CN104145209A - 光隔离器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种小型光隔离器，适合作为用于医疗、光学计测用等用途的半导体激光中使用的光隔离器。一种光隔离器，是用于320nm～633nm波长带，其特征在于，包括：波长405nm中的费尔德常数为0.70分钟/(Oe·cm)以上的法拉第转子；以及第1中空磁铁与第2中空磁铁单元及第3中空磁铁单元，第1中空磁铁配置于法拉第转子的外周，第2中空磁铁单元及第3中空磁铁单元是在光轴上夹着第1中空磁铁而配置，第2中空磁铁单元及第3中空磁铁单元包含相对于光轴而在90度方向上等分割的2个以上的磁铁，对法拉第转子施加的磁通密度B(Oe)处于下述式(1)的范围内，配置法拉第转子的样品长L(cm)处于下述式(2)的范围内。0.8×104≦B≦1.5×104 (1)，0.25≦L≦0.45 (2)。

Description

光隔离器
技术领域
本发明涉及在320nm～633nm的波长带中使用的光隔离器(isolator)。
背景技术
以往，对于用于医疗、光学计测等用途的产业用激光(laser)，是使用紫外线(Ultraviolet，UV)及可视区的半导体激光或者灯(lamp)激发式钇铝石榴石(Yttrium Aluminum Garnet，YAG)激光的第二谐波(532nm)、第三谐波(355nm)。
近年来，该半导体激光的波长用途亦变广，正在向高输出化发展。
然而，一般而言，半导体激光具备其发光光谱(spectrum)窄而转换效率优异的特征，但相反地，对于因反射光引起的回光非常敏感，当自对光纤(fiber)的结合端面或被测定物而来的反射光返回时，存在特性会成为不稳定状态的危险性。因而，为了防止反射光返回到作为发光光源的发光元件，以使半导体激光稳定动作，不可或缺的是要在发光光源与加工体之间，配置光隔离器(an optical isolator)，以阻断自光纤向发光光源反射而返回的光，上述光隔离器具有使顺向的光透过而阻断逆向的光的功能。
此处，光隔离器包含法拉第(Faraday)转子、配置于法拉第转子的光入射侧及光出射侧的一对偏光元件、及对法拉第转子的光透过方向(光轴方向)施加磁场的磁铁(magnet)这3个主要零件。当于此形态下，光入射至法拉第转子时，会产生偏光面在法拉第转子中发生旋转的现象。这是被称作法拉第效应的现象，将偏光面旋转的角度称作法拉第旋转角，其大小θ以下述式来表示。
θ＝V×H×L
上述式中，V是费尔德常数(Verdet's constant)，是由法拉第转子的材料及测定波长决定的常数，H是磁通密度，L是法拉第转子的长度。由该式可知的是，在具备某固定大小的费尔德常数的转子中，若欲获得所需的法拉第旋转角而对法拉第转子施加的磁场越大，则越能缩短转子长度，转子长度越长，则越能减小磁通密度。
如专利文献1所记载的，作为于上述波长带中费尔德常数大的材料，有含Fe的钇铁石榴石(yttrium iron garnet，YIG)单晶体。
而且，作为其他材料，有铽-镓-石榴石(化学式：Tb3Ga5O12)等。而且，亦可使用含铅的玻璃(glass)。
为了具有光隔离器的功能，需要45°左右的法拉第旋转角。具体而言，使入射至光隔离器的光的偏光面通过法拉第转子而旋转45°，以透过各自经角度调整的入射出射偏光元件。另一方面，利用法拉第转子的不可逆性，使回光的偏光面逆向地旋转45°，成为与入射偏光元件成90°的垂直偏光面，从而回光无法透过。光隔离器正是利用该现象来使光仅沿单一方向透过，而阻止反射后返回的光。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2011-150208号公报
