JP3643000B2

JP3643000B2 - 光アイソレータ付き光ファイバ端子

Info

Publication number: JP3643000B2
Application number: JP2000007563A
Authority: JP
Inventors: 信治岩塚; 健次郎秦; 正明小林
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 1992-07-24
Filing date: 2000-01-17
Publication date: 2005-04-27
Anticipated expiration: 2020-04-27
Also published as: JP2000162475A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気光学素子に磁界を印加する光アイソレータ特に未飽和型光アイソレータの改良に関し、特に半導体レーザ装置、光増幅器等に使用される小型の光アイソレータ付き光ファイバ端子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光アイソレータは、光増幅器、半導体レーザ装置、等に使用されている。例えば半導体レーザモジュールは該略図２に示すように、レーザダイオード１、第１レンズ２、光アイソレータ３（偏光子１０、ファラデー回転子として機能する磁気光学素子１１および偏光子１２の組合せと、磁石５とよりなる）、第２レンズ６、フェルール７、及びフェルールに支持された光ファイバ８より構成されている。レーザダイオード１より出射した光は、第１レンズ２により平行光となり、光アイソレータ３を透過後に、第２レンズ６により光ファイバ８の端面に集光される。逆方向からの戻り光は光アイソレータ３により遮断されてレーザダイオード１には戻らないようになっている。この従来例では、光アイソレータ３はハウジング９’に収納され、光ファイバ８はフェルール７を溶接したスライドリング２８を第２レンズ６のレンズホルダ９に溶接することにより固定される。
【０００３】
未飽和型光アイソレータ（磁気光学素子である磁性ガーネットに飽和に至らない磁界を印加する）は本発明者等により特開平４−３１８２１号で提案されているように、優れた温度特性が得られる。しかしながら、磁界によってファラデー回転角が変化するため磁界分布を一様にしなければならず、磁石が大型化し、そのため光アイソレータが大型化する欠点があった。この欠点に対し特願平３−３５４０７１号において提案した構成ではある程度の小型化が可能となった。簡単に述べると、このような光アイソレータは、着磁方向が軸線方向である円筒状磁石と、この磁石の外周面にほぼ接触状態で配置された円筒状軟磁性スリーブと、前記円筒状軟磁性スリーブからは離間して前記円筒状磁石の開口端に配置されている環状磁気ヨークと、前記円筒状磁石の孔内に配置した磁気光学素子とよりなる。なお、軟磁性体の外側スリーブを使用することにより円筒状磁石の内孔の磁界が外部磁界の影響を受けにくくなり、磁石の形状が好ましくは長さ／内径＝０．５外径／内径＋（０．０３〜０．２６）を満足する様に設計することにより内孔に配置した磁気光学素子に加わる磁界が均一になり、温度安定性の良い未飽和型のファラデー回転子を使用するのに適する。更に磁気ヨークの寸法特に厚さを調整することにより磁界を任意の設定値に調整できる。これは工程を容易にする。従来技術の認識に反して、磁石が軟磁性スリーブに接触またはほぼ接触しているにも拘らず、磁気ヨークが軟磁性スリーブに接していないため磁石内孔の中心磁界の磁界がそれほど低下しない。しかしながら、この構造の光アイソレータでも十分な小型化は達成できなかった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
未飽和型光アイソレータに入射する光の位置及びビーム径のばらつきに対してアイソレータの特性を一様にするにはアイソレータの大型化が避けられないが、この問題を解決して小型化する必要がある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
光アイソレータの特性を一様にしなければならない理由は、光アイソレータに入射する光の位置及びビーム径にばらつきがあるためである。例えば、図２の従来例では部材の寸法などのばらつきにより光アイソレータへ入出射する光の位置及び光のビーム径が変化する。そのため光アイソレータの特性は、光の入射位置とビーム径が多少変動しても変化しないことが要求される。
