JP7476686B2

JP7476686B2 - 磁気回路、ファラデー回転子、及び磁気光学デバイス

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Publication number: JP7476686B2
Application number: JP2020103259A
Authority: JP
Inventors: 太志鈴木
Original assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Priority date: 2020-06-15
Filing date: 2020-06-15
Publication date: 2024-05-01
Anticipated expiration: 2040-06-15
Also published as: CN115104060A; WO2021256255A1; US20230168525A1; DE112021003260T5; JP2021196517A

Description

本発明は、磁気回路、ファラデー回転子、及び磁気光学デバイスに関する。

光アイソレータは、光を一方向だけに伝搬し、反射して戻る光を阻止する磁気光学デバイスである。光アイソレータは、光通信システムやレーザー加工システム等に用いられるレーザー発振器に使用される。一般に、光アイソレータは、ファラデー回転子と、ファラデー回転子の光軸方向の一方端及び他方端に配置された偏光子と、を備える。

従来、光通信システムで使用される波長域は主に１３００ｎｍ～１７００ｎｍであり、光アイソレータにおけるファラデー回転子のファラデー素子には、希土類鉄ガーネットが用いられていた。

一方で、レーザー加工等に用いられる波長は光通信帯域よりも短波長であり、主に１０００ｎｍ付近である。この波長域においては、上記希土類鉄ガーネットは光吸収が大きいため、使用することができない。そのため、一般的には常磁性体結晶からなるファラデー素子が使われており、特にテルビウム・ガリウム・ガーネット（ＴＧＧ）が広く知られている。

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（θ）が４５°である必要がある。このファラデー回転角は、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（Ｈ）が下記の式（１）の関係にある。

θ＝Ｖ・Ｈ・Ｌ（１）

このうち、ベルデ定数（Ｖ）は、材料に依存する特性である。そのため、ファラデー回転角を調整するためには、ファラデー素子の長さ（Ｌ）や、ファラデー素子に加わる光軸と平行な磁束密度（Ｈ）を変化させる必要がある。特に、近年はデバイスの小型化が求められていることから、ファラデー素子や磁石の大きさを調整するのではなく、磁石の構造を変えることで、ファラデー回転子に加わる磁束密度の向上が図られている。

例えば、下記の特許文献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Ｌ２、第３の磁石の光軸方向に沿う長さをＬ３としたとき、Ｌ２／１０≦Ｌ３≦Ｌ２の関係が成立するように構成されている。

特許第５２３９４３１号公報

近年のレーザー加工の高出力化に伴い、光アイソレータにも高レーザー耐性が求められている。しかしながら、特許文献１のようなファラデー回転子を用いた光アイソレータでは、レーザーの出力を高くすると偏光子の破損が生じることがある。

本発明の目的は、光アイソレータに用いたときに、レーザーの出力を高くしても偏光子の破損が生じ難い、磁気回路、ファラデー回転子、及び磁気光学デバイスを提供することにある。

本発明に係る磁気回路は、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、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の磁石及び前記第３の磁石のうち一方の磁石は、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１の磁石及び前記第３の磁石のうち他方の磁石は、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の磁石は、前記光軸方向に平行な方向に、かつ前記第１の磁石及び前記第３の磁石のうち前記貫通孔側がＮ極となる磁石側がＮ極となるように磁化されており、前記第１の磁石の前記光軸方向に沿う長さと、前記第３の磁石の光軸方向に沿う長さとが異なっていることを特徴とする。

本発明においては、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１の磁石の前記光軸方向に沿う長さをＬ１とし、前記第３の磁石の前記光軸方向に沿う長さをＬ３としたときに、Ｌ３＜Ｌ１の関係にあることが好ましい。

本発明においては、前記第２の磁石の前記光軸方向に沿う長さをＬ２としたときに、Ｌ２＜Ｌ３＜Ｌ１の関係にあることが好ましい。

本発明に係るファラデー回転子は、本発明に従って構成される磁気回路と、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、を備えることを特徴とする。

本発明においては、前記常磁性体が、ガラス材であることが好ましい。

本発明に係る磁気光学デバイスは、本発明に従って構成されるファラデー回転子と、前記ファラデー回転子の前記光軸方向における一方端に配置されている第１の光学部品と、前記ファラデー回転子の前記光軸方向における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ことを特徴とする。