专利文献1中记载的YIG单晶体于波长320nm～800nm处具有大的光吸收。因而，在波长320nm～800nm处，该吸收的影响会强力显现，因此无法使用。
至今所使用的光隔离器中，例如使用铽-镓-石榴石(TGG)结晶之类的法拉第转子。TGG的费尔德常数在波长633nm处大至0.46分钟/(Oe·cm)左右，但在波长500nm～600nm处存在大的光吸收，在波长320nm～380nm、450nm～550nm处，该光吸收的影响会强力显现，因此于633nm以下的波长中，该TGG的使用存在限制。另外，1分钟(min)表示1/60度。进而，含铅的玻璃于波长320nm～800nm处的费尔德常数小，若用作法拉第转子，则光路将变长。
发明内容
本发明所欲解决的课题在于，提供一种在波长320nm～633nm处为透明且小型化的光隔离器。尤其提供一种小型光隔离器，适合作为用于医疗、光学计测用等用途的半导体激光中使用的光隔离器。
本发明所欲解决的另一课题在于提供一种光隔离器，其使用法拉第效应大的法拉第转子，且与外形小的磁铁相组合。本发明的另一课题当可根据以下的说明而明确。
上述各课题通过以下的手段＜1＞而达成。优选的实施方式＜2＞～实施方式＜11＞一并列出。
＜1＞一种光隔离器，其用于320nm～633nm波长带，上述光隔离器的特征在于，包括：波长405nm中的费尔德常数为0.70分钟/(Oe·cm)以上的法拉第转子；以及第1中空磁铁与第2中空磁铁单元及第3中空磁铁单元，上述第1中空磁铁配置于上述法拉第转子的外周，上述第2中空磁铁单元及第3中空磁铁单元是在光轴上夹着第1中空磁铁而配置，第2中空磁铁单元及第3中空磁铁单元包含相对于光轴而在90度方向上等分割的2个以上的磁铁，对上述法拉第转子施加的磁通密度B(Oe)处于下述式(1)的范围内，配置上述法拉第转子的样品长L(cm)处于下述式(2)的范围内，
0.8×104≦B≦1.5×104   (1)
0.25≦L≦0.45   (2)。
＜2＞如＜1＞所述的光隔离器，其中上述法拉第转子含有95重量％以上的下述式(I)所表示的氧化物，
Yb2O3   (I)。
＜3＞如＜2＞所述的光隔离器，其中上述氧化物为单晶体。
＜4＞如＜2＞所述的光隔离器，其中上述氧化物为陶瓷(ceramics)。
＜5＞如＜1＞至＜4＞中任一项所述的光隔离器，其中上述法拉第转子在样品长L(cm)中具有1dB以下的插入损耗与30dB以上的消光比。
＜6＞如＜1＞至＜5＞中任一项所述的光隔离器，其中第1中空磁铁与第2中空磁铁单元及第3中空磁铁单元包含钕-铁-硼(NdFeB)系磁铁。
＜7＞如＜1＞至＜6＞中任一项所述的光隔离器，其中将第1中空磁铁的磁场极性设为光轴方向，使第2中空磁铁单元及第3中空磁铁单元的磁场极性在光轴法线方向上彼此相反。
＜8＞如＜1＞至＜7＞中任一项所述的光隔离器，其中第2中空磁铁单元及上述第3中空磁铁单元是将圆筒磁铁以90度四分割的4块磁铁的集合体。
＜9＞如＜1＞至＜8＞中任一项所述的光隔离器，还包括：2片以上的平板双折射结晶及1片以上的45度旋光元件。
＜10＞如＜9＞所述的光隔离器，其中上述平板双折射结晶的光学轴相对于光轴为大致45度方向，且厚度为1.0cm以上。
＜11＞如＜1＞至＜10＞中任一项所述的光隔离器，其中第1中空磁铁、第2中空磁铁单元及第3中空磁铁单元被搭载于碳钢框体的内部。
(发明的效果)
根据＜1＞所述的发明，通过使用费尔德常数大的法拉第转子与磁通密度大的磁铁材料及磁路，可达成光隔离器的小型化。
而且，根据＜2＞所述的发明，影响偏光旋转能的Yb2O3氧化物含量为95重量％以上，因此可将Yb2O3氧化物含量为含量50重量％法拉第转子的样品长缩短至1/2左右，因此可使因高输出激光而担忧的法拉第转子的光损耗减少。
根据上述＜7＞所述的发明，可提高对法拉第转子施加的磁通密度，从而可达成进一步的小型化。
根据上述＜8＞所述的发明，除了小型化以外，可达成偏光无依存化。
