JP4655835B2

JP4655835B2 - ファラデー回転角可変装置

Info

Publication number: JP4655835B2
Application number: JP2005256569A
Authority: JP
Inventors: 俊樹岸本; 洋一小野里
Original assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Priority date: 2005-09-05
Filing date: 2005-09-05
Publication date: 2011-03-23
Anticipated expiration: 2025-09-05
Also published as: JP2007071982A

Description

本発明は、ファラデー効果を示す磁性ガーネット単結晶膜に対し２方向以上から外部磁界を印加し、かつ、これ等の合成した磁界を変化させて磁性ガーネット単結晶膜におけるファラデー回転角を制御するファラデー回転角可変装置に係り、特に、Ｌバンドの光に対する損失が小さく、しかも温度依存性の小さなファラデー回転角可変装置の改良に関するものである。

ファラデー回転子は、磁界の印加によって透過光の偏光面を一定角度回転させる磁気光学効果を示す素子で、液相エピタキシャル（以後、「ＬＰＥ」と略称する）法により作製した磁性ガーネット単結晶膜（以後、「ＲＩＧ膜」と略称する場合がある）が一般的に用いられている。通常は、非磁性ガーネット基板の（１１１）面上に育成したＲＩＧ膜から非磁性ガーネット基板を除去した後、ＲＩＧ膜を研磨して膜厚を所望の厚さに調整した上で、正方形のチップに切断し、ファラデー回転子とする。したがって、育成したＲＩＧ膜の表面も（１１１）面となる。

この様なファラデー回転子を使用する光デバイスとしては、光アイソレータや光サーキュレータが一般的であるが、これ等の他に、偏波スクランブラ、光アッテネータ、光スイッチ等が近年開発されている。

そして、光アイソレータでは、ファラデー回転子に対して光軸と平行な方向に磁界を印加するが、光アッテネータのように光の透過光量を連続的に制御する光デバイスでは、ファラデー回転子に対して光軸と平行な方向に印加する磁界（以後、垂直磁界と呼ぶ）と光軸に垂直な方向に印加する磁界（以後、水平磁界と呼ぶ）の２方向からの外部磁界を印加し、かつ、これ等の合成磁界を変化させることによりファラデー回転角を制御するファラデー回転角可変装置が用いられる。

上記光アッテネータに用いるファラデー回転子として、複数枚のＲＩＧ膜からなる基本膜と、基本膜のファラデー回転係数の波長依存性を低減させるため基本膜とは組成の異なる補償膜と呼ばれるＲＩＧ膜とで構成され、膜全体として所望のファラデー回転角を得るものが提案されている（特許文献１参照）。

ところで、光アッテネータでは、上述のように垂直磁界と水平磁界を印加しているが、水平磁界をＲＩＧ膜のどの結晶方位に印加するかによってデバイス特性にばらつきが生じることが知られている。

そこで、上記特許文献１では、印加される合成磁界のベクトルの変位経路を、ＲＩＧ膜の（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）面と等価な面の左右５度の範囲内に設定したものが提案されている。

また、３つ以上のＲＩＧ膜を用いたファラデー回転角可変装置において、ファラデー回転角の温度依存性を低減させるため、隣り合うＲＩＧ膜の結晶方位を互いに逆向きにしたものが報告されている（特許文献２参照）。

尚、光アッテネータの構造としては、透過型（特許文献１参照）、反射型（特許文献３参照）が報告されている。そして、どちらの構造の光アッテネータにおいても、垂直磁界には永久磁石による固定磁界を、水平磁界には電磁石による可変磁界を印加してファラデー回転角を制御している。
特開２０００−２４９９９７号公報特開２００１−０７５０６３号公報特開２００３−１０７４２０号公報

近年、波長多重通信システムの拡大に伴い、光デバイスには、波長が１５２８〜１５６１ｎｍのＣバンドのみならず、１５６１〜１６２０ｎｍのＬバンドにも使えるマルチバンド化が求められている。

そして、上記特許文献１〜３で用いられている基本膜にはＴｂを含んだＲＩＧ膜が使用されているが、ＴｂはＬバンドの光を吸収するため、Ｃバンドに比較してＬバンドの損失が大きいという問題があった。

尚、光アイソレータでは、Ｌバンド用には一般にＴｂを含まないガーネット膜を用いることで損失増の問題を回避してきた。

しかし、光アッテネータでは、基本膜と補償膜におけるファラデー回転の回転方向が異なり、かつ、ファラデー回転角が補償膜の３倍以上である膜を基本膜に用いるため、温度依存性を改善させるためには、基本膜にファラデー回転角の温度係数の小さな膜を用いる必要があった。このような温度係数が小さなガーネット膜としては、一般にＴｂを構成元素に含むものが広く知られている。このような観点から、特許文献１の構成においても、基本膜にはＴｂを含むものを用いている。このため、Ｌバンドでの吸収は避けられないものになっていた。

