JP2000206462A - Multilayered film faraday rotator - Google Patents

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a multilayered Faraday rotator, which allows exact regulation of the Faraday rotation angle of the multilayered Faraday rotator having a structure laminated periodically repetitively with a magneto-optical materials and dielectric materials. SOLUTION: This multilayered Faraday rotator is regulated in the Faraday rotating angle by adding at least one additive layer 4 to the basic structure 3, which is periodically repetitively laminated with the magneto-optical materials 1 and the dielectric materials 2 and in which the periodic repetition has reverse symmetry and regulating the thickness of the additive layer 4. Alternatively, the Faraday rotating angle is regulated by regulating the magnetic induction dielectric constant to induce Faraday rotation by a load magnetic field in the basic structure 3.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【０００１】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、磁気光学材料と誘
電体材料とからなる周期的繰り返し構造を有する多層膜
ファラデー回転子において、光の透過率が改善され、回
転角が正確に調整されている多層膜ファラデー回転子に
関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a multilayer Faraday rotator having a periodic repeating structure composed of a magneto-optical material and a dielectric material, in which the light transmittance is improved and the rotation angle is accurately adjusted. A multi-layer Faraday rotator.

【０００２】[0002]

【従来の技術】近年、大容量の光通信システムが盛んに
開発されている。こうした技術において、光源のレーザ
発振の安定化や光増幅システムのノイズ低減等に光アイ
ソレータが重要な役割を果たしている。2. Description of the Related Art In recent years, large-capacity optical communication systems have been actively developed. In such technology, an optical isolator plays an important role in stabilizing laser oscillation of a light source, reducing noise in an optical amplification system, and the like.

【０００３】光アイソレータは、通常、偏光子と光非相
反効果を有するファラデー回転子で構成され、それぞれ
のバルク型の部品を組み立てたバルク型のものや、導波
路型に構成した導波路型がある（例えば、佐藤勝昭「光
と磁気」朝倉書店（1988）参照）。光アイソレータの構
成においてはファラデー回転子がキー部品であり、光の
透過率が大きく、短い光路長で大きな回転角が得られる
材料が望まれる。その性能指数は回転角と損失との比
（度／ｄＢ）で表されている。An optical isolator is usually composed of a polarizer and a Faraday rotator having an optical nonreciprocity effect. A bulk type in which respective bulk parts are assembled and a waveguide type configured in a waveguide type are available. (For example, see Katsuaki Sato, "Light and Magnetism," Asakura Shoten (1988)). In the configuration of the optical isolator, a material that has a large Faraday rotator as a key component, a high light transmittance, a short optical path length, and a large rotation angle is desired. The figure of merit is represented by the ratio between the rotation angle and the loss (degree / dB).

【０００４】光通信に用いられる１．３−１．５ミクロ
ンの波長領域ではファラデー回転子として希土類鉄ガー
ネットの結晶板、例えば、後で述ベるようなビスマス置
換イットリウム鉄ガーネットが用いられる。この材料は
この波長領域で損失が低く、大きな回転角が得られる特
徴がある。光アイソレータの構成に必要な４５度の回転
角を得るためには、通常、０．３−３ｍｍの厚さが必要
となる。In the wavelength range of 1.3 to 1.5 microns used for optical communication, a rare earth iron garnet crystal plate, for example, a bismuth-substituted yttrium iron garnet as described later is used as a Faraday rotator. This material is characterized by low loss in this wavelength range and a large rotation angle. In order to obtain a rotation angle of 45 degrees required for the configuration of the optical isolator, a thickness of 0.3 to 3 mm is usually required.

【０００５】一方、高速大容量光通信システムにおいて
は、波長多重技術が用いられるが、これを実現するには
基板上に光導波路を形成した導波路型の平面光回路（Ｐ
ＬＣ）部品が使用される。従って、アイソレータもＰＬ
Ｃ上に形成されることが望まれている。この目的のため
には、ファラデー回転子をＰＬＣの導波路内に挿入して
集積する必要がある。従来の希土類鉄ガーネット結晶板
からなるファラデー回転子では少なくとも厚さが０．３
ｍｍ以上必要になる（例えば、入江他、１９９５年電子
情報通信学会総合大会講演論文集、Ｃ−２７７参照）。
このため、このような回転子をファイバ状光導波路内に
設置すると、回折損失が極めて大きくなる。この回折損
失を防止するためには、コア拡大を行うこと、或いは、
コリメート系を形成することが必要である。しかしなが
ら、波長多重技術等を支える基幹部品の一つとなるＰＬ
Ｃでは、波長フィルター等を集積する場合、導波路内に
溝を設けてそこに挿入する方法が用いられることが多い
（例えぼ、井上、ＯplusＥ、 vol. 20、no. 3、p. 307
参照）。従来のファラデー回転子を同様に集積しよう
とすると、０．３ｍｍ程度の溝幅では、回折による損失
が３．５ｄＢ以上と大きくなる。ＰＬＣの場合、コア拡
大やコリメート系の形成は不可能であることから、こう
した集積方法は回折損失が大きくなり、実用に供するこ
とは出来ないという問題がある。On the other hand, in a high-speed and large-capacity optical communication system, a wavelength multiplexing technique is used. To realize this, a waveguide-type planar optical circuit (P
LC) components are used. Therefore, the isolator is also PL
It is desired to be formed on C. For this purpose, the Faraday rotator needs to be inserted and integrated into the waveguide of the PLC. A Faraday rotator made of a conventional rare earth iron garnet crystal plate has a thickness of at least 0.3.
mm or more (see, for example, Irie et al., Proceedings of the 1995 IEICE General Conference, C-277).
For this reason, when such a rotator is installed in the fiber optical waveguide, the diffraction loss becomes extremely large. In order to prevent this diffraction loss, core expansion must be performed, or
It is necessary to form a collimating system. However, PL, which is one of the key components supporting wavelength multiplexing technology, etc.
In C, when a wavelength filter or the like is integrated, a method is often used in which a groove is provided in a waveguide and inserted therein (eg, Ebo, Inoue, OplusE, vol. 20, no. 3, p. 307).
reference). If a conventional Faraday rotator is similarly integrated, a loss due to diffraction becomes as large as 3.5 dB or more at a groove width of about 0.3 mm. In the case of PLC, since the core enlargement and the formation of the collimating system are impossible, such an integration method has a problem that the diffraction loss becomes large and cannot be put to practical use.

