(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状部と、該板状部の片面から垂直方向に突設した少なくとも３本以上の柱状部とを有し、全体が高透磁率磁性材料からなる磁気ヨークと、各柱状部に巻装したコイルと、各柱状部の先端部分で囲まれた開磁路領域に配置した磁気光学素子とを具備し、該磁気光学素子にコイルにより生じる磁界が印加されるようにした磁気光学デバイスであって、
磁気ヨークは、ほぼ四角形の板状部と、その四隅近傍から垂直方向に同じ向きで突設した４本の四角柱状部とが連続一体となっている構造であることを特徴とする磁気光学デバイス。
【請求項２】
高透磁率磁性材料としてフェライトを使用し、磁気光学素子にビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶を用いる請求項１記載の磁気光学デバイス。
【請求項３】
各コイルに供給する電流の向き及び／又は電流値を制御することにより磁気光学素子の磁化方向を変化させる請求項１記載の磁気光学デバイス。
【請求項４】
磁気ヨークは、板状部の片面から垂直方向に突設した２ｎ（但しｎ≧２）本の柱状部を有する構造であり、
磁気光学素子を挟んで対向する位置関係にあるコイルによって磁気光学素子に印加する磁界の極性は互いに逆であり、且つ磁気光学素子を挟んで対向する位置関係にあるコイルを対とし、並列もしくは直列に接続して共通の電源で駆動する請求項１記載の磁気光学デバイス。
【請求項５】
板状部の片面から垂直方向に突設した２ｎ（但しｎ≧２）本の柱状部を有し、全体が高透磁率磁性材料からなる磁気ヨークと、各柱状部に巻装したコイルと、各柱状部の先端部分で囲まれた開磁路領域に配置した磁気光学素子を具備し、該磁気光学素子にコイルにより生じる磁界が印加されるようにした磁気光学デバイスであって、磁気光学素子を挟んで対向する位置関係にあるコイルによって磁気光学素子に印加する磁界の極性は互いに逆であり、且つ磁気光学素子を挟んで対向する位置関係にあるコイルを対とし、並列もしくは直列に接続して共通の電源で駆動するとともに、磁気ヨークは、ほぼ正方形の板状部と、その四隅近傍から垂直方向に同じ向きで突設した４本の柱状部を有する構造であることを特徴とする磁気光学デバイス。
【請求項６】
磁気ヨークは、板状部と、その片面から同じ向きで突設した柱状部を有し、磁気光学素子を挟んで対向する位置関係にある柱状部対の一方は光軸に垂直に配置され、他方は光軸に対してある角度（±９０度未満）となるように配置されている請求項５記載の磁気光学デバイス。
【請求項７】
一方の柱状部対によって形成される第１の磁界の方向と、他方の柱状部対によって形成される第２の磁界の方向のなす角度θhが、飽和合成磁界の向きが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、実使用時の磁気光学素子の最大ファラデー回転角をθfMAXとしたとき、
θh＝ｓｉｎ-1（θfMAX／θf0）
である請求項６記載の磁気光学デバイス。
【請求項８】
板状部の片面から垂直方向に突設した２ｎ（但しｎ≧２）本の柱状部を有し、全体が高透磁率磁性材料からなる磁気ヨークを２個、各柱状部にコイルを巻装して、柱状部の先端面同士を突き合わせるように組み合わせ、各柱状部の先端部分で囲まれた開磁路領域に磁気光学素子を配置し、該磁気光学素子にコイルにより生じる磁界が印加されるようにした磁気光学デバイスであって、各柱状部に巻装したコイル同士は逆向きの磁界を発生し、磁気光学素子を挟んで対向する位置関係にあるコイルによって磁気光学素子に印加する磁界の極性は互いに逆であり、一方の磁気ヨークによる磁界と他方の磁気ヨークによる磁界が協働して磁気光学素子に作用するようにし、且つ磁気光学素子を挟んで対向する位置関係にあるコイルは同じ組となって共通の電源で駆動されるようにしたことを特徴とする磁気光学デバイス。
【請求項９】
間隔をおいて対向する板状部の間に、２ｎ（但しｎ≧２）本の柱状部を配設し、全体が高透磁率磁性材料からなる磁気ヨークと、各柱状部に巻装した複数のコイルと、各柱状部の中央部分で囲まれた開磁路領域に配置した磁気光学素子を有し、該磁気光学素子にコイルにより生じる磁界が印加されるようにした磁気光学デバイスであって、各柱状部に巻装したコイル同士は逆向きの磁界を発生し、磁気光学素子を挟んで対向する位置関係にあるコイルによって磁気光学素子に印加する磁界の極性は互いに逆であり、柱状部の中央を境として磁気ヨークの片方による磁界と磁気ヨークの他方による磁界が協働して磁気光学素子に作用するようにし、且つ磁気光学素子を挟んで対向する位置関係にあるコイルは同じ組となって共通の電源で駆動されるようにしたことを特徴とする磁気光学デバイス。
【請求項１０】
飽和合成磁界の向きが光軸と平行な時の磁気光学素子のファラデー回転角が１２７．３度以上に設定され、コイルを片極性の電源で駆動するようにした請求項５記載の磁気光学デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、可変光アッテネータや光スイッチなどに用いる磁気光学デバイスに関し、更に詳しく述べると、板状部に少なくとも３本以上の柱状部を突設した磁気ヨークを用い、各柱状部に巻装したコイルによる磁界で磁気光学素子の磁化方向を制御するようにした磁気光学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、透過光量を可変制御するためのデバイスである可変光アッテネータが組み込まれている。このデバイスは、ファラデー効果を有する磁気光学素子と、該磁気光学素子に固定磁界を印加する永久磁石と、磁気光学素子に可変磁界を印加する電磁石から構成されている。通常、電磁石は、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である。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可変磁界を印加する。【０００３】  永久磁石が作る一定磁界Ｈｒの方向を磁気光学素子の光軸とほぼ平行とし、磁気光学素子の磁化を飽和させると共に実使用時の最大のファラデー回転を起こさせる。即ち、永久磁石と磁気光学素子によるファラデー配置時のファラデー回転角θｆ０と実使用時の最大のファラデー回転角θｆＭＡＸを同じ（θｆ０＝θｆＭＡＸ）とする。次に、永久磁石の作る磁界Ｈｒの方向とほぼ垂直な方向に電磁石により磁界Ｈｖを作り、磁気光学素子を永久磁石の磁界と電磁石の磁界の合成磁界中に置き、電磁石のコイルに流れる電流の大きさで電磁石の作る磁界の大きさを可変し、合成磁界の向きを制御する。この合成磁界の光軸方向成分の大きさに対応し偏光方向を制御することができる。合成磁界Ｈｃの向きθｃは、
θｃ＝ｔａｎ−１（Ｈｖ／Ｈｒ）
で表される。可変磁界Ｈｖを可変すれば合成磁界Ｈｃの向きθｃが変わる。ファラデー回転角θｆは合成磁界Ｈｃの光軸方向成分に対応するので、
θｆ＝θｆ０×ｃｏｓθｃ
となり、θｃを可変することによりθｆを制御することができる。すなわち、θｆを制御するにはＨｖを発生させる電磁石のコイルに流れる電流を制御すればよい。【０００４】  永久磁石による固定磁界Ｈｒによりファラデー回転θｆ０を起こし、電磁石による可変磁界Ｈｖとの合成磁界Ｈｃの向きθｃによりファラデー回転θｆを得る。Ｈｒは永久磁石による磁界なので０（ゼロ）にすることは出来ず一定であるので、大きなθｃを得るには大きなＨｖが必要である。大きなＨｖを得るには電磁石のコイルの巻数を多くしたり流す電流を大きくする必要があり、電磁石が大きくなったり駆動電圧が大きくなってしまう。また駆動電圧を変化させてから合成磁界の向きθｃが変わるまで時間が長くかかる、即ち動作速度が遅い問題もあった。【０００５】  可変光アッテネータの場合は、第１の偏光子と磁気光学素子と第２の偏光子を光軸に沿って順に配置し、永久磁石によって磁気光学素子に飽和磁界を印加すると共に、電磁石によって該磁気光学素子に異なる向きの可変磁界を印加する構造である。永久磁石と電磁石とによって、磁気光学素子に２方向以上から外部磁界を印加し、それらの合成磁界ベクトルを変化させることにより磁気光学素子の磁化方向を変え、透過する光のファラデー回転角を制御している。このような磁気光学デバイスは、例えば、特許文献１に開示されており、そこでは固定磁界を印加する手段としてブロック形状の永久磁石を光路の上下に配置する構成を採用している。