JP2001272639A - Optical device - Google Patents

Optical device

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JP2001272639A
JP2001272639A JP2000085940A JP2000085940A JP2001272639A JP 2001272639 A JP2001272639 A JP 2001272639A JP 2000085940 A JP2000085940 A JP 2000085940A JP 2000085940 A JP2000085940 A JP 2000085940A JP 2001272639 A JP2001272639 A JP 2001272639A
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JP
Japan
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light
optical
laser light
single crystal
lens
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Pending
Application number
JP2000085940A
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Japanese (ja)
Inventor
Makoto Tsutsumi
誠 堤
Tetsuya Ueda
哲也 上田
Shinichiro Chiku
真一郎 知久
Takashi Fujii
高志 藤井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Murata Manufacturing Co Ltd
Original Assignee
Murata Manufacturing Co Ltd
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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical device which has two functions of an optical modulator and an optical isolator, and can realize the miniaturization and cost reduction. SOLUTION: An antenna 56 on the magnetic ferrite single crystal 54 of the optical device 50 is connected to a high frequency input terminal 58. An external magnetic field H is applied to the magnetic ferrite single crystal 54. A laser light source, a polarizer 60 and a first lens 62 are provided on one side of the magnetic ferrite single crystal 54 and a second lens 64, an analyzer 66, a third lens 68, an optical fiber 70 and a photodiode 72 are provided on the opposite side. The optical path length of the magnetic ferrite single crystal 54 is selected so that a vibration direction (b) of light in an emission position to an incidence position of the magnetic ferrite single crystal 54 may rotate at an angle applied integral multiple of 90 degrees to 45 degrees and the analyzer 66 is adjusted so that the transmissivity to such the polarized light may become the maximum.

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】この発明は光学素子に関し、
特にたとえばフェライト単結晶などの磁性体が用いら
れ、数100MHz以上のたとえばマイクロ波やミリ波
などの高周波信号で変調された光強度を得る光学素子に
関する。
The present invention relates to an optical element,
In particular, the present invention relates to an optical element that uses a magnetic material such as a ferrite single crystal and obtains light intensity modulated by a high frequency signal such as a microwave or a millimeter wave of several hundred MHz or more.

【0002】[0002]

【従来の技術】光通信においては、光をキャリアとして
これをマイクロ波帯域の信号で変調することで情報を送
信している。約10Gb/sまでの通信レートでは光源
の半導体レーザーに注入する電流によって内部変調が可
能であるが、これ以上の帯域になると半導体やニオブ酸
リチウムなどを用いて外部光変調をおこなう必要が生じ
る。すなわち、高速光通信において、光変調器が鍵とな
る重要な光学素子の一つである。このような光変調器の
1つとして、従来、イットリウム鉄ガーネット(YI
G)などの磁性フェライト単結晶中に光を透過させ、こ
れに細線状のトランスデューサやマイクロストリップラ
インなどを用いてマイクロ波やミリ波を印加すること
で、マイクロ波やミリ波によって光強度を変調する光変
調器が考えられてきた(たとえば、J. Kurumida and N.
S. Chang; IEEE Trans. Magn. Vol. 34(1998)p.1399
や堤誠、上田哲也;信学技報 Vol.98 No.123 MW98-41,O
PE98-33(1988)p.45など参照)。このような光変調器の
構成を図4に示す。
2. Description of the Related Art In optical communication, information is transmitted by using light as a carrier and modulating it with a signal in a microwave band. At a communication rate up to about 10 Gb / s, internal modulation can be performed by a current injected into a semiconductor laser as a light source. However, when the band is higher than this, external light modulation needs to be performed using a semiconductor, lithium niobate, or the like. That is, in high-speed optical communication, the optical modulator is one of the important optical elements that are key. As one of such optical modulators, conventionally, yttrium iron garnet (YI
G) transmits light through a magnetic ferrite single crystal, etc., and modulates the light intensity with microwaves or millimeter waves by applying microwaves or millimeter waves to it using a thin wire transducer or microstrip line. Optical modulators have been considered (for example, J. Kurumida and N.
S. Chang; IEEE Trans. Magn. Vol. 34 (1998) p. 1399
And Makoto Tsutsumi, Tetsuya Ueda; IEICE Technical Report Vol.98 No.123 MW98-41, O
PE98-33 (1988) p.45). FIG. 4 shows the configuration of such an optical modulator.

