JP7037135B2 - 光アイソレータとその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光通信や光情報システム等で使用される半導体モジュールに組み込まれる光アイソレータに係り、特に、円筒型磁石の貫通孔内に接着剤を用いて光学素子が接着固定された光アイソレータとその製造方法の改良に関するものである。

光アイソレータは、一般に、ファラデー回転子、このファラデー回転子を飽和させるための永久磁石、入射側偏光子、出射側偏光子とで構成される。また、ファラデー回転子に関しては、ファラデー回転子そのものの厚みを調整することにより、光の偏波面が４５度回転するように調整されているものを使用している。

そして、光アイソレータにおいて、入射側偏光子を通過しファラデー回転子に対して順方向に入ってきた直線偏光は、ファラデー回転子を透過することにより入射した直線偏光の偏波面が４５度回転され、その回転位置で透過光量が最大となるように調整された出射側偏光子を透過する。よって、殆ど損失のない光として次の光学系へと伝送される。

また、光アイソレータにおいて、反射戻り光がある場合、出射側偏光子を透過した直線偏光は、ファラデー回転子を透過することにより偏波面が４５度回転され、これにより入射側偏光子と直交することになるため消光する。このようにして、光アイソレータの機能が果たされることになる。

ところで、光アイソレータにおいて、ファラデー回転子、入射側偏光子、出射側偏光子といった各光学素子の表面には反射防止膜が施され、また、各光学素子を接着剤で一体化したもの（光アイソレータ素子と称する）が用いられることが多い。尚、各光学素子の入出射端面には上記反射防止膜が施されているものの各光学素子の入出射端面では僅かに光が反射され、この反射光が元の光路を戻ってしまうことを防止するため、意図的に光アイソレータ素子の入出射端面を光軸に垂直な面から数度傾けることがある。

そして、光アイソレータ素子の入出射端面を傾斜させる方法として、傾斜面を有するホルダーに光アイソレータ素子を固定する方法（特許文献１参照）、入出射端面が光軸に垂直な面に対し傾斜する断面平行四辺形状の光アイソレータ素子（特許文献２参照）を作製し、これを円筒型磁石の貫通孔内に接着する方法が知られている。

後者の方法は、前者の方法に較べてホルダーを要しないというメリットがあるものの、光アイソレータ素子を円筒型磁石の貫通孔内に接着する際、光軸に垂直な面に対する光アイソレータ素子の入出射端面角度が設計時の設定からずれてしまうことがあった。

そして、光軸に垂直な面に対する光アイソレータ素子の入出射端面角度が設計時の設定からずれた場合、設計時における光アイソレータの所望とする光学特性が得られなくなる問題が存在した。

特開２０１５－１２５３７４号公報（図１０参照） 特開２０１５－０８４０１６号公報（図４参照）

本発明はこのような問題点に着目してなされたもので、その課題とするところは、ホルダーを用いなくても設計通りの入出射端面角度で円筒型磁石の貫通孔内に光アイソレータ素子を接着、固定できる光アイソレータとその製造方法を提供することにある。

そこで、上記課題を解決するため、本発明者は、円筒型磁石の貫通孔内に光アイソレータ素子を接着する際、光軸に垂直な面に対する光アイソレータ素子の入出射端面角度が設計時の設定からずれてしまう原因について調査、分析を行った。

従来、円筒型磁石の貫通孔内に光アイソレータ素子を接着する場合、対称性を考慮し、円筒型磁石の内壁面（貫通孔の内壁面）近傍に位置する光アイソレータ素子の４つの稜線部（偏光子の角部とファラデー回転子の角部を結んで形成される光アイソレータ素子の４つの稜線部）とその周辺部を接着剤により円筒型磁石の内壁面に接着していた。

