JP2000206218A - Multilayer film magnetic field sensitive element and optical type magnetic field detector using the same - Google Patents

Multilayer film magnetic field sensitive element and optical type magnetic field detector using the same

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JP2000206218A
JP2000206218A JP11001861A JP186199A JP2000206218A JP 2000206218 A JP2000206218 A JP 2000206218A JP 11001861 A JP11001861 A JP 11001861A JP 186199 A JP186199 A JP 186199A JP 2000206218 A JP2000206218 A JP 2000206218A
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JP
Japan
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magnetic field
sensitive element
multilayer film
multilayer
field sensitive
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JP11001861A
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Japanese (ja)
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Shigeki Sakaguchi
茂樹 坂口
Naoto Sugimoto
直登 杉本
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a multilayer film magnetic field sensitive element constituted of a multilayer film Faraday rotation element where transmission amount or reflection amount of light is changed by intensity of a magnetic field, and a small-sized optical type magnetic field detector of low cost which has the multilayer film magnetic field sensitive element. SOLUTION: A multilayer film is composed of magnetooptics material and dielectric material and has a periodically repeated structure. A multilayer film magnetic field sensitive element is constituted of a multilayer film Faraday rotation element having a structure where the repeating period is reversed by making the center of the multilayer film as a center of symmetry. The magnetic field sensitive element has performance that transmittance or reflectivity is changed by a magnetic field applied from the outside. An optical type magnetic field detector is constituted by using the multilayer film magnetic field sensitive element. The conventional magnetic field detecting element does not have a function that transmittance is changed in accordance with a magnetic field. In the case that a magnetic field detector is constituted by using the magnetic field sensitive element of this invention, a polarizer and a photo detector become unnecessary, and a small-sized magnetic field detector of low cost can be realized.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、磁気光学材料と誘
電体材料とを周期的に繰り返して積層した構造の多層膜
ファラデー回転子よりなる多層膜磁界感応素子であっ
て、外部から負荷された磁界の強度に応じて、入射する
光の透過率または反射率が変化する多層膜磁界感応素
子、およびこれを具備した光学式磁界検出器に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a multilayer magnetic field sensitive element comprising a multilayer Faraday rotator having a structure in which a magneto-optical material and a dielectric material are periodically and repeatedly laminated. The present invention relates to a multilayer magnetic field sensitive element in which the transmittance or reflectance of incident light changes according to the strength of a magnetic field, and an optical magnetic field detector including the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】電力ケーブルのように、大きな電流が流
れるケーブルの周囲には電流の大きさに応じて磁界が発
生する。このような磁界は、近年の電磁環境におけるノ
イズや生体への影響の観点から重要な問題となってい
る。一方、工業的には、ケーブルの周囲に発生する磁界
を検出することによって電流を測定する電流測定器が開
発されている。従来、このような磁界の検出に対して、
ファラデー効果を利用した光学式の磁界検出方法が開発
されている(例えば、伊藤他、日本応用磁気学会誌 vo
1.19、pp.209〜212、1995参照)。これは、磁界検出素子
としてファラデー回転子を用い、その両側に偏光子、検
光子を45度の傾きに配置した構成をしている。これに
光を入射すると磁界強度に応じてファラデー回転角が変
化し、その大きさに応じて偏光子−回転子−検光子間を
通過する光の透過量が変化する。この光量の変化を検出
して磁界強度に変換するものである。これまで開発され
ている光学式検出器の主なものには、ファラデー回転子
に磁気光学結晶を用いたバルク型のものと、磁気光学効
果を有するガラス材料で作製された光ファイバを用いた
光ファイバ型のものがある(例えば、佐藤勝昭「光と磁
気」朝倉書店(1988)参照)。従来の磁界検出器の構成
には、上述のように、ファラデー回転子と偏光子、検光
子が必須の要素である。ファラデー回転子に希土類鉄ガ
ーネットの結晶板、例えば、後で述べるようなビスマス
置換イットリウム鉄ガーネットのような磁気光学結晶を
用いたバルク型のものでは、検出感度を高めるために3
mm程度の厚さが必要である。また、ファイバ型では酸
化鉛系のガラス材料が用いられるが、このような材料で
はべルデ定数が小さいことから数10cmの長さが必要
である。したがって、バルク型では、検出感度の観点か
ら数mmの厚さ、また、ファイバ型では数10cmの長
さが必要であると共に、コイル状にする場合にも損失と
ファイバの断線防止の点からも小型化には限度がある。
さらに、検出器を構成する上で、その原理から偏光子、
検光子を省くことはできない。また、偏光子、検光子を
45度ずらして配置しなければならないことから、光軸
調整に時間がかかる。このように、従来の光学式磁界検
出器では、光軸を合わせるために組み立て調整に時間が
かかり、また、小型化にも限界があるなどの問題があっ
た。こうした中で、最近、磁気光学材料と誘電体材料と
からなる多層膜構造において、極めて大きなファラデー
回転角が得られることが見出された(井上、藤井、日本
応用磁気学会誌、21巻(1997)、187〜192、参照)。
このような多層膜ファラデー回転子は、磁気光学材料と
誘電体材料とからなる周期的繰り返し構造を有してい
る。この周期性のために、大きなファラデー回転効果が
得られるものである。この効果に対して、発明者らは、
積層構造と透過特性との関係を詳細に調べた結果、後述
するように、外部に存在する磁界の強度に応じて、光の
透過率あるいは反射率が大きく変化することを見出し
た。この効果を利用することにより、このような多層膜
が磁界に対する感応素子として作用することを見出し
た。さらに、この多層膜を用いると従来の検出器では必
須であった偏光子、検光子を必要とせず、構成が簡単で
製造コストの安い磁界検出器が構成できることから本発
明を見出したものである。さらに、多層膜は、従来素子
の100分の1程度の10μm以下の厚さで作製できる
ため、極めて小型の検出器を実現することができ、ま
た、作製コストが3分の1以下の大幅な低減が可能とな
る利点があり、極めて有用性の高いものである。
