TW201337339A - 光隔離器 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種小型光隔離器，適合作為用於醫療、光學計測用等用途的半導體雷射中使用的光隔離器。一種光隔離器，是用於320 nm~633 nm波長帶，其特徵在於包括：波長405 nm中的伐得常數為0.70分鐘/(Oe．cm)以上的法拉第轉子；以及第1中空磁鐵與第2中空磁鐵單元及第3中空磁鐵單元，第1中空磁鐵配置於法拉第轉子的外周，第2中空磁鐵單元及第3中空磁鐵單元是在光軸上夾著第1中空磁鐵而配置，第2中空磁鐵單元及第3中空磁鐵單元包含相對於光軸而在90度方向上等分割的2個以上的磁鐵，對法拉第轉子施加的磁通密度B(Oe)處於下述式(1)的範圍內，配置法拉第轉子的樣品長L(cm)處於下述式(2)的範圍內。0.8×104≦B≦1.5×104…(1) 0.25≦L≦0.45…(2)

Description

光隔離器
本發明是有關於一種於320 nm~633 nm的波長帶中使用的光隔離器(isolator)。
先前以來，對於用於醫療、光學計測等用途的產業用雷射(laser)，是使用紫外線(Ultraviolet，UV)及可視區的半導體雷射或者燈(lamp)激發式釔鋁石榴石(Yttrium Aluminum Garnet，YAG)雷射的第二諧波(532 nm)、第三諧波(355 nm)。
近年來，該半導體雷射的波長用途亦變廣，正在進行高輸出化。
然而，一般而言，半導體雷射具備其發光光譜(spectrum)窄而轉換效率優異的特徵，但相反地，對於因反射光引起的回光非常敏感，當自對光纖(fiber)的結合端面或被測定物而來的反射光返回時，存在特性會成為不穩定狀態的危險性。因而，為了防止反射光返回作為發光光源的發光元件，以使半導體雷射穩定動作，不可或缺的是要在發光光源與加工體之間，配置光隔離器(an optical isolator)，以阻斷自光纖向發光光源反射而返回的光， 上述光隔離器具有使順向的光透過而阻斷逆向的光的功能。
此處，光隔離器包含法拉第(Faraday)轉子、配置於法拉第轉子的光入射側及光出射側的一對偏光元件、及對法拉第轉子的光透過方向(光軸方向)施加磁場的磁鐵(magnet)這3個主要零件。當於此形態下，光入射至法拉第轉子時，會產生偏光面在法拉第轉子中發生旋轉的現象。這是被稱作法拉第效應的現象，將偏光面旋轉的角度稱作法拉第旋轉角，其大小θ以下述式來表示。
θ=V×H×L
上述式中，V是伐得常數(Verdet's constant)，是由法拉第轉子的材料及測定波長決定的常數，H是磁通密度，L是法拉第轉子的長度。由該式可知的是，於具備某固定大小的伐得常數的轉子中，若欲獲得所需的法拉第旋轉角而對法拉第轉子施加的磁場越大，則越能縮短轉子長度，轉子長度越長，則越能減小磁通密度。
如專利文獻1所記載的，作為於上述波長帶中伐得常數大的材料，有含Fe的釔鐵石榴石(yttrium iron garnet，YIG)單晶體。
而且，作為其他材料，有鋱-鎵-石榴石(化學式：Tb3Ga5O12)等。
而且，亦可使用含鉛的玻璃(glass)。
為了具有光隔離器的功能，需要45°左右的法拉第旋轉角。具體而言，使入射至光隔離器的光的偏光面藉由法拉第轉子而旋轉45°，以透過各自經角度調整的入射出射偏光元件。另一方面，利用法拉第轉子的不可逆性，使回光的偏光面逆向地旋轉45°，成為與入射偏光元件成90°的垂直偏光面，從而回光無法透過。光隔離器正是利用該現象來使光僅沿單一方向透過，而阻止反射後返回的光。
現有技術文獻
專利文獻
專利文獻1：日本專利特開2011-150208號公報
專利文獻1中記載的YIG單晶體於波長320 nm~800 nm處具有大的光吸收。因而，於波長320 nm~800 nm處，該吸收的影響會強力顯現，因此無法使用。
