(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
偏光子、ファラデー効果を有するガーネット単結晶、検光子が、その順序で配列され、前記ガーネット単結晶には電磁石によって光軸に平行な方向に磁界を印加すると共に永久磁石によって光軸に垂直な方向に磁界を印加し、それらの合成磁界によってファラデー回転角を変化させ、透過光量を制御する光アッテネータであって、
光軸はガーネット単結晶の〈１１１〉方向であり、永久磁石の磁界は、光軸に垂直なガーネット単結晶の（１１１）面を中心としたステレオ投影図において、中心の（１１１）面と、最外周円上の（１１０）面と等価な面と、その（１１０）面と等価な面から中心の（１１１）面から７０度の位置にある（１１１）面に近い方に１０度以内の範囲にあり、その方向は中心の（１１１）面から最外周円上に向いて与えられ、
且つ合成磁界ベクトルの変位経路は、ガーネット単結晶の（１１１）を中心としたステレオ投影図において、中心の（１１１）面と、最外周円上の（１１０）面と等価な面と、その（１１０）面と等価な面から中心の（１１１）面から７０度の位置にある（１１１）面に近い方に１０度以内の範囲内であることを特徴とする光アッテネータ。
【請求項２】
永久磁石の磁界が、光軸に垂直なガーネット単結晶の（１１１）面を中心としたステレオ投影図において、中心の（１１１）面から最外周円上の（１１０）面と等価な面の方向であり、合成磁界ベクトルの変位経路が、ガーネット単結晶の（１１１）面を中心としたステレオ投影図において、中心の（１１１）面と最外周円上の（１１０）面と等価な面を結んだ線上である請求項１記載の光アッテネータ。
【請求項３】
ガーネット単結晶がＹ3 Ｆｅ5 Ｏ12である請求項１又は２記載の光アッテネータ。
【請求項４】
ガーネット単結晶が（ＲＢｉ）3 Ｆｅ5 Ｏ12又は（ＲＢｉ）3 （ＦｅＭ）5 Ｏ12（但し、Ｒはイットリウムを含む希土類元素から選ばれた１種以上の元素、Ｍは鉄と置換できる１種以上の元素）である請求項１又は２記載の光アッテネータ。
【請求項５】
偏光子及び検光子が複合偏光プリズムである請求項１乃至４のいずれかに記載の光アッテネータ。
【請求項６】
偏光子及び検光子が複屈折結晶である請求項１乃至４のいずれかに記載の光アッテネータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、偏光子とファラデー効果を有するガーネット単結晶と検光子を組み合わせた光アッテネータに関し、更に詳しく述べると、ガーネット単結晶に対して電磁石によって光軸に平行な方向に磁界を印加すると共に永久磁石によって光軸に垂直な方向に磁界を印加し、それらの合成磁界によりファラデー回転角を変化させ、透過光量を制御する光アッテネータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光通信システムなどでは、光の透過量を制御するために光アッテネータが用いられている。光アッテネータとしては、通常、偏光子と検光子の間にファラデー回転角可変装置を組み込む構成が採用されている。このファラデー回転角を可変する装置では、ファラデー効果を有するガーネット単結晶に異なる二方向以上から外部磁界を印加し、それらによる合成磁界を可変することにより、ガーネット単結晶を透過する光のファラデー回転角を制御している。
【０００３】
例えば、特開平６−５１２５５号公報には、永久磁石によって光軸に平行な方向に、ガーネット単結晶の飽和磁界以上の固定磁界を印加して前記ガーネット単結晶を飽和状態にしておき、その状態で垂直方向に電磁石により可変磁界を印加して合成磁界ベクトルを変化させ、ガーネット単結晶の磁化方向を変えてファラデー回転角を変化させ、出射側のファイバに結合する光量を制御する光アッテネータが開示されている。ガーネット単結晶が未飽和の状態だと、磁区が発生することによる消光比の劣化、光の散乱が生じ、印加磁界に対するファラデー回転角の再現性が悪いからである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、本発明者等が上記のようなことを考慮してガーネット単結晶を飽和状態にして複数の光アッテネータを作製したところ、最大減衰量を得るための光軸と垂直方向の電磁石の磁界が、作製した各デバイス毎に大きくばらつくという問題が発生した。
【０００５】