その他、リング状などの永久磁石を光軸に沿って配置し光軸と平行な方向に固定磁界を印加する構成もある。【０００６】  上記のように、従来の可変光アッテネータは、飽和磁界を印加するために永久磁石を用い、電磁石に電流を供給していないときでも、磁気光学素子は永久磁石により一定方向に磁化されている。そのため、磁化制御に用いる電磁石の磁気ヨーク寸法が大きくなったり駆動電圧が高くなり、小型化並びに高速化が困難である。【０００７】  また、電磁石のコイルに電流を流していないときには、電磁石による可変磁界が実質ゼロとなるため、磁気光学素子への合成磁界が永久磁石による成分のみとなり、ファラデー回転角が初期状態に戻ってしまう。【０００８】  これに対して、自己保持型光スイッチ等で用いられるファラデー回転子は、コイルへの励磁電流を遮断した後もファラデー回転角が初期状態に戻ることなく、電流印加時の状態を保持することができる。この自己保持機能を有するファラデー回転子は、ファラデー効果を有する磁気光学素子と、該磁気光学素子に磁界を印加する磁界印加手段とからなり、通常永久磁石は用いられず、電磁石のみによって磁界印加手段が構成されている。電磁石には、例えば特許文献２に示すように、Ｃ型の磁気ヨークにコイルを巻装した構造のものが使用される。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、コイルに電流を供給することによって該磁気光学素子に磁界を印加する。通常は、電流の絶対値を一定としてその反転動作により制御するので、磁気光学素子に印加可能な磁界の向きは、一直線上の正逆２方向のみであり、そのためファラデー回転角のとり得る状態は２状態に限定されている。【０００９】  また、このファラデー回転子にお��ては、磁気ヨークと磁気光学素子の少なくとも一方が半硬質磁性材料で形成され、それらが励磁電流によって磁化されるとともに、励磁電流を遮断した後には、半硬質磁性材料に磁化が残留する。磁気光学素子が半硬質磁性材料からなる場合には、自身に磁化が残留することとなるが、磁気ヨークが半硬質磁性材料からなる場合には、磁気ヨークの残留磁化による磁界が磁気光学素子に印加されることとなる。何れの場合においても、残留する磁界ベクトルは電流印加時の磁界ベクトルと大きさは違うがその方向は同じである。そのため、励磁電流を遮断した後も、励磁電流を流しているときと同じ状態でファラデー回転角を保持することができるが、その状態は、電流印加時にとり得る２状態のみであり、任意の状態を保持することはできない。【００１０】  上記のように、従来の可変光アッテネータでは、電磁石のコイルに供給する励磁電流を制御することによって磁気光学素子の磁化方向を任意の方向に変えることができ、それに対応してファラデー回転角を自由に調整することができるが、その状態を励磁電流の遮断後に保持することができない。一方、自己保持機能を有する従来のファラデー回転子では、励磁電流を遮断した後も、磁気光学素子の磁化方向並びにファラデー回転角を保持することができるが、その状態が２状態に限られてしまう。
【特許文献１】特開平９−０６１７７０号公報
【特許文献２】特開平８−２１１３４７号公報
【発明の開示】
【００１１】  本発明が解決しようとする第１の課題は、永久磁石と電磁石を組み合わせる従来方式の磁気光学デバイスでは、常に永久磁石の磁界が作用し続けるために可変磁界を形成するコイルの巻数を多くしたり供給する電流を多くする必要があり、そのため小型化できず、光制御の高速化が困難である点である。
第２の課題は、永久磁石を単に電磁石で置き換えたとしても、電源構成が複雑化し、制御が面倒になる点である。
第３の課題は、永久磁石と電磁石を組み合わせる従来方式の磁気光学デバイスでは、励磁電流を遮断した後にファラデー回転角を保持することできず、また自己保持機能を有する従来方式の磁気光学デバイスでは、励磁電流を遮断した後に保持できる磁気光学素子の磁化方向並びにファラデー回転角の状態が任意ではなく２状態に限られてしまう点である。
【００１２】［本発明の第１の態様］
本発明の第１の態様に係る磁気光学デバイスは、板状部と、該板状部の片面から垂直方向に突設した少なくとも３本以上の柱状部とを有し、全体が高透磁率磁性材料からなる磁気ヨークと、各柱状部に巻装したコイルと、各柱状部の先端部分で囲まれた開磁路領域に配置した磁気光学素子とを具備しており、該磁気光学素子にコイルにより生じる磁界が印加されるようにしたことを特徴とするものである。
【００１３】  最も単純な磁気ヨークの構成は、ほぼ四角形の板状部と、その四隅近傍から垂直方向に同じ向きで突設した４本の四角柱状部とが連続一体となっている構造である。この場合、板状部は正方形とすることが好ましく、柱状部も断面正方形とすることが好ましい。
【００１４】  これらにおいて、好ましくは、高透磁率磁性材料としてフェライト（例えばＮｉ−Ｚｎ系フェライト）を使用し、磁気光学素子にはビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶を用いる。そして、各コイルに供給する電流の向き及び／又は電流値を制御することにより、磁気光学素子の磁化方向を変化させる。
【００１５】  このような磁気光学デバイスの光路の前後に、それぞれ偏光子を設置し、入射光に対する出射光の減衰量を制御することで、可変光アッテネータが構成できる。また、磁気光学デバイスの光路の前後に、それぞれ偏光子を設置し、入射光に対して出射光を切換制御することで、光スイッチが構成できる。
【００１６】  これらの磁気光学デバイスを複数並設することにより、各種の磁気光学デバイスアレイが構成できる。
【００１７】  本発明の第１の態様に係る磁気光学デバイスは、可変光アッテネータあるいは光スイッチに利用できる。可変光アッテネータでは、永久磁石による固定磁界を必要とせず、全て電磁石による可変磁界にすることで、瞬時に磁化方向を変化させることができ小型化、高速化できる。また磁化方向をどの方向にも制御できるため、必要な９０度のファラデー回転角の変化量を得るのに、０度から９０度の範囲ではなく、−４５度から＋４５度の範囲を使用することができ、その点でも使用部品の小型化を図ることができる。光スイッチでは、自己保持機能をもつ磁気光学素子を用いることで、磁気ヨーク材として半硬質磁性材料を使用する必要が無くなり、コイルと磁気ヨークによる発生磁界は磁気光学素子の磁化反転に必要最小限の磁界でよいために、小型化、高速化、低消費電力化できる。更に、漏れ磁界が少なく磁気光学素子のみに磁界が集中する構造なので、複数並設しても磁気的に干渉する恐れがなく、容易にアレイ構造を実現できる。
【００１８】［本発明の第２の態様］
本発明の第２の態様に係る磁気光学デバイスは、板状部の片面から垂直方向に突設した２ｎ（但しｎ≧２）本の柱状部を有し、全体が高透磁率磁性材料からなる磁気ヨークと、各柱状部に巻装したコイルと、各柱状部の先端部分で囲まれた開磁路領域に配置した磁気光学素子を具備し、該磁気光学素子にコイルにより生じる磁界が印加されるようにした磁気光学デバイスであって、磁気光学素子を挟んで対向する位置関係にあるコイルによって磁気光学素子に印加する磁界の極性は互いに逆であり、且つ磁気光学素子を挟んで対向する位置関係にあるコイルを対とし、並列もしくは直列に接続して共通の電源で駆動することを特徴とするものである。なお、電源は可変電圧源もしくは可変電流源である。
【００１９】  最も単純な磁気ヨークの構成は、ほぼ正方形の板状部と、その四隅近傍から垂直方向に同じ向きで突設した４本の柱状部を有する構造である。ここで、板状部と柱状部は一体構造でもよいし、柱状部を板状部に設けられてる穴に挿入し固定する構造でもよい。
【００２０】  磁気ヨークは、板状部と、その片面から同じ向きで突設した柱状部を有し、磁気光学素子を挟んで対向する位置関係にある柱状部対の一方は光軸に垂直に配置され、他方は光軸に対してある角度（±９０度未満）となるように配置されている構造でもよい。この構造の場合には、一方の柱状部対によって形成される第１の磁界の方向と、他方の柱状部対によって形成される第２の磁界の方向のなす角度θｈが、飽和合成磁界の向きが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、実使用時の磁気光学素子の最大ファラデー回転角をθｆＭＡＸとしたとき、
θｈ＝ｓｉｎ−１（θｆＭＡＸ／θｆ０）
とするのがよい。
