t of the core substrate was set to 0.2 mm, 50 optical isolators were manufactured, and the characteristics were measured. As a result, all the optical isolators were confirmed to have good and uniform characteristics with an insertion loss of 0.3 dB or less and an isolation of 35 dB or more.
[0054]
Next, the reliability of the produced optical isolator was evaluated. The tests were conducted vibration test, impact test, temperature cycle test, high temperature holding test, low temperature holding test, high temperature high humidity test shown in Telcordia 1221. In all tests, the amount of change in insertion loss is ± 0.2 dB or less, A good result was obtained in which the amount of change in isolation was ± 3 dB or less.
[0055]
By the above trial manufacture, it is possible to provide an optical isolator having stable optical characteristics, easy assembly, less man-hours, and excellent in reliability without dropping, cracking, and characteristic deterioration of optical elements. Further, when the optical isolator 15 is mounted on the light source module, it is obvious that there is no deterioration in characteristics and excellent long-term reliability.
[0056]
【The invention's effect】
According to the present invention, an optical isolator having uniform and good characteristics can be realized with stable optical characteristics, easy assembly, and less man-hours, and no optical element dropout, cracks, or characteristic deterioration. Furthermore, when the optical isolator is mounted on the light source module, an optical isolator having no long-term reliability without deterioration in characteristics is realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing an embodiment of an optical isolator according to the present invention.
FIG. 2 is a perspective view showing a configuration of an optical isolator core.
FIG. 3 is a perspective view showing a second embodiment of the optical isolator of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a configuration of a conventional miniaturized optical isolator.
FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a conventional miniaturized optical isolator.
[Explanation of symbols]
1:

Optical isolator cores

10, 11, 15, 25: Optical isolators 2, 16:

Faraday rotators

3, 4, 17, 18: Polarizer 5:

Low melting glass

7, 19, 22: Magnets 6, 20: Mounting substrate 9: Core substrate

Claims

A core substrate to which optical elements including a Faraday rotator and a polarizer are bonded;
A mounting substrate having a groove formed on the upper surface,
The bottom surface of the core substrate is bonded to the groove formed in the mounting substrate,
The optical isolator is configured such that a thermal expansion coefficient of the core substrate is substantially the same as a thermal expansion coefficient of the Faraday rotator, or a residual stress applied to the Faraday rotator is applied in a compression direction.

The optical isolator according to claim 1 , wherein the core substrate has a thickness of 0.1 to 0.5 mm.