DE102009001105A1

DE102009001105A1 - Faraday-Rotator

Info

Publication number: DE102009001105A1
Application number: DE102009001105A
Authority: DE
Inventors: Nobuo Nakamura; Koichiro Ichikawa Maki
Original assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Priority date: 2008-03-24
Filing date: 2009-02-24
Publication date: 2009-10-01
Anticipated expiration: 2029-02-25
Also published as: CN101546051A; JP2009229802A; DE102009001105B4; JP5239431B2; US7898720B2; US20090237771A1; CN101546051B

Abstract

Ein Faraday-Rotator umfasst ein Magnetelement, das aus einem ersten Magnet (1), der in Richtung einer Magnetisierung senkrecht zu der optischen Achse und in Richtung auf die optische Achse hin magnetisiert ist, einem zweiten Magnet (2), der in einer Magnetisierungsrichtung senkrecht zu der optischen Achse und einer Richtung von der optischen Achse weg magnetisiert ist, sowie einem dritten Magnet (3) gebildet ist, der zwischen dem ersten Magnet (1) und dem zweiten Magnet (2) angeordnet ist, und der in einer Magnetisierungsrichtung parallel zu der optischen Achse und in einer Richtung von dem zweiten Magnet (2) zu dem ersten Magnet (1) magnetisiert ist. Ein durchgehendes Loch (Hohlräume), in dem ein Faraday-Element (5) angeordnet ist, ist durch die Mitten dieser Magnete bereitgestellt, und, wenn die Länge des ersten Magneten (1) und die des zweiten Magneten (2) in Richtung der optischen Achse beide durch L₂ gegeben sind, und die Länge des dritten Magneten (3) in Richtung der optischen Achse durch L₃ gegeben ist, die nachstehende Beziehung gilt: L₂/10 ≦ L₃ ≦ L₂.