本発明は、光ファイバと、該光ファイバを保持するフェルールと、該フェルールの前端部に配置された少なくとも１枚の磁気光学素子及び少なくとも１枚の偏光子の一体の積層体を含む光アイソレータ素子、並びに前記磁気光学素子に磁界を印加するように前記光アイソレータ素子の周りに配置され且つ前記フェルール前端に一体に支持された磁界印加手段を含む光アイソレータとよりなり、前記光アイソレータの最大外径が前記フェルールの外径の２倍以下であり、前記フェルールの前端部が前記フェルールの外径よりも小径部となっており、該小径部は前記磁界印加手段の内部を延びていて前記小径部の傾斜端面が前記光アイソレータ素子に接しているか又は空気層を挟んで前記光アイソレータ素子に近接していることを特徴とする、光アイソレータ付き光ファイバ端子を提供する。
小径部端面が前記光アイソレータ素子に接している場合には、好ましくは前記光アイソレータ素子は前記小径部の傾斜端面に接着されている。
小径部の端面が前記光アイソレータ素子に空気層を挟んで近接している場合には、好ましくは、前記光アイソレータ素子は前記磁界印加手段の内孔に前記フェルールに固定されたホルダーにより支持されており、前記フェルールの前記小径部は前記ホルダーの内孔を延びている。
好ましくは、前記光アイソレータ素子は光の進行方向から見た時に長方形となる直方体に形成し、透過偏光面を前記直方体の一辺に一致させる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
このように光アイソレータを光ファイバに一体化すると、光アイソレータの一部を構成する光アイソレータ素子へ入射する光の位置及び光のビーム径は決まってしまうので、従来のような磁界その他の特性の均一化の問題を考える必要がない。そのため光アイソレータを十分小型にできる。また本発明のように外径が光ファイバのフェルールと余り変わらないため、半導体レーザ装置、光増幅装置、その他の装置に実装する際に、あたかも光アイソレータ付き光ファイバは光アイソレータのない光ファイバ自体のような取り扱いができ、単に光アイソレータ付ファイバ端子を装置本体側に挿入し、フェルールを適当なフェルールホルダに保持させ、所定の調整後に溶接等により固定するだけで良く、従来のような組立及び光ファイバと偏光子及び磁気光学素子との間の調整をする必要がないので、組立が簡単になる。
【０００７】
さらに、一体化したのち特性を使用条件（波長、温度）に対して最適化するには、未飽和型の場合にはその欠点である磁界に対してファラデー回転角が変化することを逆用して、磁気ヨーク、磁気スリーブまたは磁石の位置、寸法、特性を変化させる。
【０００８】
光アイソレータの一部を構成する光アイソレータ素子（磁気光学素子と偏光子の組み合わせ体）は直接光ファイバ端面に接着してもよいが、接着は細心の注意を要するので、なるべくは空気層を介してファイバ端面に近接配置する。光ファイバから入射する光は末広がりとなるので、この空気層が薄いほど光アイソレータ素子を通過する光ビーム径は小さくできる。そのためにはフェルール端部の直径を小さくして円筒状磁石の内部に配置された光アイソレータ素子にフェルール端部を近づける。このようにすると光アイソレータ素子が小型化できると共に、ファイバ端面と光アイソレータ先端の間の長さｌを短かくできる（図４参照）。ｌが短かいほど、レンズ結合系の設計が容易になる。
【０００９】
なお、光アイソレータ素子は光の進行方向から見た時に長方形となる直方体に形成し、透過偏光面を直方体の一辺に一致させておくと偏光面が明確となり、組み立てや印し付けに便利である。従来のものは円形または正方形であったので偏光面の区別ができなかった。
【００１０】
光アイソレータ付き光ファイバ端子の組み立て方法として最適な例を説明する。
まず、光アイソレータ素子を以下に示す２つの部分に分けてそれぞれを一体化する。
１つは光アイソレータ素子と光ファイバとを一体化させた光ファイバ素子部であり、もう一つは磁界発生部である。
光ファイバ素子部は光ファイバ、それを保持するフェルール、光アイソレータ素子、及びこれらを一体化させるためのステンレス部材より構成される。なお、この光ファイバ素子部は磁気光学素子以外はすべて非磁性体で構成するのが望ましい。
