WO2021256255A1 - 磁気回路、ファラデー回転子、及び磁気光学デバイス - Google Patents

磁気回路、ファラデー回転子、及び磁気光学デバイス Download PDF

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WO2021256255A1
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magnet
optical axis
axis direction
optical
magnetic circuit
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PCT/JP2021/020949
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太志 鈴木
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日本電気硝子株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/09—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on magneto-optical elements, e.g. exhibiting Faraday effect
    • G02F1/093—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on magneto-optical elements, e.g. exhibiting Faraday effect used as non-reciprocal devices, e.g. optical isolators, circulators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F7/00—Magnets
    • H01F7/02—Permanent magnets [PM]

Definitions

  • the present invention relates to a magnetic circuit, a Faraday rotator, and a magneto-optical device.
  • An optical isolator is a magneto-optical device that propagates light in only one direction, reflects it, and blocks the returning light.
  • Optical isolators are used in laser oscillators used in optical communication systems, laser processing systems, and the like.
  • an optical isolator includes a Faraday rotator and a polarizing element arranged at one end and the other end of the Faraday rotator in the optical axis direction.
  • the wavelength range used in the optical communication system is mainly 1300 nm to 1700 nm, and a rare earth iron garnet has been used for the Faraday element of the Faraday rotator in the optical isolator.
  • the wavelength used for laser processing and the like is shorter than the optical communication band, and is mainly around 1000 nm.
  • the rare earth iron garnet cannot be used because it absorbs a large amount of light. Therefore, a Faraday element made of a paramagnetic crystal is generally used, and a terbium gallium garnet (TGG) is particularly widely known.
  • the angle of rotation ( ⁇ ) due to Faraday rotation must be 45 °.
  • the Faraday rotation angle has the relationship of the following equation (1) in terms of the length (L) of the Faraday element, the Verdet constant (V), and the magnetic flux density (H) parallel to the optical axis.
  • Verdet's constant (V) is a characteristic that depends on the material. Therefore, in order to adjust the Faraday rotation angle, it is necessary to change the length (L) of the Faraday element and the magnetic flux density (H) parallel to the optical axis applied to the Faraday element. In particular, since the device has been required to be miniaturized in recent years, the magnetic flux density applied to the Faraday rotator can be improved by changing the structure of the magnet instead of adjusting the size of the Faraday element or magnet. ing.
  • Patent Document 1 discloses a Faraday rotator including a magnetic circuit composed of first to third magnets and a Faraday element.
  • the first magnet is magnetized in a direction perpendicular to the optical axis and in a direction toward the optical axis.
  • the second magnet is magnetized in a direction perpendicular to the optical axis and away from the optical axis.
  • a third magnet is arranged between them.
  • the third magnet is magnetized in a direction parallel to the optical axis and in a direction from the second magnet to the first magnet.
  • optical isolators are also required to have high laser resistance.
  • the stator may be damaged.
  • An object of the present invention is to provide a magnetic circuit, a Faraday rotator, and a magneto-optical device that, when used in an optical isolator, are less likely to cause damage to the stator even if the laser output is increased.
  • the magnetic circuit according to the present invention is a magnetic circuit having first to third magnets each provided with through holes through which light passes, and in the magnetic circuit, the first to third magnets are in the front-rear direction.
  • the magnets are arranged coaxially with each other in this order, and when the direction in which light passes through the through hole of the magnetic circuit is the optical axis direction, one of the first magnet and the third magnet is used. Is magnetized in a direction perpendicular to the optical axis direction and so that the through hole side becomes an N pole, and the other magnet of the first magnet and the third magnet is in the optical axis direction.
  • the second magnet is magnetized in a direction perpendicular to the above direction and so that the through hole side becomes an S pole, and the second magnet is in a direction parallel to the optical axis direction and the first magnet and the third magnet.
  • the magnet side having the through hole side as the north pole is magnetized so as to be the north pole, and the length along the optical axis direction of the first magnet and the optical axis direction of the third magnet are along. It is characterized by being different in length.
  • the first magnet is magnetized in a direction perpendicular to the optical axis direction and so that the through hole side has an N pole
  • the second magnet is parallel to the optical axis direction
  • the first magnet side is magnetized so as to have an N pole
  • the third magnet has an S pole in a direction perpendicular to the optical axis direction and the through hole side has an S pole.
  • the Faraday rotor according to the present invention includes a magnetic circuit configured according to the present invention, and a Faraday element made of a normal magnetic material which is arranged in the through hole in the magnetic circuit and allows light to pass through. It is characterized by.
  • the paramagnetic material is preferably a glass material.
  • the magneto-optical device includes a Faraday rotator configured according to the present invention, a first optical component arranged at one end of the Faraday rotator in the optical axis direction, and the Faraday rotator.
  • a second optical component located at the other end in the optical axis direction, and light passing through the through hole of the magnetic circuit passes through the first optical component and the second optical component. It is characterized by that.
  • the first optical component and the second optical component are modulators.
  • the magnetic optical device has a magnetic circuit having first to third magnets each provided with a through hole through which light passes, and the magnetic optical device is arranged in the through hole in the magnetic circuit and the light is transmitted.
  • a Faraday rotator having a Faraday element made of a transparent normal magnetic material, a first optical component arranged at one end of the Faraday rotator in the optical axis direction, and the optical axis of the Faraday rotator.
  • a magnetic component comprising a second optical component located at the other end in the direction, wherein light passing through the through hole of the magnetic circuit passes through the first optical component and the second optical component.
  • the magnetic circuit is formed by arranging the first to third magnets coaxially in the front-rear direction in this order, and the optical axis is the direction in which light passes through the through hole of the magnetic circuit.
  • the direction is set, one of the first magnet and the third magnet is magnetized in a direction perpendicular to the optical axis direction and so that the through hole side has an N pole.
  • the other magnet of the first magnet and the third magnet is magnetized in a direction perpendicular to the optical axis direction and so that the through hole side is an S pole, and the second magnet is The magnet is magnetized in a direction parallel to the optical axis direction and so that the magnet side of the first magnet and the third magnet whose through-hole side is the N pole is the N pole.
  • the distance along the optical axis direction from the center to the first optical component is different from the distance along the optical axis direction from the center of the Faraday element to the second optical component. ..
  • the second optical component is provided on the third magnet side in the optical axis direction, and the first magnet, the second magnet, and the third magnet are described.
  • the ratio L4 / (L1 + L2 + L3) is , 0.2 or more and preferably less than 0.5.
  • the Faraday element is arranged at the center of the second magnet.
  • the present invention it is possible to provide a magnetic circuit, a Faraday rotator, and a magneto-optical device, which are less likely to cause damage to the stator even if the laser output is increased when used in an optical isolator.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a magnetic circuit according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the Faraday rotator according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the magneto-optical device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of the structure of the first magnet in the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of the structure of the second magnet in the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram showing an example of the structure of the third magnet in the present invention.
  • FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the magnetic circuit, the Faraday rotator, and the magneto-optical device according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram showing the magnetic field strength of the magnetic circuits of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1.
  • FIG. 9 is a photograph showing an example of damage to the polarizing element.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a magnetic circuit according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the Faraday rotator according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the magneto-optical device according to the first embodiment of the present invention.
  • N and S shall indicate magnetic poles.
  • the magnetic circuit 1 has a first magnet 11, a second magnet 12, and a third magnet 13, respectively, which are provided with through holes.
  • the magnetic circuit 1 is formed by arranging a first magnet 11, a second magnet 12, and a third magnet 13 coaxially in the front-rear direction in this order.
  • the term "arranged coaxially" means that the magnets are arranged so as to overlap each other near the center of the magnets when viewed from the optical axis direction X.
  • the through hole 2 of the magnetic circuit 1 is configured by connecting the through holes of the first magnet 11, the second magnet 12, and the third magnet 13.
  • a Faraday element 14, which will be described later, can be arranged in the through hole 2 of the magnetic circuit 1.
  • the Faraday rotator 10 used in the magneto-optical device 20 such as an optical isolator and an optical circulator can be configured.
  • the cross-sectional shape of the through hole 2 of the magnetic circuit 1 is not particularly limited, and may be rectangular or circular. A rectangle is preferable from the viewpoint of facilitating assembly, and a circle is preferable from the viewpoint of applying a uniform magnetic field.
  • FIG. 4 is a diagram (viewed from the optical axis direction X) showing an example of the structure of the first magnet.
  • the first magnet 11 shown in FIG. 4 is configured by combining four magnet pieces, and has a rectangular (square) cross-sectional shape as a whole.
  • the first magnet 11 may have a circular cross-sectional shape as a whole.
  • the number of magnet pieces constituting the first magnet 11 is not limited to the above.
  • the first magnet 11 may be configured by combining 6 or 8 magnet pieces. By forming the first magnet 11 by combining a plurality of magnet pieces, the magnetic field can be effectively increased.
  • the first magnet 11 may be made of a single magnet.
  • FIG. 5 is a diagram (viewed from the optical axis direction X) showing an example of the structure of the second magnet.
  • the second magnet 12 shown in FIG. 5 is composed of one single magnet.
  • the second magnet 12 has a rectangular (square) cross-sectional shape.
  • the second magnet 12 may have a circular cross-sectional shape.
  • the second magnet 12 may be configured by combining two or more magnet pieces.
  • FIG. 6 is a diagram (viewed from the optical axis direction X) showing an example of the structure of the third magnet.
  • the third magnet 13 shown in FIG. 6 is configured by combining four magnet pieces, and has a rectangular (square) cross-sectional shape as a whole.
  • the third magnet 13 may have a circular cross-sectional shape as a whole. By combining a plurality of magnet pieces to form the third magnet 13, the magnetic field can be effectively increased.
  • the third magnet 13 may be configured by combining 6 or 8 magnet pieces, or may be composed of a single magnet.
  • the first magnet 11, the second magnet 12, and the third magnet 13 are composed of permanent magnets.
  • a rare earth magnet is particularly preferable, and among them, a magnet containing samarium-cobalt (Sm-Co) as a main component and a magnet containing neodymium-iron-boron (Nd-Fe-B) as a main component are used. preferable.
  • the first magnet 11 and the third magnet 13 are magnetized in the direction Y perpendicular to the optical axis direction X, and the magnetization directions face each other. Specifically, the first magnet 11 is magnetized in the direction Y perpendicular to the optical axis direction X and so that the through hole 2 side is the north pole.
  • the third magnet 13 is magnetized in the direction Y perpendicular to the optical axis direction X and so that the through hole 2 side is the S pole.
  • the second magnet 12 is magnetized in a direction parallel to the optical axis direction X and so that the first magnet 11 side has an N pole.
  • the direction in which light passes through the through hole 2 of the magnetic circuit 1 is defined as the optical axis direction X.
  • the length L3 of the third magnet 13 is shorter than the length L1 of the first magnet 11. Further, L2 of the second magnet 12 is shorter than the length L1 of the first magnet 11 and the length L3 of the third magnet 13. Therefore, in the magnetic circuit 1, there is a relationship of L2 ⁇ L3 ⁇ L1. It is assumed that the length L1 of the first magnet 11, the length L2 of the second magnet 12, and the length L3 of the third magnet 13 are all lengths along the optical axis direction X.
  • the feature of this embodiment is that the length L3 of the third magnet 13 is shorter than the length L1 of the first magnet 11.
  • the optical isolator has a structure in which the Faraday element is arranged between the two polarizing elements, but the light that has passed through the Faraday element is focused by the thermal lens effect, and the beam diameter of the incident beam becomes smaller.
  • the energy density to the polarizing element arranged on the light emitting side becomes large, and it is considered that a problem of damage occurs.
  • FIG. 9 shows a photograph as an example of a polarizing element damaged by such a thermal lens effect.
  • the surface on the exit side of the polarizing element is often damaged (cracking, etc.) due to dielectric breakdown.
  • the transmittance of the polarizing element drops sharply.
  • the distance between the Faraday element 14 and the polarizing element (second optical component 26) is reached. Can be close to each other. Therefore, even if the thermal lens effect is generated, the amount of light collected is small, so that the increase in energy density can be suppressed and the damage of the polarizing element can be suppressed.
  • the Faraday element 14 is displaced from the center of the magnetic circuit 1 as shown in FIG. 2. It has been found that even in this case, the same magnetic characteristics as when the Faraday element 14 is arranged at the center of the magnetic circuit 1 can be obtained.
  • the light may be incident from the third magnet 13 side.
  • the length L1 of the first magnet 11 and the length L3 of the third magnet 13 may be different.
  • the first magnet 11 is magnetized so that the through hole 2 side becomes the S pole
  • the third magnet 13 is magnetized so that the through hole 2 side becomes the N pole.
  • the magnet 12 of 2 may be magnetized so that the first magnet 11 side has an S pole.
  • the length L2 of the second magnet 12 is shorter than the length L1 of the first magnet 11 and the length L3 of the third magnet 13. Therefore, the magnetic characteristics can be further improved, and a larger magnetic field can be applied to the Faraday element 14. By applying a large magnetic field to the Faraday element 14, the isolation characteristics as an optical isolator can be further improved.
