WO2004025354A1

WO2004025354A1 - 光アイソレータ、及びこれを用いたレーザ発振器

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Publication number: WO2004025354A1
Application number: PCT/JP2003/011228
Authority: WO
Inventors: Mikio Geho; Norio Sekijima
Original assignee: Murata Manufacturing Co., Ltd.
Priority date: 2002-09-09
Filing date: 2003-09-03
Publication date: 2004-03-25
Also published as: AU2003261894A1

Abstract

特にヴェルデ定数（Ｖ）が大きく、可視光領域においても光透過率が高いという特性を有するＴＡＧ単結晶をファラデー回転子に用いた光アイソレータである。光アイソレータは常磁性体からなるファラデー回転子と、それぞれに少なくとも１つ以上の永久磁石を有する第１の構成部及び第２の構成部と、偏光子と、検光子と、を具備し、前記ファラデー回転子は、前記第１の構成部と前記第２の構成部との間に光軸方向に沿って配置され、前記第１の構成部及び前記第２の構成部のファラデー端子側の端面と前記ファラデー回転子の端面とが同面上に存在するように配置されており、前記ファラデー回転子を通過する光軸と、前記第１の構成部及び前記第２の構成部が前記ファラデー回転子に及ぼす磁化の向きとが平行となるように設けられていることを特徴とする。

Description

明細書光アイソレータ、及びこれを用いたレーザ発振器技術分野

本発明は、光通信システム等に用いられる磁気光学デバイスであり、特に光源から出射された光が光学素子の端面で反射し、光源に戻ることを防ぐのに好適な光アイソレータ、及びそれを用 t、たレーザ発振器に関するものである。背景技術

近年、 WIS通信量の増大、及び IfiS伝達の高速化にともなって、記録手段としてレーザ一光の読み書き込みによる光記録媒体が主流となってきている。現在光記録媒体として一般的となっている C D— Rは波長が 7 7 0 n m~ 7 9 0 n mのレーザー光を使用しており、さらに高密度記録が可能で波長領域が 6 3 3 n mに対応可能な D V D - R , D V D— R W、 D V D —R A M等の記録方式が台頭してきている。このような光記録媒体の市場においては、より波ヽレーザー光を用いることによつて記録密度を高めることが求められており、例えば青紫レーザ一光による書き込みが提案されている。例えば、 B I u—r a yと名づけられた次世代記録方式においては、およそ 4 0 5 n m〜4 1 0 n mの青紫レーザー光を用いることが提案されており、記録密度の高度ィ匕が盛んに行われている。

このような 1f¾記録手段としてレーザ一光で読み込み、または書き込みする際に、光源であるレーザー発振器の出力を強くしなければならない。このため、レーザー発振器からレーザ一光を照射した際に光記録媒体に反射し、またもとのレーザー発振器に戻ってくる、いわゆる戻り光も強くなると考えられる。このように戻り光が強くなるとレーザー発振器の発振精度が不安定になるという問題が生じる。そこで、従来から活用が求められていた光アイソレータが再び注目されるようになった。この光アイソレータは一方向に光を通し反対方向には光を通さない磁気光学デバイスである。以下に光アイソレ一夕の原理について具体的に説明する。

この光アイソレータは少なくともファラデー回転子と偏光子と検光子とからなリ、偏光子及び検光子は光の入射方向に対してファラデー回転子の前後に配置される。この光アイソレ一夕はファラデー回転子に磁界を加えて磁場が発生した状態で光を入射した時に、ファラデー回転子の中でその偏光面が回転するという性質（ファラデー効果）を利用している。より具体的に説明すると、一方向から入射した光のうち偏光子と同じ偏光面をもつ光は、ファラデー回転子の中で光の進行方向に対して 45° 回転して出射する。これに対して入射方向と逆方向から入射する戻り光は、検光子によってこれと同じ偏光面をもつ戻り光のみが通過する。そして検光子を麵した戻り光はファラデー回転子の中で、最初の入射方向に対してさらに偏光面が 4 5。回転するので、偏光子と直角の偏光面となり、光は偏光子を通過することはない。

このようなファラデー効果を利用した光アイソレータにおいて、ファラデー回転子を形成する常磁性材料の特性として、ヴエルデ定数 (V： (d eg/(Oe-cm)) が大きいことが求められている。ヴ工ルデ定数とは単位長さ単位印加磁場あたりのファラデー回転角を意味し、偏光した光の角度を示すファラデー回転角（0 _f)、ファラデー回転子を通る光の移動距離（d)、及びファラデー回転子にかかる磁界強度 (H) から、 0_f = VHdの関係で表される。このことから、ファラデー回転角（0_f) を所望の一定角度にするには、ヴェルデ定数 (V) が大きい方がファラデー回転子のサイズを小さくすることができ、磁気光学デバイスの小型化が図れるため好ましいことか'わかる。

上記のようなファラデー回転子の磁性材料として従来は強磁性体でファラデー回転角（ Θ _f ) が大きいィッ卜リゥ厶鉄ガーネッ卜構造 (Y₃Fe₅0₁₂：以下 Y I Gと略す）の単結晶が用いられていた。しかしながら、 Y I G単結晶は、光の波長領域が 1000nm〜 5000η mの光しか透過できず、次世代記録方式の記録波長である 400nm〜600nmという可視光線領域はもとより C D_ Rの記録波長である 790 n mにおいても用いることができないという問題があった。

そこで、ヴェルデ定数 (V)が大きく、可視光領域においても光透過率の高い磁性体材料として、少なくとも Tbと A Iとを含む常磁性ガーネット（Tb₃A I ₅0₁₂：以下、 TAGと略す）の単結晶を用いることが考えられた。この TAG単結晶は常磁性材料の中でもヴエルデ定数（V)が高く、光の波長が 500nm~ 1400n mと広い範囲おいて十分に高い光透過率が得ることができ、特に光の波長が 400 nm〜600 n mである可視光領域においても、高い透過率が得られることが明らかになっている。このような T A G単結晶のファラデー回転子を形成した光アイソレー夕として、特開平 9— 68675号公報にはファラデー回転子の両側部にそれぞれ 4個、すなわち計 8個の永久磁石が設けられている光アイソレー夕が開示されている。また、特開 2001— 209006号公報にはファラデー回転子全体を内包する円筒永久磁石を用いた光アイソレー夕が開示されている。

