JP2019211753A - 磁気回路、ファラデー回転子及び磁気光学素子 - Google Patents

Abstract

【課題】外部磁界や温度上昇による不可逆減磁を抑制することができ、かつファラデー素子に十分な磁束密度を安定して与えることができる磁気回路を提供する。【解決手段】光が通過する貫通孔がそれぞれ設けられたサマリウム−コバルト系磁石からなる第１〜第３の磁石を有する磁気回路１であって、磁気回路１は、第１〜第３の磁石が前後方向に同軸上にこの順序で配置されてなり、光が磁気回路１の貫通孔を通過する方向を光軸方向としたときに、第１の磁石１１は、光軸方向に垂直な方向に、かつ貫通孔側がＮ極となるように磁化されており、第２の磁石１２は光軸方向に平行な方向に、かつ第１の磁石１１側がＮ極となるように磁化されており、第３の磁石１３は、光軸方向に垂直な方向に、かつ貫通孔側がＳ極となるように磁化されており、第２の磁石１２が、第１、３の磁石以上の保磁力を有することを特徴とする、磁気回路１。【選択図】図１

Description

本発明は、磁気回路、ファラデー回転子及び磁気光学素子に関する。

ファラデー回転子は、ファラデー素子と、ファラデー素子に磁界を与える磁石とからなる素子である。ファラデー回転子は光を一方向だけに伝搬し、戻り光を阻止する働きがあるため、光アイソレータなどの磁気光学素子として、光通信システムやレーザー加工システムなどのレーザー発振器に用いられてきた。

光通信システムで使用される波長域は主に１３００ｎｍ〜１７００ｎｍであり、従来のファラデー回転子では、ファラデー素子に希土類鉄ガーネットが用いられてきた。

一方で、近年レーザー加工などに用いられる波長域は、光通信帯域よりもより短波長側であり、主に１０００ｎｍ付近が利用される。この波長域では、上記希土類鉄ガーネットは光吸収が大きく使用することができないため、ファラデー素子にテルビウム・ガリウム・ガーネット（ＴＧＧ）のような常磁性体結晶が用いられてきた。

ところで、このようなファラデー回転子を光アイソレータとして用いるためには、ファラデー回転による回転角度（θ）が４５°である必要がある。この回転角度は、ファラデー素子の長さ（Ｌ）、ベルデ定数（Ｖ）、光軸と平行な磁束密度（Ｂ）と下記の式（１）の関係にあることが知られている。

θ＝Ｖ・Ｂ・Ｌ （１）

このうち、ベルデ定数はファラデー素子の材料に依存する特性である。一般に、ＴＧＧのような常磁性体は希土類鉄ガーネットに比べてベルデ定数が小さいため、４５°のファラデー回転角を得るためには、ファラデー素子の長さや、ファラデー素子に加わる光軸と平行な磁束密度を大きくする必要があった。特に近年は装置の小型化が望まれているため、ファラデー素子や磁石を大型化するのではなく、磁石の構造を工夫することで、ファラデー素子に加わる磁束密度を向上させる発明が提案されている。

例えば、特許文献１には、第１〜第３の磁石により構成された磁気回路と、ファラデー素子とを備えるファラデー回転子が開示されている。第１の磁石は、光軸と垂直の方向であり、かつ光軸に向かう方向に磁化されている。第２の磁石は、光軸と垂直の方向であり、かつ光軸から離れる方向に磁化されている。これらの間に第３の磁石が配置されている。第３の磁石は、光軸と平行な方向であり、かつ第２の磁石から第１の磁石に向かう方向に磁化されている。この磁気回路では、第１の磁石と第２の磁石の光軸方向に沿う長さをＬ_２、第３の光軸方向に沿う長さをＬ_３としたとき、Ｌ_２／１０≦Ｌ_３≦Ｌ_２の関係が成立するように構成されている。

