(57)【要約】【課題】  偏光面切替の応答特性を改善し、磁気ヨークを小型化でき、容易に制御できるようにする。【解決手段】  実質的にリング型の高透磁率磁性材料からなる磁気ヨーク１０と、該磁気ヨークに巻装した複数のコイル１２と、磁気ヨークのほぼ中央に位置する磁気光学素子１４とを具備し、磁気ヨークの片側半分を通る磁束の向きと反対側半分を通る磁束の向きが常に逆となるようにコイル電流を制御し、それらの合成磁界が磁気光学素子を通るように構成する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
実質的にリング型の高透磁率磁性材料からなる磁気ヨークと、該磁気ヨークに巻装した複数のコイルと、磁気ヨークのほぼ中央に位置する磁気光学素子とを具備し、磁気ヨークの片側半分を通る磁束の向きと反対側半分を通る磁束の向きが常に逆となるようにコイル電流を制御し、それらの合成磁界が磁気光学素子を通るようにしたことを特徴とするリング型ファラデー回転デバイス。
【請求項２】
磁気ヨークは、２個のＵ型コアを、それらの脚部の先端面同士が衝合するように配置した構造をなし、各Ｕ型コアの両脚部にそれぞれコイルが巻装されている請求項１記載のリング型ファラデー回転デバイス。
【請求項３】
全てのコイルを共通の電源に接続し、コイルに流れる電流の向きを正逆２方向に切り替えることにより、ファラデー回転方向を正逆２方向に切り替える請求項１又は２記載のリング型ファラデー回転デバイス。
【請求項４】
磁界の向きが磁気光学素子に入射される光の光軸と平行の時の磁気光学素子のファラデー回転角をθｆ０、必要なファラデー回転角をθｆとしたとき、光軸に対する合成磁界の向きθｃを、
θc ＝ｃｏｓ-1（θf ／θf0）
となるように設定する請求項３記載のリング型ファラデー回転デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光スイッチなどに用いるファラデー回転デバイスに関し、更に詳しく述べると、リング型の磁気ヨークを用い、その片側半分を通る磁束の向きと反対側半分を通る磁束の向きが常に逆となるようにコイル電流を制御し、それらの合成磁界が磁気光学素子を通るようにしたリング型ファラデー回転デバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光通信システムあるいは光計測システムなどでは、光路を制御するために光スイッチが組み込まれている。光スイッチは、一般に、第１の偏光子と、磁気光学素子と、第２の偏光子とを、光軸に沿ってその順序で配置し、電磁石によって前記磁気光学素子に可変磁界を印加する構成である。磁気光学素子はファラデー効果を有し、磁界中の磁気光学素子を光が透過するときに、その磁界の方向が光軸と平行の成分を有する場合、偏光面が回転する。その偏光面の回転角は、磁界の強さや向きによって変化する。そこで、磁気光学素子を用いて偏光面の方向を制御することで、光のスイッチング（光のオン−オフや光路の切り替え）を行わせることができる。
【０００３】
このようなファラデー回転デバイスは、通常、Ｃ型（環状の一部が開いている形状）の磁気ヨークにコイルを巻装した構造の電磁石を用い、Ｃ型磁気ヨークの開いている部分に磁気光学素子を挿入し、コイルに通電することによって該磁気光学素子に所望の磁界を印加する構造である。ここで磁気ヨークには半硬質磁性材料が用いられており、そのためコイルに電流を流し磁気光学素子に磁界を印加すると、コイル電流を遮断した後でも半硬質磁気特性によって磁気ヨークは磁力を保持し、磁気光学素子に磁界を印加し続けるような磁気回路が採用されている。
【０００４】
しかし、このような構成では、コイル電流を遮断した後でもファラデー回転が起こる磁界を磁気光学素子に印加し続けるため、磁気ヨークが大型化する。また、半硬質磁性材料を用いているため、磁界の向きが反転して必要なファラデー回転角が得られる磁界の強さが発生するまでに時間がかかる（応答特性が悪い）欠点もあった。
【０００５】
応答特性を改善するため、磁気光学素子を不飽和で動作させる技術もあるが（特許文献１参照）、制御が難しい問題がある。
【特許文献１】特開平７−３０６３９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、従来技術では磁気ヨークが大型化する点、応答特性が悪い（磁界の向きの反転に時間がかかる）点、制御が難しい点、などである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、実質的にリング型の高透磁率磁性材料からなる磁気ヨークと、該磁気ヨークに巻装した複数のコイルと、磁気ヨークのほぼ中央に位置する磁気光学素子とを具備し、磁気ヨークの片側半分を通る磁束の向きと反対側半分を通る磁束の向きが常に逆となるようにコイル電流を制御し、それらの合成磁界が磁気光学素子を通るようにしたことを特徴とするリング型ファラデー回転デバイスである。
