光隔离器和半导体激光器组件的制作方法

本非临时申请在35u.s.c.§119(a)下要求2017年6月7日在日本提交的专利申请no.2017-112252的优先权，由此通过引用将其全部内容并入本文。

本发明涉及光隔离器，其为在光通信和光测量中使用以使从光纤端或透镜端反射的光不返回至用作光源的激光器的光学部件。本发明还涉及使用这样的光隔离器的半导体激光器组件。

背景技术

在光通信和光测量中，当已离开用作光源的半导体激光器的光从沿着透射路径布置的零件的表面反射并且返回至半导体激光器时，激光振荡变得不稳定。含有非相反地使光的偏振面旋转的法拉第(faraday)旋转器的光隔离器用于阻挡这样的反射返回光。

近来，在光通信中使用的半导体激光器组件中，具有宽振荡波长范围的可调谐激光源的使用在不断增加。希望用于可调谐激光源的光隔离器在宽波长范围显示高的隔离性能。

当使用可调谐激光源时，目前为止已采用了通过将光隔离器放置在温度调节器(珀耳帖元件)上来增加波长稳定性的方法。但是，为了节省电力，不再使用温度调节器；而且，现在常常将组件内部设定为高温。因此，也希望可调谐激光源中使用的光隔离器适于宽温度范围。

考虑这种要求，通常将1.5阶光隔离器和2阶光隔离器用于采用可调谐激光源的组件以及要求高可靠性的用途中。参照图5，1.5阶光隔离器为具有在光透射路径(图中用符号x表示)上依次设置的第一偏光器51、第一法拉第旋转器52、第二偏光器53、第二法拉第旋转器54、第三偏光器55和半波片56并且将磁铁57和58设置在其周围的光隔离器50。图6表示图5中的光透射路径上的多个位置a’至g’的各处的光偏振方向。图6中的a’至g’处的箭头表示从光入射侧看到的偏振方向。

图6中，在竖直方向上偏振的入射光在通过第一偏光器51、第一法拉第旋转器52、第二偏光器53、第二法拉第旋转器54和第三偏光器55的过程中变为在水平方向上偏振的光。然后，由半波片56使偏振面旋转90°，此时入射光和出射光的偏振方向变为相同。

常常将半导体激光芯片、光隔离器和波导型调制器依次设置在半导体激光器组件中。由于半导体激光芯片具有出射偏振方向依赖性并且波导型调制器具有入射偏振方向依赖性，因此需要使进入位于它们之间的光隔离器的光的偏振方向与离开隔离器的光的偏振方向一致。

因此，希望这样的1.5阶光隔离器具有高隔离性能并且还具有较小的尺寸和较低的成本，因此期待着改进的技术。

为了解决这点，jp-a2004-233385记载了排斥型1.5阶光隔离器，其中设置极性相反的两个磁铁并且其没有使用半波片。但是，在该方法中，两个磁铁彼此排斥，使得组装困难并且在固定磁铁中也必需高可靠性。

技术实现要素：

因此，本发明的目的是提供小型、低成本、1.5阶光隔离器和使用这样的光隔离器的半导体激光器组件。

作为广泛研究的结果，已发现了下述的光隔离器，其在正方向上具有平行的入射光偏振方向和出射光偏振方向。即，在这样的光隔离器中，当在光透射路径上依次设置第一法拉第旋转器、第一偏光器、第二法拉第旋转器和第二偏光器，而且设置磁铁以在与通过该隔离器的光传播的正方向相同的方向上对所述第一法拉第旋转器和所述第二法拉第旋转器施加磁场并且施加该相同方向的磁场时，通过选择和调整所述第一法拉第旋转器和所述第二法拉第旋转器的材料等使得所述第一法拉第旋转器和所述第二法拉第旋转器的法拉第旋转方向彼此相反，不再需要常规的1.5阶光隔离器的两个结构部件，即偏光器之一和半波片，导致较小的尺寸、较低的成本和宽波长范围和温度范围中的高隔离性能。