特開２００９−２２９８０２号公報

上記の磁気回路では、第３の磁石の貫通孔付近において、第１の磁石と第２の磁石の相互作用で作り出された強い磁界が発生する。この磁界は第３の磁石の磁化方向と逆向きである。このように着磁方向と逆向きの外部磁界が生じる場合、磁石の動作点の移動及びそれに帰属する減磁の影響を考慮する必要がある。説明のため、図７に磁石の減磁曲線（Ｂ−Ｈ曲線及びＪ−Ｈ曲線）の一例を示す。Ｂ−Ｈ曲線３２は、磁束密度Ｂと外部磁界Ｈの関係を表す曲線である。また、Ｊ−Ｈ曲線３３は、磁化Ｊと外部磁界Ｈの関係を表す曲線である。曲線と縦軸、横軸の交点は、それぞれ残留磁束密度Ｂｒ、固有保磁力Ｈ_ｃｊ及び保磁力Ｈ_ｃＢを意味する。残留磁束密度Ｂｒは、外部磁界を飽和磁化の状態から０にした時に磁性体に残る磁束密度のことである。保磁力は、磁性体が持つ磁化方向と反対方向の磁界を作用させて、磁化または磁束密度が０になる時の外部磁界の値のことであり、前者が固有保磁力Ｈ_ｃＪ、後者が保磁力Ｈ_ｃＢと表される。なお、磁性体の磁束密度（Ｂ）、外部磁界の強さ（Ｈ）、磁化の強さ（Ｊ）、真空の透磁率（μ_０）は、下記の式（２）の関係にあることが知られている。

Ｂ＝μ_０Ｈ＋Ｊ （２）

（外部磁界による不可逆減磁）
図７に示すように、磁石に外部磁界Ｈ１が加えられた場合、磁石の動作点ａ１は、Ｂ−Ｈ曲線３２上を移動し、Ｈ軸へ近い動作点ｂ１へ移動する。また、より大きな外部磁界Ｈ２を与えると、磁石の動作点ａ１は、さらにＨ軸へ近い動作点ｃ１へ移動する。このとき、Ｂ−Ｈ曲線３２上の動作点ｃ１をＪ−Ｈ曲線３３上に投影した動作点ｃ２は、Ｊ−Ｈ曲線３３のクニック点３４（傾きが変化して急激に磁束密度が減少する変化点）を越えてしまう。このように、より大きな外部磁界Ｈ２による減磁の場合、Ｂ−Ｈ曲線３２上の動作点をＪ−Ｈ曲線３３上に投影した動作点ｃ２がＪ−Ｈ曲線３３のクニック点３４を越えることで、外部磁界Ｈ２を取り除いた際に磁石の動作点ａ１が動作点ｄ１へと移動する。ここで、動作点ｄ１は、動作点ｃ１から外部磁界Ｈ２を取り除いたときの動作点であり、動作点ｃ１を通るリコイル透磁率曲線の傾きと平行な直線と、動作点ａ１と原点を通る直線の交点である。このとき、動作点ａ１における磁束密度と、動作点ｄ１における磁束密度の差は外部磁界Ｈ２による不可逆減磁ΔＢであり、再着磁を行わない限り回復しない減磁となる。

なお、磁石の動作点とは、図７に示すように、磁石のＢ−Ｈ曲線３２上の点であり、磁気回路内における磁石の磁束密度Ｂ、磁界Ｈの状態を示す点のことである。また、原点からこの点に向かって引いた直線をパーミアンス線３１と呼ぶ。パーミアンス線３１の傾き（Ｂ／Ｈ）は、真空の透磁率（μ_０）、パーミアンス係数（Ｐ）と下記の式（３）の関係にあることが知られている。

Ｂ／Ｈ＝μ_０Ｐ （３）

（高温による不可逆減磁）
図８にネオジム磁石の減磁曲線の温度変化を示す。それぞれ、高温時のＢ−Ｈ曲線３５、低温時のＢ−Ｈ曲線３６、高温時のＪ−Ｈ曲線３７、低温時のＪ−Ｈ曲線３８を示している。ネオジム磁石は温度が上昇すると、残留磁束密度Ｂｒ、固有保磁力Ｈ_ｃｊ及び保磁力Ｈ_ｃＢがそれぞれ、Ｂｒ´、Ｈ_ｃｊ´及びＨ_ｃＢ´に移動する。すると、低温時のＢ−Ｈ曲線３６、低温時のＪ−Ｈ曲線３８は、それぞれ高温時のＢ−Ｈ曲線３５、高温時のＪ−Ｈ曲線３７に変化する。このような温度変化において、Ｂ−Ｈ曲線上の動作点がＢ−Ｈ曲線のクニック点３４を越えると、温度条件を元に戻しても磁力が元に戻らない、つまり温度変化による磁石の不可逆減磁が生じる。例えば、動作点ａ１は、低温から高温へ外部温度を変化させると、動作点ｂ１へ移動する。動作点ｂ１は高温時のＢ−Ｈ曲線３５上のクニック点を越えていないため、外部温度を高温から低温へ戻すと、動作点ｂ１から動作点ａ１へ戻ることができる、すなわち可逆減磁となる。一方、よりＨ軸へ近い動作点ａ２は、低温から高温へ外部温度を変化させると、動作点ｂ２へと移動する。この場合は、動作点ｂ２が高温時のＢ−Ｈ曲線３５上のクニック点３４を越えているため、外部温度を高温から低温へ戻しても、動作点ｂ２から動作点ａ２へ戻ることができず、動作点ｃ２へ移る。このとき、動作点ａ２における磁束密度と、動作点ｃ２における磁束密度の差が不可逆減磁ΔＢとなる。特にネオジム磁石は、図８に示すように、温度の上昇によりＢ−Ｈ曲線とＪ−Ｈ曲線がＢ軸（磁束密度）側へ大きく変化することが知られており、高温下において、動作点の移動による不可逆減磁が生じやすい。なお、図８の動作点ｃ２は、図７の動作点ｄ１と同様の方法で求めることができる。