先前以來使用的光隔離器中，例如使用鋱-鎵-石榴石(TGG)結晶之類的法拉第轉子。TGG的伐得常數於波長633 nm處大至0.46分鐘/(Oe．cm)左右，但於波長500 nm~600 nm處存在大的光吸收，於波長320 nm~380 nm、450 nm~550 nm處，該光吸收的影響會強力顯現，因此於633 nm以下的波長中，該TGG的使用存在限制。另外，1分鐘(min)表示1/60度。
進而，含鉛的玻璃於波長320 nm~800 nm處的伐得常數小，若用作法拉第轉子，則光路將變長。
本發明所欲解決的課題在於，提供一種於波長320 nm~633 nm處為透明且小型化的光隔離器。尤其提供一種小型光隔離器，適合作為用於醫療、光學計測用等用途的半導體雷射中使用的光隔離器。
本發明所欲解決的另一課題在於提供一種光隔離器，其使用法拉第效應大的法拉第轉子，且與外形小的磁鐵相組合。本發明的另一課題當可根據以下的說明而明確。
上述各課題藉由以下的手段<1>而達成。較佳的實施方式<2>~實施方式<10>一併列出。
<1>一種光隔離器，其用於320 nm~633 nm波長帶，上述光隔離器的特徵在於包括：波長405 nm中的伐得常數為0.70分鐘/(Oe．cm)以上的法拉第轉子；以及第1中空磁鐵與第2中空磁鐵單元及第3中空磁鐵單元，上述第1中空磁鐵配置於上述法拉第轉子的外周，上述第2中空磁鐵單元及第3中空磁鐵單元是在光軸上夾著第1中空磁鐵而配置，第2中空磁鐵單元及第3中空磁鐵單元包含相對於光軸而在90度方向上等分割的2個以上的磁鐵，對上述法拉第轉子施加的磁通密度B(Oe)處於下述式(1)的範圍內，配置上述法拉第轉子的樣品長L(cm)處於下述式(2)的範圍內，0.8×104≦B≦1.5×104 (1)
0.25≦L≦0.45 (2)。
<2>如<1>所述的光隔離器，其中上述法拉第轉子含有95重量%以上的下述式(I)所表示的氧化物，Yb2O3 (I)。
<3>如<2>所述的光隔離器，其中上述氧化物為單晶體。
<4>如<2>所述的光隔離器，其中上述氧化物為陶瓷(ceramics)。
<5>如<1>至<4>中任一項所述的光隔離器，其中上述法拉第轉子在樣品長L(cm)中具有1 dB以下的插入損耗與30 dB以上的消光比。
<6>如<1>至<5>中任一項所述的光隔離器，其中第1中空磁鐵與第2中空磁鐵單元及第3中空磁鐵單元包含釹-鐵-硼(NdFeB)系磁鐵。
<7>如<1>至<6>中任一項所述的光隔離器，其中將第1中空磁鐵的磁場極性設為光軸方向，使第2中空磁鐵單元及第3中空磁鐵單元的磁場極性在光軸法線方向上彼此相反。
<8>如<1>至<7>中任一項所述的光隔離器，更包括：2片以上的平板雙折射結晶及1片以上的45度旋光元件。
<9>如<8>所述的光隔離器，其中上述平板雙折射結晶的光學軸相對於光軸為大致45度方向，且厚度為1.0 cm以上。
<10>如<1>至<9>中任一項所述的光隔離器，其中第1中空磁鐵、第2中空磁鐵單元及第3中空磁鐵單元被搭載於碳鋼框體的內部。
根據<1>所述的發明，藉由使用伐得常數大的法拉第轉子與磁通密度大的磁鐵材料及磁路，可達成光隔離器的小型化。
而且，根據<2>所述的發明，影響偏光旋轉能的Yb2O3氧化物含量為95重量%以上，因此可將Yb2O3氧化物含量為含量50重量%法拉第轉子的樣品長縮短至1/2左右，因此可使因高輸出雷射而擔憂的法拉第轉子的光損耗減少。
根據上述<7>所述的發明，可提高對法拉第轉子施加的磁通密度，從而可達成進一步的小型化。
根據上述<8>所述的發明，除了小型化以外，可達成偏光無依存化。
1‧‧‧入射偏光元件
2‧‧‧楔玻璃
3‧‧‧偏光元件固定架
4‧‧‧法拉第轉子
5‧‧‧45度旋光元件
6‧‧‧出射偏光元件
7‧‧‧第1中空磁鐵
8‧‧‧第2中空磁鐵單元
9‧‧‧第3中空磁鐵單元
10‧‧‧框體
11‧‧‧光學軸
12‧‧‧光軸
L‧‧‧樣品長