【０００６】これに対し、最近、回折による損失を低減
するため、導波構造を有するファラデー回転子が開発さ
れ、これをＰＬＣ上にハイブリッド集積したアイソレー
タが実現されている。これは、アイソレータとしての特
性は良好で、損失も低く、アイソレーションも高い。し
かしながら、必要な回転角を得るためには同様に少なく
とも０．３ｍｍ程度の長さが必要であるため、ＰＬＣ上
に高密度に集積することは出来ない。また、回転子作製
プロセスが複雑であることからコストの低減は困難であ
る。さらに、ＰＬＣ上へ集積するためには精密な光軸の
調整が必要なことから、コスト削減には間題が残る。On the other hand, recently, in order to reduce the loss due to diffraction, a Faraday rotator having a waveguide structure has been developed, and an isolator in which the Faraday rotator is hybrid-integrated on a PLC has been realized. This has good characteristics as an isolator, low loss, and high isolation. However, since a length of at least about 0.3 mm is similarly required to obtain a required rotation angle, it is not possible to integrate them on a PLC at high density. In addition, it is difficult to reduce the cost because the rotor manufacturing process is complicated. Further, since precise adjustment of the optical axis is required for integration on the PLC, there remains a problem in cost reduction.

【０００７】こうした中で、最近、磁気光学材料と誘電
体材料とからなる多層膜構造において、極めて大きなフ
ァラデー回転角が得られることが見出されている（井
上、藤井、日本応用磁気学会誌、21 巻（1997）、187-1
92 参照）。この効果を用いれば、厚さ数ミクロンでア
イソレータ構成に必要な４５度のファラデー回転が得ら
れることが示唆される。この多層膜回転子は、従来の希
土類鉄ガーネット結晶板に比ベて厚さが１０分の１以下
と極めて薄いため、ＰＬＣ上の導波路内に回折損失を殆
ど生じること無く挿入できる。即ち、導波路内に形成し
た溝に挿入するだけで容易にアイソレータが形成でき
る。さらに、光軸調整が不要であることとも相俟って、
集積化も極めて容易となる。従って、作製コストが３分
の１以下の大幅な低減が可能となる利点があり、極めて
有用性が高い。Under these circumstances, it has recently been found that an extremely large Faraday rotation angle can be obtained in a multilayer structure composed of a magneto-optical material and a dielectric material (Inoue, Fujii, Journal of the Japan Society of Applied Magnetics, Volume 21 (1997), 187-1
92). It is suggested that this effect can be used to achieve 45 degree Faraday rotation required for isolator construction at a thickness of several microns. Since this multilayer rotator has an extremely thin thickness of 1/10 or less as compared with the conventional rare earth iron garnet crystal plate, it can be inserted into the waveguide on the PLC with almost no diffraction loss. That is, an isolator can be easily formed simply by inserting it into the groove formed in the waveguide. Furthermore, coupled with the fact that optical axis adjustment is not required,
Integration becomes extremely easy. Therefore, there is an advantage that the manufacturing cost can be greatly reduced by one third or less, and the utility is extremely high.

【０００８】このような多層膜ファラデー回転子は、磁
気光学材料と誘電体材料とから構成され、周期的繰り返
し構造を有している。この周期性のために、大きなファ
ラデー回転効果が得られるものである。しかしながら、
その欠点として、大きな回転角を実現するためには周期
の繰り返し数を大きくして積層数を増やすことになる
が、これによって大きな回転角が得られるものの透過率
が著しく低下するという問題がある。後に詳しく述ベる
が、所要の回転角を得ると透過率が半分程度になってし
まい、回転子自身の損失が３ｄＢ程度と著しく高くなっ
てしまう。即ち、多層膜回転子は、厚さが薄いためＰＬ
Ｃとのハイブリッド高密度集積化は容易であり、導波路
の回折損失は低減できるものの所要の回転角を得るには
回転子自身の損失が高くなるという問題を有している。[0008] Such a multilayer Faraday rotator is composed of a magneto-optical material and a dielectric material, and has a periodic repetitive structure. Due to this periodicity, a large Faraday rotation effect can be obtained. However,
As a drawback, in order to realize a large rotation angle, the number of repetitions of the period is increased to increase the number of layers. However, there is a problem that although a large rotation angle is obtained, the transmittance is significantly reduced. As will be described in detail later, when a required rotation angle is obtained, the transmittance is reduced to about half, and the loss of the rotor itself is significantly increased to about 3 dB. That is, since the multilayer rotor has a small thickness, PL
Hybrid high-density integration with C is easy, and although the diffraction loss of the waveguide can be reduced, there is a problem that the loss of the rotor itself increases to obtain a required rotation angle.

【０００９】これに対して、本発明者らは、磁気光学材
料と誘電体材料とからなる積層構造と透過特性との関係
を詳細に調ベた結果、積層構造を適切に調整することに
よって、８０％以上の大きな透過率を有し、かつ、ファ
ラデー回転角もアイソレータ構成に必要な４５度に対し
１度程度の誤差範囲に設定できることを見出した。この
緒果に基づき、先に出願した発明（特願平１０−１９１
５７７号参照）において、この改良した多層膜ファラデ
ー回転子を実現してきた。これにより実用レベルに十分
達した多層膜ファラデー回転子を示してきた。On the other hand, the present inventors examined the relationship between the laminated structure composed of the magneto-optical material and the dielectric material and the transmission characteristics in detail, and as a result, by appropriately adjusting the laminated structure, It has been found that it has a large transmittance of 80% or more and the Faraday rotation angle can be set to an error range of about 1 degree with respect to 45 degrees required for the isolator configuration. Based on this result, the invention previously filed (Japanese Patent Application No. 10-191)
No. 577), this improved multilayer Faraday rotator has been realized. As a result, a multilayer Faraday rotator which has sufficiently reached a practical level has been shown.