【００２１】  また本発明の第２の態様に係る磁気光学デバイスは、板状部の片面から垂直方向に突設した２ｎ（但しｎ≧２）本の柱状部を有し、全体が高透磁率磁性材料からなる磁気ヨークを２個、各柱状部にコイルを巻装し、柱状部の先端面同士を突き合わせるように組み合わせ、各柱状部の先端部分で囲まれた開磁路領域に磁気光学素子を配置し、該磁気光学素子にコイルにより生じる磁界が印加されるようにした磁気光学デバイスであって、各柱状部に巻装したコイル同士は逆向きの磁界を発生し、磁気光学素子を挟んで対向する位置関係にあるコイルによって磁気光学素子に印加する磁界の極性は互いに逆であり、一方の磁気ヨークによる磁界と他方の磁気ヨークによる磁界が協働して磁気光学素子に作用するようにし、且つ磁気光学素子を挟んで対向する位置関係にあるコイルは同じ組となって共通の電源で駆動されるようにしたことを特徴とするものである。
【００２２】  更に本発明の第２の態様に係る磁気光学デバイスは、間隔をおいて対向する板状部の間に、２ｎ（但しｎ≧２）本の柱状部を配設し、全体が高透磁率磁性材料からなる磁気ヨークと、各柱状部に巻装した複数のコイルと、各柱状部の中央部分で囲まれた開磁路領域に配置した磁気光学素子を有し、該磁気光学素子にコイルにより生じる磁界が印加されるようにした磁気光学デバイスであって、各柱状部に巻装したコイル同士は逆向きの磁界を発生し、磁気光学素子を挟んで対向する位置関係にあるコイルによって磁気光学素子に印加する磁界の極性は互いに逆であり、柱状部の中央を境として磁気ヨークの片方による磁界と磁気ヨークの他方による磁界が協働して磁気光学素子に作用するようにし、且つ磁気光学素子を挟んで対向する位置関係にあるコイルは同じ組となって共通の電源で駆動されるようにしたことを特徴とするものである。
【００２３】  これらにおいて、飽和合成磁界の向きが光軸と平行な時の磁気光学素子のファラデー回転角を１２７．３度以上となるように設定し、コイルを片極性の可変電源で駆動する方式が好ましい。
【００２４】  本発明の第２の態様に係る磁気光学デバイスは、上述した第１の態様に係る磁気光学デバイスと同様、可変光アッテネータあるい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。永久磁石による固定磁界を必要とせず、全て電磁石による可変磁界にすることで、瞬時に磁化方向を変化させることができ小型化、高速化できる。合成磁界の向きにかかわらず大きな磁界を必要としないので、コイルを小さくすることができ、駆動電圧も小さくできる。
【００２５】  磁気光学素子を挟んで対向する位置関係にあるコイルを対とし、並列もしくは直列に接続して共通の電源で駆動するため、少ない電源で効率よく駆動でき、周辺回路を簡素化できる。特に、コイルを並列に接続し駆動すると、低電圧化できる。また、飽和合成磁界の向きが光軸と平行な時の磁気光学素子のファラデー回転角を１２７．３度以上に設定すると、コイルを片極性の可変電源で駆動してもファラデー回転角を０〜９０度の範囲で可変できる。
【００２６】  板状部の片面から垂直方向に突設した２ｎ（但しｎ≧２）本の柱状部を有し、全体が高透磁率磁性材料からなる磁気ヨークを２個、柱状部の先端面同士を突き合わせるように組み合わせる構成、あるいは間隔をおいて対向する板状部の間に、２ｎ本の柱状部を配設して、全体が高透磁率磁性材料からなる磁気ヨークを用いる構成にすると、磁気光学素子に対してより大きな磁界を印加することが可能となる。
【００２７】［本発明の第３の態様］
本発明の第３の態様に係る磁気光学デバイスは、半硬質磁性材料からなる板状部と、該板状部の片面に突設した少なくとも３本以上の高透磁率磁性材料からなる柱状部とを有する磁気ヨークと、各柱状部に巻装したコイルと、各柱状部の先端部分で囲まれた開磁路領域に配置した磁気光学素子とを具備し、該磁気光学素子にコイルにより生じる磁界が印加されるようにしたことを特徴とするものである。
【００２８】  上記構成の磁気光学デバイスにおいて、各コイルに電流を流すと、開磁路領域のみならず、磁気ヨークにも磁界が発生し、磁気ヨークを構成する板状部と柱状部はともに磁化される。励磁電流を遮断すると、軟磁性材料からなる柱状部はヒステリシス曲線に従い自身の磁化が無くなる方向に遷移しようとするが、その一方で半硬質磁性材料からなる板状部は残留磁化を示し、その残留磁化が柱状部を磁化して開磁路領域に合成磁界を形成する。この合成磁界は電流印加時の合成磁界と大きさは違うがその方向は同じとなる。したがって、各コイルの起磁力比率を制御して、板状部に保持させる磁化状態を制御することにより、励磁電流の遮断後に開磁路領域に残留する合成磁界の向きを任意の方向に制御することができる。
【００２９】  磁気ヨークは、高透磁率磁性材料からなる板状部と、該板状部の片面に突設した少なくとも３本以上の半硬質磁性材料からなる柱状部とを有する構造でもよい。この構造の場合には、励磁電流を遮断した後に、柱状部に磁化が残留し、その残留磁化によって開磁路領域に合成磁界が形成される。
【００３０】  このような磁気光学デバイスの光路の前後に、偏光子および検光子をそれぞれ設置し、入射光に対する出射光の減衰量を制御することで、自己保持型可変光アッテネータが構成できる。また、磁気光学デバイス、偏光子、検光子及び波長板を所定順序で配列し、磁気光学デバイスにおいて光の分岐比率を制御することで、自己保持型可変光分岐器が構成できる。
【００３１】  また本発明の第３の態様に係る磁気光学デバイスは、半硬質磁性材料からなるブロック状のベース部と、該ベース部から延びて先端部が開磁路領域となる空間近傍にまで至る少なくとも４本以上の高透磁率磁性材料からなる柱状部とを有する磁気ヨークと、各柱状部に巻装したコイルと、各柱状部の先端部分で囲まれた開磁路領域に配置した磁気光学素子とを具備し、該磁気光学素子にコイルにより生じる磁界が３方向以上から印加されるようにしたことを特徴とするものである。この構成の場合、磁気光学素子に印加する合成磁界の向きを３次元空間における任意の方向に制御することができ、その磁界方向を励磁電流の遮断後も保持することができる。
【００３２】  本発明の第３の態様に係る磁気光学デバイスは、上述した第１および第２の態様に係る磁気光学デバイスと同様、可変光アッテネータ、可変光分岐器あるい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。永久磁石による固定磁界を必要とせず、全て電磁石による可変磁界にすることで、デバイスの小型化を図ることができる。合成磁界の向きにかかわらず大きな磁界を必要としないので、コイルを小さくすることができ、駆動電圧も小さくできる。
【００３３】  また、各コイルに供給する電流の向きと電流値を制御することで、開磁路領域に形成される合成磁界の向き（磁気光学素子の磁化方向）を任意の方向に制御することができ、これによってファラデー回転角を自由に調整することができる。しかも、磁気ヨークの板状部または柱状部を半硬質磁性材料により形成したので、励磁電流を遮断した後においても、開磁路領域に残留する合成磁界の向きを任意の方向に制御することができ、ファラデー回転角を任意の状態で保持することができる。
【００３４】  このような磁気光学デバイスを可変光アッテネータにおけるファラデー回転子として利用した場合には、励磁電流を遮断した後も、光減衰量を任意の状態で保持できるようになる。また可変光分岐器におけるファラデー回転子として利用した場合には、励磁電流の遮断後に、入射光の分岐比率を任意の状態で保持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１Ａ】本発明に係る磁気光学デバイスの第１の実施形態を示す分解斜視図である。
【図１Ｂ】図１Ａの磁気光学デバイスの側面図である。
【図１Ｃ】図１Ａの磁気光学デバイスの平面図である。
【図２】図１Ａの磁気光学デバイスの動作説明図である。
【図３】磁化方向をパラメータとして電流に対するファラデー回転角の関係を示すグラフである。
【図４】可変光アッテネータあるいは光スイッチの構成図である。
【図５】磁気光学デバイスの応答性能の一例を示す説明図である。
【図６Ａ】本発明に係る磁気光学デバイスの第２の実施形態を示す説明図である。
【図６Ｂ】図６Ａの磁気ヨークに空芯コイルを取り付けた状態を示す説明図である。
【図６Ｃ】図６Ｂの開磁路領域に磁気光学素子を配置した状態を示す説明図である。
