JP3704429B2

JP3704429B2 - ファラデー回転角可変装置

Info

Publication number: JP3704429B2
Application number: JP04884298A
Authority: JP
Inventors: 博貴河合; 浩光梅澤
Original assignee: FDK Corp
Current assignee: FDK Corp
Priority date: 1998-02-13
Filing date: 1998-02-13
Publication date: 2005-10-12
Anticipated expiration: 2018-02-13
Also published as: JPH11231274A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ファラデー効果を有するガーネット単結晶（ファラデー素子）に二方向以上から外部磁界を印加し、それらの合成磁界を可変することにより、ガーネット単結晶を透過する光線のファラデー回転角を制御する装置に関するものである。更に詳しく述べると本発明は、ガーネット単結晶の結晶方位に対する外部磁界の合成ベクトルの変位経路を規定することにより、二方向以上から外部磁界を印加しているにもかかわらずファラデー回転角の可変範囲を９０度以上に広くできるファラデー回転角可変装置に関するものである。この装置は、光アッテネータや偏波スクランブラなどに有用である。
【０００２】
【従来の技術】
光通信システムなどでは、光の透過光量を制御するための光アッテネータ、あるいは光の偏波方向を連続的且つ周期的に可変する偏波スクランブラなどが必要であり、それらにはファラデー回転角可変装置が組み込まれている。このファラデー回転角可変装置は、ファラデー素子に二方向以上から磁界を印加し、それらの合成磁界を可変することにより、ファラデー素子を透過する光線のファラデー回転角を制御する装置である。通常、ファラデー素子としては、ファラデー効果を有する磁性ガーネット単結晶が用いられている。
【０００３】
光アッテネータは、主として偏光子とファラデー回転角可変装置と検光子とをその順序で配列して構成する。そのファラデー回転角可変装置は、ファラデー素子と、通常、それに対して光軸に垂直方向に磁界を印加する電磁石と、光軸と平行方向に磁界を印加する永久磁石からなる。永久磁石によってファラデー素子を磁気飽和の状態とし、電磁石のコイルに供給する電流を変化させることで合成磁界の向きが変化する。この合成磁界の回転によってファラデー回転角が変化し、検光子を通過する透過光量を変化させることができる。
【０００４】
光アッテネータでは、ファラデー素子（ガーネット単結晶）に印加する磁界に対してファラデー回転角が再現性よく変化する必要がある。そのため上記のように、光軸に平行方向にファラデー素子の飽和磁界以上の固定磁界を印加してファラデー素子を飽和状態にしておき、その状態で光軸に垂直方向に可変磁界を印加して合成磁界ベクトルを変化させ、ファラデー素子の磁化方向を変えてファラデー回転角を変化させている。固定磁界と可変磁界の方向は、上記と逆の関係でもよい。ファラデー素子が磁気的に未飽和であると、磁区が発生することによる消光比の劣化、光の散乱が生じ、印加磁界に対するファラデー回転角の再現性が悪いからである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
合成磁界の方向を光軸に対して平行方向から垂直方向まで変化させ、ファラデー回転角を９０度から０度にすれば、偏光子と検光子のなす角度が９０度の時に透過光量が最大から最小まで変化する。しかし、光軸方向には常に永久磁石による固定磁界を印加しているために、ファラデー素子の磁化を垂直方向に向けるには垂直方向に非常に大きな磁界を印加しなければならない。また理論的には、たとえどんなに大きな磁界を印加しても、その合成磁界ベクトルは光軸に対して９０度（垂直）にはならない。よって、ファラデー素子の磁化も９０度まで回転せず、ファラデー回転角は０度にはならないとされていた。