2. Description of the Related Art A magnetic field is generated around a cable through which a large current flows, such as a power cable, according to the magnitude of the current. Such a magnetic field has become an important problem in view of noise in a recent electromagnetic environment and its effect on living bodies. On the other hand, industrially, a current measuring device that measures a current by detecting a magnetic field generated around a cable has been developed. Conventionally, for the detection of such a magnetic field,
An optical magnetic field detection method using the Faraday effect has been developed (for example, Ito et al., Journal of the Japan Society of Applied Magnetics vo
1.19, pp. 209-212, 1995). In this configuration, a Faraday rotator is used as a magnetic field detecting element, and a polarizer and an analyzer are arranged on both sides of the Faraday rotator at an inclination of 45 degrees. When light is incident on this, the Faraday rotation angle changes according to the magnetic field intensity, and the transmission amount of light passing between the polarizer, the rotator and the analyzer changes according to the magnitude. This change in the amount of light is detected and converted into a magnetic field intensity. The main types of optical detectors that have been developed so far include a bulk type using a magneto-optical crystal for the Faraday rotator and an optical detector using an optical fiber made of a glass material having a magneto-optical effect. There is a fiber type (see, for example, Katsuaki Sato "Light and Magnetism" Asakura Shoten (1988)). As described above, the configuration of a conventional magnetic field detector includes a Faraday rotator, a polarizer, and an analyzer as essential elements. In the case of a bulk type using a rare earth iron garnet crystal plate as the Faraday rotator, for example, a magneto-optical crystal such as bismuth-substituted yttrium iron garnet as described later, 3
A thickness of about mm is required. In the fiber type, a lead oxide-based glass material is used. However, such a material requires a length of several tens of cm due to a small Verdet constant. Therefore, the bulk type requires a thickness of several mm from the viewpoint of detection sensitivity, and the fiber type requires a length of several tens of cm. There is a limit to miniaturization.
Furthermore, when constructing a detector, a polarizer,
The analyzer cannot be omitted. Further, since the polarizer and the analyzer must be arranged shifted by 45 degrees, it takes time to adjust the optical axis. As described above, in the conventional optical magnetic field detector, there is a problem that it takes time to assemble and adjust to align the optical axes, and there is a limit to downsizing. Under these circumstances, it has recently been found that an extremely large Faraday rotation angle can be obtained in a multilayer film structure composed of a magneto-optical material and a dielectric material (Inoue, Fujii, Journal of the Japan Society of Applied Magnetics, 21 (1997) ), 187-192).
Such a multilayer Faraday rotator has a periodic repeating structure made of a magneto-optical material and a dielectric material. Due to this periodicity, a large Faraday rotation effect can be obtained. In response to this effect, the inventors
As a result of investigating the relationship between the laminated structure and the transmission characteristics in detail, it was found that, as described later, the light transmittance or the reflectance greatly changed according to the intensity of the externally existing magnetic field. By utilizing this effect, it has been found that such a multilayer film acts as a sensitive element to a magnetic field. Furthermore, the use of this multilayer film eliminates the necessity of a polarizer and analyzer, which are indispensable in conventional detectors, and makes it possible to construct a magnetic field detector having a simple configuration and a low production cost. . Further, since the multilayer film can be manufactured with a thickness of 10 μm or less, which is about 1/100 of that of the conventional device, an extremely small detector can be realized, and the manufacturing cost is greatly reduced by 1/3 or less. It has the advantage of being able to reduce it and is extremely useful.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、多層
膜ファラデー回転子を用いた磁界により光の透過量ある
いは反射量が変化する多層膜磁界感応素子およびこれを
具備した安価で小型の光学式磁界検出器を提供すること
にある。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a multilayer magnetic field sensitive element in which the amount of transmission or reflection of light is changed by a magnetic field using a multilayer Faraday rotator, and an inexpensive and compact optical device having the same. An object of the present invention is to provide a magnetic field detector.

