(57)【要約】【課題】偏光板ホルダの材料がＮｉ−Ｆｅ合金からなる強磁性材料を用いたとしても、特性が劣化することがなく、クラック等の発生を抑えて長期使用が可能な光アイソレータを提供することを目的とする。【解決手段】円筒状磁石４と、円筒状磁石４の開口部内に配設されるファラデー回転子３と、円筒状磁石４の開口部の両端にそれぞれ配設されてファラデー回転子３を挟む一対の偏光板１、２を有している。また、偏光板１、２は接着剤１１で強磁性材料の円筒状ホルダ５、６に固定され、円筒状磁石４は非磁性材料から成る円筒状ケース８に内包して構成されている。この円筒状ホルダ５、６を４７〜６５質量％のＮｉを含有するＮｉ−Ｆｅ系強磁性材料で構成するとともに、円筒状ホルダ５、６と円筒状ケース８とがスポット溶接にて連結させた構成である。【選択図】図１
2005017862.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状磁石と、前記円筒状磁石の開口部内に配設されるファラデー回転子と、前記円筒状磁石の開口部両端にそれぞれ配設されてファラデー回転子を挟む一対の偏光板と、該偏光板が固定された強磁性材料から成る一対の円筒状ホルダと、前記円筒状磁石が内包された非磁性材料から成る円筒状ケースとから構成された光アイソレータにおいて、
前記円筒状ホルダを４７〜６５質量％のＮｉを含有するＮｉ−Ｆｅ系強磁性材料で構成するとともに、該円筒状ホルダと円筒状ケースとがスポット溶接にて連結されていることを特徴とする光アイソレータ。
【請求項２】
上記スポット溶接が３点以上であることを特徴とする請求項１記載の光アイソレータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信機器や光計測用センサー等に使用され、光源から発した光が光学系の端面で反射し、光源に戻るのを防止するための光アイソレータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体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、光ファイバを透過する際、反射や散乱を起こす。この反射や散乱した光の一部は光源側に戻り、この戻り光が半導体レーザの活性層に入射すると、発振波長や出力が変動してしまう。そのために、高速・高密度信号伝送などの信頼性の高い光通信や高精度の光計測を行うためには戻り光を防ぐことが不可欠となり、従来から、反射戻り光を除去する手段として光アイソレータが用いられていた。上記光アイソレータの基本的な原理説明を図４（ａ）（ｂ）を用いて説明する。
【０００３】
この光アイソレータは、図４（ａ）に示すように、入射光が偏光子Ｘを通過した後、ファラデー回転子Ｙによって、その偏光面が４５度回転し、更に、偏光子Ｘに対して、４５度（図において反時計方向）傾いた偏光面を有する検光子Ｚを通過する。また、図４（ｂ）に示すように、上記入射光とは逆方向の反射戻り光Ｒは、偏光子３に対して偏光面が一致した成分のみが偏光子Ｚを通過し、この後、上記ファラデー回転子Ｙによって、その偏光面が更に４５度（入射方向から見て反時計方向）回転する。従って、ファラデー回転子Ｙを通過した反射戻り光Ｒは、偏光子Ｘに対して、その偏波面が９０度回転していることとなり、入射側に到達することができなくなる。
【０００４】
以上より光アイソレータは一方向からの光は通過させ、逆方向の光の通過を阻止する機能を果たす。
【０００５】
従来の光アイソレータは例えば特許文献１に開示されており、その構造を図３に示す。図３は光アイソレータの光軸を含む面で切断した断面図を示す。
【０００６】
図に示すように従来の光アイソレータは、偏光子又は検光子からなる偏光板１、２が偏光板ホルダ５、６にそれぞれ接着剤１１で固定され、特に偏光板ホルダ６はファラデー回転子３が取り付けられたファラデー回転子ホルダ７と共に接着剤１１で固定されている。
【０００７】
また、円筒状磁石４がファラデー回転子３及びファラデー回転子ホルダ７を内包するように配置されており、この円筒状磁石４の両端開口に偏光板ホルダ５、６がそれぞれ当接して配置する構成となっていた。
【０００８】
さらに、偏光板１、２、ファラデー回転子３及びファラデー回転子ホルダ７が偏光板ホルダ５、６とで内包するように非磁性のケース８０、９、１０が設けられている。
