JP2000235166A

JP2000235166A - 非可逆相反部品

Info

Publication number: JP2000235166A
Application number: JP11035037A
Authority: JP
Inventors: Tadakuni Sato; 忠邦佐藤
Original assignee: Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 1999-02-12
Filing date: 1999-02-12
Publication date: 2000-08-29

Abstract

(57)【要約】【課題】小型、軽量、低価格で、その上、特性劣化が
発生しない非可逆相反部品を提供すること。【解決手段】硬磁性ガーネット厚膜からなるファラデ
ー回転素子１の光透過を阻害しない位置に、軟磁性材料
３を配置する。この際、軟磁性材料３がファラデー回転
素子１を内包するように配置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、光通信シ
ステムや光計測器に用いられる光学部品に関し、特に、
光源から出射した光が光学系の中の光学素子の端面で反
射し、光源に戻るのを防ぐための、光アイソレータや光
サーキュレータ等の非可逆相反部品に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】光源からの出射光を光学系を用いて伝達
しようとするとき、光学系中の光学素子の端面で反射し
た光は光源に戻ってくる。例えば、光通信においては、
光源のレーザから出射した光は結合レンズによって収束
され、光ファイバの端面に集められる。大部分の光は、
光ファイバ中に入り、その中を伝搬するが、一部の光は
ファイバ端面で反射されて光源のレーザに戻る。レーザ
中に戻った光は、一般に位相も偏光方向もレーザ中の光
とは異なり、これによってレーザ発振が乱され、レーザ
光のノイズとなったり、最悪の場合は発振が停止する。

【０００３】このようなノイズを防ぐため、戻り光を遮
断する光アイソレータが用いられる。また、同様な機能
を有するものとして、光サーキュレータがある。光アイ
ソレータでは、戻り光の遮断特性（アイソレーション、
消光比）の高いこと、入射光の透過損失（挿入損失）の
少ないことが要求される。

【０００４】従来の光アイソレータの典型的な構成の断
面図を図３に示す。図３に示すように、ファラデー回転
素子２１の両側に偏光素子２を配置して入射光側を偏光
子とし、出射光側を検光子として機能させている。ま
た、ファラデー回転素子２１の周囲には、この素子を一
方向に磁化させるための筒状の永久磁石２３が配設され
ている。これらの光学素子及び磁石等は、それぞれホル
ダを介したり、磁石を介したりして、接着剤や半田、レ
ーザ溶接等により、筐体４に固定されているのが通常で
ある。

【０００５】これら部材の中で、磁石はファラデー回転
素子に使用される磁性材料を一方向に十分に磁化させる
だけの磁界強度を有する必要があるので、ある程度の体
積を有することになる。また、ファラデー回転素子を内
包する構造となるため、常に磁石の肉厚に相当する分だ
け、アイソレータの外径は余分に大きくなってしまう。
そこで、小型化のためには、高価ではあるが高性能な希
土類磁石を使用するのが通例である。その一方で、現
在、光アイソレータ等の部品においては、より一層の小
型化、軽量化、低価格化が求められている。

【０００６】そこで、本発明者は、平成１０年１２月１
８日提出の特許願（整理番号ＴＫ１０１０１２）にファ
ラデー回転素子として用いられる硬磁性を有するガーネ
ット厚膜材料を提案し、さらに磁界印加用の永久磁石を
必要とせず、小型、軽量、低価格の光アイソレータを提
案した。

【０００７】しかし、熱膨張に伴い、応力が変化する
と、逆磁区が発生しやすくなるため、アイソレーショ
ン、挿入損失、消光比等の光アイソレータとしての特性
劣化が発生する場合がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明は、小
型、軽量、低価格で、その上、特性劣化が発生しない非
可逆相反部品を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、硬磁性ガーネ
ット厚膜からなるファラデー回転素子の光透過を阻害し
ない位置で、前記素子の光の入出射面の一部と対向する
ように軟磁性材料を配置することを特徴とする非可逆相
反部品である。

