JP2018097350A

JP2018097350A - 磁気光学素子

Info

Publication number: JP2018097350A
Application number: JP2017145156A
Authority: JP
Inventors: 太志鈴木; Futoshi Suzuki
Original assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Priority date: 2016-12-15
Filing date: 2017-07-27
Publication date: 2018-06-21
Also published as: CN110073276A; EP3557312A1; EP3557312A4; US20190278113A1

Abstract

【課題】直径を小さくしてもレーザー光により破損することなく光アイソレータを小型化できる磁気光学素子を提供する。【解決手段】直径２０ｍｍ以下の柱状ガラス材からなり、レーザー損傷閾値が１０Ｊ／ｃｍ２以上であることを特徴とする磁気光学素子。【選択図】図１

Description

本発明は、ファラデー回転子等の磁気光学素子に関する。

光アイソレータは、光を一方向だけに伝え反射して戻る光を阻止する電子部品であり、光通信システムやレーザー加工システム等に用いられるレーザーダイオードに使用される。光アイソレータは、磁気光学素子、磁石及び偏光子を備えている。

従来、光アイソレータに用いられる磁気光学素子としては、Ｔｂ_２Ｏ_３の含有量が２０モル％以下のガラスが用いられていた（例えば、特許文献１参照）。

特開平０５−１７８６３８号公報

近年、光アイソレータの小型化が求められている。磁気光学素子の直径を小さくすることにより、磁気光学素子に掛かる磁場を大きくすることができるため磁石の体積を小さくすることができ、光アイソレータを小型化することが可能になる。しかし、磁気光学素子として上記のガラスを用いる場合、その直径を小さくするとレーザー光により破損するという問題があった。

以上に鑑み、本発明は、直径を小さくしても破損することなく光アイソレータを小型化できる磁気光学素子を提供することを目的とする。

本発明の磁気光学素子は、直径２０ｍｍ以下の柱状ガラス材からなり、レーザー損傷閾値が１０Ｊ／ｃｍ^２以上であることを特徴とする。直径を２０ｍｍ以下とすることで、筒状磁石の貫通孔径を小さくし、ガラス材に掛かる磁場を大きくすることができる。これにより、筒状磁石の体積を小さくすることができるため、光アイソレータの小型化につながる。また、磁気光学素子の直径が小さくなると、レーザー光を集光するため磁気光学素子にかかる単位面積当たりのエネルギーが大きくなるが、レーザー損傷閾値を１０Ｊ／ｃｍ^２以上とすることで、磁気光学素子が破損しにくくなる。

本発明の磁気光学素子は、用いられる磁気光学素子の長さが２〜２０ｍｍであることが好ましい。このようにすれば、光アイソレータを小型化しやすくなる。

本発明の磁気光学素子は、モル％で、Ｔｂ_２Ｏ_３５０％以上（ただし５０％は含まない）、Ｐ_２Ｏ_５５〜５０％（ただし５％、５０％は含まない）を含有することが好ましい。Ｔｂ_２Ｏ_３を上記の通り多量に含むことでベルデ定数が大きくなり、筒状磁石の体積を小さくしやすいため、光アイソレータを小型化しやすくなる。

本発明の光アイソレータは、上記の磁気光学素子、磁気光学素子を挿入するための貫通孔が形成された筒状磁石、及び、磁気光学素子の対向する２つの主面上に設けられる一対の偏光子、を備えることを特徴とする。

本発明の光アイソレータは、筒状磁石の貫通孔の直径が２〜２１ｍｍであることが好ましい。

本発明の光アイソレータは、筒状磁石の体積が２０〜１００ｃｍ^３であることが好ましい。

本発明によれば、直径を小さくしても破損することなく光アイソレータを小型化できる磁気光学素子を提供することができる。

光アイソレータの基本構造を示す模式的断面図である。無容器浮遊法によりガラスを作製するための製造装置の一例を示す模式的断面図である。

まず、光アイソレータの原理、構造について図１を用いて説明する。

図１は、光アイソレータの基本構造を示す模式的断面図である。

光アイソレータ１は、レーザー光の反射戻り光を遮断する装置であり、磁気光学素子１０、磁気光学素子（ファラデー回転子）１０を挿入するための貫通孔を設けた筒状磁石１１、及び、磁気光学素子の対向する２つの主面上に設けられる一対の偏光子１２、１３を備えている。光アイソレータ１に入射された光は、偏光子１２を通過し、直線偏光となって、磁気光学素子１０へ入射する。入射した光は磁気光学素子１０により４５°回転され、光透過軸が４５°に傾けられた偏光子１３を通過する。偏光子１３を通過した光の一部が反射戻り光となり、偏光面が４５°の角度で偏光子１３を通過する。偏光子１３を通過した反射戻り光は、磁気光学素子１０により、さらに４５°回転され、偏光子１２の光透過軸に対して９０°の直交偏光面となるため、偏光子１２を透過できず、遮断される。

