JP2007248779A - 光アイソレータ - Google Patents

Abstract

【課題】複雑な構成や、特殊な材料などを必要とすることなく、ファラデー回転子を複数個接続した構成とした場合にも、小型化を図ることが可能な光アイソレータを提供する。
【解決手段】ファラデー回転子１，２と、光の透過方向に沿ってファラデー回転子と交互に配設された偏光素子１１，１２，１３と、光の透過方向に垂直に磁化され、各ファラデー回転子に、光の透過方向に平行に磁場が作用するように配設された永久磁石２１，２２，２３とを備えた光学素子を具備した光アイソレータにおいて、ファラデー回転子を２個以上とし、偏光素子および永久磁石の数をファラデー回転子より１つ多くするとともに、互いに隣り合う永久磁石の磁化の方向を互いに逆方向となるようにする。
また、永久磁石として、周方向に複数に分割された分割部材からなる筒状構造を有するものを用いる。
【選択図】図２

Description

本願発明は、光アイソレータ、詳しくは、光通信システムなどにおいて、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ために用いられる光アイソレータに関する。

光通信システムなどにおいては、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ために光アイソレータが用いられている。
この光アイソレータ６０は、例えば、図４に示すように、光軸を構成するファラデー回転子５０と、永久磁石からなる第１の磁石５１および第２の磁石５２と、ファラデー回転子５０の前後に配設された偏光素子５３，５４を備えており、第１の磁石５１の磁化方向、すなわち磁場が作用する方向は、光軸に対して垂直であって、光軸（ファラデー回転子５０）に向かう方向に磁化されるように構成されており、第２の磁石５２の磁化方向は、光軸（ファラデー回転子５０）に対して垂直であって、第１の磁石５１の磁化方向とは逆方向、すなわち、光軸から離れる方向に磁化されるように構成されている。

そして、第１の磁石５１、第２の磁石５２には、光軸（ファラデー回転子５０）に対して垂直な面の中心位置に、光軸と平行な方向に貫通孔５１ａ，５１ｂが設けられており、第１の磁石５１の貫通孔５１ａにファラデー回転子５０の一端側部分が挿入され、第２の磁石５２の貫通孔５１ｂにファラデー回転子の他端側部分が挿入されている（特許文献１参照）。

なお、特許文献１には、偏光素子５３，５４を備えていない光ローテータが示されているが、特許文献１の光ローテータを光アイソレータとして使用する場合、図４に示すように、偏光素子５３，５４を備えた構成とすることが必要である。

ところで、光アイソレータの消光比やアイソレーションを向上させるために、図５に示すように、複数個の光アイソレータ６０を直列に接続して用いる場合がある。

しかしながら、上述のような光アイソレータ６０の場合、ファラデー回転子５０の前後に第１の磁石５１、第２の磁石５２の２つの磁石を備えており、例えば２個の光アイソレータ６０を直列に接続して用いた場合、図６に示すように、２個のファラデー回転子５０，５０と、４個の偏光素子５３，５３，５４，５４と、４個の磁石５１，５１，５２，５２を備えた構成となり、機構部が大型化するという問題点がある。すなわち、ファラデー回転子１つに対して、磁石が２個、偏光素子が２個必要となり、小型化が制約されるという問題点がある。

これに対し、従来の光アイソレータとして、図７に示すように、光の透過方向に沿って、３個の偏光素子７１、７２、７３と２個のファラデー回転子８１、８２を配設した光学素子８０と、２個の磁石９１、９２を備えた光アイソレータ１００が提案されている。この光アイソレータ１００は、両端を異極に着磁した直方体形状の磁石９１、９２を、光学素子８０を挟んで対向配置し、光学素子８０は第１の偏光素子７１、第１のファラデー回転子８１、第２の偏光素子７２、第２のファラデー回転子８２、第３の偏光素子７３の順に配置することにより形成されており、第１と第３の偏光素子７１、７３の透過偏光方向が同一方向で、光の透過方向に向かって第１のファラデー回転子８１のファラデー回転方向と第２のファラデー回転子８２のファラデー回転方向が異なるように構成されている（特許文献２参照）。

この光アイソレータ１００においては、２個のファラデー回転子８１、８２と、３個の偏光素子７１、７２、７３とを有する光学素子８０に、２個の磁石９１、９２を備えた光アイソレータ１００が用いられており、上記図４に示す構成の光アイソレータ６０を２つ接続した場合に比べて、ファラデー回転子の数に対する偏光素子および磁石の数を少なくすることが可能になり、小型化を図ることができる。

ところで、図７に示した光アイソレータは、２個のファラデー回転子８１、８２を有しているが、いずれのファラデー回転子に対しても同じ方向の磁場が印加されている。そして、光の透過方向に沿って、第１の偏光素子７１、第１のファラデー回転子８１、第２の偏光素子７２、第２のファラデー回転子８２、第３の偏光素子７３が設置されている。

第１のファラデー回転子８１を光が透過するとき、透過光の偏光面は右回りまたは左回りに４５度回転し、第２のファラデー回転子８２を透過するときは第１のファラデー回転子８１とは反対方向に４５度回転するように設定されている。また第１、第２および第３の偏光素子７１、７２、７３の方位は、光が順方向に進むときに光を透過し、逆方向に進むときには光を遮断するように設定されている。したがって、光アイソレータ１００に直線偏光を入射させるとき、その偏光方向を、第１の偏光素子７１が直線偏光を透過する方位と一致させると、光アイソレータ１００からの出射光の偏光方向は入射光のそれから変化しないことになる。

