(57)【要約】【課題】光アイソレータ―を小型化しやすい磁気光学素子を提供する。【解決手段】２個以上の磁性部材が接合してなることを特徴とする磁気光学素子。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２個以上の磁性部材が接合してなることを特徴とする磁気光学素子。
【請求項２】
磁性部材がガラス材であることを特徴とする請求項１に記載の磁気光学素子。
【請求項３】
ガラス材が互いに融着接合していることを特徴とする請求項２に記載の磁気光学素子。
【請求項４】
ガラス材が、組成として、モル％で、Ｔｂ２Ｏ３を４８％以上（ただし４８％は含まない）含有することを特徴とする請求項２又は３に記載の磁気光学素子。
【請求項５】
ファラデー回転素子として用いられることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の磁気光学素子。
【請求項６】
２個以上のガラス材を加熱して融着接合させることを特徴とする磁気光学素子の製造方法。
【請求項７】
２個以上のガラス材を融着接合させる温度が、（ガラス転移点−２０℃）〜（ガラス転移点＋１００℃）であることを特徴とする請求項６に記載の磁気光学素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光アイソレータ、光サーキュレータ、磁気センサ等の磁気デバイスに好適な磁気光学素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｔｂ２Ｏ３等の常磁性化合物を含むガラス材は、磁気光学効果の一つであるファラデー効果を示すことが知られている。ファラデー効果とは、磁場中におかれた材料を通過する直線偏光の偏光面を回転させる効果である。このような効果は光アイソレータや磁界センサなどに利用されている。
【０００３】
ファラデー効果による旋光度（偏光面の回転角）θは、磁場の強さをＨ、偏光が通過する素子の長さをＬとして、以下の式により表される。式中において、Ｖは物質の種類に依存する定数であり、ベルデ定数と呼ばれる。ベルデ定数は反磁性体の場合は正の値、常磁性体の場合は負の値となる。ベルデ定数の絶対値が大きいほど、素子の長さが長いほど、また、磁石を大型化する（磁場を強くする）ほど、旋光度の絶対値も大きくなり、結果として大きなファラデー効果を示す。光アイソレータ―を小型化するには、ベルデ定数の大きな材料を使用することが最も効果的である。
【０００４】
θ＝ＶＨＬ
【０００５】
従来、ファラデー効果を示すガラス材として、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３−Ｔｂ２Ｏ３系のガラス材（特許文献１参照）、Ｐ２Ｏ５−Ｂ２Ｏ３−Ｔｂ２Ｏ３系のガラス材（特許文献２参照）、あるいはＰ２Ｏ５−ＴｂＦ３−ＲＦ２（Ｒはアルカリ土類金属）系のガラス材（特許文献３参照）等が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特公昭５１−４６５２４号公報
【特許文献２】特公昭５２−３２８８１号公報
【特許文献３】特公昭５５−４２９４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のガラス材は、常磁性化合物の含有量を増やすことにより、ベルデ定数の大きな材料を得ることができる。ところが、それに伴ってガラス化させることが困難になり、非常に小さなガラス材しか得ることができない。結果として、所望のファラデー効果を得るためには、磁石を大型化する（磁場を強くする）必要があり、逆に光アイソレータ―が大型化してしまう。
【０００８】
以上に鑑み、本発明は、光アイソレータ―を小型化しやすい磁気光学素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の磁気光学素子は、２個以上の磁性部材が接合してなることを特徴とする。２個以上の磁性部材を接合することにより、大きな磁気光学素子を得やすくなる。そのため、本発明の磁気光学素子は、例えば磁性部材として、ガラス化が困難なガラス材を使用する場合でも必要な長さを確保することができ、大きなファラデー効果を得ることができる。よって、磁石を小型化できるため、光アイソレータ―を小型化しやすくなる。
【００１０】
本発明の磁気光学素子は、磁性部材がガラス材であることが好ましい。
【００１１】
