JP6862753B2 - ファラデー回転子、ファラデー回転子の製造方法、及び、磁気光学デバイス - Google Patents

Description

本発明は、ファラデー回転子、ファラデー回転子の製造方法、及び、磁気光学デバイスに関する。特に、簡単な調整作業で所望とするファラデー回転角を高精度に設定できるファラデー回転子、とその製造方法、及び該ファラデー回転子を備える磁気光学デバイスの改良に関するものである。

ファラデー回転子は、ファラデー素子と該ファラデー素子に磁界を加えてファラデー効果を生じさせる磁石体とで構成され、直線偏光をファラデー回転させる機能素子である。従来、ファラデー回転子は、例えば、光通信システムで使用される光アイソレータや光サーキュレータ、その他非相反性が要求される磁気光学デバイスに搭載されている。ファラデー回転子に使用される光は、例えば、波長１．３μｍ〜１．６μｍのレーザー光であり、ファラデー素子には強磁性体である希土類・鉄ガーネット（Rare-earth Iron Garnet、以下、「ＲＩＧ」と略称する）膜が用いられている。この場合、ファラデー回転角θｆは、使用波長におけるＲＩＧ膜のファラデー回転係数をＦ（材料固有の値）、ＲＩＧ膜の光路長（ＲＩＧ膜の厚み）をｄとすると、下記式（１）で与えられる。

ファラデー素子にＲＩＧ膜を用いた場合、上記式（１）で示されるように、ファラデー回転角θｆは、ＲＩＧ膜の光路長ｄのみに依存する。強磁性体であるＲＩＧ膜を磁気飽和させるために必要な磁界より大きい磁界が磁石体により得られれば、その範囲で磁界強度がばらついてもファラデー回転角の変動には全く影響を与えない。

一方、近年、波長０．４μｍ〜１．１μｍのレーザー光を用いた加工、通信、センサー等の実用化が進み、これに伴ってこの波長帯で使用できる磁気光学デバイスの要求も高まってきている。また、光の波長が１．１μｍより短くなると、ＲＩＧ膜の光吸収が急激に大きくなるため、使用されるファラデー素子は上記波長帯で透明な常磁性体となる。この場合、ファラデー回転角θｆは、ファラデー素子のヴェルデ定数（材料固有の値）をＶ、ファラデー素子の光路長（素子の長さ）をＬ、ファラデー素子における光路上の位置ｘにおける光軸方向の磁界強度をＨ（ｘ）として、下記式（２）で与えられる。

ファラデー素子に常磁性体を用いる一般的な従来のファラデー回転子ＦＸを図９に示す。図９は、従来のファラデー回転子ＦＸの一例を示す図であり、（Ａ）はＸＺ平面の断面図、（Ｂ）は＋Ｘ側から見た側面図である。このファラデー回転子ＦＸにおいては、長手方向に着磁された円筒状の磁石体２の貫通孔２ａ内に、常磁性体から成る円柱状のファラデー素子１が固定されている。この場合、貫通孔２ａ内部の磁界はほぼ均一なため上記式（２）は簡単になり、ファラデー回転角θｆは下記式（３）で与えられる。

上記式（３）から解るように、ファラデー素子に常磁性体が用いられた場合、ファラデー回転角θｆは常磁性体の光路長（Ｌ）だけでなく磁界強度（Ｈ）にも依存する。磁気光学デバイスにおいて要求されるファラデー回転角θｆは、一般に４５°であり、ファラデー回転角θｆが４５°からずれていくとデバイスの特性が低下していく。例えば、半導体レーザー（以下、「ＬＤ」と略称する）へ戻る光を減衰させて光通信での発振を安定させることにより、ファイバーレーザーの種ＬＤの破壊を防止する光アイソレータにおいて、戻り光を減衰させる性能は、下記式（４）で与えられる。ファラデー回転角θｆの４５°からのずれが無いときの「戻り光の減衰率」を１/１００００とすると、

となる。

上記式（４）において、Δθはファラデー回転角θｆの４５°からのずれである。また、図１０は、式（４）の戻り光減衰率とファラデー回転角θｆの４５°からのずれの関係を示すグラフである。図１０のグラフに示すように、ファラデー回転角θｆの４５°からのずれが２°以上になると、光アイソレータの正常な機能を維持することができる１/１０００より戻り光減衰率が悪化することが解る。

このようにファラデー回転角θｆの４５°からのずれを抑えることは、光アイソレータにとって重要であり、ファラデー回転子を複数組み合わせる光サーキュレータにおいては更に重要となってくる。上記式（１）で示したようにファラデー素子に強磁性体として機能するＲＩＧ膜を用いたファラデー回転子において、ファラデー回転角θｆはＲＩＧ膜の厚みｄのみに依存する。そして、現在の加工技術においては目標とするファラデー回転角θｆからのずれを±０．５°以下に抑えることは容易であるため、ファラデー回転角θｆの４５°からのずれによる磁気光学デバイスの不具合は殆ど発生していない。

一方、ファラデー素子に常磁性体を用いた場合、上記式（２）、式（３）に示したようにファラデー素子の長さ（Ｌ）と磁界の大きさ（Ｈ）の両者に依存する。そして、ファラデー素子の長さ（Ｌ）については、目標とするファラデー回転角θｆからのずれを、上述したように±０．５°以下に抑えられるが、磁界の大きさ（Ｈ）に関しては、現在の焼結磁石における製造技術水準では磁石母材の製造ロットが変わると優に５％は変動することがある。この５％の磁界の大きさ（Ｈ）の変動は、ファラデー回転角θｆにおいて４２．７５°〜４７．２５°の変動分に相当し、この変動があると、光アイソレータや光サーキュレータ等における磁気光学デバイスの戻り光減衰率１/１０００の確保が困難となる。そして、このことがファラデー素子に常磁性体を用いた磁気光学デバイスの不具合発生の大きな原因となっている。

