JP2000122017A

JP2000122017A - ファラデー回転角可変装置

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Publication number: JP2000122017A
Application number: JP29806398A
Authority: JP
Inventors: Hirotaka Kawai; 博貴河合; Yoichi Suzuki; 洋一鈴木
Original assignee: FDK Corp
Current assignee: FDK Corp
Priority date: 1998-10-20
Filing date: 1998-10-20
Publication date: 2000-04-28
Anticipated expiration: 2018-10-20
Also published as: JP3581030B2

Abstract

(57)【要約】【課題】いかなる大きさの結晶磁気異方性を有する磁
性ガーネット単結晶を用いても、合成磁界ベクトルの変
位経路が磁性ガーネット単結晶のどの面を通っても、正
方向と負方向の電磁界でファラデー回転角の変化を対称
にする。【解決手段】ファラデー効果を有する磁性ガーネット
単結晶からなるファラデー素子に、２方向以上から外部
磁界を印加して、それらの合成磁界ベクトルを可変する
ことにより、ファラデー素子を通過する光の偏光面の回
転角を可変する。ファラデー素子は、２枚の磁性ガーネ
ット単結晶１４を一対として、それを単一もしくは複数
対組み合わせて必要なファラデー回転角を発現しうるよ
うにし、光線が（１１１）面に入射し、（１１１）面内
での一方の磁性ガーネット単結晶の方位が他方の磁性ガ
ーネット単結晶の方位に対して同一方向からほぼ１８０
°回転させた方位となるように配列する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複数の磁性ガーネ
ット単結晶からなるファラデー素子に、２方向以上から
外部磁界を印加して合成磁界ベクトルを可変することに
より、通過光の偏光面の回転角を制御するファラデー回
転角可変装置に関するものである。更に詳しく述べると
本発明は、２枚の磁性ガーネット単結晶を対として、そ
れら両方の磁性ガーネット単結晶の光が入射する（１１
１）面内での方位が互いにほぼ１８０°異なる向きで組
み合わせたものを用いるファラデー回転角可変装置に関
するものである。この装置は、例えば偏波スクランブラ
や光アッテネータなどの光デバイスに有用である。

【０００２】

【従来の技術】光通信システムなどでは、光の偏波方向
を連続的且つ周期的に可変する偏波スクランブラ、ある
いは光の透過光量を制御するための光アッテネータなど
が必要であり、それらにはファラデー回転角可変装置が
組み込まれている。このファラデー回転角可変装置は、
ファラデー素子に２方向以上から磁界を印加し、それら
の合成磁界ベクトルを可変することにより、ファラデー
素子を透過する光線のファラデー回転角を制御する装置
である。通常、ファラデー素子としては、ファラデー効
果を有する磁性ガーネット単結晶が用いられている。

【０００３】偏波スクランブラは、主としてファラデー
回転角可変装置により構成される。ファラデー回転角可
変装置は、ファラデー素子と、例えば、それに対して光
軸に垂直方向に磁界を印加する電磁石と、光軸と平行方
向に磁界を印加する永久磁石からなる。永久磁石によっ
てファラデー素子を磁気飽和の状態とし、電磁石のコイ
ルに供給する電流を変化させることで合成磁界の向きを
変化させる。この合成磁界ベクトルの変化によってファ
ラデー回転角が変化し、ファラデー素子を通過する光線
の偏波方向を連続的且つ周期的に可変することができ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】偏波スクランブラで
は、ファラデー素子を構成している磁性ガーネット単結
晶に印加する正負の可変合成磁界に対して、ファラデー
回転角が再現性よく対称的に変化する必要がある。とこ
ろがガーネット単結晶は立方晶であり、（１１１）面に
垂直の方向について見ると３回回転対称軸を有する。そ
の上、磁性ガーネット単結晶には結晶磁気異方性があ
る。そのため、合成磁界ベクトルが辿る経路によってフ
ァラデー回転角（の挙動）が異なり、光デバイスの特性
がばらつく。また、ファラデー回転角の挙動が、電磁石
による磁界が＋磁界と−磁界の時とで非対称になると、
ＤＯＰ（Degree of Polarization：偏波度）が大きくな
る。

