JP2005070798A - Optical isolator - Google Patents
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Abstract
Description
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する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。 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.
レーザー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、光ファイバを透過する際、反射や散乱を起こす。反射や散乱した光の一部は光源側に戻るが、この戻り光を遮断するため、光アイソレータが用いられる。 Light emitted from a light source such as a laser light source is incident on various optical elements and optical fibers, but some of the incident light is reflected and scattered when passing through the various optical elements and optical fibers. A part of the reflected or scattered light returns to the light source side, and an optical isolator is used to block this return light.
図6は従来の小型化された光アイソレータ41の構成を示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing a configuration of a conventional miniaturized
図6に示すように、光アイソレータ41はファラデー回転子3と偏光子2、偏光子4を互いに接着一体化した光アイソレータ用素子42と、ファラデー回転子3に飽和磁界を印可するための磁石27を、基板5上に固定した構成となっている。光アイソレータ用素子42の基板5上への固定は、接着剤を用いられる。また、接着剤以外にも、半田を用いて固定する手段も用いられているが、その場合素子や磁石の半田が付く部分には、あらかじめメタライズしておく必要がある。
As shown in FIG. 6, the
ここで偏光子2、4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3は、一般的には、希土類元素とビスマスを含む鉄ガーネットなどの単結晶が多く用いられており、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2、4は、それぞれの吸収あるいは透過偏波方向が約45度ずれるように配置されている。図中の矢印は透過偏波方向を表し、偏光子2の透過偏波方向は横方向であり、これに対し偏光子4の透過偏波方向は約45度傾いている。
Here, the
光通信用のレーザー光源モジュールとしては、半導体レーザー素子と光アイソレータ、レンズなどをパッケージの中に組み込み全体を気密封止したものと、レーザー素子をキャンパッケージの中に設置密封し、そのキャンパッケージに光アイソレータ、レンズといった他の光学部品をアセンブリしたものとがある。 As a laser light source module for optical communication, a semiconductor laser element, an optical isolator, a lens, etc. are assembled in a package and the whole is hermetically sealed, and the laser element is installed and sealed in a can package, and the can package is used. Some optical assemblies such as optical isolators and lenses are assembled.
しかしながら図6に示す基板上に配置固定された従来の小型化された光アイソレータにおいては、磁石27の底部に接着剤6を塗布し、基板上5の主面上に設置した時に、硬化させる前の接着剤6が複合素子42の側面と磁石27の側面との間に、入りこんでしまい、複合素子42と磁石27を接着固定されてしまう事があり、その結果、複合素子42と基板5および磁石27の3つの線膨張係数の異なる部材が同一の接着剤により接合されている部分が出来てしまい、その部位には大きな応力が発生してしまうという問題があった。
However, in the conventional miniaturized optical isolator arranged and fixed on the substrate shown in FIG. 6, when the
基板と素子および磁石の線膨張係数は例えば、それぞれ70×10−7/℃、60×10−7/℃、100×10−7/℃と異なるため、光アイソレータを使用する環境の温度変化、特に低温環境になった場合、さらに素子に応力が付加される事になり特性が変化しやすく、そのため温度変化時に光学素子に加わる応力は大きくなり、その結果光学特性に劣化が生じやすく、場合によっては、基板5および磁石27と複合素子42の3つの部材が接合される部分から、素子特に偏光子2または偏光子4にクラックが発生する場合があり温度の変動に対して安定した特性を維持出来ないという問題点があった。
The linear expansion coefficients of the substrate, the element, and the magnet are different from, for example, 70 × 10 −7 / ° C., 60 × 10 −7 / ° C., and 100 × 10 −7 / ° C., respectively. In particular, when the environment becomes low temperature, stress is further applied to the element and the characteristics are likely to change. Therefore, the stress applied to the optical element at the time of temperature change increases, and as a result, the optical characteristics are likely to deteriorate. In this case, cracks may occur in the element, particularly the
又、素子に応力が加わっている場合、ファラデー回転子の特性として消光比の劣化を生じやすく、その結果、光アイソレータ完成体における特性項目である光アイソレーション特性を劣化させてしまうという問題点があった。 In addition, when stress is applied to the element, the extinction ratio is likely to be deteriorated as a characteristic of the Faraday rotator, and as a result, the optical isolation characteristic which is a characteristic item in the optical isolator complete body is deteriorated. there were.