【００１１】
一方、磁界発生部は着磁方向が軸線方向である円筒状磁石と、この磁石の該周部に配置された円筒状軟磁性スリーブと、前記円筒状軟磁性スリーブからは離間して前記円筒状磁石の前端にほぼ接触状態で配置された軟磁性環状磁気ヨークとより構成されている。
この磁界発生部を複数個用意し磁気光学素子を配置すべき箇所の磁界を測定しておく、光ファイバ素子部と磁界発生部とを仮組した後、光学特性を測定し（実際にはピーク波長、つまりアイソレーションが最大になる波長）、目標の特性からずれていた時はそのずれから最適の磁界を計算し、それに適合した磁界発生部分と交換し組み込み固定する。光学特性は磁界の大きさに依存するので（例えばピーク波長は磁界の大きさに比例して変化する）調整は容易である。
上に引用した特願平３−３５４０７１号の技術では、環状磁気ヨークの形状及び厚さを調整していたが、形状を変えた場合の磁界の変化が一定でなく調整が困難であること、及び調整範囲が限定されるという問題があったが、上記の方法ではこの問題がなく、調整が容易である。
【００１２】
次に、着磁方向が軸線方向である円筒状磁石と、この磁石の外周面に配置された円筒状軟磁性スリーブと、前記円筒状軟磁性スリーブからは離間して前記円筒状磁石の前端にほぼ接触状態で配置された軟磁性環状磁気ヨークとよりなる磁界発生部の各部の寸法関係を次式のように定めると、光ビームを含む磁気光学素子の領域の磁化がほぼ一定となり好ましい。
磁石の長さ／磁石内径＞０．５×磁石外径／磁石内径＋０．２６
上の式は、磁気光学素子自体の反磁界が中心付近で大きいことから、外部磁界が中心付近で周辺より大きくなるようにした範囲である。こうすることによって、反磁界の分布と外部磁界の分布が打ち消され、ほぼ一様に磁化される。
【００１３】
実施例１
以下に図１を参照して本発明の第１実施例による光アイソレータ付き光ファイバ端子１８を詳しく説明する。図１において、光ファイバ８は円筒状フェルール７の内孔に固定的に支持され、その先端に光アイソレータ３が取りつけてある。フェルールの少なくとも光アイソレータ側の一部は軟磁性材料で製作すると、フェルールに磁気シールド効果をもたせることができ、光アイソレータを小型化できる。光ファイバ８の心線１３はフェルール７に支持されたガラス管１４の内孔に支持されており、心線１３の先端はガラス管１４と共に斜めに研磨されてて傾斜した端面を形成している。この端面には偏光子１２、磁気光学素子１１及び偏光子１０の積層体よりなる光アイソレータ素子３Ａが接着されている。光アイソレータ素子３Ａは光の進行方向から見た時に長方形となる直方体に形成し、透過偏光面を直方体の一辺に一致させておくと偏光面が明確となり、組み立てや印し付けに便利である。従来のものは円形または正方形であったので偏光面の区別ができなかった。光源のレーザダイオード（図示せず）が直線偏光を生じる場合には偏光子１０は省略される場合もある。このように光ファイバと光アイソレータとを一体化すると、光アイソレータに入出射する光の位置及びビーム径が決まるので、特性の場所による均一性を考える必要がない。すなわち一体化した後で光アイソレータの特性を最適化すれば良い。フェルール７の先端には小径部が形成されており、そこにフェルール７とほぼ同一の外径を有する軟磁性材料製の磁性スリーブ１５が溶接等で固着されている。磁性スリーブ１５の内面に接触または極く近接して着磁方向が軸線方向である円筒状磁石５が偏光子１０、１２、磁気光学素子１１の積層体を取り囲むようにして配置され、その内端はフェルール７に固着されている。更に、磁石５の前端は磁性スリーブ１５から離間して軟磁性材料製の円環状磁気ヨーク１６が配置されている。この磁気ヨーク１６は非磁性の支持リング１７により磁性スリーブ１５に固着される。ここで磁性スリーブ１５、磁石５、磁気ヨーク１６の少なくとも１つの寸法、形状、特性を変化させて光アイソレータの特性、使用条件に対して最適になるよう調整した後これらを固定する。
【００１６】
実施例２
図４を参照して本発明の第２実施例による光アイソレータ付き光ファイバ端子を詳しく説明する。図４において、光ファイバ８はステンレス製の円筒状管７Ａ及びその内孔に圧入また接着されたセラミック又はガラス製キャピラリ管７Ｂよりなるフェルール７の内孔に固定的に支持されている。光ファイバ８の心線１３は先端が小径のキャピラリ管７Ｂの内孔に支持されており、心線１３の先端はキャピラリ管とともに斜めに研磨されている。
