(57)【要約】【課題】ファイバーアンプから増幅自然放出光（ASE）が戻ってきても、挿入損失、アイソレーションの劣化が抑制されるインライン光アイソレータを提供する。【解決手段】第一偏光分離素子91、ＢＩＧ膜から成るファラデー回転子６、第二偏光分離素子92が順に配置され、第一偏光分離素子91の順方向入射側にコリメートレンズ101と第一光ファイバー31から成る第一光ファイバーコリメータ1aが配置され、第二偏光分離素子92の順方向出射側にコリメートレンズ102と第二光ファイバー32から成る第二光ファイバーコリメータ2aが配置され、かつ、第二光ファイバー32がファイバーアンプに接続されるインライン光アイソレータであり、第二光ファイバーコリメータ2aと第二偏光分離素子92との間に第一光ファイバー31から出射される発振波長の光は透過しこの波長より短い波長の光は反射するエッジフィルター100を配置したことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一偏光分離素子、ビスマス置換型希土類鉄ガーネット結晶膜から成るファラデー回転子および第二偏光分離素子が光軸上に沿って順に配置され、ビスマス置換型希土類鉄ガーネット結晶膜の両面に放熱用結晶が接触されると共に、上記第一偏光分離素子の順方向入射側にコリメートレンズと第一光ファイバーから成る第一光ファイバーコリメータが配置され、上記第二偏光分離素子の順方向出射側にコリメートレンズと第二光ファイバーから成る第二光ファイバーコリメータが配置され、かつ、第二光ファイバーがファイバーアンプに接続されるインライン光アイソレータにおいて、
上記第二光ファイバーコリメータと第二偏光分離素子との間に、第一光ファイバーから出射される発振波長の光は透過しかつこの波長より短い波長の光は反射するエッジフィルターを、フィルター面の法線が光軸に対し傾斜するように配置したことを特徴とするインライン光アイソレータ。
【請求項２】
上記エッジフィルターが、石英ガラス基板と、この石英ガラス基板の一方の面に蒸着された誘電体多層膜と、石英ガラス基板のもう一方の面に成膜された発振波長を中心にした無反射コートとで構成されていることを特徴とする請求項１に記載のインライン光アイソレータ。
【請求項３】
上記エッジフィルターを、フィルター面の法線が光軸に対し１度以上１０度以下傾斜するように配置したことを特徴とする請求項１に記載のインライン光アイソレータ。
【請求項４】
第一光ファイバーから出射される光の発振波長が１．０６μｍ（＝１０６０ｎｍ）であることを特徴とする請求項１に記載のインライン光アイソレータ。
【請求項５】
波長１０４０ｎｍ以下の光に対する上記エッジフィルターの反射率が６０％以上であることを特徴とする請求項４に記載のインライン光アイソレータ。
【請求項６】
波長１０３０ｎｍ以下の光に対する上記エッジフィルターの反射率が９０％以上であることを特徴とする請求項４に記載のインライン光アイソレータ。
【請求項７】
上記ファラデー回転子が、４５度の回転角を有する１個のビスマス置換型希土類鉄ガーネット結晶膜から成るファラデー回転子で構成されることを特徴とする請求項１に記載のインライン光アイソレータ。
【請求項８】
上記ファラデー回転子が、２２．５度の回転角を有する２個のビスマス置換型希土類鉄ガーネット結晶膜から成るファラデー回転子で構成されることを特徴とする請求項１に記載のインライン光アイソレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー加工等に利用される波長１μｍ（＝１０００ｎｍ）付近の高出力光ファイバーレーザーにおける戻り光対策に用いられるインライン光アイソレータ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、レーザー加工等に利用されているファイバーレーザー等は、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半導体レーザーやファイバーレーザー等の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。そして、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ことがある。このため、上記反射戻り光がレーザー素子に戻らないようにするため、ファラデー回転子と偏光分離素子等で構成される光アイソレータがレーザー素子の装置内部に組み込まれている。
【０００３】