【０００６】
本発明の目的は、二方向以上から固定磁界と可変磁界を印加しているにもかかわらず、ファラデー素子の磁化を可変磁界方向に向き易くできるファラデー回転角可変装置を提供することである。本発明の他の目的は、直交する二方向から固定磁界と可変磁界を印加しているにもかかわらず、ファラデー回転角の可変範囲をより一層広く９０度以上にできるファラデー回転角可変装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ファラデー効果を有するガーネット単結晶からなるファラデー素子に、二方向以上から外部磁界を印加して、それらの合成磁界を可変することにより、ファラデー素子を透過する光線のファラデー回転角を制御する装置である。本発明においては、ガーネット単結晶は（１１１）面で研磨されていて、光線はその（１１１）面に入射し、外部磁界の合成ベクトルの変位経路が、ガーネット単結晶の（１１１）面を中心としたステレオ投影図における中心の（１１１）面と、（１００）面と等価な面を結んだ直線から左右に１０度の位置にある直線で囲まれた扇形の範囲に入るように（扇形の線上も含む）構成されており、この点に特徴がある。ここで、最も好ましくは、ガーネット単結晶の（１１１）面を中心としたステレオ投影図における中心の（１１１）面と、（１００）面と等価な面を結んだ直線から左右に２度の扇形範囲に入るように（扇形の線上も含む）構成することである。
【０００８】
図１はガーネット単結晶の（１１１）面を中心としたステレオ投影図である。隣り合う同心円は互いに１０度ずつ異なっている面を意味し、隣り合う径方向の線は互いに１０度ずつ異なっている面を意味する。従って、ガーネット単結晶の任意の面は、このステレオ投影図内の点として示すことができる。中心から５５度に位置する円上には（１００）面と等価な面が１２０度毎に現れる。中心の（１１１）面と、（１００）面に等価な面とを結んだ直線の最外周円上には（２１１）面と等価な面が現れる。中心の（１１１）面と、（１００）面と等価な面を結ぶ直線から左右に２０度の扇形範囲とは、斜線を付した３箇所の領域である。この斜線を付した領域には、中心を除いて（１１１）面と等価な面は存在しない。この点が重要である。そして交差線を付した領域（本発明の領域）は、中心の（１１１）面と、（１００）面と等価な面を結ぶ直線から左右に１０度の扇形範囲を示している。なお、中心から５５度に位置する（１００）面と等価な面とは、（００１）面、（０１０）面、（１００）面のことである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
特性面では特に、外部磁界の合成ベクトルの変位経路を、ガーネット単結晶の（１１１）面を中心としたステレオ投影図における中心の（１１１）面と、（１００）面と等価な面とを結ぶ直線上にすることが望ましい。しかし、組み立て精度などを考慮すると、その直線から左右に２度の非常に狭い扇形の範囲内とすれば、最良状態を実現できる。また外部磁界は、例えば光線方向に対し平行方向と垂直方向の二方向から印加する。光線方向に対し垂直方向の外部磁界の強さを一定とし、平行方向の外部磁界の強さを可変する場合もあるし、逆に光線方向に対し平行方向の外部磁界の強さを一定とし、垂直方向の外部磁界の強さを可変する場合もある。通常、固定磁界は永久磁石によって印加し、可変磁界は電磁石によって印加する。
【００１０】
本発明で用いるガーネット単結晶は、例えば液相エピタキシャル（ＬＰＥ）法で作製した（ＲＢｉ）₃（ＦｅＭ）₅Ｏ₁₂又は（ＲＢｉ）₃Ｆｅ₅Ｏ₁₂（但しＲはイットリウムを含む希土類元素から選ばれた１種以上の元素、Ｍは鉄と置換できる１種以上の元素）である。Ｍとしては、例えばＧａ，Ｉｎ，Ａｌなどの元素がある。その他、ガーネット単結晶は、Ｙ₃Ｆｅ₅Ｏ₁₂でもよい。ガーネット単結晶の製造方法は、量産性などの観点から上記ＬＰＥ法が望ましいが、その他、ＦＺ（フローティング・ゾーン）法やフラックス法などでもよい。
【００１１】
本発明に係るファラデー回転角可変装置は、光アッテネータの他、偏波スクランブラなどファラデー回転角を制御するデバイスに適用できる。