【００１０】[0010]

【発明が解決しようとする課題】さて、このような多層
膜回転子においては、積層数が有限の数であることか
ら、得られる回転角や透過率は積層数に対応したとびと
びの値となる。従って、積層構造の調整によってアイソ
レータ構成に必要な４５度に対して１度程度の誤差範囲
内に設計することは可能であるが、回転角を４５度に正
確に調整することは必ずしも容易ではなかった。実際、
この１度程度の角度誤差を有していても、特定の応用分
野においては実用に十分供することは可能であり問題は
ない。In such a multilayer rotator, since the number of laminations is finite, the rotation angle and transmittance obtained are discrete values corresponding to the number of laminations. . Therefore, by adjusting the laminated structure, it is possible to design within an error range of about 1 degree with respect to 45 degrees required for the isolator configuration, but it is not always easy to accurately adjust the rotation angle to 45 degrees. Was. In fact,
Even if there is an angle error of about 1 degree, it can be practically used in a specific application field and there is no problem.

【００１１】一方において、高品質画像通信等のマルチ
メディア時代に対応する超高速超大容量光通信システム
においては、光アイソレータに対して高いアイソレーシ
ョン特性が求められる。そのため、ファラデー回転子の
回転角の許容誤差は、４５ｄＢ以上の消光特性を得よう
とするには０．３度以下にする必要がある。しかしなが
ら、従来の多層膜回転子においては、ファラデー回転角
と積層構造との関係には必ずしも系統的関連はないの
で、設計はトライアンドエラーに頼らざるを得なかっ
た。そのため、ファラデー回転角の値を０．３度以下の
誤差範囲内で正確に調整することは、可能ではあるが設
計に多くの労力を要し、設計コストを極めて高いものに
するという間題があった。On the other hand, in an ultra-high-speed ultra-large-capacity optical communication system corresponding to the multimedia age such as high-quality image communication, a high isolation characteristic is required for an optical isolator. Therefore, the tolerance of the rotation angle of the Faraday rotator needs to be 0.3 degrees or less in order to obtain the extinction characteristic of 45 dB or more. However, in the conventional multilayer rotor, since the relationship between the Faraday rotation angle and the laminated structure is not necessarily systematically related, the design must rely on trial and error. Therefore, it is possible to accurately adjust the value of the Faraday rotation angle within an error range of 0.3 degrees or less, but it requires a lot of design effort, and the design cost is extremely high. there were.

【００１２】本発明の目的は上記の問題を解決し、多層
膜回転子のファラデー回転角を正確に調整できる多層膜
ファラデー回転子を提供することにある。An object of the present invention is to solve the above problems and to provide a multilayer Faraday rotator capable of accurately adjusting the Faraday rotation angle of the multilayer rotator.

【００１３】[0013]

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明は、請求項１に記載のように、磁気光学材
料と誘電体材料とが周期的繰り返しによって積層された
構造を有する多層膜ファラデー回転子であって、該周期
的繰り返しが反転対称性を有するように積層された構造
に少なくとも１層の付加層を付加し、該付加層の厚さを
調整することによりファラデー回転角が調整されている
ことを特徴とする多層膜ファラデー回転子を構成する。In order to solve the above-mentioned problems, the present invention has a structure in which a magneto-optical material and a dielectric material are laminated by periodic repetition, as described in claim 1. A multilayer Faraday rotator, wherein at least one additional layer is added to a structure laminated such that the periodic repetition has a reversal symmetry, and the thickness of the additional layer is adjusted to obtain a Faraday rotation angle. Is adjusted, thereby constituting a multilayer Faraday rotator.

【００１４】また、本発明は、請求項２に記載のよう
に、磁気光学材料と誘電体材料とが周期的繰り返しによ
って積層された構造を有する多層膜ファラデー回転子で
あって、該周期的繰り返しが反転対称性を有するように
積層された構造を有し、ファラデー回転を生起させる磁
気誘起誘電率を負荷磁界によって調整することによりフ
ァラデー回転角が調整されていることを特徴とする多層
膜ファラデー回転子を構成する。According to a second aspect of the present invention, there is provided a multilayer Faraday rotator having a structure in which a magneto-optical material and a dielectric material are laminated by periodic repetition. Wherein the Faraday rotation angle is adjusted by adjusting the magnetically induced dielectric constant that causes Faraday rotation by a load magnetic field, wherein the Faraday rotation angle is adjusted. Make up the child.

【００１５】また、本発明は、請求項３に記載のよう
に、請求項１または２に記載の多層膜ファラデー回転子
であって、回転角が２２．５度または１５度に調整され
ていることを特徴とする多層膜ファラデー回転子を構成
する。According to a third aspect of the present invention, there is provided the multilayer Faraday rotator according to the first or second aspect, wherein the rotation angle is adjusted to 22.5 degrees or 15 degrees. Thus, a multilayer Faraday rotator is configured.

【００１６】また、本発明は、請求項４に記載のよう
に、請求項３に記載の多層膜ファラデー回転子を少なく
とも２個使用して全回転角が４５度に調整されているこ
とを特徴とする多層膜ファラデー回転子を構成する。According to a fourth aspect of the present invention, the total rotation angle is adjusted to 45 degrees by using at least two multilayer Faraday rotators according to the third aspect. Is constituted.

【００１７】ここに、「周期的繰り返しが反転対称性を
有する」とは、その周期的繰り返しを中間点で折り返す
と、すべての磁気光学材料の層がすべての誘電体材料の
層に重なることを意味する。Here, "periodic repetition has inversion symmetry" means that when the periodic repetition is folded at an intermediate point, all layers of the magneto-optical material overlap with all layers of the dielectric material. means.

