JP7356631B2 - Magnetic circuits, Faraday rotators and magneto-optical elements - Google Patents

Magnetic circuits, Faraday rotators and magneto-optical elements Download PDF

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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。 The present invention relates to a magnetic circuit, a Faraday rotator, and a magneto-optical element.

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。 A Faraday rotator is an element consisting of a Faraday element and a magnet that applies a magnetic field to the Faraday element. Faraday rotators have the ability to propagate light in only one direction and block returning light, so they have been used as magneto-optical elements such as optical isolators and in laser oscillators such as optical communication systems and laser processing systems.

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。 The wavelength range used in optical communication systems is mainly from 1300 nm to 1700 nm, and in conventional Faraday rotators, rare earth iron garnet has been used for Faraday elements.

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。 On the other hand, the wavelength range used in laser processing and the like in recent years is on the shorter wavelength side than the optical communication band, and is mainly used around 1000 nm. In this wavelength range, the rare earth iron garnet cannot be used because of its large light absorption, so paramagnetic crystals such as terbium gallium garnet (TGG) have been used in Faraday elements.

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。 By the way, in order to use such a Faraday rotator as an optical isolator, the rotation angle (θ) due to Faraday rotation needs to be 45°. It is known that this rotation angle has a relationship with the length (L) of the Faraday element, the Verdet constant (V), and the magnetic flux density (B) parallel to the optical axis as expressed by the following equation (1).

θ=V・B・L (1) 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。 Among these, the Verdet constant is a characteristic that depends on the material of the Faraday element. Generally, a paramagnetic material such as TGG has a smaller Verdet constant than rare earth iron garnet, so in order to obtain a Faraday rotation angle of 45°, the length of the Faraday element and the magnetic flux parallel to the optical axis applied to the Faraday element must be adjusted. It was necessary to increase the density. Particularly in recent years, there has been a desire to miniaturize devices, so inventions have been proposed that improve the magnetic flux density applied to the Faraday element by devising the structure of the magnet, rather than increasing the size of the Faraday element or magnet. .

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、第3の光軸方向に沿う長さをLとしたとき、L/10≦L≦Lの関係が成立するように構成されている。 For example, Patent Document 1 discloses a Faraday rotator that includes a magnetic circuit made up of first to third magnets and a Faraday element. The first magnet is magnetized in a direction perpendicular to the optical axis and toward the optical axis. The second magnet is magnetized in a direction perpendicular to the optical axis and away from the optical axis. A third magnet is placed between them. The third magnet is magnetized in a direction parallel to the optical axis and in a direction from the second magnet toward the first magnet. In this magnetic circuit, when the length of the first magnet and the second magnet along the optical axis direction is L 2 and the length of the third magnet along the optical axis direction is L 3 , L 2 /10≦L 3 The structure is such that the relationship ≦L 2 holds true.

特開2009-229802号公報Japanese Patent Application Publication No. 2009-229802

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Hcj及び保磁力HcB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HcJ、後者が保磁力HcB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)は、下記の式(2)の関係にあることが知られている。 In the above magnetic circuit, a strong magnetic field is generated near the through hole of the third magnet due to the interaction between the first magnet and the second magnet. This magnetic field is in the opposite direction to the magnetization direction of the third magnet. When an external magnetic field in the direction opposite to the magnetization direction is generated in this manner, it is necessary to consider the movement of the operating point of the magnet and the effects of demagnetization attributed thereto. For explanation, FIG. 7 shows examples of magnet demagnetization curves (BH curve and JH curve). The BH curve 32 is a curve representing the relationship between the magnetic flux density B and the external magnetic field H. Further, the JH curve 33 is a curve representing the relationship between the magnetization J and the external magnetic field H. The intersections of the curve, the vertical axis, and the horizontal axis mean the residual magnetic flux density Br, the intrinsic coercive force H cj , and the coercive force H cB, respectively. The residual magnetic flux density Br is the magnetic flux density that remains in a magnetic material when the external magnetic field is reduced from a state of saturation magnetization to zero. Coercive force is the value of an external magnetic field when the magnetization or magnetic flux density becomes 0 when a magnetic field is applied in the opposite direction to the magnetization direction of a magnetic material, and the former is the intrinsic coercive force H cJ and the latter is the coercive force. The magnetic force is expressed as H cB . It should be noted that the magnetic flux density (B) of the magnetic material, the strength of the external magnetic field (H), the strength of magnetization (J), and the permeability of vacuum (μ 0 ) have the relationship shown in the following equation (2). Are known.