さらに、特許文献１に記載の第３の磁石は、第１、第２の磁石に比べ、磁化方向に短い形状を有している。このような磁化方向に短い形状の磁石では、磁石の形状に依存するパーミアンス係数も考慮する必要がある。通常、パーミアンス係数は磁化方向に短い、すなわち磁極同士が近づく形状の磁石で小さくなる。また、パーミアンス係数は式（３）に示すように、パーミアンス線３１の傾きでもある。例えば、図９に示すように、動作点ａ１を通るパーミアンス線３１は、動作点ｂ１を通るパーミアンス線３１の傾きβよりも大きな傾きα、すなわち、より大きなパーミアンス係数を有していることになる。言い換えれば、値の小さいパーミアンス係数βを有する磁石はＨ軸へ近い位置に動作点があるため、よりＢ−Ｈ曲線３２及びＪ−Ｈ曲線３３上のクニック点３４を越えやすくなり、上述した逆磁界や高温下による不可逆減磁が生じやすくなる。

以上のように、特許文献１に記載の磁気回路の第３の磁石は、磁石として不利な動作点において使用されるため、逆磁界や高温下による不可逆減磁を引き起こしやすい状況にあった。特に、高出力レーザー用光アイソレータなどの磁気光学素子として上記磁気回路を用いる場合、高出力光によるファラデー素子の温度上昇に伴う磁気回路の温度上昇は避けられないため、第３の磁石で高温による不可逆減磁が生じる可能性が高くなっていた。このように第３の磁石で不可逆減磁が生じると、ファラデー素子に十分な磁束密度を安定して与えることができなくなるため、ファラデー回転子が本来の機能を果たせなくなる可能性があった。

本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、外部磁界や温度上昇による不可逆減磁を抑制することができ、かつファラデー素子に十分な磁束密度を安定して与えることができる磁気回路を提供するものである。

本発明の磁気回路は、光が通過する貫通孔がそれぞれ設けられたサマリウム−コバルト系磁石からなる第１〜第３の磁石を有する磁気回路であって、磁気回路は、第１〜第３の磁石が前後方向に同軸上にこの順序で配置されてなり、光が磁気回路の貫通孔を通過する方向を光軸方向としたときに、第１の磁石は、光軸方向に垂直な方向に、かつ貫通孔側がＮ極となるように磁化されており、第２の磁石は光軸方向に平行な方向に、かつ第１の磁石側がＮ極となるように磁化されており、第３の磁石は、光軸方向に垂直な方向に、かつ貫通孔側がＳ極となるように磁化されており、第２の磁石が、１、３の磁石以上の保磁力を有することを特徴とする。なお、本発明で単に保磁力と記載する際は、Ｈ_ｃＢを指すものとする。

上記のような構成において、第２の磁石の貫通孔付近には、第１の磁石と第３の磁石の相互作用で作り出された強い磁界が発生する。しかし、本発明の磁気回路では第２の磁石における保磁力が大きいため、動作点がＢ−Ｈ曲線、Ｊ−Ｈ曲線上のクニック点を越えにくくなり、温度上昇や逆磁界による不可逆減磁発生を抑制することができ、第２の磁石の貫通孔部分における磁束密度を大きく保持しやすくなる。すなわち、ファラデー素子に十分な磁束密度を安定して与えることができる。

さらに、第１〜第３の磁石はサマリウム−コバルト系磁石からなる磁石である。サマリウム−コバルト系磁石は、ネオジム磁石と同等の残留磁束密度と保磁力を有するが、温度変化による保磁力の変動が小さく、かつキュリー温度が高いという特徴を有する。そのため、上記磁石からなる磁気回路では、特に高温下において動作点がＢ−Ｈ曲線、Ｊ−Ｈ曲線上のクニック点を越えにくく、不可逆減磁発生を抑制することができ、第２の磁石の貫通孔部分における磁束密度を大きく保持しやすくなる。

