JP2004302412A

JP2004302412A - 磁気光学デバイス

Info

Publication number: JP2004302412A
Application number: JP2003346134A
Authority: JP
Inventors: Takashi Takagi; 隆高木; Mikio Shimokata; 幹生下方
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2003-03-14
Filing date: 2003-10-03
Publication date: 2004-10-28

Abstract

【課題】ファラデー回転子にかかる磁場強度が高く、かつ磁場が均一にかかり、より小型化が可能な光アイソレータを提供することにある。
【解決手段】光軸を構成するファラデー回転子と、永久磁石からなる第１の磁石及び第２の磁石とで構成されており、前記第１の磁石の磁化方向は、光軸に対して垂直であって、光軸に向かう方向に磁化が発生するように構成されており、
前記第２の磁石の磁化方向は、光軸に対して垂直であって、光軸から離れる方向
に磁化が発生するように構成されており、前記第１の磁石及び前記第２の磁石に、光軸に対して垂直な面の中心位置であって、かつ光軸と平行な方向に貫通孔がそれぞれ設けられており、前記第１の磁石の貫通孔にファラデー回転子の一端面部分が挿入されており、前記第２の磁石の貫通孔にファラデー回転子の他端面部分がそれぞれ挿入されており、前記第１の磁石と前記第２の磁石のそれぞれ貫通孔の内側面に軟磁性体物が設けられていることを特徴とする、磁気光学デバイス。
【選択図】図１

Description

本発明は、光通信システム等に用いられる磁気光学デバイスであり、特に光源から出射された光が光学素子の端面で反射し、光源に戻ることを防ぐのに好適な光アイソレータ、光アッテネータ、光サーキュレータ等に好適な磁気光学デバイスに関するものである。

近年、情報通信量の増大に伴って従来の金属通信線を用いた通信手段では速度不足及び容量不足になってきており、高速及び大容量の情報通信技術として光通信技術が注目されている。現在の主流の光通信技術として、赤外線領域（波長が１３００〜１６００ｎｍ）における石英ファイバーの極低損失伝送特性を利用しており、高密度波長多重技術（ＤＷＤＭ）との組み合わせによる高速大容量通信技術が盛んに研究開発されている。

このような背景から光通信技術をハードウェアの面からサポートする光部品の特性の向上及び低コスト化が重要になってきている。その中で、光と磁気との相互作用に基づいた磁気光学デバイスも重要になってきている。磁気光学デバイスの中でも、例えば、光アイソレータは一方向に光を通し反対方向には光を通さない磁気光学デバイスであり、Ｂｌｕ−ｒａｙ等の次世代情報記録方式の市場において、その機能が再び注目されるようになってきている。以下に、光アイソレータの原理について具体的に説明する。

この光アイソレータは少なくともファラデー回転子からなり、光の入射方向に対してファラデー回転子の前後に偏光子及び検光子が配置されるものがある。この光アイソレータは、ファラデー回転子に磁界を加えて磁界が発生した状態で、光アイソレータに光を入射した時に、ファラデー回転子の中でその偏光面が回転するという性質（ファラデー効果）を利用している。より具体的に説明すると、一方向から入射した光のうち偏光子と同じ偏光面をもつ光は、ファラデー回転子の中で光の進行方向に対して４５°回転して出射する。これに対して入射方向と逆方向から入射する戻り光は、検光子によってこれと同じ偏光面をもつ戻り光のみが通過する。そして検光子を通過した戻り光はファラデー回転子の中で、最初の入射方向に対してさらに偏光面が４５°回転するので、偏光子と直角の偏光面となり、光は偏光子を通過することはない。

このようなファラデー効果を利用した光アイソレータにおいて、ファラデー回転子を形成する磁性材料の特性として、ヴェルデ定数（Ｖ：（ｄｅｇ/(Ｏｅ・ｃｍ)）が大きいことが求められている。ヴェルデ定数とは単位長さ単位印加磁界あたりのファラデー回転角を意味し、偏光した光の角度を示すファラデー回転角（θ_f）、ファラデー回転子を通る光の移動距離（ｄ）、及びファラデー回転子にかかる磁界強度（ｄ）から、θ_f＝ＶＨｄの関係で表される。このことから、ファラデー回転角（θ_f）を所望の一定角度にするには、磁界が強く、実効的なヴェルデ定数（Ｖ）が大きい方がよい。このようなファラデー回転子であればそのサイズを小さくすることができ、磁気光学デバイスの小型化が図れるため好ましいことがわかる。

このようなファラデー回転子を形成した光アイソレータとして、特許文献１にはファラデー回転子の両端面部にそれぞれ４個、すなわち計８個の永久磁石が環状に設けられており、光軸と磁石の磁化方向とが垂直に交差する光アイソレータが開示されている。また、特許文献２にはファラデー回転子全体を内包する円筒永久磁石を用いた光アイソレータが開示されている。
特開平９−６８６７５号公報（特許請求の範囲、第２図）特開２００１−２０９００６号公報（特許請求の範囲、第１図及び第２図）

しかしながら、特許文献１の光アイソレータは、光軸と磁石の磁化方向とが垂直に交差するため、ＴＡＧ単結晶のファラデー回転子にかかる磁界の強さが不均一になるという問題が生じた。このため、各磁石から発生する磁束が大気中に拡散してしまい、光軸方向に発生する磁界が弱くなるという問題が生じていた。また、特許文献２の光アイソレータは、円柱状のファラデー回転子全体を内包するように円筒状永久磁石が形成されている。しかし、この光アイソレータを用いてシュミレーションを行ったところ、ファラデー回転子の光軸の向きに発生する磁界の強さが弱くなることが判明した。これらの従来技術のように、磁界の強さが小さくなる場合、ファラデー回転子の大きさを長くするか、磁石を大きくして強い磁界を発生させなければならない。このため、従来技術のような磁気光学デバイスは、磁気光学デバイスとして大型化にならざるを得ないという問題が生じていた。

