(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気光学結晶に印加する磁場を変化させることによってファラデー回転角を可変とするファラデー回転子において、
前記磁気光学結晶へ入射する入射光の光路を遮らないように配置された、前記入射光の進行方向に平行もしくは交差する第１の方向の磁場を前記磁気光学結晶に印加し磁気飽和させる永久磁石と、
前記入射光の前記進行方向に垂直もしくは交差する方向であって前記第１の方向とは異なる第２の方向の磁場を前記磁気光学結晶に印加し、磁場の強さ及び方向が可変である電磁石と、
を備え、
前記磁気光学結晶の形状は球形であることを特徴とするファラデー回転子。
【請求項２】
前記永久磁石が前記磁気光学結晶に印加する磁場の方向（前記第１の方向）は、前記入射光の進行方向に対し０度〜４５度の範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載のファラデー回転子。
【請求項３】
前記電磁石が前記磁気光学結晶に印加する磁場の方向（前記第２の方向）は、前記入射光の進行方向に垂直な方向に対し０度〜４５度の範囲内になることを特徴とする請求項１または２に記載のファラデー回転子。
【請求項４】
前記永久磁石と前記電磁石とが前記磁気光学結晶に印加する各磁場の方向（前記第１の方向と前記第２の方向）は、互いに直交していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のファラデー回転子。
【請求項５】
前記永久磁石は少なくとも２つ設けられ、前記磁気光学結晶を中心にして互いに対称な位置に配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のファラデー回転子。
【請求項６】
前記永久磁石は少なくとも２つ設けられ、前記入射光の前記光路に対して互いに対称な位置に配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のファラデー回転子。
【請求項７】
前記永久磁石の形状は四角柱状であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載のファラデー回転子。
【請求項８】
前記永久磁石が前記磁気光学結晶に印加する磁場は、前記光路に平行であることを特徴とする請求項１〜７にいずれか１つに記載のファラデー回転子。
【請求項９】
前記電磁石が前記磁気光学結晶に印加する磁場は、前記光路に対し垂直であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載のファラデー回転子。
【請求項１０】
前記磁気光学結晶は、ＹＩＧの単結晶であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載のファラデー回転子。
【請求項１１】
磁気光学結晶に印加する磁場を変化させることによってファラデー回転角を可変とするファラデー回転子を一部に含む光学装置において、
前記ファラデー回転子は、
前記磁気光学結晶へ入射する入射光の光路を遮らないように配置された、前記入射光の進行方向に平行もしくは交差する第１の方向の磁場を前記磁気光学結晶に印加し磁気飽和させる永久磁石と、
前記入射光の前記進行方向に垂直もしくは交差する方向であって前記第１の方向とは異なる第２の方向の磁場を前記磁気光学結晶に印加し、磁場の強さ及び方向が可変である電磁石と、
を備え、
前記磁気光学結晶の形状は球形であることを特徴とする光学装置。
【請求項１２】
磁気光学結晶に印加する磁場を変化させることによってファラデー回転角を可変とするファラデー回転子と、該ファラデー回転子によって回転させれた偏光面の回転角に応じて入射光の透過強度を変化させる偏光子とを含む光減衰器において、
前記ファラデー回転子は、
前記磁気光学結晶へ入射する入射光の光路を遮らないように配置された、前記入射光の進行方向に平行もしくは交差する第１の方向の磁場を前記磁気光学結晶に印加し磁気飽和させる永久磁石と、
前記入射光の前記進行方向に垂直もしくは交差する方向であって前記第１の方向とは異なる第２の方向の磁場を前記磁気光学結晶に印加し、磁場の強さ及び方向が可変である電磁石と、
を備え、
前記磁気光学結晶の形状は球形であることを特徴とする光減衰器。
【請求項１３】
磁気光学結晶に印加する磁場を変化させることによってファラデー回転角を可変とするファラデー回転子と、該ファラデー回転子によって回転させれた偏光面の回転角に応じて入射光の透過強度を変化させる偏光子と、前記ファラデー回転角を連続的に、且つ、時間的に変化させる変調制御手段とを含む光変調器において、
前記ファラデー回転子は、
前記磁気光学結晶へ入射する入射光の光路を遮らないように配置された、前記入射光の進行方向に平行もしくは交差する第１の方向の磁場を前記磁気光学結晶に印加し磁気飽和させる永久磁石と、
前記入射光の前記進行方向に垂直もしくは交差する方向であって前記第１の方向とは異なる第２の方向の磁場を前記磁気光学結晶に印加し、磁場の強さ及び方向が可変である電磁石と、