しかし、円筒型磁石の内径（貫通孔の内径）は、光アイソレータ素子が円筒型磁石の貫通孔内に確実に納められるよう、若干、大きめに公差が定められているため、内径が大きめの円筒型磁石を用いた場合には、円筒型磁石の内壁と光アイソレータ素子のクリアランス（隙間）が大きくなる。このため、平行六面体形状を有する光アイソレータ素子１０の４つの稜線部とその周辺部を円筒型磁石１の内壁に接着する際、図３（ａ）～（ｂ）に示すように接着剤２０の不均一な硬化収縮により収縮方向（図３ａ～ｂにおいて硬化収縮方向を矢印で示す）を制御することが難しく、光アイソレータ素子１０の中心軸βと円筒型磁石１の中心軸αが交差してしまう（光アイソレータ素子１０の中心軸βと円筒型磁石１の中心軸αは交差せずに互いに重なり合うか平行になっていることが好ましい）配置関係になり易い。この結果、図１（ｄ）に示す光軸Ｐに垂直な面に対する光アイソレータ素子１０の入出射端面角度が設計時の設定（設計時において光アイソレータ素子の入出射端面角度はθに設定されている）からずれてしまうことが判明した。本発明はこのような調査、分析により完成されたものである。

すなわち、本発明に係る第１の発明は、
少なくとも２つの偏光子と１つのファラデー回転子を有しかつこれ等がその光透過面で貼り合わされて成る平行六面体形状の光アイソレータ素子と、この光アイソレータ素子が収容される円筒型磁石とを備え、上記偏光子の角部とファラデー回転子の角部を結んで形成される光アイソレータ素子の稜線部とその周辺部を円筒型磁石の内壁に接着させて光アイソレータ素子が円筒型磁石内に固定されている光アイソレータの製造方法において、
上記光アイソレータ素子を円筒型磁石内に挿入した後、光アイソレータ素子の隣り合う２つの上記稜線部とその周辺部にのみ接着剤を塗布して、光アイソレータ素子の上記２つの稜線部とその周辺部のみを円筒型磁石の内壁に接着させることを特徴とし、
第２の発明は、
第１の発明に記載の光アイソレータの製造方法において、
上記接着剤が熱硬化型接着剤で構成され、かつ、塗布作業中における熱硬化型接着剤の粘度が０．６Ｐａ・ｓ以上１．７Ｐａ・ｓ以下であることを特徴とする。

また、本発明に係る第３の発明は、
少なくとも２つの偏光子と１つのファラデー回転子を有しかつこれ等がその光透過面で貼り合わされて成る平行六面体形状の光アイソレータ素子と、この光アイソレータ素子が収容される円筒型磁石とを備え、上記偏光子の角部とファラデー回転子の角部を結んで形成される光アイソレータ素子の稜線部とその周辺部を円筒型磁石の内壁に接着させて光アイソレータ素子が円筒型磁石内に固定されている光アイソレータにおいて、
光アイソレータ素子の隣り合う２つの上記稜線部とその周辺部のみが円筒型磁石の内壁に接着されていることを特徴とする。

本発明に係る光アイソレータの製造方法によれば、
光アイソレータ素子を円筒型磁石内に挿入した後、光アイソレータ素子の隣り合う２つの稜線部とその周辺部にのみ接着剤を塗布して、光アイソレータ素子の上記２つの稜線部とその周辺部のみを円筒型磁石の内壁に接着させているため、接着剤が硬化収縮する際の収縮方向を概ね一方向に制限することが可能となる。従って、光アイソレータ素子の中心軸と円筒型磁石の中心軸が交差してしまう配置関係になり難いため、光軸に垂直な面に対する光アイソレータ素子の入出射端面角度のずれを抑制することが可能となる。

