JPWO2019239684A1 - ファラデー回転子及び磁気光学素子 - Google Patents

Abstract

安定して４５°の回転角が得られ、さらに小型なファラデー回転子及び磁気光学素子を提供する。光が通過する貫通孔がそれぞれ設けられた第１〜第３の磁石体（１１〜１３）を有する磁気回路（２）と、貫通孔（２ａ）内に配置され、かつ光が透過する常磁性体からなるファラデー素子（１４）とを備え、光が貫通孔（２ａ）を通過する方向を光軸方向としたときに、第１の磁石体（１１）は光軸方向に垂直な方向に、かつ貫通孔側がＮ極となるように着磁されており、第２の磁石体（１２）は光軸方向に平行な方向に、かつ第１の磁石体（１１）側がＮ極となるように着磁されており、第３の磁石体（１３）は光軸方向に垂直な方向に、かつ貫通孔側がＳ極となるように着磁されており、第１〜第３の磁石体（１１〜１３）の光軸方向に沿う長さがファラデー素子（１４）の光軸方向に沿う長さの０．５６倍以上であり、ファラデー素子（１４）の上記長さが１５ｍｍ未満であることを特徴とする。

Description

本発明は、ファラデー回転子及び磁気光学素子に関する。

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素子である。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）と下記の式（１）の関係にある。

θ＝Ｖ・Ｈ・Ｌ 式（１）

このうち、ベルデ定数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や、ファラデー素子に加わる光軸と平行な磁束密度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。

特開２００９−２２９８０２号公報

特許文献１に記載の構成で磁気回路を形成すると、第１の磁石と第３の磁石の接着部、第２の磁石と第３の磁石の接着部付近で最も磁束密度の大きい領域が形成される。さらに、その両領域を繋ぐ第３の磁石と同等の長さの内部空間に、磁束密度が大きく、かつ、安定した領域が形成される。

ところで、特許文献１では、上記領域を超える大きさのファラデー素子が用いられている。これは、ＴＧＧのような常磁性体結晶はベルデ定数が小さいため、所望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も重要となるためである。ところが、上記のように安定した磁束密度を示す領域より大きな素子を用いると、ファラデー回転子の作製時にファラデー素子の位置がずれた場合、ファラデー素子に加わる磁束密度に偏りが生じ得る。その結果、ファラデー回転角のばらつきが顕著になり、所望のファラデー回転角を安定して得ることが難しくなるという問題があった。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、安定して４５°のファラデー回転角が得られるファラデー回転子及び磁気光学素子を提供することを目的とする。

本発明のファラデー回転子は、光が通過する貫通孔がそれぞれ設けられた第１〜第３の磁石体を有する磁気回路と、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、磁気回路は、第１〜第３の磁石体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の磁石体は、光軸方向に垂直な方向に、かつ貫通孔側がＮ極となるように着磁されており、第２の磁石体は光軸方向に平行な方向に、かつ第１の磁石体側がＮ極となるように着磁されており、第３の磁石体は、光軸方向に垂直な方向に、かつ貫通孔側がＳ極となるように着磁されており、第１の磁石体、第２の磁石体及び第３の磁石体のそれぞれの光軸方向に沿う長さが、ファラデー素子の光軸方向に沿う長さに対して０．５６倍以上であり、ファラデー素子の光軸方向に沿う長さが１５ｍｍ未満であることを特徴とする。上記のような構成によれば、第１の磁石体と第２の磁石体の接着部、第２の磁石体と第３の磁石体の接着部付近で最も磁束密度の大きい領域が形成されやすくなる。ここで、第１〜第３の磁石体の光軸方向に沿う長さを、ファラデー素子の光軸方向に沿う長さに対して一定以上とすることで、組み立て時にファラデー素子の位置ずれによるファラデー回転効果のずれ、変動を抑えることができる。さらに、配置されるファラデー素子の光軸方向に沿う長さを１５ｍｍよりも短くすることで、小型のファラデー回転子を形成することができる。

