(57)【要約】【課題】  環境温度に対して、供給電流対ファラデー回転角の温度特性を小さく、それによって可変光減衰器の環境温度の変化に対する減衰量変化を小さく抑える。【解決手段】  磁気光学結晶を通る光の進行方向に対して垂直に固定磁界が印加されるように永久磁石を配置し、光の進行方向に対して平行に可変磁界が印加されるように電磁石を配置する。電磁石への供給電流が一定である条件下で、電磁石の発生磁界強度に対し、永久磁石の残留磁界強度の比率が、高温になるほど小さくなるようにし、永久磁石による固定磁界と電磁石による可変磁界の温度特性と磁気光学結晶の温度特性によって、電磁石への供給電流に対するファラデー回転角の温度による角度ずれを打ち消す。【選択図】  図６
2005208516.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気光学結晶と、該磁気光学結晶を通る光の進行方向に対して実質的に垂直に固定磁界が印加されるように配置した永久磁石と、前記磁気光学結晶を通る光の進行方向に対して実質的に平行に可変磁界が印加されるように配置した電磁石を具備しているファラデー回転デバイスにおいて、
電磁石への供給電流が一定である条件下で、電磁石の発生磁界強度に対し、永久磁石の残留磁界強度の比率が、高温になるほど小さくなるようにし、永久磁石による固定磁界と電磁石による可変磁界の温度特性と磁気光学結晶の温度特性によって、電磁石への供給電流に対するファラデー回転角の温度による角度ずれが打ち消されるようにしたことを特徴とするファラデー回転デバイス。
【請求項２】
電磁石への供給電流が一定である条件下での電磁石の発生磁界強度の温度変動が、永久磁石の残留磁界強度の温度変動に比べて実質的に無視できるようにした請求項１記載のファラデー回転デバイス。
【請求項３】
請求項１又は２記載のファラデー回転デバイスを用い、磁気光学結晶の出射側に検光子を配置し、電磁石に電流を供給していない時に減衰量が最大となるように検光子方位が設定されている可変光減衰器。
【請求項４】
請求項１又は２記載のファラデー回転デバイスを用い、磁気光学結晶の入射側に偏光子を、出射側に検光子をそれぞれ配置し、電磁石に電流を供給していない時に減衰量が最大となるように偏光子と検光子の結晶軸方位が実質的に直交するように設定されている可変光減衰器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入射光のファラデー回転角を可変できるファラデー回転デバイスに関し、更に詳しく述べると、環境温度の変化に対するファラデー回転角のずれを打ち消すように、永久磁石と電磁石によって得られる合成磁界が温度特性を有するファラデー回転デバイスに関するものである。この技術は、例えば光通信の分野で光強度を調整する可変光減衰器などに有用である。
【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、偏光面を回転させるファラデー回転デバイスが組み込まれている。周知のように、ファラデー回転デバイスは、磁気光学結晶（ファラデー効果を有する磁性ガーネット単結晶）に外部磁界を印加し、それによって磁気光学結晶を透過する光線のファラデー回転角を制御するように構成されている。その一例として、磁気光学結晶に可変磁界を印加してファラデー回転角を可変制御するタイプがある。その場合には、通常、永久磁石による固定磁界と電磁石による可変磁界との合成磁界を印加する。
【０００３】
ところで磁気光学結晶は、そのファラデー回転角に温度特性を有する。一般に温度特性の方向は、温度が高くなるとファラデー回転角が小さくなり、温度が低くなるとファラデー回転角は大きくなる方向である。それと逆の特性を持つ材料は、現在のところ見出されていない。そのためファラデー回転デバイスを用いる可変光減衰器では、この磁気光学結晶の温度特性が駆動電流対減衰量特性に影響を及ぼす。例えば、ファラデー回転角１deg 当たりの温度係数が０．００１〔deg/℃/deg〕の磁気光学結晶を用いた場合でも、最大減衰量付近では１０ｄＢ程度のずれが生じる。
