JP5792832B2 - 光アイソレータ - Google Patents
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Description
θ=V×H×L
上記式中、Vはベルデ定数でファラディ素子の材料及び測定波長で決まる定数であり、Hは磁束密度、Lはファラディ素子の長さである。この式から分かるように、ある一定の大きさのベルデ定数を持つ素子において、所望のファラディ回転角を得ようとすると、ファラディ素子に印加する磁界が大きいほど素子長を短くすることができ、素子長が長いほど磁束密度を小さくすることできる。
また、鉛を含むガラスも、用いられている。
更に、鉛を含むガラスは、波長320〜800nmではベルデ定数が小さく、ファラディ素子として用いると光路が長くなってしまう。
本発明が解決しようとする他の課題は、ファラディ効果が大きいファラディ素子を使用し、かつ、小さな外形のマグネットと組み合わせた光アイソレータを提供することである。本発明の他の課題は、以下の説明から明らかになるであろう。
<1>波長405nmにおけるベルデ定数が0.70min/(Oe・cm)以上のファラディ素子と、前記ファラディ素子の外周に配置される第1の中空マグネット並びに第1の中空マグネットを光軸上で挟んで配置された第2及び第3の中空マグネットユニットと、を備え、第2及び第3の中空マグネットユニットは、それぞれ、光軸に対し90度方向に等分割された2以上のマグネットから構成され、前記ファラディ素子に印加される磁束密度B(Oe)は下記式(1)の範囲内にあり、前記ファラディ素子が配置されるサンプル長L(cm)は下記式(2)の範囲内にある、ことを特徴とする320−633nm波長帯域用光アイソレータ、
0.8×104≦B≦1.5×104 (1)
0.25≦L≦0.45 (2)
<2>前記ファラディ素子が、下記式(I)で表される酸化物を95%以上含有する、<1>に記載の光アイソレータ、
Yb2O3 (I)
<3>前記酸化物が単結晶である、<2>に記載の光アイソレータ、
<4>前記酸化物がセラミックスである、<2>に記載の光アイソレータ、
<5>前記ファラディ素子が、サンプル長L(cm)において、1dB以下の挿入損失と30dB以上の消光比を有する、<1>〜<4>のいずれか1つに記載の光アイソレータ、
<6>第1の中空マグネット、並びに、第2及び第3の中空マグネットユニットが、ネオジム−鉄−ボロン(NdFeB)系磁石からなる、<1>〜<5>のいずれか1つに記載の光アイソレータ、
<7>第1の中空マグネットの磁界極性を光軸方向とし、第2及び第3の中空マグネットユニットの磁界極性を光軸法線方向において互いに反対とした、<1>〜<6>のいずれか1つに記載の光アイソレータ、
<8>第2及び第3の中空マグネットユニットが、円筒マグネットを90°に4分割した4個のマグネットの集合体である、<1>〜<7>のいずれか1つに記載の光アイソレータ、
<9>更に2枚以上の平板複屈折結晶及び1枚以上の45度旋光子を具備した、<1>〜<8>のいずれか1つに記載の光アイソレータ、
<10>前記平板複屈折結晶の光学軸は光軸に対しほぼ45度方向であり、厚みが1.0cm以上である、<9>に記載の光アイソレータ、
<11>第1の中空マグネット、第2の中空マグネットユニット及び第3の中空マグネットユニットが炭素鋼筐体の内部に搭載された、<1>〜<10>のいずれか1つに記載の光アイソレータ。
また、<2>に記載の発明によれば、偏光回転能を左右するYb2O3酸化物含有量が95%以上であるため、同含有量50%ファラディ素子のサンプル長を1/2程度に短くできるので、高出力レーザにより懸念されるファラディ素子の光損傷を減少させることができた。
上記の<7>に記載の発明により、ファラディ素子に印加される磁束密度を高め、一層の小型化が達成できた。
上記の<8>に記載の発明により、小型化に加えて偏光無依存化を達成することができた。
0.8×104≦B≦1.5×104 (1)
0.25≦L≦0.45 (2)
本発明に使用するファラディ素子は、波長320〜633nmにおいて光吸収が極めて少ない透明なファラディ素子であるため、TGG結晶のような従来の素子では機能することができない波長帯へも対応することができた。このファラディ素子に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により、光アイソレータの小型化を可能とした。このために、光アイソレータを組み込むデバイス内の空間的寸法の自由度を大きくすることができた。
以下に本発明を詳細に説明する。
