JP2016109743A - １μｍ帯光アイソレータ - Google Patents

Abstract

【課題】ファラディ回転子が短尺であり、小型の光アイソレータを提供する。【解決手段】ファラディ回転子が、波長０．９〜１．１μｍのいずれかにおけるベルデ定数が０．４５ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以上のもので、ファラディ回転子の周囲に配置された第一中空マグネットと、該第一中空マグネットを挟んで配置された第二および第三中空マグネットとからなっており、第二および第三中空マグネットは、第一中空マグネットに対して、同じ磁極同士が向かい合うように配置されており、ファラディ回転子に印加される磁束密度Ｂ（Ｔ）は０．７５≦Ｂ≦１．２の範囲内であり、かつ、光軸方向におけるファラディ回転子の長さＬ（ｍｍ）は５．０≦Ｌ＜７．０の範囲内である１μｍ帯光アイソレータ。【選択図】図１

Description

本発明は１μｍ帯光アイソレータに関し、特には産業用レーザの分野で加工或いはマーキング用途等に用いられる、ファイバーレーザ用の１μｍ帯光アイソレータに関するものである。

従来より、切断、溶接、マーキング等用途の産業用レーザ加工機としては、ＣＯ_２レーザ（１０．６μｍ）とランプ励起式ＹＡＧレーザ（１μｍ）が代表的な装置である。

近年、その加工性能に対する要求が一層厳しくなり、より高精度かつ高出力、長寿命化がレーザ加工機に求められるようになっている。そのような市場要求の中で注目を浴びているのがファイバーレーザである。ファイバーレーザは、レーザダイオード（ＬＤ）光源から発振した１μｍ帯の光をイッテルビウム（Ｙｂ）などの希土類元素ドーピングファイバに伝搬させ、励起ＬＤにより増幅されることで、高精度かつ高出力なレーザ光をファイバ出力できるという特徴を持つ。同波長帯のランプ励起式ＹＡＧレーザと比較すると、励起光の変換効率が高く冷却の要求が少ないことやランプ励起が不要であることから、低消費電力・長寿命という長所を理由に注目されている。

しかしながら、ファイバーレーザは、その発光スペクトルが狭くて変換効率に優れるという特徴を持つが、その反面、反射光による戻り光に対しては非常に敏感であり、光ファイバヘの結合端面や高反射率の金属面からの反射光が戻ると特性が不安定状態になり、ひいては高出力な発光の為にＬＤ光源部が破損してしまうという危険性がある。よって、ファイバーレーザの安定動作の為には、反射光が発光光源である発光素子へ戻るのを防止するため、発光光源と加工体との間に光の一方向透過機能（順方向の光を透過し、逆方向の光を遮断する）を有する光アイソレータを配置し、光ファイバから発光光源の方向への反射光の戻り光を遮断する必要がある（特許文献１）。

ここで光アイソレータとは主に、ファラディ回転子と、ファラディ回転子の光入出射側に配置された偏光子と、ファラディ回転子の光透過方向（光軸方向）に磁界を印加するマグネットから成る３つの部品から構成される。この形態で光がファラディ回転子に入射するとファラディ回転子の中で偏光面が回転するという現象が生じる。これはファラディ効果と呼ばれる現象であり、偏光面が回転する角度をファラディ回転角と称し、その大きさθは次式で表される。
θ＝Ｖ×Ｈ×Ｌ
Ｖはベルデ定数で、ファラディ回転子の材料および測定波長で決まる定数であり、Ｈは磁界の大きさ、Ｌは光軸方向におけるファラディ回転子の長さである。この式から解るように、ある一定の大きさのベルデ定数を持つ回転子において、所望のファラディ回転角を得ようとすると、磁界が大きいほど回転子長を短くすることができ、回転子長が長いほど磁界を小さくすることできる。

また、一般的に光アイソレータの機能を有するためには、ファラディ回転角は４５°程度必要となる。
具体的に、光アイソレータに入射された光は、その偏光面をファラディ回転子により４５°回転されて各々角度調整された入出射偏光子を透過する。一方で、戻り光はファラディ回転子の非相反性を利用して、逆方向に偏光面を４５°回転されて入射偏光子と９０°の直行偏光面となり、透過できなくなる。光アイソレータは、この現象を利用して戻り光発生を防止するものである。

特開２０１２−８３３８１号公報

従来の構成では、例えばテルビウム・ガリウム・ガーネット（ＴＧＧ）結晶のような使用するファラディ回転子のベルデ定数が波長１．０６μｍにおいて０．１３５ｍｉｎ／（Ｏｅ．ｃｍ）程度であるため、そのファラディ回転角４５°を満たす長さは２０ｍｍ程度必要であった。このため、ファラディ回転子に与える磁束密度を大きくするために、その周囲のマグネット形状を大きくする必要があった。その結果、装置内における寸法的な制限が生じたり、また光アイソレータ外部からの漏洩磁場も大きく取り扱いが困難であった。

したがって、近年のレーザ加工機、特にファイバーレーザに搭載される光アイソレータにおいては、小型化への要求が強くなっており、上記光アイソレータのファラディ回転子として用いられる材料は、ファラディ効果が大きく且つ使用されるマグネットの形状が小さい構成が必要である。
つまり、ファラディ回転子の長さを短くすることが必要であるが、ファラディ効果が大きい結晶と磁束密度の大きいマグネット材及び磁気回路を用いることで解決するのが最も現実的である。また、レーザ加工機で問題となるハイパワー光によるファラディ回転子の光損傷は、回転子の透過率と長さで決まるため、透過率が高く長さが短いほど好都合である。

