JPH0933871A - ファラデー回転子および旋光器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 適度な角型ヒステリシスを有するファラデー
回転子を安定に大量生産すること 【解決手段】 液相エピタキシャル法により育成された
ビスマス置換鉄ガーネット単結晶の薄板からなるファラ
デー回転子について熱処理するにあたり、最高温度を縦
軸にとり、最高温度の持続時間を横軸にとってグラフ表
示したときに、１１９０℃−０時間の点ａ、１１２０℃
−１．５時間の点ｂ、１０５０℃−１２時間の点ｃ、１
０８０℃−０時間の点ｄを順に直線で結んだ領域内に熱
処理条件が含まれるようにする。印加磁界を横軸にと
り、ファラデー回転角を縦軸にとって表現したファラデ
ー回転特性が磁界ゼロを中心にしたほぼ対称な角型ヒス
テリシスとなり、印加磁界がゼロでもファラデー回転角
は正または負に飽和している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光スイッチや光ア
イソレータあるいは偏波スクランブラなどの光デバイス
に用いられる旋光器（ファラデー回転子）の主要素であ
るファラデー回転子に関し、特に、液相エピタキシャル
法により育成されたビスマス置換鉄ガーネット単結晶の
薄板からなるファラデー回転子とそれを用いた旋光器に
関する。

【０００２】

【従来の技術】よく知られているように、液相エピタキ
シャル法により育成されたビスマス置換鉄ガーネット単
結晶の薄板からなるファラデー回転子と、永久磁石また
は電磁石とを組み合わせて、旋光器（ファラデー回転
子）が構成される。その一例を図１（Ａ）に示してい
る。同図に示すように、旋光器はコイル１を巻いたＣ字
型のヨーク２の磁気ギャップ部分にファラデー回転子３
を配置して構成される。そして、コイル１に流す励磁電
流を反転させることでファラデー回転子３に印加する磁
界の向きを反転させることができるようにしている。例
えば、正方向の磁界を印加した場合はファラデー回転角
は−４５°であり、負方向の磁界を印加した場合はファ
ラデー回転角は＋４５°となる。つまり、コイル１に流
す電流の向きによりファラデー回転角を９０°切り替え
ることができる。

【０００３】なお、電磁石のヨーク２としてクロム・ス
テンレス鋼ＳＵＳ420J2 などの半硬質磁性体を使用し、
コイル１に所定の励磁電流パルスを供給した後もヨーク
２の残留磁気によりファラデー回転子３に所定値以上の
磁界を印加し続けるように構成したものもある。係る構
成にすると、一旦ファラデー回転角を切替えた後は、ヨ
ーク２の自己保持力により発生する磁界がファラデー回
転子３に印加し続け、ファラデー回転角を所定角度に保
持する。これにより、ファラデー回転角を切り替えると
きにだけ励磁電流パルスを供給すればよく、電力消費量
が削減される。

【０００４】前記のように構成された旋光器を用いた光
スイッチの構成例を同図（Ｂ）に示している。ファラデ
ー回転子３の両側にそれぞれ偏光ビームスプリッタ４，
５を配置し、これらを結ぶ光軸上の片側に２本の光ファ
イバ６ａと６ｂを配置するとともに、反対側に光ファイ
バ７ａと７ｂを配置する。ファラデー回転子３のファラ
デー回転角を前述のように切り替えることにより、例え
ば光ファイバ３ａからの光ビームを光ファイバ７ａに導
いたり、光ファイバ７ｂに導くなど、光の伝送経路を切
り替えるようになっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記したように、ファ
ラデー回転子３は、液相エピタキシャル法により育成さ
れたビスマス置換鉄ガーネット単結晶から所定寸法の薄
板を切り出し、その表面を鏡面加工するとともに表面に
反射防止コーティングを施すというプロセスを経て製作
され、これと電磁石とを図１（Ａ）のように組み合わせ
て旋光器（ファラデー回転子）を構成する。