上記ファラデー回転角θｆを４５°に設定するためには、ファラデー素子に対し適切な強度の磁界を加える必要がある。例えば、特許文献１においては、磁石と磁気光学素子（ファラデー素子）との相対位置を可変にさせることで、磁界強度を最適な値に調整する手法が開示されている。しかし、磁石体の貫通孔内にファラデー素子が固定される構造のファラデー回転子においては、磁石とファラデー素子の相対位置を変えられないため、特許文献１で提案された手法により磁界強度を調整することはできない。

特開平６−２８１８８７号公報

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、上記ファラデー素子に常磁性体が適用されたファラデー回転子を前提とし、その課題とするところは、簡単な調整作業で所望とするファラデー回転角を高精度に設定できるファラデー回転子、その製造方法、及び該ファラデー回転子を備える磁気光学デバイスを提供することにある。

本発明者らは、上記目的を達成するために、磁石体に磁性吸着可能な部材により、磁石体によりファラデー素子に印加される磁界強度を精度よく簡単に調整可能なことを見出し、本発明を完成した。

すなわち、本発明の第１の態様によれば、常磁性体からなり、光路に配置可能なファラデー素子と、ファラデー素子に磁界を印加する磁石体と、磁石体に磁気吸着により接続され、磁石体によりファラデー素子に印加される磁界強度を減じる調整部と、を備え、調整部は、磁石体によりファラデー素子に印加される磁界強度を、調整部の厚さに応じて減じる、ファラデー回転子が提供される。

また、本発明の第２の態様によれば、第１の態様において、ファラデー素子は、調整部により、使用する波長におけるファラデー回転角が４５°±０．５°に調整される、ファラデー回転子が提供される。

また、本発明の第３の態様によれば、ファラデー素子は、磁石体により、調整部を介さずにファラデー素子に磁界を印加した場合の、使用する波長におけるファラデー回転角が４５°超４８°以下である、ファラデー回転子が提供される。

また、本発明の第４の態様によれば、第１の態様から第３の態様のいずれかの態様において、調整部は軟磁性材料で形成されるファラデー回転子が提供される。

また、本発明の第５の態様によれば、第１の態様から第４の態様のいずれかの態様において、調整部は、形状および材質がほぼ同様で且つ厚さが同等または異なる複数の部材を含む、ファラデー回転子が提供される。

また、本発明の第６の態様によれば、第１の態様から第５の態様のいずれかの態様において、磁石体は貫通孔を有する円筒状であり、ファラデー素子は、貫通孔に配置される、ファラデー回転子が提供される。

また、本発明の第７の態様によれば、第６の態様において、調整部は、円環状であり、磁石体の端部の少なくとも一部または全部を覆う、ファラデー回転子が提供される。

また、本発明の第８の態様によれば、第１の態様から第７の態様のいずれかの態様のファラデー回転子を備える、磁気光学デバイスが提供される。

また、本発明の第９の態様によれば、常磁性体からなるファラデー素子と、ファラデー素子に磁界を印加する磁石体と、磁石体に磁気吸着により接続され、磁石体によりファラデー素子に印加される磁界強度を減じる調整部と、を備えるファラデー回転子を製造する方法であって、磁石体により調整部を介さずにファラデー素子に磁界を印加した場合の、使用する波長におけるファラデー回転角を４５°を超えるように設定することと、少なくともファラデー素子及び磁石体を組み立てることと、組立てたファラデー素子及び磁石体において、ファラデー回転角を確認することと、確認したファラデー回転角に基づいて、調整部により、ファラデー回転角を調整することと、を含み、調整部は、磁石体によりファラデー素子に印加される磁界強度を、調整部の厚さに応じて減じる、ファラデー回転子の製造方法が提供される。

本発明に係るファラデー回転子は、簡単な調整作業で所望とするファラデー回転角を高精度に設定できる。また、本発明のファラデー回転子の製造方法は、上記したファラデー回転子を簡単に製造することができる。また、本発明の磁気光学デバイスは、ファラデー回転角の精度が高いので、ファラデー回転による光の調整を精度よく行うことができる。また、本発明に係るファラデー回転子は、常磁性体からなるので、波長０．４μｍ〜１．１μｍの光を精度よく処理することができる。

（Ａ）から（Ｃ）は、実施形態に係るファラデー回転子の概略構成を示す図であり、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は断面図、（Ｃ）は側面図である。 実施形態に係るファラデー回転子の製造方法のフローチャートである。 （Ａ）はファラデー回転角の調整を行う調整機構の概略構成を示す断面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）における光の偏光方向を示す図である。 磁気光学デバイスの概略構成を示す断面図である。 調整部の厚さとファラデー回転角の変動量との関係を示すグラフである。 異なるファラデー素子のファラデー回転角を調整部により調整した結果を示すグラフである。 同一母材から形成された磁石体におけるファラデー回転角のばらつきを示すグラフである。 同一の結晶の異なる位置におけるファラデー回転角のばらつきを示すグラフである。 従来のファラデー回転子の一例を示す図であり、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は側面図である。 戻り光減衰率とファラデー回転角の４５°からのずれの関係を示すグラフである。

以下、本発明について図面を参照しながら説明する。ただし、本発明はこれに限定されるものではない。また、図面においては実施形態を説明するため、一部分を大きくまたは強調して記載するなど適宜縮尺を変更して表現している。また、以下の各図において、ＸＹＺ座標系を用いて図中の方向を説明する。このＸＹＺ座標系においては、鉛直方向をＺ方向とし、水平方向をＸ方向、Ｙ方向とする。また、Ｘ方向、Ｙ方向、及びＺ方向のそれぞれについて、適宜、矢印の先の側を＋側（例、＋Ｘ側）と称し、その反対側を−側（例、−Ｘ側）と称する。

