JP7484470B2

JP7484470B2 - 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: JP7484470B2
Application number: JP2020103260A
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: 2024-05-16
Anticipated expiration: 2040-06-15
Also published as: JP2021196518A; WO2021256256A1; CN218272948U

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。

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（Ｈ）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、光アイソレータへ入射されるレーザーが高出力になると、ファラデー素子のわずかな吸収によって温度上昇が生じることがある。そして、その熱エネルギーによって、磁気回路も温度上昇し、温度条件を元に戻しても磁力が元に戻らない、すなわち温度変化による磁石の不可逆減磁が生じることがある。この場合、ファラデー素子に印加される磁場が弱くなるため、ファラデー回転角が小さくなり、光アイソレータとしてのアイソレーション特性が低下するという問題がある。

本発明の目的は、温度上昇による不可逆減磁が生じ難く、ファラデー素子に大きな磁場を印加することができる、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の磁石は、前記第１の磁石及び／又は前記第３の磁石とは異なる材料により構成されており、前記第２の磁石は、キュリー点が３６０℃以上であり、かつ残留磁束密度が前記第１の磁石及び／又は前記第３の磁石よりも小さいことを特徴とする。

本発明においては、前記第２の磁石が、サマリウム－コバルト系磁石により構成されていることが好ましい。

本発明においては、前記第１の磁石及び前記第３の磁石のうち少なくとも一方が、ネオジム－鉄－ホウ素系磁石により構成されていることが好ましい。

本発明においては、前記第１の磁石及び前記第３の磁石の双方が、ネオジム－鉄－ホウ素系磁石により構成されていることが好ましい。

本発明においては、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の関係にあることが好ましい。

本発明においては、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。

本発明によれば、温度上昇による不可逆減磁が生じ難く、ファラデー素子に大きな磁場を印加することができる、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。本発明の第３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。

以下、本発明の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。

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２の磁石１２は、第１の磁石１１及び／又は第３の磁石１３とは異なる材料により構成されている。また、第２の磁石１２は、キュリー点が３６０℃以上であり、かつ残留磁束密度が第１の磁石１１及び／又は第３の磁石１３よりも小さい。具体的には、サマリウム－コバルト（Ｓｍ－Ｃｏ）系磁石（以下、Ｓｍ－Ｃｏ系磁石とする）により構成されていることが好ましい。この場合、第２の磁石１２には、サマリウム－コバルト（Ｓｍ－Ｃｏ）を主成分（例えば、Ｓｍ_２Ｃｏ_１７）とする磁石が包含されるものとする。

第２の磁石１２は、キュリー点が３６０℃以上であり、好ましくは４００℃以上、より好ましくは５００℃以上、さらに好ましくは６００℃以上、さらに好ましくは７００℃以上、さらに好ましくは７４０℃以上、特に好ましくは７５０℃以上、好ましくは１０００℃以下、より好ましくは９８０℃以下、特に好ましくは９００℃以下である。

また、第１の磁石１１及び第３の磁石１３のキュリー点は、それぞれ、好ましくは２００℃以上、より好ましくは２１０℃以上、さらに好ましくは２３０℃以上、さらに好ましくは２４０℃以上、特に好ましくは２５０℃以上、好ましくは１０００℃以下、より好ましくは９８０℃以下、特に好ましくは９００℃以下である。第１の磁石１１、第２の磁石１２、及び第３の磁石１３のキュリー点を上記の範囲内とすることにより、温度上昇による磁石の残留磁束密度及び保磁力の低下もより一層抑制することができる。

なお、Ｓｍ－Ｃｏ系磁石は、キュリー点が６００℃以上と高いため、高温下における不可逆減磁をより一層抑制することができる。また、Ｓｍ－Ｃｏ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－鉄－ホウ素系磁石は、－０．１％／℃程度である。また、保磁力の温度依存性は、Ｓｍ－Ｃｏ系磁石で－０．２％／Ｋ程度であり、ネオジム－鉄－ホウ素系磁石で、－０．５％／Ｋ程度である。そのため、Ｓｍ－Ｃｏ系磁石を用いると、温度上昇による磁石の残留磁束密度及び保磁力の低下もより一層抑制することができる。

また、図２に示すように、通常、ファラデー素子１４が配置されるのは、第２の磁石１２の貫通孔２部分となるため、ファラデー素子１４が温度上昇した場合に最も影響を受けるのは、第２の磁石１２である。そのため、第２の磁石１２にＳｍ－Ｃｏ系磁石を用いることにより、温度上昇による不可逆減磁を生じ難くすることができる。また、Ｓｍ－Ｃｏ系磁石は、ネオジム－鉄－ホウ素系磁石に比べて比較的安価であるため、磁気回路１の製造コストを低減することもできる。