以下に各要素ごとに説明する。

（磁気光学素子１０）
本発明の磁気光学素子１０は柱状のガラス材からなる。ガラス材の直径は、２０ｍｍ以下であり、１５ｍｍ以下、１０ｍｍ以下、８ｍｍ以下、６ｍｍ以下、５．５ｍｍ以下、５ｍｍ以下、４．５ｍｍ以下、４ｍｍ以下、３．８ｍｍ以下、３．５ｍｍ以下、特に３．４ｍｍ以下であることが好ましい。ガラス材の直径が大きすぎると、筒状磁石の貫通孔径が大きくなり、ガラス材に掛かる磁場が小さくなりやすい。そのため、筒状磁石の体積を大きくしなければいけないため、光アイソレータ１を小型化しにくくなる。ガラス材の直径の下限は特に限定されないが、現実的には０．５ｍｍ以上である。

レーザー光の集光径は、通常、磁気光学素子の直径より小さくなるように調整する。本発明の磁気光学素子１０は直径が２０ｍｍ以下であり、それに応じてレーザー光の集光径を小さくしなければならない。レーザー光の集光径が小さくなると、磁気光学素子１０にかかる単位面積当たりのエネルギーが大きくなり、磁気光学素子１０が破損しやすくなる。そのため、磁気光学素子１０のレーザー損傷閾値は、１０Ｊ／ｃｍ^２以上であり、１３Ｊ／ｃｍ^２以上、１５Ｊ／ｃｍ^２以上、１７Ｊ／ｃｍ^２以上、２０Ｊ／ｃｍ^２以上、２２Ｊ／ｃｍ^２以上、特に２５Ｊ／ｃｍ^２以上が好ましい。レーザー損傷閾値の上限は特に限定されないが、現実的には５００Ｊ／ｃｍ^２以下である。

本発明の磁気光学素子１０の長さは２〜２０ｍｍ、３〜１９ｍｍ、５〜１８．５ｍｍ、７．５〜１８ｍｍ、８〜１８ｍｍ、８．１〜１７ｍｍ、８．２〜１６ｍｍ、特に８．３〜１５．５ｍｍであることが好ましい。磁気光学素子１０の長さが小さすぎると、磁場を大きくする、つまり、筒状磁石１１を大きくする必要があるため、光アイソレータ１を小型化しにくくなる。一方、磁気光学素子１０の長さが大きすぎると、光アイソレータ１を小型化しにくくなる。

本発明の磁気光学素子は、モル％で、Ｔｂ_２Ｏ_３５０％以上（ただし５０％は含まない）、Ｐ_２Ｏ_５５〜５０％（ただし５％、５０％は含まない）を含有することが好ましい。以下に、このようにガラス組成を限定した理由を説明する。なお、以下の各成分の含有量に関する説明において、特に断りのない限り、「％」は「モル％」を意味する。

Ｔｂ_２Ｏ_３はベルデ定数の絶対値を大きくしてファラデー効果を高める成分である。Ｔｂ_２Ｏ_３の含有量は５０％以上（ただし５０％は含まない）、５１％以上、特に５２％以上であることが好ましい。Ｔｂ_２Ｏ_３の含有量が少なすぎると、ベルデ定数の絶対値が小さくなり、十分なファラデー効果が得られにくくなる。一方、Ｔｂ_２Ｏ_３の含有量が多すぎると、ガラス化が困難になる傾向があるため、７５％以下、７０％以下、特に６９％以下であることが好ましい。

なお、本発明におけるＴｂ_２Ｏ_３の含有量は、ガラス中に存在するＴｂを全て３価の酸化物に換算して表したものである。

Ｔｂについてベルデ定数の起源となる磁気モーメントはＴｂ^４＋よりもＴｂ^３＋の方が大きい。よって、ガラス材におけるＴｂ^３＋の割合が大きいほど、ファラデー効果が大きくなるため好ましい。具体的には、全Ｔｂ中のＴｂ^３＋の割合は、モル％で５０％以上、６０％以上、７０％以上、８０％以上、特に９０％以上であることが好ましい。