本実施形態に係るファラデー回転子の概略構成を図１（Ａ）から（Ｃ）に示す。図１（Ａ）は斜視図であり、（Ｂ）はＸＺ平面の断面図であり、（Ｃ）は＋Ｘ側からみた側面図である。すなわち、本実施形態に係るファラデー回転子Ｆは、常磁性体からなりファラデー効果を有するファラデー素子１（磁気光学素子）と、磁石体２と、調整部３と、を備える。ファラデー回転子Ｆは、図１に示すように、上記図９に示した一般的なファラデー回転子ＦＸ（円筒状の磁石体２の貫通孔２ａ内に、常磁性体からなる円柱状のファラデー素子１が固定されたファラデー回転子ＦＸ）の貫通孔２ａの開放端２ｂ側に、調整部３が磁気吸着（磁性吸着）された構造となっている。

ファラデー素子１を構成する常磁性体は、一般的にＴｂ_３Ｇａ_５Ｏ_１２（テルビウム・ガリウムガーネット：通称ＴＧＧ）やＴｂ_３（Ｓｃ_ｘＡｌ_１−ｘ）_５Ｏ_１２（テルビウム・スカンジウム・アルミニウムガ−ネット：通称ＴＳＡＧ）等のテルビウム系の常磁性体である。なお、ファラデー素子１を構成する常磁性体は、これらに限定されず、任意である。

ファラデー素子１の形状は、円柱状である。ファラデー素子１は、円柱状の上記した常磁性体の結晶により構成される。ファラデー素子１は、その円柱の側面が、後に説明する磁石体２の貫通孔２ａの内壁に、接着剤４で固定されて配置される。ファラデー素子１の光路ＯＰと平行な方向（Ｘ方向）の長さＬ１（図１（Ｂ）参照）は、上記した式（３）における（Ｌ）に相当し、式（３）に基づいて、磁石体２の磁界強度（Ｈ）とともに設定され、所定のファラデー回転角になるように設定されている。ファラデー素子１のファラデー回転角の詳細については、後に説明する。なお、ファラデー素子１の形状は、円柱状に限定されず、任意である。例えば、ファラデー素子１の形状は、四角柱状でもよいし、板状でもよい。ファラデー素子１が結晶で構成される場合、膜状のファラデー素子１と比べて、精度よくファラデー効果を発揮させることができる。

磁石体２は、ファラデー素子１に磁界（磁場）を印加する（加える）。磁石体２は、貫通孔２ａを有する円筒状である。貫通孔２ａは、Ｘ方向と平行な方向の直線状に形成されている。貫通孔２ａは、光の光路ＯＰ、磁界の空間としても用いられる。すなわち、ファラデー素子１は、光路ＯＰに配置され、磁石体２の磁界が印加される。磁石体２の＋Ｘ側および−Ｘ側の端部２ｂには、それぞれ、磁極２ｃが形成される。磁石体２による磁界強度は、貫通孔２ａ内において、ほぼ均一な飽和状態になっている。このように、貫通孔２ａ内のファラデー素子１には均一な磁界が印加されるので、ファラデー素子１は、ファラデー回転の機能を効果的に発揮することができる。

また、磁石体２は、Ｎｄ_１４Ｆｅ_２１ＢやＳｍ_２Ｃｏ_１７等の焼結磁石で構成されている。なお、磁石体２を構成する材料は、これらに限定されず、任意である。磁石体２がファラデー素子１に印加する磁界強度（磁束密度）は、上記した式（３）における（Ｈ）に相当し、式（３）に基づいて、ファラデー素子１の長さ（Ｌ）とともに設定される。なお、磁石体２は、円筒状に限定されず、他の構成でもよい。

調整部３は、磁石体２によりファラデー素子１に印加される磁界強度（磁束密度）（以下、「磁石体２の磁界強度」と称すこともある。）を調整する。調整部３は、磁石体２の磁界強度を、ファラデー素子１のファラデー回転角が所定の値になるように調整する。調整部３は、磁石体２の磁極２ｃ（磁極面）の少なくとも一部を覆う。これにより、磁石体２からの磁束の少なくとも一部が調整部３を通過（透過）するので、磁石体２の磁界強度を減じることができる。

調整部３は、磁性体である。調整部３は、磁石体２の磁極２ｃに、磁気吸着により接続される。調整部３は、磁石体２に対して着脱可能であり、磁石体２の磁界強度を簡単に調整することができる。

調整部３は、軟磁性材料で形成される。調整部３は、透磁率が高いので、磁石体２の磁界強度を精度よく調整することができ、また、磁石体２に対して着脱しやすいので、磁石体２の磁界強度を簡単に調整することができる。調整部３に用いられる軟磁性材料は、透磁率が高い点、加工性の良い点、材料の入手のし易さの点などの点で、軟磁性ステンレス鋼、ケイ素鋼等で構成することが望ましい。

調整部３の形状は、任意である。例えば、磁極２ｃの形状に対応した形状に設定される。本実施形態では、調整部３は、磁石体２の磁極面（＋Ｘ側および−Ｘ側の端面）の円環状（リング状）の形状に対応した、円環状である。調整部３は、貫通孔２ａの開放端側（＋Ｘ側および−Ｘ側）のうち少なくとも１つの開放端側（図１では＋Ｘ側）に設けられる。

