(57)【要約】【課題】光アイソレータを半田により設置用装置に接合したとしても、その接合時にファラデー回転子にかかる熱応力歪みを低減させることによって、逆方向損失の低下を抑制して安定した光学特性を得ることができ、高品質で信頼性の高い光アイソレータを実現する。【解決手段】  各光学素子を取り付け基板に設置して形成した光アイソレータの、取り付け基板の光学素子設置面と反対側の面上に、半田接合用の金属膜層を部分的な領域にのみ形成し、更に、前記金属膜層と対向するように半田材を配置して前記光アイソレータを設置用装置に設置し、前記半田材を加熱することによって前記光アイソレータを前記設置用装置に接合する。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２枚以上の偏光子と１枚以上のファラデー回転子の各光学素子が取り付け基板の面上に設置されて成る光アイソレータにおいて、取り付け基板の光学素子設置面と反対側の取り付け基板の面上に半田接合が可能な金属膜層が部分的な領域にのみ形成されることによって、前記反対側の取り付け基板の面上に半田接合が可能な金属膜層を有しない非形成領域が残存され、前記金属膜層と対向するように半田材を配置させて前記光アイソレータの設置用装置に設置されると共に、前記半田材が加熱されることにより前記設置用装置に接合されることを特徴とする光アイソレータ。
【請求項２】
請求項１記載の光アイソレータにおいて、前記反対側の取り付け基板の面上に形成される前記半田接合が可能な金属膜層の平面形状が円形状であり、その中心点が前記取り付け基板に対する前記ファラデー回転子の設置面における中心位置に対応されることを特徴とする光アイソレータ。
【請求項３】
請求項１又は２のいずれかに記載の光アイソレータにおいて、前記取り付け基板がフェライト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、銅タングステン合金、タングステン、酸化物セラミックスの何れか１つの材料から成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、主として光通信システム等に用いられる光通信モジュール、半導体レーザモジュール、光増幅器等のパッシブ光デバイスとして好適な光アイソレータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光アイソレータは、光ファイバを使用した光通信システムにおける主要デバイスの１つであり、光通信モジュール、半導体レーザモジュール、光増幅器等において、光路系の光部品からの反射によるレーザダイオード光源側への戻り光の防止や、光増幅器内部での光の共振の発生を防止するために用いられている。このような光アイソレータは、レーザダイオード光源と光ファイバとの間、或いは２本の光ファイバの間に配置され、２枚の偏光子（その内の一方は検光子とも云う）とファラデー回転子の各光学素子を組み合わせると共に、ファラデー回転子の近傍にファラデー回転子を飽和磁化させるためのマグネットを配置して成るものである。
【０００３】
具体的な偏波依存型の光アイソレータの構造を説明すると、例えばいわゆる「一段型」と呼ばれる光アイソレータの場合は、２枚の偏光子を互いの偏光方向の相対角度が約45度異なるように対面配置させると共に、それらの偏光子の間に、飽和磁場内で所定の波長においてファラデー回転角が約45度となる厚みを有するファラデー回転子を１枚配置させて成るものであり、順方向の光を透過させ、一方で逆方向の光には高損失の特性（逆方向損失）を持たせて遮断させる作用を有するものである。
【０００４】
昨今、これら光アイソレータに対して、小型化及び量産化による低価格化が強く望まれるようになり、このような要求に応じる方策として製造における組立工数の減少や、或いは各光学素子間の光学調整の作業を軽減させる手段が種々考案されている。その方策の１つとして、平板状の偏光子とファラデー回転子と直方体状のマグネットとを平板状の取り付け基板の面上に設置した構造の光アイソレータが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開平１０−２２７９９６号（第２−４頁、第１図）
【０００５】