なお、当業者は、本発明の光アイソレータを上記以外の波長帯域のレーザ光に設計変更することができる。
図1は、本発明の光アイソレータの構成例を示す断面模式図である。
図1において、入射偏光子1、ファラディ素子4、及び出射偏光子6が、左側の入射側から右側の出射側に向う光軸12上に、順次配置されている。
図1において、入射偏光子1は楔ガラス2により、また、出射偏光子6は楔ガラス2により光軸12上に固定されている。入射側で入射偏光子1は、偏光子ホルダ3に固定され、出射側では45度旋光子5と出射偏光子6が偏光子ホルダ3に固定されている。また、光学軸11を入射偏光子1及び出射偏光子6に示した。
このファラディ素子4の外周には、第1の中空マグネット7並びに第1の中空マグネットを光軸上で挟んで、第2の中空マグネットユニット8及び第3の中空マグネットユニット9が配置されている。ファラディ素子4が円筒状の場合、第1の中空マグネット7並びに第2の中空マグネットユニット8及び第3の中空マグネットユニット9はいずれも中空円筒状であることが好ましく、ファラディ素子4の中心軸及び第1の中空マグネット7の中空部と二つの中空マグネットユニット8,9の中空部の中心軸は同軸であることが好ましい。また、ファラディ素子4の外径と、第1の中空マグネット7の中空部の内径と、二つの中空マグネットユニット8,9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、ファラディ素子4が第1の中空マグネット7の中心に配置される。
図2は、2つの中空マグネットユニット8,9の一実施形態を示す断面模式図である。両中空マグネット共に、円筒マグネットを90°に4分割した4個のマグネットの集合体となっている。4分割したマグネットユニット(集合体)は、加工適性に優れるので好ましい。この4分割マグネットユニットの態様の他に、180°に2分割された2個のマグネットの集合体や、120°に3分割された3個のマグネットの集合体でもよい。
図2に示す実施形態において、円筒マグネットを4分割したマグネットは、その磁界極性は外周方向となっている。この場合、各々のマグネットは相互に反磁力を持ち合わせるので、組み合わせたマグネットユニットの外周外径と筐体10の内径をマグネットユニットが挿入できるようにほぼ一致させると、各々の反磁力のみで筐体10の内部に固定することができる。この固定法を利用すれば、第2の中空マグネットユニット8と第3の中空マグネット9を両側の押さえとして、第1の中空マグネット7を隙間無く固定することができるので、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とすることができる。
ここで、「磁界極性」とは、磁化の方向を意味する。すなわち、磁力線の向きを表す。
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素子をセットし、波長405nm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。
0.25≦L≦0.45 (2)
サンプル長が0.45cmを超えると、光アイソレータの小型化が難しくなり、0.25cm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、やはり光アイソレータの小型化が難しくなる。
ここで、ファラディ素子が配置されるサンプル長とは、ファラディ素子の光軸上の長さを意味し、図1中にLで示されている。
Yb2O3 (I)
上記の酸化物の含有量は、99.9重量%以上であることがより好ましく、100重量%であることが更に好ましい。
一方、テルビウムは、イッテルビウムよりもベルデ定数が大きいが、波長320〜380nm、450〜550nmに吸収がある。従って、このイッテルビウムをできるだけ多く含む化合物を作製することが、その化合物のベルデ定数を大きくし、ファラディ回転角を大きくできる。
そこで、使用する波長において、ベルデ定数が0.20min/(Oe・cm)以上であることが望ましく、それ未満であると、使用する磁界において、ファラディ素子の長さが10mm以上になり、光アイソレータ形状と透過損失が大きくなってしまうことが判った。
そして更なる検討・実験の結果、酸化イッテルビウムを重量比換算で95重量%以上含む材料であれば、ベルデ定数が0.20min/(Oe・cm)以上となり、ファラディ材料の長さが10mm以下になり、光アイソレータの小型化が図れると供に、波長320〜633nmの光の吸収がほとんど発生しないものとすることができることを知見した。