さて、一般的な光アイソレータの構成について考えると、大きく分けて、自発磁化が角型ヒステリシスを有しないファラデー回転子を用いたものと、自発磁化が角型ヒステリシスを有するファラデー回転子を用いたものとの二種類があるが、そのいずれにも、以下に説明するように、特有の問題点がある。

(１)ファラデー回転子の磁化曲線が角型ヒステリシスを有しない場合
磁化曲線が角型ヒステリシスを有しないファラデー回転子を用いた場合には、ファラデー媒質に同じ方向の磁場を印加したときにファラデー回転の方向が逆になる二種類の媒質が必要となる。通信帯域の近赤外線（１．３〜１．５５μｍ）の光アイソレータに用いられるファラデー媒質としては、一般にＹＩＧのＹ元素の一部をＢｉで置換したＢｉ：ＹＩＧが多くの場合用いられる。ＹＩＧへのＢｉ置換量を増やしてゆくと、一旦は、磁気飽和したときのファラデー回転角が小さくなり、ついにはあるところで０となり、さらにＢｉ置換量を増やしてゆくと、今度はＹＩＧとは逆符号のファラデー回転を生じるようになる。したがってＹＩＧと、十分な量のＢｉを置換したＢｉ：ＹＩＧを用いれば、図７に示すような光アイソレータ、すなわち、２個のファラデー回転子８１、８２のいずれに対しても同じ方向の磁場を印加した場合にも、上述のような作用効果を奏する光アイソレータを実現することは可能である。

しかしながら、一般に十分な量のＢｉを置換したＢｉ：ＹＩＧに比べて、ＹＩＧのファラデー回転角の絶対値は数分の一と小さい。通常、ＹＩＧやＢｉ：ＹＩＧはＬＰＥ法（液相エピタキシャル成長法）で製造されるが、ファラデー回転角が４５度となるためにＹＩＧはかなり厚みを厚くしなければならず、ＬＰＥ法による育成時間が長くなったり、得られたＹＩＧ膜の品質が不十分なものになったりするという問題点がある。

また、可視〜近赤外域（４００〜１１００ｎｍ付近）においては、ファラデー媒質として一般に用いられているＴＧＧ（Ｔｂ₃Ｇａ₅Ｏ₁₂）やＴＡＧ（Ｔｂ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂）とは逆符号の大きなヴェルデ定数を有する媒質が、工業的に使用可能なものとしては得ることができないのが実情である。したがってＴＧＧやＴＡＧとはファラデー回転の方向が逆となる媒質がないため先行技術を実現することは実際的には不可能である。

(２)ファラデー回転子の磁化曲線が角型ヒステリシスを有する場合
磁化曲線が角型ヒステリシスを有するファラデー回転子を用いた場合、ファラデー媒質に同じ方向の磁場を印加したときにファラデー回転の方向が逆になる二種類の媒質は必ずしも必要ではない。外部磁場を印加しなくても媒質には自発磁化が生じるため、ファラデー回転も生じることになる。したがって、第１のファラデー回転子と第２のファラデー回転子の自発磁化が反平行（反対向き）となるようにすれば、図７に示すような光アイソレータを実現することができる。

また、通信帯域の近赤外線（１．３〜１．５５μｍ）の光アイソレータに用いられるファラデー媒質として、磁気異方性を制御することで膜面に垂直方向に自発磁化を有するようなＢｉ：ＹＩＧ系の角型ヒステリシス材料が開発されている。

しかしながら、可視域〜近赤外域（４００〜１１００ｎｍ付近）においてファラデー媒質として用いられるＴＧＧやＴＡＧは強磁性体ではなく常磁性体であることから、磁場がなくても自発磁化を有するような角型ヒステリシス材料を実現することは不可能であり、図７に示すような光アイソレータを実現することは、実際的には不可能である。
特開２００４−３０２４１２号公報 特開２００３−６６３７２号公報

本願発明は、上記課題を解決するものであり、複雑な構成や、特殊な材料などを必要とすることなく、ファラデー回転子を複数個接続した構成とした場合にも、小型化を図ることが可能な光アイソレータを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本願発明（請求項１）の光アイソレータは、
ファラデー回転子と、偏光素子と、永久磁石とを備えた光学素子を具備した光アイソレータであって、
前記光学素子が、
(ａ)常磁性体からなる第１のファラデー回転子、および、光の透過方向において、第１のファラデー回転子と隣り合うように配設され、第１のファラデー回転子を通過した光を通過させる第２のファラデー回転子と、
(ｂ)光の透過方向についてみた場合に、第１のファラデー回転子の手前に配設された第１の偏光素子、第１および第２のファラデー回転子の間に配設された第２の偏光素子、および、第２のファラデー回転子の後に配設された第３の偏光素子と、
(ｃ)第１および第２のファラデー回転子を通過する光の透過方向に垂直に磁化され、第１のファラデー回転子に、光の透過方向に平行に磁場が作用するように配設された第１の永久磁石、第１および第２のファラデー回転子を通過する光の透過方向に垂直に磁化され、光の透過方向についてみた場合に、第１の永久磁石の後ろ側に、第１の永久磁石と隣り合うように配設され、第１のファラデー回転子と、第２のファラデー回転子の両方に、光の透過方向に平行に磁場が作用するように配設された第２の永久磁石、および、第１および第２のファラデー回転子を通過する光の透過方向に垂直に磁化され、光の透過方向についてみた場合に、第２の永久磁石の後ろ側に、第２の永久磁石と隣り合うように配設され、第２のファラデー回転子に、光の透過方向に平行に磁場が作用するように配設された第３の永久磁石と
を備えており、かつ、
互いに隣り合う第１、第２および第３の永久磁石の磁化方向が、互いに逆向きであるように構成されていること
を特徴としている。