【００１０】また、本発明は、上記の非可逆相反部品に
おいて、前記軟磁性材料が前記ファラデー回転素子を内
包するように配置することを特徴とする非可逆相反部品
である。

【００１１】また、本発明は、上記の非可逆相反部品に
おいて、前記ファラデー回転素子を孤立する軟磁性材料
間に配置することを特徴とする非可逆相反部品である。

【００１２】即ち、本発明は、従来のような非可逆相反
部品構造に対して、ファラデー回転素子に硬磁性ガーネ
ット厚膜を使用することにより、磁界印加用磁石が不要
となるので、小型化（小径化）、軽量化、低価格化を同
時に達成するものである。

【００１３】

【発明の実施の形態】特定の組成を有するメルトから、
ＬＰＥ法（液相成長法）によりガーネット育成基板上に
硬磁性ガーネット厚膜を育成することによって、膜厚方
向に磁気異方性を有するように育成することができる。
従って、硬磁性ガーネット厚膜は、外部磁界を印加して
膜厚方向に着磁することにより、磁界印加用外部磁石を
使用することなく、一方向に良好に磁化されたファラデ
ー回転素子を得ることができる。

【００１４】本発明における硬磁性ガーネット厚膜は、
主成分比がＥｕ_０．９Ｈｏ_１．１Ｂｉ_１．０Ｆｅ_４．１
Ｇａ_０．９Ｏ_１２近傍であるＢｉ置換型ガーネットであ
ることが望ましい。ここで、Ｂｉ置換型とするのは、Ｂ
ｉ置換によりガーネットのファラデー回転能が著しく向
上するので、所要の膜厚が低減し、結晶育成が容易とな
るからであり、Ｂｉの比率は０.５以上であることが
好ましい。また、Ｅｕ、Ｈｏ、Ｆｅ、Ｇａは、ガーネッ
ト膜の磁化の大きさに関係するものであり、磁化が大き
くなると逆磁区が発生して光アイソレータの特性（アイ
ソレーション、消光比、挿入損失）が劣化することにな
るので、各組成は、Ｅｕ：０.７〜１.１、Ｈｏ：０.９
〜１.３、Ｆｅ：３.８〜４.３、Ｇａ：０.７〜１.２の
範囲であることが好ましい。ただし、ここでは、（Ｅ
ｕ、Ｈｏ、Ｂｉ）_３（Ｆｅ、Ｇａ）_５Ｏ_１２のガーネッ
トの組成比の関係を満たす必要がある。また、少量のＢ
_２Ｏ_３及びＰｂＯを含有すると、育成結晶状態が良好と
なり、挿入損失が減少する。これは、育成結晶のイオン
バランス改善に寄与すると推察する。これらの含有量と
しては、各々約３ｗｔ％以下であることが好ましい。

【００１５】このような光アイソレータ等に用いられる
ファラデー回転素子等用のＢｉ置換型ガーネットのＬＰ
Ｅ法は、一般に次のようにして行われている。白金るつ
ぼの中に、ＰｂＯ、Ｂｉ_２Ｏ_３、Ｂ_２Ｏ_３等をフラック
ス成分とし、ガーネット成分（Ｅｕ_２Ｏ_３、Ｈｏ
_２Ｏ_３、Ｂｉ_２Ｏ_３、Ｆｅ_２Ｏ_３、Ｇａ_２Ｏ_３等）を約
９００〜１１００℃で溶解して溶液（メルト）を作製し
た後、降温し、過冷却状態（過飽和溶液状態）とする。
そのメルトにガーネット育成基板を浸漬し、長時間回転
しながらＢｉ置換型ガーネットの厚膜を育成する。

【００１６】このようなＬＰＥ法においては、育成基板
に比べて育成されるＢｉ置換ガーネットの熱膨張率が２
０％程度大きいため、室温近傍では異方性ガーネット厚
膜には応力が残存することになる。これに、温度サイク
ル（通常、当該関連部品では−４０℃〜＋８０℃の範
囲）をかけると、熱膨張に伴う応力の変化は、ガーネッ
ト膜の磁化量の変化及び磁壁エネルギーの変化とも重畳
し、一方向に磁化されたこのガーネット厚膜にも逆磁区
が発生し易くなる。そして、このような逆磁区の発生し
ているガーネット厚膜がファラデー回転素子として挿入
されている場合には、アイソレータ等の光学特性（アイ
ソレーション、挿入損失、消光比等）は著しく劣化する
ことになる。

