WO2021256256A1 - 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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WO2021256256A1
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magnet
magnetic circuit
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axis direction
optical
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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
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/28—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/30—Polarising elements

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.
  • 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 (H) applied to the Faraday rotator is improved by changing the structure of the magnet instead of adjusting the size of the Faraday element or the magnet. Is planned.
  • 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.
  • an optical isolator using a Faraday rotator as in Patent Document 1 when the laser incident on the optical isolator has a high output, the temperature may rise due to a slight absorption of the Faraday element. Then, the temperature of the magnetic circuit also rises due to the thermal energy, and the magnetic force may not be restored even if the temperature condition is restored, that is, irreversible demagnetization of the magnet may occur due to the temperature change.
  • the magnetic field applied to the Faraday element becomes weak, there is a problem that the Faraday rotation angle becomes small and the isolation characteristic as an optical isolator deteriorates.
  • An object of the present invention is to provide a magnetic circuit, a Faraday rotator, and a magnetic optical device capable of applying a large magnetic field to a Faraday element, which is unlikely to cause irreversible demagnetization due to an increase in temperature.
  • 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 first magnets are arranged coaxially with each other in this order, and the first magnet is in a direction perpendicular to the optical axis direction when the direction in which light passes through the through hole of the magnetic circuit is the optical axis direction.
  • the through hole side is magnetized so as to have an N pole
  • the second magnet is magnetized in a direction parallel to the optical axis direction and so that the first magnet side becomes an N pole.
  • the third magnet is magnetized in a direction perpendicular to the optical axis direction and so that the through hole side becomes an S pole, and the second magnet is the first magnet and / or The second magnet is made of a material different from that of the third magnet, and the curry point is 360 ° C. or higher, and the residual magnetic flux density is higher than that of the first magnet and / or the third magnet. Is also small.
  • the second magnet is composed of a samarium-cobalt magnet.
  • At least one of the first magnet and the third magnet is composed of a neodymium-iron-boron magnet.
  • both the first magnet and the third magnet are composed of neodymium-iron-boron magnets.
  • the length of the first magnet along the optical axis direction is L1
  • the length of the second magnet along the optical axis direction is L2
  • the length of the third magnet along the optical axis direction is L2. It is preferable that there is a relationship of L2 ⁇ L3 ⁇ L1 when the length along the above is L3.
  • the length of the first magnet along the optical axis direction is L1
  • the length of the second magnet along the optical axis direction is L2
  • the length of the third magnet along the optical axis direction is L2. It is preferable that the relationship is L2 ⁇ L3 ⁇ L1 when the length along the above is L3.
  • 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 present invention it is possible to provide a magnetic circuit, a Faraday rotator, and a magnetic optical device that are unlikely to cause irreversible demagnetization due to an increase in temperature and can apply a large magnetic field to a Faraday 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.
  • 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 schematic cross-sectional view showing the structure of the magnetic circuit, the Faraday rotator, and the magneto-optical device according to the third embodiment of the present invention.
  • 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 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 second magnet 12 is made of a material different from that of the first magnet 11 and / or the third magnet 13. Further, the second magnet 12 has a Curie point of 360 ° C. or higher, and the residual magnetic flux density is smaller than that of the first magnet 11 and / or the third magnet 13. Specifically, it is preferably composed of a samarium-cobalt (Sm-Co) -based magnet (hereinafter referred to as Sm-Co-based magnet). In this case, the second magnet 12 is assumed to include a magnet containing samarium-cobalt (Sm-Co) as a main component (for example, Sm 2 Co 17).
  • Sm-Co samarium-cobalt
  • the second magnet 12 has a Curie point of 360 ° C. or higher, preferably 400 ° C. or higher, more preferably 500 ° C. or higher, still more preferably 600 ° C. or higher, still more preferably 700 ° C. or higher, still more preferably 740 ° C. or higher. It is particularly preferably 750 ° C. or higher, preferably 1000 ° C. or lower, more preferably 980 ° C. or lower, and particularly preferably 900 ° C. or lower.