【００１７】
フェルール７の先端部周部には光アイソレータ３が取りつけてある。取りつけは円筒状管７Ａの先端の周りに接続スリーブ２４を嵌合して溶接することにより行う。接続スリーブ２４には非磁性ホルダ７０が固定されており、ホルダ７０に偏光子１２、磁気光学素子（ファラデー回転子）１１及び偏光子１０の積層体である光アイソレータ素子３Ａが接着されている。軟磁性材料製の磁性スリーブ１５が溶接等で接続スリーブに固着されている。磁性スリーブ１５の内面に接触または極く近接して着磁方向が軸線方向である円筒状磁石５が光アイソレータ素子３Ａを取り囲むようにして配置されている。更に、磁石５の前端には磁性スリーブ１５から離間して軟磁性材料製の円環状磁気ヨーク１６が配置されている。前端の磁気ヨーク１６は非磁性の支持リング１７により磁性スリーブ１５に固着される。接続スリーブ２４及び磁性スリーブ１５はできるだけ外径が小さくなるように形成し、大きくともフェルールの寸法の２倍を越えないようにする。
【００１８】
この例の特徴は、キャピラリ管７Ｂの先端の径がホルダ７０の内孔よりも小さくかつ光アイソレータ素子３Ａの端面近くまで延びていることである。このため光アイソレータ素子３Ａをファイバ端面に接着する必要がなく組立が容易になると同時に、ファイバ端面と光アイソレータ先端の間の長さを短くでき、小型化とレンズ結合系の設計が容易となる。
【００１９】
光アイソレータの組み立て並びに調整に便利なように、磁石５、磁性スリーブ１５、溶接固定用支持リング１７、磁気ヨーク１６よりなる磁界発生部を一体的なユニットとして別個に構成したものを複数個用意する。磁気光学素子１１を配置すべき箇所の磁界をそれぞれ測定しておき、選択した前記磁界発生部に光アイソレータ素子３Ａ、アイソレータの非磁性ホルダー７０、接続スリーブ２４、フェルール、光ファイバを一体化固定した光ファイバ素子部を仮組みし後、光学特性を測定し、目標の特性からずれていた時はそのずれから最適の磁界を計算し、それに適合した他の磁界発生部分と交換し組み込み恒久的に固定する。これにより光アイソレータの組み立て調整が容易になる。上記の特願平３−３５４０７１号の方法では、磁気ヨーク等の寸法を調整する必要があったが、本例の方法ではその必要がないので、大量生産の必要な工場生産に適する。
【００２０】
この実施例の、着磁方向が軸線方向である円筒状磁石５と、この磁石の外周面にほぼ接触状態で配置された円筒状軟磁性スリーブ１５と、前記円筒状軟磁性スリーブ１５からは離間して前記円筒状磁石５の前端に配置された軟磁性環状磁気ヨーク１６とよりなる磁界発生部の各部の寸法関係を次のように定めると、光ビームを含む磁気光学素子の領域の磁化はほぼ一定となる。
磁石の長さ／磁石内径＞０．５×磁石外径／磁石内径＋０．２６
【００２１】
以上の構成であるから、フェルール７と光アイソレータ３の直径は大きな差がなく、そのため、この光アイソレータ付き光ファイバ端子は小型で、所定の装置にセットする作業は著しく容易になる。
実施例１の光アイソレータ付き光ファイバ端子を図３に示した半導体レーザ装置に組み込む場合を例にして説明すると、半導体レーザ装置２０は、レーザダイオードチップ２３と、先球ロッドレンズ２２とを有する円筒状のレンズホルダ２１とを具備し、その先端に円筒状のフェルールホルダ１９を介して光アイソレータ付き光ファイバ端子１８を固定している。この装置の組み立てに際して、光アイソレータ付き光ファイバ端子１８の軸線方向（ｚ方向）の調整は、フェルール７のフェルールホルダ１９への挿入深さの調節により行い、半径方向（ｘ−ｙ方向）の調整はフェルールのレンズホルダ２１への取付位置の調整により行う。調整位置への固定はスポット溶接等により行う。
【００２２】
半導体モジュール以外の応用として重要なものに図５に示す光増幅器がある。
図の半導体レーザチップ２７により光増幅を行うが、これを光ファイバ８、８に結合するには、レンズ２６、２６、光アイソレータ３、３を使用する。光アイソレータは光ファイバ端面の反射を低減するために必要である。図６に示したように、光ファイバ８、８の端部に偏波無依存性アイソレータ３、３（入射光はどの偏波も通過させるが、戻り光は通過させない）を固定する。例えば、アイソレータ３は図６のように複屈折板５９、１／２波長板６０、ファラデー回転子６１、及び複屈折板６２よりなる。図示してはいないが、それ以外は図１と同様であり、磁気ヨーク、磁石、磁気スリーブにより特性を調整後固定する。偏波無依存型光アイソレータの場合は他の素子と一体化する際、偏波面の角度を合わせる必要がなく、組立が更に簡単になる。