B=μH+J (2) B=μ 0 H+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。
(Irreversible demagnetization due to external magnetic field)
As shown in FIG. 7, when an external magnetic field H1 is applied to the magnet, the operating point a1 of the magnet moves on the BH curve 32 to an operating point b1 close to the H axis. Furthermore, when a larger external magnetic field H2 is applied, the operating point a1 of the magnet moves to an operating point c1 closer to the H-axis. At this time, the operating point c2, which is obtained by projecting the operating point c1 on the BH curve 32 onto the JH curve 33, is the knick point 34 of the JH curve 33 (where the slope changes and the magnetic flux density suddenly decreases). (transition point) is exceeded. In this way, in the case of demagnetization due to a larger external magnetic field H2, the operating point c2, which is the operating point on the BH curve 32 projected onto the JH curve 33, exceeds the knick point 34 of the JH curve 33. When the external magnetic field H2 is removed, the operating point a1 of the magnet moves to the operating point d1. Here, the operating point d1 is the operating point when the external magnetic field H2 is removed from the operating point c1, and a straight line that passes through the operating point c1 and is parallel to the slope of the recoil permeability curve, and a straight line that passes through the operating point a1 and the origin. is the intersection of At this time, the difference between the magnetic flux density at the operating point a1 and the magnetic flux density at the operating point d1 is irreversible demagnetization ΔB due to the external magnetic field H2, resulting in demagnetization that does not recover unless re-magnetized.

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)、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。 Note that the operating point of the magnet is a point on the B-H curve 32 of the magnet, as shown in FIG. 7, and is a point that indicates the state of the magnetic flux density B and magnetic field H of the magnet in the magnetic circuit. . Further, a straight line drawn from the origin toward this point is called a permeance line 31. It is known that the slope (B/H) of the permeance line 31 has a relationship with the vacuum permeability (μ 0 ) and the permeance coefficient (P) as expressed by the following equation (3).

B/H=μP (3) B/H=μ 0 P (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Hcj及び保磁力HcBがそれぞれ、Br´、Hcj´及びHcB´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。
(Irreversible demagnetization due to high temperature)
Figure 8 shows the temperature change of the demagnetization curve of neodymium magnets. A BH curve 35 at high temperature, a BH curve 36 at low temperature, a JH curve 37 at high temperature, and a JH curve 38 at low temperature are shown, respectively. When the temperature of the neodymium magnet increases, the residual magnetic flux density Br, the intrinsic coercive force H cj , and the coercive force H cB move to Br', H cj ', and H cB ', respectively. Then, the BH curve 36 at low temperature and the JH curve 38 at low temperature change to BH curve 35 at high temperature and JH curve 37 at high temperature, respectively. Under such temperature changes, if the operating point on the B-H curve exceeds the knick point 34 of the B-H curve, the magnetic force will not return to its original state even if the temperature conditions are returned to the original state. In other words, the magnet will become irreversible due to temperature changes. Demagnetization occurs. For example, the operating point a1 moves to the operating point b1 when the external temperature is changed from a low temperature to a high temperature. Since the operating point b1 does not exceed the knick point on the BH curve 35 at high temperature, when the external temperature is returned from high to low temperature, the operating point b1 can return to the operating point a1, that is, reversible demagnetization occurs. Become. On the other hand, operating point a2, which is closer to the H-axis, moves to operating point b2 when the external temperature is changed from low to high temperature. In this case, since the operating point b2 exceeds the knick point 34 on the BH curve 35 at high temperature, it is not possible to return from the operating point b2 to the operating point a2 even if the external temperature is returned from a high temperature to a low temperature. First, the process moves to the operating point c2. At this time, the difference between the magnetic flux density at the operating point a2 and the magnetic flux density at the operating point c2 becomes irreversible demagnetization ΔB. In particular, with neodymium magnets, as shown in Figure 8, it is known that the B-H curve and J-H curve greatly change toward the B-axis (magnetic flux density) side as the temperature increases, and the operating point Irreversible demagnetization is likely to occur due to the movement of Note that the operating point c2 in FIG. 8 can be determined in the same manner as the operating point d1 in FIG. 7.