  • the Curie points of the first magnet 11 and the third magnet 13 are preferably 200 ° C. or higher, more preferably 210 ° C. or higher, still more preferably 230 ° C. or higher, still more preferably 240 ° C. or higher, and particularly preferably 240 ° C. or higher, respectively. It is 250 ° C. or higher, preferably 1000 ° C. or lower, more preferably 980 ° C. or lower, and particularly preferably 900 ° C. or lower.
  • the Sm-Co magnet Since the Sm-Co magnet has a high Curie point of 600 ° C. or higher, irreversible demagnetization at high temperatures can be further suppressed.
  • the temperature dependence of the residual magnetic flux density of the Sm—Co magnet is generally about ⁇ 0.03% / ° C, and that of the neodymium-iron-boron magnet is about ⁇ 0.1% / ° C.
  • the temperature dependence of the coercive force is about ⁇ 0.2% / K for Sm-Co magnets and about ⁇ 0.5% / K for neodymium-iron-boron magnets. Therefore, when a Sm-Co magnet is used, it is possible to further suppress the decrease in the residual magnetic flux density and the coercive force of the magnet due to the temperature rise.
  • the Faraday element 14 since the Faraday element 14 is usually arranged in the through hole 2 portion of the second magnet 12, it is most affected when the temperature of the Faraday element 14 rises. , The second magnet 12. Therefore, by using a Sm—Co magnet for the second magnet 12, it is possible to prevent irreversible demagnetization due to a temperature rise. Further, since the Sm-Co magnet is relatively inexpensive as compared with the neodymium-iron-boron magnet, the manufacturing cost of the magnetic circuit 1 can be reduced.
  • the first magnet 11 and the third magnet 13 are made of a material different from that of the second magnet 12, and have a higher residual magnetic flux density than the second magnet 12. Therefore, the magnetic characteristics can be improved, and a large magnetic field can be applied to the Faraday element 14.
  • at least one of the first magnet 11 and the third magnet 13 is made of a material different from that of the second magnet 12, and the residual magnetic flux density is higher than that of the second magnet 12. Any large magnet will do. That is, one of the first magnet 11 and the third magnet 13 may be made of the same material as the second magnet 12, and the residual magnetic flux density may not be larger than that of the second magnet 12. ..
  • the present inventors configure the second magnet 12 with a Sm—Co magnet, and at least one of the first magnet 11 and the third magnet 13 is different from the second magnet 12. It has been found that a large magnetic field can be applied to the Faraday element 14 while making it difficult for irreversible demagnetization due to a temperature rise to occur by using a magnet made of a material and having a residual magnetic flux density higher than that of the second magnet 12. .. By applying a large magnetic field to the Faraday element 14, the isolation characteristics as an optical isolator can be further improved.
  • Nd-Fe-B-based magnet a part of Nd of the neodymium-iron-boron-based magnet (hereinafter referred to as Nd-Fe-B-based magnet) and the Nd-Fe-B-based magnet is used.
  • Magnets replaced with Dy or Tb, neodymium-cobalt-boron magnets (hereinafter referred to as Nd-Co-B magnets), placeodim magnets, and the like can be used.
  • One of these may be used alone, or a plurality of them may be used in combination.
  • the first magnet 11 and the third magnet 13 may be made of the same magnet or different magnets, but are preferably made of the same magnet. In this case, the magnetic characteristics can be further improved, and a larger magnetic field can be applied to the Faraday element 14.
  • the first magnet 11 and the third magnet 13 is an Nd-Fe-B-based magnet, and both of the first magnet 11 and the third magnet 13 are Nd-. It is more preferable to use an Fe-B magnet. In this case, the magnetic characteristics can be further improved, and a larger magnetic field can be applied to the Faraday element 14.
  • the first magnet 11 and the third magnet 13 include magnets containing neodymium, iron, and boron (Nd-Fe-B) as main components (for example, Nd 2 Fe 14 B). And.