一方、特許文献１によると、上記マグネットの小型化のため、ファラディ回転子として（Ｔｂ_ＸＹ_１−Ｘ）_２Ｏ_３（ｘ＝０．６〜１．０）を用い、上記マグネット形状の小型化およびファラディ回転子の短尺化（７．０≦Ｌ≦１１．０ｍｍ）について記されている。
しかしながら、今日のより広範囲な加工用途を目的としたファイバーレーザの高出力化は日進月歩、出力増大の一途をたどっている。それに伴いこれらの高出力レーザへ搭載する光アイソレータは、小型化と同時により低損失な特性が求められ、ファラディ回転子の短尺化へのニーズはより一層高まる状況となっている。

そこで本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、ファラディ回転子が短尺であり、小型の光アイソレータを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、ファラディ回転子とマグネットとを備えた１μｍ帯光アイソレータであって、前記ファラディ回転子は、波長０．９〜１．１μｍのいずれかにおけるベルデ定数が０．４５ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以上のものであり、前記マグネットは、前記ファラディ回転子の周囲に配置された第一中空マグネットと、該第一中空マグネットを挟んで配置された第二中空マグネットおよび第三中空マグネットとからなっており、前記第二中空マグネットおよび第三中空マグネットは、前記第一中空マグネットに対して、同じ磁極同士が向かい合うように配置されており、前記ファラディ回転子に印加される磁束密度Ｂ（Ｔ）は下記式（１）の範囲内であり、かつ、光軸方向における前記ファラディ回転子の長さＬ（ｍｍ）は下記式（２）の範囲内であることを特徴とする１μｍ帯光アイソレータ。
０．７５≦Ｂ≦１．２ （１）
５．０≦Ｌ＜７．０ （２）

θ＝Ｖ×Ｈ×Ｌのファラディ回転角の式から分かるように、所望のファラディ回転角を得ようとするとき、まずベルデ定数は、その値が高いほど、必要な光軸方向におけるファラディ回転子の長さ（以下、単に、ファラディ回転子の長さ、ともいう）や、必要な磁界の大きさ、ひいては磁束密度を小さくすることができる。それによりファラディ回転子の短尺化やマグネットのサイズを小さくすることができる。

本発明ではベルデ定数が０．４５ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以上で高い値であるため、従来品よりもファラディ回転子やマグネットのサイズを小さくすることができる。

さらには、本発明では、ファラディ回転子の長さＬが７．０ｍｍ未満であり、前述したような従来品（７．０ｍｍ以上）よりもファラディ回転子の大きさを小さくすることができる（長さを短くすることができる）。なお、ファラディ回転角の式より、ファラディ回転子の長さＬを大きくすると、必要な磁束密度Ｂは小さくなるため、マグネットのサイズを小さくしたりその数を減らすことができる。なお、ここで、この磁束密度Ｂを小さくしすぎると、逆にファラディ回転子の長さＬを従来よりも大きくする必要が生じ、光アイソレータの損失が大きくなってしまうので、磁束密度は０．７５Ｔ以上とする。

一方、ファラディ回転子の長さＬを小さくすると、必要な磁束密度Ｂが大きくなり、マグネットのサイズも大きくする必要がある。本発明では、ファラディ回転子の長さＬの下限を５．０ｍｍとしているので、必要な磁束密度Ｂが大きくなりすぎることもない（１．２Ｔ以下）。そのため、マグネットのサイズも必要以上に大きくならずに済ますことができ、光アイソレータ全体のサイズの小型化を図ることができる。

また、第一から第三中空マグネットを本発明のような配置にすることで、ファラディ回転子が位置するところの磁束密度が効率的に大きくなるようにすることができる。これによりマグネットの小型化、ひいては光アイソレータの小型化を図ることができる。

また、前記ファラディ回転子は、（Ｔｂ_ＸＲｅ_１−Ｘ）_２Ｏ_３（ｘ＝０．９〜１．０）により構成される単結晶またはセラミックス材料からなるものであり、Ｒｅは、テルビウム以外のランタノイド元素群と、スカンジウムと、イットリウムとからなる集合から選択された少なくとも１つの元素を含むものとすることができる。

上記のようなものはファラディ回転子として用いられる材料として好適であり、ｘが上記範囲であると一層高いベルデ定数を得ることができる。これにより、より一層光アイソレータの小型化を図ることができる。

また、前記ファラディ回転子は、（Ｔｂ_ＸＹ_１−Ｘ）_２Ｏ_３（ｘ＝０．９〜１．０）により構成されるセラミックス材料からなるものとすることができる。

このようなものであれば、低コストで、かつ、比較的入手しやすい。

また、前記ファラディ回転子は、前記光軸方向における長さＬ（ｍｍ）において、挿入損失が１．０ｄＢ以下および消光比が２５ｄＢ以上の光学特性を有するものとすることができる。

このようなものであれば、低損失かつ高アイソレーションの光学特性を有する光アイソレータとすることができる。

また、前記第一中空マグネット、第二中空マグネットおよび第三中空マグネットは、炭素鋼筐体の内部に搭載されているものとすることができる。

炭素鋼筐体に収納することにより、マグネットの周囲にヨーク（継鉄）材が構成されることになるので、マグネットの持っている吸着力あるいは吸引力を増大させることができる。