【０００４】
特許文献１では、光の進行方向と磁気光学結晶に印加される合成磁界とのなす角が一致する時に最大減衰量をとるような可変光減衰器が提案されている。しかし、この場合においても、原理的には０．７ｄＢ弱の温度変動が生じる。
【０００５】
特許文献２には、磁気光学結晶を通る光の進行方向に平行に固定磁界を印加し、垂直に可変磁界を印加するような構成において、電磁石ヨークにＮｉ−Ｆｅ合金あるいはＦｅ−Ｃｏ−Ｎｉ合金を用いることで温度補正する技術が開示されている。しかし、このようなヨーク材料は高価であり、実用化は難しい。
【０００６】
また非特許文献１には、電気抵抗の温度特性を利用し、定電圧駆動する方法によって、温度変動を低減化する技術も開示されている。
【特許文献１】特開平９−２３６７８４号公報
【特許文献２】特開２００２−３４１３０２号公報
【非特許文献１】「磁気光学型ＶＯＡの減衰量温度変動低減化」長枝、川幡（２００２年電子情報通信学会総合大会、Ｃ−３−１３２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、環境温度に対して、供給電流対ファラデー回転角の温度特性が大きい点である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、磁気光学結晶と、該磁気光学結晶を通る光の進行方向に対して実質的に垂直に固定磁界が印加されるように配置した永久磁石と、前記磁気光学結晶を通る光の進行方向に対して実質的に平行に可変磁界が印加されるように配置した電磁石を具備しているファラデー回転デバイスにおいて、電磁石への供給電流が一定である条件下で、電磁石の発生磁界強度に対し、永久磁石の残留磁界強度の比率が、高温になるほど小さくなるようにし、永久磁石による固定磁界と電磁石による可変磁界の温度特性と磁気光学結晶の温度特性によって、電磁石への供給電流に対するファラデー回転角の温度による角度ずれが打ち消されるようにしたファラデー回転デバイスである。
【０００９】
本発明では、特に、電磁石への供給電流が一定である条件下での電磁石の発生磁界強度の温度変動が、永久磁石の残留磁界強度の温度変動に比べて実質的に無視できるような組み合わせとすることが好ましい。その場合には永久磁石は、その残留磁界の温度特性が、−０．０５〜−０．２５％／℃程度を有するものからから選定する。
【００１０】
このようなファラデー回転デバイスを用い、磁気光学結晶の出射側に検光子を配置し、電磁石に電流を供給していない時に減衰量が最大となるように検光子方位が設定することで良好な温度特性を呈する可変光減衰器が得られる。また、磁気光学結晶の入射側に偏光子を、出射側に検光子をそれぞれ配置し、電磁石に電流を供給していない時に減衰量が最大となるように偏光子と検光子の結晶軸方位が実質的に直交するように設定してもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係るファラデー回転デバイスは、永久磁石による固定磁界と電磁石による可変磁界の温度特性と磁気光学結晶の温度特性によって、電磁石への供給電流に対するファラデー回転角の温度による角度ずれを打ち消す。具体的には、電磁石への供給電流が一定の条件下では、回転角が０度付近において、環境温度の変化に対する回転角度ずれを１度以下に抑えることが可能となる。また、可変光減衰器に適用することによって、減衰量の温度ばらつきを０．２ｄＢ以下に抑えることが可能となる。更に、安価な材料で構成でき、実用化が容易となる利点もある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
磁気光学結晶における温度特性及び光の進行方向を含めたファラデー回転角は、
θF （ｔ）＝θ（ｔ0 ）×（１−αΔｔ）×cos β＝θ（ｔ）×cos β
で表せる。但し、
β：光の進行方向と磁気光学結晶に印加する合成磁界のなす角
θ（ｔ0 ）：温度ｔ0 における磁気光学結晶のファラデー回転角