【０００６】ところで本発明者が各種実験を繰り返し行
い知得したところによると、液相エピタキシャル法によ
り育成したビスマス置換鉄ガーネット単結晶の薄板から
なるファラデー回転子は磁性体の一種であり、半硬質磁
性体に類似した特性を示すことが分った。つまりビスマ
ス置換鉄ガーネット単結晶は強い磁界が加わると内部に
多量の磁束を生じ、その磁界を取り去っても多くの磁束
が残留する。

【０００７】したがって、前述したファラデー回転子の
製造プロセスのどこかで強い磁界が素材結晶や結晶薄板
に加わっていると、製造されたファラデー回転子がすで
に磁化されてしまう（残留磁気を帯びている）。したが
って、従来の方法ではほとんど磁化されていないファラ
デー回転子もあれば、相当強く磁化されているファラデ
ー回転子もある。

【０００８】そのため、従来方法により製造されたファ
ラデー回転子に対して印加磁界を横軸にとり、ファラデ
ー回転角を縦軸にとって表現したファラデー回転特性
は、多くの場合ヒステリシスを示すが、その程度はきわ
めて大きくばらつくという問題があった。そして、その
ヒステリシスの幅（反転に要する磁界）もばらつき、大
きなものとなると、ファラデー回転角を反転させるため
の電磁石を大型化しなければならず、旋光器の大型化を
招くのみならず、切替に要する消費電力も多く必要とな
り、しかも、切替に時間を要する。

【０００９】そこで係る問題を解決するため本出願人
は、事前に充分な温度と時間をかけて熱処理して消磁し
ていた。こうすることにより、図２に示すように、ヒス
テリシスのないファラデー回転特性の素子を得ることが
できた。図２において、縦軸θはファラデー回転角であ
る。横軸上の±ｈ１は電磁石のコイル１に所定の励磁電
流を供給しているときの発生している有効磁界であり、
±ｈ２は前記の励磁電流の供給を停止したときにヨーク
２の残留磁気により発生している有効磁界である。

【００１０】熱処理により磁気的に初期化したファラデ
ー回転子３の特性は磁界Ｈ＝０を中心にした対称な特性
であり、＋ｈ２の磁界がファラデー回転子３に印加され
ていればファラデー回転角は＋４５°に安定に保たれ、
−ｈ２の磁界が印加されていればファラデー回転角は−
４５°に安定に保たれる。この場合、前述のようにコイ
ル１に所定振幅の正または負の励磁電流パルスを供給す
ることで、ファラデー回転角を＋４５°または−４５°
に切り替えることができ、かつ切り替え後は励磁電流を
流さなくてもファラデー回転角は＋４５°または−４５
°に保たれる。

【００１１】しかし、熱処理によりヒステリシスをなく
したファラデー回転特性のファラデー回転子の場合は次
のような問題がある。まず、ファラデー回転角を９０°
反転させるのに必要な印加磁界（ｈ１）が大きいので、
大出力の電磁石が必要で、大きな励磁電流を流さなけれ
ばならず、消費電力および発熱が大きくなってしまう。
また励磁電流をゼロにしたときもファラデー回転角を±
４５°に保つために必要な印加磁界（ｈ２）も大きく、
そのため半硬質磁性体ヨーク２としては残留磁気の大き
なものが必要で、このことでもファラデー回転角を反転
させるのに必要な励磁電流が大きくなってしまう。

【００１２】本発明は、上記した背景に鑑みてなされた
もので、その目的とするところは、上記した問題点を解
決し、適度なヒステリシスを示すファラデー回転子を安
定に大量生産することにある。また、そのような適度な
ヒステリシスのファラデー回転子を用いた優れた特性を
もち、外部磁界に強く、消費電力が小さくて済み、発熱
が抑制でき、損失の少ない旋光器を提供することにあ
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ため、本発明に係るファラデー回転子および旋光器で
は、液相エピタキシャル法により育成されたビスマス置
換鉄ガーネット単結晶の薄板からなるファラデー回転子
に次の条件で熱処理を行う。つまり、その熱処理時の最
高温度を縦軸にとり、最高温度の持続時間を横軸にとっ
てグラフ表示したときに、１１９０℃−０時間の点ａ、
１１２０℃−１．５時間の点ｂ、１０５０℃−１２時間
の点ｃ、１０８０℃−０時間の点ｄを順に直線で結んだ
領域内に熱処理条件が含まれるようにする（請求項
１）。ここで上記条件は最高温度の条件であるので、そ
の前後で昇温作業と降温作業があり、「０時間」とは、
昇温させて所定温度（例えば１０８０℃）に達したなら
ばすぐに降温作業に移行し、瞬間的に係る温度に達する
ことを意味する。なお、ビスマス置換鉄ガーネット単結
晶は、（ＧｄＢｉ）₃ （ＦｅＡｌＧａ）₅ Ｏ₁₂が良好な
結果が得られた（請求項２）。