また、請求項２の光アイソレータは、請求項１の光アイソレータにおける、前記光学素子の構成において、前記光学素子が、第２のファラデー回転子以降の、さらにｎ個のファラデー回転子と、第３の偏光素子以降の、さらにｎ個の偏光素子と、第３の永久磁石以降の、さらにｎ個の永久磁石とを備えており（ただしｎは自然数）、
前記光学素子が、全体として、所定個数の前記ファラデー回転子と、前記ファラデー回転子よりも１個多い偏光素子と、前記ファラデー回転子よりも１個多い永久磁石とを備えていること
を特徴としている。

また、請求項３の光アイソレータは、請求項１または２記載の発明の構成において、第１，第２および第３の永久磁石のそれぞれが、周方向に複数に分割された分割部材からなる筒状構造を有していることを特徴としている。

また、請求項４の光アイソレータは、請求項３記載の発明の構成において、
第１のファラデー回転子の、光の透過方向についてみた場合の前側部分が、筒状構造を有する第１の永久磁石の中空部分に配設され、
第１のファラデー回転子の、光の透過方向についてみた場合の後ろ側部分と、第２のファラデー回転子の、光の透過方向についてみた場合の前側部分とが、筒状構造を有する第２の永久磁石の中空部分に配設され、
第２のファラデー回転子の、光の透過方向についてみた場合の後ろ側部分が、筒状構造を有する第３の永久磁石の中空部分に配設されていること
を特徴としている。

また、請求項５の光アイソレータは、請求項３または４記載の発明の構成において、少なくとも第２の偏光素子が筒状構造を有する第２の永久磁石の中空部分に配設されていることを特徴としている。

また、請求項６の光アイソレータは、請求項１〜５のいずれかに記載の発明の構成において、第１，第２および第３の永久磁石のそれぞれが、周方向に複数に分割された分割部材からなる円筒形状を有するものであることを特徴としている。

また、請求項７の光アイソレータは、請求項１〜６のいずれかに記載の発明の構成において、第１，第２および第３の永久磁石のそれぞれが、周方向に２〜６分割された分割部材から構成されていることを特徴としている。

また、請求項８の光アイソレータは、請求項１〜７のいずれかに記載の発明の構成において、第１，第２および第３の永久磁石が、筒状ケース部材内に一体に収納されていることを特徴としている。

本願発明（請求項１）の光アイソレータは、ファラデー回転子と、偏光素子と、永久磁石とを備えた光学素子が、(ａ)常磁性体からなる第１のファラデー回転子、および、光の透過方向において、第１のファラデー回転子と隣り合うように配設され、第１のファラデー回転子を通過した光を通過させる第２のファラデー回転子と、(ｂ)光の透過方向についてみた場合に、第１のファラデー回転子の手前に配設された第１の偏光素子、第１および第２のファラデー回転子の間に配設された第２の偏光素子、および、第２のファラデー回転子の後に配設された第３の偏光素子と、(ｃ)第１および第２のファラデー回転子を通過する光の透過方向に垂直に磁化され、第１のファラデー回転子に、光の透過方向に平行に磁場が作用するように配設された第１の永久磁石、第１および第２のファラデー回転子を通過する光の透過方向に垂直に磁化され、光の透過方向についてみた場合に、第１の永久磁石の後ろ側に、第１の永久磁石と隣り合うように配設され、第１のファラデー回転子と、第２のファラデー回転子の両方に、光の透過方向に平行に磁場が作用するように配設された第２の永久磁石、および、第１および第２のファラデー回転子を通過する光の透過方向に垂直に磁化され、光の透過方向についてみた場合に、第２の永久磁石の後ろ側に、第２の永久磁石と隣り合うように配設され、第２のファラデー回転子に、光の透過方向に平行に磁場が作用するように配設された第３の永久磁石とを備え、かつ、互いに隣り合う第１、第２および第３の永久磁石の磁化方向が、互いに逆向きであるように構成されているので、例えば、２個のファラデー回転子を接続した光学素子において、２個のファラデー回転子に対し、３個の偏光素子と、３個の永久磁石を備えた構成とすることが可能になり、図６に示すように、図４の従来の光アイソレータを２つ接続した場合に比べて、ファラデー回転子の数に対する偏光素子および磁石の数を少なくすることが可能になり、小型化を図ることができる。