本発明においては、前記第１の光学部品及び前記第２の光学部品が、偏光子であることが好ましい。

本発明に係る磁気光学デバイスは、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有する、ファラデー回転子と、前記ファラデー回転子の前記光軸方向における一方端に配置されている第１の光学部品と、前記ファラデー回転子の前記光軸方向における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、磁気光学デバイスであって、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の磁石及び前記第３の磁石のうち一方の磁石は、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１の磁石及び前記第３の磁石のうち他方の磁石は、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の磁石は、前記光軸方向に平行な方向に、かつ前記第１の磁石及び前記第３の磁石のうち前記貫通孔側がＮ極となる磁石側がＮ極となるように磁化されており、前記ファラデー素子の中心から前記第１の光学部品までの前記光軸方向に沿う距離と、前記ファラデー素子の中心から前記第２の光学部品までの前記光軸方向に沿う距離とが異なっていることを特徴とする。

本発明においては、前記第２の光学部品が、前記光軸方向において前記第３の磁石側に設けられており、前記第１の磁石、前記第２の磁石、及び前記第３の磁石の前記光軸方向に沿う長さの総和を（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３）とし、前記ファラデー素子の中心から前記第２の光学部品までの前記光軸方向に沿う距離をＬ４としたときに、比Ｌ４／（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３）が、０．２以上、０．５未満の範囲内にあることが好ましい。

本発明においては、前記ファラデー素子が、前記第２の磁石の中心に配置されていることが好ましい。

本発明によれば、光アイソレータに用いたときに、レーザーの出力を高くしても偏光子の破損が生じ難い、磁気回路、ファラデー回転子、及び磁気光学デバイスを提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る磁気回路の構造を示す模式的断面図である。本発明の第１の実施形態に係るファラデー回転子の構造を示す模式的断面図である。本発明の第１の実施形態に係る磁気光学デバイスの構造を示す模式的断面図である。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。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。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。本発明の第２の実施形態に係る磁気回路、ファラデー回転子、及び磁気光学デバイスの構造を示す模式的断面図である。実施例１～２及び比較例１の磁気回路の磁場強度を示す図である。偏光子の破損例を示す写真である。

以下、好ましい実施形態について説明する。但し、以下の実施形態は単なる例示であり、本発明は以下の実施形態に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。

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る磁気回路の構造を示す模式的断面図である。図２は、本発明の第１の実施形態に係るファラデー回転子の構造を示す模式的断面図である。図３は、本発明の第１の実施形態に係る磁気光学デバイスの構造を示す模式的断面図である。各図面において、Ｎ及びＳの文字は磁極を示すものとする。

（磁気回路）
図１に示すように、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Ｘ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１の貫通孔２が構成されている。

磁気回路１の貫通孔２内には、後述するファラデー素子１４を配置することができる。それによって、光アイソレータや光サーキュレータ等の磁気光学デバイス２０に用いられるファラデー回転子１０を構成することができる。

磁気回路１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。

図４は、第１の磁石の構造の一例を示す図（光軸方向Ｘから見た図）である。図４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おり、全体として矩形（正方形）の断面形状を有している。第１の磁石１１は全体として円形の断面形状を有していてもよい。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。

図５は、第２の磁石の構造の一例を示す図（光軸方向Ｘから見た図）である。図５に示す第２の磁石１２は、１個の単体磁石からなる。第２の磁石１２は矩形（正方形）の断面形状を有している。第２の磁石１２は円形の断面形状を有していてもよい。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。

図６は、第３の磁石の構造の一例を示す図（光軸方向Ｘから見た図）である。図６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おり、全体として矩形（正方形）の断面形状を有している。第３の磁石１３は全体として円形の断面形状を有していてもよい。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。

なお、第１の磁石１１、第２の磁石１２、及び第３の磁石１３は永久磁石によって構成される。上記永久磁石としては、特に希土類磁石が好ましく、そのなかでもサマリウム－コバルト（Ｓｍ－Ｃｏ）を主成分とする磁石や、ネオジム－鉄－ホウ素（Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ）を主成分とする磁石が好ましい。

磁気回路１において、第１の磁石１１と第３の磁石１３は、光軸方向Ｘと垂直な方向Ｙ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、光軸方向Ｘと垂直な方向Ｙに、かつ貫通孔２側がＮ極となるように磁化されている。第３の磁石１３は、光軸方向Ｘと垂直な方向Ｙに、かつ貫通孔２側がＳ極となるように磁化されている。第２の磁石１２は、光軸方向Ｘ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。なお、本明細書においては、光が磁気回路１の貫通孔２を通過する方向を光軸方向Ｘとする。