【0003】図4はこの発明の背景となる従来の光変調
器の一例を示す図解図である。図4に示す光変調器10
は、磁性体として板状の磁性ガーネット単結晶12を含
む。磁性ガーネット単結晶12の1つの主面の中央に
は、マイクロストリップライン(トランスデューサ)1
4が設けられる。マイクロストリップライン14の一端
には、マイクロ波信号発生器16の出力端がマイクロ波
増幅アンプ18を介して接続される。また、マイクロス
トリップライン14の他端は、終端抵抗器20に接続さ
れる。さらに、磁性ガーネット単結晶12の近傍には、
永久磁石(図示せず)が設けられる。この永久磁石は、
磁性ガーネット単結晶12に平行にかつマイクロストリ
ップライン14に直交する方向に直流磁場を印加するた
めのものである。また、磁性ガーネット単結晶12の一
方の側面の外側には、レーザー光源22、偏光子24お
よび第1のレンズ26が、この順に磁性ガーネット単結
晶12に近づくように設けられる。レーザー光源22
は、レーザー光を発生するためのものである。偏光子2
4は、レーザー光源22で発生したレーザー光を特定方
向の直線偏光とするためのものである。第1のレンズ2
6は、レーザー光源22で発生したレーザー光を磁性ガ
ーネット単結晶12中に集光するためのものである。さ
らに、磁性ガーネット単結晶12の他方の側面の外側に
は、第2のレンズ28、検光子30、第3のレンズ32
およびフォトダイオード34が、この順に磁性ガーネッ
ト単結晶12から離れるように設けられる。第2のレン
ズ28は、磁性ガーネット単結晶12を透過したレーザ
ー光を平行光線にするためのものである。検光子30
は、レーザー光の特定方向の直線偏光を透過するための
ものであり、偏光子24とクロスニコルの関係で設置さ
れる。第3のレンズ32は、検光子30を透過したレー
ザー光を集光するためのものである。フォトダイオード
34は、レーザー光の信号を検出するためのものであ
る。また、フォトダイオード34の出力端は、光電流増
幅アンプ36の入力端に接続される。
FIG. 4 is an illustrative view showing one example of a conventional optical modulator as a background of the present invention. Optical modulator 10 shown in FIG.
Includes a plate-like magnetic garnet single crystal 12 as a magnetic material. At the center of one main surface of the magnetic garnet single crystal 12, a microstrip line (transducer) 1
4 are provided. An output terminal of a microwave signal generator 16 is connected to one end of the microstrip line 14 via a microwave amplifier 18. The other end of the microstrip line 14 is connected to the terminating resistor 20. Further, in the vicinity of the magnetic garnet single crystal 12,
A permanent magnet (not shown) is provided. This permanent magnet
This is for applying a DC magnetic field in a direction parallel to the magnetic garnet single crystal 12 and perpendicular to the microstrip line 14. A laser light source 22, a polarizer 24, and a first lens 26 are provided outside the one side surface of the magnetic garnet single crystal 12 so as to approach the magnetic garnet single crystal 12 in this order. Laser light source 22
Is for generating a laser beam. Polarizer 2
Numeral 4 is for converting the laser light generated by the laser light source 22 into linearly polarized light in a specific direction. First lens 2
Numeral 6 is for condensing the laser light generated by the laser light source 22 into the magnetic garnet single crystal 12. Further, outside the other side surface of the magnetic garnet single crystal 12, the second lens 28, the analyzer 30, and the third lens 32
And a photodiode 34 are provided so as to be separated from the magnetic garnet single crystal 12 in this order. The second lens 28 is for converting a laser beam transmitted through the magnetic garnet single crystal 12 into a parallel beam. Analyzer 30
Is for transmitting linearly polarized light in a specific direction of the laser light, and is installed in a crossed Nicol relationship with the polarizer 24. The third lens 32 is for condensing the laser light transmitted through the analyzer 30. The photodiode 34 is for detecting a signal of a laser beam. The output terminal of the photodiode 34 is connected to the input terminal of the photocurrent amplifier 36.

【0004】図4に示す光変調器10では、その光学系
(磁性ガーネット単結晶12およびその両側の構成)
は、ファラデー効果などの透過型の光磁気効果の測定光
学系とほぼ同じである。すなわち、磁性ガーネット単結
晶12(マイクロストリップライン(トランスデュー
サ)14)にマイクロ波を印加することによって、磁性
ガーネット単結晶12中で光とマイクロ波とを結合さ
せ、光の偏光状態をマイクロ波によって変調する。これ
をファラデー光学系によって強度の変化に変換して検出
するものである。図4に示す光変調器10において、マ
イクロ波を印加していないときには、磁性ガーネット単
結晶12の透過光も直流のままであり、検出される光出
力は一定である。それに対して、図4に示す光変調器1
0において、マイクロ波を印加しているときには、変調
された交流成分が直流成分に重畳する。なお、図4に示
す光変調器10において、磁性ガーネット単結晶12に
外部磁場を印加しないか印加してもかなり弱いときに
は、マイクロ波はそのまま伝搬してマイクロ波による光
変調がおこなわれる。また、磁性ガーネット単結晶12
に十分に強い外部磁場を印加したときには、静磁波が励
起され、静磁波による光変調がおこなわれる。
[0004] In the optical modulator 10 shown in FIG. 4, the optical system (magnetic garnet single crystal 12 and the configuration on both sides thereof) is provided.
Is almost the same as the optical system for measuring the transmission type magneto-optical effect such as the Faraday effect. That is, by applying a microwave to the magnetic garnet single crystal 12 (microstrip line (transducer) 14), the light and the microwave are coupled in the magnetic garnet single crystal 12, and the polarization state of the light is modulated by the microwave. I do. This is converted into a change in intensity by the Faraday optical system and detected. In the optical modulator 10 shown in FIG. 4, when no microwave is applied, the transmitted light of the magnetic garnet single crystal 12 remains DC, and the detected optical output is constant. On the other hand, the optical modulator 1 shown in FIG.
At 0, when a microwave is being applied, the modulated AC component is superimposed on the DC component. In the optical modulator 10 shown in FIG. 4, when an external magnetic field is not applied to the magnetic garnet single crystal 12 or is considerably weak even if it is applied, the microwave propagates as it is and light modulation by the microwave is performed. The magnetic garnet single crystal 12
When a sufficiently strong external magnetic field is applied, the magnetostatic wave is excited, and light modulation by the magnetostatic wave is performed.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】図4に示す光変調器1
0では、第3のレンズ32およびフォトダイオ─ド34
などの光学部品の端面からの戻り光がレーザー光源22
に入射するとレーザーの発振が不安定になるので、これ
を防ぐために光アイソレータが用いられる。このような
光アイソレータでは、バルク型あるいは導波型のいずれ
においても、多くの場合にファラデー効果による光の振
動方向の回転の非相反性を利用しており、ファラデー媒
質としてはYIGに代表される磁性フェライトを用いる
ことがほとんどである。しかしながら、従来、光変調器
および光アイソレータが別個に形成されるため、光学素
子の小型化および集積化の妨げとなっているたげでな
く、部品点数が増えるためコスト増大の原因となってい
る。
An optical modulator 1 shown in FIG.
0, the third lens 32 and the photodiode 34
Return light from the end face of an optical component such as
Since laser oscillation becomes unstable when the light enters the optical path, an optical isolator is used to prevent this. In such an optical isolator, in either the bulk type or the waveguide type, the non-reciprocity of rotation in the direction of light oscillation due to the Faraday effect is utilized in many cases, and the Faraday medium is represented by YIG. In most cases, magnetic ferrite is used. However, conventionally, since the optical modulator and the optical isolator are separately formed, it is not only a hindrance to miniaturization and integration of the optical element, but also an increase in the number of parts causes an increase in cost.