また、一般的な構成材料からなるファラデー回転子を用い、互いに隣り合う永久磁石の磁化方向が互いに逆向きであるようにする、すなわち、永久磁石の配設方向を所定の方向とするだけで光アイソレータを構成することができるため、複雑な構造を採用したり、特殊な材料を用いたりすることなく、小型で、光学素子の消光比やアイソレーション特性に優れた高性能の光アイソレータを提供することが可能になる。

なお、本願発明の光アイソレータのように、偏波依存型の光アイソレータにおいては、ファラデー回転子の個数が偶数個の場合には、入射光と出射光とで偏波面の回転が生じないため、調整が容易になるという特徴がある。

本願発明の光アイソレータにおいては、偏光素子として、ポーラコアなどのガラス偏光子や複屈折結晶を用いた偏光プリズムなどを用いることが可能である。
また、本願発明の光アイソレータにおいては、永久磁石が、光アイソレータのケースを兼ねるように構成することも可能である。なお、永久磁石とは別に、ケースを兼ねるヨークを用いることも可能である。

また、請求項２の光アイソレータのように、請求項１記載の発明の構成において、光学素子が、第２のファラデー回転子以降の、さらにｎ個のファラデー回転子と、第３の偏光子以降の、さらにｎ個の偏光素子と、第３の永久磁石以降の、さらにｎ個の永久磁石とを備え（ただしｎは自然数）、かつ、光学素子が、全体として、所定個数のファラデー回転子と、ファラデー回転子よりも１個多い偏光素子と、ファラデー回転子よりも１個多い永久磁石とを備えた構成とすることにより、構成の自由度を向上させることが可能になり、さらに光学素子の消光比やアイソレーション特性に優れた高性能の光アイソレータを提供することが可能になる。

また、請求項３の光アイソレータのように、請求項１または２記載の発明の構成において、第１、第２および第３の永久磁石を、周方向に複数に分割された分割部材からなる筒状構造を有する構成とした場合、光の透過方向に垂直に磁化され、かつ、第１、第２および第３の永久磁石において、互いに隣り合う永久磁石の磁化方向が互いに逆向きである構成を、容易かつ確実に実現することが可能になり、本願発明をさらに実効あらしめることができる。

また、請求項４の光アイソレータのように、請求項３記載の発明の構成において、第１のファラデー回転子の、光の透過方向についてみた場合の前側部分を、筒状構造を有する第１の永久磁石の中空部分に配設し、第１のファラデー回転子の、光の透過方向についてみた場合の後ろ側部分と、第２のファラデー回転子の、光の透過方向についてみた場合の前側部分とを、筒状構造を有する第２の永久磁石の中空部分に配設し、第２のファラデー回転子の、光の透過方向についてみた場合の後ろ側部分を、筒状構造を有する第３の永久磁石の中空部分に配設するようにした場合、第１、第２および第３の永久磁石において、互いに隣り合う永久磁石の磁化方向が互いに逆向きであるような構成を確実に実現することが可能になるとともに、製品である光アイソレータの大きさが、第１，第２および第３の永久磁石を合わせた容積をほとんど超えることのない、小型の光アイソレータを提供することが可能になり、本願発明をより実効あらしめることが可能になる。

また、請求項５の光アイソレータのように、請求項３または４記載の発明の構成において、少なくとも第２の偏光素子を、筒状構造を有する第２の永久磁石の中空部分に配設することにより、本願発明の基本構成を備え、かつ、寸法が、第１，第２および第３の永久磁石を合わせた容積をほとんど超えることのない、小型の光アイソレータを提供することが可能になり、本願発明をより実効あらしめることが可能になる。なお、例えば、第１および第３の偏光素子を、第１および第３の永久磁石の端面側に配設したとしても、ほとんど寸法の増大を招くことがなく、また、第１および第３の偏光素子を、第１および第３の永久磁石の中空部分に配設した場合には、さらに小型化を図ることができる。

また、請求項６の光アイソレータのように、請求項１〜５のいずれかに記載の発明の構成において、第１，第２および第３の永久磁石のそれぞれを、周方向に複数に分割された分割部材からなる円筒形状を有するものとした場合、円筒状の永久磁石から、光の透過方向に垂直に、ファラデー回転子に、均一に磁場を印加することが可能になり、小型で特性の良好な光アイソレータを提供することが可能になる。

また、請求項７の光アイソレータのように、請求項１〜６のいずれかに記載の発明の構成において、第１，第２および第３の永久磁石のそれぞれを、周方向に２〜６分割された分割部材から構成するようにした場合、本願発明にかかる光アイソレータを構成するのに適した、ファラデー回転子の周囲から、光の透過方向に平行に、均一に磁場を印加することが可能な永久磁石を得ることが可能になり、本願発明をより実効あらしめることができる。

また、請求項８の光アイソレータのように、請求項１〜７のいずれかに記載の発明の構成において、第１，第２および第３の永久磁石を、筒状ケース部材内に一体に収納するようにした場合、全体が筒状ケース部材内に一体に結合、収納された、小型で信頼性の高い光アイソレータを提供することが可能になる。