  • the ratio L1 / L3 of the length L1 of the first magnet 11 to the length L3 of the third magnet 13 is preferably 1.01 or more, more preferably 1.03 or more, still more preferably 1.03 or more. 1.05 or more, more preferably 1.07 or more, particularly preferably 1.10 or more, most preferably 1.11 or more, preferably 3.00 or less, more preferably 2.90 or less, still more preferably 2.80. Below, it is more preferably 2.70 or less, particularly preferably 2.60 or less, and most preferably 2.50 or less.
  • the ratio L1 / L3 is equal to or higher than the above lower limit value, even if the laser output is increased, it is possible to make it even more difficult for the stator to be damaged. Further, when the ratio L1 / L3 is not more than the above upper limit value, a larger magnetic field can be applied to the Faraday element 14.
  • the ratio L2 / L3 of the length L2 of the second magnet 12 to the length L3 of the third magnet 13 is preferably 0.05 or more, more preferably 0.10 or more, still more preferably 0.15.
  • the above is particularly preferably 0.20 or more, preferably 0.95 or less, more preferably 0.85 or less, still more preferably 0.80 or less, and particularly preferably 0.75 or less.
  • the Faraday rotator 10 shown in FIG. 2 is a device used in a magneto-optical device 20 described later, such as an optical isolator and an optical circulator.
  • the Faraday rotator 10 includes a magnetic circuit 1 and a Faraday element 14 arranged in the through hole 2 of the magnetic circuit 1.
  • the Faraday element 14 is made of a paramagnetic material that transmits light.
  • the Faraday rotator 10 has the magnetic circuit 1 of the first embodiment shown in FIG. 1, when it is used for an optical isolator, even if the output of the laser is increased, the stator may not be easily damaged. can.
  • light may be incident on the Faraday rotator 10 from the side of the first magnet 11 or may be incident on the third magnet 13 side.
  • the length L1 of the first magnet 11 is made shorter than the length L3 of the third magnet 13, so that the polarizing element is damaged even if the laser output is increased. Can be made less likely to occur.
  • cross-sectional shape of the Faraday element 14 and the cross-sectional shape of the through hole 2 of the magnetic circuit 1 do not necessarily have to match, but it is preferable to match them from the viewpoint of giving a uniform magnetic field.
  • a paramagnetic material can be used for the Faraday element 14. Above all, it is preferable to use a glass material.
  • the Faraday element 14 made of glass has a stable Verdet constant and a high extinction ratio because the Verdet constant does not fluctuate or the extinction ratio does not decrease due to defects such as single crystal materials, and the influence of stress from the adhesive is also small. Can be kept. Further, when the Faraday element 14 is made of a glass material having a low thermal conductivity, the above-mentioned thermal lens effect is more likely to occur, so that the effect of the present invention can be obtained even more effectively.
  • the glass material used for the Faraday element 14 preferably has a Tb 2 O 3 content of more than 20%, more preferably 25% or more, and more preferably 29% or more in terms of molar% oxide. Is more preferably 30% or more, further preferably 31% or more, further preferably 35% or more, further preferably 40% or more, and even more preferably 45% or more. Is more preferable, 48% or more is further preferable, and 51% or more is particularly preferable.
  • Tb exists in a trivalent or tetravalent state in glass, all of them are expressed as values converted into Tb 2 O 3 in the present specification.
  • the ratio of Tb 3+ to the total Tb is preferably 55% or more in mol%, more preferably 60% or more, still more preferably 80% or more. , 90% or more is particularly preferable. If the ratio of Tb 3+ to the total Tb is too small, the light transmittance at a wavelength of 300 nm to 1100 nm tends to decrease.
  • the magneto-optical device 20 shown in FIG. 3 is an optical isolator.
  • the magneto-optical device 20 includes the Faraday rotator 10 shown in FIG. 2, a first optical component 25 arranged at one end in the optical axis direction X of the magnetic circuit 1, and a second optical component 25 arranged at the other end. It includes an optical component 26.
  • the first optical component 25 and the second optical component 26 are modulators in this embodiment.
  • the light transmission axis of the second optical component 26 is tilted by 45 ° with respect to the light transmission axis of the first optical component 25.
  • the light incident on the magneto-optical device 20 passes through the first optical component 25, becomes linearly polarized light, and is incident on the Faraday element 14.
  • the incident light is rotated by the Faraday element 14 by 45 ° and passes through the second optical component 26.
  • a part of the light that has passed through the second optical component 26 becomes reflected return light, and the polarizing surface passes through the second optical component 26 at an angle of 45 °.
  • the reflected return light that has passed through the second optical component 26 is further rotated by 45 ° by the Faraday element 14 to become an orthogonal polarization plane of 90 ° with respect to the light transmission axis of the first optical component 25. Therefore, the reflected return light cannot pass through the first optical component 25 and is blocked.
  • the magneto-optical device 20 of the present invention has the magnetic circuit 1 of the first embodiment shown in FIG.
  • the distance along the optical axis direction X from the center of the Faraday element 14 to the first optical component 25 and the distance along the optical axis direction X from the center of the Faraday element 14 to the second optical component 26 are different. ing. Therefore, even if the output of the laser is increased, it is possible to make it even more difficult for the stator to be damaged.
  • the sum of the lengths of the first magnet 11, the second magnet 12, and the third magnet 13 along the optical axis direction X is set to (L1 + L2 + L3), and the first from the center of the Faraday element 14.
  • the ratio L4 / (L1 + L2 + L3) is preferably 0.2, where L4 is the distance along the optical axis direction X to the optical component 26 of 2 (the end face of the second optical component 26 on the Faraday rotator 10 side).
  • the ratio L4 / (L1 + L2 + L3) is equal to or higher than the above lower limit value, a larger magnetic field can be applied by the Faraday element 14. Further, when the ratio L4 / (L1 + L2 + L3) is equal to or less than the above upper limit value, even if the laser output is increased, the polarizing element can be made less likely to be damaged.
  • the position of the end face of the Faraday rotator 10 on the third magnet 13 side in the optical axis direction X and the position of the end face of the second optical component 26 on the Faraday rotator 10 side in the optical axis direction X are determined. They are in agreement with each other. Therefore, in the present embodiment, L4 coincides with the distance along the optical axis direction X from the center of the Faraday element 14 to the end face of the Faraday rotator 10 on the third magnet 13 side.
  • the Faraday element 14 is arranged at the center of the second magnet 12. In other words, in the optical axis direction X, the center of the Faraday element 14 and the center of the second magnet 12 coincide with each other. In this case, a larger magnetic field can be applied by the Faraday element 14.
  • the magneto-optical device 20 shown in FIG. 3 is an optical isolator
  • the magneto-optical device 20 may be an optical circulator.
  • the first optical component 25 and the second optical component 26 may be a wave plate or a beam splitter.
  • the magneto-optical device 20 is not limited to the optical isolator and the optical circulator.
  • FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the magnetic circuit, the Faraday rotator, and the magneto-optical device according to the second embodiment of the present invention.
  • the length L1 of the first magnet 11 and the length L3 of the third magnet 13 are shorter than the length L2 of the second magnet 12. Further, also in the magnetic circuit 31, the length L3 of the third magnet 13 is shorter than the length L1 of the first magnet 11. Therefore, in the magnetic circuit 31, there is a relationship of L3 ⁇ L1 ⁇ L2.
  • the Faraday rotator 40 includes the magnetic circuit 31 and a Faraday element 14 arranged in the through hole 2 of the magnetic circuit 31. Further, the magneto-optical device 50 includes the Faraday rotator 40, a first optical component 25 arranged at one end in the optical axis direction X of the magnetic circuit 31, and a second optical component arranged at the other end. 26 and. Other points are the same as those of the first embodiment.
  • the length L1 of the first magnet 11 and the length L3 of the third magnet 13 may be shorter than the length L2 of the second magnet 12. Even in this case, by making the length L1 of the first magnet 11 different from the length L3 of the third magnet 13, even if the laser output is increased, the polarizing element is less likely to be damaged. Can be done.
  • the length L1 of the first magnet 11, the length L2 of the second magnet 12, and the length L3 of the third magnet 13 satisfy the relationship of L2 ⁇ L3 ⁇ L1.
  • the magnetic characteristics can be further improved, and a larger magnetic field can be applied to the Faraday element 14.
  • the Faraday element 14 is arranged at the center of the second magnet 12. In other words, in the optical axis direction X, the center of the Faraday element 14 and the center of the second magnet 12 coincide with each other. In this case, a larger magnetic field can be applied by the Faraday element 14.
  • Table 1 shows Examples 1 to 5 and Comparative Example 1 of the present invention.
  • the magnetic circuits of Examples 1 to 5 and Comparative Example 1 have a structure having a through hole 2 having a square cross-sectional shape of 40 mm ⁇ 40 mm as a whole and a square cross-sectional shape of 4 mm ⁇ 4 mm.
  • the lengths L1, L2, and L3 of the first magnet 11, the second magnet 12, and the third magnet 13 along the optical axis direction X are as shown in Table 1. Therefore, in Examples 1 to 4, L1, L2, and L3 have the same configuration as the magnetic circuit 1 shown in FIG. Further, in Example 5, L1, L2, and L3 have the same configuration as the magnetic circuit 31 shown in FIG. 7.
  • Nd-Fe-B type magnets were used as the magnets.
  • the residual magnetic flux density of this magnet was 1.25T, and the holding force was 940 kA / m.
  • FIG. 8 shows the magnetic field strengths of the magnetic circuits of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1.
  • the horizontal axis indicates the distance in the optical axis direction X.
  • the distance in the optical axis direction X was set to 0 mm on the 25th side of the first optical component.
  • the position where the magnetic field strength is maximum is the portion of 15 mm in the center of the magnetic circuit.
  • Example 1 By configuring the magnetic circuit 1 so that L1, L2, and L3 have different lengths as in Examples 1 and 2, the position where the magnetic field strength is maximized can be removed from the center.
  • the position where the magnetic field strength was maximum was 19.7 mm, and in Example 2, it was 16 mm. Further, in Example 1, Example 2, and Comparative Example 1, the maximum magnetic field strength was almost the same.
  • the Faraday element a columnar Faraday rotating glass element having a diameter of 3 mm, a length of 6 mm, and a Verdet constant of 0.21 min / Oe ⁇ cm was used.
