JPH11231274A

JPH11231274A - ファラデー回転角可変装置

Info

Publication number: JPH11231274A
Application number: JP4884298A
Authority: JP
Inventors: Hirotaka Kawai; 博貴河合; Hiromitsu Umezawa; 浩光梅澤
Original assignee: FDK Corp
Current assignee: FDK Corp
Priority date: 1998-02-13
Filing date: 1998-02-13
Publication date: 1999-08-27
Anticipated expiration: 2018-02-13
Also published as: JP3704429B2

Abstract

(57)【要約】【課題】直交する二方向から固定磁界と可変磁界を印
加しても、ファラデー素子の磁化を可変磁界方向に向き
易くし、ファラデー回転角の可変範囲をより一層広く
（典型的には９０度以上に）する。【解決手段】ファラデー効果を有するガーネット単結
晶からなるファラデー素子に、二方向以上から外部磁界
を印加して、それらの合成磁界を可変することにより透
過光のファラデー回転角を制御する装置である。ガーネ
ット単結晶は（１１１）面で研磨されていて、光線は
（１１１）面に入射し、外部磁界の合成ベクトルの変位
経路が、ガーネット単結晶の（１１１）面を中心とした
ステレオ投影図における中心の（１１１）面と、（１０
０）面と等価な面を結んだ直線から左右に２０度の位置
にある直線で囲まれた扇形の範囲に入るように（扇形の
線上も含む）設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ファラデー効果を
有するガーネット単結晶（ファラデー素子）に二方向以
上から外部磁界を印加し、それらの合成磁界を可変する
ことにより、ガーネット単結晶を透過する光線のファラ
デー回転角を制御する装置に関するものである。更に詳
しく述べると本発明は、ガーネット単結晶の結晶方位に
対する外部磁界の合成ベクトルの変位経路を規定するこ
とにより、二方向以上から外部磁界を印加しているにも
かかわらずファラデー回転角の可変範囲を広く（典型的
には９０度以上に）できるファラデー回転角可変装置に
関するものである。この装置は、光アッテネータや偏波
スクランブラなどに有用である。

【０００２】

【従来の技術】光通信システムなどでは、光の透過光量
を制御するための光アッテネータ、あるいは光の偏波方
向を連続的且つ周期的に可変する偏波スクランブラなど
が必要であり、それらにはファラデー回転角可変装置が
組み込まれている。このファラデー回転角可変装置は、
ファラデー素子に二方向以上から磁界を印加し、それら
の合成磁界を可変することにより、ファラデー素子を透
過する光線のファラデー回転角を制御する装置である。
通常、ファラデー素子としては、ファラデー効果を有す
る磁性ガーネット単結晶が用いられている。

【０００３】光アッテネータは、主として偏光子とファ
ラデー回転角可変装置と検光子とをその順序で配列して
構成する。そのファラデー回転角可変装置は、ファラデ
ー素子と、通常、それに対して光軸に垂直方向に磁界を
印加する電磁石と、光軸と平行方向に磁界を印加する永
久磁石からなる。永久磁石によってファラデー素子を磁
気飽和の状態とし、電磁石のコイルに供給する電流を変
化させることで合成磁界の向きが変化する。この合成磁
界の回転によってファラデー回転角が変化し、検光子を
通過する透過光量を変化させることができる。

【０００４】光アッテネータでは、ファラデー素子（ガ
ーネット単結晶）に印加する磁界に対してファラデー回
転角が再現性よく変化する必要がある。そのため上記の
ように、光軸に平行方向にファラデー素子の飽和磁界以
上の固定磁界を印加してファラデー素子を飽和状態にし
ておき、その状態で光軸に垂直方向に可変磁界を印加し
て合成磁界ベクトルを変化させ、ファラデー素子の磁化
方向を変えてファラデー回転角を変化させている。固定
磁界と可変磁界の方向は、上記と逆の関係でもよい。フ
ァラデー素子が磁気的に未飽和であると、磁区が発生す
ることによる消光比の劣化、光の散乱が生じ、印加磁界
に対するファラデー回転角の再現性が悪いからである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】合成磁界の方向を光軸
に対して平行方向から垂直方向まで変化させ、ファラデ
ー回転角を９０度から０度にすれば、偏光子と検光子の
なす角度が９０度の時に透過光量が最大から最小まで変
化する。しかし、光軸方向には常に永久磁石による固定
磁界を印加しているために、ファラデー素子の磁化を垂
直方向に向けるには垂直方向に非常に大きな磁界を印加
しなければならない。また理論的には、たとえどんなに
大きな磁界を印加しても、その合成磁界ベクトルは光軸
に対して９０度（垂直）にはならない。よって、ファラ
デー素子の磁化も９０度まで回転せず、ファラデー回転
角は０度にはならないとされていた。

