JP2001174754A - 光アイソレータ及び光サーキュレータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小型で強い磁界が得られる磁石を用いること
により、１.１μｍ以下の波長域で使用可能な、常磁性
体をファラデー回転子として使用する、小型で高性能か
つ低コストの光アイソレータ及び光サーキュレータを提
供すること。 【解決手段】 常磁性体をファラデー回転子とする光ア
イソレータにおいて、該ファラデー回転子への磁界印加
用磁石における、光透過方向に垂直な断面形状を、外周
部は円形状で、内周部は角形状とし、該内周部に該ファ
ラデー回転子を装填し、磁界印加用磁石を２個直列に配
置する。更に、磁石の対向する面を同極とすること、直
列に配置される磁界印加用磁石の間に強磁性体のスペー
サを配置することは有効な手段である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、主として光通信シ
ステムや光計測器に用いられる光部品に係り、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のに好適な光学アイソレータと
光信号の経路を非相反的に定めて透過させるのに好適な
光サーキュレータに関する。

【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り収束さ
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、一般に位相が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、最悪の場合には発振が停止する。

【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）の少
ないことが要求される。

【０００４】光アイソレータの典型的な構成の断面図を
図２に示す。ファラデー回転子２３の両側に偏光素子２
１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、ファラデー回転子の周
囲には、この素子を一方向に磁化させるための円筒形の
永久磁石２４が配置されている。これらの光学素子及び
永久磁石等は、それぞれホルダ２２を介したり、永久磁
石２４を介したりして、接着剤や半田、レーザ溶接等に
より、筐体２５に固定されているのが通常である。これ
らの部材の中で、永久磁石はファラデー回転子に使用さ
れる磁性材料を一方向に磁化させるだけの磁界強度を有
する必要がある。

【０００５】加えて、光アイソレータには、一層の小型
化、低価格化が求められている。また、更なる高性能化
（高アイソレーション、低損失等）も求められている。
小型化のためには、永久磁石を小径化する必要が生じ
る。

【０００６】一般に、永久磁石は、高性能かつ耐久性の
観点から、異方性Ｓｍ_２Ｃo_１７系の焼結磁石が使用さ
れていた。この磁石材料は硬くて脆いことから、内周部
及び外周部を砥石にて研削加工して、リング形状にして
使用することにより比較的廉価な磁石を提供できる。こ
の形状の磁石は、ファラデー回転子が強磁性体で、かつ
比較的低い印加磁界（約１ｋＯe以下）で、磁化が飽和
する場合に有用となる。例えば、希土類Ｂi置換型ガー
ネットのファラデー回転子は１.３ｋＯe以下の磁界中で
使用可能となる。

【０００７】しかしながら、このファラデー回転子にお
いては、波長が１.１μｍ以下では、主成分であり、強
磁性に寄与する３価の鉄イオンの存在により、光の透過
は著しく減少する（殆ど透過しない。）

【０００８】従って、波長が約１.１μｍ以下の領域で
は、鉄を含有しない光学結晶を使用することになり、常
磁性材料をファラデー回転子として使用することにな
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】このような常磁性材料
は、印加する磁界の強さに比例して磁化量が変化するも
のであり、より強い磁界を使用することにより高いファ
ラデー回転が得られる。従って、素子の小型化、光アイ
ソレータの小型化には、より強い磁界が必要となる。ま
た、光サーキュレータにおいても、強い磁界が必要とさ
れる状況は同様である。

【００１０】一方、光アイソレータの高性能化のために
は、図２に示した構成よりも光学部品点数を増して高ア
イソレーション化が図られる。その構成は、図２の構成
が１段型と呼ばれるのに対し、１.５段型、２段型と呼
ばれている。このような構成においては、ファラデー回
転子による挿入損は増加することになる。この場合も、
より強い磁界が得られれば、ファラデー回転子の光透過
方向の厚さを減少することにより、挿入損の低減が可能
となる。

【００１１】そこで、本発明は、小型で強い磁界が得ら
れる磁石を形成することにより、１.１μｍ以下の波長
域で使用可能な、常磁性体をファラデー回転子として使
用する、小型で高性能かつ低コストの光アイソレータと
光サーキュレータを提供することを課題としている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、常磁性材料を
ファラデー回転子として使用する場合において、該ファ
ラデー回転子に印加する磁界特性を向上させるために、
使用する永久磁石の形状を変化させるものであり、該磁
石の光透過方向に垂直な断面の形状において、外周部を
円形状とし、ファラデー回転素子を挿入する内周部が角
形状となる外円内角形状の磁石を使用するものである。
また、該磁石を凹角形状磁石、即ち矩形の溝入れ加工を
施した角棒状磁石からの加工にて作製し、分割して構成
することにより、磁石加工費用の低減が図られる。な
お、以後、簡略化のために、外円内角形状の磁石とは、
光の透過方向に垂直な磁石断面の形状において、外周部
は円形状であって、ファラデー回転素子を挿入する内周
部は角形状である磁石を指し、凹角形状磁石とは矩形の
溝入れ加工を施した角棒状磁石を指すものとする。