【００２３】
【発明の効果】
以上のように、光アイソレータを光ファイバに一体化すると、光アイソレータへ入射する光の位置及び光のビーム径は決まってしまうので、従来のような磁界その他の特性の均一化の問題を考える必要がなく、小型化が可能になる。また本発明のように外径が光ファイバのフェルールと同一または余り変わらないため、半導体レーザ装置、光増幅装置、その他の装置に実装する際に、容易に取り扱いができ、単に光アイソレータ付き光ファイバ端子を装置本体側に挿入し、フェルールを適当なフェルールホルダに保持させ、所定の調整後に溶接等により固定するだけで良く、従来のような組立及び光ファイバと光アイソレータとの間の調整をする必要がないので、上記の諸問題を解決することができる。
【００２４】
更に、好ましくはフェルールの先端を小径に、薄い空気層を介して光ファイバ端面を光アイソレータ素子の端面に近接配置すると、小型化でき、かつ、ファイバ端面と光アイソレータ先端との距離を短かくでき、レンズ結合系の設計が容易になる。
また、本発明の磁界発生部を複数個別個に製作し、磁界測定を行い、光アイソレータ素子との組み合わせを変えることにより、磁気ヨークの研磨等の調整を必要としないで所定の調整を行い光アイソレータを組み立てることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例による光アイソレータ付き光ファイバ端子の断面図である。
【図２】従来の光アイソレータを使用したレーザ装置の断面図である。
【図３】本発明の第１実施例の光アイソレータ付き光ファイバ端子を使用したレーザ装置の断面図である。
【図４】本発明の第２実施例による光アイソレータ付き光ファイバ端子を示す断面図である。
【図５】本発明の第２実施例の光アイソレータ付き光ファイバ端子を使用したレーザ増幅装置の断面図である。
【図６】図５の装置における偏波無依存型アイソレータ付き光ファイバ端子の要部を示す断面図である。
【符号の説明】
３光アイソレータ
３Ａ光アイソレータ素子
５磁石
７フェルール
７Ａ円筒状管
７Ｂ非磁性キャピラリ管
８光ファイバ
１０、１２偏光子
１１磁気光学素子
１３心線
１４ガラス管
１５磁性スリーブ
１６磁気ヨーク
１７支持リング
１８光アイソレータ付き光ファイバ端子
７０非磁性ホルダ

Claims

光ファイバと、前記光ファイバを保持するフェルールと、前記フェルールの前端部に配置された少なくとも１枚の磁気光学素子及び少なくとも１枚の偏光子の一体の積層体を含む光アイソレータ素子、並びに前記磁気光学素子に磁界を印加するように前記光アイソレータ素子の周りに配置され且つ前記フェルール前端に一体に支持された磁界印加手段を含む光アイソレータとよりなり、前記光アイソレータの最大外径が前記フェルールの外径の２倍以下であり、前記フェルールの前端部が前記フェルールの外径よりも小さい小径部となっており、該小径部は前記磁界印加手段の内部を延びていて前記小径部の傾斜端面が前記光アイソレータ素子に接していることを特徴とする、光アイソレータ付き光ファイバ端子。
光ファイバと、前記光ファイバを保持するフェルールと、前記フェルールの前端部に配置された少なくとも１枚の磁気光学素子及び少なくとも１枚の偏光子の一体の積層体を含む光アイソレータ素子、並びに前記磁気光学素子に磁界を印加するように前記光アイソレータ素子の周りに配置され且つ前記フェルール前端に一体に支持された磁界印加手段を含む光アイソレータとよりなり、前記光アイソレータの最大外径が前記フェルールの外径の２倍以下であり、前記フェルールの前端部が前記フェルールの外径よりも小さい小径部となっており、該小径部が前記磁界印加手段の内部を延びて前記小径部の傾斜端面が前記光アイソレータ素子に空気層を挟んで近接していることを特徴とする、光アイソレータ付き光ファイバ端子。
前記光アイソレータ素子は前記小径部の端面に支持されている請求項１に記載の光アイソレータ付き光ファイバ端子。
前記光アイソレータ素子は前記フェルールに固定されたホルダーにより支持されており、前記フェルールの前記小径部は前記ホルダーの内孔を延びている請求項２に記載の光アイソレータ付き光ファイバ端子。