本発明の目的は、上述の問題点を解決するべくなされたもので、ファラデー回転子にかかる磁界強度が高く、かつ磁界が均一にかかり、より小型化が可能な磁気光学デバイスを提供することにある。

上記目的を達成するために、本願第１の発明の磁気光学デバイスは、光軸を構成するファラデー回転子と、永久磁石からなる第１の磁石及び第２の磁石とで構成されており、前記第１の磁石の磁化方向は、光軸に対して垂直であって、光軸に向かう方向に磁化が発生するように構成されており、前記第２の磁石の磁化方向は、光軸に対して垂直であって、光軸から離れる方向に磁化が発生するように構成されており、前記第１の磁石及び前記第２の磁石に、光軸に対して垂直な面の中心位置であって、かつ光軸と平行な方向に貫通孔がそれぞれ設けられており、前記第１の磁石の貫通孔にファラデー回転子の一端面部分が挿入されており、前記第２の磁石の貫通孔にファラデー回転子の他端面部分がそれぞれ挿入されており、前記第１の磁石及び前記第２の磁石のそれぞれ貫通孔の内側面に軟磁性体物が設けられていることを特徴とする。

また、本願第２の発明の磁気光学デバイスは、前記第１の磁石、及び前記第２の磁石が、複数の磁石から構成され、前記複数の磁石が互いに隣接して位置決めされており、前記第１の磁石および前記第２の磁石のうち光軸に対して垂直な面の中央に貫通孔を有することが好ましい。

また、本願第３の発明の磁気光学デバイスは、光軸を構成するファラデー回転子と、第１の磁石及び第２の磁石のそれぞれが複数個の永久磁石から構成されており、前記第１の磁石の磁化方向は、光軸に対して垂直であって、光軸に向かう方向に磁化が発生するように構成されており、前記第２の磁石の磁化方向は、光軸に対して垂直であって、光軸から離れる方向に磁化が発生するように構成されており、前記第１の磁石及び前記第２の磁石のうち、それぞれ複数個の磁石によって、前記ファラデー回転子の両端面部分が挟み込まれて固定され、前記第１の磁石と前記第２の磁石とが、互いに軟磁性体物によって接合されていることを特徴とする。

また、本願第４の発明の磁気光学デバイスは、前記第１の磁石の外側面と、前記第２の磁石の外側面とが、軟磁性体からなる外部ヨークで接続されていることが好ましい。

また、本願第５の発明の磁気光学デバイスは、前記ファラデー回転子が、Ｔｂを含有する常磁性体であることが好ましい。

本願第１の発明の磁気光学デバイスを用いることによって、ファラデー回転子の光軸方向に磁場を収束させることができ、ファラデー回転子に十分な磁場強度を与えることができる。かつファラデー回転子における磁場分布を均一にすることができる。これにより、ファラデー回転角（θ_f）を所望の回転角度となるように制御しやすくなり、ファラデー回転子の小型化を図ることができる。

また、本願第２の発明の磁気光学デバイスは、複数の永久磁石を隣接させて円柱状に近づけることによって、よりファラデー回転子に印加される磁場強度を強くすることができる。そして、第１の磁石及び第２の磁石を小型化することができるので、磁気光学デバイスとしても小型化が可能となる。

また、第１の磁石及び第２の磁石から、光軸から離れる方向に向かって生じていた磁界は大気中に拡散していたが、本願第３の発明を用いることによって、光軸から離れる方向に向かって生じていた磁界も、一定方向に連ねることが可能となる。このため、より小さい磁石であっても磁場強度を大きくすることができる。

また、本願第４の発明の磁気光学デバイスを用いることによって、より小さい永久磁石を用いたとしても十分な磁場強度を得ることが可能となるので、磁気光学デバイスとしても小型化することができる。

また、本願第５の発明の磁気光学デバイスを用い、特にＴＡＧ（Ｔｂ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂）単結晶をファラデー回転子として用いることによって、波長が４００〜６００ｎｍの可視光領域においても十分なファラデー効果を有する磁気光学デバイスを提供することができる。

以下、本発明の磁気光学デバイスの一実施形態について、光アイソレータを例として図１を用いて説明する。なお、ここでいう光軸Ｐとは、光の伝播路を説明するための一般的な意味で用いている。また、ここでいう入射とは、光源から照射された光が最初に光アイソレータに入ることを示し、出射とはその光が光アイソレータから出てくることを示す。また、図１におけるＭは磁化の方向を示す。

図１は、本発明の磁気光学デバイスの一例である、光アイソレータ１の概略断面図を示している。この光アイソレータ１は、ファラデー回転子２と、第１の磁石３ａと、第２の磁石３ｂと、軟磁性体物４と、外部ヨーク５と、から構成されている。

ここでファラデー回転子２は光の通過する光軸Ｐを構成しており、光軸がファラデー回転子２の中心を通るように配置されている。一方、第１の磁石３ａ及び第２の磁石３ｂは、光が入射される部分に光軸に平行に貫通孔６を設けられており、円筒状になっている。この円筒状の第１の磁石３ａ及び第２の磁石３ｂの内側面に、軟磁性体物４が設けられている。そして、ファラデー回転子２の両端面部分が第１の磁石３ａ及び第２の磁石３ｂの貫通孔６に挿入した状態で配置されている。さらに、第１の磁石３ａと第２の磁石３ｂの外側面とが、軟磁性体からなる外部ヨーク５によって接続されている。