【図７Ａ】コイル配置の説明図である。
【図７Ｂ】印加磁界の説明図である。
【図８】磁極と印加磁界の向きの関係を示す説明図である。
【図９Ａ】コイル結線と電源を示す回路図で、コイルを並列接続した構成例を示している。
【図９Ｂ】コイル結線と電源を示す回路図で、コイルを直列接続した構成例を示している。
【図１０Ａ】θｆ０が９０度の磁気光学素子を使用した時のファラデー回転角と電流の関係を示すグラフである。
【図１０Ｂ】θｆ０が１２７．３度の磁気光学素子を使用した時のファラデー回転角と電流の関係を示すグラフである。
【図１１Ａ】磁気ヨークの他の構造例を示す説明図である。
【図１１Ｂ】図１１Ａの磁気ヨークに空芯コイルを取り付けた状態を示す説明図である。
【図１１Ｃ】図１１Ｂの開磁路領域に磁気光学素子を配置した状態を示す説明図である。
【図１２】コイル配置と印加磁界の他の例を示す説明図である。
【図１３】ファラデー回転角と電流の関係の他の例を示すグラフである。
【図１４】磁気光学デバイスの他の構造例を示す説明図である。
【図１５Ａ】磁気光学デバイスの更に他の構造例を示す説明図である。
【図１５Ｂ】図１５Ａの磁気ヨークどうしを互いに接合した状態を示す説明図である。
【図１５Ｃ】図１５Ｂの開磁路領域に磁気光学素子を配置した状態を示す説明図である。
【図１６Ａ】コイルの位置関係を示す説明図である。
【図１６Ｂ】コイル結線と電源を示す回路図で、コイルを並列接続した構成例を示している。
【図１６Ｃ】コイル結線と電源を示す回路図で、コイルを直列接続した構成例を示している。
【図１７Ａ】磁気光学デバイスの他の構造例を示す説明図である。
【図１７Ｂ】図１７Ａの磁気光学デバイスの組立後の状態を示す斜視図である。
【図１８】可変光アッテネータへの応用例を示す説明図である。
【図１９Ａ】可変光アッテネータの光減衰特性の一例を示す説明図である。
【図１９Ｂ】可変光アッテネータの応答特性の一例を示す説明図である。
【図２０】本発明に係る磁気光学デバイスの第３の実施形態を示す説明図である。
【図２１Ａ】電流印加時における磁気ヨークの磁化方向と合成磁界の向きの一例を示す説明図である。
【図２１Ｂ】電流遮断後における磁気ヨークの磁化方向と合成磁界の向きの一例を示す説明図である。
【図２２】磁気ヨークの他の構造例を示す説明図である。
【図２３】磁気ヨークの更に他の構造例を示す説明図である。
【図２４】合成磁界の向きと光線進行方向とのなす角度の一例を示す説明図である。
【図２５Ａ】合成磁界の向きと電流の関係の一例を示すグラフである。
【図２５Ｂ】電流印加時と電流遮断後のファラデー回転角の測定結果の一例を示すグラフである。
【図２６】可変光アッテネータへの応用例を示す説明図である。
【図２７】図２６の可変光アッテネータの光減衰特性の一例を示す説明図である。
【図２８】可変光分岐器への応用例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３６】  １０  磁気ヨーク
１２  コイル
１４  磁気光学素子
１６  板状部
１８  柱状部
１１０  板状部
１１２  柱状部
１１４  磁気ヨーク
１１６  コイル
１２０  磁気光学結晶
１２２，１２３，１２６，１２７  電源
１２４，１２８  制御手段
２１０  磁気ヨーク
２１１  板状部
２１２  柱状部
２１５  コイル
２２０  磁気光学素子
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】［第１の実施形態］
本発明に係る磁気光学デバイスの第１の実施形態について図１Ａ〜図５に基づいて説明する。この実施形態における磁気光学デバイスの最も単純な構成では、正方形の板状部の四隅近傍から垂直方向に同じ向きで四角柱状部を突設した連続一体構造の高透磁率磁性材料製の磁気ヨークを用いて、その各四角柱状部にコイルを巻装し、４本の四角柱状部の先端部分で囲まれた開磁路領域に磁気光学素子を配置する。そして、コイルによる可変磁界を磁気光学素子に印加する。【００３８】  本発明に係る磁気光学デバイスの一実施例を図１Ａ〜図１Ｃに示す。図１Ａは分解斜視図であり、図１Ｂは側面を、図１Ｃは平面をそれぞれ表している。この磁気光学デバイスは、磁気ヨーク１０と、それに巻装するコイル１２と、磁気光学素子１４とを備えている。磁気ヨーク１０は、正方形の板状部１６と、その四隅から垂直方向に同じ向きで突設した４本の等長で断面正方形の柱状部１８とが連続一体となっている構造をなし、高透磁率磁性材料からなる。コイル１２は、各柱状部１８に巻装する。磁気光学素子１４は、４本の柱状部１８の先端部分で囲まれた開磁路領域に配置する。これによって、磁気光学素子１４にコイル１２による磁界が印加されるようにする。【００３９】  高透磁率磁性材料としては、例えばＮｉ−Ｚｎ系フェライトなどを用いる。所定形状に一体成形し焼結した構造とする。単結晶フェライトを使用すると、より高性能化することができる。その場合には、ブロックから所定形状に切削加工して製造する。磁気光学素子としては、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。【００４０】  この磁気光学デバイスでは、４個のコイルに供給する電流の向き及び／又は電流値を制御することにより磁気光学素子の磁化方向を変化させることができる。【００４１】  図２は本発明に係る磁気光学デバイスの動作説明図であり、平面から見た状態を示している。磁気ヨークの各柱状部の先端をそれぞれ符号ａ，ｂ，ｃ，ｄで表し、それに対応して各柱状部に巻装するコイルも同様の符号（コイル１２ａ，…，コイル１２ｄ）で表す。ここで、光は、矢印に示すように、図面左手から右手方向に磁気光学素子を透過するものとする。コイル１２ａとコイル１２ｂとは直列に巻く。そしてａとｂは極性を逆にする。またコイル１２ｃとコイル１２ｄとは直列に巻く。そしてｃとｄは極性を逆にする。磁化の方向を白抜き矢印で示す。【００４２】（面内磁化）
コイル１２ａとコイル１２ｂに一方向に電流を流すと共に、コイル１２ｃとコイル１２ｄにも一方向に電流を流す。これによってａはＮ極、ｂはＳ極、同様にｃはＮ極、ｄはＳ極に磁化する。従って磁気光学素子１４には光軸に垂直方向の磁界が印加され、面内磁化（磁気光学素子の入出射面に平行な磁化）が生じる。【００４３】（４５度磁化）
コイル１２ａとコイル１２ｂのみに一方向に電流を流す。コイル１２ｃとコイル１２ｄには通電しない。これによってａはＮ極、ｂはＳ極に磁化し、従って磁気光学素子１４には光軸に対して４５度傾いた方向の磁界が印加され、４５度磁化（磁気光学素子の入出射面に対して４５度傾いた磁化）が生じる。【００４４】（垂直磁化）
コイル１２ａとコイル１２ｂに一方向に電流を流すと共に、コイル１２ｃとコイル１２ｄには面内磁化の場合とは逆の方向に電流を流す。これによってａはＮ極、ｂはＳ極に磁化し、ｃはＳ極、ｄはＮ極に磁化する。従って磁気光学素子には光軸と平行方向の磁界が印加され、垂直磁化（磁気光学素子の入出射面に垂直な磁化）が生じる。【００４５】  いずれにしても、コイル１２ａとコイル１２ｂには常に同一方向に電流を流し、従って常に同一極性に（例えばａは常にＮ極、ｂは常にＳ極に）磁化している。面内磁化の状態から４５度磁化の状態までは、コイル１２ｃとコイル１２ｄにも一方向に電流を流すが、その電流値を減少させることで任意の磁化方向を実現できる。４５度磁化の状態から垂直磁化の状態までは、コイル１２ｃとコイル１２ｄに逆方向に電流を流し、その電流値を増加させることで任意の磁化方向を実現できる。このようにしてコイルに流す電流の方向と値を制御することで、磁界の向きを制御することができる。【００４６】  磁化方向をパラメータとしてコイル電流に対するファラデー回転角の関係を測定した結果の一例を図３に示す。磁気ヨークの構造や材質などにもよるが、コイルに流す電流をある値以上にすると、ファラデー回転角は一定値に達することが分かる。【００４７】  図４は本発明に係る可変光アッテネータの一実施例を示す説明図である。磁気光学デバイス２０の光路の前後に、第１の偏光子２２と第２の偏光子２４を設置した構成である。磁気光学デバイス２０は、図１Ａ〜図１Ｃに示すものと同様であってよく、説明を簡略化するために対応する部材には同一符号を付す。【００４８】  ここで、磁気光学素子１４は、４５度以上のファラデー回転角を生じる厚さとする。