(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ファラデー回転子及び偏光子を含む光学素子と磁石とが、平板状の実装基板上面に接合剤を介して一体化されている光アイソレータにおいて、前記接合剤が実装基板上面で光学素子と接合する領域と磁石と接合する領域とに分離されており、前記光学素子と前記実装基板との間には、前記ファラデー回転子，前記偏光子および前記実装基板のいずれか小さい方の熱膨張係数以下の熱膨張係数を有する接合剤を介在させ、前記磁石と前記実装基板との間には、前記磁石および前記実装基板のいずれか小さい方の熱膨張係数以下の熱膨張係数を有する接合剤を介在させていることを特徴とする光アイソレータ。
【請求項２】
前記接合剤が低融点ガラスからなることを特徴とする請求項１記載の光アイソレータ。
【請求項３】
前記実装基板の光学素子の接合領域と、前記実装基板の磁石の接合領域との間に溝が形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の光アイソレータ。
【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。
【背景技術】
【０００２】
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、平板状の実装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５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、平板状の実装基板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。
【特許文献１】特開平１０−２２７９９６号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら図５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、平板状の実装基板２０上に配置した光アイソレータ１５においては、これら各光学素子２１と平板状の実装基板２０、あるいは磁石１９と平板状の実装基板２０との接合方法の記載がなく、その接合方法によっては光学素子の脱落、クラック接合強度の低下、光学特性の劣化が発生するという問題がある。
【０００９】
具体的には、単一の実装基板２０の表面という狭小領域に光学素子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、磁石１９の熱膨張係数が光学素子２１に対して大きいため、隣接する光学素子２１に影響し、引っ張りの応力を発生させることが一つの原因である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、ファラデー回転子及び偏光子を含む光学素子と磁石とが、平板状の実装基板上面に接合剤を介して一体化されている光アイソレータにおいて、前記接合剤が実装基板上面で光学素子と接合する領域と磁石と接合する領域とに分離されており、前記光学素子と前記実装基板との間には、前記ファラデー回転子，前記偏光子および前記実装基板のいずれか小さい方の熱膨張係数以下の熱膨張係数を有する接合剤を介在させ、前記磁石と前記実装基板との間には、前記磁石および前記実装基板のいずれか小さい方の熱膨張係数以下の熱膨張係数を有する接合剤を介在させていることを特徴とする。 
【００１４】
また、前記接合剤が低融点ガラスからなることを特徴とする。
【００１５】
さらに、前記実装基板の光学素子の接合領域と、前記実装基板の磁石の接合領域との間に溝が形成されていることを特徴とすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の構成によれば、磁石と光学素子を共通の実装基板に高温にて溶融、接合する接合剤を用いて接合する構成の光アイソレータにおいて、磁石を接合する接合剤と、光学素子をする接合剤は互いに接触しない構成とするとともに、光学素子と実装基板との間には、ファラデー回転子，偏光子および実装基板のいずれか小さい方の熱膨張係数以下の熱膨張係数を有する接合剤を介在させ、磁石と実装基板との間には、磁石および実装基板のいずれか小さい方の熱膨張係数以下の熱膨張係数を有する接合剤を介在させていることで、光学素子への応力を緩和することができ、光学素子の特性劣化、クラック、脱落の課題を解決することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。
【００１８】
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る。
【００１９】