以上のように、本発明によれば、従来品よりもファラディ回転子を短尺化し、マグネットを小さくすることができ、光アイソレータをさらに小型化することが可能である。そして、光アイソレータの小型化によって、該光アイソレータを有する本体装置の空間的寸法の自由度を大きくすることができる。また、ファラディ回転子の長さを従来よりも短くすることができるので、ハイパワー光入力により懸念されるファラディ回転子の光損傷に対して耐性を持つことが期待できる。

本発明の光アイソレータの基本的な構成の一例を示す断面模式図である ファラディ回転角を４５°とするために必要なファラディ回転子の長さと磁束密度の関係を示すグラフである。 実施例１、２、比較例１における、ファラディ回転角を４５°とするために必要なファラディ回転子の長さと磁束密度の関係を示すグラフである。 実施例１のマグネット構成における磁束密度分布解析結果を示すグラフである。 比較例１のマグネット構成における磁束密度分布解析結果を示すグラフである。 偏光無依存型の光アイソレータにおける、入力光および戻り光の偏光状態の挙動を示す説明図である。 従来の光アイソレータの基本的な構成の一例を示す断面模式図である。

以下、本発明の実施の形態を詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
本発明の光アイソレータは、０．９〜１．１μｍの波長帯域のレーザ光に好ましく使用される。このようなレーザとしては、ランプ励起式ＹＡＧレーザが含まれる。

なお、ここでまず、偏光無依存型の光アイソレータの基本構造、原理について簡単に説明しておく。
高出力のファイバーレーザに搭載される光アイソレータには、各部品がハイパワー光に対して耐性を持ち、伝搬する光の偏光状態に影響されない偏光無依存型であることが要求される。この要求に応えるべく、使用される偏光子としては、その屈折率差を利用して光ビームを分離する複屈折結晶が最適である。代表的な複屈折結晶としては、波長１．０〜１．１μｍで透明であるイットリウム・バナデート（ＹＶＯ_４）、ルチル単結晶（ＴｉＯ_２）、方解石単結晶（ＣａＣＯ_３）、α−ＢＢＯ結晶（ＢａＢ_２Ｏ_４）が挙げられ、それらを使用することができる。

また、偏光無依存化を図るためには、複屈折結晶の光学軸は光軸に対しておよそ４５°になるように平板加工を施すことが好ましく、その厚みは異常光の分離距離と比例関係にあるため所望のビームシフト量を満足する厚みに各々精度良く加工すればよい。この平板型複屈折偏光子を入出射偏光子として２枚配置し、その間に波長０．９〜１．１μｍのいずれかにおいて４５°のファラディ回転角を有するファラディ回転子と、同一波長で偏光面を４５°回転する４５度旋光子と、その周囲にファラディ回転子の光軸方向に磁界を与えるマグネットを配置することにより偏光無依存型光アイソレータが構成される。

図６に上記構成の偏光無依存型の光アイソレータにおける、入力光および戻り光の偏光状態の挙動を示す。
入力光はスネルの法則に従い、入射偏光子の光学軸偏光方向にシフトする異常光と、光学軸に対して直交偏光方向で直進する常光２つに分離される。この２つの分離光は、ファラディ回転子により偏光面をそれぞれ回転され、更に次に入射する４５度旋光子において偏光面を４５°回転する。これにより異常光、常光の偏光回転角は９０度になり、出射偏光子に入射すると異常光が常光、常光が異常光に入れ替わり異常光のみが光学軸方向にシフトする。この結果、入射偏光子において分離された２つのビームは出射偏光子において一致し、偏光無依存の機能を示す。

一方、戻り光が出射偏光子に入射すると、前述と同様に異常光および常光に分離される。この２つの分離光が４５度旋光子に入射すると、前記入力光と同方向に偏光面を４５°回転し、ファラディ回転子に入射する。このとき、ファラディ回転子の非相反性により、前記入力光の偏光回転方向とは逆に４５°回転される。その結果、偏光面の回転角は０度となるので入射偏光子において、異常光は異常光として２度ビームシフトして直進し、常光は常光としてそのまま直進することになる。これにより、戻り光は２つの分離光に分かれ、入力光の入射位置においては、各々偏光子１つ分の分離距離を保ったまま平行出力されるので、偏光無依存型光アイソレータとして機能する。

このような偏光無依存型の本発明の光アイソレータについて詳述する。
図１は、本発明の光アイソレータの基本的な構成の一例を示す断面模式図である。全体的な構成としては、まず、図１に示すように、本発明の光アイソレータ１では、入射偏光子２、ファラディ回転子３（ここでは所望のファラディ回転角が４５°のものとする）、及び出射偏光子４が、左側の入射側から右側の出射側に向う光軸５上に、順次配置されている。図１において、入射偏光子２や出射偏光子４は楔ガラス６により光軸５上に固定されている。入射側で入射偏光子２は偏光子ホルダ７に固定されている。一方、出射側では４５度旋光子８と出射偏光子４が偏光子ホルダ７に固定されている。また、光学軸９を入射偏光子２及び出射偏光子４に示している。
またファラディ回転子３の外周には、マグネット１０（第一中空マグネット１１、第二中空マグネット１２、第三中空マグネット１３）が配置されている。
そして、このマグネット１０は炭素鋼筐体１４の内部に搭載されている。