圖1是表示本發明的光隔離器的結構例的剖面示意圖。
圖2是第2中空磁鐵單元8及第3中空磁鐵單元9的剖面示意圖。
圖3是沿著光軸表示光隔離器內的輸入光與回光的偏光面的 行為的示意圖。
圖4是表示法拉第旋轉角為45度的磁通密度T(104Oe)的大小相對於實施例1及比較例1中使用的法拉第轉子的樣品長L(0.25 cm~0.45 cm)的圖。
圖5是表示基於有限元素法(finite element method)的NdFeB系磁鐵的形狀分析結果的圖。
本發明的光隔離器的特徵在於包括：波長405 nm中的伐得常數為0.70分鐘/(Oe．cm)以上的法拉第轉子；以及第1中空磁鐵與第2中空磁鐵單元及第3中空磁鐵單元，上述第1中空磁鐵配置於上述法拉第轉子的外周，上述第2中空磁鐵單元及第3中空磁鐵單元是在光軸上夾著第1中空磁鐵而配置，第2中空磁鐵單元及第3中空磁鐵單元包含相對於光軸而在90度方向上等分割的2個以上的磁鐵，對上述法拉第轉子施加的磁通密度B(Oe)處於下述式(1)的範圍內，配置上述法拉第轉子的樣品長L(cm)處於下述式(2)的範圍內。
0.8×104≦B≦1.5×104 (1)
0.25≦L≦0.45 (2)
本發明中使用的法拉第轉子是於波長320 nm~633 nm處，光 吸收極少的透明的法拉第轉子，因此亦可應對TGG結晶之類的現有轉子無法發揮功能的波長帶。藉由對於該法拉第轉子使用磁通密度大的磁鐵材及磁路，可實現光隔離器的小型化。因此，可使將光隔離器裝入在內的裝置(device)內的空間尺寸的自由度較大。
以下詳細說明本發明。
本發明的隔離器可較佳地用於320 nm~633 nm的波長帶的雷射光。此種雷射包含半導體雷射或燈激發式YAG雷射的第二諧波(532 nm)、第三諧波(355 nm)。
再者，本領域技術人員可將本發明的隔離器設計變更為上述以外的波長帶的雷射光。
以下，參照附圖來說明本發明的光隔離器的基本結構例。
圖1是表示本發明的光隔離器的結構例的剖面示意圖。
在圖1中，入射偏光元件1、法拉第轉子4及出射偏光元件6是依序配置於自左側的入射側朝向右側的出射側的光軸12上。
在圖1中，入射偏光元件1藉由楔玻璃2而固定於光軸12上，而且，出射偏光元件6藉由楔玻璃2而固定於光軸12上。於入射側，入射偏光元件1被固定於偏光元件固定架(holder)3，於出射側，45度旋光元件5與出射偏光元件6被固定於偏光元件固定架3。而且，於入射偏光元件1及出射偏光元件6中示出光學軸11。
法拉第轉子4的形狀並無特別限定，亦可為三稜柱狀、四稜柱狀，但較佳為圓筒狀。以下，以圓筒狀的法拉第轉子為例進行說明。
於該法拉第轉子4的外周，配置有第1中空磁鐵7、以及於光軸上夾著第1中空磁鐵的第2中空磁鐵單元8及第3中空磁鐵單元9。於法拉第轉子4為圓筒狀的情況下，第1中空磁鐵7與第2中空磁鐵單元8及第3中空磁鐵單元9較佳為均為中空圓筒狀，法拉第轉子4的中心軸及第1中空磁鐵7的中空部與第2中空磁鐵單元8、第3中空磁鐵單元9的中空部的中心軸較佳為同軸。而且，法拉第轉子4的外徑、第1中空磁鐵7的中空部的內徑與第2中空磁鐵單元8、第3中空磁鐵單元9的中空部的內徑較佳為大致相同，且在裝配光隔離器之後進行調芯。根據該配置，法拉第轉子4被配置於第1中空磁鐵7的中心。
第1中空磁鐵7與第2中空磁鐵單元8及第3中空磁鐵單元9以它們的中空部與光軸成同軸的方式而配置。上述第2中空磁鐵單元8、第3中空磁鐵單元9均是相對於光軸而在90度(90°)方向上等分割為2個以上的多個磁鐵的集合體。
圖2是表示第2中空磁鐵單元8、第3中空磁鐵單元9的一實施方式的剖面示意圖。兩中空磁鐵均成為將圓筒磁鐵以90°一分為四的4個磁鐵的集合體。一分為四的磁鐵單元(集合體)的加工適應性優異，因而較佳。除了該一分為四的磁鐵單元的形態以外， 亦可為以180°一分為二的2個磁鐵的集合體、或以120°一分為三的3個磁鐵的集合體。