【０００５】その対策として、本発明者等は先に、合成
磁界ベクトルの変位経路が、磁性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ける中心
の（１１１）面と、最外周円上の（１１０）面と等価な
面を結んだ線、もしくはその近傍になるように特定する
技術を提案した（特願平９−２４３３９４号参照）。特
定された変位経路は、それを対称軸として磁化容易軸と
磁化困難軸があり、結晶磁気異方性の影響が打ち消され
るためである。従って、その特定の変位経路からずれる
と、バランスがくずれ、結晶磁気異方性の影響を受け
る。この時、問題となるのは、特性面から判断される許
容ずれ角が何度であるかということである。ところが、
これは結晶磁気異方性の大きさに依存し、結晶磁気異方
性が大きな場合は、許容ずれ角が小さくなり、磁性ガー
ネット単結晶に対する印加磁界の方向の調整が難しくな
る。

【０００６】本発明の目的は、いかなる大きさの結晶磁
気異方性を有する磁性ガーネット単結晶を用いても、合
成磁界ベクトルの変位経路が磁性ガーネット単結晶のど
の面を通っても、正方向の電磁界と負方向の電磁界とで
ファラデー回転角の対称性が良好なファラデー回転角可
変装置を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、ファラデー効
果を有する磁性ガーネット単結晶からなるファラデー素
子に、２方向以上から外部磁界を印加して、それらの合
成磁界ベクトルを可変することにより、ファラデー素子
を通過する光の偏光面の回転角を可変するファラデー回
転角可変装置である。本発明においては、ファラデー素
子は、２枚の磁性ガーネット単結晶を一対として、それ
を単一もしくは複数対組み合わせて必要なファラデー回
転角を発現しうるようにし、光線が全ての磁性ガーネッ
ト単結晶の（１１１）面に入射し、一対の磁性ガーネッ
ト単結晶は、（１１１）面内での一方の磁性ガーネット
単結晶の方位が他方の磁性ガーネット単結晶の方位に対
して同一方向から１８０°±１０°回転させた方位とな
るように配列されており、その点に特徴がある。

【０００８】図１は磁性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。つまり磁性ガー
ネット単結晶の（１１１）面に光線を入射したときの方
位状態を示している。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も互い
に１０度ずつ異なっている面を意味する。従って、磁性
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。外部磁界は光線と平行方
向と直交方向の両方から印加される。即ち、図１の紙面
に垂直な方向と紙面上の任意の方向である。図１より、
結晶方位は３回回転対称であるため、紙面上の直線経路
を見ると、〔最外周円上の（１１０）と等価な面〕−
〔中心の（１１１）面〕−〔最外周円上の（１１０）と
等価な面〕を結ぶ経路以外は（１１１）を中心として非
対称に各方位が存在する。これがファラデー回転角非対
称の原因である。しかし、結晶方位が互いに反対の関係
にある２個の磁性ガーネット単結晶を一対として組み合
わせると、見掛け上、６回回転対称になり、中心の（１
１１）を通る直線は全て対称となる。従って、紙面上の
どの方向に磁界を印加しても、ファラデー回転角は対称
となる。

【０００９】

【発明の実施の態様】本発明において、一対の磁性ガー
ネット単結晶は、ほぼ同一組成で且つほぼ同一厚みとす
るのがよい。一対の磁性ガーネット単結晶は、前記のよ
うに、（１１１）面内での一方の磁性ガーネット単結晶
の方位が他方の磁性ガーネット単結晶の方位に対して同
一方向から１８０°±１０°回転させた方位となるよう
に配列する。１０°以内であれば、多少ずれてもほぼ６
回回転対称に近い状態が保たれるからである。しかし、
最良の状態は、互いにほぼ反対方位を向くように組み合
わせることである。即ち、磁性ガーネット単結晶を偶数
個使用し、その半数が残りの半数に対して逆方位になっ
ており、全体として対を構成するように配列するのがよ
い。可変磁界は、例えば入射光線方向に対して平行方向
と垂直方向の２方向から永久磁石と電磁石によって印加
する構成とする。磁性ガーネット単結晶の対は、必要と
するファラデー回転角に応じて１対ないし複数対並設す
ることになる。

【００１０】磁性ガーネット単結晶としては、液相エピ
タキシャル法により作製した（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種もしくは２種以上の元素、Ｍは鉄と置換でき
る１種もしくは２種以上の元素）あるいはＹ₃Ｆｅ₅Ｏ
₁₂が好適である。