ここで用いられるファラデー回転子２は、磁性ガーネット単結晶からなることが好ましい。特に磁性ガーネット単結晶の中でも、Ｔｂを含む常磁性ガーネット単結晶を用いることが好ましい。具体的には、Ｔｂ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂、Ｔｂ₃Ｇａ₅Ｏ₁₂等が用いることができる。中でもＴｂ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂、またはＴｂ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂のＴｂサイトをＤｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、及びＴｍ等の希土類元素で置換したものを用いた場合、ヴェルデ定数が大きく、４００〜６００ｎｍという可視光領域においても好適な光透過率を得ることができる。なお、ここでいうファラデー回転子２の端面とは、ファラデー回転子２の光軸に対して垂直な面であり、光が入射及び出射する面を示す。

ファラデー回転子の光軸方向の結晶方位が、＜１１０＞方位に対して０°〜１０°の角度をなす方位であることが好ましい。この場合、磁界は＜１１０＞方位に対して０°〜１０°の角度をなす方位に平行に磁界が印加されることになる。このとき、ファラデー回転子の実効的なヴェルデ定数が他の結晶方位に平行に磁界が印加される場合に比べて大きくなることを本発明者らは見出した。ここでいう実効的なヴェルデ定数とは、印加される磁界の強度（Ｈ）及びファラデー回転子の長さ（ｄ）とを一定にした時に測定したファラデー回転角（θ_f）を、Ｖ＝θ_f／Ｈｄの関係式に代入したときに得られた数値である。このように、実効的なヴェルデ定数がより大きいほど、ファラデー回転角（θ_f）として所望な角度が決まっている場合には、小さい磁場強度でも対応可能であったり、ファラデー回転子の長さを短くできる。これにより、光アイソレータの小型化が可能である。

また、ここで用いられる第１の磁石３ａ及び第２の磁石３ｂは永久磁石からなる。永久磁石としては、Ｎｄ₂Ｆｅ₁₄Ｂ、Ｓｍ(Ｃｏ−Ｆｅ−ＣｕＺｒ)₇、Ｓｍ(Ｃｏ−Ｆｅ−Ｃｕ)、Ｓｍ−Ｐｒ−Ｃｏ₅等の希土類永久磁石、酸化鉄系からなるフェライト系磁石が用いることが好ましい。

ここで用いられる第１の磁石３ａ、及び第２の磁石３ｂの磁化の向きを説明する。第１の磁石３ａの磁化の向きは光軸に対して垂直であって、光軸に向かう方向に磁化が発生するように構成されている。また、前記第２の磁石の磁化の向きは光軸に対して垂直であって、光軸から離れる方向に磁化が発生するように構成されている。すなわち、第１の磁石３ａと第２の磁石３ｂとが互いに逆方向に磁化するように構成されており、磁石そのものの磁化方向は、光軸に対して垂直である。一方、第１の磁石３ａ及び第２の磁石３ｂがファラデー回転子２に対して発生させる磁界は、ファラデー回転子２を通過する光軸に対して平行になるように構成されている。このような構成にすることによって、ファラデー回転子２に印加される磁界強度を大きくすることができる。

なお、ここで用いられる第１の磁石３ａ、及び第２の磁石３ｂは１つの永久磁石からなり、円筒状に構成されている場合、ファラデー回転子２に印加される磁化の強さが大きくなり好ましいが、これに限るものではない。例えば、角筒状のものを用いても良い。また、図３〜図８に示すように複数の永久磁石を用意し、それぞれ隣接させて角筒状に構成させたものを用いても良い。従来、内径が１５ｍｍ以下の円柱状の永久磁石は存在していない。しかし、このように複数の永久磁石を環状に隣接させて配置することによって、より円柱状に近づけることができるため、ファラデー回転子２に印加される磁界強度を大きくするだけでなく、第１の磁石３ａ及び第２の磁石３ｂを小さくすることができる。その結果、磁気光学デバイスとして小型化が可能である。特に、複数の永久磁石の中でも６個以上の永久磁石を用意し、それぞれ隣接・接合させて６角柱状の構成にさせたものが好ましい。このような構成にすることによって、円筒状のラディアル磁石と同程度の効果を得ることができ、特性とコストバランスの優れたものが得られる。

なお、第１の磁石及び第２の磁石における内側面とは、ファラデー回転子２と接する、もしくは囲む面である。また、第１の磁石及び第２の磁石における外側面とは、光軸に対して平行な面を示す。

また、第１の磁石３ａ及び第２の磁石３ｂの内側面に形成される軟磁性体物４及び外部ヨーク５としては、ファラデー回転子２よりも比透磁率の大きい軟磁性体材料が好ましい。より具体的には、ファラデー回転子２の比透磁率が１３である場合、軟磁性体物の比透磁率が１０００以上の軟磁性材料が好ましい。具体的には、Ｎｉ−Ｆｅ合金、Ｆｅ−Ｓｉ合金、Ｎｉ−Ｆｅ−Ｍｏ、Ｆｅ−Ｓｉ、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ、Ｆｅ単体、等が用いることができる。このような軟磁性体物４を、第１の磁石３ａ及び第２の磁石３ｂの貫通孔６の内側面に形成することによって、大気中に拡散する磁界を光軸方向に平行に収束することができる。このため、より強い磁化をファラデー回転子２に生じさせることができる。なお、軟磁性体物４は、ファラデー回転子２の少なくとも一部に接しており、さらに第１の磁石３ａ及び第２の磁石３ｂのうち内側面の大部分に形成されていればよい。