【０００９】
そして、このような構造の光アイソレータを製造する場合には、使用する偏光子１、検光子２が小さいために、偏波面の角度調整並びに固定作業が行い易いように、予め、透光孔が形成された一対の偏光板ホルダ５、６に偏光板１、２をそれぞれ固定しておき、この偏光板ホルダ５、６を円筒状磁石４の両端で回転して角度調整を行い、その状態で偏光板ホルダ５、６と円筒状磁石４とを固定するように構成されている。これにより、光アイソレータが作製される。
【００１０】
ところで、従来の光アイソレータの作製に関しては、例えば偏光板１、２と偏光板ホルダ５、６の接合固定には有機接着剤が用いられていた。
【００１１】
しかしながら、近年、光アイソレータが光伝送系の光通信部品として頻繁に用いられており、この技術分野に光アイソレータを用いると、温度変化等により接着層に発生する膨張、収縮の問題や水分の吸収による接着力が低下して光学特性が劣化し、長期的信頼性の要求に応えられなくなることも知られていた。
【００１２】
特に、精度良く作製された光アイソレータであっても、温度変化が激しい使用条件下では接着層に収縮を起こし易く光学特性が劣化するものである。
【００１３】
このため、温度変化に対応し光学特性の劣化やクラック発生等の問題を防止すべく、偏光板ホルダ５、６やファラデー回転子ホルダ７の選択については、光学素子、半田や低融点ガラスとの熱膨張係数のマッチングが良いものを選択条件としてきた。
【００１４】
一方、偏光板ホルダ５、６やファラデー回転子ホルダ７の選択は熱膨張のマッチングだけでなく材料の強度、信頼性、加工性や半田や低融点ガラスとのぬれ性等も条件として選択する必要もある。
【００１５】
これらの材料の選択にあたって、偏光板ホルダ５、６は円筒状磁石４の両端に配置するので、磁力に影響を与えないためにも非磁性材料を用いることが行われている。
【００１６】
ところが、これらの条件を全て満足する材料が、必ずしも非磁性材料の中にあるとは限らず、実際にはレンズや光学素子を低融点ガラスや半田で固定するために上記の条件をほぼ満足して広く用いられている偏光板ホルダの材料がＮｉ−Ｆｅ合金からなる強磁性材料になってしまう。
【００１７】
【特許文献１】
特開平６−２４２４００号公報
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年、光アイソレータ内臓ＬＤモジュールを搭載するトランシーバー装置の小型化や消費電力の省エネルギー化により、ＬＤモジュールも小型化や、消費電力の低減が求められている。
【００１９】
これに伴い、光アイソレータのファラデー回転子も印加磁界の強度変化の影響がさらに大きくなり、特に、光学素子を固定する金属製ホルダの材質に高透磁率なものを使用すると、金属製ホルダの外周側に新たな磁気回路が形成される為、ファラデー回転子に印加される磁界強度が減少するという問題があった。
【００２０】
また、特許文献１によればケース８０、９、１０で偏光板ホルダ５、６等を覆っているため小型化に対応できるものでもなかった。
【００２１】
さらに、ケース８０、９、１０と偏光板ホルダ５、６との固定において、接合強度を確保する為に互いの接合部位を接着剤や半田等で全て密着固定しているが、光アイソレータが温度変化等を伴う環境で使用された場合、内部に閉塞された空気が、外部の温度変化により膨張収縮を繰り返し、偏光板１や接着剤１１にストレスが生じ、クラックを引き起こす問題点があった。
【００２２】
特に、光アイソレータの小型化要求に伴っても、偏光板１、２等を小型化するのは困難であり、光アイソレータに入る偏光板１、２、ファラデー回転子３、円筒状磁石４、ファラデー回転子ホルダ７を配置した場合の余剰空間の空間率を少なくしなければならず、熱膨張係数の問題や内部の閉鎖性が重要な要素となってきた。
【００２３】
本発明は上述の課題に案出されたものであり、偏光板ホルダの材料がＮｉ−Ｆｅ合金からなる強磁性材料を用いたとしても、特性が劣化することがなく、クラック等の発生を抑えて長期使用が可能な光アイソレータを提供することを目的とする。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
