(57)【要約】【課題】　部品点数が少なく、小型の光学装置を得る。【構成】　ファラデー回転角が約４５度のビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜からなるファラデー回転子の側部に近接して永久磁石を配置し、前記単結晶膜を、磁化の方向が互いに反対である２つ以上の単一磁区に分割する。ファラデー回転子は、単結晶膜の飽和磁界をＨｓ（Ｏｅ）、磁区の境界部における磁界変化率をＤＨ（ｃｍ−１）、永久磁石の残留磁束密度をＢｒ（Ｇａｕｓｓ）、単一磁区を通過する光線間の間隔をΔＤ（ｃｍ）＞０とするとき、（Ｈｓ／Ｂｒ／ＤＨ）＞ΔＤ／２＞０の条件を満たす。【効果】　磁壁のみで所望の単一磁区に分割されたファラデー回転子が得られたので、部品点数が少なく、組立が容易な小型の光学装置が得られる。【選択図】　　なし 【特許請求の範囲】
【請求項１】
ファラデー回転角が約４５度のビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜からなるファラデー回転子の側部に近接して永久磁石を配置することにより前記単結晶膜を、磁化の方向が互いに反対である２つ以上の単一磁区とその中間の境界部とに分割し、この単一磁区を透過した光線の偏波面を互いに反対方向にファラデー回転させるようにした磁区分割ファラデー回転子を含む光学装置であって、
　前記ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜の飽和磁界をＨｓ（Ｏｅ）、磁区の境界部における磁界変化率をＤＨ（ｃｍ−１）、永久磁石の残留磁束密度をＢｒ（Ｇａｕｓｓ）、単一磁区を通過する光線間の間隔をΔＤ（ｃｍ）＞０とするとき、下記の式（１）
　　　　　　　（Ｈｓ／Ｂｒ／ＤＨ）＞ΔＤ／２＞０　　　　（１）
の条件を満たすことを特徴とする光学装置。
【請求項２】
前記ファラデー回転子に磁界を加えたとき、その周辺部における磁区幅が、中央付近の磁区幅より大きな変化を示す磁界の下限値をＨ＊、その磁界Ｈ＊での磁区幅をＤｗ＊と定義するとき、前記磁区分割ファラデー回転子が下記の式（２）
　　　　　　　（Ｄｗ＊／Ｈ＊）＞（１／Ｂｒ／ＤＨ）　　　　　（２）
の条件を満たすことを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
【請求項３】
前記磁区分割ファラデー回転子が下記の式（３）
　−０．００００１７２×Ｈｓ＋０．０３１２＞（Ｈｓ／Ｂｒ／ＤＨ）　　　（３）
の条件を満たすことを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
【請求項４】
前記光線間の間隔ΔＤが０．００５から０．０５（ｃｍ）であり、前記ファラデー回転子が、７５０（Ｏｅ）以下の飽和磁界を有し、９０００から１２０００（Ｇａｕｓｓ）の残留磁束密度Ｂｒを有する２個の永久磁石を、０．０８（ｃｍ）から０．１８（ｃｍ）の間隔で配置することにより、磁界変化率ＤＨが２〜５（ｃｍ−１）となることを特徴とする請求項１から請求項３に記載の光学装置。
【請求項５】
前記永久磁石は、前記ファラデー回転子の少なくとも一つの側部に配置された少なくとも３つ以上の永久磁石であることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
【請求項６】
光線間の間隔ΔＤが０．００５から０．０５（ｃｍ）であり、前記ファラデー回転子が、３００（Ｏｅ）以下の飽和磁界を有し、９０００から１２０００（Ｇａｕｓｓ）の残留磁束密度Ｂｒを有する３個の永久磁石を０．０６（ｃｍ）から０．１０（ｃｍ）の間隔で配置することにより、磁界変化率ＤＨが０．７〜１．２（ｃｍ−１）となることを特徴とする請求項５に記載の光学装置。
【請求項７】
複数本の第１の光ファイバーと、第１の複屈折板と、請求項１から請求項４のいずれかに記載の磁区分割ファラデー回転子と、第２の複屈折板と、非球面レンズと、請求項１から請求項４のいずれかに記載の磁区分割ファラデー回転子と、第３の複屈折板と、少なくとも１本の第２の光ファイバーとをこの順序に配置することを特徴とする光サーキュレータ。
【請求項８】
複数本の第１の光ファイバーと、第１の複屈折板と、請求項５又は６に記載の磁区分割ファラデー回転子と、第２の複屈折板と、非球面レンズと、請求項５又は６に記載の磁区分割ファラデー回転子と第３の複屈折板と、複数本の光ファイバーとをこの順序に配置することを特徴とする光サーキュレータ。
【請求項９】
少なくとも１本の第１の光ファイバーと、第１の複屈折板と、請求項１から請求項４のいずれかに記載の磁区分割ファラデー回転子と、ガラス偏光素子と、非球面レンズと、請求項１から請求項４のいずれかに記載の磁区分割ファラデー回転子と、第２の複屈折板と、少なくとも１本の第２の光ファイバーとをこの順序に配置することを特徴とする偏波無依存型光アイソレータ。
【請求項１０】
第１の複屈折板と第１のファラデー回転子と、第２の複屈折板と、第２のファラデー回転子と、第３の複屈折板とをこの順に配列してから接着剤にて固着した後、所定のサイズのチップに切断し、下記の式（１）、（２）又は（３）
　　　　　　　　（Ｈｓ／Ｂｒ／ＤＨ）＞ΔＤ／２＞０　　　　（１）
　　　　　　　　（Ｄｗ＊／Ｈ＊）＞（１／Ｂｒ／ＤＨ）　　　　（２）
　　−０．００００１７２×Ｈｓ＋０．０３１２＞（Ｈｓ／Ｂｒ／ＤＨ）　　　（３）
のいずれか１つを満足するように永久磁石を配置してなる光サーキュレータコアチップ。
【請求項１１】
第１の複屈折板と、第１のファラデー回転子と、ガラス偏光素子と、第２のファラデー回転子と、第２の複屈折板とをこの順序に配列してから接着剤にて固着した後、所望のサイズのチップに切断し、得られたチップのファラデー回転子の周辺に、下記の式（１）、（２）又は（３）
　　　　　　　（Ｈｓ／Ｂｒ／ＤＨ）＞ΔＤ／２＞０　　　　（１）
　　　　　　　（Ｄｗ＊／Ｈ＊）＞（１／Ｂｒ／ＤＨ）　　　　（２）
　　−０．００００１７２×Ｈｓ＋０．０３１２＞（Ｈｓ／Ｂｒ／ＤＨ）　　　（３）
のいずれか１つを満足するように永久磁石を配置してなる偏波無依存型光アイソレータコアチップ。
【請求項１２】
複屈折板と、請求項１から請求項４のいずれかに記載の磁区分割ファラデー回転子とを直列に配置したことを特徴とする偏光ビームコンバイナコア。
【請求項１３】
複屈折板とファラデー回転子とを光学接着剤にて固着した後に、所定のチップサイズに切断し、得られたチップのファラデー回転子の周囲に永久磁石を配置したことを特徴とするチップ型の請求項１２に記載の偏光ビームコンバイナコア。
【請求項１４】
少なくとも１本の光ファイバーと、請求項１２又は請求項１３に記載の偏光ビームコンバイナコアと、レンズとをこの順に配置することを特徴とする偏光ビームコンバイナ。
【請求項１５】
請求項１４に記載の偏光ビームコンバイナと、複屈折板と、請求項１４に記載の偏光ビームコンバイナとをこの順に配置することを特徴とする光サーキュレータ。
【請求項１６】
請求項１４に記載の偏光ビームコンバイナと、ガラス偏光素子と、請求項１４に記載の偏光ビームコンバイナとをこの順に配置することを特徴とする偏波無依存型光アイソレータ。
【請求項１７】
請求項１４に記載の偏光ビームコンバイナと、偏波依存型光アイソレータと、ファラデー回転子と、請求項１４に記載の偏光ビームコンバイナとをこの順に配置することを特徴とする偏波無依存型光アイソレータ。
【請求項１８】
請求項１４に記載の偏光ビームコンバイナと、レンズと、光ファイバーとをこの順に配置することを特徴とするインライン型の偏光ビームコンバイナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は、ファラデー効果を利用した光デバイスに用いられる光学素子に関するものであり、特に、小型で部品点数が極めて少なく、組立が容易な偏波無依存型光アイソレータ、光サーキュレータ及び偏光ビームコンバイナに関する。
【背景技術】
【０００２】
【特許文献１】特許２５３９５６３号
【特許文献２】米国特許５９９１０７６号
【特許文献３】米国特許６０４９４２６号
【特許文献４】特公昭６０−５１６９０号公報
【特許文献５】特公昭５８−２８５６１号公報
【特許文献６】ヨーロッパ特許０３５２００２号
【特許文献７】米国特許５３４５３２９号
【０００３】