以下に本願発明の実施例を示して、本願発明の特徴とするところをさらに詳しく説明する。

この実施例では、比較例としての光アイソレータと、本願発明の実施例にかかる光アイソレータを作製して、その特性を比較した。

［比較例の光アイソレータの作製］
まず、比較例としての光アイソレータとして、図１(ａ)，(ｂ)に示すような単一のファラデー回転子を有する偏波依存型の光アイソレータを作製した。
この光アイソレータは、
(ａ)常磁性体からなる単一の第１のファラデー回転子１と、
(ｂ)光の透過方向についてみた場合に、ファラデー回転子１の手前に配設された第１の偏光素子１１、および、ファラデー回転子１の後に配設された第２の偏光素子１２と、
(ｃ)ファラデー回転子１を通過する光の透過方向に垂直に磁化され、ファラデー回転子１に、光の透過方向に平行に磁場が作用するように配設された第１の永久磁石２１、および、ファラデー回転子１を通過する光の透過方向に垂直に磁化され、光の透過方向についてみた場合に、第１の永久磁石２１の後ろ側に、第１の永久磁石２１と隣り合うように配設され、ファラデー回転子２に、光の透過方向に平行に磁場が作用するように配設された第２の永久磁石２２とを備えており、第１および第２の永久磁石２１、２２において、互いに隣り合う永久磁石の磁化方向が互いに逆向きとなるように構成された光学素子Ａを備えた構成を有している。

なお、この比較例の光アイソレータにおいては、ファラデー回転子１として、フローティングゾーン法によって育成されたＴｂ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂（以下、「ＴＡＧ」と略記する）単結晶を用い、これを直径１．０mm、長さ１０mmになるように両端面を光学研磨したものを用いた。

また、第１および第２の永久磁石２１，２２として、光の透過方向に直交する断面形状が略扇形で、中心角が６０度の、合計６個の分割部材（小磁石片）３１，３２を、円筒形状になるように組み合わせたものを用い、それぞれの分割部材（小磁石片）３１，３２の磁化が、分割部材（小磁石片）３１，３２を組み合わせて形成した円筒形状の第１および第２の永久磁石２１，２２の中空部分である貫通孔（光軸）２１ａ，２２ａに対して垂直となるようにした。

また、第１および第２の永久磁石２１，２２としては、ＮｄＦｅＢ系希土類磁石を用いた。また、永久磁石２１，２２は、外径が１９．０mm、貫通孔（中空部分）２１ａ，２２ａの直径が２．０mm、長さが１４．０mmとなるようにした。
第１および第２の永久磁石２１，２２のうち、第１の永久磁石２１の磁化方向は、外周側から光軸に向かう方向、第２の永久磁石２２の磁化方向は光軸から永久磁石２２の外周側に向かう方向とした。

また、第１および第２の永久磁石２１，２２の間には、厚さ１．０mmのプラスチック板４１をスペーサーとして挿入した。プラスチック板４１には直径が１．０mmの貫通孔４１ａが形成されており、ＴＡＧ単結晶からなるファラデー回転子１が、永久磁石２１，２２の径方向において、プラスチック板４１の貫通孔（中空部分）４１ａの中心に存在し、かつプラスチック板４１から光の透過方向にはみ出した長さがプラスチック板４１の両側で等しくなるようにファラデー回転子（ＴＡＧ単結晶）１の位置を調整した。

偏光素子１１，１２としては、外径が２．０mmの９８０ｎｍ用ガラス偏光子を用い、これを、それぞれが１個の永久磁石２１，２２の貫通孔２１ａ，２２ａの中において、貫通孔２１ａ，２２ａの、光の透過方向の長さの中間位置に保持されるように、貫通孔２１ａ，２２ａ中に固定した。

そして、貫通孔２１ａ，２２ａ中に偏光素子１１，１２が配設された永久磁石２１，２２を軸回りに回転させながら、２個の偏光素子１１，１２の方位角度の差が４５度になるように調整した。

それから、上述の各部材を、ヨークを兼ねる、外径が２１．０mm、内径が１９.０mm、長さが３０．０mmの筒状ケース部材（磁性ステンレスチューブ）２５に挿入することにより、図１(ａ)，(ｂ)に示すような構造を有する偏波依存型光アイソレータを得た。
なお、この光アイソレータにおいては、２個の偏光素子１１，１２が存在しない状態における、波長９８０ｎｍの光に対するファラデー回転子１によるファラデー回転角が４５度であることがあらかじめ確認してある。

この光アイソレータについて、コリメーターレンズによって絞られた発振波長９８０ｎｍの半導体レーザー光を光源に用いて特性を測定した。
その結果、順方向の消光比２０ｄＢ、アイソレーション２８ｄＢ、順方向の挿入損失−１．０ｄＢという結果が得られた。