附图说明
图1是表示本发明的光隔离器的结构例的截面示意图。
图2是第2中空磁铁单元8及第3中空磁铁单元9的截面示意图。
图3是沿着光轴表示光隔离器内的输入光与回光的偏光面的行为的示意图。
图4是表示法拉第旋转角为45度的磁通密度T(104Oe)的大小相对于实施例1及比较例1中使用的法拉第转子的样品长L(0.25cm～0.45cm)的图。
图5是表示基于有限元素法(finite element method)的NdFeB系磁铁的形状分析结果的图。
具体实施方式
本发明的光隔离器的特征在于包括：波长405nm中的费尔德常数为0.70分钟/(Oe·cm)以上的法拉第转子；以及第1中空磁铁与第2中空磁铁单元及第3中空磁铁单元，上述第1中空磁铁配置于上述法拉第转子的外周，上述第2中空磁铁单元及第3中空磁铁单元是在光轴上夹着第1中空磁铁而配置，第2中空磁铁单元及第3中空磁铁单元包含相对于光轴而在90度方向上等分割的2个以上的磁铁，对上述法拉第转子施加的磁通密度B(Oe)处于下述式(1)的范围内，配置上述法拉第转子的样品长L(cm)处于下述式(2)的范围内。
0.8×104≦B≦1.5×104   (1)
0.25≦L≦0.45   (2)
本发明中使用的法拉第转子是于波长320nm～633nm处，光吸收极少的透明的法拉第转子，因此亦可应对TGG结晶之类的现有转子无法发挥功能的波长带。通过对于该法拉第转子使用磁通密度大的磁铁材及磁路，可实现光隔离器的小型化。因此，可使将光隔离器装入在内的装置(device)内的空间尺寸的自由度较大。
以下详细说明本发明。
本发明的隔离器可较佳地用于320nm～633nm的波长带的激光光。此种激光包含半导体激光或灯激发式YAG激光的第二谐波(532nm)、第三谐波(355nm)。
再者，本领域技术人员可将本发明的隔离器设计变更为上述以外的波长带的激光光。
以下，参照附图来说明本发明的光隔离器的基本结构例。
图1是表示本发明的光隔离器的结构例的截面示意图。
在图1中，入射偏光元件1、法拉第转子4及出射偏光元件6是依序配置于自左侧的入射侧朝向右侧的出射侧的光轴12上。
在图1中，入射偏光元件1通过楔玻璃2而固定于光轴12上，而且，出射偏光元件6通过楔玻璃2而固定于光轴12上。于入射侧，入射偏光元件1被固定于偏光元件固定架(holder)3，于出射侧，45度旋光元件5与出射偏光元件6被固定于偏光元件固定架3。而且，于入射偏光元件1及出射偏光元件6中示出光学轴11。
法拉第转子4的形状并无特别限定，亦可为三棱柱状、四棱柱状，但优选为圆筒状。以下，以圆筒状的法拉第转子为例进行说明。
在该法拉第转子4的外周，配置有第1中空磁铁7、以及在光轴上夹着第1中空磁铁的第2中空磁铁单元8及第3中空磁铁单元9。在法拉第转子4为圆筒状的情况下，第1中空磁铁7与第2中空磁铁单元8及第3中空磁铁单元9均优选为中空圆筒状，法拉第转子4的中心轴及第1中空磁铁7的中空部与第2中空磁铁单元8、第3中空磁铁单元9的中空部的中心轴优选为同轴。而且，法拉第转子4的外径、第1中空磁铁7的中空部的内径与第2中空磁铁单元8、第3中空磁铁单元9的中空部的内径优选为大致相同，且在装配光隔离器之后进行调芯。根据该配置，法拉第转子4被配置在第1中空磁铁7的中心。
第1中空磁铁7与第2中空磁铁单元8及第3中空磁铁单元9以它们的中空部与光轴成同轴的方式而配置。上述第2中空磁铁单元8、第3中空磁铁单元9均是相对于光轴而在90度(90°)方向上，即在相对于光轴垂直的面上等分割为2个以上的多个磁铁的集合体。
图2是表示第2中空磁铁单元8、第3中空磁铁单元9的一实施方式的截面示意图。两中空磁铁均成为将圆筒磁铁以90°一分为四的4个磁铁的集合体。一分为四的磁铁单元(集合体)的加工适应性优异，因而优选。除了该一分为四的磁铁单元的形态以外，亦可为以180°一分为二的2个磁铁的集合体、或以120°一分为三的3个磁铁的集合体。
