JP2000298247A

JP2000298247A - 光アイソレータ及び非可逆相反部品

Info

Publication number: JP2000298247A
Application number: JP11307847A
Authority: JP
Inventors: Tadakuni Sato; 忠邦佐藤
Original assignee: Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 1998-10-29
Filing date: 1999-10-28
Publication date: 2000-10-24

Abstract

(57)【要約】【課題】小型化、軽量化、低価格化を同時に図った光
アイソレータを提供すること。【解決手段】ファラデー回転子１が、着磁された硬磁
性のガーネット厚膜からなり、ファラデー回転子１を内
包し、ファラデー回転子１に磁界を印加する磁石材料を
もって筐体２０とし、筐体２０の磁極と、筐体２０の磁
極にもっとも近接して配置されるファラデー回転子１の
磁極が、互いに異極の関係をなすように、すなわち、筐
体２０は、ファラデー回転子１に入射される光の方向に
対し、平行な方向に着磁され、あるいは、径方向に着磁
されている。また、図示はしないが、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
の前方及び後方の位置に永久磁石を配置し、或いは、硬
磁性ガーネット厚膜からなるファデー回転素子の、光の
進行と直交する面の外側で、筺体の一部に永久磁石を配
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、より詳
しくは、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非可逆相反
部品として用いられる光アイソレータや光サーキュレー
タ等に関する。

【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２４に固定されている。

【０００５】これら部材の中で、永久磁石２３は、ファ
ラデー回転素子２１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、ある程度の体積が必要である。また、永久磁石２３
はファラデー回転素子２１を内包する構造となるため、
常にこの永久磁石２３の肉厚に相当する分だけ、光アイ
ソレータの外径は余分に大きくなってしまう。そこで、
光アイソレータの小型化のために、永久磁石２３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。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】一方、現在、光アイソ
レータ等の光学部品においては、より一層の小型化、軽
量化、低価格化が求められている。そこで、本発明者
は、特願平１０−３７６０３７号（平成１０年１２月１
８日提出）において、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
価格を図れる光アイソレータを提案した。

【０００７】しかし、これら提案に係る光アイソレータ
では、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が劣化する場合があ
った。

【０００８】本発明の第１の目的は、小型、軽量、低価
格な上に、特性の劣化が発生しにくい光アイソレータ等
の非可逆相反部品を提供することにある。

【０００９】また、本発明の第２の目的は、小型化、軽
量化、低価格化を同時に図れる光アイソレータを提供す
ることにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記第１の目的を達成す
るため、本発明の第１の様相では、硬磁性ガーネット厚
膜からなるファラデー回転素子の、光の進行と直交する
面の外側で、筐体の一部に永久磁石を配置するようにし
ている。また、本発明の第１の様相では、前記筐体を、
永久磁石とプラスチックの一体成形物から構成するよう
にした。

【００１１】即ち、本発明の第１の様相では、上述した
従来の光アイソレータ等の構造に対して、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、
磁界印加用の永久磁石を不要とできるので、光アイソレ
ータ等の光学部品の小型化（小径化）、軽量化、低価格
化を同時に達成し得るものである。

【００１２】また、上記第１の目的を達成するため、本
発明の第２の様相では、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の前方及び後
方のうち少なくともどちらか一方の位置に永久磁石を配
置して構成するようにした。

【００１３】また、本発明の第２の様相では、上記の光
学部品において、前記永久磁石は、磁石粉末がゴム状物
質に分散されたゴム磁石であることを特徴とする。ま
た、本発明の第２の様相では、上記の光学部品におい
て、前記永久磁石は、磁石粉末が高分子樹脂に分散され
たプラスチック磁石であることを特徴とする。また、本
発明の第２の様相では、上記の光学部品において、前記
永久磁石は、磁石粉末を焼結してなる焼結磁石であるこ
とを特徴とする。また、本発明の第２の様相では、上記
の光学部品において、前記永久磁石は、塑性変形により
製造が可能な金属磁石であることを特徴とする。

【００１４】即ち、本発明の第２の様相においても、上
述した従来の光アイソレータ等の構造に対して、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、磁界印加用の永久磁石を不要とできるので、光ア
イソレータ等の光学部品の小型化（小径化）、軽量化、
低価格化を同時に達成し得るものである。