しかしながら、特開平 9一 68675号公報の光アイソレータは、光軸と永久磁石の磁ィ匕方向とが垂直に交差するため、 TAG単結晶のファラデー回転子にかかる磁場の強さが不均一になるという問題が生じた。このため、ファラデー回転角（0_f) を所望の角度に調整することは困難であった。また、特開 2 0 0 1— 2 0 9 0 0 6号公報の光アイソレータは、円柱状のファラデー回転子全体を内包するように円筒状永久磁石が形成されているが、シミュレ一ションを行ったところ、ファラデー回転子の光軸の向きに発生する磁場の強さが弱くなることが判明した。このため、ファラデー回転角 ( Θ _f ) を所望の角度とするためには、ファラデー回転子の長さを長くする必要があり、光アイソレータの小型化を図ることが困難であった。

本発明の目的は、上述の問題点を解決するべくなされたもので、光アイソレータ、特にヴエルデ定数 (V) が大きく、可視光領域においても光透過率が高いという特性を有する T A G 単結晶をファラデー回転子に用いた光アイソレー夕であって、ファラデー回転子にかかる磁場強度が高く、かつ磁場が均一にかかリ、小型化が可能な光アイソレータ及びこれを用いたレーザ発信器を提供することにある。発明の開示

本願第 1の発明の光アイソレー夕は、常磁性体からなるファラデー回転子と、それぞれに少なくとも 1つ以上の永久磁石を有する第 1の構成部及び第 2の構成部と、偏光子と、検光子と、を具備する光アイソレータであって、前記ファラデー回転子は、前記第 1の構成部と前記第 2の構成部との間に光軸方向に沿って配置され、前記第 1の構成部及び前記第 2の構成部のファラデー端子側の端面と前記ファラデー回転子の端面とが同面上に存在するように配置されており、前記ファラデー回転子を通過する光軸と、前記第 1の構成部及び前記第 2の構成部が前記ファラデー回転子に及ぼす磁化の向きとが平行となるように設けられていることを特徴とする。このことによって、ファラデー回転子に十分な磁場強度を与えることができ、かつファラデー回転子における磁場分布を均一にすることができる。そして、ファラデー回転角（0 _f ) を所望の回転角度となるように制御しやすくなリ、ファラデー回転子の小型化を図ることができる。

また、本願第 2の発明の光アイソレー夕は、常磁性体からなるファラデー回転子と、それぞれに少なくとも〗つ以上の永久磁石を有する第 1の構成部及び第 2の構成部と、偏光子と、検光子と、を具備する光アイソレー夕であって、前記ファラデー回転子は、前記第 1の構成部と前記第 2の構成部との間であって、前記第 1の構成部及び前記第 2の構成部と前記ファラデー回転子との間に光軸方向に沿って所定のクリアランスを有するように配置されており、前記ファラデー回転子を通過する光軸と、前記第 1の構成部及び前記第 2の構成部の少なくとも一方が前記ファラデー回転子に及ぼす磁化の向きとが平行となるように設けられていることが好ましい。このことによって、さらにファラデー回転子にかかる磁場を強くでき、磁場分布を均一にすることができる。その結果、よりファラデー回転角 {Θ _f) を所望の回転角度に調整することができ、ファラデー回転子、しいては光アイソレータの小型化が可能となる。

また、本願第 3の発明の光アイソレータは、前記第 1の構成部、及び前記第 2の構成部のファラデー回転子側の端面と前記ファラデー回転子の端面との間にスぺーサが設けられることが好ましい。このことによって、ファラデー回転子にかかる磁場の強度を調節することを容易に ίララことか'できる。

また、本願第 4の発明の光アイソレータは、前記ファラデー回転子の形状が円柱状であり、前記永久磁石の形状が円筒状であることが好ましい。このことによって、ファラデー回転子における磁場分布をより均一にすることができる。これにより、ファラデー回転角 (Θ _f) を所望の回転角度に調整することが可能となり、挿入損失（I . し）及びアイソレーション（I s o) の高い光アイソレー夕を提供することができる。

また、本願第 5の発明の光アイソレータは、前記ファラデー回転子が少なくとも Tb と A Iとを含む常磁性ガーネット単結晶からなることが好ましい。このことによって、ファラデ一回転子として少なくとも T bと A Iとを含む常磁性ガーネッ卜単結晶、例えば TAG単結晶等を用いることによって、波長が 400-600 nmの可視光領域においても戻り光の抑制が可能な光アイソレータを提供することができる。

また、本願第 6の発明の光アイソレータは、本願第 5の発明のファラデー回転子の光軸方向の結晶方位が <1 1 0>方位に対して 0° ~1 0° の角度を有する方位であることが好ましい。このことによって、磁界はぐ 1 1 0>方位に対して 0° 〜1 0° の角度をなす方位に平行に磁界が印加されることになる。このとき、光アイソレータの実効的なヴエルデ定数が他の結晶方位に平行に磁界が印加される場合に比べて大きくなることを本発明者らは見出した。ここでいう実効的なヴエルデ定数とは、印加される磁界の強度（H) 及びファラデー回転子の長さ（d) とを一定にした時に測定したファラデー回転角（0_f) を、 V = 0_fZ Hdの関係式に代入したときに得られた数値であり、ファラデー回転子に用いられる材料によって特定される材料固有のヴエルデ定数とは異なる。このように、実効的なヴエルデ定数がより大きいほど、ファラデー回転角（0_f) として所望な角度が決まっている場合には、小さい磁場強度でも対応可能であったり、ファラデー回転子の長さを短くできる。これにより、光アイソレー夕の小型ィ匕が可能である。