【0004】[0004]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は特許請求の範囲に記載のような構成とする
ものである。すなわち、本発明は請求項1に記載のよう
に、磁気光学材料と誘電体材料とを周期的に繰り返して
積層した構造を有する多層膜であって、繰り返し周期が
上記多層膜の中心を対称として反転した構造を有するフ
ァラデー回転子よりなる多層膜磁界感応素子であって、
該多層膜磁界感応素子は、外部から負荷された磁界の強
度に応じて、光の透過率もしくは反射率が変化する多層
膜を有する多層膜磁界感応素子とするものである。ま
た、本発明は請求項2に記載のように、請求項1に記載
の多層膜磁界感応素子を用い、該多層膜磁界感応素子
を、光ファイバよりなる入出力ポートを有する屈折率分
布型ロッドレンズに装着し、該多層膜磁界感応素子によ
る光の反射率から外部磁界の強度を測定する手段を少な
くとも具備した光学式磁界検出器とするものである。ま
た、本発明は請求項3に記載のように、請求項1に記載
の多層膜磁界感応素子を用い、該多層膜磁界感応素子を
光ファイバの突き合わせ面に挿着し、上記多層膜磁界感
応素子による光の透過率から外部磁界の強度を測定する
手段を少なくとも具備してなることを特徴とする光学式
磁界検出器とするものである。本発明は、請求項1に記
載のように、磁気光学材料と誘電体材料とからなり、周
期的に繰り返し構造を有する多層膜であって、繰り返し
周期が多層膜の中心部を対称として反転した構造を有す
る多層膜ファラデー回転子で、外部から負荷する磁界に
よって透過率または反射率を変化させる機能をもつ多層
膜磁界感応素子であって、このような素子構造とするこ
とにより、従来の多層膜ファラデー回転子は、磁界の大
きさに対応して回転角を変化させるが光の透過率あるい
は反射率は変化しないこととは全く異なり、磁界の大き
さに対応して、直接、透過率あるいは反射率が変化す
る、全く従来にない作用効果を有するものである。さら
に、請求項2および請求項3に記載のように、上記多層
膜磁界感応素子を用いて光学式磁界検出器を構成するこ
とを主要な特徴とするものである。従来の磁界検出素子
は磁界に応じて透過率あるいは反射率が変化する機能が
なく、本発明の多層膜磁界感応素子を用いて反射型また
は透過型の光学式磁界検出器を構成することにより、偏
光子、検光子等が不要な検出器を構成することができ、
小型で安価な磁界検出器を作製できる効果がある。
Means for Solving the Problems In order to achieve the above object, the present invention is configured as described in the claims. That is, the present invention provides a multilayer film having a structure in which a magneto-optical material and a dielectric material are periodically repeated and stacked, wherein the repetition period is symmetric with respect to the center of the multilayer film. A multilayer magnetic field sensitive element comprising a Faraday rotator having an inverted structure,
The multilayer magnetic field sensitive element is a multilayer magnetic field sensitive element having a multilayer film whose light transmittance or reflectance changes according to the intensity of a magnetic field applied from the outside. According to a second aspect of the present invention, there is provided a multilayer magnetic field sensitive element according to the first aspect, wherein the multilayer magnetic field sensitive element is a gradient index rod having an input / output port made of an optical fiber. An optical magnetic field detector which is mounted on a lens and has at least means for measuring the intensity of an external magnetic field from the reflectance of light by the multilayer magnetic field sensitive element. According to a third aspect of the present invention, there is provided the multilayer magnetic field sensitive element according to the first aspect, wherein the multilayer magnetic field sensitive element is inserted into an abutting surface of an optical fiber. An optical magnetic field detector comprising at least means for measuring the intensity of an external magnetic field from the light transmittance of the element. The present invention is a multilayer film comprising a magneto-optical material and a dielectric material and having a periodically repeating structure, wherein the repetition period is reversed with the center of the multilayer film being symmetrical. A multilayer Faraday rotator having a structure, which is a multilayer magnetic field sensitive element having a function of changing transmittance or reflectivity by a magnetic field applied from the outside. The Faraday rotator changes the rotation angle according to the magnitude of the magnetic field but does not change the transmittance or reflectance of light. The rate of change has a completely unprecedented effect. Further, as described in the second and third aspects, the main feature is that an optical magnetic field detector is configured using the multilayer magnetic field sensitive element. The conventional magnetic field detecting element does not have a function of changing the transmittance or the reflectance according to the magnetic field, and by using a multilayer magnetic field sensitive element of the present invention to constitute a reflective or transmissive optical magnetic field detector, A detector that does not require a polarizer, analyzer, etc. can be configured,
There is an effect that a small and inexpensive magnetic field detector can be manufactured.