【００１３】また、本発明においては、光アイソレータ
の特性向上の手段として、該磁石の内周部にファラデー
回転子を内包したものを直列に配置して光アイソレータ
を構成している。

【００１４】さらに、これら直列に配置した磁石の対向
する面を同極とすることにより、アイソレータ特性は更
に向上する。

【００１５】また、これら磁石間に強磁性体材料からな
るスペーサを配置することは、組立作業上、極めて有用
となる。このスペーサは飽和磁化が１３ｋＧ以上で厚さ
が０.５〜４.５ｍｍであることが望ましい。

【００１６】さらに、本発明においては、光サーキュレ
ータの特性向上の手段として、該磁石の内周部にファラ
デー回転子を内包したものを直列に配置して光サーキュ
レータを構成する。

【００１７】また、これらを直列に配置した磁石の対向
する面を同極とすることにより、光サーキュレータ特性
を向上させる。

【００１８】さらに、これら磁石間に強磁性体材料から
なるスペーサーを配置することは、光サーキュレータの
組立作業上、極めて有用となる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態につ
いて説明する。

【００２０】本発明における永久磁石の断面形状は、外
周部が円形状であり、ファラデー回転素子を挿入する内
周部は角形状としている。

【００２１】このように永久磁石の断面形状を外円内角
形状とするのは、外形を円形状とすることにより、光ア
イソレータ筐体と類似形状とすることにより空間の無駄
を排除し、小型化を図るためである。

【００２２】一方、内周部を角形状とするのは、内周部
をファラデー回転子と近似した形状とすることにより、
磁石から発生した磁束を高密度でファラデー回転子に印
加することができるので、ファラデー回転角の増大が図
られ、ファラデー回転子の小型化、磁石の小型化、光ア
イソレータ特性の向上等が実現できるからである。ちな
みに、ファラデー回転子は、高価な材料であるので、素
子を効率良く作製するために角形状に切断加工される。

【００２３】本発明においては、外円内角形状の磁石を
凹角形状磁石、即ち溝入れ加工を施した角棒状の磁石か
らの加工にて作製する。それは、加工の容易性を選択す
ることにより、磁石価格の低減を図るものである。優れ
た永久磁石特性を有するＳｍ _２Ｃo_１７系磁石やＮdＦe
Ｂ系磁石は、硬くて脆い材質である。そのため、砥石を
使用した研削や切削等の加工法が有効となる。従って、
溝入れ加工や外周研磨等の回転を利用した加工は比較的
容易に実現できる。一方、内周部に角穴を形成する加工
は極めて困難となる。厳密には殆ど不可能である。

【００２４】そこで、本発明では、比較的、加工が容易
である凹角形状磁石から出発して、外形を円形状に研磨
して、複数の磁石部材で外円内角形状の磁石又は疑似の
外円内角形状の磁石を形成することにより、著しく加工
費用が低減できるものである。ちなみに、本発明の磁石
加工法によれば、加工費用は円筒形磁石に比べ約１／
５、一体物の外円内角形状に比べ、約１／２０となる。
また、該磁石の構成を分割とすることにより、光学素子
を溝部に装填した後、残る磁石部材を接着する工法を選
択すると、素子組立が著しく容易になる利点もある。

【００２５】ファラデー回転子を直列に２個、配置し
て、アイソレーション特性の向上を図った光アイソレー
タ（１.５段型、２段型）においては、これらファラデ
ー回転子を磁化するために用いられる磁石の対向する面
の磁極を同極とする。このことにより、各磁石の角穴に
取り込まれる磁束が増加し、磁界の均質化が向上し、ア
イソレータの特性が向上する。

【００２６】また、この磁石対向面を同極とした光アイ
ソレータにおいて、磁石間に強磁性体材料からなるスペ
ーサを挿入することにより、アイソレータ外部への磁束
の発散が低減し、磁石の角穴に導入される磁束が増加す
るので、特性が向上する。加えて、このスペーサには双
方の磁石が吸着するので、組立作業が容易となる。この
強磁性体スペーサは、飽和磁化が１３ｋＧ以上であるこ
とが望ましい。飽和磁化が高い程、磁石から発生してい
る磁束の捕捉力が高くなるからであり、その効果は１３
ｋＧ以上で著しく認められるからである。

