JP3581030B2

JP3581030B2 - ファラデー回転角可変装置

Info

Publication number: JP3581030B2
Application number: JP29806398A
Authority: JP
Inventors: 博貴河合; 洋一鈴木
Original assignee: FDK Corp
Current assignee: FDK Corp
Priority date: 1998-10-20
Filing date: 1998-10-20
Publication date: 2004-10-27
Anticipated expiration: 2018-10-20
Also published as: JP2000122017A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の磁性ガーネット単結晶からなるファラデー素子に、２方向以上から外部磁界を印加して合成磁界ベクトルを可変することにより、通過光の偏光面の回転角を制御するファラデー回転角可変装置に関するものである。更に詳しく述べると本発明は、２枚の磁性ガーネット単結晶を対として、それら両方の磁性ガーネット単結晶の光が入射する（１１１）面内での方位が互いにほぼ１８０°異なる向きで組み合わせたものを用いるファラデー回転角可変装置に関するものである。この装置は、例えば偏波スクランブラや光アッテネータなどの光デバイスに有用である。
【０００２】
【従来の技術】
光通信システムなどでは、光の偏波方向を連続的且つ周期的に可変する偏波スクランブラ、あるいは光の透過光量を制御するための光アッテネータなどが必要であり、それらにはファラデー回転角可変装置が組み込まれている。このファラデー回転角可変装置は、ファラデー素子に２方向以上から磁界を印加し、それらの合成磁界ベクトルを可変することにより、ファラデー素子を透過する光線のファラデー回転角を制御する装置である。通常、ファラデー素子としては、ファラデー効果を有する磁性ガーネット単結晶が用いられている。
【０００３】
偏波スクランブラは、主としてファラデー回転角可変装置により構成される。ファラデー回転角可変装置は、ファラデー素子と、例えば、それに対して光軸に垂直方向に磁界を印加する電磁石と、光軸と平行方向に磁界を印加する永久磁石からなる。永久磁石によってファラデー素子を磁気飽和の状態とし、電磁石のコイルに供給する電流を変化させることで合成磁界の向きを変化させる。この合成磁界ベクトルの変化によってファラデー回転角が変化し、ファラデー素子を通過する光線の偏波方向を連続的且つ周期的に可変することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
偏波スクランブラでは、ファラデー素子を構成している磁性ガーネット単結晶に印加する正負の可変合成磁界に対して、ファラデー回転角が再現性よく対称的に変化する必要がある。ところがガーネット単結晶は立方晶であり、（１１１）面に垂直の方向について見ると３回回転対称軸を有する。その上、磁性ガーネット単結晶には結晶磁気異方性がある。そのため、合成磁界ベクトルが辿る経路によってファラデー回転角（の挙動）が異なり、光デバイスの特性がばらつく。また、ファラデー回転角の挙動が、電磁石による磁界が＋磁界と−磁界の時とで非対称になると、ＤＯＰ（ＤｅｇｒｅｅｏｆＰｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ：偏波度）が大きくなる。
【０００５】