【００１８】[0018]

【発明の実施の形態】（従来例）まず、多層膜ファラデ
ー回転子の動作原理を従来例をもとに簡単に説明する。
図７は従来の多層膜ファラデー回転子の構造を示す。図
中、１は磁気光学材料であり、以後Ｍと称する。２は誘
電体材料であり、以後Ｇと称する。図に示す多層膜の構
造は、ＭとＧを用いて［ＭＧ]ⁿ[２Ｍ][ＧＭ]ⁿ（ｎは繰
り返し数）と表すことが出来る。ここに、[２Ｍ] は２
倍の厚さの磁気光学材料と同じものである。同様に、後
述の [２Ｇ] は２倍の厚さの誘電体材料と同じものであ
る。光は図の左から右方向に進むものとする。また、光
の進行方向と平行に磁界をかけるとＭ層は光学活性とな
り、この層を進む光の偏光面はファラデー効果により回
転することになる。詳しい理論的扱いは前述の井上らの
文献に述ベてあるが、このような多層膜の光の透過特性
は、Ｍ層とＧ層の遷移マトリックスＦ_M およびＦ_G によ
って表される。図に示す構造の多層膜は、 Ｆ＝[Ｆ_M・Ｆ_G]ⁿ・[Ｆ_M・Ｆ_M]・[Ｆ_G・Ｆ_M]ⁿ （１） と表わされるが、ここでＦは多層膜の遷移マトリックス
（４×４複素マトリックス）である。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS (Prior Art) First, the principle of operation of a multilayer Faraday rotator will be briefly described based on a conventional example.
FIG. 7 shows the structure of a conventional multilayer Faraday rotator. In the figure, reference numeral 1 denotes a magneto-optical material, which is hereinafter referred to as M. Reference numeral 2 denotes a dielectric material, hereinafter referred to as G. The structure of the multilayer film shown in the figure can be expressed as [MG] ⁿ [2M] [GM] ⁿ (n is the number of repetitions) using M and G. Where [2M] is 2
It is the same as a double-thickness magneto-optical material. Similarly, [2G] described later is the same as a double-thickness dielectric material. Light shall travel from left to right in the figure. When a magnetic field is applied in parallel to the direction of light propagation, the M layer becomes optically active, and the plane of polarization of light traveling through this layer is rotated by the Faraday effect. Detailed theoretical treatment is are Jutsube the literature of the aforementioned Inoue et al., But the transmission characteristics of light of such a multilayer film is represented by a transition matrix F _M and F _G of the M layer and G layer. Multilayer film structure shown in figure, F = is represented as ^{_{[F M · F G] n}} · [F M · F M] · [F G · F M] n (1), where F is a multilayer film (4 × 4 complex matrix).

【００１９】Ｍ層が等方性であり、光の吸収が無視でき
るとすると、磁界のない時の主誘電率 e1 と磁界をか
けた時の磁気誘起誘電率 e2 を用いて、右・左の円偏光
に対する誘電率はそれぞれ ep（= e1 + e2 ）、en (= e
1 - e2 ）となる。ファラデー回転は、磁気誘起誘電率
e2 の効果により発現し、多層膜の透過特性、即ち、フ
ァラデー回転および透過率は、遷移マトリックスＦを用
いて評価できることになる。Assuming that the M layer is isotropic and that the absorption of light can be neglected, the main dielectric constant e1 when there is no magnetic field and the magnetically induced dielectric constant e2 when a magnetic field is applied are used to calculate the right and left sides. The dielectric constants for circularly polarized light are ep (= e1 + e2) and en (= e
1-e2). Faraday rotation is the magnetically induced dielectric constant
Expressed by the effect of e2, the transmission characteristics of the multilayer film, that is, Faraday rotation and transmittance, can be evaluated using the transition matrix F.

【００２０】この従来型の多層膜回転子は、図７に示す
ように、繰り返しの周期構造が膜の中心で対称となった
積層構造を有している。この対称周期の積層構造を基本
構造とすると、基本構造のみを有する従来型の多層膜回
転子では、繰り返し数を増やすことによって回転角を４
５度近くまで調整することが出来る。しかしながら、繰
り返し数が増えると共に透過率が低下し、例えば、[Ｇ
Ｍ]¹²[２Ｇ][ＭＧ]¹²で表される基本構造を有する多層
膜回転子では４３．７度の回転角が得られるものの透過
率が５２％まで低下してしまい、とても実用にはならな
かった。As shown in FIG. 7, this conventional multilayer film rotator has a laminated structure in which a repetitive periodic structure is symmetric at the center of the film. Assuming that the laminated structure having the symmetrical period is a basic structure, a conventional multilayer rotor having only the basic structure can increase the rotation angle by 4 by increasing the number of repetitions.
It can be adjusted to nearly 5 degrees. However, as the number of repetitions increases, the transmittance decreases, for example, [G
M] ¹² [2G] [MG] With a multilayered rotator having the basic structure represented by [ ¹² ], a rotation angle of 43.7 degrees can be obtained, but the transmittance is reduced to 52%, and if it is very practical, Did not.

【００２１】（改良例）我々は先に出願した発明（特願
平１０−１９１５７７号参照）において、従来例の基本
構造を有する多層膜回転子について、積層構造と透過特
性との関連を詳細に調ベた結果に基づき、基本構造を複
数段重ねることにより、回転特性を損なうことなく透過
率を大幅に改善した改良型の多層膜回転子を実現した。
図２は、この発明において、従来の基本構造を２段積層
したことによる改良型多層膜回転子のファラデー回転と
透過率を示したものである。図の縦軸はファラデー回転
角を表し、横軸は透過率を表している。(Improved example) In the invention filed earlier (see Japanese Patent Application No. 10-191577), the relationship between the laminated structure and the transmission characteristics of the multilayered rotor having the basic structure of the conventional example is described in detail. Based on the results of the adjustment, an improved multilayer rotator with greatly improved transmittance without impairing rotation characteristics was realized by stacking a plurality of basic structures.
FIG. 2 shows Faraday rotation and transmittance of the improved multilayer rotator obtained by laminating two conventional basic structures in the present invention. The vertical axis in the figure represents the Faraday rotation angle, and the horizontal axis represents the transmittance.