Ｐ_２Ｏ_５は耐レーザー損傷性を向上させる成分である。またガラス骨格となり、ガラス化範囲を広げる効果もある。Ｐ_２Ｏ_５の含有量は５〜５０％（ただし５％、５０％は含まない）、５．１〜４５％、５．５〜４０％、５．７〜３０％、特に６〜２５％であることが好ましい。Ｐ_２Ｏ_５の含有量が少なすぎると、上記効果が得られにくくなる。一方、Ｐ_２Ｏ_５の含有量が多すぎると、十分なファラデー効果が得られにくくなる。また、熱的安定性が低下しやすくなる。

本発明に使用されるガラス材には、上記成分以外にも、以下に示す種々の成分を含有させることができる。

Ｂ_２Ｏ_３はガラス骨格となり、ガラス化範囲を広げる成分である。ただし、Ｂ_２Ｏ_３はベルデ定数の向上に寄与しないため、その含有量が多すぎると十分なファラデー効果が得られにくくなる。従って、Ｂ_２Ｏ_３の含有量は０〜４５％（ただし４５％は含まない）、１〜４４％、２〜４０％、特に５〜３５％であることが好ましい。

Ａｌ_２Ｏ_３は中間酸化物としてガラス骨格を形成し、ガラス化範囲を広げる成分である。ただし、Ａｌ_２Ｏ_３はベルデ定数の向上に寄与しないため、その含有量が多すぎると十分なファラデー効果が得られにくくなる。従って、Ａｌ_２Ｏ_３の含有量は０〜４５％（ただし４５％は含まない）、０．１〜４０％、０．５〜３０％、０．８〜２０％、特に１〜１５％であることが好ましい。

ＳｉＯ_２はガラス骨格となり、ガラス化範囲を広げる成分である。ただし、ＳｉＯ_２はベルデ定数の向上に寄与しないため、その含有量が多すぎると十分なファラデー効果が得られにくくなる。従って、ＳｉＯ_２の含有量は０〜４５％（ただし４５％は含まない）、０〜４０％、０〜３０％、特に０〜２０％が好ましい。

Ｌａ_２Ｏ_３、Ｇｄ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３はガラス化の安定性を向上させる効果があるが、その含有量が多すぎるとかえってガラス化しにくくなる。よって、Ｌａ_２Ｏ_３、Ｇｄ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３の含有量は各々１０％以下、特に５％以下であることが好ましい。

Ｄｙ_２Ｏ_３、Ｅｕ_２Ｏ_３、Ｃｅ_２Ｏ_３はガラス化の安定性を向上させるとともに、ベルデ定数の向上にも寄与する。ただし、その含有量が多すぎるとかえってガラス化しにくくなる。よって、Ｄｙ_２Ｏ_３、Ｅｕ_２Ｏ_３、Ｃｅ_２Ｏ_３の含有量は各々１５％以下、特に１０％以下であることが好ましい。なお、Ｄｙ_２Ｏ_３、Ｅｕ_２Ｏ_３、Ｃｅ_２Ｏ_３の含有量は、ガラス中に存在する各成分を全て３価の酸化物に換算して表したものである。

ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯはガラス化の安定性と化学的耐久性を高める効果がある。ただし、ベルデ定数の向上に寄与しないため、その含有量が多すぎると十分なファラデー効果が得られにくくなる。従って、これらの成分の含有量は各々０〜１０％、特に各々０〜５％であることが好ましい。

Ｇａ_２Ｏ_３はガラス形成能を高め、ガラス化範囲を広げる効果を有する。ただし、その含有量が多すぎると失透しやすくなる。また、Ｇａ_２Ｏ_３はベルデ定数の向上に寄与しないため、その含有量が多すぎると十分なファラデー効果が得られにくくなる。従って、Ｇａ_２Ｏ_３の含有量は０〜６％、０〜５％、特に０〜４％であることが好ましい。

フッ素はガラス形成能を高め、ガラス化範囲を広げる効果を有する。ただし、その含有量が多すぎると溶融中に揮発して組成変動を引き起こしたり、ガラス化の安定性に影響を及ぼす恐れがある。従って、フッ素の含有量（Ｆ_２換算）は０〜１０％、０〜７％、特に０〜５％であることが好ましい。