α：磁気光学結晶の１deg 当たりの温度係数〔deg/℃/deg〕
Δｔ＝ｔ−ｔ0
である。従って、β＝９０度でない限り、ファラデー回転角の温度特性は必ず発生する。θ（ｔ）は温度ｔにおける磁気光学結晶のファラデー回転角（何度回転子か）ということで、ファラデー回転は室温を基準にして、高温側では回り難く低温側で回り易い。上式から、ファラデー回転角の温度特性を打ち消すには、cos βがθ（ｔ）と逆の特性をもてばよいことが分かる。但し、βは一般に０〜９０deg 程度の広い範囲をとるので全範囲で打ち消すことは不可能であり、必要な限られた範囲内で打ち消すようにすればよい。あるべき合成磁界の温度特性は、概念的には図１に示すように、高温ほどcos βが大きく（合成磁界ベクトルが倒れ）、低温ほどcos βが小さく（合成磁界ベクトルが立つ）なることである。
【００１３】
ところで、永久磁石の残留磁化の温度特性は一般に負である。つまり高温ほど残留磁界強度が弱くなる。それに対して電磁石は磁化飽和点に至らない領域で使用しており、発生磁界は駆動電流に依存しているため、電磁石により発生する磁界の温度特性（ヨーク材の温度特性）は殆ど無視できる。これらのことから、ファラデー回転デバイスとしては、磁気光学結晶と、該磁気光学結晶を通る光の進行方向に対して垂直に固定磁界が印加されるように配置した永久磁石と、磁気光学結晶を通る光の進行方向に対して平行に可変磁界が印加されるように配置した電磁石を具備している構成が適している。この構成は、固定磁界は比較的弱くてよいため、フェライト系磁石、ボンド磁石が使用可能であり、材料選択の幅が広がる。
【００１４】
ところで、ファラデー回転角の中心値が大きくなるほど、温度による角度ずれは大きくなる。回転角の中心値が大きいところ（例えば９０度付近）で回転角度ずれをゼロにしようとした場合、ファラデー回転角の温度ずれを完全にキャンセルするような値の永久磁石材料を組み合わせる必要がある。しかし磁気光学結晶や永久磁石の特性には個体ばらつきがあり、また回転角度ずれが中心値に比例することを勘案すると、このような方式は不利である。他方、回転角がゼロの近傍では、この角度ずれは原理的に完全にゼロであり、回転中心値自体が小さいことから、この近傍でゼロに近い値をとることの方が容易である。そこで、回転角が０度付近でのずれを小さく抑えるようにする。
【００１５】
磁気光学結晶のファラデー回転角の温度係数は、一般に、０．０４〜０．０８deg/℃（４５度回転子での値）である。電磁石により発生する磁界の温度特性（ヨーク材の温度特性）は、安価で飽和磁束密度の高いケイ素鋼では殆どゼロであるので、それを用い、永久磁石の残留磁界の温度特性は、−０．０５〜−０．２５％／℃程度から選定する。
【００１６】
また磁気光学結晶の磁気異方性には温度特性があり、これは駆動電流に対して温度特性をもつ原因となるため、異方性のでる軸方位を考慮し、この影響の出ない結晶軸配置にすることが望ましい。
【００１７】
可変光減衰器を構成する場合には、磁気光学結晶の入射側に偏光子を、出射側に検光子を配置し、電磁石に電流を供給していない時に減衰量が最大となるように偏光子と検光子の結晶軸方位が実質的に直交するように設定する。
【実施例】
【００１８】
図２は本発明に係るファラデー回転デバイスの一実施例を示す説明図である。このファラデー回転デバイスは、磁気光学結晶１０を通る光の進行方向に対して平行に可変磁界を印加するように電磁石１２を配置し、光の進行方向に対して垂直に固定磁界を印加するように永久磁石１４を配置した構成である。電磁石１２は、Ｕ形ヨーク１６にコイル１８を巻装する構造とし、ヨーク１６には貫通孔２０を形成して光の通過を妨げないようになっている。
【００１９】
本発明では、電磁石１２のコイル１６への供給電流が一定である条件下で、電磁石の発生磁界強度に対し、永久磁石１４の残留磁界強度の比率が高温になるほど小さくなるようにし、永久磁石１４による固定磁界と電磁石１２による可変磁界の温度特性と磁気光学結晶１０の温度特性によって、電磁石１２への供給電流に対するファラデー回転角の温度による角度ずれが打ち消されるように構成する。