図５は、このような光アイソレータ100の一例を示す斜視図である。まず、光アイソレータ100の組立前に、所定方向に偏光方向が設定されるように偏光子1aと、45度ファラデー回転子２（以下、必要に応じて単にファラデー回転子と記す。）と、順方向においてファラデー回転子２の回転方向に偏光子1aと45度異なるように偏光方向を設定された偏光子1b（検光子とも云う。）の各光学素子を平板状に切り出す。更に、偏光子1a、1bとファラデー回転子２の側面（光学面を除く面）に、真空蒸着法によりCrの膜層を形成した後、更にその上にAuの膜層を形成して、半田付けによる接合が可能なような金属膜層を形成する。
【０００６】
一方、平板状の取り付け基板４の一面及び直方体のマグネット３、３の一面には、湿式法によりNi/Auの金属膜層が形成され、半田付けが可能な状態とする。そして、半田材を用いて一定温度の還元雰囲気中にて、各光学素子及びマグネット３、３を取り付け基板４に接合する。その後、光アイソレータ100における光入射方向と平行にマグネット３、３を着磁する。以上により、光アイソレータ100が構成される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記の光アイソレータ100を、光ファイバやレンズ等と云った光部品と光結合させるためには、例えば図６に示すように、光アイソレータの設置用装置（図６では設置用装置の一例として取り付け台５を示す。）に光アイソレータ100を接合させることが一般的に行われている。その接合方法としては、取り付け基板４と取り付け台５との間に図示しない半田材を配置させてその半田材を溶融固化させることにより接合する方法が多く用いられる。
【０００８】
しかしながら、取り付け基板４と取り付け台５とを半田接合させるために、取り付け基板４の光学素子設置面4aと反対側の取り付け基板の面4b上に、その面4b上の全領域に亘って半田接合用の金属膜層を形成して半田接合を行うと、接合後に光アイソレータ100の逆方向損失が著しく低下してしまうという問題があった。特に、取り付け基板４と取り付け台５との材料が異なり、且つ、取り付け基板４の熱膨張係数に対して取り付け台５の熱膨張係数が著しく小さい場合に顕著に逆方向損失が低下するという問題があった。
【０００９】
そこで、本発明は上記各課題に鑑みて成されたものであり、その目的は光学素子を取り付け基板の面上に設置して成る光アイソレータを、その取り付け基板を半田により設置用装置に接合したとしても、その接合時にファラデー回転子にかかる熱応力歪みを低減させることによって、逆方向損失の低下を抑制して安定した光学特性を得ることができ、高品質で信頼性の高い光アイソレータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するために、本発明の請求項１記載の光アイソレータは、少なくとも２枚以上の偏光子と１枚以上のファラデー回転子の各光学素子が取り付け基板の面上に設置されて成る光アイソレータにおいて、取り付け基板の光学素子設置面と反対側の取り付け基板の面上に半田接合が可能な金属膜層が部分的な領域にのみ形成されることによって、前記反対側の取り付け基板の面上に半田接合が可能な金属膜層を有しない非形成領域が残存され、前記金属膜層と対向するように半田材を配置させて前記光アイソレータの設置用装置に設置されると共に、前記半田材が加熱されることにより前記設置用装置に接合されることを特徴とする光アイソレータである。
【００１１】
更に、本発明の請求項２記載の光アイソレータは、前記反対側の取り付け基板の面上に形成される前記半田接合が可能な金属膜層の平面形状が円形状であり、その中心点が前記取り付け基板に対する前記ファラデー回転子の設置面における中心位置に対応されることを特徴とする光アイソレータである。
【００１２】
