光隔離器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種小型光隔離器，適合作為用于醫(yī)療、光學(xué)計(jì)測(cè)用等用途的半導(dǎo)體激光中使用的光隔離器。一種光隔離器，是用于320nm～633nm波長帶，其特征在于，包括：波長405nm中的費(fèi)爾德常數(shù)為0.70分鐘/(Oe·cm)以上的法拉第轉(zhuǎn)子；以及第1中空磁鐵與第2中空磁鐵單元及第3中空磁鐵單元，第1中空磁鐵配置于法拉第轉(zhuǎn)子的外周，第2中空磁鐵單元及第3中空磁鐵單元是在光軸上夾著第1中空磁鐵而配置，第2中空磁鐵單元及第3中空磁鐵單元包含相對(duì)于光軸而在90度方向上等分割的2個(gè)以上的磁鐵，對(duì)法拉第轉(zhuǎn)子施加的磁通密度B(Oe)處于下述式(1)的范圍內(nèi)，配置法拉第轉(zhuǎn)子的樣品長L(cm)處于下述式(2)的范圍內(nèi)。0.8×104≦B≦1.5×104?(1)，0.25≦L≦0.45?(2)。
【專利說明】光隔罔器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及在320nm?633nm的波長帶中使用的光隔離器（isolator)。

【背景技術(shù)】
[0002] 以往，對(duì)于用于醫(yī)療、光學(xué)計(jì)測(cè)等用途的產(chǎn)業(yè)用激光（laser)，是使用紫外線 (Ultraviolet，UV)及可視區(qū)的半導(dǎo)體激光或者燈（lamp)激發(fā)式紀(jì)錯(cuò)石槽石（Yttrium Aluminum Garnet, YAG)激光的第二諧波（532nm)、第三諧波（355nm)。
[0003] 近年來，該半導(dǎo)體激光的波長用途亦變廣，正在向高輸出化發(fā)展。
[0004] 然而，一般而言，半導(dǎo)體激光具備其發(fā)光光譜（spectrum)窄而轉(zhuǎn)換效率優(yōu)異的特 征，但相反地，對(duì)于因反射光引起的回光非常敏感，當(dāng)自對(duì)光纖（fiber)的結(jié)合端面或被測(cè) 定物而來的反射光返回時(shí)，存在特性會(huì)成為不穩(wěn)定狀態(tài)的危險(xiǎn)性。因而，為了防止反射光返 回到作為發(fā)光光源的發(fā)光元件，以使半導(dǎo)體激光穩(wěn)定動(dòng)作，不可或缺的是要在發(fā)光光源與 加工體之間，配置光隔離器（an optical isolator)，以阻斷自光纖向發(fā)光光源反射而返回 的光，上述光隔離器具有使順向的光透過而阻斷逆向的光的功能。
[0005] 此處，光隔離器包含法拉第（Faraday)轉(zhuǎn)子、配置于法拉第轉(zhuǎn)子的光入射側(cè)及 光出射側(cè)的一對(duì)偏光元件、及對(duì)法拉第轉(zhuǎn)子的光透過方向（光軸方向）施加磁場(chǎng)的磁鐵 (magnet)這3個(gè)主要零件。當(dāng)于此形態(tài)下，光入射至法拉第轉(zhuǎn)子時(shí)，會(huì)產(chǎn)生偏光面在法拉第 轉(zhuǎn)子中發(fā)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。這是被稱作法拉第效應(yīng)的現(xiàn)象，將偏光面旋轉(zhuǎn)的角度稱作法拉第 旋轉(zhuǎn)角，其大小Θ以下述式來表示。
[0006] Θ = VXHXL
[0007] 上述式中，V是費(fèi)爾德常數(shù)（Verdet' s constant)，是由法拉第轉(zhuǎn)子的材料及測(cè)定 波長決定的常數(shù)，Η是磁通密度，L是法拉第轉(zhuǎn)子的長度。由該式可知的是，在具備某固定 大小的費(fèi)爾德常數(shù)的轉(zhuǎn)子中，若欲獲得所需的法拉第旋轉(zhuǎn)角而對(duì)法拉第轉(zhuǎn)子施加的磁場(chǎng)越 大，則越能縮短轉(zhuǎn)子長度，轉(zhuǎn)子長度越長，則越能減小磁通密度。
[0008] 如專利文獻(xiàn)1所記載的，作為于上述波長帶中費(fèi)爾德常數(shù)大的材料，有含F(xiàn)e的釔 鐵石槽石（yttrium iron garnet, HG)單晶體。
[0009] 而且，作為其他材料，有鋱-鎵-石榴石（化學(xué)式：Tb3Ga50 12)等。而且，亦可使用 含鉛的玻璃（glass)。
[0010] 為了具有光隔離器的功能，需要45°左右的法拉第旋轉(zhuǎn)角。具體而言，使入射至光 隔離器的光的偏光面通過法拉第轉(zhuǎn)子而旋轉(zhuǎn)45°，以透過各自經(jīng)角度調(diào)整的入射出射偏光 元件。另一方面，利用法拉第轉(zhuǎn)子的不可逆性，使回光的偏光面逆向地旋轉(zhuǎn)45°，成為與入 射偏光元件成90°的垂直偏光面，從而回光無法透過。光隔離器正是利用該現(xiàn)象來使光僅 沿單一方向透過，而阻止反射后返回的光。
[0011] 現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0012] 專利文獻(xiàn)
[0013] 專利文獻(xiàn)1 :日本專利特開2011-150208號(hào)公報(bào)
