(57)【要約】  【課題】  １．１μｍ以下の波長で出力１Ｗ以上の高出力レーザーに対して使用しても、温度上昇によるアイソレーション機能が劣化しないファラデー回転子を提供する。  【解決手段】  ファラデー回転子を構成するＲＩＧ膜の入射側および出射側に、放熱用基板としてサファイア結晶またはルチル結晶が接着されており、かつ前記ＲＩＧ膜の厚みが１３０μｍ以上、２００μｍ以下であるようにした。  【選択図】    図１
2006215491.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ビスマス置換型希土類鉄ガーネットの入射側および出射側面に、放熱用基板としてサファイア結晶またはルチル結晶が接着されており、且つ前記ビスマス置換型希土類鉄ガーネットの厚みが１３０μｍ以上、２００μｍ以下であることを特徴とする高出力レーザー用ファラデー回転子。
【請求項２】
前記放熱用基板の厚みが０．２ｍｍ以上、１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の高出力レーザー用ファラデー回転子。
【請求項３】
ビスマス置換型希土類鉄ガーネットと放熱用基板を接着するための接着剤の吸収係数が、使用波長において０．１ｃｍ−１以下のエポキシ樹脂であることを特徴とする請求項１記載の高出力レーザー用ファラデー回転子。
【請求項４】
ビスマス置換型希土類鉄ガーネットと放熱用基板を接着するためのエポキシ接着剤層の厚みが１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の高出力レーザー用ファラデー回転子。
【請求項５】
請求項１から４記載のファラデー回転子を用いた光アイソレータであって、ファラデー回転子の側面および入出射面におけるレーザービーム透過部を除いてヒートシンクで覆われていることを特徴とする光アイソレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信や加工用に使用される高出力レーザーの反射戻り光対策に用いられる光アイソレータを構成するファラデー回転子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光通信に利用されている半導体レーザーや、レーザー加工などに利用されている固体レーザーなどは、レーザー共振器外部の光学面や加工面で反射された光がレーザー素子に戻ってくるとレーザー発振が不安定になる。レーザー発振が不安定になると、光通信の場合には信号ノイズとなり、加工用レーザーの場合は、レーザー素子が破壊されてしまう場合がある。そのため、このような反射戻り光がレーザー素子に戻らないように遮断するために、光アイソレータが使用される。通常、光アイソレータは、ファラデー回転子、偏光子、検光子および永久磁石から構成される。
【０００３】
従来、高出力レーザー用の光アイソレータに用いられるファラデー回転子としては、テルビウム・ガリウム・ガーネット結晶（以下、ＴＧＧと称する）やテルビウム・アルミニウム・ガーネット結晶（以下、ＴＡＧと称する）が用いられてきた。
【０００４】
しかしながら、ＴＧＧやＴＡＧは単位長さあたりのファラデー回転係数が小さいため、光アイソレータとして機能させるために４５度の偏光回転角を得るには光路長を長くする必要があり、そのために長さが６ｃｍ程度にもなる大きな結晶を用いなければならなかった。また、高い光アイソレーションを得るためには、結晶に一様で大きな磁場をかけることが必要であり、強力で大きな磁石を用いていた。そのため、光アイソレータの寸法は大きなものとなっていた。また、光路長が長いために、レーザーのビーム形状が結晶内で歪むことがあり、歪みを補正するための光学系が必要となる場合もあった。さらには、ＴＧＧは高価でもあり、小型で安価なファラデー回転子が望まれていた。
【０００５】
一方、光通信分野で専ら用いられているビスマス置換型希土類鉄ガーネット結晶膜（以下、ＲＩＧ膜と称する）は、単位長さあたりのファラデー回転係数がＴＧＧやＴＡＧに比べて著しく大きいため、光アイソレータを大幅に小型化することが可能である。しかしながら、ＲＩＧ膜は使用する光の波長が、加工用レーザーに用いられる１．１μｍ付近まで短くなると鉄イオンによる光吸収が大きくなり、この光吸収による温度上昇により性能劣化を起こすことが知られている。
【０００６】