図に示すように、本発明の光アイソレータ１０は、上面に接合剤５ａ、５ｂを形成した実装基板６と、偏光子３、ファラデー回転子２、偏光子４からなる光学素子１と、磁石７とから成り、磁石７は接合剤５ａを介して実装基板６と接合され、光学素子１は接合剤５ｂを介して実装基板６と接合されている。
【００２０】
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。
【００２１】
光学素子１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１の底面は実装基板６上に精度良く低融点ガラス５ｂを介して接合されている。
【００２２】
接合剤５ａ、５ｂには低融点ガラスが用いられ、それらは同一の材料かあるいは異なる組成材料でもよく、ガラス材であるＳｉＯ２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、実装基板６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、あるいは実装基板６の上面の５ａ、５ｂの領域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。このように実装基板６上に形成された低融点ガラス５ｂと光学素子１、低融点ガラス５ａと磁石７をそれぞれ密着させたまま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。
【００２３】
次に光アイソレータ１０の光学素子１とこれらの構成について説明する。
【００２４】
偏光子３の透過偏波方向は、実装基板６の上面と平行な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の透過偏波方向は、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、実装基板６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。
【００２５】
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。
【００２６】
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、また実装基板６の上面に精度良く設置する。
【００２７】
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り、磁石７がファラデー回転子２の両脇に配置されている。
【００２８】
磁石７の材料としては、例えばサマリウムコバルトからなる材料が適している。磁石７は光学素子１の両側に配置されており、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、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度回転させるだけの磁界強度を有する。また、磁石の形状はこれに限ることもなく、ファラデー回転子に所定の磁界強度を満足すれば、１個でも良く、その形状も限定されない。
【００２９】
ここで、ファラデー回転子２の熱膨張係数は約１０×１０−６／℃であり、偏光ガラスの熱膨張係数は約６．５×１０−６／℃であり、また磁石７の熱膨張係数は約１３×１０−６／℃であり、これらの熱膨張係数の異なる部材を共通の実装基板６に堅固に実装し、かつ所望の光学特性を得るために本発明は考え出されたものである。すなわち、本発明の構成は実装基板６に形成する接合剤５ａと５ｂが互いに接触していないため、磁石７による引っ張り応力が光学素子１、特にファラデー回転子２にかかることなく、良好な特性を示すこと発明した。
【００３０】
ここで、より強固な接合状態を得るためには、最適な熱膨張係数を有する低融点ガラスを用いる方がよい。ファラデー回転子２及び接合剤５に生じる応力は、接合剤５を介した磁石７による引っ張りだけではなく、接合剤５自身の熱収縮も原因となり得る。低融点ガラスを用いる場合は、この材料特性として引っ張り応力に弱く、引っ張り応力がかかった状態ではガラスの破断が発生し接合強度の劣化につながるため、接合する部材同士の内、一番熱膨張係数が小さい部材にあわせるか、それ以下の熱膨張係数を有する低融点ガラスを介在することが接合強度の点から望ましい。そのため、ファラデー回転子２と実装基板６の接合には、ファラデー回転子２と実装基板６のいずれか熱膨張係数が小さい方と同じかそれ以下の熱膨張係数を有する接合剤低融点ガラスを介在することが望ましい。これは後述の通り、光アイソレータの特性を左右するファラデー回転子への残留応力の点からも好ましい。また、磁石７と実装基板６の接合には、磁石７と実装基板６のいずれか熱膨張係数が小さい方と同じかそれ以下の熱膨張係数を有する低融点ガラスを介在することが望ましい。このように選択した結果、接合剤５ａと接合剤５ｂで異なる材料配合の低融点ガラスを用いてもよい。