更に、本発明の請求項３記載の光アイソレータは、前記取り付け基板がフェライト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、銅タングステン合金、タングステン、酸化物セラミックスの何れか１つの材料から成ることを特徴とする光アイソレータである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の光アイソレータに依れば、取り付け基板の光学素子設置面と反対側の取り付け基板の面上に形成する半田接合が可能な金属膜層を部分的な形状及び領域に限定することにより、光アイソレータの取り付け基板と設置用装置の材料が異なり、互いの熱膨張係数差に開きがあったとしても、光アイソレータの取り付け基板を設置用装置に半田接合する際にファラデー回転子に生ずる熱応力歪みを低減させることが可能となる。従って、設置用装置に接合後であっても逆方向損失の低減が抑制され光学特性の安定した光アイソレータを実現することができる。
【００１４】
更に、部分的な領域に形成される半田接合が可能な金属膜層の平面形状を円形状とし、その円形状の中心点を取り付け基板に対するファラデー回転子の設置面における中心位置に対応させることによって、ファラデー回転子に加わる熱応力の方向を、中心位置を起点とした同心円状に等方向とすることができる。従って、熱応力が等方向に円状に同等の大きさを以て均等にファラデー回転子に加わるので、ファラデー回転子に生ずる熱応力歪みを低減させることが可能となる。
【００１５】
更に、取り付け基板の材料をフェライト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、銅タングステン合金、タングステン、酸化物セラミックスの何れか１つとすることにより、取り付け基板の熱膨張係数を各光学素子の熱膨張係数に近似させることができるため、熱膨張係数差に起因した半田接合時の熱応力歪みをより一層低減させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明に係る光アイソレータの実施の形態について、図１〜図４を参照して詳細に説明する。図１は本発明の光アイソレータの外観を示す斜視図であり、図２は図１を矢印Ｕ方向から見たときの光アイソレータの平面図であり、図３は図１の光アイソレータの取り付け基板における光学素子設置面と反対側の面上に形成された半田接合が可能な金属膜層の平面形状の一例を示す平面図であり、図４は図３の半田接合が可能な金属膜層の中心点と、取り付け基板に対するファラデー回転子の設置面における中心位置との相対位置関係を示す概略斜視図である。なお、従来の光アイソレータ100と同一箇所には同一番号を付し、重複する説明は省略若しくは簡略化して記述する。
【００１７】
取り付け基板４の一面4aには半田接合が可能なように金属膜層が成膜、形成される。光学素子設置面4aにおける金属膜層の形成領域は、少なくとも前記各光学素子及びマグネット３、３が設置される領域以上の大きさとする。
【００１８】
次に、偏光子1a、1b及びファラデー回転子２の側面（光学面を除く面）に半田接合が可能なように、スパッタリング法及びマスキング法を使用して図示しない金属膜層を形成させ、その上に蒸着法により図示しない半田層が形成される。
【００１９】
偏光子1a、1bは平板状のガラス製偏光子であり、ガラス基板に誘電体粒子を内包するタイプや、ガラス基板上に誘電体を積層させるタイプ等があり、何れも偏光方向に対して直交する偏光方向の入射光を吸収・遮断する作用を有していて、例えばコーニング社製「商品名ポーラコア」などを用いることができる。
【００２０】
一方、ファラデー回転子２は、液相エピタキシャル成長法（LPE法）により作製したビスマス置換希土類鉄ガーネット等の単結晶板等が用いられ、光入射方向に飽和磁場が印加されている場合に、入射光の偏光方向を光軸回りに正確に45度回転させるために、光の進行方向に対して所定の厚さを有するように構成されている。
【００２１】
そして、取り付け基板４の面4a上に、光入射方向（図１、図２における矢印Ｉ方向）から順に、偏光子1a、ファラデー回転子２、偏光子1bの順でそれぞれの側面の１辺を基準として各光学素子が設置される。その際、各偏光子1a、1bは互いの偏光方向が相対的に45度異なるように配置される。更に、図２に示すように各光学素子は光入射方向に対して所定の傾き角θを有するように前記面4a上に設置される。傾き角θを有するように斜めに各光学素子が設置されることによって、各光学素子の光学面で反射した光がレーザダイオード光源に戻ることを防止できる。
【００２２】