本発明のファラデー回転子では、常磁性体がガラス材であることが好ましい。

本発明のファラデー回転子では、ガラス材が、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍから選択される少なくとも１種の希土類元素を含有することが好ましい。特にＴｂを含有することが好ましい。

本発明のファラデー回転子では、ガラス材が、モル％の酸化物換算でＴｂ_２Ｏ_３を４０％より多く含有し、全Ｔｂに対するＴｂ^３＋の割合が、モル％で５５％以上であることが好ましい。このようなガラス材は、ベルデ定数が０．２ｍｉｎ／Ｏｅ・ｃｍ以上であり、従来のＴＧＧのベルデ定数（０．１３ｍｉｎ／Ｏｅ・ｃｍ）よりも大きいことから、より小型のファラデー素子を作製しやすくなる。

本発明のファラデー回転子は、磁気回路における貫通孔の断面積が、１００ｍｍ^２以下であることが好ましい。貫通孔の断面積を１００ｍｍ^２以下にすることで、磁束密度が大きくなりやすいため、小型化しやすくなる。

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。

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ってもよい。

本発明によれば、安定して４５°のファラデー回転角が得られるファラデー回転子及び磁気光学素子を提供することができる。

図１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。 図２は、第２の磁石体が長い磁気回路の貫通孔に生じる磁場強度分布を表す模式図である。 図３は、第２の磁石体が短い磁気回路の貫通孔に生じる磁場強度分布を表す模式図である。 図４は、本発明における第１の磁石体の構造の一例を示す図である。 図５は、本発明における第２の磁石体の構造の一例を示す図である。 図６は、本発明における第３の磁石体の構造の一例を示す図である。 図７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。

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。

(ファラデー回転子)
図１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。なお、図１中のＮ及びＳの文字は磁極を示す。後述する他の図面においても同様である。

ファラデー回転子１は、光アイソレータや光サーキュレータ等の磁気光学素子に用いられる装置である。ファラデー回転子１は、光が通過する貫通孔２ａが設けられた磁気回路２と、上記貫通孔２ａ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。

磁気回路２は、それぞれ貫通孔が設けられた第１の磁石体１１、第２の磁石体１２及び第３の磁石体１３を有する。磁気回路２は、第１の磁石体１１、第２の磁石体１２及び第３の磁石体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、各磁石体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の磁石体１１、第２の磁石体１２及び第３の磁石体１３の貫通孔が連結されることにより、磁気回路２の貫通孔２ａが構成されている。

磁気回路２において、第１の磁石体１１と第３の磁石体１３は光軸方向と垂直な方向に磁化され、互いに着磁方向が対向している。具体的には、第１の磁石体１１は、光軸方向と垂直な方向に、かつ貫通孔側がＮ極となるように着磁されている。第３の磁石体１３は、光軸方向と垂直な方向に、かつ貫通孔側がＳ極となるように着磁されている。第２の磁石体１２は光軸方向に平行な方向に、かつ第１の磁石体１１側がＮ極となるように着磁されている。

ファラデー回転子１には、光を第１の磁石体１１側から入射させてもよく、第３の磁石体１３側から入射させてもよい。

本発明のファラデー回転子１は、以下の構成を有することを特徴としている。１）第１の磁石体１１、第２の磁石体１２及び第３の磁石体１３のそれぞれの光軸方向に沿う長さが、ファラデー素子１４の光軸方向に沿う長さに対して、０．５６倍以上であること。２）ファラデー素子１４の光軸方向に沿う長さが１５ｍｍ未満であること。なお、以下においては、光軸方向に沿う長さを単に長さと記載することがある。