を備え、
前記磁気光学結晶の形状は球形であることを特徴とする光変調器。
【請求項１４】
磁気光学結晶に印加する磁場を変化させることによってファラデー回転角を可変とし、入射光を第１の偏光状態と第２の偏光状態とに変換するファラデー回転子と、前記第１の偏光状態の光を透過し、前記第２の偏光状態の光を遮断する切替え手段とを含む光スイッチにおいて、
前記ファラデー回転子は、
前記磁気光学結晶へ入射する入射光の光路を遮らないように配置された、前記入射光の進行方向に平行もしくは交差する第１の方向の磁場を前記磁気光学結晶に印加し磁気飽和させる永久磁石と、
前記入射光の前記進行方向に垂直もしくは交差する方向であって前記第１の方向とは異なる第２の方向の磁場を前記磁気光学結晶に印加し、磁場の強さ及び方向が可変である電磁石と、
を備え、
前記磁気光学結晶の形状は球形であることを特徴とする光スイッチ。
【請求項１５】
前記切替え手段は前記第２の偏光状態の光の進行方向を変えることを特徴とする請求項１４に記載の光スイッチ。
【請求項１６】
磁気光学結晶に印加する磁場を変化させることによってファラデー回転角を可変とするファラデー回転子と、該ファラデー回転子からの出力光の偏光状態を検出する偏光モニタ手段と、該偏光モニタ手段によって検出された偏光状態に基づいて入射光の偏光面の回転角を制御する制御手段とを備える偏光制御器において、
前記ファラデー回転子は、
前記磁気光学結晶へ入射する入射光の光路を遮らないように配置された、前記入射光の進行方向に平行もしくは交差する第１の方向の磁場を前記磁気光学結晶に印加し磁気飽和させる永久磁石と、
前記入射光の前記進行方向に垂直もしくは交差する方向であって前記第１の方向とは異なる第２の方向の磁場を前記磁気光学結晶に印加し、磁場の強さ及び方向が可変である電磁石と、
を備え、
前記磁気光学結晶の形状は球形であることを特徴とする偏光制御器。
【請求項１７】
磁気光学結晶と、
該磁気光学結晶を挟むように設けられ、入射する光の光路に対して平行で該磁気光学結晶に磁場を印加し、該磁気光学結晶を磁気飽和させる第１と第２の永久磁石と、
該磁気光学結晶の光路に対して所定の角度にて磁場をかける電磁石と、
を設け、
前記磁気光学結晶の形状は球形であることを特徴とするファラデー回転子。
【請求項１８】
磁気光学結晶と、
該磁気光学結晶を挟むように設けられ、入射する光の光路に対して所定の角度で該磁気光学結晶に磁場を印加し、該磁気光学結晶を磁気飽和させる第１と第２の永久磁石と、
該磁気光学結晶の光路に対して前記永久磁石の前記角度と異なる所定の角度で磁場を印加する電磁石と、
を備え、
前記磁気光学結晶の形状は球形であることを特徴とするファラデー回転子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ファラデー回転子に関し、特には、そのファラデー回転角を磁気光学結晶に印加する磁場を変化させることによって制御する方式のファラデー回転子に関する。更には、そのようなファラデー回転子を一部に備えた光減衰器や光変調器の各種光学装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ファラデー回転子は、光がその進行方向に平行な磁場の中を通過する際、偏光面が回転するというファラデー効果を利用して光の偏光状態の制御を行うための素子である。一般に、ファラデー回転子は、磁化を有する磁気光学結晶とこの磁気光学結晶に磁化を生じさせるための磁場印加手段とからなり、磁化の生じた磁気光学結晶内部に光を通過させることにより、光の偏光面を回転させる。磁気光学結晶を通過したことにより偏光面が回転した角度をファラデー回転角という。
【０００３】
特に、上記のようなファラデー回転子は、磁場印加手段によって印加される磁場を制御することによって、磁気光学結晶内部に生じる光の進行方向と平行な磁化成分を変化させ、ファラデー回転角を制御できるため、偏光の制御素子として多く利用されている。
【０００４】
このような素子は、波長板などの偏光変換素子や偏光子などの偏光分離・選択素子と組み合わせることによって、偏光の任意変換素子や光スイッチ、光変調器、光減衰器等さまざまな光学装置を実現することができる。
【０００５】
図７は従来のファラデー回転子の構成図である。
同図においては、薄板状の磁気光学結晶７０に磁場を印加するために永久磁石７１及び磁芯７３とコイル７４とからなる電磁石７２が設けられている。コイル７４には、電圧や極性を変えることのできる電源７５が接続されコイル７４に電流を供給する。
【０００６】
永久磁石７１は光路７６に対して横方向に磁場を印加し、電磁石７２は光路７６に平行な磁場を印加している。電磁石７２のＳ極とＮ極は電源７５の極性を変えることによって、入れ換えることができる。
【０００７】
また、磁芯７３には、光路７６の邪魔にならないように、光通過溝７７が設けられ、この溝部分を光が通るように構成されている。