前記ＲＩＧ膜の温度上昇の問題を改善する方法として、特許文献１が提案されている。この技術は、通常は研磨により除去してしまうＲＩＧ膜育成用の基板である（ＧｄＣａ）３（ＧａＭｇＺｒ）５Ｏ１２基板（以下、ＧＧＧ基板と称する）を残したままにしておき、ＲＩＧ膜で発生した熱を放熱しやすくしたものである。また、ＲＩＧ膜の両面を透明なガーネット基板で挟持して、熱伝導性の高いガーネット基板を介してＲＩＧ膜の熱を放熱する方法も、特許文献２に提案されている。
【特許文献１】特開２０００−６６１６０号公報
【特許文献２】特開平７−２８１１２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１の方法ではＲＩＧ膜における光吸収による発熱が無くなる訳ではないので、ＲＩＧ膜とＧＧＧ基板が直接結合し一体化しているが故に、両者の熱膨張係数が異なることに起因する歪みが発生して、ＲＩＧ膜とＧＧＧ基板の双方に複屈折が生じ、光アイソレータに用いたときにアイソレーション機能が劣化するという問題があった。
【０００８】
さらに、ＲＩＧ膜でのファラデー回転角が正確に４５度になるように厚みを制御して研磨をしないと、光アイソレータを組んだ場合にＲＩＧ膜とＧＧＧ基板の界面からの反射光を入射側の偏光子で完全に除くことができず、この反射光がレーザー素子に戻るという問題もあった。
【０００９】
また、特許文献２では、ＲＩＧ膜の片側あるいは両側面にガーネット基板やガラス基板といった透明基板を接触あるいは光学接着剤で接着する方法も紹介されている。ＲＩＧ膜と透明基板を単に接触させる方法では、入射レーザーのビーム径の範囲全てにおいて、ＲＩＧ膜と透明基板を一様に接触させることは難しく、接触されていない部分には空気層が存在することになる。この場合には、ＲＩＧ膜と透明基板が接触することを前提にして施された反射防止膜は空気層が入ることにより機能せず、大きな反射光を発生させてしまい、反射光がレーザー素子に戻る原因となる上に放熱の機能も低下してしまう。
【００１０】
ＲＩＧ膜と透明基板を光学接着剤で接着させる方法でも、１Ｗを越す出力のレーザー光を入射させるとＲＩＧ膜の温度が上昇してしまい、ＲＩＧ膜のファラデー回転角の温度係数により、ファラデー回転角が所望の４５度からずれ、アイソレーション機能が劣化するという問題があった。
【００１１】
本発明は、上記の問題を発生させることなく、１．１μｍ以下の波長で出力１Ｗ以上の高出力レーザーに対して使用しても、アイソレーション機能が劣化しないファラデー回転子を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
ＲＩＧ膜におけるファラデー回転角の温度係数は、０．０５度／℃から０．１０度／℃程度であり、光アイソレータでのアイソレーション機能を３０ｄＢ以上に維持するためには、ＲＩＧ膜の温度上昇を２０℃〜３０℃程度に抑える必要がある。そのため、ＲＩＧ膜における発熱量を減らすとともに、発生した熱を速やかに放熱する必要がある。
【００１３】
ところで、ガーネット結晶はＡ３Ｂ５Ｏ１２という分子式で表記されるが、ＲＩＧ膜においてＢｉはＡのサイトに、鉄はＢのサイトに入る。波長１．１μｍ以下における光吸収の原因である鉄イオンを、Ｇａ等の非磁性イオンで置換することにより、吸収係数を減らすことは可能であるが、吸収係数だけでなくファラデー回転係数（度／ｃｍ）も減少してしまう。そのため、ＲＩＧ膜の場合、鉄をＧａ等で置換することにより吸収係数が減少したとしても、ファラデー回転係数が減少するのでファラデー回転角４５度を達成するために必要なＲＩＧ膜の膜厚を増加させねばならないため、ＲＩＧ膜における光吸収量はさほど変わらず、鉄をＧａ等で置換することにより発熱量を大きく減少させることは難しい。
【００１４】
逆に、鉄をＧａ等で置換していくと次第にキュリー点が下がり、キュリー点が２００℃を下回ってくるとファラデー回転角の温度係数が大きくなるという問題が出てくる。そのために鉄をＧａ等で置換し、鉄の含有量を少なくしたとしても、鉄の含有量は分子式あたり５を０．６程度まで下げるのが限界であることが分かった。
【００１５】