[0014] 專利文獻(xiàn)1中記載的YIG單晶體于波長320nm?800nm處具有大的光吸收。因而， 在波長320nm?800nm處，該吸收的影響會(huì)強(qiáng)力顯現(xiàn)，因此無法使用。
[0015] 至今所使用的光隔離器中，例如使用鋱-鎵-石榴石（TGG)結(jié)晶之類的法拉第轉(zhuǎn) 子。TGG的費(fèi)爾德常數(shù)在波長633nm處大至0. 46分鐘/ (0e · cm)左右，但在波長500nm? 600nm處存在大的光吸收，在波長320nm?380nm、450nm?550nm處，該光吸收的影響會(huì)強(qiáng) 力顯現(xiàn)，因此于633nm以下的波長中，該TGG的使用存在限制。另外，1分鐘（min)表示1/60 度。進(jìn)而，含鉛的玻璃于波長320nm?800nm處的費(fèi)爾德常數(shù)小，若用作法拉第轉(zhuǎn)子，則光 路將變長。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0016] 本發(fā)明所欲解決的課題在于，提供一種在波長320nm?633nm處為透明且小型化 的光隔離器。尤其提供一種小型光隔離器，適合作為用于醫(yī)療、光學(xué)計(jì)測(cè)用等用途的半導(dǎo)體 激光中使用的光隔離器。
[0017] 本發(fā)明所欲解決的另一課題在于提供一種光隔離器，其使用法拉第效應(yīng)大的法拉 第轉(zhuǎn)子，且與外形小的磁鐵相組合。本發(fā)明的另一課題當(dāng)可根據(jù)以下的說明而明確。
[0018] 上述各課題通過以下的手段< 1 >而達(dá)成。優(yōu)選的實(shí)施方式< 2 >?實(shí)施方式 < 11 >一并列出。
[0019] < 1 >一種光隔離器，其用于320nm?633nm波長帶，上述光隔離器的特征在于， 包括：波長405nm中的費(fèi)爾德常數(shù)為0. 70分鐘A〇e · cm)以上的法拉第轉(zhuǎn)子；以及第1中 空磁鐵與第2中空磁鐵單元及第3中空磁鐵單元，上述第1中空磁鐵配置于上述法拉第轉(zhuǎn) 子的外周，上述第2中空磁鐵單元及第3中空磁鐵單元是在光軸上夾著第1中空磁鐵而配 置，第2中空磁鐵單元及第3中空磁鐵單元包含相對(duì)于光軸而在90度方向上等分割的2個(gè) 以上的磁鐵，對(duì)上述法拉第轉(zhuǎn)子施加的磁通密度B(0e)處于下述式（1)的范圍內(nèi)，配置上述 法拉第轉(zhuǎn)子的樣品長L (cm)處于下述式（2)的范圍內(nèi)，
[0020] 0. 8X104 ^ B ^ 1. 5X104 (1)
[0021] 0.25 芻 L 芻 0.45 (2)。
[0022] < 2 >如< 1 >所述的光隔離器，其中上述法拉第轉(zhuǎn)子含有95重量％以上的下述 式（I)所表示的氧化物，
[0023] Yb203 (I)。
[0024] < 3 >如< 2 >所述的光隔離器，其中上述氧化物為單晶體。
[0025] < 4 >如< 2 >所述的光隔離器，其中上述氧化物為陶瓷（ceramics)。
[0026] < 5 >如< 1 >至< 4 >中任一項(xiàng)所述的光隔離器，其中上述法拉第轉(zhuǎn)子在樣品 長L(cm)中具有l(wèi)dB以下的插入損耗與30dB以上的消光比。
[0027] < 6 >如< 1 >至< 5 >中任一項(xiàng)所述的光隔離器，其中第1中空磁鐵與第2中 空磁鐵單元及第3中空磁鐵單元包含釹-鐵-硼（NdFeB)系磁鐵。
[0028] < 7 >如< 1 >至< 6 >中任一項(xiàng)所述的光隔離器，其中將第1中空磁鐵的磁場(chǎng) 極性設(shè)為光軸方向，使第2中空磁鐵單元及第3中空磁鐵單元的磁場(chǎng)極性在光軸法線方向 上彼此相反。
[0029] < 8 >如< 1 >至< 7 >中任一項(xiàng)所述的光隔離器，其中第2中空磁鐵單元及上 述第3中空磁鐵單元是將圓筒磁鐵以90度四分割的4塊磁鐵的集合體。
[0030] < 9 >如< 1 >至< 8 >中任一項(xiàng)所述的光隔離器，還包括：2片以上的平板雙折 射結(jié)晶及1片以上的45度旋光元件。
[0031] < 10 >如< 9 >所述的光隔離器，其中上述平板雙折射結(jié)晶的光學(xué)軸相對(duì)于光軸 為大致45度方向，且厚度為1.0cm以上。
[0032] < 11 >如< 1 >至< 10 >中任一項(xiàng)所述的光隔離器，其中第1中空磁鐵、第2中 空磁鐵單元及第3中空磁鐵單元被搭載于碳鋼框體的內(nèi)部。
[0033](發(fā)明的效果）
[0034] 根據(jù)< 1 >所述的發(fā)明，通過使用費(fèi)爾德常數(shù)大的法拉第轉(zhuǎn)子與磁通密度大的磁 鐵材料及磁路，可達(dá)成光隔離器的小型化。
[0035] 而且，根據(jù)<2 >所述的發(fā)明，影響偏光旋轉(zhuǎn)能的Yb203氧化物含量為95重量％以 上，因此可將Yb 203氧化物含量為含量50重量％法拉第轉(zhuǎn)子的樣品長縮短至1/2左右，因此 可使因高輸出激光而擔(dān)憂的法拉第轉(zhuǎn)子的光損耗減少。
[0036] 根據(jù)上述< 7 >所述的發(fā)明，可提高對(duì)法拉第轉(zhuǎn)子施加的磁通密度，從而可達(dá)成 進(jìn)一步的小型化。