還元剤としてＳｂ_２Ｏ_３を添加することができる。ただし、着色を避けるため、あるいは環境への負荷を考慮して、Ｓｂ_２Ｏ_３の含有量は０．１％以下であることが好ましい。

本発明に使用されるガラス材は、例えば無容器浮遊法により作製することができる。図２は、無容器浮遊法によりガラス材を作製するための製造装置の一例を示す模式的断面図である。以下、図２を参照しながら、本発明に使用されるガラス材の製造方法について説明する。

ガラス材の製造装置２は成形型２０を有する。成形型２０は溶融容器としての役割も果たす。成形型２０は、成形面２０ａと、成形面２０ａに開口している複数のガス噴出孔２０ｂとを有する。ガス噴出孔２０ｂは、ガスボンベなどのガス供給機構２１に接続されている。このガス供給機構２１からガス噴出孔２０ｂを経由して、成形面２０ａにガスが供給される。ガスの種類は特に限定されず、例えば、空気や酸素であってもよいし、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス、一酸化炭素ガス、二酸化炭素ガス、水素を含有した還元性ガスであってもよい。

製造装置２を用いてガラス材を製造するに際しては、まず、ガラス原料塊２２を成形面２０ａ上に配置する。ガラス原料塊２２としては、例えば、原料粉末をプレス成型等により一体化したものや、原料粉末をプレス成型等により一体化した後に焼結させた焼結体や、目標ガラス組成と同等の組成を有する結晶の集合体等が挙げられる。

次に、ガス噴出孔２０ｂからガスを噴出させることにより、ガラス原料塊２２を成形面２０ａ上で浮遊させる。すなわち、ガラス原料塊２２を、成形面２０ａに接触していない状態で保持する。その状態で、レーザー光照射装置２３からレーザー光をガラス原料塊２２に照射する。これによりガラス原料塊２２を加熱溶融してガラス化させ、溶融ガラスを得る。その後、溶融ガラスを冷却することにより、ガラス材を得ることができる。ガラス原料塊２２を加熱溶融する工程と、溶融ガラス、さらにはガラス材の温度が少なくとも軟化点以下となるまで冷却する工程においては、少なくともガスの噴出を継続し、ガラス原料塊２２、溶融ガラス、さらにはガラス材と成形面２０ａとの接触を抑制することが好ましい。なお、磁場を印加することにより発生する磁力を利用してガラス原料塊２２を成形面２０ａ上に浮遊させてもよいし、音波を利用してガラス原料塊２２を成形面２０ａ上に浮遊させてもよい。また、加熱溶融する方法としては、レーザー光を照射する方法以外にも、輻射加熱であってもよい。なお、本発明の磁気光学素子１０は、得られたガラス材を切削、研磨、プレス等の加工を施し、所望の柱状形状にすることにより得られる。

（筒状磁石１１）
筒状磁石１１は円筒状等の筒状であり、その貫通孔の直径は、１〜２１ｍｍ、１〜１６ｍｍ、２〜１４ｍｍ、２．５〜１２ｍｍ、３〜１１ｍｍ、３〜１０ｍｍ、特に３〜９ｍｍであることが好ましい。筒状磁石１１の貫通孔の直径が小さすぎると、磁気光学素子１０の直径が小さくなるため、レーザー光の集光径も小さくなり、磁気光学素子１０にかかる単位面積当たりのエネルギーが大きくなり、磁気光学素子１０が破損しやすくなる。一方、筒状磁石１１の貫通孔の直径が大きすぎると、磁気光学素子１０に磁場が掛かりにくくなり、筒状磁石１１を大きくする必要があるため、光アイソレータ１を小型化しにくくなる。

筒状磁石１１の体積は２０〜１００ｃｍ^３、２０〜４５ｃｍ^３、２１〜４４ｃｍ^３、２２〜４３ｃｍ^３、特に２５〜４０ｃｍ^３であることが好ましい。筒状磁石１１の体積が小さすぎると、磁気光学素子１０に所望の大きさの磁場をかけにくくなる。一方、筒状磁石１１の体積が大きすぎると、光アイソレータ１を小型化しにくくなる。

なお、筒状磁石１１の材質は、大きな磁場強度を有するネオジム−鉄−ボロン系であることが好ましい。また、より大きな磁場強度を得るために複数の筒状磁石を組み合わせても構わない。