また、ＲＩＧ膜においてビスマスを添加するとファラデー回転係数が増加するため、ビスマス量を増加させる試みがよく行われるが、一般に使用されている格子定数が１．２４９０ｎｍから１．２５１５ｎｍのＧＧＧ基板を用いて育成されたＲＩＧ膜においては、ビスマスのＡサイトにおける置換量が分子式あたり１．２を越えると、結晶性が悪くなるとともに、ファラデー回転角４５度を達成するために必要なＲＩＧ膜の膜厚が薄くなりすぎて、平面度が良く、かつ厚みムラの無いＲＩＧ膜を研磨して得ることが難しい。よって、発熱量を抑制するとともに、ファラデー回転角の面内ムラが生じないようにするためには、ＲＩＧ膜の膜厚を１３０μｍから２００μｍにするのが良いことがわかった。
【００１６】
また、発生した熱を速やかに放熱するためには、従来のガーネット基板やガラス基板を放熱用基板として用いたのでは熱伝導率が十分ではなく（ガーネット基板の熱伝導率はたかだか７Ｗ／ｍ・Ｋ程度であり、一般的なガラス基板に至っては１Ｗ／ｍ・Ｋ程度である。）、より熱伝導率の高い透明基板が必要である。基板の熱伝導率、透明性といった特性からは、ダイヤモンドやＳｉＣといった結晶が好ましいことになるが、加工性や入手の容易さ、価格等を考慮すると、熱伝導率が４０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であるサファイア結晶やルチル結晶が最適であることがわかった。
【００１７】
以上のことから、本発明においては、ＲＩＧ膜の入射側および出射側に、放熱用基板としてサファイア結晶またはルチル結晶を接着し、かつ前記ＲＩＧ膜の厚みを１３０μｍ以上、２００μｍ以下とすることによって、両者が相俟って目的とするアイソレーション機能の優れた光アイソレータ用の高出力レーザー用ファラデー回転子を提供することに成功したものである。
【発明の効果】
【００１８】
上記したように本発明を用いることで、１Ｗ以上の高出力レーザーであっても、光アイソレータに用いたときに高いアイソレーション効果を維持できる小型で安価なファラデー回転子を提供することが可能になった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明のファラデー回転子は、上述したように、ＲＩＧ膜の入射側および出射側に、放熱用基板としてサファイア結晶またはルチル結晶が接着されており、前記ＲＩＧ膜の厚みが１３０μｍ以上、２００μｍ以下であることを特徴としているが、放熱用基板の厚みは、０．２ｍｍ未満では十分な放熱の効果が発揮し難く、１ｍｍ以上になると加工性が悪くなるため、０．２ｍｍ以上、１ｍｍ未満が好ましい。望ましくは０．２ｍｍ以上、０．５ｍｍ未満が好ましい
【００２０】
本発明において、ＲＩＧ膜と放熱用基板を接着する際には、ＲＩＧ膜および放熱用基板の接着面側に予め対接着剤用の反射防止膜を施した上で接着する。接着剤としては、使用波長において吸収係数が０．１ｃｍ−１以下のエポキシ樹脂が好ましい。入射するレーザー光を吸収するような接着剤であると、接着剤層で発熱が生じるため好ましくないが、吸収係数が０．１ｃｍ−１以下であれば、接着剤層における光吸収は無視できるほど小さいので問題はない。
【００２１】
ＲＩＧ膜と２枚の放熱用基板をエポキシ接着剤で貼り合わせる際には、上から圧力を加えることで接着剤層の厚みが１０μｍ以下となるようにするのが好ましい。接着剤層の厚みは薄いほうがＲＩＧ膜で生じた熱を放熱用基板に伝導させやすいからである。
【００２２】
また、ＲＩＧ膜と放熱用基板を貼り合せる際には、それぞれをチップ状に切断した後に貼り合わせてもよいが、放熱用基板が平行平板の場合は、ＲＩＧ膜と放熱用基板を大面積の基板の状態で接着した後、ダイシングソー等で必要な大きさのチップに切断するとよい。多数個のファラデー回転子のチップを作製する際の接着の手間が一度で済むからである。また、放熱用基板がルチル結晶で楔型である場合は、ＲＩＧ膜を短冊状に切断した後、楔型で短冊状のルチル結晶と貼り合わせた後にチップに切断するとよい。
【００２３】
このように作製されたファラデー回転子を光アイソレータに組み込む際には、放熱を促進するためファラデー回転子をヒートシンクで覆うことが好ましいが、レーザー出力が２Ｗ近くになると外周のみを覆ったのでは放熱性は不十分となるため、ファラデー回転子の入出射面のレーザービームが当たらない部分も熱的にヒートシンクと接触させることがより好ましいことである。ヒートシンクとファラデー回転子の間は、なるべく接触させることが有効であり、隙間には熱伝導性のグリースなどを用いると伝熱効果も大きい。なお、ヒートシンクとしてはＲＩＧ膜を磁気飽和させる磁石を用いても良い。
【実施例】
【００２４】
（ファラデー回転子の作製）
以下に図１を用いて、実施例のファラデー回転子の組立てについて説明する。