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。 Furthermore, the third magnet described in Patent Document 1 has a shorter shape in the magnetization direction than the first and second magnets. In such a magnet having a short shape in the magnetization direction, it is also necessary to consider the permeance coefficient which depends on the shape of the magnet. Normally, the permeance coefficient is small in magnets that are short in the magnetization direction, that is, the magnetic poles are close to each other. Further, the permeance coefficient is also the slope of the permeance line 31, as shown in equation (3). For example, as shown in FIG. 9, the permeance line 31 passing through the operating point a1 has a larger slope α, that is, a larger permeance coefficient, than the slope β of the permeance line 31 passing through the operating point b1. . In other words, a magnet with a small permeance coefficient β has an operating point close to the H axis, so it is easier to cross the knick point 34 on the BH curve 32 and JH curve 33, and the above-mentioned reverse Irreversible demagnetization is likely to occur due to magnetic fields or high temperatures.

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。 As described above, the third magnet of the magnetic circuit described in Patent Document 1 is used at an unfavorable operating point as a magnet, so it is likely to cause irreversible demagnetization due to a reverse magnetic field or high temperature. In particular, when using the above magnetic circuit as a magneto-optical element such as an optical isolator for high-power lasers, it is unavoidable that the temperature of the magnetic circuit increases as the temperature of the Faraday element increases due to high-power light. There was a high possibility that irreversible demagnetization would occur. When irreversible demagnetization occurs in the third magnet in this way, it becomes impossible to stably provide sufficient magnetic flux density to the Faraday element, so there is a possibility that the Faraday rotator will not be able to perform its original function.

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。 The present invention has been made in view of the above problems, and provides a magnetic circuit that can suppress irreversible demagnetization due to external magnetic fields and temperature increases, and can stably provide sufficient magnetic flux density to Faraday elements. It is something to do.

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、HcBを指すものとする。 The magnetic circuit of the present invention is a magnetic circuit having first to third magnets made of samarium-cobalt magnets each having a through hole through which light passes, The magnets are arranged coaxially in this order in the front-rear direction, and when the direction in which light passes through the through hole of the magnetic circuit is the optical axis direction, the first magnet is arranged in a direction perpendicular to the optical axis direction. , and is magnetized so that the through-hole side is the north pole, the second magnet is magnetized in a direction parallel to the optical axis direction and so that the first magnet side is the north pole, and the third magnet is magnetized so that the first magnet side is the north pole. The magnet is magnetized in a direction perpendicular to the optical axis direction so that the through-hole side has an S pole, and the second magnet has a coercive force greater than that of the first and third magnets. In addition, when simply describing coercive force in the present invention, it refers to H cB .

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。 In the above configuration, a strong magnetic field created by the interaction between the first magnet and the third magnet is generated near the through hole of the second magnet. However, in the magnetic circuit of the present invention, since the coercive force in the second magnet is large, it becomes difficult for the operating point to exceed the knick point on the BH curve and the JH curve, causing irreversible demagnetization due to temperature rise and reverse magnetic field. This makes it easier to maintain a large magnetic flux density in the through-hole portion of the second magnet. That is, sufficient magnetic flux density can be stably provided to the Faraday element.

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。 Further, the first to third magnets are made of samarium-cobalt magnets. Samarium-cobalt magnets have the same residual magnetic flux density and coercive force as neodymium magnets, but are characterized by small fluctuations in coercive force due to temperature changes and a high Curie temperature. Therefore, in the magnetic circuit made of the above-mentioned magnet, the operating point does not easily exceed the kick point on the B-H curve and the J-H curve, especially under high temperatures, and the occurrence of irreversible demagnetization can be suppressed. It becomes easier to maintain a large magnetic flux density in the through hole portion.

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。 In the magnetic circuit of the present invention, it is preferable that the first to third magnets have a coercive force of 650 kA/m or more. By having such a coercive force, it is possible to suppress the occurrence of irreversible demagnetization in the second magnet.

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。 In the magnetic circuit of the present invention, it is preferable that the length of the second magnet along the optical axis direction is equal to or longer than the length of the first and third magnets along the optical axis direction. In this way, it is possible to suppress the occurrence of irreversible demagnetization in the second magnet, and it becomes easier to maintain a large magnetic flux density in the through-hole portion of the second magnet.

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。 In the magnetic circuit of the present invention, it is preferable that the length of the second magnet along the optical axis direction is longer than the length of the first and third magnets along the optical axis direction.

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。 In the magnetic circuit of the present invention, it is preferable that the second magnet has a larger coercive force than the first and third magnets.

本発明の磁気回路では、貫通孔の断面積が100mm以下であることが好ましい。貫通孔の断面積を100mm以下にすることで、磁束密度が大きくなりやすい。 In the magnetic circuit of the present invention, it is preferable that the cross-sectional area of the through hole is 100 mm 2 or less. By setting the cross-sectional area of the through hole to 100 mm 2 or less, the magnetic flux density tends to increase.