因此，在一个方面，本发明提供光隔离器，其在正方向上具有平行的入射光偏振方向和出射光偏振方向。所述隔离器包括在光透射路径上依次设置的第一法拉第旋转器、第一偏光器、第二法拉第旋转器和第二偏光器，并且设置磁铁以对所述第一法拉第旋转器和所述第二法拉第旋转器施加同一方向的磁场。所述第一法拉第旋转器中的法拉第旋转和所述第二法拉第旋转器中的法拉第旋转在相反的方向上产生。

在本发明的光隔离器的优选实施方案中，所述磁铁在两端被磁化为不同的磁极并且所述磁铁位于所述第一法拉第旋转器、所述第一偏光器、所述第二法拉第旋转器和所述第二偏光器的周围。

在另一优选的实施方案中，将所述第一法拉第旋转器、所述第一偏光器、所述第二法拉第旋转器和所述第二偏光器安装在平板基台的平坦表面上，并且所述第二偏光器具有与所述基台的平坦安装表面平行的透射偏振方向。

在又一优选的实施方案中，在所述正方向上，所述第一法拉第旋转器的入射面相对于所述入射光的光轴倾斜。

根据另一方面，本发明提供半导体激光器组件，其包括半导体激光器芯片、本发明的第一方面的光隔离器和波导型调制器。

发明的有利效果

本发明的光隔离器不需要在常规的1.5阶隔离器中使用的两个结构部件-偏光器之一和半波片，因此更小且成本更低。而且，其在宽波长范围和宽温度范围显示出高隔离性能。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施方案的光隔离器的示意图。

图2是表示通过图1中的光隔离器的光的偏振方向的概念图，图2a表示在正方向上穿行的光的偏振，并且图2b表示在反方向上穿行的光的偏振。

图3是根据本发明的另一实施方案的光隔离器的顶视示意图。

图4是图3中的光隔离器的正视示意图。

图5是常规的1.5阶光隔离器的示意图。

图6表示通过图5中的光隔离器的光的偏振方向的概念图，图6a表示在正方向上穿行的光的偏振并且图6b表示在反方向上穿行的光的偏振。

具体实施方案

由以下结合附图对其实施方案的详细说明，本发明的目的、特征和优点将变得更为清楚，但本发明并不限于以下所示的实施方案。

本发明的光隔离器是在正方向上具有平行的入射光偏振方向和出射光偏振方向的部件。这样的光隔离器能够有利地用于例如将其布置在具有出射偏振方向依赖性的半导体激光芯片与具有入射偏振方向依赖性的波导型调制器之间的情形。

参照图1和2对本发明的光隔离器的结构进行说明。

图1为表示根据本发明的光隔离器的示意图。参照图1，光隔离器10在光透射路径(由符号x表示)上依次设置有第一法拉第旋转器12、第一偏光器13、第二法拉第旋转器14和第二偏光器15。而且，设置磁铁17和18以向第一法拉第旋转器12和第二法拉第旋转器14施加同一方向的磁场，并且第一法拉第旋转器中的法拉第旋转和第二法拉第旋转器中的法拉第旋转在相反方向上产生。图2a和b表示图1中光透射路径上不同位置a至e处的光偏振方向。图2的a至e中的箭头表示从光入射侧看到的偏振方向。

该设置中，如图2a中所示那样，在特定方向(参见图中的符号a)中偏振的入射光具有由第一法拉第旋转器12旋转45°的偏振面(图中的b)。然后，其偏振面已由第一法拉第旋转器12旋转了的光经过第一偏光器(图中的c)。接下来，由第二法拉第旋转器14在与由第一法拉第旋转器12产生的法拉第旋转的方向相反的方向上使偏振面旋转45°(图中的d)。然后，其偏振面已由第二法拉第旋转器14旋转了的光经过第二偏光器15(图中的e)并且离开光隔离器。此时，出射光的偏振方向与入射光的偏振方向平行。