また、本願第 7の発明のレーザ発振器は、光源となる半導体レーザと、集光レンズと、本願第 1〜6の発明のいずれかに記載の光アイソレータとが、直列配置されていることを特徴とする。このことによって、半導体レーザのレーザー光の波長が 400〜600 nmの可視光領域であったとしても出力変動が安定しているため、可視光領域、さらには青紫レーザー光の戻リ光を抑制することができる。図面の簡単な説明

図 1は、本発明にかかる一実施形態の光アイソレータの概略断面図である。

図 2は、本発明にかかる別の実施形態の光アイソレー夕の概略断面図である。

図 3は、本発明にかかる印加される磁場を説明するための光ァイソレ一夕の概略図である。図 4は、本発明にかかる一実施形態のレーザ発振器の概略断面図である。

図 5は、本発明の一比較例の光アイソレータの概略断面図である。

図 6は、本発明の別の比較例の光アイソレ一夕の概略断面図である。発明を実施する為の最良の形態

以下、本発明の光アイソレータの一実施形態について図 1を用いて説明する。なお、ここでいう光軸 Pとは、光の伝播路を説明するための一般的な意味で用いている。また、ここでいう入射とは、光源から照射された光が最初に光アイソレー夕に入ることを示し、出射とは光アイソレータを通過した最初の光が光アイソレータから出ることを示す。図 1 は本発明の光アイソレータ 1の概略断面図を示している。ファラデー回転子 2と、第 1の構成部 3 aと第 2の構成部 3 bと、偏光子 4と検光子 5とから構成さている。

まず、ファラデー回転子 2は、第 1の構成部 3 aと第 2の構成部 3 bとの間において光軸方向に沿って設けられている。すなわち、第 1の構成部 3 aと、ファラデー回転子 2と、第 2 の構成部 3 bとが、この順序で光軸方向に沿って直線上に配置されている。ファラデー回転子 2は光の通過する光軸 Pを構成しており、光軸がファラデー回転子 2の中心を通るように支持材 7にて固定されている。

ここで用いられるファラデー回転子 2は、（Hg， Cd) T e、 Z n S e、 B i ₁₂G e O₂₀、 T b₃G a₅0₁₂等を用いることができるが、少なくとも T bと A Iとを含む、テルビニゥ厶■アルミニウム系常磁性ガーネッ卜単結晶からなることが好ましい。具体的には、 Tb₃A I ₅0₁₂またはその Tbサイ卜を Dy、 H o、 E r、及び Tm等の希土類元素で置換したものを用いてもよいが、ヴエルデ定数が大きく、 400~600 nmという可視光領域においても好適な光透過率を得るには T b₃A I ₅0, ₂が最も好ましい。また、ファラデー回転子 2としては、透磁率が 1 2以上であることが好ましい。このような透磁率を有することによって、磁束がファラデー回転子内に収束されやすくなリ、ファラデー回転子にかかる磁場強度をより大きいものにできる。また、ファラデー回転子 2の端面とは、ファラデー回転子の光軸に対して垂直な面であり、光が入射及び出射する面を示す。

また、ここで用いられるファラデー回転子 2として、少なくとも T bと A Iとを含む、テルビニゥ厶 ·アルミニウム系常磁性ガーネット単結晶を用いた場合、ファラデー回転子 2の光軸方向の結晶方位を < 1 1 0 >方位に対して 0 ° 〜1 0 ° の角度をなす方位とすることが好ましい。ここで、 < 1 1 0 >方位に対して 0 ° 〜1 0 ° の角度をなす方位とは、 < 1 1 0 >方位、または < 1 1 0 >方位を中心とした立体角が 1 0 ° 以内の方位であることを示す。このように、磁界の印加方向と光軸方向とが平行にし、かつファラデー回転子の光軸方向の結晶方位を上記範囲とした場合、ファラデー回転子の実効的なヴエルデ定数が大きくなることを見出した。これにより、同じ磁場強度であれば、ファラデー回転子を小型化することができ、ひいては光アイソレータの小型化が可能となる。また、ファラデ一回転子の長さが同じ場合は、より小さい磁場強度でも精度の優れた光アイソレータを提供することができる。

また、ここで用いられる第 1の構成部 3 a、及び第 2の構成部 3 bは、それぞれに少なくとも 1つ以上の永久磁石を有していればよい。具体的には、第 1の構成部 3 a、及び第 2の構成部 3 bのそれぞれが 1つの永久磁石から構成されてもよいし、第 1の構成部 3 a及び第 2の構成部 3 bのそれぞれに、複数個の永久磁石を有していてもよい。また、それぞれの構成部に永久磁石が少なくとも 1つ以上設けられていれば、この永久磁石が及ぼす磁化により磁場が生じ得るような F e、 C o、 N i等の磁性体材料を有していてもよい。なお、ここで用いられる永久磁石としては、 N d ₂ F e， ₄ B、 S m (C 0— F e— C u Z r ) ₇、 S m (C o— F e— C u )、 S m— P r— C o ₅等の希土類永久磁石、酸化鉄系からなるフェライ卜系磁石が用いることが好ましい。また、それぞれの構成部における端面とは、各構成部の光軸方向に対して垂直となる面であり、光が入射及び出射する面を示す。

第 1の構成部 3 a及び第 2の構成部 3 bに設けられている永久磁石には光を導入するための空孔 6が設けられている。この空孔 6を光がし、かつ空孔 6と光軸 Pとが平行となるように第 1の構成部 3 a及び第 2の構成部 3 bが設けられている。このような構成にすることにより、光軸 Pに対して磁界 Mが平行に生じることになる。この空孔 6は光束の断面よリも大きいことが好ましい。これは、入射する光が第 1の構成部 3 a及び第 2の構成部 3 bのうち、空孔 6以外の部分に反射して光が乱反射することを防止するためである。