以下、本発明におけるファラディ回転子３およびマグネット１０について、さらに詳述する。
（ファラディ回転子について）
まず、ファラディ回転子３について説明する。
本発明におけるファラディ回転子は、波長０．９〜１．１μｍのいずれかにおけるベルデ定数が０．４５ｍｉｎ／（Ｏｅ．ｃｍ）以上であり、好ましくは、波長１．０６μｍにおけるベルデ定数が０．４５ｍｉｎ／（Ｏｅ．ｃｍ）以上である。ベルデ定数は０．４５ｍｉｎ／（Ｏｅ．ｃｍ）以上であれば特に限定されないが、より大きいベルデ定数を有することがより好ましい。このように大きなベルデ定数のものとすることで、ファラディ回転子３の長さやマグネット１０のサイズの小型化をより一層図ることができる。

逆に、ベルデ定数が０．４５ｍｉｎ／（Ｏｅ．ｃｍ）未満であると、ファラディ回転角を４５°とするために必要なファラディ回転子の長さが長くなり、光アイソレータの低損失化が困難である。また、マグネットの必要なサイズも大きくなり、小型化が困難になる。

なお、このベルデ定数は定法に従い測定すればよい。具体的には、所定の厚さの酸化物を切り出し、鏡面研磨仕上げを行い、磁束密度の大きさが既知の永久磁石にファラディ回転子をセットし、波長０．９〜１．１μｍにおけるベルデ定数を測定する。また、測定条件は２５±１０℃とし、大気中で測定を行う。

また、このファラディ回転子の形状は、その長さ以外は特に限定されず、三角柱状、四角柱状でもよいが、円筒状であることが好ましい。ここでは円筒状のファラディ回転子を例にとり説明する。
そして、ファラディ回転子の長さＬ（ｍｍ）は下記式（２）の範囲内にある。
５．０≦Ｌ＜７．０ （２）
この長さＬが７．０ｍｍ以上になると、ファラディ回転子の長さが従来品よりも短いものではなくなってしまい、光アイソレータの小型化、低損失化が難しくなる。
また、５．０ｍｍ未満であると所望のファラディ回転角を得るための磁束密度の大きさが大きくなり、そのためマグネットのサイズも大きくする必要が出てしまい、やはりアイソレータの小型化が難しくなる。したがって、ファラディ回転子の長さを上記のように５．０ｍｍ以上、７．０ｍｍ未満にする必要がある。

本発明に用いるファラディ回転子は、（Ｔｂ_ＸＲｅ_１−Ｘ）_２Ｏ_３（ｘ＝０．９〜１．０）により構成される単結晶またはセラミックス材料からなるものであり、Ｒｅは、テルビウム以外のランタノイド元素群と、スカンジウムと、イットリウムとからなる集合から選択された少なくとも１つの元素を含むものとすることができる。このようなものであれば好適である。

ここで、Ｒｅは一種単独であってもよいし、複数のＲｅが任意の比率で含まれていてもよい。これらの中でも、原料が入手容易であるという観点から、Ｒｅとしてはイットリウム、ガドリニウム及びルテチウムが好ましく、より好ましくはイットリウムである。すなわち、（Ｔｂ_ＸＹ_１−Ｘ）_２Ｏ_３（ｘ＝０．９〜１．０）であれば、コスト面、入手の容易性において有利である。

また、本発明に用いるファラディ回転子は、前記式（Ｔｂ_ＸＲｅ_１−Ｘ）_２Ｏ_３で表される酸化物以外の成分を含有していてもよい。
本発明に用いることができるファラディ回転子が含有し得るその他の成分としては、アルカリ土類金属の酸化物、第１３族元素の酸化物、第１４族元素の酸化物、その他第４族元素、第５族元素（Ｖ、Ｎｂ、Ｔａなど）、第６族元素（Ｍｏ、Ｗなど）、及び第１７族元素（Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒなど）の酸化物よりなる群から選択される金属酸化物などが挙げられるが、これらに限定されない。また、その他の成分は２種類以上含んでいてもよく、その含有量はファラディ回転子全体の０．０００００１〜１．０質量％であることが好ましく、０．００００１〜０．１質量％であることがより好ましい。

上記の金属酸化物は、例えば、単結晶作製の際に添加するドーパントや、セラミックス作製時に添加する焼結助剤として含有される。また、ファラディ回転子の材料を製造する際に、坩堝の構成成分などが副成分として混入する場合もある。

酸化物結晶を作製する方法としては、公知の方法を用いればよいが、フローティングゾーンメルト法、マイクロ引下げ法、引上げ法、スカルメルト法、ブリッジマン法などが例示される。これらの各方法については、「バルク単結晶の最新技術と応用開発」（福田承生監修、シーエムシー出版、２００６年３月）、「結晶成長ハンドブック」（「日本結晶成長学会「結晶成長ハンドブック」編集委員会編、共立出版株式会社、１９９５年９月」に詳しい。
酸化物単結晶の作製においては、上述したように、安定に結晶化させる目的で、アルカリ土類金属の酸化物（例えば、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム）をドーピングしてもよい。