　図２５に、特許文献１に開示された光サーキュレータの構成を示す。この光サーキュレータの構成は、フェルール（Ｆｅｒｒｕｌｅ）１１，２０に固着した光ファイバー１２，１４と、レンズ２２，２３とから構成された光コリメータと、フェルール８１に固着した光ファイバー８２と、レンズ７２とから構成された光コリメータを有し、この２つの光コリメータ間に、光の偏光方向に合わせて光路の分離又は結合を目的とした２つの複屈折板２１，７１を配置してある。複屈折板２１と７１の間に、光の偏光方向を揃えることを目的とした１組の位相差板３７，３８と、もう１組の位相差板６７，６８を配置してある。位相差板３７，３８は並列に配置されている。位相差板３７，３８に隣接して、永久磁石３２により外部磁界を加えたファラデー回転子３１を配置してある。位相差板６７，６８も並列に配置されている。位相差板６７，６８に隣接して、永久磁石６２により外部磁界を加えたファラデー回転子６１を配置してある。この光サーキュレータの中央には、１つの複屈折板４１を配置し、これにより、光が進行方向とその偏光面に従って、異なる光路を進むことを特徴としている。
【０００４】
　図２６には、特許文献１に記載された別の光サーキュレータの構成を示す。この光サーキュレータでは、２つの光コリメータ間に、光の偏光方向に合わせて光路を分離及び結合することを目的とした複屈折板２１，７１を配置してある。これらの複屈折板２１，７１の間に、永久磁石３２，３５にて外部磁界を加え、光の偏光方向を４５度回転することを目的としてファラデー回転子３１，３４と、永久磁石６２，６５にて外部磁界を加え、光の偏光方向を４５度回転することを目的としてファラデー回転子６１，６４を配置してある。ファラデー回転子３１，３４は並列に配置される。また、ファラデー回転子６１，６４も並列に配置される。この光サーキュレータの中央には、進行方向と偏光面の方向とに依存して、光が異なる光路を進むようにすることを目的とした１つの複屈折板４１を配置することを特徴としている。
【０００５】
　上記の特許文献１で提案されている光サーキュレータの構成では、各ポートには、光ファイバーとレンズを組み合わせた光コリメータを使っているので、個々の光学部品が大きくなり、経済的に不利である。
【０００６】
　また、図２７に示す特許文献２や、図２８に示す特許文献３は、個々の光学部品の小型化を図るための光サーキュレータを提案している。これらの光サーキュレータでは、光ファイバー１２からの光を、複屈折板２１にて、互いに直交した偏光面の光に分離及び結合し、光ファイバー８２からの光を、複屈折板７１にて、互いに直交した偏光面の光に分離及び結合する。
【０００７】
　図２７では、２つの複屈折板２１，７１間に、光の偏光方向を揃えることを目的として２組の２個並列に配置した位相差板３７，３８と、位相差板６７，６８と、ファラデー回転子３１，６１とを配置してある。光サーキュレータの中央に対して対称な位置に、複屈折板４１，４２と、レンズ５１，５２を配置して、光が、進行方向とその偏光面の方向に従って、異なる光路を透過することを特徴としている。
【０００８】
　図２７の光サーキュレータでは、レンズの形状に関係なく光ファイバーを配置できるので小型化が可能であるが、位相差板を光路中に並べて配置するという点で、小型化には一定の制限がある。すなわち、一般に、これら光部品で使われる数ｍｍ角程度の位相差板は、通常、所定のサイズにダイシングソーなどで切断される。しかしながら、ダイシングソーなどで切断すると、切断面やそのエッジに数ミクロンから数十ミクロン程度の欠けが生じ、この欠けた部分を光が通過すると特性が低下する。したがって、光サーキュレータを設計するとき、光路間に一定以上の分離距離を確保しなければならないという制約を受けることになり、小型化に限界が生じる。また、光学部品の部品点数が１２個となり、コストアップの要因ともなる。
【０００９】
　また、特許文献３は、図２８に示す光サーキュレータ構造を提案している。この光サーキュレータでは、永久磁石を必要としない自己保磁型の２組のファラデー回転子３１，３４と、ファラデー回転子６１，６４とを配置している。ファラデー回転子３１，３４は並列に配置され、また、ファラデー回転子６１，６４も並列に配置される。更に、ウォーラストンプリズム（Ｗｏｌｌａｓｔｏｎ　ｐｒｉｓｍ）４５，４６を使用して斜めの光路を形成することにより、レンズ２２，７２を各光ファイバーで共有させる。これにより、個々の光学部品の小型化を図った光サーキュレータ構造が構成される。
【００１０】
　図２８に示す光サーキュレータ構造であっても、並列に並べた１組のファラデー回転子３１，３４と、並列に並べた１組のファラデー回転子６１，６４とを使用する必要があることから、形状による小型化への制約は避けられない。また、フェリ磁性体であるファラデー回転子を、逆向きの磁化を有したまま２個密着して並べると、個々のファラデー回転子の磁性が影響し合って、脱磁する可能性を本発明者らは見出している。よって、この構成では、２つのファラデー回転子間に、若干のスペースを設ける必要がある。これは光線間の間隔をさらに大きくしなくてはならないことを意味する。
【００１１】
　加えて、図２８の構成では、外部磁界を必要としない自己保磁型のファラデー回転子しか使えない。ファラデー回転角の温度特性や波長特性などは、ファラデー回転子を使った光デバイスの性能を左右する。一般に市販されている自己保磁型のファラデー回転子では、これらの特性が、磁石と併用して用いる通常のファラデー回転子と比較して著しく劣っている。従って、この構成の光サーキュレータでは、温度特性や波長特性が他の構成の光サーキュレータと比較して、本質的に劣ってしまうのである。
【００１２】
　また、図２８の光サーキュレータでは、ウォーラストンプリズムが２個の複屈折板から形成されるので、光学部品の点数が１２個であり、コストダウンを図るためには、高価な光学部品の点数を減らすことが必須となる。
【００１３】
　一方、近年、これら光デバイスの要求性能として、偏光依存損失ＰＤＬが重要視されている。ＰＤＬとは、入力光の偏光方向の違いによる損失の違いである。光サーキュレータをはじめとする偏光を利用した光デバイスでは、複屈折板などを利用して、入力光を、互いに垂直な偏光方向を有する２つの光束に分けて設計することが一般的である。このとき、それぞれの光路で異なった光学部品を透過するような場合は、それぞれの光学部品の挿入損失や特性の違いが、ＰＤＬの発生原因になる。上述のいずれの光サーキュレータも、光学部品を並列に並べ、個々の光束が別々の光学部品を透過するように構成されている。したがって、このような構造は、本質的にＰＤＬが生じやすいのである。例えば、一般にファラデー回転子の挿入損失のばらつきは中心値に対して±０．０２ｄＢ程度の範囲にあるが、これは光が、１組の並列した光学部品を透過するだけで、最大０．０４ｄＢのＰＤＬが生じる可能性のあることを意味する。
【００１４】
　光サーキュレータと同様に偏波無依存型光アイソレータにもいくつかの構造が提案されている。例えば、特許文献４と特許文献５に開示された、複屈折板を３枚組み合わせた装置が一般的である。
【００１５】
　上記の公報に示された偏波無依存型光アイソレータでは、そのアイソレーションの上限値が、ファラデー回転子の消光比で決まるために、ほぼ４０ｄＢ程度である。また、ファラデー回転子のファラデー回転角は、温度や波長に依存するので、使用環境温度が変動したり、使用レーザの波長が変動することによって、アイソレーションが大きく低下するという重大な問題がある。そこで、高いアイソレーションを求めて、特許文献６や特許文献４及び５に開示された偏波無依存型光アイソレータを２台直列に使うなどの方法が用いられているが、必要な部品点数が多く、経済的に不利となる。
【００１６】
　本発明者らは、光損失の少ない、組立や調整作業が容易で、しかも、より少ない部品点数で構成される偏波無依存型光アイソレータを開発するべく研究を行った結果、特許文献７の偏波無依存型光アイソレータ構造を提案するに至った。この偏波無依存型光アイソレータは、磁区分割ファラデー回転子（ダブルドメイン回転子）を用いていることに特徴がある。ダブルドメイン回転子とは、ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜からなり、１つのファラデー回転子の隣り合った２つの領域に、互いに逆方向の磁界を加えることで、磁化の方向が互いに逆である２つの磁区（すなわち、ダブルドメイン）を形成する。これら２つの磁区が、その中間の境界部を介して隣接し、互いに異なる方向のファラデー回転を有することに特徴がある。
【００１７】
　特許文献７の偏波無依存型光アイソレータの構造では、部品点数が少ないことから組立や調整作業が容易で、しかも、本質的にＰＤＬが生じ難い偏波無依存型光アイソレータを製作することができる。
【００１８】