【００１４】その結果、係る条件を満たすファラデー回
転子は、飽和に要する磁界が２００Ｏｅ以下になる。よ
って、製造後のファラデー回転子の磁気特性（飽和磁
界）を調べて選別する作業が不要或いは簡易に行え、歩
留まりも向上する。

【００１５】さらに、印加磁界を横軸にとり、ファラデ
ー回転角を縦軸にとって表現したファラデー回転特性が
磁界ゼロを中心にしたほぼ対称な角型ヒステリシスとな
り、印加磁界がゼロでもファラデー回転角は正または負
に飽和している（図５）。よって、ファラデー回転子自
体に保持力を持たせたため、外部磁界の影響を受けにく
くなる。

【００１６】そして本明細書で「角型ヒステリシス」と
は、磁気飽和時のファラデー回転角と、磁界ゼロの時の
ファラデー回転角が等しい特徴を有するヒステリシスの
ことをいう。

【００１７】前記のような熱処理を経て製作されたファ
ラデー回転子に、所定の磁界を印加する励磁手段として
半硬質磁性体のヨークにコイルを巻いた電磁石を組み合
わせることで、良好な特性の旋光器が構成できる（請求
項３）。

【００１８】上記のように飽和磁界が２００Ｏｅ以下と
なるので、励磁手段も小型化することができ、製品全体
の小型化が図れる。さらに、ファラデー回転子自体が自
己保持力を持つとともに、励磁手段のヨークも自己保持
力を有するため、外部磁界にも強くなり、誤動作も起こ
しにくい。

【００１９】そして、前記電磁石の通電時に発生する前
記ファラデー回転子に印加される磁界Ｈａ′が前記ファ
ラデー回転子の磁化を反転させるのに必要な磁界Ｈｓよ
りも大きくなり、かつ前記ヨークの自己保持機能により
前記ファラデー回転子に印加される磁界が、前記ファラ
デー回転子の磁化を反転させるのに必要な磁界よりも小
さくなるように設定するとなお良い（請求項４）。

【００２０】すなわち、係る条件を満たすと、結果とし
てＨａ′を従来の装置に比べて小さくすることができ、
電磁石を作動させる際に通電する電流を小さくすること
ができ、発熱も抑制される。

【００２１】

【発明の実施の形態】液相エピタキシャル法により育成
されたビスマス置換鉄ガーネット単結晶の具体例として
は（ＧｄＢｉ）₃ （ＦｅＡｌＧａ）₅ Ｏ₁₂を採用した。
これのキューリー温度は２６０℃、２５℃での飽和磁化
は８０ガウス、補償温度は−５℃である。これから切り
出した薄板の寸法は２×７×０．３３ｍｍとした。そし
て、この結晶薄板の表裏両面を鏡面仕上げする。その
後、所要枚数の前記結晶薄板を白金板上に載せて電気炉
に入れ、大気中で熱処理する。この熱処理では、昇温速
度および降温速度は１２０℃／ｈとし、最高温度Ｐと最
高温度の持続時間Ｔをさまざまに変化させて試験した。
そして、熱処理後のファラデー回転子に２０００Ｏｅの
初期磁界を印加した後、すでに詳しく説明した図１
（Ａ）の構成の旋光器を組み立てて、そのファラデー回
転特性を測定した。