また、第１の偏光子２２と第２の偏光子２４は、例えば吸収型偏光子、偏光ガラス（商品名ポーラコア、キューポなど）、あるいは積層型偏光子等の直線偏光子であり、それらの光学軸は互いに平行な面内にあり且つ所定の角度差（例えば光学軸が光路方向に見て４５度以上の所定の角度差）をもつように配置されている。【００４９】  磁気光学デバイス２０によって磁気光学素子１４のファラデー回転角を−４５度から＋４５度の範囲で制御することにより、第１の偏光子２２に向かう入射光量に対する第２の偏光子２４からの出射光量を可変制御する。【００５０】  上記構成の可変光アッテネータは、永久磁石による固定磁界を用いず、全て電磁石による可変磁界で構成しているため、瞬時に磁化方向を変化させることができ高速化になる。また磁化方向をどの方向にも制御できるため、光アッテネータに必要な９０度のファラデー回転角の変化量を得るのに、−４５度から＋４５度の範囲を使用することができ、従来構成に比べ、磁気光学素子は半分の回転角（つまり４５度の厚み）でよい。【００５１】  磁気ヨーク寸法（縦×横×高さ）が２．８ｍｍ×２．８ｍｍ×４．５ｍｍ、透磁率が２０００のＮｉ−Ｚｎフェライト製の磁気ヨークを使用し、磁気光学素子を磁気飽和又は磁化反転させるのに必要な磁界の強さ約１２０００Ａ／ｍ（１５０Ｏｅ）を得るための条件を求めた結果は、次の通りである。
・コイル巻数：１３０
・コイル抵抗（導体線径φ＝５０μｍ）：５．１７Ω
・起磁力：１１．９ＡＴ
・電流値：９６ｍＡ
・消費電力：４８ｍＷ
・時定数：５０．１μ秒【００５２】  磁気回路の応答速度の測定結果の一例を図５に示す。両方のコイルの組への入力電圧を同時に切り換えてから光出力が安定化するまでの時間を測定した。図５では、応答速度は約４０μ秒であった。因みに、従来品では約２００μ秒を要している。本発明品では永久磁石を必要としないため、応答速度が速くなっている。【００５３】  光スイッチは、基本的には図４と同様に、磁気光学デバイスの光路の前後に、それぞれ偏光子を配置する構成で得られる。光スイッチの場合、自己保持機能を持つ磁気光学素子を用いるのが望ましい。それによって、コイルへの電流を遮断しても、その状態を維持できるからである。自己保持機能を持つ磁気光学素子としては、例えば残留磁化を有するビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶が使用でき、ＬＰＥ法により育成した膜を熱処理せずにそのまま用いることで自己保持機能が発現する。磁気光学デバイスによってファラデー回転角を切り替えることにより、入射光に対して出射光を切換制御できる。これによって、従来のように磁気ヨーク材を半硬質磁性材料に限定する必要がなくなる。従って、コイルと磁気ヨークによる発生磁界は、磁気光学素子の磁化反転に必要最小限な磁界でよく、これによりデバイスを小型化でき、低消費電力化できる。【００５４】  また本発明に係る磁気光学デバイスは、永久磁石を使用せず、漏れ磁界が少なく磁気光学素子のみに磁界が集中する構造であるため、複数並設しても磁気的に干渉することがなく、そのため容易にアレイ構造が可能となる。可変光アッテネータアレイや光スイッチアレイなどが実現できる。【００５５】  なお本実施形態では、板状部に対して４本の柱状部を設ける構成としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば３本或いは５本以上の柱状部を設ける構成とすることも可能である。板状部に対して少なくとも３本以上の柱状部を設けるようにすれば、その各々に巻装したコイルに供給する電流の向きと電流値を制御することによって、４本の場合と同様に、合成磁界の向きを任意の方向に制御することが可能である。また、板状部の形状も正方形に限定されるものではなく、例えば、その他の多角形や円形などであってもよい。【００５６】［第２の実施形態］
本発明に係る磁気光学デバイスの第２の実施形態について図６Ａ〜図１９Ｂに基づいて説明する。この実施形態における磁気光学デバイスの最も単純な構成では、図６Ａ〜図６Ｃに示すように、正方形の板状部１１０の四隅近傍から垂直方向に同じ向きで四角柱状部１１２を突設した連続一体構造の高透磁率磁性材料製の磁気ヨーク１１４を用いる（図６Ａ参照）。その各四角柱状部１１２にコイル１１６を巻装（図６Ｂ参照）し、４本の四角柱状部１１２の先端部分で囲まれた開磁路領域に、非磁性の保持部材１１８に搭載した磁気光学素子１２０を配置する（図６Ｃ参照）。そして、コイル１１６により生じる可変磁界を磁気光学素子１２０に印加するように構成する。【００５７】  各コイルについて、図７Ａに示すように符号ａ〜ｄを付すと、各コイルへの通電により柱状部先端に現れる磁極によって磁気光学素子１２０へ印加される合成磁界の向きが変化する。図７Ｂに示すように、コイルａによりＳ極、コイルｂによりＮ極ができると、磁気光学素子１２０を通過する光軸に対して−４５度方向に磁界Ｈ１が生じ、コイルｃによりＮ極、コイルｄによりＳ極ができると、磁気光学素子１２０を通過する光軸に対して＋４５度方向に磁界Ｈ２が生じる。両者が同時に加わると、それらによる合成磁界ＨＣが磁気光学素子１２０に印加される。従って、各コイルへの通電電流の大きさや向きを制御することで、任意の向きに磁界を印加できることになる。【００５８】  各コイルへの通電電流の大きさや向きの制御によって、合成磁界の向きを３６０度回転することができる。典型的な合成磁界の向きを図８に示す。図８では、合成磁界の向きを４５度ずつ変えた状態を、状態１〜８の順に表している。図８から、コイルに通電して磁界を発生させる時、磁気光学素子１２０を挟んで対向する位置関係にあるコイル同士（ａとｂ、ｃとｄ）により柱状部先端に現れる磁極は必ず極性が逆であることが分かる。このことに着目すると、極性が逆になるように同じ電源に接続できることが分かる。これによって、コイルが４個であるにもかかわらず、２個ずつ対として共通の電源で駆動でき、従って電源は２個でよく、制御も比較的単純なものとすることができる。【００５９】  コイル接続の例を図９Ａおよび図９Ｂに示す。図９Ａは、コイルａとｂを並列接続し共通の第１の電源１２２に接続すると共にコイルｃとｄを並列接続し共通の第２の電源１２３に接続し、制御手段１２４で制御する例である。図９Ｂは、コイルａとｂを直列接続し共通の第１の電源１２６に接続すると共にコイルｃとｄを直列接続し共通の第２の電源１２７に接続し、制御手段１２８で制御する例である。ここでコイルの符号ａ〜ｄは、図７Ａに対応している。各電源は、可変電圧源でもよいし、可変電流源でもよい。コイル電流をＣＰＵ等の制御手段１２４，１２８で制御することにより、合成磁界の大きさと向きを制御できる。合成磁界は向きによらず磁気光学素子の磁化が飽和される大きさで一定でよい。本発明では、永久磁石による固定磁界が無いため、合成磁界の大きさを過度に大きくする必要がないのでコイルの巻数を少なくでき小型化が図れる。【００６０】  複数のコイルを電源に並列に接続すると、抵抗が小さくなる。例えば抵抗���のコイルを２個並列接続した場合の総抵抗Ｒｐと直列接続した場合の総抵抗Ｒｓを比較すると、ＲｐはＲ／２となり、Ｒｓは２Ｒであるから、ＲｐはＲｓの１／４となる。並列の場合のコイル１個当たりに流れる電流ＩはＶ／Ｒである。直列の場合のコイル１個当たりに流れる電流ＩはＶ／２Ｒとなり、直列と並列で電流Ｉを同じとすると、印加する電圧は、並列は直列の１／２でよいことになり、低電圧駆動ができる。対となるコイルは、巻数が同じで線材の長さもほぼ同じであるので、抵抗はほぼ一致し、並列に接続してもほぼ同じ電流を流すことができる。【００６１】  図６Ａ〜図６Ｃに示すような磁気光学デバイスは、例えば次のようにして製造することができる。ＮｉＣｕＺｎ系フェライト等の高透磁率磁性材料の長方体ブロックを直交する２方向から切り込みを入れることによって一体となった４本の柱状部１１２を有する磁気ヨーク１１４ができる（図６Ａ参照）。勿論、プレス成形で所望の形状に成形し焼成することもできる。４本の柱状部１１２のそれぞれに予め作製しておいた空芯コイル１１６を挿入し接着剤等で固定する（図６Ｂ参照）。この場合、空芯コイル１１６の線材をエナメル被覆の線材とすれば、柱状部１１２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コイル１１６を柱状部１１２に固着することもできる。この構成では、磁気ヨーク１１４が一体化されていることにより、磁気抵抗を最小限に抑えることができ、効率のよい磁気回路が得られる。次に磁気光学素子１２０を接着固定した非磁性材からなるステージ１１８を、柱状部１１２の上端部に接着剤等により固定する（図６Ｃ参照）。磁気光学素子１２０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。【００６２】  そして、磁気光学素子を挟んで対向する位置にあるコイル同士を、電源に並列（図９Ａ参照）に、もしくは電源に直列（図９Ｂ参照）に接続する。この時、磁気光学素子に印加する磁界の極性は逆になるようにする。４個のコイルを別々の電源に接続し、その４個の電源を制御し合成磁界の大きさと向きをコントロールする方式に比べて、はるかに制御が容易となり、コストも少なくて済む。【００６３】  図７Ｂに示すように、第１の回路により発生する磁界をＨ１、第２の回路により発生する磁界をＨ２とする。Ｈ１は入射光軸から−４５度傾き、Ｈ２は＋４５度傾いている。このような磁界の向きは、図６Ａ〜図６Ｃに記載したような安価で容易に製造できる構造の磁気ヨークで得られる角度である。この時の合成磁界の向きθｃは、
