(57)【要約】【課題】簡単な調整作業で所望とするファラデー回転角を高精度に設定できるファラデー回転子と光アイソレータ等の磁気光学デバイスを提供すること。【解決手段】光が通過する貫通孔を中心に有する円筒磁石２と該貫通孔内に固定されかつ光が透過する常磁性体から成るファラデー素子１を備えるファラデー回転子であって、円筒磁石２における貫通孔の開放端側近傍にリング状磁性体３を移動可能に付設すると共に、当該リング状磁性体３を光軸方向に移動させて上記ファラデー素子のファラデー回転角が調整されるようになっていることを特徴とし、磁気光学デバイスは、本発明に係るファラデー回転子が搭載されていることを特徴とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光が通過する貫通孔を中心に有する磁石体と該磁石体の貫通孔内に固定されかつ光が透過する常磁性体から成るファラデー素子を備えるファラデー回転子において、
上記磁石体における貫通孔の開放端側近傍にリング状磁性体を移動可能に付設すると共に、当該リング状磁性体を光軸方向に移動させて上記ファラデー素子のファラデー回転角が調整されるようになっていることを特徴とするファラデー回転子。
【請求項２】
上記リング状磁性体が軟磁性材料で構成されてい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】
上記ファラデー素子の調整後におけるファラデー回転角が４５°に設定されてい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】
請求項１〜３のいずれかに記載のファラデー回転子が組み込まれていることを特徴とする磁気光学デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光が通過する貫通孔を有する磁石体と上記貫通孔内に固定されたファラデー素子を備え、例えば、光アイソレータや光サーキュレータ等に用いられるファラデー回転子に係り、特に、簡単な調整作業で所望とするファラデー回転角を高精度に設定できるファラデー回転子と該ファラデー回転子が組み込まれた磁気光学デバイスの改良に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ファラデー回転子は、ファラデー素子と該ファラデー素子に磁界を加えてファラデー効果を生じさせる磁石体とで構成され、直線偏光をファラデー回転させる機能素子であり、従来、光通信システムで使用される光アイソレータや光サーキュレータ、その他非相反性が要求される磁気光学デバイスに搭載されている。使用される光は波長１．３〜１．６μｍのレーザー光であり、ファラデー素子には強磁性体である希土類・鉄ガーネット（以下、ＲＩＧと略称する）膜が用いられている。
【０００３】
この場合、ファラデー回転角θｆは、使用波長におけるＲＩＧ膜のファラデー回転係数をＦ（材料固有の値）、ＲＩＧ膜の光路長（ＲＩＧ膜の厚み）をｄとすると、式（１）で与えられる。
θｆ = Ｆ・ｄ                        式（１）
【０００４】
ファラデー素子にＲＩＧ膜を用いた場合、式（１）で示されるようにファラデー回転角θｆはＲＩＧ膜の光路長ｄのみに依存する。強磁性体であるＲＩＧ膜を磁気飽和させるために必要な磁界より大きい磁界が磁石体により得られれば、その範囲で磁界強度がばらついてもファラデー回転角の変動には全く影響を与えない。
【０００５】
一方、波長０．４〜１．１μｍのレーザー光を用いた加工、通信、センサー等の実用化が近年進み、これに伴ってこの波長帯で使用できる磁気光学デバイスの要求も高まってきている。また、光の波長が１．１μｍより短くなると、ＲＩＧ膜の光吸収が急激に大きくなるため、使用されるファラデー素子は上記波長帯で透明な常磁性体となる。
【０００６】
この場合、ファラデー回転角θｆは、ファラデー素子のヴェルデ定数（材料固有の値）をＶ、ファラデー素子の光路長（素子の長さ）をＬ、ファラデー素子における光路上の位置ｘにおける光軸方向の磁界強度をＨ（ｘ）として、下記式（２）で与えられる。
【数１】
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【０００７】
ファラデー素子に常磁性体を用いる一般的なファラデー回転子を図１に示す。このファラデー回転子においては、長手方向に着磁された円筒磁石２の貫通孔内に常磁性体から成る円柱状のファラデー素子１が固定されている。