【0006】それゆえに、この発明の主たる目的は、光
変調器の機能と光アイソレータの機能との2つの機能を
あわせもち、小型化および低コスト化を図ることができ
る光学素子を提供することである。
Therefore, a main object of the present invention is to provide an optical element which has two functions, that is, a function of an optical modulator and a function of an optical isolator, and can be reduced in size and cost. is there.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明者らは、鋭意研究
を進めた結果、磁性体にマイクロ波を印加することで磁
性体の透過光を変調する光変調器において、磁性体の透
過光の直流成分と変調によって生じた交流成分との間に
ある一定の関係が保たれることを見出した。この知見を
もとに、光変調器の機能と光アイソレータの機能との2
つの機能をあわせもつ光学素子の開発に成功した。この
発明にかかる光学素子は、磁性体が用いられる光学素子
において、その磁性体を用いて光変調器として機能する
部分が構成されるとともに、その磁性体を用いてファラ
デー効果を利用した光アイソレータとして機能する部分
が構成されることを特徴とする、光学素子である。この
発明にかかる光学素子では、光がその磁性体を透過する
際に高周波信号で変調されるとともに、光がその磁性体
を透過した後に、光の振動方向に45度+90度×n
(nは整数)の非相反的な回転が生じる。ただし、光の
振動方向は、光の電磁波の電場の振動方向で定義するも
のとする。すなわち、光学素子を光が正方向に進むとき
に、光の振動方向が仮に右回りに45度回転が生じたと
すれば、光が逆方向に進むときには、光の振動方向が今
度は左回りに45度回転し、光学素子を光が往復するこ
とで光の振動方向に合計90度の回転が生じることにな
る。また、この発明にかかる光学素子では、高周波信号
はマイクロ波またはミリ波の信号を含む。さらに、この
発明にかかる光学素子では、磁性体はたとえばフェライ
ト単結晶であり、フェライト単結晶はたとえばイットリ
ウム鉄ガーネットあるいはその組成の一部を他元素で置
換したものである。なお、本発明において、組成の一部
を他元素で置換したものとは、Yおよび/またはFe元
素の一部を他元素で置換したもの以外に、Y元素をたと
えば他の希土類元素やBi元素などで全部置換したもの
を含むものである。また、この発明にかかる光学素子
は、たとえば、磁性体上に設けられるトランスデューサ
と、トランスデューサに接続される高周波入力端子と、
磁性体に外部磁場を印加するための磁石と、レーザー光
を発生するためのレーザー光源と、レーザー光源で発生
したレーザー光を特定方向の直線偏光とするための偏光
子と、偏光子で特定方向の直線偏光とされたレーザー光
を磁性体中に集光するための第1のレンズと、磁性体を
透過したレーザー光を平行光線にするための第2のレン
ズと、第2のレンズで平行光線にされたレーザー光の特
定方向の直線偏光を透過するための検光子と、検光子を
透過したレーザー光を集光するための第3のレンズと、
第3のレンズで集光されたレーザー光を伝送するための
光ファイバと、光ファイバで伝送されたレーザー光の信
号を検出するためのフォトダイオードとを含む。
Means for Solving the Problems As a result of intensive studies, the present inventors have found that in a light modulator that modulates transmitted light of a magnetic material by applying a microwave to the magnetic material, the transmitted light of the magnetic material is modulated. It has been found that a certain relationship is maintained between the DC component of the A. and the AC component generated by the modulation. Based on this knowledge, the two functions of the optical modulator and the optical isolator
Succeeded in developing an optical element that combines two functions. The optical element according to the present invention is an optical element using a magnetic material, wherein a portion functioning as an optical modulator is configured using the magnetic material, and as an optical isolator utilizing the Faraday effect using the magnetic material. An optical element having a functioning portion. In the optical element according to the present invention, the light is modulated by the high-frequency signal when passing through the magnetic body, and after the light passes through the magnetic body, 45 ° + 90 ° × n in the vibration direction of the light.
(N is an integer) non-reciprocal rotation occurs. However, the vibration direction of light is defined by the vibration direction of the electric field of the electromagnetic wave of light. That is, assuming that the light oscillates clockwise by 45 degrees when the light travels in the forward direction through the optical element, the light oscillates counterclockwise when the light travels in the reverse direction. When the light rotates 45 degrees and the light reciprocates through the optical element, a total of 90 degrees of rotation occurs in the vibration direction of the light. In the optical element according to the present invention, the high-frequency signal includes a microwave or millimeter wave signal. Further, in the optical element according to the present invention, the magnetic material is, for example, a ferrite single crystal, and the ferrite single crystal is, for example, yttrium iron garnet or a component in which a part of the composition is replaced with another element. In the present invention, the one in which a part of the composition is replaced by another element means, in addition to the one in which a part of the Y and / or Fe element is replaced by another element, the Y element is, for example, another rare earth element or Bi element. And the like, all of which are replaced. Further, the optical element according to the present invention includes, for example, a transducer provided on a magnetic body, a high-frequency input terminal connected to the transducer,
A magnet for applying an external magnetic field to the magnetic material, a laser light source for generating laser light, a polarizer for converting the laser light generated by the laser light source into linearly polarized light in a specific direction, and a polarizer for specifying a specific direction. A first lens for condensing the linearly polarized laser light into the magnetic material, a second lens for converting the laser light transmitted through the magnetic material into parallel rays, and a second lens for parallelizing the laser light. An analyzer for transmitting linearly polarized light in a specific direction of the laser light converted into a light beam, and a third lens for condensing the laser light transmitted through the analyzer,
An optical fiber for transmitting the laser light condensed by the third lens and a photodiode for detecting a signal of the laser light transmitted by the optical fiber are included.