  • the residual magnetic flux densities of the first magnet 11 and the third magnet 13 are preferably 1.05 T or more, more preferably 1.10 T or more, still more preferably 1.15 T or more, still more preferably 1.20 T or more, respectively. It is particularly preferably 1.25T or more, preferably 1.60T or less, more preferably 1.55T or less, and particularly preferably 1.50T or less.
  • the residual magnetic flux density of the second magnet 12 is preferably 0.85 T or more, more preferably 0.90 T or more, still more preferably 0.95 T or more, particularly preferably 1.00 T or more, and preferably 1.25 T or less. , More preferably 1.20 T or less.
  • the residual magnetic flux densities of the first magnet 11 and the third magnet 13 are equal. By doing so, a more uniform magnetic field can be applied to the second magnet 12. However, the residual magnetic flux density of the first magnet 11 and the residual magnetic flux density of the third magnet 13 do not have to be equal.
  • the coercive force of the first magnet 11 and the third magnet 13 is larger than the coercive force of the second magnet 12.
  • the coercive force of the first magnet 11 and the third magnet 13 is preferably 750 kA / m or more, more preferably 760 kA / m or more, preferably 1200 kA / m or less, and more preferably 1100 kA / m or less, respectively.
  • the coercive force of the second magnet 12 is preferably 650 kA / m or more, more preferably 700 kA / m or more, preferably 1200 kA / m or less, and more preferably 1100 kA / m or less.
  • the coercive force of the first magnet 11 and the third magnet 13 are equal. By doing so, a more uniform magnetic field can be applied to the second magnet 12. However, the coercive force of the first magnet 11 and the coercive force of the third magnet 13 do not have to be equal.
  • 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. Further, the length L3 of the third magnet 13 is shorter than the length L1 of the first magnet 11.
  • the ratio L1 / L3 of the length L1 of the first magnet 11 to the length L3 of the third magnet 13 is preferably 1.00 or more, more preferably 1.01 or more, still more preferably 1.01 or more. 1.05 or more, more preferably 1.07 or more, particularly preferably 1.10 or more, most preferably 1.12 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 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 1.40 or less, more preferably 1.38 or less, still more preferably 1.35 or less, and particularly preferably 1.33 or less.
  • the ratio L2 / L3 is within the above range, the magnetic characteristics can be further improved, and a larger magnetic field can be applied to the Faraday element 14.
  • 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. More specifically, the Faraday element 14 is arranged in 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.
  • the Faraday element 14 is made of a paramagnetic material that transmits light.
  • the Faraday rotator 10 Since the Faraday rotator 10 has the magnetic circuit 1 of the first embodiment shown in FIG. 1, a large magnetic field can be applied to the Faraday element 14 while making it difficult for irreversible demagnetization to occur due to a temperature rise. In this embodiment, since the Faraday element 14 is arranged at the center of the second magnet 12, a larger magnetic field can be applied to the Faraday element 14.
  • 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.
  • 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.
  • 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 30% or more in terms of molar% oxide. Is more preferably 31% or more, further preferably 35% or more, further preferably 40% or more, further preferably 45% or more, and further preferably 48% or more. Is more 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. 1, it is possible to apply a large magnetic field to the Faraday element 14 while making it difficult for irreversible demagnetization to occur due to a temperature rise. can.
  • 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 equal. Further, also in the magnetic circuit 31, 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.
  • 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 second magnet 12 is composed of a Sm—Co magnet, and at least one of the first magnet 11 and the third magnet 13 is the second magnet 12. Is made of different materials and has a higher residual magnetic flux density than the second magnet 12. Therefore, a large magnetic field can be applied to the Faraday element 14 while making it difficult for irreversible demagnetization to occur due to a temperature rise.
  • the length L1 of the first magnet 11 and the length L3 of the third magnet 13 may be equal.
  • the length L3 of the third magnet 13 may be longer than the length L1 of the first magnet 11.
  • FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the magnetic circuit, the Faraday rotator, and the magneto-optical device according to the third 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 61, the length L3 of the third magnet 13 is shorter than the length L1 of the first magnet 11.
  • the Faraday rotator 70 includes the magnetic circuit 61 and a Faraday element 14 arranged in the through hole 2 of the magnetic circuit 61. Further, the magneto-optical device 80 includes the Faraday rotator 70, a first optical component 25 arranged at one end in the optical axis direction X of the magnetic circuit 61, and a second optical component arranged at the other end. 26 and. Other points are the same as those of the first embodiment.
  • the second magnet 12 is composed of a Sm—Co magnet, and at least one of the first magnet 11 and the third magnet 13 is the second magnet 12. Is made of different materials and has a higher residual magnetic flux density than the second magnet 12. Therefore, a large magnetic field can be applied to the Faraday element 14 while making it difficult for irreversible demagnetization to occur due to a temperature rise.
  • 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.
  • 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. It is more preferable to satisfy the relationship of L2 ⁇ L3 ⁇ L1. In this case, the magnetic characteristics can be further improved, and a larger magnetic field can be applied to the Faraday element 14.
  • Table 1 shows Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 3 of the present invention.
  • the magnetic circuits of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 3 had a structure having a through hole 2 having a square cross-sectional shape of 40 mm ⁇ 40 mm and a square cross-sectional shape of 4 mm ⁇ 4 mm as a whole. Further, Table 1 shows the materials of the first magnet 11, the second magnet 12, and the third magnet 13, and the lengths L1, L2, and L3 along the optical axis direction X.
  • Nd indicates an Nd-Fe-B magnet
  • the magnetic characteristics thereof used were those having a residual magnetic flux density of 1.25 T, a coercive force of 940 kA / m, and a Curie point of 310 ° C.
  • SmCo indicates a samarium-cobalt magnet, and the magnetic characteristics thereof used were those having a residual magnetic flux density of 1.11 T, a coercive force of 847 kA / m, and a Curie point of 800 ° C.
  • the magnetic field strength shown in Table 1 indicates the maximum magnetic field strength obtained in the range of 7 mm in length in which the Faraday rotating glass is arranged in the through hole of the magnetic circuit.
  • the temperature history is added to the magnetic circuit by raising the temperature from room temperature (25 ° C) to 50 ° C, 60 ° C, 70 ° C, and 80 ° C, respectively, and then lowering the temperature to 25 ° C again. added. Then, it was determined that irreversible demagnetization occurred when the value of the magnetic field strength at that time was less than 99% before the temperature history was added, and the temperature at that temperature history was defined as the irreversible demagnetization temperature.
  • both the first magnet and the third magnet are composed of Nd—Fe—B based magnets, and moreover, the first magnet 11, the second magnet 12, and the second magnet 12 and Since the relationship between the lengths L1, L2, and L3 along the optical axis direction X of the third magnet 13 is L2 ⁇ L3 ⁇ L1, the magnetic field strength is significantly increased to 1.94 to 2.00T. ing.