【0005】[0005]

【発明の実施の形態】〈比較例〉まず、多層膜ファラデ
ー回転子の動作原理の概要を説明する。図3は、従来の
多層膜ファラデー回転子の構造を示すものである。1は
磁気光学材料であり、以後Mと称する。2は、誘電体材
料であり、以後Gと称する。図に示す多層膜の構造は、
M(磁気光学材料)とG(誘電体材料)を用いて、[M
G]n[2M][GM]n(nは繰り返し数)と表わすこ
とができる。光は矢印で示すように、図の左から右方向
に進むものとする。また、光の進行方向と平行に磁界を
かけると、M層は光学活性となり、この層を進む光の偏
光面はファラデー効果により回転することになる。詳し
い理論的扱いは、上述の井上らの文献に述べられている
が、このような多層膜の光の透過特性は、M層とG層の
遷移マトリックスFMおよびFGによって表わされる。図
3に示す構造の多層膜は、F=[FM・FGn・[FM
M]・[FG・FMnと表わされるが、ここでFは多層
膜の遷移マトリックス(4×4複素マトリックス)であ
る。M層が、等方性で光の吸収が無視できるとすると、
磁界のない時の主誘電率e1と磁界をかけた時の磁気誘
起誘電率e2を用いて、右・左の円偏光に対する誘電率
は、それぞれep(=e1+e2)、en(=e1−e2)と
なる。ファラデー回転は、磁気誘起誘電率e2の効果に
より発現し、多層膜の透過特性、すなわち、ファラデー
回転および透過率は、入射面および出射面での光の状態
を遷移マトリックスFを用いて比較することによって評
価できることになる。 〈実施の形態1〉図1は、本実施の形態で例示する[M
G]n[2M][GM]nのような構造をした多層膜回転
子について、繰り返し数をパラメータとして、M層の相
対磁化に対する透過率の変化を示したものである。多層
膜は、M層を希土類鉄ガーネットの一種であるビスマス
置換イットリウム鉄ガーネット(以下Bi:YIGと称
する)、G層をSiO2として構成されている。本実施
の形態では、Bi:YIGとして最も汎用的なBi12
Fe512を用いている。光の波長はこの材料が吸収を
もたない波長帯の1.55μmとし、この波長において
は、M層のe1は5.3、また、e2は飽和磁化の状態で
0.002(ファラデー回転角は約0.1度/μm)とな
る。また、G層の誘電率は2.3となる。さらに、各層
の厚さを光路長(屈折率×厚さ)が光の波長の4分の1
となるように設定している。図1において、繰り返し数
nが8から10での多層膜について、相対磁化と透過率
との関係を示している。ここで、相対磁化とは、M層に
おいて外部の磁界によって生じた磁化と飽和磁化との
比、すなわち、磁化/飽和磁化を指している。相対磁化
は外部磁界の大きさに対してほぼ比例して変化する。す
なわち、M層に飽和磁化を生じさせる外部の磁界を飽和
磁界とすると、相対磁化は、磁界/飽和磁界に比例す
る。本実施の形態で用いたBi:YIGでは、飽和磁化
を生じさせる外部磁界の大きさは1.8kGである。図
1から明らかなように、相対磁化の変化、すなわち、外
部磁界の大きさに対応して透過率が変化する。その変化
の割合は、繰り返し数nによっても変わり、nが大きく
なると光の透過率は急激に減少する。例えば、n=10
の時、相対磁化が0.2に対して透過率は約0.5まで低
下する。一方、n=8の多層膜では、飽和磁化に達して
も透過率は約0.5である。また、n=9とすれば広範
囲に磁界を測定できることになる。このように、nが大
きな多層膜では、外部磁界の変化に対する透過率の変化
が大きく、すなわち、感度が高く、小さな磁界の測定に
向いている。これに対してnが小さいと感度が低く、こ
の場合、M層の飽和磁化に対応する1.8kGまでの磁
界を測定できる。このように本実施の形態で例示した多
層膜は、磁界の大きさに対応して光の透過率が異なるも
のである。このような作用は、従来のファラデー回転子
が、磁界の大きさに対応して回転角を変化させるが透過
率は変化しないことと全く異なり、磁界の大きさに対応
して直接透過率が変化する全く従来にない作用を持つも
のである。なお、磁界の大きさに応じて透過率が変わる
が、透過しなかった光は反射されるのである。このよう
に、磁気光学層と誘電体層により構成された多層膜ファ
ラデー回転子は、図3に示すように、繰り返しの周期構
造が膜の中心で反転対称となった積層構造を有してい
る。この反転対称周期の積層構造のために、外部磁界が
負荷された場合、その大きさに応じて、透過率やファラ
デー回転角が変化するものである。すなわち、この効果
は、多層膜の周期性による光の局在化と左右の円偏光の
伝搬定数の差が周期性と整合することによって発現する
ものである。一方、外部の磁界を取り去ると、磁気ヒス
テリシスがない材料では、M層内での磁気誘起誘電率e
2はゼロになり、ファラデー効果は生じない。その結
果、この多層膜は通常の誘電体多層膜と同じことにな
り、光を完全に透過する。したがって、M層が飽和磁化
に達するまでの外部磁界に対して、透過率は連続的に変
化することになり、この作用により磁界を検出すること
ができるのである。本実施の形態で用いたBi:YIG
は、1.5μm帯では吸収のない、ファラデー効果の大
きな材料である。また、フェリ磁性体であるが、磁気ヒ
ステリシスの効果は実効的に無視できるほどに小さい。
すなわち、ファラデー回転を発現させる磁気誘起誘電率
2は、飽和磁化に達するまでの状態では磁化と飽和磁
化の比である相対磁化に比例する。すなわち、e2=α
Cで表わすことができる。ここで、αは比例定数、Cは
相対磁化(=磁化/飽和磁化)である。そのため、外部
の磁界が飽和磁化を起こす磁界よりも小さい場合、相対
磁化に応じてe2が変わるため、多層膜の透過率が変化
し、外部の磁界の大きさを検出することが可能になるの
である。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Comparative Example First, the outline of the operation principle of a multilayer Faraday rotator will be described. FIG. 3 shows a structure of a conventional multilayer Faraday rotator. Reference numeral 1 denotes a magneto-optical material, hereinafter referred to as M. Reference numeral 2 denotes a dielectric material, hereinafter referred to as G. The structure of the multilayer film shown in the figure is
Using M (magneto-optical material) and G (dielectric material), [M
G] n [2M] [GM] n (n is the number of repetitions). Light is assumed to travel from left to right in the figure, as indicated by the arrows. Further, when a magnetic field is applied in parallel to the traveling direction of light, the M layer becomes optically active, and the plane of polarization of light traveling through this layer is rotated by the Faraday effect. Detailed theoretical treatment is stated in the above mentioned references Inoue et al., Light transmission characteristics of such a multilayer film is represented by a transition matrix F M and F G of the M layer and G layer. The multilayer film having the structure shown in FIG. 3 has F = [F M · F G ] n · [F M ·
F M] · [it is represented as F G · F M] n, where F is the transition matrix of the multilayer film (4 × 4 complex matrix). Assuming that the M layer is isotropic and has negligible light absorption,
Using the main dielectric constant e 1 when no magnetic field is applied and the magnetically induced dielectric constant e 2 when a magnetic field is applied, the dielectric constants for right and left circularly polarized light are e p (= e 1 + e 2 ) and e, respectively. n (= e 1 −e 2 ). The Faraday rotation is manifested by the effect of the magnetically induced dielectric constant e 2 , and the transmission characteristics of the multilayer film, that is, the Faraday rotation and the transmittance, compare the state of light at the entrance surface and the exit surface using the transition matrix F. This will make it possible to evaluate. <Embodiment 1> FIG. 1 illustrates [M