また、磁気回路１において、第１の磁石１１及び第３の磁石１３は、第２の磁石１２とは異なる材料により構成されており、かつ第２の磁石１２より残留磁束密度が大きい。そのため、磁気特性を向上させることができ、ファラデー素子１４に大きな磁場を印加することができる。なお、本発明においては、第１の磁石１１及び第３の磁石１３のうち少なくとも一方が、第２の磁石１２とは異なる材料により構成されており、かつ第２の磁石１２より残留磁束密度が大きい磁石であればよい。すなわち、第１の磁石１１及び第３の磁石１３のうち一方は、第２の磁石１２と同じ材料により構成されていてもよく、また第２の磁石１２より残留磁束密度が大きくなくてもよい。

このように、本発明者らは、第２の磁石１２をＳｍ－Ｃｏ系磁石により構成し、第１の磁石１１及び第３の磁石１３のうち少なくとも一方を、第２の磁石１２とは異なる材料により構成し、かつ第２の磁石１２より残留磁束密度が大きい磁石とすることにより、温度上昇による不可逆減磁を生じ難くしつつ、ファラデー素子１４に大きな磁場を印加することができることを見出した。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。

なお、第１の磁石１１及び第３の磁石１３としては、ネオジム－鉄－ホウ素系磁石（以下、Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系磁石とする）、Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系磁石のＮｄの一部をＤｙやＴｂで置き換えた磁石、ネオジム－コバルト－ホウ素系磁石（以下、Ｎｄ－Ｃｏ－Ｂ系磁石とする）、又はプラセオジム磁石等を用いることができる。これらは、１種を単独で用いてもよく、複数を併用してもよい。なお、第１の磁石１１及び第３の磁石１３は、同じ磁石により構成されていてもよく、異なる磁石により構成されていてもよいが、同じ磁石により構成されていることが好ましい。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、第１の磁石１１及び第３の磁石１３のうち少なくとも一方が、Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系磁石であることが好ましく、第１の磁石１１及び第３の磁石１３のうち双方が、Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系磁石であることがより好ましい。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。この場合、第１の磁石１１及び第３の磁石１３には、ネオジム、鉄、及びホウ素（Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ）を主成分（例えば、Ｎｄ_２Ｆｅ_１４Ｂ）とする磁石が包含されるものとする。

第１の磁石１１及び第３の磁石１３の残留磁束密度は、それぞれ、好ましくは１．０５Ｔ以上、より好ましくは１．１０Ｔ以上、さらに好ましくは１．１５Ｔ以上、さらに好ましくは１．２０Ｔ以上、特に好ましくは１．２５Ｔ以上、好ましくは１．６０Ｔ以下、より好ましくは１．５５Ｔ以下、特に好ましくは１．５０Ｔ以下である。また、第２の磁石１２の残留磁束密度は、好ましくは０．８５Ｔ以上、より好ましくは０．９０Ｔ以上、さらに好ましくは０．９５Ｔ以上、特に好ましくは１．００Ｔ以上、好ましくは１．２５Ｔ以下、より好ましくは１．２０Ｔ以下である。第１の磁石１１、第２の磁石１２、及び第３の磁石１３の残留磁束密度を上記の範囲内とすることにより、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、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により一層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の残留磁束密度と、第３の磁石１３の残留磁束密度が等しくなくてもよい。

第１の磁石１１及び第３の磁石１３の保磁力は、第２の磁石１２の保磁力より大きいことが好ましい。第１の磁石１１及び第３の磁石１３の保磁力は、それぞれ、好ましくは７５０ｋＡ／ｍ以上、より好ましくは７６０ｋＡ／ｍ以上、好ましくは１２００ｋＡ／ｍ以下、より好ましくは１１００ｋＡ／ｍ以下である。また、第２の磁石１２の保磁力は、好ましくは６５０ｋＡ／ｍ以上、より好ましくは７００ｋＡ／ｍ以上、好ましくは１２００ｋＡ／ｍ以下、より好ましくは１１００ｋＡ／ｍ以下である。第１の磁石１１、第２の磁石１２、及び第３の磁石１３の保磁力を上記の範囲内とすることにより、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、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により一層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。

磁気回路１において、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。また、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。

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１．００以上、より好ましくは１．０１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１．１２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。

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１．４０以下、より好ましくは１．３８以下、さらに好ましくは１．３５以下、特に好ましくは１．３３以下である。比Ｌ２／Ｌ３が上記範囲内にある場合、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。

（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。より具体的には、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。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、温度上昇による不可逆減磁を生じ難くしつつ、ファラデー素子１４に大きな磁場を印加することができる。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ので、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、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。

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。

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、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を有するため、温度上昇による不可逆減磁を生じ難くしつつ、ファラデー素子１４に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が等しい。また、磁気回路３１においても、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。

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の実施形態においても、第２の磁石１２が、Ｓｍ－Ｃｏ系磁石により構成されており、かつ第１の磁石１１及び第３の磁石１３のうち少なくとも一方が、第２の磁石１２とは異なる材料により構成されており、かつ第２の磁石１２より残留磁束密度が大きい。そのため、温度上昇による不可逆減磁を生じ難くしつつ、ファラデー素子１４に大きな磁場を印加することができる。

また、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が等しくてもよい。あるいは、第３の磁石１３の長さＬ３が、第１の磁石１１の長さＬ１より長くてもよい。

