JP2004133387A - 磁気光学光部品 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、小型、低消費電力で、かつ高速な可変光アッテネータ、光変調器、光スイッチなどの磁気光学光部品を提供することを目的とする。
【解決手段】永久磁石３０により、ファラデー回転子２０の光入出射面に垂直に光ビームの進行方向と同方向の磁界が印加され、光透過領域は例えば磁区Ａ領域に完全に包含されており減衰なしで光ビームを射出する。電磁石３２に通電して、光透過領域に磁区Ａの領域と磁区Ｂの領域とをほぼ半々に存在させるとファラデー回転角θｆは０°となる。電磁石３２にさらに大電流を流すことにより、光透過領域は磁区Ｂの領域内に完全に包含される。光透過領域が磁区Ｂ領域内にあるときのファラデー回転角は、−θｆｓとなる。ファラデー回転角が０°からさらに−θｆｓに変化するのに伴い、第２の偏光子１２で吸収される光量が増加して優れたアッテネーションが実現される。
【選択図】 図７
【解決手段】永久磁石３０により、ファラデー回転子２０の光入出射面に垂直に光ビームの進行方向と同方向の磁界が印加され、光透過領域は例えば磁区Ａ領域に完全に包含されており減衰なしで光ビームを射出する。電磁石３２に通電して、光透過領域に磁区Ａの領域と磁区Ｂの領域とをほぼ半々に存在させるとファラデー回転角θｆは０°となる。電磁石３２にさらに大電流を流すことにより、光透過領域は磁区Ｂの領域内に完全に包含される。光透過領域が磁区Ｂ領域内にあるときのファラデー回転角は、−θｆｓとなる。ファラデー回転角が０°からさらに−θｆｓに変化するのに伴い、第２の偏光子１２で吸収される光量が増加して優れたアッテネーションが実現される。
【選択図】 図７
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信システムに用いられる可変光アッテネータや光変調器、あるいは光スイッチなどの磁気光学光部品に関する。
【０００２】
【従来の技術】
可変光アッテネータとして、印加した磁界の強度によりファラデー回転角を変化させて光の減衰量を制御するいわゆる磁気光学型可変光アッテネータが知られている。磁気光学型可変光アッテネータは、機械的な可動部がないため信頼性が高く、また小型化し易いという利点を有している。磁気光学型可変光アッテネータは、磁気光学結晶と、磁気光学結晶に磁界を印加する電磁石とを有している。
電磁石に流す電流量を変化させて磁気光学結晶に印加する磁界の強度を制御することにより、磁気光学結晶の磁化の強さを変化させてファラデー回転角を制御できるようになっている。
【０００３】
磁気光学結晶に印加する磁界を制御する方法は、例えば特許文献１に開示されている。図１３を用いて当該磁界制御方法について説明する。図１３（Ａ）は可変光アッテネータを示しており、当該可変光アッテネータはファラデー回転子（磁気光学結晶）１１３と偏光子１１２とを備えている。また、当該可変光アッテネータは、ファラデー回転子１１３に対して互いに直交する方向に磁界を印加する永久磁石１１４及び電磁石１１５と、電磁石１５に駆動電流を与える可変電流源１１６とを有している。
【０００４】
永久磁石１１４によりファラデー回転子１１３に印加される磁界の方向はファラデー回転子１１３における光ビーム１１７の透過方向と平行であり、電磁石１１５によりファラデー回転子１１３に印加される磁界の方向はファラデー回転子１１３における永久磁石１１４による磁界印加方向及び光ビーム１１７の透過方向に垂直である。
【０００５】
図１３（Ｂ）において、矢印１０２、１０５はファラデー回転子１１３内の磁化方向とその大きさを表すベクトルであり、矢印１０１、１０４、１０３は外部から印加される印加磁界の方向と大きさを表すベクトルである。図中Ｚ方向はファラデー回転子１１３中の光の伝播方向であり、Ｘ方向はＺ方向に直交している。ファラデー回転子１１３は、外部永久磁石１１４による垂直磁界１０１により飽和磁化１０２の状態となる。次に電磁石１１５による水平磁界１０３を印加すると外部磁界は合成磁界１０４となり、ファラデー回転子１１３は磁化１０５の状態になる。この磁化１０５の大きさは飽和磁化１０２の大きさと同じであり従ってファラデー回転子１１３は飽和磁化の状態にある。
【０００６】
このように、永久磁石１１４によりファラデー回転子１１３に垂直磁界を予め印加してファラデー回転子１１３を飽和磁化の状態にしておいて、さらにファラデー回転子１１３の面内方向に配置した電磁石１１５で水平磁界を印加する。そして、２つの磁界の合成磁界１０４によりファラデー回転子１１３の磁化の方向を磁化１０２から磁化１０５まで角度θだけ回転させてＺ方向の磁化成分１０６の大きさを制御している。この磁化成分１０６の大きさに依存してファラデー回転角は変化する。この方法の場合は、ファラデー回転子１１３は常に飽和磁化領域で使用されるためヒステリシスが生じることがなく、再現性よくファラデー回転角を変化させることができるという特徴を有する。
【０００７】
【特許文献１】
特許第２８１５５０９号明細書
【特許文献２】
特開平７−１０４２２５号公報
【特許文献３】
米国特許第５４７７３７６号明細書
【特許文献４】
米国特許第６１９８５６７号明細書
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１に開示された磁界印加方法では、永久磁石１１４による垂直方向の磁界を印加した状態で磁化を一様に回転させるために、電磁石１１５により印加する面内方向磁界を強くする必要があり、電磁石１１５が大型、もしくは大電流を流す必要があり、小型化、低消費電力化が困難という問題を有している。
【０００９】
本発明の目的は、小型、低消費電力で、かつ高速な可変光アッテネータ、光変調器、光スイッチなどの磁気光学光部品を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、少なくとも１個の磁気光学結晶と、前記磁気光学結晶に対し、光入出射面に垂直な方向の磁界成分を印加する磁界印加機構と、前記磁気光学結晶に印加される前記磁界成分が０となる位置を可変とする少なくとも１個の電磁石とを有することを特徴とする磁気光学光部品によって達成される。
【００１１】
上記本発明の磁気光学光部品であって、前記磁界印加機構は、少なくとも１個の永久磁石を有することを特徴とする。また、前記磁界成分の大きさは、前記光入出射面内の所定方向で単調に変化することを特徴とする。
【００１２】
上記本発明の磁気光学光部品であって、前記磁気光学結晶は、前記光入出射面に垂直な方向の磁化により構成される磁区Ａと、磁区Ａの磁化方向とは逆向きの方向の磁化により構成される磁区Ｂとを含むことを特徴とする。
【００１３】
上記本発明の磁気光学光部品であって、前記電磁石で発生させる磁界を変化させて、前記磁気光学結晶の光透過領域に、前記磁区Ａのみが存在する状態と、前記磁区Ａと前記磁区Ｂの双方が含まれる状態とを形成して、光透過光量を連続的に変化させることを特徴とする。
【００１４】
上記本発明の磁気光学光部品であって、さらに前記磁区Ｂのみが存在する状態を形成することを特徴とする。また、前記磁区Ａと前記磁区Ｂとの境界は、ほぼ直線状であることを特徴とする。
【００１５】
上記本発明の磁気光学光部品であって、前記磁気光学結晶の飽和のファラデー回転角は約４５°であり、前記磁気光学結晶の片側に配置された偏光子と、前記磁気光学結晶の反対側に配置された検光子とを有することを特徴とする。
【００１６】
また、上記本発明の磁気光学光部品であって、前記磁気光学結晶の飽和のファラデー回転角は約９０°であり、前記磁気光学結晶の片側に配置された偏光子と、前記磁気光学結晶の反対側に配置された検光子とを有することを特徴とする。
【００１７】
上記本発明の磁気光学光部品であって、前記磁気光学結晶の飽和のファラデー回転角は約４５°であり、前記磁気光学結晶の片側に配置された偏光子と、前記磁気光学結晶の反対側に配置された反射膜とを有することを特徴とする。
【００１８】
上記本発明の磁気光学光部品であって、前記電磁石に印加する電流を変化させて減衰量を可変に制御する可変光アッテネータであることを特徴とする。
【００１９】
上記本発明の磁気光学光部品であって、前記電磁石に印加する電流を変調させることにより、透過光量を変調させる光変調器であることを特徴とする。また、上記本発明の磁気光学光部品であって、光スイッチであることを特徴とする。
【００２０】
本発明によれば、磁化を一様に回転させるのではなく、光の透過領域における磁区構造を変化させているので、小型の電磁石を用いることができ、又は、電磁石に流す電流を低電流にできる可変光アッテネータ等の磁気光学光部品を実現できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施の形態による磁気光学光部品について図１乃至図１２を用いて説明する。まず、本実施の形態による磁気光学光部品の動作原理について図１乃至図３を用いて説明する。図１乃至図３は、ファラデー回転子（磁気光学結晶）２０にそれぞれ条件を変えて磁界を印加している状態を示している。図１（Ａ）、図２（Ａ）、及び図３（Ａ）はファラデー回転子２０を光入出射面に垂直な方向に見た状態を示している。ファラデー回転子２０のほぼ中央の丸で囲んだ領域は光透過領域Ｃである。例えば紙面手前から紙面後方に向かって進む直線偏光の光は、ファラデー回転子２０の光透過領域Ｃに入射して、偏光方位を所定角度回転させられて紙面後方に射出する。ファラデー回転子２０の両側には磁界印加機構として永久磁石Ｍ１、Ｍ２が配置されている。２つの永久磁石Ｍ１、Ｍ２は、例えばほぼ同一の磁力を有しており、互いの磁極は逆向き（着磁の方向が正反対）に配置されている。例えば永久磁石Ｍ１内部の磁束は紙面後方から手前に向いており、永久磁石Ｍ２内部の磁束は紙面手前から後方に向いている。また、永久磁石Ｍ１より永久磁石Ｍ２の方が、ファラデー回転子２０の光透過領域Ｃの中央部から遠い位置に配置されている。
【００２２】
図１（Ｂ）、図２（Ｂ）、及び図３（Ｂ）は、図１（Ａ）、図２（Ａ）、及び図３（Ａ）のそれぞれに示したＸ−Ｘ線で切断したファラデー回転子２０の断面での磁区構造を模式的に示している。Ｘ−Ｘ線は光透過領域Ｃの中央を横切っている。図１（Ｂ）、図２（Ｂ）、及び図３（Ｂ）において、永久磁石Ｍ１内部の磁束は図中下向きに示し、永久磁石Ｍ２内部の磁束は図中上向きに示している。