本発明の磁気光学素子は、ガラス材が互いに融着接合していることが好ましい。
【００１２】
本発明の磁気光学素子は、ガラス材が、組成として、質量％で、Ｔｂ２Ｏ３を７８％以上含有することが好ましい。Ｔｂ２Ｏ３を上記の通り多量に含有することに起因してベルデ定数の絶対値が大きくなる。その結果、大きいファラデー効果を示す。
【００１３】
本発明の磁気光学素子は、ファラデー回転素子として用いることができる。上記の用途に用いることにより、本発明の効果を享受することができる。
【００１４】
本発明の磁気光学素子の製造方法は、２個以上のガラス材を加熱して融着接合させることを特徴とする。
【００１５】
本発明の磁気光学素子の製造方法は、２個以上のガラス材を融着接合させる温度が、（ガラス転移点−２０℃）〜（ガラス転移点＋１００℃）であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、光アイソレータ―を小型化しやすい磁気光学素子を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第一の実施形態に係る磁気光学素子を示す模式的斜視図である。
【図２】本発明の第二の実施形態に係る磁気光学素子を示す模式的斜視図である。
【図３】本発明に使用されるガラス材を製造するための装置の一実施形態を示す模式的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に本発明の実施形態について説明する。
【００１９】
（１）第一の実施形態
図１は本発明の第一の実施形態に係る磁気光学素子を示す模式的斜視図である。
【００２０】
本実施形態において、磁気光学素子２は、磁性部材である２個のガラス材１の接合面３がレーザー光の進行方向に垂直になるように、ガラス材同士が長さ方向に直列的に接合されている。なお、ガラス材１の個数は、２個以上であればよく、上限は特に限定されない。さらに、磁場を磁気光学素子２に効率よくかけるためには、ガラス材１は円柱状であることが好ましい。このような磁気光学素子２は必要な長さを確保できるため、大きなファラデー効果を示しやすく、光アイソレータ―を小型化しやすい。
【００２１】
次に、本発明の第一の実施形態に係る磁気光学素子の製造方法について説明する。
【００２２】
まず、ガラス材１を柱状に加工し、接合面３となる端面を鏡面に研磨する。その後、ガラス材１同士を接合面３で重ね合わせ、荷重をかけながら熱処理を行うことで融着接合することができる。
【００２３】
次に、熱処理条件について詳細に説明する。熱処理温度は、ガラス転移点−２０℃〜ガラス転移点＋１００℃、ガラス転移点−１０℃〜ガラス転移点＋９０℃、ガラス転移点〜ガラス転移点＋８０℃、ガラス転移点〜ガラス転移点＋６０℃であることが好ましい。熱処理温度が低すぎるとガラス材２が接合されにくい。一方、熱処理温度が高すぎるとガラス材２が失透しやすくなる。荷重は０．０５ｋｇｆ〜１ｋｇｆ、０．１ｋｇｆ〜０．９ｋｇｆであることが好ましい。荷重が軽すぎるとガラス材２が接合されにくくなる。一方、荷重が重すぎるとガラス材２の破壊を招きやすくなる。なお、熱処理雰囲気は、特に限定されないが、Ｔｂ２Ｏ３系ガラスの場合は不活性雰囲気であることが好ましい。不活性雰囲気は、窒素、アルゴンまたはヘリウム雰囲気のいずれでも構わないが、安価である点から特に窒素雰囲気が好ましい。雰囲気制御を行わずに熱処理した場合、つまり大気中で熱処理した場合、ガラスが酸化され、ベルデ定数の起源となる磁気モーメントの低いＴｂ４＋が増加し、ファラデー効果が小さくなりやすい。
【００２４】
（２）第二の実施形態
図２は本発明の第二の実施形態に係る磁気光学素子を示す模式的斜視図である。
【００２５】
本実施形態において、磁気光学素子２は、磁性部材である２個のガラス材１の接合面がレーザー光の進行方向に平行になるように、ガラス材同士が長さ方向に並列的に接合されている。なお、ガラス材１の個数は、２個以上であればよく、上限は特に限定されない。このような磁気光学素子２は大きな断面積を確保できるため、レーザー径の大きいレーザーに対応した光アイソレータ―に使用しやすくなる。
【００２６】
次に、本発明の第二の実施形態に係る磁気光学素子の製造方法について説明する。
【００２７】
まず、ガラス材１を板状に加工し、接合面３を鏡面に研磨する。その後、ガラス材１同士を接合面３で重ね合わせ、荷重をかけながら熱処理を行うことで融着接合することができる。なお、接合後に、磁気光学素子２を円柱状等の所定の形状に加工しても構わない。熱処理温度、荷重及び熱処理条件は第一の実施形態と同様である。