Description

Die Erfindung betrifft eine magnetooptische Vorrichtung, die bei optischen Kommunikationssystemen, Laserverarbeitungssystemen usw. verwendet wird. Sie betrifft insbesondere eine Verbesserung bei einem Faraday-Rotator, der beispielsweise bei einem optischen Isolator verwendet wird, mittels dessen von einer Lichtquelle emittiertes und an einer Endfläche eines optischen Elementes reflektiertes Licht davon abgehalten wird, zur Lichtquelle zurückzukehren.
Der Faraday-Rotator ist ein Funktionselement, das im Wesentlichen aus einem Faraday-Element und einem Magnet besteht, der ein Magnetfeld an dieses Faraday-Element anlegt, um den Faraday-Effekt zu erzeugen. Er wird bei magnetooptischen Vorrichtungen wie etwa einem optischen Isolator verwendet, der zum Unterbrechen von zu einem Halbleiterlaser zurückkehrendem Licht benötigt wird, um dessen Laserbetrieb zu stabilisieren; der Halbleiterlaser wird bei optischen Kommunikationssystemen, Laserverarbeitungssystemen usw. verwendet.
1 zeigt eine Schnittansicht eines grundlegenden Faraday-Rotators, der in bekannten optischen Kommunikationssystemen verwendet wird. In 1 bezeichnet das Bezugszeichen 10 einen Permanentmagneten (ein Magnetelement), welcher in Richtung der (durch schwarze Pfeile gezeigten) optischen Achse magnetisiert ist, und der im Allgemeinen zylinderförmig ist, wobei in einem durchgängigen Loch ein Faraday-Element 11 eingefügt ist. Das Faraday-Element 11 erzeugt den Faraday-Effekt mit Hilfe eines in Richtung der optischen Achse ausgebildeten Magnetfeldes, das in dem durchgehenden Loch in dem Permanentmagneten 10 ausgebildet wird. Üblicherweise liegt das bei optischen Kommunikationssystemen verwendete Wellenlängenband von Licht im Bereich von 1,3 μm bis 1,7 μm, und bei einigen optischen Isolatoren wurde der Faraday-Rotator in einer derartigen Form verwendet, dass eine seltene Erde-Eisen-Granat-Schicht als das Faraday-Element in den Permanentmagneten eingefügt ist.
In jüngster Zeit gibt es eine ansteigende Nachfrage für zum Schutz von Halbleiterlasern verwendete optische Isolatoren, die zur Anwendung kommen, wenn Faserlaser für Verarbeitungsmaschinen angeregt werden. Die dabei verwendete Lichtwellenlänge ist eine kürzere Wellenlänge als das optische Kommunikationsband, und hauptsächlich eine Wellenlänge von etwa 1 μm. Bei einer derartigen Wellenlänge von etwa 1 μm weist jedoch die Schicht aus einem seltene Erden-Eisen-Granat eine zu große Lichtabsorption auf, um beständig genug für die Verwendung zu sein. Folglich wird ein paramagnetisches Material wie etwa (das nachstehend in einigen Fällen einfach „TGG” genannte) Terbium-Gallium-Granat oder Terbiumglas als das Faraday-Element verwendet.
Insbesondere wenn der Faraday-Rotator bei dem optischen Isolator verwendet wird, wird die Lichtpolarisationsebene mit Hilfe des Faraday-Effektes gedreht, und muss in einem (nachstehend „Faraday-Drehwinkel” genannten) Winkel von 45° (nachstehend auch „45°”) gedreht werden.
Es kommt zu einem Faraday-Drehwinkel = V × L × H, wobei die Länge eines Faraday-Elementes mit L bezeichnet ist, die Verdet-Konstante mit V bezeichnet ist, und das magnetische Feld in Richtung der optischen Achse mit H bezeichnet ist.
Die Verdet-Konstante ist räumlich invariabel, aber das durch einen Magnet in Richtung der optischen Achse ausgebildete Magnetfeld ist nicht notwendigerweise invariabel. Daher gilt die nachstehende Formel (2): Faraday-Drehwinkel = ΣV·H(L)·ΔL.
Das paramagnetische Material wie etwa TGG oder Terbiumglas weist jedoch eine kleine Verdet-Konstante auf, und dessen Befähigung zum Drehen der Polarisationsebene ist so gering, dass es ein starkes Magnetfeld erfordern kann. Folglich erforderte dies, dass das paramagnetische Material von einer ausgedehnten Größe war, die in Richtung der optischen Achse lang ist, wobei gleichzeitig der Permanentmagnet ebenso ausgedehnt ist, der dieses paramagnetische Material magnetisiert.
Dabei führt eine ausgedehnte Ausbildung des paramagnetischen Materials und des Permanentmagneten nicht nur zu einem Anstieg der Kosten, sondern erschwert außerdem aufgrund eines starken Leckmagnetfeldes den Zusammenbau des optischen Isolators und außerdem den Einbau des optischen Isolators der Vorrichtung.
Wenn das paramagnetische Material in Richtung der optischen Achse länglich ausgedehnt ist, absorbiert außerdem das paramagnetische Material Licht, so dass es eine hohe Temperatur annimmt, wenn Laserlicht hindurch übertragen wird, was dazu führt, dass der Faraday-Drehwinkel von 45° abweicht, was außerdem zu einer Verringerung der für einen optischen Isolator erforderlichen Leistungsfähigkeit führt.
Als Mittel zur Lösung derartiger Probleme wurde bereits ein Faraday-Rotator entwickelt, bei dem gemäß 5 ein Magnetelement mit einem durchgehenden Loch aus einem ersten Magneten 1, der in Richtung einer Magnetisierung senkrecht zu der optischen Achse und in Richtung auf die optische Achse hin magnetisiert gehalten ist, und einem zweiten Magneten 2 ausgebildet ist, der in Richtung einer zu der optischen Achse senkrechten Magnetisierung und in Richtung von der optischen Achse weg magnetisiert gehalten ist, wobei ein Faraday-Element 5 innerhalb des durchgehenden Lochs des Magnetelementes angeordnet ist, so dass die magnetische Feldstärke des Faraday-Elementes 5 verbessert wird [vergleiche die japanische Offenlegungsschrift Nr. 2004-302412 (nachstehend „Patentdruckschrift 1” genannt) und die japanische Offenlegungsschrift Nr. 2007-248779 (nachstehend „Patentdruckschrift 2” genannt)].
Somit ermöglichten die in diesen Patentdruckschriften 1 und 2 offenbarten Mittel eine Verbesserung bei der magnetischen Feldstärke für das Faraday-Element. Damit jedoch der Faraday-Rotator noch kompakter ausgebildet werden kann, wird nach der Entwicklung einer stärkeren Struktur für das Magnetelement gesucht.