【００２３】
図１（Ｃ）、図２（Ｃ）、及び図３（Ｃ）は、光軸に平行な方向（ファラデー回転子２０の光入出射面に垂直な方向）に印加される磁界の向きと強さを矢印の向きと長さで模式的に表している。図示において、横方向はファラデー回転子２０の断面の横方向の位置に対応し、縦方向は光軸に平行な方向を表している。
【００２４】
さて、図１（Ａ）、図１（Ｂ）、及び図１（Ｃ）は、永久磁石Ｍ１、Ｍ２だけでファラデー回転子２０に磁界が印加されている状態を示している。図１（Ｃ）に示すように、ファラデー回転子２０の永久磁石Ｍ１に近い左側部分では磁界は図中上向きに（つまり、図１（Ａ）において紙面後方に向かって）印加され、一方、永久磁石Ｍ２に近い右側では磁界は図中下向きに（つまり、図１（Ａ）において紙面手前に向かって）印加される。ファラデー回転子２０に印加される磁界成分の大きさは、光入出射面内の所定方向で単調に変化している。図１（Ｂ）のファラデー回転子２０内の矢印で示すように、ファラデー回転子２０内の磁化の向きは、永久磁石Ｍ１と永久磁石Ｍ２によりファラデー回転子２０に印加される磁界の向きと同じになる。永久磁石Ｍ１、Ｍ２はほぼ等しい磁界強度を有しているが、互いに磁極が逆向きであってファラデー回転子２０からの距離は永久磁石Ｍ１の方が近いため、ファラデー回転子２０内部では図１（Ｃ）に示すように上向きの磁界、つまり光の進行方向と同方向の磁界が支配的になる。従って、図１（Ｂ）に示すように、ファラデー回転子２０には、上向き（光の進行方向と同方向）の磁化を有する磁区Ａの領域の方が下向き（光の進行方向と逆方向）の磁化を有する磁区Ｂの領域より支配的になる。これにより図１（Ｃ）に示すように光入出射面に垂直方向の磁界が０となる位置Ｏにおいて、図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に示すように磁区Ａと磁区Ｂとの境界（以下、磁壁Ｉという）が形成されて、光透過領域Ｃは、磁区Ａの領域内に完全に包含される。ここで、光透過領域Ｃが磁区Ａ領域内にあるときのファラデー回転角を＋θｆｓ（飽和のファラデー回転角）とする。
【００２５】
ここでは、永久磁石Ｍ１を永久磁石Ｍ２よりファラデー回転子２０に近づけることにより光透過領域Ｃを磁区Ａの領域内に入るようにしているが、例えば、永久磁石Ｍ１の磁力を永久磁石Ｍ２のそれより強くして、ファラデー回転子２０に対して両者がほぼ等距離になるように配置して光透過領域Ｃを磁区Ａの領域内に入れるようにしてもよい。あるいは、永久磁石Ｍ２を用いずに永久磁石Ｍ１だけを用いて光透過領域Ｃを磁区Ａの領域内に入れるようにしてもよい。
【００２６】
次に、図２（Ａ）、図２（Ｂ）、及び図２（Ｃ）では、不図示の電磁石に通電して、永久磁石Ｍ１、Ｍ２の磁界に加えて光の進行方向と逆方向の磁界をさらに印加して、光入出射面に垂直方向の磁界が０となる位置Ｏを図の左方向に移動させてファラデー回転子２０のほぼ中央に位置させる。これにより図２（Ｃ）に示すように、ファラデー回転子２０内部は左半分に図中上向き（光の進行方向と同方向）の磁界が印加され、右半分に下向き（光の進行方向と逆方向）の磁界が印加される状態となる。従って、図２（Ｂ）に示すように、磁壁Ｉも図の左方向に移動し、ファラデー回転子２０には、上向き（光の進行方向と同方向）の磁化を有する磁区Ａの領域と下向き（光の進行方向と逆方向）の磁化を有する磁区Ｂの領域とが中央を境界として左右半々に形成される。これにより図２（Ｂ）に示すように、光透過領域Ｃには、磁区Ａの領域と磁区Ｂの領域とがほぼ半々に存在するようになり、両方の磁区が均等に含まれるためファラデー回転角θｆは０°となる。
【００２７】
次に、図３（Ａ）、図３（Ｂ）、及び図３（Ｃ）では、不図示の電磁石にさらに大電流を流すことにより光の進行方向と逆方向の磁界をさらに印加して、図３（Ｃ）に示すように、光入出射面に垂直方向の磁界が０となる位置Ｏをさらに図の左方向に移動させる。これにより図３（Ｃ）に示すように、ファラデー回転子２０内部では図中下向き（光の進行方向と逆方向）の磁界が支配的になる。従って、図３（Ｂ）に示すように、ファラデー回転子２０には、下向き（光の進行方向と逆方向）の磁化を有する磁区Ｂの領域の方が上向き（光の進行方向と同方向）の磁化を有する磁区Ａの領域より支配的になる。これにより図３（Ｃ）に示すように、光透過領域Ｃは、磁区Ｂの領域内に完全に包含される。光透過領域Ｃが磁区Ｂ領域内にあるときのファラデー回転角は、−θｆｓとなる。
【００２８】
図４は、上記動作原理を用いる際にファラデー回転子２０に生じさせる磁区Ａ、Ｂ間の磁壁Ｉの状態を示している。図４は磁壁Ｉの近傍一部（円内）を示しており、図示のとおり磁壁Ｉは直線状に形成されている。図４に示す写真では、磁壁Ｉの左右の磁区Ａ、Ｂ内で厚さ方向に一部磁化が反転した領域が現れている。
このような領域があっても再現性の劣化要因とならなければその存在は許容される。このように、上記動作原理を用いる際には、磁壁Ｉが直線状になるようにファラデー回転子２０に印加する磁界強度が制御される。このような直線状の磁壁の構造を得るためには、十分な大きさの勾配を有する磁界を印加する必要がある。図５は、この磁界勾配が小さい場合の磁壁Ｉの近傍一部（円内）を示しており、図示のとおり磁壁Ｉは非直線状に形成されている。
【００２９】
磁壁Ｉが直線状でない場合は、図５左から右に示すように、例えばファラデー回転子２０に印加する磁界（Ｈ１＜Ｈ２＜Ｈ３）をＨ１、Ｈ２、Ｈ３、Ｈ２、Ｈ１のように徐々に変化させると、別の磁界から元の磁界に戻しても元の磁区構造に戻らず再現性が得られない。例えば、図５の左端と右端の図示は、同じ磁界Ｈ１の印加状態を示しているが両者の磁区構造は異なっており、従って磁壁Ｉの形状は非直線で且つ両者の形状が異なっている。同様に、図中央の磁界Ｈ３の印加前後の図左右に示す同一磁界Ｈ２の印加状態においても磁区構造の再現性がなく磁壁Ｉの形状は非直線で且つ両者の形状が異なっている。このため、上記図１乃至図３に示した動作原理において、図５に示すような形状の磁壁Ｉを用いると光学特性の再現性が低下してしまい実用上問題となる。
【００３０】
一方、図４に示すように、磁区Ａ、Ｂの境界の磁壁Ｉをほぼ直線状に維持させている場合は、印加磁界を変化させて磁壁Ｉを移動させても、同一磁界における磁壁Ｉの形状は殆ど変化せず良好な再現性が得られる。
【００３１】
磁壁Ｉをほぼ直線状に維持するには、図１（Ｃ）、図２（Ｃ）、及び図３（Ｃ）に示した光入出射面に対する垂直方向磁界が０となる位置Ｏ近傍での磁界強度の勾配が十分大きければよい。また、位置Ｏが光入射面内で直線状になるように一様な垂直方向磁界を印加することにより、磁壁Ｉを再現性良く安定して移動させることができる。これにより、従来から問題とされている磁区構造のヒステリシスが生じない、繰り返し再現性に優れた磁気光学光部品を実現できる。例えば、特許文献２では磁気ヒステリシスを解消する方法として永久磁石を配置する技術が開示されている。しかしながら、光透過領域Ｃにおける磁区構造の制御に関する開示はない。特許文献２の構成では大きなヒステリシスは解消できても、電磁石に流す電流を変化させた場合の再現性を十分確保することは困難である。
【００３２】
磁壁Ｉをほぼ直線状に維持するために必要な磁界の大きさについては、垂直磁気異方性、飽和磁化の大きさ、交換エネルギー等の磁気光学結晶の特性に依存する。少なくとも、磁気光学結晶の両端において、飽和磁界以上の大きさで向きの異なる磁界を印加する必要がある。実験的には、例えば、磁界の勾配を徐々に大きくして、磁壁Ｉがほぼ直線状になる条件を見出すことができる。
【００３３】
図６（Ａ）、図６（Ｂ）、及び図６（Ｃ）は、図１（Ａ）乃至図３（Ａ）に示した磁気光学光部品において、磁界印加機構として、図の右側の永久磁石Ｍ２を省いて左側の永久磁石Ｍ１だけを用いた構成を示している。図６（Ａ）に示すように、不図示の電磁石による磁界の印加がない場合には、ファラデー回転子２０の図右端付近は永久磁石Ｍ１から遠ざかっているため印加磁界は小さく磁界の勾配も小さい。このような状態では磁壁Ｉは直線状にならない。また、光入出射面に垂直な成分の磁界が０となる位置Ｏは存在しなくなる。
【００３４】
電磁石により、ほぼ一様な逆向きの磁界を印加すると、入出射面に垂直な成分の磁界が０となる位置Ｏが存在するようになる。また、位置Ｏでの磁界の勾配も大きくなり、条件を選ぶことにより図６（Ｂ）及び図６（Ｃ）に示すように磁壁Ｉを直線状にすることができる。磁壁Ｉを印加磁界Ｈ１で光透過領域Ｃの右側に生じさせることにより、図６（Ｂ）に示すように光透過領域Ｃ内を磁区Ａだけにすることができる。また、印加磁界Ｈ１より大きな所定磁界Ｈ２を印加して磁壁Ｉを光透過領域Ｃの左側に生じさせることにより、図６（Ｃ）に示すように光透過領域Ｃ内を磁区Ｂだけにすることができる。このような直線状の磁壁Ｉは再現性よく移動させることができるので、印加磁界をＨ１からＨ２まで変化させることにより、光透過領域Ｃ内に含まれる磁区Ａと磁区Ｂの領域を任意に変化させることができるようになる。
【００３５】
図６（Ｂ）及び図６（Ｃ）に示すように、直線状の磁壁Ｉが存在するように光透過領域Ｃの位置を設定することにより、図６（Ａ）に示すように仮に電磁石の磁界が０のときに磁壁Ｉが直線状でなくても実用上問題ないことが分かる。直線状ではない磁壁Ｉは図５に示すように再現性が悪いが、再現性が悪くなる領域が光透過領域Ｃに含まれないようにすれば十分な特性を得ることができる。
【００３６】
以上のように、本実施の形態の動作原理によれば、磁区Ａと磁区Ｂとの境界領域である磁壁Ｉの移動により、ファラデー回転角を＋θｆｓから−θｆｓの範囲で変化させることができる。例えばファラデー回転子２０の前後に偏光子を配置することにより、光アッテネータなどの磁気光学光部品を実現できる。
【００３７】
次に、上記動作原理を用いた本実施の形態による磁気光学光部品の概略の構成について図７を用いて説明する。図７は、本実施の形態による磁気光学光部品としての可変光アッテネータの概略構成を示している。可変光アッテネータ１は、第１の偏光子１０、ファラデー回転子（磁気光学結晶）２０、及び第２の偏光子１２がこの順に並んで配置された光学素子を有している。第１及び第２の偏光子１０、１２としては、例えば、偏光ガラス、くさび複屈折偏光子、複屈折板等を用いることができる。
【００３８】