上記従来技術を鑑みて本発明の光アイソレータは、円筒状磁石と、前記円筒状磁石の開口部内に配設されるファラデー回転子と、前記円筒状磁石の開口部両端にそれぞれ配設されてファラデー回転子を挟む一対の偏光板と、該偏光板が固定された強磁性材料から成る一対の円筒状の偏光板ホルダと、前記円筒状磁石が内包された非磁性材料から成る円筒状のケースとから構成された光アイソレータにおいて、前記偏光板ホルダを４７〜６５質量％のＮｉを含有するＮｉ−Ｆｅ系強磁性材料で構成するとともに、該偏光板ホルダと円筒状ケースとがスポット溶接にて連結されていることを特徴とする。
【００２５】
【本発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の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を示す図であり、（ａ）は光軸を含む面で切断した断面図、（ｂ）は全体構造を説明する分解斜視図を示す。
【００２６】
なお、従来技術で説明した同様な部材には同一符号を付すものとする。
【００２７】
図１において本発明の光アイソレータは、円筒状磁石４と、円筒状磁石４の開口部内に配設されるファラデー回転子３と、円筒状磁石４の開口部の両端にそれぞれ配設されてファラデー回転子３を挟む偏光子又は検光子からなる一対の偏光板１、２を有している。また、偏光板１、２は低融点ガラス１１で強磁性材料の偏光板ホルダ５、６に固定され、円筒状磁石４は非磁性材料から成る円筒状ケース８に内包して配置する。そして、ファラデー回転子３は一方がファラデー回転子ホルダ７の先端に接合し、他方が偏光板ホルダ６に接合してなる。また、円筒状ケース８は偏光板ホルダ４、５を共に連結させ、偏光板ホルダ５に固定された偏光板１と偏光板ホルダ６に固定された偏光板２とは互いの偏光面の相対角度差が４５°を成すように配置されている。
【００２８】
光アイソレータの作製は、円筒状磁石４、偏光板２とファラデー回転子３が固定された偏光板ホルダ６、偏光板１が固定された偏光板ホルダ５の準備ができたら、円筒状ケース８の中で組立てを行う。組立て順序は、はじめにケース８の中に偏光板ホルダ５、円筒状磁石４、偏光板ホルダ６を入れ、偏光板１，偏光板２の相互の偏波面を４５°傾斜させるように偏光板ホルダ５、６を回転調整して、この回転調整が完了したら偏光板ホルダ５、６と円筒状ケース８とをＹＡＧレーザでスポット溶接して完成する。
【００２９】
偏光板ホルダ５と偏光板ホルダ６は、図１（ｂ）に示すように円筒状磁石４と少し大きめの外径を有し、中央には光を通過させる透光孔が貫通している円筒体で、内側には偏光板１、２を低融点ガラス１１で固定するための座繰り穴が具備され、特に、偏光板ホルダ５は近端反射防止のために斜め座繰り穴が具備されている。
【００３０】
なお、偏光板１、２はホウ珪酸ガラス内に金属が内在したもので、熱膨張係数は６３×１０−７／℃〜６５×１０−７／℃を使用するのが好ましい。
【００３１】
本発明では、偏光板１は偏光板ホルダ５と、偏光板２は偏光板ホルダ６とそれぞれ低融点ガラスにて固定されている。
【００３２】
ここで、それぞれに用いる低融点ガラスは、熱膨張係数８０×１０−７／℃〜９０×１０−７／℃の低融点ガラスを用いて焼成固定させるとよい。また、偏光板１、２やそれに施されているＡＲコートへの熱ストレスを考慮して封着温度が４００℃以下で熱膨張係数が８０×１０−７〜８５×１０−７／℃であるものを選択するのがより好ましい。偏光板１、２と低融点ガラスは脆性材料であり、引っ張り応力に弱く、逆に圧縮応力には極めて強い特性をもつ。このため、熱膨張係数が偏光板ホルダ≧低融点ガラス≧偏光板の順番としている。
【００３３】
ここで偏光板ホルダ５、６の材質には熱膨張係数が９０×１０−７／℃〜１２０×１０−７／℃が妥当であり、偏光板１、２には、この熱膨張係数の範囲内で初期透磁率の選定が容易であり、かつ安価で、低融点ガラスや偏光子とのぬれ性の良さからＮｉ−Ｆｅ合金を選択すると良い。
【００３４】
Ｎｉ−Ｆｅ合金を用いる場合、組成配分によって初期透磁率が変化しており、初期透磁率が５０００以上になると円筒磁石４からの磁界がホルダ５、６へ通り易くなる為にファラデー回転子３への印加強度が減少し、所望の偏光面回転角を得ることができずに挿入損失、アイソレーションが劣化するため、従来で示した図４のように非磁性のケース９，１０を偏光板ホルダ５、６の外周に配置する必要が生ずる。このため、小型化という上記課題を満足することができない。