本発明の磁気回路では、第１〜第３の磁石が６５０ｋＡ／ｍ以上の保磁力を有することが好ましい。このような保磁力を有することで、第２の磁石における不可逆減磁の発生を抑制することができる。

本発明の磁気回路では、第２の磁石の光軸方向に沿う長さが、第１、３の磁石の光軸方向に沿う長さ以上であることが好ましい。このようにすれば、第２の磁石における不可逆減磁の発生を抑制することができ、第２の磁石の貫通孔部分における磁束密度を大きく保持しやすくなる。

本発明の磁気回路では、第２の磁石の光軸方向に沿う長さが、第１、３の磁石の光軸方向に沿う長さより大きいことが好ましい。

本発明の磁気回路では、第２の磁石が、第１、３の磁石より大きな保磁力を有することが好ましい。

本発明の磁気回路では、貫通孔の断面積が１００ｍｍ^２以下であることが好ましい。貫通孔の断面積を１００ｍｍ^２以下にすることで、磁束密度が大きくなりやすい。

本発明の磁気回路は、光が通過する貫通孔がそれぞれ設けられた第１〜第３の磁石を有する磁気回路であって、磁気回路は、第１〜第３の磁石が前後方向に同軸上にこの順序で配置されてなり、光が磁気回路の貫通孔を通過する方向を光軸方向としたときに、第１の磁石は、光軸方向に垂直な方向に、かつ貫通孔側がＮ極となるように磁化されており、第２の磁石は光軸方向に平行な方向に、かつ第１の磁石側がＮ極となるように磁化されており、第３の磁石は、光軸方向に垂直な方向に、かつ貫通孔側がＳ極となるように磁化されており、第２の磁石が、第１、３の磁石以上の保磁力を有し、第２の磁石の光軸方向に沿う長さが、第１、３の磁石の光軸方向に沿う長さ以上であることを特徴とする。

上記のような構成において、第２の磁石の貫通孔付近には、第１の磁石と第３の磁石の相互作用で作り出された強い磁界が発生する。しかし、第２の磁石における保磁力が大きいため、動作点がＢ−Ｈ曲線、Ｊ−Ｈ曲線上のクニック点を越えにくくなり、温度上昇や逆磁界による不可逆減磁発生を抑制することができ、第２の磁石の貫通孔部分における磁束密度を大きく保持しやすくなる。また、第２の磁石の光軸方向に沿う長さが、第１、３の磁石の光軸方向に沿う長さ以上であるため、第２の磁石における不可逆減磁の発生を抑制することができ、第２の磁石の貫通孔部分における磁束密度を大きく保持しやすくなる。

本発明のファラデー回転子は、上記磁気回路と、磁気回路における貫通孔内に配置されており、かつ光が透過する常磁性体からなるファラデー素子とを備えてなることを特徴とする。

本発明のファラデー回転子は、常磁性体がガラス材であることが好ましい。

本発明の磁気光学素子は、上記ファラデー回転子と、ファラデー回転子の磁気回路の光軸方向における一方端に配置されている第１の光学部品及び他方端に配置されている第２の光学部品とを備え、磁気回路の貫通孔を通過する光が、第１の光学部品及び第２の光学部品を通過することを特徴とする。

本発明の磁気光学素子では、第１の光学部品及び第２の光学部品が偏光子であることが好ましい。

本発明によれば、外部磁界や温度上昇による不可逆減磁を抑制することができ、かつファラデー素子に十分な磁束密度を安定して与えることができる磁気回路を提供することができる。

本発明の磁気回路の構造の一例を示す模式的断面図である。 本発明における第１の磁石の構造の一例を示す図である。 本発明における第２の磁石の構造の一例を示す図である。 本発明における第３の磁石の構造の一例を示す図である。 本発明のファラデー回転子の構造の一例を示す模式的断面図である。 本発明の磁気光学素子の構造の一例を示す模式的断面図である。 磁石の減磁曲線（Ｂ−Ｈ曲線及びＪ−Ｈ曲線）の一例を示す図である。 ネオジム磁石の減磁曲線の温度変化（Ｂ−Ｈ曲線及びＪ−Ｈ曲線）の一例を示す図である。 磁石の減磁曲線（Ｂ−Ｈ曲線及びＪ−Ｈ曲線）の一例を示す図である。

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に何ら限定されるものではない。また、各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照する場合がある。