接下来，参照描述在相反方向上行进的返回光的图2b，首先，只透过由第二偏光器15在特定方向上偏振的返回光(图中的d)。接下来，第二法拉第旋转器14在与可使光经过第一偏光器13的偏振面不同的方向上使偏振面旋转(图中的c)。因此，返回光不能经过第一偏光器13并且被阻挡(图中的b)。

即使在存在能够经过第一偏光器13的返回光的情况下，偏振面被第一法拉第旋转器12旋转，变得与入射光的偏振方向垂直(图中的a)。半导体激光芯片容易受到在与出射激光的偏振方向相同的方向上偏振的返回光影响，但很少受到在正交方向上偏振的返回光影响。因此，本发明的光隔离器能够有利地与半导体激光器芯片一起使用。

与图5中所示的常规的1.5阶光隔离器相比，本发明的光隔离器没有使用某些结构部件，即偏光器之一和半波片。因此，其能够以低成本制造并且能够变得更小。

在本发明的光隔离器中，当施加同一方向的磁场时，第一法拉第旋转器中的法拉第旋转和第二法拉第旋转器中的法拉第旋转在相反的方向上产生。因此，将相互不同的材料用于第一法拉第旋转器和第二法拉第旋转器。例如，可将(gdbi)3(fega)5o12用作第一法拉第旋转器材料，并且可将(tbeubi)3(fega)5o12用作第二法拉第旋转器材料。或者，可将用于第一法拉第旋转器和第二法拉第旋转器的上述材料相互替换。

对法拉第旋转器材料并无特别限制，只要它们是显示出法拉第效应的材料。除了上述所述的这些以外，其他实例包括钇铁石榴石(y3fe5o12)、法拉第旋转玻璃和铽镓石榴石(tb3ga5o12)。这些可以是单晶或者可以是多晶。此外，为了能够使法拉第旋转器变短，优选使用在采用的波长范围中具有大的法拉第旋转系数或维尔德(verdet)常数的材料作为法拉第旋转器材料。而且，为了适于宽波长范围或温度范围，优选使用法拉第旋转系数或维尔德常数的波长依赖性和温度依赖性小的材料。

能够由法拉第旋转器的法拉第旋转系数或维尔德常数、法拉第旋转器的长度和磁场的强度来确定法拉第旋转器的旋转角度(旋光度)。在第一法拉第旋转器和第二法拉第旋转器中，当法拉第旋转角度为45°时隔离性能最高。当使用的波长和温度恒定时，应以法拉第旋转中的旋转角度变为45°的方式设定法拉第旋转器的长度和磁场的强度。在使用可调谐激光源或者温度变化的情况下，优选设计该光隔离器使得在使用的整个波长范围或温度范围中隔离性能稳定且高。

关于偏光器的类型，对本发明中使用的第一偏光器和第二偏光器并无特别限制；可将彼此不同类型的偏光器用作第一偏光器和第二偏光器，或者可使用相同的偏光器。在光隔离器中可使用的偏光器的类型包括例如使用偏振玻璃、偏振光束分光器(pbs)或双折射晶体制造的棱镜型偏光器、和线栅型偏光器。这些中，由于能够使光路长度变短，因此优选偏振玻璃。

如上所述，以其偏振面已由第一法拉第旋转器旋转的光通过的方式安装第一偏光器。以其偏振面已由第二法拉第旋转器旋转的光通过的方式安装第二偏光器。法拉第旋转角度随使用的波长或温度而变，因此，在此只要一些偏振分量通过即可。优选设定第一偏光器和第二偏光器的透射偏振方向使得彼此相差45°。

对本发明中使用的磁铁的种类并无特别限制。例如，可使用钐-钴(smco)磁铁、nd-fe-b磁铁和注射成型磁铁。这些中，优选smco磁铁，原因在于它们具有高居里温度并且耐侵蚀。对磁铁形状没有限制。