調整部３の大きさ（すなわち外径及び内径）は、効率良く磁界強度を減じるために、円筒状の磁石体２の貫通孔２ａの開放端面（＋Ｘ側および−Ｘ側の端面）の面積（形状）と同等が望ましいが、磁気吸着の際にズレが生じた場合、調整部３の内径（内側の円）側の部分で光路ＯＰをさえぎったり、外径（外側の円）側の部分が磁石体２の外径よりはみ出してしまいファラデー回転子の形状が歪む形状になるため、調整部３の外径Ｌ３（図１（Ｃ）参照）は、円筒状の磁石体２の端部の外径Ｌ２より小さいのが好ましく、中でも、扱いやすさ及び上記した磁界の調整効率の点で、外径Ｌ１に対して１．０ｍｍ以上２．５ｍｍ以下小さいのがより好ましい。また、調整部３の内径Ｌ５は、磁石体２の端部の内径Ｌ４に対して大きいのが好ましく、扱いやすさ及び上記した磁界の調整効率の点で、＋１．０ｍｍ以上２．５ｍｍ以下大きいのがより好ましい。

ところで、調整部３によるファラデー回転角の調整量（磁石体２の磁界強度の調整量）は、上記したように磁石体２の磁界の大きさ（磁界強度）の個体差があるため、ファラデー回転子Ｆ（磁石体２）ごとに異なる。また、磁石体２の磁界強度の調整量は、調整部３の透磁率に依存する。本実施形態では、調整部３は、形状および材質がほぼ同様で且つ厚さが同等または異なる複数の部材あるいは単独の部材により構成される。この場合、ファラデー回転角の調整量で１ｍｍの厚さの調整部３が必要なとき、０．１ｍｍの厚さの調整部３が１０枚により得られるファラデー回転角の調整量、及び、０．５ｍｍの厚さの調整部３が２枚で得られるファラデー回転角の調整量は、それぞれ、１ｍｍの厚さの調整部３と同等のファラデー回転角の調整量となる。このように、調整部３は、形状および材質がほぼ同様で且つ厚さが同等または異なる複数の部材の場合、調整部３の厚さとファラデー回転角の調整量とが一次相関を有する（図５参照）ので、ファラデー回転角の調整量を所望の量に簡単に調整することができる。なお、調整部３の部材の数は、より少ない方が、ファラデー回転角の調整量を調整しやすい（０．１ｍｍの厚さの調整部３が１０枚よりも、０．５ｍｍの厚さの調整部３が２枚、あるいは１ｍｍの厚さの調整部３が１枚の方が調整しやすい）ので、複数種類の厚さの部材を準備するのが好ましい。なお、調整部３は、形状がほぼ同様で且つ厚さおよび材質が異なる複数の部材により構成されてもよい。

調整部３の厚みは、極力薄くした方がより細かなファラデー回転角の調整が可能となる。調整部３の厚みは、０．１ｍｍ未満になると取扱い等で変形し、また、厚みを制御するための加工が困難になることから、０．１ｍｍ以上が好ましい。

上記した調整部３の原理を利用すると、例えば、使用する波長において、磁石体２の磁界強度およびファラデー素子１のファラデー回転角θｆ（式（２）参照）が４５°よりも高め（例えば４７°など）となるようにファラデー素子１を作製（準備）しておけば、適用する磁石体２を変更する度にその磁界強度（磁束密度）がばらついてファラデー素子１に加わる磁界強度が変化しても、調整部３により磁石体２の磁界強度を減じる調整ができるため、ファラデー素子のファラデー回転角θｆを所望の値、例えば、４５°±０．５°の範囲に、簡単に設定することが可能となる。

すなわち、本実施形態のファラデー回転子Ｆは、使用する波長において磁石体２により調整部３を介さずにファラデー素子１に磁界を印加した場合のファラデー素子１のファラデー回転角が、４５°を超えるよう設定（以下、「当初のファラデー回転角の設定」と称すこともある。）される。中でも、このファラデー回転角は、４５°超４８°以下に設定するのが好ましい。そして、本実施形態のファラデー回転子Ｆは、調整部３により、ファラデー回転角が、４５°±０．５°の範囲に調整される。このファラデー回転角の範囲は、上記の図１０等の説明ように、光アイソレータの正常な機能を維持することができる戻り光減衰率である１/１０００よりも極めて良好な値である。これにより、ファラデー回転子Ｆは、精度よく機能することができる。

複数のファラデー回転子Ｆを製造する場合、例えば、複数の磁石体２における平均の磁界強度を求め、その平均の磁界強度を磁石体２の磁界強度とする。なお、磁石体２は、上記したように磁石母材の製造ロットが変わると磁束密度が変動しやすいが、後に実施例において説明する図７に示すように、同一母材の製造ロット内であれば磁束密度のばらつきが小さいことが判っている。このような場合は、上記した当初のファラデー回転角の設定は、その製造ロットの磁束密度のばらつきに合わせ目標値を変更してもよい。この場合、例えば、当初のファラデー回転角θｆの設定は、４６°等に変更してもよい。

なお、図１に示した本実施形態に係るファラデー回転子Ｆにおいては、貫通孔２ａにおける一方の開放端２ｂ（磁極２ｃ）側（＋Ｘ側あるいは−Ｘ側、図１では＋Ｘ側）に調整部３が磁気吸着された構造になっているが、これに限定されず、貫通孔２ａにおける両方の開放端２ｂ（磁極２ｃ）側（＋Ｘ側及び−Ｘ側）に、調整部３を磁気吸着させる構造を採用してもよい。すなわち、一方の開放端（磁極、磁極面）側で調整しきれない場合（例えば調整前のファラデー素子１のファラデー回転角のずれが４５°から大きくズレた場合（例、＋３°以上のズレが発生した場合）は、もう一方の開放端２ｂ（磁極２ｃ、磁極２ｃ面）側を用いて、更にファラデー回転角を調整することが出来る。

