DE69207059T2

DE69207059T2 - Optischer Isolator und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE69207059T2
Application number: DE69207059T
Authority: DE
Inventors: Kazuhide Ohkawara
Original assignee: NEC Corp; Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1991-05-10
Filing date: 1992-05-11
Publication date: 1996-05-15
Anticipated expiration: 2012-05-12
Also published as: EP0512572B1; JP2697354B2; EP0512572A2; JPH04333818A; DE69207059D1; US5305137A; EP0512572A3

Description

Diese Erfindung betrifft einen für ein optisches Kommunikationssystem, ein optisches Informationsverarbeitungssystem usw. zu verwendenden, auf dem magneto-optischen Effekt basierenden optischen Isolator und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Ein Typ eines herkömmlichen optischen Isolators weist einen Polarisator, einen 45-Grad-Faraday-Rotator und einen Analysator, die durch Auftragen eines optischen Klebstoffs zwischen dem Polarisator und dem Faraday-Rotator und zwischen dem Faraday-Rotator und dem Analysator befestigt sind, und einen Magneten auf, der mittels Klebstoffs an einem Außenrand des Faraday-Rotators befestigt ist.
In Betrieb trifft einfallendes Licht auf den Polarisator des optischen Isolators, so daß eine Polarisationskomponente des einfallenden Lichts, die mit einer Polarisationsebene des Polarisators übereinstimmt, den Polarisator passiert, um auf den Faraday-Rotator zu treffen, aus dem Licht mit einer um 45 Grad gedrehten Polarisation austritt. Das Licht mit einer um 45 Grad gedrehten Polarisation passiert den Analysator, so daß von dem Analysator des optischen Isolators austretendes Licht bereitgestellt wird. Im Gegensatz dazu, wird zurückkehrendes Licht, das sich in eine zu der des einfallenden Lichts entgegengesetzte Richtung ausbreitet, durch den Polarisator gestoppt, nachdem es durch den Analysator und den Faraday- Rotator hindurchgetreten ist. Die detaillierte Struktur und Funktionsweise wird später erklärt.
Gemäß dem herkömmlichen optischen Isolator besteht jedoch ein Nachteil darin, daß die Feuchtigkeitsbeständigkeit nicht so gut ist, weil der Polarisator, der Faraday-Rotator und der Analysator durch den optischen Klebstoff an optischen Ebenen befestigt sind, so daß er nicht bei hohen Temperaturen und hoher Feuchtigkeit verwendet werden sollte.
Die japanische Patentveröffentlichung Nr. 1-200 223 beschreibt einen herkömmlichen optischen Isolator des im ersten Teil von Anspruch 1 definierten Typs. Im Falle dieser Vorrichtung vom Stand der Technik sind Faraday-Rotator, Analysator und Polarisator mittels Löten miteinander befestigt.
Demgemäß ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen optischen Isolator mit einer verbesserten Feuchtigkeitsbeständigkeit und ein Verfahren zu seiner Herstellung bereitzustellen.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen optischen Isolator, der bei hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit verwendet werden kann, und ein Verfahren zu seiner Herstellung bereitzustellen.
Es ist eine noch weitere Aufgabe der Erfindung, einen optischen Isolator, der selbst bei hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit mit stabilen Kenngrößen verwendet werden kann, und ein Verfahren zu dessen Herstellung bereitzustellen.
Gemäß einem ersten Merkmal der Erfindung umfaßt ein optischer Isolator:
einen Polarisator zur Ausbreitung von Licht mit einer vorgegebenen Polarisation;