【００２７】また、該強磁性体スペーサの厚さは、０.
５〜４.５ｍｍの範囲とすることが望ましい。スペーサ
の厚さを４.５ｍｍ以下としたのは、磁束の捕捉による
アイソレータ特性の効果が４.５ｍｍ以下で著しく認め
られるからである。一方、０.５ｍｍ以上としたのは、
これより薄いと、磁石の同極反撥力が増大し、スペーサ
に双方の磁石を同時に吸着することが困難となり、組立
作業性の向上が図れなくなるからである。

【００２８】尚、後述する本発明の実施例においては、
ＣdＭnＨgＴe単結晶をファラデー回転子として使用した
例について詳述されているが、これのみに限定されるも
のでなく、例えば、ＣdＭnＴe、ＴＧＧ（テルビウム・
ガリウム・ガーネット）、ＴＡＧ（テルビウム・ガーネ
ット）、常磁性ガラス等、常磁性材料を永久磁石で磁化
して構成するものであれば、本発明の効果は発せられる
のである。

【００２９】また、偏光子及び検光子として偏光ガラス
を使用する場合のみに限定されるものでなく、例えば、
ルチル、ＹＶＯ_４等の複屈折素子を使用しても、常磁性
材を磁石にて磁化させてファラデー回転させる原理であ
れば、本発明の効果は発せられる。

【００３０】光サーキュレータにおいては、偏光素子と
して、ルチル、ＹＶＯ_４等の複屈折素子を使用するとよ
い。常磁性体を効率よく磁化させて、光サーキュレータ
の特性を向上させる条件は、光アイソレータの場合と類
似である。

【００３１】

【実施例】以下、本発明の実施例について、図面を参照
して説明する。

【００３２】（実施例１）ＡＲコート膜を形成した透過
波長帯域が約０.９μｍ以上で、厚さが２.５ｍｍのＣd
ＭnＨgＴe化合物単結晶を１.５ｍｍ角に切断し、形状が
１.５×１.５×２.５ｍｍの直方体状のファラデー回転
子とした。このファラデー回転子の両側に偏光ガラスを
配置し、これらを外形形状が円柱形状の磁石内に配置
し、光アイソレータを構成した。

【００３３】ここで使用した磁石の材質は、異方性Ｓｍ
_２Ｃo_１７系磁石であり、光の進行方向と平行な方向が
磁化容易方向となっており、残留磁化Ｂrが約１１ｋ
Ｇ、保磁力_ＩＨcが約１０ｋＯeとなっている。

【００３４】ここで使用した磁石の形状は、外径がφ
３.６ｍｍで、内径がφ１.７ｍｍ、長さが２.６ｍｍの
円筒形状と、外径がφ３.６ｍｍで、内径が１.３ｍｍ
角、長さが２.６ｍｍの外円内角形状の２種類である。
前者が一般的に使用されている形状であり、比較例とし
た。

【００３５】次に、これらを印加磁界、約３０ｋＯeで
パルス着磁した後、それぞれの形態の光アイソレータに
ついて、対向する磁石の磁極が異なるように（磁石が吸
着し合うように）２個を直列に配置した光アイソレータ
を構成した後、波長０.９８μｍにおける光アイソレー
タ特性を測定した。その結果を表１に示す。

【００３６】

【表１】

【００３７】外円内角形状の磁石を使用した光アイソレ
ータのほうが著しく高いアイソレータ特性を示してい
る。

【００３８】（実施例２）実施例１と同様にして、外円
内角形状の磁石内にＣdＭnＨgＴe化合物単結晶を配置し
て光アイソレータを構成した。ここで使用した外円内角
形状の磁石は、円形の一端から溝が導入された断面が凹
状の磁石片と、円形端の開口部に挿入する平板状の磁石
片とによって形成された擬似的な外円内角形状の磁石で
ある。

【００３９】次に、これら光アイソレータを着磁した
後、光アイソレータの対向する磁石の磁極が同極（磁石
が反発する）または異極（磁石が吸着する）となるよう
に、それぞれ２個を直列に配置した光アイソレータを構
成した後、光アイソレータ特性を測定した。その結果を
表２に示す。