本発明の目的は、各デバイス毎の特性のばらつきを少なくでき、且つ電磁石による必要磁界を小さく、デバイスの消費電力を小さくでき、波長依存性及び温度依存性が小さい光アッテネータを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、偏光子、ファラデー効果を有するガーネット単結晶、検光子が、その順序で配列され、前記ガーネット単結晶には電磁石によって光軸に平行な方向に磁界を印加すると共に永久磁石によって光軸に垂直な方向に磁界を印加し、それらの合成磁界によってファラデー回転角を変化させ、透過光量を制御する構造の光アッテネータである。本発明においては、光軸はガーネット単結晶の〈１１１〉方向であり、電磁石の磁界も〈１１１〉方向である。永久磁石の磁界は、光軸に垂直なガーネット単結晶の（１１１）面を中心としたステレオ投影図において、中心の（１１１）面と、最外周円上の（１１０）面と等価な面と、その（１１０）面と等価な面から中心の（１１１）面から７０度の位置にある（１１１）面に近い方に１０度以内の範囲にあり、その方向は中心の（１１１）面から最外周円上に向いて与えられる。そして、合成磁界ベクトルの変位経路は、ガーネット単結晶の（１１１）を中心としたステレオ投影図において、中心の（１１１）面と、最外周円上の（１１０）面と等価な面と、その（１１０）面と等価な面から中心の（１１１）面から７０度の位置にある（１１１）面に近い方に１０度以内の範囲内に設定されている。
【０００７】
図１はガーネット単結晶の（１１１）面を中心としたステレオ投影図である。隣り合う同心円は互いに１０度ずつ異なっている面を意味し、隣り合う径方向の線は互いに１０度ずつ異なっている面を意味する。従ってガーネット単結晶の任意の面は、このステレオ投影図内の点として示すことができる。最外周円上には（１１０）面と等価な面が６０度毎に現れ、また中心から７０度に位置する円上には（１１１）面と等価な面が１２０度毎に現れる。中心の（１１１）面と、最外周円上の（１１０）面と等価な面と、その（１１０）面と等価な面から中心の（１１１）面から７０度の位置にある（１１１）面に近い方に１０度以内の範囲とは、斜線を付した６箇所の扇形領域である。ここで最外周円上の（１１０）面と等価な面とは、（-1０１）面、（-1１０）面、（０１-1）面、（１０-1）面、（１-1０）面、（０-1１）面のことである。また中心から７０度に位置する円上の（１１１）面と等価な面とは、（-1１１）面、（１１-1）面、（１-1１）面のことである。（なお結晶の面の表記法では、負の指数については、その指数の上に横棒を引いて表すが、本明細書ではそれができないために指数にマイナス記号を付すことで表記している。）
【０００８】
ガーネット単結晶に印加する外部磁界を、ガーネット単結晶の方位を考慮して固定することにより、印加磁界に対するファラデー回転角の再現性を良くすることができる。その際、永久磁石により光軸と垂直方向にガーネット単結晶の磁化を向かせておき、電磁石により光軸方向に回転させることにより、電磁石の磁界は小さくて済む。更に永久磁石の磁界が、光軸に垂直なガーネット単結晶の（１１１）面を中心としたステレオ投影図において、中心の（１１１）面と、最外周円上の（１１０）面と等価な面と、その（１１０）面と等価な面から中心の（１１１）面から７０度の位置にある（１１１）面に近い方に１０度以内の範囲にあり、その方向が中心の（１１１）面から最外周円上に向いて与えられることにより、電磁石の磁界がゼロのとき、ガーネット単結晶の磁化が小さい磁界で光軸と垂直方向に近づき、ファラデー回転角を１０度以下にでき、最大減衰量２０ｄＢ以上を得ることができる。
【０００９】
【発明の実施の態様】
特性面では、特に、永久磁石の磁界が、光軸に垂直なガーネット単結晶の（１１１）面を中心としたステレオ投影図において、中心の（１１１）面から最外周円上の（１１０）面と等価な面の方向であり、合成磁界ベクトルの変位経路が、ガーネット単結晶の（１１１）面を中心としたステレオ投影図において、中心の（１１１）面と最外周円上の（１１０）面と等価な面を結んだ線上にすることが望ましい。しかし、組み立て精度などを考慮すると、その直線から２度程度以内の狭い範囲内に収めれば、最良状態を維持できる。
【００１０】
本発明で用いるガーネット単結晶は、例えば液相エピタキシャル（ＬＰＥ）法で作製した（ＲＢｉ）3 Ｆｅ5 Ｏ12又は（ＲＢｉ）3 （ＦｅＭ）5 Ｏ12（但し、Ｒはイットリウムを含む希土類元素から選ばれた１種以上の元素、Ｍは鉄と置換できる１種以上の元素）がよい。Ｍとしては、例えばＧａ，Ｉｎ，Ａｌ等の元素がある。その他、ガーネット単結晶は、Ｙ3 Ｆｅ5 Ｏ12でもよい。ガーネット単結晶の製造方法は、量産性などの観点から上記ＬＰＥ法が望ましいが、その他、フローティング・ゾーン（ＦＺ）法やフラックス法などでもよい。
【００１１】
【実施例】