次に、前記面4a上に各光学素子を配置した状態で、各光学素子及び取り付け基板４を電気炉内に挿入して、不活性気体中において、半田層の溶融温度以上の温度に加熱することにより各光学素子の側面に形成させた半田層が溶融して、取り付け基板４と各光学素子とが接合される。半田層が溶融している間、各光学素子には一定の荷重をかける。そして、半田層の溶融固化時に各光学素子（特にファラデー回転子２）と取り付け基板４との接合部で発生する、熱応力歪みによる光学素子の特性劣化を防止するために、溶融固化後は各光学素子及び取り付け基板４を共に室温まで徐々に冷却する。なお、不活性気体は還元雰囲気である窒素などが好ましい。
【００２３】
次に、直方体状のマグネット３、３の一面に湿式法により金属膜層を形成させると共に、その金属膜層上に更に半田層を形成させ、その後、前記面4a上にマグネット３、３を配置し、前記電気炉内で前記半田層を溶融させて取り付け基板４にマグネット３、３を接合させる。接合後にマグネット３、３を光入射方向と平行に着磁して、光アイソレータ１を得る。
【００２４】
マグネット３、３は、例えばサマリウムコバルト（Sm-Co）系マグネットやネオジ（Nd-Fe-B）系マグネット、フェライトマグネットなどを用いることができるが、特にサマリウムコバルト系マグネットは高い磁気特性が得られるため小型化に適しており、又、温度安定性及び対酸化性に優れているので最適である。
【００２５】
又、取り付け基板４を構成する材料としては、フェライト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、銅タングステン合金、タングステン、酸化物セラミックスの何れか１つの材料が挙げられる。特に、塑性材料であるステンレス鋼SUS430（磁性材料）を使用することが望ましい。SUS430は非磁性材料ではないものの磁場の影響を受けにくく、又、前記各光学素子と非常に近似値の熱膨張係数を有することから光学素子を設置する基板材料として最適である。又、比較的熱膨張係数が大きい塑性材料のステンレス鋼SUS304（非磁性材料、熱膨張係数：約16×10-6/℃）も使用することができる。又、低い熱膨張係数を有する材料で上記ステンレス鋼以外の塑性材料として、タングステン鋼やタングステン合金（例えばCu20W80）なども好適である。又、脆性材料であるジルコニアセラミックス、アルミナセラミックス等の酸化物セラミックスを使用しても良い。特にジルコニアセラミックスは、高靱性、高剛性及び高強度、高候性であり、かつ熱的環境変化に強く、更に、その熱膨張係数（9.2×10-6/℃）が偏光子1a、1bとファラデー回転子２の熱膨張係数の中間の値であるため望ましい。
【００２６】
前記金属膜層の構成としては、Cr/Pt/Auの３層から成るものが好適である。第１層に形成するCr層は、光学素子との密着力を確保するために形成され、第２層に形成されるPt層は、前記半田層の拡散を防止するために形成される。そして、第３層に形成されるAu層は、半田層の濡れ性を促進させ、半田層に対する接合層を形成し、安定した半田付けが可能となる。なお、金属膜層は十分な密着強度を確保することができれば良いので、Cr/Pt/Auに限らずCr/Ni/AuやTi/Pt/Au等の別構成の金属膜層を用いても良い。又、Ni/Auの金属膜層であっても構わない。
【００２７】
又、前記半田層には、例えばAu/Snを用いることが可能であり、蒸着法により成膜形成されるAu/Sn膜は、蒸着材料であるAu/Sn共晶半田（80％/20％）の融点（280度）とほぼ同じである。そして、厚みは約５μmに設定する。なお、半田層はAu/Snに限らず、Au/Snより溶融温度が高い半田層としてAu/Ge等の別の組成の共晶半田材料を用いることも可能である。なお、前記半田層に代わって半田泊を前記金属膜層上で溶融固化させ、各光学素子及びマグネット３、３を前記面4a上に接合しても良い。
【００２８】
なお、偏光子1a、1bとファラデー回転子２の両光学面には、各光学素子間に介在する空気層と各光学素子との屈折率差によって生ずるフレネル反射を防止し、光アイソレータ１への光挿入損失を低減させるために、対空気層用の無反射コート（図示せず）を施しておくことが望ましい。
【００２９】