Ferner wird zur Lösung des Problems, dass der Faraday-Drehwinkel aufgrund eines Temperaturanstiegs des paramagnetischen Materials (Faraday-Elements) abweichen kann, ein Verfahren als effektiv betrachtet, bei dem eine Vielzahl von kurzen paramagnetischen Materialien in Kombination eingestellt werden, so dass die Wärmeverteilungseigenschaften verbessert sind, beispielsweise ein Verfahren, bei dem zwei Faraday-Rotatoren in Reihe geschaltet sind, die einen Faraday-Drehwinkel von 22,5° bereitstellen.
Falls jedoch die in der Patentdruckschrift 1 offenbarten Faraday-Rotatoren in Reihe geschaltet werden, gibt es das Problem, dass das auf die Faraday-Elemente angelegte Magnetfeld zu einer geringen Festigkeit führen kann, wenn kein ausreichender Raum zwischen den beiden Faraday-Rotatoren bereitgestellt wird.
Außerdem kann ein Verfahren in Erwägung gezogen werden, bei dem die Struktur des in der Patentdruckschrift 2 offenbarten optischen Isolators angewendet wird, die zwei Faraday-Rotatoren aufweist. Dieser in der Patentdruckschrift 2 offenbarte optische Isolator ist jedoch eine Vorrichtung, die als solche Kraft der Struktur eines optischen Isolators in so genannter Semidoppelbauart arbeitet, bei dem ein Polarisator zwischen Faraday-Rotatoren angeordnet ist, die einen Faraday-Drehwinkel von 45° bereitstellen (ein derartiger optischer Isolator mit einem zwischen Faraday-Rotatoren angeordneten Polarisator wird eine optische Isolatorstruktur in Semidoppelbauart genannt, wobei Faraday-Rotatoren verwendet werden, die einen Faraday-Drehwinkel von 45° bereitstellen). Falls der durch die beiden Faraday-Elemente bereitgestellte Faraday-Drehwinkel auf 22,5° unter dem Aufbau der in der Patentdruckschrift 2 offenbarten Magnete vorgesehen wird, kann die Vorrichtung somit nicht effektiv arbeiten, wenn ein optischer Isolator unter Verwendung von diesen in Verbindung mit dem Polarisator ausgebildet wird.
Die Erfindung erfolgte in Anbetracht dieser Probleme, und ihr liegt die Aufgabe zugrunde, einen noch kompakteren (kleineren) Faraday-Rotator bereitzustellen, und außerdem einen kompakten Faraday-Rotator bereitzustellen, der effektiv als Faraday-Rotator arbeiten kann, selbst wenn zwei Stück von diesen Faraday-Rotatoren in Reihe geschaltet sind.
Genauer ist eine erste Ausgestaltung der Erfindung ein Faraday-Rotator mit einem Magnetelement, das in seiner Mitte ein durchgehendes Loch aufweist, durch das Licht passieren soll, und einem Faraday-Element mit einem paramagnetischen Material, das innerhalb des durchgehenden Lochs angeordnet ist, und durch das das Licht zu übertragen ist, wobei: das magnetische Element gebildet ist aus einem ersten Magnet, der in Richtung einer Magnetisierung senkrecht zu der optischen Achse und in Richtung auf die optische Achse hin magnetisiert ist, einem zweiten Magnet, der in einer Magnetisierungsrichtung senkrecht zu der optischen Achse und einer Richtung von der optischen Achse weg magnetisiert ist, sowie einem dritten Magnet, der zwischen dem ersten Magnet und dem zweiten Magnet angeordnet ist, und der in einer Magnetisierungsrichtung parallel zu der optischen Achse und in einer Richtung von dem zweiten Magnet zu dem ersten Magnet magnetisiert ist; Hohlräume, die das durchgehende Loch des Magnetelementes bilden, in der Mitte des ersten und zweiten Magneten und des dritten Magneten bereitgestellt sind; das Faraday-Element in einem Mittenabschnitt in Längsrichtung des aus diesen Hohlräumen gebildeten durchgehenden Lochs angeordnet ist; und, wenn die Länge des ersten Magneten und die des zweiten Magneten in Richtung der optischen Achse zueinander gleich sind und beide durch L₂ gegeben sind, und die Länge des dritten Magneten in Richtung der optischen Achse durch L₃ gegeben ist, die Beziehung der nachstehenden Formel (1) gilt: L2/10 ≤ L3 ≤ L2.
Die zweite Ausgestaltung der Erfindung ist ein Faraday-Rotator mit einem Magnetelement mit einem durchgehenden Loch in seiner Mitte, durch das Licht passieren soll, und einem Faraday-Element mit einem paramagnetischen Material, das innerhalb des durchgehenden Lochs angeordnet ist, und durch das das Licht zu übertragen ist, wobei: zwei Stück des Faraday-Rotators gemäß der ersten Ausgestaltung der Erfindung in Richtung der optischen Achse in Reihe geschaltet sind, wobei ein Paar aus vierten Magneten, die aus einem Innenmagneten mit einem mit den durchgehenden Löchern eines ersten Faraday-Rotators und eines zweiten Faraday-Rotators in Verbindung stehenden Hohlraums sowie einem Außenmagneten mit einem größeren Hohlraum als dem äußeren Durchmesser des Innenmagneten, in dessen Hohlraum der gesamte Innenmagnet eingepasst ist, gebildet sind, zwischen dem ersten Faraday-Rotator und dem zweiten Faraday-Rotator angeordnet ist, und wobei der Innenmagnet und der Außenmagnet in Richtung einer Magnetisierung parallel zu der optischen Achse und in zueinander entgegengesetzten Richtungen magnetisiert sind.
Der Faraday-Rotator gemäß der ersten Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetelement aus einem ersten Magneten, der in Richtung der Magnetisierung senkrecht zu der optischen Achse und in einer Richtung auf die optische Achse hin magnetisiert ist, einem zweiten Magneten, der in Richtung einer Magnetisierung senkrecht zu der optischen Achse und einer Richtung von der optischen Achse weg magnetisiert ist, sowie einem dritten Magneten gebildet ist, der zwischen dem ersten Magneten und dem zweiten Magneten angeordnet ist, und der in Richtung einer Magnetisierung parallel zu der optischen Achse und in einer Richtung von dem zweiten Magneten zu dem ersten Magneten magnetisiert ist; wobei Hohlräume, die das durchgehende Loch des Magnetelementes bilden, in den Mitten des ersten und zweiten Magneten und des dritten Magneten bereitgestellt sind; das Faraday-Element in einem Mittenabschnitt in der Längenrichtung des aus diesen Hohlräumen gebildeten durchgehenden Lochs angeordnet ist; und, wenn die Länge des ersten Magneten und die des zweiten Magneten in Richtung der optischen Achse zueinander gleich sind und beide durch L₂ gegeben sind, und die Länge des dritten Magneten in Richtung der optischen Achse durch L₃ gegeben ist, die Beziehung der vorstehend angeführten Formel (1) gilt.