【００１２】
【発明の背景】
本発明者等は、ガーネット単結晶への印加磁界とファラデー回転角の関係を鋭意研究したところ、外部から印加する磁界の方向に対してファラデー素子であるガーネット単結晶の結晶方位が変わると、ファラデー回転角の可変範囲が変化することを見出した。そこで、その原因を調べるため、ファラデー素子となるガーネット単結晶を作製し、図２に示す測定系に組み込んで、電磁石の磁界に対するガーネット単結晶のファラデー回転角及び光減衰量を測定した。ファラデー回転角は直交偏光子法により測定した。光減衰量の測定は、偏光子と検光子を通過する偏光面のなす角度が９０度になるように配置して測定した。従って入射光は、ファラデー素子によって偏光面が９０度回転する、つまりファラデー回転角が９０度の場合は、検光子をほぼ無損失で通過することができるが、ファラデー回転角が０度の場合は偏光面と検光子が直交状態になり、光は検光子を通過できない。なお偏光子及び検光子は複合偏光プリズムである。また偏光子を通過する偏光面と電磁石による光軸に垂直方向の磁界とのなす角度を１０度以内にし、コットンムートン効果による位相差による消光比の劣化を防止した。永久磁石により光軸方向に１５０エルステッドの磁界を与え、電磁石により光軸と垂直方向に最大１０００エルステッドの磁界を与えた。
【００１３】
図２は測定系の概略構成を示しており、基本的に光アッテネータと同じ構成である。光ファイバ１０から出射した光はレンズ１２により平行光となり、偏光子１４、ファラデー素子１６、検光子１８を通過し、レンズ２０によって光ファイバ２２の入射端に集光する。ここで符号２４の部分がファラデー回転角可変装置であり、その構造の一例を図３に示す。ファラデー素子１６には一対の永久磁石２６，２８によって光軸に平行方向に飽和に要する磁界が印加され、電磁石３０により光軸と垂直方向に磁界が印加されて、該電磁石３０のコイル電流を変えることでそれらの合成磁界を変化させる。
【００１４】
まず、ファラデー素子となるガーネット単結晶は次のように作製した。はじめに、ＰｂＯ−Ｂ₂Ｏ₃−Ｂｉ₂Ｏ₃を融剤として、液相エピタキシャル法（ＬＰＥ法）により、格子定数が１２．４９６Å、組成が（ＣａＧｄ）₃（ＭｇＺｒＧａ）₅Ｏ₁₂である直径１インチ、厚み５００μｍの基板の（１１１）面上に、Ｂｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶（ＬＰＥ膜、組成Ｔｂ_1.00Ｙ_0.65Ｂｉ_1.35Ｆｅ_4.05Ｇａ_0.95Ｏ₁₂、膜厚４５０μｍ）を育成した。次に、得られたＬＰＥ膜を３mm角に切断し、研磨により基板を除去した後に、大気中で１１００℃、８時間熱処理した。これは、成長誘導による一軸磁気異方性定数を低減するためである。そして、再度研磨して、３mm×３mm×０．３１mmの正方板状に鏡面仕上げし、反射防止膜を蒸着した。最後に、１mm×１mm×０．３１mmに切断した。ＶＳＭによりガーネット単結晶の飽和磁化４πＭs を測定したところ１２０ガウスであったため、永久磁石による固定磁界を１５０エルステッドにして、ガーネット単結晶を飽和させるようにした。そして、光がガーネット単結晶の反射防止膜を蒸着した面、即ち（１１１）面に対して垂直に入射するようにして測定を行った。
【００１５】
Ｘ線回折によってガーネット単結晶の方位を調べたところ、図４の（ａ）で示されるガーネット単結晶３２のＡ面〜Ｅ面は、それぞれ図４の（ｂ）のステレオ投影図におけるＡ′面〜Ｅ′面に相当することが分かった。そこで図５に示すように、３個のガーネット単結晶３２を方位を揃えて並べてファラデー素子１６とし、光を矢印方向に入射するように設置した。永久磁石と電磁石による合成磁界ベクトルの経路を図６の０〜１１０度（即ちａ〜ｌ）にして測定した。例えば、図２に示す測定系で、光入射面（Ａ面）側に永久磁石Ｓ極が、光出射面（Ａ面の裏面）側に永久磁石Ｎ極を配置し、且つ電磁石Ｓ極の位置にＢ面、電磁石Ｎ極の位置にＤ面が向くようにガーネット単結晶を組み込み、Ａ面に垂直に光を入射する。電磁石の磁界を可変すると、永久磁石との合成磁界ベクトルはガーネット単結晶のステレオ投影図（図６）の経路ａに沿うように、ガーネット単結晶に印加されることになる。
