(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複屈折結晶からなる多角形の固定面を有する光学素子と、前記光学素子を保持するための金属製ホルダと、前記光学素子の固定面と前記金属製ホルダとの隙間に配置され、前記光学素子と前記金属製ホルダとを固着するための低融点ガラスとから構成されている複屈折結晶からなる多角形の光学素子の保持構造において、前記低融点ガラスの線膨張係数は、前記固定面と前記金属製ホルダ底面の両方に平行な軸方向における前記光学素子の線膨張係数より小さく、前記固定面のうち線膨張係数の等しい面には、同一種類の材質の低融点ガラスで前記光学素子と前記金属製ホルダとを固着し、熱膨張率の大きさが、金属製ホルダ＞光学素子＞低融点ガラスの関係になることを特徴とする複屈折結晶からなる多角形の光学素子の保持構造。
【請求項２】
前記複屈折結晶がほぼ方形型の形状を成し、前記光学素子を固定するそれぞれの対向面が同一の材質であって、前記金属製ホルダは一種類の材質から構成されている前記低融点ガラスで固定されていることを特徴とする請求項１記載の複屈折結晶からなる多角形の光学素子の保持構造。
【請求項３】
前記金属製ホルダがニッケル−鉄合金製からなり、前記複屈折結晶がルチルから構成されていることを特徴とする請求項１記載の複屈折結晶からなる多角形の光学素子の保持構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光アイソレーター、光スイッチ、光サーキュレータ等の光素子に用いられる複屈折結晶からなる光学素子の保持構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複屈折結晶は、物質の光学的性質が方向に依存して異なる異方性結晶の一つであり、光アイソレーター、光スイッチ、光サーキュレータ等、光素子に多く用いられる。複屈折結晶に光が入射すると、光波の電界の振動方向によって屈折率が異なるために屈折光が二つ現れる。これら屈折光は互いに垂直な偏光方向を持つ二つの直線偏光である。複屈折結晶内には二つの直線偏光の位相速度が等しくなる波面の進む方向があり、この方向を光学軸と呼ぶ。二つの屈折光のうち光学軸に対し垂直な偏光方向を持つものは、通常の屈折の法則に従い、常光線と呼ばれ、もう一方の屈折光は通常の屈折の法則には従わず、異常光線と呼ばれる。光通信等の光源に用いられる半導体レーザーでは、前記半導体レーザーに接続する光学系からの反射戻り光により、発振が不安定となり、レーザーの変調信号の雑音も増加する。前記反射戻り光を防止する為に光アイソレーターが使用されている。図６に複屈折結晶を使用した光アイソレーターの原理図を示す。１は偏光面回転角が４５゜となるよう膜厚を調整したファラデー回転子であり、図中省略しているが、周囲にはファラデー回転子に磁界を印加する磁石が設置されている。２、３は複屈折結晶を平行単板状に加工し、さらに、光学軸を光線通過面からθだけ傾けたものであり、以降、複屈折平板と呼ぶ。複屈折平板２、３は光線入射側から観察したとき各光学軸が４５゜だけずれるよう設置しておく。光が順方向から入射した場合について図６（ａ）に示す。半導体レーザー光源から複屈折平板２に入射した光は、常光線と異常光線とに分離し、常光線は直進、異常光線は光学軸方向にｄだけ分離して、ファラデー回転子１に入射する。ファラデー回転子１ではそれぞれ４５゜だけ偏光方向が回転し、複屈折平板３に入射する。複屈折平板３で常光は直進し、異常光はさらに光学軸方向にｄだけ分離して出射される。ここで、光源の偏光方向が常光となるよう設置されているので、発振された光の大部分がアイソレーターを直進して、これを通過することになる。次に、光が逆方向から入射した場合について図６（ｂ）に示す。無偏光の反射戻り光が逆方向から複屈折平板３に入射した場合、上記順方向の場合と同様に、常光は直進し、異常光はｄだけ分離してファラデー回転子１に入射する。ファラデー回転子１で偏光方向を４５゜回転させられた光が複屈折平板２に入射すると、常光は複屈折平板２で異常光となりｄだけ分離され、異常光は常光となり、複屈折平板２を直進して出射する。反射戻り光は光軸に対し、全てｄだけ分離している為に半導体レーザへの戻り光の回帰を阻止することが出来る。通常、複屈折結晶及びファラデー回転子等の光学素子は金属性ホルダに接着部材を介して固定されている。また、接着部材として低融点ガラス、半田等が知られている。