この構成ではファラデー回転子の磁化不飽和により光の偏光の回転角が不連続に変化することを防ぐために、光の進行方向に平行な磁場を電磁石で変化させるだけではなく、それと横方向に永久磁石による一定磁場を印加している。これによって、磁場の切り換え動作中もファラデー回転子の磁化は飽和している。
【０００８】
磁化の飽和について図面を用いて説明する。
図８（ａ）は磁性体の磁気ヒステリシスループを示す。
磁性体に磁場Ｈをかけると自発磁化が生じる。図８（ａ）は磁場Ｈの強さをＨm と−Ｈm との間で往復させた場合の磁化Ｍの大きさを測定することにより得られるものである。同図の磁気飽和部に示されるように、磁化Ｍは、磁場Ｈの強さが所定の大きさになるとそれ以上大きくならなくなり、磁気飽和を起こす。
【０００９】
磁化Ｍは、磁場Ｈの強さが次第に大きくなる場合には、ルート（１）のような経路をたどり、磁場Ｈの強さが次第に小さくなる場合には、ルート（２）のような経路をたどって変化する。
【００１０】
図７のファラデー回転子において、永久磁石７１が設けられていないとすると、ファラデー回転角を変化させるためにコイル７４に流す電流を変化させた場合、磁気光学結晶７０内部の磁化は図８（ａ）のヒステリシスループに示されるように変化する。ところで、磁気光学結晶７０内部の磁束密度は磁場と磁化を加え合わせたものであるので、印加する磁場の大きさが同じでも磁気光学結晶７０の内部に生じる磁束密度は異なる値を持つことになる。ファラデー回転角は磁気光学結晶７０の内部に生じる磁束密度によって決定されるので、同じ強さの磁場を印加していても、異なるファラデー回転角が得られてしまい、制御が難しくなってしまう。
【００１１】
図８（ｂ）は磁性体内部の磁区を説明する図である。
磁性体内部には磁壁８０で囲まれた磁区８１が存在し、それぞれが独自の強さと方向を持った磁化（同図においては矢印で示されている）を有している。同図の状態の磁性体に磁場を印加した状態が図８（ｃ）である。
【００１２】
磁性体に印加される磁場の強さが強くなるに従い、それぞれの磁区が有していたさまざまな方向及び強さの磁化は、次第に同じ方向を向こうとする。図８（ｃ）においては、参照番号８２〜８６で示される磁区の磁化の方向が図８（ｂ）と比べると回転しているのが示されている。この磁化の方向の回転は磁気光学結晶全体の磁化の不連続な変化として現れ、磁束密度の大きさを不連続に変化させる。
【００１３】
印加される磁場の強さが強くなって磁化の方向が揃った磁区８１と８２〜８６の間の磁壁は自然に消滅し、１つの大きな磁区になる。更に印加磁場が強くなると次第に磁区８１は大きくなっていき、ついには磁性体全体が１つの磁区のようになってしまう。このような状態が磁気飽和の状態である。
【００１４】
上記したような原因により図８（ａ）に示されているルート（１）と（２）とでは、ヒステリシスループに凹凸が生じている。このように、磁場Ｈの強さを連続的に変化させたとしても磁化Ｍが不連続に変化することによって磁束密度も不連続に変化してしまう。このようなことが起こると、磁気光学結晶中を通過する光のファラデー回転角も不連続に変化してしまう。
【００１５】
そこで、図７のファラデー回転子では、永久磁石７１を設けてやり、電磁石７２が加える磁場と永久磁石７１とが加える磁場とを合わせた磁場の強さが、磁気光学結晶７０を常に磁気飽和させるように構成している。
【００１６】
磁気飽和状態では、図８（ａ）に示されるように磁場の強さが変化しても磁化の大きさは一定であるので、磁束密度が不連続に変化することはなく、ファラデー回転角を不連続に変化させることがない。
【００１７】
ファラデー回転角を変化させる場合は、コイル７４に流れる電流を制御して電磁石７２の作る磁場の強さを変化させる。電磁石７２の作る磁場と永久磁石７１の作る磁場がベクトル的に加え合わせられることにより、磁気光学結晶７０に印加される磁場の方向が変化させられる。従って、磁化は飽和したまま磁場につられて方向を変えることになり、光路７６に平行な磁化成分が変化することになって、ファラデー回転角が変化する。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
図９は、従来のファラデー回転子の問題点を説明する図である。
図７のファラデー回転子において、電磁石７２の磁芯７３に光通過溝７７が設けられているように、従来のファラデー回転子では、電磁石の磁芯が光の通過路を邪魔しないように配置しなければならなかった。
【００１９】
図９（ａ）のように、電磁石７２は光路７６と平行な磁場を印加するために磁芯７３’が磁気光学結晶７０の上下に回り込むように設けられている。従って、光路７６を遮らないように磁芯７３’は磁気光学結晶７０の上面及び下面を全部覆うようには配置できない。
【００２０】
一方、永久磁石７１は光路７６に垂直な方向の磁場を印加するために磁気光学結晶７０の側面を覆うように設けられている。永久磁石７１は光路７６を避ける必要がないので磁気光学結晶７０の側面全面を覆うことができ、磁気光学結晶７０に一様な磁場９０を印加することができる。
【００２１】