[0037] 根據(jù)上述< 8 >所述的發(fā)明，除了小型化以外，可達(dá)成偏光無依存化。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0038] 圖1是表示本發(fā)明的光隔離器的結(jié)構(gòu)例的截面示意圖。
[0039] 圖2是第2中空磁鐵單元8及第3中空磁鐵單元9的截面示意圖。
[0040] 圖3是沿著光軸表示光隔離器內(nèi)的輸入光與回光的偏光面的行為的示意圖。
[0041] 圖4是表示法拉第旋轉(zhuǎn)角為45度的磁通密度T(1040e)的大小相對(duì)于實(shí)施例1及 比較例1中使用的法拉第轉(zhuǎn)子的樣品長L(0. 25cm?0. 45cm)的圖。
[0042] 圖5是表示基于有限元素法（finite element method)的NdFeB系磁鐵的形狀分 析結(jié)果的圖。

【具體實(shí)施方式】
[0043] 本發(fā)明的光隔離器的特征在于包括：波長405nm中的費(fèi)爾德常數(shù)為0. 70分鐘/ (0e · cm)以上的法拉第轉(zhuǎn)子；以及第1中空磁鐵與第2中空磁鐵單元及第3中空磁鐵單 元，上述第1中空磁鐵配置于上述法拉第轉(zhuǎn)子的外周，上述第2中空磁鐵單元及第3中空磁 鐵單元是在光軸上夾著第1中空磁鐵而配置，第2中空磁鐵單元及第3中空磁鐵單元包含 相對(duì)于光軸而在90度方向上等分割的2個(gè)以上的磁鐵，對(duì)上述法拉第轉(zhuǎn)子施加的磁通密度 B(0e)處于下述式（1)的范圍內(nèi)，配置上述法拉第轉(zhuǎn)子的樣品長L(cm)處于下述式（2)的范 圍內(nèi)。
[0044] 0. 8X104 ^ B ^ 1. 5X104 (1)
[0045] 0· 25 芻 L 芻 0· 45 (2)
[0046] 本發(fā)明中使用的法拉第轉(zhuǎn)子是于波長320nm?633nm處，光吸收極少的透明的法 拉第轉(zhuǎn)子，因此亦可應(yīng)對(duì)TGG結(jié)晶之類的現(xiàn)有轉(zhuǎn)子無法發(fā)揮功能的波長帶。通過對(duì)于該法 拉第轉(zhuǎn)子使用磁通密度大的磁鐵材及磁路，可實(shí)現(xiàn)光隔離器的小型化。因此，可使將光隔離 器裝入在內(nèi)的裝置（device)內(nèi)的空間尺寸的自由度較大。
[0047] 以下詳細(xì)說明本發(fā)明。
[0048] 本發(fā)明的隔離器可較佳地用于320nm?633nm的波長帶的激光光。此種激光包含 半導(dǎo)體激光或燈激發(fā)式Y(jié)AG激光的第二諧波（532nm)、第三諧波（355nm)。
[0049] 再者，本領(lǐng)域技術(shù)人員可將本發(fā)明的隔離器設(shè)計(jì)變更為上述以外的波長帶的激光 光。
[0050] 以下，參照附圖來說明本發(fā)明的光隔離器的基本結(jié)構(gòu)例。
[0051] 圖1是表示本發(fā)明的光隔離器的結(jié)構(gòu)例的截面示意圖。
[0052] 在圖1中，入射偏光元件1、法拉第轉(zhuǎn)子4及出射偏光元件6是依序配置于自左側(cè) 的入射側(cè)朝向右側(cè)的出射側(cè)的光軸12上。
[0053] 在圖1中，入射偏光兀件1通過楔玻璃2而固定于光軸12上，而且，出射偏光兀件 6通過楔玻璃2而固定于光軸12上。于入射側(cè)，入射偏光兀件1被固定于偏光兀件固定架 (holder) 3,于出射側(cè)，45度旋光兀件5與出射偏光兀件6被固定于偏光兀件固定架3。而 且，于入射偏光兀件1及出射偏光兀件6中不出光學(xué)軸11。
[0054] 法拉第轉(zhuǎn)子4的形狀并無特別限定，亦可為三棱柱狀、四棱柱狀，但優(yōu)選為圓筒 狀。以下，以圓筒狀的法拉第轉(zhuǎn)子為例進(jìn)行說明。
[0055] 在該法拉第轉(zhuǎn)子4的外周，配置有第1中空磁鐵7、以及在光軸上夾著第1中空磁 鐵的第2中空磁鐵單元8及第3中空磁鐵單元9。在法拉第轉(zhuǎn)子4為圓筒狀的情況下，第1 中空磁鐵7與第2中空磁鐵單元8及第3中空磁鐵單元9均優(yōu)選為中空?qǐng)A筒狀，法拉第轉(zhuǎn) 子4的中心軸及第1中空磁鐵7的中空部與第2中空磁鐵單元8、第3中空磁鐵單元9的中 空部的中心軸優(yōu)選為同軸。而且，法拉第轉(zhuǎn)子4的外徑、第1中空磁鐵7的中空部的內(nèi)徑與 第2中空磁鐵單元8、第3中空磁鐵單元9的中空部的內(nèi)徑優(yōu)選為大致相同，且在裝配光隔 離器之后進(jìn)行調(diào)芯。根據(jù)該配置，法拉第轉(zhuǎn)子4被配置在第1中空磁鐵7的中心。
[0056] 第1中空磁鐵7與第2中空磁鐵單元8及第3中空磁鐵單元9以它們的中空部與 光軸成同軸的方式而配置。上述第2中空磁鐵單元8、第3中空磁鐵單元9均是相對(duì)于光軸 而在90度（90° )方向上，即在相對(duì)于光軸垂直的面上等分割為2個(gè)以上的多個(gè)磁鐵的集 合體。
[0057] 圖2是表示第2中空磁鐵單元8、第3中空磁鐵單元9的一實(shí)施方式的截面示意 圖。兩中空磁鐵均成為將圓筒磁鐵以90° -分為四的4個(gè)磁鐵的集合體。一分為四的磁鐵 單元（集合體）的加工適應(yīng)性優(yōu)異，因而優(yōu)選。除了該一分為四的磁鐵單元的形態(tài)以外，亦 可為以180° -分為二的2個(gè)磁鐵的集合體、或以120° -分為三的3個(gè)磁鐵的集合體。