複屈折結晶からなる光学素子を低融点ガラスを用いて固定する複屈折結晶からなる光学素子の保持構造について図７に示す。図中、１はファラデー回転子、２、３は複屈折平板である。複屈折結晶は加工が困難であり、また光学軸を明確にする為方形に加工されることが多い。４は磁石、５はファラデー回転子ホルダ、６、７は複屈折平板ホルダ、８、９はケースである。複屈折平板２、３の複屈折平板ホルダ６、���との固定、及びファラデー回転子１とファラデー回転子ホルダ５との固定には低融点ガラス１０、１５を用いる。部材５乃至９は金属製であり、ＹＡＧレーザー溶接で固定されている。図８に複屈折平板２、３と複屈折平板ホルダ６、７の保持構造について示す。ここで、低融点ガラス１０は複屈折平板２、３の固定面全周に付着し、複屈折平板２、３と金属製ホルダ６、７を固定している。低融点ガラス１０の線膨張係数は複屈折結晶の線膨張係数によって調整される。複屈折結晶の線膨張係数は、光学軸と線膨張係数を考慮する方向とのなす角度によって変化する。一般的に光学軸に対して平行方向、垂直方向の線膨張係数が結晶の線膨張係数の極値となる。低融点ガラス１０の線膨張係数は、複屈折結晶内に於ける任意の方向の線膨張係数の最大値と前記線膨張係数最大値より大きい線膨張係数を持つ複屈折平板ホルダ６、７の線膨張係数との間に設定する。上記、複屈折結晶は脆性材料である為、圧縮力については非常に強いが、わずかな引張力による応力集中であっても破壊の原因となる。低融点ガラスは、３５０℃以上の温度で焼成固着させるために焼成後の冷却時には、３３０℃以上の温度変化がある。複屈折平板ホルダの線膨張係数、低融点ガラスの線膨張係数は複屈折平板の線膨張係数より大きい為に複屈折平板には複屈折平板ホルダの収縮および複屈折平板の固定面全周に付着した低融点ガラスの収縮により外側から内側へ向かう圧縮力がかかる。これによって、複屈折平板の破壊の原因となり、応力集中を起こす引張力を防止している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の複屈折結晶からなる光学素子の保持構造では、引張力による応力集中が複屈折平板に加わることを防止する為に複屈折平板の固定面全周に低融点ガラスを付着させる必要があるが、低融点ガラスを複屈折平板に付着させる為には低融点ガラスを焼成固着させる前に、低融点ガラスの粉末または低融点ガラスを仮焼成したものを複屈折平板付近に配置させなければならない。その為には、複屈折平板の角部と複屈折平板ホルダ内壁との間に、適当なスペースが必要となる。従って、複屈折平板をある程度以上大きくすることができなくなり、光アイソレーターの有効径が小さくなってしまう。また、光アイソレーターの有効径を拡大する為に複屈折平板を大きくすると、低融点ガラスが複屈折平板の角部と複屈折平板ホルダ内壁との隙間に入り込まず、複屈折平板固定面の一部に低融点ガラスの非付着部が出来る。付着部と非付着部の境界ができると、ここに引張力が生じ、応力集中の為に破壊の原因となる。このことを図９に示す。低融点ガラス１０の焼成固着後の冷却時、低融点ガラス１０の線膨張係数は複屈折平板２、３の線膨張係数にに比べて大きい為に低融点ガラス１０は複屈折平板２、３に比べてより収縮する。この為、複屈折平板２、３の固定面のＡ部の間には中心へ向かって力ａが働く。逆に、複屈折平板２、３は低融点ガラス１０に比べて収縮が少ない為に相対的に膨張するように見え、複屈折平板２、３の固定面のＡ部より外側の部分には、力ａに対し逆向きの、力ｂが働く。従って、Ａ部に引張力による応力集中が生じ、破壊の原因になる。本発明の目的は、小型で、且つ大きな有効径を持つ光素子において、光素子に用いられる複屈折結晶からなる多角形の光学素子を低融点ガラスによって保持固定する際生じる引張力による応力集中からの不具合を解消する保持構造を提供する。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記問題点に鑑みて本発明は、複屈折結晶からなる多角形の固定面を有する光学素子と、前記光学素子を保持するための金属製ホルダと、前記光学素子の固定面と前記金属製ホルダとの隙間に配置され、前記光学素子と前記金属製ホルダとを固着するための低融点ガラスとから構成されている複屈折結晶からなる多角形の光学素子の保持構造において、前記低融点ガラスの線膨張係数は、前記固定面と前記金属製ホルダ底面の両方に平行な軸方向における前記光学素子の線膨張係数より小さく、前記固定面のうち線膨張係数の等しい面には、同一種類の材質の低融点ガラスで前記光学素子と前記金属製ホルダとを固着し、熱膨張率の大きさが、金属製ホルダ＞光学素子＞低融点ガラスの関係になることを特徴とするものである。