G] n [2M] [GM] For a multilayer rotator having a structure such as n , the change in transmittance with respect to the relative magnetization of the M layer is shown using the number of repetitions as a parameter. In the multilayer film, the M layer is composed of bismuth-substituted yttrium iron garnet (hereinafter referred to as Bi: YIG), which is a kind of rare earth iron garnet, and the G layer is composed of SiO 2 . In the present embodiment, Bi 1 Y 2 which is the most general-purpose Bi: YIG
Fe 5 O 12 is used. The wavelength of light is 1.55 μm, which is a wavelength band where this material has no absorption. At this wavelength, e 1 of the M layer is 5.3, and e 2 is 0.002 (Faraday The rotation angle is about 0.1 degree / μm). The dielectric constant of the G layer is 2.3. Further, the thickness of each layer is determined by setting the optical path length (refractive index × thickness) to 4 of the wavelength of light.
It is set to be. FIG. 1 shows the relationship between relative magnetization and transmittance for a multilayer film in which the number of repetitions n is 8 to 10. Here, the relative magnetization refers to the ratio between the magnetization generated by an external magnetic field and the saturation magnetization in the M layer, that is, the magnetization / saturation magnetization. The relative magnetization changes almost in proportion to the magnitude of the external magnetic field. That is, assuming that an external magnetic field that causes saturation magnetization in the M layer is a saturation magnetic field, the relative magnetization is proportional to the magnetic field / saturation magnetic field. In Bi: YIG used in the present embodiment, the magnitude of the external magnetic field that causes saturation magnetization is 1.8 kG. As is clear from FIG. 1, the transmittance changes in accordance with the change in the relative magnetization, that is, the magnitude of the external magnetic field. The rate of the change also depends on the number of repetitions n. As n increases, the light transmittance sharply decreases. For example, n = 10
At this time, the transmittance decreases to about 0.5 when the relative magnetization is 0.2. On the other hand, in the multilayer film of n = 8, the transmittance is about 0.5 even when the saturation magnetization is reached. If n = 9, the magnetic field can be measured over a wide range. As described above, the multilayer film having a large n has a large change in transmittance with respect to a change in the external magnetic field, that is, has a high sensitivity, and is suitable for measuring a small magnetic field. On the other hand, when n is small, the sensitivity is low. In this case, a magnetic field of up to 1.8 kG corresponding to the saturation magnetization of the M layer can be measured. As described above, the multilayer films exemplified in the present embodiment have different light transmittances corresponding to the magnitude of the magnetic field. This effect is completely different from the fact that the conventional Faraday rotator changes the rotation angle according to the magnitude of the magnetic field but does not change the transmittance, and the transmittance directly changes according to the magnitude of the magnetic field. It has a function that has never existed before. Although the transmittance changes according to the magnitude of the magnetic field, the light not transmitted is reflected. As described above, the multilayer Faraday rotator constituted by the magneto-optical layer and the dielectric layer has a laminated structure in which the repetitive periodic structure is inverted symmetric at the center of the film, as shown in FIG. . When an external magnetic field is applied to the laminated structure having the inversion symmetric period, the transmittance and the Faraday rotation angle change according to the magnitude of the external magnetic field. That is, this effect is exhibited when the difference between the localization of light due to the periodicity of the multilayer film and the propagation constant of right and left circularly polarized light matches the periodicity. On the other hand, when the external magnetic field is removed, the material having no magnetic hysteresis has a magnetically induced dielectric constant e in the M layer.
