JP2005250205A - 磁気光学デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】 漏れ磁界が少なく、効率よく磁気光学素子に磁界を印加でき、そのため小型化でき応答特性を改善する。
【解決手段】 板状部１０と、その片面から垂直方向に突設した複数の柱状部１２とを有し、高透磁率磁性材料からなる磁気ヨーク１４と、柱状部に巻装したコイル１８と、磁気ヨークから柱状部と同じ方向に立設した複数の柱状の永久磁石１６と、柱状部及び永久磁石の先端部近傍で囲まれた開磁路領域に配置した磁気光学素子２０とを具備している。コイルと永久磁石は、それぞれ磁気光学素子を挟んで対向する。そして永久磁石による固定磁界とコイルによる可変磁界との合成磁界が、磁気光学素子に印加される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、可変光アッテネータなどに用いる磁気光学デバイスに関し、更に詳しく述べると、板状部から複数の柱状部を突設した磁気ヨークと、該磁気ヨークから前記柱状部と同じ方向に立設した複数の柱状の永久磁石とを結合し、柱状部に巻装したコイルと永久磁石による合成磁界で磁気光学素子の磁化方向を制御する磁気光学デバイスに関するものである。

光通信システムあるいは光計測システムなどでは、透過光量を可変制御する機能を有する可変光アッテネータが組み込まれている。可変光アッテネータは、典型的には、第１の偏光子と磁気光学デバイスと第２の偏光子を光軸に沿って順に配置した構造であり、磁気光学デバイスによって偏光方向を制御することにより、透過光量を制御するように構成されている。

ここで磁気光学デバイスは、ファラデー効果を有する磁気光学素子と、該磁気光学素子に固定磁界を印加する永久磁石と、磁気光学素子に可変磁界を印加する電磁石から構成されている。例えば、永久磁石は軸方向に着磁されたリング状であって、光軸に沿って磁気光学素子の前後に配置され、電磁石はＣ型（環状の一部が開いている形状）の磁気ヨークにコイルを巻装した構造であって、Ｃ型の磁気ヨークの開いている部分に磁気光学素子が挿入されるように組み立てられる。永久磁石によって磁気光学素子に飽和磁界を印加すると共に、電磁石によって該磁気光学素子に異なる向きの可変磁界を印加する。

これは、永久磁石が作る固定磁界の方向が磁気光学素子の光軸とほぼ平行であり、磁気光学素子の磁化を飽和させると共に、実使用時の最大のファラデー回転を起こさせる形式である。次に、永久磁石の作る固定磁界の方向とほぼ垂直な方向に電磁石により可変磁界を作り、磁気光学素子を永久磁石の磁界と電磁石の磁界の合成磁界中に置き、電磁石のコイルに流れる電流の大きさで電磁石の作る磁界の大きさを可変し、合成磁界の向きを制御する。このようにすると、合成磁界の光軸方向成分の大きさに対応して偏光方向（ファラデー回転角）を制御することができる。すなわち、ファラデー回転角を制御するには可変磁界を発生させる電磁石のコイルに流れる電流を制御すればよい。

このように、２個のリング状永久磁石を光軸に沿って磁気光学素子の前後に配置する構成では、磁気光学素子以外の光部品や光軸の確保のため、大きな固定磁界を発生する永久磁石が必要となり、しかも漏れ磁界が大きく磁気干渉の恐れがある。また、固定磁界は永久磁石による磁界なので一定であり０（ゼロ）にすることはできないから、合成磁界の向きを可変磁界の向きに近づけるには大きな可変磁界が必要となる。大きな可変磁界を得るには電磁石のコイルの巻数を多くしたり流す電流を大きくする必要があり、コイルが大きくなったり駆動電圧が大きくなってしまう。またコイルのインダクタンスが大きくなるため、可変磁界を変化させてから合成磁界の向きが変わるまで時間が長くかかる、即ち動作速度が遅い問題もあった。

磁気光学デバイスとしては、その他にも、ブロック形状の永久磁石を光軸の上下に配置して光軸に垂直な方向に固定磁界を印加し、他方、光軸方向に電磁石により可変磁界を印加する構成がある。そのような構成は、例えば、特許文献１に開示されている。