如图2所示，第2中空磁铁单元8及第3中空磁铁单元9分别被收纳于框体10的内部。
在图2所示的实施方式中，将圆筒磁铁一分为四的磁铁的磁场极性成为外周方向。此时，各磁铁彼此持有反磁力，因此若使组合而成的磁铁单元的外周外径与框体10的内径以磁铁单元可插入的方式而大致一致，则仅以各自的反磁力便可固定在框体10的内部。若利用该固定法，则可将第2中空磁铁单元8与第3中空磁铁9作为两侧的按压件，从而可无间隙地固定第1中空磁铁7，因此所构成的磁铁整体的固定可采用无需粘着剂等的高可靠性的安装。
此处，“磁场极性”是指磁化的方向。亦即磁力线的朝向。
本发明的光隔离器具有波长405nm中的费尔德常数为0.70分钟/(Oe·cm)以上的法拉第转子。对该法拉第转子进行说明。
可用在本发明的法拉第转子在波长405nm处的费尔德常数为0.70分钟/(Oe·cm)以上。只要费尔德常数为0.70分钟/(Oe·cm)以上，则无特别限定，但Yb2O3氧化物含量为100％的费尔德常数达到上限。若费尔德常数小于0.70分钟/(Oe·cm)，则将法拉第旋转角设为45°所需的法拉第转子的长度变长，从而难以使光隔离器小型化。
在本发明中，费尔德常数只要按照常法来测定即可，并无特别限定。
具体而言，切出规定厚度的氧化物，进行镜面研磨精加工，将法拉第转子设置(set)于磁通密度的大小为已知的永磁铁，对波长405nm中的费尔德常数进行测定。而且，测定条件为25±10℃，在大气中进行测定。
在本发明的光隔离器中，配置上述法拉第转子的样品长L(cm)处于下述式(2)的范围内。
0.25≦L≦0.45   (2)
若样品长超过0.45cm，则隔离器的小型化变得困难，若小于0.25cm，则用于获得所需法拉第旋转角的磁通密度的大小变大，隔离器的小型化仍变得困难。
此处，所谓配置法拉第转子的样品长，是指法拉第转子在光轴上的长度，在图1中以L来表示。
本发明中所用的法拉第转子优选为含有95％以上的以下述式(I)表示的氧化物。
Yb2O3   (I)
上述氧化物的含量更优选为99.9重量％以上，进一步优选为100重量％。
镱(Yb)与铽(Tb)同样，轨角动量(orbital angular momentum)L＝3，因此为常磁性元素，是在波长320nm～633nm处无吸收的元素。因此，镱是最适合用于该波长带的隔离器的元素。
另一方面，铽的费尔德常数大于镱，但在波长320nm～380nm、450nm～550nm处存在吸收。因此，制作尽可能多地含有该镱的化合物，可加大该化合物的费尔德常数，可加大法拉第旋转角。
进而，要制作在波长320nm～633nm处无吸收的化合物，其他的构成元素在该波长带内亦必须为透明，最适合该波长带的化合物是与在波长320nm～633nm处无吸收的元素的氧化物。
此处，决定光隔离器大小的因素是费尔德常数、磁场的大小。并且，为了使光隔离器小型化，必须开发能够尽可能地缩短作为其构成零件的法拉第转子的材料。
因此，已判明：优选的是，在所使用的波长中，费尔德常数为0.20分钟/(Oe·cm)以上，若费尔德常数小于0.20分钟/(Oe·cm)，则在所使用的磁场中，法拉第转子的长度将达到10mm以上，隔离器形状与透过损耗将变大。
并且，进一步研究、实验的结果发现：若为以重量比换算含有95重量％以上的氧化镱的材料，则费尔德常数将达到0.20分钟/Oe·cm以上，法拉第材料的长度为10mm以下，可实现隔离器的小型化，并且对于波长320nm～633nm的光几乎不会发生吸收。
以上述式(I)所表示的氧化物既可为单晶体，亦可为陶瓷。作为此种单晶体、陶瓷的制造方法，可参照日本专利特开2011-150208号公报等。
