JP4340102B2

JP4340102B2 - 光アイソレータ

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

Claims

ファラデー回転子及び偏光子を含む光学素子が接合されたコア基板と、
上面に溝部が形成された実装基板とを備え、
前記実装基板に形成された溝部に、前記コア基板の底面が接合されており、
前記コア基板の熱膨張係数は、前記ファラデー回転子の熱膨張係数と略同じか、あるいは前記ファラデー回転子への残留応力が圧縮方向へかかるように設定されている、光アイソレータ。
前記コア基板の厚みが、０．１〜０．５ｍｍである、請求項１に記載の光アイソレータ。