この場合、磁気光学素子には永久磁石によって光軸と垂直方向の飽和磁界が印加されている。電磁石によって合成磁界の方向を光軸に平行な方向に倒すためには、光軸に平行な方向に非常に大きな磁界を発生しなければならず、そのため磁化方向の制御に用いる電磁石の磁気ヨーク寸法が大きくなったりコイル駆動電圧が高くなり、小型化並びに高速化が困難である。
特開平９−６１７７０号公報

本発明が解決しようとする課題は、従来技術では永久磁石の漏れ磁界が大きく効率が悪い点、そのため永久磁石や磁気ヨークが大型化する点、光軸に垂直又は平行（可変磁界の方向）に合成磁界の方向を向けるには大きな可変磁界が必要となり、コイルの巻数を多くしたりコイル電流を大きくしなければならない点、コイルの巻数が多くインダクタンスが大きいため動作速度が遅い（可変磁界を変化させてから合成磁界の向きが変わるまで時間が長くかかる）点、などである。

本発明は、板状部と、該板状部の片面から垂直方向に突設した複数の柱状部とを有し、全体が高透磁率磁性材料からなる磁気ヨークと、各柱状部に巻装したコイルと、前記磁気ヨークから前記柱状部と同じ方向に立設した複数の柱状の永久磁石と、柱状部及び永久磁石の先端部近傍で囲まれた開磁路領域に配置した磁気光学素子とを具備し、複数のコイルと複数の永久磁石は、それぞれ磁気光学素子を挟んで対向するように位置し、コイルによって柱状部の先端近傍に発生する磁極は互いに逆極性であり、永久磁石の先端近傍に発生する磁極も互いに逆極性であって、永久磁石による固定磁界とコイルにより生じる可変磁界との合成磁界が磁気光学素子に印加されるようにしたことを特徴とする磁気光学デバイスである。

磁気ヨークは、平面的に見てほぼ正方形の板状部と、その一方の対角位置近傍から垂直方向に同じ向きで突設した２本の柱状部を有する構造であり、２本の柱状の永久磁石が他方の対角位置近傍に設けられ、光軸が対角の方向に対してほぼ４５度傾くように設定されている構造が好ましい。ここで、柱状の永久磁石の基端面が磁気ヨークの板状部に直接接着されている構造でもよいし、柱状の永久磁石の基端面側もしくは先端面側に高透磁率磁性部材が配置されている構造でもよい。両方のコイルを並列もしくは直列に結線するのが望ましく、それによって正負双方向の電流を供給できる共通の電源（可変電流源あるいは可変電圧源）で駆動できる。

本発明の磁気光学デバイスは、可変光アッテネータや光スイッチなどにおけるファラデー回転子として利用できる。柱状の永久磁石の基端側が磁気ヨークによって磁気的に閉じており、そのため漏れ磁界が少なくなり効率よく磁気光学素子に磁界を印加できる。つまり、小型の永久磁石を用いることができ、磁気ヨークの小型化と相俟って装置全体を小型化できる。また漏洩磁界は磁気光学素子の設置空間に集中し、それ以外への漏れが少ないために、複数並置したアレイ化にも適する。このように本発明では磁気効率がよいため、永久磁石により発生する静磁界を必要最小限に抑え、それに伴ってコイルの巻数を少なくできインダクタンスを小さくできるため応答特性が向上する。

磁気光学素子を挟んで対向する永久磁石による固定磁界の方向を、光軸に対して非平行且つ非垂直とすることで、必要とする合成磁界の向きにかかわらず大きな可変磁界を必要としないので、コイルの巻数や電流を過度に増やす必要が無くなり、その点でも装置全体を小型化できる。

本発明の磁気光学デバイスの最も単純な構成では、図１に示すように、正方形の板状部１０の一方の対角位置から垂直方向に同じ向きで２本の四角柱状部１２を突設して連続一体化した構造の高透磁率磁性材料製の磁気ヨーク１４を用いる。板状部１０の他方の対角位置からは、垂直方向に四角柱状部１２と同じ向きで２本の四角柱状の永久磁石１６を立設する。永久磁石１６の一端面を磁気ヨーク１４の板状部１０に接着することで組み立てる。磁気ヨーク１４の四角柱状部１２には、それぞれコイル１８を巻装する。そして、四角柱状部１２と永久磁石１６の先端部分で囲まれた開磁路領域に、磁気光学素子２０を配置する。なお、光軸は板状部１０の対角方向に対して４５度傾くように設定されている。