再者，当使用单晶体作为隔离器的法拉第转子时，优选在切断后，通过研磨剂等来对表面实施镜面精加工。研磨剂并无特别限定，例如可例示胶质二氧化硅(colloidal silica)。
可用于本发明的法拉第转子优选为，在本发明的光隔离器中的上述样品长L(cm)中，具有1dB以下的插入损耗与30dB以上的消光比，若考虑向光隔离器的搭载及其装配误差(error)，更优选为具有0.5dB以下的插入损耗与35dB以上的消光比。若处于上述范围内，则在可制作具有低损耗且高隔离(isolation)的光学特性的光隔离器的观点上较佳。
再者，插入损耗及消光比等的光学特性是依照常法，在波长405nm处进行测定。再者，测定条件设为25±10℃，且在大气中进行测定。
可用于本发明的法拉第转子优选为，波长405nm且样品长L cm(0.25≦L≦0.45)处的透过率(光的透过率)为80％以上，更优选为82％以上，进一步优选为85％以上。透过率优选为高，其上限并无特别限定，可为100％以下。
透过率是根据使波长405nm的光透过厚度L cm的法拉第转子时的光的强度来测定。即，透过率是由以下式来表示。
透过率＝I/Io×100
(上述式中，I表示透过光强度(透过厚度L cm的试料的光的强度)，Io表示入射光强度。)
再者，所得的氧化物的透过率并不均匀，在视测定部位而透过率存在变动的情况下，取任意10点的平均透过率来作为该氧化物的透过率。
在本发明的隔离器中，对包含第1中空磁铁与第2中空磁铁单元及第3中空磁铁单元的中空磁铁单元群追加说明。
第1中空磁铁与第2中空磁铁单元及第3中空磁铁单元优选为均采用尽可能小型的永久磁铁，且为了获得大的磁场强度，优选为使用钕-铁-硼(NdFeB)系磁铁。
在本发明的隔离器中，优选为，如图1所示，将第1中空磁铁的磁场极性设为光轴方向，且使第2中空磁铁单元的磁场极性与第3中空磁铁单元的磁场极性在光轴法线方向上彼此相反。通过采用该结构，可使给予法拉第转子的施加磁通密度达到最大。
在本发明的光隔离器的基本设计中，实现小型化的关键在于缩短法拉第转子的长度，因此，通过组合使用法拉第效应大的法拉第转子与磁通密度大的磁铁材(磁铁)及磁路，可实现小型化。而且，在半导体激光中成为问题的高功率(high power)光造成的法拉第转子的光损耗是由法拉第转子的透过率与长度来决定，因此透过率越高且长度越短的法拉第转子就越好。
在本发明的光隔离器中，优选为，于光轴上更具备2片以上的平板双折射结晶及1片以上的45度旋光元件。通过该结构，可制成偏光无依存型的光隔离器。
此时，优选为，上述平板双折射结晶的光学轴相对于光轴为大致45°方向，且厚度为1.0cm以上。例如，在使用金红石(rutile)单晶体(TiO2)的情况下，可对应于厚度的1/10、即φ1.0mm的束径为止，在α-BBO结晶(BaB2O4)的情况下，可对应于厚度的1/30左右、即φ0.35mm的束径为止。
伴随半导体激光的高输出化，作为对所搭载的光隔离器的要求事项，可列举：光隔离器须为偏光无依存型，即，各零件对高功率光具备耐性且不受所传播的光的偏光状态影响。为了应对该要求，作为所使用的偏光元件，优选为利用其折射率差来分离光束的双折射结晶。作为代表性的双折射结晶，有在波长400nm～633nm处为透明的钒酸钇(YVO4)、金红石单晶体(TiO2)、在波长350nm～633nm处为透明的方解石单晶体(CaCO3)、在波长190nm～633nm处为透明的α-BBO结晶(BaB2O4)，只要配合半导体激光的振盪波长来使用透明的双折射结晶即可。而且，为了实现前述的偏光无依存化，优选为，以双折射结晶的光学轴相对于光轴成大致45度的方式，来实施平板加工。而且，偏光元件的厚度与异常光的分离距离存在比例关系，因此只要分别精度良好地加工成满足所需的光束位移(beam shift)量的厚度即可。配置2片该平板型双折射偏光元件来作为入射出射偏光元件，在这2片偏光元件之间，配置在波长320nm～633nm中的任一波长处法拉第旋转角为45度的法拉第转子、在同一波长处使偏光面旋转45度的45度旋光元件、及在其周围对法拉第转子的光轴方向给予磁场的磁铁，从而构成偏光无依存型光隔离器。