（実施例１）
光アッテネータの消費電力を小さくするためには、小さな磁界でガーネット単結晶の磁化を回転させ、ファラデー回転角を可変できなければならない。そこで本発明者等は、図２（ａ）に示する構成の光アッテネータを作製し、ファラデー回転角、減衰量と電磁石の磁界の関係を調べた。光ファイバ１０から出射した光は、レンズ１２を介して偏光子１４、ファラデー効果を有するガーネット単結晶１６、検光子１８を通過し、レンズ２０を介して光ファイバ２２に結合する。ガーネット単結晶１６には電磁石２４により光軸方向に磁界が与えられ、更に一対の永久磁石２６，２８によって光軸と垂直な方向に磁界が与えられる。結晶位置での永久磁石２６，２８による磁界は１５０エルステッドである。ここで偏光子１４と検光子１８は、偏光分離膜を介して２個の直角三角形プリズムを接合した複合偏光プリズムであり、それぞれを通過する偏光面のなす角度が９０度になるように配置した。
【００１２】
ガーネット単結晶は次のように作製した。はじめにＰｂＯ−Ｂ2 Ｏ3 −Ｂｉ2 Ｏ3 を融剤として、液相エピタキシャル（ＬＰＥ）法により、格子定数が１２．４９６Å、組成が（ＣａＧｄ）3 （ＭｇＺｒＧａ）5 Ｏ12、形状が直径１インチで厚み５００μｍの非磁性ガーネット基板の（１１１）面上に、Ｂｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶（ＬＰＥ膜、組成Ｔｂ1.00Ｙ0.65Ｂｉ1.35Ｆｅ4.05Ｇａ0.95Ｏ12、膜厚４５０μｍ）を育成した。得られたＬＰＥ膜を３mm角に切断し、研磨により基板を除去した後、大気中で１１００℃、８時間熱処理した。熱処理するのは、成長誘導による一軸磁気異方性を低減するためである。そして、再度研磨し、３×３×０．３１mmの形状に鏡面研磨し、反射防止膜を蒸着した。最後に、１×１×０．３１mmに切断した。ＶＳＭ（振動試料型磁力計）によりガーネット単結晶の飽和磁化４πＭｓを測定したところ１２０ガウスであったため、永久磁石による磁界を１５０エルステッドに設定してガーネット単結晶を飽和させた。そして、光がガーネット単結晶の反射防止膜を蒸着した面、即ち（１１１）面に対して垂直に入射するようにして測定を行った。
【００１３】
まずＸ線回折によりガーネット単結晶の方位を調べた。その結果、図４（ａ）で示されるガーネット単結晶のＡ面〜Ｅ面は、それぞれ図４（ｂ）の（１１１）面を中心としたステレオ投影図のＡ′面〜Ｅ′面に相当することが分かった。そこで図５に示すように、３個のガーネット単結晶１６を方位を揃えて並べ、光を矢印方向に入射して、永久磁石と電磁石による合成磁界ベクトルの変位経路を図６の０〜１１０度（即ちａ〜ｌ）に１０度ずつ変えて測定した。図６は図１と基本的に同じであり、それに合成磁界ベクトルの変位経路と角度を描き加えたものである。経路ａ〜ｆまでのファラデー回転角と減衰量の測定結果を図７に、経路ｇ〜ｌまでのファラデー回転角と減衰量の測定結果を図８に示す。また経路ａ〜ｌにおける電磁石の磁界がゼロのときの減衰量を表１に示す。なお、１２０〜２３０度、２４０〜３５０度の場合も測定したが、０〜１１０度までの測定結果と同じであったため記載を省略する。測定では光源に１．５５μｍの半導体レーザを使用した。
【００１４】
【表１】
0003764825.tif 000002
【００１５】
電磁石の磁界がゼロのところに着目すると、外部印加磁界による合成磁界ベクトルの変位経路がｄとｊのとき、ファラデー回転角がゼロになり、減衰量が最大となった。経路ａとｇのとき、ファラデー回転角が−や＋の最大値になり減衰量が最小になった。これは、経路ａでは図９（ａ）、経路ｇでは図９（ｂ）のようになっており、異方性磁界の影響を受け、ガーネット単結晶の磁化が外部磁界と異方性磁界が合成された磁界ベクトル方向を向いているためと思われる。これらの結果から、特性のばらつきを抑えるためには、外部印加磁界による合成磁界ベクトルの変位経路を固定する必要があり、更に最大減衰量を大きくするためには、外部印加磁界による合成磁界ベクトルの変位経路を限定する必要があることが分かる。表１より、経路ｄ又はｊから中心の（１１１）面から７０度の位置にある（１１１）面に近い方に１０度以内においては（図１の斜線領域）、最大減衰量２０ｄＢ以上が得られており、その範囲において良好な特性の光アッテネータが得られることが分かる。また、この構成の光アッテネータは、ファラデー回転角が最小のとき最大減衰量が得られるため、波長依存性、温度依存性が小さい。
【００１６】