einen Faraday-Rotator zum Drehen der vorgegebenen Polarisation um einen vorgegebenen Winkel;
einen Analysator zur Ausbreitung von Licht mit einer um einen vorgegebenen Winkel bezüglich einer Polarisationsebene des Polarisators gedrehten Polarisation;
einen am Außenrand des Faraday-Rotators vorgesehenen Magneten zum Anlegen eines Magnetfeldes an den Faraday- Rotator;
bei dem der Polarisator und der Faraday-Rotator mittels eines ersten Glases aneinander befestigt sind, das auf mindestens einem der Außenränder des Polarisators und des Faraday-Rotators aufgetragen ist; und
der Faraday-Rotator und der Analysator mittels eines zweiten Glases aneinander befestigt sind, das auf mindestens einem der Außenränder des Faraday-Rotators und des Analysators aufgetragen ist.
Gemäß einem zweiten Merkmal der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Isolators gemäß Anspruch 4 oder 5 bereitgestellt.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Diese Erfindung wird detailliert in Zusammenhang mit den angefügten Zeichnungen erklärt, in denen:
FIG. 1A und 1B jeweils eine Vorderansicht und eine Querscbnittsansicht sind, die einen herkömmlichen optischen Isolator zeigen;
FIG. 2A und 2B jeweils eine Vorderansicht und eine Querschnittsansicht sind, die einen optischen Isolator einer bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung zeigen; und
FIG. 3A bis 3D Perspektivansichten sind, die ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Isolators einer bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung zeigen.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Bevor ein optischer Isolator einer bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung erklärt wird, wird mit Bezug auf FIG. 1A und 1B der vorstehend erwähnte herkömmliche Isolator erklärt.
Der herkömmliche optische Isolator weist einen Polarisator 13, einen 45-Grad-Faraday-Rotator 14, einen Analysator 15 und einen Magneten 16 auf, wobei der Polarisator 13, der 45-Grad-Faraday-Rotator 14 und der Analysator 15 an ihren gegenüberliegenden optischen Ebenen unter Verwendung eines optischen Klebstoffs 17 befestigt sind, und der Magnet 16 an einem Außenrand des 45-Grad-Faraday-Rotators 14 unter Verwendung eines Klebstoffs 18 befestigt ist. Bei diesem herkömmlichen optischen Isolator hat der 45-Grad-Faraday- Rotator 14 eine solche Länge entlang der Lichtachse, daß hindurchtretendes Licht in seiner Polarisationsebene gemäß dem Faraday-Effekt um 45 Grad gedreht wird und die Drehung der Polarisationsebene ist von der Nichtreprozitätseigenschaft des Faraday-Effekts abhängig, bei dem die Drehrichtung der Polarisation des einfallenden Lichts durch eine inhärente Eigenschaft des Faraday-Rotators 14 und einer Parallelität oder Nichtparallelität zwischen Lichtausbreitungsrichtung und Magnetfeld bestimmt ist. Dieser Faraday-Rotator 14 ist in einem optischen Kommunikationssystem oft aus YIG (Yttrium- Eisen-Granat) oder (RBi) IG (Bi-substituiertes Seltene Erden- Eisen-Granat) hergestellt.
In Betrieb trifft einfallendes Licht (Pfeil in durchgezogener Linie) auf den Polarisator 13, so daß Licht mit einer Polarisationskomponente, die mit einer Polarisationsebene des Polarisators 13 übereinstimmt, ausgewählt wird, um auf den 45- Grad-Faraday-Rotator 14 zu treffen. Somit hat Licht, das sich durch den 45-Grad-Faraday-Rotator 14 ausbreitet, eine bezüglich des einfallenden Lichts um 45 Grad gedrehte Polarisation. Hier wird angenommen, daß eine Polarisationsebene des Analysators 15 mit einer Neigung von 45 Grad relativ zur Polarisationsebene des Polarisators 13 eingestellt ist. Unter dieser Annahme breitet sich das vom Faraday-Rotator 14 kommende Licht ohne Verlust durch den Analysator 15 aus. Somit wird von dem Analysator 15 austretendes Licht bereitgestellt.