【００２８】
なお、３つ以上のガラス材を接合することにより、磁気光学素子の長さをさらに大きくしたり、断面積をさらに大きくしたり、または、長さ、断面積共に大きくすることも可能である。また、ガラス材をオプティカルコンタクトにより接合させてもよい。
【００２９】
なお、各ガラス材の組成は、実質的に同一であることが好ましい。このようにすれば、磁気光学素子の物性の均一化を図ることができる。
【００３０】
次に、本発明に使用されるガラス材について説明する。
【００３１】
本発明に使用されるガラス材は、質量％でＴｂ２Ｏ３を７８％以上、７９％以上、８０％以上含有することが好ましい。Ｔｂ２Ｏ３の含有量が少なすぎると、ベルデ定数の絶対値が小さくなり、十分なファラデー効果が得られにくくなる。一方、Ｔｂ２Ｏ３の含有量が多すぎると、ガラス化が困難になる傾向があるため、９５％以下、９２％以下、特に９０％以下であることが好ましい。
【００３２】
なお、Ｔｂについては３価の酸化物の含有量を規定しているが、３価以外の酸化物については、３価の酸化物に換算した場合の含有量が上記範囲内であることが好ましい。
【００３３】
ベルデ定数の起源となる磁気モーメントはＴｂ４＋よりもＴｂ３＋の方が大きい。よって、ガラス材におけるＴｂ３＋の割合が大きいほど、ファラデー効果が大きくなるため好ましい。具体的には、全Ｔｂ中Ｔｂ３＋の割合は、質量％で５０％以上、６０％以上、７０％以上、８０％以上、特に９０％以上であることが好ましい。
【００３４】
本発明に使用されるガラス材には、Ｔｂ２Ｏ３以外にも、以下に示す種々の成分を含有させることができる。なお、以下の各成分の含有量に関する説明において、特に断りのない限り、「％」は「質量％」を意味する。
【００３５】
Ｂ２Ｏ３は主なガラス骨格となり、ガラス化範囲を広げる成分である。ただし、ベルデ定数の向上に寄与しないため、その含有量が多すぎると十分なファラデー効果が得られにくくなる。従って、Ｂ２Ｏ３の含有量は０〜２２％、１〜２１％が好ましく、より好ましくは１〜２０％、１〜１７％、特に２〜１５％であることが好ましい。
【００３６】
Ｐ２Ｏ５はガラス骨格となり、ガラス化範囲を広げる成分である。ただし、ベルデ定数の向上に寄与しないため、その含有量が多すぎると十分なファラデー効果が得られにくくなる。従って、Ｐ２Ｏ５の含有量は０〜２２％、０〜２０％が好ましく、より好ましくは０〜１５％、０〜１２％、特に０〜１０％（ただし０％を含まない）であることが好ましい。
【００３７】
ＳｉＯ２はガラス骨格となり、ガラス化範囲を広げる成分である。ただし、ベルデ定数の向上に寄与しないため、その含有量が多すぎると十分なファラデー効果が得られにくくなる。従って、ＳｉＯ２の含有量は０〜２２％、０〜２０％が好ましく、より好ましくは０〜１５％、０〜１２％、特に０〜１０％（ただし０％を含まない）であることが好ましい。
【００３８】
また、ＳｉＯ２とＢ２Ｏ３の合量は０〜２２％、１〜２１％、特に２〜２０％であることが好ましい。Ｂ２Ｏ３とＰ２Ｏ５の合量は０〜２２％、１〜２１％、特に２〜２０％であることが好ましい。ＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３及びＰ２Ｏ５の合量は０〜２２％、１〜２１％、特に２〜２０％であることが好ましい。
【００３９】
Ａｌ２Ｏ３は中間酸化物としてガラス骨格を形成し、ガラス化範囲を広げる成分である。ただし、Ａｌ２Ｏ３はベルデ定数の向上に寄与しないため、その含有量が多すぎると十分なファラデー効果が得られにくくなる。従って、Ａｌ２Ｏ３の含有量は０〜２０％、０〜１５％が好ましく、より好ましくは０〜１２％（ただし０％を含まない）、０．１〜１０％、特に１〜９％であることが好ましい。
【００４０】
Ｌａ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３はガラスを安定化する効果があるが、その含有量が多すぎるとかえってガラス化しにくくなる。よって、Ｌａ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３の含有量は各々１０％以下、特に５％以下であることが好ましい。
【００４１】