Somit kann im Vergleich zu den in den Patentdruckschriften 1 und 2 offenbarten Mitteln die magnetische Feldstärke für das Faraday-Element gemäß der Wirkung des dritten Magneten, der in Richtung einer Magnetisierung parallel zu der optischen Achse und in einer Richtung von dem zweiten Magneten zu dem ersten Magneten magnetisiert ist, weiter verbessert werden. Daher ist bei dem Faraday-Element dessen Längendimension in Richtung der optischen Achse reduziert, was zu einer kompakteren Ausbildung des Faraday-Rotators führen kann.
Der Faraday-Rotator gemäß der zweiten Ausgestaltung der Erfindung ist außerdem dadurch gekennzeichnet, dass zwei Stück des Faraday-Rotators gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung in Richtung der optischen Achse in Reihe geschaltet sind, wobei ein Paar vierter Magneten, die aus einem Innenmagneten mit einem in Verbindung mit den durchgehenden Löchern eines ersten Faraday-Rotators und eines zweiten Faraday-Rotators stehendem Hohlraum und einem Außenmagneten mit einem größeren Hohlraum als dem äußerem Durchmesser des Innenmagneten, in dessen Hohlraum der gesamte Innenmagnet eingepasst ist, gebildet sind, zwischen dem ersten Faraday-Rotator und dem zweiten Faraday-Rotator angeordnet ist, und bei dem der Innenmagnet und der Außenmagnet in Magnetisierungsrichtungen parallel zu der optischen Achse und in zueinander entgegengesetzten Richtungen magnetisiert sind.
Aufgrund der Wirkung des Paares von vierten Magneten, die aus einem Innenmagneten und einem Außenmagneten gebildet sind, und bei dem der Innenmagnet und der Außenmagnet in Magnetisierungsrichtungen parallel zu der optischen Achse und in zueinander entgegengesetzten Richtungen magnetisiert sind, kann somit das an die Faraday-Elemente angelegte Magnetfeld nicht leicht zu einer geringen Festigkeit führen, selbst wenn der erste Faraday-Rotator und der zweite Faraday-Rotator in Reihe geschaltet sind, ohne dass ein ausreichender Raum zwischen ihnen bereitgestellt ist. Daher kann ein Temperaturanstieg aufgrund von Lichtabsorption bei den Faraday-Elementen vermieden werden, und dies kann zu einer sehr viel kompakteren Ausbildung des Faraday-Rotators führen, während der Faraday-Drehwinkel stabil gehalten wird.
Die Erfindung ist nachstehend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine Schnittansicht eines bei optischen Kommunikationssystemen verwendeten grundlegenden Faraday-Rotators;
2 eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen Faraday-Rotators;
3 eine Schnittansicht eines Faraday-Rotators gemäß Beispiel 1;
4 eine Schnittansicht eines ersten Magneten als Bestandteil des Faraday-Rotators gemäß Beispiel 1;
5 eine Schnittansicht eines Faraday-Rotators gemäß Vergleichsbeispiel 1 (Stand der Technik);
6 eine graphische Darstellung des Vergleichs der magnetischen Feldstärke in Richtung der optischen Achse zwischen dem Faraday-Rotator gemäß Beispiel 1 und dem gemäß Vergleichsbeispiel 1;
7 eine Schnittansicht eines Faraday-Rotators gemäß einer Abwandlung der Erfindung; und
8 eine Schnittansicht eines Faraday-Rotators gemäß Beispiel 2.
Nachstehend sind die bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben.
Der Faraday-Rotator gemäß der ersten Ausgestaltung der Erfindung umfasst ein Magnetelement mit einem durchgehenden Loch in dessen Mitte, wodurch Licht passieren soll, sowie ein Faraday-Element aus einem paramagnetischen Material, das innerhalb des durchgehenden Lochs angeordnet ist, und durch das Licht zu übertragen ist, und ist wie folgt gekennzeichnet.
Das Magnetelement umfasst einen ersten Magneten, der in einer Magnetisierungsrichtung senkrecht zu der optischen Achse und einer Richtung zu der optischen Achse hin magnetisiert ist, einen zweiten Magneten, der in einer Magnetisierungsrichtung senkrecht zu der optischen Achse und einer Richtung von der optischen Achse weg magnetisiert ist, sowie einen dritten Magneten, der zwischen dem ersten Magneten und dem zweiten Magneten angeordnet ist, und der in einer Magnetisierungsrichtung parallel zu der optischen Achse und einer Richtung von dem zweiten Magneten zu dem ersten Magneten magnetisiert ist. Hohlräume, welche das durchgehende Loch des Magnetelementes bilden, sind in den Zentren des ersten und zweiten Magneten und des dritten Magneten bereitgestellt, und ein Faraday-Element ist in einem Zentralabschnitt in der Längsrichtung des aus diesen Hohlräumen gebildeten durchgehenden Lochs angeordnet. Wenn die Länge des ersten Magneten und die des zweiten Magneten in der Richtung der optischen Achse zueinander gleich sind und durch L₂ gegeben sind, und die Länge des dritten Magneten in der Richtung der optischen Achse durch L₃ gegeben ist, gilt die Beziehung der nachstehend angeführten Formel (1): L2/10 ≤ L3 ≤ L2.
Bei dem vorstehend beschriebenen Aufbau spielt der dritte Magnet, der in einer Magnetisierungsrichtung parallel zu der optischen Achse und einer Richtung von dem zweiten Magneten zu dem dritten Magneten magnetisiert ist, eine unterstützende Rolle, um das durch die Wechselwirkung des ersten Magneten und des zweiten Magneten auszubildende magnetische Feld zu stärken. Falls die Länge des dritten Magneten in der Richtung der optischen Achse zu klein ist, kann die Rolle als Hilfsmagnet nicht ausgefüllt werden. Falls sie andererseits zu groß ist, kann es umgekehrt zu einer Abschwächung des durch die Wechselwirkung des ersten Magneten und des zweiten Magneten zu erzeugenden Magnetfeldes kommen. Daher wird die Länge des dritten Magneten innerhalb des Bereiches gemäß Formel (1) eingestellt.