また、ファラデー回転子２０に対し光軸に平行な方向に飽和磁界を印加する永久磁石（磁界印加機構）３０が配置されている。さらに、ファラデー回転子２０に対し光軸に平行な方向に、永久磁石３０の磁界の向きと逆向きの可変磁界を印加する電磁石３２が配置されている。
【００３９】
電磁石３２はコの字状のヨーク３２ａとヨーク３２ａに巻き回されたコイル３２ｂとを有している。ヨーク３２ａ両端部には光を透過させるための光導入窓３２ｃが設けられている。第１及び第２の偏光子１０、１２間にファラデー回転子２０を挟んだ光学素子はヨーク３２ａ両端部の間に位置している。ヨーク３２ａ一端部の光導入窓３２ｃから入射した光は、光学素子の光軸を通ってヨーク３２ａ他端部の光導入窓３２ｃから射出するようになっている。コイル３２ｂに通電することによりヨーク３２ａ及びヨーク３２ａ両端部間の光学素子に閉磁路が形成されて、予め光軸に平行に飽和磁界が印加されているファラデー回転子２０に同時に所望の逆向きの磁界を印加できるようになっている。
【００４０】
本実施の形態による可変光アッテネータ１のファラデー回転子２０は、例えばＬＰＥ（液相エピタキシャル）法により育成されたガーネット単結晶膜を研磨して形成されている。当該ガーネット単結晶膜は膜面に垂直な垂直磁区構造を有しており、ファラデー回転子２０は、飽和磁界より小さい磁界を印加した場合は磁区構造を有するため回折損失が生じる。
【００４１】
図７に示す可変光アッテネータ１において、例えば、永久磁石３０により、ファラデー回転子２０の光入出射面に垂直に光ビームの進行方向と同方向の磁界が印加され、電磁石３２には電流が流れていない状態では、ファラデー回転子２０の光入出射面に垂直に印加される磁界成分の大きさは、永久磁石３０から遠ざかるに従って単調に減少している。このときファラデー回転子２０の光透過領域は例えば磁区Ａ領域に完全に包含されている。飽和のファラデー回転角は＋θｆｓであり、これに対応させて第１の偏光子１０と第２の偏光子（検光子）１２との偏光軸の角度を調整しておくことにより、減衰なしで光ビームを射出することができる。
【００４２】
次に、電磁石３２に通電して、永久磁石３０の磁界の向きと逆向きの磁界を印加して光入出射面に垂直方向の磁界が０となる境界領域を光透過領域のほぼ中央に形成する。これにより、光透過領域には磁壁Ｉを挟んで磁区Ａの領域と磁区Ｂの領域とがほぼ半々に存在するようになり、両方の磁区が均等に含まれるためファラデー回転角θｆは０°となる。ファラデー回転角が＋θｆｓから０°に変化するのに伴い、第２の偏光子１２で吸収される光量が増加するため、所定のアッテネーションが実現される。
【００４３】
次に、電磁石３２にさらに大電流を流すことにより永久磁石３０の磁界の向きと逆向きの磁界をさらに印加して、光入出射面に垂直方向の磁界が０となる境界領域をさらに永久磁石３０側に移動させる。これにより、ファラデー回転子２０内部では磁壁Ｉが移動して磁区Ｂの領域の方が磁区Ａの領域より支配的になり、光透過領域は、磁区Ｂの領域内に完全に包含される。光透過領域が磁区Ｂ領域内にあるときのファラデー回転角は、−θｆｓとなる。ファラデー回転角が０°からさらに−θｆｓに変化するのに伴い、第２の偏光子１２で吸収される光量がさらに増加するため、優れたアッテネーションが実現される。
【００４４】
以上のように、本実施の形態による可変光アッテネータ１によれば、磁区Ａと磁区Ｂとの境界領域である磁壁Ｉの移動により、ファラデー回転角を＋θｆｓから−θｆｓの範囲で変化させて、光ビームの強度を制御することができる。θｆｓの大きさを約４５°に設定すると、ファラデー回転角は、＋４５°から−４５°におおよそ変化することになる。この場合、＋４５°の場合に減衰しないように両側の偏光子を配置すると、−４５°の場合は、回転角の変化量が９０°になるので消光状態になり、最大の減衰量が得られ、減衰量が大きく、印加電流に対して単調に減衰量が増加する理想的な可変光アッテネータを実現できる。
【００４５】
このように本実施の形態によれば、上述の特許文献１に開示されたような、磁気光学結晶の磁化を一様に回転させる磁界印加方式ではなく、光透過領域内の磁区構造を変化させる方式としたため、小型の電磁石でファラデー回転角を変化させることができ、小型の磁気光学光部品が実現できる。また、応答速度は、通常、電磁石のＬ（インダクタンス）により制限されており、電磁石が小型化できればＬを低減でき、応答速度の高速化が実現できる。
【００４６】
さらに、特許文献１に開示された磁界印加方式では、ファラデー回転角の変化は、＋θｆｓから０°未満までの変化しか得られないが、本実施の形態によれば、ファラデー回転角は＋θｆｓから−θｆｓの範囲で変化させることができ、２倍の変化量が得られる。したがって、使用される磁気光学結晶の厚さを半分にできるので製品の低価格化も実現できる。
【００４７】
次に、本実施の形態による磁気光学光部品の変形例について図８乃至図１１を用いて説明する。図８に示す可変光アッテネータ２は、ファラデー回転子２０に対し光軸に平行な方向に飽和磁界を印加する永久磁石（磁界印加機構）３０、３１がファラデー回転子２０の両側に配置された構造を有している。２つの永久磁石３０、３１は、例えばほぼ同一の磁力を有しており、互いの磁極は逆向きに配置されている。また、永久磁石３０より永久磁石３１の方が、ファラデー回転子２０の光透過領域の中央部から遠い位置に配置されている。
【００４８】
本実施の形態による可変光アッテネータ２のファラデー回転子２０も、例えばＬＰＥ法により育成され、膜面に垂直な垂直磁区構造を有するガーネット単結晶膜を研磨して形成されている。
【００４９】
図８に示す可変光アッテネータ２において、永久磁石３０、３１だけでファラデー回転子２０に磁界が印加されている状態では、ファラデー回転子２０には、永久磁石３０の磁界が支配的な領域に生じる磁区Ａの方が永久磁石３１の磁界が支配的な領域に生じる磁区Ｂより領域が広く、光透過領域は、磁区Ａの領域内に完全に包含される。飽和のファラデー回転角は＋θｆｓであり、ここで＋θｆｓを約＋９０°に設定する。これに対応させて第１の偏光子１０と第２の偏光子（検光子）１２との偏光軸の角度を９０°に調整しておくことにより、減衰なしで光ビームを射出することができる。
【００５０】
次に、電磁石３２に通電して、永久磁石３０の磁界の向きと逆向きで、永久磁石３１の磁界の向きと同方向の磁界を印加して光入出射面に垂直方向の磁界が０となる境界領域を光透過領域のほぼ中央に形成する。これにより、光透過領域には磁壁Ｉを介して磁区Ａの領域と磁区Ｂの領域とがほぼ半々に存在するようになる。磁区Ｂの磁化の方向は磁区Ａの磁化の向きと反対であり、磁区Ｂでの飽和のファラデー回転角は−θｆｓ（約−９０°）である。これにより磁区Ａを通過した光の波長と磁区Ｂを通過した光の位相は半波長ずれる。このため、コリメータ光学系の間に可変光アッテネータ２を配置すれば、出力用のシングルモード光ファイバ（不図示）端部に集光した２つの光は打ち消し合い直進しなくなる。光透過領域に磁区Ａの領域と磁区Ｂの領域とが半々に存在する場合には、出力用のシングルモード光ファイバ端部に集光した２つの光は全く結合しなくなり、最大の減衰量が得られる。
【００５１】
図８に示す可変光アッテネータ２において、ファラデー回転子２０の光透過領域のほぼ中央に磁壁Ｉを形成すると最大減衰量が得られることを図９及び図１０を用いて説明する。図９は、図８に示すｘ−ｙ−ｚ直交座標系において、＋ｙ方向から−ｙ方向にファラデー回転子２０及び第１及び第２の偏光子１０、１２を見た状態を示している。図１０は、図８に示すｘ−ｙ−ｚ直交座標系において、＋ｚ方向から−ｚ方向に光路を見た状態を示している。図１０（Ａ）はファラデー回転角θｆｓが９０°の場合、図１０（Ｂ）は、９０°からずれた場合の光の偏光状態を示している。ファラデー回転角は一般に波長、温度により変化するので、図１０（Ｂ）は、波長もしくは温度が、中心波長もしくは中心温度からずれた場合に対応している。
【００５２】
図９に示すように、第１の偏光子１０の偏光軸（光透過軸）はｙ軸に平行に設定され、第２の偏光子１２の偏光軸は第１の偏光子１０の偏光軸に直交するｘ軸に平行に設定されている。光ビームは＋ｚ方向に進行する。ヨーク３２ａ一端部の光導入窓３２ｃから入射した光は、図９及び図１０（Ａ）に示すように、第１の偏光子１０に入射して偏光方位がｙ軸に平行な直線偏光の光Ｐ１としてファラデー回転子２０の光透過領域に入射する。ファラデー回転子２０の光透過領域のほぼ中央には直線状の磁壁Ｉが形成され、その両側には磁区Ａ、Ｂが形成されている。光Ｐ１は、磁区Ａ、Ｂに半々が入射して、磁区Ａを透過する光は偏光方位がファラデー回転角＋θｆｓ（＝＋９０°）だけ回転してｘ軸に平行な直線偏光の光Ｐ２となり、磁区Ｂを透過する光は偏光方位がファラデー回転角−θｆｓ（＝−９０°）だけ回転してｘ軸に平行な直線偏光の光Ｐ３となる。このため光Ｐ２と光Ｐ３とは、図９及び図１０（Ａ）に示すように、振幅と偏光方位は一致してその位相が１８０°ずれてファラデー回転子２０を射出する。従って、光Ｐ２、Ｐ３は共に第２の偏光子１２を透過し、出力用のシングルモード光ファイバ（不図示）端部に集光して打ち消し合う。
【００５３】
図１０（Ｂ）は、ファラデー回転角θｆｓが９０°でない場合を示している。
この場合には、ファラデー回転子２０の光透過領域に入射した光Ｐ１は、磁区Ａ、Ｂに半々が入射して、磁区Ａを透過する光は偏光方位が例えばファラデー回転角＋θｆｓ（≠＋９０°）だけ回転した直線偏光の光Ｐ２となり、磁区Ｂを透過する光は偏光方位がファラデー回転角−θｆｓ（≠−９０°）だけ回転した直線偏光の光Ｐ３となる。そして、光Ｐ２及び光Ｐ３のうちｙ方向成分が第２の偏光子１２で遮断され、ｘ方向成分だけが第２の偏光子１２を透過する。第２の偏光子１２を透過した光Ｐ２及び光Ｐ３は振幅は同じだが位相が１８０°ずれているため出力用のシングルモード光ファイバ（不図示）端部に集光して打ち消し合う。
【００５４】
このように図８に示した構成の可変光アッテネータ２は、ファラデー回転角の変化を利用した従来の可変光アッテネータとは異なり、ファラデー回転角の変化を利用せず光の回折効果を利用している点に特徴を有している。回折を利用した従来の可変光アッテネータとしては、特許文献３又は特許文献４に開示された偏光子を用いない構成が知られている。図８に示す可変光アッテネータ２のように偏光子を用いる構成にすることにより、従来の可変光アッテネータに比して波長依存性及び温度依存性の非常に小さい優れた特性を得ることができるようになる。