磁気回路１において、第３の磁石１３の長さＬ３は、第１の磁石１１の長さＬ１より短い。また、第２の磁石１２のＬ２は、第１の磁石１１の長さＬ１及び第３の磁石１３の長さＬ３より短い。従って、磁気回路１においては、Ｌ２＜Ｌ３＜Ｌ１の関係にある。なお、第１の磁石１１の長さＬ１、第２の磁石１２の長さＬ２、及び第３の磁石１３の長さＬ３は、いずれも光軸方向Ｘに沿う長さであるものとする。

本実施形態の特徴は、第３の磁石１３の長さＬ３が、第１の磁石１１の長さＬ１より短いことにある。これにより、光アイソレータに用いたときに、レーザーの出力を高くしても偏光子の破損を生じ難くすることができる。なお、この点については、以下のようにして説明することができる。

従来、光アイソレータでは、レーザーの出力を高くすると偏光子の破損が生じ易いという問題がある。本発明者らは、この原因について鋭意検討した結果、レーザーの出力が上がるとファラデー素子において熱レンズ効果が発生するためであると考えた。具体的には、レーザーの出力が上がるとファラデー素子の中心部がより熱くなることから、温度勾配が生じる。その結果、屈折率の温度依存性に起因して、屈折率勾配が生じることとなる。これにより、ファラデー素子がレンズとして作用し、ファラデー素子を通過したレーザー光が集光されるという現象が引き起こされる。この際、光アイソレータは、２つの偏光子の間にファラデー素子が配置された構造をしているが、ファラデー素子を通過した光が熱レンズ効果によって集光され、入射ビームのビーム径が小さくなることにより、光出射側に配置された偏光子へのエネルギー密度が大きくなり、破損させるという問題が発生するものと考えられる。なお、図９には、このような熱レンズ効果により破損した偏光子の一例としての写真を示している。偏光子の破損は、絶縁破壊で偏光子の出射側の面が壊れる（クラックが入る等）ことが多い。このような偏光子の損傷が生じると、偏光子の透過率が急激に低下する。

これに対して、本実施形態では、第３の磁石１３の長さＬ３が、第１の磁石１１の長さＬ１より短いことから、ファラデー素子１４と偏光子（第２の光学部品２６）間の距離を近くすることができる。そのため、熱レンズ効果が発生しても、集光される量が小さくなることから、エネルギー密度の増大が抑えられ、偏光子の破損を抑制することができる。

また、第３の磁石１３の長さＬ３を第１の磁石１１の長さＬ１より短くした場合、図２に示すように、磁気回路１の中心からファラデー素子１４がずれることになるが、この場合においても磁気回路１の中心にファラデー素子１４が配置された場合と同等の磁気特性が得られることを見出した。

なお、本実施形態では、光を第１の磁石１１側から入射させる場合について説明したが、光を第３の磁石１３側から入射させてもよい。この場合、第１の磁石１１の長さＬ１を、第３の磁石１３の長さＬ３より短くすることにより、レーザーの出力を高くしても偏光子の破損を生じ難くすることができる。従って、本発明においては、第１の磁石１１の長さＬ１と、第３の磁石１３の長さＬ３とが異なっていればよい。

また、この場合、第１の磁石１１が、貫通孔２側がＳ極となるように磁化されており、第３の磁石１３が、貫通孔２側がＮ極となるように磁化されており、第２の磁石１２が、第１の磁石１１側がＳ極となるように磁化されていてもよい。

また、本実施形態では、第２の磁石１２の長さＬ２は、第１の磁石１１の長さＬ１及び第３の磁石１３の長さＬ３より短い。そのため、磁気特性をより一層向上させることができ、ファラデー素子１４により一層大きな磁場を印加することができる。ファラデー素子１４に大きな磁場を印加することにより、光アイソレータとしてのアイソレーション特性をより一層向上させることができる。

本実施形態において、第１の磁石１１の長さＬ１と第３の磁石１３の長さＬ３との比Ｌ１／Ｌ３は、好ましくは１．０１以上、より好ましくは１．０３以上、さらに好ましくは１．０５以上、さらに好ましくは１．０７以上、特に好ましくは１．１０以上、最も好ましくは１．１１以上、好ましくは３．００以下、より好ましくは２．９０以下、さらに好ましくは２．８０以下、さらに好ましくは２．７０以下、特に好ましくは２．６０以下、最も好ましくは２．５０以下である。