図９（ｂ）は、同図（ａ）を上方から見た図であり、電磁石７２の磁芯７３’が光路７６を避けて設けられているところが示されている。このように、磁気光学結晶７０の上面及び下面の一部を光路７６のためにあけておくため、磁芯７３’を磁気光学結晶７０の上面及び下面を全面的に覆うように構成して均一な磁場を印加することができない。
【００２２】
図９（ｃ）は、電磁石７２が磁気光学結晶７０に印加する磁場の様子を示す図である。
同図に示されているように、磁芯７３’は光路７６を避けるように設けられているので、電磁石７２のＮ極から出た磁場９１は磁気光学結晶７０の中に浸透するとともに、大きく迂回して電磁石７２のＳ極に到る。このように磁場９１が磁気光学結晶７０の中にその磁力線が膨らむ形で浸透するので、磁気光学結晶７０の内部に生じる磁束密度も不均一となる。磁気光学結晶７０内部の磁束密度が不均一になることはファラデー回転角に悪影響を及ぼし、ファラデー回転角の制御を難しくする。
【００２３】
電磁石による光路７６と平行な方向の磁場を均一なものにしようとする場合には、図７のように、磁芯７３に光通過溝７７を設けて、できるだけ磁気光学結晶の上面あるいは下面を磁芯７３の磁極で覆うようにしなければならない。この場合、電磁石を２つ設けたりすることにより均一な磁場を形成することも考えられるが、電磁石は一般に永久磁石より大きく、ファラデー回転子そのものも大型化してしまう。また、光通過溝７７のような構造を設けるのにも手間がかかり、製造コストを高くつくという側面を有している。
【００２４】
このように、従来の磁場印加方法では電磁石の磁芯が光路を避けて設置されるために磁気光学結晶に印加する磁場が均一とならず、また、ファラデー回転子の大型化に伴って、レンズなどの光学系を含めた装置が大型化する傾向にあった。
【００２５】
従って、本発明の課題は、磁気光学結晶に均一な磁場を印加することができ、しかも装置全体の大きさも小さく抑えることができるファラデー回転子を提供することである。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
本発明では、均一な磁場で効率よく偏光面を制御するために、まず、ファラデー回転子の磁化不飽和を抑えるための永久磁石の磁場方向を光の進行方向に平行もしくは交差する第１の方向とし、永久磁石の本体を光路を遮らないように配置し、電磁石による印加磁場方向を光の進行方向に垂直もしくは交差する方向であって前記第１の方向とは異なる第２の方向とし、磁芯が光路を遮らないように配置する。その結果、永久磁石あるいは電磁石に穴をあけずに永久磁石や電磁石の磁芯（ヨーク）を配置できるため、磁気光学結晶に印加される磁場を均一にできる。
【００２７】
また、永久磁石を複数個用いて磁気光学結晶に印加する磁場の均一化を図る。永久磁石は電磁石に比べて小さくても強い磁場を作ることが可能なので、複数個設けることにより磁場の均一化を図ったとしてもファラデー回転子が大型化することがない。
【００２８】
電磁石によって印加される磁場を均一にするために電磁石を複数個設ける必要がないので、ファラデー回転子の大型化を更に抑えることができる。
本発明の他の側面においては、磁化を有する磁性体である磁気光学結晶内部の反磁場により磁場が不均一になるのを避けるため、磁気光学結晶自体の形状を球とする。すなわち、磁場の印加方向が変化することによる反磁場の強さの変化を防ぐことができるので、磁気光学結晶に印加される磁場をより均一にすることができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施例の構成及び磁気光学結晶に印加される磁場の様子を説明する図である。
【００３０】
本実施例においては、磁気光学結晶１０の形状は四角柱となっている。ファラデー回転子に使用する磁気光学結晶は特に限定されるものではないが、実用的にはＹＩＧ（Ｙ3 Ｆｅ5 Ｏ12；イットリウム・鉄ガーネット）で形成されるものが多い。あるいは、ＹＩＧにテルビウム、ビスマス等で置換した（ＢｉX Ｔｂ3-X ) Ｆｅ5 Ｏ12や（ＴｂＨｏＢｉ）3 Ｆｅ5 Ｏ12等が使われる。
【００３１】
本実施例のファラデー回転子は従来のものと同じ構成要素、すなわち永久磁石と電磁石とを有しているが、その配置が異なっている。
図１（ａ）に示されるように、電磁石１３の磁芯１５は磁気光学結晶１０の側面に設けられており、光路１４に対し横方向の磁場を印加する構成となっている。永久磁石１１と１２は、同じく磁気光学結晶１０の側面に設けられており形状も四角柱となっている。本構成においては、永久磁石１１と１２は、光路１４と平行な方向に磁場を印加するために設けられており、更に、磁気光学結晶１０に印加される磁場がより均一となるように、磁気光学結晶１０の相対する側面に沿って２個設けられている。
【００３２】
永久磁石は小型で強力であるので容易に均一な磁場を得ることができるとともに、図１（ａ）に示されるように配置することにより、光路１４の邪魔にならず、２個設けてもファラデー回転子全体の大型化にはつながらない。
【００３３】