図１（ａ）は本発明に係る光アイソレータの正面図、図１（ｂ）は図１（ａ）におけるＡ－Ａ’面の概略断面図、図１（ｃ）は本発明に係る光アイソレータの概略斜視図、図１（ｄ）は円筒型磁石に固定される光アイソレータ素子１０の光軸Ｐに垂直な面に対する設計時における入出射端面角度（θ）の説明図。 光軸に垂直な面に対する光アイソレータ素子の設計時における入出射端面角度（チップ角度）と、上記光アイソレータ素子が円筒型磁石の内壁に接着固定された後における光アイソレータの光軸に垂直な面に対する入出射端面角度（組立後角度）との関係を示すグラフ図で、符号◇は平行六面体形状を有する光アイソレータ素子の隣り合う２つの稜線部とその周辺部を円筒型磁石の内壁に接着させた光アイソレータ（２稜線接着）のチップ角度と組立後角度との関係を示し、符号□は平行六面体形状を有する光アイソレータ素子の４つの稜線部とその周辺部を円筒型磁石の内壁に接着させた光アイソレータ（４稜線接着）のチップ角度と組立後角度との関係をそれぞれ示す。 図３（ａ）は平行六面体形状を有する光アイソレータ素子の４つの稜線部とその周辺部を円筒型磁石の内壁に接着させた光アイソレータの断面図、図３（ｂ）はその正面図。 図４（ａ）は平行六面体形状を有する光アイソレータ素子の隣り合う２つの稜線部とその周辺部を円筒型磁石の内壁に接着させた光アイソレータの断面図、図４（ｂ）はその正面図。

以下、本発明に係る実施の形態について詳細に説明する。

（１）光アイソレータ
本発明に係る光アイソレータは、図１（ａ）～（ｄ）に示すように円形状の貫通孔を有する円筒型磁石１と、円筒型磁石１の貫通孔内に挿入された光アイソレータ素子１０と、光アイソレータ素子１０を円筒型磁石１の貫通孔内壁に接合させる接着剤５、６とで構成されている。

また、光アイソレータ素子１０は、光が入射する側の第１偏光子２、ファラデー回転子３および光が出射する側の第２偏光子４を有し、これ等が光学接着剤を用いて貼り合わされた平行六面体形状を有している。また、上記第１偏光子２の角部とファラデー回転子３の角部および第２偏光子４の角部を結んで形成される稜線部の隣り合う２箇所とその周辺部のみが円筒型磁石１の内壁に接着固定されている。

尚、平行六面体とは、三組の相対する面がそれぞれ平行な六面体を意味する。

そして、本発明に係る光アイソレータは、図４（ａ）～（ｂ）に示すように光アイソレータ素子１０の隣り合う２つの稜線部とその周辺部のみが円筒型磁石１の内壁に接着させているため、接着剤５、６が硬化収縮する際の収縮方向（図４ａ～ｂにおいて硬化収縮方向を矢印で示す）を概ね一方向に制御することが可能となる。従って、光アイソレータ素子１０の中心軸βと円筒型磁石１の中心軸αが交差してしまう配置関係になり難い（光アイソレータ素子１０の中心軸βと円筒型磁石１の中心軸αが略平行になっている）ため、光軸に垂直な面に対する光アイソレータ素子１０の入出射端面角度のずれを抑制することが可能となる。

また、本発明に係る光アイソレータにおいては、光アイソレータ素子、円筒型磁石として、従来と同様のものを使用することができる。

（２）光アイソレータ素子
少なくとも２つの偏光子と１つのファラデー回転子を有しかつこれ等がその光透過面で貼り合わされて成る平行六面体形状の光アイソレータ素子としては、「シングル型の光アイソレータ用光学素子」（偏光子／ファラデー回転子／偏光子）、シングル型の光アイソレータ用光学素子を組み合わせた「ダブル型の光アイソレータ用光学素子」（偏光子／ファラデー回転子／偏光子／偏光子／ファラデー回転子／偏光子）、および、「セミダブル型の光アイソレータ用光学素子」（偏光子／ファラデー回転子／偏光子／ファラデー回転子／偏光子）等が例示される。