Wenn andererseits zurückkehrendes Licht (Pfeil in gepunkteter Linie) auf den Analysator 15 trifft, wird Licht, dessen Polarisation um 45 Grad bezüglich der Polarisationsebene des Polarisators 13 gedreht ist, ausgewählt, um auf den 45-Grad- Faraday-Rotator 14 zu treffen, wobei sich das Licht, dessen Polarisation um 45 Grad bezüglich der Polarisationsebene des Polarisators 13 gedreht ist, durch den Faraday-Rotator 14 hindurch ausbreitet, um gemäß dessen Nichtreziprozitätseigenschaft um weitere 45 Grad gedreht zu werden. Somit trifft nur Licht mit einer um 90 Grad gedrehten Polarisation auf den Polarisator 13, so daß sich zurückkehrendes Licht nicht durch den Polarisator 13 ausbreitet. Folglich wird das gesamte zurückkehrende Licht von dem optischen Isolator aufgehalten.
Jedoch hat der herkömmliche Isolator den vorstehend erklärten Nachteil.
Als nächstes wird in Fig. 2A und 2B ein optischer Isolator einer bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung erklärt.
Der optische Isolator weist einen Polarisator 7, einen 45-Grad-Faraday-Rotator 9, einen Analysator 10 und einen Magneten 12 auf, wobei der Polarisator 7 und der Faraday- Rotator 9 durch ein niedrigschmelzendes Glas 8, das einen Endabschnitt 7a des Polarisators 7 umgibt, an ihren optischen Ebenen befestigt sind, und der Faraday-Rotator 9 und der Analysator 10 ebenfalls durch ein niedrigschmelzendes Glas 8, das einen Endabschnitt 10a des Analysators 10 umgibt, an ihren optischen Ebenen befestigt sind, während der Magnet 12 durch ein niedrigschmelzendes Glas 6 an einem Außenrand des Polarisators 7, des Faraday-Rotators 9 und des Analysators 10 befestigt ist.
Bei diesem optischen Isolator ist eine Polarisationsebene des Analysators 10 bezüglich derjenigen des Polarisators 7 gedreht angeordnet, und der 45-Grad-Faraday-Rotator 9 ist aus einem dicken Film aus (GdBi)&sub3; Fe&sub5;O&sub1;&sub2; (Bi-substituiertes Gadolinium-Eisen-Granat), einem dicken Film aus (GdBi)&sub3; (FeAlGa)&sub2;O&sub1;&sub2; (Bi-substituiertes Gadolinium-Eisen-Aluminium- Gallium-Granat) usw. hergestellt, die man beispielsweise mittels Flüssigphasenepitaxie erhält.
Im allgemeinen hat (RBi) IG (Bi-substituiertes Seltene Erde-Eisen-Granat) einen großen Faradayschen Rotationskoeffizienten und eine kleine Sättigungsmagnetisierung, so daß, wenn man dieses verwendet, ein optischer Isolator mit kleiner Größe realisiert werden kann. In dieser bevorzugten Ausführungsform wird ein optischer Isolator mit einem Durchmesser von 4 mm und einer Länge von 3 mm realisiert.
In dieser bevorzugten Ausführungsform hat das niedrigschmelzende Glas 6 einen niedrigeren Schmelzpunkt als das niedrigschmelzende Glas 8. Der Zusammenbau des Polarisators 7, des 45-Grad-Faraday-Rotators 9 und des Analysators 10, die vorher befestigt wurden, und des Magneten 12 wird bei einer Temperatur ausgeführt, die unter dem Schmelzpunkt des niedrigschmelzenden Glases 8 und über demjenigen des niedrigschmelzenden Glases 6 liegt. Unter dieser Prozeßbedingung wird vermieden, daß sich der Polarisator 7, der Faraday-Rotator 9 und der Analysator 10 wieder voneinander trennen.