【００３１】
図２は本発明の効果について説明した断面図である。
【００３２】
図２は図１に示す磁石とファラデー回転子を通る断面Ａ−Ａ断面を示した図で、図２（ａ）は接合剤５が実装基板６の全面に形成され、磁石７とファラデー回転子２が共に接合剤５により固着されている様子を示す。図２（ｂ）は接合剤５ａ、５ｂが実装基板６上で互いに接触せずに別領域に形成され、磁石７が接合剤５ａによって、光学素子１が接合剤５ｂにより固着されている様子を示す。ガラスは引っ張り応力に対して弱いので、接合相手との応力が許容範囲を超えないように熱膨張係数や固着温度を最適に設定しておく。
【００３３】
物体は温度の上昇により膨張し、温度の降下により収縮する。温度１℃の変化によって生じる単位長さあたりの収縮量を熱膨張係数といい、これをαで表す。各接合部における応力は、接合剤５、５ａ、５ｂの固着温度（ほぼガラス転移温度Ｔｇと等しい）付近で発生し始め、ここから温度が下がるほど各残留応力は大きくなる。図中の磁石７、ファラデー回転子２内の矢印は各部材が温度降下時に収縮する方向を示している。
【００３４】
また、光学素子１の内、ファラデー回転子２はその残留応力、特に引っ張り応力により、その消光比が大幅に低下することがわかっている。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。
【００３５】
以上の考察から、図２（ａ）の構成では、熱膨張係数が大きい磁石７が接合剤５の固着温度から常温への温度降下に伴い大きく収縮し、図中の矢印Ｆの方向に接合剤５を介してファラデー回転子２を引っ張るため、ファラデー回転子の消光比の低下や、低融点ガラス５にクラック発生という問題が生じる。これに対し本発明の図２（ｂ）では接合剤５ａと５ｂが分離しているため、磁石７の収縮に伴う影響をファラデー回転子２が受けにくい構成となっているために、ファラデー回転子２の特性低下や接合剤５のクラックが発生しにくくなる。
【００３６】
本発明は接合剤５ａ、５ｂとして低融点ガラスを用いた場合について説明したが、これに限ることはなく、常温より高い温度で硬化する接合剤、たとえば熱硬化型の樹脂接着剤や、ハンダ、ロウ材による接合についても同様の効果を得ることができる。特に本実施例で説明した低融点ガラス５を接合剤として用いた場合、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、または、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、等の効果が期待される。
【００３７】
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。
【００３８】
実装基板６に形成される接合剤５ａ、５ｂの間には、互いが接触しないように実装基板６に溝８が形成されており、溝８は、実装基板６の上面を横断して形成されており、２本の溝８に囲まれた平面には光学素子１が接合され、２本の溝８、８の外側の２平面に磁石が固定される構成としている。これにより、特に接合剤５ａ、５ｂの焼成時に発生しやすい接触による不良を確実に防止する効果がある。本実施例も第一の実施例と同様の効果を有し、磁石７からの引っ張り応力を光学素子１がさらに受けにくい構成である。
【００３９】
以上説明したように、本発明の構成によれば、磁石７と光学素子１を共通の実装基板６に高温にて溶融、接合する接合剤を用いて接合する構成の光アイソレータにおいて、磁石７を接合剤５ａで、光学素子１を接合剤５ｂで接合し、接合剤５ａと接合剤５ｂとは互いに確実に接触しない構成とすることで、光学素子１への応力を緩和することができ、光学素子の特性劣化、クラック、脱落の課題を解決することができる。
【実施例１】
【００４０】
本発明の実施例として、磁石と実装基板の接合剤と、光学素子と実装基板の接合剤を、熱膨張係数の異なる材料で試作した本発明の光アイソレータＣを試作し、図２（ｂ）に示した光アイソレータＢと接合強度と特性の比較を行った。各部品と構成について以下に説明する。
【００４１】
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。偏光子の熱膨張係数は６．５×１０−６／℃である。
【００４２】
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。ファラデー回転子の熱膨張係数は１０×１０−６／℃である。
【００４３】
光アイソレータＢ、Ｃとも実装基板材料にジルコニア基板を用い、その上面に低融点ガラスをあらかじめ塗布しておく。ジルコニアの熱膨張係数は１０．５×１０−６／℃であり、ファラデー回転子の熱膨張係数とほぼ同じであり、ファラデー回転子に実装基板からの応力の影響を受けない構成とした。光アイソレータＢは、磁石と実装基板の接合、及び光学素子と実装基板の接合に、８×１０−６／℃の熱膨張係数の１種類の低融点ガラスを用いた。光アイソレータＣは、磁石と実装基板の接合には実装基板のジルコニアより若干