【００２２】多層膜構造としては、以下のような構造を
用いた。The following structure was used as the multilayer film structure.

【００２３】１）ＭＧＧＭ、すなわち［ＭＧ]ⁿ[ＧＭ]ⁿ
・[ＧＭ]ⁿ[ＭＧ]ⁿ ２）Ｍ２Ｇ２、すなわち［ＭＧ」ⁿ「２Ｍ][ＧＭ]ⁿ・[Ｇ
Ｍ]ⁿ[２Ｇ][ＭＧ]ⁿ ここで「・」は基本構造の境界を示す。1) MGGM, ie [MG] ⁿ [GM] ⁿ
[GM] ⁿ [MG] ⁿ 2) M2G2, that is, [MG] ⁿ “2M] [GM] ⁿ • [G
M] ⁿ [2G] [MG] ⁿ where “•” indicates the boundary of the basic structure.

【００２４】多層膜は、Ｍ層を希土類鉄ガーネットの一
種であるビスマス置換イットリウム鉄ガーネット（以下
Ｂｉ：ＹＩＧと称する）、Ｇ層をＳｉＯ₂ として構成さ
れている。光の波長を 1.15μｍとして、Ｍ層の e1 は
4.75、また、e2 を 2.69×10^-3（ファラデー回転角は
0.2度/μｍ）に設定し、また、Ｇ層の誘電率を 2.5とし
ている。さらに、各層の厚さは光路長（屈折率×厚さ）
が光の波長の４分の１となるようにしている。In the multilayer film, the M layer is composed of bismuth-substituted yttrium iron garnet (hereinafter referred to as Bi: YIG), which is a kind of rare earth iron garnet, and the G layer is composed of SiO ₂ . Assuming that the wavelength of light is 1.15 μm, e1 of M layer is
4.75 and e2 is 2.69 × 10 ^-3 (Faraday rotation angle is
0.2 ° / μm), and the dielectric constant of the G layer is 2.5. Furthermore, the thickness of each layer is the optical path length (refractive index x thickness)
Is ４ of the wavelength of light.

【００２５】図２において、図中の各点は繰り返し数ｎ
に対応するものである。この図から明らかなように、一
般にｎを大きくするとファラデー回転は増加する。特
に、Ｍ２Ｇ２ではｎ＝９のとき、回転角は ４４．４
度、透過率は７７％（損失１．１ｄＢ）となり、光アイ
ソレータ構成に適用可能な回転角と透過率が得られてい
る。さらに、改良型多層膜回転子において、基本構造を
３段とすることにより、透過率を８１％（損失０．９ｄ
Ｂ）にまで改善することが出来ることを示した。In FIG. 2, each point in the figure is the number of repetitions n
It corresponds to. As is apparent from this figure, the Faraday rotation generally increases as n increases. In particular, when n = 9 in M2G2, the rotation angle is 44.4.
The degree and transmittance are 77% (loss: 1.1 dB), and a rotation angle and transmittance applicable to the optical isolator configuration are obtained. Further, in the improved multilayer rotor, the transmittance is 81% (the loss is 0.9 d
It has been shown that improvement can be made up to B).

【００２６】この透過特性は、図２からも分かるよう
に、積層構造によっても違いがある。例えば、Ｍ２Ｇ２
では、回転角が４４．４度まで可能であるが、ＭＧＧＭ
では、回転角が、２８．３度までである。このことは、
逆に積層構造を種々検討することによって特性は変わり
うることを示すものである。従って、積層構造を種々選
択することにより所定の回転角を有する多層膜ファラデ
ー回転子を設計することができる。こうした改良型で
は、透過率は基本構造のみの従来型に対して大きく改善
されている。しかしながら、回転角については、有限の
繰り返し数を持った多層構造であることから、実用に問
題ない程度に設定できるものの、要求値に正確に一致さ
せることは必ずしも容易ではない。As can be seen from FIG. 2, the transmission characteristics vary depending on the laminated structure. For example, M2G2
In, the rotation angle is possible up to 44.4 degrees, but MGGM
, The rotation angle is up to 28.3 degrees. This means
On the contrary, it shows that the characteristics can be changed by variously examining the laminated structure. Therefore, a multilayer Faraday rotator having a predetermined rotation angle can be designed by variously selecting a laminated structure. In such an improved type, the transmittance is greatly improved as compared with the conventional type having only the basic structure. However, since the rotation angle can be set to a practically acceptable level because of the multilayer structure having a finite number of repetitions, it is not always easy to exactly match the required value.