【００１７】そこで、これらのアイソレータの特性劣化
の原因となる逆磁区発生を防止するために、硬磁性ガー
ネット厚膜を使用したファラデー回転素子を軟磁性材料
で内包するように配置したり、このファラデー回転素子
を孤立した軟磁性材料間に配置する等して、このファラ
デー回転素子の面の一部と該軟磁性材料の端部が対向す
るように構成することにより、アイソレータの特性の安
定化を図るものである。これは、ファラデー回転素子の
平面に発生する静磁エネルギーを、軟磁性材料を配置す
ることにより低減するものである。この構成において
は、軟磁性材料を密着させて磁束の連続性を向上（例え
ば、上記の前者等）することにより、磁気的な結合性が
向上し、一層の効果が期待できる。

【００１８】ここに使用される軟磁性材料として、純
鉄、ケイ素鋼、パーマロイ、アルパーム、パーミンバ
ー、センダスト、アモルファス、超微細折出等の金属材
料、Ｍｎ−Ｚｎフェライト、Ｎｉ−Ｚｎフェライト等の
酸化物材料、また、これらの軟磁性材料を高分子材料に
分散させた複合材料等があげられる。特に、本発明にお
ける硬磁性ガーネットは、低い残留磁化となるので、軟
磁性材料としては高透磁率であると、その効果は、より
顕著となる。

【００１９】

【実施例】以下、実施例について示す。

【００２０】（実施例１）高純度の酸化ユーロピウム
（Ｅｕ_２Ｏ_３）、酸化ホルミウム（Ｈｏ_２Ｏ_３）、酸化
ビスマス（Ｂｉ_２Ｏ_３）、酸化第二鉄（α−Ｆｅ
_２Ｏ_３）、酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）、酸化鉛（Ｐｂ
Ｏ）及び酸化ホウ素（Ｂ_２Ｏ_３）の粉末を原料として使
用し、ＰｂＯ−Ｂｉ_２Ｏ_３−Ｂ_２Ｏ_３系をフラックスと
して、ＬＰＥ法にてＳＧＧＧ基板（Ｃａ・Ｍｇ・Ｚｒ置
換ＧＧＧ、格子定数１２.４９６オングストローム）上
に、主成分比がＥｕ_０．９Ｈｏ_１．１Ｂｉ_１．０Ｆｅ
_４．１Ｇａ_０． _９Ｏ_１２でＢ_２Ｏ_３を約１ｗｔ％、Ｐｂ
Ｏを約１ｗｔ％含有する組成のガーネット厚膜を厚さ約
６００μｍに育成した。

【００２１】次に、この試料の基板を除去した後、厚さ
約５００μｍに研磨し、ガーネット厚膜のファラデー回
転角が波長１.５５μｍで約４５ｄｅｇとなるように調
整した。なお、上記のガーネット厚膜の組成は、ＥＰＭ
Ａ分析及び原子吸光分析にて求めたものである。

【００２２】次に、このガーネット厚膜の磁気特性を振
動型磁力計にて測定したところ、飽和磁化（４πＭｓ）
及び残留磁化（Ｂｒ）は約１２０Ｇであり、保磁力（ｉ
Ｈｃ）は約４００Ｏｅであり、膜厚方向に磁気異方性を
有する角形性の良好な磁化曲線を示していた。すなわ
ち、硬磁性ガーネット材料となっていた。

【００２３】次に、このガーネット厚膜にＡＲコートを
施し、ファラデー回転素子として使用し、光の進行に対
し、その前後に偏光子及び検光子としてＡＲコート処理
したガラス偏光子（商品名ポーラコア）を偏光面が４５
ｄｅｇとなるように配置した。これらの素子は、光の入
射面が約２ｍｍの正方形であり、厚さが、それぞれ、約
５００μｍの平板状である。