【００３５】
従って、非磁性のケース９，１０を不要とするためには、Ｎｉ−Ｆｅ合金の組成配分は熱膨張係数と初期透磁率の観点から選定することが重要であり、光アイソレータの光学特性を満足するためには偏光板ホルダ５、６の４７〜６５質量％のＮｉを含有するＮｉ−Ｆｅ合金であることが必要である。Ｎｉの含有量が４７質量％よりも少ない場合には熱膨張係数が９０×１０−７／℃未満となり、低融点ガラスよりも小さくなる為に低融点ガラスに引っ張り応力が発生し、クラックを生ずる原因となる。Ｎｉ含有量が６５質量％よりも多い場合には初期透磁率が５０００以上となり、円筒磁石４からの磁界がホルダ５、６へ通り易くなる為にファラデー回転子３への印加強度が減少し、所望の偏光面回転角が得られないので好ましくない。また、光アイソレータの光学特性や信頼性を安定して確保するために、より好ましくは４８質量％〜５２質量％とする。
【００３６】
円筒状ケース８には非磁性材料としてオーステナイト系ステンレス鋼を用いるのが好ましいが、後述する偏光板ホルダ５、６とのスポット溶接をＹＡＧレーザで行う場合には、その溶接部のマイクロクラック発生による接合強度低下を考慮すると快削製を向上させるための硫黄やセレンなどの含有量が少ないＳＵＳ３０４，ＳＵＳ３０４Ｌ、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌ等のオーステナイト系ステンレス鋼が望ましい。
【００３７】
また、偏光板ホルダ５、６のそれぞれに円筒状ケース８を連結するスポット溶接はＹＡＧ等のレーザ溶接においては３点以上のスポット溶接が好ましく、シーム溶接等のように全周に溶接部を形成しない方がよい。即ち、２点のスポット溶接ではヒートサイクルや振動、衝撃において溶接部の２点を結ぶ直線方向に対し、直交方向に動く場合があり、これにより、アイソレータの光学特性劣化やＬＤモジュールのヒートサイクルでの光出力変動を発生させる場合がある。さらにシーム溶接等で全周溶接を行った場合には気密構造となるために閉塞部の空気の膨張収縮によるストレスから偏光板１、２にクラックが発生する場合がある。そのために、円筒状ケース８と偏光板ホルダ５，６との固定には作業時間の短縮、気密構造の防止、接合部の安定構造からＹＡＧレーザ溶接は溶接を３点〜９点であることが望ましい。
【００３８】
また、本発明の光アイソレータの配置空間に対する偏光板１、２、ファラデー回転子３、円筒状磁石４、ファラデー回転子ホルダ７の余剰空間の空間率としては、４０％〜６０％のものが用いられる。６０％より高い場合には大型化してしまう。
【００３９】
図２に偏光板ホルダ５、６に用いるＮｉ−Ｆｅ合金の組成配分の変化による初期透磁率と熱膨張係数の関係を示す。
【００４０】
図に示すようにＮｉ−Ｆｅ合金のＮｉ含有量が４７〜６５質量％に設定することにより、熱膨張係数を９０×１０−７／℃から１２０×１０−７／℃以内で、かつ初期透磁率を５０００未満に設定できることがわかる。特にＮｉ含有量が４８〜５２質量％のものは熱膨張係数が９５×１０−７／℃〜１０５×１０−７／℃以内で、かつ初期透磁率を５０００以下に低く抑えることができ、アイソレーションの特性を維持しながら、より小型の光アイソレータを提供することが可能であることがわかる。
【００４１】
【実施例】
本発明の図１に示す構造の光アイソレータと比較例である図３に示す構造の光アイソレータと、偏光板ホルダ５に偏光子１を低融点ガラス１１で固定したものをそれぞれ作製した。材質としては、共に偏光板ホルダ５、６をＮｉ−Ｆｅ合金のＮｉ量を変化させたものを各３０個作製し、光学特性評価、偏光板、低融点ガラスのクラック有無を確認するテストを行った。このとき、円筒状ケース８の材質は非磁性材質であるオーステナイトステンレス鋼を用い、本発明の光アイソレータにおいては円筒状ケース８と偏光板ホルダ５、６の固定をＹＡＧ溶接３点固定で作製した。この時の空間率は４０％のものを使用した。
【００４２】
偏光板ホルダ５、６に使用するＮｉ−Ｆｅ合金のＮｉ量は初期透磁率、熱膨張係数を考慮して４０％、４５％、４７％、６５％、７０％に設定した。そのときの光学特性のテスト結果を表１に、クラック試験については表２に示す。クラック試験は、偏光板ホルダ５に偏光子１を低融点ガラス１１で固定し、それを−４０〜８５℃のヒートサイクルを２０サイクル実施して、前後でのクラック発生の有無を確認したものである。