さらに、第 1の構成部 3 aとファラデー回転子 2との間、及び第 2の構成部 3 bとファラデ一回転子 2との間には、光軸方向に対して所定のクリアランスを設けるか、もしくは第 1の構成部 3 a及び第 2の構成部 3 bのファラデー端子側の端面と、ファラデー回転子 2の端面とが同面上にあリ、ファラデー回転子 2と第 1の構成部 3 a及び第 2の構成部 3 bとが図 1のように隙間なく並設されていることが好ましい。具体的には、ファラデー回転子 2として T A G 単結晶を用い、かつ第 1の構成部 3 a及び第 2の構成部 3 bとしてネオジゥ厶系のものを用いた場合、第 1の構成部 3 a及び第 2の構成部 3 bのファラデー回転子側の端面からファラデー回転子 2の端面までの距離は 0 ~ 1 0 0 0 t m程度が好ましヽ。この距離は、用 tゝる永久磁石の大きさ、強さ、及びファラデー回転子 2の磁性体材料のヴェルデ定数によって適宜調整可能であるが、このように構成することによって、ファラデー回転子 2にかかる磁場強度をより大きくすることができる。

また、偏光子 4及光子 5が、ファラデー回転子 2に光が入射する前、及びファラデー回転子 2から光が出射した後に設けられている。より具体的には、偏光子 4は第 1の構成部 3 aの端面側であれば、第 1の構成部 3 aの光の入射側、及びファラデー回転子 2側のどちらに設けられても良い。また、検光子 5は第 2の構成部 3 bの端面側であれば、ファラデー回転子 2側、及びファラデー回転子を JI した光の出射側のどちらに設けられてもよい。偏光子 4及赚光子 5のいずれの場合も、第 1の構成部 3 a及び第 2の構成部 3 bの空孔 4の直径以上の断面を有していればよい。また、偏光子 4及纖光子 5の表面には、反射損失を低減するため、反射防止コーティングを施すことが好ましい。そして、このように配置されたファラデー回転子 2、第 1の構成部 3 a及び第 2の構成部 3 b、偏光子 4、及び検光子 5を固定するために、ホルダ 8にて固定しておいてもよい。なお、ここで用いられる偏光子 4及び検光子 5には、延伸ポリマー、もしくはルチル及び方解石（C a C 0₃) 等のからなる単結晶偏光子等を用いることができる。また、細い金属製ワイヤを複数個用意し、隣合う各ワイヤが一定方向に平行となるように並べて板状にしたものを用いることもできる。

また、ここで用いられる保持材 7は設けても設けなくてもよいが、設ける場合は、光を透過することがなく、かつ硬度の高いものが好ましい。例えば、樹脂、はんだ、低融点金属、及び透過性の低いガラス等を用いることができるが、保持材の透磁率は空気と同程度、もしくは 1程度ものが好ましい。この保持材 7は、第 1の構成部 3 a及び第 2の構成部 3 bとの間にファラデー回転子 2の中心が光軸を通るように保持し、第 1の構成部 3 a及び第 2の構成部 3 b と一定の距離を保つことができる。特に保持材 7として、エポキシ樹脂等の樹脂を用いる場合は、ファラデー回転子 2である T A G単結晶の形状を整える前に、上記樹脂で覆い乾燥させて一定の固形物とした後に T A G単結晶とともに加工することができる。この場合、非常に小さい T A G単結晶であっても加工を容易に行うことができ、ファラデー回転子 2の厚みを一定に保ちやすい。

上記のような構成の光アイソレータ 1に光が入射した場合の作用について図 3を用いて説明する。第 1の構成部 3 a及び第 2の構成部 3 bは、それぞれに少なくとも 1つ以上の永久磁石を有しているため、光軸と平行に磁場が生じる。この磁場が常磁性体のファラデ一回転子に集中し、光軸方向に強力で均一な磁場を生じさせることになる。その原理を詳細に説明する。例えば、特許文献 2の構成（図 3の（B ))の構成の場合、ファラデー回転子 4 2にかかる磁力線は円筒状永久磁石 4 3の外側面側、及び内側面側を大きく回っているに過ぎない。このため、円筒状永久磁石 4 3の中央内部に設けられたファラデー回転子 4 2は、弱い磁場しか生じない。しかしながら、本願第 1の発明の構成（図 3の（A )) のように、ファラデー回転子 2を、永久磁石を有する第 1の構成部 3 a及び第 2の構成部 3 bとの間に光軸方向に沿って設けられ、前記第 1の構成部 3 a及び前記第 2の構成部 3 のファラデー回転子 2側の端面と前記ファラデー回転子 2の端面とが同面上に存在するようにファラデー回転子 2を設けることによつて、一方の構成部のファラデー回転子側の端面から、他方の構成部のファラデー回転子側の端面に向けても磁場が生じることになる。ここで、発生する磁場は透磁率の低 t \樹脂製ホルダや空気中に比べて、透磁率の高いファラデー回転子 2の内部側により多く収束され通過することを見出した。

また、本願第 2の構成のように、第 1の構成部 3 a及び第 2の構成部 3 bとの間に所定のクリアランスを設けて形成されているファラデー回転子 2 (図 3の（C)) の場合も、一方の構成部のファラデー回転子側の端面から、他方の構成部のファラデー回転子側の端面に向けて発生する磁場は、磁力線が示すように、透磁率の高いファラデー回転子 2の長さ方向に平行に発生する。特に、クリアランスが設けられている分、ファラデー回転子 2の角部においても磁場が光軸方向に対して平行に印加されるため、ファラデー回転子 2にかかる磁場強度の平均値を大きくすることができる。

