(57)【要約】 【課題】  高価な設備等を使用せずに製造可能な、薄型の光アイソレータを提供すること。【解決手段】  第一の偏光子１と、ファラデー回転子３と、第二の偏光子４とを光軸５上に順次配列した光アイソレータであり、第一の偏光子１の表面に、レンズ作用を有するステップ状回折素子２が形成され、かつステップ状回折素子２は膜の積層により形成される。またステップ状回折素子２を形成する各ステップ（階段形状の１つ）の幅を１μｍ以上とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の偏光子と、ファラデー回転子と、第二の偏光子とを光軸上に順次配列した光アイソレータにおいて、前記第一の偏光子、前記ファラデー回転子または前記第二の偏光子の少なくともいずれかの表面に、レンズ作用を有するステップ状回折素子が設けられ、かつ該ステップ状回折素子は膜の積層により形成された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、前記ステップ状回折素子を形成する各ステップの幅を１μｍ以上としたことを特徴とする光アイソレータ。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の光アイソレータにおいて、積層される前記膜の材質は、ＭｇＦ2、Ｔａ2Ｏ5、ＴｉＯ2、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＺｒＯ2、Ｓｉのいずれかであることを特徴とする光アイソレータ。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の光アイソレータにおいて、前記ステップ状回折素子は、第一の偏光子の表面に形成された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、順方向に伝搬する光束を低損失で透過させ、逆方向に伝搬する光束を遮断する光アイソレータに関し、特に逆方向に伝搬し光源に入射する光束を遮断するのに適した光アイソレータ関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光通信等に使用されている光アイソレータとしては、特許文献１で開示されたような光アイソレータがある。図８は従来例として、このデバイスの動作原理を示した光学的な模式図である。
【０００３】
図８において、１０１は第一の偏光子、１０２はレンズ、１０３はファラデー回転子、１０４は第二の偏光子、１０５は磁性体、１０６は光束、１０７は基板である。また１２０はレーザーダイオード、１２３はＳｉプラットフォームである。
【０００４】
図８において、レーザーダイオード１２０から射出したレーザービームは、レンズ１０２によってほぼ平行なビームとなって第一の偏光子１０１、ファラデー回転子１０３、第二の偏光子１０４を透過して射出する。図示しないが、第二の偏光子１０４を射出した後、ほぼ平行なレーザービームを収束させる為のレンズにビームは入射し、収束ビームとなって例えば光ファイバ端末の端面に入射するものである。
【０００５】
逆に光ファイバ端末から射出する光は、第二の偏光子１０４に入射する。第二の偏光子１０４では、偏光子１０４の透過方向に合致した方向の偏光は透過し、この透過方向に直交する方向の偏波は、第二の偏光子１０４にて吸収あるいは反射されて、ファラデー回転子１０３の方向には伝搬しない。第二の偏光子１０４を射出し、ファラデー回転子１０３に入射したビームは、その偏光方向を４５ｄｅｇ 回転させられた後に、第一の偏光子１０１に入射する。ここで第一の偏光子１０１の偏光透過方向は、ファラデー回転子１０３から射出したビームの偏光方向と直交するよう配置されている為、第一の偏光子１０１に入射したビームは、吸収または反射され、レーザーダイオード１２０には到達しない。すなわち、光ファイバ端末等から射出したビームは、レーザーダイオード１２０に到達しないよう遮蔽されることとなり、本デバイスは光アイソレータとしての機能を有するものである。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１５０８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが、本従来技術においては、以下に述べるような問題点があった。本従来技術では、第一の偏光子にレンズを形成する手段として、（１）半円レンズあるいはレンズアレイを接着剤で取り付ける方法、（２）酸化膜を低温ＣＶＤで形成しておき、その後レーザー加工あるいはエッチング加工で回折素子型レンズや屈折光学型レンズを形成する方法、（３）低融点ガラスを置き、これを金型で成形してレンズを形成する方法などが開示されている。
【０００８】
しかし、半円レンズあるいはレンズアレイを接着剤で取り付ける方法に於いては、取り付けられるレンズの厚みが数百μｍとなってしまい、レーザーダイオードモジュールの長さを短縮したい場合に障害となっていた。