【００２７】（実施例１）本発明の実施例として、改良
例に示したＭＧＧＭ構造の多層膜において繰り返し数ｎ
＝８とした多層膜およびＭ２Ｇ２構造の多層膜において
繰り返し数ｎ＝７とした多層膜に磁気光学膜を付加層と
して付加し、ファラデー回転が１５度となるように付加
層の厚さを検討した。ＭＧＧＭ構造を用いた場合を図１
に示した。図中、ＭＧＧＭ構造を周期的繰り返しが反転
対称性をもつ基本構造３として示してある。ＭＧＧＭ構
造では、厚さ 1.311 ミクロンのＢｉ：ＹＩＧ膜の付加
により、回転角が１４．７度から１５度になつた。この
とき、透過率は９８．７％から９８．１％へとわずかに
低下した。また、ｎ＝７のＭ２Ｇ２構造については、厚
さ 9.755 ミクロンのＢｉ：ＹＩＧ膜の付加により、回
転角が１２．７度から１５度になった。このとき、透過
率は９７．９％から９６．８％へとわずかに低下した。
いずれの場合も反転対称性に関与しない適切な膜厚を有
するＢｉ：ＹＩＧ膜の付加により、ファラデー回転を正
確に調整できた。また、このとき透過率の変化は僅かな
値に押さえることが出来た。(Embodiment 1) As an embodiment of the present invention, in the multilayer film having the MGGM structure shown in the improved example, the number of repetitions n
The magneto-optical film was added as an additional layer to the multilayer film with the number of repetitions n = 7 in the multilayer film with M = 8 and the multilayer film with M2G2 structure, and the thickness of the additional layer was examined so that the Faraday rotation was 15 degrees. . FIG. 1 shows a case where the MGGM structure is used.
It was shown to. In the figure, the MGGM structure is shown as a basic structure 3 in which periodic repetition has inversion symmetry. In the MGGM structure, the rotation angle was reduced from 14.7 degrees to 15 degrees by adding a 1.311 micron thick Bi: YIG film. At this time, the transmittance slightly decreased from 98.7% to 98.1%. For the M2G2 structure where n = 7, the rotation angle was changed from 12.7 degrees to 15 degrees due to the addition of the Bi: YIG film having a thickness of 9.755 microns. At this time, the transmittance slightly decreased from 97.9% to 96.8%.
In any case, the addition of the Bi: YIG film having an appropriate thickness that does not contribute to the inversion symmetry could accurately adjust the Faraday rotation. At this time, the change in transmittance could be suppressed to a small value.

【００２８】一方、層内での電界分布を理論的に見積も
った結果を図３および図４に示す。各図において、縦軸
は電界ベクトルの絶対値の２乗を表し、横軸は光の進行
方向に沿って測った距離によって多層膜中の位置を表し
ている。図３はＭＧＧＭ構造に厚さ 1.311 ミクロン
の付加層をつけた場合であり、図４はＭ２Ｇ２構造に厚
さ 9.755ミクロンの付加層をつけた場合であり、実線が
付加層のある場合の分布、点線が付加層のない場合の分
布である。両図から分かるように、分布は付加層内（実
線が点線よりも水平方向に伸びている部分）では一様で
ある。即ち、付加層は周期性には関与せず、バルク素子
としての特性を有している。On the other hand, FIGS. 3 and 4 show the results of theoretically estimating the electric field distribution in the layer. In each figure, the vertical axis represents the square of the absolute value of the electric field vector, and the horizontal axis represents the position in the multilayer film by the distance measured along the traveling direction of light. FIG. 3 shows a case where an additional layer having a thickness of 1.311 μm is provided on the MGGM structure, and FIG. 4 shows a case where an additional layer having a thickness of 9.755 μm is provided on the M2G2 structure. The dotted line shows the distribution when there is no additional layer. As can be seen from both figures, the distribution is uniform in the additional layer (the part where the solid line extends more horizontally than the dotted line). That is, the additional layer does not contribute to the periodicity and has characteristics as a bulk element.

【００２９】（実施例２）第２の実施例として、ＭＧＧ
Ｍ構造のｎ＝９の多層膜およびＭ２Ｇ２構造のｎ＝８の
多層膜において、外部磁界の調節によって、Ｍ層内の磁
気誘起屈折率 e2を調節し、ファラデー回転角を２２．
５度となるようにした。ＭＧＧＭ膜ではe2 が0.00269
から 0.00215 とすることで回転角が２８．３度から２
２．５度となり、透過率は９５．０％から９６．９％と
なった。また、Ｍ２Ｇ２膜では e2を0.00247 とするこ
とで回転角は２３．９度から２２．５度となり、透過率
も９２．８％から９３．６％となった。このように、e2
を変化させることにより正確に回転角を調節すること
が出来た。(Embodiment 2) As a second embodiment, MGG
In the multilayer film of n = 9 of the M structure and the multilayer film of n = 8 of the M2G2 structure, the magnetically induced refractive index e2 in the M layer is adjusted by adjusting the external magnetic field, and the Faraday rotation angle is adjusted to 22.
It was set to 5 degrees. E2 is 0.00269 for the MGGM membrane
From 28.3 degrees to 2
It became 2.5 degrees, and the transmittance | permeability went from 95.0% to 96.9%. In the case of the M2G2 film, by setting e2 to 0.00247, the rotation angle was changed from 23.9 degrees to 22.5 degrees, and the transmittance was also changed from 92.8% to 93.6%. Thus, e2
By changing the rotation angle, the rotation angle could be accurately adjusted.

【００３０】実施例１と同様に、Ｍ層内の磁気誘起屈折
率を調整した場合の電界分布を理論的に見積もった結果
を図５および図６に示す。各図において、縦軸は電界ベ
クトルの絶対値の２乗を表し、横軸は光の進行方向に沿
って測った距離によって多層膜中の位置を表している。
図５はＭＧＧＭ構造の場合、図６はＭ２Ｇ２構造の場合
で、点線が調整前の分布であり、実線がそれぞれの調整
後の分布である。この場合は調整前後の分布の変化はわ
ずかである。As in the first embodiment, the results of theoretically estimating the electric field distribution when the magnetically induced refractive index in the M layer is adjusted are shown in FIG. 5 and FIG. In each figure, the vertical axis represents the square of the absolute value of the electric field vector, and the horizontal axis represents the position in the multilayer film by the distance measured along the traveling direction of light.
FIG. 5 shows the case of the MGGM structure, and FIG. 6 shows the case of the M2G2 structure. The dotted line shows the distribution before adjustment, and the solid line shows the distribution after each adjustment. In this case, the distribution changes before and after the adjustment are slight.