[0058] 如圖2所示，第2中空磁鐵單元8及第3中空磁鐵單元9分別被收納于框體10的 內(nèi)部。
[0059] 在圖2所示的實(shí)施方式中，將圓筒磁鐵一分為四的磁鐵的磁場(chǎng)極性成為外周方 向。此時(shí)，各磁鐵彼此持有反磁力，因此若使組合而成的磁鐵單元的外周外徑與框體10的 內(nèi)徑以磁鐵單元可插入的方式而大致一致，則僅以各自的反磁力便可固定在框體10的內(nèi) 部。若利用該固定法，則可將第2中空磁鐵單元8與第3中空磁鐵9作為兩側(cè)的按壓件，從 而可無間隙地固定第1中空磁鐵7,因此所構(gòu)成的磁鐵整體的固定可采用無需粘著劑等的 高可靠性的安裝。
[0060] 此處，"磁場(chǎng)極性"是指磁化的方向。亦即磁力線的朝向。
[0061] 本發(fā)明的光隔離器具有波長405nm中的費(fèi)爾德常數(shù)為0. 70分鐘A〇e · cm)以上 的法拉第轉(zhuǎn)子。對(duì)該法拉第轉(zhuǎn)子進(jìn)行說明。
[0062] 可用在本發(fā)明的法拉第轉(zhuǎn)子在波長405nm處的費(fèi)爾德常數(shù)為0. 70分鐘八Oe ?cm) 以上。只要費(fèi)爾德常數(shù)為0.70分鐘A〇e*cm)以上，則無特別限定，但Yb203氧化物含量為 100%的費(fèi)爾德常數(shù)達(dá)到上限。若費(fèi)爾德常數(shù)小于0. 70分鐘AOe ·_)，則將法拉第旋轉(zhuǎn)角 設(shè)為45°所需的法拉第轉(zhuǎn)子的長度變長，從而難以使光隔離器小型化。
[0063] 在本發(fā)明中，費(fèi)爾德常數(shù)只要按照常法來測(cè)定即可，并無特別限定。
[0064] 具體而言，切出規(guī)定厚度的氧化物，進(jìn)行鏡面研磨精加工，將法拉第轉(zhuǎn)子設(shè)置 (set)于磁通密度的大小為已知的永磁鐵，對(duì)波長405nm中的費(fèi)爾德常數(shù)進(jìn)行測(cè)定。而且， 測(cè)定條件為25±10°C，在大氣中進(jìn)行測(cè)定。
[0065] 在本發(fā)明的光隔離器中，配置上述法拉第轉(zhuǎn)子的樣品長L(cm)處于下述式（2)的 范圍內(nèi)。
[0066] 0· 25 芻 L 芻 0· 45 (2)
[0067] 若樣品長超過0. 45cm，則隔離器的小型化變得困難，若小于0. 25cm，則用于獲得 所需法拉第旋轉(zhuǎn)角的磁通密度的大小變大，隔離器的小型化仍變得困難。
[0068] 此處，所謂配置法拉第轉(zhuǎn)子的樣品長，是指法拉第轉(zhuǎn)子在光軸上的長度，在圖1中 以L來表示。
[0069] 本發(fā)明中所用的法拉第轉(zhuǎn)子優(yōu)選為含有95%以上的以下述式（I)表示的氧化物。
[0070] Yb203 (I)
[0071] 上述氧化物的含量更優(yōu)選為99. 9重量％以上，進(jìn)一步優(yōu)選為100重量％。
[0072] 鐿（Yb)與試（Tb)同樣，軌角動(dòng)量（orbital angular momentum) L = 3,因此為常 磁性元素，是在波長320nm?633nm處無吸收的元素。因此，鐿是最適合用于該波長帶的隔 離器的元素。
[0073] 另一方面，試的費(fèi)爾德常數(shù)大于鐿，但在波長320nm?380nm、450nm?550nm處存 在吸收。因此，制作盡可能多地含有該鐿的化合物，可加大該化合物的費(fèi)爾德常數(shù)，可加大 法拉第旋轉(zhuǎn)角。
[0074] 進(jìn)而，要制作在波長320nm?633nm處無吸收的化合物，其他的構(gòu)成元素在該波長 帶內(nèi)亦必須為透明，最適合該波長帶的化合物是與在波長320nm?633nm處無吸收的元素 的氧化物。
[0075] 此處，決定光隔離器大小的因素是費(fèi)爾德常數(shù)、磁場(chǎng)的大小。并且，為了使光隔離 器小型化，必須開發(fā)能夠盡可能地縮短作為其構(gòu)成零件的法拉第轉(zhuǎn)子的材料。
[0076] 因此，已判明：優(yōu)選的是，在所使用的波長中，費(fèi)爾德常數(shù)為0. 20分鐘A〇e · cm) 以上，若費(fèi)爾德常數(shù)小于0. 20分鐘A〇e · cm)，則在所使用的磁場(chǎng)中，法拉第轉(zhuǎn)子的長度將 達(dá)到10_以上，隔離器形狀與透過損耗將變大。
[0077] 并且，進(jìn)一步研究、實(shí)驗(yàn)的結(jié)果發(fā)現(xiàn)：若為以重量比換算含有95重量％以上的氧 化鐿的材料，則費(fèi)爾德常數(shù)將達(dá)到〇. 20分鐘/0e ?cm以上，法拉第材料的長度為10mm以下， 可實(shí)現(xiàn)隔離器的小型化，并且對(duì)于波長320nm?633nm的光幾乎不會(huì)發(fā)生吸收。
[0078] 以上述式（I)所表示的氧化物既可為單晶體，亦可為陶瓷。作為此種單晶體、陶瓷 的制造方法，可參照日本專利特開2011-150208號(hào)公報(bào)等。