【００１１】本発明に係るファラデー回転角可変装置
は、偏波スクランブラや光アッテネータ等に適用でき
る。

【００１２】

【実施例】まず、磁性ガーネット単結晶を図２に示す工
程で作製した。はじめに、ＰｂＯ−Ｂ₂Ｏ₃−Ｂｉ₂Ｏ
₃を融剤として、ＬＰＥ法により、格子定数が１２．４
９６Å、組成が（ＣａＧｄ）₃（ＭｇＺｒＧａ）₅Ｏ₁₂
である直径３インチ、厚み１２００μｍの非磁性ガーネ
ット基板１０の（１１１）面上に、Ｂｉ置換希土類鉄ガ
ーネット単結晶膜１２（ＬＰＥ膜：組成Ｔｂ_0.96Ｙ_0.66
Ｂｉ_1.38Ｆｅ_4.06Ｇａ_0.94Ｏ₁₂、膜厚４９０μｍ）を育
成した。基板には予め大小二つのフラット面（オリエン
テーション・フラット）が付けられており、大きな方の
フラット面は（-1１０）面、小さな方のフラット面は
（１１-2）面である（図２のＡ参照）。次に、育成した
ＬＰＥ膜を基板とともに７．６mm×５．０mm（刃厚０．
２mmを含む）に切断し（図２のＢで破線は切断線を示
す）、研磨により基板を除去した後に、大気中で１１０
０℃、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。その後、再
度研磨して、７．６mm×５．０mm×０．３３mmの形状に
鏡面仕上げし、表裏両面の（１１１）面に反射防止膜を
蒸着した。そして、１．０mm×１．２mm×０．３３mmに
切断し（図２のＣで破線は切断線を示す）、最後に（１
１１）面と（-1１０）面と（-1-1２）面の交点の角を少
し削ってマーカーとした。一隅に付着したペイント、あ
るいは片面の一縁の切断線に沿って設けた溝や段差をマ
ーカーとしてもよい。最終的に作製した磁性ガーネット
単結晶の形状及び面を図２のＤに示す。（なお、結晶の
面の表記法では、負の指数については、その数値の上に
横棒を引いて表すが、本明細書ではそれが出来ないため
に指数にマイナス記号を付すことで表記している。）

【００１３】ファラデー素子は、図３に示すように、マ
ーカーが対角の関係に位置するように方位を反対に向け
て２個の磁性ガーネット単結晶１４を組み合わせて構成
した（これを「Ｘ型配置」と称する）。

【００１４】図４に示す系を用い、直交偏光子法により
作製した磁性ガーネット単結晶のファラデー回転角を測
定した。この系は、光ファイバ２０から出射した光が、
レンズ２１、偏光子２２、ファラデー素子２３、検光子
２４を通過し、レンズ２５によって光ファイバ２６に集
光するように構成され、ファラデー素子２３には電磁石
２７によって光軸方向に磁界が印加されるとともに、一
対の永久磁石２８によって光軸と垂直な方向に磁界が印
加される。電磁石２７のコイルに流す電流を変化させる
ことによって、光軸方向の磁界が変化し、それに応じて
合成磁界ベクトルも変化するようになっている。

【００１５】ファラデー回転角の測定には、図３に示し
たＸ型配置のファラデー素子を用いた。光線が磁性ガー
ネット単結晶の反射防止膜を蒸着した面、即ち（１１
１）面に対して垂直に入射するようにし、ファラデー素
子を入射面の（１１１）面と平行な面内で１０度ずつ回
転させて測定した。光の入射側の磁性ガーネット単結晶
に対する合成磁界ベクトルの変位経路は図５の経路ａ〜
ｇに相当する。測定結果を図６〜図１２に示す。

【００１６】これらの測定結果から、合成磁界ベクトル
がａ〜ｇで示されるどの変位経路を辿っても、電磁石に
よる正方向の可変磁界と負方向の可変磁界とで、可変磁
界の絶対値に対するファラデー回転角の変化はほぼ一致
していた。つまり、＋方向に可変磁界が振れる場合と、
−方向に可変磁界が振れる場合とで、ほぼ同じ曲線に乗
っており、対称性が極めて良好であることが分かった。
それに対して、磁性ガーネット単結晶単体について、同
様に、磁界経路ａの場合のファラデー回転角を測定する
と、図１３に示すようになり、非常に対称性が悪かっ
た。