上記のことから、本願発明のような構成にすることによって、磁束は常磁性体のファラデー回転子 2に集中することになり、光軸方向に強力で均一な磁場を生じさせることになる。そのため、偏光子 4と同じ偏光面を有した光が、偏光子 4を通過してファラデー回転子 2内において、入射光を光軸に対して精度よく 4 5 ° に回転させることが可能となる。そして 4 5 ° 回転した光は、そのまま検光子 5を通過して出射される。また、入射方向とは逆方向から入射する戻り光についても、光軸に対して平行に強力で均一な磁場が生じている。このため、検光子 5と同じ偏光面を有する戻り光が通過した後、ファラデー回転子 2内を通過する際にも、強力な磁場の影響で偏光面が精度よく、入射した光に対してさらに 4 5 ° 回転されることになる。これにより、ファラデー回転子 2を通過した戻り光は偏光子 4と直角の偏光面を有することになるため、光が偏光子 4から出射されることはない。

ここで別の実施の形態についても述べていく。本発明における第 1の構成部 3 a及び第 2 の構成部 3 bに設けられた永久磁石は光を通過させる空孔 6を有していればどのような形状であってもよいが、円筒状であることが好ましい。このような形状を有していれば磁場が均一にファラデー回転子 2に印加される。また、円筒状である第 1の構成部 3 a及び第 2の構成部 3 [間に合わせて、ファラデー回転子 2の形状も円柱状であることが好ましい。このような形状のファラデー回転子 2を用いた場合、加工が容易なだけではなく、第 1の構成部 3 a、及び第 2の構成部 3 bの円筒状の永久磁石から発する磁場が回転対象となりファラデー回転子 2に均一に磁場がかかるため好ましい。

また、第 1の構成部 3 a及び第 2の構成部 3 bに設けられた永久磁石の形状を円筒状とし、ファラデー回転子 2の形状を円柱状としたとき、永久磁石の内径とファラデー回転子 2との直径とが同一、もしくはファラデー回転子 2の直径のほうが小さい方が好ましい。永久磁石の内径ょりもファラデー回転子の直径が大きい場合は、ファラデー回転子にかかる磁場の強さが弱くなるため好ましくない。

さらに別の実施形態を図 2を用いて説明する。図 2は、本発明の別の実施形態の光ァイソレー夕 1 1を示す概略断面図である。図 2のうち図 1と異なる点は、図 1の構成にさらに第 1 の構成部 1 3 aとファラデー回転子 1 2との間、及び第 2の構成部 1 3 bとファラデー回転子 1 2との間にスぺーサ 1 9を設けている。このスぺ一サ 1 9を設けることによって、第 1の構成部 1 3 aおよび第 2の構成部 1 3 bと、ファラデー回転子 1 2との間に構成された所定のクリアランスを一定に保ちやすい。そのため、第 1の構成部 1 3 a及び第 2の構成部 1 3 bが印加する磁場の強さを容易に調整することができ、安定化させることができる。ここでいぅスぺ —サ 1 9とは、第 1の構成部 1 3 a及び第 2の構成部 1 3 bの端面とファラデー回転子 1 2の端面との幅を調整するために用いられるものであって、透磁率が 1程度の磁場に影響を与えない材料からなり、光軸の位置に孔が空けられている等厚状のものである。具体的には、フィル厶、レジス卜コーティング、接着剤、セロハンテープ等が用いることができることが可能であるがこれに限るものではない。

【実験例 1 ]

以下、本発明の光アイソレー夕のファラデー回転子として T A G単結晶を用いる場合の具体的な製造方法、及びその特性評価を行った。まず、常磁性ガーネッ卜多結晶の出発原料として、 T b ₄0₇ (純度 99 · 9%)及び A I ₂ 0₃(純度 99. 99%)を用意し Tb₃A I ₅0₁₂となるように秤量した。次に調合した出発原料の混合粉末に純水を加えて玉石とともに約 24時間混合し、混合された混合粉末をァスピレ一夕でした後に乾燥機で乾燥させた。乾燥された混合粉末をメッシュに通して混合粉末の粒度を調整し、電気炉を用いて 1200°Cで 2時間の仮焼を行った。この仮焼して得られた混合粉末を粉砕した後、混合粉末に有 < Aィンダ及び溶剤を加えて玉石とともに数時間混合した後、スラリー状の混勿を得た。この混勿を成形機で円柱状に成形した後、電気炉において

1 600°C2時間で焼成し、円柱状の TAG多結晶体を得た。なお、ここで得られた TAG多結晶体の密度は 68 %であった。ここでの密度は出発原料組成の理論密度に対する相対密度を示す。

次に、得られた円柱状の丁 AG多結晶体を原料棒とし、別途、種結晶として TAG単結晶を用意した。次に、特願 2002— 242047号に示す CO ₂レーザー F Z (Floating Zone) 装置を用いて、大気中雰囲気において C O ₂レーザー光を照射して T A G多結晶体の端部を加熱し溶融させ、丁 AG多結晶体の溶融部分と種結晶の端部とを溶融接合し、融帯を生成した。続 t \て、 C 0₂レーザー光の領域を TAG多結晶体側へ 30 mm/時間以下の速度で移動させた。この時、 TbA I 0₃相は TAG多結晶体の多孔質部分に析出していることが確認された。また、レーザー光の照射領域の移動によリ、種結晶側の融帯が自然冷却によリ固化されて T A G単結晶が得られた。このようにして得られた TAG単結晶には TbA I 0₃相が析出していない純粋な TAG単結晶であることを確認した。得られた T A G単結晶を切断研磨することによってファラデー回転子とした。

以下、 T A G単結晶をファラデー回転子として用いた場合の特性評価を行った。

まず、本発明のファラデー回転子のヴェルデ定数を測定した。上記のようにして得られた長さ（t) が 1 mmのファラデー回転子 2に磁場 (H) を 1 kOe印加しながら、ランプコー卜分光器を用いて波長領域が 400〜680 nmのレーザー光をファラデー回転子 2に照射した。レーザー光線に平行に磁場を印加しながら検光子 5から出射されたファラデー回転角 (d_f) を測定し、 V = 0_f/ (dXH) の式に代入して実効的なヴエルデ定数を求めた。その結果を表 1に示す。