次に、光学素子設置面4aと反対側の取り付け基板４の面4b上には、図３に示すように面4bの全領域のうちの部分的な領域のみにおいて、半田接合が可能な金属膜層６がその平面形状を円形状とするように形成される。それ以外の面4b上の領域は前記金属膜層６が形成されないため、半田接合が可能な金属膜層を有しない非形成領域としてそのまま残存される。
【００３０】
前記金属膜層６の円形状における中心点Clと、取り付け基板４に対するファラデー回転子２の設置面2aにおける中心位置Cfとは、図４に示すように垂直方向においてほぼ同一線上に来るように位置決め対応される。
【００３１】
そして、光アイソレータ１は、前記金属膜層６と対向するように取り付け基板４と、図６に示すような設置用装置（取り付け台５）との間に、図示しない半田材を配置させて設置用装置に設置される。その後、光アイソレータ１及び設置用装置が局所的に加熱されることにより図示しない半田材が加熱されて溶融固化して、光アイソレータ１が設置用装置に接合される。
【００３２】
以上のように、面4b上に形成する半田接合が可能な金属膜層６を、面4bの全領域に亘らせず、部分的な形状及び領域に限定することにより、取り付け基板４と設置用装置の材料が異なり、互いの熱膨張係数差に開きがあったとしても、取り付け基板４を設置用装置に半田接合する際にファラデー回転子２に生ずる熱応力歪みを低減させることが可能となる。従って、設置用装置に接合後であっても逆方向損失の低減が抑制され光学特性の安定した光アイソレータを実現することができる。
【実施例】
【００３３】
次に、図１に示す本発明に係る光アイソレータ１と、比較のため図５に示す従来の光アイソレータ100とを製作し、その逆方向損失の特性比較を行った。なお、本実施例では、取り付け基板４の面4b上における半田接合が可能な金属膜層６領域の面積変化に伴う光アイソレータの逆方向損失の特性比較を行うことを目的とするため、光アイソレータ１と光アイソレータ100との構成上の相違点は前記面積変化のみとしている。従って、それ以外の相違点である、前記傾き角θの有無については光アイソレータ100の構成に合わせた。
【００３４】
まず、光アイソレータ１の構成について説明する。取り付け基板４にはステンレス鋼SUS430（熱膨張係数：約10.4×10-6/℃）を用い、厚さ0.25mmの平板を幅3.5mm×奥行き2.0mmに切り出して形成した。そして取り付け基板４の表面上に半田接合が可能なNi/Auメッキの金属膜層を湿式法により形成させる。その際、光学素子設置面4a上には前記Ni/Auメッキの金属膜層を全領域に亘って形成させ、一方の光学素子設置面4aと反対側の取り付け基板の表面4bには、φ1.7mmの円形状に前記Ni/Auメッキの金属膜層６を形成させ、φ1.7mmの円形状以外の同表面上にはNiメッキのみ残存するように、マスキング法を用いてシアン化カリウム溶液によりエッチングを行った。
【００３５】
次に、偏光方向が45度相互に異なるように設定された２枚の偏光子1a、1b（いずれも1.0mm角、厚さ0.2mm）と、45度ファラデー回転子２（1.0mm角、厚さ0.45mm）を用意し、これら各光学素子の側面上にCr/Pt/Auの金属膜層をマスキング法及びスパッタリング法を併用して形成させた。又、直方体状のマグネット３、３を用意し、その一面に湿式法によりNi/Auの金属膜層を形成して、半田付けが可能な状態とする。次に、これら各光学素子及びマグネット３、３を面4a上に配置させて一体化させ、その後マグネット３、３を着磁して光アイソレータ１を製作した。
【００３６】
一方、従来の光アイソレータ100の構成について説明する。光アイソレータ100と前記光アイソレータ１との構成上の相違点は、面4b上における半田接合が可能なNi/Auメッキの金属膜層６の形成領域の面積だけである。光アイソレータ100における面4b上でのNi/Auメッキの金属膜層６の形成領域は、面4b上の全領域に亘らせるものとする。その他の構成は同一なので記述を省略する。
【００３７】
なお、マグネット３、３は寸法が幅0.85mm×奥行き2.0mm×高さ1.4mmである、サマリウムコバルトマグネットを用いた。
【００３８】
以上のようにして製作した光アイソレータ１及び光アイソレータ100について、まず設置用装置に接合する前の光アイソレータ単体における逆方向損失のピーク値（評価波長範囲1550nm±30nm）を室温にて評価した。