ところで、高出力レーザー用の光アイソレータに使用されるファラデー回転子としては、従来からテルビウム・ガリウム・ガーネット単結晶（以下、ＴＧＧと称する）やテルビウム・アルミニウム・ガーネット単結晶（以下、ＴＡＧと称する）が用いられてきた。
【０００４】
しかし、上記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、長さが２ｃｍ以上の結晶を用いなければならない。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、強力かつ大きな磁石が用いられている。このため、光アイソレータの寸法は大きなものとなり、小型実装が望まれるファイバーレーザー（レーザー素子）の装置内部に使用するには大きさの面で問題がある。また、光路長が長くなることから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る。更に、ＴＧＧ結晶、磁石、周辺の光学部品は高価でもあり、小型で安価な光アイソレータが望まれていた。
【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、ＢＩＧ膜と称する場合がある）から成るファラデー回転子は、単位長さあたりのファラデー回転係数が上記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、ＢＩＧ膜は、使用する光の波長が加工用レーザーに用いられる１μｍ（＝１０００ｎｍ）付近まで短くなると鉄イオンによる吸収が大きくなり、吸収によるＢＩＧ膜の温度上昇に起因して更に吸収が増え、ＢＩＧ膜の性能劣化を起こすことが知られている。
【０００６】
尚、ＢＩＧ膜の温度上昇に起因した問題を改善する方法として、放熱用サファイア基板をＢＩＧ膜に接触させてＢＩＧ膜の温度上昇を防止する方法が提案されている（特許文献１、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−０４３８５３号公報
【特許文献２】特開２００７−１０８３４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、レーザー加工等に利用されるファイバーレーザーの装置内部にインライン光アイソレータを組み込む場合、光アイソレータの出力側がファイバーアンプ（Ｙｂ等の希土類元素をドープした光ファイバーで構成される）に接続されることがある。この場合、上記戻り光には、発振波長と同じ波長の光だけでなく、Ｙｂドープファイバ（ファイバーアンプ）からの増幅自然放出光（ＡＳＥと称する）も含まれ、戻り光のパワーは、順方向入力に対して５０％以上になる場合もある。
【０００９】
上記ＡＳＥは、レーザーのような鋭い波長スペクトルをとらず、１０３０ｎｍから１０４０ｎｍをピークにして１０００ｎｍから１１００ｎｍに亘る波長分布を有する。一方、ＢＩＧ膜は、上述したように波長１μｍ（＝１０００ｎｍ）付近では大きな吸収があり、その吸収量は、波長が１１００ｎｍから１０００ｎｍへ短くなると急激に増加する。
【００１０】
そして、ファイバーアンプからＡＳＥが光アイソレータに戻ると、ＢＩＧ膜における吸収の波長依存性に起因して、１０４０ｎｍよりも短い波長でＢＩＧ膜による吸収が大きくなり、この結果、ＢＩＧ膜の温度上昇を引き起こす。このため、インライン光アイソレータの順方向での挿入損失の増加、アイソレーションの劣化を引き起こす問題が存在した。
【００１１】
本発明はこの様な問題に着目してなされたもので、その課題とするところは、上記ファイバーアンプからＡＳＥが戻ってきても、上記挿入損失およびアイソレーションの劣化が抑制されたインライン光アイソレータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
すなわち、請求項１に係る発明は、
第一偏光分離素子、ビスマス置換型希土類鉄ガーネット結晶膜から成るファラデー回転子および第二偏光分離素子が光軸上に沿って順に配置され、ビスマス置換型希土類鉄ガーネット結晶膜の両面に放熱用結晶が接触されると共に、上記第一偏光分離素子の順方向入射側にコリメートレンズと第一光ファイバーから成る第一光ファイバーコリメータが配置され、上記第二偏光分離素子の順方向出射側にコリメートレンズと第二光ファイバーから成る第二光ファイバーコリメータが配置され、かつ、第二光ファイバーがファイバーアンプに接続されるインライン光アイソレータにおいて、
上記第二光ファイバーコリメータと第二偏光分離素子との間に、第一光ファイバーから出射される発振波長の光は透過しかつこの波長より短い波長の光は反射するエッジフィルターを、フィルター面の法線が光軸に対し傾斜するように配置したことを特徴とする。