【０００６】本発明の目的は、二方向以上から固定磁界
と可変磁界を印加しているにもかかわらず、ファラデー
素子の磁化を可変磁界方向に向き易くできるファラデー
回転角可変装置を提供することである。本発明の他の目
的は、直交する二方向から固定磁界と可変磁界を印加し
ているにもかかわらず、ファラデー回転角の可変範囲を
より一層広く（典型的には９０度以上に）できるファラ
デー回転角可変装置を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、ファラデー効
果を有するガーネット単結晶からなるファラデー素子
に、二方向以上から外部磁界を印加して、それらの合成
磁界を可変することにより、ファラデー素子を透過する
光線のファラデー回転角を制御する装置である。本発明
においては、ガーネット単結晶は（１１１）面で研磨さ
れていて、光線はその（１１１）面に入射し、外部磁界
の合成ベクトルの変位経路が、ガーネット単結晶の（１
１１）面を中心としたステレオ投影図における中心の
（１１１）面と、（１００）面と等価な面を結んだ直線
から左右に２０度の位置にある直線で囲まれた扇形の範
囲に入るように（扇形の線上も含む）構成されており、
この点に特徴がある。ここで好ましくは、ガーネット単
結晶の（１１１）面を中心としたステレオ投影図におけ
る中心の（１１１）面と、（１００）面と等価な面を結
んだ直線から左右に１０度の扇形範囲に入るように（扇
形の線上も含む）構成することである。

【０００８】図１はガーネット単結晶の（１１１）面を
中心としたステレオ投影図である。隣り合う同心円は互
いに１０度ずつ異なっている面を意味し、隣り合う径方
向の線は互いに１０度ずつ異なっている面を意味する。
従って、ガーネット単結晶の任意の面は、このステレオ
投影図内の点として示すことができる。中心から５５度
に位置する円上には（１００）面と等価な面が１２０度
毎に現れる。中心の（１１１）面と、（１００）面に等
価な面とを結んだ直線の最外周円上には（２１１）面と
等価な面が現れる。中心の（１１１）面と、（１００）
面と等価な面を結ぶ直線から左右に２０度の扇形範囲と
は、斜線を付した３箇所の領域である。この斜線を付し
た領域（本発明の領域）には、中心を除いて（１１１）
面と等価な面は存在しない。この点が重要である。また
交差線を付した領域は、中心の（１１１）面と、（１０
０）面と等価な面を結ぶ直線から左右に１０度の扇形範
囲を示している。なお、中心から５５度に位置する（１
００）面と等価な面とは、（００１）面、（０１０）
面、（１００）面のことである。

【０００９】

【発明の実施の形態】特性面では特に、外部磁界の合成
ベクトルの変位経路を、ガーネット単結晶の（１１１）
面を中心としたステレオ投影図における中心の（１１
１）面と、（１００）面と等価な面とを結ぶ直線上にす
ることが望ましい。しかし、組み立て精度などを考慮す
ると、その直線から左右に２度の非常に狭い扇形の範囲
内とすれば、最良状態を実現できる。また外部磁界は、
例えば光線方向に対し平行方向と垂直方向の二方向から
印加する。光線方向に対し垂直方向の外部磁界の強さを
一定とし、平行方向の外部磁界の強さを可変する場合も
あるし、逆に光線方向に対し平行方向の外部磁界の強さ
を一定とし、垂直方向の外部磁界の強さを可変する場合
もある。通常、固定磁界は永久磁石によって印加し、可
変磁界は電磁石によって印加する。