［本願発明の一実施例にかかる光アイソレータの作製］
次に、図２(ａ)，(ｂ)に示すような構造を有する、本願発明の一実施例にかかる光アイソレータを作製した。
この光アイソレータは、２個のファラデー回転子を有する偏波依存型の光アイソレータであって、図２(ａ)，(ｂ)に示すように、
(ａ)常磁性体からなる第１のファラデー回転子１、および、光の透過方向において、第１のファラデー回転子１と隣り合うように配設され、第１のファラデー回転子１を通過した光を通過させる第２のファラデー回転子２と、
(ｂ)光の透過方向についてみた場合に、第１のファラデー回転子１の手前側に配設された第１の偏光素子１１、第１および第２のファラデー回転子１，２の間に配設された第２の偏光素子１２、および、第２のファラデー回転子２の後ろ側に配設された第３の偏光素子１３と、
(ｃ)第１および第２のファラデー回転子１，２を通過する光の透過方向に垂直に磁化され、第１のファラデー回転子１に、光の透過方向に平行に磁場が作用するように配設された第１の永久磁石２１、第１および第２のファラデー回転子１，２を通過する光の透過方向に垂直に磁化され、光の透過方向についてみた場合に、第１の永久磁石２１の後ろ側に、第１の永久磁石２１と隣り合うように配設され、第１のファラデー回転子１と、第２のファラデー回転子２の両方に、光の透過方向に平行に磁場が作用するように配設された第２の永久磁石２２、および、第１および第２のファラデー回転子１，２を通過する光の透過方向に垂直に磁化され、光の透過方向についてみた場合に、第２の永久磁石２２の後ろ側に、第２の永久磁石２２と隣り合うように配設され、第２のファラデー回転子２に、光の透過方向に平行に磁場が作用するように配設された第３の永久磁石２３と
を備えており、第１、第２、および、第３の永久磁石２１，２２，２３において、互いに隣り合う永久磁石の磁化方向が互いに逆向きであるように構成された光学素子Ａを備えた構成を有している。

なお、この光アイソレータにおいては、ファラデー回転子１として、フローティングゾーン法によって育成されたＴＡＧ単結晶を用い、これを直径１．０mm、長さ１０mmになるように両端面を光学研磨したものを用いた。

また、第１、第２および第３の永久磁石２１，２２，２３として、光の透過方向に直交する断面形状が略扇形で、中心角が６０度の、合計６個の分割部材（小磁石片）３１，３２，３３を、円筒形状になるように組み合わせたものを用い、それぞれの分割部材（小磁石片）３１，３２，３３の磁化が、分割部材（小磁石片）３１，３２，３３を組み合わせて形成した円筒形状の永久磁石２１，２２，２３の中空部分である貫通孔（光軸）２１ａ，２２ａ，２３ａに対して垂直となるようにした。

また、第１、第２および第３の永久磁石２１，２２，２３としては、ＮｄＦｅＢ系希土類磁石を用いた。また、第１、第２および第３の永久磁石２１，２２，２３は、外径が１９．０mm、貫通孔（中空部分）２１ａ，２２ａ，２３ａの直径が２．０mm、長さが１４．０mmとなるようにした。

また、第１、第２および第３の永久磁石２１，２２，２３のうち第１の永久磁石２１と第３の永久磁石２３の磁化方向は外周側から光軸に向かう方向、第２の永久磁石２２の磁化方向は光軸から永久磁石２２の外周側に向かう方向とし、隣り合う永久磁石の磁化の方向が互いに逆方向に向くように配置した。

また、第１の永久磁石２１と第２の永久磁石２２の間、および，第２の永久磁石２２と第３の永久磁石２３の間には、厚さ１．０mmのプラスチック板４１，４２をスペーサーとして挿入した。プラスチック板４１，４２には直径が１．０mmの貫通孔４１ａ，４２ａが形成されており、ＴＡＧ単結晶からなる第１および第２のファラデー回転子１，２が、永久磁石２１，２２，２３の径方向において、プラスチック板４１，４２の貫通孔（中空部分）４１ａ，４２ａの中心に位置し、かつプラスチック板４１，４２から光の透過方向にはみ出した長さがプラスチック板４１，４２の両側で等しくなるようにファラデー回転子（ＴＡＧ単結晶）１，２の位置を調整した。

第１，第２，第３の偏光素子１１，１２，１３としては、外径が２．０mmの９８０ｎｍ用ガラス偏光子を用い、これを、それぞれが１個の永久磁石２１，２２，２３の貫通孔２１ａ，２２ａ，２３ａの中において、貫通孔２１ａ，２２ａ，２３ａの長さ方向の中間位置に保持されるように、貫通孔２１ａ，２２ａ，２３ａ中に固定した。

そして、貫通孔２１ａ，２２ａ，２３ａ中に偏光素子１１，１２，１３が配設された永久磁石２１，２２，２３を軸回りに回転させながら、３個の偏光素子１１，１２，１３のうち、隣り合う２個の偏光素子の方位角度の差が４５度になり、かつ、両端側の、第１の偏光素子１１と第３の偏光素子１３の方位角度の差が０度になるように調整した。

それから、上述の各部材を、ヨークを兼ねる、外径が２１．０mm、内径が１９.０mm、長さが４５．０mmの筒状ケース部材（磁性ステンレスチューブ）２５に挿入することにより、図２(ａ)，(ｂ)に示すような構造を有する偏波依存型光アイソレータを得た。

この光アイソレータについて、コリメーターレンズによって絞られた発振波長９８０ｎｍの半導体レーザー光を光源に用いて特性を測定した。
その結果、順方向の消光比３８ｄＢ、アイソレーション４４ｄＢ、順方向の挿入損失−２．３ｄＢという結果が得られた。

すなわち、本願発明の実施例にかかる光アイソレータは、ファラデー回転子を２個用いているので、消光比およびアイソレーションの各特性がそれぞれ、比較例の光アイソレータの約２倍となっており、同じ特性を得ることが可能な光アイソレータの長さ方向の寸法を縮小することが可能になることがわかる。