2 becomes zero and no Faraday effect occurs. As a result, this multilayer film becomes the same as a normal dielectric multilayer film, and completely transmits light. Therefore, the transmittance changes continuously with respect to the external magnetic field until the M layer reaches the saturation magnetization, and the magnetic field can be detected by this action. Bi: YIG used in the present embodiment
Is a material with a large Faraday effect that does not absorb in the 1.5 μm band. Moreover, although it is a ferrimagnetic material, the effect of magnetic hysteresis is so small that it can be effectively ignored.
That is, the magnetically induced dielectric constant e 2 that causes the Faraday rotation is proportional to the relative magnetization, which is the ratio between the magnetization and the saturation magnetization, until the saturation magnetization is reached. That is, e 2 = α
Can be represented by C. Here, α is a proportionality constant, and C is a relative magnetization (= magnetization / saturation magnetization). Therefore, when the external magnetic field is smaller than the magnetic field that causes the saturation magnetization, e 2 changes according to the relative magnetization, so that the transmittance of the multilayer film changes and the magnitude of the external magnetic field can be detected. It is.

【0006】〈実施の形態2〉上記実施の形態1に基づ
き、[MG]n[2M][GM]nで示した構造の多層膜
における、繰り返し数n=8となる多層膜を作製した。
基板は1.5インチ径の石英ガラス(厚さ1mm)で、
M層にBi:YIG、G層にSiO2を用いた。2元の
スパッタ装置を用い、M層、G層用の各ターゲットを設
置した。膜厚計で厚さをモニターしながら、M層は、
0.1683μm、G層は0.2555μmとなるように
全層数34層、厚さ7.118μmとなるように堆積し
た。得られた多層膜について、磁界がある時とない時の
透過率を光スペクトルアナライザを用いて測定した。多
層膜に垂直に光を入射した時、磁界がない場合は透週率
が97%、磁界がある場合(この測定では1.5kG)
は透過率が0.49となった。これらの値は、図1に示
す見積もりとほぼ一致する。
Second Embodiment Based on the first embodiment, a multilayer film having a structure represented by [MG] n [2M] [GM] n with a repetition number n = 8 was manufactured.
The substrate is 1.5 inch diameter quartz glass (1mm thick)
Bi: YIG was used for the M layer, and SiO 2 was used for the G layer. Each target for the M layer and the G layer was set using a binary sputtering apparatus. While monitoring the thickness with a film thickness meter, the M layer
A total of 34 layers and a thickness of 7.118 μm were deposited to a thickness of 0.1683 μm and a G layer of 0.2555 μm. About the obtained multilayer film, the transmittance | permeability with and without a magnetic field was measured using the optical spectrum analyzer. When light is vertically incident on the multilayer film, the permeability is 97% when there is no magnetic field, and when there is a magnetic field (in this measurement, 1.5 kG).
Has a transmittance of 0.49. These values almost match the estimates shown in FIG.

【0007】〈実施の形態3〉図2は、実施の形態2で
作製したn=8の多層膜を用いて構成した光学式磁界検
出器の断面構造を示す模式図ある。図において、3は多
層膜、4は屈折率分布型ロッドレンズ(GRINロッド
レンズ)、5aは入力用光ファイバ、5bは出力用光フ
ァイバである。5aの入力用光ファイバを入射ポートと
して、これを4のGRINロッドレンズの光軸方向と平
行に磁界をかけると、5aのポートから入射したした光
は、図中の1点鎖線で示すような経路を通る。磁界の大
きさに応じて、3の多層膜の透過率または反射率が変わ
るから、磁界がある時、5aのポートから入射したした
光の一部は多層膜で反射され、5bの出カポートに出力
される。また、透過した光は検出器外に出てしまう。上
記実施の形態2に示した測定系を用いて、磁界をかけた
時の5aから5bの透過率を調べた。外部磁界を0.