次に、本発明のファラデー回転子の光吸収係数を測定した。上記のようにして得られた長さ（t) が 1 mmの TAG単結晶の屈折率をプリズムカップリング法により、 n s =1. 86 12 (波長 633 m) と求めた。また、レーザー光の波長を 1 300 nm、及び 1 500 η mでの屈折率を別途求めて、 Ca u c h yフイツティングにより各波長での屈折率を計算し、

400 nm~420 nmでは n s =1. 871 7とした。そして、フレネル反射率（R) を R

= (n s- 1 ) (n s + 1 ) ²を用いて計算した。さらに透過率測定装置を用いて透過率（T) を測定した。このようにして得られたフレネル反射率 (R) と透過率 (T) とファラデー回転子 2の長さ（t) とを用い、多重反射を考慮した光の吸収率 ( ) を式 1を用いて計算した。その結果を表 1に示す。

【式 1】

-Ry+4T"R^l -（1 - )

expf- at)

2TR²

【表 1】

表 1から、 TAG単結晶をファラデー回転子は、波長領域が 400〜680 nmという可視光領域においても高い実効的なヴェルデ定数を有していることがわかる。また、光の吸収係数が 1 cm一¹以下であり、ファラデー回転子が透明であることがわかる。特に 400~420 mという波長領域においても十分に高い実効的なヴ工ルデ定数を有しており、低い光吸収率を有しているため、次世代記録方式として注目されている B I u—r a yの戻り光抑制用として好適に用いられることがわかる。

【実験例 2】

以下に、本願第 1及び第 2の発明の光アイソレー夕の一実施形態と、比較例の磁場強度、標準偏差値、及び CV値を比較した。

(実施例 1 )

実験例 1において得られた TAG単結晶をファラデー回転子とし、長さ 2. 8 mm, かつ断面の直径 1 mmの円柱状に加工した。なお、ここでのファラデー回転子の光軸方向（長手方向）の結晶方位はく 1 00>とした。また、 TAG単結晶の透磁率は 1 3であった。次に第 1 の構成部及び第 2の構成部として、 N d ₂ F e _{1 4} Bからなリ、磁化の強さが 1 . 3丁の永久磁石を 2つ用意した。この永久磁石をそれぞれ長さ 3 mm、内径 1 mm、かつ外径 5 mmの円筒状に加工し、 2つの永久磁石の空孔と、ファラデー回転子の端面とがー直線状となるように、永久磁石で挟み込むように並べた。また、第 1の構成部にあたる永久磁石の端面のうち光の入射面側にルチルからなる偏光子を設けた。さらに第 2の構成部にあたる永久磁石の端面のうち光の出射面側に、偏光子と同様のルチルからなる検光子を偏光子に対して 4 5 °傾けて設けた。ここにお tゝて、各永久磁石のファラデー端子側の端面とファラデー回転子の端面との間に隙間を設けず、同面上に位置するように構成し、 2つの永久磁石とファラデー回転子とを固定して得られた光アイソレータを実施例 1とした。

(実施例 2 )

実験例 1において得られた T A G単結晶をファラデー回転子とし、長さ 2 . 8 mm、かつ断面の直径 1 mmの円柱状に加工した。なお、ここでのファラデー回転子の光軸方向（長手方向）の結晶方位はぐ 1 0 0 >方位とした。ここで、 T A G単結晶の透磁率は 1 3であつた。次に第 1の構成部及び第 2の構成部として、 N d ₂ S d _{1 4} Bからなリ、磁化の強さが 1 · 3 Tの永久磁石を 2つ用意した。この永久磁石をそれぞれ長さ 3 m m、内径 1 mm、かつ外径 5 mmの円筒状に加工し、 2つの永久磁石の空孔と、ファラデー回転子の端面とがー直線状となるように、 7久磁石で挟み込むように並べた。また、第 1の構成部にあたる永久磁石の端面のうち光の入射面側にルチルからなる偏光子を設けた。さらに第 2の構成部にあたる永久磁石の端面のうち光の出射面側に、偏光子と同様のルチルからなる検光子を偏光子に対して 4 5 ° 傾けて設けた。各永久磁石の端面とファラデー回転子の端面との間にスぺーザとして P E Tフイルム 1 0 0 mを設けて、 2つの永久磁石とファラデー回転子とを固定して得られた光アイソレータを実施例 2とした。

また、このようにして作製された実施例のほかに、以下のような比較例の光アイソレータを作製した。

(比較例"

比較例 1として、特許文献 1と同じ図 5のような構成の光アイソレータ 3 1を作製した。具体的には、ファラデー回転子 3 2として実施例と同じ透磁率 1 3の丁 A G単結晶を用意し、永久磁石 3 3として実施例と同様の磁化の強さを有する N d ₂ F e， ₄ Bを 8つ用意した。そして光の入射方向に対してファラデー回転子 3 2の前後それぞれに 4つづつ永久磁石 3 3を形成した。なお、永久磁石 3 3はそれぞれファラデー回転子 3 2の端面部分を取リ囲むように形成されており、ファラデー回転子 3 2の一部が永久磁石 3 3に入り込んだ状態になっている。光の入射方向に対してファラデー回転子 3 2の前方に配置された永久磁石 3 3の磁化方向は、光軸に対して垂直であり、かつ光軸とは離れる方向に差し向けられている。一方、後方に配置された永久磁石 3 3の磁化方向は光軸に対して垂直であり、かつ光軸に向かう方向に差し向けられている。このような構成にした以外は実施例と同様の方法を用いて作成された光アイソレ一夕 3 1を比較例 1とした。

(比較例 2 )

比較例 2として、特許文献 2と同じ図 6のような構成の光アイソレー夕 4 1を作成した。具体的には、フ 7ラデー回転子 4 2として実施例と同じ透磁率 1 3の T A G単結晶を用意し、長さ 2 . 8 mm、かつ断面の直径 1 mmの円柱状に加工した。また、磁化の強さが 1 . 3丁である N d— B— F e系の永久磁石 4 3を 1つ用意した。この永久磁石 4 3をそれぞれ長さ 8 . 8 mm、内径 1 mm、かつ外径 5 mmの円筒状に加工した。このようにして得られた永久磁石 4 3の円筒の中央部に位置するように、上記円柱状のファラデー回転子 4 2を挿入した。このような構成にした以外は、実施例と同様の方法を用いて作製された光アイソレータ 4 1を比較例 2とした。