如圖2所示，第2中空磁鐵單元8及第3中空磁鐵單元9分別被收納於框體10的內部。
於圖2所示的實施方式中，將圓筒磁鐵一分為四的磁鐵的磁場極性成為外周方向。此時，各磁鐵彼此持有反磁力，因此若使組合而成的磁鐵單元的外周外徑與框體10的內徑以磁鐵單元可插入的方式而大致一致，則僅以各自的反磁力便可固定於框體10的內部。若利用該固定法，則可將第2中空磁鐵單元8與第3中空磁鐵9作為兩側的按壓件，從而可無間隙地固定第1中空磁鐵7，因此所構成的磁鐵整體的固定可採用無需黏著劑等的高可靠性的安裝。
本發明的光隔離器具有波長405 nm中的伐得常數為0.70分鐘/(Oe．cm)以上的法拉第轉子。對該法拉第轉子進行說明。
可用於本發明的法拉第轉子於波長405 nm處的伐得常數為0.70分鐘/(Oe．cm)以上。只要伐得常數為0.70分鐘/(Oe．cm)以上，則無特別限定，但Yb2O3氧化物含量為100%的伐得常數達到上限。若伐得常數小於0.70分鐘/(Oe．cm)，則將法拉第旋轉角設為45°所需的法拉第轉子的長度變長，從而難以使光隔離器小型化。
於本發明中，伐得常數只要按照常法來測定即可，並無特別限定。
具體而言，切出規定厚度的氧化物，進行鏡面研磨精加工，將法拉第轉子設置(set)於磁通密度的大小為已知的永磁鐵，對波長405 nm中的伐得進行測定。而且，測定條件為25±10℃，於大氣中進行測定。
於本發明的光隔離器中，配置上述法拉第轉子的樣品長L(cm)處於下述式(2)的範圍內。
0.25≦L≦0.45 (2)
若樣品長超過0.45 cm，則隔離器的小型化變得困難，若小於0.25 cm，則用於獲得所需法拉第旋轉角的磁通密度的大小變大，隔離器的小型化仍變得困難。
此處，所謂樣品長，是指法拉第轉子於光軸上的長度，於圖1中以L來表示。
本發明中所用的法拉第轉子較佳為含有95%以上的以下述式(I)表示的氧化物。
Yb2O3 (I)
上述氧化物的含量更佳為99.9重量%以上，最佳為100重量%。
鐿是與鋱同樣地，軌角動量(orbital angular momentum)L=3，因此為常磁性元素，是於波長320 nm~633 nm處無吸收的元素。因此，鐿是最適合用於該波長帶的隔離器的元素。
另一方面，鋱的伐得常數大於鐿，但於波長320 nm~380 nm、450 nm~550 nm處存在吸收。因此，製作儘可能多地含有該鐿的化合物，可加大該化合物的伐得常數，可加大法拉第旋轉角。
進而，要製作於波長320 nm~633 nm處無吸收的化合物，其他的構成元素於該波長帶內亦必須為透明，最適合該波長帶的化合物是與在波長320 nm~633 nm處無吸收的元素的氧化物。
此處，決定光隔離器大小的因素是伐得常數、磁場的大小。並且，為了使光隔離器小型化，必須開發能夠儘可能地縮短作為其構成零件的法拉第轉子的材料。
因此，已判明：較為理想的是，於所使用的波長中，伐得常數為0.20分鐘/(Oe．cm)以上，若伐得常數小於0.20分鐘/(Oe．cm)，則在所使用的磁場中，法拉第轉子的長度將達到10 mm以上，隔離器形狀與透過損耗將變大。
並且，進一步討論、實驗的結果發現：若為以重量比換算含有95重量%以上的氧化鐿的材料，則伐得常數將達到0.20分鐘/Oe．cm以上，法拉第材料的長度為10 mm以下，可實現隔離器的小型化，並且對於波長320 nm~633 nm的光幾乎不會發生吸收。
以上述式(I)所表示的氧化物既可為單晶體，亦可為陶瓷。作為此種單晶體、陶瓷的製造方法，可參照日本專利特開2011-150208號公報等。
再者，當使用單晶體作為隔離器的法拉第轉子時，較佳為於切斷後，藉由研磨劑等來對表面實施鏡面精加工。研磨劑並無特別限定，例如可例示膠質二氧化矽(colloidal silica)。