Abstract

温度上昇による不可逆減磁が生じ難く、ファラデー素子に大きな磁場を印加することができる、磁気回路を提供する。　光が通過する貫通孔２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おり、第３の磁石１３は、光軸方向Ｘに垂直な方向Ｙに、かつ貫通孔２側がＳ極となるように磁化されており、第２の磁石１２は、第１の磁石１１及び／又は第３の磁石１３とは異なる材料により構成されており、第２の磁石１２は、キュリー点が３６０℃以上であり、かつ残留磁束密度が第１の磁石１１及び／又は第３の磁石１３よりも小さい、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。
　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（Ｈ）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、光アイソレータへ入射されるレーザーが高出力になると、ファラデー素子のわずかな吸収によって温度上昇が生じることがある。そして、その熱エネルギーによって、磁気回路も温度上昇し、温度条件を元に戻しても磁力が元に戻らない、すなわち温度変化による磁石の不可逆減磁が生じることがある。この場合、ファラデー素子に印加される磁場が弱くなるため、ファラデー回転角が小さくなり、光アイソレータとしてのアイソレーション特性が低下するという問題がある。
　本発明の目的は、温度上昇による不可逆減磁が生じ難く、ファラデー素子に大きな磁場を印加することができる、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２の磁石は、前記第１の磁石及び／又は前記第３の磁石とは異なる材料により構成されており、前記第２の磁石は、キュリー点が３６０℃以上であり、かつ残留磁束密度が前記第１の磁石及び／又は前記第３の磁石よりも小さいことを特徴とする。
　本発明においては、前記第２の磁石が、サマリウム－コバルト系磁石により構成されていることが好ましい。
　本発明においては、前記第１の磁石及び前記第３の磁石のうち少なくとも一方が、ネオジム－鉄－ホウ素系磁石により構成されていることが好ましい。
　本発明においては、前記第１の磁石及び前記第３の磁石の双方が、ネオジム－鉄－ホウ素系磁石により構成されていることが好ましい。
　本発明においては、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２の磁石の前記光軸方向に沿う長さをＬ２とし、前記第３の磁石の光軸方向に沿う長さをＬ３としたときに、Ｌ２＜Ｌ３≦Ｌ１の関係にあることが好ましい。
　本発明においては、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２の磁石の前記光軸方向に沿う長さをＬ２とし、前記第３の磁石の光軸方向に沿う長さをＬ３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。
　本発明によれば、温度上昇による不可逆減磁が生じ難く、ファラデー素子に大きな磁場を印加することができる、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、本発明の第３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。
　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。
　［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。
　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２の磁石１２は、第１の磁石１１及び／又は第３の磁石１３とは異なる材料により構成されている。また、第２の磁石１２は、キュリー点が３６０℃以上であり、かつ残留磁束密度が第１の磁石１１及び／又は第３の磁石１３よりも小さい。具体的には、サマリウム－コバルト（Ｓｍ－Ｃｏ）系磁石（以下、Ｓｍ－Ｃｏ系磁石とする）により構成されていることが好ましい。この場合、第２の磁石１２には、サマリウム－コバルト（Ｓｍ－Ｃｏ）を主成分（例えば、Ｓｍ２Ｃｏ１７）とする磁石が包含されるものとする。
　第２の磁石１２は、キュリー点が３６０℃以上であり、好ましくは４００℃以上、より好ましくは５００℃以上、さらに好ましくは６００℃以上、さらに好ましくは７００℃以上、さらに好ましくは７４０℃以上、特に好ましくは７５０℃以上、好ましくは１０００℃以下、より好ましくは９８０℃以下、特に好ましくは９００℃以下である。
　また、第１の磁石１１及び第３の磁石１３のキュリー点は、それぞれ、好ましくは２００℃以上、より好ましくは２１０℃以上、さらに好ましくは２３０℃以上、さらに好ましくは２４０℃以上、特に好ましくは２５０℃以上、好ましくは１０００℃以下、より好ましくは９８０℃以下、特に好ましくは９００℃以下である。第１の磁石１１、第２の磁石１２、及び第３の磁石１３のキュリー点を上記の範囲内とすることにより、温度上昇による磁石の残留磁束密度及び保磁力の低下もより一層抑制することができる。