【０００９】
また低温ＣＶＤで酸化膜を形成し、その後レーザーやエッチング加工で回折素子型レンズや屈折光学型レンズを形成する方法においては、ＣＶＤ及びレーザー加工、エッチングの為の設備が高価であるという欠点があった。
【００１０】
同様に低融点ガラスを金型で成形する方法においても、金型の加工及び成形の為の設備が高価であるという欠点があった。
【００１１】
すなわち、本発明の課題は、高価な設備等を使用せずに製造可能な、薄型の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】
上記に鑑みて第１の発明は、第一の偏光子と、ファラデー回転子と、第二の偏光子とを光軸上に順次配列した光アイソレータにおいて、前記第一の偏光子、前記ファラデー回転子または前記第二の偏光子の少なくともいずれかの表面に、レンズ作用を有するステップ状回折素子が形成され、かつ該ステップ状回折素子は膜の積層により形成されたことを特徴とする。
【００１３】
第２の発明は、第１の発明において、前記ステップ状回折素子を形成する各ステップの幅を１μｍ以上としたことを特徴とする。
【００１４】
第３の発明は、第１または第２の発明において、積層される薄膜の材質は、ＭｇＦ２、Ｔａ２Ｏ５、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、Ｓｉのいずれかであることを特徴とする。
【００１５】
第４の発明は、第１から第３のいずれかの発明において、前記ステップ状回折素子は、第一の偏光子の表面に形成されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
このように、本発明によれば、エッチング用設備や金型等の高価な設備を使用せずに、光軸方向に薄型の光アイソレータを提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態を図によって説明する。図１は、本発明の光アイソレータの光学的な模式図である。紙面の左右方向に光軸５が設定され、各光学素子の断面が描かれているが、光学図の慣例に従い、ハッチングは省略した。
【００１８】
第一の偏光子１の前方（左側）には、レンズの機能を有する回折素子２が形成されている。また３はファラデー回転子、４は第二の偏光子である。
【００１９】
この回折素子２は、入射ビームを収束させるレンズ機能を有する。回折素子２は、キノフォームと呼ばれる連続形状の回折素子を階段状の構造で近似したものである。キノフォームを階段状の構造で近似した場合の回折効率は、「回折光学素子入門」（オプトロニクス社、１９９７年発行）に詳しい。
【００２０】
上記のように、第一の偏光子１にレンズの機能を有する回折素子２を形成し、焦点距離が短く、開口数の大きなレンズの機能を果たす回折素子２を設けることにより、レーザーの直近に回折素子２並びに光アイソレータを置くことが出来、その結果、レーザーの射出光のスポット径を小さく抑え、かつ高い結合効率を得ることが出来る。また光源がシングルモードファイバなど、ビーム発散角が比較的小さいものである場合は、回折素子２を他の面に設けても、結合効率は劣化しない。
【００２１】
第一の偏光子１を透過したビームは、ファラデー回転子３に入射し、その偏波方向を４５ｄｅｇ 回転させられてファラデー回転子３を射出する。ファラデー回転子３を射出したビームは、第二の偏光子４に入射する。ここで第二の偏光子４の偏光方向は、ファラデー回転子３を透過したビームが透過するように、第一の偏光子１の偏光方向に対して４５ｄｅｇ 傾けて配置されている。
【００２２】
次に、回折素子２の構造について述べる。回折素子２はレーザーダイオードから射出したビームを収束ビームあるいはほぼ平行なビームに変換するようなレンズ機能を有している。
【００２３】
図２は、回折素子２の断面構造を表した図であり、中心線２１を含む切断面による模式的な断面図である。中心部からｍ番目の輪帯の半径ｒｍは次の式（１）で表される。
【００２４】
ｒｍ＝（ｍ2λ2＋２ｍλｆ）1/2 ・・・・・（１）
ただし、λは光の波長、ｆは回折素子の焦点距離である。
【００２５】
また各輪帯の間は、高さの異なる平面がステップ状（階段状）をなす形で構成される。このときの最深部の深さＬは、次の式（２）で表される。
【００２６】
Ｌ＝｛（ｐ−１）／ｐ｝｛λ／（ｎ−１）｝・・・・・ （２）
ただし、ｐは回折素子のレベル数、ｎは回折素子を構成する材料の屈折率である。
【００２７】
各輪帯の間をどの程度細かく分割するかによって、回折素子２における回折効率が変化する。ステップ数Ｎと回折効率ηとの関係は、以下の式（３）で表される。
【００２８】
η＝ｓｉｎｃ2（１／Ｎ）・・・・・（３）
【００２９】
本発明においては、この階段構造は、光学薄膜を積層することによって得られる。薄膜材料としては、通常、減反射コーティングに用いられている材料、ＭｇＦ２、Ｔａ２Ｏ５、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２等を用いることが出来る。また、Ｓｉも使用可能である。