第１の磁石体１１、第２の磁石体１２及び第３の磁石体１３のそれぞれの長さは、ファラデー素子１４の長さに対して０．５６倍以上であり、０．６倍以上、０．７倍以上、０．８倍以上、特に０．９倍以上であることが好ましい。図１のような磁気回路２を形成すると、第１の磁石体１１と第２の磁石体１２の接着部及び第２の磁石体１２と第３の磁石体１３の接着部付近で最も磁束密度の大きい領域が形成されやすくなる。ここで、第１の磁石体１１、第２の磁石体１２及び第３の磁石体１３のそれぞれの長さを、ファラデー素子１４の光軸方向に沿う長さに対して一定以上とすることにより、組み立て時にファラデー素子１４の位置をずれにくくすることができる。よって、ファラデー回転角の変動を抑制することができる。さらに、第１の磁石体１１及び第３の磁石体１３の長さは、磁気回路２の磁束密度の大きさに強く寄与する。そのため、第１の磁石体１１及び第３の磁石体１３が短すぎると、十分な磁束密度が得られず、４５°のファラデー回転角を得ることができない。第１の磁石体１１、第３の磁石体１３のそれぞれの長さの、ファラデー素子１４の長さに対する比率を上記の範囲内にすることで、４５°のファラデー回転角を得ることができる。なお、第１の磁石体１１及び第３の磁石体１３が長すぎると、磁気回路２が必要以上に大きくなり、ファラデー回転子１を小型化することが困難となる。そこで、第１の磁石体１１、第２の磁石体１２及び第３の磁石体１３のそれぞれの長さは、ファラデー素子１４に対して、１．５倍以下であることが好ましく、１．３倍以下、特に１．２倍以下であることが好ましい。このようにすることで、ファラデー回転子１を小型化することができる。なお、以下、ファラデー回転角を回転角と記載することがある。

本発明のファラデー回転子１において、特に第１の磁石体１１及び第３の磁石体１３の長さと、第２の磁石１２の長さの関係を変化させることにより、磁気回路２の貫通孔２ａに生じる磁場強度分布の形状を変化させることができる。具体的には、（１）第１の磁石体１１及び第３の磁石体１３の長さが、第２の磁石体１２の長さよりも短い場合（第２の磁石体１２が長い場合）、（２）第１の磁石体１１及び第３の磁石体１３の長さが、第２の磁石体１２の長さよりも長い場合（第２の磁石体１２が短い場合）を挙げることができる。なお、第１の磁石体１１又は第３の磁石体１３の一方が第２の磁石体１２よりも長く、もう一方が第２の磁石体１２より短い形状を有すると、磁気回路２の貫通孔２ａに生じる磁場強度分布が光軸方向において非対称になり、磁場分布の制御が難しくなる。そのような観点からは、第１の磁石体１１及び第３の磁石体１３の長さは等しいことが好ましい。そのため、以下で説明する磁場分布において、第１の磁石体１１及び第３の磁石体１３の長さは等しいものとする。

（１）第２の磁石体１２が長い場合
図２は、第２の磁石体が長い磁気回路の貫通孔に生じる磁場強度分布を表す模式図である。横軸は磁気回路２の貫通孔２ａの中央を原点０とする光軸方向に沿う長さ、縦軸は磁場強度を示している。本実施形態において、磁場分布は光軸方向に沿って原点０を中心に広範囲に凹状に広がる形状を有する。具体的には、第１の磁石体１１と第３の磁石体１３の接着部、及び第２の磁石体１２と第３の磁石体１３の接着部付近に最も磁場強度が高い領域が生じ、その両領域の間に第２の磁石体１２と同等の長さを有する、所定の磁場強度ａ以上となる領域Ｓ１が形成される。このように、磁場強度が高い領域Ｓ１が比較的広いため、領域Ｓ１にファラデー素子１４全体を配置しやすくなり、ファラデー回転角の変動を抑えやすくなる。

（２）第２の磁石１２が短い場合
図３は、第２の磁石体が短い磁気回路の貫通孔に生じる磁場強度分布を表す模式図である。本実施形態において、磁場分布は光軸方向に沿って原点０を中心に凸状に広がる形状を有する。具体的には、第２の磁石体１２の中央付近に、所定の磁場強度ａ以上となる領域Ｓ２が形成される。このとき、領域Ｓ２において、最大磁場強度は（１）第２の磁石体１２が長い場合の磁場分布に比べてより大きな値となるため、領域Ｓ２に配置するファラデー素子１４に対しより強い磁束密度を与えることができ、ファラデー回転角を大きくしやすくなる。