（偏光子１２及び１３）
偏光子１２及び１３の材質は、セラミックス、ガラス、高分子材料のいずれでも構わないが、偏光消光比の大きい材料が好ましい。具体的には、２０ｄＢ以上、３０ｄＢ以上、４０ｄＢ以上、特に５０ｄＢ以上の偏光消光比を有する材料が好ましい。

以下、本発明を実施例に基づいて説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

表１は本発明の実施例及び比較例を示している。

各試料は次のようにして作製した。まず表１に示すガラス組成になるように調合した原料をプレス成型し、７００〜１４００℃で６時間焼結することによりガラス原料塊を作製した。

次に、乳鉢を用いてガラス原料塊を粗粉砕し、０．０５〜１．５ｇの小片とした。得られたガラス原料塊の小片を用いて、図２に準じた装置を用いた無容器浮遊法によってガラス材（直径約１〜１０ｍｍ）を作製した。なお、熱源としては１００ＷＣＯ_２レーザー発振器を用いた。また、ガラス原料塊を浮遊させるためのガスとして窒素ガスを用い、流量１〜３０Ｌ／分で供給した。

得られたガラス材について、ベルデ定数とレーザー損傷閾値を測定した。結果を表１に示す。表１から明らかなように、実施例１〜８は、レーザー損傷閾値が２０〜５７Ｊ／ｃｍ^２と高かった。一方、比較例１は、レーザー損傷閾値が８Ｊ／ｃｍ^２と低かった。

次に、得られたガラスを切削、研磨等により表１に示した直径、長さを有する円柱状の磁気光学素子を得た。得られた磁気光学素子を用いて、図１に示した構成のように光アイソレータを作製した。なお、筒状磁石には、表１に示した体積、貫通孔径を有する円筒状ネオジム鉄ホウ素磁石を用いた。偏光子には、グラントムソン偏光子（消光比５０ｄＢ）を用いた。

作製した光アイソレータに、波長１０６４ｎｍ、出力２０Ｗ、レーザースポット径（（磁気光学素子の直径）−０．８）ｍｍのレーザー光を入射した。実施例１〜８は、４５°の回転角が得られ、光アイソレータとして作動することが確認された。一方、比較例１は、磁気光学素子が破損した。

ベルデ定数は回転検光子法を用いて測定した。具体的には、得られたガラス材を１ｍｍの厚さとなるよう研磨加工し、１０ｋＯｅの磁場中で波長１０６４ｎｍでのファラデー回転角を測定し、ベルデ定数を算出した。

レーザー損傷閾値の測定は、波長１０６４ｎｍ、パルス幅１０ｎｓのシングルモードＮｄ：ＹＡＧレーザーを用いて、Ｎ−ｏｎ−１方式で行った。Ｎ−ｏｎ−１方式とは、対象部材おける固定された照射箇所に対して、連続的に入射エネルギー密度を増加させながらレーザー光を照射し、照射ごとに対象部材の状態を確認して、損傷が生じたエネルギー密度をレーザー損傷閾値として定義するものである。レーザー損傷閾値は、レーザー損傷閾値＝２×（損傷したときの照射エネルギー／照射ビーム面積）の式より算出した。なお、照射ビーム面積は、ガウス分布ピーク強度の１／ｅ^２値の幅を直径とした面積である。

１光アイソレータ
２ガラスの製造装置
１０磁気光学素子
１１筒状磁石
１２偏光子
１３偏光子
２０成形型
２０ａ成形面
２０ｂガス噴出孔
２１ガス供給機構
２２ガラス原料塊
２３レーザー光照射装置

Claims

直径２０ｍｍ以下の柱状ガラス材からなり、レーザー損傷閾値が１０Ｊ／ｃｍ^２以上であることを特徴とする磁気光学素子。
長さが２〜２０ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の磁気光学素子。
モル％で、Ｔｂ_２Ｏ_３５０％以上（ただし５０％は含まない）、Ｐ_２Ｏ_５５〜５０％（ただし５％、５０％は含まない）を含有することを特徴とする請求項１または２に記載の磁気光学素子。
請求項１〜３のいずれかに記載の磁気光学素子、
磁気光学素子を挿入するための貫通孔が形成された筒状磁石、及び、
磁気光学素子の対向する２つの主面上に設けられる一対の偏光子、
を備えることを特徴とする光アイソレータ。
筒状磁石の貫通孔の直径が１〜２１ｍｍであることを特徴とする請求項４に記載の光アイソレータ。
筒状磁石の体積が２０〜１００ｃｍ^３であることを特徴とする請求項４または５に記載の光アイソレータ。