【０００８】
例えば、２個のＵ型コアを、それらの脚部の先端面同士が衝合するように配置し、各Ｕ型コアの両脚部にそれぞれコイルを巻装する構造が好ましい。全てのコイルを共通の電源に接続し、コイルに流れる電流の向きを正逆２方向に切り替えることにより、ファラデー回転方向を正逆２方向に切り替えることができる。電源としては、可変電圧源あるいは可変電流源を使用し、各コイルは並列もしくは直列に接続する。
【０００９】
磁界の向きが磁気光学素子に入射される光の光軸と平行の時の磁気光学素子のファラデー回転角をθf0、必要なファラデー回転角をθf としたとき、光軸に対する合成磁界の向きθc を、
θｃ＝ｃｏｓ-1（θf ／θf0）
となるように設定する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係るリング型ファラデー回転デバイスは、光スイッチにおけるファラデー回転子として利用できる。本発明では、半硬質磁性材料ではなく、高透磁率磁性材料（軟磁性材料）からなる磁気ヨークを用いているため、小型化、高速化できる。特に、磁気ヨークの片側半分を通る磁束の向きと反対側半分を通る磁束の向きが常に逆となるようにコイル電流を制御しているため、磁界の反発力が利用でき、磁界の向きの切り替えが高速化し、スイッチング速度の速い光スイッチが実現できる。また磁気光学素子は、磁気飽和させた状態で使用するので、制御は容易である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明に係るリング型ファラデー回転デバイスは、図１に示すように、実質的にリング型の磁気ヨーク１０と、該磁気ヨーク１０に巻装した複数のコイル１２と、リング型の磁気ヨーク１２のほぼ中央に設置した磁気光学素子１４とを具備している。磁気ヨーク１０は高透磁率磁性材料（軟磁性材料）からなり、ここでは口の字型（四角リング型）の形状である。その磁気ヨーク１０の左右の柱状部の上下に間隔を空けて合計４個のコイル１２を巻装する。そして、磁気ヨーク１０の上側半分を通る磁束の向きと下側半分を通る磁束の向きが常に逆となるようにコイル電流を制御する。それらによる合成磁界が磁気光学素子１４を通るように構成する。
【００１２】
つまり、同じ柱状部に巻装したコイル同士は逆向きの磁界が生じるように通電され、左右の柱状部の磁気光学素子を介して対向する位置関係にあるコイル（上側のコイル同士、あるいは下側のコイル同士）は、一方は上向きに、他方は下向きに磁界が生じるようにする。これによって、両柱状部の中央に磁極が現れ、一方の柱状部の中央から他方の柱状部の中央へ向かう磁界が生じる。この磁界は、磁気ヨークの上側半分による磁界と下側半分による磁界が加わった合成磁界である。この合成磁界が、磁気光学素子に印加されることになる。
【００１３】
本発明では、図１のＢに示すように、合成磁界の向きは、光軸に対して平行でも垂直でもなく、ある角度θc をもつように傾ける。磁界の向きが磁気光学素子１０に入射される光の光軸と平行の時の磁気光学素子のファラデー回転角をθf0、必要なファラデー回転角をθf としたとき、光軸に対する合成磁界の向きθc を、
θc ＝ｃｏｓ-1（θf ／θf0）
となるように設定する。例えば、θf0が９０度の磁気光学素子を使用し、４５度のファラデー回転角θf を得ようとする場合、θc を６０度に設定すればよい。必要なファラデー回転角θf を得るためには、θf0従って磁気光学素子の長さを調整てもよいし、θc を調整してもよい。
【００１４】
４個のコイルは同時に電流の向きを切り替えることになるため、図２のＡに示すように並列に、あるいは図２のＢに示すように直列に結線して（コイルをａ〜ｄで示す）、共通の正負電源（双方向に通電可能な電源）２０，２２に接続する。並列に接続すれば低電圧駆動が可能であるし、直列に接続すれば低電流駆動が可能である。また４個のコイルを２個ずつ直並列に接続してもよいし、並直列に接続してもよい。
【００１５】
コイルへの通電電流の向きによって、例えば図３のＡ１に示すように、左側柱状部中央から右側柱状部中央に向かって（図３のＡ２では左上から右下方向に）合成磁界が生じるようにでき、コイルへの通電電流の向きを反転すると、図３のＢ１に示すように、右側柱状部中央から左側柱状部中央に向かって（図３のＢ２では右下から左上方向に）合成磁界が生じるようにできる。Ａ２の状態では、光の入射方向に対して逆方向の磁界成分が磁気光学素子に印加され、Ｂ２の状態では、光の入射方向に対して同方向の磁界成分が磁気光学素子に印加される。従って、入射光の偏光面は、磁気光学素子１４でコイル電流の向きに応じて丁度同じ角度だけ時計回りあるいは反時計回りに回転することになる。また、磁気光学素子を磁気飽和の状態で使用するため、磁界の制御は容易である。