【００５５】
図１１は、図８に示した可変光アッテネータ２と、偏光子を配置しない従来の可変光アッテネータの波長依存性を示す測定結果である。横軸は入射光の波長（ｎｍ）を表し、縦軸は減衰量（ｄＢ）を表している。図中の曲線αは図８に示した可変光アッテネータ２の特性を示し、曲線βは従来の可変光アッテネータの特性を示している。一般にファラデー回転子で得られるファラデー回転角は、光の波長及び回転子の温度に依存して変化する。そして、ファラデー回転角の変化によりファラデー回転子の光学特性も変化する。従って、ファラデー回転角の変化を利用する従来の可変光アッテネータは実用上、波長依存性及び温度依存性が無視できない。
【００５６】
これに対し、図８に示す可変光アッテネータ２は、第１及び第２の偏光子１０、１２の偏光軸の相対角度を９０°に配置して２つの磁区Ａ、Ｂを透過した光の波長の位相差を利用し、ファラデー回転角の角度変化を利用しない動作原理を有しているため、波長依存性及び温度依存性を極めて小さくできる。
【００５７】
図１１に示すように、曲線αで示す可変光アッテネータ２では、１５００〜１６００ｎｍという広い波長範囲において減衰量がほぼ同じなのに対し、曲線βで示す偏光子を配置しない従来の可変光アッテネータの場合は、非常に大きな波長依存性を示している。
【００５８】
次に、本実施の形態による磁気光学光部品の他の変形例について図１２を用いて説明する。図１２に示す可変光アッテネータ３は、図７及び図８に示す可変光アッテネータ１、２に対して、１枚の偏光子１４と反射ミラー４０とでファラデー回転子２０を挟んだ構成になっている点に特徴を有している。すなわち、偏光子１４、ファラデー回転子（磁気光学結晶）２０、及び反射ミラー４０がこの順に並んで配置された光学素子を有している。反射ミラー４０は、例えばガラス基板面にアルミニウム等の金属薄膜を反射膜として蒸着して形成されている。また、反射ミラー４０に代えて、ファラデー回転子２０の偏光子１４側と反対側の面に金属薄膜等を反射膜として蒸着してももちろんよい。偏光子１４としては複屈折くさび板を用いることができる。さらに当該光学素子と、入力用のシングルモード光ファイバ５０端部及び出力用のシングルモード光ファイバ５２端部との間にレンズ４２が配置されている。
【００５９】
また、ファラデー回転子２０の両側には、ファラデー回転子２０に対し光軸に平行な方向に飽和磁界を印加する永久磁石（磁界印加機構）３０、３１が配置されている。２つの永久磁石３０、３１は、例えばほぼ同一の磁力を有しており、互いの磁極は逆向きに配置されている。また、永久磁石３０より永久磁石３１の方が、ファラデー回転子２０の光透過領域の中央部から遠い位置に配置されている。さらに、ファラデー回転子２０に対し光軸に平行な方向に、永久磁石３０による磁界の向きと逆向きで永久磁石３１による磁界の向きと同方向の可変磁界を印加する電磁石３２が反射ミラー４０に対してファラデー回転子２０の反対側に配置されている。本例の電磁石３２は、図７及び図８に示す電磁石３２と異なり、コア３２ａを有さない空芯コイル構造の電磁石である。
【００６０】
本実施の形態による可変光アッテネータ３のファラデー回転子２０も、例えばＬＰＥ法により育成されたガーネット単結晶膜を研磨して形成されている。当該ガーネット単結晶膜は膜面に垂直な垂直磁区構造を有しており、ファラデー回転子２０は、飽和磁界より小さい磁界を印加した場合は磁区構造を有するため回折損失が生じる。
【００６１】
図１２に示す可変光アッテネータ３において、永久磁石３０、３１だけでファラデー回転子２０に磁界が印加されている状態では、ファラデー回転子２０には、永久磁石３０の磁界が支配的な領域に生じる磁区Ａの方が永久磁石３１の磁界が支配的な領域に生じる磁区Ｂより領域が広く、光透過領域は、磁区Ａの領域内に完全に包含される。飽和のファラデー回転角は＋θｆｓであり、ここでθｆｓを約４５°に設定する。入力用光ファイバ５０から出射した光は、レンズ４２により平行ビームに変換され、複屈折くさび板１４、ファラデー回転子２０を通過した後、反射ミラー４０で反射し、再度、ファラデー回転子２０、複屈折くさび板１４を通過し、レンズ４２により出力用光ファイバ５２に集光する。ファラデー回転子を２回通過するため、ファラデー回転角は、４５°の２倍の９０°となる。複屈折くさび板を常光で通過した光の反射光は異常光として再度複屈折くさび板を通過し、逆に、複屈折くさび板を異常光で通過した光の反射光は常光として再度複屈折くさび板を通過し、このような光が全て出力用光ファイバ５２に入射するように光軸を調整することにより、減衰なしで光ビームを入力側光ファイバ５０から出力側光ファイバ５２へ射出することができる。
【００６２】
次に、電磁石３２に通電して、永久磁石３０の磁界の向きと逆向きで、永久磁石３１の磁界の向きと同方向の磁界を印加して光入出射面に垂直方向の磁界が０となる境界領域を光透過領域のほぼ中央に形成する。これにより、光透過領域には磁壁Ｉを介して磁区Ａの領域と磁区Ｂの領域とがほぼ半々に存在する。磁区Ｂの磁化の方向は、磁区Ａの磁化の向きと反対である。従って、磁区Ａを２回通過した光に対するファラデー回転角は＋９０°になり、磁区Ｂを２回通過した光に対するファラデー回転角は−９０°になる。これにより磁区Ａを２回通過した光の波長と磁区Ｂを２回通過した光の位相とは半波長ずれるため、出力用光ファイバ５２端部に集光した２つの光は打ち消し合う。光透過領域に磁区Ａの領域と磁区Ｂの領域とが半々に存在する場合には、出力用光ファイバ５２端部に集光した２つの光は全く結合しなくなり、最大の減衰量が得られる。
【００６３】
このように図１２に示した構成の可変光アッテネータ３も、図８に示した可変光アッテネータ２と同様に、ファラデー回転角の変化を利用せず光の回折効果を利用している点に特徴を有している。図１２に示す可変光アッテネータ３は偏光子を用いているため、従来の可変光アッテネータに比して波長依存性及び温度依存性の非常に小さい優れた特性を得ることができる。
【００６４】
以上説明したように本実施の形態によれば、ヒステリシスのない繰り返し再現性に優れた磁区構造を実現して直線状の磁壁を安定して移動させるので、従来に比して低消費電力で駆動できる磁気光学光部品を実現できる。偏光軸相対角度を９０°とした場合には、さらに波長依存性や温度依存性を抑えた磁気光学光部品を実現できる。
【００６５】
なお、上記実施の形態に利用できる磁気光学結晶としては、光の入出射面に対して垂直な方向に磁化容易軸を有することが必要である。上記実施の形態では、外部磁界については光入出射面に垂直方向の成分のみについて議論したが、このような垂直磁化性を有する磁気光学結晶においては、垂直方向の成分の磁界が、磁区構造をほぼ決定するためである。面内方向の磁界成分も存在しているが、磁区構造には大きく影響しない。
【００６６】
本発明は、上記実施の形態に限らず種々の変形が可能である。
例えば、上記実施の形態では、磁気光学結晶に対し、光入出射面に垂直な方向の磁界成分を印加する磁界印加機構として、１又は２個の永久磁石を用いているが、本発明はこれに限られない。例えば、永久磁石に代えて電磁石を磁界印加機構に用いてももちろんよい。
【００６７】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、光の透過領域における磁区構造を変化させることにより、小型、高速で、低価格な磁気光学光部品を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態による磁気光学光部品としての可変光アッテネータの動作原理を説明する図（その１）である。
【図２】本発明の一実施の形態による磁気光学光部品としての可変光アッテネータの動作原理を説明する図（その２）である。
【図３】本発明の一実施の形態による磁気光学光部品としての可変光アッテネータの動作原理を説明する図（その３）である。
【図４】本発明の一実施の形態によるファラデー回転子２０に生じる磁区Ａ、Ｂ間の磁壁Ｉの状態を示す図である。
【図５】磁界勾配が小さい場合に生じる磁区Ａ、Ｂ間の磁壁Ｉの状態を示す図である。
【図６】図１（Ａ）乃至図３（Ａ）に示した磁気光学光部品において、右側の永久磁石Ｍ２を省いて左側の永久磁石Ｍ１だけを用いた構成を示す図である。
【図７】本発明の一実施の形態による磁気光学光部品としての可変光アッテネータの概略構造を示す図である。
【図８】本発明の一実施の形態による他の磁気光学光部品としての可変光アッテネータの概略構造を示す図である。
【図９】図８に示すｘ−ｙ−ｚ直交座標系において、＋ｙ方向から−ｙ方向にファラデー回転子２０及び第１及び第２の偏光子１０、１２を見た状態を示す図である。
【図１０】図８に示すｘ−ｙ−ｚ直交座標系において、＋ｚ方向から−ｚ方向に光路を見た状態を示す図である。
【図１１】図８に示した可変光アッテネータ３及び偏光子を配置しない従来の可変光アッテネータの波長依存性の測定結果を示す図である。
【図１２】本発明の一実施の形態によるさらに他の磁気光学光部品としての可変光アッテネータの概略構造を示す図である。
【図１３】従来の磁気光学光部品としての可変光アッテネータの概略構造及び動作原理を説明する図である。
【符号の説明】
１、２、３ 可変光アッテネータ
１０、１２、１４ 偏光子
２０ ファラデー回転子
３０、３１ 永久磁石
３２ 電磁石
４０ 反射ミラー
４２ レンズ
５０ 入力用のシングルモード光ファイバ
５２ 出力用のシングルモード光ファイバ
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信システムに用いられる可変光アッテネータや光変調器、あるいは光スイッチなどの磁気光学光部品に関する。
【０００２】
【従来の技術】
可変光アッテネータとして、印加した磁界の強度によりファラデー回転角を変化させて光の減衰量を制御するいわゆる磁気光学型可変光アッテネータが知られている。磁気光学型可変光アッテネータは、機械的な可動部がないため信頼性が高く、また小型化し易いという利点を有している。磁気光学型可変光アッテネータは、磁気光学結晶と、磁気光学結晶に磁界を印加する電磁石とを有している。
電磁石に流す電流量を変化させて磁気光学結晶に印加する磁界の強度を制御することにより、磁気光学結晶の磁化の強さを変化させてファラデー回転角を制御できるようになっている。
【０００３】