【0008】この発明にかかる光学素子は、光変調器の
機能と光アイソレータの機能とをあわせもつ。さらに、
この発明にかかる光学素子では、光変調器の機能に関与
する磁性体と光アイソレータの機能に関与する磁性体と
が同一の磁性体であるので、光変調器の機能と光アイソ
レータの機能との2つの機能をあわせもつにもかかわら
ず、小型化および低コストを図ることができる。
The optical element according to the present invention has both the function of an optical modulator and the function of an optical isolator. further,
In the optical element according to the present invention, since the magnetic substance involved in the function of the optical modulator and the magnetic substance involved in the function of the optical isolator are the same magnetic substance, the function of the optical modulator and the function of the optical isolator are different. Despite having both functions, downsizing and cost reduction can be achieved.

【0009】この発明の上述の目的、その他の目的、特
徴および利点は、図面を参照して行う以下の発明の実施
の形態の詳細な説明から一層明らかとなろう。
The above and other objects, features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description of embodiments of the present invention with reference to the accompanying drawings.

【0010】[0010]

【発明の実施の形態】図1はこの発明にかかる光学素子
を一例を示す図解図である。図1に示す光学素子50
は、たとえば金属からなるグランド板52を含む。グラ
ンド52の上には、磁性体として板状の磁性フェライト
単結晶54が設けられる。磁性フェライト単結晶54の
1つの主面の中央には、トランスデューサとして細線状
のアンテナ56が設けられる。アンテナ56の一端は高
周波入力端子58に接続される。アンテナ56の他端は
グランド板52に接続される。
FIG. 1 is an illustrative view showing one example of an optical element according to the present invention. Optical element 50 shown in FIG.
Includes a ground plate 52 made of metal, for example. On the ground 52, a plate-shaped magnetic ferrite single crystal 54 is provided as a magnetic material. At the center of one main surface of the magnetic ferrite single crystal 54, a thin wire antenna 56 is provided as a transducer. One end of the antenna 56 is connected to the high frequency input terminal 58. The other end of the antenna 56 is connected to the ground plate 52.

【0011】また、磁性フェライト単結晶54の近傍に
は、たとえば円筒状またはブロック状の永久磁石(図示
せず)が設けられる。この永久磁石は、磁性フェライト
単結晶54に平行にかつアンテナ56に直交する方向に
直流磁場Hを印加するためのものである。なお、このよ
うに磁性フェライト単結晶54に直流磁場Hを印加する
ためには、永久磁石の代わりに電磁石が用いられてもよ
い。
In the vicinity of the magnetic ferrite single crystal 54, for example, a cylindrical or block-shaped permanent magnet (not shown) is provided. This permanent magnet is for applying a DC magnetic field H in a direction parallel to the magnetic ferrite single crystal 54 and perpendicular to the antenna 56. In order to apply the DC magnetic field H to the magnetic ferrite single crystal 54, an electromagnet may be used instead of a permanent magnet.

【0012】さらに、磁性フェライト単結晶54の一方
の側面の外側には、レーザー光源(図示せず)、偏光子
60および第1のレンズ62が、この順に磁性フェライ
ト単結晶54に近づくように設けられる。レーザー光源
は、レーザー光を発生するためのものである。偏光子6
0は、レーザー光源で発生したレーザー光を特定方向の
直線偏光とするためのものである。第1のレンズ62
は、レーザー光源で発生したレーザー光を磁性フェライ
ト単結晶54中に集光するためのものである。
Further, a laser light source (not shown), a polarizer 60 and a first lens 62 are provided outside the one side surface of the magnetic ferrite single crystal 54 so as to approach the magnetic ferrite single crystal 54 in this order. Can be The laser light source is for generating laser light. Polarizer 6
0 is for converting the laser light generated by the laser light source into linearly polarized light in a specific direction. First lens 62
Is for condensing the laser light generated by the laser light source into the magnetic ferrite single crystal 54.