次に、本実施形態のファラデー回転子Ｆの製造方法について説明する。図２は、本製造方法のフローチャートである。本製造方法は、まず、ステップＳ１においては、使用する波長において磁石体２により調整部３を介さずにファラデー素子１に磁界を印加した場合のファラデー回転角が４５°を超えるように設定する。中でも、このファラデー回転角は、４５°超４８°以下に設定するのが好ましい。この当初のファラデー回転角は、磁石体２及びファラデー素子１の構成により適宜設定される。磁石体２及びファラデー素子１の構成は、それぞれ、上記した式（３）に基づいて設定される。例えば、複数のファラデー回転子Ｆを製造する場合、複数の磁石体２における平均の磁界強度を求め、その平均の磁界強度に基づいて、ファラデー素子１の長さＬ１（図１参照）を設定してもよい。なお、ファラデー素子１及び磁石体２は、それぞれ、原料から製造したものでもよいし、市販品等の既存のものを用いてもよい。なお、本ステップＳ１を行うか否かは、任意である。

続いて、ステップＳ２において、少なくともファラデー素子１及び磁石体２を組み立てる。例えば、ファラデー素子１及び磁石体２は、図１に示す完成品であるファラデー回転子Ｆと同様に組み立てる。なお、ステップＳ２は、調整部３を含めて組み立ててもよい。

続いて、ステップＳ３において、ステップＳ２において組立てたファラデー素子１及び磁石体２において、ファラデー回転角を確認する。図３（Ａ）はファラデー回転子のファラデー回転角の調整を行う調整機構（以下、「ファラデー回転角調整機構」と称す。）の概略構成を示す図である。図３（Ａ）には、この調整機構の概略構成の−Ｙ側から見た断面図を示す。図３（Ｂ）は、（Ａ）における偏光方向を示す図である。図３（Ｂ）には、光の偏光方向を矢印で示し、実線矢印は偏光子及び検光子の偏光方向であり、点線矢印は透過光の偏光方向を示す。ステップＳ３およびステップＳ４は、例えば、図３（Ａ）に示すファラデー回転角調整機構ＦＤを用いて行う。

図３（Ａ）のファラデー回転角調整機構ＦＤは、光源６、偏光子７、ファラデー回転子Ｆ、検光子８、及び光パワーメータ９を備える。光源６、偏光子７、ファラデー回転子Ｆ、検光子８、及び光パワーメータ９は、それぞれ、この順番で−Ｘ側から並んで、光路ＯＰａ上に固定されて配置される。偏光子７及び検光子８の入射角度（透過軸）は、図３（Ｂ）に示すように、それぞれ、０°（鉛直方向と平行）、４５°（偏光子７に対し、検光子８は入射面側（入射側）から見て右回りに４５°）に設定される。また、ファラデー回転子Ｆは、磁石体２により、調整部３を介さずにファラデー素子１に磁界を印加した場合の使用する波長におけるファラデー素子１のファラデー回転角が、４５°を超えるように予め設定される。

光源６は、ファラデー回転子Ｆを使用する波長の光を出射する。光源６から出射された光は、偏光子７に入射する。偏光子７を通った光は、ファラデー回転子ＦのＮ極側（図３では−Ｘ側）から入射（すなわち逆方向から入射）する。ファラデー回転子Ｆを通った光は、ファラデー効果により入射面側（入射側）から見て左周りに回転する。ファラデー回転子Ｆの透過光は、検光子８の入射角度に対して直交する場合、検光子８に吸収される。すなわち、光パワーメータ９により検出される光の量は、ファラデー回転子Ｆのファラデー回転角が４５°からズレる量と正の相関になる。これにより、ファラデー回転子Ｆのファラデー回転角を確認することができる。

続いて、ステップＳ４において、ステップＳ３で確認したファラデー回転角に基づいて、調整部３により、ファラデー回転角を調整する。ステップＳ４では、ステップＳ３で確認したファラデー回転角の４５°からのズレ量に基づいて、調整部３により、磁石体２に磁気吸着させる。調整部３の調整において、調整部３が軟磁性材料で形成される場合、透磁率が高いので、磁石体２の磁界強度を精度よく調整することができ、また、磁石体２に対して着脱しやすいので、磁石体２の磁界強度を簡単に調整することができる。また、調整部３は、形状および材質がほぼ同様で且つ厚さが同等または異なる複数の部材の場合、調整部３の厚さとファラデー回転角の調整量とが一次相関を有するので、ファラデー回転角の調整量を所望の量に簡単に調整することができる。

続いて、ステップＳ５において、調整部３により調整したファラデー回転子Ｆのファラデー回転角が所望の値であるか否かを確認する。例えば、ステップＳ５では、光パワーメータ―７で検出される光量が、所定の閾値以下である場合、ファラデー回転子Ｆのファラデー回転角が所望の値（本例では、４５°±０．５°の範囲の値）であると判断する。例えば、光パワーメータ―７で検出される光量が、最も小さい（消光した）場合、（すなわち偏光方向が検光子１３の透過軸に対して直交する偏光角度）したときに、本例では、ファラデー回転子Ｆのファラデー回転角が４５°に最も近づく。調整部３により調整したファラデー回転子Ｆのファラデー回転角が所望の値であると確認した場合（ステップＳ５のＹＥＳ）、ファラデー回転角が所望の値のファラデー回転子Ｆが製造される。一方、このファラデー回転角が所望の値でないと確認した場合（ステップＳ５のＮＯ）、ステップＳ４に戻り、確認したファラデー回転角に基づいて、調整部３により、ファラデー回転角を調整する。なお、ステップＳ３およびステップＳ５のファラデー回転子Ｆのファラデー回転角の確認は、上記したファラデー回転角調整機構ＦＤを用いなくてもよく、任意の方法あるいは任意の装置により実施してもよい。