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。 The magnetic circuit of the present invention is a magnetic circuit having first to third magnets each having a through hole through which light passes, and the magnetic circuit includes first to third magnets coaxially disposed in the front-back direction. are arranged in this order, and when the direction in which light passes through the through-hole of the magnetic circuit is the optical axis direction, the first magnet is perpendicular to the optical axis direction, and the through-hole side is the N pole. The second magnet is magnetized in a direction parallel to the optical axis direction, with the first magnet side being the north pole, and the third magnet is magnetized in a direction parallel to the optical axis direction. It is magnetized in a vertical direction so that the through-hole side becomes the S pole, and the second magnet has a coercive force greater than that of the first and third magnets, and is along the optical axis direction of the second magnet. It is characterized in that the length is longer than the length along the optical axis direction of the first and third magnets.

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。 In the above configuration, a strong magnetic field created by the interaction between the first magnet and the third magnet is generated near the through hole of the second magnet. However, because the coercive force in the second magnet is large, it becomes difficult for the operating point to exceed the knick point on the BH curve and JH curve, making it possible to suppress the occurrence of irreversible demagnetization due to temperature rise and reverse magnetic field. , it becomes easier to maintain a large magnetic flux density in the through-hole portion of the second magnet. Furthermore, since the length of the second magnet along the optical axis direction is longer than the length of the first and third magnets along the optical axis direction, it is possible to suppress the occurrence of irreversible demagnetization in the second magnet. This makes it easier to maintain a large magnetic flux density in the through-hole portion of the second magnet.

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。 The Faraday rotator of the present invention is characterized by comprising the magnetic circuit described above and a Faraday element made of a paramagnetic material that is disposed in a through hole in the magnetic circuit and that transmits light.

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。 In the Faraday rotator of the present invention, the paramagnetic material is preferably a glass material.

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。 The magneto-optical element of the present invention includes the Faraday rotator, a first optical component disposed at one end in the optical axis direction of a magnetic circuit of the Faraday rotator, and a second optical component disposed at the other end. It is characterized in that the light passing through the through hole of the magnetic circuit passes through the first optical component and the second optical component.

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。 In the magneto-optical element of the present invention, it is preferable that the first optical component and the second optical component are polarizers.

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。 According to the present invention, it is possible to provide a magnetic circuit that can suppress irreversible demagnetization due to an external magnetic field or temperature rise, and can stably provide a sufficient magnetic flux density to a Faraday element.

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。1 is a schematic cross-sectional view showing an example of the structure of a magnetic circuit according to the present invention. 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。It is a figure showing an example of the structure of the 1st magnet in the present invention. 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。It is a figure which shows an example of the structure of the 2nd magnet in this invention. 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。It is a figure which shows an example of the structure of the 3rd magnet in this invention. 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。1 is a schematic cross-sectional view showing an example of the structure of a Faraday rotator according to the present invention. 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。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of the structure of the magneto-optical element of the present invention. 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。FIG. 3 is a diagram showing an example of a demagnetization curve (BH curve and JH curve) of a magnet. 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。FIG. 3 is a diagram showing an example of a temperature change (BH curve and JH curve) of a demagnetization curve of a neodymium magnet. 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。FIG. 3 is a diagram showing an example of a demagnetization curve (BH curve and JH curve) of a magnet.

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。 Embodiments of the present invention will be described in detail below. However, the present invention is not limited to the following embodiments. Further, in each drawing, members having substantially the same function may be referred to by the same reference numerals.

(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。
(Magnetic circuit 1)
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the magnetic circuit of the present invention. The magnetic circuit 1 includes a first magnet 11, a second magnet 12, and a third magnet 13, each of which has a through hole. The magnetic circuit 1 includes a first magnet 11, a second magnet 12, and a third magnet 13 arranged coaxially in this order in the front-rear direction. Note that being coaxially arranged means that the magnets are arranged so that the center portions of the magnets overlap when viewed from the optical axis direction. In this embodiment, the through-hole 2 of the magnetic circuit is configured by connecting the through-holes of the first magnet 11, the second magnet 12, and the third magnet 13. Note that the letters N and S in FIG. 1 indicate magnetic poles, and the same applies to other drawings described later.

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。 In the magnetic circuit 1, the first magnet 11 and the third magnet 13 are magnetized in a direction perpendicular to the optical axis, and their magnetization directions are opposite to each other. Specifically, the first magnet 11 is magnetized in a direction perpendicular to the optical axis so that the through hole side is the north pole. The third magnet 13 is magnetized in a direction perpendicular to the optical axis so that the through-hole side has an S pole. The second magnet 12 is magnetized in a direction parallel to the optical axis so that the first magnet 11 side is the north pole.