なお、第１の磁石体１１、第２の磁石体１２及び第３の磁石体１３がそれぞれ等しい長さを有する場合の磁場強度分布は、上記（１）及び（２）の中間の特性及び形状を有する。具体的には、（１）と同様に、第１の磁石体１１と第３の磁石体１３の接着部、及び第２の磁石体１２と第３の磁石体１３の接着部付近に最も磁場強度が高い領域が生じ、その両領域の間に第２の磁石体１２と同等の長さを有する、所定の磁場強度ａ以上となる領域Ｓ３が形成される。このとき、領域Ｓ３は、原点０を中心に領域Ｓ２より広く、領域Ｓ１より狭くなるよう形成される。一方、最大磁場強度は、（１）に比べて大きく、（２）に比べて小さくなる。

ところで、ファラデー回転には、光軸方向に平行な方向の磁場が寄与する。そのため、ファラデー素子１４が長くなると、磁気回路２の貫通孔２ａ内で上記方向の磁場を形成するために、磁気回路２を長くする必要が生じる。その結果、ファラデー回転子１を小型化することが困難となる。一方で、ファラデー素子１４が短すぎると、４５°の回転角が得られない。よって、ファラデー素子１４の長さは３ｍｍ〜１４ｍｍであることが好ましく、５ｍｍ〜１３ｍｍ、６ｍｍ〜１２ｍｍ、特に７ｍｍ〜１１ｍｍであることが好ましい。ファラデー素子１４の長さを上記範囲内とすることにより、４５°の回転角を得ることができ、かつファラデー回転子１及びそれを用いた磁気光学素子のさらなる小型化が可能となる。

磁気回路２の貫通孔２ａの断面積は１００ｍｍ^２以下であることが好ましい。貫通孔２ａの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を貫通孔２ａ内に配置しにくくなる。貫通孔２ａの断面積は、好ましくは３ｍｍ^２〜８０ｍｍ^２、４ｍｍ^２〜７０ｍｍ^２、５ｍｍ^２〜６０ｍｍ^２、特に好ましくは７ｍｍ^２〜５０ｍｍ^２である。

磁気回路２の貫通孔２ａ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、均一な磁場を付与する点では円形が好ましい。ファラデー素子１４の断面形状と磁気回路２の貫通孔２ａの断面形状は必ずしも一致させなくともよいが、均一な磁場を与えるという観点では、一致させることが好ましい。

図４は、第１の磁石体の構造の一例を示す図である。図５は、第２の磁石体の構造の一例を示す図である。図６は、第３の磁石体の構造の一例を示す図である。

図４に示す第１の磁石体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の磁石体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の磁石体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の磁石体１１を構成することにより、磁場を効果的に大きくすることができる。もっとも、第１の磁石体１１は、単体磁石からなっていてもよい。

図５に示す第２の磁石体１２は、１個の単体磁石からなる。なお、第２の磁石体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に示す第３の磁石体１３は、第１の磁石体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。なお、第３の磁石体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。

本発明の第１の磁石体１１、第２の磁石体１２及び第３の磁石体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、その中でもサマリウム−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。

本発明のファラデー素子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。なお、ファラデー素子１４には、ガラス材以外の常磁性体を用いることもできる。

本発明のファラデー素子１４に用いられるガラス材は、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍから選択される少なくとも１種の希土類元素を含有することが好ましい。特にＴｂを含有することが好ましい。

本発明のファラデー素子１４に用いられるガラス材は、モル％の酸化物換算で、Ｔｂ_２Ｏ_３を４０％より多く含有することが好ましく、４５％以上、４８％以上、４９％以上、特に５０％以上であることが好ましい。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られやすくなる。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として表す。

本発明のガラス材において、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、７０％以上、８０％以上、９０％以上、特に９５％以上であることが好ましい。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。