如上所述，设置磁铁以将同一方向的磁场施加于第一法拉第旋转器和第二法拉第旋转器。本发明中使用的磁铁可以是单一磁铁或者多个磁铁。可通过同一磁铁或通过分立的磁铁将磁场施加于第一法拉第旋转器和第二法拉第旋转器。

优选将磁铁的两端磁化成不同的磁极并且使磁铁位于第一法拉第旋转器、第一偏光器、第二法拉第旋转器和第二偏光器的周围。例如，可将第一法拉第旋转器、第一偏光器、第二法拉第旋转器和第二偏光器设置在圆筒状磁铁的内部，或者可将多个棒状或平板状磁铁设置在第一法拉第旋转器、第一偏光器、第二法拉第旋转器和第二偏光器的周围。

可将第一法拉第旋转器、第一偏光器、第二法拉第旋转器和第二偏光器安装在平板基台的平坦表面上。例如，在图3中所示的光隔离器10中，将第一法拉第旋转器12、第一偏光器13、第二法拉第旋转器14和第二偏光器15安装在平板基台19的平坦表面上。这是优选的，原因在于当将光隔离器安装在半导体激光器组件中时，能够防止由于接合应变引起的器件特性的劣化。而且，参照图4，优选第二偏光器的透射偏振方向与基台19的平坦安装表面19a平行。这有助于与例如具有入射偏振方向依赖性的波导型调制器一起使用时光隔离器的引入。

在本发明中，优选第一法拉第旋转器的入射面相对于入射光的光轴倾斜。这是有利的，因为能够减小第一法拉第旋转器的表面上形成的对空气的减反射涂层中的残留反射的影响。本文中使用的“对于空气的减反射涂层”是指施涂于光学元件例如法拉第旋转器或偏光器并且设计为使空气的反射最小化的减反射涂层，并且“对于粘合剂的减反射涂层”是施涂于光学元件并且设计为使将光学元件与另一光学元件接合的粘合剂处的反射最小化的减反射涂层。

本发明的光隔离器可以与半导体激光器芯片和波导型调制器一起成为一体并且用作半导体激光器组件。在该半导体激光器组件中，优选依次设置半导体激光器芯片、光隔离器和波导调制器。

实施例

提供以下的实施例和比较例以例示本发明，但并不意在限制其范围。

实施例1

选择(gdbi)3(fega)5o12晶体作为第一法拉第旋转器并且选择(tbeubi)3(fega)5o12晶体作为第二法拉第旋转器。当将同一方向的磁场施加于这些材料时，在相反的方向上产生它们的法拉第旋转。而且，将偏振玻璃(polarcor^tm，来自corning)用作第一偏光器和第二偏光器。

准备11.0mm×11.0mm(gdbi)3(fega)5o12晶体作为第一法拉第旋转器，并且在一侧布置有对于空气的减反射(ar)涂层且在另一侧布置有对于粘合剂的ar涂层。用粘合剂将第一偏光器附接至(gdbi)3(fega)5o12晶体的已施涂了对于粘合剂的ar涂层的一侧。第一偏光器的尺寸为11.0mm×11.0mm×0.2mm，并且将对于粘合剂的ar涂层施涂于两侧。此外，用粘合剂将作为第二法拉第旋转器的11.0mm×11.0mm(tbeubi)3(fega)5o12晶体附接至第一偏光器。该晶体的两侧布置有对于粘合剂的ar涂层。

在独立的操作中，准备一侧布置有对于空气的ar涂层并且另一侧布置有对于粘合剂的ar涂层的11.0mm×11.0mm×0.2mm第二偏光器。用粘合剂将该第二偏光器的已提供了对于粘合剂的ar涂层的一侧附接至第二法拉第旋转器。