[0079] 再者，當(dāng)使用單晶體作為隔離器的法拉第轉(zhuǎn)子時(shí)，優(yōu)選在切斷后，通過研磨劑等 來對(duì)表面實(shí)施鏡面精加工。研磨劑并無特別限定，例如可例示膠質(zhì)二氧化硅（colloidal silica)〇
[0080] 可用于本發(fā)明的法拉第轉(zhuǎn)子優(yōu)選為，在本發(fā)明的光隔離器中的上述樣品長L(cm) 中，具有l(wèi)dB以下的插入損耗與30dB以上的消光比，若考慮向光隔離器的搭載及其裝配誤 差（error)，更優(yōu)選為具有0. 5dB以下的插入損耗與35dB以上的消光比。若處于上述范圍 內(nèi)，則在可制作具有低損耗且高隔離（isolation)的光學(xué)特性的光隔離器的觀點(diǎn)上較佳。
[0081] 再者，插入損耗及消光比等的光學(xué)特性是依照常法，在波長405nm處進(jìn)行測(cè)定。再 者，測(cè)定條件設(shè)為25±10°C，且在大氣中進(jìn)行測(cè)定。
[0082] 可用于本發(fā)明的法拉第轉(zhuǎn)子優(yōu)選為，波長405nm且樣品長L cm(0. 25蘭L蘭0· 45) 處的透過率（光的透過率）為80%以上，更優(yōu)選為82%以上，進(jìn)一步優(yōu)選為85%以上。透 過率優(yōu)選為高，其上限并無特別限定，可為100%以下。
[0083] 透過率是根據(jù)使波長405nm的光透過厚度L cm的法拉第轉(zhuǎn)子時(shí)的光的強(qiáng)度來測(cè) 定。即，透過率是由以下式來表示。
[0084] 透過率=I/I〇X100
[0085] (上述式中，I表示透過光強(qiáng)度（透過厚度L cm的試料的光的強(qiáng)度），Ιο表示入射 光強(qiáng)度。）
[0086] 再者，所得的氧化物的透過率并不均勻，在視測(cè)定部位而透過率存在變動(dòng)的情況 下，取任意10點(diǎn)的平均透過率來作為該氧化物的透過率。
[0087] 在本發(fā)明的隔離器中，對(duì)包含第1中空磁鐵與第2中空磁鐵單元及第3中空磁鐵 單元的中空磁鐵單元群追加說明。
[0088] 第1中空磁鐵與第2中空磁鐵單元及第3中空磁鐵單元優(yōu)選為均采用盡可能小型 的永久磁鐵，且為了獲得大的磁場(chǎng)強(qiáng)度，優(yōu)選為使用釹-鐵-硼（NdFeB)系磁鐵。
[0089] 在本發(fā)明的隔離器中，優(yōu)選為，如圖1所示，將第1中空磁鐵的磁場(chǎng)極性設(shè)為光軸 方向，且使第2中空磁鐵單元的磁場(chǎng)極性與第3中空磁鐵單元的磁場(chǎng)極性在光軸法線方向 上彼此相反。通過采用該結(jié)構(gòu)，可使給予法拉第轉(zhuǎn)子的施加磁通密度達(dá)到最大。
[0090] 在本發(fā)明的光隔離器的基本設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)小型化的關(guān)鍵在于縮短法拉第轉(zhuǎn)子的長 度，因此，通過組合使用法拉第效應(yīng)大的法拉第轉(zhuǎn)子與磁通密度大的磁鐵材（磁鐵）及磁 路，可實(shí)現(xiàn)小型化。而且，在半導(dǎo)體激光中成為問題的高功率（high power)光造成的法拉 第轉(zhuǎn)子的光損耗是由法拉第轉(zhuǎn)子的透過率與長度來決定，因此透過率越高且長度越短的法 拉第轉(zhuǎn)子就越好。
[0091] 在本發(fā)明的光隔離器中，優(yōu)選為，于光軸上更具備2片以上的平板雙折射結(jié)晶及1 片以上的45度旋光元件。通過該結(jié)構(gòu)，可制成偏光無依存型的光隔離器。
[0092] 此時(shí)，優(yōu)選為，上述平板雙折射結(jié)晶的光學(xué)軸相對(duì)于光軸為大致45°方向，且厚度 為1.0cm以上。例如，在使用金紅石（rutile)單晶體（Ti0 2)的情況下，可對(duì)應(yīng)于厚度的 1/10、即（M.Omm的束徑為止，在α-BBO結(jié)晶（BaB20 4)的情況下，可對(duì)應(yīng)于厚度的1/30左 右、即Φ0. 35mm的束徑為止。
[0093] 伴隨半導(dǎo)體激光的高輸出化，作為對(duì)所搭載的光隔離器的要求事項(xiàng)，可列舉：光隔 離器須為偏光無依存型，即，各零件對(duì)高功率光具備耐性且不受所傳播的光的偏光狀態(tài)影 響。為了應(yīng)對(duì)該要求，作為所使用的偏光元件，優(yōu)選為利用其折射率差來分離光束的雙折射 結(jié)晶。作為代表性的雙折射結(jié)晶，有在波長400nm?633nm處為透明的釩酸釔（YV0 4)、金紅 石單晶體（Ti02)、在波長350nm?633nm處為透明的方解石單晶體（CaC0 3)、在波長190nm? 633nm處為透明的α -BBO結(jié)晶（BaB204)，只要配合半導(dǎo)體激光的振盪波長來使用透明的雙 折射結(jié)晶即可。而且，為了實(shí)現(xiàn)前述的偏光無依存化，優(yōu)選為，以雙折射結(jié)晶的光學(xué)軸相對(duì) 于光軸成大致45度的方式，來實(shí)施平板加工。而且，偏光元件的厚度與異常光的分離距離 存在比例關(guān)系，因此只要分別精度良好地加工成滿足所需的光束位移（beam shift)量的厚 度即可。配置2片該平板型雙折射偏光元件來作為入射出射偏光元件，在這2片偏光元件 之間，配置在波長320nm?633nm中的任一波長處法拉第旋轉(zhuǎn)角為45度的法拉第轉(zhuǎn)子、在 同一波長處使偏光面旋轉(zhuǎn)45度的45度旋光元件、及在其周圍對(duì)法拉第轉(zhuǎn)子的光軸方向給 予磁場(chǎng)的磁鐵，從而構(gòu)成偏光無依存型光隔離器。