　本発明者らは、特許文献７を実施するにあたり、光ファイバーの先端にレンズを固着した一般の光コリメータを用いた。市販のレンズや光コリメータの外径は２ｍｍか、それ以上である。またコリメート光のビーム径は０．４ｍｍφ程度であることから、光線間の間隔は１．６ｍｍとなり、組み立てマージンを０．４ｍｍ程度とったとしても、１ｍｍ離れた位置でダブルドメイン回転子として機能していればよい。しかしながら、近年、光部品の小型化が進み、外径の小さなレンズや光コリメータが開発され、また、２芯フェルール等の開発により、１個のレンズにて２本以上の光ファイバーからの光線を扱うことができるようになった。その結果、例えば、図２７や図２８に示す小型の光サーキュレータが考案されている。従って、光線間の間隔を小さくした光デバイスの設計が可能となったことから、本発明者らが提案したダブルドメイン回転子においても、光線間の間隔が狭くても機能することが求められるようになった。
【００１９】
　本発明の光サーキュレータや光アイソレータでは、光ファイバーからの光線を複屈折板により分離させてからダブルドメイン回転子に導くことを特徴としている。例えば、複屈折板にルチル単結晶を用いた場合、複屈折板によって分離される光線間の距離ΔＤＢは下式（４）で求められる。
【数１】
2004139030.tif 000002
ここで、ｎｅ及びｎｏは複屈折板の屈折率を、Ｌは長さを表す。一般に市販されているルチル単結晶の場合、波長１５５０ｎｍでｎｅ＝２．４５２、ｎｏ＝２．７０９となる。σは複屈折板による分離角を表し、ｔａｎ（σ）＝（ｎｅ２−ｎ０２）／２／ｎｅ／ｎ０＝０．０９９８から算出される。θはシングルモード光ファイバーの開口数ＮＡ＝ｓｉｎ（θ）から算出される。一般にシングルモード光ファイバーの開口数は０．１であることから、式（４）の右辺は０．０２１５×Ｌとなる。
【００２０】
　例えば、ルチル単結晶の場合、ルチル単結晶の長さを従来の半分、すなわち４ｍｍ程度に小型化しようとすると、光線間の間隔は、０．０２１５×４＝０．０８３ｍｍとなる。磁区が０．０８３ｍｍ以内で、組み立てマージンを含め０．０４ｍｍ以内の幅を介して明確に形成されていれば良い。言い換えると、ダブルドメイン回転子の隣接する磁区と磁区との境界でファラデー回転子として動作しない範囲が狭ければ狭いほど、複屈折板の小型化は可能となる。これは、各部品の加工精度や組み立て誤差が改善されれば、例えば１ｍｍ長以下のルチル単結晶を使い、光線間の分離距離を０．０２ｍｍ以下とした超小型の光サーキュレータや光アイソレータの構成が可能になることを示唆している。
【００２１】
　上述のように、特許文献７に提案されたダブルドメイン回転子において、光線間の間隔が小さくても装置は動作することが、一般的に強く望まれている。しかしながら、ファラデー回転子の側面に永久磁石を配置してダブルドメイン回転子を形成しようとしたとき、これら永久磁石が発生する磁界の変化率（本発明では記号ＤＨで表す。本発明の詳細な説明の欄にて記載した。）が、重要な因子となる。例えば、通常の磁界変化率は３（ｃｍ−１）程度である。これは、例えば、市販のファラデー回転子の中でも飽和磁界の小さな（例えば、３００（Ｏｅ））ファラデー回転子を用いた場合を考えてみる。−３００から＋３００（Ｏｅ）の領域は外部磁界が不足することから、永久磁石の残留磁束密度を１００００（Ｇａｕｓｓ）とすれば、約０．２ｍｍの領域がファラデー回転子として正常に動作しないことになる。さらに、ファラデー回転子として温度特性などに優れた飽和磁界６５０（Ｏｅ）のファラデー回転子を想定した場合、同計算では０．４３ｍｍの領域が正常に動作しないことになる。組み立てマージンを０．１ｍｍとすると、０．５３ｍｍの光線間の間隔が必要となり、光線間の間隔は小さくても動作しなければならないという要求を満足できない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
　本発明者らは、２個の光学部品を並列に並べることなく、理論的な限界まで小型化が可能であり、しかも、より少ない部品点数で、安価に構成され、ＰＤＬの生じ難い偏波無依存型光アイソレータ、光サーキュレータ及び偏光ビームコンバイナを開発すべく研究を行なった結果、本発明に到った。本発明では、特許文献７にて本発明者らが提案したダブルドメイン回転子の概念を用いる。ダブルドメイン回転子を利用して、より小型の光サーキュレータや偏光ビ−ムコンバイナを作製するためには、いくつかの技術的な課題を解決する必要があった。また、これらの課題を解決することによって、従来にない光サーキュレータ、光アイソレータ及び偏光ビームコンバイナなど、ファラデー回転子を使った光デバイスの構成を提案するに至ったのである。
【００２３】
　第１の課題は、ダブルドメイン回転子の隣接する２つの磁区の境界を、光が通過した場合に、必要なファラデー回転が得られない点である。したがって、ダブルドメイン回転子を通過する光路は、隣りの磁区との境界を通らないように設計しなければならない。すなわち、第１の課題は、磁区と磁区との境界の幅を１ｍｍ程度とすることは比較的容易だが、０．１ｍｍ以下と更に狭くすることである。
【００２４】
　第２の課題は、光コリメータを使用することに起因する問題を解決することである。光ファイバーとレンズを組み合わせた光コリメータを使用した場合、レンズの小型化には限界があるから、必要な光学部品の小型化には制約が生じる。仮に１ｍｍの寸法の光学部品で１ポートの光アイソレータが構成されているとき、一般に販売されている外径１ｍｍφのレンズを用いて多ポート化しようとすれば、光学部品のサイズを、１ｍｍ／１ポートの割合で大きくする必要が生じる。また、上述したように、通常、光線は、現在市販している光コリメータでは４００μｍ径の平行光となる。したがって、複屈折板により分離する光線の中心間は、４００μｍ以上となる。従って、第２の課題は、光コリメータのレンズのサイズや性能が、小型化への制約にならないようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
　本発明者らは、鋭意研究を行なった結果、本発明を完成した。すなわち、ダブルドメイン回転子の隣接する２つの磁区を分ける境界の幅を狭くすることにより、小型で低コストであるとともに多ポート化が可能な、光サーキュレータ、光アイソレータ及び偏光ビームコンバイナを実現した。
【００２６】
　本発明の目的は、部品点数が少なく、小型でかつ多ポートの光サーキュレータ、光アイソレータ、偏光ビームコンバイナ及びこれらの光デバイスに有用なファラデー回転子を提供することである。また、本発明の別の目的は、これら光デバイスを工業的な規模で大量に、安価に提供して、光通信の実用化と普及に寄与することである。
【００２７】
　すなわち、本発明は、ファラデー回転角が約４５度のビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜からなるファラデー回転子の側部に近接して永久磁石を配置することにより前記単結晶膜を、磁化の方向が互いに反対である２つ以上の単一磁区に分割し、この単一磁区を透過した光線の偏波面を互いに反対方向にファラデー回転させるようにした磁区分割ファラデー回転子を含む光学装置である。前記ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜の飽和磁界をＨｓ（Ｏｅ）、磁区の境界部における磁界変化率ＤＨ（ｃｍ−１）、永久磁石の残留磁束密度をＢｒ（Ｇａｕｓｓ）、単一磁区を通過する光線間の間隔をΔＤ（ｃｍ）＞０とするとき、下記の式（１）
　　　　　　　（Ｈｓ／Ｂｒ／ＤＨ）＞ΔＤ／２＞０　　　　（１）
の条件を満たすことを特徴とする光学装置である。
【００２８】
　本光学装置は、ファラデー回転子の周辺部における磁区幅が、磁区の境界付近における磁区幅より大きな変化を示す磁界の下限値をＨ＊、その磁界Ｈ＊での磁区幅をＤｗ＊と定義するとき、前記磁区分割ファラデー回転子が下記の式（２）
　　　　　　　（Ｄｗ＊／Ｈ＊）＞（１／Ｂｒ／ＤＨ）　　　　（２）
の条件を満たすこと、または、磁区分割ファラデー回転子が下記の式（３）
　−０．００００１７２×Ｈｓ＋０．０３１２＞（Ｈｓ／Ｂｒ／ＤＨ）　　　（３）
の条件を満たすことが好ましい。
【００２９】
　そして、光線間の間隔ΔＤが０．００５から０．０５（ｃｍ）であり、前記ファラデー回転子が、７５０（Ｏｅ）以下の飽和磁界を有し、９０００から１２０００（Ｇａｕｓｓ）の残留磁束密度Ｂｒを有する２個の永久磁石を、０．０８（ｃｍ）から０．１８（ｃｍ）の間隔で配置することにより、磁界変化率ＤＨが２〜５（ｃｍ−１）であることが好ましい。この条件、または上記の式（１）、（２）または（３）の条件を満たす磁区分割ファラデー回転子を適宜「本磁区２分割ファラデー回転子」または「本ダブルドメイン回転子」という。