【0013】また、磁性フェライト単結晶54の他方の
側面の外側には、第2のレンズ64、検光子66、第3
のレンズ68および光ファイバ70の一端が、この順に
磁性フェライト単結晶54から離れるように配置され
る。第2のレンズ64は、磁性フェライト単結晶54を
透過したレーザー光を平行光線にするためのものであ
る。検光子66は、レーザー光の特定方向の直線偏光を
透過するためのものである。第3のレンズ68は、検光
子66を透過したレーザー光を集光するためのものであ
る。光ファイバ70は、レーザー光を伝送するためのも
のである。光ファイバ70の他端の近傍には、フォトダ
イオード72が設けられる。フォトダイオード72は、
レーザー光の信号を検出するためのものである。
A second lens 64, an analyzer 66, and a third lens 64 are provided outside the other side surface of the magnetic ferrite single crystal 54.
And one end of the optical fiber 70 are arranged so as to be separated from the magnetic ferrite single crystal 54 in this order. The second lens 64 is for converting the laser light transmitted through the magnetic ferrite single crystal 54 into a parallel light beam. The analyzer 66 is for transmitting linearly polarized laser light in a specific direction. The third lens 68 is for condensing the laser light transmitted through the analyzer 66. The optical fiber 70 is for transmitting a laser beam. A photodiode 72 is provided near the other end of the optical fiber 70. The photodiode 72
This is for detecting a signal of a laser beam.

【0014】この光学素子50では、偏光子60によっ
てa方向に振動方向を持つ直線偏光となった光は、第1
のレンズ62によって集光されて磁性フェライト単結晶
54に入射する。磁性フェライト単結晶54には光の伝
搬方向と平行に十分強い外部磁場Hが印加されており、
これによってファラデー効果が生じるために、磁性フェ
ライト単結晶54中で光の振動方向が回転する。磁性フ
ェライト単結晶54を透過した光は、第2のレンズ64
で平行光線に戻されたあと、検光子66に入射する。磁
性フェライト単結晶54からの出射位置における光の振
動方向bは、入射位置に対して45度(あるいは45度
に90度の整数倍を加えた角度)回転するように磁性フ
ェライト単結晶54の光路長が選ばれており、検光子6
6はこのような偏光に対する透過率が最大になるように
調整されている。
In the optical element 50, the light that has been converted into linearly polarized light having a vibration direction in the direction a by the polarizer 60 is the first light.
And is incident on the magnetic ferrite single crystal 54. A sufficiently strong external magnetic field H is applied to the magnetic ferrite single crystal 54 in parallel with the light propagation direction.
As a result, the Faraday effect occurs, so that the light oscillation direction rotates in the magnetic ferrite single crystal 54. The light transmitted through the magnetic ferrite single crystal 54 is transmitted to the second lens 64
After being returned to the parallel light beam by the above, the light enters the analyzer 66. The optical path of the magnetic ferrite single crystal 54 is such that the vibration direction b of the light at the emission position from the magnetic ferrite single crystal 54 is rotated by 45 degrees (or an angle obtained by adding an integral multiple of 90 degrees to 45 degrees) with respect to the incident position. Length is selected, analyzer 6
6 is adjusted so that the transmittance for such polarized light is maximized.

【0015】また、この光学素子50では、高周波入力
端子58から細線状のアンテナ56を通じて磁性フェラ
イト単結晶54にマイクロ波などの高周波信号が印加で
きるようになっており、十分強い外部磁場Hを印加して
いるので磁性フェライト単結晶54中には静磁波が励起
される。この場合、マイクロ波などの高周波信号の進行
方向および外部磁場Hの印加方向の関係から、ここで励
起される静磁波は静磁後進体積波(MSBVW)であ
る。したがって、静磁後進体積波によって磁性フェライ
ト単結晶54中において光が変調される。静磁後進体積
波によって変調された磁性フェライト単結晶54の透過
光は、第3のレンズ68によって集光され光ファイバ7
0に入射し、光ファイバ70中を伝送していく。光ファ
イバ70から光が出射してフォトダイオード72に入射
し、光信号が電気信号に変換されて電気的に検出され
る。このときフォトダイオード72の周波数帯域は、光
の変調源となるマイクロ波などの高周波信号の周波数帯
域よりも広い必要がある。もしそうでなければ、変調さ
れた光信号をフォトダイオード72が検出することがで
きないからである。このように図1に示す光学素子50
は、光変調器として機能する。
In the optical element 50, a high-frequency signal such as a microwave can be applied to the magnetic ferrite single crystal 54 from the high-frequency input terminal 58 through the thin wire antenna 56, and a sufficiently strong external magnetic field H is applied. Therefore, a magnetostatic wave is excited in the magnetic ferrite single crystal 54. In this case, the magnetostatic wave excited here is a magnetostatic backward volume wave (MSBVW) due to the relationship between the traveling direction of a high-frequency signal such as a microwave and the direction in which the external magnetic field H is applied. Therefore, light is modulated in the magnetic ferrite single crystal 54 by the magnetostatic backward volume wave. The light transmitted through the magnetic ferrite single crystal 54 modulated by the magnetostatic backward volume wave is condensed by the third lens 68 and
0 and is transmitted through the optical fiber 70. Light is emitted from the optical fiber 70 and enters the photodiode 72, where an optical signal is converted into an electric signal and is electrically detected. At this time, the frequency band of the photodiode 72 needs to be wider than the frequency band of a high-frequency signal such as a microwave serving as a light modulation source. If not, the modulated optical signal cannot be detected by the photodiode 72. Thus, the optical element 50 shown in FIG.
Functions as an optical modulator.