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。 Preferably, the first to third magnets constituting the magnetic circuit 1 are composed of magnets containing samarium-cobalt (Sm-Co) as a main component. Since samarium-cobalt magnets have a Curie temperature of 600° C. or higher, irreversible demagnetization at high temperatures can be suppressed. Further, the temperature dependence of the residual magnetic flux density of samarium-cobalt magnets is generally about -0.03%/°C, and that of neodymium magnets is about -0.1%/°C. Further, the temperature dependence of coercive force is about -0.5%/K for neodymium magnets and about -0.2%/K for samarium-cobalt magnets. Therefore, when a samarium-cobalt magnet is used, it is possible to more effectively suppress a decrease in the residual magnetic flux density and coercive force of the magnet due to a rise in the temperature of the magnetic circuit 1. Note that magnets other than those whose main component is samarium-cobalt (Sm-Co) may be used.

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。 The first to third magnets constituting the magnetic circuit 1 preferably have a coercive force of 650 kA/m or more, more preferably 660 kA/m or more, even more preferably 700 kA/m, and particularly preferably 750 kA/m. When the coercive force is low, the operating point of the second magnet 12 approaches the H-axis due to the strong magnetic field created by the interaction between the first magnet 11 and the third magnet 13, making it easy for the magnet to be irreversibly demagnetized. Become. Furthermore, the larger the coercive force is, the more stable the magnetic circuit 1 can be obtained at high temperatures; however, in reality, the upper limit of the coercive force that can be obtained with a samarium-cobalt magnet is 1000 kA/m.

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。 Moreover, it is preferable that the coercive forces of the first magnet 11 and the third magnet 13 are equal. In this way, a uniform magnetic field can be applied to the second magnet 12. However, the coercive force of the first magnet 11 and the coercive force of the third magnet 13 may not be equal.

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。 The second magnet 12 has a coercive force greater than that of the first and third magnets. Specifically, the coercive force of the second magnet 12 is at least 1 times the coercive force of the first and third magnets, preferably at least 1.05 times, and particularly preferably at least 1.1 times. In this way, even if a strong magnetic field created by the interaction between the first magnet 11 and the third magnet 13 occurs near the through hole of the second magnet 12, the operation of the second magnet 12 will be prevented. This makes it difficult for the point to exceed the knick point on the BH curve and JH curve, making it possible to suppress the occurrence of irreversible demagnetization due to temperature rise and reverse magnetic field, and to reduce the magnetic flux density in the through-hole portion of the second magnet 12. Larger and easier to hold. Further, the coercive force obtained with a samarium-cobalt magnet is actually about 400 to 1000 kA/m. Therefore, the maximum coercive force of the second magnet 12 is preferably 2.5 times or less, more preferably 2 times or less, and 1.8 times or less than the coercive force of the first and third magnets. This is particularly preferred. In addition, if the coercive force of the first magnet 11 and the coercive force of the third magnet 13 are not equal, the one having the above value with respect to the higher coercive force of the first and third magnets. shall be.

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。 Further, the residual magnetic flux density (Br) of the first to third magnets constituting the magnetic circuit 1 is preferably 0.7T or more, more preferably 0.8T or more, and 0.9T or more. It is particularly preferable that there be. In this way, a region with high magnetic flux density can be formed near the through hole of the second magnet 12, and a rotation angle of 45 degrees can be given to the Faraday element 14, which will be described later.

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。 Further, it is preferable that the residual magnetic flux densities of the first magnet 11 and the third magnet 13 are equal. In this way, a uniform magnetic field can be applied to the second magnet 12. However, the coercive force of the first magnet 11 and the residual magnetic flux density of the third magnet 13 may not be equal.