また、電磁石１３はコイル１６や電源１７を有し、磁芯１５も大きくなりがちであるが、光路１４の横方向に磁場を印加する構成としたことにより、磁芯１５を光路１４を避けるような形にする必要がなくなった上に、磁気光学結晶１０の側面の形状と磁芯１５の形状とを同形とすることができるので、電磁石１３は１個設けるだけで磁気光学結晶１０に均一な磁場を印加することができる。
【００３４】
すなわち、電磁石１３の磁芯１５と光路１４との位置関係において、電磁石１３による磁場を光路１４の横方向から印加するようにしたことによって電磁石１３の磁芯１５を磁気光学結晶１０に近接して用いることができ、その結果、駆動電流の低減、印加磁場の均一化などの利点を得ることができる。
【００３５】
図１（ｂ）は、電磁石１３が磁気光学結晶１０に印加する磁場の様子を示したものである。
同図に示されるように、磁芯１５のＳ極とＮ極は共に、磁気光学結晶１０の側面を全体的に覆うように構成されているので、印加磁場１８は、その磁力線がほとんど平行となり均一な磁場となっている。
【００３６】
一方、図１（ｃ）は、永久磁石が磁気光学結晶に印加する磁場の様子を示すものである。
同図に示されるように、永久磁石１１と１２は、磁気光学結晶１０を両側から挟むように設けられている。永久磁石１１と１２のそれぞれのＳ極とＮ極は共に同じ方向を向いており、磁気光学結晶１０に一定方向の磁場を印加する構成となっている。図に示されている永久磁石１１と１２の磁力線はそれぞれの永久磁石１１、１２のＮ極から出て、永久磁石１１、１２の外部を迂回してそれぞれのＳ極に到る。磁力線はそれぞれのＮ極からＳ極に到る途中で磁気光学結晶１０を通っており、その結果、磁気光学結晶１０には光路と平行な磁場が印加される。
【００３７】
永久磁石１１、１２の側面は、図１（ａ）に示されるように、磁気光学結晶１０と同様な形状に形成されており、その相対する両側面に設けられているので、磁気光学結晶１０の全体に渡って均一な磁場を印加することができる。
【００３８】
磁気光学結晶１０は、これまでに多く使われている、ＬＰＥ（Liquid Phase Epitaxial) 法によって成長される結晶である(GdBi)3(FeAlGa)5O12 などの材料を用いた場合には、一般的に波長１．５５μｍの入射光において偏光面が４５度回転するのに要する距離に相当する３００〜５００μｍの厚さを有し、また入射光線の太さに合わせて１ｍｍ四方程度の面積を持った入射面を有するのが標準的である。
【００３９】
本実施例の磁気光学結晶１０の形状としては、例えば、３辺が２ｍｍ程度の立方体である。この時の永久磁石１１、１２の大きさは、２×２×４ｍｍ程度であり、電磁石１５は８×１０×４ｍｍ程度となり、永久磁石の方が格段に小さい。従って、従来の構成において均一な磁場を得るために複数の電磁石を使用した場合に比べて、本実施例のような構成はファラデー回転子の大きさを格段に小さくすることができる。
【００４０】
図２は、電磁石及び永久磁石によって印加される磁場と磁気光学結晶の磁化の関係を示す図である。
同図（ａ）は電磁石による磁場はなく、永久磁石による磁場のみが存在する場合を示す。磁気光学結晶１０に印加される磁場は永久磁石によるもののみであり、光路２１に平行である。この印加磁場２２によって生じる磁化２３は同様に光路２１に平行であるが、磁化２３は永久磁石による印加磁場２２のために飽和している。
【００４１】
この状態の磁気光学結晶１０に光路２１に沿った光が入射された場合は、ファラデー回転角は最大の大きさとなる。
同図（ｂ）は、電磁石による磁場が存在する場合を示す。
【００４２】
永久磁石による磁場は大きさが一定なので、光路２１に平行な磁場の成分は変化しないが、電磁石による磁場が横方向に印加されているため磁気光学結晶１０に印加される印加磁場２２は、同図に示されるように、これら２つの磁場をベクトル的に合成したものとなる。
【００４３】
磁気光学結晶１０に生じる磁化２３は印加磁場と平行となり、従って光路２１に対して傾斜したものとなる。印加磁場２２の強さは大きくなるものの、磁気光学結晶１０内部の磁化２３は永久磁石による磁場によって既に飽和しているので、磁化２３自身の大きさは変化しない。
【００４４】
よって、磁化２３はその大きさを変えずに方向だけを印加磁場に平行な方向に変化させる。このことにより、磁化２３の光路２１に平行な成分は同図（ａ）の場合よりも小さくなり、ファラデー回転角も同様に小さくなる。
【００４５】
同図（ｃ）は、電磁石による磁場を同図（ｂ）よりも強くした場合を示す。
上記したように、磁気光学結晶１０に印加される印加磁場２２は大きさが固定された永久磁石による磁場と電磁石による磁場の合成であり、同図（ｃ）の場合には印加磁場２２の大きさが同図（ａ）及び（ｂ）の場合に比べてもっとも大きくなっている。この印加磁場２２が磁気光学結晶１０に印加されると、印加磁場２２と平行な磁化２３が生じる。しかし、磁化２３は既に飽和しているので、磁化の大きさは変化しない。これにより、磁化２３の光路２１に平行な成分は、同図（ａ）、（ｂ）のいずれの場合よりも小さくなる。従って、ファラデー回転角も前述のいずれの場合よりも小さくなる。