また、光アイソレータ素子１０の形状としては、断面平行四辺形状の偏光子とファラデー回転子とで構成される図１（ｄ）に示す平行六面体（対峙する一組の面が平行四辺形状を有し、対峙する残り二組の面が正方形若しくは長方形状を有する）、あるいは、断面正方形若しくは長方形状の偏光子とファラデー回転子とで構成される図４（ａ）に示す平行六面体（立方体若しくは直方体形状を有する）が例示される。

（３）光アイソレータの製造方法
次に、本発明に係る光アイソレータの製造方法について説明する。

まず、Ｖ溝等が形成された載置台上に円筒型磁石をその貫通孔が水平になるように載置し、光アイソレータ素子を円筒型磁石の貫通孔に挿入する。このとき、光アイソレータ素子の挿入方向を揃える必要はない。貫通孔に挿入された光アイソレータ素子は自重により、隣り合う２つの稜線部が円筒型磁石の貫通孔内壁に接することになる。

次に、円筒型磁石の貫通孔内壁に接する光アイソレータ素子の隣り合う２つの稜線部とその周辺部に対しディスペンサを用いて接着剤を塗布する。

このとき、接着剤の粘度は０．６Ｐａ・ｓ以上１．７Ｐａ・ｓ以下であることが好ましい。接着剤の粘度が低過ぎると、接着剤が光アイソレータ素子の上記稜線部近傍に留まらず流れてしまい、光アイソレータ素子の隣り合う２つの稜線部とその周辺部で接着させることが困難となる。また、接着剤の粘度が高過ぎると、光アイソレータ素子の隣り合う２つの稜線部とその周辺部全体に接着剤を行き渡らせるのが難しく、結果として接着面積が小さくなり、十分な接着強度を得ることが困難になる。適用する接着剤の種類としては熱硬化型および紫外線硬化型接着剤のいずれも適用できるが、耐環境性の観点からはエポキシ系樹脂で構成される接着剤が好ましい。

尚、二液混合タイプの接着剤が適用される場合、主剤と硬化剤を混合した後、時間の経過と共に粘度が上昇するため、粘度が０．６Ｐａ・ｓ以上１．７Ｐａ・ｓ以下となる時間内で接着剤の塗布作業を終了させることが好ましい。

最後に、上記接着剤を硬化させることで光アイソレータが完成する。

以下、本発明の実施例について具体的に説明する。

予め１１ｍｍ角の第１偏光子、ファラデー回転子、第２偏光子を接着剤により接着し、かつ、特許文献２に記載された光学素子の製造方法により、ダイシングソーで切断して、光透過面の大きさが１．４ｍｍ角の光アイソレータ素子を作製した。尚、光アイソレータ素子の光透過面は光軸に垂直な面から６±０．５度傾斜させている。

また、未着磁の外径３ｍｍ、内径２ｍｍ、長さ２ｍｍの円筒型磁石を用意した。円筒型磁石の内径は光アイソレータ素子の光透過面の対角長さより若干大きくなっている。

まず、Ｖ溝が形成された載置台上に、上記円筒型磁石をその貫通孔が水平になるように載置した後、用意した上記光アイソレータ素子を円筒型磁石の貫通孔に挿入した。

次いで、円筒型磁石の貫通孔内壁に接する光アイソレータ素子の隣り合う２つの稜線部とその周辺部に対し、ディスペンサを用いて市販の熱硬化型エポキシ系接着剤（株式会社ダイゾー社製、型番：ＮＢ３２００）を塗布した。この接着剤の硬化前における初期粘度は０．６６Ｐａ・ｓであった。本実施例で使用した接着剤は二液混合タイプの接着剤であり、粘度は時間と共に上昇するが、接着剤の塗布作業が終了したときの粘度は１．７Ｐａ・ｓであった。