【００１５】また、上記第２の目的を達成するため、本
発明の第３の様相に係る光アイソレータでは、ファラデ
ー回転子が、着磁された硬磁性のビスマス置換型希土類
鉄ガーネット厚膜（以下において、ガーネット厚膜とい
う）からなり、ファラデー回転子を内包し、ファラデー
回転子に磁界を印加する磁石材料をもって筐体とし、筐
体の磁極と、筐体の磁極にもっとも近接するファラデー
回転子の磁極は、互いに異極の関係をなすように構成す
るようにした。

【００１６】本発明の第３の様相による光アイソレータ
において、筐体は、ファラデー回転子に入射される光と
平行な方向、すなわち、長さ方向に着磁されている。筐
体は、長さ方向に分割して着磁されていてもよい。ま
た、本発明の第３の様相による光アイソレータにおい
て、筐体は、径方向に着磁されていてもよい。筐体は、
中心に向けて着磁されている部分と、外に向けて着磁さ
れている部分から構成されているとよい。

【００１７】本発明の第３の様相による光アイソレータ
のファラデー回転子には、液相エピタキシャル成長法
（以下、ＬＰＥ法）によって育成され、化学式が、（Ｅ
ｕ_XＨｏ_2-XＢｉ）（Ｆｅ_5-yＧａ_y）Ｏ₁₂、ここで、０.
７≦ｘ≦１.１、０.６≦ｙ≦１.２で表される組成範囲
で、厚さ方向に磁気異方性を有するガーネット厚膜が用
いられる。本発明の第３の様相によるファラデー回転子
は、ガーネット厚膜に含まれるＢ₂Ｏ₃およびＰｂＯを、
３ｗｔ％以下と規定する。

【００１８】

【発明の実施の形態】まず、本発明の第１の実施形態に
ついて、図面を参照して説明する。本実施形態は、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
成するものであり、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、強い磁界を発生するための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。

【００１９】本実施形態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_4.1Ｇａ_0.9
Ｏ₁₂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、Ｂｉ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、Ｂ
ｉ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、（Ｅｕ、Ｈｏ、Ｂｉ）₃
（Ｆｅ、Ｇａ）₅Ｏ₁ ₂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Ｂ₂Ｏ₃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。

【００２０】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、Ｂｉ₂Ｏ₃、Ｂ₂Ｏ₃等をフラックス成
分とし、ガーネット成分（Ｅｕ₂Ｏ₃、Ｈｏ₂Ｏ₃、Ｂｉ₂
Ｏ₃、Ｆｅ₂Ｏ₃、Ｇａ₂Ｏ₃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。

【００２１】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。

【００２２】そこで、本発明の第１の実施形態では、ア
イソレータの小型、軽量、低廉化を図りつつ、これらの
特性劣化の原因となる逆磁区発生を防止するために、筐
体の一部に、硬磁性ガーネット厚膜を使用したファラデ
ー回転素子の、光の進行と直交する面の外側に磁石が位
置するように配置した後、ファラデー回転素子及び磁石
を着磁して光アイソレータを構成するものである。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、この面に近接する磁石の端面を異なる磁極とする
ことにより、逆磁区の発生を防止するものである。本構
成であれば、ファラデー回転素子及び磁石の着磁は一方
向磁化により、一度で実施できるという簡便な作業とな
る。

【００２３】また、筐体の磁石部と非磁性部の構成は、
各単体部材の接着や組み込みによっても作製できるが、
磁石にプラスチックを押出、射出する等の手法で磁石と
プラスチックを一体成物とすることにより、更に低廉化
できる。

【００２４】（実施例１）高純度の酸化ユーロピウム
（Ｅｕ₂Ｏ₃）、酸化ホルミウム（Ｈｏ₂Ｏ₃）、酸化ビス
マス（Ｂｉ₂Ｏ₃）、酸化第二鉄（α−Ｆｅ₂Ｏ₃）、酸化
ガリウム（Ｇａ₂Ｏ₃）、酸化鉛（ＰｂＯ）及び酸化ホウ
素（Ｂ₂Ｏ₃）の粉末を原料として使用し、ＰｂＯ−Ｂｉ
₂Ｏ₃−Ｂ₂Ｏ₃系をフラックスとして、ＬＰＥ法にてＳＧ
ＧＧ基板（Ｃａ・Ｍｇ・Ｚｒ置換ＧＧＧ、格子定数１
２.４９６オングストローム）上に、主成分比がＥｕ_0.9
Ｈｏ_1.1Ｂｉ_1.0Ｆｅ_4.1Ｇａ_0. ₉Ｏ₁₂でＢ₂Ｏ₃を約１ｗｔ
％、ＰｂＯ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。