前記式（Ｔｂ_ＸＲｅ_１−Ｘ）_２Ｏ_３で表される酸化物は、単結晶又はセラミックスであることが好ましいが、低温で合成できることからセラミックスであることがより好ましい。
酸化物の単結晶を製造する場合、原料を融液状態にするために高温にする必要がある。例えば、酸化テルビウムの融点は約２６００℃、酸化イットリウムの融点は約２３００℃であり、それら２つの固溶体を製造する場合は、２つの融点の中間温度まで昇温する必要がある。
一方、セラミックスの場合は、その融点まで昇温する必要がなく、加圧焼結すれば、融点以下で、作製することができる。焼結時に、焼結助剤を入れて、焼結密度を上げて、緻密化させることも可能である。セラミックスの場合では、単結晶を製造する場合のように高温のため、原料を溶融して単結晶を作製するための坩堝の選定が、レニウム、タングステン、又はそれらの合金等に限られることもなく、製造コストをより低減できる。

ファラディ回転子として用いられる透明セラミックスの作製方法としては、従来公知の製造方法を適宜選択して使用することができ、特に限定されない。主な作製方法としては、熱間等方圧加圧処理する方法、固相法とプレス成形法とを組み合わせる方法、鋳型成形等を利用して真空焼結する方法等が挙げられ、池末明生著「光学単結晶から光学多結晶へ」応用物理、第７５巻、第５号、５７９−５８３（２００６）、柳谷高公、八木秀喜著「セラミックレーザー材料の現状と将来」レーザー研究、第３６巻、第９号、５４４−５４８（２００８年）等に記載されている。

本発明に用いることができるファラディ回転子は、波長０．９〜１．１μｍで使用される光アイソレータ機能を実現するために、光軸方向における長さＬ（５．０≦Ｌ＜７．０）において挿入損失が１．０ｄＢ以下および消光比が２５ｄＢ以上の光学特性を有することが好ましい。
挿入損失は１．０ｄＢ以下であればより低い方がよく、消光比は２５ｄＢ以上であればより高い方が好ましいが、少なくとも前記範囲内であれば、低損失かつ高アイソレーションの光学特性を有する光アイソレータの作製が可能となる。
なお、挿入損失及び消光比等の光学特性は、定法に従い、波長１．０６μｍにおいて測定することができる。なお、測定条件は２５±１０℃とし、大気中で測定を行う。

また、本発明に用いることができるファラディ回転子は、波長１．０６μｍ、光軸方向における長さＬｍｍ（５．０≦Ｌ＜７．０）での透過率（光の透過率）が７０％以上であることが好ましい。ファラディ回転子の透過率は１００％以下であれば、より高い方が好ましく、上限は特に限定されない。
透過率は、波長１．０６μｍの光を厚さＬｍｍのファラディ回転子に透過させた時の光の強度により測定される。すなわち、透過率は以下の式で表される。
透過率＝Ｉ／Ｉｏ×１００
（上記式中、Ｉは透過光強度（厚さＬｍｍの試料を透過した光の強度）、Ｉｏは入射光強度を表す。）
なお、得られる酸化物の透過率が均一ではなく、測定箇所によって透過率に変動がある場合には、任意の１０点の平均透過率をもって、該酸化物の透過率とする。

（マグネットについて）
次に、マグネット１０（第一中空マグネット１１、第二中空マグネット１２、第三中空マグネット１３）について説明する。
図１に示すように、ファラディ回転子３の周囲に第一中空マグネット１１が配置されており、さらに、該第一中空マグネット１１を挟んで第二中空マグネット１２および第三中空マグネット１３が配置されている。また、この第二、第三中空マグネット１２、１３は、第一中空マグネット１１に対して、同じ磁極同士が向かい合うように配置されている。

なお、ファラディ回転子が円筒状の場合、第一から第三中空マグネットはいずれも中空円筒状であることが好ましく、ファラディ回転子の中心軸及び第一から第三中空マグネットの中空部の中心軸は同軸であることが好ましい。また、ファラディ回転子の外径と、第一から第三中空マグネットの中空部の内径はほぼ同じであり、光アイソレータを組み立てた後に調芯とすることが好ましい。この配置により、ファラディ回転子が第一中空マグネットの中心に配置される。
また、第一から第三中空マグネットは、これらの中空部が光軸と同軸になるように配置されている。

ところで、一般に光アイソレータにおいては、ファラディ回転子が位置するところの磁束密度が大きくなるようにマグネットを配置することが好ましい。
ここで、従来例としては特許文献１のような配置例が挙げられる。図７に、マグネットの配置例を含む従来の光アイソレータの基本的な構成の一例を示す。
特許文献１に記載の従来の光アイソレータ１０１では、ファラディ回転子１０３（ベルデ定数が０．２７ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以上）の周囲に第一中空マグネット１１１が配置されており、その両端に第二中空マグネット１１２、第三中空マグネット１１３が図７に示す向きで配置されている。なお、第二中空マグネット１１２および第三中空マグネット１１３はそれぞれ４つに分割されている。

しかしながら図７のような構成にすると磁束密度を比較的大きくすることは可能になるが、部品数が多くなり、光アイソレータの製造が煩雑になるという問題がある。
一方で本発明のマグネット構成は、光アイソレータ製造の容易さやコストを低減できるという観点から極めて優れている。

また、光アイソレータに使用するマグネットは、可能な限り小型であることが好ましい。したがって、本発明に使用するマグネットの種類は特に限定されないが、大きな磁束密度を示すことから、ネオジム−鉄−ボロン（ＮｄＦｅＢ）系磁石が好ましい。

また、本発明における、ファラディ回転子３に印加される磁束密度Ｂ（Ｔ）の数値範囲は、前述したように下記式（１）で示される。この数値範囲を導き出した経緯について説明する。
０．７５≦Ｂ≦１．２ （１）