（磁気回路１）
図１は、本発明の磁気回路の構造を示す模式的断面図である。磁気回路１は、それぞれ貫通孔が設けられた第１の磁石１１、第２の磁石１２及び第３の磁石１３を有する。磁気回路１は、第１の磁石１１、第２の磁石１２及び第３の磁石１３が前後方向に同軸上にこの順序で配置されてなる。なお、同軸上に配置されるとは、光軸方向から見て、各磁石の中央付近が重なるように配置されることをいう。本実施形態では、第１の磁石１１、第２の磁石１２及び第３の磁石１３の貫通孔が連結されることにより、磁気回路の貫通孔２が構成されている。なお、図１中のＮ及びＳの文字は磁極を示し、後述する他の図面においても同様である。

磁気回路１において、第１の磁石１１と第３の磁石１３は光軸と垂直方向に磁化され、互いに磁化方向が対向している。具体的には、第１の磁石１１は、光軸と垂直な方向に、かつ貫通孔側がＮ極となるように磁化されている。第３の磁石１３は、光軸と垂直な方向に、かつ貫通孔側がＳ極となるように磁化されている。第２の磁石１２は光軸に平行な方向に、かつ第１の磁石１１側がＮ極となるように磁化されている。

磁気回路１を構成する第１〜第３の磁石は、サマリウム−コバルト（Ｓｍ−Ｃｏ）を主成分とする磁石から構成されることが好ましい。サマリウム−コバルト系磁石はキュリー温度が６００℃以上であるため、高温下における不可逆減磁を抑制することができる。また、サマリウム−コバルト系磁石の残留磁束密度の温度依存性は、一般に−０．０３％／℃程度であり、ネオジム磁石は−０．１％／℃程度である。また、保磁力の温度依存性は、ネオジム磁石で−０．５％／Ｋ程度、サマリウム−コバルト系磁石で−０．２％／Ｋ程度である。そのため、サマリウム−コバルト系磁石を用いると、磁気回路１の温度上昇による磁石の残留磁束密度及び保磁力の低下を、より効果的に抑制することができる。なお、サマリウム−コバルト（Ｓｍ−Ｃｏ）を主成分とする磁石以外を用いても良い。

磁気回路１を構成する第１〜第３の磁石は、保磁力が６５０ｋＡ／ｍ以上であることが好ましく、６６０ｋＡ／ｍ以上がより好ましく、７００ｋＡ／ｍがさらに好ましく、７５０ｋＡ／ｍが特に好ましい。保磁力が低いと、第２の磁石１２が、第１の磁石１１と第３の磁石１３の相互作用で作り出される強い磁界によって動作点がＨ軸へ近づくことにより、磁石が不可逆減磁しやすくなる。また、保磁力が大きいほど高温化で安定した磁気回路１を得ることができるが、サマリウム−コバルト系磁石で得られる保磁力は、現実的には１０００ｋＡ／ｍが上限である。

また、第１の磁石１１と第３の磁石１３の保磁力は等しいことが好ましい。このようにすれば、第２の磁石１２に均一な磁界を与えることができる。もっとも、第１の磁石１１の保磁力と、第３の磁石１３の保磁力が等しくなくてもよい。

第２の磁石１２は、第１、第３の磁石以上の保磁力を有する。具体的には、第２の磁石１２の保磁力は、第１、第３の磁石の保磁力の１倍以上であり、１．０５倍以上が好ましく、１．１倍以上が特に好ましい。このようにすれば、第２の磁石１２の貫通孔付近に、第１の磁石１１と第３の磁石１３の相互作用で作り出された強い磁界が発生しても、第２の磁石１２の動作点がＢ−Ｈ曲線、Ｊ−Ｈ曲線上のクニック点を越えにくくなり、温度上昇や逆磁界による不可逆減磁発生を抑制することができ、第２の磁石１２の貫通孔部分における磁束密度を大きく保持しやすくなる。また、サマリウム−コバルト系磁石で得られる保磁力は、現実的には４００〜１０００ｋＡ／ｍ程度である。そのため、第２の磁石１２の保磁力は最大で、第１、第３の磁石の保磁力の２．５倍以下が好ましく、２倍以下であることがより好ましく、１．８倍以下であることが特に好ましい。なお、第１の磁石１１の保磁力と、第３の磁石１３の保磁力が等しくない場合は、第１及び第３の磁石のうち、より高い保磁力に対して、上記の値を有するものとする。

また、磁気回路１を構成する第１〜第３の磁石の残留磁束密度（Ｂｒ）は、０．７Ｔ以上であることが好ましく、０．８Ｔ以上であることがより好ましく、０．９Ｔ以上であることが特に好ましい。このようにすれば、第２の磁石１２の貫通孔付近に磁束密度の大きい領域を形成することができ、後述するファラデー素子１４に４５°の回転角度を与えることができる。

また、第１の磁石１１と第３の磁石１３の残留磁束密度は等しいことが好ましい。このようにすれば、第２の磁石１２に均一な磁界を与えることができる。もっとも、第１の磁石１１の保磁力と、第３の磁石１３の残留磁束密度が等しくなくてもよい。