【００４３】
【表１】
2005017862.tif 000003
【００４４】
【表２】
2005017862.tif 000004
【００４５】
その結果、光学特性については、Ｎｉ−Ｆｅ合金でＮｉ量が４０％、４５％、４７％、６５％の偏光板５、６を用いた場合では本発明及び従来例の光アイソレータとも挿入損失、アイソレーションが所望値となったのに対し、Ｎｉ量７０％の場合は本発明のみが光学特性が劣化した。
【００４６】
これは、偏光板ホルダ５、６の初期透磁率が５０００以上であるために円筒磁石４から偏光板ホルダ５、６への磁界強度が円筒ケース８から外側に洩れる量が多くなった為にファラデー回転子３への磁界強度が減少し、所望の偏光回転角度を得ることができずに特性劣化につながった。
【００４７】
偏光板のクラックは、Ｎｉ量４０％の偏光板ホルダ５に固定した偏光板１のみに発生した。低融点ガラスについてはＮｉ量４０％、４５％の偏光板ホルダ５においてクラックが発生した。これは偏光板の熱膨張係数が６５×１０−７／℃に対してＮｉ量４０％偏光板ホルダの熱膨張係数が４０×１０−７／℃のために偏光板に引っ張り応力が発生したためである。
【００４８】
また、低融点ガラスの熱膨張係数が８０×１０−７／℃に対してＮｉ量４０％、４５％の偏光板ホルダの熱膨張係数はそれ以下のために引っ張り応力が発生したためである。
【００４９】
これより、偏光板ホルダ５、６で用いるＮｉ−Ｆｅ合金の熱膨張係数と初期透磁率を所望値に設定するようにＮｉ量を４７〜６５％にすることにより、アイソレーション特性が殆ど落とさずに磁気シールド９，１０を不要とした光アイソレータを作製することが可能であることがわかる。
【００５０】
また、本発明のＮｉ含有量を５０質量％の偏光板ホルダ５、６を用い、この偏光板ホルダ５、６と円筒状ケース８とのスポット溶接を３点にしたものと、周囲をシーム溶接して密閉した光アイソレータを１０個ずつ作製して、−４０〜１５０℃のヒートサイクル試験を１００サイクル実施し、偏光板１、２に発生したクラック有無の確認を行った。
【００５１】
この結果、スポット３点溶接した光アイソレータの偏光板１、２にはクラックの発生はなかったが、密閉した光アイソレータの偏光子にはクラック発生が確認できた。これは、ヒートサイクルにより閉塞空間の空気の膨張収縮が繰り返し起こり、これにより、偏光板自身の強度以上の応力が働くため、脆性破壊によりクラックが発生したことがわかった。従って、閉塞空間の空気の膨張収縮を防ぐ為に偏光板ホルダ５、６とケース８をスポット３点溶接することがよいのがわかる。
【００５２】
【発明の効果】
以上のように本発明は構成によれば、円筒状磁石と、前記円筒状磁石の開口部内に配設されるファラデー回転子と、前記円筒状磁石の開口部両端にそれぞれ配設されてファラデー回転子を挟む一対の偏光子と、該偏光子が固定された強磁性材料から成る一対の円筒状ホルダと、前記円筒状磁石が内包された非磁性材料から成る円筒状ケースとから構成された光アイソレータにおいて、前記円筒状ホルダを４７〜６５質量％のＮｉを含有するＮｉ−Ｆｅ合金で構成するとともに、該円筒状ホルダと円筒状ケースとがスポット溶接にて連結されていることにより、小型化して偏光板ホルダをＮｉ−Ｆｅ合金の強磁性体を使用したとしても、特性を落とすことなく熱膨張、収縮によりクラックが発生しない光アイソレータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光アイソレータを示す図であり、（ａ）は光軸を含む面で切断した断面図、（ｂ）は全体構造を説明する分解斜視図を示す。
【図２】Ｎｉ−Ｆｅ合金のＮｉ量変化による熱膨張係数と初期透磁率を示すグラフである。
【図３】従来の光アイソレータの断面図である。
【図４】（ａ）、（ｂ）ともに光アイソレータの原理を説明する図である。
【符号の説明】
１：偏光板
２：偏光板
３：ファラデー回転子
４：円筒状磁石
５：偏光板ホルダ
６：偏光板ホルダ
７：ファラデー回転子ホルダ
８：円筒状ケース
１１：低融点ガラス
【図１】
2005017862.tif 000005
【図２】
2005017862.tif 000006
【図３】
2005017862.tif 000007
【図４】
2005017862.tif 000008