【００３０】
これらの材料を薄膜として積層する手段としては、蒸着、スパッタ、高周波スパッタ、イオンビームスパッタ、イオンアシスト蒸着、イオンプレーティング等を用いることが出来る。これらの積層手段を使用し、回折素子の各段の形状を形成する為のマスクを用意して回折素子の各段毎に薄膜材料を積層していけば、所望の回折素子を光学素子上に形成することが出来るものである。
【００３１】
具体的には、回折格子の各段の形状に応じたマスクを用意しておく。まず最初に、再下段を形成した後、その上の段を形成する為のマスクで基板を覆った上で次の段を形成する。この工程を段数分繰り返すことにより、所望の回折素子構造を得るものである。このレンズ作用を有する回折素子が表面に形成された光学素子を従来技術と同様の方法により組み合わせて、本発明の光アイソレータを得る。
【実施例】
【００３２】
本発明の実施例として、図３に光学的な模式図で示す光アイソレータを作製した。図３は光軸を含む面で切断した断面図であるが、ハッチングは省略した。
【００３３】
第一の偏光子１１は吸収型の偏光素子（ポーラコア（登録商標））であり、その上面に回折素子１２を配設した。
【００３４】
回折素子１２は同心円状の構造であり、各輪帯が入射光に与える位相差により、入射する発散ビームを収束ビームとするレンズ作用を有する。焦点距離は１ｍｍとなるように輪帯の形状を決定した。また、アパーチャ（輪帯構造を有する部分）は、直径約２ｍｍとした。この回折素子１２は、第一の偏光子１１上の基板に、Ｔａ２Ｏ５を積層することにより形成される。なお、図３においては、回折素子１２の入射側はビームに垂直に配置され、収差を低く抑えると共に、射出側は他の光学素子と同様に傾斜させて、反射減衰量を確保した。ただし、第一の偏光素子の表面に直接、膜を積層して、回折素子を形成することも可能である。
【００３５】
１３は、永久磁石１３Ａと磁性ガーネット厚膜１３Ｂとからなるファラデー回転子であり、波長１５５０ｎｍの入射偏光の偏光方向を入射側から見て右回りに４５ｄｅｇ 回転させる機能を有する。
【００３６】
１４は第二の偏光子である吸収型の偏光素子（ポーラコア（登録商標））であり、その透過偏光方向は、第一の偏光子１の透過偏光方向に対し、入射側から見て右回りに４５ｄｅｇ 回転させた方向となっている。
【００３７】
図４は、本実施例の回折素子１２の断面構造を説明する為の図であり、１５は回折素子を構成する輪帯の半径、１６は隣り合う輪帯の間隔、１７は回折素子の溝の深さを表すものである。
【００３８】
次に、図３及び図４に基づき、本発明の光アイソレータの作用と作製方法について説明する。最初に回折素子１２を形成する各輪帯の寸法について述べる。各輪帯（階段状構造の最も高さの高い部分）の半径１５は、前述の式（１）に基づき決定される。また輪帯を形成する最深部の溝の深さ１７は、前述の式（２）によって決定される。表１、表２、表３、表４は、併せて、回折素子１２の各輪帯の頂部の半径、及び前の輪帯（内側の輪帯）との間隔の一覧である。
【００３９】
【表１】
2005215139.tif 000003
【００４０】
【表２】
2005215139.tif 000004
【００４１】
【表３】
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【００４２】
【表４】
2005215139.tif 000006
【００４３】
また、この回折素子は、Ｔａ2Ｏ5の膜を積層することによって得られる。Ｔａ2Ｏ5の膜を偏光子表面につける為に、Ｔａ2Ｏ5をスパッタにより成膜した。
【００４４】
成膜の際には、まず最初に最下層を形成する為に、基板全面にＴａ2Ｏ5を成膜した。その後、第二段を形成する為に、図５に示すように第一のマスク１８で基板を覆い、スパッタを行う。さらに第３段目を形成する為に、図６に示すように第二のマスク１９で基板を覆い、スパッタを行う。最後に最上部の第４段を形成する為に、図７に示すような第三のマスク２０で基板を覆い、スパッタを行う。また図示しないが、各マスクの位置決めは、顕微鏡を用いて行う。
【００４５】
第一のマスク１８、第二のマスク１９、第三のマスク２０はフォトレジストをフォトリソグラフィによってパターンニングしたものであるが、各マスクにおいて、輪帯の幅は１μｍ以上になるように設定されている。例えば、第１番目の輪帯から第８７番目の輪帯においては、隣り合う各階段構造の頂部の間隔が３０．９μｍ〜４．０μｍと４μｍ以上の値となっている。この場合、次の頂部までの階段構造を４分割としても、各々の段の幅は１μｍ以上確保できる。このように、各段の幅を１μｍ以上とすると、マスクの加工及び位置決めが容易であり、製造に適するが、１μｍ未満では製造には適さない。
【００４６】