【００１３】
次に、請求項２に係る発明は、
請求項１に記載の発明に係るインライン光アイソレータにおいて、
上記エッジフィルターが、石英ガラス基板と、この石英ガラス基板の一方の面に蒸着された誘電体多層膜と、石英ガラス基板のもう一方の面に成膜された発振波長を中心にした無反射コートとで構成されていることを特徴とし、
請求項３に係る発明は、
請求項１に記載の発明に係るインライン光アイソレータにおいて、
上記エッジフィルターを、フィルター面の法線が光軸に対し１度以上１０度以下傾斜するように配置したことを特徴とし、
請求項４に係る発明は、
請求項１に記載の発明に係るインライン光アイソレータにおいて、
第一光ファイバーから出射される光の発振波長が１．０６μｍ（＝１０６０ｎｍ）であることを特徴とし、
請求項５に係る発明は、
請求項４に記載の発明に係るインライン光アイソレータにおいて、
波長１０４０ｎｍ以下の光に対する上記エッジフィルターの反射率が６０％以上であることを特徴とし、
請求項６に係る発明は、
請求項４に記載の発明に係るインライン光アイソレータにおいて、
波長１０３０ｎｍ以下の光に対する上記エッジフィルターの反射率が９０％以上であることを特徴とする。
【００１４】
更に、請求項７に係る発明は、
請求項１に記載の発明に係るインライン光アイソレータにおいて、
上記ファラデー回転子が、４５度の回転角を有する１個のビスマス置換型希土類鉄ガーネット結晶膜から成るファラデー回転子で構成されることを特徴とし、
請求項８に係る発明は、
請求項１に記載の発明に係るインライン光アイソレータにおいて、
上記ファラデー回転子が、２２．５度の回転角を有する２個のビスマス置換型希土類鉄ガーネット結晶膜から成るファラデー回転子で構成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係るインライン光アイソレータによれば、第二光ファイバーコリメータと第二偏光分離素子との間に、第一光ファイバーから出射される発振波長の光は透過しかつこの波長より短い波長の光は反射するエッジフィルターをフィルター面の法線が光軸に対し傾斜するように配置しているため、例えば、順方向からの光アイソレータへの入力が１Ｗ以上で、逆方向からの光アイソレータへの戻り光が１Ｗ以上あっても、ファラデー回転子を構成するビスマス置換型希土類鉄ガーネット結晶膜の光吸収による温度上昇が２０℃程度に抑えられ、これによりアイソレーションの値を２５ｄＢ以上に確保することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係るインライン光アイソレータの構成説明図。
【図２】本発明の変形例に係るインライン光アイソレータの構成説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１８】
本発明に係るインライン光アイソレータは、ピーク波長が１０３０ｎｍから１０４０ｎｍで、１０００ｎｍから１１００ｎｍの範囲に存在するＹｂドープファイバー（ファイバーアンプ）からのＡＳＥが、戻り光として光アイソレータに入射しても、ファラデー回転子を構成するＢＩＧ膜の温度上昇が最小限に抑えられて、挿入損失の増加を抑制し、高いアイソレーションを維持するために考案されたものである。
【００１９】
すなわち、このインライン光アイソレータは、図１に示すように、光軸上に沿って楔形複屈折結晶板から成る第一偏光分離素子９１、ビスマス置換型希土類鉄ガーネット結晶膜（ＢＩＧ膜）から成るファラデー回転子６、および、楔形複屈折結晶板から成る第二偏光分離素子９２が順に配置され、ファラデー回転子６を構成するＢＩＧ膜の両面に放熱用結晶（サファイア基板）７１、７２が接触されると共に、上記第一偏光分離素子９１の順方向入射側にコリメートレンズ１０１と第一光ファイバー３１から成る第一光ファイバーコリメータ１ａが配置され、上記第二偏光分離素子９２の順方向出射側にコリメートレンズ１０２と第二光ファイバー３２から成る第二光ファイバーコリメータ２ａが配置され、かつ、第二光ファイバー３２がファイバーアンプ（Ｙｂドープファイバー）に接続されるインライン光アイソレータであって、上記第二光ファイバーコリメータ２ａと第二偏光分離素子９２との間に、第一光ファイバー３１から出射される発振波長１．０６μｍ（＝１０６０ｎｍ）付近の光は透過しかつ発振波長よりも短い１０４０ｎｍ以下の光を６０％以上、１０３０ｎｍ以下の光を９０％以上反射するエッジフィルター１００を、フィルター面の法線が光軸に対し傾斜するように配置したことを特徴とするものである。