Ｄｙ２Ｏ３、Ｅｕ２Ｏ３、Ｃｅ２Ｏ３はガラスを安定化するとともに、ベルデ定数の向上にも寄与する。ただし、その含有量が多すぎるとかえってガラス化しにくくなる。よって、Ｄｙ２Ｏ３、Ｅｕ２Ｏ３、Ｃｅ２Ｏ３の含有量は各々１５％以下、特に１０％以下であることが好ましい。なお、Ｄｙ、Ｅｕ、Ｃｅについては３価の酸化物の含有量を規定しているが、３価以外の酸化物（例えばＣｅＯ２等）については、３価の酸化物に換算した場合の含有量が上記範囲内であることが好ましい。
【００４２】
ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯはガラスの安定性と化学的耐久性を高める効果がある。ただし、ベルデ定数の向上に寄与しないため、その含有量が多すぎると十分なファラデー効果が得られにくくなる。従って、これらの成分の含有量は各々０〜１０％、特に０〜５％であることが好ましい。
【００４３】
Ｇａ２Ｏ３はガラス形成能を高め、ガラス化範囲を広げる効果を有する。ただし、その含有量が多すぎると失透しやすくなる。また、Ｇａ２Ｏ３はベルデ定数の向上に寄与しないため、その含有量が多すぎると十分なファラデー効果が得られにくくなる。従って、Ｇａ２Ｏ３の含有量は０〜６％、特に０〜５％であることが好ましい。
【００４４】
フッ素はガラス形成能を高め、ガラス化範囲を広げる効果を有する。ただし、その含有量が多すぎると溶融中に揮発して組成変動したり、ガラスの安定性に影響を及ぼす恐れがある。従って、フッ素の含有量（Ｆ２換算）は好ましくは０〜１０％、より好ましくは０〜７％、さらに好ましくは０〜５％である。
【００４５】
還元剤としてＳｂ２Ｏ３を添加することができる。ただし、着色を避けるため、あるいは環境への負荷を考慮して、Ｓｂ２Ｏ３の含有量は０．１％以下であることが好ましい。
【００４６】
本発明の磁気光学素子は、特にアイソレータ等のファラデー回転素子として使用する場合における光透過損失がなるべく小さいことが好ましい。そのため、本発明の磁気光学素子の光透過率は、波長６３３ｎｍにおいて５０％以上、６０％以上、特に７０％以上であることが好ましい。
【００４７】
本発明に使用されるガラス材は、例えば無容器浮遊法により作製することができる。図３は、無容器浮遊法によりガラス材を作製するための製造装置の一例を示す模式的断面図である。以下、図３を参照しながら、本発明のガラス材の製造方法について説明する。
【００４８】
ガラス材の製造装置４は成形型１０を有する。成形型１０は溶融容器としての役割も果たす。成形型１０は、成形面１０ａと、成形面１０ａに開口している複数のガス噴出孔１０ｂとを有する。ガス噴出孔１０ｂは、ガスボンベなどのガス供給機構１１に接続されている。このガス供給機構１１からガス噴出孔１０ｂを経由して、成形面１０ａにガスが供給される。ガスの種類は特に限定されず、例えば、空気や酸素であってもよいし、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス、一酸化炭素ガス、二酸化炭素ガス、水素を含有した還元性ガスであってもよい。
【００４９】
製造装置４を用いてガラス材を製造するに際しては、まず、ガラス原料塊１２を成形面１０ａ上に配置する。ガラス原料塊１２としては、例えば、原料粉末をプレス成型等により一体化したものや、原料粉末をプレス成型等により一体化した後に焼結させた焼結体や、目標ガラス組成と同等の組成を有する結晶の集合体等が挙げられる。
【００５０】
次に、ガス噴出孔１０ｂからガスを噴出させることにより、ガラス原料塊１２を成形面１０ａ上で浮遊させる。すなわち、ガラス原料塊１２を、成形面１０ａに接触していない状態で保持する。その状態で、レーザー光照射装置１３からレーザー光をガラス原料塊１２に照射する。これによりガラス原料塊１２を加熱溶融してガラス化させ、溶融ガラスを得る。その後、溶融ガラスを冷却することにより、ガラス材を得ることができる。ガラス原料塊１２を加熱溶融する工程と、溶融ガラス、さらにはガラス材の温度が少なくとも軟化点以下となるまで冷却する工程においては、少なくともガスの噴出を継続し、ガラス原料塊１２、溶融ガラス、さらにはガラス材と成形面１０ａとの接触を抑制することが好ましい。なお、加熱溶融する方法としては、レーザー光を照射する方法以外にも、輻射加熱であってもよい。
【００５１】
なお、磁性部材としては、ガラス材以外に、ＴＧＧ（テルビウムガリウムガーネット）等の結晶材も使用できる。
【実施例】
【００５２】
以下、本発明を実施例に基づいて説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００５３】