5、1.0、1.5kGとした時、透過率は、0.14、
0.13、0.47であった。また、磁界をオフした時の
5aから5bの透過率は0であった。それぞれの光路に
おいて接続による損失が0.3%程度見込まれるから、
実施の形態2で測定した多層膜の透過特性を反映したも
のとなっている。本実施の形態において、磁界検出器の
構成は反射型としている。これは、4のGRINロッド
レンズで示しているように、コリメート系が必要になる
ため、本発明の構成の例では大き目のものである。実施
の形態2で述べたように、磁界感応素子の多層膜は厚さ
が10μm以下であるため、光ファイバの突き合わせ面
に直接挟むことができる。すなわち、ファイバが10μ
m程度離れていても光軸が一致していれば回折による損
失は無視できるほどに小さい。したがって、ファイバの
突き合わせ面間に、この多層膜を挿入した構成にすれ
ば、量も小型の検出器が構成できる。この場合、多層膜
の透過量を測定することになる。上述した実施の形態で
は、磁気光学材料としてBi:YIGを用い、波長1.
55μmについて述べている。同時に、繰り返し数nと
基本構造の組み合わせを適当に行うことにより他の磁気
光学材料、例えば、Ce置換イットリウム鉄ガーネット
等の他の希土類鉄ガーネット、HgMnTe等の希薄磁
性半導体、ファラデー回転ガラス等のガラス材料を用い
た場合においても、本発明の磁界感応素子が作製できる
ことを確認している。同様に、実施の形態では、誘電体
材料としてSiO2を用いたが、繰り返し数nと基本構
造の組み合わせを適当に行うことにより、光吸収が無視
できる他の誘電体材料として、A123等の結晶材料、
CdTe等の半導体材料、フッ化物ガラス等のガラス材
料を用いても本発明の効果を有する多層膜ファラデー回
転子よりなる磁界感応素子が実現できることを確認して
いる。また、上記磁気光学材料と誘電体材料の種類と共
に、繰り返し数nと基本構造の組み合わせを本発明の範
囲で適当に選択することにより、1.55μmの波長領
域においても多層膜回転子の磁界感応素子という本発明
の効果が得られることを確認している。
Third Embodiment FIG. 2 is a schematic diagram showing a cross-sectional structure of an optical magnetic field detector formed by using the n = 8 multilayer film manufactured in the second embodiment. In the figure, 3 is a multilayer film, 4 is a gradient index rod lens (GRIN rod lens), 5a is an input optical fiber, and 5b is an output optical fiber. When the input optical fiber 5a is used as an input port and a magnetic field is applied to the input optical fiber in parallel with the optical axis direction of the GRIN rod lens 4, the light incident from the port 5a becomes as shown by a dashed line in the figure. Take the route. Depending on the magnitude of the magnetic field, the transmittance or reflectance of the multilayer film of 3 changes, so when there is a magnetic field, part of the light incident from the port 5a is reflected by the multilayer film and is output to the output port of 5b. Is output. Also, the transmitted light exits the detector. Using the measurement system described in the second embodiment, the transmittance from 5a to 5b when a magnetic field was applied was examined. Set the external magnetic field to 0.
5, 1.0 and 1.5 kG, the transmittance is 0.14,
0.13 and 0.47. The transmittance from 5a to 5b when the magnetic field was turned off was 0. Since the connection loss is expected to be about 0.3% in each optical path,
This reflects the transmission characteristics of the multilayer film measured in the second embodiment. In the present embodiment, the configuration of the magnetic field detector is a reflection type. This is large in the configuration example of the present invention because a collimating system is required as shown by the GRIN rod lens of 4. As described in the second embodiment, since the multilayer film of the magnetic field sensitive element has a thickness of 10 μm or less, it can be directly sandwiched between the butting surfaces of the optical fibers. That is, the fiber is 10μ
Even if they are separated by about m, the loss due to diffraction is negligibly small if the optical axes coincide. Therefore, if the multilayer film is inserted between the abutting surfaces of the fibers, a small-sized detector can be formed. In this case, the transmission amount of the multilayer film is measured. In the above-described embodiment, Bi: YIG is used as the magneto-optical material, and the wavelength is 1.
It describes about 55 μm. At the same time, by appropriately combining the number of repetitions n and the basic structure, other magneto-optical materials, for example, other rare earth iron garnets such as Ce-substituted yttrium iron garnet, diluted magnetic semiconductors such as HgMnTe, glass such as Faraday rotating glass It has been confirmed that the magnetic field sensitive element of the present invention can be manufactured even when a material is used. Similarly, in the embodiment, SiO 2 is used as the dielectric material. However, by appropriately combining the number of repetitions n and the basic structure, A1 2 O 3 can be used as another dielectric material with negligible light absorption. Crystal materials, such as
It has been confirmed that a magnetic field sensitive element comprising a multilayer Faraday rotator having the effects of the present invention can be realized even when a semiconductor material such as CdTe or a glass material such as fluoride glass is used. In addition, by appropriately selecting the combination of the number of repetitions n and the basic structure in addition to the types of the magneto-optical material and the dielectric material within the scope of the present invention, the magnetic field sensitivity of the multilayer rotor can be increased even in the wavelength region of 1.55 μm. It has been confirmed that the effect of the present invention, which is an element, can be obtained.