【００２０】
また、上記エッジフィルター（阻止帯と透過帯とでその主な特性が急激に変化するフィルターを総称してエッジフィルターと称する）１００は、ガラス基板１４と、このガラス基板１４の少なくとも一方の面に蒸着された誘電体多層膜１５と、上記ガラス基板１４の他方の面に成膜された発振波長の光を中心にした無反射コート（誘電体多層膜）１６とで構成されている。
【００２１】
尚、図１中、符号１〜５は光アイソレータを保持する金属ホルダーを示し、符号８は光アイソレータの構成部品としてのリング磁石を示し、符号１２は第一光ファイバーコリメータ１ａ、第二光ファイバーコリメータ２ａの構成部品としてのステンレス管を示し、符号１３は第一光ファイバーコリメータ１ａと第二光ファイバーコリメータ２ａを光アイソレータに接続させるステンレス管を示し、また、符号１１１と符号１１２はファイバーピグテイルをそれぞれ示している。
【００２２】
ところで、ファイバーレーザー用の光アイソレータとしては、アイソレーション２５ｄＢ程度以上が要求される場合が多く、これを満足させるためにはファラデー回転子６であるＢＩＧ膜の温度上昇を２０℃程度以下に抑える必要がある。
【００２３】
そして、順方向の光アイソレータへの１Ｗを超える入力に対してこの様な条件を満足させるために、ＢＩＧ膜の光学面の両側に、熱伝導率が２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の上述した放熱用結晶（サファイア基板）７１、７２を接着剤により貼り合わせるか、あるいは、放熱用結晶（サファイア基板）７１、７２を直接接合等で貼り合わせると共に、レーザーが透過する領域以外の放熱用結晶（サファイア基板）７１、７２における空気と触れる光学面を、熱伝導率１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の上述した金属ホルダー１、２等に接触させる必要がある。
【００２４】
更に、順方向の光アイソレータへの入力が５Ｗを超えるハイパワーにおいては、図１に示す４５度の回転角を有するＢＩＧ膜ではこの特性を得ることができないため、例えば、図２に示すように、２２．５度の回転角を有するＢＩＧ膜を２個組み合わせた構造のファラデー回転子６１、６２が用いられる。すなわち、２個のＢＩＧ膜が組み合わされた光アイソレータは、図２に示すように、光軸上に沿って楔形複屈折結晶板から成る第一偏光分離素子９１、２個のビスマス置換型希土類鉄ガーネット結晶膜（ＢＩＧ膜）から成るファラデー回転子６１、６２、および、楔形複屈折結晶板から成る第二偏光分離素子９２が順に配置され、かつ、各ファラデー回転子６１、６２を構成する各々のＢＩＧ膜両面に放熱用結晶（サファイア基板）７３、７４、７５、７６が接触された構造を有している。尚、図２中、図１のインライン光アイソレータと同一部材は、図１と同一の符号で示されている。
【００２５】
そして、実際のファイバーレーザーでは、順方向の光に加えて、上述した逆方向からのＡＳＥおよび発振波長と同じ波長の光が戻ってくる。ＡＳＥは１０３０ｎｍから１０４０ｎｍあたりをピークに極めて広い波長域を有し、このピーク波長付近およびこれより短い波長の光に対してＢＩＧ膜は極めて大きな吸収を有する。そして、上記エッジフィルター１００を備えることで、ＢＩＧ膜による吸収が大きい波長域のＡＳＥは、ＢＩＧ膜に届くことなく反射される。一方、発振波長よりも長い波長のＡＳＥは、もともとＢＩＧ膜による吸収が少なく、かつ、ＡＳＥのピーク波長からも遠いために強度も弱くＢＩＧ膜への影響は少ない。
【００２６】
また、上記エッジフィルター１００により反射されたＡＳＥが、ファイバーアンプ（Ｙｂドープファイバー）に接続された第二光ファイバー３２に再入射されると、Ｙｂドープファイバーによる増幅を不安定にする可能性がある。このため、フィルター面の法線が光軸に対し傾斜するように上記エッジフィルター１００を配置して、エッジフィルター１００で反射された光がファイバーアンプ（Ｙｂドープファイバー）に接続された第二光ファイバー３２に入射されないように調整されている。そして、フィルター面の法線が光軸に対し１度以上１０度以下傾斜するようにエッジフィルター１００を配置した場合、エッジフィルター１００で反射された光は戻り光の光線に対して２度以上２０度以下傾くことになり、ファイバーのコアやクラッドに入射することはない。
【００２７】