［第３の実施形態］
図８は、本発明の第３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８に示すように、磁気回路６１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よりも短い。また、磁気回路６１においても、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。

ファラデー回転子７０は、この磁気回路６１と、磁気回路６１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８０は、このファラデー回転子７０と、磁気回路６１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３の実施形態においても、第２の磁石１２が、Ｓｍ－Ｃｏ系磁石により構成されており、かつ第１の磁石１１及び第３の磁石１３のうち少なくとも一方が、第２の磁石１２とは異なる材料により構成されており、かつ第２の磁石１２より残留磁束密度が大きい。そのため、温度上昇による不可逆減磁を生じ難くしつつ、ファラデー素子１４に大きな磁場を印加することができる。

また、第３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よりも短くてもよい。

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く、Ｌ２＜Ｌ３＜Ｌ１の関係を満たすことがより好ましい。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。

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１～６及び比較例１～３）
表１は、本発明の実施例１～６及び比較例１～３を示している。

実施例１～６及び比較例１～３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の材質、及び光軸方向Ｘに沿う長さＬ１、Ｌ２、及びＬ３を表１のようにした。

なお、表１において、ＮｄはＮｄ－Ｆｅ－Ｂ系磁石を示しており、その磁気特性は、残留磁束密度が１．２５Ｔ、保磁力が９４０ｋＡ／ｍ、キュリー点が３１０℃のものを使用した。ＳｍＣｏは、サマリウム－コバルト系磁石を示しており、その磁気特性は、残留磁束密度が１．１１Ｔ、保磁力が８４７ｋＡ／ｍ、キュリー点が８００℃のものを使用した。

これらの磁気回路で用いる光アイソレータでは、太さφ３ｍｍ、長さ７ｍｍ、ベルデ定数０．２０５ｍｉｎ／Ｏｅ・ｃｍの円柱状のファラデー回転ガラスを使用した。そのため、表１に記載の磁界強度は、磁気回路の貫通孔内においてファラデー回転ガラスが配置されている長さ７ｍｍの範囲で得られる最大の磁界強度を示している。

不可逆減磁温度の測定では、室温（２５℃）からそれぞれ５０℃、６０℃、７０℃、８０℃まで上昇させた後、再度、２５℃まで温度を低下させることにより、磁気回路に温度履歴を加えた。そして、そのときの磁界強度の値が温度履歴を加える前の９９％未満であった際に不可逆減磁が生じたと判断し、その温度履歴のときの温度を不可逆減磁温度とした。

実施例１～６では、第２の磁石にキュリー点が８００℃であるサマリウム－コバルト系磁石を用いているため、８０℃の温度履歴を加えても不可逆減磁は見られなかった。これに対して、比較例１～２では、全ての磁石体をキュリー点が３１０℃であるＮｄ－Ｆｅ－Ｂ系磁石で構成しているため、６０℃の温度履歴にて不可逆減磁が見られた。

また、実施例１～６では、第１の磁石及び第３の磁石のうち少なくとも一方が、Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系磁石により構成されているため、磁界強度も高められている。特に、実施例１～４では、第１の磁石及び第３の磁石の双方が、Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系磁石により構成されており、しかも、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、及びＬ３の関係が、Ｌ２＜Ｌ３＜Ｌ１となっているため、１．９４～２．００Ｔと磁界強度が大幅に高められている。

なお、比較例３では、全てサマリウム－コバルト系磁石を用いているため、８０℃の温度履歴を加えても不可逆減磁は見られなかったが、得られる磁界強度が大幅に低くなった。

１，３１，６１…磁気回路
２…貫通孔
１０，４０，７０…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
２０，５０，８０…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２の磁石は、前記第１の磁石及び／又は前記第３の磁石とは異なる材料により構成されており、
前記第２の磁石は、キュリー点が３６０℃以上であり、かつ残留磁束密度が前記第１の磁石及び／又は前記第３の磁石よりも小さく、
前記第１の磁石及び前記第３の磁石の保磁力は、それぞれ、前記第２の磁石の保磁力より大きい、磁気回路。
前記第２の磁石が、サマリウム－コバルト系磁石により構成されている、請求項１に記載の磁気回路。
前記第１の磁石及び前記第３の磁石のうち少なくとも一方が、ネオジム－鉄－ホウ素系磁石により構成されている、請求項１又は２に記載の磁気回路。
前記第１の磁石及び前記第３の磁石の双方が、ネオジム－鉄－ホウ素系磁石により構成されている、請求項１～３のいずれか１項に記載の磁気回路。
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、請求項１～４のいずれか１項に記載の磁気回路。
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、請求項１～５のいずれか１項に記載の磁気回路。
前記第２の磁石の保磁力が、６５０ｋＡ／ｍ以上、１２００ｋＡ／ｍ以下である、請求項１～６のいずれか１項に記載の磁気回路。
請求項１～７のいずれか１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、
を備える、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８に記載のファラデー回転子。
請求項８又は９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１０に記載の磁気光学デバイス。