ここで、図１(ａ)，(ｂ)に示すような構造を有する、１個のファラデー回転子を用いた比較例の光アイソレータと、図２(ａ)，(ｂ)に示すような構造を有する、２個のファラデー回転子を用いた本願発明の実施例にかかる光アイソレータを比較すると、本願発明の実施例にかかる光アイソレータは、ファラデー回転子を２個用いているにもかかわらず全長が、１個のファラデー回転子を用いた比較例の光アイソレータの１．５倍にしかなっておらず、比較例の光アイソレータを２個並べた場合（すなわち、本願発明の実施例にかかる光アイソレータのように、２個のファラデー回転子を備えた構成とした場合）に比べて、長さを３／４にすることが可能になり、小型化が実現されることがわかる。これは、比較例の光アイソレータにおいてファラデー回転子を２個にすると、永久磁石の個数が４個、偏光素子も４個となるのに対し、本願発明の実施例にかかる光アイソレータにおいては、ファラデー回転子の個数を２個にしたときに、永久磁石の個数が３個、偏光素子も３個で済むことによる。

なお、本願発明の光アイソレータにおいて、ファラデー回転子の個数を２個にしたときに、永久磁石の個数が３個で済むのは、図２(ａ)，(ｂ)に示すように、第２の永久磁石２２が、第１のファラデー回転子１と第２のファラデー回転子２の両方に磁場を印加する働きをするため、この第２の永久磁石２２と、光の透過方向についてみた場合に、該第２の永久磁石２２の手前側と後ろ側に配置される第１の永久磁石２１と、第３の永久磁石２３との、合計３個の永久磁石で、図６に示すように、図４の光アイソレータを２個接続した場合と同様の機能を有する光アイソレータが得られることによる。

また、本願発明の実施例にかかる光アイソレータにおいては、入射光と出射光の偏光面は一致しており、光学的な調整が容易となるという利点がある。

また、上記実施例では、ファラデー回転子の個数が２個、永久磁石および偏光素子の個数がそれぞれ３個である場合を例にとって説明したが、本願発明の光アイソレータは、複数個のファラデー回転子と、永久磁石および偏光素子が組み合わされた光学素子を有し、その一部に、２個のファラデー回転子と、３個の永久磁石および３個の偏光素子を組み合わせた、図２(ａ)，(ｂ)に示すような構成を有する光学素子Ａを含んでいればよく、例えば、図３に示すように、光学素子Ａ'が、第２のファラデー回転子２以降に、さらに第ｎ個目（図３では３個目）のファラデー回転子３ｎを備え、第３の偏光子１３以降に、さらに第ｎ個目（図３では４個目）の偏光素子１４ｎを備え、第３の永久磁石２３以降に、さらに第ｎ個目（図３では４個目）の永久磁石２４ｎとを備え、光学素子Ａ'が、全体として、所定個数のファラデー回転子と、ファラデー回転子よりも１個多い偏光素子と、ファラデー回転子よりも１個多い永久磁石とを備えた構成とすることも可能である。なお、図３の光アイソレータにおいても、第ｎ個目のファラデー回転子３ｎが、第ｎ個目のプラスチック板４３ｎの貫通孔４３ａ内に保持され、第ｎ個目の偏光素子１４ｎが第ｎ個目の永久磁石２４ｎの貫通孔２４ａ内に保持された構成とされている。

なお、上記実施例では、磁束の均一性、および磁石のコストを考慮して、中心角が６０度で、組み合わせると円筒形状になるような、軸方向に平行な方向から見た場合の形状が略扇形の小磁石片６個を用いて永久磁石を形成するようにしているが、永久磁石の構成は、これに限られるものではない。６個以上に分割することも可能であり、また、６個以下に分割することも可能である。ただし、ファラデー回転子に、均一に磁場を印加する見地からは偶数個に分割する方が望ましい。また、特に分割されていない１個の磁石を用いることも可能であり、その場合には、円筒を２分割した場合の一方の半割円筒状の形状のものや、Ｕ字状のものを用いたりすることが可能である。また、場合によっては、分割されていない円筒状の永久磁石を用いるように構成することも可能である。

本願発明は、さらにその他の点においても上記実施例に限定されるものではなく、ファラデー回転子、偏光素子、永久磁石などの具体的な構成、形状、配設態様などに関し、発明の範囲内において、種々の応用、変形を加えることができる。

上述のように、本願発明の光アイソレータは、複数のファラデー回転子を備え、偏光素子、および、永久磁石をファラデー回転子よりも１個多く配設するとともに、隣り合う永久磁石の磁化方向が互いに逆方向になるようにしているので、従来の光アイソレータを接続して用いる場合に比べて、ファラデー回転子の数に対する偏光素子および磁石の数を少なくすることが可能になり、製品の小型化を図ることができる。

また、一般的な材料からなるファラデー回転子を用い、互いに隣り合う永久磁石の磁化方向が互いに逆向きであるように配設するだけで構成することができるため、複雑な構成や、特殊な材料などを必要とすることなく、小型で、磁気光学素子の消光比やアイソレーション特性に優れた高性能の光アイソレータを提供することが可能になる。

したがって、本願発明は、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ために、光通信システムなどに用いられる光アイソレータの分野に広く用いることが可能である。