【0016】さらに、この光学素子50では、第3のレ
ンズ68、光ファイバ70およびフォトダイオード72
の各端面で光の反射が生じるのは、各端面に無反射コー
トをおこなったとしてもある程度は避けがたい。この反
射によって生じた戻り光がレーザー光源に入射すると、
レーザーの発振が不安定になってしまうおそれがある。
しかし、この光学素子50では、ファラデー回転角が4
5度に90度の整数倍を加えた角度であるような磁性フ
ェライト単結晶54をはさんで、偏光子62と検光子6
6とが先述したような関係にあるので、光アイソレータ
としても機能する。すなわち、この光学素子50では、
第3のレンズ68側から検光子66に光が入射すると、
光は検光子66によってやはり直線偏光となって磁性フ
ェライト単結晶54に入射し、磁性フェライト単結晶5
4中を伝搬するうちにファラデー効果によって振動方向
が回転する。このときファラデー効果の非相反性により
光が進むに連れ左回りに振動方向が回転し、磁性フェラ
イト単結晶54の出射位置において、振動方向は入射位
置に対し左回りに45度回転する。ところが、このよう
な振動方向を持った光は、偏光子60を透過することが
できない。したがって、この光学素子50では、偏光子
60から磁性フェライト単結晶54への入射光は透過で
きるのに対し、検光子66から磁性フェライト単結晶5
4への入射光はさえぎられる。したがって、この光学素
子50では、戻り光がレーザー光源に入射することは避
けられる。
Further, in the optical element 50, the third lens 68, the optical fiber 70 and the photodiode 72
It is inevitable to some extent that light is reflected on each end face even if a non-reflection coating is applied to each end face. When the return light generated by this reflection enters the laser light source,
Laser oscillation may become unstable.
However, in this optical element 50, the Faraday rotation angle is 4
A polarizer 62 and an analyzer 6 are sandwiched by a magnetic ferrite single crystal 54 having an angle obtained by adding an integral multiple of 90 degrees to 5 degrees.
6 has the above-described relationship, and thus also functions as an optical isolator. That is, in the optical element 50,
When light enters the analyzer 66 from the third lens 68 side,
The light is also converted into linearly polarized light by the analyzer 66 and is incident on the magnetic ferrite single crystal 54, and the magnetic ferrite single crystal 5
While propagating through 4, the vibration direction rotates due to the Faraday effect. At this time, due to the non-reciprocity of the Faraday effect, the oscillation direction rotates counterclockwise as the light travels, and at the emission position of the magnetic ferrite single crystal 54, the oscillation direction rotates 45 degrees counterclockwise with respect to the incidence position. However, light having such a vibration direction cannot pass through the polarizer 60. Therefore, in the optical element 50, the incident light from the polarizer 60 to the magnetic ferrite single crystal 54 can be transmitted, while the analyzer 66 transmits the magnetic ferrite single crystal 5
Light incident on 4 is blocked. Therefore, in the optical element 50, it is possible to prevent the return light from being incident on the laser light source.

【0017】以上より、図1に示す光学素子50は、光
変調器の機能と光アイソレータの機能との2つの機能を
有する。
As described above, the optical element 50 shown in FIG. 1 has two functions of an optical modulator function and an optical isolator function.

【0018】[0018]

【実施例】図1に示す構成の光学素子50を試作してそ
の特性を測定した。ただし、検光子66を透過した光は
光ファイバ70に結合せずに、直接フォトダイオード7
2に入射するようにした。また、磁性体として、フロー
ティングゾーン法により育成された純YIGのバルク単
結晶を用いた。これを1mm×5mm×10mmの大き
さに切り出し各面を鏡面研磨した。波長1.3μmの半
導体レーザーを光源とし、1mm×5mmの面の一つか
ら結晶中に入射させた。入射光の振動方向は、板状結晶
の板面の法線方向に一致するように固定した。結晶の5
mm×10mmの面には、マイクロ波を印加するための
細線状のアンテナを設置した。YIG単結晶中でマイク
ロ波などの高周波信号と光の伝搬方向とが平行になるよ
うにした。さらに、光の伝搬方向と同じ方向または反対
方向に外部磁場Hを印加した。
EXAMPLE An optical element 50 having the structure shown in FIG. 1 was experimentally manufactured and its characteristics were measured. However, the light transmitted through the analyzer 66 is not coupled to the optical fiber 70 but directly to the photodiode 7.
2 was incident. In addition, a pure YIG bulk single crystal grown by the floating zone method was used as the magnetic material. This was cut into a size of 1 mm × 5 mm × 10 mm, and each surface was mirror-polished. A semiconductor laser having a wavelength of 1.3 μm was used as a light source, and the light was allowed to enter the crystal from one of the 1 mm × 5 mm surfaces. The vibration direction of the incident light was fixed so as to coincide with the normal direction of the plate surface of the plate crystal. Crystal 5
On a surface of mm × 10 mm, a thin-line antenna for applying a microwave was installed. In a YIG single crystal, a high-frequency signal such as a microwave was made parallel to a light propagation direction. Further, an external magnetic field H was applied in the same direction as the light propagation direction or in the opposite direction.

【0019】そして、いくつかの外部磁場Hの値におい
てマイクロ波による変調周波数を1GHzから4.5G
Hzまで変化させたときの実施例における光変調特性を
図2のグラフに示す。図2のグラフにおいて、横軸は印
加したマイクロ波の周波数を示し、縦軸は光変調振幅を
示す。図2のグラフ中の3つの曲線は、光の伝搬方向と
同じ方向に印加した外部磁場Hの強さに対応している。
図2に示すグラフより、実施例では、約2〜2.5GH
zにおいて最大となるような光の変調が生じていること
が確認できた。
At some values of the external magnetic field H, the modulation frequency by the microwave is changed from 1 GHz to 4.5 G.
FIG. 2 is a graph showing light modulation characteristics in the example when the frequency is changed to Hz. In the graph of FIG. 2, the horizontal axis indicates the frequency of the applied microwave, and the vertical axis indicates the light modulation amplitude. The three curves in the graph of FIG. 2 correspond to the intensity of the external magnetic field H applied in the same direction as the light propagation direction.
According to the graph shown in FIG.
It was confirmed that light modulation was maximized at z.