【００４６】
このように、電磁石によって磁気光学結晶１０に印加する磁場の大きさを変化させることにより、ファラデー回転角を制御することができる。例えば、永久磁石の磁場のみが印加された場合のファラデー回転角を４５°と設定すると、ファラデー回転角の制御範囲は０°〜４５°となる。
【００４７】
図３は図１の実施例の変形例の構成とその作用を説明する図である。
同図（ａ）の構成においては、永久磁石１１、１２及び電磁石１３が、光路１４及び磁気光学結晶１０に対し垂直な方向から傾斜している。
【００４８】
このように傾斜することにより、永久磁石１１、１２及び電磁石１３が磁気光学結晶１０に印加するそれぞれの磁場は、いずれも光路１４とは平行あるいは垂直とはならないが、磁気光学結晶１０に印加される磁場は、これらの磁場を合成したものであるので、図１の実施例と同様の作用を有する。
【００４９】
また、永久磁石１１、１２及び電磁石１３の傾斜方法は同図（ａ）のような方法に限られることはなく、電磁石１３と永久磁石１１、１２とをそれぞれ独立に光路１４に対して傾斜させて設置することも可能である。この場合、実用的には、電磁石１３が磁気光学結晶１０に印加する磁場は、光路に対して垂直な状態から４５°程度傾いた状態までの任意の角度で設定すればよい。同様に、永久磁石１１、１２が磁気光学結晶１０に印加する磁場は、光路１４に平行な状態から４５°程度傾斜した状態までの任意の角度で設定すればよい。
【００５０】
ただし、いずれの場合も永久磁石１１、１２や磁芯１５が光路１４を遮らないように設けることが必要である。電磁石１３や永久磁石１１、１２が大きく傾斜し、光路１４を遮るようになる場合には、磁芯１５や永久磁石１１、１２の形状をかえて光が通るための光路を作る必要がある。しかしながら、このようにそれぞれの形状を変えなくてはならない程に傾斜させると、図７の従来のファラデー回転子のように形成される磁場が均一でなくなってしまい、ファラデー回転角に影響を及ぼすようになってしまうので好ましくない。
【００５１】
同図（ｂ）は、同図（ａ）の構成によって磁気光学結晶に印加される磁場とこの磁場によって生じる磁化の様子を説明する図である。
同図（ｂ）の左側に示されているのは、電磁石１３と永久磁石１１、１２とによって形成される磁場及びこれらの合成である印加磁場を示している。▲２▼で示される矢印は永久磁石１１、１２により形成される磁場であり、電磁石１３による磁場が存在しない場合には、この磁場が磁気光学結晶１０への印加磁場となる。電磁石１３が（１）の矢印で示される磁場を印加している場合には、磁気光学結晶１０への印加磁場は▲１▼のようになる。同様に、電磁石１３が（２）で示される磁場を印加している場合には、印加磁場は▲３▼のようになる。
【００５２】
これら▲１▼〜▲３▼の印加磁場に対応して生じる磁化が同図（ｂ）の右側に示されている。前述したように磁化▲１▼〜▲３▼は、その大きさが同じで方向のみが異なる。これから分かるように、磁化▲１▼、▲２▼の光路１４に平行な成分は下向きであるが、磁化▲３▼の光路１４に平行な成分は上向きとなっている。磁化▲１▼と▲２▼によって生じるファラデー回転は、その光路１４に平行な成分が共に同じ下向きであるので、回転角の大きさは異なるものの偏光面の回転方向は同じである。一方、光路１４に平行な成分が磁化▲１▼、▲２▼とは反対の磁化▲３▼によって生じるファラデー回転は、回転方向が磁化▲１▼、▲２▼による回転方向とは逆になる。
【００５３】
このように、電磁石１３や永久磁石１１、１２を光路１４に対して傾斜して設けることにより、入射光の偏光面の回転方向を逆にすることが可能となる。
図４は、本発明のファラデー回転子の他の実施例の構成図である。同図においては、図１の実施例と同じ構成要素には同じ参照番号を付してある。
【００５４】
本実施例においては、磁気光学結晶４０の形状を球形としている。その他の構成は、前述の実施例及び変形例と同様であり、特に、磁芯１５と永久磁石１１、１２を光路１４に対して傾斜して設けることは可能であり、その際に得られる作用も同様である。
【００５５】
前述の実施例及び構成例においては、磁気光学結晶中の磁場の均一性という点では従来の方法に比べて向上しているが、本実施例においては更に、印加する磁場の方向が変化することにより磁気光学結晶４０内部に生ずる反磁場の変化の影響を抑えるために、磁気光学結晶４０の形状を球形とする。磁気光学結晶４０の形状を球形とすると、磁気光学結晶４０の形状に方向依存性がなくなる。反磁場は、磁性体の形状によりその強さ等を変化させるので、形状を方向依存性のない球形とすることにより、反磁場にも方向依存性がなくなり、全体により均一な磁場を実効的に印加できる。
【００５６】
図５は、反磁場の振る舞いを説明するための図である。