上記問題点を回避するためには、例えば複合素子42と磁石27との間に空隙部を設け、接合時に用いる接着剤が、複合素子42と磁石27との間の側面に入りこまないようにすれば良いが、空隙部を設けたために、形状が大きくなってしまうという問題点があった。
In order to avoid the above problems, for example, a gap is provided between the
本発明は上記従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、小型で、作製が容易で、特性が均一な光アイソレータの構造を提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to provide an optical isolator structure that is small in size, easy to manufacture, and uniform in characteristics.
本発明はこれらの課題を解決するためのものであり、少なくとも第1のファラデー回転子と、第1、第2の偏光子とを有した複合素子および磁石を基板上に搭載して接着剤で整列固定した光アイソレータにおいて、前記磁石の基板上に接する面、複合素子の基板上に接する面又は基板上面は、前記複合素子と磁石との間に接着剤がまわりこまないよう形成されていることを特徴とする。 The present invention is for solving these problems. A composite element and a magnet having at least a first Faraday rotator and first and second polarizers are mounted on a substrate and are bonded with an adhesive. In the optical isolator that is aligned and fixed, the surface that contacts the substrate of the magnet, the surface that contacts the substrate of the composite element, or the upper surface of the substrate is formed so that the adhesive does not flow between the composite element and the magnet. It is characterized by.
前記磁石または複合素子の基板上に接する面には、面取り部が形成されていることを特徴とする。 A chamfered portion is formed on a surface of the magnet or the composite element that contacts the substrate.
前記複合素子の底面は、基板から離間して固定されていることを特徴とする。 The bottom surface of the composite element is fixed apart from the substrate.
前記複合素子と磁石とが当接する部分の基板上に、溝が形成されていることを特徴とする。 A groove is formed on the substrate where the composite element and the magnet abut.
上記複合素子、磁石、基板の3つの部材の境界部に接着剤の存在しない空隙部を有することを特徴とする。 The composite element, the magnet, and the substrate have a gap where no adhesive is present at the boundary between the three members.
本発明によれば、少なくとも第1のファラデー回転子と、第1、第2の偏光子を接合した複合素子および磁石を基板上に搭載して整列固定した光アイソレータにおいて、前記磁石の基板上に接する面、複合素子の基板上に接する面又は基板上面は、前記複合素子と磁石との間に接着剤がまわりこまないよう形成されている事により、複合素子と磁石が、接合されていない構造となったため、複合素子に加わる応力を低減でき光学特性が良好な光アイソレータを安定して作製する事が可能になる。 According to the present invention, in an optical isolator in which at least a first Faraday rotator, a composite element in which first and second polarizers are joined, and a magnet are mounted and fixed on a substrate, the optical isolator is mounted on the substrate of the magnet. The structure in which the composite element and the magnet are not joined by forming the contact surface, the surface in contact with the substrate of the composite element or the upper surface of the substrate so that the adhesive does not flow between the composite element and the magnet. As a result, it is possible to stably produce an optical isolator that can reduce the stress applied to the composite element and has good optical characteristics.
以下に、本発明による光アイソレータおよびその製造方法について説明する。 The optical isolator according to the present invention and the manufacturing method thereof will be described below.
図1に本発明の光アイソレータの実施形態を示す。図1(a)はその平面図を示し、図1(b)はその正面図を示す。 FIG. 1 shows an embodiment of an optical isolator according to the present invention. FIG. 1A shows a plan view thereof, and FIG. 1B shows a front view thereof.
複合素子42は偏光子2および偏光子4とファラデー回転子3からなり、偏光子基板とファラデー回転子基板を接着一体後チップ状に切削加工されたものである。複合素子42はそれぞれの側面を基板5の主面に接着剤6を用いて接合し、整列固定されて、本発明の光アイソレータ41は構成される。
The
偏光子2および偏光子4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。ここで偏光子2の透過偏波方向は、基板5の主面に対し略平行に配置され、偏光子4の透過偏波方向は、基板5の主面に対し略45度の角度を持つように配置されている。
The
ファラデー回転子3は、例えばビスマス置換ガーネット結晶等で、その厚みは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。従って、複合素子42は、2つのほぼ同一形状をした磁石27の間に配置することにより光アイソレータとして動作する。2つの磁石27も複合素子42を固定したのと同じ接着剤6を用いて基板5の主面上に固定されている。
The Faraday
基板5は平板状に加工されたセラミックやガラス、金属基板等が用いられる。
As the
また、接着剤6は、エポキシ樹脂等の樹脂類や、金属はんだ、低融点ガラスなどを用いることができる。 The adhesive 6 can be made of resin such as epoxy resin, metal solder, low melting point glass, or the like.