また、さらに第１の磁石３ａ及び第２の磁石３ｂの外側面にも軟磁性体からなる外部ヨーク５を設けてもよい。なお、外部ヨーク５は、第１の磁石３ａ及び第２の磁石３ｂを接続する際、第１の磁石３ａと第２の磁石３ｂが生じる磁界が外部へ拡散することを防ぐために構成されるため、必ずしも外周面全体を覆う必要はない。

ここで、例えば第１の磁石３ａ及び第２の磁石３ｂの外側面にのみ軟磁性体を設け、内側面に設けなかった場合、直接ファラデー回転子に印加される磁界を十分に収束できずないため、内側面に軟磁性体を設けた場合に比べて磁場強度が格段に低下する。

上記のような構成の光アイソレータ１に光が入射した場合の作用について説明する。まず、第１の磁石３ａの磁化方向は、光軸Ｐに対して垂直であって、光軸Ｐに向かう方向に磁化Ｍが発生し、前記第２の磁石３ｂの磁化方向は、光軸Ｐに対して垂直であって、光軸Ｐから離れる方向に磁化Ｍが発生するように配置されている。このため、光軸Ｐに対して垂直に磁界が発生する。このような第１の磁石３ａ及び第２の磁石３ｂの内側面に軟磁性体物４を設ける。これにより、第１の磁石３ａ及び第２の磁石３ｂの光軸Ｐに対して垂直に存在する端面のうち、ファラデー回転子２が挿入されていない端面の方へ拡散していた磁界が、ファラデー回転子２を通過する光軸Ｐと平行な向きに集まる。このため、磁束がファラデー回転子２に集中し、光軸方向に強力で均一な磁界を生じさせることになる。また、第１の磁石３ａ及び第２の磁石３ｂの外側面においても、軟磁性体からなる外部ヨーク５が形成されている。したがって、ファラデー回転子２から離れる方向に発生する磁界が、大気中へ拡散することを防ぎ、よりファラデー回転子２に印加される磁界を集めることができる。ここで、ファラデー回転子２に光軸Ｐに沿って光を照射すると、ファラデー回転子２の一端面を通過し、ファラデー回転子２内において、入射光を光軸Ｐに対して精度よく４５°に回転させ、ファラデー回転子２の他端面から出射する。また、入射方向とは逆方向から入射する戻り光についても、光軸に対して平行な強力で均一なの磁界が生じているため、ファラデー回転子２の他端面から入射し、ファラデー回転子２内を通過する際に、強力な磁界の影響で偏光面が精度よく、入射した光に対してさらに４５°回転されることになる。これにより、ファラデー回転子２を通過した戻り光はファラデー回転子２の一端面から出射されることはない。

ファラデー回転子２は第１の磁石３ａ及び第２の磁石３ｂの内部に形成された軟磁性体物４によって固定されていればよく、必ずしも第１の磁石３ａ及び第２の磁石３ｂとファラデー回転子２との間の隙間が軟磁性体物４によって充填される必要はない。

また、以下に別の実施形態を図５及び図６を用いて説明する。図５及び図６は、本願発明の磁気光学デバイスである光アイソレータ２１の別の実施の形態である。図５において、第１の磁石２３ａ及び第２の磁石２３ｂがそれぞれ２つの磁石（第１の磁石２３ａａ・２３ａｂ及び第２の磁石２３ｂａ・２３ｂｂ）から構成されている。第１の磁石２３ａａ及び磁石２３ａｂは、各両端面が矩型形状となるように構成し、第１の磁石２３ａａ及び２３ａｂの凹部が向かい合わせとなるように接合する。この際、第１の磁石２３ａａ及び２３ａｂの凹部にファラデー回転子２２の一端面部分を挟み込んでおり、第２の磁石２３ｂａ及び２３ｂｂの凹部にファラデー回転子２２の他端面部分を挟み込んでいる。第１の磁石２３ａａと第１の磁石２３ａｂとの間、及び第２の磁石２３ｂａと第２の磁石２３ｂｂとの間は、軟磁性体物２４によって接合されている。このとき、第１の磁石２３ａａ及び第１の磁石２３ａｂの磁化方向は、光軸に対して垂直であって、光軸に向かう方向に磁化が発生するように配置されている。また、第２の磁石２３ｂａ及び第２の磁石２３ｂｂの磁化方向は、光軸に対して垂直であって、光軸から離れる方向に磁化が発生するように配置されている。

また、図６では凹部とファラデー回転子２２との間は軟磁性体物２４によって接合されているが、ファラデー回転子２２が固定され、かつ磁石の内側面が被覆されているのであれば必ずしも充填する必要はない。また、第１の磁石２３ａ及び第２の磁石２３ｂの外側面において、第１の磁石２３ａ及び第２の磁石２３ｂとを接続し覆うような軟磁性体からなる外部ヨーク２５を設けてもよい。このような構造を有することで、より簡便な構造を有する光アイソレータ２１が形成される。