（実施例１）
【００５４】
まず、質量％でＴｂ２Ｏ３  ８３％、Ａｌ２Ｏ３  ５％及びＢ２Ｏ３  １２％になるように調合した原料をプレス成型し、８００〜１４００℃で１２時間焼結することによりガラス原料塊を作製した。
【００５５】
次に、乳鉢中でガラス原料塊を粗粉砕し、０．０５〜１．０ｇの小片とした。得られたガラス原料塊の小片を用いて、図３に準じた装置を用いた無容器浮遊法によって直径８ｍｍの略球状のガラス材を２個作製した。なお、熱源としては１００Ｗ  ＣＯ２レーザー発振器を用いた。また、原料塊を浮遊させるためのガスとして窒素ガスを用い、流量１〜３０Ｌ／分で供給した。
【００５６】
得られた２個のガラス材をΦ２．５ｍｍ、長さ６．７５ｍｍの円柱になるように加工し、接合面となる端面を鏡面に研磨した。次に、ガラス材同士を接合面で重ね合わせた後、窒素雰囲気中にて、１ｋｇｆの荷重をかけながら、ガラス材のガラス転移点（８００℃）で１０分間熱処理を行った。熱処理により、ガラス材は接合され、Φ２．５ｍｍ、長さ１３．５ｍｍの磁気光学素子を得た。得られた磁気光学素子について、カー（Kerr）効果測定装置（日本分光（株）製、品番：Ｋ−２５０）を用いて１０ｋＯｅの磁場中で波長１０６４ｍｍでのファラデー回転角を測定したところ、磁気光学素子のファラデー回転角は４５°であった。
【００５７】
（比較例１）
実施例で得たΦ２．５ｍｍ、長さ６．７５ｍｍのガラス材を実施例１と同様の方法でファラデー回転角を測定したところ、ガラス材のファラデー回転角は２２．５°となり実施例より小さかった。このようなガラス材を使用して、実施例と同じファラデー回転角を得るためには、磁場を強くする、即ち磁石を大きくする必要があるため、光アイソレータ―を小型化しにくい。
【００５８】
（実施例２）
【００５９】
まず、質量％でＴｂ２Ｏ３  ８３％、Ａｌ２Ｏ３  ４％、ＳｉＯ２  ２％及びＢ２Ｏ３  １１％になるように調合した原料をプレス成型し、８００〜１４００℃で１２時間焼結することによりガラス原料塊を作製した。
【００６０】
次に、乳鉢中でガラス原料塊を粗粉砕し、０．０５〜１．０ｇの小片とした。得られたガラス原料塊の小片を用いて、図３に準じた装置を用いた無容器浮遊法によって直径８ｍｍの略球状のガラス材を２個作製した。なお、熱源としては１００Ｗ  ＣＯ２レーザー発振器を用いた。また、原料塊を浮遊させるためのガスとして窒素ガスを用い、流量１〜３０Ｌ／分で供給した。
【００６１】
得られた２個のガラス材を厚さ１．５ｍｍ、３×６ｍｍの板状になるように加工し、接合面となる平面部分を鏡面に研磨した。次にガラス材同士を接合面で重ね合わせた後、窒素雰囲気中にて、１ｋｇｆの荷重をかけながら、ガラス材のガラス転移点（８０５℃）で１０分間熱処理を行った。熱処理によりガラス材は接合され、厚さ３ｍｍ、３×６ｍｍの磁気光学素子が得られた。得られた磁気光学素子にΦ２．５ｍｍ、１０６４ｎｍ、１００Ｗのレーザー光を入射したところ、レーザー光の全体を磁気光学素子に入射することができた。
【００６２】
（比較例２）
実施例２で得た厚さ１．５ｍｍ、３×６ｍｍの板状のガラス材にΦ２．５ｍｍ、１０６４ｎｍ、１００Ｗのレーザー光を入射したところ、ガラス材が破損した。
【００６３】
（実施例３）
実施例１で得られた２個のガラス材をΦ２．５ｍｍ、長さ６．７５ｍｍの円柱になるように加工し、接合面となる端面を光学研磨した。次に、ガラス材同士を接合面でオプティカルコンタクトを行った。ガラス材は接合され、Φ２．５ｍｍ、長さ１３．５ｍｍの磁気光学素子を得た。得られた磁気光学素子について、実施例１と同様の方法でファラデー回転角を測定したところ、磁気光学素子のファラデー回転角は４５°であった。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明の磁気光学素子は、光アイソレータ、光サーキュレータ、磁気センサ等の磁気デバイスを構成する磁気光学素子として好適である。
【符号の説明】
【００６５】
１：ガラス材
２：磁気光学素子
３：接合面
４：ガラス材の製造装置
１０：成形型
１０ａ：成形面
１０ｂ：ガス噴出孔
１１：ガス供給機構
１２：ガラス原料塊
１３：レーザー光照射装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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