本発明の磁気回路１において、第２の磁石１２の光軸方向に沿う長さが、第１の磁石１１又は第３の磁石１３の光軸方向に沿う長さ以上であることが好ましい。具体的には、第２の磁石１２の長さが、第１の磁石１１及び第３の磁石１３の長さに対して、１倍以上が好ましく、１．０１倍以上であることがより好ましく、１．０５倍以上であることが特に好ましい。このようにすれば、第２の磁石１２の磁化方向の長さが相対的に向上し、第２の磁石１２のパーミアンス係数が大きくなるため、第２の磁石１２の動作点がＢ軸側へ近づき、不可逆減磁の抑制効果が大きくなる。また、第２の磁石１２の光軸方向に沿う長さが大きすぎると、第１の磁石１１と第３の磁石１３の相互作用が弱まるため、第２の磁石１２の貫通孔付近に磁束密度の大きい領域を形成することができなくなる。そのため、第２の磁石１２の光軸方向に沿う長さは、２倍以下が好ましく、１．５倍以下であることがより好ましく、１．４倍以下であることが特に好ましい。なお、第１の磁石１１の光軸方向に沿う長さと、第３の磁石１３の光軸方向に沿う長さが等しくない場合は、第１及び第３の磁石のうち、より長い磁石の光軸方向に沿う長さに対して、上記の値を有するものとする。

本発明の磁気回路１において、第１の磁石１１の光軸方向に沿う長さと、第３の磁石１３の光軸方向に沿う長さが等しいことが好ましい。このようにすれば、第２の磁石１２に均一な磁界を与えることができる。もっとも、第１の磁石１１の光軸方向に沿う長さと、第３の磁石１３の光軸方向に沿う長さが等しくなくともよい。

本発明の磁気回路１において、磁気回路の貫通孔２の断面形状は特に限定されず、矩形や円形であってもよい。組み立てを容易にする点では矩形が好ましく、均一な磁界を付与する点では円形が好ましい。

磁気回路の貫通孔２の断面積は１００ｍｍ^２以下であることが好ましく、３ｍｍ^２〜８０ｍｍ^２がより好ましく、５ｍｍ^２〜６０ｍｍ^２がさらに好ましく、７ｍｍ^２〜５０ｍｍ^２が特に好ましい。断面積が大きくなりすぎると十分な磁束密度が得られず、小さすぎるとファラデー素子１４を磁気回路の貫通孔２内に配置しにくくなる。

図２は、第１の磁石の構造の一例を示す図である。図２に示す第１の磁石１１は、４個の磁石片を組み合わせて構成されている。なお、第１の磁石１１を構成する磁石片の個数は上記に限定されない。例えば、第１の磁石１１は６個もしくは８個等の磁石片を組み合わせて構成されていてもよい。複数の磁石片を組み合わせて第１の磁石１１を構成することにより、磁界を効果的に大きくすることができる。もっとも、第１の磁石１１は、単体磁石からなっていてもよい。

図３は、第２の磁石の構造の一例を示す図である。図３に示す第２の磁石１２は、１個の単体磁石からなる。なお、第２の磁石１２は、２個以上の磁石片を組み合わせて構成されていてもよい。

図４は、第３の磁石の構造の一例を示す図である。図４に示す第３の磁石１３は、第１の磁石１１と同様に、４個の磁石片を組み合わせて構成されている。複数の磁石片を組み合わせて第３の磁石１３を構成することにより、磁界を効果的に大きくすることができる。なお、第３の磁石１３は、６個もしくは８個等の磁石片を組み合わせて構成されていてもよく、単体磁石からなっていてもよい。

（ファラデー回転子１０）
図５は、本発明のファラデー回転子の構造の一例を示す模式的断面図である。ファラデー回転子１０は、光アイソレータや光サーキュレータ等、後述する磁気光学素子２０に用いられる装置である。ファラデー回転子１０は、磁気回路１と、磁気回路の貫通孔２内に配置されたファラデー素子１４とを備える。ファラデー素子１４は、光を透過する常磁性体からなる。

ファラデー回転子１０は、図１に示した本発明の磁気回路１を有するため、外部磁界や温度上昇による不可逆減磁が抑制され、かつファラデー素子１４に十分な磁束密度を安定して与えることができるため、安定して使用することが可能である。