  • a polarizing beam splitter was used in which two triangular prisms made of BDA glass (manufactured by Nippon Electric Glass Co., Ltd.) were joined by optical contact via a polarizing separation membrane.
  • the laser a laser having a pulse width of 10 ns and a repetition frequency of 200 kHz was used.
  • the threshold value of the laser damage in the optical isolators of Examples 1 to 5 was 40 to 100 W.
  • the threshold value of laser damage in the optical isolator of Comparative Example 1 was 30 W. The reason why the transmittance dropped sharply was due to the damage of the polarizing element on the outlet side in all the samples.

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Abstract

光アイソレータに用いたときに、レーザーの出力を高くしても偏光子の破損が生じ難い、磁気回路を提供する。　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１１～１３を有する磁気回路１であって、磁気回路１は、第１～第３の磁石１１～１３が前後方向に同軸上にこの順序で配置されてなり、第１の磁石１１及び第３の磁石１３のうち一方の磁石は、光軸方向Ｘに垂直な方向Ｙに、かつ貫通孔２側がＮ極となるように磁化されており、第１の磁石１１及び第３の磁石１３のうち他方の磁石は、光軸方向Ｘに垂直な方向Ｙに、貫通孔２側がＳ極となるように磁化されており、第２の磁石１２は、光軸方向Ｘに平行な方向に、かつ第１の磁石１１及び第３の磁石１３のうち貫通孔２側がＮ極となる磁石側がＮ極となるように磁化されており、第１の磁石１１の光軸方向Ｘに沿う長さＬ１と、第３の磁石１３の光軸方向Ｘに沿う長さＬ３とが異なっている、磁気回路１。

Description

磁気回路、ファラデー回転子、及び磁気光学デバイス
　本発明は、磁気回路、ファラデー回転子、及び磁気光学デバイスに関する。
　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デバイスである。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。一般に、光アイソレータは、ファラデー回転子と、ファラデー回転子の光軸方向の一方端及び他方端に配置された偏光子と、を備える。
　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）が下記の式（１）の関係にある。
　θ＝Ｖ・Ｈ・Ｌ　　（１）
　このうち、ベルデ定数（Ｖ）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（Ｌ）や、ファラデー素子に加わる光軸と平行な磁束密度（Ｈ）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の磁石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。
特許第５２３９４３１号公報
　近年のレーザー加工の高出力化に伴い、光アイソレータにも高レーザー耐性が求められている。しかしながら、特許文献１のようなファラデー回転子を用いた光アイソレータでは、レーザーの出力を高くすると偏光子の破損が生じることがある。
　本発明の目的は、光アイソレータに用いたときに、レーザーの出力を高くしても偏光子の破損が生じ難い、磁気回路、ファラデー回転子、及び磁気光学デバイスを提供することにある。
　本発明に係る磁気回路は、光が通過する貫通孔がそれぞれ設けられた第１～第３の磁石を有する磁気回路であって、前記磁気回路は、前記第１～第３の磁石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の磁石及び前記第３の磁石のうち一方の磁石は、前記光軸方向に垂直な方向に、かつ前記貫通孔側がＮ極となるように磁化されており、前記第１の磁石及び前記第３の磁石のうち他方の磁石は、前記光軸方向に垂直な方向に、かつ前記貫通孔側がＳ極となるように磁化されており、前記第２の磁石は、前記光軸方向に平行な方向に、かつ前記第１の磁石及び前記第３の磁石のうち前記貫通孔側がＮ極となる磁石側がＮ極となるように磁化されており、前記第１の磁石の前記光軸方向に沿う長さと、前記第３の磁石の光軸方向に沿う長さとが異なっていることを特徴とする。
　本発明においては、前記第１の磁石は、前記光軸方向に垂直な方向に、かつ前記貫通孔側がＮ極となるように磁化されており、前記第２の磁石は前記光軸方向に平行な方向に、かつ前記第１の磁石側がＮ極となるように磁化されており、前記第３の磁石は、前記光軸方向に垂直な方向に、かつ前記貫通孔側がＳ極となるように磁化されており、前記第１の磁石の前記光軸方向に沿う長さをＬ１とし、前記第３の磁石の前記光軸方向に沿う長さをＬ３としたときに、Ｌ３＜Ｌ１の関係にあることが好ましい。
　本発明においては、前記第２の磁石の前記光軸方向に沿う長さをＬ２としたときに、Ｌ２＜Ｌ３＜Ｌ１の関係にあることが好ましい。
　本発明に係るファラデー回転子は、本発明に従って構成される磁気回路と、前記磁気回路における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、を備えることを特徴とする。
　本発明においては、前記常磁性体が、ガラス材であることが好ましい。
　本発明に係る磁気光学デバイスは、本発明に従って構成されるファラデー回転子と、前記ファラデー回転子の前記光軸方向における一方端に配置されている第１の光学部品と、前記ファラデー回転子の前記光軸方向における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ことを特徴とする。
　本発明においては、前記第１の光学部品及び前記第２の光学部品が、偏光子であることが好ましい。
　本発明に係る磁気光学デバイスは、光が通過する貫通孔がそれぞれ設けられた第１～第３の磁石を有する磁気回路と、前記磁気回路における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有する、ファラデー回転子と、前記ファラデー回転子の前記光軸方向における一方端に配置されている第１の光学部品と、前記ファラデー回転子の前記光軸方向における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、磁気光学デバイスであって、前記磁気回路は、前記第１～第３の磁石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の磁石及び前記第３の磁石のうち一方の磁石は、前記光軸方向に垂直な方向に、かつ前記貫通孔側がＮ極となるように磁化されており、前記第１の磁石及び前記第３の磁石のうち他方の磁石は、前記光軸方向に垂直な方向に、かつ前記貫通孔側がＳ極となるように磁化されており、前記第２の磁石は、前記光軸方向に平行な方向に、かつ前記第１の磁石及び前記第３の磁石のうち前記貫通孔側がＮ極となる磁石側がＮ極となるように磁化されており、前記ファラデー素子の中心から前記第１の光学部品までの前記光軸方向に沿う距離と、前記ファラデー素子の中心から前記第２の光学部品までの前記光軸方向に沿う距離とが異なっていることを特徴とする。
　本発明においては、前記第２の光学部品が、前記光軸方向において前記第３の磁石側に設けられており、前記第１の磁石、前記第２の磁石、及び前記第３の磁石の前記光軸方向に沿う長さの総和を（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３）とし、前記ファラデー素子の中心から前記第２の光学部品までの前記光軸方向に沿う距離をＬ４としたときに、比Ｌ４／（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３）が、０．２以上、０．５未満の範囲内にあることが好ましい。