また、前記複屈折結晶がほぼ方形型の形状を成し、前記光学素子を固定するそれぞれの対向面が同一の材質であって、前記金属製ホルダは一種類の材質から構成されている前記低融点ガラスで固定されていることを特徴とするものである。
また、前記金属製ホルダがニッケル−鉄合金製からなり、前記複屈折結晶がルチルから構成されていることを特徴とするものである。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
光アイソレーターを本発明の実施例として示す。その構成例は図７と同様であり、これを用いて説明する。図中１はファラデー回転子、２、３は光学軸を光透過面に対し、約４５゜傾けた複屈折平板、４は磁石、５はファラデー回転子ホルダ、６、７は複屈折平板ホルダ、８、９はケースである。複屈折平板２、３の複屈折平板ホルダ６、７との固定およびファラデー回転子１とファラデー回転子ホルダ５との固定には、低融点ガラス１０、１５を用いる。部材５乃至９は金属製であり、ＹＡＧレーザーで溶接固定している。
以下に複屈折平板２、３と複屈折平板ホルダ６、７の低融点ガラスによる保持構造の実施例について説明を行う。    第一の実施例を図１を用いて説明する。この例では、低融点ガラス１１の線膨張係数を複屈折平板２、３の任意の方向の線膨張係数の最小値以下とし、前記低融点ガラス１１を複屈折平板２、３固定面の一部に付着させることによって複屈折平板２、３と金属製ホルダ６、７とを固定している。本発明による複屈折平板２、３の複屈折平板ホルダ６、７との保持構造では、光アイソレーターを小型化し、同時に、有効径を拡大する為、複屈折平板２、３の固定面の一部に低融点ガラス１１を付着させている。
しかしながら、この低融点ガラス１１の線膨張係数が複屈折平板２、３の任意の方向の線膨張係数よりも小さい為に低融点ガラス１１付着部境界に引張力が生じることはない。このことを図２に示す。低融点ガラス１１の焼成固着後の冷却時、低融点ガラス１１の線膨張係数は複屈折平板２、３の線膨張係数に比べて小さい為、低融点ガラス１１は複屈折平板２、３に比べて収縮が少ない。この為に複屈折平板２、３の固定面のＡ部の間には、外側へ向かって力ａが働く。逆に、複屈折平板２、３は低融点ガラスに比べて、より収縮するので、複屈折平板２、３固定面のＡ部より外側の部分には力ｂが働く。従って、Ａ部には圧縮力しか加わらず、複屈折平板２、３の破壊が防止できる。
第一の実施例について低融点ガラス１１の線膨張係数等の具体的な設定例を以下に示す。複屈折平板ホルダ６、７は線膨張係数が１００×１０−７のニッケル−鉄合金製とする。複屈折平板２、３をルチルとすると、線膨張係数は光学軸に対して平行方向に９１．９×１０−７    、  光学軸に対して垂直方向に７１．４×１０−７であり、光学軸に対して垂直方向の線膨張係数がルチルの線膨張係数の最小値となる。ルチル及び複屈折ホルダ６、７を固定する低融点ガラス１１の線膨張係数は６８×１０−７とし、ルチルの線膨張係数の最低値より小さく設定する。第二の実施例を図３を用いて説明する。この例では、複屈折平板２、３の固定面ごとに異なる線膨張係数の低融点ガラス１２、１３を付着させ、少なくとも前記低融点ガラス１２、１３の線膨張係数を複屈折平板２、３の各固定面と複屈折平板ホルダ６、７の底面に平行方向の線膨張係数より小さくして、複屈折平板２、３と複屈折平板ホルダ６、７を固定している。
ここでは、複屈折平板２、３の固定面ごとに付着させる低融点ガラス１２、１３の材質を変え、線膨張係数を異にしても低融点ガラス１２、１３付着部境界に引張力による応力集中が起こらず、複屈折平板２、３の破壊も生じない。図３における矢印は光学軸の方向を示す。なお、複屈折平板２、３の固定面の全てを固定せず、図４に示すように、数面を選択して、固定しても良い。図４において低融点ガラス部のトーンの違いは線膨張係数の違いを示し、矢印は光学軸方向を示す。また、複屈折平板２、３の形状は方形だけに限らず、多角形でも良い。