　なお、Ｓｍ－Ｃｏ系磁石は、キュリー点が６００℃以上と高いため、高温下における不可逆減磁をより一層抑制することができる。また、Ｓｍ－Ｃｏ系磁石の残留磁束密度の温度依存性は、一般に－０．０３％／℃程度であり、ネオジム－鉄－ホウ素系磁石は、－０．１％／℃程度である。また、保磁力の温度依存性は、Ｓｍ－Ｃｏ系磁石で－０．２％／Ｋ程度であり、ネオジム－鉄－ホウ素系磁石で、－０．５％／Ｋ程度である。そのため、Ｓｍ－Ｃｏ系磁石を用いると、温度上昇による磁石の残留磁束密度及び保磁力の低下もより一層抑制することができる。
　また、図２に示すように、通常、ファラデー素子１４が配置されるのは、第２の磁石１２の貫通孔２部分となるため、ファラデー素子１４が温度上昇した場合に最も影響を受けるのは、第２の磁石１２である。そのため、第２の磁石１２にＳｍ－Ｃｏ系磁石を用いることにより、温度上昇による不可逆減磁を生じ難くすることができる。また、Ｓｍ－Ｃｏ系磁石は、ネオジム－鉄－ホウ素系磁石に比べて比較的安価であるため、磁気回路１の製造コストを低減することもできる。
　また、磁気回路１において、第１の磁石１１及び第３の磁石１３は、第２の磁石１２とは異なる材料により構成されており、かつ第２の磁石１２より残留磁束密度が大きい。そのため、磁気特性を向上させることができ、ファラデー素子１４に大きな磁場を印加することができる。なお、本発明においては、第１の磁石１１及び第３の磁石１３のうち少なくとも一方が、第２の磁石１２とは異なる材料により構成されており、かつ第２の磁石１２より残留磁束密度が大きい磁石であればよい。すなわち、第１の磁石１１及び第３の磁石１３のうち一方は、第２の磁石１２と同じ材料により構成されていてもよく、また第２の磁石１２より残留磁束密度が大きくなくてもよい。
　このように、本発明者らは、第２の磁石１２をＳｍ－Ｃｏ系磁石により構成し、第１の磁石１１及び第３の磁石１３のうち少なくとも一方を、第２の磁石１２とは異なる材料により構成し、かつ第２の磁石１２より残留磁束密度が大きい磁石とすることにより、温度上昇による不可逆減磁を生じ難くしつつ、ファラデー素子１４に大きな磁場を印加することができることを見出した。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。
　なお、第１の磁石１１及び第３の磁石１３としては、ネオジム－鉄－ホウ素系磁石（以下、Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系磁石とする）、Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系磁石のＮｄの一部をＤｙやＴｂで置き換えた磁石、ネオジム－コバルト－ホウ素系磁石（以下、Ｎｄ－Ｃｏ－Ｂ系磁石とする）、又はプラセオジム磁石等を用いることができる。これらは、１種を単独で用いてもよく、複数を併用してもよい。なお、第１の磁石１１及び第３の磁石１３は、同じ磁石により構成されていてもよく、異なる磁石により構成されていてもよいが、同じ磁石により構成されていることが好ましい。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、第１の磁石１１及び第３の磁石１３のうち少なくとも一方が、Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系磁石であることが好ましく、第１の磁石１１及び第３の磁石１３のうち双方が、Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系磁石であることがより好ましい。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。この場合、第１の磁石１１及び第３の磁石１３には、ネオジム、鉄、及びホウ素（Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ）を主成分（例えば、Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂ）とする磁石が包含されるものとする。
　第１の磁石１１及び第３の磁石１３の残留磁束密度は、それぞれ、好ましくは１．０５Ｔ以上、より好ましくは１．１０Ｔ以上、さらに好ましくは１．１５Ｔ以上、さらに好ましくは１．２０Ｔ以上、特に好ましくは１．２５Ｔ以上、好ましくは１．６０Ｔ以下、より好ましくは１．５５Ｔ以下、特に好ましくは１．５０Ｔ以下である。また、第２の磁石１２の残留磁束密度は、好ましくは０．８５Ｔ以上、より好ましくは０．９０Ｔ以上、さらに好ましくは０．９５Ｔ以上、特に好ましくは１．００Ｔ以上、好ましくは１．２５Ｔ以下、より好ましくは１．２０Ｔ以下である。第１の磁石１１、第２の磁石１２、及び第３の磁石１３の残留磁束密度を上記の範囲内とすることにより、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、第１の磁石１１と第３の磁石１３の残留磁束密度は等しいことが好ましい。このようにすれば、第２の磁石１２により一層均一な磁界を与えることができる。もっとも、第１の磁石１１の残留磁束密度と、第３の磁石１３の残留磁束密度が等しくなくてもよい。
　第１の磁石１１及び第３の磁石１３の保磁力は、第２の磁石１２の保磁力より大きいことが好ましい。第１の磁石１１及び第３の磁石１３の保磁力は、それぞれ、好ましくは７５０ｋＡ／ｍ以上、より好ましくは７６０ｋＡ／ｍ以上、好ましくは１２００ｋＡ／ｍ以下、より好ましくは１１００ｋＡ／ｍ以下である。また、第２の磁石１２の保磁力は、好ましくは６５０ｋＡ／ｍ以上、より好ましくは７００ｋＡ／ｍ以上、好ましくは１２００ｋＡ／ｍ以下、より好ましくは１１００ｋＡ／ｍ以下である。第１の磁石１１、第２の磁石１２、及び第３の磁石１３の保磁力を上記の範囲内とすることにより、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、第１の磁石１１と第３の磁石１３の保磁力は、等しいことが好ましい。このようにすれば、第２の磁石１２により一層均一な磁界を与えることができる。もっとも、第１の磁石１１の保磁力と、第３の磁石１３の保磁力が等しくなくてもよい。