θｃ＝４５−ｔａｎ−１（Ｈ１／Ｈ２）
となる。各回路により発生する磁界の強さは電流に比例するので、上記式のＨ１、Ｈ２はそれぞれ、第１の回路に流れる電流Ｉ１、第２の回路に流れる電流Ｉ２に置き換えることができる。
θｆ＝θｆ０×ｃｏｓθｃ
であるので、これにより電流Ｉ１、Ｉ２を制御すれば所望のファラデー回転角を得ることができる。【００６４】  ファラデー回転角θｆが０〜θｆＭＡＸの範囲で使用する場合、飽和合成磁界の向きが光軸と平行の時の磁気光学素子のファラデー回転角θｆ０がθｆＭＡＸと同じ磁気光学素子を使用することが多い。θｆ０が９０度の磁気光学素子を使用した時のθｆと電流Ｉ１、Ｉ２の関係を図１０Ａに示す。この場合、合成磁界の向きθｃが４５度を下回る値にしたい時、Ｈ１の極性を逆にする必要がある。即ち、電流を逆に流すことになる。図１０Ａでは、θｆが６４度付近でＩ１の極性が逆になっていることがわかる。これは実使用時の最大ファラデー回転角θｆＭＡＸがθｆ０と同じだからである。この構成は、θｆを０〜９０度まで可変とすることは可能であるが、両極性の電源が必要となるため高価となる。また電流Ｉ２には変曲点があり、そのため電流制御がやや複雑となる。【００６５】  この問題は、飽和合成磁界の向きが光軸と平行の時の磁気光学素子のファラデー回転角θｆ０をθｆＭＡＸよりも大きくし、印加磁界がＨ２だけの時にθｆがθｆＭＡＸ以上となるようにすれば解決できる。例えば上記例のようにＨ２が入射光軸から４５度傾いており、印加磁界がＨ２のみ、θｆ０が９０度の場合、θｆは、
θｆ＝９０×ｃｏｓ４５＝６３．６度
となる。これではθｆＭＡＸが９０度必要な時に２６．４度足りない。
そこでθｆ０が１２７．３度と大きな磁気光学素子を使用すると、
θｆ＝１２７．３×ｃｏｓ４５＝９０度
となり、Ｈ１の逆磁界を印加しなくてもθｆＭＡＸを満足することができる。即ち、
θｆＭＡＸ＝θｆ０×ｃｏｓθｃ
が成立すればよい。【００６６】  図１０Ｂは、飽和合成磁界の向きが光軸と平行のときの磁気光学素子のファラデー回転角θｆ０が１２７．３度の磁気光学素子を使用した時のファラデー回転角θｆと電流Ｉ１、Ｉ２の関係を示している。同図から、電流Ｉ１に極性反転が無く、電流Ｉ２に変曲点が無いことが分かる。従って、このような構成にすれば、いずれも片極性の電源でよく、電流制御も容易となる。【００６７】  磁気ヨークの他の例を図１１Ａ〜図１１Ｃに示す。これは、フェライト等からなる正方形の板状部１３０の四隅に貫通孔１３２を設け、そこに同じくフェライト等からなる円柱状部材１３４を挿入し（図１１Ａ参照）、接着剤などにより固定する構造（図１１Ｂ参照）である。このようにして、実質的に一体となった磁気ヨークを比較的容易に作製することができる。磁気光学素子１３８は４本の円柱状部材１３４の先端中央に位置するように固定する。そのためには、例えば非磁性の正方形板状のステージ１４０の四隅に前記円柱部材が機械的に位置決め固定されるように穴（図示せず）を設け、その位置を基準に磁気光学素子１３８を位置決め固定する穴を設けて固定することにより容易に実現可能である（図１１Ｃ参照）。【００６８】  電流制御を更に単純化するためには、図１２のように第１の磁界Ｈ１をファラデー回転が０度となる入射光軸と垂直方向とし、第２の磁界Ｈ２をθｃまで傾けるように設定する。こうすることにより、θｆ＝０としたい場合はＩ１のみ、θｆ＝θｆＭＡＸとしたい場合にはＩ２のみ供給するようにする。図１３は、飽和合成磁界の向きが光軸と平行の時の磁気光学素子のファラデー回転角θｆ０が１２７．３度の磁気光学素子を使用した時のファラデー回転角θｆと電流Ｉ１、Ｉ２の関係である。θｃは４５度である。Ｉ１、Ｉ２共にθｆに対し直線的に変化させることができることが分かる。この場合のθｈは、
θｈ＝９０−θｃ
θｆ＝θｆＭＡＸ
θｃ＝ｃｏｓ−１（θｆＭＡＸ／θｆ０）
なので、
θｈ＝９０−ｃｏｓ−１（θｆＭＡＸ／θｆ０）＝ｓｉｎ−１（θｆＭＡＸ／θｆ０）
と表すことができる。すなわちこれを満足すれば制御を単純化することができる。【００６９】  これを実現できる磁気ヨークは、図１４のように、高透磁率磁性材料からなる直方体ブロックに３箇所（平行に２箇所、垂直に１箇所）の切り込みを入れることで製造できる。この磁気ヨーク１４４では、Ｈ１方向に比べＨ２方向では磁極の位置が磁気光学素子１４６の中心より離れ印加磁界が弱くなるが、その分コイルの巻数を多くするなどで対応できる。なお、一体構造ではなく、図１１Ａ〜図１１Ｃなどと同様、板状部の所定の位置に貫通孔を設け、柱状部材を挿入し固定することで磁気ヨークを作製することもできる。【００７０】  図１５Ａ〜図１５Ｃは本発明に係る磁気光学デバイスの更に他の実施例を示す説明図である。図６Ａ〜図６Ｃに示すような磁気ヨーク１５０を２個対向配置する。即ち、両磁気ヨーク１５０は、それぞれほぼ正方形の板状部１５２と、該板状部１５２の片面四隅から垂直方向に突設した４本の柱状部１５４とを有し、全体がフェライトなどの高透磁率磁性材料からなる一体構造である。そして各柱状部１５４にコイル１５６を巻装する（図１５Ａ参照）。このようにコイル１５６を巻装した２個の磁気ヨーク１５０を、互いの柱状部１５４の先端面同士を突き合わせるように組み合わせ、接着剤などで固定する（図１５Ｂ参照）。中央部に貫通孔を持つ非磁性ステージ１５８に、磁気光学素子１６０を接着した円筒状のサポート１６２を挿入して固定し（図１５Ｂ参照）、各柱状部１５４の先端部分で囲まれた開磁路領域に磁気光学素子１６０が位置するように前記ステージ１５８を磁気ヨーク１５０に接着等により固定する（図１５Ｃ参照）。【００７１】  これによって、磁気光学素子１６０にコイル１５６により生じる磁界が印加されるように構成する。そのため、同じ柱状部１５４に巻装したコイル同士は逆向きの磁界を発生するように電流を流す。つまり、柱状部１５４の先端部では両側のコイル１５６で同じ磁極が現れるようにする。このようにすると、柱状部１５４の先端部で磁束が外部に漏れ出て、磁気光学素子１６０に効率よく磁界が作用する。図６Ａ〜図６Ｃの場合と同様、磁気光学素子１６０を挟んで対向する位置関係にあるコイル１５６によって磁気光学素子１６０に印加する磁界の極性は互いに逆である。また、上方の磁気ヨークによる磁界と下方の磁気ヨークによる磁界とが協働して（互いに加算されて）磁気光学素子１６０に作用するように構成する。【００７２】  そして磁気光学素子を挟んで対向する位置関係にある４個のコイルが組となって、共通の電源で駆動される。コイルの位置関係を図１６Ａで表したとき、図１６Ｂに示すように、入射光軸と垂直方向で向かいあうコイル同士とそれらと磁気光学素子を挟んで対向する位置にあるコイルの合計４個（ａ１，ａ２，ｂ１，ｂ２）を並列に結線して一方の電源に接続し、残りの４個（ｃ１，ｃ２，ｄ１，ｄ２）も並列に結線して他方の電源に接続する。従って、入射光軸と垂直方向で向かいあうコイル同士、例えばａ１とａ２はＮ極とし、それらと磁気光学素子を挟んで対向する位置にあるコイルｂ１とｂ２はＳ極となるようにする。同様に、コイルｃ１とｃ２がＳ極であればｄ１とｄ２はＮ極とする。���００７３】  その他、図１６Ｃに示すように、４個のコイル（ａ１，ａ２，ｂ１，ｂ２）を直列に結線して一方の電源に接続し、残りの４個（ｃ１，ｃ２，ｄ１，ｄ２）も直列に結線して他方の電源に接続してもよい。あるいは、２個ずつ並直列、あるいは直並列にして共通の電源に接続する方式も可能である。