【００３０】
　また、前記永久磁石は、前記ファラデー回転子の少なくとも一つの側部に配置された少なくとも３つ以上の永久磁石であること、そして、光線間の間隔ΔＤが０．００５から０．０５（ｃｍ）であり、前記ファラデー回転子が、３００（Ｏｅ）以下の飽和磁界を有し、９０００から１２０００（Ｇａｕｓｓ）の残留磁束密度Ｂｒを有する３個の永久磁石を０．０６（ｃｍ）から０．１０（ｃｍ）の間隔で配置することにより、磁界変化率ＤＨが０．７〜１．２（ｃｍ−１）であることが好ましい。この条件、または上記の式（１）、（２）または（３）の条件を満たす磁区分割ファラデー回転子を適宜「本磁区多分割ファラデー回転子」または「本マルチドメイン回転子」という。
【００３１】
　本光学装置は、複数本の第１の光ファイバーと、第１の複屈折板と、本磁区２分割ファラデー回転子と、第２の複屈折板と、非球面レンズと、本磁区２分割ファラデー回転子と、第３の複屈折板と、少なくとも１本の第２の光ファイバーとをこの順序に配置してなる光サーキュレータ、または、複数本の第１の光ファイバーと、第１の複屈折板と、本磁区多分割ファラデー回転子と、第２の複屈折板と、非球面レンズと、本磁区多分割ファラデー回転子と第３の複屈折板と、複数本の第２の光ファイバーとをこの順に配置してなる光サーキュレータである。
【００３２】
また、本光学装置は、少なくとも１本の第１の光ファイバーと、第１の複屈折板と、本磁区２分割ファラデー回転子と、ガラス偏光素子と、非球面レンズと、本磁区２分割ファラデー回転子と、第２の複屈折板と、少なくとも１本の光ファイバーとをこの順序に配置してなる偏波無依存型光アイソレータである。
【００３３】
　更に、本光学装置は、第１の複屈折板と第１のファラデー回転子と、第２の複屈折板と、第２のファラデー回転子と、第３の複屈折板とをこの順に配列してから接着剤にて固着した後、所定のサイズのチップに切断し、下記の式（１）、（２）又は（３）
　　　　　　　（Ｈｓ／Ｂｒ／ＤＨ）＞ΔＤ／２＞０　　　　（１）
　　　　　　　（Ｄｗ＊／Ｈ＊）＞（１／Ｂｒ／ＤＨ）　　　　（２）
　　−０．００００１７２×Ｈｓ＋０．０３１２＞（Ｈｓ／Ｂｒ／ＤＨ）　　　（３）
のいずれか１つを満足するように永久磁石を配置してなる光サーキュレータコアチップである。
【００３４】
　また、本光学装置は、第１の複屈折板と、第１のファラデー回転子と、ガラス偏光素子と、第２のファラデー回転子と、第２の複屈折板とをこの順序に配列してから接着剤にて固着した後、所望のサイズのチップに切断し、得られたチップのファラデー回転子の周辺に、下記の式（１）、（２）又は（３）
　　　　　　　（Ｈｓ／Ｂｒ／ＤＨ）＞ΔＤ／２＞０　　　　（１）
　　　　　　　（Ｄｗ＊／Ｈ＊）＞（１／Ｂｒ／ＤＨ）　　　　（２）
　−０．００００１７２×Ｈｓ＋０．０３１２＞（Ｈｓ／Ｂｒ／ＤＨ）　　　（３）
のいずれか１つを満足するように永久磁石を配置してなる偏波無依存型光アイソレータコアチップである。
【００３５】
　また、複屈折板と、本発明の必要条件を満たしたファラデー回転子と永久磁石とを必須とする光学装置とを直列に配置してなる偏光ビームコンバイナコアであり、複屈折板とファラデーとを光学接着剤にて固着した後に、所定のチップサイズに切断し、得られたチップのファラデー回転子の周囲に永久磁石を配置してなるチップ型の偏光ビームコンバイナである。そして、少なくとも１本の光ファイバーと、上記の偏光ビームコンバイナコアと、レンズとをこの順に配置した偏光ビームコンバイナである。
【００３６】
　本光学装置は、上記の偏光ビームコンバイナと、複屈折板と、上記の偏光ビームコンバイナとをこの順に配置してなる光サーキュレータ、また、上記の偏光ビームコンバイナと、ガラス偏光素子と、上記に記載の偏光ビームコンバイナとをこの順に配置してなる偏波無依存型アイソレータである。更に、上記の偏光ビームコンバイナと、偏波依存型光アイソレータと、ファラデー回転子と、上記の偏光ビームコンバイナとをこの順に配置してなる偏光無依存型光アイソレータを得る。また、上記の偏光ビームコンバイナと、レンズと、光ファイバーとをこの順に配置することを特徴とするインライン型の偏光ビームコンバイナである。
【発明の効果】
【００３７】
　本発明により、磁壁のみにより所望の単一磁区に分割されたファラデー回転子が得られた。この結果、光学部品を２個並べることなく、部品点数の極めて少なく、理論限界まで小型が可能であり、組立が容易な光アーソレータや光サーキュレータ、及び偏光ビームコンバイナを構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
　以下に、実験結果をもとに、図面などを用いて本発明の詳細を説明する。図１（ａ）、図１（ｂ）及び図１（ｃ）は、ファラデー回転子（ここではダブルドメイン回転子と称す）を有する光学装置の基本動作原理を示す。この光学素子は、約４５度のファラデー回転角を有するビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜３１（ＢＩＧ）からなるファラデー回転子と、このファラデー回転子の周囲に配置された永久磁石３２，３３と、複屈折板２１とからなる。永久磁石３２，３３は、ファラデー回転子を、ファラデー回転角が互いに反対方向となる２つの領域（すなわち、磁区）に分けて、ダブルドメイン回転子とする。各磁区を透過した２つの光線の偏光面は互いに逆向きに回転する。複屈折板２１は、光線がダブルドメイン回転子に入射する前に、光線を分離したり（図１（ａ））、ダブルドメイン回転子から出射した２つの光線を結合するのに用いる（図１（ｂ））。図中、複屈折板２１の矢印は、複屈折板２１の光軸方向を表す。また、永久磁石３２，３３中の矢印は磁化の方向を表す。両端に矢印のついた符号は、光線の偏光面の方向を示している。図１（ａ）に示したように、複屈折板２１側から光が入射すると、入射光は、光路Ｌ１（異常光）とＬ２（常光）とに分離し、ダブルドメイン回転子を通過する。偏光面が角度４５度だけ互いに逆方向に回転され、偏光面が互いに一致した後に、出射される。
【００３９】
　また、図１（ｂ）に示したように、図１（ａ）の出射光と垂直の偏光面を有する入射光は、それぞれ、光路Ｌ１とＬ２を通って、ダブルドメイン回転子側から複屈折板２１へ入射する。このとき、Ｌ１の光路の偏光面は異常光の偏光面と同一となり、Ｌ２の光路の偏光面は常光の偏光面と一致することになる。この結果、図１（ａ）の場合と同様の光路を逆向きに伝わり、一本の光線として出射されることになる。これに対して、図１（ｃ）では、偏光面が図１（ｂ）とは垂直であるため、ダブルドメイン回転子を通過したそれぞれの光は、図１（ａ）とは直交した偏光面となり、Ｌ１の光路の偏光面は常光、光路Ｌ２の偏光面は異常光となるため、より分離されて出射することになる。
【００４０】
　図２（ａ）は、図１（ａ）において、光線が複屈折板により分離されて２つのビームになった後、ダブルドメイン回転子を透過する様子を示す。永久磁石３２、３３を通過する楕円形の線は、各永久磁石３２、３３の磁束とその方向を示す。光路Ｌ１と光路Ｌ２に入射する光の偏光面の角度は、例えば、互いに９０度ずれているものとする。このとき、光路Ｌ１に入射した光は、ダブルドメイン回転子３１の一方の領域を通過して、例えばθだけ図示のように左方向へ回転する。一方、光路Ｌ２に入射した光は、ダブルドメイン回転子３１の他方の領域を通過して、例えばθだけ図示のように右方向へ回転する。図２（ｂ）は、図２（ａ）の光の進行方向からみた正面図であり、ビーム径と、ビーム間の位置関係を示す。Ｒｂは光のビーム径、Ｄｂはビームと、ビームの中心間の距離、ΔＤはビーム間の距離であり、中心の線は永久磁石３２、３３により形成される磁界が、互いにキャンセルした境界を表す。
【００４１】
　図３は、図２（ｂ）に示すように、互いに逆向きの磁化を有するように配置された２個の磁石の間で発生する磁界を計算した例である。図３に示す値を計算する際には、磁石として、残留磁束密度１００００（Ｇａｕｓｓ）の永久磁石を用いることとした。ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜に加える磁界に勾配がある場合、充分な磁界が印加された領域が飽和し単一磁区となることは容易に推察できる。逆向きの磁化を有する２つの領域の境界付近で、境界線からの距離と磁界強度との関係（図３のグラフの勾配）が急峻に変化するほど、ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜の磁区と磁区との境界の幅が減少し、２つの磁区は鮮明に分離することが容易に推察できる。本発明者らは、磁石の形状や配置によって決まる磁界変化を明確に定義することを目的として、図２（ｂ）の磁区の境界付近での、単位距離（ｃｍ）当りの磁界の変化を永久磁石の磁束密度Ｂｒで割った値を、磁界変化率をＤＨと定義した。図３において、例えば、丸付き数字１のケースでは、永久磁石のサイズが１．２×１×０．６ｍｍ（横×縦×厚さ）であり、２個の永久磁石間の距離ｄが１ｍｍである。