その対策として、本発明者等は先に、合成磁界ベクトルの変位経路が、磁性ガーネット単結晶の（１１１）面を中心としたステレオ投影図における中心の（１１１）面と、最外周円上の（１１０）面と等価な面を結んだ線、もしくはその近傍になるように特定する技術を提案した（特願平９−２４３３９４号参照）。特定された変位経路は、それを対称軸として磁化容易軸と磁化困難軸があり、結晶磁気異方性の影響が打ち消されるためである。従って、その特定の変位経路からずれると、バランスがくずれ、結晶磁気異方性の影響を受ける。この時、問題となるのは、特性面から判断される許容ずれ角が何度であるかということである。ところが、これは結晶磁気異方性の大きさに依存し、結晶磁気異方性が大きな場合は、許容ずれ角が小さくなり、磁性ガーネット単結晶に対する印加磁界の方向の調整が難しくなる。
【０００６】
本発明の目的は、いかなる大きさの結晶磁気異方性を有する磁性ガーネット単結晶を用いても、合成磁界ベクトルの変位経路が磁性ガーネット単結晶のどの面を通っても、正方向の電磁界と負方向の電磁界とでファラデー回転角の対称性が良好なファラデー回転角可変装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ファラデー効果を有する磁性ガーネット単結晶からなるファラデー素子に、２方向以上から外部磁界を印加して、それらの合成磁界ベクトルを可変することにより、ファラデー素子を通過する光の偏光面の回転角を可変するファラデー回転角可変装置である。本発明においては、ファラデー素子は、２枚の磁性ガーネット単結晶を一対として、それを単一もしくは複数対組み合わせて必要なファラデー回転角を発現しうるようにし、光線が全ての磁性ガーネット単結晶の（１１１）面に入射し、一対の磁性ガーネット単結晶は、（１１１）面内での一方の磁性ガーネット単結晶の方位が他方の磁性ガーネット単結晶の方位に対して同一方向から１８０°±１０°回転させた方位となるように配列されており、その点に特徴がある。
【０００８】
図１は磁性ガーネット単結晶の（１１１）面を中心としたステレオ投影図である。つまり磁性ガーネット単結晶の（１１１）面に光線を入射したときの方位状態を示している。隣り合う同心円は互いに１０度ずつ異なっている面を意味し、隣り合う径方向の線も互いに１０度ずつ異なっている面を意味する。従って、磁性ガーネット単結晶の任意の面は、このステレオ投影図内の点として示すことができる。外部磁界は光線と平行方向と直交方向の両方から印加される。即ち、図１の紙面に垂直な方向と紙面上の任意の方向である。図１より、結晶方位は３回回転対称であるため、紙面上の直線経路を見ると、〔最外周円上の（１１０）と等価な面〕−〔中心の（１１１）面〕−〔最外周円上の（１１０）と等価な面〕を結ぶ経路以外は（１１１）を中心として非対称に各方位が存在する。これがファラデー回転角非対称の原因である。しかし、結晶方位が互いに反対の関係にある２個の磁性ガーネット単結晶を一対として組み合わせると、見掛け上、６回回転対称になり、中心の（１１１）を通る直線は全て対称となる。従って、紙面上のどの方向に磁界を印加しても、ファラデー回転角は対称となる。
【０００９】
【発明の実施の態様】
本発明において、一対の磁性ガーネット単結晶は、ほぼ同一組成で且つほぼ同一厚みとするのがよい。一対の磁性ガーネット単結晶は、前記のように、（１１１）面内での一方の磁性ガーネット単結晶の方位が他方の磁性ガーネット単結晶の方位に対して同一方向から１８０°±１０°回転させた方位となるように配列する。１０°以内であれば、多少ずれてもほぼ６回回転対称に近い状態が保たれるからである。しかし、最良の状態は、互いにほぼ反対方位を向くように組み合わせることである。即ち、磁性ガーネット単結晶を偶数個使用し、その半数が残りの半数に対して逆方位になっており、全体として対を構成するように配列するのがよい。可変磁界は、例えば入射光線方向に対して平行方向と垂直方向の２方向から永久磁石と電磁石によって印加する構成とする。磁性ガーネット単結晶の対は、必要とするファラデー回転角に応じて１対ないし複数対並設することになる。
【００１０】
磁性ガーネット単結晶としては、液相エピタキシャル法により作製した（ＲＢｉ）_３（ＦｅＭ）_５Ｏ_１２（但し、Ｒはイットリウムを含む希土類元素から選ばれた１種もしくは２種以上の元素、Ｍは鉄と置換できる１種もしくは２種以上の元素）あるいはＹ_３Ｆｅ_５Ｏ_１２が好適である。