[0094] 在圖3中，沿著光軸來表不光隔離器內(nèi)的輸入光與回光的偏光面的行為。
[0095] 在圖3的上段表不輸入光的偏光面的行為。最初，輸入光依照斯奈爾定律 (Snell's law)而被分離為：向入射偏光兀件的光學(xué)軸偏光方向位移的異常光、與在相對(duì)于 光學(xué)軸為垂直偏光方向上直進(jìn)的尋常光這2束光。入射光在入射偏光元件1中，偏光面分 別被分離為〇度、90度的尋常光、異常光，通過法拉第轉(zhuǎn)子4分別向右旋轉(zhuǎn)45度。1/2波長 板的光學(xué)軸是于面內(nèi)設(shè)為22. 5度而配置，以使該偏光面的角度進(jìn)一步向右旋轉(zhuǎn)45度。當(dāng) 于該結(jié)構(gòu)中，若尋常光、異常光透過1/2波長板，則偏光面均向右旋轉(zhuǎn)45度，因此尋常光、 異常光各自的偏光面旋轉(zhuǎn)90度。其結(jié)果，在出射偏光兀件6中，在與入射偏光兀件1相同 的方向上具有光學(xué)軸，因此尋常光光束位移成異常光，異常光作為尋常光而直進(jìn)，兩束光一 致，而實(shí)現(xiàn)偏光無依存化。
[0096] 在圖3的下段表示回光的偏光面的行為?；毓馐抢梅ɡ谵D(zhuǎn)子的不可逆性，使 偏光面逆向地旋轉(zhuǎn)45°，成為與入射偏光兀件成90°的垂直偏光面，從而回光無法透過。
[0097] 本發(fā)明的光隔離器優(yōu)選為，將第1中空磁鐵與第2中空磁鐵單元及第3中空磁鐵 單元搭載于碳鋼框體中。通過收納于碳鋼框體中，從而于磁鐵的周圍構(gòu)成磁軛（yoke)(軛 鐵）材，因此可使磁鐵所具備的吸附力或吸引力增大。
[0098] 再者，如在圖2的說明中所述的那樣，使等分割的4個(gè)磁鐵單元的外周外徑與框體 10的內(nèi)徑以磁鐵可插入的方式而大致一致，則僅利用各磁鐵的反磁力便可將2個(gè)磁鐵單元 固定于框體的內(nèi)部。
[0099][實(shí)施例]
[0100] (實(shí)施例1)
[0101] 制作圖1所示結(jié)構(gòu)的405nm波長帶光隔離器。
[0102] 作為入射偏光元件1及出射偏光元件6,使用在405nm處具有高透明性的α -ΒΒ0 結(jié)晶（BaB204)，其透光面被加工成1. 0cm厚的平行平板，其光學(xué)軸11相對(duì)于光軸12而傾斜 47. 8度。圖1中，是以傾斜方向位于紙面正中的方式而繪出。進(jìn)而，該平板型偏光元件對(duì)透 光面施以中心波長405nm的抗反射膜，并且，為了避免透光面的反射光返回入射光路，將偏 光元件底面粘著固定于具備僅5度的傾斜角度的楔玻璃2上，并搭載至偏光元件固定架3。
[0103] 而且，法拉第轉(zhuǎn)子4是以位于第1中空磁鐵7的中空部中心的方式，而固定于磁場(chǎng) 分布達(dá)到最大的位置，該磁場(chǎng)分布是由將第2中空磁鐵單元8與第3中空磁鐵單元9合起 來的所有磁鐵所形成。第2磁鐵單元及第3磁鐵單元如圖2所示，是組合使用等分割為4 個(gè)的磁鐵。依入射光路順序而配置于法拉第轉(zhuǎn)子4之后的45度旋光元件5,是使用以人工 水晶為材質(zhì)的1/2波長板，對(duì)其透光面施以中心波長405nm的抗反射膜。
[0104] 作為法拉第轉(zhuǎn)子，以0. 25cm?0. 45cm的樣品長來使用波長405nm處的費(fèi)爾德常 數(shù)為0.70分鐘八0e*cm)以上的鐿氧化物。在法拉第轉(zhuǎn)子的外周，配置有包含釹-鐵-硼 (NdFeB)系磁鐵的中空磁鐵。在該中空磁鐵兩側(cè)，配置磁場(chǎng)極性相反且相對(duì)于光軸而在90 度方向上等分割為4個(gè)的中空磁鐵單元，分割的各磁鐵的磁場(chǎng)極性構(gòu)成設(shè)為光軸法線方向 的磁路。而且，在磁鐵及磁鐵單元的外側(cè)，配置有碳鋼框體。
[0105] 再者，前述的光束位移量是依存于平行平板偏光元件的厚度。在將平行平板偏光 元件的厚度設(shè)為1. 〇cm的本實(shí)施例中，光束位移量為約0. 35mm?；毓庖嘧匀肷湮恢梅謩e上 下相隔0. 35_而分離并出射，因此若考慮光隔離器功能，作為最大束徑（Ι/e2)，可應(yīng)對(duì)至 Φ 0. 35mm為止。而且，基于縮小高功率光的功率密度等的目的，而采用更大的束徑的情況 下，要確保法拉第轉(zhuǎn)子的有效區(qū)域，只要將平行平板偏光元件的厚度設(shè)為1. 〇cm以上的任 意大小即可。
[0106] 接下來，對(duì)于本實(shí)施例1中使用的法拉第轉(zhuǎn)子4的詳細(xì)進(jìn)行說明。作為材料， 使用含有1〇〇重量％的鐿氧化物的YbA陶瓷。上述Yb 203陶瓷是依照日本專利特開 2011-150208號(hào)公報(bào)中記載的方法而制作。具體而言，將高純度Yb 203粉末予以粉碎后，添加 乙醇（ethanol)、乙二醇（ethylene glycol)進(jìn)行濕式混合，制成楽料（slurry)狀，并使用 成型器來將該漿料成型。使成型體在氬氣體環(huán)境中以1，600°C燒結(jié)2小時(shí)，從而獲得陶瓷。