Als zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung können zwei Stück der vorstehend beschriebenen Faraday-Rotatoren in Richtung der optischen Achse in Reihe geschaltet werden, wobei ein Paar vierter Magnete mit einem Innenmagneten, der einen mit den durchgehenden Löchern eines ersten Faraday-Rotators und eines zweiten Faraday-Rotators in Verbindung stehendem Hohlraum aufweist, sowie einem Außenmagneten, der einen größeren Hohlraum als der äußere Durchmesser des Innenmagneten aufweist, und in dessen Hohlraum der gesamte Innenmagnet eingepasst ist, zwischen dem ersten Faraday-Rotator und dem zweiten Faraday-Rotator angeordnet ist. Der Innenmagnet und der Außenmagnet sind in Magnetisierungsrichtungen parallel zu der optischen Achse und in zueinander entgegengesetzten Richtungen magnetisiert.
Wenn zwei Stück des vorstehend beschriebenen Faraday-Rotators in Reihe geschaltet sind, kann das an das Faraday-Element angelegte Magnetfeld abgeschwächt werden, weil sich magnetische Kraftlinien von dem ersten Faraday-Rotator zum zweiten Faraday-Rotator erstrecken.
Folglich wird das Paar vierter Magnete mit dem Innenmagneten und dem Außenmagneten, die in zueinander entgegengesetzten Magnetisierungsrichtungen parallel zu der optischen Achse magnetisiert sind, zwischen dem ersten Faraday-Rotator und dem zweiten Faraday-Rotator angeordnet, um die magnetischen Kraftlinien auszulöschen, die sich von dem ersten Faraday-Rotator zu dem zweiten Faraday-Rotator erstrecken, womit eine Abnahme der Stärke des an das Faraday-Element anzulegenden Magnetfeldes vermieden werden kann. Dabei kann die Länge des Paares aus vierten Magneten in Richtung der optischen Achse vorzugsweise 1/2 oder mehr der Länge L₂ der zwei des ersten Magneten in Richtung der optischen Achse betragen.
Außerdem kann ein durch die Wechselwirkung des ersten Magneten und des zweiten Magneten ausgebildetes sehr starkes Magnetfeld in der Nähe des Hohlraums (des durchgehenden Lochs) des dritten Magneten hervorgebracht werden. Daher kann in Abhängigkeit von der restlichen magnetischen Induktion und der Koerzitivkraft des als dem dritten Magneten verwendeten Magneten die Schwierigkeit entstehen, dass eine Entmagnetisierungs- oder Magnetisierungsumkehr in der Nähe des Hohlraums (des durchgehenden Lochs) des dritten Magneten auftritt, was den dritten Magneten weniger effektiv macht. In einem derartigen Fall muss gemäß 7 der Durchmesser des gesamten Hohlraums (das durchgehende Loch) oder eines Teils davon eines dritten Magneten 3 größer als die Hohlräume (das durchgehende Loch) eines ersten Magneten 1 und eines zweiten Magneten 2 eingestellt werden, so dass der Teil entfernt wird, wo die Entmagnetisierungs- oder Magnetisierungsumkehr auftreten kann.
Der erste Magnet und der zweite Magnet können jeweils in Kombination mit einer Vielzahl von Magnetteilen ausgebildet sein. In Anbetracht der Herstellung von Magneten ist dies bevorzugt.
Die Erfindung ist nachstehend unter Angabe von Beispielen unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher beschrieben.
Beispiel 1
2 zeigt eine Schnittansicht von einem Faraday-Rotator gemäß Beispiel 1. In 2 bezeichnen die Bezugszeichen 1, 2 und 3 einen ersten Magneten, einen zweiten Magneten bzw. einen dritten Magneten, und ihre Magnetisierungsrichtungen sind durch schwarze Pfeile dargestellt. Die Magnete sind jeweils außerdem mit einem Hohlraum (einer durchgehenden Verbindung) in ihrem Zentrum ausgebildet. Der erste Magnet 1 ist in Richtung senkrecht zu der optischen Achse, entlang der Licht passieren soll, und in Richtung von außen zu der optischen Achse hin magnetisiert. Der zweite Magnet 2 ist andererseits in einer Magnetisierungsrichtung senkrecht zu der optischen Achse aber in Richtung von der optischen Achse nach außen magnetisiert, entgegengesetzt zu der Magnetisierungsrichtung des ersten Magneten 1. Der dritte Magnet 3 ist zwischen dem ersten Magneten 1 und dem zweiten Magneten 2 angeordnet, und ist in einer Magnetisierungsrichtung senkrecht zu der optischen Achse und einer Richtung von dem zweiten Magneten zu dem ersten Magneten magnetisiert. Außerdem ist ein Faraday-Element 5 in einem Zentralabschnitt in der Längsrichtung des durchgehenden Lochs (der Hohlräume) angeordnet, das durch den ersten Magneten, den zweiten Magneten und den dritten Magneten bereitgestellt ist.
Vor der Herstellung eines Faraday-Rotators nach Beispiel 1 wurde die Magnetfeldverteilung eines Faraday-Rotators in Richtung der optischen Achse durch Computersimulation unter Verwendung des Finite-Elemente-Verfahrens (FEM) untersucht, um eine Optimierung unter Befriedigung der vorstehend angeführten Formeln (1) und (2) zu machen, damit ein geringes Volumen für den Faraday-Rotator und eine geringe Längendimension des Faraday-Elementes sichergestellt wird.
Die Magnete waren jeweils ein gesinterter Nd-Fe-B-Magnet. Für das Faraday-Element wurde zylindrisches TGG mit einem Durchmesser von 3 mm verwendet. Der erste Magnet 1 wurde gemäß 4 aus sechs Magnetteilen ausgebildet, die so geformt waren, dass sie in einer Richtung magnetisiert waren, die quasi senkrecht zur optischen Achse ist. Der zweite Magnet 2 wurde ebenfalls aus sechs Magnetstücken mit derselben Größe und Form wie bei dem ersten Magneten 1 ausgebildet, und war in der umgekehrt parallelen Richtung zu der des ersten Magneten 1 magnetisiert. In den Zentren des ersten Magneten 1, des zweiten Magneten 2 und des dritten Magneten 3 wurden Hohlräume (welche das durchgehende Loch bilden) mit einem Durchmesser von 3,3 mm bereitgestellt, damit das Faraday-Element darin aufgenommen werden kann.
Die Lichtwellenlänge betrug 1064 nm. Zur Bereitstellung eines Faraday-Drehwinkels von 45° wurde der äußere Durchmesser L₁ jedes der drei Magneten, die Länge L₂ des ersten Magneten 1 und die des zweiten Magneten 2 in Richtung der optischen Achse, die Länge L₃ des dritten Magneten 3 in Richtung der optischen Achse und die Kristalllänge C des TGG auf der optischen Achse durch Computersimulation berechnet. Der Zusammenhang zwischen L₁, L₂, L₃, und C ist in 3 gezeigt. Die Ergebnisse der Computersimulation sind außerdem in der nachstehenden Tabelle 1 gezeigt.