磁気光学結晶に印加する磁界を制御する方法は、例えば特許文献１に開示されている。図１３を用いて当該磁界制御方法について説明する。図１３（Ａ）は可変光アッテネータを示しており、当該可変光アッテネータはファラデー回転子（磁気光学結晶）１１３と偏光子１１２とを備えている。また、当該可変光アッテネータは、ファラデー回転子１１３に対して互いに直交する方向に磁界を印加する永久磁石１１４及び電磁石１１５と、電磁石１５に駆動電流を与える可変電流源１１６とを有している。
【０００４】
永久磁石１１４によりファラデー回転子１１３に印加される磁界の方向はファラデー回転子１１３における光ビーム１１７の透過方向と平行であり、電磁石１１５によりファラデー回転子１１３に印加される磁界の方向はファラデー回転子１１３における永久磁石１１４による磁界印加方向及び光ビーム１１７の透過方向に垂直である。
【０００５】
図１３（Ｂ）において、矢印１０２、１０５はファラデー回転子１１３内の磁化方向とその大きさを表すベクトルであり、矢印１０１、１０４、１０３は外部から印加される印加磁界の方向と大きさを表すベクトルである。図中Ｚ方向はファラデー回転子１１３中の光の伝播方向であり、Ｘ方向はＺ方向に直交している。ファラデー回転子１１３は、外部永久磁石１１４による垂直磁界１０１により飽和磁化１０２の状態となる。次に電磁石１１５による水平磁界１０３を印加すると外部磁界は合成磁界１０４となり、ファラデー回転子１１３は磁化１０５の状態になる。この磁化１０５の大きさは飽和磁化１０２の大きさと同じであり従ってファラデー回転子１１３は飽和磁化の状態にある。
【０００６】
このように、永久磁石１１４によりファラデー回転子１１３に垂直磁界を予め印加してファラデー回転子１１３を飽和磁化の状態にしておいて、さらにファラデー回転子１１３の面内方向に配置した電磁石１１５で水平磁界を印加する。そして、２つの磁界の合成磁界１０４によりファラデー回転子１１３の磁化の方向を磁化１０２から磁化１０５まで角度θだけ回転させてＺ方向の磁化成分１０６の大きさを制御している。この磁化成分１０６の大きさに依存してファラデー回転角は変化する。この方法の場合は、ファラデー回転子１１３は常に飽和磁化領域で使用されるためヒステリシスが生じることがなく、再現性よくファラデー回転角を変化させることができるという特徴を有する。
【０００７】
【特許文献１】
特許第２８１５５０９号明細書
【特許文献２】
特開平７−１０４２２５号公報
【特許文献３】
米国特許第５４７７３７６号明細書
【特許文献４】
米国特許第６１９８５６７号明細書
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１に開示された磁界印加方法では、永久磁石１１４による垂直方向の磁界を印加した状態で磁化を一様に回転させるために、電磁石１１５により印加する面内方向磁界を強くする必要があり、電磁石１１５が大型、もしくは大電流を流す必要があり、小型化、低消費電力化が困難という問題を有している。
【０００９】
本発明の目的は、小型、低消費電力で、かつ高速な可変光アッテネータ、光変調器、光スイッチなどの磁気光学光部品を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、少なくとも１個の磁気光学結晶と、前記磁気光学結晶に対し、光入出射面に垂直な方向の磁界成分を印加する磁界印加機構と、前記磁気光学結晶に印加される前記磁界成分が０となる位置を可変とする少なくとも１個の電磁石とを有することを特徴とする磁気光学光部品によって達成される。
【００１１】
上記本発明の磁気光学光部品であって、前記磁界印加機構は、少なくとも１個の永久磁石を有することを特徴とする。また、前記磁界成分の大きさは、前記光入出射面内の所定方向で単調に変化することを特徴とする。
【００１２】
上記本発明の磁気光学光部品であって、前記磁気光学結晶は、前記光入出射面に垂直な方向の磁化により構成される磁区Ａと、磁区Ａの磁化方向とは逆向きの方向の磁化により構成される磁区Ｂとを含むことを特徴とする。
【００１３】
上記本発明の磁気光学光部品であって、前記電磁石で発生させる磁界を変化させて、前記磁気光学結晶の光透過領域に、前記磁区Ａのみが存在する状態と、前記磁区Ａと前記磁区Ｂの双方が含まれる状態とを形成して、光透過光量を連続的に変化させることを特徴とする。
【００１４】
上記本発明の磁気光学光部品であって、さらに前記磁区Ｂのみが存在する状態を形成することを特徴とする。また、前記磁区Ａと前記磁区Ｂとの境界は、ほぼ直線状であることを特徴とする。
【００１５】
上記本発明の磁気光学光部品であって、前記磁気光学結晶の飽和のファラデー回転角は約４５°であり、前記磁気光学結晶の片側に配置された偏光子と、前記磁気光学結晶の反対側に配置された検光子とを有することを特徴とする。
【００１６】
また、上記本発明の磁気光学光部品であって、前記磁気光学結晶の飽和のファラデー回転角は約９０°であり、前記磁気光学結晶の片側に配置された偏光子と、前記磁気光学結晶の反対側に配置された検光子とを有することを特徴とする。
【００１７】
上記本発明の磁気光学光部品であって、前記磁気光学結晶の飽和のファラデー回転角は約４５°であり、前記磁気光学結晶の片側に配置された偏光子と、前記磁気光学結晶の反対側に配置された反射膜とを有することを特徴とする。
【００１８】
上記本発明の磁気光学光部品であって、前記電磁石に印加する電流を変化させて減衰量を可変に制御する可変光アッテネータであることを特徴とする。
【００１９】
上記本発明の磁気光学光部品であって、前記電磁石に印加する電流を変調させることにより、透過光量を変調させる光変調器であることを特徴とする。また、上記本発明の磁気光学光部品であって、光スイッチであることを特徴とする。
【００２０】
本発明によれば、磁化を一様に回転させるのではなく、光の透過領域における磁区構造を変化させているので、小型の電磁石を用いることができ、又は、電磁石に流す電流を低電流にできる可変光アッテネータ等の磁気光学光部品を実現できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施の形態による磁気光学光部品について図１乃至図１２を用いて説明する。まず、本実施の形態による磁気光学光部品の動作原理について図１乃至図３を用いて説明する。図１乃至図３は、ファラデー回転子（磁気光学結晶）２０にそれぞれ条件を変えて磁界を印加している状態を示している。図１（Ａ）、図２（Ａ）、及び図３（Ａ）はファラデー回転子２０を光入出射面に垂直な方向に見た状態を示している。ファラデー回転子２０のほぼ中央の丸で囲んだ領域は光透過領域Ｃである。例えば紙面手前から紙面後方に向かって進む直線偏光の光は、ファラデー回転子２０の光透過領域Ｃに入射して、偏光方位を所定角度回転させられて紙面後方に射出する。ファラデー回転子２０の両側には磁界印加機構として永久磁石Ｍ１、Ｍ２が配置されている。２つの永久磁石Ｍ１、Ｍ２は、例えばほぼ同一の磁力を有しており、互いの磁極は逆向き（着磁の方向が正反対）に配置されている。例えば永久磁石Ｍ１内部の磁束は紙面後方から手前に向いており、永久磁石Ｍ２内部の磁束は紙面手前から後方に向いている。また、永久磁石Ｍ１より永久磁石Ｍ２の方が、ファラデー回転子２０の光透過領域Ｃの中央部から遠い位置に配置されている。
【００２２】
図１（Ｂ）、図２（Ｂ）、及び図３（Ｂ）は、図１（Ａ）、図２（Ａ）、及び図３（Ａ）のそれぞれに示したＸ−Ｘ線で切断したファラデー回転子２０の断面での磁区構造を模式的に示している。Ｘ−Ｘ線は光透過領域Ｃの中央を横切っている。図１（Ｂ）、図２（Ｂ）、及び図３（Ｂ）において、永久磁石Ｍ１内部の磁束は図中下向きに示し、永久磁石Ｍ２内部の磁束は図中上向きに示している。
【００２３】
図１（Ｃ）、図２（Ｃ）、及び図３（Ｃ）は、光軸に平行な方向（ファラデー回転子２０の光入出射面に垂直な方向）に印加される磁界の向きと強さを矢印の向きと長さで模式的に表している。図示において、横方向はファラデー回転子２０の断面の横方向の位置に対応し、縦方向は光軸に平行な方向を表している。
【００２４】
さて、図１（Ａ）、図１（Ｂ）、及び図１（Ｃ）は、永久磁石Ｍ１、Ｍ２だけでファラデー回転子２０に磁界が印加されている状態を示している。図１（Ｃ）に示すように、ファラデー回転子２０の永久磁石Ｍ１に近い左側部分では磁界は図中上向きに（つまり、図１（Ａ）において紙面後方に向かって）印加され、一方、永久磁石Ｍ２に近い右側では磁界は図中下向きに（つまり、図１（Ａ）において紙面手前に向かって）印加される。ファラデー回転子２０に印加される磁界成分の大きさは、光入出射面内の所定方向で単調に変化している。図１（Ｂ）のファラデー回転子２０内の矢印で示すように、ファラデー回転子２０内の磁化の向きは、永久磁石Ｍ１と永久磁石Ｍ２によりファラデー回転子２０に印加される磁界の向きと同じになる。永久磁石Ｍ１、Ｍ２はほぼ等しい磁界強度を有しているが、互いに磁極が逆向きであってファラデー回転子２０からの距離は永久磁石Ｍ１の方が近いため、ファラデー回転子２０内部では図１（Ｃ）に示すように上向きの磁界、つまり光の進行方向と同方向の磁界が支配的になる。従って、図１（Ｂ）に示すように、ファラデー回転子２０には、上向き（光の進行方向と同方向）の磁化を有する磁区Ａの領域の方が下向き（光の進行方向と逆方向）の磁化を有する磁区Ｂの領域より支配的になる。これにより図１（Ｃ）に示すように光入出射面に垂直方向の磁界が０となる位置Ｏにおいて、図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に示すように磁区Ａと磁区Ｂとの境界（以下、磁壁Ｉという）が形成されて、光透過領域Ｃは、磁区Ａの領域内に完全に包含される。ここで、光透過領域Ｃが磁区Ａ領域内にあるときのファラデー回転角を＋θｆｓ（飽和のファラデー回転角）とする。
【００２５】
ここでは、永久磁石Ｍ１を永久磁石Ｍ２よりファラデー回転子２０に近づけることにより光透過領域Ｃを磁区Ａの領域内に入るようにしているが、例えば、永久磁石Ｍ１の磁力を永久磁石Ｍ２のそれより強くして、ファラデー回転子２０に対して両者がほぼ等距離になるように配置して光透過領域Ｃを磁区Ａの領域内に入れるようにしてもよい。あるいは、永久磁石Ｍ２を用いずに永久磁石Ｍ１だけを用いて光透過領域Ｃを磁区Ａの領域内に入れるようにしてもよい。
【００２６】