【０００８】
この場合、貫通孔内部の磁界はほぼ均一なため上記式（２）は簡単になり、ファラデー回転角θｆは式（３）で与えられる。
θf＝ Ｖ・Ｈ・Ｌ                          式（３）
【０００９】
上記式（３）から解るように、ファラデー素子に常磁性体が用いられた場合、ファラデー回転角θｆは常磁性体の光路長（Ｌ）だけでなく磁界強度（Ｈ）にも依存する。
【００１０】
磁気光学デバイスにおいて要求されるファラデー回転角θｆは一般に４５°であり、ファラデー回転角θｆが４５°からずれていくとデバイスの特性が低下していく。
【００１１】
例えば、半導体レーザー（以下、ＬＤと略称する）へ戻る光を減衰させて光通信での発振を安定させ、ファイバーレーザーの種ＬＤ破壊を防止する光アイソレータにおいて、戻り光を減衰させる性能は下記式（４）で与えられる。ファラデー回転角θｆの４５°からのずれが無いときの「戻り光の減衰率」を１/１００００とすると、
【数２】
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【００１２】
また、図２は式（４）をグラフ化したものである。図２のグラフ図から、ファラデー回転角θｆの４５°からのずれが２°以上になると、光アイソレータの正常な機能を維持することができる１/１０００より戻り光減衰率が悪化することが解る。
【００１３】
このようにファラデー回転角θｆの４５°からのずれを抑えることは、光アイソレータにとって重要であり、ファラデー回転子を複数組み合わせる光サーキュレータにおいては更に重要となってくる。
【００１４】
上記式（１）で示したようにファラデー素子にＲＩＧ膜を用いたファラデー回転子においてファラデー回転角θｆはＲＩＧ膜の厚みｄのみに依存する。そして、現在の加工技術においては目標とするファラデー回転角θｆからのずれを±０．５°以下に抑えることは容易であるため、ファラデー回転角θｆの４５°からのずれによる磁気光学デバイスの不具合は殆ど発生していない。
【００１５】
一方、ファラデー素子に常磁性体を用いた場合、上記式（２）、式（３）に示したようにファラデー素子の長さ（Ｌ）と磁界の大きさ（Ｈ）の両者に依存する。そして、ファラデー素子の長さ（Ｌ）については、目標とするファラデー回転角θｆからのずれを上述したように±０．５°以下に抑えられるが、磁界の大きさ（Ｈ）に関しては、現在の焼結磁石における製造技術水準で優に５％は変動する。磁界の大きさ（Ｈ）の変動はファラデー回転角θｆにおいて４２．７５ 〜４７．２５°の変動分に相当し、光アイソレータや光サーキュレータ等における磁気光学デバイスの戻り光減衰率１/１０００の確保が困難となる。そして、このことがファラデー素子に常磁性体を用いた磁気光学デバイスの不具合発生の大きな原因となっている。
【００１６】
上記ファラデー回転角θｆを４５°に設定するためには、ファラデー素子に対し適切な強度の磁界を加える必要があり、特許文献１においては、磁石と磁気光学素子（ファラデー素子）の相対位置を可変にさせることで磁界強度を最適な値に調整する手法が開示されている。しかし、磁石体の貫通孔内にファラデー素子が固定される構造のファラデー回転子においては磁石とファラデー素子の相対位置を変えられないため、特許文献１で提案された手法により磁界強度を調整することはできない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開平６−２８１８８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明はこのような問題点に着目してなされたもので、上記ファラデー素子に常磁性体が適用されたファラデー回転子を前提とし、その課題とするところは、簡単な調整作業で所望とするファラデー回転角を高精度に設定できるファラデー回転子と該ファラデー回転子が組み込まれた磁気光学デバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
すなわち、本発明に係る第１の発明は、
光が通過する貫通孔を中心に有する磁石体と該磁石体の貫通孔内に固定されかつ光が透過する常磁性体から成るファラデー素子を備えるファラデー回転子において、
上記磁石体における貫通孔の開放端側近傍にリング状磁性体を移動可能に付設すると共に、当該リング状磁性体を光軸方向に移動させて上記ファラデー素子のファラデー回転角が調整されるようになっていることを特徴とする。
【００２０】