【００２５】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、上記ガーネット厚膜の組成は、ＥＰＭＡ
分析及び原子吸光分析にて求めたものである。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（ｉＨｃ）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。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４
５ｄｅｇ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。

【００２６】次に、図１に示すように、外径４ｍｍ、内
径３ｍｍの円筒状の永久磁石３（筐体を兼ねる）を両端
に配置し中央部が非磁性部となっている筐体４内に、上
記のように作製したファラデー回転素子１を配置した。
ここで、ファラデー回転素子１の、光の進行と直交する
面の外側に、永久磁石３が位置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２０ｋＯｅの磁場を印加して、ファラデー回転
素子及び磁石を同時に磁化してアイソレータとした。こ
れらアイソレータの特性は、アイソレーションが４０ｄ
Ｂ以上、挿入損失が０.３ｄＢ以下、消光比が４０ｄＢ
以上であった。

【００２７】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。ここで使用した円筒状の磁石の特性及びアイ
ソレータの特性劣化の発生率を表１に示す。

【００２８】

【表１】

【００２９】表１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、ファラデー回転素子の、光
の進行方向と直交する面の外側に磁石を配置することに
より、熱サイクルによるアイソレータの特性劣化の発生
率を容易に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。

【００３０】（実施例２）実施例１と同様にして、筐体
に、磁石とプラスチックを一体成形（一体化は磁石外周
部にナイロン１２を射出成形した）したものを使用し、
図２示すように、部材を配置して、光アイソレータを構
成した。磁石の材質及び熱サイクルによるアイソレータ
の特性劣化の発生率を表２に示す。

【００３１】

【表２】

【００３２】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、ファラデー回転素子の、光
の進行方向と直交する面の外側に磁石を配置することに
より、熱サイクルによるアイソレータの特性劣化の発生
率を容易に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。同様に、ファ
ラデー回転素子の特性劣化が防止できるので、光サーキ
ュレータの特性劣化を防止することができる。

【００３３】次に、本発明の第２の実施形態について説
明する。この第２の実施形態では、上述したアイソレー
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、光の進行方向に対し硬磁性ガーネット厚膜を使用し
たファラデー回転素子の前後、又はいずれか片側の光の
透過を阻害しない位置に永久磁石を配置することによ
り、この磁石の発する磁束によりファラデー回転素子の
磁区を固定し、安定化を図るものである。

【００３４】ここに使用される永久磁石としては、高分
子複合型磁石、焼結磁石、金属圧延磁石等が成形上、有
用となる。高分子複合型磁石は、磁石粉末をゴム状物質
（天然ゴム、合成ゴム等）に分散させて成る、いわゆる
ゴム磁石や、高分子樹脂に分散させて成る、いわゆるプ
ラスチック磁石等がある。前者は、圧延伸展、打ち抜き
等の成形加工が容易なことを特徴とし、Ｓｒフェライト
系、Ｂａフェライト系、希土類磁石系等がある。後者
は、圧縮成形、押出成形、射出成形により所要形状、ま
たは、それに近い状態に加工できることを特徴とし、Ｂ
ａフェライト系、Ｓｒフェライト系、Ｓｍ₂Ｃｏ₁₇系、
Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系等がある。

【００３５】また、焼結磁石は、磁石粉末を所要形状に
成形した後、焼結してなる磁石であり、高密度となるの
で、高い磁石特性を有するので、小型化ができ、加工量
も少なくできることを特徴とし、Ｂａフェライト系、Ｓ
ｒフェライト系、Ｓｍ₂Ｃｏ₁₇系、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系等
がある。また、金属圧延磁石は、磁石材料の塑性変形が
可能な材料であり、圧延、押し出し、打ち抜き、線引き
などの加工が可能であり、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｃｏ系、Ｃｕ−
Ｎｉ−Ｆｅ系、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｃｏ系、Ｐｔ−Ｆｅ系、Ｐ
ｔ−Ｃｏ系、Ｍｎ−Ａｌ−Ｃ系、希土類−Ｆｅ−Ｂ系等
がある。