可用於本發明的法拉第轉子較佳為，於本發明的光隔離器中的上述樣品長L(cm)中，具有1 dB以下的插入損耗與30 dB以上的消光比，若考慮向光隔離器的搭載及其裝配誤差(error)，更佳為具有0.5 dB以下的插入損耗與35 dB以上的消光比。若處於上述範圍內，則在可製作具有低損耗且高隔離(isolation)的光學特性的光隔離器的觀點上較佳。
再者，插入損耗及消光比等的光學特性是依照常法，於波長405 nm處進行測定。再者，測定條件設為25±10℃，且於大氣中進行測定。
可用於本發明的法拉第轉子較佳為，波長405 nm且樣品長Lcm(0.25≦L≦0.45)處的透過率(光的透過率)為80%以上，更佳為82%以上，最佳為85%以上。透過率較佳為高，其上限並無特別限定，可為100%以下。
透過率是根據使波長405 nm的光透過厚度L cm的法拉第轉子時的光的強度來測定。即，透過率是由以下式來表示。
透過率=I/Io×100
(上述式中，I表示透過光強度(透過厚度L cm的試料的光的強度)，Io表示入射光強度。)
再者，所得的氧化物的透過率並不均勻，在視測定部位而透過率存在變動的情況下，取任意10點的平均透過率來作為該氧化物的透過率。
於本發明的隔離器中，對包含第1中空磁鐵與第2中空磁鐵單元及第3中空磁鐵單元的中空磁鐵單元群追加說明。
第1中空磁鐵與第2中空磁鐵單元及第3中空磁鐵單元較佳為均採用儘可能小型的永久磁鐵，且為了獲得大的磁場強度，較佳為使用釹-鐵-硼(NdFeB)系磁鐵。
於本發明的隔離器中，較佳為，如圖1所示，將第1中空磁鐵的磁場極性設為光軸方向，且使第2中空磁鐵單元的磁場極性與第3中空磁鐵單元的磁場極性於光軸法線方向上彼此相反。藉由採用該結構，可使給予法拉第轉子的施加磁通密度達到最大。
於本發明的光隔離器的基本設計中，實現小型化的關鍵在於縮短法拉第轉子的長度，因此，藉由組合使用法拉第效應大的法拉第轉子與磁通密度大的磁鐵材(磁鐵)及磁路，可實現小型化。而且，於半導體雷射中成為問題的高功率(high power)光 造成的法拉第轉子的光損耗是由法拉第轉子的透過率與長度來決定，因此透過率越高且長度越短的法拉第轉子就越好。
於本發明的光隔離器中，較佳為，於光軸上更具備2片以上的平板雙折射結晶及1片以上的45度旋光元件。藉由該結構，可製成偏光無依存型的光隔離器。
此時，較佳為，上述平板雙折射結晶的光學軸相對於光軸為大致45°方向，且厚度為1.0 cm以上。例如，於使用金紅石(rutile)單晶體(TiO2)的情況下，可對應於厚度的1/10、即φ1.0 mm的束徑為止，於α-BBO結晶(BaB2O4)的情況下，可對應於厚度的1/30左右、即φ0.35 mm的束徑為止。
伴隨半導體雷射的高輸出化，作為對所搭載的光隔離器的要求事項，可列舉：光隔離器須為偏光無依存型，即，各零件對高功率光具備耐性且不受所傳播的光的偏光狀態影響。為了應對該要求，作為所使用的偏光元件，最佳為利用其折射率差來分離光束的雙折射結晶。作為代表性的雙折射結晶，有於波長400 nm~633 nm處為透明的釩酸釔(YVO4)、金紅石單晶體(TiO2)、於波長350 nm~633 nm處為透明的方解石單晶體(CaCO3)、於波長190 nm~633 nm處為透明的α-BBO結晶(BaB2O4)，只要配合半導體雷射的振盪波長來使用透明的雙折射結晶即可。而且，為了實現前述的偏光無依存化，較佳為，以雙折射結晶的光學軸相對於光軸成大致45度的方式，來實施平板加工。而且，偏光元件的 厚度與異常光的分離距離存在比例關係，因此只要分別精度良好地加工成滿足所需的光束位移(beam shift)量的厚度即可。配置2片該平板型雙折射偏光元件來作為入射出射偏光元件，於這2片偏光元件之間，配置在波長320 nm~633 nm中的任一波長處法拉第旋轉角為45度的法拉第轉子、於同一波長處使偏光面旋轉45度的45度旋光元件、及於其周圍對法拉第轉子的光軸方向給予磁場的磁鐵，從而構成偏光無依存型光隔離器。
於圖3中，沿著光軸來表示光隔離器內的輸入光與回光的偏光面的行為。