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。 In the magnetic circuit 1 of the present invention, it is preferable that the length of the second magnet 12 along the optical axis direction is equal to or longer than the length of the first magnet 11 or the third magnet 13 along the optical axis direction. Specifically, the length of the second magnet 12 is preferably 1 time or more, and more preferably 1.01 times or more, the length of the first magnet 11 and the third magnet 13. , is particularly preferably 1.05 times or more. In this way, the length of the second magnet 12 in the magnetization direction is relatively increased, and the permeance coefficient of the second magnet 12 is increased, so the operating point of the second magnet 12 is shifted to the B-axis side. As the magnet approaches the magnet, the effect of suppressing irreversible demagnetization becomes greater. Furthermore, if the length of the second magnet 12 along the optical axis direction is too large, the interaction between the first magnet 11 and the third magnet 13 will be weakened, resulting in a magnetic flux density near the through hole of the second magnet 12. It becomes impossible to form a large area. Therefore, the length of the second magnet 12 along the optical axis direction is preferably twice or less, more preferably 1.5 times or less, and particularly preferably 1.4 times or less. Note that if the length of the first magnet 11 along the optical axis direction and the length of the third magnet 13 along the optical axis direction are not equal, the light of the longer magnet of the first and third magnets It is assumed that the length along the axial direction has the above value.

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。 In the magnetic circuit 1 of the present invention, it is preferable that the length of the first magnet 11 along the optical axis direction is equal to the length of the third magnet 13 along the optical axis direction. In this way, a uniform magnetic field can be applied to the second magnet 12. However, the length of the first magnet 11 along the optical axis direction and the length of the third magnet 13 along the optical axis direction may not be equal.

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。 In the magnetic circuit 1 of the present invention, the cross-sectional shape of the through hole 2 of the magnetic circuit is not particularly limited, and may be rectangular or circular. A rectangular shape is preferred for ease of assembly, and a circular shape is preferred for providing a uniform magnetic field.

磁気回路の貫通孔2の断面積は100mm以下であることが好ましく、3mm~80mmがより好ましく、5mm~60mmがさらに好ましく、7mm~50mm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。 The cross-sectional area of the through-hole 2 of the magnetic circuit is preferably 100 mm 2 or less, more preferably 3 mm 2 to 80 mm 2 , even more preferably 5 mm 2 to 60 mm 2 , and particularly preferably 7 mm 2 to 50 mm 2 . If the cross-sectional area is too large, sufficient magnetic flux density cannot be obtained, and if it is too small, it becomes difficult to arrange the Faraday element 14 in the through-hole 2 of the magnetic circuit.

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。 FIG. 2 is a diagram showing an example of the structure of the first magnet. The first magnet 11 shown in FIG. 2 is constructed by combining four magnet pieces. Note that the number of magnet pieces constituting the first magnet 11 is not limited to the above. For example, the first magnet 11 may be configured by combining six or eight magnet pieces. By configuring the first magnet 11 by combining a plurality of magnet pieces, the magnetic field can be effectively increased. However, the first magnet 11 may be composed of a single magnet.

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。 FIG. 3 is a diagram showing an example of the structure of the second magnet. The second magnet 12 shown in FIG. 3 consists of one single magnet. Note that the second magnet 12 may be configured by combining two or more magnet pieces.

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。 FIG. 4 is a diagram showing an example of the structure of the third magnet. The third magnet 13 shown in FIG. 4 is constructed by combining four magnet pieces, similarly to the first magnet 11. By configuring the third magnet 13 by combining a plurality of magnet pieces, the magnetic field can be effectively increased. Note that the third magnet 13 may be constructed by combining six or eight magnet pieces, or may be composed of a single magnet.

(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。
(Faraday rotator 10)
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing an example of the structure of the Faraday rotator of the present invention. The Faraday rotator 10 is a device used in a magneto-optical element 20, such as an optical isolator or an optical circulator, which will be described later. The Faraday rotator 10 includes a magnetic circuit 1 and a Faraday element 14 arranged in a through hole 2 of the magnetic circuit. The Faraday element 14 is made of a paramagnetic material that transmits light.

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。 Since the Faraday rotator 10 has the magnetic circuit 1 of the present invention shown in FIG. 1, irreversible demagnetization due to an external magnetic field or temperature rise is suppressed, and sufficient magnetic flux density can be stably provided to the Faraday element 14. Therefore, it can be used stably.

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。 Furthermore, light may be incident on the Faraday rotator 10 from the first magnet 11 side or from the third magnet 13 side.

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。 Although the cross-sectional shape of the Faraday element 14 and the cross-sectional shape of the through hole 2 of the magnetic circuit do not necessarily have to match, it is preferable to match them from the viewpoint of providing a uniform magnetic field.

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。 A paramagnetic material can be used for the Faraday element 14. Among them, it is preferable to use glass material. The Faraday element 14 made of glass material has a stable Verdet constant and high extinction ratio because it has less variation in Verdet constant and lower extinction ratio due to defects like single crystal materials, and is less affected by stress from adhesives. can be kept.