【００２０】
計算結果の例を図３に示す。永久磁石の温度特性は、回転角が０度付近での回転角ずれΔθが小さくなるように選択した。条件は以下の通りとする。Ａは参考例、Ｂは本発明である。なお、温度が−５℃（低温）、２５℃（室温）、＋７０℃（高温）での値を求めたが、図では曲線が重なって見難くなるため、−５℃（低温）と＋７０℃（高温）での特性のみを表している。以下の各グラフでも同様としている。
・磁気光学結晶のファラデー回転角の温度係数：０．０４５deg/℃（４５度回転子での値）
・ヨークの磁界発生の温度特性：０％／℃
・永久磁石の残留磁界の温度特性
Ａの例：−０．０２％／℃（例えばＳｍ−Ｃｏ磁石）
Ｂの例：−０．０９８％／℃（例えばフェライト系磁石）
これらの結果から、コイル駆動電流一定条件下、回転角が０度付近において、環境温度の変化に対する回転角度ずれΔθを１度以下に抑えることが可能なことが分かる。特に、永久磁石の残留磁界の温度特性を適切な値に選定することによって、図３のＢに示すように、回転角が０度から５０度程度までの広い範囲にわたって環境温度の変化に対する回転角度ずれΔθを１度以下に抑えることが可能となる。
【００２１】
ファラデー回転デバイスの最も好ましい構造を図４に示す。磁気光学結晶３０の光路の前後に電磁石３２ａ，３２ｂを配置し、光路の左右（あるいは上下）に永久磁石３４ａ，３４ｂを配置する。ここで両電磁石３２ａ，３２ｂは、円筒状ヨーク３６の外周にコイル３８を巻装した構造をなし、該円筒状ヨーク３６の中心孔４０が光路となる。また永久磁石３４ａ，３４ｂは、厚み方向に着磁した板状磁石である。この構造では、Ｕ型ヨークを使用していないため、光の進行方向に対して垂直方向への部材の張り出しが無く、小型化・細径化することができる利点がある。
【００２２】
コイル３８に通電することにより、円筒状ヨーク３６を磁束が通り、外部に磁界が発生する。両方の電磁石３２ａ，３２ｂのコイル１８に同じ向きに通電することで、間に位置する磁気光学結晶３０には、光の進行方向に対して平行方向に磁界が印加され、電流値を制御することにより磁界の強さを可変できる。２個の永久磁石３４ａ，３４ｂは同じ向きに着磁されており、それによって磁気光学結晶３０には、光の進行方向に対して垂直方向に固定磁界が印加される。従って、磁気光学結晶３０には、光の進行方向に対して垂直方向の固定磁界と光の進行方向に対して平行方向の可変磁界が同時に印加され、それらによる合成磁界方向と光の進行方向との余弦（ｃｏｓ）成分に応じて入射光にファラデー回転が生じる。
【００２３】
この構造のファラデー回転デバイスについての測定結果を図５に示す。使用した材料は次の通りである。
（１）磁気光学結晶：Ｂｉ置換希土類鉄ガーネットＬＰＥ膜（波長１５５０ｎｍに対して１１０度回転子に相当する結晶長）
（２）電磁石
・ヨーク材：飽和磁束密の高いケイ素鋼（温度特性がほぼ０％／℃）
・コイル：各々８００ターン
（３）永久磁石：フェライト系磁石（残留磁化Ｂｒの温度特性が−０．１２％／℃）
図５から分かるように、回転角が０度から約６０度までの広い範囲で、回転角度ずれΔθを１度以下に抑えることができ、極めて良好な結果が得られた。特に、０度から４度の範囲では、温度による角度ずれは０．１度以下であった。
【００２４】
このようなファラデー回転デバイスを用いて可変光減衰器を構成するには、原理的には図２に示すファラデー回転デバイスの磁気光学結晶の入射側に偏光子を、出射側に検光子をそれぞれ配置し、偏光子と検光子の結晶軸方位が直交するように設定すればよい。磁気光学結晶には９０度以上のファラデー回転が生じるような結晶長のものを使用する。
【００２５】
計算結果の例を図６に示す。条件は次の通りである。
・磁気光学結晶のファラデー回転角の温度係数：０．０４５deg/℃（４５度回転子での値）
・ヨークの磁界発生の温度特性：０％／℃
・偏光子と検光子は直交配置