次に、実施形態に係る磁気光学デバイスを説明する。図４は、磁気光学デバイスの概略構成を示す図である。図４には、−Ｙ側から見た断面図を示す。図４は、磁気光学デバイスの一例である光アイソレータを示す。ここでは、磁気光学デバイスが、光アイソレータであるとして、説明する。

この磁気光学デバイスＤは、スリーブ１０（筐体）、上記したファラデー回転子Ｆ、偏光子１２、及び検光子１３を備える。スリーブ１０は、非磁性体（例えばアルミ、銅等）で形成される。スリーブ１０は、貫通孔１０ａを有する円筒状に形成される。なお、スリーブ１０の形状は、円筒状に限定されず、任意である。スリーブ１０は、貫通孔１０ａに各部を収容し、パッケージングする。貫通孔１０ａは、光路ＯＰとして用いられる。ファラデー回転子Ｆは、例えば、ファラデー回転角が４５°±０．５°に設定されている。ファラデー回転子Ｆは、貫通孔１０ａ内に配置される。ファラデー回転子Ｆは、貫通孔１０ａに接着剤１１で固定される。ファラデー回転子Ｆへの光の入射側（−Ｘ側）には、偏光子１２が配置される。偏光子１２は、の入射角度（透過軸）は、０°（鉛直方向と平行）に設定される。偏光子１２は、貫通孔１０ａの−Ｘ側の端部に接着剤１１で固定される。ファラデー回転子Ｆからの光の出射側（＋Ｘ側）には、検光子１３が配置される。検光子１３の入射角度（透過軸）は、検光子１３は入射側から見て左回りに４５°に設定される。検光子１３は、貫通孔１０ａの＋Ｘ側の端部に接着剤１１で固定される。偏光子１２および検光子１３は、それぞれ、磁気光学デバイスの用途に応じた材質の偏光子及び検光子（例えば複屈折結晶やＰＢＳ（偏光ビームスプリッター）等）が用いられる。

磁気光学デバイスＤは、レーザー光源あるいは光ファイバなどの光源の出射側に配置される。光源から出射された光は、偏光子７を通って直線偏光となり、ファラデー回転子Ｆに入射する。ファラデー回転子Ｆを通った光は、ファラデー効果により入射面側（入射側）から見て左周りにほぼ４５°回転する。ファラデー回転子Ｆを通った光は、検光子１３の入射角度と同様のであるので、検光子１３を通過する。一方、逆向きの光（＋Ｘ側から−Ｘ側への光）は、検光子１３により左回りに４５°回転した直線偏光となり、ファラデー回転子Ｆに入射する。ファラデー回転子Ｆを通った光は、ファラデー効果により出射面側から見て左周りにほぼ４５°回転する。すなわち、逆向きの光は、検光子１３およびファラデー回転子Ｆを通って、入射側（＋Ｘ側）から見て、左回りに９０°回転し、検光子８の透過軸と直交するので吸収される。磁気光学デバイスＤは、一方向に光を通し、戻り光を遮断する。磁気光学デバイスＤは、ファラデー回転子Ｆのファラデー回転角がほぼ４５°であるため、精度よく戻り光を遮断することができる。このように、本実施形態の磁気光学デバイスＤは、上記したファラデー回転子Ｆを備えるので、精度よく機能する。

なお、磁気光学デバイスＤは、上記した光アイソレータは一例であり、限定されない。例えば、磁気光学デバイスＤは、ファラデー回転子Ｆを備えていれば、その構成は任意である。例えば、磁気光学デバイスＤは、光サーキュレータ等でもよい。

以上のように、本発明に係るファラデー回転子Ｆは、簡単な調整作業で所望とするファラデー回転角を高精度に設定できる。また、本発明のファラデー回転子の製造方法は、上記したファラデー回転子を簡単に製造することができる。また、本発明の磁気光学デバイスＤは、ファラデー回転角の精度が高いので、ファラデー回転による光の調整を精度よく行うことができる。また、本発明に係るファラデー回転子Ｆは、磁石体２あるいはファラデー素子１に起因するファラデー回転角の広範囲のばらつきを、所望の値に精度よく調整することができる。また、本発明に係るファラデー回転子は、常磁性体からなるので、波長０．４μｍ〜１．１μｍの光を精度よく処理することができる。

以下に、本発明の実施例及び比較例によって本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は、これらの実施例によってなんら限定されるものではない。

（実施例１）
［ファラデー回転子の製造］
図１（Ａ）から（Ｃ）に示すファラデー回転子Ｆを製造した。ファラデー素子１は、φ３．０ｍｍ、長さＬ１（（図１（Ｂ参照））光路長）３．４ｍｍ及び３．５ｍｍのＴＳＡＧ（Ｔｂ_３Ｓｃ_２Ａｌ_３Ｏ_１２テルビウム・スカンジウム・アルミニウムガーネット）結晶を適用した。磁石体２は、φ１２．０ｍｍ（外径Ｌ２）、φ３．１ｍｍ（内径Ｌ４）、長さ（図１のＸ方向と平行な方向の長さ）７．０ｍｍ、材質Ｓｍ_２Ｃｏ_１７（サマリウム・コバルト）を適用した。また、調整部３には、φ１０．９ｍｍ（外径Ｌ３）×φ４．５ｍｍ（内径Ｌ５）のＳＵＳ（軟磁性ステンレス鋼）が適用され、厚さはそれぞれ０．１ｍｍｔ、０．２ｍｍｔ、０．５ｍｍｔの３種類を用意した。ファラデー回転子Ｆは、上記したファラデー回転子の製造方法におけるステップＳ１からステップＳ５を行うことにより、製造した。製造したファラデー回転子Ｆのファラデー回転角は、４５°±０．５°の範囲であった。