【0008】[0008]

【発明の効果】以上説明したように、磁気光学材料と誘
電体材料よりなる多層膜で、中心対称の繰り返し周期構
造を有する多層膜ファラデー回転子に対して、外部の磁
界の大きさに応じて光の透過率または反射率を変化させ
ることができる。この多層膜磁界感応素子を用いて光学
式磁界検出器を構成することにより、偏光子、検光子が
不要な磁界検出器を構成することができるので、小型で
安価な磁界検出器を作製できる利点がある。
As described above, a multilayer film made of a magneto-optical material and a dielectric material, which has a centrally symmetric repetitive periodic structure, can be applied to a multilayer Faraday rotator according to the magnitude of an external magnetic field. Light transmittance or reflectance can be changed. By configuring an optical magnetic field detector using this multilayer magnetic field sensitive element, it is possible to configure a magnetic field detector that does not require a polarizer and an analyzer. There is.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施の形態1、2で例示した[MG]
n[2M][GM]nで示される構造の多層膜における繰
り返し数nが8〜10の多層膜の相対磁化に対する透過
率の変化を示す図。
FIG. 1 illustrates [MG] exemplified in Embodiments 1 and 2 of the present invention.
FIG. 11 is a diagram showing a change in transmittance of a multilayer film having a structure represented by n [2M] [GM] n with respect to relative magnetization of a multilayer film having a repetition number n of 8 to 10;

【図2】本発明の実施の形態3で例示した繰り返し数n
が8の構造の多層膜を用いて構成した反射型の光学式磁
界検出器の構造を示す模式図。
FIG. 2 shows the number of repetitions n exemplified in Embodiment 3 of the present invention.
FIG. 9 is a schematic diagram showing the structure of a reflection type optical magnetic field detector constituted by using a multilayer film having the structure of FIG.

【図3】従来の磁気光学材料と誘電体材料よりなる多層
膜ファラデー回転子の基本構造を示す模式図。
FIG. 3 is a schematic diagram showing a basic structure of a conventional multilayer Faraday rotator made of a magneto-optical material and a dielectric material.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…磁気光学材料(M) 2…誘電体材料(G) 3…多層膜 4…屈折率分布型ロッドレンズ(GRINロッドレン
ズ) 5a…入力用光ファイバ 5b…出力用光ファイバ 6…光の経路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Magneto-optical material (M) 2 ... Dielectric material (G) 3 ... Multilayer film 4 ... Gradient index type rod lens (GRIN rod lens) 5a ... Input optical fiber 5b ... Output optical fiber 6 ... Light path

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】磁気光学材料と誘電体材料とを周期的に繰
り返して積層した構造を有する多層膜であって、繰り返
し周期が上記多層膜の中心を対称として反転した構造を
有するファラデー回転子よりなる多層膜磁界感応素子で
あって、該多層膜磁界感応素子は、外部から負荷された
磁界の強度に応じて、光の透過率もしくは反射率が変化
する多層膜を有することを特徴とする多層膜磁界感応素
子。
1. A Faraday rotator having a structure in which a magneto-optical material and a dielectric material are periodically repeated and laminated, wherein the Faraday rotator has a structure in which the repetition period is inverted with respect to the center of the multilayer film. A multilayer magnetic field sensitive element comprising: a multilayer magnetic field sensitive element, wherein the multilayer magnetic field sensitive element has a multilayer film whose light transmittance or reflectivity changes according to the intensity of a magnetic field applied from the outside. Film magnetic field sensitive element.
【請求項2】請求項1に記載の多層膜磁界感応素子を用
い、該多層膜磁界感応素子を、光ファイバよりなる入出
力ポートを有する屈折率分布型ロッドレンズに装着し、
該多層膜磁界感応素子による光の反射率から外部磁界の
強度を測定する手段を少なくとも具備してなることを特
徴とする光学式磁界検出器。
2. The multilayer magnetic field sensitive element according to claim 1, wherein said multilayer magnetic field sensitive element is mounted on a gradient index rod lens having an input / output port made of an optical fiber.
An optical magnetic field detector comprising at least means for measuring the intensity of an external magnetic field from the reflectance of light from the multilayer magnetic field sensitive element.
【請求項3】請求項1に記載の多層膜磁界感応素子を用
い、該多層膜磁界感応素子を光ファイバの突き合わせ面
に挿着し、上記多層膜磁界感応素子による光の透過率か
ら外部磁界の強度を測定する手段を少なくとも具備して
なることを特徴とする光学式磁界検出器。
3. A multilayer magnetic field sensitive element according to claim 1, wherein said multilayer magnetic field sensitive element is inserted into a butt surface of an optical fiber, and an external magnetic field is determined based on the light transmittance of said multilayer magnetic field sensitive element. An optical magnetic field detector comprising at least means for measuring the intensity of a magnetic field.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2018028499A (en) * 2016-08-19 2018-02-22 シチズンファインデバイス株式会社 Magnetic field sensor element and magnetic field sensor device
JP2019138775A (en) * 2018-02-09 2019-08-22 シチズンファインデバイス株式会社 Magnetic field sensor element and magnetic field sensor device
CN115531979A (en) * 2022-09-16 2022-12-30 广东以色列理工学院 Intelligent net material capable of adjusting liquid permeability in real time and preparation method thereof

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