於圖3的上段表示輸入光的偏光面的行為。最初，輸入光依照司乃耳定律(Snell's law)而被分離為：向入射偏光元件的光學軸偏光方向位移的異常光、與在相對於光學軸為垂直偏光方向上直進的尋常光這2束光。入射光於入射偏光元件1中，偏光面分別被分離為0度、90度的尋常光、異常光，藉由法拉第轉子4分別向右旋轉45度。1/2波長板的光學軸是於面內設為22.5度而配置，以使該偏光面的角度進一步向右旋轉45度。當於該結構中，若尋常光、異常光透過1/2波長板，則偏光面均向右旋轉45度，因此尋常光、異常光各自的偏光面旋轉90度。其結果，於出射偏光元件6中，在與入射偏光元件1相同的方向上具有光學軸，因此尋常光光束位移成異常光，異常光作為尋常光而直進，兩束光一致，而實現偏光無依存化。
於圖3的下段表示回光的偏光面的行為。回光是利用法拉第轉子的不可逆性，使偏光面逆向地旋轉45°，成為與入射偏光元件成90°的垂直偏光面，從而回光無法透過。
本發明的光隔離器較佳為，將第1中空磁鐵與第2中空磁鐵單元及第3中空磁鐵單元搭載於碳鋼框體中。藉由收納於碳鋼框體中，從而於磁鐵的周圍構成磁軛(yoke)(軛鐵)材，因此可使磁鐵所具備的吸附力或吸引力增大。
再者，如於圖2的說明中所述般，使等分割的4個磁鐵單元的外周外徑與框體10的內徑以磁鐵可插入的方式而大致一致，則僅利用各磁鐵的反磁力便可將2個磁鐵單元固定於框體的內部。
[實施例]
(實施例1)
製作圖1所示結構的405 nm波長帶光隔離器。
作為入射偏光元件1及出射偏光元件6，使用於405 nm處具有高透明性的α-BBO結晶(BaB2O4)，其透光面被加工成1.0 cm厚的平行平板，其光學軸11相對於光軸12而傾斜47.8度。圖1中，是以傾斜方向位於紙面正中的方式而繪出。進而，該平板型偏光元件對透光面施以中心波長405 nm的抗反射膜，並且，為了避免透光面的反射光返回入射光路，將偏光元件底面黏著固定於具備僅5度的傾斜角度的楔玻璃2上，並搭載至偏光元件固定架3。
而且，法拉第轉子4是以位於第1中空磁鐵7的中空部中心 的方式，而固定於磁場分布達到最大的位置，該磁場分布是由將第2中空磁鐵單元8與第3中空磁鐵單元9合起來的所有磁鐵所形成。第2磁鐵單元及第3磁鐵單元如圖2所示，是組合使用等分割為4個的磁鐵。依入射光路順序而配置於法拉第轉子4之後的45度旋光元件5，是使用以人工水晶為材質的1/2波長板，對其透光面施以中心波長405 nm的抗反射膜。
作為法拉第轉子，以0.25 cm~0.45 cm的樣品長來使用波長405 nm處的伐得常數為0.70分鐘/(Oe．cm)以上的鐿氧化物。於法拉第轉子的外周，配置有包含釹-鐵-硼(NdFeB)系磁鐵的中空磁鐵。於該中空磁鐵兩側，配置磁場極性相反且相對於光軸而在90度方向上等分割為4個的中空磁鐵單元，分割的各磁鐵的磁場極性構成設為光軸法線方向的磁路。而且，於磁鐵及磁鐵單元的外側，配置有碳鋼框體。
再者，前述的光束位移量是依存於平行平板偏光元件的厚度。於將平行平板偏光元件的厚度設為1.0 cm的本實施例中，光束位移量為約0.35 mm。回光亦自入射位置分別上下相隔0.35 mm而分離並出射，因此若考慮光隔離器功能，作為最大束徑(1/e2)，可應對至φ0.35 mm為止。而且，於基於縮小高功率光的功率密度等的目的，而採用更大的束徑的情況下，要確保法拉第轉子的有效區域，只要將平行平板偏光元件的厚度設為1.0 cm以上的任意大小即可。
接下來，對於本實施例1中使用的法拉第轉子4的詳細進行說明。作為材料，使用含有100重量%的鐿氧化物的Yb2O3陶瓷。上述Yb2O3陶瓷是依照日本專利特開2011-150208號公報中記載的方法而製作。具體而言，將高純度Yb2O3粉末予以粉碎後，添加乙醇(ethanol)、乙二醇(ethylene glycol)進行濕式混合，製成漿料(slurry)狀，並使用成型器來將該漿料成型。使成型體於氬氣體環境中以1,600℃燒結2小時，從而獲得陶瓷。