L₁ L₂ L₃ C

30 mm 12 mm 5 mm 12 mm

Tabelle 1
Auf der Grundlage der vorstehenden Ergebnisse wurden drei Stück des Faraday-Rotators gemäß Beispiel 1 erzeugt, und der Faraday-Drehwinkel wurde unter Verwendung von Faserlaserlicht mit einer Wellenlänge von 1064 nm und einer Lichtintensität von 100 mW bewertet.
Als Ergebnis der Bewertung ergab sich ein guter Faraday-Drehwinkel von 45 ± 1°.
Danach wurde das Licht auf 10 W Intensität verstärkt und kontinuierlich durch den Faraday-Rotator übertragen, mit dem Ergebnis, dass selbst nach einiger Zeit keine Änderung in dem Faraday-Drehwinkel beobachtet wurde, und die Temperatur des TGG sich nicht änderte.
Vergleichsbeispiel 1
Die Faraday-Rotator-Anordnung gemäß 5 wurde aufgebaut, wie sie von der Patentdruckschrift 1 offenbart ist. Für deren ersten Magneten 1 und zweiten Magneten 2 wurden dieselben wie bei Beispiel 1 verwendet, und ihre Größen entsprechend den in 3 gezeigten Bezeichnungen L₁ bis L₃ wurden identisch zu Beispiel 1 eingestellt. Der dritte Magnet wurde allerdings nicht zwischen den ersten Magneten 1 und den zweiten Magneten 2 eingefügt, und somit eine Lücke mit der Länge L₃ bereitgestellt. Außerdem wurden gemäß 5 der erste Magnet 1 und der zweite Magnet 2 auf ihren Außenseiten mit zylindrischen Elementen 6 aus Weicheisen (ein weichmagnetisches Material) mit 0,35 mm Dicke bedeckt, und ein zylindrisches Element 6 aus Weicheisen (ein weichmagnetisches Material) von 0,35 mm Dicke und 2,6 mm Innendurchmesser wurde in das durchgehende Loch eingefügt. Somit wurde, anders als bei Beispiel 1, zylindrisches TGG mit einem Durchmesser von 2,5 mm als Faraday-Element 5 gemäß dem Vergleichsbeispiel 1 verwendet, aber die Länge des TGG auf der optischen Achse war wie bei Beispiel 1 auf 12 mm eingestellt.
Dann wurde der Faraday-Drehwinkel auf dieselbe Weise wie bei Beispiel 1 bewertet, wobei er sich zu 27° ergab, womit dieser Faraday-Rotator nicht für optische Isolatoren verwendbar war. Der Grund hierfür ist, dass das auf das Faraday-Element 5 aus paramagnetischem Material angelegte Magnetfeld unzureichend war.
Außerdem wurde die Magnetfeldverteilung auf der optischen Achse in dem Faraday-Rotator gemäß Vergleichsbeispiel 1 durch Computersimulation untersucht. Die Ergebnisse im Vergleich zu denen bei Beispiel 1 sind in 6 gezeigt. Wie aus der graphischen Darstellung von 6 ersichtlich ist, kann bei dem Faraday-Rotator gemäß Beispiel 1 ein sehr großes Magnetfeld um das Zentrum auf der optischen Achse im Vergleich zu dem Vergleichsbeispiel 1 (Stand der Technik) beobachtet werden. Somit ist sichergestellt, dass der Faraday-Rotator nach Vergleichsbeispiel 1 (Stand der Technik) nicht den Faraday-Drehwinkel von 45° verwirklichen kann, solange seine Magnete dieselbe Größe und sein paramagnetisches Material dieselbe Länge wie bei dem Faraday-Rotator gemäß Beispiel 1 aufweist. Unter der Bedingung, dass der Durchmesser des TGG und der Durchmesser des durchgehenden Lochs des Magneten fixiert sind, wurde der Faraday-Rotator gemäß Vergleichsbeispiel 1 mit dem Faraday-Rotator gemäß Beispiel 1 bezüglich des Volumens der Magneten und der Länge des TGG auf der optischen Achse verglichen, indem aus einer Computersimulation die Größe in dem Moment berechnet wird, wenn ein Faraday-Drehwinkel von 45° verwirklicht werden kann. Die dabei erhaltenen Ergebnisse sind in der nachstehend angeführten Tabelle 2 gezeigt. Zur Erleichterung des Vergleichs wurden dabei das Volumen der Magnete (willkürliche Einheiten) und die Länge des TGG (willkürliche Einheiten) nach Beispiel 1 zur Standardisierung der numerischen Werte zu 1 angenommen.