なお、単結晶を光アイソレータのファラディ素子として使用する場合には、切断後、研磨剤等により表面に鏡面仕上げを施すことが好ましい。研磨剤は特に限定されないが、例えば、コロイダルシリカが例示される。
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405nmにおいて測定する。なお、測定条件は25±10℃とし、大気中で測定を行う。
透過率は、波長405nmの光を厚さLcmのファラディ素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Lcm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。
第1の中空マグネット並びに第2及び第3の中空マグネットユニットは、いずれも、可能な限り小型な永久磁石とすることが好ましく、かつ大きな磁場強度を得るために、ネオジム−鉄−ボロン(NdFeB)系磁石を使用することが好ましい。
この場合、前記平板複屈折結晶の光学軸は光軸に対しほぼ45°方向であり、厚みが1.0cm以上であることが好ましい。例えば、ルチル単結晶(TiO2)を使用した場合においては厚みの1/10であるφ1.0mm、α−BBO結晶(BaB2O4)においては厚みの1/30程度であるφ0.35mmのビーム径にまで対応することができる。
図3の上段には、入力光の偏光面の挙動を示す。最初に、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との2つに分離される。入射光は、入射偏光子1において偏光面をそれぞれ0度、90度に分離された常光、異常光がファラディ素子4により右回りにそれぞれ45度回転される。この偏光面の角度が更に右回りに45度回転されるように、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度回転されるので、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6においては、入射偏光子1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。
なお、図2の説明おいて述べたように、等分割した4つのマグネットユニットの外周外径と筐体10の内径をマグネットが挿入できるようにほぼ一致させると、各々マグネットの反磁力のみで2つのマグネットユニットを筐体の内部に固定することができる。
図1に示す構成の405nm帯光アイソレータを製作した。
入射偏光子1及び出射偏光子6としては405nmにおいて高い透明性を有する、α−BBO結晶(BaB2O4)を使用し、その光透過面は1.0cm厚の平行平板に加工されており、その光学軸11は光軸12に対して47.8度傾いている。図1では、傾き方向が紙面の中にあるように描かれている。更にこの平行平板偏光子は光透過面に中心波長405nmの反射防止膜を施すと共に、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2の上に偏光子底面を接着固定し偏光子ホルダ3に搭載した。
また、ファラディ素子4は第1の中空マグネット7の中空部中心に位置するようにし、第2の中空マグネットユニット8と第3の中空マグネットユニット9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。第2及び第3のマグネットユニットは、図2に示したように、4つに等分割されたマグネットを組み合わせて使用した。入射光路順にファラディ素子4の後に配置される45度旋光子5は、人工水晶を材質とする1/2波長板を使用し、その光透過面には中心波長405nmの反射防止膜を施した。
このセラミックスを波長405nmにおいて測定したところ、挿入損失0.5dB、消光比40dB、ベルデ定数0.74min/(Oe・cm)の光学特性を有していることが分かった。なお、このときの測定したサンプルは外径(直径)φ0.3cm、長さ0.4cmの円筒形状であった。
ここで、前述したサンプルサンプル長が0.4cmである場合に、実施例1のベルデ定数(0.74min/(Oe・cm))値よりファラディ回転角が45度となる磁束密度を算出すると、必要とする磁束密度は約9,100[Oe](=0.91[T])となることが分かる。
図4に示すように、比較例1としてイッテルビウム酸化物を50重量%含むYb2O3セラミックス(ベルデ定数0.37min/(Oe・cm))をファラディ素子とした光アイソレータを作製した。