【００２２】その結果を下記表１と図３のグラフに示し
ている。ここで良品と判定したものは、図４に示すよう
に、印加磁界を横軸にとり、ファラデー回転角を縦軸に
とって表現したファラデー回転特性が磁界ゼロを中心に
したほぼ対称な角型ヒステリシスとなり、印加磁界がゼ
ロでもファラデー回転角は正または負に飽和しており、
かつ反転飽和に要する磁界Ｈｓが２００Ｏｅ以下のもの
である。図４の特性は表１中の試料番号６のものであ
る。

【００２３】

【表１】 これらの熱処理試験と各試作品の特性試験を結果から、
熱処理としては、図３のグラフに示すように、１１９０
℃−０時間の点ａ、１１２０℃−１．５時間の点ｂ、１
０５０℃−１２時間の点ｃ、１０８０℃−０時間の点ｄ
を順に直線で結んだ領域内に熱処理条件が含まれるよう
にすれば、良好ヒステリシスのファラデー回転子を得ら
れることがわかった。

【００２４】次に、旋光器の好適な実施の形態について
説明する。基本的な構成は、図１（Ａ）に示して先に詳
しく説明した旋光器としての実施の形態や、図１（Ｂ）
に示した旋光器の応用デバイスである光スイッチとして
の実施の形態は従来例と特に変わるものではない。ここ
で本発明では、使用するファラデー回転子３として、上
記説明した所定の条件で熱処理した素子を用いるように
した。そして、本例でもヨーク２とし半硬質磁性材料の
ものを用いた。

【００２５】係る構成のファラデー回転子が反転動作す
る時の様子を図５に示すようになる。コイル１にパルス
電流を印加すると、ギャップ間に所定の磁界Ｈａ′が発
生し、ファラデー回転子３に印加される。これにより、
ファラデー回転角は反転する。そして、電流を０にする
と、印加電圧も０になるが、ヨーク２の自己保持力によ
り、ファラデー回転子３の飽和に要する磁界Ｈｓよりも
小さい所定の磁界Ｈｂ′が発生し、ファラデー回転子３
に加わる。

【００２６】すなわち、本発明では、ファラデー回転子
３自体に自己保持力を有し、角型ヒステリシスを有する
ので、一度ファラデー回転角が反転するとその後磁界を
ゼロにしてもファラデー回転角は保持する。したがっ
て、従来のようにヨーク側の自己保持力により発生する
磁界Ｈｂを、ファラデー回転子が飽和に要する磁界Ｈｓ
以上にする必要がない。このように本発明でヨークの自
己保持力による磁界Ｈｓ′を小さくできることはそのま
ま通電時の発生磁界Ｈａ′も従来よりも小さくすること
ができることを意味する。よって、コイル１に通電する
電圧印加装置を小型化でき、従来のものに比べ低電流で
動作し発熱も抑えることができる。

【００２７】なお、スイッチング動作のみに着目する
と、Ｈｂ′はゼロでも良いが、そのようにすると外部磁
界により誤動作するおそれがあるので、Ｈｂ′が所定の
値をとるように設定する。したがって、小電流での駆動
を図るためにはＨｂ′はできるだけ小さい方が良く、一
方外部磁界の影響を考慮するとＨｂ′は高いほうが良
い。したがって、図５に示すようにＨｂ′はＨｓ／２以
上，Ｈｓ以下の範囲に設定すると、両方の効果を適宜発
揮させることができる。

【００２８】表１中判定結果が良品の膜を用いて、図１
（Ｂ）に示すような１．３１μｍ用の光スイッチを作成
した。ヨーク２はクロム・ステンレス鋼ＳＵＳ420J2 を
用いた薄板（板厚０．２ｍｍ）からなり、平均磁路長を
３０ｍｍ、ギャップ近傍のヨーク幅を４ｍｍでコイル部
分のヨーク幅を２ｍｍとした。そして、コイルにパルス
電流として０．２Ａを与えると、ギャップ部分では電流
印加時で２００Ｏｅの空間磁界が発生し、電流遮断時に
１００Ｏｅ（ヨークの自己保持力による）の空間磁界が
発生する。