【００１７】図１４に偏波スクランブラの一実施例を示
す。Ａは全体の構成図であり、Ｂはファラデー素子の説
明図である。本発明においてファラデー素子３２，３４
は、磁化が光線と平行方向を向いたときにファラデー回
転角がほぼ３０度となる磁性ガーネット単結晶１４を、
２枚、方位を反対向きに組み合わせて前記Ｘ型配置のフ
ァラデー素子とし、それを３組（従って磁性ガーネット
単結晶を合計６枚）用いて、合計のファラデー回転角が
約１８０度となるように配列したものである。なお光線
は各磁性ガーネット単結晶の（１１１）面に垂直に透過
するように設定する。また各磁性ガーネット単結晶は、
分かり易くするために互いに離して描いてあるが、実際
にはそれら全てを接着一体化したものでもよい。図１４
のＡに戻って、光ファイバ３０から出射した光はレンズ
３１により平行光となり、ファラデー素子３２、１／４
波長板３３、ファラデー素子３４を通過し、レンズ３５
によって光ファイバ３６の入射端に集光する。ファラデ
ー素子３２，３４には電磁石３７，３９により光軸と平
行方向に磁界が印加され、更に永久磁石３８，４０によ
って、光軸に垂直方向に磁界が印加される。永久磁石３
８，４０によって磁気飽和の状態とし、電磁石３７，３
９のコイルに供給する電流を変化させることで、合成磁
界ベクトルを変化させ、透過光の偏波方向を連続的且つ
周期的に変える。

【００１８】ファラデー素子に印加する合成磁界ベクト
ルの変位経路別（経路ａ〜ｇ）に、上記のような構成の
偏波スクランブラを７台組み立て、それぞれＤＯＰを測
定した（実施例）。また比較のために、方位を揃えて２
個の磁性ガーネット単結晶を固定したファラデー素子を
方位を揃えて３組並べた場合についても、印加する磁界
の変位経路別に偏波スクランブラを組み立て、ＤＯＰを
測定した（比較例）。いずれも、測定に用いた光の波長
は１５５０nmであり、永久磁石の磁界は１５０エルステ
ッドである。また各磁性ガーネット単結晶は、磁化が光
線方向と平行の時、ファラデー回転角が約３０度となる
厚みに設定した。

【００１９】測定結果を表１に示す。なお、ＤＯＰは次
式で定義される。ＤＯＰ（％）＝（ｓ₁ ²＋ｓ₂ ²＋ｓ₃ ²）^1/2×１００但し、ｓ₁，ｓ₂，ｓ₃：ストークスパラメータ本実施例の偏波スクランブラでは印加磁界の変位経路に
よらず、ＤＯＰは１０％未満となる。それに対して比較
例の偏波スクランブラでは、変位経路ｄのときはＤＯＰ
が７％と小さくなるが、それ以外の変位経路ではかなり
大きくなり、印加磁界方向によってＤＯＰが大きく変化
することが分かる。

【００２０】

【表１】

【００２１】なお本発明において、各磁性ガーネット単
結晶は必ずしも図１４のＢに示すように交互に向きを変
えてその順序に配列する必要はなく、全体として対が構
成されるように配列されていればよい。具体的には、磁
性ガーネット単結晶を偶数個使用し、その半数が残りの
半数に対し逆方位になっており、全体として対が構成さ
れるようにする。また、上記の実施例において、ガーネ
ット単結晶の一部を膜厚半分のものを２個に置き換えて
も、同様の効果が得られる。このように、使用するガー
ネット単結晶の個々の厚みを変えても、全体として、あ
る方位とそれとは逆方位の磁性ガーネット単結晶のファ
ラデー回転角が対を構成していれば、効果がある。しか
し、このような構成では、多種（厚みの異なるもの）の
磁性ガーネット単結晶を作製しなければならず、生産性
は悪くなる。

【００２２】

【発明の効果】本発明は上記のように、２枚の磁性ガー
ネット単結晶を一対として、それを単一もしくは複数対
組み合わせてファラデー素子とし、光は全ての磁性ガー
ネット単結晶の（１１１）面に入射し、一対の磁性ガー
ネット単結晶は、（１１１）面内で方位が互いに逆とな
るように配列したことにより、外部磁界方向に対するフ
ァラデー回転角の角度依存性が小さくなり、合成磁界ベ
クトルがどの経路を辿っても、言い換えると外部磁界の
向きに対して（１１１）面内であればどの方向にファラ
デー素子を組み込んでも、合成磁界に対するファラデー
回転角の変化は＋磁界と−磁界でほぼ対称となる。