在图3中，沿着光轴来表示光隔离器内的输入光与回光的偏光面的行为。
在图3的上段表示输入光的偏光面的行为。最初，输入光依照斯奈尔定律(Snell's law)而被分离为：向入射偏光元件的光学轴偏光方向位移的异常光、与在相对于光学轴为垂直偏光方向上直进的寻常光这2束光。入射光在入射偏光元件1中，偏光面分别被分离为0度、90度的寻常光、异常光，通过法拉第转子4分别向右旋转45度。1/2波长板的光学轴是于面内设为22.5度而配置，以使该偏光面的角度进一步向右旋转45度。当于该结构中，若寻常光、异常光透过1/2波长板，则偏光面均向右旋转45度，因此寻常光、异常光各自的偏光面旋转90度。其结果，在出射偏光元件6中，在与入射偏光元件1相同的方向上具有光学轴，因此寻常光光束位移成异常光，异常光作为寻常光而直进，两束光一致，而实现偏光无依存化。
在图3的下段表示回光的偏光面的行为。回光是利用法拉第转子的不可逆性，使偏光面逆向地旋转45°，成为与入射偏光元件成90°的垂直偏光面，从而回光无法透过。
本发明的光隔离器优选为，将第1中空磁铁与第2中空磁铁单元及第3中空磁铁单元搭载于碳钢框体中。通过收纳于碳钢框体中，从而于磁铁的周围构成磁轭(yoke)(轭铁)材，因此可使磁铁所具备的吸附力或吸引力增大。
再者，如在图2的说明中所述的那样，使等分割的4个磁铁单元的外周外径与框体10的内径以磁铁可插入的方式而大致一致，则仅利用各磁铁的反磁力便可将2个磁铁单元固定于框体的内部。
[实施例]
(实施例1)
制作图1所示结构的405nm波长带光隔离器。
作为入射偏光元件1及出射偏光元件6，使用在405nm处具有高透明性的α-BBO结晶(BaB2O4)，其透光面被加工成1.0cm厚的平行平板，其光学轴11相对于光轴12而倾斜47.8度。图1中，是以倾斜方向位于纸面正中的方式而绘出。进而，该平板型偏光元件对透光面施以中心波长405nm的抗反射膜，并且，为了避免透光面的反射光返回入射光路，将偏光元件底面粘着固定于具备仅5度的倾斜角度的楔玻璃2上，并搭载至偏光元件固定架3。
而且，法拉第转子4是以位于第1中空磁铁7的中空部中心的方式，而固定于磁场分布达到最大的位置，该磁场分布是由将第2中空磁铁单元8与第3中空磁铁单元9合起来的所有磁铁所形成。第2磁铁单元及第3磁铁单元如图2所示，是组合使用等分割为4个的磁铁。依入射光路顺序而配置于法拉第转子4之后的45度旋光元件5，是使用以人工水晶为材质的1/2波长板，对其透光面施以中心波长405nm的抗反射膜。
作为法拉第转子，以0.25cm～0.45cm的样品长来使用波长405nm处的费尔德常数为0.70分钟/(Oe·cm)以上的镱氧化物。在法拉第转子的外周，配置有包含钕-铁-硼(NdFeB)系磁铁的中空磁铁。在该中空磁铁两侧，配置磁场极性相反且相对于光轴而在90度方向上等分割为4个的中空磁铁单元，分割的各磁铁的磁场极性构成设为光轴法线方向的磁路。而且，在磁铁及磁铁单元的外侧，配置有碳钢框体。
再者，前述的光束位移量是依存于平行平板偏光元件的厚度。在将平行平板偏光元件的厚度设为1.0cm的本实施例中，光束位移量为约0.35mm。回光亦自入射位置分别上下相隔0.35mm而分离并出射，因此若考虑光隔离器功能，作为最大束径(1/e2)，可应对至φ0.35mm为止。而且，基于缩小高功率光的功率密度等的目的，而采用更大的束径的情况下，要确保法拉第转子的有效区域，只要将平行平板偏光元件的厚度设为1.0cm以上的任意大小即可。