通过将第一法拉第旋转器、第一偏光器、第二法拉第旋转器和第二偏光器接合在一起而得到的组件切割为1.0mm×1.0mm的大小，由此制备光学元件。将这样制造的光学元件放置在平板基台的平坦表面上，并且以将同一方向的磁场施加于第一法拉第旋转器和第二法拉第旋转器的方式将两个棒状smco磁铁布置在该光学元件的周围，由此制备光隔离器。

其中，以在温度25℃和波长1550nm下第一法拉第旋转器和第二法拉第旋转器处的法拉第旋转角度变为45°的方式设定法拉第旋转器的长度和磁场的强度。第一偏光器和第二偏光器的透射偏振方向彼此相差45°。

制造的光隔离器具有0.25db的正方向上的插入损失。为了评价隔离性，将在与第二偏光器的透射偏振方向相同的方向上偏振的光从反方向入射。为了确认通过第一法拉第旋转器的光的偏振状态，使偏振片旋转并且测定透射光。结果，透射光的水平(与图2b的a所示的箭头垂直的方向)分量为-55db，并且竖直(与图2b的a所示的箭头相同的方向)分量为-48db。

实施例1的光隔离器具有与常规的1.5阶光隔离器(比较例1)相当的隔离性能，但能够在光轴的方向上缩短约0.3mm(偏光器，0.2mm；半波片，约0.1mm)。而且，能够省去一个偏光器和一个半波片的成本。

比较例1

选择(tbeubi)3(fega)5o12晶体作为法拉第旋转器。将偏振玻璃(polarcor^tm，来自corning)用作偏光器。

准备第一偏光器，其具有11.0mm×11.0mm×0.2mm的尺寸并且在一侧布置有对于空气的ar涂层且在另一侧布置有对于粘合剂的ar涂层。接下来，用粘合剂将作为第一法拉第旋转器的11.0mm×11.0mm(tbeubi)3(fega)5o12晶体附接至第一偏光器的布置有对于粘合剂的ar涂层的一侧。该晶体的两侧布置有对于粘合剂的ar涂层。

用粘合剂将具有11.0mm×11.0mm×0.2mm的尺寸的第二偏光器附接至第一法拉第旋转器。第二偏光器的两侧布置有对于粘合剂的ar涂层。此外，作为第二法拉第旋转器，用粘合剂将具有11.0mm×11.0mm的尺寸的(tbeubi)3(fega)5o12晶体附接至第二偏光器。该晶体的两侧布置有对于粘合剂的ar涂层。

用粘合剂将具有11.0mm×11.0mm×0.2mm的尺寸的第三偏光器附接至第二法拉第旋转器。第三偏光器的两侧布置有对于粘合剂的ar涂层。

在独立的操作中，准备一侧布置有对于空气的ar涂层并且另一侧布置有对于粘合剂的ar涂层的11.0mm×11.0mm×0.09mm石英半波片。用粘合剂将该石英半波片的已提供了对于粘合剂的ar涂层的一侧附接至第三偏光器。

通过将第一偏光器、第一法拉第旋转器、第二偏光器、第二法拉第旋转器、第三偏光器和半波片接合在一起而得到的组件切割为1.0mm×1.0mm的大小，由此制备光学元件。以将同一方向的磁场施加于第一法拉第旋转器和第二法拉第旋转器的方式将两个棒状smco磁铁布置在该光学元件的周围，由此制备光隔离器。

其中，以在温度25℃和波长1550nm下第一法拉第旋转器和第二法拉第旋转器处的法拉第旋转角度变为45°的方式设定法拉第旋转器的长度和磁场的强度。

得到的光隔离器具有0.28db的正方向上的插入损失。为了评价隔离性，将在与第二偏光器的透射偏振方向相同的方向上偏振的光从反方向入射。测定透射光并且发现为-54.5db。

通过引用将日本专利申请no.2017-112252并入本文中。

尽管已对一些优选的实施方案进行了说明，但根据上述教导可对其进行许多变形和改变。因此应理解，在不脱离所附权利要求的范围的情况下，可在具体说明之外来实施本发明。