熱膨張係数が小さい９．５×１０−６／℃の低融点ガラスを用い、光学素子と実装基板の接合には光学素子の内、熱膨張係数の小さい偏光子の熱膨張係数６．５×１０−６／℃より若干熱膨張係数が小さい６．０×１０−６／℃の低融点ガラスを用い、以上２種類の低融点ガラスを用いた。
【００４４】
実装基板のサイズは幅Ｗ＝３ｍｍ、長さＤ＝１．５ｍｍ、厚みｔ＝０．３ｍｍで、光アイソレータＢに用いる実装基板Ｂは、そのほぼ中央部に幅Ｗ＝１ｍｍ、長さＤ＝１．５ｍｍの第一の低融点ガラスを塗布し、第一の低融点ガラス領域の両側に幅Ｗ＝０．８ｍｍ、長さＤ＝１．５ｍｍの第二の低融点ガラスを塗布し、第一の低融点ガラスと第二の低融点ガラスは約０．２ｍｍの幅で分離されている。磁石は幅Ｗ＝０．８ｍｍ、長さＤ＝１．４ｍｍ、厚みＴ＝１．４ｍｍの略直方体の磁石を２個用いた。
【００４５】
光アイソレータＢ、Ｃとも試作条件は同じくし、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、および磁石を実装基板に接合した。接合は、低融点ガラスの溶融温度３８０度、１分で焼成した。
【００４６】
表１は試作した５個の光アイソレータのアイソレーション特性、磁石と実装基板の圧縮せん断強度、光学素子と実装基板の圧縮せん断強度、とその平均値を示す。圧縮方向は光軸Ｚの方向とした。
【表１】
0004666931.tif 000002
【００４７】
光アイソレータＣのアイソレーション特性は、光アイソレータＢに対して４ｄＢほど劣るものの、一般的なアイソレーション特性３５ｄＢ以上をクリアしている。また接合強度の点では、磁石および光学素子ともその接合強度は光アイソレータＢに対して平均値で３．６〜４．２Ｎ／ｍｍ２ほど大きくなり、本発明による接合強度の改善が確認できた。
【００５０】
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。
【実施例２】
【００５１】
光アイソレータの熱応力の数値解析を行った。解析条件としては、ファラデー回転子２の熱膨張係数を１０．０×１０−６（１／℃）、偏光子３、４の熱膨張係数を６．３４×１０−６（１／℃）、磁石５の熱膨張係数を光軸方向を６．５×１０−６（１／℃）、光軸と垂直方向を１３．０×１０−６（１／℃）、接合剤５の熱膨張係数を９．０×１０−６（１／℃）及び６．０×１０−６（１／℃）の二種類、接合剤５の融点を３８０℃とし、２０℃まで温度を下げた際の熱応力を見た。この時の実装基板６の材質をアルミナとし、その熱膨張係数を７．１×１０−６（１／℃）とした。
【００５２】
解析のパターンとしては、図２（a）の光アイソレータで接合剤５の熱膨張係数が９．０×１０−６（１／℃）（パターン１）、図２（a）の光アイソレータで接合剤５の熱膨張係数が６．０×１０−６（１／℃）（パターン２）、図２（ｂ）の光アイソレータで接合剤５の熱膨張係数が９．０×１０−６（１／℃）（パターン３）、図２（ｂ）の光アイソレータで接合剤５の熱膨張係数が６．０×１０−６（１／℃）（パターン４）の４パターンについて解析を行った。解析結果を表２に示す。また、パターン１、２についての応力分布を図４に示す。
【表２】
0004666931.tif 000003
【００５３】
以上の解析より、接合剤５の熱膨張係数が低い方がファラデー回転子への応力が低くなることがわかった。この場合も、図２（ｂ）に示される接合剤５ａ、ｂの分離は、ファラデー回転子２の応力低減に有効であり、クラックや特性劣化に効果があることが確認できた。
［図面の簡単な説明］ 
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【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】本発明の効果について説明する断面図である。
【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】応力解析結果の応力分布の斜視図である。
【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】
【００６１】
１、２１：光学素子
１０、１１、１５：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：接合剤
６、２０：実装基板
７、１９、２２：磁石
８：溝
【図１】
0004666931.tif 000004
【図２】
0004666931.tif 000005
【図３】
0004666931.tif 000006
【図４】
0004666931.tif 000007
【図５】
0004666931.tif 000008