Beispiel 1 Vergleichsbeispiel 1 (Stand der Technik)

Volumen der Magnete (willkürliche Einheiten) 1 2,1

TGG-Länge (willkürliche Einheiten) 1 1,5

Tabelle 2
Wie aus den numerischen Werten der Tabelle 2 ersichtlich ist, ist sichergestellt, dass der Faraday-Rotator gemäß Beispiel 1 sehr geeignet ist, die Vorrichtung kompakt auszubilden, eine kurze Längendimension des Faraday-Elementes auf der optischen Achse zu ermöglichen, und daher einen Temperaturanstieg zu vermeiden, um einen stabilen Faraday-Drehwinkel zu bewahren.
Eine kompakte Ausbildung des Faraday-Rotators führt außerdem zu einer Mengenreduktion bei der Verwendung von Magneten und paramagnetischem Material und verspricht daher eine überlegene Kosteneffizienz.
Beispiel 2
Ein Faraday-Rotator wurde erzeugt, der so strukturiert war, dass zwei Faraday-Rotatoren, die jeweils die gleichen wie der Faraday-Rotator gemäß Beispiel 1 waren, gemäß 8 in Reihe geschaltet waren, und ein Paar vierte Magnete, das aus einem Innenmagneten und einem Außenmagneten gebildet wird, welche in zueinander umgekehrte Richtungen parallel zu der Richtung der optischen Achse magnetisiert waren, war zwischen die beiden Faraday-Rotatoren eingefügt. Dabei war der den Innenmagneten bildende Teil des Paares aus vierten Magneten 4 in einer Magnetisierungsrichtung parallel zu der optischen Achse und einer Richtung von dem ersten Faraday-Rotator auf der linken Seite von 8 zu dem zweiten Faraday-Rotator auf der rechten Seite von 8 magnetisiert. Der Außenmagnet war ebenfalls in einer Magnetisierungsrichtung parallel zu der optischen Achse aber in Richtung von dem zweiten Faraday-Rotator auf der rechten Seite von 8 zu dem ersten Faraday-Rotator auf der linken Seite von 8 hin magnetisiert. Somit waren der Innenmagnet und der Außenmagnet in Richtungen magnetisiert, die zueinander umgekehrt parallel zu der Richtung der optischen Achse waren.
Dann wurden wie bei Beispiel 1 Computersimulationen für eine Optimierung durchgeführt, so dass ein geringes Volumen für den Faraday-Rotator und eine kurze Längendimension für das paramagnetische Material sichergestellt wurde.
Für die Magnete und das Faraday-Element wurden wie bei Beispiel 1 gesinterte Nd-Fe-B-Magnete bzw. zylindrisches TGG mit einem Durchmesser von 3 mm verwendet. Der erste Magnet 1 und der zweite Magnet 2 wurden ebenfalls aus sechs Magnetteilen wie bei Beispiel 1 ausgebildet. In den Zentren der jeweiligen Magnete wurden Hohlräume (welche das durchgehende Loch bilden) mit einem Durchmesser von 3,3 mm bereitgestellt, damit das Faraday-Element 5 darin aufgenommen werden konnte.
Die Lichtwellenlänge betrug 1064 nm. Damit die beiden Faraday-Elemente insgesamt einen Faraday-Drehwinkel von 45° bereitstellen konnten, wurden der Außendurchmesser L₁ von jedem der vier Magnetarten, die jeweiligen Längen L₂ bis L₄ der Magnete in Richtung der optischen Achse und die Kristallmenge C des TGG auf der optischen Achse durch Computersimulation berechnet.
Der Zusammenhang zwischen L₁, L₂, L₃, L₄ und C ist in 8 gezeigt. Die Ergebnisse der Computersimulation sind außerdem in der nachstehend angeführten Tabelle 3 gezeigt.

L₁ L₂ L₃ L₄ C

30 mm 4 mm 4 mm 4 mm 5 mm

Tabelle 3
Ein Faraday-Rotator mit den in Tabelle 3 gezeigten Größen wurde zusammengebaut, und Licht wurde durch diesen übertragen, um die Eigenschaften auf dieselbe Weise wie bei Beispiel 1 zu bewerten.
Als Ergebnis der Bewertung ergab sich bei einer Lichtintensität von 100 mW ein guter Faraday-Drehwinkel von 45 ± 1°. Selbst wenn das Licht auf 10 W Intensität verstärkt wurde und kontinuierlich durch den Faraday-Rotator übertragen wurde, konnte keine Änderung im Faraday-Drehwinkel beobachtet werden, und die Temperatur des TGG änderte sich nicht. Im Übrigen wurde im Vergleich zu Beispiel 1 keine Verbesserung der Temperatureigenschaften sichergestellt. Da jedoch die Kristalllänge des TGG kleiner eingestellt war, wird angenommen, dass die Vorrichtung bessere Temperatureigenschaften als die nach Beispiel 1 zeigt, wenn die Laserlichtintensität noch mehr erhöht wird.
Somit sind die Faraday-Rotatoren gemäß den Beispielen sehr geeignet, um die Vorrichtung kompakt auszubilden, eine kurze Längendimension des Faraday-Elementes auf der optischen Achse zu ermöglichen, und daher einen Temperaturanstieg zu vermieden, damit der Faraday-Drehwinkel stabil bleibt. Zudem führt eine kompakte Ausbildung des Faraday-Rotators außerdem zu einer Mengenreduktion bei der Verwendung der Magnete und des paramagnetischen Materials und verspricht daher eine überlegene Kosteneffizienz.
Der Faraday-Rotator gemäß der vorliegenden Erfindung ist für eine kompakte Vorrichtung sehr geeignet und ermöglicht eine kurze Längendimension des Faraday-Elementes auf der optischen Achse, und daher kann ein Temperaturanstieg vermieden werden, damit der Faraday-Drehwinkel stabil bleibt. Folglich ergibt sich die Möglichkeit zur gewerblichen Anwendbarkeit, dass er bei magnetooptischen Vorrichtungen wie etwa einem optischen Isolator verwendbar ist, welche zum Unterbrechen von zu einem Halbleiterlaser zurückkehrendem Licht zur Stabilisierung des Laservorgangs nötig ist; wobei der Halbleiterlaser bei optischen Kommunikationssystemen, Laserverarbeitungssystemen usw. verwendet wird.
Somit umfasst die vorstehende Beschreibung ein Faraday-Rotator mit einem Magnetelement, das aus einem ersten Magnet 1, der in Richtung einer Magnetisierung senkrecht zu der optischen Achse und in Richtung auf die optische Achse hin magnetisiert ist, einem zweiten Magnet 2, der in einer Magnetisierungsrichtung senkrecht zu der optischen Achse und einer Richtung von der optischen Achse weg magnetisiert ist, sowie einem dritten Magnet 3 gebildet ist, der zwischen dem ersten Magnet 1 und dem zweiten Magnet 2 angeordnet ist, und der in einer Magnetisierungsrichtung parallel zu der optischen Achse und in einer Richtung von dem zweiten Magnet 2 zu dem ersten Magnet 1 magnetisiert ist. Ein durchgehendes Loch (Hohlräume), in dem ein Faraday-Element 5 angeordnet ist, ist durch die Mitten dieser Magnete bereitgestellt, und, wenn die Länge des ersten Magneten 1 und die des zweiten Magneten 2 in Richtung der optischen Achse beide durch L₂ gegeben sind, und die Länge des dritten Magneten 3 in Richtung der optischen Achse durch L₃ gegeben ist, die nachstehende Beziehung gilt: L₂/10 ≤ L₃ ≤ L₂.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 2004-302412 [0011]
- JP 2007-248779 [0011]