永久磁石１６は長さ方向（図では上下方向）に着磁されており、両方の永久磁石１６の先端近傍に発生する磁極は互いに逆極性（一方がＮ極ならば、他方はＳ極）である。またコイル１８によって両方の四角柱状部１２の先端近傍に発生する磁極も互いに逆極性（一方がＮ極のとき、他方はＳ極）である。このようにして、両方の永久磁石１６による固定磁界と両方のコイル１８により生じる可変磁界との合成磁界が磁気光学素子２０に印加される。

図２のように平面的に見たときに、左上の永久磁石１６にＮ極、右下の永久磁石１６にＳ極が現れるとする。この磁極の関係は常に一定であり、発生する磁界向きと強さは一定である。左下のコイル１２ａと右上のコイル１２ｂへの通電により四角柱状部１２の先端に現れる磁極によって磁界が発生する。この磁界の向きと強さは、コイル電流の向きと大きさによって変化する。

コイル電流の向きと大きさの制御により、コイル１２ａによりＮ極、コイル１２ｂによりＳ極が現れたとすると、合成磁界の方向（白抜き矢印で示す）は光軸と平行になる（図２のＡ参照）。コイル電流を遮断すれば、永久磁石１６による固定磁界のみとなるので、合成磁界の方向は光軸に対して４５度傾く（図２のＢ参照）。コイル電流の向きと大きさの制御により、コイル１２ａによりＳ極、コイル１２ｂによりＮ極が現れたとすると、合成磁界の方向は光軸と垂直になる（図２のＣ参照）。図２のＡとＣは、コイル１２ａ，１２ｂによる可変磁界の大きさが永久磁石１６による固定磁界の大きさと等しい場合であるが、コイル１２ａ，１２ｂによる可変磁界の大きさが小さければ合成磁界は光軸と平行もしくは垂直ではなく中間の方向を向く。従って、両コイルへの通電電流の大きさや向きを制御することによって、任意の向きの合成磁界を磁気光学素子に印加できることになる。

磁気光学デバイスは、例えば図３に示すような工程で製造することができる。ＮｉＣｕＺｎ系フェライト等の高透磁率磁性材料の長方体ブロックを直交する２方向から切り込みを入れ、且つ対角の位置関係にある２本の柱状部の一部もしくは全部を切断することによって一体となった２本の柱状部を有する磁気ヨーク３０ができる。勿論、プレス成形で所望の形状に成形し焼成することもできる。図１は柱状部の全部を切除した構造であるが、図３のＡでは柱状部の一部分を切除した構造としている。つまり、この実施例では、磁気ヨーク３０は、正方形の板状部３２の片面の四隅部分から４本の四角柱状部が突出し、そのうちの一対の四角柱状部（符号３４で示す）は長く、残りの四角柱状部（符号３６で示す）は短くなっている。

その短い四角柱状部３６の上に、四角柱状の永久磁石３８を載置し、例えば接着剤で固定する。永久磁石３８の横断面形状は、短い四角柱状部３６の先端面形状に一致し、永久磁石３８の長さは、短い四角柱状部に接合したときに、先端面が長い四角柱状部３４の先端面と同じ高さとなるように設定する。この永久磁石３８は、例えばＳｍ−Ｃｏ系希土類磁石などであってよい。この構成では、永久磁石３８の基端面が磁気ヨーク３０に接続され磁気的に閉じているために、漏れ磁界の発生を抑えることができ、先端部近傍のみで磁気的に開いた構造となる。なお永久磁石の先端側に高透磁率部材を設けてもよい。このように、永久磁石の一端もしくは両端に高透磁率部材を設けると、永久磁石を必要最小限の大きさにでき、低コスト化できる。

磁気ヨーク３０の２本の長い柱状部３４のそれぞれに予め作製しておいた空芯コイル４０を挿入し接着剤等で固定する（Ｂ参照）。この場合、空芯コイル４０の線材をポリウレタン被覆銅線とすれば、長い柱状部３４に挿入後、エチルアルコール等の有機溶剤を塗布することで被覆の一部表面が溶けコイル４０を柱状部３４に固着することもできる。