実験例１

（実施例１）
以下に、実施例１として、本発明の光アイソレータの一実施の形態を説明する。図１及び図２は本発明の光アイソレータ１の一実施形態を示す概略主面断面図、及びｘ１−ｘ１で切断した際の断面図である。まず、第１の磁石３ａ及び第２の磁石３ｂとして、残留磁束密度が１．３Ｔのネオジウム鉄ホウ素磁石を用意する。第１の磁石３ａ及び第２の磁石３ｂの長さを５．５ｍｍ、内径４．０ｍｍ、かつ外径１９．０ｍｍの円筒状に加工してある。そして、第１の磁石３ａは円筒状の外側面から内側面に向かって磁化Ｍが生じるように、光軸Ｐに近づく方向がＮ極となるように構成する。また、第２の磁石３ｂは円筒状の内側面から外側面に向かって磁化Ｍが生じるように、光軸Ｐから離れる方向がＮ極となるように構成する。

そして、それぞれの磁石の貫通孔６の内側面には、内径３．０ｍｍ、かつ外径４．０ｍｍの円筒状でＮｉとＦｅとからなる軟磁性体物４（比透磁率約３０００）を形成する。次に、長さ６ｍｍ、かつ断面の直径３．０ｍｍの円柱状のファラデー回転子２を用意し、第１の磁石３ａの貫通孔にファラデー回転子２の一端面部分が１ｍｍ挿入され、第２の磁石３ｂの貫通孔６に、ファラデー回転子２の他端面部分が１ｍｍ挿入されている。

また、内径１９．０ｍｍ、かつ外径２０．０ｍｍの円筒状で厚みが０．５ｍｍであるＮｉとＦｅとからなる軟磁性体（比透磁率３０００）の外部ヨーク５によって、第１の磁石３ａ及び第２の磁石３ｂの外周面が接合され覆われている。このように構成されている光アイソレータ１を実施例１とした。

（実施例２）
以下に、実施例２として、本発明の光アイソレータの一実施の形態を説明する。図３及び図４は本発明の光アイソレータ１１の一実施形態を示す概略主面断面図、及びｘ２−ｘ２で切断した際の断面図である。まず、第１の磁石１３ａ、第２の磁石１３ｂの構成磁石として、実施例１と同じネオジウム鉄ホウ素磁石であり三角形柱状の磁石をそれぞれ４個、合計８個用意する。ここで、第１の磁石１３ａ、第２の磁石１３ｂの各体積が、実施例１の第１の磁石及び第２の磁石の体積と同じにしてある。

第１の磁石及び第２の磁石は、それぞれ４個の永久磁石を接合させることによって、長さ５．５ｍｍ×１６．８ｍｍ×１６．８ｍｍの正四角柱状に構成する。第１の磁石１３ａは４個の各磁石が外側面から内側面に向かって磁化Ｍが生じるように、光軸Ｐに近づく方向がＮ極となるように構成する。また、第２の磁石１３ｂは４個の各磁石が内側面から外側面に向かって磁化Ｍが生じるように、光軸Ｐから離れる方向がＮ極となるように構成する。また、光軸Ｐが通過する部分にファラデー回転子１２と同心円状であり径４ｍｍの貫通孔１６を設けられている。そして、正四角柱状の第１の磁石１３ａ及び第２の磁石１３ｂの貫通孔１６の内側面には、内径３．０ｍｍ、かつ外径４．０ｍｍの円筒状でＮｉとＦｅとからなる軟磁性体物１４（比透磁率約３０００）を形成する。そして、前記第１の磁石１３ａの貫通孔１６に、ファラデー回転子１２の一端面部分が１ｍｍ挿入され、第２の磁石１３ｂの貫通孔１６に、ファラデー回転子１２の他端面部分が１ｍｍ挿入されている。また、厚みが０．５ｍｍのＮｉとＦｅとからなる軟磁性体（比透磁率３０００）の外部ヨーク１５により、第１の磁石１３ａ、第２の磁石１３ｂの外側面が覆われ接合されている。すなわち、第１の磁石１３ａ及び第２の磁石１３ｂの外周側面を、連続した外部ヨーク１５で巻きつけて一体化されている。このような構成の光アイソレータ１２を実施例２とした。

（実施例３）
また、実施例２において、外部ヨーク１５を設けないことを除いては、実施例２と同様の構成からなる光アイソレータを実施例３とした。

（実施例４）
以下に、実施例４として、本発明の光アイソレータの一実施の形態を説明する。図５及び図６は本発明の光アイソレータ２１の一実施形態を示す概略主面断面図、及びｘ３−ｘ３で切断した際の断面図である。まず、第１の磁石２３ａ、第２の磁石２３ｂの構成磁石として、実施例１と同じネオジウム鉄ホウ素磁石でありおおよそその外形が直方体である磁石をそれぞれ２個、合計４個用意する。

それぞれの磁石は図６に示されるように、光の入射方向に対して垂直な面が矩型形状となるように構成されており、それぞれを第１の磁石２３ａａ及び第１の磁石２３ａｂ、第２の磁石２３ｂａ及び第２の磁石２３ｂｂとした。光の入射方向から見た場合、第１の磁石２３ａａ、及び第１の磁石２３ａｂの矩型部分の凹部が向かい合わせとなるように形成されている。すなわち、第１の磁石の中央部に若干窪んでおり、貫通孔２６が設けられた場合と同じ状態になっている。第２の磁石２３ｂａ及び２３ｂｂについても同様に構成した。ここで、第１の磁石１３ａ、第２の磁石１３ｂの各体積が、実施例１の第１の磁石及び第２の磁石の体積と同じにしてある。