経路ａ等では電磁石の磁界を印加していくと、はじめ減衰量が大きくなりファラデー回転角がゼロになるところで最大減衰量が得られるが、このような挙動は減衰量を制御することが困難になり好ましくない。図１の斜線を付した扇形領域を外れたところでも、永久磁石の磁界を大きくすれば、電磁石の磁界がゼロのときガーネット単結晶の磁化は光軸に垂直に近づき、ファラデー回転角がゼロに近づく。そして、電磁石で大きな磁界を印加すれば経路ｄ又はｊと同様の結果が得られる。しかし、そうすると磁化を回転させるのに必要な電磁石の磁界が大きくなるため、デバイスが大きくなったり、消費電力が大きくなり好ましくない。
【００１７】
（実施例２）
図２（ｂ）に示す構造の光アッテネータを作製した。これは、図２（ａ）に示すものとほぼ同様の構成であるが、永久磁石を片側のみに設けたものである。それ故、対応する各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。ここでは永久磁石２６はガーネット単結晶１６の側がＮ極になっており、結晶位置での永久磁石による磁界は１５０エルステッドである。偏光子１４及び検光子１８には楔形複屈折結晶（材質はルチル）を用いた。ファラデー回転角が７５度のとき出射側の光ファイバ２２に最も結合しないように、偏光子１４と検光子１８を配置した。外部から印加する合成磁界ベクトルの変位経路を図６の経路ｄとしたときの電磁石の磁界に対するファラデー回転角と減衰量の関係を図１０に示す。電磁石の磁界が約２５０エルステッドのときに最大減衰量が得られた。
【００１８】
（比較例）
比較のために、図３に示す従来と同じ構成の光アッテネータを作製した。図３の光アッテネータは、図２（ａ）に示す光アッテネータの電磁石と永久磁石の関係を逆にしたもので、一対の永久磁石２６，２８により光軸方向に磁界を与え、電磁石２４により光軸と垂直方向に磁界を与える。ファラデー回転角が１５度のとき、出射側の光ファイバ２２に最も結合しないように、偏光子１４と検光子１８を配置した。結晶位置での永久磁石２６，２８による磁界は１５０エルスデッドである。外部から印加する合成磁界ベクトルの変位経路を図６の経路ｄとしたときの電磁石の磁界に対するファラデー回転角と減衰量の関係を図１１に示す。電磁石の磁界が約８００エルステッドのときに最大減衰量が得られた。この値は、実施例２に示す光アッテネータの３倍以上の値であった。
【００１９】
【発明の効果】
本発明は上記のように、ガーネット単結晶に対して電磁石によって光軸に平行な方向に磁界を印加すると共に永久磁石によって光軸に垂直な方向に磁界を印加し、それらの合成磁界によってファラデー回転角を変化させる際に、永久磁石の磁界方向と合成磁界ベクトルの変位経路を特定しているため、印加磁界に対するファラデー回転角の再現性が良くなり各デバイス毎の特性のばらつきを抑えることができ、且つ電磁石の磁界が小さくて済み消費電力の低減とデバイスの小型化を図ることができる。また、ファラデー回転角が最小の時に最大減衰量が得られるため、波長依存性及び温度依存性が小さくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明範囲を示す（１１１）面を中心としたステレオ投影図。
【図２】本発明における光アッテネータの基本構成図。
【図３】従来の光アッテネータの構成図。
【図４】ガーネット単結晶の実際の面と（１１１）面を中心としたステレオ投影図を示す説明図。
【図５】ガーネット単結晶の配列状態を示す説明図。
【図６】外部合成磁界ベクトルの変位経路と角度を示すステレオ投影図。
【図７】経路ａ〜ｆにおける電磁石の磁界に対するファラデー回転角と減衰量の関係を示すグラフ。
【図８】経路ｇ〜ｌにおける電磁石の磁界に対するファラデー回転角と減衰量の関係を示すグラフ。
【図９】経路ａと経路ｇにおけるガーネット単結晶の結晶磁気異方性の影響を示す説明図。
【図１０】本発明の最良モードの一つにおける電磁石の磁界に対するファラデー回転角と減衰量の関係を示すグラフ。
【図１１】従来技術における電磁石の磁界に対するファラデー回転角と減衰量の関係を示すグラフ。
【符号の説明】
１０，２２  光ファイバ
１２，２０  レンズ
１４  偏光子
１６  ガーネット単結晶
１８  検光子
２４  電磁石
２６，２８  永久磁石
【図１】
0003764825.tif 000003
【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】
0003764825.tif 000009
【図８】
0003764825.tif 000010
【図９】
0003764825.tif 000011
【図１０】
0003764825.tif 000012
【図１１】
0003764825.tif 000013