ここで用いている磁石27の形状は、基板5上への接合面となる底面にC面状の面取り部28を設けてある。従来、磁石27の底部に接着剤6を塗布し、基板上5の主面上に設置した時に、硬化させる前の接着剤6が複合素子42の側面と磁石27の側面との間に、入りこんでしまい、複合素子42と磁石27を接着固定されてしまう事があり、その結果、複合素子42と基板5および磁石27の3つの線膨張係数の異なる部材が同一の接着剤により接合されている部分が出来てしまい、その部位には大きな応力が発生しやすくなってしまう。そのため温度変化時に光学素子に加わる応力は大きくなり、その結果光学特性に劣化が生じやすく、場合によっては、基板5および磁石27と複合素子42の3つの部材が接合される部分から、素子、特に偏光子2または偏光子4にクラックが発生する場合があった。
As for the shape of the
これに対し、本発明は、面取り部28を設けた事により、複合素子42、および磁石27との間には、基板5の主面上に接着材の介在しない空隙部7ができ接着剤がまわりこまないように形成されている。そのため、複合素子42と磁石27は一体に接着固定される事無くそれぞれに基板5の主面上に固定され、温度変化時の光学特性劣化や、クラックの発生を低減する事が可能となった。
On the other hand, in the present invention, by providing the
以上述べてきたように、応力に起因する光アイソレータの光学特性劣化は、複合素子42、基板5および磁石27が同時に接着剤6によって固定されている部分があった場合、特に悪影響を及ぼす。したがって、そのよう固定部分が存在しないようにする事が重要となる。面取部28の大きさは、用いる接着剤6の粘性と複合素子42と磁石27との間の隙間の大きさによって異なるが、大きすぎる場合、磁石27が複合素子42の部分に与える磁界強度分布の高さ方向の非対称性が大きくなるため、複合素子42の高さの1/3以下の大きさが好ましい。
As described above, the optical characteristic degradation of the optical isolator due to stress has a particularly adverse effect when there is a portion where the
図2には、他の実施形態として磁石27の各稜線にR面状の面取部29を持たせ、C面と同様な機能を持たせている。図2(a)はその上面図を示し、図2(b)はその正面図を示す。磁石27の底面には、複合素子42との境界面に設けられた面取り部28、29の形状は必ずしもC面である必要はなく、接合固定時に接着剤などの接合材が磁石27と複合素子42との間に入りこまないような形状であれば良い。
In FIG. 2, as another embodiment, each ridge line of the
また、上記実施例においては、磁石27にC面やR面を形成させているが、複合素子42にC面やR面の面取部を形成しても、同様の効果を得られる事は言うまでも無い。
In the above embodiment, the C surface and the R surface are formed on the
図3は、本発明の別の実施例を示す。図3(a)にはその上面図を示し、図3(b)にはその正面図を示す。偏光子2、4およびファラデー回転子3から成る複合素子42は、接着剤6を用いて磁石27に接合固定されている。複合素子42の大きさは、高さを磁石27の高さより小さくしてあり、複合素子42の底面21が基板5の上面51から離間した構造となっている。複合素子42の底面21と基板5の上面51との距離は0.05mm以上であることが好ましい。このような構成にする事で、複合素子42が接着剤6を介して接する部材は磁石27のみとなり、基板5の線膨張係数の違いによる温度変化時の応力の影響を直接受ける事が無くなる。このため線膨張係数が異なる部材を接合したことによる応力による光学特性の劣化を低減する事が可能となる。
FIG. 3 shows another embodiment of the present invention. FIG. 3A shows a top view and FIG. 3B shows a front view thereof. The
図4は、本発明のさらに別の実施例を示す。複合素子42および磁石27は、ともに基板5に接着剤6で固定されているが、基板5上に溝9を設け、基板5上に接着剤6によって固定される複合素子42と磁石27との間に接着剤がまわりこまないようにしてある。溝9の大きさは、接着剤6の粘性や、接合する基板5や磁石28との濡れ性が関係し、一律に決める事は難しいが、好ましくは、溝深さ0.05mm以上、溝幅は0.1mm以上である事が好ましい。
FIG. 4 shows yet another embodiment of the present invention. The
図5は、本発明の別の実施形態で、磁石27の底面部にC面状の面取部28を設け、複合素子42の固定は、磁石27の側面部に接着剤6によって固定されている。面取部28を設ける事で、複合素子42の底面と基板5の上面との間に接着剤が回り込む事を防止する事が出来る。このような構造の場合、複合素子42は線膨張係数の異なる2つの部材、基板5と磁石27に接着剤6を介して固定されているが、磁石27の底部に面取部28が有るために、複合素子42、磁石27、基板5が同時に接着剤6を介して接合固定される部分が無いので、複合素子42に加わる応力を低減する事が出来る。
FIG. 5 shows another embodiment of the present invention, in which a C-shaped
本発明の光アイソレータの実施例として図1に示した光アイソレータの試作を行った。製造方法とその構成について以下に説明する。 As an example of the optical isolator of the present invention, the optical isolator shown in FIG. 1 was prototyped. A manufacturing method and its configuration will be described below.