[0107] 在波長405nm處測(cè)定該陶瓷后可知，該陶瓷具有插入損耗0. 5dB、消光比40dB、費(fèi) 爾德常數(shù)〇. 74分鐘A〇e ·_)的光學(xué)特性。再者，此時(shí)測(cè)定的樣品為外徑（直徑）Φ0. 3cm、 長度0· 4cm的圓筒形狀。
[0108] 圖4中，在使實(shí)施例1中使用的陶瓷的樣品長在0. 25cm?0. 45cm的范圍內(nèi)逐次 變化0. 05cm的情況下，表示法拉第旋轉(zhuǎn)角為45度的磁通密度T (1040e)作為樣品長L的函 數(shù)。
[0109] 此處，在前述樣品樣品長為0. 4cm的情況下，若根據(jù)實(shí)施例1的費(fèi)爾德常數(shù)（0. 74 分鐘A〇e · cm))值計(jì)算法拉第旋轉(zhuǎn)角為45度的磁通密度，則可知，所需的磁通密度為約 9, 100[0e] ( = 0· 91[T])。
[0110] (比較例1)
[0111] 如圖4所示，作為比較例1，制作將含有50重量％的鐿氧化物的Yb203陶瓷（費(fèi)爾 德常數(shù)0. 37分鐘· cm))作為法拉第轉(zhuǎn)子的光隔離器。
[0112] 若計(jì)算對(duì)該Yb203陶瓷施加的磁通密度，則可知：在樣品長0. 4cm時(shí)所需的磁通密 度為約18, 200 [0e] (= 1. 82 [T])，同樣地，在表示磁通密度的下限值的樣品長0. 45cm時(shí)，所 需的磁通密度為約16, 000[0e] ( = 1. 6[T])。
[0113] 因而，在本發(fā)明的光隔離器中，磁通密度相對(duì)于樣品長的關(guān)系具有實(shí)施例1所示 的關(guān)系，均處于滿足前述< 1 >中的式（1)的范圍內(nèi)。
[0114] 與Yb203為50重量％的法拉第轉(zhuǎn)子中所用的磁鐵相比，本發(fā)明的隔離器中，可減小 法拉第轉(zhuǎn)子的樣品長及施加的磁通密度，因此可縮小磁鐵的外徑，其結(jié)果，可實(shí)現(xiàn)光隔離器 的小型化。除了光隔離器的制品形狀的小型化以外，還可實(shí)現(xiàn)自光隔離器洩漏至外部的磁 場(chǎng)的降低。
[0115] 為了將其具體化，將各磁鐵外徑作為參數(shù)，并通過磁場(chǎng)分析來求出所獲得的磁通 密度分布。作為分析方法，選擇有限元法（JMAG-Designer)，磁鐵材質(zhì)采用信越化學(xué)工業(yè) (株）制釹-鐵-硼（NdFeB)磁鐵，框體10的材質(zhì)采用碳鋼。將模擬（simulation)結(jié)果示 于圖5。
[0116] 再者，圖5中的磁鐵的內(nèi)徑Φ (直徑）及Φ外徑（直徑）如下。
[0117] 實(shí)施例1 (樣品長0. 45cm):磁鐵內(nèi)徑Φ 0. 4cm、外徑Φ 1. 4cm
[0118] 實(shí)施例1 (樣品長0. 40cm):磁鐵內(nèi)徑Φ 0. 4cm、外徑Φ 1. 6cm
[0119] 實(shí)施例1 (樣品長0. 25cm):磁鐵內(nèi)徑Φ 0. 4cm、外徑Φ 2. 4cm
[0120] 比較例1 (樣品長0. 45cm):磁鐵內(nèi)徑Φ 0. 4cm、外徑Φ 3. 4cm
[0121] 圖5中，Z (cm)表示自配置法拉第轉(zhuǎn)子的中心軸算起的距離，0cm表示中心軸上的 中央（所配置的法拉第轉(zhuǎn)子的正中）。即，在法拉第轉(zhuǎn)子的樣品長為〇. 45cm的情況下，法拉 第轉(zhuǎn)子的端點(diǎn)相當(dāng)于Z = ±0. 225cm,同樣地，在法拉第轉(zhuǎn)子的樣品長為0. 40cm的情況下， 法拉第轉(zhuǎn)子的端點(diǎn)相當(dāng)于Z = ±0. 20cm。
[0122] 圖5的模擬結(jié)果可知，相對(duì)于光軸方向（Z)，可獲得穩(wěn)定的磁通密度。
[0123] 滿足式（1)、式（2)的上限磁通密度表示實(shí)施例1中的樣品長0. 25cm的磁通密度 分布，下限的磁通密度表示實(shí)施例1中的樣品長0.45cm的磁通密度分布，各磁鐵形狀如上 所述，設(shè)為內(nèi)徑Φ0. 4cm、外徑<M.4cm(下限值）?Φ2. 4cm(上限值）。
[0124] 為了滿足給予實(shí)施例1中所使用的法拉第轉(zhuǎn)子4 (樣品長0. 4cm、外徑Φ0. 3cm) 的磁通密度9, 100[0e] ( = 0. 91 [T])，圖5中的實(shí)施例1 (樣品長0. 40cm)為最佳。根據(jù)該 結(jié)果，對(duì)于采用實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)時(shí)使用的磁鐵形狀，在將第1中空磁鐵、第2中空磁鐵及第 3中空磁鐵加以組合而實(shí)際制作時(shí)，設(shè)為內(nèi)徑Φ0. 4cm、外徑Φ 1. 6cm、長度3. 2cm。在波長 405nm處實(shí)測(cè)該組裝結(jié)構(gòu)品的法拉第旋轉(zhuǎn)角，結(jié)果為45. 0度，與模擬結(jié)果一致。于其中將于 405nm處為透明的α-ΒΒΟ結(jié)晶（BaB204)作為偏光元件來裝配光隔離器，便可制作具有插入 損耗0. 7 [dB]、隔離35 [dB]的光學(xué)特性的光隔離器。