　磁気回路１において、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。また、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。
　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１．００以上、より好ましくは１．０１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１．１２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。
　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１．４０以下、より好ましくは１．３８以下、さらに好ましくは１．３５以下、特に好ましくは１．３３以下である。比Ｌ２／Ｌ３が上記範囲内にある場合、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。
　（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。より具体的には、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。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、温度上昇による不可逆減磁を生じ難くしつつ、ファラデー素子１４に大きな磁場を印加することができる。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ので、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、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。
　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。
　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、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を有するため、温度上昇による不可逆減磁を生じ難くしつつ、ファラデー素子１４に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が等しい。また、磁気回路３１においても、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。
　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の実施形態においても、第２の磁石１２が、Ｓｍ－Ｃｏ系磁石により構成されており、かつ第１の磁石１１及び第３の磁石１３のうち少なくとも一方が、第２の磁石１２とは異なる材料により構成されており、かつ第２の磁石１２より残留磁束密度が大きい。そのため、温度上昇による不可逆減磁を生じ難くしつつ、ファラデー素子１４に大きな磁場を印加することができる。
　また、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が等しくてもよい。あるいは、第３の磁石１３の長さＬ３が、第１の磁石１１の長さＬ１より長くてもよい。
　［第３の実施形態］
　図８は、本発明の第３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に示すように、磁気回路６１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よりも短い。また、磁気回路６１においても、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。
　ファラデー回転子７０は、この磁気回路６１と、磁気回路６１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８０は、このファラデー回転子７０と、磁気回路６１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３の実施形態においても、第２の磁石１２が、Ｓｍ－Ｃｏ系磁石により構成されており、かつ第１の磁石１１及び第３の磁石１３のうち少なくとも一方が、第２の磁石１２とは異なる材料により構成されており、かつ第２の磁石１２より残留磁束密度が大きい。そのため、温度上昇による不可逆減磁を生じ難くしつつ、ファラデー素子１４に大きな磁場を印加することができる。
　また、第３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よりも短くてもよい。