このとき、第１の磁石２３ａａ及び２３ａｂは、光軸に対して垂直であって、
光軸から離れる方向に磁化されており、また、第２の磁石２３ｂａ及び２３ｂｂは、光軸に対して垂直であって、光軸に向かう方向に磁化されている。上記のような構成をした第１の磁石２３ａａ及び２３ａｂにより、ファラデー回転子２２の一端面部分を挟み込み、第２の磁石２３ｂａ及び２３ｂｂによりファラデー回転子２２の他端面部分を挟み込み、隙間をＮｉとＦｅとからなる軟磁性体物２４（比透磁率３０００）によって充填してそれぞれの磁石を接合している。この状態が光の入射方向から見ると、図６のように見える。また、第１の磁石２３ａと第２の磁石２３ｂとの外側面を接続するために、第１の磁石２３ａおよび第２の磁石２３ｂの磁化の方向と垂直であって、光軸に対して平行な外側面に厚みが０．５ｍｍの外部ヨーク２５を形成した。なお、この外部ヨーク２５はＮｉとＦｅとからなる軟磁性体（比透磁率３０００）からなる。このような構成の光アイソレータ２１を実施例４とした。

（実施例５）
以下に、実施例５として、本発明の光アイソレータの一実施の形態を説明する。図７及び図８は本発明の光アイソレータ３１の一実施形態を示す概略主面断面図、及びｘ４−ｘ４で切断した際の断面図である。まず、第１の磁石３３ａ、第２の磁石３３ｂとして、ネオジウム鉄ホウ素磁石であり、三角形柱状の磁石をそれぞれ６個、合計１２個用意する。ここで、第１の磁石３３ａ、第２の磁石３３ｂの各体積が、実施例１の第１の磁石３ａ及び第２の磁石３ｂの体積と同じにしてある。

第１の磁石３３ａ及び第２の磁石３３ｂは、それぞれ６個の永久磁石を接合させることによって、一辺が１０．４ｍｍ、長さ５．５ｍｍの正六角柱状に構成する。第１の磁石３３ａは６個の各磁石が外側面から内側面に向かって磁化Ｍが生じるように、光軸Ｐに近づく方向がＮ極となるように構成する。また、第２の磁石３３ｂは６個の各磁石が内側面から外側面に向かって磁化Ｍが生じるように、光軸Ｐから離れる方向がＮ極となるように構成する。また、第１の磁石３３ａ及び第２の磁石３３ｂの光軸が通過する部分に、ファラデー回転子３２と同心円状であり径４ｍｍの貫通孔３６を設けられている。そして、正六角柱状の第１の磁石３３ａ及び第２の磁石３３ｂの内側面には、内径３．０ｍｍ、かつ外径４．０ｍｍの円筒状でＮｉとＦｅとからなる軟磁性体物３４（比透磁率約３０００）を形成する。そして、前記第１の磁石３３ａの貫通孔３６に、ファラデー回転子３２の一端面部分が１ｍｍ挿入され、第２の磁石３３ｂの貫通孔３６に、ファラデー回転子３２の他端面部分が１ｍｍ挿入されている。また、厚みが０．５ｍｍのＮｉとＦｅとからなる軟磁性体（比透磁率３０００）の外部ヨーク３５により、第１の磁石３３ａ、第２の磁石３３ｂの外側面が覆われ接合されている。すなわち、第１の磁石３３ａ及び第２の磁石３３ｂの外周側面を、連続した軟磁性ホルダ３５で巻きつけて一体化されている。このような構成の光アイソレータ３２を実施例５とした。

（比較例１）
比較例１として、特許文献１と同じ図９のような構成の光アイソレータ４１を作製した。まず、磁石として実施例１と同体積を有するネオジウム鉄ホウ素からなる磁石を８個用意した。そして光の入射方向に対してファラデー回転子４２の前後それぞれに４個づつ永久磁石４３を形成した。なお、永久磁石４３はそれぞれファラデー回転子４２の端面部分を取り囲むように形成されており、ファラデー回転子４２の一部が永久磁石４３に入り込んだ状態になっている。光の入射方向に対してファラデー回転子４２の前方に配置された永久磁石４３の磁化方向は、光軸に対して垂直であり、かつ光軸とは離れる方向に差し向けられている。一方、後方に配置された永久磁石４３の磁化方向は光軸に対して垂直であり、かつ光軸に向かう方向に差し向けられている。すなわち、本発明の実施例２において軟磁性体物１４、及び外部ヨーク１５を形成していない構成である。このような構成にした光アイソレータ４１を比較例１とした。

（比較例２）
比較例２として、特許文献２と同じ図１０のような構成の光アイソレータ５１を作成した。ネオジウム鉄ホウ素からなる磁石５３を１個用意した。この永久磁石５３をそれぞれ長さ１１．０ｍｍ、内径４．０ｍｍ、かつ外径１９．０ｍｍの円筒状に加工した。なお、この磁石５３は円筒状の長手方向に磁化される。このようにして得られた永久磁石５３の円筒の中央部に位置するように、円柱状のファラデー回転子５２を挿入した。このように構成された光アイソレータ５１を比較例２とした。

（比較例３）
実施例２において、正四角柱状の第１の磁石及び第２の磁石の内側面に軟磁性体物を形成しなかった以外は、実施例２と同様の構成である光アイソレータを比較例３とした。

上記のように構成されている実施例１〜５、比較例１〜３について、ファラデー回転子として長さ６ｍｍ、かつ断面の直径が３．０ｍｍの円柱状のＴＡＧ単結晶を用い、次のような特性評価を行った。すなわち、各光アイソレータについて、有限要素法を用いたコンピュータ・シュミレーションによってＴＡＧに発生する磁界強度を計算した。ファラデー回転子の半径方向と光軸方向とを０．１ｍｍ間隔のメッシュ状に切断し、各点における光軸方向の磁界強度を計算した。統計処理により、平均化した磁界強度（ｋＡ／ｍ）を測定した。その結果を表１に示す。