同図（ａ）、（ｂ）は、例えば形状が四角柱の磁気光学結晶１０の内部に発生する磁化５０と反磁場５１−１、５１−２の様子を示す。同図（ａ）に示されているのは、反磁場５１−１が磁気光学結晶１０の側面に平行に発生している場合である。これは、電磁石及び永久磁石によって印加される磁場が磁気光学結晶１０の側面に平行であった場合に生じる。一方、同図（ｂ）は、電磁石及び永久磁石によって印加される磁場が、例えば磁気光学結晶１０の対角線の方向を向いていた場合を示しており、反磁場５１−２も磁気光学結晶１０の対角線方向に生じている。
【００５７】
この場合、同図（ａ）の場合に生じる反磁場５１−１の方が同図（ｂ）の場合に生じる反磁場５１−２よりも強いものとなる。本発明においては、磁化５０は常に飽和した状態で使用し、磁化５０の方向を変えることによりファラデー回転角を制御している。ところが、磁化５０の方向と逆方向に生じる反磁場５１−１、５１−２の強さが方向により変化すると、磁気光学結晶１０に印加されている磁場がやや不均一になってしまう。従って、ファラデー回転角に若干の悪影響を与えてしまう。
【００５８】
一方、同図（ｃ）、（ｄ）は、磁気光学結晶１０の形状を球形とした場合の反磁場５１−３、５１−４の様子を示すものである。
球形をした磁気光学結晶４０の場合には、形状が方向依存性を有しないために、同図（ｃ）の場合の反磁場５１−３の強さと同図（ｄ）の場合の反磁場５１−４の強さとでは違いがない。従って、磁気光学結晶４０に磁場を加える方向を変化させたとしても、反磁場５１−３、５１−４の強さに変化が生じないので印加磁場を均一に印加することができる。従って、ファラデー回転角の制御をより容易に行うことが可能となる。
【００５９】
このように図４の実施例によれば、ファラデー回転子を大型化することなく磁気光学結晶に印加される磁場をより一層均一にすることができる。
ただし、図示されてはいないが、磁気光学結晶４０の形状を球形としたことにより、磁気光学結晶自体が光に対しレンズとして働くようになる。従って、球形の磁気光学結晶４０を用いたファラデー回転子を光学機器に組み込む場合には、このことを予め考慮したシステム設計が必要である。
【００６０】
図６は、本発明のファラデー回転子の光学装置への応用例として、光スイッチ、光アッテネータ、光変調器、偏光制御器を説明するための図である。
同図（ａ）には、光スイッチ、光アッテネータ、光変調器のそれぞれに共通の構成を示している。
【００６１】
光スイッチを構成する場合には、例えば、偏光子６１と６２を互いに４５°傾け、ファラデー回転子６０は光の偏光面を＋４５°と−４５°との間で切り換えるように構成する。ここで説明の便宜上、光は偏光子６１の側から入射するものとし、光の入射方向からみて時計回りに計った角度を正の角度とする。また、光の通り道は光路５７で示されている。
【００６２】
偏光子６１を通過してきた光は特定の偏光面を持った直線偏光となっている。この光がファラデー回転子６０に入射すると偏光面が＋４５°あるいは−４５°回転させられる。偏光子６２が、偏光子６１を通過した光の偏光面を＋４５°回転させた光を通過させるように設置されていたとする。このときは、光がファラデー回転子６０で＋４５°のファラデー回転角を与えられると偏光子６２を通過できるが、−４５°のファラデー回転角が与えられた場合には偏光子６２を通過できない。このように、光に与えるファラデー回転角を離散的な所定の値になるように設定することで、光出力のオン／オフを行う光スイッチを構成することができる。
【００６３】
あるいは、偏光子６２を偏光分離器等に置き換えることにより、ファラデー回転角が＋４５°の場合は光を直進させ、−４５°のときには光の進行方向を曲げるようにすることもでき、このようにすることによって、光出力の切替えではなく、光路の切替えを行う光スイッチを構成することもできる。
【００６４】
また、ファラデー回転子６０によるファラデー回転角を−θ〜＋θ（ここで、θは任意に設定される角度の値である）まで連続に変化させるようにすると、偏光子６２から得られる光出力はファラデー回転子によって与えられたファラデー回転角に応じて連続に変化する。例えば、偏光子６１と６２が上記光スイッチの場合と同じ関係に設定されていた場合は、ファラデー回転角を＋４５°から−４５°まで連続的に変化させることによって、光出力を次第に減衰させて全く光出力がない状態にまですることができ、光アッテネータを構成することができる。
【００６５】
また、ファラデー回転子６０によるファラデー回転角の制御を、専用の制御装置（不図示）を設けるなどして連続的にしかも時間的に変化させるようにする。このようにすると、偏光子６２から得られる光出力は時間的に強度を変化させる信号のようになるので、同図（ａ）に示される構成で光変調器を構成することができる。
【００６６】
同図（ｂ）は偏光制御器の構成図の一例である。
この偏光制御器は、ファラデー回転子６０と偏光子６１の他に、ファラデー回転子６０から出力される光を分割するカプラ６３、Ｐ偏光とＳ偏光とを分離する偏光分離器６４、Ｓ偏光とＰ偏光それぞれを検出する光ディテクタ６５、６６、及び光ディデクタ６５、６６の検出結果に基づいてファラデー回転子６０のファラデー回転角を制御する制御回路６７とからなる。これらの素子は、カプラ６３、偏光分離器６４、光ディテクタ６５、６６よりなる偏光モニタ部５８とファラデー回転子６０、偏光子６１、制御回路６７よりなる偏光制御部５９とに分けられる。