於波長405 nm處測定該陶瓷後可知，該陶瓷具有插入損耗0.5 dB、消光比40 dB、伐得常數0.74分鐘/(Oe．cm)的光學特性。再者，此時測定的樣品為外徑(直徑)φ0.3 cm、長度0.4 cm的圓筒形狀。
圖4中，於使實施例1中使用的陶瓷的樣品長在0.25 cm~0.45 cm的範圍內逐次變化0.05 cm的情況下，表示法拉第旋轉角為45度的磁通密度T(104Oe)作為樣品長L的函數。
此處，於前述樣品樣品長為0.4 cm的情況下，若根據實施例1的伐得常數(0.74分鐘/(Oe．cm))值計算法拉第旋轉角為45度的磁通密度，則可知，所需的磁通密度為約9,100[Oe](=0.91[T])。
(比較例1)
如圖4所示，作為比較例1，製作將含有50重量%的鐿氧化物的Yb2O3陶瓷(伐得常數0.37分鐘/(Oe．cm))作為法拉第轉子的光隔離器。
若計算對該Yb2O3陶瓷施加的磁通密度，則可知：於樣品長0.4 cm時所需的磁通密度為約18,200[Oe](=1.82[T])，同樣地，於表示磁通密度的下限值的樣品長0.45 cm時，所需的磁通密度為約16,000[Oe](=1.6[T])。
因而，於本發明的光隔離器中，磁通密度相對於樣品長的關係具有實施例1所示的關係，均處於滿足前述<1>中的式(1)的範圍內。
與Yb2O3為50重量%的法拉第轉子中所用的磁鐵相比，本發明的隔離器中，可減小法拉第轉子的樣品長及施加的磁通密度，因此可縮小磁鐵的外徑，其結果，可實現光隔離器的小型化。除了光隔離器的製品形狀的小型化以外，還可實現自光隔離器洩漏至外部的磁場的降低。
為了將其具體化，將各磁鐵外徑作為參數，並藉由磁場分析來求出所獲得的磁通密度分布。作為分析方法，選擇有限元素法(JMAG-Designer)，磁鐵材質採用信越化學工業(股)製釹-鐵-硼(NdFeB)磁鐵，框體10的材質採用碳鋼。將模擬(simulation)結果示於圖5。
再者，圖5中的磁鐵的內徑φ(直徑)及φ外徑(直徑)如下。
實施例1(樣品長0.45 cm)：磁鐵內徑φ0.4 cm、外徑φ1.4 cm
實施例1(樣品長0.40 cm)：磁鐵內徑φ0.4 cm、外徑φ1.6 cm
實施例1(樣品長0.25 cm)：磁鐵內徑φ0.4 cm、外徑φ2.4 cm
比較例1(樣品長0.45 cm)：磁鐵內徑φ0.4 cm、外徑φ3.4 cm
圖5中，Z(cm)表示自配置法拉第轉子的中心軸算起的距離，0 cm表示中心軸上的中央(所配置的法拉第轉子的正中)。即，於法拉第轉子的樣品長為0.45 cm的情況下，法拉第轉子的端點相當於Z=±0.225 cm，同樣地，於法拉第轉子的樣品長為0.40 cm的情況下，法拉第轉子的端點相當於Z=±0.20 cm。
圖5的模擬結果可知，相對於光軸方向(Z)，可獲得穩定的磁通密度。
滿足式(1)、式(2)的上限磁通密度表示實施例1中的樣品長0.25 cm的磁通密度分布，下限的磁通密度表示實施例1中的樣品長0.45 cm的磁通密度分布，各磁鐵形狀如上所述，設為內徑φ0.4 cm、外徑φ1.4 cm(下限值)~φ2.4 cm(上限值)。
為了滿足給予實施例1中所使用的法拉第轉子4(樣品長0.4 cm、外徑φ0.3 cm)的磁通密度9,100[Oe](=0.91[T])，圖5中的實施例1(樣品長0.40 cm)為最佳。根據該結果，對於採用實施例1的結構時使用的磁鐵形狀，在將第1中空磁鐵、第2中空磁鐵及第3中空磁鐵加以組合而實際製作時，設為內徑φ0.4 cm、外徑φ1.6 cm、長度3.2 cm。於波長405 nm處實測該組裝結構品的法拉第旋轉角，結果為45.0度，與模擬結果一致。於其中將於405 nm處為透明的α-BBO結晶(BaB2O4)作為偏光元件來 裝配光隔離器，便可製作具有插入損耗0.7[dB]、隔離35[dB]的光學特性的光隔離器。