【実施例】
【００１６】
図１に示すような構造のファラデー回転デバイスの製造手順の一例を図４に示す。ＮｉＣｕＺｎ系フェライト等の高透磁率磁性材料からなるＵ型コア３０を用意する（図４のＡ参照）。Ｕ型コア３０は、常法に従い、プレス成形で所望の形状に成形し、焼成することで得られる。勿論、切削などで加工してもよい。このＵ型コア３０の両脚部に、予め作製しておいた空芯コイル３２をそれぞれ挿入し、接着剤などで固定する（図４のＢ参照）。この場合、空芯コイルの線材をエナメル被覆の線材とすれば、脚部に挿入後、エチルアルコール等の有機溶剤を塗布することでエナメルが溶けてコイルを脚部に固着することもできる。
【００１７】
このようなコイル付きＵ型コアを、２個、それらの脚部の先端面同士が衝合するように組み合わせ、接着剤などで固定する（図４のＣ参照）。また、非磁性ステージ３４にサポート３６を介して磁気光学素子３８を固定し（図４のＣ参照）、各脚部の先端部分で囲まれた中央領域に磁気光学素子３８が位置するように、前記ステージ３４をＵ型コア３０に接着剤などにより固定する（図４のＤ参照）。その場合、磁気光学素子３８とＵ型コア３０が所定の角度関係となるように、サポート３６に角度を持たせるなどの対策を施すことが好ましい。磁気光学素子３２としては、例えばビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶を用いる。この単結晶は、ＬＰＥ（液相エピタキシャル）法により育成できる。その他、ＹＩＧ（イットリウム鉄ガーネット）単結晶等でもよい。
【００１８】
そして、突き合わせた脚部同士に巻装したコイル同士は逆向きの磁界が発生し、同じＵ型コアの両脚部に巻装したコイルは同じ向きの磁束が生じるように（両脚部の先端に異なる磁極が現れるように）電流を流す。これによって、上側のＵ型コアと下側のＵ型コアには逆向きの磁束が生じ、衝合部分に磁極が現れる。従って、一方の衝合部分から他方の衝合部分に向かう合成磁界が生じ、この合成磁界が間に設置されている磁気光学素子に印加される。コイル電流が全て逆向きになると、磁気光学素子に印加される合成磁界の向きは反転する。
【００１９】
ここで光軸に対する合成磁界の向きθc を、
θc ＝ｃｏｓ-1（θf ／θf0）
となるように設定する。但し、
θf0：磁界の向きが磁気光学素子に入射される光の光軸と平行の時の磁気光学素子のファラデー回転角
θf ：必要なファラデー回転角
である。例えば、θf0が９０度の磁気光学素子を使用し、合成磁界の向きθc を６０度に設定すれば、θf が４５度のファラデー回転デバイスが得られる。コイルへの通電電流の向きを切り替えることで、透過する光の偏光面を±４５度に切り替えることができる。
【００２０】
光スイッチの構成例を図５に示す。レンズ４０と、偏光子４２と、上記の構造のファラデー回転デバイス４４と、検光子４６と、レンズ４８を、その順序で光軸に沿って配列する。光ファイバなどからの入射光は、偏光子４２を通り、ファラデー回転デバイス４４で偏光面が回転し、検光子４６に達する。例えば、偏光面が＋４５度回転した時に検光子４６を通過するような組み合わせにすると、偏光面が−４５度回転した時は検光子４６で遮光される。従って、コイル電流の向きを正逆切り替えることによって、光の透過のオン−オフを制御することができる。
【００２１】
このような測定系について応答特性を測定した結果の一例を図６に示す。図６は、ステップ状の入力電圧に対する応答特性であり、出力光を光電変換して出力電圧として求めたものである。本発明のファラデー回転デバイスによって応答時定数（６３％到達に要する時間）１６μ秒の高速応答特性能が得られた。なお９０％到達に要する時間は３３μ秒であった。
【００２２】
なお、本発明において「実質的にリング型の磁気ヨーク」とは、磁路がほぼループ状になっている形状を意味し、必ずしも四角形である必要はない。完全な一体構造であってもよいし、上記実施例のような分割構造であってもよい。磁気ギャップが存在していてもよい。コイルの数や位置は適宜変更してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係るファラデー回転デバイスの説明図。
【図２】コイル結線の説明図。
【図３】ファラデー回転デバイスの動作説明図。
【図４】ファラデー回転デバイスの構造説明図。
【図５】光スイッチの構成例を示す説明図。
【図６】応答特性を示すグラフ。
【符号の説明】
【００２４】
１０  磁気ヨーク
１２  コイル
１４  磁気光学素子
【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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