図６のＡは、永久磁石の残留磁界の温度特性を０％／℃とした場合（参考例）である。一定電流駆動時における減衰量の温度ばらつき（最大−最小）であるΔＡＴＴは０．７ｄＢ弱である。このΔＡＴＴ曲線は、使用する永久磁石の残留磁束の温度特性に依存して図６のＢのように変化する。つまり、永久磁石として、その残留磁束の温度特性が適当な値のものを選択することで、この減衰量の温度ばらつきΔＡＴＴが制御可能である。本発明では、永久磁石の残留磁界の温度特性は−０．０５〜−０．２５％／℃程度から選定する。特に、図６のＢに示す結果から、−０．０８〜−０．１２％／℃とするのが好ましいことが分かる。これによって、減衰量の温度ばらつきΔＡＴＴを０．２ｄＢ以下に低減することができる。
【００２６】
可変光減衰器の最も好ましい構造を図７に示す。ここでは図４に示す構造のファラデー回転デバイスをそのまま利用しており、そのため対応する部材には同一符号を付し、それらについての説明は省略する。本実施例では、磁気光学結晶３０の入射側に偏光子４２を設置し、出射側に検光子４４を設置する。これら偏光子４２及び検光子４４の種類及び設置位置は任意であるが、図示のように磁気光学結晶３０と電磁石３２ａ，３２ｂの間にそれぞれ設けることが好ましい。これは両方の電磁石３２ａ，３２ｂの間にはある程度の距離が必要であり、その空間を利用し偏光子４２及び検光子４４を挿入可能なためである。ここでは楔形の複屈折板（例えばルチル）を用いており、それらの結晶軸方位が互いに直交するように設定している。
【００２７】
典型的には、９０〜１００度のファラデー回転デバイスを用い、偏光子４２に対して検光子４４はほぼ直交方位とする。入射光は偏光子４２で常光・異常光に分離し、それらの偏光面が磁気光学結晶３０で合成磁界方向に応じて回転し、それぞれ検光子４４を通り更に光路分離して互いの平行光成分が出射側と結合することになる。両電磁石３２ａ，３２ｂの駆動電流がゼロの時は、偏光面は回転しないため殆ど出射側に結合できず、減衰量は最大となる。それに対して電磁石の駆動電流が十分大きい時は、偏光面はほぼ９０度回転するため大部分が出射側と結合し、減衰量は最小となる。
【００２８】
この構造の可変光減衰器についての測定結果を図８に示す。使用した材料は次の通りである。
（１）磁気光学結晶：Ｂｉ置換希土類鉄ガーネットＬＰＥ膜（波長１５５０ｎｍに対して１１０度回転子に相当する結晶長）
（２）電磁石
・ヨーク材：飽和磁束密の高いケイ素鋼（温度特性がほぼ０％／℃）
・コイル：各々８００ターン
（３）永久磁石：フェライト系磁石（残留磁化Ｂｒの温度特性が−０．１２％／℃）
図８から分かるように、コイル駆動電流一定条件下、環境温度の変化に対する減衰量変化を０．１ｄＢ以下に抑えることができた。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】あるべき合成磁界の温度特性のイメージ図。
【図２】本発明に係るファラデー回転デバイスの一実施例を示す説明図。
【図３】その計算結果の一例を示すグラフ。
【図４】ファラデー回転デバイスの最も好ましい構造例を示す斜視図。
【図５】その測定結果の一例を示すグラフ。
【図６】可変光アッテネータとしての計算結果の一例を示すグラフ。
【図７】可変光減衰器の最も好ましい構造例を示す斜視図。
【図８】その測定結果の一例を示すグラフ。
【符号の説明】
【００３０】
１０  磁気光学結晶
１２  電磁石
１４  永久磁石
１６  ヨーク
１８  コイル
２０  貫通孔
【図１】
2005208516.tif 000003
【図２】
2005208516.tif 000004
【図３】
2005208516.tif 000005
【図４】
2005208516.tif 000006
【図５】
2005208516.tif 000007
【図６】
2005208516.tif 000008
【図７】
2005208516.tif 000009
【図８】
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