　本発明においては、前記ファラデー素子が、前記第２の磁石の中心に配置されていることが好ましい。
　本発明によれば、光アイソレータに用いたときに、レーザーの出力を高くしても偏光子の破損が生じ難い、磁気回路、ファラデー回転子、及び磁気光学デバイスを提供することができる。
図1は、本発明の第１の実施形態に係る磁気回路の構造を示す模式的断面図である。 図２は、本発明の第１の実施形態に係るファラデー回転子の構造を示す模式的断面図である。 図３は、本発明の第１の実施形態に係る磁気光学デバイスの構造を示す模式的断面図である。 図４は、本発明における第１の磁石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の磁石の構造の一例を示す図である。 図７は、本発明の第２の実施形態に係る磁気回路、ファラデー回転子、及び磁気光学デバイスの構造を示す模式的断面図である。 図８は、実施例１～２及び比較例１の磁気回路の磁場強度を示す図である。 図９は、偏光子の破損例を示す写真である。
　以下、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。
　［第１の実施形態］
　図１は、本発明の第１の実施形態に係る磁気回路の構造を示す模式的断面図である。図２は、本発明の第１の実施形態に係るファラデー回転子の構造を示す模式的断面図である。図３は、本発明の第１の実施形態に係る磁気光学デバイスの構造を示す模式的断面図である。各図面において、Ｎ及びＳの文字は磁極を示すものとする。
　（磁気回路）
　図１に示すように、磁気回路１は、それぞれ貫通孔が設けられた第１の磁石１１、第２の磁石１２、及び第３の磁石１３を有する。磁気回路１は、第１の磁石１１、第２の磁石１２、及び第３の磁石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Ｘから見て、各磁石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１１、第２の磁石１２、及び第３の磁石１３の貫通孔が連結されることにより、磁気回路１の貫通孔２が構成されている。
　磁気回路１の貫通孔２内には、後述するファラデー素子１４を配置することができる。それによって、光アイソレータや光サーキュレータ等の磁気光学デバイス２０に用いられるファラデー回転子１０を構成することができる。
　磁気回路１の貫通孔２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、均一な磁界を付与する点では円形が好ましい。
　図４は、第１の磁石の構造の一例を示す図（光軸方向Ｘから見た図）である。図４に示す第１の磁石１１は、４個の磁石片を組み合わせて構成されており、全体として矩形（正方形）の断面形状を有している。第１の磁石１１は全体として円形の断面形状を有していてもよい。なお、第１の磁石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１１を構成することにより、磁界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１１は、単体磁石からなっていてもよい。
　図５は、第２の磁石の構造の一例を示す図（光軸方向Ｘから見た図）である。図５に示す第２の磁石１２は、１個の単体磁石からなる。第２の磁石１２は矩形（正方形）の断面形状を有している。第２の磁石１２は円形の断面形状を有していてもよい。なお、第２の磁石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は、第３の磁石の構造の一例を示す図（光軸方向Ｘから見た図）である。図６に示す第３の磁石１３は、第１の磁石１１と同様に、４個の磁石片を組み合わせて構成されており、全体として矩形（正方形）の断面形状を有している。第３の磁石１３は全体として円形の断面形状を有していてもよい。複数の磁石片を組み合わせて第３の磁石１３を構成することにより、磁界を効果的に大きくすることができる。なお、第３の磁石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。
　なお、第１の磁石１１、第２の磁石１２、及び第３の磁石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、そのなかでもサマリウム－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。
　磁気回路１において、第１の磁石１１と第３の磁石１３は、光軸方向Ｘと垂直な方向Ｙに磁化され、互いに磁化方向が対向している。具体的には、第１の磁石１１は、光軸方向Ｘと垂直な方向Ｙに、かつ貫通孔２側がＮ極となるように磁化されている。第３の磁石１３は、光軸方向Ｘと垂直な方向Ｙに、かつ貫通孔２側がＳ極となるように磁化されている。第２の磁石１２は、光軸方向Ｘに平行な方向に、かつ第１の磁石１１側がＮ極となるように磁化されている。なお、本明細書においては、光が磁気回路１の貫通孔２を通過する方向を光軸方向Ｘとする。
　磁気回路１において、第３の磁石１３の長さＬ３は、第１の磁石１１の長さＬ１より短い。また、第２の磁石１２のＬ２は、第１の磁石１１の長さＬ１及び第３の磁石１３の長さＬ３より短い。従って、磁気回路１においては、Ｌ２＜Ｌ３＜Ｌ１の関係にある。なお、第１の磁石１１の長さＬ１、第２の磁石１２の長さＬ２、及び第３の磁石１３の長さＬ３は、いずれも光軸方向Ｘに沿う長さであるものとする。
　本実施形態の特徴は、第３の磁石１３の長さＬ３が、第１の磁石１１の長さＬ１より短いことにある。これにより、光アイソレータに用いたときに、レーザーの出力を高くしても偏光子の破損を生じ難くすることができる。なお、この点については、以下のようにして説明することができる。
　従来、光アイソレータでは、レーザーの出力を高くすると偏光子の破損が生じ易いという問題がある。本発明者らは、この原因について鋭意検討した結果、レーザーの出力が上がるとファラデー素子において熱レンズ効果が発生するためであると考えた。具体的には、レーザーの出力が上がるとファラデー素子の中心部がより熱くなることから、温度勾配が生じる。その結果、屈折率の温度依存性に起因して、屈折率勾配が生じることとなる。これにより、ファラデー素子がレンズとして作用し、ファラデー素子を通過したレーザー光が集光されるという現象が引き起こされる。この際、光アイソレータは、２つの偏光子の間にファラデー素子が配置された構造をしているが、ファラデー素子を通過した光が熱レンズ効果によって集光され、入射ビームのビーム径が小さくなることにより、光出射側に配置された偏光子へのエネルギー密度が大きくなり、破損させるという問題が発生するものと考えられる。なお、図９には、このような熱レンズ効果により破損した偏光子の一例としての写真を示している。偏光子の破損は、絶縁破壊で偏光子の出射側の面が壊れる（クラックが入る等）ことが多い。このような偏光子の損傷が生じると、偏光子の透過率が急激に低下する。
　これに対して、本実施形態では、第３の磁石１３の長さＬ３が、第１の磁石１１の長さＬ１より短いことから、ファラデー素子１４と偏光子（第２の光学部品２６）間の距離を近くすることができる。そのため、熱レンズ効果が発生しても、集光される量が小さくなることから、エネルギー密度の増大が抑えられ、偏光子の破損を抑制することができる。
　また、第３の磁石１３の長さＬ３を第１の磁石１１の長さＬ１より短くした場合、図２に示すように、磁気回路１の中心からファラデー素子１４がずれることになるが、この場合においても磁気回路１の中心にファラデー素子１４が配置された場合と同等の磁気特性が得られることを見出した。
　なお、本実施形態では、光を第１の磁石１１側から入射させる場合について説明したが、光を第３の磁石１３側から入射させてもよい。この場合、第１の磁石１１の長さＬ１を、第３の磁石１３の長さＬ３より短くすることにより、レーザーの出力を高くしても偏光子の破損を生じ難くすることができる。従って、本発明においては、第１の磁石１１の長さＬ１と、第３の磁石１３の長さＬ３とが異なっていればよい。
　また、この場合、第１の磁石１１が、貫通孔２側がＳ極となるように磁化されており、第３の磁石１３が、貫通孔２側がＮ極となるように磁化されており、第２の磁石１２が、第１の磁石１１側がＳ極となるように磁化されていてもよい。
　また、本実施形態では、第２の磁石１２の長さＬ２は、第１の磁石１１の長さＬ１及び第３の磁石１３の長さＬ３より短い。そのため、磁気特性をより一層向上させることができ、ファラデー素子１４により一層大きな磁場を印加することができる。ファラデー素子１４に大きな磁場を印加することにより、光アイソレータとしてのアイソレーション特性をより一層向上させることができる。