比較例の光アイソレータの構成を示す図であり、(ａ)は側面図、(ｂ)は正面断面図である。 本願発明の一実施例にかかる光アイソレータの構成を示す図であり、(ａ)は側面図、(ｂ)は正面断面図である。 本願発明の変形例にかかる光アイソレータの構成を示す正面断面図である。 従来の光アイソレータの構成を示す正面断面図である。 従来の光アイソレータを複数個直列に接続して用いる方法を示す図である。 従来の光アイソレータを２個直列に接続した状態を示す正面断面図である。 従来の他の光アイソレータの構成を示す図であり、(ａ)は平面図、(ｂ)は(ａ)のＢ−Ｂ線断面図である。

符号の説明

Ａ、Ａ’ 光学素子
１ 第１のファラデー回転子
２ 第２のファラデー回転子
３ｎ 第ｎ個目のファラデー回転子
１１ 第１の偏光素子
１２ 第２の偏光素子
１３ 第３の偏光素子
１４ｎ 第ｎ個目の偏光素子
２１ 第１の永久磁石
２２ 第２の永久磁石
２３ 第３の永久磁石
２４ｎ 第ｎ個目の永久磁石
２１ａ，２２ａ，２３ａ，２４ａ 永久磁石の貫通孔（光軸）
２５ 筒状ケース部材（磁性ステンレスチューブ）
３１，３２，３３ 分割部材（小磁石片）
４１，４２，４３ｎ プラスチック板
４１ａ，４２ａ，４３ａ プラスチック板の貫通孔

Claims (8)

1. ファラデー回転子と、偏光素子と、永久磁石とを備えた光学素子を具備した光アイソレータであって、
   前記光学素子が、
   (ａ)常磁性体からなる第１のファラデー回転子、および、光の透過方向において、第１のファラデー回転子と隣り合うように配設され、第１のファラデー回転子を通過した光を通過させる第２のファラデー回転子と、
   (ｂ)光の透過方向についてみた場合に、第１のファラデー回転子の手前に配設された第１の偏光素子、第１および第２のファラデー回転子の間に配設された第２の偏光素子、および、第２のファラデー回転子の後に配設された第３の偏光素子と、
   (ｃ)第１および第２のファラデー回転子を通過する光の透過方向に垂直に磁化され、第１のファラデー回転子に、光の透過方向に平行に磁場が作用するように配設された第１の永久磁石、第１および第２のファラデー回転子を通過する光の透過方向に垂直に磁化され、光の透過方向についてみた場合に、第１の永久磁石の後ろ側に、第１の永久磁石と隣り合うように配設され、第１のファラデー回転子と、第２のファラデー回転子の両方に、光の透過方向に平行に磁場が作用するように配設された第２の永久磁石、および、第１および第２のファラデー回転子を通過する光の透過方向に垂直に磁化され、光の透過方向についてみた場合に、第２の永久磁石の後ろ側に、第２の永久磁石と隣り合うように配設され、第２のファラデー回転子に、光の透過方向に平行に磁場が作用するように配設された第３の永久磁石と
   を備えており、かつ、
   互いに隣り合う第１、第２および第３の永久磁石の磁化方向が、互いに逆向きであるように構成されていること
   を特徴とする光アイソレータ。
2. 請求項１の光アイソレータにおける、前記光学素子の構成において、前記光学素子が、第２のファラデー回転子以降の、さらにｎ個のファラデー回転子と、第３の偏光素子以降の、さらにｎ個の偏光素子と、第３の永久磁石以降の、さらにｎ個の永久磁石とを備えており（ただしｎは自然数）、
   前記光学素子が、全体として、所定個数の前記ファラデー回転子と、前記ファラデー回転子よりも１個多い偏光素子と、前記ファラデー回転子よりも１個多い永久磁石とを備えていること
   を特徴とする請求項１記載の光アイソレータ。
3. 第１、第２および第３の永久磁石のそれぞれが、周方向に複数に分割された分割部材からなる筒状構造を有していることを特徴とする請求項１または２記載の光アイソレータ。
4. 第１のファラデー回転子の、光の透過方向についてみた場合の前側部分が、筒状構造を有する第１の永久磁石の中空部分に配設され、
   第１のファラデー回転子の、光の透過方向についてみた場合の後ろ側部分と、第２のファラデー回転子の、光の透過方向についてみた場合の前側部分とが、筒状構造を有する第２の永久磁石の中空部分に配設され、
   第２のファラデー回転子の、光の透過方向についてみた場合の後ろ側部分が、筒状構造を有する第３の永久磁石の中空部分に配設されていること
   を特徴とする請求項３記載の光アイソレータ。
5. 少なくとも第２の偏光素子が筒状構造を有する第２の永久磁石の中空部分に配設されていることを特徴とする請求項３または４記載の光アイソレータ。
6. 第１，第２および第３の永久磁石のそれぞれが、周方向に複数に分割された分割部材からなる円筒形状を有するものであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光アイソレータ。
7. 第１，第２および第３の永久磁石のそれぞれが、周方向に２〜６分割された分割部材から構成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光アイソレータ。
8. 第１，第２および第３の永久磁石が、筒状ケース部材内に一体に収納されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の光アイソレータ。

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