ファラディ回転角が４５°の光アイソレータを得るために必要な磁束密度Ｂを求めた。ここでは、ファラディ回転子として（Ｔｂ_ＸＹ_１−Ｘ）_２Ｏ_３（ｘ＝０．９〜１．０）からなるものを用意した。そしてファラディ回転子の長さＬを変化させ、そのときに必要な磁束密度Ｂを求めた。その結果を図２に示す。
なお、ファラディ回転子の長さＬは５．０〜７．０ｍｍの範囲とし、上記組成式においてｘ＝１．０のとき（ベルデ定数が０．５０ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ））とｘ＝０．９のとき（ベルデ定数が０．４６ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ））についての上記磁束密度分布を示している。
そして、この図２から、上記の必要な磁束密度Ｂは０．７５〜１．２（Ｔ）の範囲であることが分かる。このようにして、本発明における磁束密度Ｂの数値範囲を導き出した。

（その他の部品について）
前述したように、炭素鋼筐体１４内にマグネット１０は搭載されている。炭素鋼筐体１４に収納することにより、マグネット１０の周囲にヨーク（継鉄）材が構成されることになるので、マグネットの持っている吸着力あるいは吸引力を増大させることができる。

以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例１）
図１に示すような本発明における光アイソレータ１を作製した。なお、ここではファラディ回転角が４５°のものを作製した。
入射偏光子２および出射偏光子４としてはルチル単結晶を使用し、その光透過面は１０ｍｍ厚の平行平板に加工されており、その光学軸９は光軸５に対して４７．８度傾いている。この図１では傾き方向が図中にあるように描かれている。さらにこの平板型偏光子は光透過面に中心波長１．０６μｍの反射防止膜を施すとともに、入射光路に光透過面の反射光が戻ることを回避するため、５度だけ傾き角度をもった楔ガラス６の上に偏光子底面を接着固定し偏光子ホルダ７に搭載した。また、中心波長１．０６μｍの反射防止膜を施したファラディ回転子３は第一中空マグネット１１の中空部中心に位置するようにし、第二中空マグネット１２と第三中空マグネット１３を合わせた全てのマグネットにより形成される磁界分布の最大となる位置に固定した。入射光路順にファラディ回転子３の後に配置される４５度旋光子８は、人工水晶を材質とする１／２波長板を使用し、前記偏光子およびファラディ回転子と同様、その光透過面には中心波長１．０６μｍの反射防止膜を施してある。

ここで、入力光の偏光面の挙動として、入射偏光子２において偏光面を０度、９０度に分離された常光、異常光がファラディ回転子３により右回りにそれぞれ４５°回転される。この偏光面の角度が更に右回りに４５°回転されるように、１／２波長板の光学軸は面内に２２．５度とし配置した。この構成で常光、異常光が１／２波長板を透過すると、偏光面が共に右回りに４５°回転されるので、常光、異常光それぞれ９０度偏光面を回転する。その結果、出射偏光子４においては、入射偏光子２と同方向に光学軸を有しているので、常光が異常光としてビームシフト、異常光は常光として直進し双方のビームが一致して偏光無依存化が図られる。

尚、前述したビームシフト量は平行平板偏光子の厚みに依存し、１０ｍｍ厚とした本実施例においてはおよそ１ｍｍとなる。戻り光についても入射位置よりそれぞれ上下１ｍｍ離れて分離され出射されるので、光アイソレータ機能を考慮すると、最大ビーム径（１／ｅ^２）としてはφ１．０ｍｍまで対応することができる。また、ハイパワー光のパワー密度を小さくする等の目的で、さらに大きいビーム径を取り扱う場合は、ファラディ回転子の有効領域を確保した上で、平行平板偏光子の厚みを１０ｍｍ以上の任意の大きさにすれば良い。

マグネット磁気回路については、第一中空マグネット１１に対し第二中空マグネット１２と第三中空マグネット１３は各々相互に反磁力を持ち合わせる３枚の構成としており、外形は円筒でも四角、多面体でもよい。
この実施例１においては、各々のマグネットは同外径の円筒形状としており、これと同外径の偏光子ホルダ７と同時に外部筐体１４に挿入し、前記偏光子ホルダ７の側面部をねじ或いはロールピン等で固定することで各々マグネットが隙間なく固定することができる。これにより、構成するマグネット全体の固定が接着剤等を必要としない信頼性の高い実装を可能にした。

次に、実施例１でのファラディ回転子３の詳細を説明する。
材料としてはテルビウム酸化物であり、その組成はｘ＝１．０とするＴｂ_２Ｏ_３セラミックスを用いた。透明セラミックスの作製方法として、先ず原料粉末（Ｔｂ_２Ｏ_３、及びその他の成分）の混合粉末を調製する。なお、混合粉末の調製方法については、高純度の粉末材料（Ｔｂ_２Ｏ_３及び、その他の成分）を使用し、純度９９．９９重量％以上とした。
また、酸化テルビウムとしてはＴｂ_２Ｏ_３に限定されるものではなく、Ｔｂ_４Ｏ_７を使用することもできるが、得られる酸化物の結晶性に優れることから、ここではＴｂ_２Ｏ_３を使用した。