さらに、本発明のファラデー素子１４には下記の成分を含有させることができる。なお、以下の各成分の含有量の説明において、特に断りのない限り「％」は「モル％」を意味する。

ＳｉＯ_２はガラス骨格となり、ガラス化範囲を広げる成分である。ただし、ベルデ定数の向上に寄与しないため、その含有量が多すぎると十分なファラデー効果が得られにくくなる。従って、ＳｉＯ_２の含有量は０％〜５０％、特に１％〜３５％であることが好ましい。

Ｂ_２Ｏ_３はガラス骨格となり、ガラス化範囲を広げる成分である。ただし、Ｂ_２Ｏ_３はベルデ定数の向上に寄与しないため、その含有量が多すぎると十分なファラデー効果が得られにくくなる。従って、Ｂ_２Ｏ_３の含有量は０％〜５０％、特に１％〜４０％であることが好ましい。

Ｐ_２Ｏ_５はガラス骨格となり、ガラス化範囲を広げる成分である。ただし、Ｐ_２Ｏ_５はベルデ定数の向上に寄与しないため、その含有量が多すぎると十分なファラデー効果が得られにくくなる。従って、Ｐ_２Ｏ_５の含有量は０％〜５０％、特に１％〜４０％であることが好ましい。

Ａｌ_２Ｏ_３はガラス形成能を高める成分である。ただし、Ａｌ_２Ｏ_３はベルデ定数の向上に寄与しないため、その含有量が多すぎると十分なファラデー効果が得られにくくなる。従って、Ａｌ_２Ｏ_３の含有量は０％〜５０％、特に０％〜３０％であることが好ましい。

Ｌａ_２Ｏ_３、Ｇｄ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３にはガラス化を安定にする効果がある。ただし、その含有量が多すぎると、かえってガラス化しにくくなる。よって、Ｌａ_２Ｏ_３、Ｇｄ_２Ｏ _３、Ｙ_２Ｏ_３の含有量は各々１０％以下、特に５％以下であることが好ましい。

Ｄｙ_２Ｏ_３、Ｅｕ_２Ｏ_３、Ｃｅ_２Ｏ_３はガラス化を安定にするとともに、ベルデ定数の向上にも寄与する。ただし、その含有量が多すぎると、かえってガラス化しにくくなる。よって、Ｄｙ_２Ｏ_３、Ｅｕ_２Ｏ_３、Ｃｅ_２Ｏ_３の含有量は各々１５％以下、特に１０％以下であることが好ましい。なお、ガラス中に存在するＤｙ、Ｅｕ、Ｃｅ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それぞれＤｙ_２Ｏ_３、Ｅｕ_２Ｏ_３、Ｃｅ_２Ｏ _３として表す。

ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯにはガラス化を安定にする効果、また化学的耐久性を高める効果がある。ただし、ベルデ定数の向上に寄与しないため、その含有量が多すぎると十分なファラデー効果が得られにくくなる。従って、これらの成分の含有量は各々０％〜１０％、特に０％〜５％であることが好ましい。

ＧｅＯ_２はガラス形成能を高める成分である。ただし、ＧｅＯ_２はベルデ定数の向上に寄与しないため、その含有量が多すぎると十分なファラデー効果が得られにくくなる。従って、ＧｅＯ_２の含有量は０％〜１５％、０％〜１０％、特に０％〜９％であることが好ましい。

Ｇａ_２Ｏ_３はガラス形成能を高め、ガラス化範囲を広げる効果を有する。ただし、その含有量が多すぎると失透しやすくなる。また、Ｇａ_２Ｏ_３はベルデ定数の向上に寄与しないため、その含有量が多すぎると十分なファラデー効果が得られにくくなる。従って、Ｇａ_２Ｏ_３の含有量は０％〜６％、特に０％〜５％であることが好ましい。

フッ素はガラス形成能を高め、ガラス化範囲を広げる効果を有する。ただし、その含有量が多すぎると溶融中に揮発して組成変動を引き起こし、ガラス化に悪影響を及ぼすおそれがある。また、脈理を増加させやすい。従って、フッ素の含有量（Ｆ_２換算）は０％〜１０％、０％〜７％、特に０％〜５％であることが好ましい。