【００２４】次に、図１に示すように、外径４ｍｍで内
径３.５ｍｍの円筒状の筐体４内に、上記のように作製
されたファラデー回転素子１を内包するようにして、外
径約３.５ｍｍ、内径３ｍｍで、厚さ１.５ｍｍと、外径
約３.５ｍｍ、内径１.５ｍｍで、厚さ０.５ｍｍのリン
グ状の軟磁性材料３を組み合わせて配置した。厚さ０.
５ｍｍのリング状の軟磁性材料３は、ファラデー回転素
子１の光の入出射面に対向するように配置している。こ
れを光の進行方向に磁化するように、電磁石を使用して
約１０ｋＯｅの磁場を印加して、ファラデー回転素子１
を磁化してアイソレータとした。

【００２５】これらのアイソレータの特性は、アイソレ
ーションが４０ｄＢ以上、挿入損失が０.３ｄＢ以下、
消光比が４０ｄＢ以上であった。

【００２６】次に、上記のようにしてアイソレータを各
々５０個作製し、温度変化（−４０℃〜＋８０℃／Ｈ
ｒ）を１０回繰り返した後、アイソレータの特性劣化の
発生率について調べた。ここでの特性劣化とは、アイソ
レーションが４０ｄＢ以下、挿入損失が０.３ｄＢ以
上、消光比が４０ｄＢ以下のいずれかの範囲になったも
のである。使用した軟磁性材料、透磁率及び発生率を表
１に示す。

【００２７】

【表１】

【００２８】表１より、硬磁性ガーネットをファラデー
回転素子として使用し、光の進行を阻害しないように、
この素子を軟磁性材料で内包するように構成することに
より、熱サイクルによるアイソレータの特性劣化の発生
率が著しく低減できることがわかる。従って、本発明
は、工業上、非常に有益であるといえる。

【００２９】（実施例２）実施例１と同様にして、図２
に示すように、光の進行方向に対し、硬磁性ガーネット
厚膜からなるファラデー回転素子１の前方及び後方に、
ファラデー回転素子１を挟むように軟磁性材料１３を配
置して、熱サイクルによるアイソレータの特性劣化の発
生率を調べた。その結果を表２に示す。ここで、使用し
た筐体４は、外径が３.５ｍｍ、内径が約３ｍｍであ
る。また、軟磁性材料１３は、外径が３ｍｍ、内径が２
ｍｍで、厚さが０.３ｍｍのリング状である。

【００３０】

【表２】

【００３１】表２より、硬磁性ガーネット厚膜をファラ
デー回転素子として使用し、光の進行方向に対し、この
素子を光透過を阻害しないように軟磁性材料で挟むよう
に構成することにより、熱サイクルによるアイソレータ
の特性劣化の発生率が著しく低減できることがわかる。
従って、本発明は、工業上、非常に有益であるといえ
る。

【００３２】同様に、ファラデー回転素子の特性の劣化
を防止できるため、光サーキュレータの特性の劣化も防
止することができる。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
小型、軽量、低価格で、その上、特性劣化が発生しない
非可逆相反部品を提供することができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１における光アイソレータの構成を示す
断面図。

【図２】実施例２における光アイソレータの構成を示す
断面図。

【図３】従来の光アイソレータの構成を示す断面図。

【符号の説明】

１、２１ファラデー回転素子２偏光素子３、１３軟磁性材料４筐体２３永久磁石

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】硬磁性ガーネット厚膜からなるファラデ
ー回転素子の光透過を阻害しない位置で、前記素子の光
の入出射面の一部と対向するように軟磁性材料を配置す
ることを特徴とする非可逆相反部品。
【請求項２】請求項１記載の非可逆相反部品におい
て、前記軟磁性材料が前記ファラデー回転素子を内包す
るように配置することを特徴とする非可逆相反部品。
【請求項３】請求項１記載の非可逆相反部品におい
て、前記ファラデー回転素子を孤立する軟磁性材料間に
配置することを特徴とする非可逆相反部品。