上記のようにして得られた実施例 1、実施例 2、比較例 1、及び比較例 2につ t、て以下のような特性評価を行った。

まず、実施例 1、実施例 2、比較例及び比較例 2のそれぞれについて磁場強度、標準偏差、及び C V値を以下のように測定した。上記のようにして得られたそれぞれの光アイソレ一夕について、有限要素法を用いたコンピュータ 'シミュレーションによって計算した。ファラデー回転子の半径方向と光軸方向とを 0 . 1 mm間隔のメッシュ状に切断し、各点における光軸方向の磁場強度を計算した。統計処理にょリ、平均値を磁場強度（k AZm)、標準偏差 ( k A/m)、 C V値（％) を測定した。その結果を表 2に示す。

【表 2】

表 2を見て分かるように、本発明の実施例 1及び実施例 2については、磁場強度が 1 8 0 kAZm以上と高い上に、標準偏差及び CV値から磁場分布が均一であることがわかる。一方、比較例 1については磁石が複数個形成されていることから、磁場強度が強いが、磁化方向に複数の磁石を結合させようとした場合、磁石同士が反発しあうため容易に磁化方向を一定化させることができない。このため磁場分布が不均一であることがわかる。また、比較例 2は磁場強度が 60 k AZmであり、実施例 1よリも磁場強度が極端に小さくなることがわかる。そのため、本発明の光アイソレータと同程度の磁場を得ようとした場合、ファラデー回転子の長さは少なくとも 9. 4mmは必要になリ小型化は困難である。

次に、実施例実施例 2、比較例 1、及び比較例 2のそれぞれについて挿入損失（ I · し）を以下のように測定した。まず、波長領域が 408 nmのレーザ光を直径 1 mmのァパチヤ一を通過させ 1 mm径の光線とした後、光アイソレータに対してファラデー回転子の長さ方向に平行に照射した。このときの透過光の強度は PD (フ才卜ディテクター）で検知している。この光アイソレータを過させた時の透過光の強度（I ) と、光アイソレータを通過させないときの透過光の強度（I 0) とを用い、挿入損失（I . し.）を計算式 I . し =1 0X l og (I o/l ) によリ計算した。このとき得られた実施例 1、及び実施例 2のに L. が 1. 0デシベル以上であり挿入損失（I . L.) が小さいことがわかった。一方、比較例 1及び比較例 2は磁場分布が不均一であるため、フ 7ラデー回転子全体にかかる透過光の強度にばらつきが生じ、挿入損失（I · し）が大きくなることがわかった。

さらに、実施例実施例 2、比較例 1、及び比較例 2のそれぞれについてアイソレーシヨン（I s o) を以下のように測定した。まず、波長領域が 408 nmのレーザ光を直径 1 m mのァパチヤ一を通過させ 1 mm径の光線とした後、光アイソレー夕の順方向である偏光子側から光アイソレータに照射し、このときの透過率 Aを測定した。また、光アイソレータを 1 8 0° 回転させ、検光子 5から入射した時の透過率 Bを測定した。このようにして得られた透過率 Aと透過率 Bとの値を計算式 I s o =1 OX I og (AZB)を用いてアイソレーション（I s o) を求めた。このとき得られた実施例 1及び実施例 2は、アイソレーション（I s o) が 20デシベル以上と大きいことがわかった。比較例 1及び比較例 2は磁場分布が不均一であるため、ファラデー回転子全体にかかる透過光の強度にばらつきが生じ、アイソレーション（I s 0)が小さくなることがわかった。

上記のことから、本発明の実施例 1及び実施例 2は、磁場強度、かつ標準偏差及び C V値が優れているため、挿入損失（にし.）及びアイソレーション（I s o)が優れていることがわかる。この結果、波長領域が 400 nm~680 nm、より好適には 400- 420 n mの波長領域においても光アイソレー夕として十分に対応可能であることがわかる。

【実験例 3】

以下、実施例 2のほかに、実施例 3〜実施例 7を用意し、ファラデー回転子の長手方向の結晶方位と実効的なヴエルデ定数との関係について比較した。

(実施例 3)

ファラデー回転子の光軸方向（長手方向）の結晶方位を <1 1 0>方位とした以外は、実施例 2と同様の方法で作製して得られた光アイソレ一夕を実施例 3とした。

(実施例 4)

ファラデー！ ^転子の光軸方向（長手方向）の結晶方位を <1 1 0>方位に対して 5° の角度をなす方位とした以外は、実施例 2と同様の方法で作製して得られた光アイソレー夕を実施例 4とした。

(実施例 5)

ファラデー回転子の光軸方向（長手方向）の結晶方位を <1 1 0>方位に対して 1 0° の角度をなす方位とした以外は、実施例 2と同様の方法で作製して得られた光アイソレー夕を実施例 5とした。

(実施例 6)

ファラデー回転子の光軸方向（長手方向）の結晶方位を <1 1 0>方位に対して 1 5° の角度をなす方位とした以外は、実施例 2と同様の方法で作製して得られた光アイソレー夕を実施例 6とした。

(実施例 7)