［磁気光学デバイスの製造］
製造したファラデー回転子Ｆを用いて、図４に示す磁気光学デバイスＤを製造した。磁気光学デバイスＤの構成は、上記の通りである。

［調整部の厚さとファラデー回転角変動量推移検討］
次に、製造した磁気光学デバイスＤを測定対象に用いて、調整部３の厚さが変化した場合のファラデー回転角への影響（回転角変動量推移）について検討を行った。なお、ファラデー素子１は、φ３．０ｍｍ、長さＬ１（光路長）３．５ｍｍのＴＳＡＧ結晶を使用した。

まず、調整部３が磁石体２の貫通孔２ａ開放端２ｂ（例、＋Ｘ側）に磁気吸着により配置されると、磁石体２における貫通孔２ａ内の磁界強度は減衰され、ファラデー素子１のファラデー回転角θｆは一時的に減少する。そこで、厚さの異なる３種類の調整部３及び、それらを重ねて使用した場合（例えば０．１ｍｍｔ ＋ ０．２ｍｍｔ ＝０．３ｍｍｔ 等）のファラデー回転角の変動量を調べた。

図５は「調整部の厚さ（ｍｍ）」と「ファラデー回転角変動量（°）」の関係を示すグラフである。調整部３を磁気吸着しない場合（すなわち、調整部３が無い場合）のファラデー回転角変動量を０°とした場合、磁気吸着させる調整部３の厚みに応じて、ファラデー回転角変動量は−０．４°／０．１ｍｍｔで変動し、−３．０°／１ｍｍｔ付近で飽和状態となる。この結果から、調整部３は、形状および材質がほぼ同様で且つ厚さが同等または異なる複数の部材の場合、調整部３の厚さとファラデー回転角の調整量とが一次相関を有するので、ファラデー回転角の調整量を所望の量に精度よく調整できることが確認される。また、調整部３は、ファラデー回転角が少なくとも３°までの広範囲において、ファラデー回転角の調整量ができることが確認される。

［ＴＳＡＧ（φ３．０ｍｍ×３．４ｍｍＬ及びφ３．０ｍｍ×３．５ｍｍＬ）の各Ｌ１寸法におけるファラデー回転角の４５°±０．５°の調整］
次に、上記磁気光学デバイスＤを測定対象に用いて、磁石個体差で発生する回転角のばらつき（すなわち磁界強度のばらつきによる）に合わせて、調整部３による、ファラデー回転角を４５°±０．５°の範囲の制御を行った。φ３．０ｍｍ×３．４ｍｍ（Ｌ１）のファラデー素子１（「４６°設定素子」と称す。）は、当初のファラデー回転角θｆの設定が目標値４６°とし、φ３．０ｍｍ×３．５ｍｍ（Ｌ１）のファラデー素子１（「４７°設定素子」と称す。）は、当初のファラデー回転角θｆの設定が目標値４７°とした。

図６は「調整部３の厚さ（ｍｍ）」と「ファラデー回転角（°）」との関係を示すグラフである。図６には、異なるファラデー素子のファラデー回転角を調整部により調整した結果を示した。図６中、調整部３なし（０ｍｍ）におけるファラデー回転角のばらつきは、主に磁石体２の起因で発生している「特性個体差によるばらつき」である。なお、本例では、同一母材の磁石体２を用いて行った結果である。この結果から、磁石体２の起因により発生したファラデー回転角ばらつきを、調整部３（本事例では４６°設定素子は０．１ｍｍｔ、０．２ｍｍｔ、０．３ｍｍｔを選択し、４７°設定素子は０．４ｍｍｔ、０．５ｍｍｔ、０．６ｍｍｔを選択）により、回転角度４５°±０．５°以内に確実に調整可能なことが確認される。

［Ｓｍ_２Ｃｏ_１７磁石（φ１２×φ３．１×Ｈ７）３０個の回転角評価（同一母材から形成された磁石）］
次に、同一母材から形成された磁石体２、すなわち、φ１２．０ｍｍ、（外径Ｌ２）、φ３．１ｍｍ（内径Ｌ４）、長さ７．０ｍｍ、材質Ｓｍ_２Ｃｏ_１７（サマリウム・コバルト）における磁界強度のばらつきを図７に示す。同一母材から形成された磁石（３０個）を、一つの同一ファラデー素子１（回転角５３度相当品）を用いて、ファラデー回転角を評価した。その結果、ファラデー回転角のばらつきは、図７のグラフに示されるように（５３．９°−５２．７°＝１．２°）約１．２°（±０．６度）となる。この結果から、磁石体２は同一母材であっても、磁界強度のばらつき（ファラデー回転角のばらつき）があることが確認される。また、図には示さないが、磁石体２が異なる母材の場合、通常、図７に示す結果よりも磁界強度のばらつき（ファラデー回転角のばらつき）が大きいことを確認している。

［Ｔｂ_３Ｓｃ_２Ａｌ_３Ｏ_１２同一結晶内におけるファラデー回転角／ｍｍ（°）］
次に、実施例で使用したファラデー素子１のＴｂ_３Ｓｃ_２Ａｌ_３Ｏ_１２は不一致溶融性結晶であることから、Ｔｂ_３Ｓｃ_２Ａｌ_３Ｏ_１２結晶の育成が進むにつれて組成が変動し、ファラデー回転子の特性指標であるヴェルデ定数は育成結晶の部位によって僅かながら変動する。参考までに実施例で使用したファラデー素子（同一バルク）のファラデー回転角のばらつきを図８に示す。なお、図８には、育成結晶を上部（ＴＯＰ）、中部（ＭＩＤＤＬＥ）、下部（ＢＯＴＴＯＭ）の３群に分けて、同一の結晶の異なる位置におけるファラデー回転角のばらつきの評価を行った結果を示した。図８に示すように、同一結晶内においても、ファラデー回転角に、ばらつきが存在することが確認される。図８におけるファラデー回転角のばらつきは、長さＬ１（光路長）１ｍｍ当たり最大約０．３°となる。このように、ファラデー回転子Ｆにおけるファラデー回転角のばらつきは、上記した磁石体２に加えてファラデー素子１の材料によるばらつきも含んでいることが確認される。ファラデー素子１の結晶部位の違いによるばらつきは、上記した磁石体２の個体差によるばらつきに比べて少ないものではあるが、ファラデー回転子Ｆにおけるファラデー回転角のばらつきの要因となっている。本実施形態のファラデー回転子Ｆは、上記した磁石体２の個体差によるばらつき、及び図８に示したファラデー素子１の結晶部位の違い、すなわち、ファラデー素子１の材料によるばらつきを調整することができる。