表１から見て分かるように、本願発明の実施例１〜実施例５は、磁界強度が３５０ｋＡ／ｍ以上と高いことがわかる。これは軟磁性体物を、第１の磁石及び第２の磁石に設けられた貫通孔の内周面に設けることによって、ファラデー回転子に印加される磁界が強くなるためと推測される。特に、実施例５では、第１の磁石及び第２の磁石のそれぞれが６個の磁石から構成されているため、磁界強度が４８０ｋＡ／ｍと高く、第１の磁石及び第２の磁石のそれぞれが４個の磁石から構成されている実施例２と比べてファラデー回転角（θ_f）が格段と大きくなり、円柱状のラディアル磁石の磁界強度に近づけることができると考えられる。従来、中心内径１５ｍｍ以下のラディアル磁化磁石を作製することは着磁の点で不可能とされており、強い磁界強度を有する光アイソレータの小型化には限界があった。しかし、本発明の分割磁石を用いることによって、ラディアル磁化磁石にかぎりなく近い磁石構成を実現することが可能となった。

ここで実施例２（軟磁性体物あり；外部ヨークあり）、実施例３（軟磁性体物あり；外部ヨークなし）、比較例１（軟磁性体物なし；外部ヨークなし）、比較例３（軟磁性体物なし；外部ヨークあり）の対比を行ったところ、磁界強度は、順に、４３５、４０５、２７０、２６５ｋＡ／ｍである。このことから、第１の磁石及び第２の磁石の内側面に軟磁性体物を設けることが効果的に働いていることが明らかであった。そして、外部ヨークの効果は、各磁石の貫通孔の内側面に設けられる軟磁性体物の効果に比べ遥かに小さいことも明らかとなった。これにより従来提案されていなかった磁界強度を有する光アイソレータを提供できる。一方、比較例１〜比較例３は磁界強度がいずれも低く、十分なファラデー効果を得つつ磁気光学デバイスを十分に小型化することが困難である。

実験例２

（実施例６）
以下に、実施例５と同様の構成の光アイソレータについて、各構成のサイズ条件を変えて実際に作製した。そして、ファラデー回転角（θ_f）について測定した。まず、ファラデー回転子として、Ｔｂ₄Ｏ₇（純度９９．９％）及びＡｌ₂Ｏ₃（純度９９．９９％）を用意し、Ｔｂ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂単結晶（比透磁率１３）を作製した。これを長さ６ｍｍ、かつ断面の直径が３．０ｍｍの円柱状のものに加工した。なお、ここでの長手方向の結晶方位は＜１１０＞方位であった。また、第１の磁石、及び第２の磁石の構成磁石としては、一辺の長さが１１ｍｍ、高さが５．５ｍｍである正三角柱形状のＮｄ₂Ｆｅ₁₄Ｂ焼結磁石をそれぞれ６個づつ、合計１２個用意した。

そして、第１の磁石、及び第２の磁石のそれぞれについて、６個の正三角柱の磁石を隣接させ、正六角柱となるように構成した。この六角柱の永久磁石のそれぞれには、光軸が通過する部分に直径４．０ｍｍでファラデー回転子と同心円状の貫通孔が設けられている。第１の磁石は６つの各磁石が外側面から内側面に向かって磁化が生じるように、光軸に近づく方向がＮ極となるように構成した。また、第２の磁石は６つの各磁石が内側面から外側面に向かって磁化が生じるように、光軸から離れる方向がＮ極となるように構成した。そして、貫通孔を有する６角柱の第１の磁石及び第２の磁石の内側面には、内径３．０ｍｍ、かつ外径４．０ｍｍの円筒状でＮｉとＦｅとからなる軟磁性体物（比透磁率約３０００）を形成した。そして、第１の磁石の中央に形成されている貫通孔に、ファラデー回転子の一端面部分が１ｍｍ程度挿入されるように形成した。次に、第２の磁石の中央に形成されている貫通孔に、ファラデー回転子の他端面部分が１ｍｍ程度挿入されているように配置した。また、厚み０．５ｍｍのＮｉとＦｅとからなる軟磁性体（比透磁率３０００）の外部ヨークを形成し、第１の磁石と第２の磁石との外側面を覆い接合するように形成した。すなわち、第１の磁石、及び第２の磁石の外周面を、連続した軟磁性体からなる外部ヨークを巻きつけて一体化した。このようにして得られた光アイソレータを実施例６とした。

上記のようにして得られた光アイソレータについて以下の要領でファラデー回転角の測定を行った。測定には、ファラデー回転角測定装置を用いた。具体的には、上記のようにして得られた光アイソレータの両端面のうち、光の入射面に偏光子、光の出射面に検光子を設けた。このような光アイソレータに、出力２５ｍＷで、波長が８０８ｎｍのレーザ装置からファラデー回転子の長手方向に平行に光を照射し、検光子を０から１８０°まで１０°おきに変化させることにより、入射光の偏光面を回転させ、検光子の回転角からファラデー回転角（θ_f）の入射偏光面依存性を測定した。このとき、ファラデー回転角（θ_f）は４５°±２°の範囲であった。