いずれにしても、８個のコイルを別々の電源に接続し別々に制御する方法に比べて、回路構成を大幅に簡素化でき低コスト化できるし、制御が複雑になることもない。所望のファラデー回転角を得る制御の方法は、磁気ヨークが片側のみにある場合と同様である。【００７４】  図１７Ａおよび図１７Ｂは、本発明に係る磁気光学デバイスの他の実施例を示す説明図である。間隔をおいて対向する板状部１６４の間に４本の柱状部１６６を配設し、各柱状部１６６に２個のコイル１５６を巻装する。各柱状部１６６の中央部分で囲まれた領域に磁気光学素子１６０を配置し、該磁気光学素子１６０にコイル１５６により生じる磁界が印加されるように構成する。両方の板状部１６４の四隅位置に穴１６５を設け、柱状部１６６の両端を挿入して接着剤などで固定することで、全体が高透磁率磁性材料からなる磁気ヨークが得られる。同じ柱状部１６６に巻装したコイル同士は逆向きの磁界を発生し、磁気光学素子１６０を挟んで対向する位置関係にあるコイルによって磁気光学素子に印加する磁界の極性は互いに逆であり、柱状部の中央を境として上半分の磁気ヨークによる磁界と下半分の磁気ヨークによる磁界が協働して磁気光学素子に作用するようにし、且つ磁気光学素子１６０を挟んで対向する位置関係にあるコイルは組となって共通の電源で駆動される。この磁気光学デバイスの動作は、前記実施例と同様である。【００７５】  なお上記の実施例は、板状部に対して４本の柱状部が設けられている例であるが、６本など、より多くの柱状体を設ける構造も可能である。【００７６】  図１８は本発明に係る磁気光学デバイスを組み込んだ反射型可変光アッテネータの応用例を示している。磁気光学デバイス１７０の光路の前方に、複屈折結晶からなる偏光子１７２とレンズ１７４を配置し、後方にミラー１７６を設置した構成である。磁気光学デバイス１７０は、図６Ａ〜図６Ｃに示すものと同様であってよく、説明を簡略化するために対応する部材には同一符号を付す。入力ファイバから光を入射し、出射光を出力ファイバから取り出す。この例は、コイルを直列接続した（図９Ｂ参照）構成である。【００７７】  試作品の測定結果の一例を図１９Ａ及び図１９Ｂに示す。図１９Ａは、コイル２（コイルｃとｄ）の電流を８０ｍＡに固定したとき、コイル１（コイルａとｂ）の電流に対する光減衰特性を示している。また図１９Ｂは、減衰量１６ｄＢ、２６ｄＢのコイル１のステップ入力に対する応答特性を示している。減衰量が２６ｄＢのときの応答時定数（減衰量：６３％到達）は２４μ秒であった。【００７８】［第３の実施形態］
本発明に係る磁気光学デバイスの第３の実施形態について図２０〜図２８に基づいて説明する。本実施形態の磁気光学デバイスは、図２０に示すように、磁気ヨーク２１０と、それに巻装するコイル２１５と、磁気光学素子２２０とを備えている。磁気ヨーク２１０は、円形の板状部２１１と、その片面の周縁部に突設された逆Ｌ字型の４本の柱状部２１２とを有し、各柱状部２１２が周方向に沿ってほぼ等間隔に配置されて、それぞれの先端部が互いの中心方向に向けられた構成となっている。板状部２１１は例えばＳＵＳ４２０Ｊ２等の半硬質磁性材料からなり、柱状部２１２は例えばＭｎ−Ｚｎ系フェライト等の軟磁性材料からなる。板状部２１１と各柱状部２１２とは接着剤などにより相互に固定されている。【００７９】  各柱状部２１２にはコイル２１５が巻装されるとともに、４本の柱状部２１２の先端部分で囲まれた開磁路領域には磁気光学素子２２０が配置され、これによって、磁気光学素子２２０に各コイル２１５による合成磁界が印加されるようになっている。また、前述した第１および第２の実施形態と同様、磁気光学素子２２０を挟んで対向する位置関係にあるコイル２１５によって磁気光学素子２２０に印加する磁界の極性は互いに逆であり、それらコイル２１５どうしが、電源に並列に若しくは電源に直列に接続されている。なお、コイル２１５の巻数は任意に設定することが可能であり、その設定を変えることによって、コイル２１５の起磁力を調整することが可能であるが、ここでは、説明を簡略化するために、コイル２１５に供給する電流で起磁力を調整するものとして説明する。【００８０】  上記構成の磁気光学デバイスにおいては、４つのコイル２１５に電流を流すことによって、各コイル２１５に起磁力が発生する。そして、４つのコイル２１５に流す電流の方向と比率を制御することにより、目的空間となる開磁路領域に任意方向の合成磁界（空間磁界）を形成することができる。各コイル２１５に電流を流したときには、例えば図２１Ａに示すように、磁気ヨーク２１０の各柱状部２１２が所定方向（例えば、図中矢印の方向）に磁化されるが、同時に、半硬質磁性材料からなる板状部２１１も、柱状部２１２とともに磁路を形成して所定方向（例えば、図中矢印の方向）に磁化される。板状部２１１の磁化方向は分布を持っていて、実際には図に示したよりも複雑であるが、板状部２１１全体として表した場合、例えば図示のようになる。【００８１】  この状態から、各コイル２１５への励磁電流を遮断すると、コイル２１５の起磁力は消滅するが、半硬質磁性材料である板状部２１１には磁化が残留する。励磁電流の遮断後には、板状部２１１の残留磁化によって、図２１Ｂに示すように、軟磁性材料である柱状部２１２が磁化されて、目的空間となる開磁路領域に、電流印加時と同じ方向の合成磁界が形成される。すなわち、各コイル２１５に流す励磁電流の比率を制御することによって、板状部２１１全体の残留磁化方向を任意に制御でき、その結果、開磁路領域に残留する磁界方向を任意に制御することができる。板状部２１１を目的の方向に磁化する際には、各コイル２１５に流す励磁電流の比率を保ったまま電流の絶対値を大きくする。このとき柱状部２１２が磁気飽和しないように電流値を調整することが制御上望ましい。【００８２】  また、磁気光学素子２２０に印加する合成磁界の向きを変更する際には、板状部２１１の残留磁化よりも十分に大きな磁力を印加すること、若しくは各コイル２１５に供給する電流を制御して板状部２１１を消磁した後に、開磁路領域に合成磁界を形成することが好ましい。そうすることで、磁界の向きを変更する前の残留磁化の影響をなくして、合成磁界の向きを所望方向に適切に制御することができる。また、上述した図２０の磁気回路では、磁気光学素子２２０に印加する合成磁界の向きを平面（各柱状部２１２の先端部が位置する平面）上の任意の方向に制御することが可能となっているが、これに、例えば図２２および図２３に示すように、上記平面と垂直な成分を有する磁界ベクトルを生成可能な磁気回路を組み合わせるようにすれば、磁気光学素子２２０に印加する合成磁界の向きを３次元空間における任意の方向に制御することが可能である。【００８３】  図２２においては、半硬質磁性材料からなるブロック状のベース部２３１と、該ベース部２３１の上面および側面に突設された６本の柱状部２３２，２３３，２３４とにより磁気ヨーク２３０が構成されている。ベース部２３１は例えば立方体形状となっていて、その上面の四隅近傍からは垂直方向に４本の柱状部２３２が突設されて、それぞれの先端部が互いの中央位置にある開磁路領域に向けられるとともに、ベース部２３１の一側面には、その上部および下部から延びて先端部が上記開磁路領域の下方位置および上方位置にそれぞれ至る柱状部２３４，２３３がそれぞれ突設されている。各柱状部２３２，２３３，２３４にはコイル２３５が巻装されている。一方、図２３では、前述した図２０に示すような４本の柱状部２１２を有する第１磁気ヨーク２１０と、２本の柱状部２４２を有する第２磁気ヨーク２４０とが設けられて、第１磁気ヨーク２１０の柱状部２１２の先端部分で囲まれた開磁路領域を、第２磁気ヨーク２４０の２本の柱状部２４２の先端部分で上下両方向から挟むように各々が配置されている。第２磁気ヨーク２４０の板状部２４１は半硬質磁性材料により形成され、柱状部２４２は軟磁性材料により形成されている。各柱状部２４２にはコイル２４５が巻装されている。何れの場合においても、磁気光学素子２２０に印加する合成磁界の向きを３次元空間における任意の方向に制御することができ、その磁界方向を励磁電流の遮断後も保持することができる。【００８４】  本発明に係る磁気光学デバイスの一実施例として、図２０に示すようなファラデー回転子を製作した。柱状部２１２には軟磁性材料であるケイ素鋼を用い、その太さを３ｍｍ×３．３ｍｍ、高さを１４ｍｍとした。板状部２１１には半硬質磁性材料であるＳＵＳ４２０Ｊ２を用い、その大きさをφ４０×０．