接下来，对于本实施例1中使用的法拉第转子4的详细进行说明。作为材料，使用含有100重量％的镱氧化物的Yb2O3陶瓷。上述Yb2O3陶瓷是依照日本专利特开2011-150208号公报中记载的方法而制作。具体而言，将高纯度Yb2O3粉末予以粉碎后，添加乙醇(ethanol)、乙二醇(ethylene glycol)进行湿式混合，制成浆料(slurry)状，并使用成型器来将该浆料成型。使成型体在氩气体环境中以1,600℃烧结2小时，从而获得陶瓷。
在波长405nm处测定该陶瓷后可知，该陶瓷具有插入损耗0.5dB、消光比40dB、费尔德常数0.74分钟/(Oe·cm)的光学特性。再者，此时测定的样品为外径(直径)φ0.3cm、长度0.4cm的圆筒形状。
图4中，在使实施例1中使用的陶瓷的样品长在0.25cm～0.45cm的范围内逐次变化0.05cm的情况下，表示法拉第旋转角为45度的磁通密度T(104Oe)作为样品长L的函数。
此处，在前述样品样品长为0.4cm的情况下，若根据实施例1的费尔德常数(0.74分钟/(Oe·cm))值计算法拉第旋转角为45度的磁通密度，则可知，所需的磁通密度为约9,100[Oe](＝0.91[T])。
(比较例1)
如图4所示，作为比较例1，制作将含有50重量％的镱氧化物的Yb2O3陶瓷(费尔德常数0.37分钟/(Oe·cm))作为法拉第转子的光隔离器。
若计算对该Yb2O3陶瓷施加的磁通密度，则可知：在样品长0.4cm时所需的磁通密度为约18,200[Oe](＝1.82[T])，同样地，在表示磁通密度的下限值的样品长0.45cm时，所需的磁通密度为约16,000[Oe](＝1.6[T])。
因而，在本发明的光隔离器中，磁通密度相对于样品长的关系具有实施例1所示的关系，均处于满足前述＜1＞中的式(1)的范围内。
与Yb2O3为50重量％的法拉第转子中所用的磁铁相比，本发明的隔离器中，可减小法拉第转子的样品长及施加的磁通密度，因此可缩小磁铁的外径，其结果，可实现光隔离器的小型化。除了光隔离器的制品形状的小型化以外，还可实现自光隔离器洩漏至外部的磁场的降低。
为了将其具体化，将各磁铁外径作为参数，并通过磁场分析来求出所获得的磁通密度分布。作为分析方法，选择有限元法(JMAG-Designer)，磁铁材质采用信越化学工业(株)制钕-铁-硼(NdFeB)磁铁，框体10的材质采用碳钢。将模拟(simulation)结果示于图5。
再者，图5中的磁铁的内径φ(直径)及φ外径(直径)如下。
实施例1(样品长0.45cm)：磁铁内径φ0.4cm、外径φ1.4cm
实施例1(样品长0.40cm)：磁铁内径φ0.4cm、外径φ1.6cm
实施例1(样品长0.25cm)：磁铁内径φ0.4cm、外径φ2.4cm
比较例1(样品长0.45cm)：磁铁内径φ0.4cm、外径φ3.4cm
图5中，Z(cm)表示自配置法拉第转子的中心轴算起的距离，0cm表示中心轴上的中央(所配置的法拉第转子的正中)。即，在法拉第转子的样品长为0.45cm的情况下，法拉第转子的端点相当于Z＝±0.225cm，同样地，在法拉第转子的样品长为0.40cm的情况下，法拉第转子的端点相当于Z＝±0.20cm。
图5的模拟结果可知，相对于光轴方向(Z)，可获得稳定的磁通密度。
满足式(1)、式(2)的上限磁通密度表示实施例1中的样品长0.25cm的磁通密度分布，下限的磁通密度表示实施例1中的样品长0.45cm的磁通密度分布，各磁铁形状如上所述，设为内径φ0.4cm、外径φ1.4cm(下限值)～φ2.4cm(上限值)。
为了满足给予实施例1中所使用的法拉第转子4(样品长0.4cm、外径φ0.3cm)的磁通密度9,100[Oe](＝0.91[T])，图5中的实施例1(样品长0.40cm)为最佳。根据该结果，对于采用实施例1的结构时使用的磁铁形状，在将第1中空磁铁、第2中空磁铁及第3中空磁铁加以组合而实际制作时，设为内径φ0.4cm、外径φ1.6cm、长度3.2cm。在波长405nm处实测该组装结构品的法拉第旋转角，结果为45.0度，与模拟结果一致。于其中将于405nm处为透明的α-BBO结晶(BaB2O4)作为偏光元件来装配光隔离器，便可制作具有插入损耗0.7[dB]、隔离35[dB]的光学特性的光隔离器。