【００３９】
その結果、逆方向損失のピーク値は、本発明に係る光アイソレータ１では43.0dBであり、従来の光アイソレータ100では44.2dBであった。
【００４０】
次に、２つの光アイソレータを、図６に示すような設置用装置の一例である取り付け台５に固定した上で、それぞれの逆方向損失のピーク値を測定した。まず、取り付け台５として、Fe-Ni-Co合金「商品名コバール」（熱膨張係数：約4.5×10-6/℃）を幅4.0mm×奥行き2.5mm×厚さ0.25mmの平板状に切り出したものを２個用意し、取り付け台５の片面5aに金属膜層及び半田層を成膜形成した。そして、片面5a上に光アイソレータ１又は光アイソレータ100を半田接合した後に、評価波長範囲1550nm±30nmにおいて逆方向損失のピーク値を室温にて評価した。
【００４１】
その結果、逆方向損失のピーク値は、本発明に係る光アイソレータ１では43.0dBであり、従来の光アイソレータ100では32.3dBであった。
【００４２】
以上から、本発明に係る光アイソレータ１は、配置用装置との半田接合面積を限定することにより、光アイソレータの取り付け基板の熱膨張係数と異なる熱膨張係数を有する材料から成る配置用装置との半田接合が行われたとしても逆方向損失の低減が防止され光学特性が安定していることが判明した。
【００４３】
更に、光アイソレータ１は、面4b上に形成される半田接合が可能な金属膜層の平面形状を円形状とし、その円形状の中心点Clを取り付け基板４に対するファラデー回転子２の設置面2aにおける中心位置Cfに対応させて形成されるため、ファラデー回転子２に加わる熱応力の方向を、中心位置Cfを起点とした同心円状に等方向とすることができた。従って、熱応力を等方向に円状に同等の大きさを以て均等にファラデー回転子に加えられるため、ファラデー回転子２への半田接合に伴う熱応力歪みの影響が見られていないことも判明した。
【００４４】
なお、上記実施の形態及び実施例では、１段型（偏光子２枚及び45度ファラデー回転子１枚）の光アイソレータの構成を例に取って説明したが、本発明はこの構成に限定されずいわゆる1.5段型（偏光子３枚及び45度ファラデー回転子２枚）であっても良いし、２段型（偏光子４枚及びファラデー回転子２枚）の光アイソレータであっても上記実施の形態及び実施例と同様の効果を得ることが出来る。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明の光アイソレータを光通信システム等に用いられる光通信モジュール、半導体レーザモジュール、光増幅器等のパッシブ光デバイスに利用することにより、レーザダイオード光源への戻り光の防止や、光増幅器内部での光の共振の発生を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の光アイソレータの外観を示す斜視図。
【図２】図１を矢印Ｕ方向から見たときの光アイソレータの平面図。
【図３】図１の光アイソレータの取り付け基板における光学素子設置面と反対側の面上に形成された半田接合が可能な金属膜層の平面形状の一例を示す平面図。
【図４】図３の半田接合が可能な金属膜層の中心点と、取り付け基板に対するファラデー回転子の設置面における中心位置との相対位置関係を示す概略斜視図。
【図５】従来の光アイソレータの一例を示す斜視図。
【図６】光アイソレータと設置用装置との接合状態を示す斜視図。
【符号の説明】
【００４７】
１             光アイソレータ
1a、1b         偏光子
２             ファラデー回転子
３             マグネット
４             取り付け基板
５             取り付け台
６             半田接合が可能な金属膜層
【図１】
2005070613.tif 000003
【図２】
2005070613.tif 000004
【図３】
2005070613.tif 000005
【図４】
2005070613.tif 000006
【図５】
2005070613.tif 000007
【図６】
2005070613.tif 000008