【００３１】（実施例３）上記実施例１、２をもとに、
積層構造がＭＧＧＭでｎが８となる多層膜を作製した。
基板は１．５インチの石英ガラス（厚さ１ｍｍ）で、Ｍ
層にＢｉ：ＹＩＧ、Ｇ層にＳｉＯ₂ を用いた。２元のス
パッタ装置を用い、装置内にＭ層、Ｇ層用の各タ一ゲッ
トを設置した。膜厚計で厚さをモニターしながら、Ｍ層
は厚さ 0.1319μｍ、Ｇ層は厚さ 0.1818μｍとなるよう
に全層数 64 層、厚さ 10.040μｍとなるように堆積し
た。さらに、Ｍ層の付加層を 1.311μｍとなるよう堆積
した。(Embodiment 3) Based on the above Embodiments 1 and 2,
A multilayer film having a stacked structure of MGGM and n of 8 was produced.
The substrate is 1.5 inch quartz glass (1 mm thick).
Bi: YIG was used for the layer, and SiO ₂ was used for the G layer. Using a binary sputtering apparatus, targets for the M layer and the G layer were set in the apparatus. While monitoring the thickness with a film thickness meter, the M layer was deposited to a thickness of 0.1319 μm, the G layer was deposited to a thickness of 0.1818 μm, and the total number of layers was 64, and the thickness was 10.040 μm. Further, an additional M layer was deposited to a thickness of 1.311 μm.

【００３２】得られた多層膜を、厚さ方向に 1.5ｋＧの
磁界中に置き、透過率、ファラデー回転を測定した。光
源は波長 1.15μｍのＨｅ−Ｎｅレーザで、偏光子、検
光子にグラントムソンプリズム、受光器にＧｅフォトダ
イオードを用いた。多層膜に垂直に光を入射した時、透
過率は９７％、ファラデー回転は１４．９度が得られ
た。これらの値は、図３に示す計算による見積もりに比
ベるとやや低い値であるがほぼ近い。これは多層膜の堆
積条件が必ずしも最適化されている訳ではないことによ
る。また、この場合、改良例として示した付加層のない
ＭＧＧＭ膜に比ベてファラデー回転角の調節が容易とな
っている。The obtained multilayer film was placed in a magnetic field of 1.5 kG in the thickness direction, and the transmittance and the Faraday rotation were measured. The light source was a He—Ne laser having a wavelength of 1.15 μm, and a Glan-Thompson prism was used as a polarizer and an analyzer, and a Ge photodiode was used as a light receiver. When light was perpendicularly incident on the multilayer film, a transmittance of 97% and a Faraday rotation of 14.9 ° were obtained. These values are slightly lower than those estimated by the calculation shown in FIG. This is because the deposition conditions of the multilayer film are not always optimized. Further, in this case, the adjustment of the Faraday rotation angle is easier than in the MGGM film having no additional layer shown as an improved example.

【００３３】（実施例４）実施例３で作製した多層膜を
３個光軸上において実施例３と同様に透過特性を調ベ
た。ファラデー回転は４５．２度が得られ、透過率は９
１％となった。これは前回の出願（特願平１０−１９１
５７７号参照）で示した改良型の多層膜にくらベて、回
転角がより正確に調節されていると共に、透過特特性が
９０％を超えるさらに改善されたファラデー回転子を提
供できることを示している。即ち、本発明による回転子
を用いることにより正確に調整された回転角を有し、か
つ、低損失のファラデー回転子を形成できることは明白
であり、本発明の有効性を実証するものである。(Example 4) The transmission characteristics of three multilayer films produced in Example 3 were measured on the optical axis in the same manner as in Example 3. A Faraday rotation of 45.2 degrees is obtained and the transmittance is 9
It was 1%. This is based on the previous application (Japanese Patent Application No. 10-191).
No. 577), it is possible to provide a further improved Faraday rotator in which the rotation angle is more precisely adjusted and the transmission characteristic is more than 90%. I have. That is, it is clear that a low-loss Faraday rotator having a precisely adjusted rotation angle can be formed by using the rotator according to the present invention, which demonstrates the effectiveness of the present invention.

【００３４】（実施例５）実施例３と同様に、積層構造
がＭＧＧＭでｎ＝９の多層膜を作製した。これを電磁石
で形成される磁界内に置き、波長 1.15μｍのＨｅ−Ｎ
ｅレーザを用いて透過特性を調ベた。磁界の大きさを徐
々に大きくしていくとファラデー回転が大きくなり、約
0.87ｋＧで回転角はほぼ２２．５度となった。この
時、透過率は９４％であった。Example 5 In the same manner as in Example 3, a multilayer film having a laminated structure of MGGM and n = 9 was produced. This is placed in a magnetic field formed by an electromagnet, and He-N with a wavelength of 1.15 μm is used.
The transmission characteristics were examined using an e-laser. Increasing the magnitude of the magnetic field gradually increases the Faraday rotation,
At 0.87 kG, the rotation angle was approximately 22.5 degrees. At this time, the transmittance was 94%.

【００３５】さらに、この時、このＭＧＧＭ膜を２個お
いて透過特性を調ベた。回転角は４４．８度、透過率は
８９％となった。即ち、実施例４に示した場合と同様、
２個の回転子を用いることによって高い透過率で正確に
回転角が調整された回転子を得ることが出来る。Further, at this time, the transmission characteristics of two MGGM films were examined. The rotation angle was 44.8 degrees and the transmittance was 89%. That is, similar to the case shown in the fourth embodiment,
By using two rotators, it is possible to obtain a rotator whose rotation angle is accurately adjusted with high transmittance.