In dieser bevorzugten Ausführungsform sind an den Lichteinfalls- und Lichtaustrittsebenen des Polarisators 7, des 45- Grad-Faraday-Rotators 9 und des Analysators 10 Antireflexionsfilme für Luft vorgesehen.
In Betrieb trifft einfallendes Licht (Pfeil in durchgezogener Linie) auf den Polarisator 7 des optischen Isolators, so daß austretendes Licht (Pfeil in durchgezogener Linie) mit einer um 45 Grad bezüglich der Polarisationsebene des Polarisators 7 gedrehten Polarisation aus dem Analysator 10 des optischen Isolators nach dem gleichen Prinzip, wie bei dem herkömmlichen optischen Isolator erklärt, austritt. Andererseits wird eine Ausbreitung von zurückkehrenden Licht (Pfeil in gepunkteter Linie) durch den optischen Isolator verhindert.
Hierauf wird in Fig. 3A bis 3D ein Verfahren zum Herstellen eines optischen Isolators einer bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung erklärt.
In Fig. 3A werden ein Polarisatorsubstrat mit mehreren Polarisatoren 7, die jeweils durch Schnittlinien 11 festgelegt sind und jeweils einen Endabschnitt 7a aufweisen, ein 45-Grad- Faraday-Rotator-Substrat mit mehreren 45-Grad-Faraday- Rotatoren 9, die jeweils durch Schnittlinien 11 festgelegt sind, und ein Analysatorsubstrat mit mehreren Analysatoren 10, die jeweils durch Schnittlinien 11 festgelegt sind und jeweils einen Endabschnitt 10a aufweisen, unter Verwendung einer ersten und zweiten halbgesinterten, gitterförmigen, niedrigschmelzenden Glasplatte 8A zusammengefügt, die jeweils zwischen dem Polarisatorsubstrat und dem Faraday-Rotator- Substrat und zwischen dem Faraday-Rotator-Substrat und dem Analysatorsubstrat gelegt werden, so daß die Endabschnitte 7a und 10a des Polarisator- und des Analysatorsubstrats in Öffnungen der gitterförmigen niedrigschmelzenden Glasplatten 8A eingepaßt sind. Somit wird die in Fig. 3A gezeigte zusammengesetzte Struktur erreicht, indem der Polarisator, 45- Grad-Faraday-Rotator und Analysator durch eine thermische Behandlung, der die Glasplatten 8A bei einer Temperatur von 450ºC unterzogen werden, befestigt werden.
In Fig. 3C wird die zusammengefügte Struktur, um durch die Schnittlinien 11 getrennt zu werden, geschnitten. In dieser getrennten Struktur wurde der Analysator 10 vorher mit einer um 45 Grad bezüglich der Polarisationsebene des Polarisators 7 gedrehten Polarisationsebene hergestellt. Außerdem sind der Polarisator 7, der 45-Grad-Faraday-Rotator 9 und der Analysator 10 so gestapelt, daß der Analysator 10 in bezug auf die Drehrichtung der Polarisationsebene mit dem 45- Grad-Faraday-Rotator 9 übereinstimmt, und Antireflexionsschichten für Luft sind an gegenüberliegenden optischen Ebenen des Polarisators 7, des 45-Grad-Faraday-Rotators 9 und des Analysators 10 vorgesehen.
Wie in Fig. 3A gezeigt, haben das Polarisatorsubstrat und das Analysatorsubstrat die Endabschnitte 7a und 10a, die durch gitterförmige Rillen festgelegt sind. Für das Schneiden unter Verwendung einer präzisen Blattsäge mit einer Dicke kleiner als 0,2 mm sind die Rillen entsprechend den Schnittlinien 11 vorgesehen. Die Tiefe der Rillen ist kleiner als die Dicke der gitterförmigen, niedrigschmelzenden Glasplatten 8A, so daß die gitterförmigen, niedrigschmelzenden Glasplatten 8A in gutem Kontakt mit den Kontaktabschnitten des Polarisator-, 45-Grad- Faraday-Rotator- und Analysatorsubstrats sind.