還元剤としてＳｂ_２Ｏ_３を添加することができる。ただし、着色を避けるため、あるいは環境への負荷を考慮して、その含有量は０．１％以下であることが好ましい。

本発明のファラデー素子１４は、波長３００ｎｍ〜１１００ｎｍの範囲で良好な光透過性を示す。具体的には、波長１０６４ｎｍにおける光路長１ｍｍでの透過率は６０％以上、７０％以上、特に８０％以上であることが好ましい。また、波長６３３ｎｍにおける光路長１ｍｍでの透過率は３０％以上、５０％以上、７０％以上、特に８０％以上であることが好ましい。さらに、波長５３３ｎｍにおける光路長１ｍｍでの透過率は３０％以上、５０％以上、７０％以上、特に８０％以上であることが好ましい。

本発明のファラデー素子１４の断面形状は特に限定されないが、均一なファラデー効果を有するために、円状であることが好ましい。ファラデー素子１４の直径は、１０ｍｍ以下であることが好ましく、８ｍｍ以下、５ｍｍ以下、特に３．５ｍｍ以下であることが好ましい。ファラデー素子１４の直径が大きすぎると、ファラデー素子１４を磁気回路２の貫通孔２ａ内に配置できなくなる。あるいは、磁気回路２を大きくする必要があり、ファラデー回転子１の小型化が難しくなる。ファラデー素子１４の直径の下限は特に限定されないが、現実的には０．５ｍｍ以上である。

本発明のファラデー回転子１は波長３５０ｎｍ〜１３００ｎｍで用いられることが好ましく、４５０ｎｍ〜１２００ｎｍ、５００ｎｍ〜１２００ｎｍ、８００ｎｍ〜１１００ｎｍ、９００ｎｍ〜１１００ｎｍの範囲で用いられることが特に好ましい。

（磁気光学素子）
図７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７に示す磁気光学素子２０は光アイソレータである。光アイソレータは、レーザー光の反射戻り光を遮断する装置である。磁気光学素子２０は、図１に示したファラデー回転子１と、磁気回路２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。

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°回転される。これにより、反射戻り光の偏光面は、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。

本発明の磁気光学素子２０は、図１に示した本発明のファラデー回転子１を有するため、安定して４５°のファラデー回転角が得られ、かつ小型にすることができる。

図７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。なお、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以外の磁気光学素子であってもよい。

＜実施例＞
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。

本実施例では、波長１０６４ｎｍでのファラデー回転子を実施例として挙げるが、本発明は、この波長に限定されるものではない。

（実施例１）
実施例１のファラデー素子は次のようにして作製した。まず原料をプレス成型し、７００℃〜１４００℃で６時間焼結することによりガラス原料塊を作製した。本実施例におけるガラス原料塊は、５５Ｔｂ_２Ｏ_３−１０Ａｌ_２Ｏ_３−３５Ｂ_２Ｏ_３のガラス組成が得られるように作製した。

次に、乳鉢を用いてガラス原料塊を粗粉砕し小片とした。得られたガラス原料塊の小片を用いて、無容器浮遊法によってガラス材を作製した。なお、熱源としては１００Ｗ ＣＯ_２レーザー発振器を用いた。また、ガラス原料塊を浮遊させるためのガスとして窒素ガスを用い、流量１Ｌ／分〜３０Ｌ／分で供給した。

得られたガラス材について、８００℃で１０時間、４％−Ｈ_２／Ｎ_２雰囲気中で熱処理を行った。

全Ｔｂに対するＴｂ^３＋の割合は、Ｘ線光電子分光分析装置（ＸＰＳ）を用いて測定した。具体的には、得られたガラス材について、ＸＰＳを用いて測定された各Ｔｂイオンのピーク強度比から、全Ｔｂに対するＴｂ^３＋の割合を算出した。その結果、Ｔｂ^３＋の割合は９９％以上であった。