【００２３】これにより、磁性ガーネット単結晶に印加
する合成磁界ベクトルを可変してファラデー回転角を制
御する装置の、ファラデー素子組み込み時の角度ずれな
どに起因する特性のばらつきが抑えられ、特性が安定す
る。具体的には、偏波スクランブラや光アッテネータの
特性のばらつきを抑えることができ、更に偏波スクラン
ブラにおいては外部印加磁界の方向にかかわらずＤＯＰ
を小さくすることができるし、組み立てが容易となり作
業性が非常に向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】磁性ガーネット単結晶の（１１１）面を中心と
したステレオ投影図。

【図２】磁性ガーネット単結晶の製造工程の一例を示す
説明図。

【図３】磁性ガーネット単結晶の配置説明図。

【図４】直交偏光子法によるファラデー回転角の測定系
を示す説明図。

【図５】合成磁界ベクトルの変位経路を示す説明図。

【図６】Ｘ型配置ファラデー素子の磁界経路ａにおける
電磁石磁界とファラデー回転角の関係を示すグラフ。

【図７】Ｘ型配置ファラデー素子の磁界経路ｂにおける
電磁石磁界とファラデー回転角の関係を示すグラフ。

【図８】Ｘ型配置ファラデー素子の磁界経路ｃにおける
電磁石磁界とファラデー回転角の関係を示すグラフ。

【図９】Ｘ型配置ファラデー素子の磁界経路ｄにおける
電磁石磁界とファラデー回転角の関係を示すグラフ。

【図１０】Ｘ型配置ファラデー素子の磁界経路ｅにおけ
る電磁石磁界とファラデー回転角の関係を示すグラフ。

【図１１】Ｘ型配置ファラデー素子の磁界経路ｆにおけ
る電磁石磁界とファラデー回転角の関係を示すグラフ。

【図１２】Ｘ型配置ファラデー素子の磁界経路ｇにおけ
る電磁石磁界とファラデー回転角の関係を示すグラフ。

【図１３】磁性ガーネット単結晶単体の電磁石磁界とフ
ァラデー回転角の関係を示すグラフ。

【図１４】偏波スクランブラの一例を示す説明図。

【符号の説明】

１０非磁性ガーネット基板１２Ｂｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜１４磁性ガーネット単結晶

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ファラデー効果を有する磁性ガーネット
単結晶からなるファラデー素子に、２方向以上から外部
磁界を印加して、それらの合成磁界ベクトルを可変する
ことにより、ファラデー素子を通過する光の偏光面の回
転角を可変する装置において、ファラデー素子は、２枚の磁性ガーネット単結晶を一対
として、それを単一もしくは複数対組み合わせ、光線が
全ての磁性ガーネット単結晶の（１１１）面に入射し、
一対の磁性ガーネット単結晶は、（１１１）面内での一
方の磁性ガーネット単結晶の方位が他方の磁性ガーネッ
ト単結晶の方位に対して同一方向から１８０°±１０°
回転させた方位となるように配列されていることを特徴
とするファラデー回転角可変装置。
【請求項２】一対の磁性ガーネット単結晶は、ほぼ同
一組成で且つほぼ同一厚みであり、互いにほぼ逆向きの
方位で配列されている請求項１記載のファラデー回転角
可変装置。
【請求項３】磁性ガーネット単結晶を偶数個使用し、
その半数が残りの半数に対して逆方位になっており、全
体として対を構成するように配列した請求項１又は２記
載のファラデー回転角可変装置。
【請求項４】入射光線方向に対して平行方向と垂直方
向の２方向から永久磁石と電磁石によって外部磁界を印
加する請求項１乃至３のいずれかに記載のファラデー回
転角可変装置。
【請求項５】磁性ガーネット単結晶が、液相エピタキ
シャル法により作製した（ＲＢｉ）₃（ＦｅＭ）₅Ｏ₁₂
（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種もしくは２種以上の元素、Ｍは鉄と置換できる１
種もしくは２種以上の元素）である請求項１乃至４のい
ずれかに記載のファラデー回転角可変装置。
【請求項６】磁性ガーネット単結晶が、液相エピタキ
シャル法により作製したＹ₃Ｆｅ₅Ｏ₁₂である請求項１
乃至４のいずれかに記載のファラデー回転角可変装置。