【００３６】このような本実施形態における永久磁石材
料としては、小型化、薄型化でき、加工容易性があるも
のが有用となる。

【００３７】（実施例３）高純度の酸化ユーロピウム
（Ｅｕ₂Ｏ₃）、酸化ホルミウム（Ｈｏ₂Ｏ₃）、酸化ビス
マス（Ｂｉ₂Ｏ₃）、酸化第二鉄（α−Ｆｅ₂Ｏ₃）、酸化
ガリウム（Ｇａ₂Ｏ₃）、酸化鉛（ＰｂＯ）及び酸化ホウ
素（Ｂ₂Ｏ₃）の粉末を原料として使用し、ＰｂＯ−Ｂｉ
₂Ｏ₃−Ｂ₂Ｏ₃系をフラックスとして、ＬＰＥ法にてＳＧ
ＧＧ基板（Ｃａ・Ｍｇ・Ｚｒ置換ＧＧＧ、格子定数１
２.４９６オングストローム）上に、主成分組成がＥｕ
_0.9Ｈｏ_1.1Ｂｉ_1.0Ｆｅ_4.1Ｇａ₀ _.9Ｏ₁₂でＢ₂Ｏ₃を約１
ｗｔ％、ＰｂＯ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。

【００３８】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、上記ガーネット厚膜の組成は、ＥＰＭＡ
分析及び原子吸光分析にて求めたものである。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（ｉＨｃ）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。

【００３９】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４５ｄ
ｅｇ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５０
０μｍの平板状とした。

【００４０】次に、図３に示すように、外径約５ｍｍ、
内径約３ｍｍの円筒状の筐体４内に、上記のファラデー
回転素子１を挟むようにして、外径約３ｍｍ、内径約
１.５ｍｍで、厚さが約０.２ｍｍ〜１.０ｍｍのリング
状の永久磁石３を配置、固定した。次に、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２０ｋＯ
ｅの磁場を印加して、ファラデー回転素子１及びリング
状の永久磁石３を磁化して、アイソレータとした。これ
らのアイソレータの特性は、アイソレーションが４０ｄ
Ｂ以上、挿入損失が０.３ｄＢ以下、消光比が４０ｄＢ
以上であった。

【００４１】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。上記リング状の永久磁石の材質、特性及びア
イソレータの特性劣化の発生率を表３に示す。

【００４２】

【表３】

【００４３】表３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
素子の前後に永久磁石を配置することにより、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。したがって、本発明は、工業上、
非常に有益であるといえる。

【００４４】（実施例４）実施例３と同様にして、光の
進行方向に対し、硬磁性ガーネット厚膜のファラデー回
転素子の前方又は後方のみに永久磁石材を配置して、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４に示す。

【００４５】

【表４】

【００４６】表４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
素子の前方又は後方のいずれか片側に永久磁石を配置す
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。したがっ
て、本発明は、工業上、非常に有益であるといえる。同
様に、ファラデー回転素子の特性の劣化を防止できるの
で、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。

【００４７】続いて、本発明の第３の実施形態につい
て、図面を参照して説明する。本発明の第３の実施形態
においても、ファラデー回転子を構成する硬磁性のガー
ネット厚膜は、膜厚方向に磁気異方性を有するように、
ＬＰＥ法によって育成される。硬磁性のガーネット厚膜
は、いったん外部磁界を印加して厚さ方向に着磁するこ
とにより、磁化を保持するための外部磁石を必要とせ
ず、一方向に良好に磁化されたファラデー回転子として
用いられる。

【００４８】本実施形態において、硬磁性のガーネット
厚膜は、化学式が、（Ｅｕ_XＨｏ_2-XＢｉ）（Ｆｅ_5-yＧ
ａ_y）Ｏ₁₂で表され、０.７≦ｘ≦１.１、０.６≦ｙ≦
１.２、の組成を有する。ガーネット厚膜は、結晶育成
が容易なことと併せて、高濃度のＢｉを含むため、高い
ファラデー回転能を示し、薄い膜厚でもファラデー回転
子に必要なファラデー回転角が得られる。

【００４９】ガーネット厚膜は、以下に述べるように、
ＬＰＥ法によって育成される。まず、白金るつぼの中
で、フラックス成分としての酸化鉛（ＰｂＯ）、酸化ホ
ウ素（Ｂ₂Ｏ₃）、および酸化ビスマス（Ｂｉ₂Ｏ₃）等、
ガーネット成分として高純度の酸化ユーロピウム（Ｅｕ
₂Ｏ₃）、酸化ホルミウム（Ｈｏ₂Ｏ₃）、酸化第２鉄（α
−Ｆｅ₂Ｏ₃）、酸化ガリウム（Ｇａ₂Ｏ₃）等を、約９０
０〜１１００℃の温度で溶解して溶液を作製した後、降
温し過冷却状態（過飽和溶液状態）とする。その溶液に
基板結晶を浸漬し、一定時間回転することにより、ビス
マス置換型ガーネット厚膜が育成される。