また、本発明に係る第２の発明は、
第１の発明に記載のファラデー回転子において、
上記リング状磁性体が軟磁性材料で構成されていることを特徴とし、
第３の発明は、
第１の発明または第２の発明に記載のファラデー回転子において、
上記ファラデー素子の調整後におけるファラデー回転角が４５°に設定されていることを特徴とし、
本発明に係る第４の発明は、
磁気光学デバイスにおいて、
第１の発明〜第３の発明のいずれかに記載のファラデー回転子が組み込まれていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２１】
磁石体における貫通孔の開放端側近傍にリング状磁性体を移動可能に付設した本発明に係るファラデー回転子によれば、
上記リング状磁性体を光軸方向へ移動させることに伴い貫通孔内に固定されたファラデー素子への磁界強度が変化し、これにより上記ファラデー素子のファラデー回転角が調整されるため、上記ファラデー回転角を所望とする数値に設定できる効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１（Ａ）は常磁性体から成るファラデー素子を適用した従来例に係るファラデー回転子の概略構成説明図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）の概略側面図。
【図２】「ファラデー回転角θｆの４５°からのずれ（°）」と「戻り光の減衰率」との関係を示すグラフ図。
【図３】図３（Ａ）は磁石体貫通孔の開放端側近傍にリング状磁性体が付設された本発明に係るファラデー回転子の概略構成説明図、図３（Ｂ）は図３（Ａ）の概略側面図。
【図４】本発明に係るファラデー回転子が組み込まれた磁気光学デバイスの概略構成説明図。
【図５】「磁石体−リング状磁性体間隙間（ｍｍ）」と「ファラデー回転角（°）」との関係を示すグラフ図。
【図６】「回転角度（°）」と「頻度」との関係を示し、Ｓｍ2Ｃｏ17 磁石（φ１２×Ｈ７）３０個の回転角評価を示すグラフ図。
【図７】Ｔｂ3Ｓｃ2Ａｌ3Ｏ12に係る「結晶切り出し位置（トップＴ、ミドルＭ、ボトムＢ）」と「回転角/ｍｍ（°）」との関係を示し、Ｔｂ3Ｓｃ2Ａｌ3Ｏ12同一結晶内における２０個の回転角評価を示すグラフ図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。
【００２４】
本発明に係るファラデー回転子の基本構造を図３に示す。
【００２５】
すなわち、本実施の形態に係るファラデー回転子は、図１に示した一般的なファラデー回転子（円筒磁石２の貫通孔内に常磁性体から成る円柱状のファラデー素子１が固定されたファラデー回転子）の開放端側近傍にリング状磁性体３が付設され、当該リング状磁性体３は、図３に示すように破線で示す矢印方向（すなわち、光軸に対し平行な方向）へスライドできるような構造となっている。
【００２６】
尚、ファラデー素子１を構成する常磁性体は、一般的にＴｂ3Ｇａ5Ｏ12（テルビウム・ガリウムガーネット：通称ＴＧＧ）やＴｂ3(ＳｃxＡｌ1-x)5Ｏ12（テルビウム・スカンジウム・アゥミニウムガ−ネット：通称ＴＳＡＧ）等から成り、貫通孔を有する円筒磁石２はＮｄ14Ｆｅ21ＢやＳｍ2Ｃｏ17等の焼結磁石で構成されている。また、リング状磁性体３は磁束を通し易い軟磁性材料で構成することが望ましい。
【００２７】
そして、円筒磁石２における貫通孔の開放端側近傍にリング状磁性体３が配置されると円筒磁石２からの磁束の一部がリング状磁性体３を通過し、これにより円筒磁石２における貫通孔内の磁界強度が減じ、更に、上記リング状磁性体３を光軸方向へスライドすることにより円筒磁石２における貫通孔内の磁界強度を変化させることができる。
【００２８】
この原理を利用すると、例えば、円筒磁石の平均の磁束密度でファラデー回転角θｆが４５°よりも高め（例えば４７°）となるようにファラデー素子を作製しておき、適用する円筒磁石を変更する度にその磁束密度がばらついてファラデー素子に加わる磁界強度が変化しても、上記リング状磁性体３をスライドさせてその位置を変えることにより、ファラデー素子のファラデー回転角θｆを４５°に設定することが可能となる。
【実施例】
【００２９】
以下、本発明の実施例について具体的に説明するが、本発明に係る技術的事項が実施例に記載された内容に限定されるものではない。
【００３０】
図４は実施例に係るファラデー回転子を組み込んだ磁気光学デバイスの概略構成を示す説明図である。