【００４２】
　図４は、図２（ｂ）の配置において、各種の形状の磁石を使用したときの磁界変化率ＤＨを、永久磁石間の距離の関数として算出した結果である。通常用いられる程度の永久磁石とその配置から、磁界変化率ＤＨは２〜５／ｃｍまでの値をとることが明らかとなった。また、図４の丸付き数字３と６の計算結果から明らかなように、磁石が薄いと、磁界変化率ＤＨは大きくなるが、ここでは、作製可能な磁石の厚さの下限値を０．６ｍｍとした。また、磁石は大きいほど磁界変化率ＤＨは大きくなるが、これには限界がある。以上の考察から、本発明では２×１×１ｍｍ角または１．２×１×０．６ｍｍ角の永久磁石を使用した。
【００４３】
　印加磁界が、ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜の飽和磁界に満たない境界付近における領域の幅は、上述した磁界変化率ＤＨと、使用する永久磁石の残留磁束密度Ｂｒとから、容易に計算できる。この領域の幅は、ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜の飽和磁界Ｈｓを、磁界変化率ＤＨと永久磁石の残留磁束密度Ｂｒとで割った値（Ｈｓ/Ｂｒ/ＤＨ）の２倍となる。
【００４４】
　この磁界が不充分な領域は、多磁区構造が発生すると考えられる。また、この磁界が不充分な領域を光が通過すると、単結晶膜の本来への特性が得られないものと考えられる。したがって、図２にて定義した光路間の距離ΔＤは、この磁界の不充分な領域よりも大きいことが必要となる。
【００４５】
　しかしながら、本発明者等は、本発明を完成させる過程で、不十分な外部磁界しか加わっていない領域にも拘わらず、磁区が明確に分離される現象を見出した。その一例として、以下のようなダブルドメイン回転子を作製した。
【００４６】
　ファラデー回転子として、飽和磁界６３５（Ｏｅ）、１．３ｍｍ角のサイズで、磁区幅３０μｍ、１５５０ｎｍ用の（ＴｂＢｉ）（ＦｅＧａ）Ｇの組成を有するビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜（ここでは、Ｇ膜−１と呼ぶ）を用いた。ファラデー回転子の周囲に、Ｂｒ＝１００００（Ｇａｕｓｓ）の永久磁石を、磁界変化率ＤＨが３．３（／ｃｍ）となるように配置した。この条件では、境界からＨｓ／Ｂｒ／ＤＨ＝０．０１９２ｃｍまでの領域が、飽和磁界に達しない領域であるから、この領域は多磁区構造になるものと推察される。しかし、実際には、この領域には、多磁区構造が無く、ファラデー回転子は、磁壁だけを境界として、明確に２つの磁区が分かれ、ダブルドメイン回転子を形成することを本発明者等は見出した。これをケース１とする。
【００４７】
　また、同じファラデー回転子を用いて、磁界変化率ＤＨを２．８（／ｃｍ）とした場合、飽和磁界に達しない領域は、境界からＨｓ／Ｂｒ／ＤＨ＝０．０２２７ｃｍまでの領域である。この場合、ファラデー回転子の２つの磁区の境界は、磁壁だけで明確に別れるのではなく、境界から０．０１１ｃｍまでの領域が多磁区構造であった。これをケース２とする。
【００４８】
　本発明者らは、上記ファラデー回転子に均一に外部磁界を与えて、磁区の変化を観察した結果を基に、ケース１およびケース２の現象を次のように解釈した。
【００４９】
　図５は、前記Ｇ膜−１に外部磁界を印加したときの、磁区の幅と、外部磁界との関係を示す。白丸符号は、Ｇ膜−１の中央部付近における外部磁界と同一方向の磁区幅の変化を示し、黒丸符号は、周辺部における外部磁界と同一方向の磁区幅の変化を示す。外部磁界をある値まで増加すると、中央部では、徐々に磁区幅が増加するものの多磁区のままであるが、この多磁区領域を取り巻く周辺部では、ある磁界以上で磁区幅が増え始める。更に、外部磁界が増加すると、周辺部の磁区幅の変化が中央部に比べ益々大きくなる。磁区幅が増え始めるときの磁界をＨ＊と定義するとともにこのときの磁区幅をＤｗ＊と定義する。
【００５０】
　図６は、周辺部の磁区幅（黒丸符号）と外部磁界Ｈｅｘとの関係を示す。また、図６には、ケース１（実線）及びケース２（点線）を示した。境界からの距離ｙにおける磁界Ｈｅｘは、磁界変化率ＤＨ、永久磁石の残留磁束密度Ｂｒにて、式（５）にて表される。
　　　　　　Ｈｅｘ＝Ｂｒ×ＤＨ×ｙ　　　　　　　（５）
ケース１ではＤＨ＝３．３（／ｃｍ）、ケース２ではＤＨ＝２．８（／ｃｍ）である。Ｂｒ＝１００００（Ｇａｕｓｓ）であるとき、図６の実線（ケース２）と点線（ケース１）が算出できる。
【００５１】
　ここで、本発明者らは、磁区と磁区との境界、すなわち磁壁の挙動を考察して、ケース１とケース２の現象について、以下のように考察した。ここで、図６は、周辺部の磁区幅（左縦軸）と、境界からの距離（右縦軸）とが同じ目盛りでプロットされていることを条件とする。
【００５２】
　通常、ファラデー回転子に外部磁界Ｈｅｘを加えると、外部磁界Ｈｅｘと同じ磁化の方向を有する磁区の幅は大きくなり、逆の磁化の方向を有する磁区の幅は小さくなるように磁壁が移動する。すなわち磁壁は、外部磁界Ｈｅｘの大きさによって、その安定な位置が移動する。本発明のダブルドメイン回転子やマルチドメイン回転子の場合、外部磁界Ｈｅｘの大きさは、外部磁界が相互にキャンセルする境界線からの距離と共に連続的に変化する。境界線からＨｓ／Ｂｒ／ＤＨに相当する位置までの領域は、ファラデー回転子が磁気的に飽和するには不十分な磁界しか存在しない。一般的に考察すると、本発明の場合、磁気的に飽和するのに十分な磁界が存在する領域から、回転子の中央に存在する境界線へ近づくにつれて、外部磁界Ｈｅｘが減少するので、ある位置で磁壁が生じることになるはずである。
【００５３】
　しかし、その位置にも、ある大きさの磁界が存在するので、磁壁は境界の方へ寄ることになる。境界まで、このような条件が満たされると、磁壁は境界にのみ存在することになり、完全なダブルドメイン回転子が形成される。すなわち、磁気的に飽和するのに不十分な磁界が存在する領域では、磁気的な飽和には達しないが、磁壁の存在できない条件となっていると考えられる。これが、前記ケース１の場合である。この境界条件は、図5で観察した周辺部の条件と同等であり、周辺部の磁区幅（黒丸符号）の挙動は、ダブルドメイン回転子に形成される磁区の挙動と同じであると推察した。この推察から、完全なダブルドメイン回転子が形成されるには、図６において、ケース１のように、磁区幅のカーブが、境界からの距離を表す直線よりも上側にある（大きい）との条件を満たすこととなる。
【００５４】
　ケース２の場合は、境界からの距離を示す直線と磁区幅を示すカーブとが、Ｈ＊の近くで交差する。従って、磁壁が存在することで、むしろ、より安定な状態となるため、境界付近で多磁区構造を形成するものと考察した。
【００５５】
　ところで、磁区幅は、外部磁界Ｈｅｘの値がＨ＊より大きくなると、急激に増大する。したがって、図６において、「磁区幅を示すカーブが、境界からの距離を示す直線よりも常に上側にある（大きい）」という条件は、「Ｄｗ＊／Ｈ＊が、境界からの距離を示す直線の傾き１／Ｂｒ／ＤＨよりも大きい」という条件に置き換えることができる。すなわち、ファラデー回転子が、磁壁のみで２つの磁区に別れるためには、Ｄｗ＊／Ｈ＊＞１／Ｂｒ／ＤＨという臨界点がある。次に、Ｄｗ＊／Ｈ＊という値を考察する。
【００５６】
　図７は、異なった組成と異なった飽和磁界とを有するビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶Ｇ膜−１からＧ膜−４における磁区幅の変化を、外部磁界Ｈｅｘを飽和磁界Ｈｓで規格化した値に対してプロットした図である。Ｇ膜−１は、ケース１及びケース２と同一組成（ＴｂＢｉ）（ＦｅＧａ）Ｇ、Ｇ膜−２は（ＴｂＢｉ）（ＦｅＡｌＧａ）Ｇ、Ｇ膜−３は（ＨｏＴｂＢｉ）（Ｆｅ）Ｇ、Ｇ膜−４は（ＧｄＹＢｉ）（ＦｅＧａ）Ｇである。Ｇ膜−１からＧ膜−４の飽和磁界は、それぞれ、６３５（Ｏｅ）、２６５（Ｏｅ）、１１４９（Ｏｅ）及び９０（Ｏｅ）である。また、Ｇ膜−２とＧ膜−４では、ケース１及びケース２と同じ磁石に関する条件（Ｂｒ＝１００００（Ｇａｕｓｓ）、ＤＨ＝３．３、及び２．８（／ｃｍ））で、完全なダブルドメイン回転子となるが、Ｇ膜−３を用いると、同条件では境界付近に多磁区構造が形成され、完全なダブルドメイン回転子とはならないことを確認してある。