比Ｌ１／Ｌ３が上記下限値以上である場合、レーザーの出力を高くしても偏光子の破損をより一層生じ難くすることができる。また、比Ｌ１／Ｌ３が上記上限値以下である場合、ファラデー素子１４により一層大きな磁場を印加することができる。

また、第２の磁石１２の長さＬ２と第３の磁石１３の長さＬ３との比Ｌ２／Ｌ３は、好ましくは０．０５以上、より好ましくは０．１０以上、さらに好ましくは０．１５以上、特に好ましくは０．２０以上、好ましくは０．９５以下、より好ましくは０．８５以下、さらに好ましくは０．８０以下、特に好ましくは０．７５以下である。

比Ｌ２／Ｌ３が上記範囲内にある場合、ファラデー素子１４により一層大きな磁場を印加することができる。

（ファラデー回転子）
図２に示すファラデー回転子１０は、光アイソレータや光サーキュレータ等、後述する磁気光学デバイス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１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。

ファラデー回転子１０は、図１に示した第１の実施形態の磁気回路１を有するため、光アイソレータに用いたときに、レーザーの出力を高くしても偏光子の破損を生じ難くすることができる。

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。第３の磁石１３側から入射させる場合は、第１の磁石１１の長さＬ１を、第３の磁石１３の長さＬ３より短くすることにより、レーザーの出力を高くしても偏光子の破損を生じ難くすることができる。

また、ファラデー素子１４の断面形状と磁気回路１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。

ファラデー素子１４には、常磁性体を用いることができる。なかでも、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。また、ファラデー素子１４が熱伝導率の低いガラス材からなる場合、上述した熱レンズ効果がより一層生じ易くなることから、本発明の効果をより一層効果的に得ることができる。

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_２Ｏ_３の含有量が２０％より多いことが好ましく、２５％以上であることがより好ましく、２９％以上であることがさらに好ましく、３０％以上であることがさらに好ましく、３１％以上であることがさらに好ましく、３５％以上であることがさらに好ましく、４０％以上であることがさらに好ましく、４５％以上であることがさらに好ましく、４８％以上であることがさらに好ましく、５１％以上であることが特に好ましい。このようにＴｂ_２Ｏ_３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_２Ｏ_３に換算した値として表す。

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Ｔｂ^３＋の割合は、モル％で５５％以上であることが好ましく、６０％以上であることがより好ましく、８０％以上であることがさらに好ましく、９０％以上であることが特に好ましい。全Ｔｂに対するＴｂ^３＋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。

（磁気光学デバイス）
図３に示す磁気光学デバイス２０は光アイソレータである。磁気光学デバイス２０は、図２に示したファラデー回転子１０と、磁気回路１の光軸方向Ｘ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。

磁気光学デバイス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。

本発明の磁気光学デバイス２０は、図１に示した第１の実施形態の磁気回路１を有する。言い換えると、ファラデー素子１４の中心から第１の光学部品２５までの光軸方向Ｘに沿う距離と、ファラデー素子１４の中心から第２の光学部品２６までの光軸方向Ｘに沿う距離とが異なっている。そのため、レーザーの出力を高くしても偏光子の破損をより一層生じ難くすることができる。

また、磁気光学デバイス２０では、第１の磁石１１、第２の磁石１２、及び第３の磁石１３の光軸方向Ｘに沿う長さの総和を（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３）とし、ファラデー素子１４の中心から第２の光学部品２６（第２の光学部品２６のファラデー回転子１０側の端面）までの光軸方向Ｘに沿う距離をＬ４としたときに、比Ｌ４／（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３）が、好ましくは０．２以上、より好ましくは０．２５以上、さらに好ましくは０．２７以上、特に好ましくは０．３以上、好ましくは０．５未満、より好ましくは０．４９以下、さらに好ましくは０．４８以下、特に好ましくは０．４７以下である。

比Ｌ４／（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３）が上記下限値以上である場合、ファラデー素子１４により一層大きな磁場を印加することができる。また、比Ｌ４／（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３）が、上記上限値以下である場合、レーザーの出力を高くしても偏光子の破損をより一層生じ難くすることができる。

本実施形態において、ファラデー回転子１０の第３の磁石１３側の端面の光軸方向Ｘにおける位置と、第２の光学部品２６のファラデー回転子１０側の端面の光軸方向Ｘにおける位置は、互いに一致している。従って、本実施形態においてＬ４は、ファラデー素子１４の中心から、ファラデー回転子１０の第３の磁石１３側の端面までの光軸方向Ｘに沿う距離と一致している。