本発明はこのような問題点に着目してなされたもので、その課題とするところは、Ｌバンドの光に対して損失が小さく、しかも温度依存性の小さなファラデー回転角可変装置を提供することにある。

そこで、このような課題を解決するため本発明者等が鋭意研究を行ったところ、以下のような技術的発見をするに至った。

まず、磁化方向が光軸と平行となるように垂直磁界のみを印加したときのファラデー回転角が３０度であるＲＩＧ膜に、適当な水平磁界を印加した状態でＲＩＧ膜を回転させ、合成磁界のベクトルと結晶方位との関係を変化させると、ファラデー回転角は図２に示すように３回の対称性を示す。尚、図２では水平磁界が結晶の［−１−１２］方位に印加されている状態を方位０度としている。

ここで注目すべきは、方位が５０、７０、１７０、１９０、２９０、３１０度付近で、異なる温度における曲線が交差することである。交差する点ではファラデー回転角の温度依存性が現れていないことになる。

但し、この状態ではＲＩＧ膜が３回の対称性を有していることから、例えば水平磁界を方位が５０度の方向に印加しようとしたとしても、水平磁界を印加するための電磁石の結線を間違えて磁界の極性が異なってしまうと、方位が２３０度（＝５０度＋１８０度）の状態となり、全く異なる特性を呈してしまうことになる。

そこで、同一のファラデー回転角を有する偶数枚のＲＩＧ膜により基本膜を構成し、かつ、ＲＩＧ膜の結晶方位を互いに１８０度反転するように配置したところ、上記弊害が回避されることを見出した。図３に、２枚のＲＩＧ膜を結晶の［−１−１２］方位が１８０度反転するように貼り合わせたものを例示するが、このような構成とすることにより図４に示すように６回の対称性を示すため、電磁石の極性が反転したとしても同じ特性を示すようになる。すなわち、適正方位（図４において異なる温度の曲線が交差する方位）がα度の場合、電磁石の極性が反転したとしても６回の対称性を示すため、α度＋１８０度＝α度＋３×６０度となり、適正方位の条件を満たすことになる。尚、図４では水平磁界が光入射側のＲＩＧ膜の［−１−１２］方位に印加されている状態を方位０度としている。

更に、図４のグラフ図におけるファラデー回転角の温度依存性が小さな領域は、図１に示す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（−１−１２）面と等価な面から左右に５〜１５度の位置を結んだ線で囲まれた扇形範囲に入っていることが判明した。本発明はこのような技術的発見に基づき完成されている。

すなわち、請求項１に係る発明は、
磁性ガーネット単結晶膜から成るファラデー回転子に対し２方向以上から外部磁界を印加し、かつ、これ等の合成した磁界を変化させて上記ファラデー回転子のファラデー回転角を制御するファラデー回転角可変装置を前提とし、
ファラデー回転子を構成する上記磁性ガーネット単結晶膜がＴｂを含有しないと共に、上記ファラデー回転子がファラデー回転角における温度係数の符号が互いに異なる基本膜と補償膜とで構成され、上記基本膜が同一のファラデー回転角を有する偶数枚の磁性ガーネット単結晶膜により構成され、かつ、上記偶数枚の磁性ガーネット単結晶膜における結晶方位が互いに１８０度反転するように配置され、上記基本膜に印加される外部磁界における合成ベクトルの変位経路が、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（−１−１２）面と等価な面から左右に５〜１５度の位置を結んだ線で囲まれた扇形範囲に入っていることを特徴とするものである。

ここで、最外周円上の（−１−１２）面と等価な面とは、（−２１１）、（−１２−１）、（１１−２）、（２−１−１）および（１−２１）のことである。尚、結晶の面および方位を表す表記法では、負の指数については数値の上に横棒を引いて表すが、本明細書ではそれができないので指数にマイナス符号を付けて表記している。また、図１に示すステレオ投影図は、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、隣り合う径方向の破線は互いに１０度ずつ異なっている面を意味する。

請求項１記載の発明に係るファラデー回転角可変装置によれば、長波長帯における光吸収による損失を低減するためにＴｂを含まないＲＩＧ膜を適用しても温度依存性が改善され、かつ、水平磁界を印加するための電磁石の極性が反転したとしても特性が変わらない効果を有する。