　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く、Ｌ２＜Ｌ３＜Ｌ１の関係を満たすことがより好ましい。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。
　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１～６及び比較例１～３）
　表１は、本発明の実施例１～６及び比較例１～３を示している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　実施例１～６及び比較例１～３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の材質、及び光軸方向Ｘに沿う長さＬ１、Ｌ２、及びＬ３を表１のようにした。
　なお、表１において、ＮｄはＮｄ－Ｆｅ－Ｂ系磁石を示しており、その磁気特性は、残留磁束密度が１．２５Ｔ、保磁力が９４０ｋＡ／ｍ、キュリー点が３１０℃のものを使用した。ＳｍＣｏは、サマリウム－コバルト系磁石を示しており、その磁気特性は、残留磁束密度が１．１１Ｔ、保磁力が８４７ｋＡ／ｍ、キュリー点が８００℃のものを使用した。
　これらの磁気回路で用いる光アイソレータでは、太さφ３ｍｍ、長さ７ｍｍ、ベルデ定数０．２０５ｍｉｎ／Ｏｅ・ｃｍの円柱状のファラデー回転ガラスを使用した。そのため、表１に記載の磁界強度は、磁気回路の貫通孔内においてファラデー回転ガラスが配置されている長さ７ｍｍの範囲で得られる最大の磁界強度を示している。
　不可逆減磁温度の測定では、室温（２５℃）からそれぞれ５０℃、６０℃、７０℃、８０℃まで上昇させた後、再度、２５℃まで温度を低下させることにより、磁気回路に温度履歴を加えた。そして、そのときの磁界強度の値が温度履歴を加える前の９９％未満であった際に不可逆減磁が生じたと判断し、その温度履歴のときの温度を不可逆減磁温度とした。
　実施例１～６では、第２の磁石にキュリー点が８００℃であるサマリウム－コバルト系磁石を用いているため、８０℃の温度履歴を加えても不可逆減磁は見られなかった。これに対して、比較例１～２では、全ての磁石体をキュリー点が３１０℃であるＮｄ－Ｆｅ－Ｂ系磁石で構成しているため、６０℃の温度履歴にて不可逆減磁が見られた。
　また、実施例１～６では、第１の磁石及び第３の磁石のうち少なくとも一方が、Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系磁石により構成されているため、磁界強度も高められている。特に、実施例１～４では、第１の磁石及び第３の磁石の双方が、Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系磁石により構成されており、しかも、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、及びＬ３の関係が、Ｌ２＜Ｌ３＜Ｌ１となっているため、１．９４～２．００Ｔと磁界強度が大幅に高められている。
　なお、比較例３では、全てサマリウム－コバルト系磁石を用いているため、８０℃の温度履歴を加えても不可逆減磁は見られなかったが、得られる磁界強度が大幅に低くなった。
１，３１，６１…磁気回路
２…貫通孔
１０，４０，７０…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
２０，５０，８０…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２の磁石は、前記第１の磁石及び／又は前記第３の磁石とは異なる材料により構成されており、
    　前記第２の磁石は、キュリー点が３６０℃以上であり、かつ残留磁束密度が前記第１の磁石及び／又は前記第３の磁石よりも小さい、磁気回路。
  2. 　前記第２の磁石が、サマリウム－コバルト系磁石により構成されている、請求項１に記載の磁気回路。
  3. 　前記第１の磁石及び前記第３の磁石のうち少なくとも一方が、ネオジム－鉄－ホウ素系磁石により構成されている、請求項１又は２に記載の磁気回路。
  4. 　前記第１の磁石及び前記第３の磁石の双方が、ネオジム－鉄－ホウ素系磁石により構成されている、請求項１～３のいずれか１項に記載の磁気回路。
  5. 　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２の磁石の前記光軸方向に沿う長さをＬ２とし、前記第３の磁石の光軸方向に沿う長さをＬ３としたときに、Ｌ２＜Ｌ３≦Ｌ１の関係にある、請求項１～４のいずれか１項に記載の磁気回路。
  6. 　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２の磁石の前記光軸方向に沿う長さをＬ２とし、前記第３の磁石の光軸方向に沿う長さをＬ３としたときに、Ｌ２＜Ｌ３＜Ｌ１の関係にある、請求項１～５のいずれか１項に記載の磁気回路。
  7. 　請求項１～６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。
  8. 　前記常磁性体が、ガラス材である、請求項７に記載のファラデー回転子。
  9. 　請求項７又は８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。
  10. 　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９に記載の磁気光学デバイス。
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