Claims

Faraday-Rotator mit einem Magnetelement, das in seiner Mitte ein durchgehendes Loch aufweist, durch das Licht passieren soll, und einem Faraday-Element (5) mit einem paramagnetischen Material, das innerhalb des durchgehenden Lochs angeordnet ist, und durch das das Licht zu übertragen ist, wobei: das magnetische Element gebildet ist aus einem ersten Magnet (1), der in Richtung einer Magnetisierung senkrecht zu der optischen Achse und in Richtung auf die optische Achse hin magnetisiert ist, einem zweiten Magnet (2), der in einer Magnetisierungsrichtung senkrecht zu der optischen Achse und einer Richtung von der optischen Achse weg magnetisiert ist, sowie einem dritten Magnet (3), der zwischen dem ersten Magnet (1) und dem zweiten Magnet (2) angeordnet ist, und der in einer Magnetisierungsrichtung parallel zu der optischen Achse und in einer Richtung von dem zweiten Magnet (2) zu dem ersten Magnet (1) magnetisiert ist; Hohlräume, die das durchgehende Loch des Magnetelementes bilden, in der Mitte des ersten (1) und zweiten (2) Magneten und des dritten Magneten (3) bereitgestellt sind; das Faraday-Element (5) in einem Mittenabschnitt in Längsrichtung des aus diesen Hohlräumen gebildeten durchgehenden Lochs angeordnet ist; und, wenn die Länge des ersten Magneten (1) und die des zweiten Magneten (2) in Richtung der optischen Achse zueinander gleich sind und beide durch L₂ gegeben sind, und die Länge des dritten Magneten (3) in Richtung der optischen Achse durch L₃ gegeben ist, die nachstehende Beziehung gilt: L2/10 ≤ L3 ≤ L2.
Faraday-Rotator mit zwei Stück des Faraday-Rotators nach Anspruch 1, die in Richtung der optischen Achse in Reihe geschaltet sind, wobei ein Paar aus vierten Magneten (4), die aus einem Innenmagneten mit einem mit den durchgehenden Löchern eines ersten Faraday-Rotators und eines zweiten Faraday-Rotators in Verbindung stehenden Hohlraums sowie einem Außenmagneten mit einem größeren Hohlraum als dem äußeren Durchmesser des Innenmagneten, in dessen Hohlraum der gesamte Innenmagnet eingepasst ist, gebildet sind, zwischen dem ersten Faraday-Rotator und dem zweiten Faraday-Rotator angeordnet ist, und wobei der Innenmagnet und der Außenmagnet in Richtung einer Magnetisierung parallel zu der optischen Achse und in zueinander entgegengesetzten Richtungen magnetisiert sind.
Faraday-Rotator nach Anspruch 2, wobei das Paar vierter Magneten (4) mit dem insgesamt in dem Hohlraum des Außenmagneten eingefügten Innenmagneten eine Länge von L₂/2 oder mehr in Richtung der optischen Achse aufweist.
Faraday-Rotator nach Anspruch 1 oder 2, wobei der gesamte Hohlraum in dem dritten Magneten (3) oder ein Teil davon einen größeren Durchmesser als die Hohlräume in dem ersten Magneten (1) und dem zweiten Magneten (2) aufweist.
Faraday-Rotator nach Anspruch 3, wobei der gesamte Hohlraum in dem dritten Magneten (3) oder ein Teil davon einen größeren Durchmesser als die Hohlräume in dem ersten Magneten (1) und dem zweiten Magneten (2) aufweist.
Faraday-Rotator nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Magnet (1) und der zweite Magnet (2) jeweils eine Kombination aus einer Vielzahl von Magnetteilen aufweisen.
Faraday-Rotator nach Anspruch 3, wobei der erste Magnet (1) und der zweite Magnet (2) jeweils eine Kombination aus einer Vielzahl von Magnetteilen aufweisen.
Faraday-Rotator nach Anspruch 4, wobei der erste Magnet (1) und der zweite Magnet (2) jeweils eine Kombination aus einer Vielzahl von Magnetteilen aufweisen.