【００１０】本発明で用いるガーネット単結晶は、例え
ば液相エピタキシャル（ＬＰＥ）法で作製した（ＲＢ
ｉ）₃（ＦｅＭ）₅Ｏ₁₂又は（ＲＢｉ）₃Ｆｅ₅Ｏ
₁₂（但しＲはイットリウムを含む希土類元素から選ばれ
た１種以上の元素、Ｍは鉄と置換できる１種以上の元
素）である。Ｍとしては、例えばＧａ，Ｉｎ，Ａｌなど
の元素がある。その他、ガーネット単結晶は、Ｙ₃Ｆｅ
₅Ｏ₁₂でもよい。ガーネット単結晶の製造方法は、量産
性などの観点から上記ＬＰＥ法が望ましいが、その他、
ＦＺ（フローティング・ゾーン）法やフラックス法など
でもよい。

【００１１】本発明に係るファラデー回転角可変装置
は、光アッテネータの他、偏波スクランブラなどファラ
デー回転角を制御するデバイスに適用できる。

【００１２】

【発明の背景】本発明者等は、ガーネット単結晶への印
加磁界とファラデー回転角の関係を鋭意研究したとこ
ろ、外部から印加する磁界の方向に対してファラデー素
子であるガーネット単結晶の結晶方位が変わると、ファ
ラデー回転角の可変範囲が変化することを見出した。そ
こで、その原因を調べるため、ファラデー素子となるガ
ーネット単結晶を作製し、図２に示す測定系に組み込ん
で、電磁石の磁界に対するガーネット単結晶のファラデ
ー回転角及び光減衰量を測定した。ファラデー回転角は
直交偏光子法により測定した。光減衰量の測定は、偏光
子と検光子を通過する偏光面のなす角度が９０度になる
ように配置して測定した。従って入射光は、ファラデー
素子によって偏光面が９０度回転する、つまりファラデ
ー回転角が９０度の場合は、検光子をほぼ無損失で通過
することができるが、ファラデー回転角が０度の場合は
偏光面と検光子が直交状態になり、光は検光子を通過で
きない。なお偏光子及び検光子は複合偏光プリズムであ
る。また偏光子を通過する偏光面と電磁石による光軸に
垂直方向の磁界とのなす角度を１０度以内にし、コット
ンムートン効果による位相差による消光比の劣化を防止
した。永久磁石により光軸方向に１５０エルステッドの
磁界を与え、電磁石により光軸と垂直方向に最大１００
０エルステッドの磁界を与えた。

【００１３】図２は測定系の概略構成を示しており、基
本的に光アッテネータと同じ構成である。光ファイバ１
０から出射した光はレンズ１２により平行光となり、偏
光子１４、ファラデー素子１６、検光子１８を通過し、
レンズ２０によって光ファイバ２２の入射端に集光す
る。ここで符号２４の部分がファラデー回転角可変装置
であり、その構造の一例を図３に示す。ファラデー素子
１６には一対の永久磁石２６，２８によって光軸に平行
方向に飽和に要する磁界が印加され、電磁石３０により
光軸と垂直方向に磁界が印加されて、該電磁石３０のコ
イル電流を変えることでそれらの合成磁界を変化させ
る。

【００１４】まず、ファラデー素子となるガーネット単
結晶は次のように作製した。はじめに、ＰｂＯ−Ｂ₂Ｏ
₃−Ｂｉ₂Ｏ₃を融剤として、液相エピタキシャル法
（ＬＰＥ法）により、格子定数が１２．４９６Å、組成
が（ＣａＧｄ）₃（ＭｇＺｒＧａ）₅Ｏ₁₂である直径１
インチ、厚み５００μｍの基板の（１１１）面上に、Ｂ
ｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶（ＬＰＥ膜、組成Ｔｂ
_1.00Ｙ_0.65Ｂｉ_1.35Ｆｅ_4.05Ｇａ_0.95Ｏ₁₂、膜厚４５０
μｍ）を育成した。次に、得られたＬＰＥ膜を３mm角に
切断し、研磨により基板を除去した後に、大気中で１１
００℃、８時間熱処理した。これは、成長誘導による一
軸磁気異方性定数を低減するためである。そして、再度
研磨して、３mm×３mm×０．３１mmの正方板状に鏡面仕
上げし、反射防止膜を蒸着した。最後に、１mm×１mm×
０．３１mmに切断した。ＶＳＭによりガーネット単結晶
の飽和磁化４πＭs を測定したところ１２０ガウスであ
ったため、永久磁石による固定磁界を１５０エルステッ
ドにして、ガーネット単結晶を飽和させるようにした。
そして、光がガーネット単結晶の反射防止膜を蒸着した
面、即ち（１１１）面に対して垂直に入射するようにし
て測定を行った。