次に、図２（Ａ）、図２（Ｂ）、及び図２（Ｃ）では、不図示の電磁石に通電して、永久磁石Ｍ１、Ｍ２の磁界に加えて光の進行方向と逆方向の磁界をさらに印加して、光入出射面に垂直方向の磁界が０となる位置Ｏを図の左方向に移動させてファラデー回転子２０のほぼ中央に位置させる。これにより図２（Ｃ）に示すように、ファラデー回転子２０内部は左半分に図中上向き（光の進行方向と同方向）の磁界が印加され、右半分に下向き（光の進行方向と逆方向）の磁界が印加される状態となる。従って、図２（Ｂ）に示すように、磁壁Ｉも図の左方向に移動し、ファラデー回転子２０には、上向き（光の進行方向と同方向）の磁化を有する磁区Ａの領域と下向き（光の進行方向と逆方向）の磁化を有する磁区Ｂの領域とが中央を境界として左右半々に形成される。これにより図２（Ｂ）に示すように、光透過領域Ｃには、磁区Ａの領域と磁区Ｂの領域とがほぼ半々に存在するようになり、両方の磁区が均等に含まれるためファラデー回転角θｆは０°となる。
【００２７】
次に、図３（Ａ）、図３（Ｂ）、及び図３（Ｃ）では、不図示の電磁石にさらに大電流を流すことにより光の進行方向と逆方向の磁界をさらに印加して、図３（Ｃ）に示すように、光入出射面に垂直方向の磁界が０となる位置Ｏをさらに図の左方向に移動させる。これにより図３（Ｃ）に示すように、ファラデー回転子２０内部では図中下向き（光の進行方向と逆方向）の磁界が支配的になる。従って、図３（Ｂ）に示すように、ファラデー回転子２０には、下向き（光の進行方向と逆方向）の磁化を有する磁区Ｂの領域の方が上向き（光の進行方向と同方向）の磁化を有する磁区Ａの領域より支配的になる。これにより図３（Ｃ）に示すように、光透過領域Ｃは、磁区Ｂの領域内に完全に包含される。光透過領域Ｃが磁区Ｂ領域内にあるときのファラデー回転角は、−θｆｓとなる。
【００２８】
図４は、上記動作原理を用いる際にファラデー回転子２０に生じさせる磁区Ａ、Ｂ間の磁壁Ｉの状態を示している。図４は磁壁Ｉの近傍一部（円内）を示しており、図示のとおり磁壁Ｉは直線状に形成されている。図４に示す写真では、磁壁Ｉの左右の磁区Ａ、Ｂ内で厚さ方向に一部磁化が反転した領域が現れている。
このような領域があっても再現性の劣化要因とならなければその存在は許容される。このように、上記動作原理を用いる際には、磁壁Ｉが直線状になるようにファラデー回転子２０に印加する磁界強度が制御される。このような直線状の磁壁の構造を得るためには、十分な大きさの勾配を有する磁界を印加する必要がある。図５は、この磁界勾配が小さい場合の磁壁Ｉの近傍一部（円内）を示しており、図示のとおり磁壁Ｉは非直線状に形成されている。
【００２９】
磁壁Ｉが直線状でない場合は、図５左から右に示すように、例えばファラデー回転子２０に印加する磁界（Ｈ１＜Ｈ２＜Ｈ３）をＨ１、Ｈ２、Ｈ３、Ｈ２、Ｈ１のように徐々に変化させると、別の磁界から元の磁界に戻しても元の磁区構造に戻らず再現性が得られない。例えば、図５の左端と右端の図示は、同じ磁界Ｈ１の印加状態を示しているが両者の磁区構造は異なっており、従って磁壁Ｉの形状は非直線で且つ両者の形状が異なっている。同様に、図中央の磁界Ｈ３の印加前後の図左右に示す同一磁界Ｈ２の印加状態においても磁区構造の再現性がなく磁壁Ｉの形状は非直線で且つ両者の形状が異なっている。このため、上記図１乃至図３に示した動作原理において、図５に示すような形状の磁壁Ｉを用いると光学特性の再現性が低下してしまい実用上問題となる。
【００３０】
一方、図４に示すように、磁区Ａ、Ｂの境界の磁壁Ｉをほぼ直線状に維持させている場合は、印加磁界を変化させて磁壁Ｉを移動させても、同一磁界における磁壁Ｉの形状は殆ど変化せず良好な再現性が得られる。
【００３１】
磁壁Ｉをほぼ直線状に維持するには、図１（Ｃ）、図２（Ｃ）、及び図３（Ｃ）に示した光入出射面に対する垂直方向磁界が０となる位置Ｏ近傍での磁界強度の勾配が十分大きければよい。また、位置Ｏが光入射面内で直線状になるように一様な垂直方向磁界を印加することにより、磁壁Ｉを再現性良く安定して移動させることができる。これにより、従来から問題とされている磁区構造のヒステリシスが生じない、繰り返し再現性に優れた磁気光学光部品を実現できる。例えば、特許文献２では磁気ヒステリシスを解消する方法として永久磁石を配置する技術が開示されている。しかしながら、光透過領域Ｃにおける磁区構造の制御に関する開示はない。特許文献２の構成では大きなヒステリシスは解消できても、電磁石に流す電流を変化させた場合の再現性を十分確保することは困難である。
【００３２】
磁壁Ｉをほぼ直線状に維持するために必要な磁界の大きさについては、垂直磁気異方性、飽和磁化の大きさ、交換エネルギー等の磁気光学結晶の特性に依存する。少なくとも、磁気光学結晶の両端において、飽和磁界以上の大きさで向きの異なる磁界を印加する必要がある。実験的には、例えば、磁界の勾配を徐々に大きくして、磁壁Ｉがほぼ直線状になる条件を見出すことができる。
【００３３】
図６（Ａ）、図６（Ｂ）、及び図６（Ｃ）は、図１（Ａ）乃至図３（Ａ）に示した磁気光学光部品において、磁界印加機構として、図の右側の永久磁石Ｍ２を省いて左側の永久磁石Ｍ１だけを用いた構成を示している。図６（Ａ）に示すように、不図示の電磁石による磁界の印加がない場合には、ファラデー回転子２０の図右端付近は永久磁石Ｍ１から遠ざかっているため印加磁界は小さく磁界の勾配も小さい。このような状態では磁壁Ｉは直線状にならない。また、光入出射面に垂直な成分の磁界が０となる位置Ｏは存在しなくなる。
【００３４】
電磁石により、ほぼ一様な逆向きの磁界を印加すると、入出射面に垂直な成分の磁界が０となる位置Ｏが存在するようになる。また、位置Ｏでの磁界の勾配も大きくなり、条件を選ぶことにより図６（Ｂ）及び図６（Ｃ）に示すように磁壁Ｉを直線状にすることができる。磁壁Ｉを印加磁界Ｈ１で光透過領域Ｃの右側に生じさせることにより、図６（Ｂ）に示すように光透過領域Ｃ内を磁区Ａだけにすることができる。また、印加磁界Ｈ１より大きな所定磁界Ｈ２を印加して磁壁Ｉを光透過領域Ｃの左側に生じさせることにより、図６（Ｃ）に示すように光透過領域Ｃ内を磁区Ｂだけにすることができる。このような直線状の磁壁Ｉは再現性よく移動させることができるので、印加磁界をＨ１からＨ２まで変化させることにより、光透過領域Ｃ内に含まれる磁区Ａと磁区Ｂの領域を任意に変化させることができるようになる。
【００３５】
図６（Ｂ）及び図６（Ｃ）に示すように、直線状の磁壁Ｉが存在するように光透過領域Ｃの位置を設定することにより、図６（Ａ）に示すように仮に電磁石の磁界が０のときに磁壁Ｉが直線状でなくても実用上問題ないことが分かる。直線状ではない磁壁Ｉは図５に示すように再現性が悪いが、再現性が悪くなる領域が光透過領域Ｃに含まれないようにすれば十分な特性を得ることができる。
【００３６】
以上のように、本実施の形態の動作原理によれば、磁区Ａと磁区Ｂとの境界領域である磁壁Ｉの移動により、ファラデー回転角を＋θｆｓから−θｆｓの範囲で変化させることができる。例えばファラデー回転子２０の前後に偏光子を配置することにより、光アッテネータなどの磁気光学光部品を実現できる。
【００３７】
次に、上記動作原理を用いた本実施の形態による磁気光学光部品の概略の構成について図７を用いて説明する。図７は、本実施の形態による磁気光学光部品としての可変光アッテネータの概略構成を示している。可変光アッテネータ１は、第１の偏光子１０、ファラデー回転子（磁気光学結晶）２０、及び第２の偏光子１２がこの順に並んで配置された光学素子を有している。第１及び第２の偏光子１０、１２としては、例えば、偏光ガラス、くさび複屈折偏光子、複屈折板等を用いることができる。
【００３８】
また、ファラデー回転子２０に対し光軸に平行な方向に飽和磁界を印加する永久磁石（磁界印加機構）３０が配置されている。さらに、ファラデー回転子２０に対し光軸に平行な方向に、永久磁石３０の磁界の向きと逆向きの可変磁界を印加する電磁石３２が配置されている。
【００３９】
電磁石３２はコの字状のヨーク３２ａとヨーク３２ａに巻き回されたコイル３２ｂとを有している。ヨーク３２ａ両端部には光を透過させるための光導入窓３２ｃが設けられている。第１及び第２の偏光子１０、１２間にファラデー回転子２０を挟んだ光学素子はヨーク３２ａ両端部の間に位置している。ヨーク３２ａ一端部の光導入窓３２ｃから入射した光は、光学素子の光軸を通ってヨーク３２ａ他端部の光導入窓３２ｃから射出するようになっている。コイル３２ｂに通電することによりヨーク３２ａ及びヨーク３２ａ両端部間の光学素子に閉磁路が形成されて、予め光軸に平行に飽和磁界が印加されているファラデー回転子２０に同時に所望の逆向きの磁界を印加できるようになっている。
【００４０】
本実施の形態による可変光アッテネータ１のファラデー回転子２０は、例えばＬＰＥ（液相エピタキシャル）法により育成されたガーネット単結晶膜を研磨して形成されている。当該ガーネット単結晶膜は膜面に垂直な垂直磁区構造を有しており、ファラデー回転子２０は、飽和磁界より小さい磁界を印加した場合は磁区構造を有するため回折損失が生じる。
【００４１】
図７に示す可変光アッテネータ１において、例えば、永久磁石３０により、ファラデー回転子２０の光入出射面に垂直に光ビームの進行方向と同方向の磁界が印加され、電磁石３２には電流が流れていない状態では、ファラデー回転子２０の光入出射面に垂直に印加される磁界成分の大きさは、永久磁石３０から遠ざかるに従って単調に減少している。このときファラデー回転子２０の光透過領域は例えば磁区Ａ領域に完全に包含されている。飽和のファラデー回転角は＋θｆｓであり、これに対応させて第１の偏光子１０と第２の偏光子（検光子）１２との偏光軸の角度を調整しておくことにより、減衰なしで光ビームを射出することができる。
【００４２】
次に、電磁石３２に通電して、永久磁石３０の磁界の向きと逆向きの磁界を印加して光入出射面に垂直方向の磁界が０となる境界領域を光透過領域のほぼ中央に形成する。これにより、光透過領域には磁壁Ｉを挟んで磁区Ａの領域と磁区Ｂの領域とがほぼ半々に存在するようになり、両方の磁区が均等に含まれるためファラデー回転角θｆは０°となる。ファラデー回転角が＋θｆｓから０°に変化するのに伴い、第２の偏光子１２で吸収される光量が増加するため、所定のアッテネーションが実現される。
【００４３】