【００４０】

【表２】

【００４１】光アイソレータの磁石配置を同極対向とす
る方が、著しく高い光アイソレータ特性を示している。

【００４２】（実施例３）実施例２と同様な部材を使用
して、図１に示すような光アイソレータを構成した。磁
石は、同極を対向して配置し、その磁石間には厚さが
２.５ｍｍのリング状スペーサ３を配置してある。この
スペーサとして、純鉄、パーマロイＢ、パーマロイＤ、
ケイ素鋼、ＳＵＳ４０３、黄銅を使用した。純鉄、パー
マロイＢ、パーマロイＤ、ケイ素鋼、ＳＵＳ４０３は強
磁性を示し、飽和磁化は１３ｋＧ以上となっている。一
方、黄銅は非磁性である。スペーサに強磁性体を使用し
た場合は、スペーサを挟む双方の磁石は共にスペーサに
吸着する挙動を示し、組立て作業が極めて容易となる。
一方、スペーサに黄銅（非磁性）を使用した場合は、ス
ペーサを挟む双方の磁石は離反する挙動を示すので、前
者に比べ、作業が著しく劣化している。

【００４３】波長０.９８μｍにおける光アイソレータ
の測定結果を表３に示す。

【００４４】

【表３】

【００４５】スペーサに強磁性体を使用した方が、光ア
イソレータ特性がやや向上している。従って、スペーサ
に強磁性体を使用した方が、組立作業性及び光アイソレ
ータ特性が向上するので、工業上、有用といえる。

【００４６】（実施例４）実施例３と同様にして、スペ
ーサにＳＵＳ４０３を用い、厚みを０.５、１.５、２.
５、３.５、４.５、５.５ｍｍとして、磁石の同極対向
型の光アイソレータを構成し、波長０.９８μｍにおけ
る光アイソレータ特性を測定した。その結果を図３に示
す。スペーサの厚みが４.５ｍｍ以下では、高いアイソ
レーションと低い挿入損となっている。従って、スペー
サの厚みが４.５ｍｍ以下が有用となる。

【００４７】

【発明の効果】これまで説明したように、本発明によれ
ば、１.１μｍ以下の波長域で使用可能な、常磁性体を
ファラデー回転子として使用する、小型で高性能かつ低
コストの光アイソレータと光サーキュレータを提供する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例３および４における光アイソレ
ータ構成の断面図。

【図２】従来の一般的な光アイソレータの構成を示す断
面図。

【図３】本発明の実施例４における光アイソレータのス
ペーサの厚みと特性（アイソレーション、挿入損）の関
係を示す図。

【符号の説明】

１、２ 永久磁石 ３ スペーサ ４ ファラデー回転子 ５ 偏光素子 ２１ 偏光素子 ２２ ホルダ ２３ ファラデー回転子 ２４ 永久磁石 ２５ 筐体

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 常磁性体をファラデー回転子とする光ア
   イソレータであって、該ファラデー回転子への磁界印加
   用磁石における、光透過方向に垂直な断面形状を、外周
   部は円形状で、内周部は角形状とし、該内周部に該ファ
   ラデー回転子を装填し、該磁界印加用磁石を２個直列に
   配置して成ることを特徴とする光アイソレータ。
2. 【請求項２】 直列に配置される磁界印加用磁石の対向
   する面を同極とすることを特徴とする請求項１記載の光
   アイソレータ。
3. 【請求項３】 直列に配置される磁界印加用磁石の間に
   強磁性体のスペーサを配置したことを特徴とする請求項
   ２記載の光アイソレータ。
4. 【請求項４】 スペーサに使用する強磁性体の飽和磁化
   が１３ｋＧ以上であることを特徴とする請求項３記載の
   光アイソレータ。
5. 【請求項５】 スペーサの厚みが０.５〜４.５ｍｍであ
   ることを特徴とする請求項３又は４記載の光アイソレー
   タ。
6. 【請求項６】 常磁性体をファラデー回転子とする光サ
   ーキュレータであって、該ファラデー回転子への磁界印
   加用磁石における、光透過方向に垂直な断面形状を、外
   周部は円形状で、内周部は角形状とし、該内周部に該フ
   ァラデー回転子を装填し、該磁界印加用磁石を２個直列
   に配置して成ることを特徴とする光サーキュレータ。
   
7. 【請求項７】 直列に配置される磁界印加用磁石の対向
   する面を同極とすることを特徴とする請求項６記載の光
   サーキュレータ。
8. 【請求項８】 直列に配置される磁界印加用磁石の間に
   強磁性体のスペーサを配置したことを特徴とする請求項
   ７記載の光サーキュレータ。