【００３１】
すなわち、実施例に係るファラデー回転子は、貫通孔を中心に有する円筒磁石２と、上記貫通孔の中央位置に接着剤を用いて固定配置されたファラデー素子１と、円筒磁石２全体を収納しかつ収納された円筒磁石２の一方側に空洞部を有すると共に当該空洞部の内壁面に雌螺子部が形成されたアルミニウム製ホルダー６と、上記円筒磁石２の貫通孔に位置整合された貫通部（図示せず）を中心に有すると共に外周面に雄螺子部が形成されかつ当該雄螺子部が上記雌螺子部に螺合して先端側から上記空洞部内に挿入されるアルミニウム製の磁界強度調整機構（円柱状部材）７と、当該磁界強度調整機構（円柱状部材）７の先端部に接着固定されたリング状磁性体３とでその主要部が構成されており、このファラデー回転子の両側に偏光子および検光子としてのグラントムソンプリズム４、５が配置されて実施例に係る磁気光学デバイスを構成している。
【００３２】
尚、本実施例においては、ファラデー素子１にφ３．０ｍｍ、長さ（光路長）３．５ｍｍのＴＳＡＧ（Ｔｂ3Ｓｃ2Ａｌ3Ｏ12テルビウム・スカンジウム・アルミニウムガーネット）結晶が適用され、円筒磁石２にφ１２．０ｍｍ、長さ７．０ｍｍ、材質Ｓｍ2Ｃｏ17（サマリウム・コバルト）が適用されている。また、上記リング状磁性体３には、φ１０．９ｍｍ（外径）×φ７．５ｍｍ（内径）×１．２ｍｍｔ（厚さ）のＳＵＳが適用され、図４の破線で示す光軸に対し垂直となるように上記磁界強度調整機構（円柱状部材）７の先端部に接着固定されている。
【００３３】
尚、上記リング状磁性体３については、φ１０．９ｍｍ（外径）×φ７．５ｍｍ（内径）×０．４ｍｍｔ（厚さ）のＳＵＳ、および、φ１０．９ｍｍ（外径）×φ７．５ｍｍ（内径）×０．８ｍｍｔ（厚さ）のＳＵＳも合わせて用意している。
【００３４】
そして、室温２３℃の環境下において、光波長４０５ｎｍのＬＤ光源を用いると共に、ファラデー素子１のファラデー回転角θｆが４５°以上となる長さに予め設定した上で、円筒磁石２における貫通孔の中心位置にファラデー素子１が接着固定されている。
【００３５】
［円筒磁石（磁石体）−リング状磁性体間の隙間（ｍｍ）と回転角推移検討］
次に、実施例に係るファラデー回転子が組み込まれた磁気光学デバイスを測定対象に用いて、円筒磁石２とリング状磁性体３間の隙間が変化した場合のファラデー回転角θｆへの影響（回転角推移）について検討を行った。
【００３６】
まず、磁界強度調整機構（円柱状部材）７の先端部に接着固定されたリング状磁性体３が円筒磁石２の貫通孔開放端に密着状態で配置されると、円筒磁石２における貫通孔内の磁界強度は減衰され、ファラデー素子１のファラデー回転角θｆは一時的に減少する。
【００３７】
そこで、円筒磁石２とリング状磁性体３が密着状態におけるファラデー回転角θｆの変動を確認した後、円筒磁石２とリング状磁性体３間に隙間を設けた場合のファラデー回転角θｆを調べた。
【００３８】
尚、上記隙間を設けた場合のファラデー回転角θｆの調査に関しては、厚さが異なる３種類のリング状磁性体を用いて行った。すなわち、φ１０．９ｍｍ（外径）×φ７．５ｍｍ（内径）の寸法を有し、その厚さが０．４ｍｍｔ、０．８ｍｍｔおよび１．２ｍｍｔであるＳＵＳにより構成されたリング状磁性体を用いて行っている。
【００３９】
図５は「磁石体−リング状磁性体間隙間（ｍｍ）」と「ファラデー回転角（°）」との関係を示すグラフ図であり、図５中、符号◇はリング状磁性体が付設されていない場合（すなわち、リング状磁性体が無い場合）、符号□はリング状磁性体の厚さが０．４ｍｍｔの場合、符号△はリング状磁性体の厚さが０．８ｍｍｔの場合、符号×はリング状磁性体の厚さが１．２ｍｍｔの場合をそれぞれ示している。
【００４０】
そして、円筒磁石２とリング状磁性体３が密着状態にあるとき（図５のグラフ図において隙間が０ｍｍのとき）、リング状磁性体が付設されていないファラデー回転子（符号◇参照）のファラデー回転角θｆは「４７．８°」（図５のグラフ図参照）であるが、円筒磁石２とリング状磁性体３間に隙間を設けた場合のファラデー回転角θｆの変動量は、図５のグラフ図（隙間が０ｍｍのときの符号□、符号△、符号×参照）から確認されるようにリング状磁性体の厚みに依存しており、リング状磁性体の厚みに応じて変動角度は−１．６度/０．４ｍｍｔ（隙間が０ｍｍのときの符号□で示されるファラデー回転子のファラデー回転角θｆが「４６．２°」であることから、４６．２°−４７．８°＝−１．６度/０．４ｍｍｔ）、−２．７度/０．８ｍｍｔ（隙間が０ｍｍのときの符号△で示されるファラデー回転子のファラデー回転角θｆが「４５．１°」であり、４５．１°−４７．８°＝−２．７度/０．８ｍｍｔ）、−３．１度/１．２ｍｍｔ（隙間が０ｍｍのときの符号×で示されるファラデー回転子のファラデー回転角θｆが「４４．７°」であり、４４．７°−４７．８°＝−３．１度/１．２ｍｍｔ）となる。