得られたガラス材について、ベルデ定数を測定した。ベルデ定数は回転検光子法を用いて測定した。具体的には、得られたガラス材を１ｍｍの厚さとなるよう研磨加工し、１０ｋＯｅの磁場中で波長１０６４ｎｍでのファラデー回転角を測定し、ベルデ定数を算出した。測定したベルデ定数は０．２０４ｍｉｎ／Ｏｅ・ｃｍ〜０．２１２ｍｉｎ／Ｏｅ・ｃｍであった。

次に、得られたガラスを切削、研磨等により直径Φ３ｍｍ、長さ１０ｍｍの円柱状のファラデー素子を得た。消光比は４２ｄＢであった。なお、実施例及び比較例において、長さとはファラデー回転子における光軸方向に沿う長さをいう。

第１〜第３の磁石体を構成する永久磁石には、Ｓｍ−Ｃｏ磁石を用いた。第１〜第３の磁石体の外径をΦ３２ｍｍ、貫通孔の直径をΦ４ｍｍとした。第１の磁石体の長さを１０ｍｍとし、第２の磁石体の長さを１０ｍｍとし、第３の磁石体の長さを１０ｍｍとした。

上記において得られたファラデー素子を第１〜第３の磁石体と組み合わせ、ファラデー回転子とした。

（実施例２）
第１の磁石体の長さを１２ｍｍとし、第２の磁石体の長さを１０ｍｍとし、第３の磁石体の長さを１２ｍｍとし、ファラデー素子の長さを１１ｍｍとした以外は、実施例１と同様にしてファラデー回転子を作製した。

（実施例３）
第１の磁石体の長さを８．４ｍｍとし、第２の磁石体の長さを９ｍｍとし、第３の磁石体の長さを８．４ｍｍとし、ファラデー素子の長さを１４．５ｍｍとした以外は、実施例１と同様にしてファラデー回転子を作製した。

（実施例４）
第１〜第３の磁石体を構成する永久磁石にＮｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石を用いた以外は、実施例１と同様にしてファラデー回転子を作製した。

（実施例５）
第１の磁石体の長さを１２ｍｍとし、第２の磁石体の長さを１０．４ｍｍとし、第３の磁石体の長さを１２ｍｍとし、ファラデー素子の長さを８ｍｍとした以外は、実施例４と同様にしてファラデー回転子を作製した。

（実施例６）
第１の磁石体の長さを１０ｍｍとし、第２の磁石体の長さを７ｍｍとし、第３の磁石体の長さを１０ｍｍとし、ファラデー素子の長さを９ｍｍとした以外は、実施例４と同様にしてファラデー回転子を作製した。

（実施例７）
第１の磁石体の長さを９．３ｍｍとし、第２の磁石体の長さを９．５ｍｍとし、第３の磁石体の長さを９．３ｍｍとし、ファラデー素子の長さを１１．９ｍｍとした以外は、実施例１と同様にしてファラデー回転子を作製した。

（実施例８）
第１の磁石体の長さを１０．６ｍｍとし、第２の磁石体の長さを１０．４ｍｍとし、第３の磁石体の長さを１０．６ｍｍとし、ファラデー素子の長さを１０．９ｍｍとした以外は、実施例１と同様にしてファラデー回転子を作製した。

（実施例９）
第１の磁石体の長さを１１．５ｍｍとし、第２の磁石体の長さを１１ｍｍとし、第３の磁石体の長さを１１．５ｍｍとし、ファラデー素子の長さを１０ｍｍとした以外は、実施例１と同様にしてファラデー回転子を作製した。

（実施例１０）
第１の磁石体の長さを１２ｍｍとし、第２の磁石体の長さを６ｍｍとし、第３の磁石体の長さを１２ｍｍとし、ファラデー素子の長さを９ｍｍとした以外は、実施例１と同様にしてファラデー回転子を作製した。