關於使用作為比較例1所示的現有結構的下限值的樣品長0.45 cm中的Yb2O3為50%的陶瓷的磁鐵形狀，為內徑φ0.4 cm、外徑φ3.4 cm、長度3.8 cm，因此若比較兩者則可知，於本發明中，與現有品相比，可實現體積比80%的尺寸降低(size down)。
而且，普遍知曉的是，伐得常數存在波長依存性，若波長變長，則常數會變小。因此，亦於作為320 nm~633 nm中的上限波長的633 nm處，評價伐得常數。其結果可知，對於分別使用的Yb2O3陶瓷的伐得常數，相對於比較例1的0.11分鐘/(Oe．cm)，於實施例1中滿足0.22分鐘/(Oe．cm)及著眼於法拉第轉子的短條化的0.20分鐘/(Oe．cm)。因而，本發明的光隔離器展現出：所使用的各零件及其結構於320 nm~633 nm波長帶中具備低損耗且高隔離的特性，可作為充分小型化的光隔離器而發揮作用。
1‧‧‧入射偏光元件
2‧‧‧楔玻璃
3‧‧‧偏光元件固定架
4‧‧‧法拉第轉子
5‧‧‧45度旋光元件
6‧‧‧出射偏光元件
7‧‧‧第1中空磁鐵
8‧‧‧第2中空磁鐵單元
9‧‧‧第3中空磁鐵單元
10‧‧‧框體
11‧‧‧光學軸
12‧‧‧光軸
L‧‧‧樣品長

Claims (10)

  1. 一種光隔離器，其用於320 nm~633 nm波長帶，上述光隔離器的特徵在於包括：波長405 nm中的伐得常數為0.70分鐘/(Oe．cm)以上的法拉第轉子；以及第1中空磁鐵與第2中空磁鐵單元及第3中空磁鐵單元，上述第1中空磁鐵配置於上述法拉第轉子的外周，上述第2中空磁鐵單元及上述第3中空磁鐵單元是在光軸上夾著上述第1中空磁鐵而配置，上述第2中空磁鐵單元及上述第3中空磁鐵單元包含相對於上述光軸而在90度方向上等分割的2個以上的磁鐵，對上述法拉第轉子施加的磁通密度B(Oe)處於下述式(1)的範圍內，配置上述法拉第轉子的樣品長L(cm)處於下述式(2)的範圍內，0.8×104≦B≦1.5×104 (1) 0.25≦L≦0.45 (2)。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的光隔離器，其中上述法拉第轉子含有95重量%以上的下述式(I)所表示的氧 化物，Yb2O3 (I)。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的光隔離器，其中上述氧化物為單晶體。
  4. 如申請專利範圍第2項所述的光隔離器，其中上述氧化物為陶瓷。
  5. 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述的光隔離器，其中上述法拉第轉子在樣品長L(cm)中具有1 dB以下的插入損耗與30 dB以上的消光比。
  6. 如申請專利範圍第1項至第5項中任一項所述的光隔離器，其中上述第1中空磁鐵與上述第2中空磁鐵單元及上述第3中空磁鐵單元包含釹-鐵-硼(NdFeB)系磁鐵。
  7. 如申請專利範圍第1項至第6項中任一項所述的光隔離器，其中將上述第1中空磁鐵的磁場極性設為光軸方向，使上述第2中空磁鐵單元及上述第3中空磁鐵單元的磁場極性在光軸法線方向上彼此相反。
  8. 如申請專利範圍第1項至第7項中任一項所述的光隔離器，更包括： 2片以上的平板雙折射結晶及1片以上的45度旋光元件。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的光隔離器，其中上述平板雙折射結晶的光學軸相對於光軸為大致45度方向，且厚度為1.0 cm以上。
  10. 如申請專利範圍第1項至第9項中任一項所述的光隔離器，其中上述第1中空磁鐵、上述第2中空磁鐵單元及上述第3中空磁鐵單元被搭載於碳鋼框體的內部。
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