続いて、上記実施例６と同じファラデー回転子を用いて、第１の磁石及び第２の磁石の構成磁石の数を変えた光アイソレータを作製した。具体的には、第１の磁石及び第２の磁石の構成磁石として、Ｎｄ₂Ｆｅ₁₄Ｂ焼結磁石を４個づつ、計８個用意した。この第１の磁石及び第２の磁石の各体積は、実施例６の第１の磁石及び第２の磁石の各体積と同じにしてある。そして、４個の磁石を隣接させ一辺が１７．８ｍｍで長さ５．５ｍｍ四角柱となるように構成した。これ以外は実施例６と同様のサイズ、及び方法で貫通孔及び軟磁性体物を設け、ファラデー回転子と第１の磁石及び第２の磁石とを接合し、外部ヨークを設けた。このようにして得られた光アイソレータにおいても、実施例６と同様の方法でファラデー回転角（θ_f）の入射偏光面依存性を測定した。得られたファラデー回転角は４３°±５°であり、回転角の低下とともに、入射光偏光面依存性が大きいことが明らかとなった。

これにより、第１の磁石及び第２の磁石のそれぞれに６個以上の永久磁石を用いることによって、磁場強度を高めることができ、その結果、ファラデー回転角を４５°にするのに必要なファラデー回転子の長さを小さくすることができる。または、より小型の磁石を用いることができ、磁気光学デバイスの小型化を達成できる。更に、入射光偏光面依存性がないので特性の優れた光アイソレータデバイスを得ることができる。

続いて、ファラデー回転子の長手方向の結晶方位を、表２に示す結晶方位にした以外は実施例６と同じ構造の光アイソレータを作製した。それぞれの光アイソレータについて、出力２５ｍＷで、波長が８０８ｎｍのレーザ装置からファラデー回転子の長手方向に平行に光を照射し、入射光の偏光面は一定にして検光子の回転角からファラデー回転角（θ_f）を測定した。その結果を表２に示す。

表２からわかるように、ファラデー回転子の光軸方向の結晶方位を、＜１１０＞方位から０°〜１０°の角度をなす方位にすることによって、他の方位に比べて大きなファラデー回転角（θ_f）を得ることができた。これは、結晶方位を上記範囲にすることによって、ファラデー回転子に印加される磁場強度が同じでも実効的なヴェルデ定数を高めることができ、長さ６mmであっても光アイソレータとして十分に機能することがわかった。

本発明にかかる磁気光学デバイスの一実施形態の光アイソレータの概略主面断面図である。本発明にかかる磁気光学デバイスの一実施形態の光アイソレータのｘ１−ｘ１断面図である本発明にかかる磁気光学デバイスの別の実施形態の光アイソレータの概略主面断面図である。本発明にかかる磁気光学デバイスの別の実施形態の光アイソレータのｘ２−ｘ２断面図である。本発明にかかる磁気光学デバイスのさらに別の実施形態の光アイソレータの概略主面断面図である。本発明にかかる磁気光学デバイスのさらに別の実施形態の光アイソレータのｘ３−ｘ３断面図である。本発明にかかる磁気光学デバイスのまた別の実施形態の光アイソレータの概略主面断面図である。本発明にかかる磁気光学デバイスのまた別の実施形態の光アイソレータのｘ４−ｘ４断面図である。従来例の光アイソレータの模式図である。別の従来例の光アイソレータの模式図である。

符号の説明

１光アイソレータ
２ファラデー回転子
３ａ第１の磁石
３ｂ第２の構成部
４軟磁性体物
５外部ヨーク
６貫通孔
Ｍ磁場の向き
Ｐ光軸

Claims

光軸を構成するファラデー回転子と、永久磁石からなる第１の磁石及び第２の磁石とで構成されており、
前記第１の磁石の磁化方向は、光軸に対して垂直であって、光軸に向かう方向に磁化が発生するように構成されており、
前記第２の磁石の磁化方向は、光軸に対して垂直であって、光軸から離れる方向に磁化が発生するように構成されており、前記第１の磁石及び前記第２の磁石に、光軸に対して垂直な面の中心位置であって、かつ光軸と平行な方向に貫通孔がそれぞれ設けられており、
前記第１の磁石の貫通孔にファラデー回転子の一端面部分が挿入されており、前記第２の磁石の貫通孔にファラデー回転子の他端面部分がそれぞれ挿入されており、
前記第１の磁石及び前記第２の磁石のそれぞれ貫通孔の内側面に軟磁性体物が設けられていることを特徴とする、磁気光学デバイス。
前記第１の磁石、及び前記第２の磁石が、複数の磁石から構成され、前記複数の磁石が互いに隣接して位置決めされており、前記第１の磁石および前記第２の磁石のうち光軸に対して垂直な面の中央に貫通孔を有することを特徴とする請求項１に記載の磁気光学デバイス。
光軸を構成するファラデー回転子と、
第１の磁石及び第２の磁石のそれぞれが複数個の永久磁石から構成されており、
前記第１の磁石の磁化方向は、光軸に対して垂直であって、光軸に向かう方向に磁化が発生するように構成されており、
前記第２の磁石の磁化方向は、光軸に対して垂直であって、光軸から離れる方向に磁化が発生するように構成されており、
前記第１の磁石及び前記第２の磁石が、それぞれ複数個の磁石によって、前記ファラデー回転子の両端面部分が挟み込まれて固定され、前記第１の磁石と前記第２の磁石とが、互いに軟磁性体物によって接合されていることを特徴とする、磁気光学デバイス。
前記第１の磁石の外側面と前記第２の磁石の外側面とが、軟磁性体からなる外部ヨークで接続されていることを特徴とする請求項１〜請求項３に記載の磁気光学デバイス。
前記ファラデー回転子が、Ｔｂを含有する常磁性体であることを特徴とする請求項１〜請求項４に記載の磁気光学デバイス。