（比較例１）
ファラデー素子の長さを１９ｍｍとした以外は、実施例１と同様にしてファラデー回転子を作製した。

（比較例２）
第１の磁石体の長さを７．５ｍｍとし、第２の磁石体の長さを７．５ｍｍとし、第３の磁石体の長さを７．５ｍｍとし、ファラデー素子の長さを１４．５ｍｍとした以外は、実施例１と同様にしてファラデー回転子を作製した。

（比較例３）
ファラデー素子にチョクラルスキー法によって作製したＴＧＧ単結晶を用いた以外は、比較例１と同様にしてファラデー回転子を作製した。なお、ファラデー素子のベルデ定数を測定したところ、０．１２５ｍｉｎ／Ｏｅ・ｃｍ〜０．１３４ｍｉｎ／Ｏｅ・ｃｍであった。

（比較例４）
第１〜第３の磁石体を構成する永久磁石にＮｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石を用いた以外は、比較例３と同様にしてファラデー回転子を作製した。

回転角のばらつきは、各ファラデー回転子を１０個ずつ作製し、測定することにより求めた。回転角のばらつきを測定した結果を下記の表１に示す。なお、表１において、第１の磁石体の長さをａ、第２の磁石体の長さをｂ、第３の磁石体の長さをｃ、ファラデー素子の長さをＬ、波長１０６４ｎｍでのベルデ定数をＶとする。

実施例１〜実施例１０では、回転角のばらつきが±０．７°以内となり、角度ばらつきの少ないファラデー回転子が得られた。

比較例１及び比較例２の回転角のばらつきは±１．１°であり、実施例１〜実施例１０よりも大きくばらついていた。

比較例３の回転角のばらつきは±１．８であり、比較例４の回転角のばらつきは±１．９°であった。このように、比較例３及び比較例４においては、回転角が大きくばらついていた。これは、ファラデー素子及び第１〜第３の磁石体を組み合わせたときのファラデー素子の位置ずれと、ＴＧＧ単結晶のベルデ定数のばらつきによるものである。

なお、比較例３及び比較例４は、実施例１及び実施例４と第１〜第３の磁石体の大きさが同じであるが、ベルデ定数が小さいため、４５°の回転角に達しなかった。一方、実施例１及び実施例４は、回転角は４５°に達していた。

１…ファラデー回転子
２…磁気回路
２ａ…貫通孔
１１…第１の磁石体
１２…第２の磁石体
１３…第３の磁石体
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

Claims (8)

1. 光が通過する貫通孔がそれぞれ設けられた第１〜第３の磁石体を有する磁気回路と、
   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、
   前記磁気回路は、前記第１〜第３の磁石体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の磁石体は、前記光軸方向に垂直な方向に、かつ前記貫通孔側がＮ極となるように着磁されており、
   前記第２の磁石体は前記光軸方向に平行な方向に、かつ前記第１の磁石体側がＮ極となるように着磁されており、
   前記第３の磁石体は、前記光軸方向に垂直な方向に、かつ前記貫通孔側がＳ極となるように着磁されており、
   前記第１の磁石体、前記第２の磁石体及び前記第３の磁石体のそれぞれの前記光軸方向に沿う長さが、前記ファラデー素子の前記光軸方向に沿う長さに対して０．５６倍以上であり、
   前記ファラデー素子の前記光軸方向に沿う長さが１５ｍｍ未満であることを特徴とする、ファラデー回転子。
2. 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１に記載のファラデー回転子。
3. 前記ガラス材が、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍから選択される少なくとも１種の希土類元素を含有することを特徴とする、請求項２に記載のファラデー回転子。
4. 前記ガラス材が、Ｔｂを含有することを特徴とする、請求項３に記載のファラデー回転子。
5. 前記ガラス材が、モル％の酸化物換算でＴｂ_２Ｏ_３を４０％より多く含有し、全Ｔｂに対するＴｂ^３＋の割合が、モル％で５５％以上であることを特徴とする、請求項２に記載のファラデー回転子。
6. 前記磁気回路における前記貫通孔の断面積が、１００ｍｍ^２以下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ファラデー回転子。
7. 請求項１〜６のいずれか一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。
8. 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７に記載の磁気光学素子。

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