In dieser bevorzugten Ausführungsform beträgt die Tiefe der Rillen zum Festlegen der Endabschnitte 7a und 10a 0,3 mm und die Dicke der Glasplatten 8A beträgt 0,35 mm. Die hier beschriebenen Abmessungen und andere in Fig. 3A gezeigte Abmessungen sind wie folgt:
W&sub1; = 1,9 mm
W&sub2; = 0,2 mm
W&sub3; = 0,6 mm
t&sub1; = 1,3 mm
t&sub2; = 0,35 mm
t&sub3; = 0,35 mm
h = 0,30 mm
Die Breite der Rillen zum Festlegen der Endabschnitte 7a und 10a bestimmt sich in Abhängigkeit von der Breite W&sub3; der Rahmen der Glasplatten 8A.
Beim Zusammenbauen jedes Teils wie in Fig. 3A gezeigt, ist eine solche Handhabung der Glasplatten 8A nötig, daß die Glasplatten 8A nicht gebrochen werden, wenn sie mittels einer automatischen Montagevorrichtung auf dem Analysator-substrat und anschließend auf dem 45-Grad-Faraday-Rotator-Substrat angebracht werden.
In Fig. 3C wird die vorstehend erwähnte getrennte Struktur erhalten, indem die zusammengesetzte Struktur entlang der über die Mittellinien der Rahmen der Glasplatten 8A angeordneten Schnittlinien 11 mittels eines feinen Sägeblatts getrennt wird. Somit weisen die optischen isolatorelemente jeweils den Polarisator 7, den 45-Grad-Faraday-Rotator 9 und den Analysator 10 auf, die mittels niedrigschmelzenden Glases 8 zusammengefügt sind, das an den Außenrändern der Endabschnitte 7a und 10a zwischen dem Polarisator- und Faraday- Rotator-Substrat und zwischen dem Faraday-Rotator-Substrat und dem Analysatorsubstrat befestigt ist. Die Abmessung dieses optischen Isolatorelements beträgt 1,7 mm in der Breite und 3 mm in der Länge.
In Fig. 3D ist dieses optische Isolatorelement unter Verwendung eines zwischen Außenrand des optischen Isolatorelements und Innenrand des Magneten 12 aufgebrachten, niedrigschmelzenden Glases 6 (siehe Fig. 2A und 2B) in der Mittelachse des Magneten 12 an dem Magneten 12 befestigt. Das niedrigschielzende Glas 6 hat einen niedrigeren Schmelzpunkt als das niedrigschmelzende Glas 8, wie vorher erklärt. Auf diese Weise wird der optische Isolator wie in Fig. 2A und 2B gezeigt, hergestellt.
Bei diesem optischen Isolator gibt es Vorteile dahingehend, daß die Feuchtigkeitsbeständigkeit verbessert ist und stabile Kenngrößen erreicht werden, die eine Verwendung bei hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit ermöglichen, da die niedrigschmelzenden Gläser 8 an den Außenrändern der Endabschnitte des Polarisators 7 und des Analysators 10 geschmolzen sind, um den Polarisator 7, den 45-Grad-Faraday-Rotator 9 und den Analysator 10 zu befestigen.
An Stelle des Polarisators 7 und des Analysators 10 kann der 45-Grad- Faraday-Rotator 9 an seinen beiden Seiten mit Endabschnitten mit konkaven Hafträndern versehen sein, in welchen die niedrigschmelzenden Gläser 8 aufgetragen werden. Ferner können die vorher beschriebenen Abmessungen abhängig von der Gestalt des optischen Isolators verändert werden. Obwohl in dieser bevorzugten Ausführungsform die niedrigschmelzende Glasplatte 8A verwendet wird, kann sie durch ein niedrigschmelzendes Glas ersetzt werden, das in die Rillen zum Festlegen der Endabschnitte des Polarisators 7 und Analysators 10 gefüllt wird.
Obwohl die Erfindung in bezug auf eine spezielle Ausführungsform zur vollständigen und klaren Offenbarung beschrieben worden ist, ist ersichtlich, daß Fachleuten Abwandlungen und alternative Bauweisen einfallen können, ohne von dem Bereich der hieran angefügten Ansprüche abzuweichen.