【００１５】Ｘ線回折によってガーネット単結晶の方位
を調べたところ、図４の（ａ）で示されるガーネット単
結晶３２のＡ面〜Ｅ面は、それぞれ図４の（ｂ）のステ
レオ投影図におけるＡ′面〜Ｅ′面に相当することが分
かった。そこで図５に示すように、３個のガーネット単
結晶３２を方位を揃えて並べてファラデー素子１６と
し、光を矢印方向に入射するように設置した。永久磁石
と電磁石による合成磁界ベクトルの経路を図６の０〜１
１０度（即ちａ〜ｌ）にして測定した。例えば、図２に
示す測定系で、光入射面（Ａ面）側に永久磁石Ｓ極が、
光出射面（Ａ面の裏面）側に永久磁石Ｎ極を配置し、且
つ電磁石Ｓ極の位置にＢ面、電磁石Ｎ極の位置にＤ面が
向くようにガーネット単結晶を組み込み、Ａ面に垂直に
光を入射する。電磁石の磁界を可変すると、永久磁石と
の合成磁界ベクトルはガーネット単結晶のステレオ投影
図（図６）の経路ａに沿うように、ガーネット単結晶に
印加されることになる。

【００１６】図６における経路ａの状態を基準（角度０
度）として、ガーネット単結晶を、該ガーネット単結晶
のＡ面が光軸に対して垂直となる状態を保ったまま、入
射側から見て反時計回りに１０度送りで３６０度回転さ
せて、ファラデー回転角の最大値と最小値の差、つまり
ファラデー回転角の可変範囲（度）と最大光減衰量（ｄ
Ｂ）を測定した。永久磁石による磁界は上記のように１
５０エルステッド、電磁石による磁界は最大約１０００
エルステッドとした。経路ａ〜ｌまでの測定結果を表１
に示す。なお１２０〜２３０度、及び２４０〜３５０度
も測定したが、表１に示す０〜１１０度までの結果と同
じであったために、それらについての記載は省略する。

【００１７】表１に示す結果から、角度０度のとき（つ
まり印加磁界の経路ａのとき）、ファラデー回転角の可
変範囲が最も大きく９０度以上となることが分かる。そ
れに対して角度６０度のとき（つまり印加磁界の経路ｇ
のとき）、ファラデー回転角の可変範囲が最小になって
おり、７０度程度までの範囲でしか変化しえないことも
分かる。また表１から、経路ａから２０度以内において
は、最大光減衰量が２５ｄＢ以上であり、その範囲内に
おいて良好なアッテネーション特性が得られている。特
に、経路ａから１０度以内においては、ファラデー回転
角の可変範囲が９０度以上でなり、アッテネーション特
性は極めて良好である。従って、経路ａとなるようにガ
ーネット単結晶を設置するのが良いことはいうまでもな
い。組み立て精度を考慮しても、経路ａに対して±２度
の範囲内に収めることができるので、その範囲内にする
ことが最良である。