次に、電磁石３２にさらに大電流を流すことにより永久磁石３０の磁界の向きと逆向きの磁界をさらに印加して、光入出射面に垂直方向の磁界が０となる境界領域をさらに永久磁石３０側に移動させる。これにより、ファラデー回転子２０内部では磁壁Ｉが移動して磁区Ｂの領域の方が磁区Ａの領域より支配的になり、光透過領域は、磁区Ｂの領域内に完全に包含される。光透過領域が磁区Ｂ領域内にあるときのファラデー回転角は、−θｆｓとなる。ファラデー回転角が０°からさらに−θｆｓに変化するのに伴い、第２の偏光子１２で吸収される光量がさらに増加するため、優れたアッテネーションが実現される。
【００４４】
以上のように、本実施の形態による可変光アッテネータ１によれば、磁区Ａと磁区Ｂとの境界領域である磁壁Ｉの移動により、ファラデー回転角を＋θｆｓから−θｆｓの範囲で変化させて、光ビームの強度を制御することができる。θｆｓの大きさを約４５°に設定すると、ファラデー回転角は、＋４５°から−４５°におおよそ変化することになる。この場合、＋４５°の場合に減衰しないように両側の偏光子を配置すると、−４５°の場合は、回転角の変化量が９０°になるので消光状態になり、最大の減衰量が得られ、減衰量が大きく、印加電流に対して単調に減衰量が増加する理想的な可変光アッテネータを実現できる。
【００４５】
このように本実施の形態によれば、上述の特許文献１に開示されたような、磁気光学結晶の磁化を一様に回転させる磁界印加方式ではなく、光透過領域内の磁区構造を変化させる方式としたため、小型の電磁石でファラデー回転角を変化させることができ、小型の磁気光学光部品が実現できる。また、応答速度は、通常、電磁石のＬ（インダクタンス）により制限されており、電磁石が小型化できればＬを低減でき、応答速度の高速化が実現できる。
【００４６】
さらに、特許文献１に開示された磁界印加方式では、ファラデー回転角の変化は、＋θｆｓから０°未満までの変化しか得られないが、本実施の形態によれば、ファラデー回転角は＋θｆｓから−θｆｓの範囲で変化させることができ、２倍の変化量が得られる。したがって、使用される磁気光学結晶の厚さを半分にできるので製品の低価格化も実現できる。
【００４７】
次に、本実施の形態による磁気光学光部品の変形例について図８乃至図１１を用いて説明する。図８に示す可変光アッテネータ２は、ファラデー回転子２０に対し光軸に平行な方向に飽和磁界を印加する永久磁石（磁界印加機構）３０、３１がファラデー回転子２０の両側に配置された構造を有している。２つの永久磁石３０、３１は、例えばほぼ同一の磁力を有しており、互いの磁極は逆向きに配置されている。また、永久磁石３０より永久磁石３１の方が、ファラデー回転子２０の光透過領域の中央部から遠い位置に配置されている。
【００４８】
本実施の形態による可変光アッテネータ２のファラデー回転子２０も、例えばＬＰＥ法により育成され、膜面に垂直な垂直磁区構造を有するガーネット単結晶膜を研磨して形成されている。
【００４９】
図８に示す可変光アッテネータ２において、永久磁石３０、３１だけでファラデー回転子２０に磁界が印加されている状態では、ファラデー回転子２０には、永久磁石３０の磁界が支配的な領域に生じる磁区Ａの方が永久磁石３１の磁界が支配的な領域に生じる磁区Ｂより領域が広く、光透過領域は、磁区Ａの領域内に完全に包含される。飽和のファラデー回転角は＋θｆｓであり、ここで＋θｆｓを約＋９０°に設定する。これに対応させて第１の偏光子１０と第２の偏光子（検光子）１２との偏光軸の角度を９０°に調整しておくことにより、減衰なしで光ビームを射出することができる。
【００５０】
次に、電磁石３２に通電して、永久磁石３０の磁界の向きと逆向きで、永久磁石３１の磁界の向きと同方向の磁界を印加して光入出射面に垂直方向の磁界が０となる境界領域を光透過領域のほぼ中央に形成する。これにより、光透過領域には磁壁Ｉを介して磁区Ａの領域と磁区Ｂの領域とがほぼ半々に存在するようになる。磁区Ｂの磁化の方向は磁区Ａの磁化の向きと反対であり、磁区Ｂでの飽和のファラデー回転角は−θｆｓ（約−９０°）である。これにより磁区Ａを通過した光の波長と磁区Ｂを通過した光の位相は半波長ずれる。このため、コリメータ光学系の間に可変光アッテネータ２を配置すれば、出力用のシングルモード光ファイバ（不図示）端部に集光した２つの光は打ち消し合い直進しなくなる。光透過領域に磁区Ａの領域と磁区Ｂの領域とが半々に存在する場合には、出力用のシングルモード光ファイバ端部に集光した２つの光は全く結合しなくなり、最大の減衰量が得られる。
【００５１】
図８に示す可変光アッテネータ２において、ファラデー回転子２０の光透過領域のほぼ中央に磁壁Ｉを形成すると最大減衰量が得られることを図９及び図１０を用いて説明する。図９は、図８に示すｘ−ｙ−ｚ直交座標系において、＋ｙ方向から−ｙ方向にファラデー回転子２０及び第１及び第２の偏光子１０、１２を見た状態を示している。図１０は、図８に示すｘ−ｙ−ｚ直交座標系において、＋ｚ方向から−ｚ方向に光路を見た状態を示している。図１０（Ａ）はファラデー回転角θｆｓが９０°の場合、図１０（Ｂ）は、９０°からずれた場合の光の偏光状態を示している。ファラデー回転角は一般に波長、温度により変化するので、図１０（Ｂ）は、波長もしくは温度が、中心波長もしくは中心温度からずれた場合に対応している。
【００５２】
図９に示すように、第１の偏光子１０の偏光軸（光透過軸）はｙ軸に平行に設定され、第２の偏光子１２の偏光軸は第１の偏光子１０の偏光軸に直交するｘ軸に平行に設定されている。光ビームは＋ｚ方向に進行する。ヨーク３２ａ一端部の光導入窓３２ｃから入射した光は、図９及び図１０（Ａ）に示すように、第１の偏光子１０に入射して偏光方位がｙ軸に平行な直線偏光の光Ｐ１としてファラデー回転子２０の光透過領域に入射する。ファラデー回転子２０の光透過領域のほぼ中央には直線状の磁壁Ｉが形成され、その両側には磁区Ａ、Ｂが形成されている。光Ｐ１は、磁区Ａ、Ｂに半々が入射して、磁区Ａを透過する光は偏光方位がファラデー回転角＋θｆｓ（＝＋９０°）だけ回転してｘ軸に平行な直線偏光の光Ｐ２となり、磁区Ｂを透過する光は偏光方位がファラデー回転角−θｆｓ（＝−９０°）だけ回転してｘ軸に平行な直線偏光の光Ｐ３となる。このため光Ｐ２と光Ｐ３とは、図９及び図１０（Ａ）に示すように、振幅と偏光方位は一致してその位相が１８０°ずれてファラデー回転子２０を射出する。従って、光Ｐ２、Ｐ３は共に第２の偏光子１２を透過し、出力用のシングルモード光ファイバ（不図示）端部に集光して打ち消し合う。
【００５３】
図１０（Ｂ）は、ファラデー回転角θｆｓが９０°でない場合を示している。
この場合には、ファラデー回転子２０の光透過領域に入射した光Ｐ１は、磁区Ａ、Ｂに半々が入射して、磁区Ａを透過する光は偏光方位が例えばファラデー回転角＋θｆｓ（≠＋９０°）だけ回転した直線偏光の光Ｐ２となり、磁区Ｂを透過する光は偏光方位がファラデー回転角−θｆｓ（≠−９０°）だけ回転した直線偏光の光Ｐ３となる。そして、光Ｐ２及び光Ｐ３のうちｙ方向成分が第２の偏光子１２で遮断され、ｘ方向成分だけが第２の偏光子１２を透過する。第２の偏光子１２を透過した光Ｐ２及び光Ｐ３は振幅は同じだが位相が１８０°ずれているため出力用のシングルモード光ファイバ（不図示）端部に集光して打ち消し合う。
【００５４】
このように図８に示した構成の可変光アッテネータ２は、ファラデー回転角の変化を利用した従来の可変光アッテネータとは異なり、ファラデー回転角の変化を利用せず光の回折効果を利用している点に特徴を有している。回折を利用した従来の可変光アッテネータとしては、特許文献３又は特許文献４に開示された偏光子を用いない構成が知られている。図８に示す可変光アッテネータ２のように偏光子を用いる構成にすることにより、従来の可変光アッテネータに比して波長依存性及び温度依存性の非常に小さい優れた特性を得ることができるようになる。
【００５５】
図１１は、図８に示した可変光アッテネータ２と、偏光子を配置しない従来の可変光アッテネータの波長依存性を示す測定結果である。横軸は入射光の波長（ｎｍ）を表し、縦軸は減衰量（ｄＢ）を表している。図中の曲線αは図８に示した可変光アッテネータ２の特性を示し、曲線βは従来の可変光アッテネータの特性を示している。一般にファラデー回転子で得られるファラデー回転角は、光の波長及び回転子の温度に依存して変化する。そして、ファラデー回転角の変化によりファラデー回転子の光学特性も変化する。従って、ファラデー回転角の変化を利用する従来の可変光アッテネータは実用上、波長依存性及び温度依存性が無視できない。
【００５６】
これに対し、図８に示す可変光アッテネータ２は、第１及び第２の偏光子１０、１２の偏光軸の相対角度を９０°に配置して２つの磁区Ａ、Ｂを透過した光の波長の位相差を利用し、ファラデー回転角の角度変化を利用しない動作原理を有しているため、波長依存性及び温度依存性を極めて小さくできる。
【００５７】
図１１に示すように、曲線αで示す可変光アッテネータ２では、１５００〜１６００ｎｍという広い波長範囲において減衰量がほぼ同じなのに対し、曲線βで示す偏光子を配置しない従来の可変光アッテネータの場合は、非常に大きな波長依存性を示している。
【００５８】
次に、本実施の形態による磁気光学光部品の他の変形例について図１２を用いて説明する。図１２に示す可変光アッテネータ３は、図７及び図８に示す可変光アッテネータ１、２に対して、１枚の偏光子１４と反射ミラー４０とでファラデー回転子２０を挟んだ構成になっている点に特徴を有している。すなわち、偏光子１４、ファラデー回転子（磁気光学結晶）２０、及び反射ミラー４０がこの順に並んで配置された光学素子を有している。反射ミラー４０は、例えばガラス基板面にアルミニウム等の金属薄膜を反射膜として蒸着して形成されている。また、反射ミラー４０に代えて、ファラデー回転子２０の偏光子１４側と反対側の面に金属薄膜等を反射膜として蒸着してももちろんよい。偏光子１４としては複屈折くさび板を用いることができる。さらに当該光学素子と、入力用のシングルモード光ファイバ５０端部及び出力用のシングルモード光ファイバ５２端部との間にレンズ４２が配置されている。
【００５９】
また、ファラデー回転子２０の両側には、ファラデー回転子２０に対し光軸に平行な方向に飽和磁界を印加する永久磁石（磁界印加機構）３０、３１が配置されている。２つの永久磁石３０、３１は、例えばほぼ同一の磁力を有しており、互いの磁極は逆向きに配置されている。また、永久磁石３０より永久磁石３１の方が、ファラデー回転子２０の光透過領域の中央部から遠い位置に配置されている。さらに、ファラデー回転子２０に対し光軸に平行な方向に、永久磁石３０による磁界の向きと逆向きで永久磁石３１による磁界の向きと同方向の可変磁界を印加する電磁石３２が反射ミラー４０に対してファラデー回転子２０の反対側に配置されている。本例の電磁石３２は、図７及び図８に示す電磁石３２と異なり、コア３２ａを有さない空芯コイル構造の電磁石である。