Claims

1. Optischer Isolator mit:

einem Polarisator (7) zur Ausbreitung von Licht mit einer vorgegebenen Polarisation;

einem Faraday-Rotator (9) zum Drehen der vorgegebenen Polarisation des Lichts um einen vorgegebenen Winkel;

einem Analysator (10) zur Ausbreitung von Licht mit einer um einen vorgegebenen Winkel bezüglich der Polarisationsebene des Polarisators gedrehten Polarisation; und

einem am Außenrand des Faraday-Rotators (9) vorgesehenen Magneten (12) zum Anlegen eines Magnetfelds an den Faraday- Rotator;

dadurch gekennzeichnet, daß

der Polarisator (7) und der Faraday-Rotator (9) durch ein erstes Glas (8), das auf mindestens einem der Außenränder des Polarisators (7) und des Faraday-Rotators (9) aufgebracht ist, aneinander befestigt sind; und

der Faraday-Rotator (9) und der Analysator (10) durch ein zweites Glas (8), das auf mindestens einem der Außenränder des Faraday-Rotators (9) und des Analysators (10) aufgebracht ist, aneinander befestigt sind.

2. Optischer Isolator nach Anspruch 1, bei dem der Magnet durch ein drittes Glas (6) an einem Außenrand des Faraday-Rotators befestigt ist.

3. Optischer Isolator nach Anspruch 2, bei dem

das erste bis dritte Glas niedrigschmelzende Gläser sind, der Schmelzpunkt des ersten und zweiten Glases über dem des dritten Glases liegt.

4. Verfahren zur Herstellung eines optischen Isolators mit den folgenden Schritten:

Bereitstellen eines Polarisatorsubstrats, eines Faraday- Rotator-Substrats und eines Analysatorsubstrats;

Bereitstellen einer ersten und zweiten gitterförmigen Glasplatte, die halbgesintert sind;

Bilden von Rillen an einer Oberfläche des Polarisators und einer Oberfläche des Analysators, wobei diese Rillen mit einem Muster der gitterförmigen Glasplatten übereinstimmen und die Oberflächen des Polarisators und des Analysators dem Kontakt mit dem Faraday-Rotator dienen;

Einsetzen der ersten gitterförmigen Glasplatte zwischen dem Polarisator und dem Faraday-Rotator und der zweiten gitterförmigen Glasplatte zwischen dem Faraday-Rotator und dem Analysator, wobei die erste und zweite gitterförmige Glasplatte in den Rillen an den Oberflächen des Polarisators und des Analysators angeordnet werden, wobei der Polarisator, der Faraday-Rotator und der Analysator durch Schmelzen der ersten und zweiten gitterförmigen Glasplatte befestigt werden, um eine zusammengesetzte Struktur zu ergeben;

Schneiden der zusammengesetzten Struktur entlang der Rillen mit einer Schnittbreite, die schmaler ist als die Breite der Rillen, um mehrere optische Isolatorelemente bereitzustellen, wobei jedes optische Isolatorelement aus einem Polarisator, einem Faraday-Rotator und einem Analysator zusammengesetzt ist, wobei der Polarisator und der Faraday- Rotator mittels eines aus der ersten gitterförmigen Glasplatte ausgeschnittenen Glases an mindestens einem ihrer Außenränder befestigt sind, und der Faraday-Rotator und der Analysator mittels eines aus der zweiten gitterförmigen Glasplatte ausgeschnittenen Glases an mindestens einem ihrer Außenränder befestigt sind; und

Bereitstellen eines Magneten am Außenrand des Faraday- Rotators des optischen Isolatorelements.

5. Verfahren zur Herstellung eines optischen Isolators mit den folgenden Schritten:

Bilden von Rillen an einer Oberfläche des Polarisators und einer Oberfläche des Analysators, wobei die Rillen ein gitterförmiges Muster haben und die Oberflächen des Polarisators und des Analysators dem Kontakt mit dem Faraday- Rotator dienen;

Füllen des Glases in die Rillen des Polarisators und des Analysators, wobei der Polarisator, der Faraday-Rotator und der Analysator durch Schmelzen des Glases befestigt werden, um eine zusammengesetzte Struktur bereitzustellen;

Schneiden der zusammengesetzten Struktur entlang der Rillen mit einer Schnittbreite, die schmaler als die Breite der Rillen ist, um mehrere optische Isolatorelemente bereitzustellen, wobei jedes optische Isolatorelement aus einem Polarisator, einem Faraday-Rotator und einem Analysator zusammengesetzt ist, wobei der Polarisator und der Faraday- Rotator mittels eines in die Rillen des Analysators gefüllten Glases an mindestens einem ihrer Außenränder befestigt sind, und der Faraday-Rotator und der Analysator mittels eines in die Rillen des Analysators gefüllten Glases an mindestens einem ihrer Außenränder befestigt sind; und