次に磁気光学素子４２を接着固定した非磁性材からなるステージ４４（Ｃ参照）を、長い柱状部３４及び永久磁石３８の上端部に接着剤等により固定する（Ｄ参照）。これによって磁気光学素子４２は、磁気ヨーク３０の長い柱状部３４の先端部と永久磁石３８の先端部で囲まれた開磁路領域の中心に設置される。磁気光学素子４２としては、例えばビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶を用いる。この単結晶は、ＬＰＥ（液相エピタキシャル）法により育成できる。その他、ＹＩＧ（イットリウム鉄ガーネット）単結晶等でもよい。

そして、磁気光学素子４２を挟んで対向する位置にあるコイル同士を、電源４６に並列（図４のＡ参照）に、もしくは電源４６に直列（図４のＢ参照）に接続する。この時、磁気ヨーク３０の柱状部３４の先端近傍に現れる磁極が逆極性になるように配線する。そして、電源４６を制御手段４８で制御する。２個のコイルを別々の電源に接続し、その２個の電源を別々に制御して合成磁界の大きさと向きをコントロールする方式に比べて、はるかに回路・装置構成が簡素化され制御が容易となり、コストも少なくて済む。

通常、このような磁気光学デバイスでは、両コイルに電流を流さず、永久磁石による固定磁界のみで磁気光学素子を磁気飽和させる。そして、両コイルへの通電電流の大きさや向きを制御することによって、図２に示したように、所望の向きの合成磁界を磁気光学素子に印加する。これによって磁気光学素子は、合成磁界の光軸と平行な成分に応じて入射光の偏光面を回転させることになる。

図５は本発明に係る磁気光学デバイスを組み込んだ反射型可変光アッテネータへの応用例を示している。磁気光学デバイス５０の光路の前方に、複屈折結晶からなる偏光子５２とレンズ５４を配置し、後方にミラー５６を設置した構成である。磁気光学デバイス５０は、図３に示すものと同様であってよく、説明を簡略化するために対応する部材には同一符号を付す。入力ファイバ５８から光を入射し、偏光子５２による偏光について磁気光学デバイス５０で偏光面を所定角度回転し、ミラー５６で反射した後、磁気光学デバイス５０で偏光面を更に所定角度回転し、偏光子５２を透過する光を出力ファイバ６０から取り出す。この例は、コイルを直列接続した（図４のＢ参照）構成である。

本発明の磁気光学デバイスでは、漏れ磁界は磁気光学素子の近傍にしか現れないので、複数の可変アッテネータや光スイッチを集積してアレイ構造とすることも可能となる。

本発明に係る磁気光学デバイスの基本構造図。 磁極と印加磁界の向きの関係を示す説明図。 磁気光学デバイスの他の構造例を示す説明図。 コイル結線と電源を示す回路図。 可変光アッテネータへの応用例を示す説明図。

符号の説明

１０ 板状部
１２ 柱状部
１４ 磁気ヨーク
１６ 永久磁石
１８ コイル
２０ 磁気光学素子

Claims (5)

1. 板状部と、該板状部の片面から垂直方向に突設した複数の柱状部とを有し、全体が高透磁率磁性材料からなる磁気ヨークと、各柱状部に巻装したコイルと、前記磁気ヨークから前記柱状部と同じ方向に立設した複数の柱状の永久磁石と、柱状部及び永久磁石の先端部近傍で囲まれた開磁路領域に配置した磁気光学素子とを具備し、複数のコイルと複数の永久磁石は、それぞれ磁気光学素子を挟んで対向するように位置し、コイルによって柱状部の先端近傍に発生する磁極は互いに逆極性であり、永久磁石の先端近傍に発生する磁極も互いに逆極性であって、永久磁石による固定磁界とコイルにより生じる可変磁界との合成磁界が磁気光学素子に印加されるようにしたことを特徴とする磁気光学デバイス。
2. 磁気ヨークは、ほぼ正方形の板状部と、その一方の対角位置近傍から垂直方向に同じ向きで突設した２本の柱状部を有する構造であり、２本の柱状の永久磁石が他方の対角位置近傍に設けられ、光軸が対角の方向に対してほぼ４５度傾くように設定されている請求項１記載の磁気光学デバイス。
3. 柱状の永久磁石の基端面が磁気ヨークの板状部に直接接着されている請求項２記載の磁気光学デバイス。
4. 柱状の永久磁石の基端面側もしくは先端面側に高透磁率磁性部材が配置されている請求項２記載の磁気光学デバイス。
5. 両方のコイルを並列もしくは直列に接続して、共通の電源で駆動する請求項３又は４記載の磁気光学デバイス。
   

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