【００１６】
図６における経路ａの状態を基準（角度０度）として、ガーネット単結晶を、該ガーネット単結晶のＡ面が光軸に対して垂直となる状態を保ったまま、入射側から見て反時計回りに１０度送りで３６０度回転させて、ファラデー回転角の最大値と最小値の差、つまりファラデー回転角の可変範囲（度）と最大光減衰量（ｄＢ）を測定した。永久磁石による磁界は上記のように１５０エルステッド、電磁石による磁界は最大約１０００エルステッドとした。経路ａ〜ｌまでの測定結果を表１に示す。なお１２０〜２３０度、及び２４０〜３５０度も測定したが、表１に示す０〜１１０度までの結果と同じであったために、それらについての記載は省略する。
【００１７】
表１に示す結果から、角度０度のとき（つまり印加磁界の経路ａのとき）、ファラデー回転角の可変範囲が最も大きく９０度以上となることが分かる。それに対して角度６０度のとき（つまり印加磁界の経路ｇのとき）、ファラデー回転角の可変範囲が最小になっており、７０度程度までの範囲でしか変化しえないことも分かる。また表１から、経路ａから２０度以内においては、最大光減衰量が２４ｄＢ以上であり、その範囲内において、かなり良好なアッテネーション特性が得られる。特に、経路ａから１０度以内においては、ファラデー回転角の可変範囲が９０度以上となり、最大光減衰量が３６ｄＢ以上であり、アッテネーション特性は極めて良好である。従って、経路ａとなるようにガーネット単結晶を設置するのが良いことはいうまでもない。組み立て精度を考慮しても、経路ａに対して±２度の範囲内に収めることができるので、その範囲内にすることが最良である。
【００１８】
【表１】

【００１９】
このような結果が生じる理由は、ガーネット単結晶の結晶磁気異方性によるものと考えられる。ガーネット単結晶は、本質的に（熱処理によっても除去できない）結晶磁気異方性Ｋc を有しており、〈１１１〉と対称等価な方向が結晶磁気異方性の容易軸となっている。この〈１１１〉方向は、光線と平行方向と、光線と直交方向から２０度の位置にある。ガーネット単結晶の磁化は、この異方性磁界の影響を受け、外部磁界と異方性磁界の合成ベクトル方向を向くものと考えられる。つまり、経路ａ（０度）の場合には各磁界の向きは図７の（ａ）に示すような関係となり、異方性磁界に引っ張られてガーネット単結晶の磁化は電磁石の磁界を越えて異方性磁界の向きに近づく。そのためファラデー回転角の可変範囲は９０度以上となる。それに対して、経路ｇ（６０度）の場合には各磁界の向きは図７の（ｂ）に示すような関係となり、異方性磁界に引っ張られてガーネット単結晶の磁化は電磁石の磁界の向きまで達しない。そのためファラデー回転角の可変範囲が最小となる。
【００２０】
【実施例】
図２及び図３に示したのと同様の構成で本発明に係る光アッテネータを製作した。ファラデー素子１６は、図５に示すように、３個のガーネット単結晶３２を方位を揃えて並べてファラデー回転角が約９０度となるようにしたものである。ここでガーネット単結晶を３個使用しているのは、育成した結晶の膜厚が４５０μｍであり、それを加工して用いているために膜厚が薄くなり、１個当たりのファラデー回転角が小さいためである。現時点では、ＬＰＥ法による結晶育成は、膜厚が５００μｍを超えると、欠陥や割れが生じて育成が困難である。しかし、育成技術の進歩によって５００μｍを超える厚い膜の育成が可能になり、加工後の結晶１個当たりの厚みを大きくしてファラデー回転角を大きくできれば、使用するガーネット単結晶の個数は２個ないし１個でも構わない。なお光線は各ガーネット単結晶３２の（１１１）面に垂直に透過するように設定する。また各ガーネット単結晶３２は、分かり易くするために互いに離して描いてあるが、実際にはそれらを接着一体化したものでよい。図２に戻って、光ファイバ１０から出射した光はレンズ１２により平行光となり、偏光子１４、ファラデー素子１６、及び検光子１８を通過し、レンズ２０によって光ファイバ２２の端面に集光する。ファラデー素子１６には永久磁石２６，２８によって光軸に平行方向に磁界が印加され、更に電磁石３０により光軸と垂直方向に磁界が印加される。永久磁石２６，２８によって磁気飽和の状態とし、電磁石３０のコイルに供給する電流を変化させることで、合成磁界を変化させ、透過光の偏波方向を連続的に変える。