【００５０】ガーネット厚膜は、ＰｂＯ−Ｂｉ₂Ｏ₃−Ｂ
₂Ｏ₃系をフラックスとして育成されるため、ガーネット
厚膜には、ある程度のＢ₂Ｏ₃およびＰｂＯが含有される
ことが多い。ガーネット厚膜中の高濃度のＢ₂Ｏ₃、Ｐｂ
Ｏは、光の入射光の挿入損失を高める。しかし、適度な
濃度で含まれるＢ₂Ｏ₃、ＰｂＯは、それぞれ、結晶格子
の歪みの緩和や、イオンバランスの改善に寄与すると考
えられる。本発明において、ガーネット厚膜に含有され
るＢ₂Ｏ₃およびＰｂＯは、約３ｗｔ％以下とされる。ガ
ーネット厚膜におけるＥｕ、Ｈｏ、Ｆｅ、Ｇａの組成
は、磁化の大きさに影響し、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）が低下する。

【００５１】硬磁性のガーネット厚膜における逆磁区の
発生は、ガーネット厚膜の形状に依存して変化する磁化
量と静磁エネルギーによって強く影響を受ける。さら
に、ガーネット厚膜は、基板結晶よりも２０％程度大き
い熱膨張率をもつ。基板結晶を削除しても、ガーネット
厚膜には、応力が残存する。このため、温度サイクル
（通常の当該部品では−４０℃〜＋８０℃の温度範囲）
により、ガーネット厚膜には、応力の変化のほか、磁化
量および磁壁エネルギーの変化が重畳し、逆磁区が発生
し易い原因は残る。

【００５２】そこで、光アイソレータの小型、軽量、低
廉化を図りつつ、これらの特性劣化の原因となる逆磁区
発生を防止する。光アイソレータは、ファラデー回転子
の外側に、永久磁石材料で形成した筐体を配し、ファラ
デー回転子の面と、ファラデー回転子の面に近接する筐
体の磁極が互いに異極の関係をなすように構成される。
これにより、ファラデー回転子をなすガーネット厚膜の
面に発生する静磁エネルギーを低減し、逆磁区の発生が
防止される。

【００５３】筐体は、ファラデー回転子に入射される光
の方向に平行な方向に、または径方向に着磁されてい
る。とくに径方向に着磁された筐体を用いる場合には、
着磁したファラデー回転子を筐体の内部に装着する際
に、筐体による磁界は、ファラデー回転子を構成する硬
磁性のガーネット厚膜の異方性磁界と直交する方向に作
用する。このため、ファラデー回転子に逆磁区が発生す
るのは非常に困難となり、光アイソレータの組立時に発
生しやすい光アイソレータの特性の低下を回避すること
ができる。

【００５４】（実施例５及び６）本実施の形態の詳細
を、以下に実施例５及び６をもって説明する。ＬＰＥ法
によって、ＰｂＯ−Ｂｉ₂Ｏ₃−Ｂ₂Ｏ₃系をフラックスと
し、ＳＧＧＧ結晶基板（Ｃａ、Ｍｇ、Ｚｒ置換ＧＧＧ、
格子定数１２.４９６オングストローム）上に、ガーネ
ット厚膜を育成した。ガーネット厚膜の厚さは約６００
μｍで、組成は、（Ｅｕ_0.9Ｈｏ_1.1Ｂ_1.0）（Ｆｅ_4.2Ｇ
ａ_0.8）Ｏ₁₂で表され、Ｂ₂Ｏ₃およびＰｂＯがそれぞれ
約１ｗｔ％含有されていた。ガーネット厚膜の組成、Ｂ
₂Ｏ₃、および、ＰｂＯの含有濃度は、別途、ＥＰＭＡ分
析および原子吸光分析によって求めた。