【0020】さらに、外部磁場Hの方向を変化させたと
きの実施例における光アイソレーション特性を図3のグ
ラフに示す。図3に示すグラフにおいて、横軸は印加し
た外部磁場Hを示し、縦軸はフォトダイオードで検出さ
れた光強度を示す。また、図3に示すグラフ中の2つの
曲線は、光の伝搬方向と同じ方向に外部磁場Hを印加し
た場合と光の伝搬方向と反対方向に外部磁場Hを印加し
た場合とに対応している。図3に示すグラフより、印加
した外部磁場Hをおよそ27800A/m以上としたと
き、磁場の印加方向によって透過光強度の間に40dB
以上の光アイソレーションが確認できた。
FIG. 3 is a graph showing the optical isolation characteristics of the embodiment when the direction of the external magnetic field H is changed. In the graph shown in FIG. 3, the horizontal axis represents the applied external magnetic field H, and the vertical axis represents the light intensity detected by the photodiode. The two curves in the graph shown in FIG. 3 correspond to the case where the external magnetic field H is applied in the same direction as the light propagation direction and the case where the external magnetic field H is applied in the direction opposite to the light propagation direction. I have. According to the graph shown in FIG. 3, when the applied external magnetic field H is about 27800 A / m or more, 40 dB between transmitted light intensities depending on the application direction of the magnetic field.
The above optical isolation was confirmed.

【0021】このように、この実施例では、単一の光学
素子で光変調器の機能と光アイソレータの機能との2つ
の機能を実現することが可能である。したがって、この
実施例では、それらの光学素子を別個に用意しなければ
ならない従来の場合に比べて、光学素子の小型化および
部品点数の削減を図ることができるという顕著な効果を
奏する。
As described above, in this embodiment, it is possible to realize two functions of the function of the optical modulator and the function of the optical isolator with a single optical element. Therefore, in this embodiment, there is a remarkable effect that the size of the optical element can be reduced and the number of parts can be reduced as compared with the conventional case where these optical elements must be prepared separately.

【0022】なお、図1に示す光学素子50において、
磁性フェライト単結晶54としてフローティングゾーン
法により育成されたYIGを用いるのが好ましい。ま
た、高周波特性を劣化させることなしに飽和磁化の値を
調整するために、YIGのFe成分の一部が他の元素た
とえばInやGaなどで置き換えられてもよい。また、
単位長さあたり大きなファラデー効果を得るために、Y
IGのY成分の一部がBiなどで置き換えられてもよ
い。光路方向の磁性フェライトの長さは、光学素子50
の小型化のためにはなるべく短いほうがよいが、短くな
りすぎると取り扱いが難しくなる。そのため、数mm程
度が適当であるが、必ず磁気飽和した磁性フェライト中
でのファラデー回転角が45度に90度の整数倍を加え
た角度となるようにしなければならない。
Incidentally, in the optical element 50 shown in FIG.
It is preferable to use YIG grown by the floating zone method as the magnetic ferrite single crystal 54. Further, in order to adjust the value of the saturation magnetization without deteriorating the high frequency characteristics, a part of the Fe component of YIG may be replaced with another element such as In or Ga. Also,
In order to obtain a large Faraday effect per unit length, Y
A part of the Y component of the IG may be replaced with Bi or the like. The length of the magnetic ferrite in the optical path direction is
It is better to be as short as possible for miniaturization, but if it is too short, it becomes difficult to handle. Therefore, it is appropriate to set the Faraday rotation angle in the magnetically-saturated magnetic ferrite to an angle obtained by adding an integral multiple of 90 degrees to 45 degrees.

【0023】また、磁性体としては、バルク単結晶以外
に、液相エピタキシャル法などで育成された薄膜単結晶
が使用されてもよい。
As the magnetic substance, a thin film single crystal grown by a liquid phase epitaxial method or the like may be used in addition to the bulk single crystal.

【0024】さらに、マイクロ波などの高周波信号の印
加手段として、細線状のアンテナの代わりにマイクロス
トリップラインなどが用いられてもよい。
Further, as a means for applying a high-frequency signal such as a microwave, a microstrip line or the like may be used instead of a thin-line antenna.

【0025】また、上述の光学素子は、バルク型の光ア
イソレータの磁性体にマイクロ波などの高周波信号を印
加するための手段を設けることによって構成することが
できるが、光アイソレータとしては、バルク型のほかに
導波型のものも各種提案されている(たとえば、磁性体
ハンドブック(朝倉書店、1999)p.799参
照)。そして、導波型の光アイソレータにおいて、ファ
ラデー効果を示す非相反モード変換素子として機能して
いる磁性フェライト膜に、マイクロ波などの高周波信号
を印加するための手段を設けることによって、この発明
にかかる光学素子を構成することが可能である。
The above-mentioned optical element can be constituted by providing a means for applying a high-frequency signal such as a microwave to a magnetic material of a bulk type optical isolator. In addition to the above, various types of waveguide type have been proposed (for example, see Magnetic Material Handbook (Asakura Shoten, 1999) p.799). According to the present invention, in a waveguide type optical isolator, a means for applying a high-frequency signal such as a microwave is provided to a magnetic ferrite film functioning as a non-reciprocal mode conversion element exhibiting the Faraday effect. It is possible to configure an optical element.

【0026】[0026]

【発明の効果】この発明によれば、光変調器の機能と光
アイソレータの機能との2つの機能をあわせもち、小型
化および低コスト化を図ることができる光学素子が得ら
れる。
According to the present invention, it is possible to obtain an optical element having both the function of an optical modulator and the function of an optical isolator and capable of reducing the size and cost.