尚、図１に示すインライン光アイソレータにおいては、第二光ファイバー３２のみがファイバーアンプ（Ｙｂドープファイバー）に接続された構造になっているが、もう一方の第一光ファイバー３１についても、発振波長が出力されるファイバーアンプ（Ｙｂドープファイバー）に接続される構造としてもよい。
【００２８】
以下、実施例により具体的に説明する。
【実施例１】
【００２９】
図１に示す本発明のインライン光アイソレータを製造した。
【００３０】
そして、ファラデー回転子６を構成するビスマス置換型希土類鉄ガーネット結晶膜（ＢＩＧ膜）として、（Ｙｂ０．７Ｔｂ１．０Ｂｉ１．３）Ｆｅ５Ｏ１２の化学式を持つ結晶を用いた。
【００３１】
また、放熱用結晶７１、７２としてはサファイア基板を用いると共に、サファイア基板は、厚さが０．５ｍｍで、ＢＩＧ膜の両側に配置する楔形複屈折結晶板（楔角度５度のルチル結晶）から斜めに出射される光がサファイア基板内でｃ軸に平行に入射するように、ｃ軸が基板面の垂線から約３．５度傾いたサファイア基板を用い、かつ、空気と接する面に誘電体多層膜（Ｔａ２Ｏ５とＳｉＯ２の５層構造）で構成される無反射コートを施した。更に、サファイア基板の上記ＢＩＧ膜側の面には、ＰＥＣＶＤ（Plasma Enhanced ＣＶＤ）法によりＳｉ３Ｎ４を約１３０ｎｍコートし、かつ、コート処理がされていないＢＩＧ膜と直接接合をした。
【００３２】
そして、接合して得られたサファイア基板−ＢＩＧ膜−サファイア基板は大きさ２．６ｍｍ角に切断され、図１に示す金属ホルダー（銅ホルダー）１、２、３に接着剤を用いて固定収納され、かつ、銅製の金属ホルダー４（２０ｍｍ角）にエポキシ樹脂により接着されている。
【００３３】
このようにして作成したインライン光アイソレータコアの両側に、ビーム径が０．８ｍｍのシングルモードファイバコリメータ（すなわち、第一光ファイバーコリメータ１ａと第二光ファイバーコリメータ２ａ）を対向させ、光アイソレータコアの入った銅製の金属ホルダーから伸びているステンレス管１２、１３に固定した。
【００３４】
また、エッジフィルター１００には、石英ガラス基板１４と、この石英ガラス基板１４の一方の面に蒸着された誘電体多層膜（Ｔａ２Ｏ５とＳｉＯ２の膜厚を屈折率まで考慮し、実効光路長がλ/４になる様に４０層以上積み上げた多層膜構造）１５と、石英ガラス基板１４のもう一方の面に成膜された発振波長を中心にした無反射コート（Ｔａ２Ｏ５とＳｉＯ２を、実効光路長がλ/４になる様に５層積み上げた多層膜構造）１６とで構成され、かつ、ファイバーレーザーの発振波長である波長１．０６μｍ（＝１０６０ｎｍ）の光は反射することなしに透過し、波長１０４０ｎｍ以下の光に対する反射率が６０％以上で、波長１０３０ｎｍ以下の光に対する反射率が９０％以上であるエッジフィルターを用いた。
【００３５】
そして、図１に示すように、５度程度斜めにしたステンレス１３に上記エッジフィルター１００を配置かつ固定した。
【００３６】
このようにして製造されたインライン光アイソレータをファイバーレーザーに用いたところ、安定した特性を得ることができた。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明のインライン光アイソレータによれば、光アイソレータの出力側に接続されたファイバーアンプから増幅自然放出光（ＡＳＥ）が戻ってきても、第二光ファイバーコリメータと第二偏光分離素子間に配置したエッジフィルターの作用により、挿入損失およびアイソレーションの劣化が抑制されるため、高出力レーザー用のインライン光アイソレータとして用いられる産業上の利用可能性を有している。
【符号の説明】
【００３８】
１  金属ホルダー
２  金属ホルダー
３  金属ホルダー
４  金属ホルダー
５  金属ホルダー
６  ファラデー回転子
８  リング磁石
１２  ステンレス管
１３  ステンレス管
１４  ガラス基板
１５  誘電体多層膜
１６  誘電体多層膜
３１  第一光ファイバー
３２  第一光ファイバー
６１  ファラデー回転子
６２  ファラデー回転子
７１  サファイア基板
７２  サファイア基板
７３  サファイア基板
７４  サファイア基板
７５  サファイア基板
７６  サファイア基板
９１  第一偏光分離素子
９２  第二偏光分離素子
１００  エッジフィルター
１０１  コリメートレンズ
１０２  コリメートレンズ
１１１  ファイバーピグテイル
１１２  ファイバーピグテイル
１ａ  第一光ファイバーコリメータ
２ａ  第二光ファイバーコリメータ
【図１】
2011090291.tif 000003
【図２】
2011090291.tif 000004