【００５７】
　図７のプロットから、Ｈ＊より高い磁界では、ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜の組成が異なっても、いずれの膜も、ほぼ同一の曲線上にあることがわかる。言い換えれば、Ｈ＊より高い外部磁界Ｈｅｘでは、ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜の組成に関係なく、磁区幅と、飽和磁界で規格化した外部磁界Ｈｅｘ／Ｈｓとの間には一定の関係があることがわかる。厳密には、この曲線は、ファラデー回転子の膜厚や、飽和磁界によって多少は異なるはずであるが、実際に解析してみると、図７に示すような結果となり、実質的には直線によく乗った。Ｈ＊／Ｈｓは同一曲線上にのる下限値を表すパラメータであることから、Ｈ＊／ＨｓとＤｗ＊にも一定の関係がある。なお、Ｈ＊とＤｗ＊は各Ｇ膜に応じて、図５の手法に準じて求めることができる。
【００５８】
　図８は、各Ｇ膜−１〜４について、飽和磁界Ｈｓをパラメータに、Ｈｓと（Ｄｗ＊／（Ｈ＊／Ｈｓ））との関係を示す。図８に示された関係をまとめると、完全なダブルドメイン回転子が形成される条件は、図６において、「磁区幅が、境界線からの距離を表す直線よりも常に上側にある」という条件を満たすことである。すなわち、Ｄｗ＊／Ｈ＊が境界線からの距離と磁界を表す直線の傾き１／Ｂｒ／ＤＨよりも大きいという下記の条件である。
　　　　　　　　（Ｄｗ＊／Ｈ＊）＞（１／Ｂｒ／ＤＨ）　　　（２）
【００５９】
　式（２）の両辺に飽和磁界Ｈｓをかけると下式（６）が得られる。
（Ｄｗ＊／Ｈ＊）×Ｈｓ＝（Ｄｗ＊／（Ｈ＊／Ｈｓ））＞（Ｈｓ／Ｂｒ／ＤＨ）　（６）
式（６）の左辺は、図８の結果から、Ｈｓの一次式として展開することができる。したがって、式（３）を導くことができる。
−０．００００１７２×Ｈｓ＋０．０３１２＞（Ｈｓ／Ｂｒ／ＤＨ）　（３）
【００６０】
　すなわち、飽和磁界Ｈｓを有するビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜と、ダブルドメイン回転子を構成するための永久磁石とその配置が、式（３）の条件を満たすとき、磁区が完全に分離した、すなわち、磁壁のみで分割された磁区分割ファラデー回転子が形成できるのである。
【００６１】
　本実験では、ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜の磁区幅や飽和磁界を測定する際には、１５５０ｎｍ波長で４５度のファラデー回転が得られるように膜厚を調整した１１ｍｍ角サイズの試料を用いた。式（３）の左辺は、厳密には試料の膜厚やサイズなどによって若干異なる。例えば、試料のサイズと膜厚の比、すなわち、サイズ対膜厚の比が小さいと磁区幅の評価結果は大きくなる傾向にあり、したがって式（３）の左辺は若干大きくなる傾向にある。しかし、このことは、試料サイズが小さくなれば、よりダブルドメイン回転子として安定することを意味する。また、サイズ対膜厚の比が小さいと、飽和磁界の測定誤差が大きくなる等の問題もあることから、磁区幅や飽和磁界の測定には、測定誤差が生じにくい形状の試料、すなわちサイズ対膜厚の比が大きな１１ｍｍ角の試料を用いた。
【００６２】
　以上の知見を得て、本発明者らは、下記のような関係を導き出すに至った。すなわち、隔離した２つ以上の光線に対して、ダブルドメイン回転子を用いる場合、光路間の距離ΔＤの半分（ΔＤ／２）が下記の式（１）を満足する関係にあっても、磁界変化率ＤＨを大きく設計するとともに飽和磁界Ｈｓの小さなビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶を用いれば、光線間の間隔を小さくして、光学部品の小型化を図ることができる。
　　　　　（Ｈｓ／Ｂｒ／ＤＨ）＞ΔＤ／２＞０　　　　（１）
【００６３】
　更に、飽和磁界Ｈｓを有するビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜と、永久磁石とを、前記式（２）又は式（３）を満たすように配置することで、ダブルドメイン回転子が形成される。このようなダブルドメイン回転子を用いると、光路の間隔ΔＤをほとんどゼロに近い値に設計することができ、光デバイスの小型化が可能になる。
【００６４】
　本発明のダブルドメイン回転子に用いるビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶は、飽和磁界Ｈｓの小さなものほど容易にダブルドメイン回転子を作成することができる。
【００６５】
　一方、ＬＰＥ法で育成したビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶は、膜面に垂直な方向に磁化容易軸を有し、ＬＰＥ法で育成することで生じる磁気異方性Ｋｕを有している。磁気異方性Ｋｕは、ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶の成分である希土類イオンの種類や組み合わせによって、その大きさや方向が異なることが知られている。
【００６６】
　本発明を実施するとき、永久磁石の形状による制約から、永久磁石が形成する磁界は、ファラデー回転子の膜面に対して斜め方向となる。一方、ＬＰＥ法で育成したビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶は、その磁気異方性Ｋｕによって、膜面に平行な成分の磁界の影響を受けず、膜面に垂直な成分のみの影響を受ける。したがって、本発明を実施する場合には、膜面に垂直に磁化容易軸を有し、磁気異方性Ｋｕの大きなビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶が適している。
【００６７】
　また、ＬＰＥ法で育成したビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶の磁気異方性は、熱処理によって減少することが知られている。これら熱処理を施して磁気異方性を低減したビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶は、本発明には不向きである。
【００６８】
　一般にビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶の飽和磁界Ｈｓは、その組成成分である鉄の一部をＧａやＡｌといった非磁性のイオンで置き換えることによって下げることができる。しかし、ＧａやＡｌなどの非磁性イオンで鉄を置換すると、（１）ファラデー回転角の温度変化が大きくなったり、（２）磁気補償温度が使用温度範囲内に現れることから、磁気補償温度の前後でファラデー回転角の符合が反転してしまうなど、ファラデー回転子としての特性が低下する。
【００６９】
　本発明者らは、飽和磁界Ｈｓが１６０（Ｏｅ）以下と小さく、磁気補償温度が−３０℃以下であり、ファラデー回転子としての機能を有する（ＧｄＲＢｉ）（ＦｅＧａＡｌ）Ｇ（Ｒ＝Ｙ、Ｙｂ及びＬｕのうちの少なくとも1つ）（特開平７−３１５９９５号公報、米国特許第５５１２１９３号）や、飽和磁界Ｈｓはこれより大きいが、磁気補償温度が−４０℃以下であり、ファラデー回転角の温度特性の優れた（ＴｂＢｉ）（ＦｅＧａ）Ｇ（特開平１１−１３９４号公報、米国特許第６０３１６４５号）を発明したが、これらビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶は、本発明にも好適である。
【００７０】
　図９は、本発明に係わる光学素子であり、磁区を２つより多い領域、例えば３つの領域に分けた光学素子の例である。ここでは、このようなファラデー回転子をマルチドメイン回転子と称する。ここで使用するファラデー回転子は、４５度のファラデー回転角を有する。図９は、ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶の横に、隣合う永久磁石の向きを交互に変えて並べた構造を示す。すなわち、永久磁石３５は、光路Ｌ１に、光の進行方向と同じ方向の磁界を与え、永久磁石３３は光路Ｌ２とＬ３に、光の進行方向と逆向きの磁界を与え、永久磁石３２は光路Ｌ４に、光の進行方向を同じ方向の磁界を与える。各磁石に付した矢印は、磁石の磁界の方向を示す。永久磁石３２，３３，３５はビスマス置換希土類鉄ガーガーネット単結晶の一方の側部（ガーネットに対して紙面の向こう側）に配置したが、もう一方の側部（ガーネットに対して紙面の手前側）にも、同様に永久磁石を配置すると、より強力な磁界を与えることになる。両端に矢印のついた符号は、光線の偏光面の方向を示している。