【００２９】上記構成にすると、１００Ｏｅまでの外部
磁界に対してはスイッチング動作が影響されなかった。
そして、パルス電流を変えていくと０．１Ａ以上のパル
ス電流（電流印加時の空間磁界：１００Ｏｅ）でスイッ
チング動作が正常に動作されることが確認された。

【００３０】一方、比較例としてヒステリシスがないか
或いは小さい膜を用いて光スイッチを作成し、上記と同
様の実験を行ったところ、最低でも０．２Ａ以上のパル
ス電流がないとスイッチング動作がせず、しかもその様
に高い電流を印加したとしても本発明よりも非常に小さ
い２０Ｏｅの外部磁界でスイッチング動作が劣化した。
すなわち、透過光強度が低下した。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、所定の温度条件で熱処
理することにより（請求項１，２）、適度な角型ヒステ
リシスを示すファラデー回転子を安定に大量生産でき
る。また、適度なヒステリシスを示すファラデー回転子
に所定の磁界を印加する励磁手段として半硬質磁性体の
ヨークにコイルを巻いた電磁石を組み合わせて旋光器を
構成すれば（請求項３，４）、動作応答速度が速く、外
乱磁界による誤動作のおそれが少ない優れた特性を実現
できる。そして、角型ヒステリシスを有するので、電流
遮断時にはファラデー回転子に大きな磁界を印加させる
必要がないので、切替時に簡易する磁界も小さくなり、
電磁石の消費電力および発熱が少なくでき、損失も小さ
くなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）は本発明の実施例および従来例に共通す
る旋光器（ファラデー回転子）の構成図である。（Ｂ）
は本発明の実施例および従来例に共通する光スイッチの
構成図である。

【図２】ヒステリシスのないファラデー回転子の特性図
である。

【図３】本発明の実施例を含む条件の異なる熱処理によ
るファラデー回転子の特性試験結果を示す図表である。

【図４】同上特性試験結果を熱処理時の最高温度を縦軸
にとり、最高温度の持続時間を横軸にとって示したグラ
フである。

【図５】反転時の印加電圧及びギャップに発生する磁界
の強度を示す図である。

【符号の説明】

１ コイル ２ ヨーク ３ ファラデー回転子 ４、５ 偏光ビームスプリッタ ６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂ 光ファイバ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 液相エピタキシャル法により育成された
   ビスマス置換鉄ガーネット単結晶の薄板からなるファラ
   デー回転子（３）であって、 あらかじめ熱処理されており、その熱処理条件がその熱
   処理時の最高温度を縦軸にとり、最高温度の持続時間を
   横軸にとってグラフ表示したときに、１１９０℃−０時
   間の点ａ、１１２０℃−１．５時間の点ｂ、１０５０℃
   −１２時間の点ｃ、１０８０℃−０時間の点ｄを順に直
   線で結んだ領域内に熱処理条件が含まれてなり、 かつ印加磁界を横軸にとり、ファラデー回転角を縦軸に
   とって表現したファラデー回転特性が磁界ゼロを中心に
   したほぼ対称な角型ヒステリシスとなり、印加磁界がゼ
   ロでもファラデー回転角は正または負に飽和しているこ
   とを特徴とするファラデー回転子。
2. 【請求項２】 ビスマス置換鉄ガーネット単結晶は（Ｇ
   ｄＢｉ）₃ （ＦｅＡｌＧａ）₅ Ｏ₁₂であることを特徴と
   する請求項１に記載のファラデー回転子。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２のファラデー回
   転子に所定の磁界を印加する励磁手段として半硬質磁性
   体のヨーク（２）にコイル（１）を巻いた電磁石を組み
   合わせたことを特徴とする旋光器。
4. 【請求項４】 前記電磁石の通電時に発生する前記ファ
   ラデー回転子に印加される磁界Ｈａ′が前記ファラデー
   回転子の磁化を反転させるに必要な磁界Ｈｓよりも大き
   くなり、 かつ前記ヨークの自己保持機能により前記ファラデー回
   転子に印加される磁界Ｈｂ′が、前記ファラデー回転子
   の磁化を反転させるに必要な磁界よりも小さくなるよう
   に設定されたことを特徴とする請求項３に記載の旋光
   器。