【００４１】
そして、実施例に係るファラデー回転子が組み込まれた図４の磁気光学デバイスにおいて、空洞部内壁面に雌螺子部が形成されたアルミニウム製ホルダー６と外周面に雄螺子部が形成された磁界強度調整機構（円柱状部材）７を螺子込み式にして磁界強度調整機構（円柱状部材）７のみを回転させることで、磁界強度調整機構（円柱状部材）７の先端部に固定されたリング状磁性体３と円筒磁石２の距離が徐々に離れ、リング状磁性体３による影響が緩和されて図５のグラフ図に示されるようにファラデー回転角θｆは徐々に増加する。
【００４２】
実施例に係るファラデー回転子は、φ１０．９ｍｍ（外径）×φ７．５ｍｍ（内径）×１．２ｍｍｔ（厚さ）のＳＵＳでリング状磁性体３が構成されており、図５のグラフ図において符号×で示されるようにリング状磁性体３と円筒磁石２の隙間が１ｍｍ増す毎に約＋１度（隙間が０ｍｍのときの符号×で示されるファラデー回転角θｆは上述したように「４４．７°」であり、隙間が１ｍｍのときの符号×で示されるファラデー回転角θｆは「４５．７°」であるため、４５．７°−４４．７°＝１°となる）のファラデー回転角θｆの増加となる。
【００４３】
そこで、図５に示すようにリング状磁性体３と円筒磁石２の隙間を０．４ｍｍ持たせることによりファラデー回転角θｆを４５°に調整することができた。
【００４４】
［Ｓｍ2Ｃｏ17磁石（φ１２×Ｈ７）３０個の回転角評価］
次に、実施例で使用した円筒磁石、すなわち、φ１２．０ｍｍ、長さ７．０ｍｍ、材質Ｓｍ2Ｃｏ17（サマリウム・コバルト）における磁界強度のバラつきについて図６に示す。同一母材から形成された磁石（３０個）を、一つの同一ファラデー素子（回転角５３度相当品）を用いて回転角度を評価した結果、回転角度のバラつきは、図６のグラフ図に示されるように（５３．９°−５２．７°＝１．２°）約１．２°(±０．６度)となる。
【００４５】
［Ｔｂ3Ｓｃ2Ａｌ3Ｏ12同一結晶内における回転角/ｍｍ（°）］
次に、実施例で使用したファラデー素子のＴｂ3Ｓｃ2Ａｌ3Ｏ12は不一致溶融性結晶であることから、Ｔｂ3Ｓｃ2Ａｌ3Ｏ12結晶の育成が進むにつれて組成が変動し、ファラデー回転子の特性指標であるヴェルデ定数は育成結晶の部位によって僅かながら変動する。
【００４６】
参考までに実施例で使用したファラデー素子（同一バルク）の回転角度バラつきは、図７に示すように長さ（光路長）１ｍｍ当たり最大約０．３°（トップＴのmin値とボトムＢのmax値の差）となる。
【００４７】
［ファラデー素子の当初におけるファラデー回転角θｆの設定］
上述した一連のファラデー回転角θｆ調整と円筒磁石およびファラデー素子起因による回転角度のバラつきの結果を鑑みた場合、ファラデー素子の当初におけるファラデー回転角θｆの設定は、ファラデー素子の長さによりファラデー回転角θｆ＝４６°狙いに設定するとよいことが理解される。
【００４８】
すなわち、ファラデー回転角θｆ＝４６°狙いに設定した場合、円筒磁石２とリング状磁性体３が密着状態にあるときに４５°未満の回転角度となり、特性個体差のある磁石やファラデー素子を用いても、磁界強度調整機構（円柱状部材）を作用させて円筒磁石２とリング状磁性体３の隙間を調整することで、個々のファラデー回転角を４５．０°に設定することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明によれば、付設されたリング状磁性体を光軸方向へ移動させる簡単な調整作業で所望とするファラデー回転角を高精度に設定できるため、光アイソレータや光サーキュレータ等に用いられるファラデー回転子として利用される産業上の利用可能性を有している。
【符号の説明】
【００５０】
１  ファラデー素子（磁気光学素子）
２  円筒磁石
３  リング状磁性体
４  偏光子
５  検光子
６  アルミホルダー
７  磁界強度調整機構（円柱状部材）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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