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に換算した値として表す。 The glass material used for the Faraday element 14 preferably has a Tb 2 O 3 content of more than 40%, more preferably 45% or more, still more preferably 48% or more, and even more preferably 51% in terms of mol% oxide. It is particularly preferable that it is above. By increasing the content of Tb 2 O 3 in this way, it becomes easier to obtain a good Faraday effect. Note that Tb exists in a trivalent or tetravalent state in the glass, but in this specification, all of these are expressed as values converted to Tb 2 O 3 .

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Tb3+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Tb3+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。 In the glass material used for the Faraday element 14, the ratio of Tb 3+ to the total Tb is preferably 55% or more in terms of mol%, more preferably 60% or more, even more preferably 80% or more, and even more preferably 90% or more. It is particularly preferable. If the ratio of Tb 3+ to the total Tb is too small, the light transmittance in the wavelength range of 300 nm to 1100 nm tends to decrease.

(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。
(Magneto-optical element 20)
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing an example of the structure of the magneto-optical element of the present invention. The magneto-optical element 20 shown in FIG. 6 is an optical isolator. The magneto-optical element 20 includes the Faraday rotator 10 shown in FIG. 5, a first optical component 25 located at one end of the magnetic circuit 1 in the optical axis direction, and a second optical component 25 located at the other end. A component 26 is provided. The first optical component 25 and the second optical component 26 are polarizers in this embodiment. The light transmission axis of the second optical component 26 is inclined at 45 degrees with respect to the light transmission axis of the first optical component 25.

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。 The light incident on the magneto-optical element 20 passes through the first optical component 25, becomes linearly polarized light, and enters the Faraday element 14. The incident light is rotated by 45° by the Faraday element 14 and passes through the second optical component 26 . A portion of the light that has passed through the second optical component 26 becomes reflected return light, and passes through the second optical component 26 with the plane of polarization at an angle of 45 degrees. The reflected return light that has passed through the second optical component 26 is further rotated by 45 degrees by the Faraday element 14 to become a polarization plane orthogonal to the light transmission axis of the first optical component 25 at 90 degrees. Therefore, the reflected return light cannot pass through the first optical component 25 and is blocked.

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。 Since the magneto-optical element 20 of the present invention has the magnetic circuit 1 of the present invention shown in FIG. It can be used stably.

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。 Note that although the magneto-optical element 20 shown in FIG. 6 is an optical isolator, the magneto-optical element 20 may be an optical circulator. In this case, the first optical component 25 and the second optical component 26 may be wavelength plates or beam splitters. However, the magneto-optical element 20 is not limited to an optical isolator and an optical circulator.

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。 The present invention will be described below based on Examples, but the present invention is not limited to these Examples.

表1は、本発明の実施例1~7及び比較例1を示している。 Table 1 shows Examples 1 to 7 of the present invention and Comparative Example 1.

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HcB、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。 The average value of the magnetic flux density of the magnetic circuits of Examples 1 to 7 and Comparative Example 1 was determined by the first to third magnetic circuits having coercive force H cB , residual magnetic flux density Br, and length L so as to satisfy the conditions shown in Table 1 above. The measurements were made by simulating the case where the first to third magnets constitute a magnet structure as shown in FIG. 1. The average value of the magnetic flux density above is based on the assumption that a Faraday rotating glass element with a diameter of 3 mm, a length of 10 mm, and a Verdet constant of 0.21 min/Oe cm is used. It represents a simulated value of the average value of magnetic flux density in a length of ±5 mm from the center in the optical axis direction. Moreover, the above-mentioned "length" refers to the length along the optical axis direction, and in this embodiment, it is simply written as length or L.

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。 As is clear from Table 1, in Examples 1 to 7, the average value of the magnetic flux density at a length of ±5 mm from the center of the through hole of the second magnet in the optical axis direction is 1.13 to 1.34 T, Even if it is affected by the strong magnetic field created by the interaction between the first magnet and the third magnet, irreversible demagnetization is unlikely to occur near the through hole of the second magnet, so a magnetic circuit with a large magnetic flux density is Obtained.

比較例1は、第2の磁石について、HcB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。 Comparative Example 1 is a magnetic circuit manufactured in the same manner as Example 3 except that the second magnet has a small H cB of 413 kA/m and a small Br of 0.95 T. The average value of the magnetic flux density in a length of ±5 mm from the center in the optical axis direction was as small as 1.01T.