本発明に係るファラデー回転角可変装置に用いるファラデー回転子は、偶数枚のＲＩＧ膜から成る基本膜と、基本膜とは温度係数の符号が異なるＲＩＧ膜から成る補償膜とで構成される。そして、基本膜に用いるＲＩＧ膜としては、永久磁石による垂直磁界が小さくても磁化が飽和するように飽和磁界が１００Ｏｅ程度と小さく、電磁石による水平磁界により基本膜の磁化方向が回転し易い、垂直磁気異方性が小さいものが好ましい。また、Ｌバンドの長波長側における光吸収を生じさせないためにＴｂを含有しないＲＩＧ膜であることが必要で、含有させる希土類元素としては、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ等が考えられ、具体的には（ＧｄＢｉ）_３（ＦｅＧａＡｌ）_５Ｏ_１２や（ＥｕＨｏＢｉ）_３（ＦｅＧａ）_５Ｏ_１２といった組成の膜が挙げられる。

他方、補償膜に用いるＲＩＧ膜としては、飽和磁界が小さいことは基本膜と同様であるが、垂直磁気異方性が大きい方が好ましい。基本膜は電磁石による水平磁界により磁化方向を回転させるが、補償膜は水平磁界が印加されていても磁化方向が回転しない方が好ましいからである。また、補償膜の場合も、Ｌバンドの長波長側における光吸収を生じさせないためにＴｂを含有しないＲＩＧ膜であることが必要で、含有させる希土類元素としては、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ等が考えられ、具体的には（ＧｄＢｉ）_３（ＦｅＧａＡｌ）_５Ｏ_１２や（ＥｕＨｏＢｉ）_３（ＦｅＧａ）_５Ｏ_１２いった組成の膜が挙げられる。

そして、上記（ＧｄＢｉ）_３（ＦｅＧａＡｌ）_５Ｏ_１２の場合は、Ｆｅの置換量を変えることでファラデー回転の方向を右回りにも左回りにも変えることができるため、基本膜に（ＧｄＢｉ）_３（ＦｅＧａＡｌ）_５Ｏ_１２を用いる場合は、補償膜として（ＧｄＢｉ）_３（ＦｅＧａＡｌ）_５Ｏ_１２や（ＥｕＨｏＢｉ）_３（ＦｅＧａ）_５Ｏ_１２を組み合わせることができ、基本膜に上記（ＥｕＨｏＢｉ）_３（ＦｅＧａ）_５Ｏ_１２を用いる場合は、補償膜としては（ＧｄＢｉ）_３（ＦｅＧａＡｌ）_５Ｏ_１２を組み合わせることができる。

図５に反射型光アッテネータの概略構成を示す。

すなわち、反射型の光アッテネータは、２芯ファイバ１、複屈折結晶２、円筒状永久磁石３、コリメータレンズ４、図示外の基本膜と補償膜から成るファラデー回転子５、ミラー６、円柱状永久磁石７および電磁石とで構成されており、上記電磁石は、一対のヨーク先端部８、ヨーク本体９およびコイル１０により構成されている。

そして、反射型の光アッテネータでは、ファラデー回転角が往復で９０度のときは、減衰することなしに出力ファイバに出射され、０度のときは殆ど全て減衰することになる。ファラデー回転角が９０度となる状態は、電磁石による水平磁界を印加しない状態で基本膜および補償膜によるファラデー回転角が往復で９０度となるように、基本膜および補償膜を構成するＲＩＧ膜の厚みを調整することで行われるが、厳密に厚みを調整することは難しく、現実には往復で２度程度のばらつきを生じてしまう。仮に往復のファラデー回転角が９０度より大きい場合は、水平磁界を印加していくにつれて、一旦減衰量が減少し、その後、水平磁界の増加につれて減衰量が増加していく。電磁石のコイルに流す電流と減衰量の関係は、最大減衰量が得られるところまでは単調増加であることが好ましいため、研磨による厚みのばらつきを考慮すると、ファラデー回転子におけるファラデー回転角は往復で８８度以下、８６度以上にするのがよい。

以下、本発明の実施例について具体的に説明する。

ＬＰＥ法により、３インチの（ＣａＧｄ）_３（ＭｇＺｒＧａ）_５Ｏ_１２基板（以後、ＧＧＧ基板と略称する）に、ＲＩＧ膜として（ＧｄＢｉ）_３（ＦｅＧａＡｌ）_５Ｏ_１２を育成し、１１ｍｍ角ウェハに切断後、ＧＧＧ基板を研削、研磨して取り除き、アニール後、ファラデー回転角が３０度となるようにＲＩＧ膜の両面を光学研磨して膜の厚みを調整した。これを基本膜に用いた。

同様に、３インチのＧＧＧ基板に、ＲＩＧ膜として（ＥｕＨｏＢｉ）_３（ＦｅＧａ）_５Ｏ_１２を育成し、ファラデー回転角が１７度となるようにしたものを補償膜に用いた。