４ｍｍ（厚さ）とした。磁気光学素子２２０にはビスマス置換ガーネット単結晶を選択し、そのサイズを１ｍｍ×１．２ｍｍ×０．９８ｍｍとして、ファラデー回転角の最大値が波長１５５０ｎｍの入射光において９０度を示す結晶長とした。また、コイル２１５の巻数は何れも８００ターンとし、磁気光学素子２２０を挟んで対向する位置関係にあるコイル２１５どうしを電��に直列に接続して、電流系統を２系統とした。図２４に示すように、直列に接続された２組のコイル対の一方をコイル２１５ａ、他方をコイル２１５ｂとして、それぞれに流す電流をそれぞれ電流１、電流２とした場合、開磁路領域における合成磁界（空間磁界）の方向と光線進行方向のなす角度θと、各電流系統の電流値との関係は、図２５Ａに示すようになった。電流１および電流２を制御すれば、開磁路領域に任意の方向の合成磁界を形成できることが分かる。【００８５】  上記構成の自己保持型ファラデー回転子によれば、各コイル２１５ａ，２１５ｂに流す電流値を最大２５０ｍＡとしてコイル電流比と向きを制御することにより、ファラデー回転角を−９０度〜＋９０度の範囲内で自由に調整することができ、各コイル２１５ａ，２１５ｂへの電流を遮断した後には、電流印加時のファラデー回転角を保持することができる。すなわち、各コイル２１５ａ，２１５ｂへの電流遮断後に示すファラデー回転角が−９０度〜＋９０度の範囲内で任意の角度である自己保持型ファラデー回転子を実現することができる。
図２５Ｂに、開磁路領域における合成磁界の方向と光線進行方向のなす角度θが−４５度〜＋１３５度の範囲にあるときのファラデー回転角の測定結果を示す。各コイル２１５ａ，２１５ｂへの電流遮断後も、電流印加時とほぼ同じ状態でファラデー回転角を保持できることが分かる。【００８６】  図２６は本発明に係る磁気光学デバイスを組み込んだ自己保持型可変光アッテネータの一実施例を示す説明図である。磁気光学デバイスの光路の前後に、偏光子２２１と検光子２２２をそれぞれ設置した構成である。磁気光学デバイスは、図２０に示すものと同様であってよく、説明を簡略化するために対応する部材には同一符号を付す。【００８７】  ここで、４本の柱状部２１２には軟磁性材料であるケイ素鋼を用い、板状部２１１には半硬質磁性材料であるＳＵＳ４１０Ｊ１を用い、何れも適切な条件で熱処理を施した。各コイル２１５の巻数は何れも４００ターンとし、磁気光学素子２２０を挟んで対向する位置関係にある柱状部２１２の先端に現れる極性が互いに逆となるように、対向するコイル２１５どうしを電源に直列に接続して、２系統の電流系統で制御する方式とした。磁気光学素子２２０はビスマス置換ガーネット単結晶であり、偏光子２２１と検光子２２２はルチル単結晶である。磁気光学素子２２０は、１ｍｍ×１．７ｍｍ×０．９８ｍｍのサイズで、ファラデー回転角の最大値が波長１５５０ｎｍの入射光において９０度を示す結晶長とした。ルチル単結晶はクロスニコル配置として、ファラデー回転子の回転角が９０度のときに最小減衰量を、０度のときに最大減衰量を示すようにした。【００８８】  上記構成の自己保持型可変光アッテネータによれば、各コイル２１５に流す電流値を最大２５０ｍＡとしてコイル電流比と向きを制御することにより、ファラデー回転角を所望角度に変換することができ、図２７に示すように、光減衰量を１〜２２ｄＢの範囲で任意の値に調整することができる。そして、各コイル２１５への電流を遮断した後には、ファラデー回転角が電流印加時の状態で保持されるため、光減衰量も電流印加時の状態で保持することができる。すなわち、各コイル２１５への電流遮断後に示す光減衰量値が１〜２２ｄＢの間で任意である自己保持型可変光アッテネータを実現することができる。デバイスサイズは４７ｍｍ×４７ｍｍ×２５ｍｍである。【００８９】  図２８は本発明に係る磁気光学デバイスを組み込んだ自己保持型可変光分岐器の一実施例を示す説明図である。入力ポート側から出力ポート側に向かって、ルチル単結晶板２５１ａ、磁気光学デバイス、１／２波長板２５２ａ，２５２ｂ、ルチル単結晶板２５１ｂ、１／２波長板２５２ｃ，２５２ｄ、ルチル単結晶板２５１ｃをその順序で配列した構成である。磁気光学デバイスは、図２０に示す自己保持型ファラデー回転子のうち、ファラデー回転角が９０度を示す磁気光学素子２２０を用いた自己保持型ファラデー回転子である。図中、ファラデー回転子は磁気回路部分を省略してある。また、３枚のルチル単結晶板２５１ａ，２５１ｂ，２５１ｃの結晶軸方向は図中の矢印で示す通りであり、ルチル単結晶板２５１ａは偏波方向が直交関係にある同じ光路上の光を分離する機能、ルチル単結晶板２５１ｂは偏波方向に応じて光路を制御する機能、ルチル単結晶板２５１ｃは偏波方向が直交関係にある異なる光路上の光を合成する機能をそれぞれ有している。また、４枚の波長板２５２ａ，２５２ｂ，２５２ｃ，２５２ｄはそれぞれ光の偏波方向を所定角度回転させる機能を有している。【００９０】  上記構成の自己保持型可変光分岐器においては、入力ポートへの入射光が出力ポート１と出力ポート２に分岐して出射することとなるが、その分岐比率がファラデー回転子に供給する電流値によって制御可能となっている。挿入損失を差し引いた分岐比率は０：１００〜１００：０の範囲で可変であり、クロストーク値としては４２ｄＢ以上が得られた。ファラデー回転子への電流を遮断した後には、ファラデー回転角が電流印加時の状態で保持されるため、電流印加時と同様に任意の分岐比率を保持することができる。【００９１】  なお、図２０に示す磁気光学デバイスに、ルチル単結晶板と１／２波長板を組み合わせることによって自己保持型可変光スイッチを構成することも可能である。この自己保持型可変光スイッチによれば、各コイル２１５に流す電流比と向きを制御することにより、所望の状態に光路を切り換えることができ、コイル２１５への電流を遮断した後は、その状態を保持することができる。
また、本実施形態においては、柱状部を軟磁性材料、板状部を半硬質磁性材料で形成したが、これとは反対に、柱状部を半硬質磁性材料、板状部を軟磁性材料で形成することも可能である。この場合にも、励磁電流を遮断した後に、開磁路領域に残留する合成磁界の向きを任意の方向に制御することができ、ファラデー回転角を任意の状態で保持することができる。
【産業上の利用可能性】
【００９２】  本発明に係る磁気光学デバイスは、可変光アッテネータ、可変光分岐器あるい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。永久磁石による固定磁界を必要とせず、全て電磁石による可変磁界にすることで、瞬時に磁化方向を変化させることができ小型化、高速化できる。合成磁界の向きにかかわらず大きな磁界を必要としないので、コイルを小さくすることができ、駆動電圧も小さくできる。【００９３】  磁気光学素子を挟んで対向する位置関係にあるコイルを対とし、並列もしくは直列に接続して共通の電源で駆動するため、少ない電源で効率よく駆動でき、周辺回路を簡素化できる。【００９４】  また、磁気ヨークの板状部または柱状部を半硬質磁性材料により形成することにより、励磁電流を遮断した後においても、開磁路領域に残留する合成磁界の向きを任意の方向に制御することができ、ファラデー回転角を任意の状態で保持することができる。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１６Ｃ】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１８】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図２０】
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【図２１Ａ】
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【図２１Ｂ】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５Ａ】
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【図２５Ｂ】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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