また、ファラデー回転子１０には、光を第１の磁石１１側から入射させてもよく、第３の磁石１３側から入射させてもよい。

また、ファラデー素子１４の断面形状と磁気回路の貫通孔２の断面形状は必ずしも一致させなくともよいが、均一な磁界を与えるという観点では、一致させることが好ましい。

ファラデー素子１４には、常磁性体を用いることができる。中でもガラス材を用いることが好ましい。ガラス材からなるファラデー素子１４は、単結晶材料のような欠陥等によるベルデ定数の変動や消光比の低下が少なく、接着剤からの応力の影響も少ないため、安定したベルデ定数と高い消光比を保つことができる。

ファラデー素子１４に用いられるガラス材は、モル％の酸化物換算で、Ｔｂ_２Ｏ_３の含有量が４０％より多いことが好ましく、４５％以上がより好ましく、４８％以上がさらに好ましく、５１％以上であることが特に好ましい。このようにＴｂ_２Ｏ_３の含有量を多くすることにより、良好なファラデー効果が得やすくなる。なお、ガラス中においてＴｂは３価や４価の状態で存在するが、本明細書ではこれら全てをＴｂ_２Ｏ_３に換算した値として表す。

ファラデー素子１４に用いられるガラス材において、全Ｔｂに対するＴｂ^３＋の割合は、モル％で５５％以上であることが好ましく、６０％以上がより好ましく、８０％以上がさらに好ましく、９０％以上であることが特に好ましい。全Ｔｂに対するＴｂ^３＋の割合が少なすぎると、波長３００ｎｍ〜１１００ｎｍにおける光透過率が低下しやすくなる。

（磁気光学素子２０）
図６は、本発明の磁気光学素子の構造の一例を示す模式的断面図である。図６に示す磁気光学素子２０は光アイソレータである。磁気光学素子２０は、図５に示したファラデー回転子１０と、磁気回路１の光軸方向における一方端に配置されている第１の光学部品２５及び他方端に配置されている第２の光学部品２６とを備える。第１の光学部品２５及び第２の光学部品２６は、本実施形態では偏光子である。第２の光学部品２６の光透過軸は、第１の光学部品２５の光透過軸に対して４５°傾けられている。

磁気光学素子２０に入射する光は、第１の光学部品２５を通過し、直線偏光となって、ファラデー素子１４に入射する。入射した光はファラデー素子１４により４５°回転し、第２の光学部品２６を通過する。第２の光学部品２６を通過した光の一部が反射戻り光となり、偏光面が４５°の角度で第２の光学部品２６を通過する。第２の光学部品２６を通過した反射戻り光は、ファラデー素子１４により、さらに４５°回転され、第１の光学部品２５の光透過軸に対して９０°の直交偏光面となる。そのため、反射戻り光は第１の光学部品２５を透過できず、遮断される。

本発明の磁気光学素子２０は、図１に示した本発明の磁気回路１を有するため、外部磁界や温度上昇による不可逆減磁が抑制され、かつファラデー素子１４に十分な磁束密度を安定して与えることができるため、安定して使用することが可能である。

なお、図６に示す磁気光学素子２０は光アイソレータであるが、磁気光学素子２０は光サーキュレータであってもよい。この場合には、第１の光学部品２５及び第２の光学部品２６は波長板やビームスプリッタであればよい。もっとも、磁気光学素子２０は、光アイソレータ及び光サーキュレータに限定されない。

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１〜７及び比較例１を示している。

実施例１〜７及び比較例１の磁気回路の磁束密度の平均値は、上記の表１の条件になるように保磁力Ｈ_ｃＢ、残留磁束密度Ｂｒ及び長さＬを有する第１〜第３の磁石を設定し、第１〜第３の磁石で図１のような磁石構造を構成する場合についてシミュレーションを行うことで測定した。なお、上記の磁束密度の平均値は、直径３ｍｍ、長さ１０ｍｍ、ベルデ定数０．２１ｍｉｎ／Ｏｅ・ｃｍのファラデー回転ガラス素子を用いることを想定したものであり、第２の磁石の貫通孔の中央から光軸方向に±５ｍｍの長さにおける磁束密度の平均値のシミュレート値を表すものである。また、上記の「長さ」とは光軸方向に沿う長さのことであり、本実施例では単に長さ又はＬと表記する。

表１から明らかなように、実施例１〜７では、第２の磁石の貫通孔の中央から光軸方向に±５ｍｍの長さにおける磁束密度の平均値は１．１３〜１．３４Ｔとなり、第１の磁石と第３の磁石の相互作用で作り出された強い磁界の影響を受けても、第２の磁石の貫通孔付近で不可逆減磁が生じにくいため、大きな磁束密度を有する磁気回路が得られた。