ＹＡＧレーザーの発振波長である１０６４ｎｍの光に対し、ファラデー回転角が４５度となるように厚みを１４０μｍに研磨した後に、両面に対接着剤用の反射防止膜（図示せず）を施した１１ｍｍ×１１ｍｍのＲＩＧ膜１を用意した。なお、前記ＲＩＧ膜１の１０６４ｎｍにおける挿入損失は０．６ｄＢであった。
【００２５】
放熱用基板としては、ＲＩＧ膜同様に１１ｍｍ×１１ｍｍで厚さが０．５ｍｍのＣ面サファイア基板２を用いた。サファイア基板に対しても、１０６４ｎｍの光に対する反射防止膜を施したが、ＲＩＧ膜と接着する面には対接着剤用の反射防止膜（図示せず）を、もう一方の面には対空気用の反射防止膜（図示せず）を設けた。
【００２６】
ＲＩＧ膜１と２枚のサファイア基板２を、サファイア基板、ＲＩＧ膜、サファイア基板の順になるように光学用のエポキシ接着剤で接着した。用いた接着剤の１０６４ｎｍの光に対する吸収係数は、約０．０８ｃｍ−１であり、接着剤層の厚みは、５μｍであった。
【００２７】
上記のようにして得られたファラデー回転子をダイシングソーにより切断し、３ｍｍ角のファラデー回転子チップを９個作製した。
（光アイソレータの作製および評価）
【００２８】
以下に図２の例図を用いて、光アイソレータの組立てについて説明する。
上記のようにして得られたファラデー回転子チップ３を、直径２ｍｍの貫通孔４と３ｍｍ角の凹部５が形成された真鍮製のホルダー６の凹部に収め、ホルダー６と同形状のホルダー７とで挟持し、ホルダー同士を半田で固定した。この場合、ホルダー６および７がヒートシンク８に相当する。なお、ホルダー６、７は半田が良く濡れるように金メッキを施した。また、ファラデー回転子チップ３とホルダー６および７との接触部には伝熱ペーストを塗布した。
【００２９】
ファラデー回転子チップ３を納めたヒートシンク８を、ヒートシンク８の外側に配置される円筒形のＳｍ−Ｃｏ磁石９の貫通孔に挿入し、ヒートシンク８と磁石７の間に高熱伝導性の銀ペースト（図示せず）を充填した。このように銀ペーストを充填することにより、Ｓｍ−Ｃｏ磁石もヒートシンクとして機能させることができる。
【００３０】
上記ファラデー回転子チップとヒートシンクおよびＳｍ−Ｃｏ磁石を一体化したファラデー回転部１０を、図３に示す光学系で特性を評価した。波長が１０６４ｎｍ、ビーム径が１ｍｍで、レーザー出力が２ＷのＮｄ：ＹＡＧレーザー光を入射し、回転ステージ付き検光子１２を回転させながら、ファラデー回転角の変化を測定したところ、ファラデー回転角は約０．９度しか変化しなかった。使用したＲＩＧ膜の室温近傍におけるファラデー回転角の温度係数は０．０６度／℃であるので、レーザー光を吸収したことによる温度上昇は約１５度であった。
また、上記ファラデー回転部を消光比が４０ｄＢの偏光子と検光子の間に入れて、光アイソレータとし、レーザー出力が２ＷのＮｄ：ＹＡＧレーザー光を上記光アイソレータの逆方向から入射したところ、アイソレーション３０ｄＢを維持することができた。
【００３１】
なお、上記実施例において放熱用基板としてサファイア基板の代わりにルチル基板を用いた場合においても、上記とほぼ同様の成果が得られた。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明のファラデ−回転子は、ＲＩＧ膜で発生する熱を効果的に放散させることができるので、光通信やレーザー加工などにおける高出力レーザー用のファラデ−回転子として広範に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明のファラデー回転子の断面図である。
【図２】本発明の光アイソレータ例図であり、Ａは断面図、Ｂは正面図である。
【図３】ファラデー回転角の温度上昇による変化を評価した光学系を示す図である。
【符号の説明】
【００３４】
１  ビスマス置換型希土類鉄ガーネット膜（ＲＩＧ膜）
２  サファイア基板
３  ファラデー回転子チップ
４  貫通孔
５  凹部
６  ホルダー
７  ホルダー
８  ヒートシンク
９  磁石
１０  ファラデー回転部
１１  Ｎｄ：ＹＡＧレーザー
１２  偏光子
１３  ウェッジガラス
１４  回転ステージ付き検光子
１５  パワーメータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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