上記基本膜２枚を結晶方位が互いに１８０度反転する様にしたものに、補償膜を加え、計３枚のＲＩＧ膜を光学接着剤で貼り合せた。その後、光入射面が、０．８ｍｍ×１．６ｍｍ角のファラデー回転子チップになるようにダイシングマシンで切断した。

切断に際しては、チップの短辺に平行に水平磁界を印加したときに、外部磁界の合成ベクトルの変位経路が、図１に示すステレオ投影図における中心の（１１１）面と最外周円上の（−１−１２）面と等価な面から１０度の位置になるように切断した。

そして、上記チップを用いて反射型の光アッテネータを組み立て、光アッテネータの減衰特性を評価した。尚、反射型であるため、上記チップを往復したときのファラデー回転角は水平磁界が印加されず、垂直磁界のみが印加されたときには８６度である。

電磁石のコイルに流す電流値を変えたときの減衰量で表す減衰特性を図６に示すが、温度依存性の小さな光アッテネータが実現できた。

次に、この光アッテネータにおいて、電磁石の極性を変えて、減衰特性を測定すると、図７に示すように、電磁石の極性を変えても特性の差がほとんどない光アッテネータであることが確認された。

［比較例１］
ファラデー回転子のチップの切断に際して、チップの短辺に平行に水平磁界を印加したときに、外部磁界の合成ベクトルの変位経路が、図１に示すステレオ投影図における中心の（１１１）面と最外周円上の（−１−１２）面と等価な面から０度となるようにした以外は、実施例１と同様にして作製したチップを用い反射型の光アッテネータを組み立て、光アッテネータの減衰特性を評価した。

比較例１の光アッテネータの減衰特性は、図８に示すように最大減衰量が得られるピーク電流値が温度によりずれてしまい、大きな温度依存性を持っていることがわかる。

［比較例２］
基本膜２枚の結晶方位を互いに１８０度反転させずに同じ方位にした以外は実施例１と同様にして作製したチップを用い反射型の光アッテネータを組み立て、光アッテネータの減衰特性を評価した。

比較例２の光アッテネータの減衰特性は、図９に示すように最大減衰量が得られるピーク電流値が温度によりずれてしまい、大きな温度依存性を持っていることがわかる。また、この光アッテネータにおいて、電磁石の極性を変えて減衰特性を測定すると、図１０に示すように、図９に示す特性とは大きく異なり、電磁石の極性による特性の差が大きいことが確認された。

ガーネット単結晶の（１１１）面を中心とするステレオ投影図。ＲＩＧ膜に印加する合成磁界のベクトルと結晶方位との関係を変化させたときのファラデー回転角の変化を示すグラフ図。方位を反転させて貼り合わされたＲＩＧ膜の概略斜視図。方位を反転させて貼り合わされたＲＩＧ膜に印加する合成磁界のベクトルと結晶方位との関係を変化させたときのファラデー回転角の変化を示すグラフ図。反射型の光アッテネータの概略構成を示す説明図。実施例１に係る光アッテネータの減衰特性を示すグラフ図。実施例１に係る光アッテネータにおいて電磁石の極性を変えたときの減衰特性を示すグラフ図。比較例１に係る光アッテネータの減衰特性を示すグラフ図。比較例２に係る光アッテネータの減衰特性を示すグラフ図。比較例２に係る光アッテネータにおいて電磁石の極性を変えたときの減衰特性を示すグラフ図。

符号の説明

１２芯光ファイバ
２複屈折結晶
３円筒状永久磁石
４コリメータレンズ
５ファラデー回転子
６ミラー
７円柱状永久磁石
８ヨーク先端部
９ヨーク本体
１０コイル

Claims

磁性ガーネット単結晶膜から成るファラデー回転子に対し２方向以上から外部磁界を印加し、かつ、これ等の合成した磁界を変化させて上記ファラデー回転子のファラデー回転角を制御するファラデー回転角可変装置において、
ファラデー回転子を構成する上記磁性ガーネット単結晶膜がＴｂを含有しないと共に、上記ファラデー回転子がファラデー回転角における温度係数の符号が互いに異なる基本膜と補償膜とで構成され、上記基本膜が同一のファラデー回転角を有する偶数枚の磁性ガーネット単結晶膜により構成され、かつ、上記偶数枚の磁性ガーネット単結晶膜における結晶方位が互いに１８０度反転するように配置され、上記基本膜に印加される外部磁界における合成ベクトルの変位経路が、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（−１−１２）面と等価な面から左右に５〜１５度の位置を結んだ線で囲まれた扇形範囲に入っていることを特徴とするファラデー回転角可変装置。