次に得られた混合粉末に、溶媒、結合剤、可塑剤、潤滑剤等を添加し、湿式混合してスラリー状とする。なお、このとき焼結助剤を所定量添加し、得られたスラリーをスプレードライヤーで処理して、乾燥させ、その後、円柱状に成形する。
なお、成形後、加熱（好ましくは４００〜６００℃）により脱脂処理を行うことが好ましく、ここでは大気中において４００℃で行った。

その後、真空炉で焼成を行った。焼成条件としては、１５００〜２０００℃で、焼成時間は１〜５０時間、焼成時真空度は１Ｐａ以下であることが好ましく、さらには１×１０^−１Ｐａ以下とすることができる。
ここでは、１６００℃、１×１０^−２Ｐａで、３時間行った。

また、上記の焼成の後、さらに透明性を上げるため、熱間等方圧加圧（ＨＩＰ）法で処理を行った。処理温度は、前記焼成温度よりも高いことが好ましく、１６００〜２０００℃である。またこのときの処理圧力は、１０〜１０００ＭＰａとすることができる。処理時間は特に限定されないが、５０時間以下で行うことができる。
ここでは、１７００℃、１８０ＭＰａで、３時間行った。

こうして得られたＴｂ_２Ｏ_３セラミックスを外周研削および円柱両端面の光学研磨を行い、両端面には中心波長１．０６μｍにおいて無反射コーティングを施した。その後、同波長１．０６μｍにおいて光学測定を行ったところ、挿入損失が０．３ｄＢ、消光比が３５ｄＢ、ベルデ定数が０．５０ｍｉｎ／（Ｏｅ．ｃｍ）の特性を有していることがわかった。
なお、このとき測定したサンプルは外径φ３．５ｍｍ、長さ５．５ｍｍの形状であった。

ここで、マグネットの形状について考察した。具体的には、上記ファラディ回転子の長さが５．５ｍｍの際に、ファラディ回転角が４５°となるのに必要な磁束密度を求め、そして、図１のような本発明におけるマグネット配置において、その必要な磁束密度が得られるマグネットの形状を求めた。

まず、実施例１のファラディ回転子について、サンプル長（光軸方向におけるファラディ回転子の長さ）を変化させたときに、ファラディ回転角が４５°となる磁束密度の大きさを図３に示す。
ここで、実施例１について、サンプル長（５．５ｍｍ）とベルデ定数（０．５０ｍｉｎ／（Ｏｅ．ｃｍ））値から、ファラディ回転角４５°になる磁束密度を算出すると、必要とする磁束密度は９８００（Ｏｅ）（＝０．９８（Ｔ））程度であることがわかった。

次に、図１のようにしてマグネットを配置したときのマグネットの磁束密度分布を、マグネット外径寸法をパラメータとした磁場解析により求めた。
なお、解析手法としては有限要素法（ＪＭＡＧ−Ｄｅｓｉｇｎｅｒ）を選択し、マグネット材質は信越化学工業株式会社製のネオジム−鉄−ボロン（ＮｄＦｅＢ）マグネット、外部筐体１４の材質は炭素鋼とした。シミュレーション結果を図４に示す。

ここで、図４の横軸Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｚは、光軸５（中空マグネットの中空部の中心軸）に沿った位置を示し、０地点は全中空マグネットユニット（第一中空マグネット、第二中空マグネット、第三中空マグネットを合わせたもの）の長さの中心に相当する。第一中空マグネットの長さ（ｍｍ）をＭＴで示し、第二および第三中空マグネットの長さをＭＯと示す場合、ＭＯは次式より求められる。
ＭＯ＝（６５−ＭＴ）／２ （全中空マグネットユニットの長さは６５ｍｍとした）

その結果、式（１）、式（２）を満たす全中空マグネットの全体の形状は内径φ４．０ｍｍ、外径φ２５ｍｍ、長さ６５ｍｍとなった。
また、実施例１のファラディ回転子３（サンプル長５．５ｍｍ、外径３．５ｍｍ）に必要な磁束密度９８００（Ｏｅ）（＝０．９８（Ｔ））を満足するには、図４よりＭＴ＝２０（ｍｍ）のときが最適であった。

以上をまとめると、実施例１において、各数値は以下の通りであった。
ファラディ回転子の形状（ベルデ定数：０．５０ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）、サンプル長：５．５ｍｍ、外径：３．５ｍｍ）
ファラディ回転子に印加される磁束密度：０．９８Ｔ
マグネットの全体の形状（内径：４．０ｍｍ、外径：２５ｍｍ、長さ：６５ｍｍ（このうち、第一中空マグネットの長さは２０ｍｍ））

（実施例２）
ファラディ回転子３として、組成をｘ＝０．９として、（Ｔｂ_０．９Ｙ_０．１）_２Ｏ_３のセラミックスを用いたこと以外は実施例１と同様にして、本発明の光アイソレータを作製した。
この実施例２において、各数値は以下の通りであった。
ファラディ回転子の形状（ベルデ定数：０．４６ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）、サンプル長：５．５ｍｍ、外径：３．５ｍｍ）
ファラディ回転子に印加される磁束密度：１０６００［Ｏｅ］＝１．０６Ｔ
マグネットの全体の形状（内径：４．０ｍｍ、外径：２５ｍｍ、長さ：６５ｍｍ（このうち、第一中空マグネットの長さは１５ｍｍ））