なお、本実施形態において、ファラデー素子１４は、第２の磁石１２の中心に配置されている。言い換えると、光軸方向Ｘにおいて、ファラデー素子１４の中心と、第２の磁石１２の中心とが一致している。この場合、ファラデー素子１４により一層大きな磁場を印加することができる。

なお、図３に示す磁気光学デバイス２０は光アイソレータであるが、磁気光学デバイス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、磁気光学デバイス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。

［第２の実施形態］
図７は、本発明の第２の実施形態に係る磁気回路、ファラデー回転子、及び磁気光学デバイスの構造を示す模式的断面図である。

図７に示すように、磁気回路３１においては、第１の磁石１１の長さＬ１及び第３の磁石１３の長さＬ３が、第２の磁石１２の長さＬ２より短い。また、磁気回路３１においても、第３の磁石１３の長さＬ３は、第１の磁石１１の長さＬ１より短い。従って、磁気回路３１においては、Ｌ３＜Ｌ１＜Ｌ２の関係にある。

ファラデー回転子４０は、この磁気回路３１と、磁気回路３１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。また、磁気光学デバイス５０は、このファラデー回転子４０と、磁気回路３１の光軸方向Ｘ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。その他の点は、第１の実施形態と同様である。

第２の実施形態のように、第１の磁石１１の長さＬ１及び第３の磁石１３の長さＬ３が、第２の磁石１２の長さＬ２より短くてもよい。この場合においても、第１の磁石１１の長さＬ１と第３の磁石１３の長さＬ３とを異ならせることにより、レーザーの出力を高くしても偏光子の破損をより一層生じ難くすることができる。

もっとも、本発明においては、第１の磁石１１の長さＬ１、第２の磁石１２の長さＬ２、及び第３の磁石１３の長さＬ３が、Ｌ２＜Ｌ３＜Ｌ１の関係を満たすことが好ましい。この場合、磁気特性をより一層向上させることができ、ファラデー素子１４により一層大きな磁場を印加することができる。

また、本実施形態においても、ファラデー素子１４は、第２の磁石１２の中心に配置されている。言い換えると、光軸方向Ｘにおいて、ファラデー素子１４の中心と、第２の磁石１２の中心とが一致している。この場合、ファラデー素子１４により一層大きな磁場を印加することができる。

以下、本発明について、具体的な実施例に基づいて、さらに詳細に説明する。本発明は、以下の実施例に何ら限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施することが可能である。

（実施例１～５及び比較例１）
表１は、本発明の実施例１～５及び比較例１を示している。

実施例１～５及び比較例１の磁気回路は、全体として４０ｍｍ×４０ｍｍの正方形の断面形状を有し、かつ４ｍｍ×４ｍｍの正方形の断面形状を有する貫通孔２を有する構造とした。また、第１の磁石１１、第２の磁石１２、及び第３の磁石１３の光軸方向Ｘに沿う長さＬ１、Ｌ２、Ｌ３を、表１のようにした。従って、実施例１～４では、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３は図１に示す磁気回路１と同様の構成とした。また、実施例５では、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３は図７に示す磁気回路３１と同様の構成とした。なお、比較例１は、各磁石の光軸方向Ｘに沿う長さがＬ１＝Ｌ３＞Ｌ２の関係となる構成とした。

磁石は、いずれもＮｄ－Ｆｅ－Ｂ系磁石を使用した。この磁石の残留磁束密度は、１．２５Ｔであり、保持力は、９４０ｋＡ／ｍであった。

図８に実施例１～２及び比較例１の磁気回路の磁場強度を示す。横軸は、光軸方向Ｘの距離を示している。なお、光軸方向Ｘの距離は、第１の光学部品２５側を０ｍｍとした。比較例１のようにＬ１とＬ３の長さが同じ場合には、磁場強度が最大となる位置は磁気回路中央の１５ｍｍの部分となる。

実施例１～２のようにＬ１、Ｌ２、及びＬ３をそれぞれ異なる長さとなるように磁気回路１を構成することで、磁場強度が最大となる位置を中央から外すことができる。実施例１では磁場強度が最大となる位置は１９．７ｍｍで、実施例２では１６ｍｍとなった。また、実施例１、実施例２、及び比較例１において、最大となる磁場強度は、ほぼ同等であった。