比較例１は、第２の磁石について、Ｈ_ｃＢが４１３ｋＡ／ｍ、Ｂｒが０．９５Ｔと小さいこと以外は実施例３と同様に作製された磁気回路であるが、第２の磁石の貫通孔の中央から光軸方向に±５ｍｍ長さにおける磁束密度の平均値は１．０１Ｔと小さくなった。

１ 磁気回路
２ 磁気回路の貫通孔
１０ ファラデー回転子
１１ 第１の磁石
１２ 第２の磁石
１３ 第３の磁石
１４ ファラデー素子
２０ 磁気光学素子
２５ 第１の光学部品
２６ 第２の光学部品
３１ パーミアンス線
３２ Ｂ−Ｈ曲線
３３ Ｊ−Ｈ曲線
３４ クニック点
３５ 高温時のＢ−Ｈ曲線
３６ 低温時のＢ−Ｈ曲線
３７ 高温時のＪ−Ｈ曲線
３８ 低温時のＪ−Ｈ曲線
ａ１、ｂ１、ｃ１、ｄ１、ａ２、ｂ２、ｃ２ 動作点
Ｈ、Ｈ１、Ｈ２ 外部磁界
ΔＢ 不可逆減磁
ＨｃＪ、ＨｃＪ´ 固有保磁力
ＨｃＢ、ＨｃＢ´ 保磁力
Ｂｒ、Ｂｒ´ 残留磁束密度
α、β パーミアンス係数

Claims (11)

1. 光が通過する貫通孔がそれぞれ設けられたサマリウム−コバルト系磁石からなる第１〜第３の磁石を有する磁気回路であって、
   前記磁気回路は、前記第１〜第３の磁石が前後方向に同軸上にこの順序で配置されてなり、
   光が前記磁気回路の前記貫通孔を通過する方向を光軸方向としたときに、前記第１の磁石は、前記光軸方向に垂直な方向に、かつ前記貫通孔側がＮ極となるように磁化されており、
   前記第２の磁石は前記光軸方向に平行な方向に、かつ前記第１の磁石側がＮ極となるように磁化されており、
   前記第３の磁石は、前記光軸方向に垂直な方向に、かつ前記貫通孔側がＳ極となるように磁化されており、
   前記第２の磁石が、前記第１、３の磁石以上の保磁力を有することを特徴とする、磁気回路。
2. 前記第１〜３の磁石が６５０ｋＡ／ｍ以上の保磁力を有することを特徴とする、請求項１に記載の磁気回路。
3. 前記第２の磁石の光軸方向に沿う長さが、前記第１、３の磁石の光軸方向に沿う長さ以上であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の磁気回路。
4. 前記第２の磁石の光軸方向に沿う長さが、前記第１、３の磁石の光軸方向に沿う長さより大きいことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の磁気回路。
5. 前記第２の磁石が、前記第１、３の磁石より大きい保磁力を有することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の磁気回路。
6. 前記貫通孔の断面積が１００ｍｍ^２以下であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の磁気回路。
7. 光が通過する貫通孔がそれぞれ設けられた第１〜第３の磁石を有する磁気回路であって、
   前記磁気回路は、前記第１〜第３の磁石が前後方向に同軸上にこの順序で配置されてなり、
   光が前記磁気回路の前記貫通孔を通過する方向を光軸方向としたときに、前記第１の磁石は、前記光軸方向に垂直な方向に、かつ前記貫通孔側がＮ極となるように磁化されており、
   前記第２の磁石は前記光軸方向に平行な方向に、かつ前記第１の磁石側がＮ極となるように磁化されており、
   前記第３の磁石は、前記光軸方向に垂直な方向に、かつ前記貫通孔側がＳ極となるように磁化されており、
   前記第２の磁石が、前記第１、３の磁石以上の保磁力を有し、
   前記第２の磁石の光軸方向に沿う長さが、前記第１、３の磁石の光軸方向に沿う長さ以上であることを特徴とする、磁気回路。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の磁気回路と、前記磁気回路における前記貫通孔内に配置されており、かつ光が透過する常磁性体からなるファラデー素子とを備えてなる、ファラデー回転子。
9. 前記常磁性体がガラス材であることを特徴とする、請求項８に記載のファラデー回転子。
10. 請求項８又は９に記載のファラデー回転子と、
    前記ファラデー回転子の前記磁気回路の前記光軸方向における一方端に配置されている第１の光学部品及び他方端に配置されている第２の光学部品とを備え、
    前記磁気回路の前記貫通孔を通過する光が、前記第１の光学部品及び前記第２の光学部品を通過する、磁気光学素子。
11. 前記第１の光学部品及び前記第２の光学部品が偏光子である、請求項１０に記載の磁気光学素子。