【００１１】
本発明に係るファラデー回転角可変装置は、偏波スクランブラや光アッテネータ等に適用できる。
【００１２】
【実施例】
まず、磁性ガーネット単結晶を図２に示す工程で作製した。はじめに、ＰｂＯ−Ｂ_２Ｏ_３−Ｂｉ_２Ｏ_３を融剤として、ＬＰＥ法により、格子定数が１２．４９６Å、組成が（ＣａＧｄ）_３（ＭｇＺｒＧａ）_５Ｏ_１２である直径３インチ、厚み１２００μｍの非磁性ガーネット基板１０の（１１１）面上に、Ｂｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜１２（ＬＰＥ膜：組成Ｔｂ_０．９６Ｙ_０．６６Ｂｉ_１．３８Ｆｅ_４．０６Ｇａ_０．９４Ｏ_１２、膜厚４９０μｍ）を育成した。基板には予め大小二つのフラット面（オリエンテーション・フラット）が付けられており、大きな方のフラット面は（−１１０）面、小さな方のフラット面は（１１−２）面である（図２のＡ参照）。次に、育成したＬＰＥ膜を基板とともに７．６ｍｍ×５．０ｍｍ（刃厚０．２ｍｍを含む）に切断し（図２のＢで破線は切断線を示す）、研磨により基板を除去した後に、大気中で１１００℃、８時間熱処理した。熱処理するのは、成長誘導による一軸磁気異方性を低減するためである。その後、再度研磨して、７．６ｍｍ×５．０ｍｍ×０．３３ｍｍの形状に鏡面仕上げし、表裏両面の（１１１）面に反射防止膜を蒸着した。そして、１．０ｍｍ×１．２ｍｍ×０．３３ｍｍに切断し（図２のＣで破線は切断線を示す）、最後に（１１１）面と（−１１０）面と（−１−１２）面の交点の角を少し削ってマーカーとした。一隅に付着したペイント、あるいは片面の一縁の切断線に沿って設けた溝や段差をマーカーとしてもよい。最終的に作製した磁性ガーネット単結晶の形状及び面を図２のＤに示す。（なお、結晶の面の表記法では、負の指数については、その数値の上に横棒を引いて表すが、本明細書ではそれが出来ないために指数にマイナス記号を付すことで表記している。）
【００１３】
ファラデー素子は、図３に示すように、マーカーが対角の関係に位置するように方位を反対に向けて２個の磁性ガーネット単結晶１４を組み合わせて構成した（これを「Ｘ型配置」と称する）。
【００１４】
図４に示す系を用い、直交偏光子法により作製した磁性ガーネット単結晶のファラデー回転角を測定した。この系は、光ファイバ２０から出射した光が、レンズ２１、偏光子２２、ファラデー素子２３、検光子２４を通過し、レンズ２５によって光ファイバ２６に集光するように構成され、ファラデー素子２３には電磁石２７によって光軸方向に磁界が印加されるとともに、一対の永久磁石２８によって光軸と垂直な方向に磁界が印加される。電磁石２７のコイルに流す電流を変化させることによって、光軸方向の磁界が変化し、それに応じて合成磁界ベクトルも変化するようになっている。
【００１５】
ファラデー回転角の測定には、図３に示したＸ型配置のファラデー素子を用いた。光線が磁性ガーネット単結晶の反射防止膜を蒸着した面、即ち（１１１）面に対して垂直に入射するようにし、ファラデー素子を入射面の（１１１）面と平行な面内で１０度ずつ回転させて測定した。光の入射側の磁性ガーネット単結晶に対する合成磁界ベクトルの変位経路は図５の経路ａ〜ｇに相当する。測定結果を図６〜図１２に示す。
【００１６】
これらの測定結果から、合成磁界ベクトルがａ〜ｇで示されるどの変位経路を辿っても、電磁石による正方向の可変磁界と負方向の可変磁界とで、可変磁界の絶対値に対するファラデー回転角の変化はほぼ一致していた。つまり、＋方向に可変磁界が振れる場合と、−方向に可変磁界が振れる場合とで、ほぼ同じ曲線に乗っており、対称性が極めて良好であることが分かった。それに対して、磁性ガーネット単結晶単体について、同様に、磁界経路ａの場合のファラデー回転角を測定すると、図１３に示すようになり、非常に対称性が悪かった。