[0125] 關(guān)于使用作為比較例1所示的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的下限值的樣品長0. 45cm中的Yb203為 50%的陶瓷的磁鐵形狀，為內(nèi)徑Φ0. 4cm、外徑Φ3. 4cm、長度3. 8cm，因此若比較兩者則可 知，在本發(fā)明中，與現(xiàn)有品相比，可實(shí)現(xiàn)體積比80%的尺寸降低（size down)。
[0126] 而且，普遍知曉的是，費(fèi)爾德常數(shù)存在波長依存性，若波長變長，則常數(shù)會(huì)變小。因 此，亦在作為320nm?633nm中的上限波長的633nm處，評(píng)價(jià)費(fèi)爾德常數(shù)。其結(jié)果可知，對(duì) 于分別使用的Yb 203陶瓷的費(fèi)爾德常數(shù)，相對(duì)于比較例1的0. 11分鐘A〇e · cm)，在實(shí)施例 1中滿足0. 22分鐘A〇e · cm)及著眼于法拉第轉(zhuǎn)子的短條化的0. 20分鐘A〇e · cm)。因 而，本發(fā)明的光隔離器展現(xiàn)出：所使用的各零件及其結(jié)構(gòu)于320nm?633nm波長帶中具備低 損耗且高隔離的特性，可作為充分小型化的光隔離器而發(fā)揮作用。
[0127] 【符號(hào)說明】
[0128] 1 :入射偏光兀件
[0129] 2:楔玻璃
[0130] 3:偏光元件固定架
[0131] 4:法拉第轉(zhuǎn)子
[0132] 5 :45度旋光元件
[0133] 6:出射偏光元件
[0134] 7:第1中空磁鐵
[0135] 8:第2中空磁鐵單元
[0136] 9:第3中空磁鐵單元
[0137] 10 :框體
[0138] 11 :光學(xué)軸
[0139] 12 :光軸
【權(quán)利要求】
1. 一種光隔離器，其用于320nm?633nm波長帶，上述光隔離器的特征在于，包括：波 長405nm中的費(fèi)爾德常數(shù)為0. 70分鐘八Oe · cm)以上的法拉第轉(zhuǎn)子；以及第1中空磁鐵 與第2中空磁鐵單元及第3中空磁鐵單元，上述第1中空磁鐵配置于上述法拉第轉(zhuǎn)子的外 周，上述第2中空磁鐵單元及上述第3中空磁鐵單元是在光軸上夾著上述第1中空磁鐵而 配置， 上述第2中空磁鐵單元及上述第3中空磁鐵單元包含相對(duì)于上述光軸而在90度方向 上等分割的2個(gè)以上的磁鐵，對(duì)上述法拉第轉(zhuǎn)子施加的磁通密度B(0e)處于下述式（1)的 范圍內(nèi)，配置上述法拉第轉(zhuǎn)子的樣品長L (cm)處于下述式（2)的范圍內(nèi)。 0. 8X104 ^ B ^ 1. 5X104 (1) 0. 25 ^ L ^ 0. 45 (2)
2. 如權(quán)利要求1所述的光隔離器，其中，上述法拉第轉(zhuǎn)子含有95重量％以上的下述式 (I)所表示的氧化物.。 Yb2〇3 ⑴
3. 如權(quán)利要求2所述的光隔離器，其中上述氧化物為單晶體。
4. 如權(quán)利要求2所述的光隔離器，其中，上述氧化物為陶瓷。
5. 如權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的光隔離器，其中，上述法拉第轉(zhuǎn)子在樣品長L(cm) 中具有l(wèi)dB以下的插入損耗與30dB以上的消光比。
6. 如權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的光隔離器，其中上述第1中空磁鐵與上述第2中空 磁鐵單元及上述第3中空磁鐵單元包含釹-鐵-硼（NdFeB)系磁鐵。
7. 如權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的光隔離器，其中將上述第1中空磁鐵的磁場(chǎng)極性設(shè) 為光軸方向，使上述第2中空磁鐵單元及上述第3中空磁鐵單元的磁場(chǎng)極性在光軸法線方 向上彼此相反。
8. 如權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的光隔離器，其中第2中空磁鐵單元及上述第3中空 磁鐵單元是將圓筒磁鐵按90度四分割的4塊磁鐵的集合體。
9. 如權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述的光隔離器，還包括： 2片以上的平板雙折射結(jié)晶及1片以上的45度旋光元件。
10. 如權(quán)利要求9所述的光隔離器，其中上述平板雙折射結(jié)晶的光學(xué)軸相對(duì)于光軸為 大致45度方向，且厚度為1.0cm以上。
11. 如權(quán)利要求1-10中任一項(xiàng)所述的光隔離器，其中上述第1中空磁鐵、上述第2中空 磁鐵單元及上述第3中空磁鐵單元被搭載于碳鋼框體的內(nèi)部。
【文檔編號(hào)】G02B27/28GK104145209SQ201280060030
【公開日】2014年11月12日 申請(qǐng)日期:2012年12月7日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月8日
【發(fā)明者】矢作晃, 渡邊聰明, 牧川新二 申請(qǐng)人:信越化學(xué)工業(yè)株式會(huì)社