【００７１】
　複屈折板２１を通過することで分離されて光路Ｌ１と光路Ｌ２に入る光線は、互いに９０度ずれた偏光面を有する。光路Ｌ３と光路Ｌ４に入る光線も互いに９０度ずれた偏光面を有する。このとき、光路Ｌ１はマルチドメイン回転子３１の上方の領域を通過して、また光路Ｌ４はマルチドメイン回転子３１の下方の領域を通過して、左方向へファラデー回転θを受ける。一方、光路Ｌ２とＬ３は、マルチドメイン回転子の中央を通過して、右方向へファラデー回転θを受ける。
【００７２】
　図１０と図１１は、磁石３個を１列に並べた場合と、磁石６個を２列（各列３個）に並べた場合の磁界の変化、またその変化率を計算した結果を示す。磁石３個を使用する場合は、磁石３個を１列に並べ、この磁石の列から０．５ｍｍ離れるとともに磁石の列に平行な線上にある位置での磁界の変化、またその変化率を計算する。磁石６個を２列に配置する場合は、磁石を各列に３個ずつ、回転子を挟んで２列に並べる。列と列の間隔を１ｍｍとして、磁区の境界の近傍で且つ両側の列間の中央（列から０．５ｍｍ離れた位置）の磁界の変化、またその変化率を計算する。磁界変化率は、０．５〜３／ｃｍ程度の値となる。本発明では、３個の１×１×１ｍｍ角の永久磁石を使用した。磁界変化率ＤＨは、図１１の点線カーブに示すように、磁石間の距離０．５〜０．７ｍｍの範囲では、０．７〜１．２／ｃｍの値となる。
【００７３】
　上記から、下記の光学装置を製作できる。光線間の間隔ΔＤを０．００５〜０．０５（ｃｍ）に選択する。前記ファラデー回転子が、飽和磁界Ｈｓ＝３００（Ｏｅ）以下のビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶であり、９０００から１２０００（Ｇａｕｓｓ）の残留磁束密度Ｂｒを有する３個の永久磁石を０．０６（ｃｍ）から０．１０（ｃｍ）の間隔で配置することにより、磁界変化率ＤＨを０．７〜１．２（ｃｍ−１）とする。
【００７４】
　後述するが、このマルチドメイン回転子を用いると、ダブルドメイン回転子の場合と同様に多ポートの光デバイスが構成できる上に、異なった機能を有する光デバイスを複合化することが可能になる。
【００７５】
　次に、本発明の具体例を以下に説明する。
　ファラデー回転子を含む主要な光学部材を用い、これらを予め光学接着剤にて固着してから、所望のサイズに切断した個々のチップに対して、式（１）、式（２）又は式（３）を満足するようにファラデー回転子の周辺に永久磁石を配置するように作製すれば、安価な光学装置が実現できる。
【００７６】
　図１２は、本発明の偏光ビームコンバイナコアチップを示す。複屈折板２１とファラデー回転子３１とを、予め光学接着剤にて固着した後、所望のサイズに切断した切断後の個々のチップに対して、周辺に永久磁石３２と３３を配置する。
【００７７】
　図１３は、本発明の光サーキュレータコアチップの一例を示す。第１の複屈折板２１と第１のファラデー回転子３１、第２の複屈折板４１、第２のファラデー回転子６１、第３の複屈折板７１の順に配置し、予め光学接着材にて固着する。その後、所望のサイズに切断し、切断後の個々のチップに対して、周辺に永久磁石３２、３３、６２、６３を配置する。
【００７８】
　図１４は、本発明の偏波無依存型光アイソレータコアチップの一例を示す。第１の複屈折板２１と第１のファラデー回転子３１、ガラス偏光素子４３、第２のファラデー回転子６１、第２の複屈折板７１の順に配置し、予め光学接着剤にて固着する。その後、所望のサイズに切断し、切断後の個々のチップに対して、周辺に永久磁石３２、３３、６２、６３を配置する。
【００７９】
　これらコアチップに対して、小型の光コリメータを光入出力ポートとすることで、光サーキュレータや偏波無依存型光アイソレータの作製が可能になる。この製造方法を用いることで、組立コストの大幅な削減が図れ、かつ小型の光サーキュレータや偏波無依存型光アイソレータの供給が可能になる。
【００８０】
　図１２は、本発明の３ポート光サーキュレータの構成例である。２芯フェルールまたはガラスキャピラリ１１に固着した光ファイバー１２，１３の端面に、複屈折板２１とダブルドメイン回転子３１とから構成された光学装置ＰＣ−１を配設する。以下適宜ＰＣ−１またはＰＣ−２という。光学装置ＰＣ−１の後ろには、光の進行方向によって光路を分離することを目的とした複屈折板４１、両端の光ファイバーの光を効率よく結合することを目的とした非球面レンズ５１を順次配設する。もう一つのダブルドメイン回転子６１と複屈折板７１から構成される光学装置ＰＣ−２と、フェルールまたはガラスキャピラリ８１に固着した光ファイバー８２を順次配設する。本発明によれば、光学部品の部品点数を６個にまで削減することができる。
【００８１】
　図１６（ａ）から図１６（ｄ）は、図１２の本発明の光サーキュレータの動作原理を示す模式図である。図１６（ａ）は上から見た図であり、図１６（ｂ）は、横から見た図である。図１６（ｃ）に示すように、光ファイバー１２から出射した光線Ｆ１は、複屈折板２１によって、互いに垂直な偏光面を有する光線Ｆ２に分離される。図中の光線の断面を示す円形の中にある直径は、偏光面の方向を示す。ダブルドメイン回転子３１によって、互いに逆方向のファラデー回転を受け、光線Ｆ３となり、複屈折板４１を通過する。複屈折板４１を通過後はＦ４となる。複屈折板４１の光軸は、ダブルドメイン回転子３１を通過した光が屈折を受けない方向（常光線）に定める。非球面レンズ５１により個々の光線は屈折し、そして集光して光線Ｆ５となる。次にダブルドメイン回転子６１を通過して、これら２つの光線Ｆ５は互いに反対方向のファラデー回転を受けて光線Ｆ６となり、複屈折板７１によって光ファイバー８２へ結合するＦ７となる。
【００８２】
　次に、図１６（ｄ）に示すように、光ファイバー８２から出射した光線Ｂ１は、複屈折板７１によって分離して、光線Ｂ２となる。ダブルドメイン回転子６１を通過して、光線Ｂ３となった後、非球面レンズ５１にて屈折した後、集光して光線Ｂ４となる。複屈折板４１にて、光路が屈折して光線Ｂ５となる。光ファイバー８２からの光線Ｂ１が光線Ｂ４として複屈折板４１を通過するときの偏光面は、光ファイバー１２からの光線Ｆ１が光線Ｆ３として複屈折板４１を通過するときの偏光面に対して垂直である。したがって、異常光線として屈折するので、光線Ｂ５の位置は、光線Ｆ３に比べて、逆方向に僅かに片寄っている。光線Ｂ５は、ダブルドメイン回転子３１により偏光面が回転して、光線Ｂ６となり複屈折板２１により１つの光線に結合して、光線Ｂ７となって光ファイバ１３に結合する。
【００８３】
　図１７（ａ）と図１７（ｂ）は、本発明の一例としての多ポート光サーキュレータの動作を示す図である。光ファイバーを多芯のフェルールや光ファイバーアレイとすることで、このような多ポートの光サーキュレータを実現できる。図１７（ａ）と図１７（ｂ）は、多ポート光サーキュレータの光路を示す。図１７（ａ）では、ｐｏｒｔ−１からｐｏｒｔ−２、ｐｏｒｔ−３からｐｏｒｔ−４、ｐｏｒｔ−５からｐｏｒｔ−６、ｐｏｒｔ−７からｐｏｒｔ−８へと光線は進行する。図１７（ｂ）は、逆向きの光線の流れを表した図である。ｐｏｒｔ−２からｐｏｒｔ−３、ｐｏｒｔ−４からｐｏｒｔ−５、ｐｏｒｔ−６からｐｏｒｔ−７、ｐｏｒｔ−８からｐｏｒｔ−９へと光は進行する。図１７（ａ）に示す光路と図１７（ｂ）に示す光路は、非球面レンズ５１の中心軸に対して互いに対称となる。ポート数は、物理的に可能な範囲で数多く並べることが可能となり、１セットの光学部品にて、２個以上の光サーキュレータ機能を持たせることができる。
【００８４】
　また、本発明を用いれば、ダブルドメイン回転子での光路間の分離距離は小さく、光路を分離するための複屈折板が小型となり、光ファイバーからのビームの広がりを極力抑えることができることから、全ての光学部品の小型化が図れる。更に、光ファイバーとレンズ間の距離が短いので、レンズの収差が押さえられ、効率よく光ファイバー間の結合が可能となるのである。結果として、多ポート化が可能になる。
【００８５】
　光ファイバーアレイを図１９のように多段にすると、図１８に光路を示したように、光路は、非球面レンズの中心軸に対して、対称となることから、同一光学部品にて２個以上の光サーキュレータ機能を持たせることができる。また、複屈折板とガラス偏光素子とを並列に配置して、図１８の４１を構成すれば、光サーキュレータと偏波無依存型光アイソレータとを複合化することが可能になる。多段構成にした場合でも、多段における横方向の動作は、図１７（ａ）と図１７（ｂ）の場合と、また後述する偏波無依存型光アイソレータ（図２０）の場合と同様である。
【００８６】