（比較例１）
特許文献１のようなマグネットの配置の図７の従来の光アイソレータを作製した。
なお、ファラディ回転子１０３として（Ｔｂ_０．６Ｙ_０．４）_２Ｏ_３のセラミックスを作製し、ベルデ定数を測定した。その結果、ベルデ定数は０．３０ｍｉｎ／（Ｏｅ．ｃｍ）であった。また、特許文献１でのファラディ回転子１０３の長さは実際には７ｍｍ以上であるが、ここでは実施例１、２のマグネット構成の有効性（マグネットサイズの小型化可能性）について比較しやすいように、実施例１、２と同様にファラディ回転子の長さを７ｍｍ未満とした（具体的には６．５ｍｍ）。

比較例１のサンプル長とファラディ回転角が４５°となる磁束密度の大きさとの関係を、実施例１および実施例２の結果とともに図３に示した。
図３からわかるように、比較例１について、サンプル長６．５ｍｍのとき、ファラディ回転角が４５°になる磁束密度は、１３８００（Ｏｅ）（＝１．３８（Ｔ））程度であることがわかった。
また、図５は、図７に示したマグネット構成（特許文献１参照）の磁束密度分布を解析した結果である。比較例１の（Ｔｂ_０．６Ｙ_０．４）_２Ｏ_３のセラミックス（サンプル長６．５ｍｍ、外径３．５ｍｍ）が必要とする上記磁束密度に対応したマグネットの全体の形状は、内径４．０ｍｍ、外径３５ｍｍ、長さ６５ｍｍとなり、ＭＴ＝１５（ｍｍ）が最適であった。

すなわち、比較例１についてまとめると、各数値は以下の通りであった。
ファラディ回転子の形状（ベルデ定数：０．３０ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）、サンプル長：６．５ｍｍ、外径：３．５ｍｍ）
ファラディ回転子に印加される磁束密度：１．３８Ｔ
マグネットの全体の形状（内径：４．０ｍｍ、外径：３５ｍｍ、長さ：６５ｍｍ（このうち、第一中空マグネットの長さは１５ｍｍ））

ここで、実施例１と比較例１のマグネットの全体の形状を比較したところ、体積比５０％のサイズダウンを実現できることがわかった。よって、本発明は、各部品および構成をより小型にすることができる。
なお、実施例２と比較例１のマグネット形状を比較すると、体積比５０％のサイズダウンを実現できることがわかった。

ベルデ定数が０．４５ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以上であり、式（１）および式（２）を満たす本発明の構成（図３の斜線部）では、比較例１での（Ｔｂ_０．６Ｙ_０．４）_２Ｏ_３セラミックスを用いた従来品とは異なり、所望のファラディ回転角を得るために必要な磁束密度を小さくすることが可能となる。そのため、図７に示したような従来のマグネット構成（特許文献１参照）にする必要がなく、部品点数を少なくすることができるので、光アイソレータの小型化およびコスト低減に寄与する。
加えて、前述したようにファラディ回転子の長さも７ｍｍ未満と短くできるため、光アイソレータの損失の低減にも寄与する。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

１…光アイソレータ、 ２…入射偏光子、 ３…ファラディ回転子、
４…出射偏光子、 ５…光軸、 ６…楔ガラス、 ７…偏光子ホルダ、
８…旋光子、 ９…光学軸、 １０…マグネット、
１１…第一中空マグネット、 １２…第二中空マグネット、
１３…第三中空マグネット、 １４…炭素綱筐体。

Claims (5)

1. ファラディ回転子とマグネットとを備えた１μｍ帯光アイソレータであって、
   前記ファラディ回転子は、波長０．９〜１．１μｍのいずれかにおけるベルデ定数が０．４５ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以上のものであり、
   前記マグネットは、前記ファラディ回転子の周囲に配置された第一中空マグネットと、該第一中空マグネットを挟んで配置された第二中空マグネットおよび第三中空マグネットとからなっており、
   前記第二中空マグネットおよび第三中空マグネットは、前記第一中空マグネットに対して、同じ磁極同士が向かい合うように配置されており、
   前記ファラディ回転子に印加される磁束密度Ｂ（Ｔ）は下記式（１）の範囲内であり、かつ、光軸方向における前記ファラディ回転子の長さＬ（ｍｍ）は下記式（２）の範囲内であることを特徴とする１μｍ帯光アイソレータ。
   ０．７５≦Ｂ≦１．２ （１）
   ５．０≦Ｌ＜７．０ （２）
2. 前記ファラディ回転子は、（Ｔｂ_ＸＲｅ_１−Ｘ）_２Ｏ_３（ｘ＝０．９〜１．０）により構成される単結晶またはセラミックス材料からなるものであり、Ｒｅは、テルビウム以外のランタノイド元素群と、スカンジウムと、イットリウムとからなる集合から選択された少なくとも１つの元素を含むものであることを特徴とする請求項１に記載の１μｍ帯光アイソレータ。
3. 前記ファラディ回転子は、（Ｔｂ_ＸＹ_１−Ｘ）_２Ｏ_３（ｘ＝０．９〜１．０）により構成されるセラミックス材料からなるものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の１μｍ帯光アイソレータ。
4. 前記ファラディ回転子は、前記光軸方向における長さＬ（ｍｍ）において、挿入損失が１．０ｄＢ以下および消光比が２５ｄＢ以上の光学特性を有するものであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の１μｍ帯光アイソレータ。
5. 前記第一中空マグネット、第二中空マグネットおよび第三中空マグネットは、炭素鋼筐体の内部に搭載されているものであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の１μｍ帯光アイソレータ。

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