これらの磁気回路を用いて光アイソレータを組立て、レーザー耐性試験を行った。

ファラデー素子には、直径３ｍｍ、長さ６ｍｍ、ベルデ定数０．２１ｍｉｎ／Ｏｅ・ｃｍの円柱状のファラデー回転ガラス素子を用いた。

偏光子には、ＢＤＡガラス（日本電気硝子社製）からなる２つの三角プリズムが、偏光分離膜を介してオプティカルコンタクトにて接合されてなる偏光ビームスプリッタを用いた。レーザーには、パルス幅１０ｎｓ、繰り返し周波数２００ｋＨｚのレーザーを用いた。

レーザー耐性試験では、光アイソレータを透過する光の出力をモニターしながら、レーザー出力を徐々に上げ、透過率が急激に下がった時の出力をレーザー損傷の閾値として測定した。結果を上記の表１に示す。

表１に示すように、レーザー耐力を測定した結果、実施例１～５の光アイソレータにおけるレーザー損傷の閾値は４０～１００Ｗであった。これに対して、比較例１の光アイソレータにおけるレーザー損傷の閾値は、３０Ｗであった。なお、透過率が急激に下がる原因となったのは、いずれのサンプルでも出口側の偏光子の損傷によるものであった。

１，３１…磁気回路
２…貫通孔
１０，４０…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
２０，５０…磁気光学デバイス
２５…第１の光学部品
２６…第２の光学部品

Claims

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１の磁石の前記光軸方向に沿う長さをＬ１とし、前記第２の磁石の前記光軸方向に沿う長さをＬ２とし、前記第３の磁石の前記光軸方向に沿う長さをＬ３としたときに、Ｌ２＜Ｌ３＜Ｌ１の関係にある、磁気回路。
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、
を備える、ファラデー回転子であって、
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の磁石及び前記第３の磁石のうち一方の磁石は、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１の磁石及び前記第３の磁石のうち他方の磁石は、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の磁石は、前記光軸方向に平行な方向に、かつ前記第１の磁石及び前記第３の磁石のうち前記貫通孔側がＮ極となる磁石側がＮ極となるように磁化されており、
前記第１の磁石の前記光軸方向に沿う長さと、前記第３の磁石の光軸方向に沿う長さとが異なっている、ファラデー回転子。
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１の磁石の前記光軸方向に沿う長さをＬ１とし、前記第３の磁石の前記光軸方向に沿う長さをＬ３としたときに、Ｌ３＜Ｌ１の関係にある、請求項２に記載のファラデー回転子。
前記第２の磁石の前記光軸方向に沿う長さをＬ２としたときに、Ｌ２＜Ｌ３＜Ｌ１の関係にある、請求項３に記載のファラデー回転子。
前記常磁性体が、ガラス材である、請求項２～４のいずれか１項に記載のファラデー回転子。
請求項２～５のいずれか１項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の光学部品と、
前記ファラデー回転子の前記光軸方向における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、磁気光学デバイス。
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６に記載の磁気光学デバイス。
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有する、ファラデー回転子と、
前記ファラデー回転子の前記光軸方向における一方端に配置されている第１の光学部品と、
前記ファラデー回転子の前記光軸方向における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、磁気光学デバイスであって、
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の磁石及び前記第３の磁石のうち一方の磁石は、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１の磁石及び前記第３の磁石のうち他方の磁石は、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の磁石は、前記光軸方向に平行な方向に、かつ前記第１の磁石及び前記第３の磁石のうち前記貫通孔側がＮ極となる磁石側がＮ極となるように磁化されており、
前記第１の磁石の前記光軸方向に沿う長さと、前記第３の磁石の光軸方向に沿う長さとが異なっており、
前記ファラデー素子が、前記第２の磁石の中心に配置されており、
前記ファラデー素子の中心から前記第１の光学部品までの前記光軸方向に沿う距離と、前記ファラデー素子の中心から前記第２の光学部品までの前記光軸方向に沿う距離とが異なっている、磁気光学デバイス。
前記第２の光学部品が、前記光軸方向において前記第３の磁石側に設けられており、
前記第１の磁石、前記第２の磁石、及び前記第３の磁石の前記光軸方向に沿う長さの総和を（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３）とし、前記ファラデー素子の中心から前記第２の光学部品までの前記光軸方向に沿う距離をＬ４としたときに、比Ｌ４／（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３）が、０．２以上、０．５未満の範囲内にある、請求項８に記載の磁気光学デバイス。