また第８８番目の輪帯から第１８０番目の輪帯においては、隣り合う各階段構造の頂部の半径が４μｍ〜２．８μｍと２μｍ以上の値となっている。この場合、次の頂部までの階段構造を２分割とする。２分割とすれば、各々の段の幅は１μｍ以上確保できる。
【００４７】
各段の深さは、屈折率で決定される。Ｔａ2Ｏ5の場合、波長１５５０ｎｍにて屈折率が２．０８９であるので、階段構造を４分割とした場合、これより溝の最も深い部分は１．０７μｍとなる。階段構造が４分割の場合、最深部の深さ（μｍ）を３等分した値が、階段構造の各段の高さとなる。この場合は０．３６μｍとなる。
【００４８】
さらに階段構造が２分割の場合は、最深部の深さは０．７１μｍとなるが、２分割の階段構造を形成する為には、最下部の段差を形成する際、４分割する場合は遮蔽する部分にも、Ｔａ２Ｏ５を堆積させ、かつ４分割時の２段目の上部に段差を設けず、２段目の段差の上面全てにＴａ２Ｏ５を堆積させれば、最深部深さ０．７１μｍ、１段あたりの深さ０．３５μｍの２段構造を形成することが出来る。
【００４９】
本実施例の変形例としては、回折素子を形成する物質として、Ｔａ2Ｏ5の代わりに、ＭｇＦ2、ＴｉＯ2、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＺｒＯ2、Ｓｉのいずれかを用いてもよい。
【００５０】
これら６種の物質を用いた場合においても、焦点距離が等しければ、各輪帯の半径はＴａ2Ｏ5を用いた場合と同じである。形成物質の屈折率が変化することにより、各輪帯の溝深さが変化する。各物質を使用した場合の溝深さは表５のとおりである。
【００５１】
【表５】
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【００５２】
スパッタ装置など、使用する成膜装置の成膜スピード、成膜厚みの誤差等に応じて、成膜材料を選択することが可能である。また成膜方法についても、スパッタの他に、蒸着、高周波スパッタ、イオンビームスパッタ、イオンアシスト蒸着、イオンプレーティング等を用いても構わない。
【００５３】
また回折素子を形成する位置も、本実施例においては入射側に位置する第一の偏光子に形成したが、焦点距離を適宜調整し、ガーネット厚膜上、あるいは射出側に位置する第二の偏光子上に形成しても構わない。
【００５４】
また磁性ガーネット厚膜として、硬磁性を有する磁性ガーネットを使用し、磁性ガーネット厚膜に磁場を印可する永久磁石を省略しても構わない。
【００５５】
また本実施例においては、発散ビームを収束ビームとする機能を、１枚の回折素子に担わせたが、入射側及び射出側に１枚ずつ配置し、入射側の回折素子は、入射してきた収束ビームを平行ビームに変換する機能を有し、射出側の回折素子は、入射してきた平行ビームを収束ビームにする機能を有する、所謂２枚レンズ系の構成で用いても差し支えない。また、回折素子の屈折力を補う為に、ボールレンズやドラムレンズ等の球面レンズ、非球面レンズ、屈折率分布型レンズ等と組み合わせて使用しても差し支えない。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の光アイソレータを示す光学的な模式図。
【図２】本発明の光アイソレータに使用される回折素子の断面構造の説明図。
【図３】実施例の光アイソレータを示す光学的な模式図。
【図４】実施例の光アイソレータに用いられる回折素子の断面構造の説明図。
【図５】実施例の光アイソレータに用いられる回折素子の第２段目を形成する状態を示す断面図。
【図６】実施例の光アイソレータに用いられる回折素子の第３段目を形成する状態を示す断面図。
【図７】実施例の光アイソレータに用いられる回折素子の第４段目を形成する状態を示す断面図。
【図８】従来の光アイソレータを示す光学的な模式図。
【符号の説明】
【００５７】
１，１１，１０１    第一の偏光子
２，１２    回折素子
３，１３，１０３    ファラデー回転子
４，１４，１０４    第二の偏光子
５    光軸
１３Ａ    永久磁石
１３Ｂ    磁性ガーネット厚膜
１５    輪帯の半径
１６    隣り合う輪帯の間隔
１７    溝の深さ
１８    第一のマスク
１９    第二のマスク
２０    第三のマスク
２１    中心線
１０２    レンズ
１０５    磁性体
１０６    光束
１０７    基板
１２０    レーザーダイオード
１２３    Ｓｉプラットフォーム
【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】
2005215139.tif 000012
【図６】
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【図７】
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【図８】
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