光学的に透明なエポキシ系の熱硬化型樹脂を用いて2枚の偏光子基板とファラデー回転子基板を固定し、複合基板を作製した。2枚の偏光子基板の厚みは、それぞれ約0.5mm、ファラデー回転子基板の厚みは約0.4mmであった。2枚の偏光子基板はいずれも、ある1辺に平行な方向に透過偏波を有するガラス偏光子を使用した。ファラデー回転子基板はビスマス置換ガーネットを用い、飽和磁界強度中における偏波回転角は45.0度であった。 Two polarizer substrates and a Faraday rotator substrate were fixed using an optically transparent epoxy-based thermosetting resin to produce a composite substrate. The two polarizer substrates each had a thickness of about 0.5 mm, and the Faraday rotator substrate had a thickness of about 0.4 mm. As the two polarizer substrates, glass polarizers having transmission polarization in a direction parallel to a certain side were used. The Faraday rotator substrate was bismuth-substituted garnet, and the polarization rotation angle in the saturation magnetic field strength was 45.0 degrees.
複合基板をダイシング加工機で1辺に平行方向に切削加工し、偏光子2および4、およびファラデー回転子3から構成される、1.25mm角のチップ化された複合素子42を切り出した。
The composite substrate was cut by a dicing machine in a direction parallel to one side, and a 1.25 mm square
次にチップ化された複合素子42を基板5の上に実装した。基板5はサイズ2.0×4.0mmで厚み0.5mmのジルコニアのセラミクス板を用いた。基板5上への複合素子46と偏光子4の固定は、熱硬化型の接着剤6により固定した。
Next, the
次に、C面状の面取部28の形成されている磁石27を、基板6の上に固定した。C面の大きさは0.3mmとした。磁石27の底面に、熱硬化型の接着剤6をあらかじめ塗布した後、複合素子42の側面に複合素子42を挟むように基板上に設置し、過熱硬化を行った。接着剤6を底面に塗布した磁石42を基板5上に設置した時に、面取部28があるため、磁石27の側面と複合素子42の側面とのあいだに接着剤6が入りこむ事が無かった。また比較のため、上記複合素子42および基板5を用い図6に示される従来構造と同じように底部にC面をつけない構造の磁石を用い光アイソレータを作製した。複合素子42と磁石27との間には、わずかであるが毛細管現象により接着剤が回り込んでしまい、複合素子42側面と磁石27の側面の一部が接着剤6によって接合されていた。
Next, the
このようにして作製した本発明による光アイソレータと従来構造の光アイソレータの特性結果を表1に示す。
従来構造の光アイソレータの場合、アイソレーションが最大38dBから最小34dBと、特性が比較して悪くなっており、製品による特性のばらつきも大きかった。一方、本発明による光アイソレータの場合、接着剤硬化後も、複合素子42を構成する偏光子2、4およびファラデー回転子3にクラックが発生する事は無かった。この光アイソレータに飽和磁界を印可した後、光学特性を評価した結果、挿入損失が0.2dB以下、アイソレーションが40dB以上と、従来構造に比較して、良好で均一な特性を有することを確認した。
In the case of an optical isolator having a conventional structure, the isolation is worse than a maximum of 38 dB to a minimum of 34 dB, and the variation in characteristics due to products is large. On the other hand, in the case of the optical isolator according to the present invention, the
2、4、:偏光子
3、:ファラデー回転子
5、7:基板
9:溝
6:接着剤
41:光アイソレータ
42:複合素子
27、28、29:磁石
2, 4,:
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