【００６７】
偏光子６１側から入射した光信号６９は、先ず偏光制御部の偏光子６１によって直線偏光にされ、同じく偏光制御部のファラデー回転子６０に入射する。ファラデー回転子６０では、光信号６９の偏光面を所定の角度回転させ、偏光状態を変化させる。
【００６８】
偏光モニタ部のカプラ６３では、ファラデー回転子６０から出力された光信号６９の偏光状態を変えることなく２つの光線に分離する。分離された光信号の一方は、偏光分離器６４に入射され、Ｓ偏光とＰ偏光とに分離される。光ディテクタ６５はＳ偏光の光の強度を、光ディテクタ６６はＰ偏光の光強度を検出する。ファラデー回転子６０から出力された光信号６９を互いに直交するＳ偏光成分とＰ偏光成分とに分けて、その光強度を検出することによりファラデー回転子６０から出力される光信号６９の偏光状態を検出している。
【００６９】
光ディテクタ６５と６６が検出したそれぞれの偏光の光強度は検出信号として偏光制御部の制御回路６７に送られる。制御回路６７では、Ｓ偏光の光強度とＰ偏光の光強度とをもとにファラデー回転子６０から出力されている光信号６９の偏光状態を算出し、所望の偏光状態にするために必要とされる電磁石への電流供給量を計算して、制御信号６８としてファラデー回転子６０に与える。
【００７０】
ファラデー回転子６０では、制御信号６８に従って電磁石へ電流が供給され、ファラデー回転角が制御される。
このようにして、同図（ｂ）の構成によって、所望の偏光状態を有する光信号６９を得ることができる。
【００７１】
以上のように、素子サイズを小さく抑えたままで磁気光学結晶に均一な磁場を印加可能な本発明のファラデー回転子を用いて上述のような各種光学装置を構成すれば、装置全体の小型化と高精度化とを同時に実現することができる。
【００７２】
【発明の効果】
本発明によれば、光が透過する磁気光学結晶に均一な磁場を印加でき、小型で実装が容易な可変回転角ファラデー回転子が可能になる。
【００７３】
光路に平行もしくは交差する方向の磁場を均一にするために高価な電磁石を複数用いることはせず、安価で小型の永久磁石を用いるようにし、永久磁石本体や電磁石の磁芯が光路を遮らないように設けるので、これらを特別な形状に加工する必要もなく、低コストでファラデー回転子を製造することができる。
【００７４】
更に、磁気光学結晶を球状とすることにより、磁場を印加することによって生じる反磁場の方向依存性をなくすことができる。従って、印加磁場の方向が変わっても反磁場は強度を変化させないので、より均一な磁場の印加を行うことができ、ファラデー回転角の制御を容易にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のファラデー回転子の一実施例の構成及び磁気光学結晶に印加される磁場の様子を示す図である。
【図２】磁気光学結晶に印加される磁場と磁化の関係を示す図である。
【図３】図１の実施例の一変形例及び印加磁場と磁化の関係を示す図である。
【図４】本発明の他の実施例を示す図である。
【図５】磁気光学結晶内部に生じる反磁場の影響を説明する図である。
【図６】本発明の応用例を示す図である。
【図７】従来のファラデー回転子の構成図である。
【図８】磁化の回転とこれによるファラデー回転角の影響を説明するための図である。
【図９】従来のファラデー回転子の問題点を説明する図である。
【符号の説明】
１０、４０、７０  磁気光学結晶
１１、１２、７１  永久磁石
１３、７２    電磁石
１４、２１、５７、７６  光路
１５、７３、７３’磁芯
１６、７４    コイル
１７、７５    電源
１８、１９、２２  印加磁場
２３、５０    磁化
５１−１、５１−２、５１−３、５１−４    反磁場
５８          偏光モニタ部
５９          偏光制御部
６０          ファラデー回転子
６１、６２    偏光子
６３          カプラ
６４          偏光分離器６４
６５、６６    光ディテクタ
６７          制御回路
６８          制御信号
６９          光信号
７７          光通過溝
８０          磁壁
８１          磁区
９０、９１    磁場
【図１】
0003667827.tif 000002
【図２】
0003667827.tif 000003
【図３】
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【図４】
0003667827.tif 000005
【図５】
0003667827.tif 000006
【図６】
0003667827.tif 000007
【図７】
0003667827.tif 000008
【図８】
0003667827.tif 000009
【図９】
0003667827.tif 000010