【００１７】
図１４に偏波スクランブラの一実施例を示す。Ａは全体の構成図であり、Ｂはファラデー素子の説明図である。本発明においてファラデー素子３２，３４は、磁化が光線と平行方向を向いたときにファラデー回転角がほぼ３０度となる磁性ガーネット単結晶１４を、２枚、方位を反対向きに組み合わせて前記Ｘ型配置のファラデー素子とし、それを３組（従って磁性ガーネット単結晶を合計６枚）用いて、合計のファラデー回転角が約１８０度となるように配列したものである。なお光線は各磁性ガーネット単結晶の（１１１）面に垂直に透過するように設定する。また各磁性ガーネット単結晶は、分かり易くするために互いに離して描いてあるが、実際にはそれら全てを接着一体化したものでもよい。図１４のＡに戻って、光ファイバ３０から出射した光はレンズ３１により平行光となり、ファラデー素子３２、１／４波長板３３、ファラデー素子３４を通過し、レンズ３５によって光ファイバ３６の入射端に集光する。ファラデー素子３２，３４には電磁石３７，３９により光軸と平行方向に磁界が印加され、更に永久磁石３８，４０によって、光軸に垂直方向に磁界が印加される。永久磁石３８，４０によって磁気飽和の状態とし、電磁石３７，３９のコイルに供給する電流を変化させることで、合成磁界ベクトルを変化させ、透過光の偏波方向を連続的且つ周期的に変える。
【００１８】
ファラデー素子に印加する合成磁界ベクトルの変位経路別（経路ａ〜ｇ）に、上記のような構成の偏波スクランブラを７台組み立て、それぞれＤＯＰを測定した（実施例）。また比較のために、方位を揃えて２個の磁性ガーネット単結晶を固定したファラデー素子を方位を揃えて３組並べた場合についても、印加する磁界の変位経路別に偏波スクランブラを組み立て、ＤＯＰを測定した（比較例）。いずれも、測定に用いた光の波長は１５５０ｎｍであり、永久磁石の磁界は１５０エルステッドである。また各磁性ガーネット単結晶は、磁化が光線方向と平行の時、ファラデー回転角が約３０度となる厚みに設定した。
【００１９】
測定結果を表１に示す。なお、ＤＯＰは次式で定義される。
ＤＯＰ（％）＝（ｓ_１ ^２＋ｓ_２ ^２＋ｓ_３ ^２）^１／２×１００
但し、ｓ_１，ｓ_２，ｓ_３：ストークスパラメータ
本実施例の偏波スクランブラでは印加磁界の変位経路によらず、ＤＯＰは１０％未満となる。それに対して比較例の偏波スクランブラでは、変位経路ｄのときはＤＯＰが７％と小さくなるが、それ以外の変位経路ではかなり大きくなり、印加磁界方向によってＤＯＰが大きく変化することが分かる。
【００２０】
【表１】

【００２１】
なお本発明において、各磁性ガーネット単結晶は必ずしも図１４のＢに示すように交互に向きを変えてその順序に配列する必要はなく、全体として対が構成されるように配列されていればよい。具体的には、磁性ガーネット単結晶を偶数個使用し、その半数が残りの半数に対し逆方位になっており、全体として対が構成されるようにする。また、上記の実施例において、ガーネット単結晶の一部を膜厚半分のものを２個に置き換えても、同様の効果が得られる。このように、使用するガーネット単結晶の個々の厚みを変えても、全体として、ある方位とそれとは逆方位の磁性ガーネット単結晶のファラデー回転角が対を構成していれば、効果がある。しかし、このような構成では、多種（厚みの異なるもの）の磁性ガーネット単結晶を作製しなければならず、生産性は悪くなる。
【００２２】
【発明の効果】
本発明は上記のように、２枚の磁性ガーネット単結晶を一対として、それを単一もしくは複数対組み合わせてファラデー素子とし、光は全ての磁性ガーネット単結晶の（１１１）面に入射し、一対の磁性ガーネット単結晶は、（１１１）面内で方位が互いに逆となるように配列したことにより、外部磁界方向に対するファラデー回転角の角度依存性が小さくなり、合成磁界ベクトルがどの経路を辿っても、言い換えると外部磁界の向きに対して（１１１）面内であればどの方向にファラデー素子を組み込んでも、合成磁界に対するファラデー回転角の変化は＋磁界と−磁界でほぼ対称となる。