　本実施形態において、第１の磁石１１の長さＬ１と第３の磁石１３の長さＬ３との比Ｌ１／Ｌ３は、好ましくは１．０１以上、より好ましくは１．０３以上、さらに好ましくは１．０５以上、さらに好ましくは１．０７以上、特に好ましくは１．１０以上、最も好ましくは１．１１以上、好ましくは３．００以下、より好ましくは２．９０以下、さらに好ましくは２．８０以下、さらに好ましくは２．７０以下、特に好ましくは２．６０以下、最も好ましくは２．５０以下である。
　比Ｌ１／Ｌ３が上記下限値以上である場合、レーザーの出力を高くしても偏光子の破損をより一層生じ難くすることができる。また、比Ｌ１／Ｌ３が上記上限値以下である場合、ファラデー素子１４により一層大きな磁場を印加することができる。
　また、第２の磁石１２の長さＬ２と第３の磁石１３の長さＬ３との比Ｌ２／Ｌ３は、好ましくは０．０５以上、より好ましくは０．１０以上、さらに好ましくは０．１５以上、特に好ましくは０．２０以上、好ましくは０．９５以下、より好ましくは０．８５以下、さらに好ましくは０．８０以下、特に好ましくは０．７５以下である。
　比Ｌ２／Ｌ３が上記範囲内にある場合、ファラデー素子１４により一層大きな磁場を印加することができる。
　（ファラデー回転子）
　図２に示すファラデー回転子１０は、光アイソレータや光サーキュレータ等、後述する磁気光学デバイス２０に用いられる装置である。ファラデー回転子１０は、磁気回路１と、磁気回路１の貫通孔２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。
　ファラデー回転子１０は、図１に示した第１の実施形態の磁気回路１を有するため、光アイソレータに用いたときに、レーザーの出力を高くしても偏光子の破損を生じ難くすることができる。
　また、ファラデー回転子１０には、光を第１の磁石１１側から入射させてもよく、第３の磁石１３側から入射させてもよい。第３の磁石１３側から入射させる場合は、第１の磁石１１の長さＬ１を、第３の磁石１３の長さＬ３より短くすることにより、レーザーの出力を高くしても偏光子の破損を生じ難くすることができる。
　また、ファラデー素子１４の断面形状と磁気回路１の貫通孔２の断面形状は必ずしも一致させなくともよいが、均一な磁界を与えるという観点では、一致させることが好ましい。
　ファラデー素子１４には、常磁性体を用いることができる。なかでも、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１４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。また、ファラデー素子１４が熱伝導率の低いガラス材からなる場合、上述した熱レンズ効果がより一層生じ易くなることから、本発明の効果をより一層効果的に得ることができる。
　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、Ｔｂ２Ｏ３の含有量が２０％より多いことが好ましく、２５％以上であることがより好ましく、２９％以上であることがさらに好ましく、３０％以上であることがさらに好ましく、３１％以上であることがさらに好ましく、３５％以上であることがさらに好ましく、４０％以上であることがさらに好ましく、４５％以上であることがさらに好ましく、４８％以上であることがさらに好ましく、５１％以上であることが特に好ましい。このようにＴｂ２Ｏ３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Ｔｂ２Ｏ３に換算した値として表す。
　ファラデー素子１４に用いられるガラス材において、全Ｔｂに対するＴｂ３＋の割合は、モル％で５５％以上であることが好ましく、６０％以上であることがより好ましく、８０％以上であることがさらに好ましく、９０％以上であることが特に好ましい。全Ｔｂに対するＴｂ３＋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。
　（磁気光学デバイス）
　図３に示す磁気光学デバイス２０は光アイソレータである。磁気光学デバイス２０は、図２に示したファラデー回転子１０と、磁気回路１の光軸方向Ｘ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。
　磁気光学デバイス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、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。
　本発明の磁気光学デバイス２０は、図１に示した第１の実施形態の磁気回路１を有する。言い換えると、ファラデー素子１４の中心から第１の光学部品２５までの光軸方向Ｘに沿う距離と、ファラデー素子１４の中心から第２の光学部品２６までの光軸方向Ｘに沿う距離とが異なっている。そのため、レーザーの出力を高くしても偏光子の破損をより一層生じ難くすることができる。
　また、磁気光学デバイス２０では、第１の磁石１１、第２の磁石１２、及び第３の磁石１３の光軸方向Ｘに沿う長さの総和を（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３）とし、ファラデー素子１４の中心から第２の光学部品２６（第２の光学部品２６のファラデー回転子１０側の端面）までの光軸方向Ｘに沿う距離をＬ４としたときに、比Ｌ４／（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３）が、好ましくは０．２以上、より好ましくは０．２５以上、さらに好ましくは０．２７以上、特に好ましくは０．３以上、好ましくは０．５未満、より好ましくは０．４９以下、さらに好ましくは０．４８以下、特に好ましくは０．４７以下である。
　比Ｌ４／（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３）が上記下限値以上である場合、ファラデー素子１４により一層大きな磁場を印加することができる。また、比Ｌ４／（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３）が、上記上限値以下である場合、レーザーの出力を高くしても偏光子の破損をより一層生じ難くすることができる。
　本実施形態において、ファラデー回転子１０の第３の磁石１３側の端面の光軸方向Ｘにおける位置と、第２の光学部品２６のファラデー回転子１０側の端面の光軸方向Ｘにおける位置は、互いに一致している。従って、本実施形態においてＬ４は、ファラデー素子１４の中心から、ファラデー回転子１０の第３の磁石１３側の端面までの光軸方向Ｘに沿う距離と一致している。
　なお、本実施形態において、ファラデー素子１４は、第２の磁石１２の中心に配置されている。言い換えると、光軸方向Ｘにおいて、ファラデー素子１４の中心と、第２の磁石１２の中心とが一致している。この場合、ファラデー素子１４により一層大きな磁場を印加することができる。
　なお、図３に示す磁気光学デバイス２０は光アイソレータであるが、磁気光学デバイス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。もっとも、磁気光学デバイス２０は、光アイソレータ及び光サーキュレータに限定されない。
　［第２の実施形態］
　図７は、本発明の第２の実施形態に係る磁気回路、ファラデー回転子、及び磁気光学デバイスの構造を示す模式的断面図である。
　図７に示すように、磁気回路３１においては、第１の磁石１１の長さＬ１及び第３の磁石１３の長さＬ３が、第２の磁石１２の長さＬ２より短い。また、磁気回路３１においても、第３の磁石１３の長さＬ３は、第１の磁石１１の長さＬ１より短い。従って、磁気回路３１においては、Ｌ３＜Ｌ１＜Ｌ２の関係にある。
　ファラデー回転子４０は、この磁気回路３１と、磁気回路３１の貫通孔２内に配置されたファラデー素子１４とを備える。また、磁気光学デバイス５０は、このファラデー回転子４０と、磁気回路３１の光軸方向Ｘ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。その他の点は、第１の実施形態と同様である。
　第２の実施形態のように、第１の磁石１１の長さＬ１及び第３の磁石１３の長さＬ３が、第２の磁石１２の長さＬ２より短くてもよい。この場合においても、第１の磁石１１の長さＬ１と第３の磁石１３の長さＬ３とを異ならせることにより、レーザーの出力を高くしても偏光子の破損をより一層生じ難くすることができる。
　もっとも、本発明においては、第１の磁石１１の長さＬ１、第２の磁石１２の長さＬ２、及び第３の磁石１３の長さＬ３が、Ｌ２＜Ｌ３＜Ｌ１の関係を満たすことが好ましい。この場合、磁気特性をより一層向上させることができ、ファラデー素子１４により一層大きな磁場を印加することができる。