［同一母材から形成された磁石体のファラデー素子の当初におけるファラデー回転角θｆの設定］
上述した本実施例における一連のファラデー回転角θｆ調整と同一母材から形成された磁石体２およびファラデー素子１起因によるファラデー回転角のばらつきの結果を鑑みた場合、ファラデー素子１の当初におけるファラデー回転角θｆの設定は、ファラデー素子の長さ（Ｌ１）を調整することにより、調整部３を用いずにファラデー回転角を測定したときに、ファラデー回転角θｆ＝４６°を目標に設定するとよいことが理解される。

すなわち、磁石体２の磁束密度がバラつくことを考慮すると、４６°狙いにおける回転角ばらつきは４５．４°から４６．６°となり、調整部３の厚さが０．１ｍｍｔから０．４ｍｍｔで個々のファラデー回転角を４５°±０．５°に調整が可能となる。なお、主に磁石体２で起因で発生する特定個体差を憂慮するとファラデー素子１の当初におけるファラデー回転角θｆは、この限りではない。

以上の説明により明らかなように、本発明のファラデー回転子Ｆは、調整部３を入れ替えて磁気吸着させる簡単な調整作業で所望とするファラデー回転角を高精度に設定できるため、光アイソレータや光サーキュレータ等に用いられるファラデー回転子として利用される産業上の利用可能性を有している。

なお、本発明の技術範囲は、上述の実施形態などで説明した態様に限定されるものではない。上述の実施形態などで説明した要件の１つ以上は、省略されることがある。また、上述の実施形態などで説明した要件は、適宜組み合わせることができる。また、法令で許容される限りにおいて、上述の実施形態などで引用した全ての文献の開示を援用して本文の記載の一部とする。

例えば、ファラデー回転子Ｆの構成は、図１等に示した構成に限定されず、他の構成でもよい。ファラデー回転子Ｆや磁石体２の形状は、図１に示す円筒状に限定されず、他の形状でもよい。これに伴い調整部３の形状が、図１に示す円環状に限定されず、他の形状でもよい。

Ｆ・・・ファラデー回転子
１・・・ファラデー素子（磁気光学素子）
２・・・磁石体
２ａ・・・貫通孔（磁石体）
２ｂ・・・端部（磁石体）
２ｃ・・・磁極（磁石体）
３・・・調整部
４・・・接着剤
６・・・光源
７、１２・・・偏光子
８、１３・・・検光子
９・・・光パワーメータ
１０・・・スリーブ
１０ａ・・・貫通孔（スリーブ）
１１・・・接着剤
Ｄ・・・磁気光学デバイス
ＦＤ・・・ファラデー回転角調整機構

Claims (9)

1. 常磁性体からなり、光路に配置可能なファラデー素子と、
   前記ファラデー素子に磁界を印加する磁石体と、
   前記磁石体に磁気吸着により接続され、前記磁石体により前記ファラデー素子に印加される磁界強度を減じる調整部と、を備え、
   前記調整部は、前記磁石体により前記ファラデー素子に印加される磁界強度を、前記調整部の厚さに応じて減じる、ファラデー回転子。
2. 前記ファラデー素子は、前記調整部により、使用する波長におけるファラデー回転角が４５°±０．５°に調整される、請求項１に記載のファラデー回転子。
3. 前記ファラデー素子は、前記磁石体により、前記調整部を介さずに前記ファラデー素子に磁界を印加した場合の、使用する波長におけるファラデー回転角が４５°超４８°以下である、請求項１または請求項２に記載のファラデー回転子。
4. 前記調整部は軟磁性材料で形成される、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のファラデー回転子。
5. 前記調整部は、形状および材質がほぼ同様で且つ厚さが同等または異なる複数の部材を含む、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のファラデー回転子。
6. 前記磁石体は貫通孔を有する円筒状であり、
   前記ファラデー素子は、前記貫通孔に配置される、
   請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のファラデー回転子。
7. 前記調整部は、円環状であり、前記磁石体の端部の少なくとも一部または全部を覆う、請求項６に記載のファラデー回転子。
8. 請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のファラデー回転子を備える、磁気光学デバイス。
9. 常磁性体からなるファラデー素子と、
   前記ファラデー素子に磁界を印加する磁石体と、
   前記磁石体に磁気吸着により接続され、前記磁石体により前記ファラデー素子に印加される磁界強度を減じる調整部と、を備えるファラデー回転子を製造する方法であって、
   前記磁石体により前記調整部を介さずに前記ファラデー素子に磁界を印加した場合の、使用する波長におけるファラデー回転角を４５°を超えるように設定することと、
   少なくとも前記ファラデー素子及び前記磁石体を組み立てることと、
   前記組立てた前記ファラデー素子及び前記磁石体において、ファラデー回転角を確認することと、
   前記確認したファラデー回転角に基づいて、前記調整部により、ファラデー回転角を調整することと、を含み、
   前記調整部は、前記磁石体により前記ファラデー素子に印加される磁界強度を、前記調整部の厚さに応じて減じる、ファラデー回転子の製造方法。

Images