【００６０】
本実施の形態による可変光アッテネータ３のファラデー回転子２０も、例えばＬＰＥ法により育成されたガーネット単結晶膜を研磨して形成されている。当該ガーネット単結晶膜は膜面に垂直な垂直磁区構造を有しており、ファラデー回転子２０は、飽和磁界より小さい磁界を印加した場合は磁区構造を有するため回折損失が生じる。
【００６１】
図１２に示す可変光アッテネータ３において、永久磁石３０、３１だけでファラデー回転子２０に磁界が印加されている状態では、ファラデー回転子２０には、永久磁石３０の磁界が支配的な領域に生じる磁区Ａの方が永久磁石３１の磁界が支配的な領域に生じる磁区Ｂより領域が広く、光透過領域は、磁区Ａの領域内に完全に包含される。飽和のファラデー回転角は＋θｆｓであり、ここでθｆｓを約４５°に設定する。入力用光ファイバ５０から出射した光は、レンズ４２により平行ビームに変換され、複屈折くさび板１４、ファラデー回転子２０を通過した後、反射ミラー４０で反射し、再度、ファラデー回転子２０、複屈折くさび板１４を通過し、レンズ４２により出力用光ファイバ５２に集光する。ファラデー回転子を２回通過するため、ファラデー回転角は、４５°の２倍の９０°となる。複屈折くさび板を常光で通過した光の反射光は異常光として再度複屈折くさび板を通過し、逆に、複屈折くさび板を異常光で通過した光の反射光は常光として再度複屈折くさび板を通過し、このような光が全て出力用光ファイバ５２に入射するように光軸を調整することにより、減衰なしで光ビームを入力側光ファイバ５０から出力側光ファイバ５２へ射出することができる。
【００６２】
次に、電磁石３２に通電して、永久磁石３０の磁界の向きと逆向きで、永久磁石３１の磁界の向きと同方向の磁界を印加して光入出射面に垂直方向の磁界が０となる境界領域を光透過領域のほぼ中央に形成する。これにより、光透過領域には磁壁Ｉを介して磁区Ａの領域と磁区Ｂの領域とがほぼ半々に存在する。磁区Ｂの磁化の方向は、磁区Ａの磁化の向きと反対である。従って、磁区Ａを２回通過した光に対するファラデー回転角は＋９０°になり、磁区Ｂを２回通過した光に対するファラデー回転角は−９０°になる。これにより磁区Ａを２回通過した光の波長と磁区Ｂを２回通過した光の位相とは半波長ずれるため、出力用光ファイバ５２端部に集光した２つの光は打ち消し合う。光透過領域に磁区Ａの領域と磁区Ｂの領域とが半々に存在する場合には、出力用光ファイバ５２端部に集光した２つの光は全く結合しなくなり、最大の減衰量が得られる。
【００６３】
このように図１２に示した構成の可変光アッテネータ３も、図８に示した可変光アッテネータ２と同様に、ファラデー回転角の変化を利用せず光の回折効果を利用している点に特徴を有している。図１２に示す可変光アッテネータ３は偏光子を用いているため、従来の可変光アッテネータに比して波長依存性及び温度依存性の非常に小さい優れた特性を得ることができる。
【００６４】
以上説明したように本実施の形態によれば、ヒステリシスのない繰り返し再現性に優れた磁区構造を実現して直線状の磁壁を安定して移動させるので、従来に比して低消費電力で駆動できる磁気光学光部品を実現できる。偏光軸相対角度を９０°とした場合には、さらに波長依存性や温度依存性を抑えた磁気光学光部品を実現できる。
【００６５】
なお、上記実施の形態に利用できる磁気光学結晶としては、光の入出射面に対して垂直な方向に磁化容易軸を有することが必要である。上記実施の形態では、外部磁界については光入出射面に垂直方向の成分のみについて議論したが、このような垂直磁化性を有する磁気光学結晶においては、垂直方向の成分の磁界が、磁区構造をほぼ決定するためである。面内方向の磁界成分も存在しているが、磁区構造には大きく影響しない。
【００６６】
本発明は、上記実施の形態に限らず種々の変形が可能である。
例えば、上記実施の形態では、磁気光学結晶に対し、光入出射面に垂直な方向の磁界成分を印加する磁界印加機構として、１又は２個の永久磁石を用いているが、本発明はこれに限られない。例えば、永久磁石に代えて電磁石を磁界印加機構に用いてももちろんよい。
【００６７】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、光の透過領域における磁区構造を変化させることにより、小型、高速で、低価格な磁気光学光部品を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態による磁気光学光部品としての可変光アッテネータの動作原理を説明する図（その１）である。
【図２】本発明の一実施の形態による磁気光学光部品としての可変光アッテネータの動作原理を説明する図（その２）である。
【図３】本発明の一実施の形態による磁気光学光部品としての可変光アッテネータの動作原理を説明する図（その３）である。
【図４】本発明の一実施の形態によるファラデー回転子２０に生じる磁区Ａ、Ｂ間の磁壁Ｉの状態を示す図である。
【図５】磁界勾配が小さい場合に生じる磁区Ａ、Ｂ間の磁壁Ｉの状態を示す図である。
【図６】図１（Ａ）乃至図３（Ａ）に示した磁気光学光部品において、右側の永久磁石Ｍ２を省いて左側の永久磁石Ｍ１だけを用いた構成を示す図である。
【図７】本発明の一実施の形態による磁気光学光部品としての可変光アッテネータの概略構造を示す図である。
【図８】本発明の一実施の形態による他の磁気光学光部品としての可変光アッテネータの概略構造を示す図である。
【図９】図８に示すｘ−ｙ−ｚ直交座標系において、＋ｙ方向から−ｙ方向にファラデー回転子２０及び第１及び第２の偏光子１０、１２を見た状態を示す図である。
【図１０】図８に示すｘ−ｙ−ｚ直交座標系において、＋ｚ方向から−ｚ方向に光路を見た状態を示す図である。
【図１１】図８に示した可変光アッテネータ３及び偏光子を配置しない従来の可変光アッテネータの波長依存性の測定結果を示す図である。
【図１２】本発明の一実施の形態によるさらに他の磁気光学光部品としての可変光アッテネータの概略構造を示す図である。
【図１３】従来の磁気光学光部品としての可変光アッテネータの概略構造及び動作原理を説明する図である。
【符号の説明】
１、２、３ 可変光アッテネータ
１０、１２、１４ 偏光子
２０ ファラデー回転子
３０、３１ 永久磁石
３２ 電磁石
４０ 反射ミラー
４２ レンズ
５０ 入力用のシングルモード光ファイバ
５２ 出力用のシングルモード光ファイバ
Claims (13)
- 少なくとも１個の磁気光学結晶と、
前記磁気光学結晶に対し、光入出射面に垂直な方向の磁界成分を印加する磁界印加機構と、
前記磁気光学結晶に印加される前記磁界成分が０となる位置を可変とする少なくとも１個の電磁石と
を有することを特徴とする磁気光学光部品。 - 請求項１記載の磁気光学光部品であって、
前記磁界印加機構は、少なくとも１個の永久磁石を有すること
を特徴とする磁気光学光部品。 - 請求項１又は２に記載の磁気光学光部品であって、
前記磁界成分の大きさは、前記光入出射面内の所定方向で単調に変化すること
を特徴とする磁気光学光部品。 - 請求項３記載の磁気光学光部品であって、
前記磁気光学結晶は、前記光入出射面に垂直な方向の磁化により構成される磁区Ａと、磁区Ａの磁化方向とは逆向きの方向の磁化により構成される磁区Ｂとを含むこと
を特徴とする磁気光学光部品。 - 請求項４記載の磁気光学光部品であって、
前記電磁石で発生させる磁界を変化させて、前記磁気光学結晶の光透過領域に、前記磁区Ａのみが存在する状態と、前記磁区Ａと前記磁区Ｂの双方が含まれる状態とを形成して、光透過光量を連続的に変化させること
を特徴とする磁気光学光部品。 - 請求項５記載の磁気光学光部品であって、
さらに前記磁区Ｂのみが存在する状態を形成すること
を特徴とする磁気光学光部品。 - 請求項５又は６に記載の磁気光学光部品であって、
前記光透過領域に前記磁区Ａと前記磁区Ｂの双方が含まれる状態で、前記磁区Ａと前記磁区Ｂとの境界は、ほぼ直線状であること
を特徴とする磁気光学光部品。 - 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の磁気光学光部品であって、
前記磁気光学結晶の飽和のファラデー回転角は約４５°であり、
前記磁気光学結晶の片側に配置された偏光子と、
前記磁気光学結晶の反対側に配置された検光子と
を有することを特徴とする磁気光学光部品。 - 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の磁気光学光部品であって、
前記磁気光学結晶の飽和のファラデー回転角は約９０°であり、
前記磁気光学結晶の片側に配置された偏光子と、
前記磁気光学結晶の反対側に配置された検光子と
を有することを特徴とする磁気光学光部品。 - 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の磁気光学光部品であって、
前記磁気光学結晶の飽和のファラデー回転角は約４５°であり、
前記磁気光学結晶の片側に配置された偏光子と、
前記磁気光学結晶の反対側に配置された反射膜と
を有することを特徴とする磁気光学光部品。 - 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の磁気光学光部品であって、
前記電磁石に印加する電流を変化させて減衰量を可変に制御する可変光アッテネータであることを特徴とする磁気光学光部品。 - 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の磁気光学光部品であって、
前記電磁石に印加する電流を変調させることにより、透過光量を変調させる光変調器であることを特徴とする磁気光学光部品。 - 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の磁気光学光部品であって、
光スイッチであることを特徴とする磁気光学光部品。
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