【００２３】
これにより、磁性ガーネット単結晶に印加する合成磁界ベクトルを可変してファラデー回転角を制御する装置の、ファラデー素子組み込み時の角度ずれなどに起因する特性のばらつきが抑えられ、特性が安定する。具体的には、偏波スクランブラや光アッテネータの特性のばらつきを抑えることができ、更に偏波スクランブラにおいては外部印加磁界の方向にかかわらずＤＯＰを小さくすることができるし、組み立てが容易となり作業性が非常に向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】磁性ガーネット単結晶の（１１１）面を中心としたステレオ投影図。
【図２】磁性ガーネット単結晶の製造工程の一例を示す説明図。
【図３】磁性ガーネット単結晶の配置説明図。
【図４】直交偏光子法によるファラデー回転角の測定系を示す説明図。
【図５】合成磁界ベクトルの変位経路を示す説明図。
【図６】Ｘ型配置ファラデー素子の磁界経路ａにおける電磁石磁界とファラデー回転角の関係を示すグラフ。
【図７】Ｘ型配置ファラデー素子の磁界経路ｂにおける電磁石磁界とファラデー回転角の関係を示すグラフ。
【図８】Ｘ型配置ファラデー素子の磁界経路ｃにおける電磁石磁界とファラデー回転角の関係を示すグラフ。
【図９】Ｘ型配置ファラデー素子の磁界経路ｄにおける電磁石磁界とファラデー回転角の関係を示すグラフ。
【図１０】Ｘ型配置ファラデー素子の磁界経路ｅにおける電磁石磁界とファラデー回転角の関係を示すグラフ。
【図１１】Ｘ型配置ファラデー素子の磁界経路ｆにおける電磁石磁界とファラデー回転角の関係を示すグラフ。
【図１２】Ｘ型配置ファラデー素子の磁界経路ｇにおける電磁石磁界とファラデー回転角の関係を示すグラフ。
【図１３】磁性ガーネット単結晶単体の電磁石磁界とファラデー回転角の関係を示すグラフ。
【図１４】偏波スクランブラの一例を示す説明図。
【符号の説明】
１０非磁性ガーネット基板
１２Ｂｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜
１４磁性ガーネット単結晶

Claims

ファラデー効果を有する磁性ガーネット単結晶からなるファラデー素子に、２方向以上から外部磁界を印加して、それらの合成磁界ベクトルを可変することにより、ファラデー素子を通過する光の偏光面の回転角を可変する装置において、
ファラデー素子は、２枚の磁性ガーネット単結晶を一対として、それを単一もしくは複数対組み合わせ、光線が全ての磁性ガーネット単結晶の（１１１）面に入射し、一対の磁性ガーネット単結晶は、（１１１）面内での一方の磁性ガーネット単結晶の方位が他方の磁性ガーネット単結晶の方位に対して同一方向から１８０°±１０°回転させた方位となるように配列されていることを特徴とするファラデー回転角可変装置。
一対の磁性ガーネット単結晶は、ほぼ同一組成で且つほぼ同一厚みであり、互いにほぼ逆向きの方位で配列されている請求項１記載のファラデー回転角可変装置。
磁性ガーネット単結晶を偶数個使用し、その半数が残りの半数に対して逆方位になっており、全体として対を構成するように配列した請求項１又は２記載のファラデー回転角可変装置。
入射光線方向に対して平行方向と垂直方向の２方向から永久磁石と電磁石によって外部磁界を印加する請求項１乃至３のいずれかに記載のファラデー回転角可変装置。
磁性ガーネット単結晶が、液相エピタキシャル法により作製した（ＲＢｉ）_３（ＦｅＭ）_５Ｏ_１２（但し、Ｒはイットリウムを含む希土類元素から選ばれた１種もしくは２種以上の元素、Ｍは鉄と置換できる１種もしくは２種以上の元素）である請求項１乃至４のいずれかに記載のファラデー回転角可変装置。
磁性ガーネット単結晶が、液相エピタキシャル法により作製したＹ_３Ｆｅ_５Ｏ_１２である請求項１乃至４のいずれかに記載のファラデー回転角可変装置。