【００１８】

【表１】

【００１９】このような結果が生じる理由は、ガーネッ
ト単結晶の結晶磁気異方性によるものと考えられる。ガ
ーネット単結晶は、本質的に（熱処理によっても除去で
きない）結晶磁気異方性Ｋc を有しており、〈１１１〉
と対称等価な方向が結晶磁気異方性の容易軸となってい
る。この〈１１１〉方向は、光線と平行方向と、光線と
直交方向から２０度の位置にある。ガーネット単結晶の
磁化は、この異方性磁界の影響を受け、外部磁界と異方
性磁界の合成ベクトル方向を向くものと考えられる。つ
まり、経路ａ（０度）の場合には各磁界の向きは図７の
（ａ）に示すような関係となり、異方性磁界に引っ張ら
れてガーネット単結晶の磁化は電磁石の磁界を越えて異
方性磁界の向きに近づく。そのためファラデー回転角の
可変範囲は９０度以上となる。それに対して、経路ｇ
（６０度）の場合には各磁界の向きは図７の（ｂ）に示
すような関係となり、異方性磁界に引っ張られてガーネ
ット単結晶の磁化は電磁石の磁界の向きまで達しない。
そのためファラデー回転角の可変範囲が最小となる。

【００２０】

【実施例】図２及び図３に示したのと同様の構成で本発
明に係る光アッテネータを製作した。ファラデー素子１
６は、図５に示すように、３個のガーネット単結晶３２
を方位を揃えて並べてファラデー回転角が約９０度とな
るようにしたものである。ここでガーネット単結晶を３
個使用しているのは、育成した結晶の膜厚が４５０μｍ
であり、それを加工して用いているために膜厚が薄くな
り、１個当たりのファラデー回転角が小さいためであ
る。現時点では、ＬＰＥ法による結晶育成は、膜厚が５
００μｍを超えると、欠陥や割れが生じて育成が困難で
ある。しかし、育成技術の進歩によって５００μｍを超
える厚い膜の育成が可能になり、加工後の結晶１個当た
りの厚みを大きくしてファラデー回転角を大きくできれ
ば、使用するガーネット単結晶の個数は２個ないし１個
でも構わない。なお光線は各ガーネット単結晶３２の
（１１１）面に垂直に透過するように設定する。また各
ガーネット単結晶３２は、分かり易くするために互いに
離して描いてあるが、実際にはそれらを接着一体化した
ものでよい。図２に戻って、光ファイバ１０から出射し
た光はレンズ１２により平行光となり、偏光子１４、フ
ァラデー素子１６、及び検光子１８を通過し、レンズ２
０によって光ファイバ２２の端面に集光する。ファラデ
ー素子１６には永久磁石２６，２８によって光軸に平行
方向に磁界が印加され、更に電磁石３０により光軸と垂
直方向に磁界が印加される。永久磁石２６，２８によっ
て磁気飽和の状態とし、電磁石３０のコイルに供給する
電流を変化させることで、合成磁界を変化させ、透過光
の偏波方向を連続的に変える。

【００２１】本実施例では、ファラデー素子１６の各ガ
ーネット単結晶３２に印加する磁界の経路を図６の経路
ａとなるように（最良モードに）設定する。このように
構成した光アッテネータについて、電磁石３０の磁界の
強さに対するファラデー回転角及び光減衰量をそれぞれ
測定した。結果を図８に示す。この結果から明らかなよ
うに、ファラデー回転角の可変範囲は９０度以上であ
り、最大アッテネーションが３６ｄＢ以上となる極めて
良好な特性の光アッテネータが製造できた。

【００２２】

【発明の効果】本発明は上記のように、光はガーネット
単結晶の（１１１）面に入射し、外部磁界の合成ベクト
ルの変位経路が、ガーネット単結晶の（１１１）面を中
心としたステレオ投影図における中心の（１１１）面
と、（１００）面と等価な面を結んだ直線から左右に２
０度の扇形範囲に入るように設定したことにより、永久
磁石による磁界を光軸に平行方向に、電磁石による磁界
を光軸に垂直方向に印加する場合でも、ファラデー素子
の磁化が光軸に垂直方向に向きやすくなる。そのため本
発明のファラデー回転角可変装置は、ファラデー回転角
の可変範囲を広くできる効果がある。

【００２３】特に、外部磁界の合成ベクトルの変位経路
が、ガーネット単結晶の（１１１）面を中心としたステ
レオ投影図における中心の（１１１）面と、（１００）
面と等価な面を結んだ直線から左右に１０度の扇形範囲
に入るように設定すると、ファラデー回転角の可変範囲
を９０度以上にできる。その結果、特に光アッテネータ
の特性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明範囲を示す（１１１）面を中心としたス
テレオ投影図。