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
1 Magnetic circuit 2 Through hole 10 of the magnetic circuit Faraday rotator 11 First magnet 12 Second magnet 13 Third magnet 14 Faraday element 20 Magneto-optical element 25 First optical component 26 Second optical component 31 Permeance line 32 B-H curve 33 J-H curve 34 Knick point 35 B-H curve at high temperature 36 B-H curve at low temperature 37 J-H curve at high temperature 38 J-H curve at low temperature a1, b1, c1 , d1, a2, b2, c2 Operating point H, H1, H2 External magnetic field ΔB Irreversible demagnetization HcJ, HcJ' Intrinsic coercive force HcB, HcB' Coercive force Br, Br' Residual magnetic flux density α, β Permeance coefficient

Claims (11)

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の磁石より大きい保磁力を有し、かつ前記第2の磁石の保持力が第1、前記第3の磁石の保持力の1.8倍以下であり、
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。
A magnetic circuit having first to third magnets each provided with a through hole through which light passes,
The magnetic circuit includes the first to third magnets arranged coaxially in this order in the front-rear direction,
When the direction in which light passes through the through-hole of the magnetic circuit is the optical axis direction, the first magnet is oriented in a direction perpendicular to the optical axis direction, with the through-hole side having a north pole. It is magnetized,
The second magnet is magnetized in a direction parallel to the optical axis direction and such that the first magnet side is a north pole,
The third magnet is magnetized in a direction perpendicular to the optical axis direction and with the through hole side having an S pole,
The second magnet has a coercive force larger than that of the first and third magnets, and the coercive force of the second magnet is 1.8 times or less than the coercive force of the first and third magnets. can be,
A magnetic circuit characterized in that the length of the second magnet along the optical axis direction is greater than or equal to the length of the first and third magnets along the optical axis direction.
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り、
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し、かつ前記第2の磁石の保持力が第1、前記第3の磁石の保持力の1.8倍以下であることを特徴とする、磁気回路。
A magnetic circuit having first to third magnets made of samarium-cobalt magnets each having a through hole through which light passes,
The magnetic circuit includes the first to third magnets arranged coaxially in this order in the front-rear direction,
When the direction in which light passes through the through-hole of the magnetic circuit is the optical axis direction, the first magnet is oriented in a direction perpendicular to the optical axis direction, with the through-hole side having a north pole. It is magnetized,
The second magnet is magnetized in a direction parallel to the optical axis direction and such that the first magnet side is a north pole,
The third magnet is magnetized in a direction perpendicular to the optical axis direction and with the through hole side having an S pole,
The length of the second magnet along the optical axis direction is greater than or equal to the length of the first and third magnets along the optical axis direction,
The second magnet has a coercive force larger than that of the first and third magnets, and the coercive force of the second magnet is 1.8 times or less than the coercive force of the first and third magnets. A magnetic circuit characterized by :
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又は2に記載の磁気回路。 The magnetic circuit according to claim 1 or 2, wherein the first to third magnets have a coercive force of 650 kA/m or more. 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。 4. The magnet according to claim 1, wherein the length of the second magnet along the optical axis direction is larger than the length of the first and third magnets along the optical axis direction. magnetic circuit. 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の1.01倍以上であ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。 Claims 1 to 4, wherein the length of the second magnet along the optical axis direction is 1.01 times or more the length of the first and third magnets along the optical axis direction. The magnetic circuit according to any one of the items. 前記第2の磁石の保磁力が、前記第1、3の磁石の保磁力の1.05倍以上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。 6. The magnetic circuit according to claim 1, wherein the coercive force of the second magnet is 1.05 times or more the coercive force of the first and third magnets. 前記貫通孔の断面積が100mm以下であることを特徴とする、請求項1~のいずれか一項に記載の磁気回路。 The magnetic circuit according to any one of claims 1 to 6 , characterized in that the cross-sectional area of the through hole is 100 mm 2 or less. 請求項1~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。 A Faraday device comprising: the magnetic circuit according to any one of claims 1 to 7 ; and a Faraday element made of a paramagnetic material that is disposed in the through hole of the magnetic circuit and that transmits light. rotor. 前記常磁性体がガラス材であることを特徴とする、請求項に記載のファラデー回転子。 The Faraday rotator according to claim 8 , wherein the paramagnetic material is a glass material. 請求項又は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。
A Faraday rotator according to claim 8 or 9 ;
comprising a first optical component disposed at one end of the magnetic circuit of the Faraday rotator in the optical axis direction and a second optical component disposed at the other end;
A magneto-optical element, wherein light passing through the through hole of the magnetic circuit passes through the first optical component and the second optical component.
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。
The magneto-optical element according to claim 10 , wherein the first optical component and the second optical component are polarizers.
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