最後に塗布した接着剤を硬化させて実施例に係る光アイソレータを完成させた。

また、比較のために、実施例と同一である光アイソレータ素子の４つの稜線部とその周辺部に対し接着剤を塗布、硬化させた比較例に係る光アイソレータも作製した。

そして、実施例と比較例に係る光アイソレータ素子の円筒型磁石端面に対する光透過面の角度を比較したグラフ図を図２に示す。尚、円筒型磁石端面は光軸に対して垂直に設置されるため、円筒型磁石端面に対する光アイソレータ素子における光透過面の角度は、光軸に垂直な面に対する光アイソレータ素子の入出射端面角度と同じである。また、図２中、符号◇は光アイソレータ素子の隣り合う２つの稜線部とその周辺部を円筒型磁石の内壁に接着させた実施例に係る光アイソレータ（２稜線接着）のチップ角度と組立後角度との関係を示し、符号□は光アイソレータ素子の４つの稜線部とその周辺部を円筒型磁石の内壁に接着させた比較例に係る光アイソレータ（４稜線接着）のチップ角度と組立後角度との関係をそれぞれ示す。

図２のグラフ図から、符号◇で示される実施例に係る光アイソレータの円筒型磁石端面に対する光透過面の角度は、設計時における入出射端面角度（上述した６±０．５度）に対し±１度の範囲に収まっている。他方、符号□で示される比較例に係る光アイソレータの円筒型磁石端面に対する光透過面の角度は、設計時における入出射端面角度（６±０．５度）に対し５度のずれが確認される。

従って、本発明に係る光アイソレータの製造方法によりホルダーを用いなくても設計通りの入出射端面角度で円筒型磁石の貫通孔内に光アイソレータ素子を接着、固定できることが確認される。

本発明に係る光アイソレータによれば、光軸に垂直な面に対する光アイソレータ素子の入出射端面角度のずれが抑制されるため、光通信や光情報システム等で使用される半導体モジュールに組み込まれる産業上の利用可能性を有している。

１ 円筒型磁石
２ 第１偏光子
３ ファラデー回転子
４ 第２偏光子
５、６ 接着剤
１０ 光アイソレータ素子
２０ 接着剤
α 円筒型磁石の中心軸
β 光アイソレータ素子の中心軸
θ 設計時における光アイソレータ素子の入出射端面角度

Claims (3)

1. 少なくとも２つの偏光子と１つのファラデー回転子を有しかつこれ等がその光透過面で貼り合わされて成る平行六面体形状の光アイソレータ素子と、この光アイソレータ素子が収容される円筒型磁石とを備え、上記偏光子の角部とファラデー回転子の角部を結んで形成される光アイソレータ素子の稜線部とその周辺部を円筒型磁石の内壁に接着させて光アイソレータ素子が円筒型磁石内に固定されている光アイソレータの製造方法において、
   上記光アイソレータ素子を円筒型磁石内に挿入した後、光アイソレータ素子の隣り合う２つの上記稜線部とその周辺部にのみ接着剤を塗布して、光アイソレータ素子の上記２つの稜線部とその周辺部のみを円筒型磁石の内壁に接着させることを特徴とする光アイソレータの製造方法。
2. 上記接着剤が熱硬化型接着剤で構成され、かつ、塗布作業中における熱硬化型接着剤の粘度が０．６Ｐａ・ｓ以上１．７Ｐａ・ｓ以下であることを特徴とする請求項１に記載の光アイソレータの製造方法。
3. 少なくとも２つの偏光子と１つのファラデー回転子を有しかつこれ等がその光透過面で貼り合わされて成る平行六面体形状の光アイソレータ素子と、この光アイソレータ素子が収容される円筒型磁石とを備え、上記偏光子の角部とファラデー回転子の角部を結んで形成される光アイソレータ素子の稜線部とその周辺部を円筒型磁石の内壁に接着させて光アイソレータ素子が円筒型磁石内に固定されている光アイソレータにおいて、
   光アイソレータ素子の隣り合う２つの上記稜線部とその周辺部のみが円筒型磁石の内壁に接着されていることを特徴とする光アイソレータ。

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