【００５５】ガーネット厚膜の挿入損失は、含有される
Ｂ₂Ｏ₃、ＰｂＯの濃度に依存する。Ｂ₂Ｏ₃とＰｂＯの含
有濃度が３ｗｔ％以下であるとき、ガーネット厚膜の挿
入損失は低く保たれる。なお、３ｗｔ％を超えると、ガ
ーネット厚膜の結晶格子に歪みが増大し、挿入損失が増
える。

【００５６】本実施形態のファラデー回転子を構成する
ガーネット厚膜の磁気特性は、振動型磁力計による測定
によれば、飽和磁化（４πＭｓ）および残留磁化（Ｂ
ｒ）が約１２０Ｇ、保磁力（ｉＨｃ）が約４００Ｏｅで
あった。ガーネット厚膜は、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、硬磁性の材料とな
っている。

【００５７】ガーネット厚膜は、波長１.５５μｍでフ
ァラデー回転角が約４５ｄｅｇとなるように、厚さ約５
００μｍに研磨し、反射防止のためにＡＲコート処理
し、ファラデー回転子２とした。つぎに、２枚のガラス
偏光子（商品名ポーラコア）を、偏光面が互いに４５ｄ
ｅｇとなるように配し、これらの間に、ファラデー回転
子を固定して一体化した。ガラス偏光子と一体化したフ
ァラデー回転子は、電磁石を使用して、約１０ｋＯｅの
磁界を印加して、厚さ方向に磁化した後、１辺が約２ｍ
ｍの正方形に加工した。

【００５８】図４および図５は、それぞれ実施例５、６
による光アイソレータの断面図である。まず、図４にお
いて、光アイソレータの筐体２０は、外径４ｍｍ、内径
３ｍｍの円筒状の磁石材料からなっている。円筒状の筐
体２０は、ファラデー回転子１が装着される中央部を着
磁しないまま残して（非着磁部分２２）、両端部の近傍
の着磁部分２１が、それぞれ長さ方向に同一向きに着磁
されている。

【００５９】また、図５において、同様に、筐体３０を
なす外径４ｍｍ、内径３ｍｍの円筒状の磁石材料は、フ
ァラデー回転子１が装着される中央部を着磁しないまま
残して（非着磁部分３２）、両端部の近傍の着磁部分３
１が、それぞれ径方向に着磁されている。円筒状の筐体
３０の一方の端部近傍の着磁部分３１は中心向きに、他
の端部近傍の着磁部分３１は外に向けて、それぞれ着磁
されている。図４、および図５のいずれの構成において
も、筐体２０，３０の磁極と、筐体２０，３０の磁極に
もっとも近接するファラデー回転子１の磁極は、互いに
異極の関係となるように配置されている。

【００６０】図４および図５に示す構成の光アイソレー
タを、各種の磁石材料からなる円筒の筐体を用いてそれ
ぞれ作製した。表５は、これら実施例において使用した
磁石材料および磁気特性を示す表である。

【００６１】

【表５】

【００６２】表５記載の磁石材料を筐体とする各光アイ
ソレータ（表５記載のＩを除く。以下において同じ。）
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。

【００６３】つぎに、上記の各光アイソレータを、各々
５０ヶ作製し、−４０〜＋８０℃／Ｈｒの冷却・加熱速
度で、１０回繰り返す温度サイクルを与え、光アイソレ
ータの特性劣化発生率について調べた。ここで、光アイ
ソレータの特性劣化とは、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ことをいう。光アイソレー
タの特性劣化の発生率を表５に併せて示す。

【００６４】図４の構成の光アイソレータについては、
温度サイクルによる光アイソレータの特性劣化の発生率
は著しく低減する。しかしながら、使用する筐体の磁気
特性が高い場合には、筐体内にファラデー回転子を装着
する際に、筐体の磁界が反平行方向に作用し、ファラデ
ー回転子に逆磁区を発生し、組立て終了時には光アイソ
レータの特性が不良となる。逆磁区を発生する磁界の臨
界値は、ガーネット厚膜の保磁力の３倍程度である。

【００６５】他方、図５の構成の光アイソレータについ
ては、温度サイクルによる光アイソレータの特性劣化の
発生率は、著しく低減するとともに、使用する筐体の磁
気特性が高い場合でも、筐体内にファラデー回転子を装
着する際に発生する光アイソレータの特性の不良は発生
しない。これは、硬磁性のガーネット厚膜の異方性磁界
と直交する方向に磁石による磁界が作用するため、ファ
ラデー回転子に逆磁区が発生するのが、非常に困難にな
るからである。