关于使用作为比较例1所示的现有结构的下限值的样品长0.45cm中的Yb2O3为50％的陶瓷的磁铁形状，为内径φ0.4cm、外径φ3.4cm、长度3.8cm，因此若比较两者则可知，在本发明中，与现有品相比，可实现体积比80％的尺寸降低(size down)。
而且，普遍知晓的是，费尔德常数存在波长依存性，若波长变长，则常数会变小。因此，亦在作为320nm～633nm中的上限波长的633nm处，评价费尔德常数。其结果可知，对于分别使用的Yb2O3陶瓷的费尔德常数，相对于比较例1的0.11分钟/(Oe·cm)，在实施例1中满足0.22分钟/(Oe·cm)及着眼于法拉第转子的短条化的0.20分钟/(Oe·cm)。因而，本发明的光隔离器展现出：所使用的各零件及其结构于320nm～633nm波长带中具备低损耗且高隔离的特性，可作为充分小型化的光隔离器而发挥作用。
【符号说明】
1：入射偏光元件
2：楔玻璃
3：偏光元件固定架
4：法拉第转子
5：45度旋光元件
6：出射偏光元件
7：第1中空磁铁
8：第2中空磁铁单元
9：第3中空磁铁单元
10：框体
11：光学轴
12：光轴

Claims (11)

1.一种光隔离器，其用于320nm～633nm波长带，上述光隔离器的特征在于，包括：波长405nm中的费尔德常数为0.70分钟/(Oe·cm)以上的法拉第转子；以及第1中空磁铁与第2中空磁铁单元及第3中空磁铁单元，上述第1中空磁铁配置于上述法拉第转子的外周，上述第2中空磁铁单元及上述第3中空磁铁单元是在光轴上夹着上述第1中空磁铁而配置，
上述第2中空磁铁单元及上述第3中空磁铁单元包含相对于上述光轴而在90度方向上等分割的2个以上的磁铁，对上述法拉第转子施加的磁通密度B(Oe)处于下述式(1)的范围内，配置上述法拉第转子的样品长L(cm)处于下述式(2)的范围内。
0.8×104≦B≦1.5×104   (1)
0.25≦L≦0.45   (2)
2.如权利要求1所述的光隔离器，其中，上述法拉第转子含有95重量％以上的下述式(I)所表示的氧化物.。
Yb2O3   (I)
3.如权利要求2所述的光隔离器，其中上述氧化物为单晶体。
4.如权利要求2所述的光隔离器，其中，上述氧化物为陶瓷。
5.如权利要求1-4中任一项所述的光隔离器，其中,上述法拉第转子在样品长L(cm)中具有1dB以下的插入损耗与30dB以上的消光比。
6.如权利要求1-5中任一项所述的光隔离器，其中上述第1中空磁铁与上述第2中空磁铁单元及上述第3中空磁铁单元包含钕-铁-硼(NdFeB)系磁铁。
7.如权利要求1-6中任一项所述的光隔离器，其中将上述第1中空磁铁的磁场极性设为光轴方向，使上述第2中空磁铁单元及上述第3中空磁铁单元的磁场极性在光轴法线方向上彼此相反。
8.如权利要求1-7中任一项所述的光隔离器，其中第2中空磁铁单元及上述第3中空磁铁单元是将圆筒磁铁按90度四分割的4块磁铁的集合体。
9.如权利要求1-8中任一项所述的光隔离器，还包括：
2片以上的平板双折射结晶及1片以上的45度旋光元件。
10.如权利要求9所述的光隔离器，其中上述平板双折射结晶的光学轴相对于光轴为大致45度方向，且厚度为1.0cm以上。
11.如权利要求1-10中任一项所述的光隔离器，其中上述第1中空磁铁、上述第2中空磁铁单元及上述第3中空磁铁单元被搭载于碳钢框体的内部。
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