このYb2O3セラミックスに印加する磁束密度を算出すると、サンプル長0.4cmにおいて必要とする磁束密度は約18,200[Oe](=1.82[T])、同様に磁束密度の下限値を示すサンプル長0.45cmにおいては約16,000[Oe](=1.6[T])となることが分かる。
Yb2O350重量%のファラディ素子に使用するマグネットと比較して、本発明の光アイソレータでは、ファラディ素子のサンプル長及び印加する磁束密度を小さくできるので、マグネットの外径を小さくすることができ、この結果光アイソレータの小型化が実現できた。光アイソレータの製品形状の小型化の他に、光アイソレータから外部に漏洩する磁場の低減も図ることができた。
なお、図5におけるマグネットの内径φ(直径)及びφ外径(直径)は、以下の通りである。
実施例1(サンプル長0.45cm):マグネット内径φ0.4cm、外径φ1.4cm
実施例1(サンプル長0.40cm):マグネット内径φ0.4cm、外径φ1.6cm
実施例1(サンプル長0.25cm):マグネット内径φ0.4cm、外径φ2.4cm
比較例1(サンプル長0.45cm):マグネット内径φ0.4cm、外径φ3.4cm
図5中、Z(cm)は、ファラディ素子が配置される中心軸からの距離を示しており、0cmは中心軸上の中央(配置されるファラディ素子の真ん中)を示している。すなわち、ファラディ素子のサンプル長が0.45cmの場合には、ファラディ素子の端点は、Z=±0.225cmにあたり、同様に、ファラディ素子のサンプル長が0.40cmの場合には、ファラディ素子の端点はZ=±0.20cmにあたる。
図5のシミュレーションの結果、光軸方向(Z)に対し、安定した磁束密度が得られることが分かった。
式(1)、式(2)を満たす上限の磁束密度は実施例1におけるサンプル長0.25cmの磁束密度分布、下限の磁束密度は実施例1におけるサンプル長0.45cmの磁束密度分布を示しており、各々マグネット形状は上述の通り、内径φ0.4cm、外径φ1.4(下限値)〜φ2.4cm(上限値)となった。
2 楔ガラス
3 偏光子ホルダ
4 ファラディ素子
5 45度旋光子
6 出射偏光子
7 第1の中空マグネット
8 第2の中空マグネットユニット
9 第3の中空マグネットユニット
10 筐体
11 光学軸
12 光軸
Claims (10)
- 波長405nmにおけるベルデ定数が0.70min/(Oe・cm)以上のファラディ素子と、
前記ファラディ素子の外周に配置される第1の中空マグネット並びに第1の中空マグネットを光軸上で挟んで配置された第2及び第3の中空マグネットユニットと、を備え、
第2及び第3の中空マグネットユニットは、それぞれ、光軸に対し90度方向に等分割された2以上のマグネットから構成され、
前記ファラディ素子に印加される磁束密度B(Oe)は下記式(1)の範囲内にあり、
前記ファラディ素子が配置されるサンプル長L(cm)は下記式(2)の範囲内にあり、第1の中空マグネット、第2の中空マグネットユニット及び第3の中空マグネットユニットが炭素鋼筐体の内部に搭載されたことを特徴とする
320〜633nm波長帯域用光アイソレータ。
0.8×104≦B≦1.5×104 (1)
0.25≦L≦0.45 (2) - 前記ファラディ素子が、下記式(I)で表される酸化物を95重量%以上含有する、請求項1に記載の光アイソレータ。
Yb2O3 (I) - 前記酸化物が単結晶である、請求項2に記載の光アイソレータ。
- 前記酸化物がセラミックスである、請求項2に記載の光アイソレータ。
- 前記ファラディ素子が、サンプル長L(cm)において、1dB以下の挿入損失と30dB以上の消光比を有する、請求項1〜4のいずれか1つに記載の光アイソレータ。
- 第1の中空マグネット、並びに、第2及び第3の中空マグネットユニットが、ネオジム−鉄−ボロン(NdFeB)系磁石からなる、請求項1〜5のいずれか1つに記載の光アイソレータ。
- 第1の中空マグネットの磁界極性を光軸方向とし、第2及び第3の中空マグネットユニットの磁界極性を光軸法線方向において互いに反対とした、請求項1〜6のいずれか1つに記載の光アイソレータ。
- 第2及び第3の中空マグネットユニットが、円筒マグネットを90°に4分割した4個のマグネットの集合体である、請求項1〜7のいずれか1つに記載の光アイソレータ。
- 更に2枚以上の平板複屈折結晶及び1枚以上の45度旋光子を具備する、請求項1〜8のいずれか1つに記載の光アイソレータ。
- 前記平板複屈折結晶の光学軸は光軸に対しほぼ45度方向であり、厚みが1.0cm以上である、請求項9に記載の光アイソレータ。
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