【００２１】
本実施例では、ファラデー素子１６の各ガーネット単結晶３２に印加する磁界の経路を図６の経路ａとなるように（最良モードに）設定する。このように構成した光アッテネータについて、電磁石３０の磁界の強さに対するファラデー回転角及び光減衰量をそれぞれ測定した。結果を図８に示す。この結果から明らかなように、ファラデー回転角の可変範囲は９０度以上であり、最大アッテネーションが３６ｄＢ以上となる極めて良好な特性の光アッテネータが製造できた。
【００２２】
【発明の効果】
本発明は上記のように、光はガーネット単結晶の（１１１）面に入射し、外部磁界の合成ベクトルの変位経路が、ガーネット単結晶の（１１１）面を中心としたステレオ投影図における中心の（１１１）面と、（１００）面と等価な面を結んだ直線から左右に２０度の扇形範囲に入るように設定したことにより、永久磁石による磁界を光軸に平行方向に、電磁石による磁界を光軸に垂直方向に印加する場合でも、ファラデー素子の磁化が光軸に垂直方向に向きやすくなる。そのため本発明のファラデー回転角可変装置は、ファラデー回転角の可変範囲を広くできる効果がある。
【００２３】
特に、外部磁界の合成ベクトルの変位経路が、ガーネット単結晶の（１１１）面を中心としたステレオ投影図における中心の（１１１）面と、（１００）面と等価な面を結んだ直線から左右に１０度の扇形範囲に入るように設定すると、ファラデー回転角の可変範囲を９０度以上にできる。その結果、特に光アッテネータの特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明範囲を示す（１１１）面を中心としたステレオ投影図。
【図２】光アッテネータの基本構成図。
【図３】ファラデー回転角可変装置の一構成例の説明図。
【図４】ガーネット単結晶の実際の面と（１１１）面を中心としたステレオ投影図。
【図５】ファラデー素子の一例を示す説明図。
【図６】外部磁界の変位ベクトルの経路と角度を示すステレオ投影図。
【図７】その経路ａと経路ｇにおけるガーネット単結晶の結晶磁気異方性の影響を示す説明図。
【図８】本発明の最良モードにおける電磁石の磁界とファラデー回転角及び光減衰量の関係を示すグラフ。
【符号の説明】
１０，２２光ファイバ
１２，２０レンズ
１４偏光子
１６ファラデー素子
１８検光子
２４，２６永久磁石
３０電磁石

Claims

ファラデー効果を有するガーネット単結晶からなるファラデー素子に、二方向以上から外部磁界を印加して、それらの合成磁界を可変することにより、該ファラデー素子を透過する光線のファラデー回転角を制御する装置において、
光線はガーネット単結晶の（１１１）面に入射し、外部磁界の合成ベクトルの変位経路が、ガーネット単結晶の（１１１）面を中心としたステレオ投影図における中心の（１１１）面と、（１００）面と等価な面を結んだ直線から左右に１０度の扇形範囲に入っていることを特徴とするファラデー回転角可変装置。
外部磁界の合成ベクトルの変位経路が、ガーネット単結晶の（１１１）面を中心としたステレオ投影図における中心の（１１１）面と、（１００）面と等価な面を結んだ直線から左右に２度の扇形範囲に入っている請求項１記載のファラデー回転角可変装置。
光線方向に対し平行方向と垂直方向の二方向から永久磁石と電磁石とによって外部磁界を印加する請求項１又は２に記載のファラデー回転角可変装置。
ガーネット単結晶が、液相エピタキシャル法で作製した（ＲＢｉ）₃（ＦｅＭ）₅Ｏ₁₂又は（ＲＢｉ）₃Ｆｅ₅Ｏ₁₂（但しＲはイットリウムを含む希土類元素から選ばれた１種以上の元素、Ｍは鉄と置換できる１種以上の元素）である請求項１乃至３のいずれかに記載のファラデー回転角可変装置。
ガーネット単結晶が、Ｙ₃Ｆｅ₅Ｏ₁₂である請求項１乃至３のいずれかに記載のファラデー回転角可変装置。