【００６６】さらに、本実施形態の光アイソレータに
は、さきに説明した等方性磁石のほかに、径方向に着磁
して使用する場合には径方向に異方性化した磁石や、光
アイソレータの入射光と平行な方向に着磁して長さ方向
に異方性化した磁石も、着磁の容易性の面から、それぞ
れ筐体として有用である。

【００６７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の請求項１
乃至７記載の発明によれば、小型、軽量、低価格で、そ
の上、特性劣化が発生しない光アイソレータ等の非可逆
相反部品を提供することができる。

【００６８】また、本発明の請求項８乃至１４記載の発
明によれば、光アイソレータの小型化、軽量化、低価格
化を同時に図り得るファラデー回転子が得られ、かかる
ファラデー回転子を用いることで、小型化、軽量化、低
価格化を同時に図った光アイソレータが得られる。

【００６９】

【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】実施例３における光アイソレータの構成を示す
断面図。

【図４】実施例５における光アイソレータの断面図。

【図５】実施例６における光アイソレータの断面図。

【図６】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２,４４,５５偏光素子３，１３，２３永久磁石４，１４，２０,２４,３０筐体

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、光の進行と直交する面の外側で、筐体の
一部に永久磁石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、前記筐体が、永久磁石とプラスチックの一体成形物
からなることを特徴とする非可逆相反部品。
【請求項３】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の前方及び後方のうち
少なくともどちらか一方の位置に永久磁石を配置して構
成することを特徴とする非可逆相反部品。
【請求項４】請求項３記載の非可逆相反部品におい
て、前記永久磁石は、磁石粉末がゴム状物質に分散され
たゴム磁石であることを特徴とする非可逆相反部品。
【請求項５】請求項３記載の非可逆相反部品におい
て、前記永久磁石は、磁石粉末が高分子樹脂に分散され
たプラスチック磁石であることを特徴とする非可逆相反
部品。
【請求項６】請求項３記載の非可逆相反部品におい
て、前記永久磁石は、磁石粉末を焼結してなる焼結磁石
であることを特徴とする非可逆相反部品。
【請求項７】請求項３記載の非可逆相反部品におい
て、前記永久磁石は、塑性変形により製造が可能な金属
磁石であることを特徴とする非可逆相反部品。
【請求項８】着磁された硬磁性のビスマス置換型希土
類鉄ガーネット厚膜からなるファラデー回転子を有する
光アイソレータにおいて、前記ファラデー回転子を内包
し、該ファラデー回転子に磁界を印加する磁石材料をも
って筐体とし、該筐体の磁極と、該磁極にもっとも近接
する前記ファラデー回転子の磁極は、互いに異極の関係
をなすように構成されていることを特徴とする光アイソ
レータ。
【請求項９】請求項８記載の光アイソレータにおい
て、前記筐体は、前記ファラデー回転子に入射される光
と平行な方向に着磁されていることを特徴とする光アイ
ソレータ。
【請求項１０】請求項９記載の光アイソレータにおい
て、前記筐体は、該筐体の長さ方向に分割して着磁され
ていることを特徴とする光アイソレータ。
【請求項１１】請求項８記載の光アイソレータにおい
て、前記筐体は、径方向に着磁されていることを特徴と
する光アイソレータ。
【請求項１２】請求項１１記載の光アイソレータにお
いて、前記筐体は、該筐体の一方の端部近傍が中心向き
に、該筐体の他の端部近傍が外に向けて、それぞれ径方
向に着磁されていることを特徴とする光アイソレータ。
【請求項１３】請求項８ないし請求項１２のいずれか
記載の光アイソレータにおいて、前記ビスマス置換型希
土類鉄ガーネット厚膜は、Ｅｕ、Ｈｏ、Ｂｉ、Ｆｅ、お
よび、Ｇａを主成分とし、化学式が、（Ｅｕ_XＨｏ_2-XＢ
ｉ）（Ｆｅ_5- _yＧａ_y）Ｏ₁₂、ここで、０.７≦ｘ≦１.
１、０.６≦ｙ≦１.２、で表される組成を有することを
特徴とする光アイソレータ。
【請求項１４】請求項１３記載の光アイソレータにお
いて、前記ビスマス置換型希土類鉄ガーネット厚膜に含
有されるＢ₂Ｏ₃およびＰｂＯの濃度は、３ｗｔ％以下で
あることを特徴とする光アイソレータ。