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

【図1】この発明にかかる光学素子を一例を示す図解図
である。
FIG. 1 is an illustrative view showing one example of an optical element according to the present invention;

【図2】実施例における光変調特性を示すグラフであ
る。
FIG. 2 is a graph showing light modulation characteristics in an example.

【図3】実施例における光アイソレーション特性を示す
グラフである。
FIG. 3 is a graph showing optical isolation characteristics in an example.

【図4】この発明の背景となる従来の光変調器の一例を
示す図解図である。
FIG. 4 is an illustrative view showing one example of a conventional optical modulator as a background of the present invention;

【符号の説明】[Explanation of symbols]

50 光学素子 52 グランド板 54 磁性フェライト単結晶 56 アンテナ 58 高周波入力端子 60 偏光子 62 第1のレンズ 64 第2のレンズ 66 検光子 68 第3のレンズ 70 光ファイバ 72 フォトダイオード IB 入射光 a 入射光の振動方向 TB 磁性フェライト単結晶の透過光 b 検光子の透過光の振動方向 Reference Signs List 50 optical element 52 ground plate 54 magnetic ferrite single crystal 56 antenna 58 high frequency input terminal 60 polarizer 62 first lens 64 second lens 66 analyzer 68 third lens 70 optical fiber 72 photodiode IB incident light a incident light Vibration direction of TB Transmitted light of magnetic ferrite single crystal b Vibration direction of transmitted light of analyzer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤井 高志 京都府長岡京市天神二丁目26番10号 株式 会社村田製作所内 Fターム(参考) 2H079 AA03 BA01 CA04 CA06 DA13 EB18 HA11 KA05 2H099 AA01 BA00 CA11  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Takashi Fujii 2-26-10 Tenjin, Nagaokakyo-shi, Kyoto, Japan F-term in Murata Manufacturing Co., Ltd.

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 磁性体が用いられる光学素子において、 前記磁性体を用いて光変調器として機能する部分が構成
されるとともに、 前記磁性体を用いてファラデー効果を利用した光アイソ
レータとして機能する部分が構成されることを特徴とす
る、光学素子。
1. An optical element using a magnetic material, wherein a portion functioning as an optical modulator using the magnetic material is configured, and a portion functioning as an optical isolator utilizing the Faraday effect using the magnetic material. An optical element comprising:
【請求項2】 光が前記磁性体を透過する際に高周波信
号で変調されるとともに、光が前記磁性体を透過した後
に、光の振動方向に45度+90度×n(nは整数)の
非相反的な回転が生じる、請求項1に記載の光学素子。
2. When light is modulated by a high-frequency signal when passing through the magnetic material, the light is transmitted through the magnetic material, and then 45 degrees + 90 degrees × n (n is an integer) in the vibration direction of the light. 2. The optical element according to claim 1, wherein non-reciprocal rotation occurs.
【請求項3】 前記高周波信号はマイクロ波またはミリ
波の信号を含む、請求項1または請求項2に記載の光変
調器。
3. The optical modulator according to claim 1, wherein the high-frequency signal includes a microwave or millimeter-wave signal.
【請求項4】 前記磁性体はフェライト単結晶である、
請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の光学素子。
4. The magnetic body is a ferrite single crystal.
The optical element according to claim 1.
【請求項5】 前記フェライト単結晶は、イットリウム
鉄ガーネットあるいはその組成の一部を他元素で置換し
たものである、請求項4に記載の光学素子。
5. The optical element according to claim 4, wherein the ferrite single crystal is obtained by substituting yttrium iron garnet or a part of its composition with another element.
【請求項6】 前記磁性体上に設けられるトランスデュ
ーサ、 前記トランスデューサに接続される高周波入力端子、 前記磁性体に外部磁場を印加するための磁石、 レーザー光を発生するためのレーザー光源、 前記レーザー光源で発生したレーザー光を特定方向の直
線偏光とするための偏光子、 前記偏光子で特定方向の直線偏光とされたレーザー光を
前記磁性体中に集光するための第1のレンズ、 前記磁性体を透過したレーザー光を平行光線にするため
の第2のレンズ、 前記第2のレンズで平行光線にされたレーザー光の特定
方向の直線偏光を透過するための検光子、 前記検光子を透過したレーザー光を集光するための第3
のレンズ、 前記第3のレンズで集光されたレーザー光を伝送するた
めの光ファイバ、および前記光ファイバで伝送されたレ
ーザー光の信号を検出するためのフォトダイオードを含
む、請求項1ないし請求項5のいずれかに記載の光学素
子。
6. A transducer provided on the magnetic material, a high-frequency input terminal connected to the transducer, a magnet for applying an external magnetic field to the magnetic material, a laser light source for generating laser light, and the laser light source A polarizer for converting the laser light generated in step 1 into linearly polarized light in a specific direction; a first lens for condensing the laser light converted into linearly polarized light in a specific direction by the polarizer in the magnetic body; A second lens for converting the laser light transmitted through the body into parallel rays, an analyzer for transmitting linearly polarized light in a specific direction of the laser light parallelized by the second lens, and transmitting the analyzer Third for condensing the focused laser light
A lens for transmitting the laser light condensed by the third lens; and a photodiode for detecting a signal of the laser light transmitted by the optical fiber. Item 6. The optical element according to any one of Items 5.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6912080B2 (en) 2002-03-26 2005-06-28 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Magneto-optic modulator and optical communication system using the same
US6927909B2 (en) 2002-05-09 2005-08-09 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Integrated magneto-optical modulator with optical isolator, method of manufacturing the same and optical communication system using the same

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