　図２０は、本発明の偏波無依存型光アイソレータの構成を示す。多芯フェルールや光ファイバーアレイを使用して、光ファイバーを、ダブルドメインの磁区の境界と平行な方向に、横一列に精度良く配置する。これにより、いずれの光路を通る光線も同じ光学部品を通過する、多ポートの偏波無依存型光アイソレータが構成される。
【００８７】
　本発明によれば、例えば、フェルール１１に固着した光ファイバー１２の端面に、本発明の光学装置ＰＣ−１を配置する。光学装置ＰＣ−１は、永久磁石３２，３３を側面に配置したダブルドメイン回転子３１と、複屈折板２１とを有する。次に、両端の光ファイバー１２と光ファイバー８２を通過する光を効率よく結合することを目的とした非球面レンズ５１を配設する。光の進行方向によって、光線を透過又は遮断するガラス偏光素子４３を配置する。更に、光学装置ＰＣ−１と同様の、もう一つの本発明の光学装置ＰＣ−２とフェルール等８１に固着した光ファイバー８２を順次配置する。光ファイバー１２から出射した光は、光学装置ＰＣ−１によって分離されて同一の偏光面を有する２つの光線となる。ガラス偏光素子４３はこの偏光面を有する光が透過できるように配置しておく。ガラス偏光素子４３を通過した２つの光線は、それぞれ非球面レンズ５１により屈折し、更に集光し、光学装置ＰＣ−２にて、互いに直交した光となり、光ファイバー８２に結合される。
【００８８】
　逆方向に、光ファイバー８１から出射した光は、光学装置ＰＣ−２により、同一の偏光面を有する２つの光線に分離されるが、この偏光面はガラス偏光素子４３と直交しているので、ガラス偏光素子４３にて遮断される。したがって、光ファイバー１２には結合せず、高性能の偏波無依存型光アイソレータとして動作する。
【００８９】
　一方、近年、コリメータの小型化が進んでいて、試作段階ではあるが、外形（径）０．６ｍｍ程度やまたそれ以下のＧＲＩＮレンズと、このレンズを使った光コリメータも開発されつつある。今後、光コリメータの小型化、またその製品化が更に進むであろう。これら小型の光コリメータと、本発明であるダブルドメイン回転子とを利用することで、光デバイスの小型化と低価格化が実現できる。図２５と図２６に示す先行技術（特許文献１）の光サーキュレータ構成では、ファラデー回転子、または位相差板を並列に並べる必要があった。しかしながら、本発明のダブルドメイン回転子は、１個のファラデー回転子からなることが特徴である。
【００９０】
　図２１には、本発明の偏光ビームコンバイナ構成を示す。本発明によれば、多芯のフェルール等１１にて固着された光ファイバ１２の端面に、図１に示す、光学装置ＰＣ−１、非球面レンズ５１の順に配置する。光ファイバー１２から出射した光は、光学装置ＰＣ−１によって同一偏光面の光となって、非球面レンズ５１によって平行光、または、集光ビームとして出射される。本発明のビームコンバイナは、出射光と偏光面が同一の光線が逆向きに入射した場合には、光ファイバー１２に結合せず、出射光と偏光面が直交した同一光路の光線が逆向きに入射した場合には、光ファイバ１２に結合するという特徴も有する。図２１において、光ファイバーから入射した光は、直進するビームＮと斜めに進ビームＭの２つに分離され、各ビームＭとＮは広がりながら進む。
【００９１】
　図２２は、本発明の偏光ビームコンバイナを利用した光サーキュレータを示す。偏光ビームコンバイナＰＢＣ−１とＰＢＣ−２の間に、複屈折板４１を配置する。本発明の偏光ビームコンバイナの上記特性から、光サーキュレータとして動作する。
【００９２】
　図２２に示す複屈折板４１をガラス偏光素子４３に置き換えれば、本発明の偏光ビームコンバイナを利用した偏波無依存型光アイソレータを構成できる。すなわち、偏光ビームコンバイナＰＢＣ−１とＰＢＣ−２の間に、ガラス偏光素子４３を配置する。この光学装置は、本発明の偏光ビームコンバイナの上記特性から、偏波無依存型の光アイソレータとして動作する。
【００９３】
　図２３には、本発明の偏波無依存型光アイソレータの例を示す。偏光ビームコンバイナＰＢＣ−１とＰＢＣ−２の間に、ガラス偏光素子２個とファラデー回転子とで構成された一般に市販されている偏波依存型の光アイソレータＯＩ−１と４５度ファラデー回転子９１を配置することで、高性能の偏波依存型光アイソレータが構成される。
【００９４】
　図２４には、本発明のインライン型の偏光ビームコンバイナの例を示す。偏光ビームコンバイナＰＢＣ−１からの出射光をレンズ９２によって光ファイバ８２に結合することで、インライン型の偏光ビームコンバイナとして動作する。
【００９５】
　本発明を実施するとき、光ファイバーの固定具としては、多芯フェルール、もしくはガラスキャピラリーや光ファイバーアレイ、Ｖ溝固定具等を用いればよく、位置精度や入手の容易さの点で、多芯フェルールや光ファイバーアレイが好適である。また光ファイバーの先端をレンズ加工することで、更に小型化が図れる。
【００９６】
　本発明を実施するとき、複屈折板は、特に特殊なものである必要はなく、一般的に、複屈折板として市販されているものの中から、所望によって適宜に選んで用いれば良く、品質および入手の容易さという点で、ルチル単結晶やＹＶＯ４単結晶が好適である。
【００９７】
　本発明を実施するとき、磁石とファラデー回転子の配置には、いくつかの組み合わせが可能である。
【００９８】
　本発明を実施するとき、レンズには、非球面レンズ、ＧＲＩＮレンズ、球レンズ等を用いればよく、収差による光結合効率の点から、非球面レンズが好適である。
【図面の簡単な説明】
【００９９】
【図１】（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、本発明の光学素子の動作原理を示す。
【図２】（ａ）と（ｂ）は、ダブルドメイン回転子と光路の関係と定義を示す。
【図３】永久磁石による磁区の境界付近の外部磁界を示す。
【図４】磁界変化率の計算例を示す。
【図５】外部磁界と磁区幅の関係を示す。
【図６】外部磁界と磁区幅の関係を示す。
【図７】飽和磁界により規格化した外部磁界と、磁区幅との関係を示す。
【図８】各Ｇ膜−１〜４について、飽和磁界Ｈｓをパラメータに、Ｈｓと（Ｄｗ＊／（Ｈ＊／Ｈｓ））との関係を示す。
【図９】本発明の光学素子の動作原理を示す。
【図１０】永久磁石による磁区の境界付近の外部磁界を示す。
【図１１】磁界変化率の計算例を示す。
【図１２】本発明の偏光ビームコンバイナコアチップを示す。
【図１３】本発明の光サーキュレータコアチップを示す。
【図１４】本発明の偏波無依存型光アソレータコアチップを示す。
【図１５】本発明の３ポート光サーキュレータ構成を示す。
【図１６】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）は、本発明の３ポート光サーキュレータの動作原理を示す。
【図１７】（ａ）と（ｂ）は、本発明の多ポート光サーキュレータの光路を示す。
【図１８】図１９に示す光ファイバーアレイと、図９に示す光学素子を組み合わせて構成した多ポート光サーキュレータ構成を示す。
【図１９】上下２段にした光ファイバーアレイを示す。
【図２０】本発明の偏波無依存型光アイソレータ構成を示す。
【図２１】本発明の偏光ビームコンバイナ構成を示す。
【図２２】図１８の偏光ビームコンバイナを利用した光サーキュレータ、または偏波依存型光アイソレータ構成を示す。
【図２３】図１８の偏光ビームコンバイナと、偏波依存型光アイソレータを利用した高性能の偏波無依存型光アイソレータ構成を示す。
【図２４】図１８の偏光ビームコンバイナを利用したインライン型偏光ビームコンバイナ構成を示す。
【図２５】特許公報２５３９５６３号の光サーキュレータ構成を示す。
【図２６】特許公報２５３９５６３号の光サーキュレータ構成を示す。
【図２７】ＵＳ５，９９１，０７６号の光サーキュレータ構成を示す。
【図２８】ＵＳ６，０４９，４２６号の光サーキュレータ構成を示す。
【符号の説明】
【０１００】
１１、２０、８１　フェルールまたはガラスキャピラリー、
１２―１９、８２―８９　光ファイバー、
２１、４１、７１　複屈折板、
４２　ガラス偏光子、
４５、４６　ウォーラストンプリズム、
２２，２３，５１，５２，７２，９２　レンズ、
３１，３４，６１，６４，９１　ファラデー回転子、
３２，３３，３５，６２，６３，６５　永久磁石、
ＰＣ−１，ＰＣ−２　光学装置、
ＰＢＣ−１，ＰＢＣ−２　偏光ビームコンバイナ、
ＯＩ−１　偏波依存型光アイソレータ。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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