　また、本実施形態においても、ファラデー素子１４は、第２の磁石１２の中心に配置されている。言い換えると、光軸方向Ｘにおいて、ファラデー素子１４の中心と、第２の磁石１２の中心とが一致している。この場合、ファラデー素子１４により一層大きな磁場を印加することができる。
　以下、本発明について、具体的な実施例に基づいて、さらに詳細に説明する。本発明は、以下の実施例に何ら限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施することが可能である。
　（実施例１～５及び比較例１）
　表１は、本発明の実施例１～５及び比較例１を示している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　実施例１～５及び比較例１の磁気回路は、全体として４０ｍｍ×４０ｍｍの正方形の断面形状を有し、かつ４ｍｍ×４ｍｍの正方形の断面形状を有する貫通孔２を有する構造とした。また、第１の磁石１１、第２の磁石１２、及び第３の磁石１３の光軸方向Ｘに沿う長さＬ１、Ｌ２、Ｌ３を、表１のようにした。従って、実施例１～４では、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３は図１に示す磁気回路１と同様の構成とした。また、実施例５では、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３は図７に示す磁気回路３１と同様の構成とした。なお、比較例１は、各磁石の光軸方向Ｘに沿う長さがＬ１＝Ｌ３＞Ｌ２の関係となる構成とした。
　磁石は、いずれもＮｄ－Ｆｅ－Ｂ系磁石を使用した。この磁石の残留磁束密度は、１．２５Ｔであり、保持力は、９４０ｋＡ／ｍであった。
　図８に実施例１～２及び比較例１の磁気回路の磁場強度を示す。横軸は、光軸方向Ｘの距離を示している。なお、光軸方向Ｘの距離は、第１の光学部品２５側を０ｍｍとした。比較例１のようにＬ１とＬ３の長さが同じ場合には、磁場強度が最大となる位置は磁気回路中央の１５ｍｍの部分となる。
　実施例１～２のようにＬ１、Ｌ２、及びＬ３をそれぞれ異なる長さとなるように磁気回路１を構成することで、磁場強度が最大となる位置を中央から外すことができる。実施例１では磁場強度が最大となる位置は１９．７ｍｍで、実施例２では１６ｍｍとなった。また、実施例１、実施例２、及び比較例１において、最大となる磁場強度は、ほぼ同等であった。
　これらの磁気回路を用いて光アイソレータを組立て、レーザー耐性試験を行った。
　ファラデー素子には、直径３ｍｍ、長さ６ｍｍ、ベルデ定数０．２１ｍｉｎ／Ｏｅ・ｃｍの円柱状のファラデー回転ガラス素子を用いた。
　偏光子には、ＢＤＡガラス（日本電気硝子社製）からなる２つの三角プリズムが、偏光分離膜を介してオプティカルコンタクトにて接合されてなる偏光ビームスプリッタを用いた。レーザーには、パルス幅１０ｎｓ、繰り返し周波数２００ｋＨｚのレーザーを用いた。
　レーザー耐性試験では、光アイソレータを透過する光の出力をモニターしながら、レーザー出力を徐々に上げ、透過率が急激に下がった時の出力をレーザー損傷の閾値として測定した。結果を上記の表１に示す。
　表１に示すように、レーザー耐力を測定した結果、実施例１～５の光アイソレータにおけるレーザー損傷の閾値は４０～１００Ｗであった。これに対して、比較例１の光アイソレータにおけるレーザー損傷の閾値は、３０Ｗであった。なお、透過率が急激に下がる原因となったのは、いずれのサンプルでも出口側の偏光子の損傷によるものであった。
１，３１…磁気回路
２…貫通孔
１０，４０…ファラデー回転子
１１…第１の磁石
１２…第２の磁石
１３…第３の磁石
１４…ファラデー素子
２０，５０…磁気光学デバイス
２５…第１の光学部品
２６…第２の光学部品

Claims (10)

  1. 　光が通過する貫通孔がそれぞれ設けられた第１～第３の磁石を有する磁気回路であって、
    　前記磁気回路は、前記第１～第３の磁石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の磁石及び前記第３の磁石のうち一方の磁石は、前記光軸方向に垂直な方向に、かつ前記貫通孔側がＮ極となるように磁化されており、
    　前記第１の磁石及び前記第３の磁石のうち他方の磁石は、前記光軸方向に垂直な方向に、かつ前記貫通孔側がＳ極となるように磁化されており、
    　前記第２の磁石は、前記光軸方向に平行な方向に、かつ前記第１の磁石及び前記第３の磁石のうち前記貫通孔側がＮ極となる磁石側がＮ極となるように磁化されており、
    　前記第１の磁石の前記光軸方向に沿う長さと、前記第３の磁石の光軸方向に沿う長さとが異なっている、磁気回路。
  2. 　前記第１の磁石は、前記光軸方向に垂直な方向に、かつ前記貫通孔側がＮ極となるように磁化されており、
    　前記第２の磁石は、前記光軸方向に平行な方向に、かつ前記第１の磁石側がＮ極となるように磁化されており、
    　前記第３の磁石は、前記光軸方向に垂直な方向に、かつ前記貫通孔側がＳ極となるように磁化されており、
    　前記第１の磁石の前記光軸方向に沿う長さをＬ１とし、前記第３の磁石の前記光軸方向に沿う長さをＬ３としたときに、Ｌ３＜Ｌ１の関係にある、請求項１に記載の磁気回路。
  3. 　前記第２の磁石の前記光軸方向に沿う長さをＬ２としたときに、Ｌ２＜Ｌ３＜Ｌ１の関係にある、請求項２に記載の磁気回路。
  4. 　請求項１～３のいずれか１項に記載の磁気回路と、
    　前記磁気回路における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、
    を備える、ファラデー回転子。
  5. 　前記常磁性体が、ガラス材である、請求項４に記載のファラデー回転子。
  6. 　請求項４又は５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の光学部品と、
    　前記ファラデー回転子の前記光軸方向における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、磁気光学デバイス。
  7. 　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６に記載の磁気光学デバイス。
  8. 　光が通過する貫通孔がそれぞれ設けられた第１～第３の磁石を有する磁気回路と、
    　前記磁気回路における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有する、ファラデー回転子と、
    　前記ファラデー回転子の前記光軸方向における一方端に配置されている第１の光学部品と、
    　前記ファラデー回転子の前記光軸方向における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、磁気光学デバイスであって、
    　前記磁気回路は、前記第１～第３の磁石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の磁石及び前記第３の磁石のうち一方の磁石は、前記光軸方向に垂直な方向に、かつ前記貫通孔側がＮ極となるように磁化されており、
    　前記第１の磁石及び前記第３の磁石のうち他方の磁石は、前記光軸方向に垂直な方向に、かつ前記貫通孔側がＳ極となるように磁化されており、
    　前記第２の磁石は、前記光軸方向に平行な方向に、かつ前記第１の磁石及び前記第３の磁石のうち前記貫通孔側がＮ極となる磁石側がＮ極となるように磁化されており、
    　前記ファラデー素子の中心から前記第１の光学部品までの前記光軸方向に沿う距離と、前記ファラデー素子の中心から前記第２の光学部品までの前記光軸方向に沿う距離とが異なっている、磁気光学デバイス。
  9. 　前記第２の光学部品が、前記光軸方向において前記第３の磁石側に設けられており、
    　前記第１の磁石、前記第２の磁石、及び前記第３の磁石の前記光軸方向に沿う長さの総和を（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３）とし、前記ファラデー素子の中心から前記第２の光学部品までの前記光軸方向に沿う距離をＬ４としたときに、比Ｌ４／（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３）が、０．２以上、０．５未満の範囲内にある、請求項８に記載の磁気光学デバイス。
  10. 　前記ファラデー素子が、前記第２の磁石の中心に配置されている、請求項８又は９に記載の磁気光学デバイス。
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