ファラデー回転子の光軸方向（長手方向）の結晶方位を <1 1 1 >方位とした以外は、実施例 2と同様の方法で作製して得られた光ァイソレー夕を実施例 7とした

実施例 2〜実施例 7を用いてファラデー回転子のファラデー回転角（ 0 _f ) を以下のように測定した。

測定には、ファラデー回転角測定装置を用いた。具体的には、出力 25 mWで、波長領域が 408 nmのレーザ装置と、偏光子と、第 1の構成部となる永久磁石と、ファラデー回転子と、第 2の構成部となる永久磁石と、回転ホルダーに ¾Bした検光子と、フォトディテクターとをこの順番になるように配置した。次に、磁場 (H) を 1 kOeEll加しながら、レーザ装置からファラデー回転子の長手方向に平行に光を照射し、検光子の回転角からファラデー回転角 (6_f) を測定した。そして、得られたファラデー回転角（0_f) を、 V = 0_f/Hdに代入し、実効的なヴエルデ定数を求めた。実効的なヴェルデ定数が大きいほど、ファラデー回転角（0 _f ) を 4 5 ° とするとき、磁場強度を小さくしたり、ファラデー回転子の長さが短くても光ァィソレー夕として十分に機能することを示す。また、同じく出力 2 5 m Wで、波長領域が 6 3 3 n m、 8 1 0 n mのレーザー装置を用いて実効的なヴェルデ定数を測定した。その結果を表 3に示す。

【表 3】

表 3からわかるように、ファラデー回転子の光軸方向の結晶方位が < 1 Ί 0 >方位に対して 0 ° ~ 1 0 ° の角度をなす方位に、平行に磁界を印加した場合、実効的なヴエルデ定数が'他の結晶方位の場合よりも大きくなつていることが分かった。これにより、ファラデー回転角（0 f ) が 4 5 °である光アイソレー夕として機能させる場合、小さい磁場でも光アイソレータとして十分に機能させることができたり、ファラデー回転子の長さを小さくすることができ、小型化を図れる。

【実験例 4】

また、本発明の光アイソレータを用いたレーザ発振器の一実施の形態を図 4を用いて説明する。図 4は本発明の一実施の形態のレーザ発振器の概略断面図である。本発明のレーザ発振器 2 0は本発明の光アイソレータ 2 1と集光レンズ 2 2と半導体レーザ 2 3とから構成されている。これら光アイソレータ 2 1と集光レンズ 2 2と半導体レーザ 2 3とは半導体レーザ 2 3から出射されるレーザ光の光軸が一致するように直列に接続されている。そして、半導体レ一ザ 2 3と光アイソレータ 2 1とはハウジング 2 5で固定され、集光レンズ 2 2はレンズホルダ 2 4により保持されている。半導体レーザ 2 3から発振されたレーザ光は集光レンズ 2 2を介して集光され、光アイソレータ 2 1に入射される。ここで入射するレーザ光の偏光方向と、光アイソレータ 2 1の偏光子の傾きとを一致させる方向に形成されている。

本発明に用いられる半導体レーザ 2 3は G a N半導体、 G a I n N半導体のようなものが好ましい。その他にも S H G結晶を用いたレーザを用いることもできる。また、本発明に用いられる集光レンズ 2 2はポールレンズ、屈折率分布型レンス '等を用いることが好ましいがこれらに限定されるものではない。

上記のような構成のレーザ発振器 2 0を用いてレーザ光を光ディスクに照射し、反射して戻ってきた戻り光について、レーザ発振器 2 0の出力値の変動を測定した。これによると、レーザ発振器 2 0の出力値の変動は 5 %以内であることがわかった。このことから、本発明の光アイソレータ 2 1を用いたレーザ発振器 2 0は出力変動が小さく安定な発振が可能であることがわかる。産業上の利用可能性

以上のように、本発明にかかる光アイソレータ及びこれを用いたレーザ発信器は光通信システムのデータ保存、読み取りにおけるレーザ光の戻り光防止に有用であり、特に、小型の記憶装置に大容量のデータ保存を行い、読み取りを行う情報機器の部品として用いるのに適している。

Claims

請求の範囲

1 . 常磁性体からなるファラデー回転子と、それぞれに少なくとも 1つ以上の永久磁石を有する第 1の構成部及び第 2の構成部と、偏光子と、検光子と、を具備する光アイソレータであって、

前記ファラデー回転子は、光軸方向に沿って前記第 1の構成部と前記第 2の構成部との間に配置され、前記第 1の構成部及び前記第 2の構成部のファラデー端子側の端面と前記ファラデー回転子の端面とが同面上に存在するように配置されておリ、

前記ファラデー回転子を ffii する光軸と、前記第 1の構成部及び前記第 2の構成部が前記ファラデー回転子に及ぼす磁化の向きとが平行となるように設けられていることを特徴とする光アイソレータ。

2 . 常磁性体からなるファラデー回転子と、それぞれに少なくとも 1つ以上の永久磁石を有する第 1の構成部及び第 2の構成部と、偏光子と、検光子と、を具備する光アイソレータであって、

前記ファラデー回転子は、前記第 1の構成部と前記第 2の構成部との間であつて、前記第 1の構成部及び前記第 2の構成部と前記ファラデー回転子との間に光軸方向に沿つて所定のクリアランスを有するように配置されており、

前記ファラデー回転子をする光軸と、前記第 1の構成部及び前記第 2の構成部の少なくとも一方が前記フ 7ラデー回転子に及ぼす磁化の向きとが平行となるように設けられていることを特徵とする光アイソレー夕。

3. 前記第 Ίの構成部及び前記第 2の構成部のうち各構成部のファラデー回転子側の端面と、前記ファラデー回転子の端面との間にスぺーサが設けられることを特徴とする請求項 2 に記載の光アイソレータ。

4. 前記ファラデー回転子の形状が円柱状であり、前記永久磁石の形状が円筒状であることを特徴とする請求項 1〜 3のいずれかに記載の光アイソレー夕。

5 . 前記ファラデー回転子が少なくとも T bと A Iとを含む常磁性ガーネット単結晶からなることを特徵とする請求項 1〜 4のいずれかに記載の光アイソレー夕。

6. 前記ファラデー回転子の光軸方向の結晶方位が、 < 1 1 0 >方位に対して 0 ° ~ 1 0 ° の角度をなす方位であることを特徴とする請求項 5に記載の光アイソレー夕。

7 . 光源となる半導体レーザと、集光レンズと、請求項 1〜6のいずれかに記載の光アイソレ一夕とが、直列配置されて tゝることを特徴とするレーザ発振器。