第一の実施例と同様、低融点ガラス１２、１３の線膨張係数の具体的な設定例を以下に示す。複屈折平板ホルダ６、７は線膨張係数が１００×１０−７のニッケル−鉄合金製とする。複屈折平板２、３をルチルとすると固定面Ａと複屈折平板ホルダ６、７の底面に平行な方向の線膨張係数は、８１．７×１０−７、  固定面Ｂと複屈折平板ホルダ底面６、７に平行な方向の線膨張係数は７１．４×１０−７である。固定面Ａでルチル及び複屈折平板ホルダ６、７を固定する低融点ガラス１２の線膨張係数は７６．５×１０−７とし、固定面Ｂでルチル及び複屈折平板ホルダを固定する低融点ガラス１３の線膨張係数を６８×１０−７とする。固定面Ａ、Ｂともに各固定面と複屈折平板ホルダ６、７底面に平行方向の線膨張係数より小さい線膨張係数を持つ低融点ガラス１２、１３で複屈折平板ホルダ６、７と固定されている。
第三の実施例として、図５のように、複屈折平板２、３の固定面の線膨張係数の等しい面のみ、一種類の低融点ガラス１４で固定し、前記低融点ガラス１４の線膨張係数を複屈折平板２、３の固定面と複屈折平板ホルダ６、７の底面に平行方向の線膨張係数より小さくする保持構造を提案する。図５における矢印は光学軸の方向を示す。ここでは、考慮しなければならない線膨張係数は一つであり、大きな線膨張係数を持つ面を選択して固定面としている為、用いる低融点ガラス１４の選択の幅が広がっている。ここでも複屈折平板２、３の形状は方形だけに限らず、多角形でも良い。第一、二の実施例と同様、低融点ガラス１４の線膨張係数の具体的な設定例を以下に示す。複屈折平板ホルダ６、７は線膨張係数が１００×１０−７のニッケル−鉄合金製とする。複屈折平板２、３をルチルとすると、固定面Ａと複屈折平板ホルダ６、７の底面に平行な方向の線膨張係数は、８１．７×１０−７、  固定面Ｂと複屈折ホルダ６、７の底面に平行な方向の線膨張係数は７１．４×１０−７である。今、二つの固定面Ａを線膨張係数が７６．５×１０−７の低融点ガラス１４を用い、ルチルと複屈折平板ホルダ６、７を固定する。
【０００６】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明は複屈折結晶からなる多角形の光学素子と、前記光学素子を保持するための金属製ホルダと、前記光学素子と前記金属製ホルダとの隙間に配置され前記複屈折結晶の固定面の一部分に付着する前記光学素子と前記金属製ホルダとを固着するための低融点ガラスとから構成され、低融点ガラスの線膨張係数を光学素子の任意の方向の線膨張係数の最小値以下とし、前記低融点ガラスを光学素子固定面の一部に付着させることによって低融点ガラスの焼成後、大幅な温度変化が生じても前記境界に引張力が生じる事はなく、光学素子の破壊を防止する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による複屈折結晶からなる多角形の光学素子の保持構造を説明した図である。
【図２】本発明による光学素子の破壊を防止する原理を説明した図である。
【図３】本発明による複屈折結晶からなる多角形の光学素子の保持構造を説明した第二の実施例を示す図である。
【図４】（ａ）乃至（ｄ）は、本発明による複屈折結晶からなる多角形の光学素子の保持構造の実施例を説明した図である。
【図５】本発明による複屈折結晶からなる多角形の光学素子の保持構造を説明した第三の実施例を示す図である。
【図６】光アイソレーターの動作原理を示す図であり、（ａ）光アイソレーターに順方向から光線が入射した場合を示す図であり、（ｂ）光アイソレーターに逆方向から光線が入射した場合を示す図である。
【図７】光アイソレーターの構成例を示す断面図である。
【図８】従来の複屈折結晶からなる光学素子の保持構造を示す図である。
【図９】従来の複屈折結晶からなる光学素子の保持構造について、破壊が発生する原理を示す図である。
【符号の説明】
１          ファラデー回転子
２          複屈折平板
３          複屈折平板
４          磁石
５          ファラデー回転子ホルダ
６          複屈折平板ホルダ
７          複屈折平板ホルダ
８          ケース
９          ケース
１０、１１、１２、１３、１４  複屈折平板固定用低融点ガラス
１５        ファラデー回転子固定用低融点ガラス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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