【図２】光アッテネータの基本構成図。

【図３】ファラデー回転角可変装置の一構成例の説明
図。

【図４】ガーネット単結晶の実際の面と（１１１）面を
中心としたステレオ投影図。

【図５】ファラデー素子の一例を示す説明図。

【図６】外部磁界の変位ベクトルの経路と角度を示すス
テレオ投影図。

【図７】その経路ａと経路ｇにおけるガーネット単結晶
の結晶磁気異方性の影響を示す説明図。

【図８】本発明の最良モードにおける電磁石の磁界とフ
ァラデー回転角及び光減衰量の関係を示すグラフ。

【符号の説明】

１０，２２光ファイバ１２，２０レンズ１４偏光子１６ファラデー素子１８検光子２４，２６永久磁石３０電磁石

【手続補正書】

【提出日】平成１０年４月１３日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１７

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１７】表１に示す結果から、角度０度のとき（つ
まり印加磁界の経路ａのとき）、ファラデー回転角の可
変範囲が最も大きく９０度以上となることが分かる。そ
れに対して角度６０度のとき（つまり印加磁界の経路ｇ
のとき）、ファラデー回転角の可変範囲が最小になって
おり、７０度程度までの範囲でしか変化しえないことも
分かる。また表１から、経路ａから２０度以内において
は、最大光減衰量が２４ｄＢ以上であり、その範囲内に
おいて良好なアッテネーション特性が得られている。特
に、経路ａから１０度以内においては、ファラデー回転
角の可変範囲が９０度以上でなり、アッテネーション特
性は極めて良好である。従って、経路ａとなるようにガ
ーネット単結晶を設置するのが良いことはいうまでもな
い。組み立て精度を考慮しても、経路ａに対して±２度
の範囲内に収めることができるので、その範囲内にする
ことが最良である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ファラデー効果を有するガーネット単結
晶からなるファラデー素子に、二方向以上から外部磁界
を印加して、それらの合成磁界を可変することにより、
該ファラデー素子を透過する光線のファラデー回転角を
制御する装置において、光線はガーネット単結晶の（１１１）面に入射し、外部
磁界の合成ベクトルの変位経路が、ガーネット単結晶の
（１１１）面を中心としたステレオ投影図における中心
の（１１１）面と、（１００）面と等価な面を結んだ直
線から左右に２０度の扇形範囲に入っていることを特徴
とするファラデー回転角可変装置。
【請求項２】外部磁界の合成ベクトルの変位経路が、
ガーネット単結晶の（１１１）面を中心としたステレオ
投影図における中心の（１１１）面と、（１００）面と
等価な面を結んだ直線から左右に１０度の扇形範囲に入
っている請求項１記載のファラデー回転角可変装置。
【請求項３】外部磁界の合成ベクトルの変位経路が、
ガーネット単結晶の（１１１）面を中心としたステレオ
投影図における中心の（１１１）面と、（１００）面と
等価な面を結んだ直線から左右に２度の扇形範囲に入っ
ている請求項１記載のファラデー回転角可変装置。
【請求項４】光線方向に対し平行方向と垂直方向の二
方向から永久磁石と電磁石とによって外部磁界を印加す
る請求項１乃至３のいずれかに記載のファラデー回転角
可変装置。
【請求項５】ガーネット単結晶が、液相エピタキシャ
ル法で作製した（ＲＢｉ）₃（ＦｅＭ）₅Ｏ₁₂又は（Ｒ
Ｂｉ）₃Ｆｅ₅Ｏ₁₂（但しＲはイットリウムを含む希土
類元素から選ばれた１種以上の元素、Ｍは鉄と置換でき
る１種以上の元素）である請求項１乃至４のいずれかに
記載のファラデー回転角可変装置。
【請求項６】ガーネット単結晶が、Ｙ₃Ｆｅ₅Ｏ₁₂で
ある請求項１乃至４のいずれかに記載のファラデー回転
角可変装置。