【００３６】これらの実施例では、従来例との差異を明
らかにするため、磁気光学材料としてＢｉ：ＹＩＧを用
い、波長 1.15μｍについて述ベている。同時に、繰り
返し数ｎと基本構造の組み合わせを適当に行うことによ
り他の磁気光学材料、例えば、Ｃｅ置換イットリウム鉄
ガーネット等の他の希土類鉄ガーネット、ＨｇＭｎＴｅ
等の希薄磁性半導体、ファラデー回転ガラス等のガラス
材料を用いた場合についても、多層膜回転子の回転角を
正確に調節するという本発明の効果を確認している。同
様に、実施例では、誘電体材料としてＳｉＯ₂ を用いた
が、繰り返し数ｎと基本構造の組み合わせを適当に行う
ことにより光吸収が無視できる他の誘電体材料として、
Ａ１₂Ｏ₃ 等の結晶材料、ＣｄＴｅ等の半導体材料、ふ
っ化物ガラス等のガラス材料を用いても多層膜回転子の
回転角を正確に調節するという本発明の効果を確認して
いる。In these examples, in order to clarify the difference from the conventional example, Bi: YIG is used as the magneto-optical material and the wavelength is 1.15 μm. At the same time, by appropriately combining the number of repetitions n and the basic structure, other magneto-optical materials, for example, other rare earth iron garnets such as Ce-substituted yttrium iron garnet, HgMnTe
Also in the case of using a glass material such as a diluted magnetic semiconductor or a Faraday rotating glass, the effect of the present invention of accurately adjusting the rotation angle of the multilayer rotor has been confirmed. Similarly, in the examples, SiO ₂ was used as the dielectric material. However, by appropriately combining the number of repetitions n and the basic structure, as another dielectric material whose light absorption can be ignored,
It has been confirmed that even when a crystal material such as A1 ₂ O ₃ , a semiconductor material such as CdTe, or a glass material such as fluoride glass is used, the effect of the present invention that the rotation angle of the multilayer rotor is accurately adjusted.

【００３７】さらに、磁気光学材料と誘電体材料の種類
と共に、繰り返し数ｎと基本構造の組み合わせ、およ
び、付加層の厚さまたは負荷磁界の強さを適当に選ぶこ
とによって 1.15μｍ以外の他の波長領域においても多
層膜回転子の回転角を正確に調節するという本発明の効
果を確認していることはいうまでもない。Further, by appropriately selecting the combination of the number of repetitions n and the basic structure, the type of the magneto-optical material and the dielectric material, and the thickness of the additional layer or the strength of the load magnetic field, other than 1.15 μm can be obtained. Needless to say, the effect of the present invention of accurately adjusting the rotation angle of the multilayer rotor in the wavelength region has been confirmed.

【００３８】[0038]

【発明の効果】以上説明したように、磁気光学材料と誘
電体材料とからなる多層膜であって、反転対称性を有す
るの周期構造を有する多層膜に磁気光学層を付加するこ
と、或いは、外部負荷磁界の強さを調整することによっ
てファラデー回転角が正確に調整された透過率の大きな
多層膜ファラデー回転子を提供することが出来る。As described above, adding a magneto-optical layer to a multilayer film composed of a magneto-optical material and a dielectric material and having a periodic structure having inversion symmetry, or By adjusting the strength of the external load magnetic field, it is possible to provide a multilayer Faraday rotator having a large transmittance and a Faraday rotation angle accurately adjusted.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図１】本発明に係る多層膜ファラデー回転子の層構造
を説明する断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a layer structure of a multilayer Faraday rotator according to the present invention.

【図２】改良された従来の多層膜ファラデー回転子のフ
ァラデー回転角（縦軸）と光透過率（横軸）とを示す図
である。FIG. 2 is a diagram showing a Faraday rotation angle (vertical axis) and a light transmittance (horizontal axis) of an improved conventional multilayer Faraday rotator.

【図３】本発明の実施例１における多層膜ファラデー回
転子の層内での電界分布を理論的に見積もった結果を示
す図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a result of theoretically estimating an electric field distribution in a layer of the multilayer Faraday rotator according to the first embodiment of the present invention.

【図４】本発明の実施例１における多層膜ファラデー回
転子の層内での電界分布を理論的に見積もった結果を示
す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a result of theoretically estimating an electric field distribution in a layer of the multilayer Faraday rotator according to the first embodiment of the present invention.

【図５】本発明の実施例２における多層膜ファラデー回
転子の層内での電界分布を理論的に見積もった結果を示
す図である。FIG. 5 is a diagram showing a result of theoretically estimating an electric field distribution in a layer of the multilayer Faraday rotator in Example 2 of the present invention.

【図６】本発明の実施例２における多層膜ファラデー回
転子の層内での電界分布を理論的に見積もった結果を示
す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating a result of theoretically estimating an electric field distribution in a layer of the multilayer Faraday rotator according to the second embodiment of the present invention.

【図７】従来の多層膜ファラデー回転子の層構造を説明
する断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating a layer structure of a conventional multilayer Faraday rotator.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

１…磁気光学材料、２…誘電体材料、３…基本構造、４
…付加層。DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Magneto-optical material, 2 ... Dielectric material, 3 ... Basic structure, 4
... additional layer.

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項１】磁気光学材料と誘電体材料とが周期的繰り
返しによって積層された構造を有する多層膜ファラデー
回転子であって、該周期的繰り返しが反転対称性を有す
るように積層された構造に少なくとも１層の付加層を付
加し、該付加層の厚さを調整することによりファラデー
回転角が調整されていることを特徴とする多層膜ファラ
デー回転子。1. A multilayer Faraday rotator having a structure in which a magneto-optical material and a dielectric material are laminated by periodic repetition, wherein said periodic repetition is laminated so as to have inversion symmetry. A multilayer Faraday rotator, wherein a Faraday rotation angle is adjusted by adding at least one additional layer and adjusting the thickness of the additional layer. 【請求項２】磁気光学材料と誘電体材料とが周期的繰り
返しによって積層された構造を有する多層膜ファラデー
回転子であって、該周期的繰り返しが反転対称性を有す
るように積層された構造を有し、ファラデー回転を生起
させる磁気誘起誘電率を負荷磁界によって調整すること
によりファラデー回転角が調整されていることを特徴と
する多層膜ファラデー回転子。2. A multilayer Faraday rotator having a structure in which a magneto-optical material and a dielectric material are stacked by periodic repetition, wherein the structure in which the periodic repetition is stacked so as to have inversion symmetry. A multilayer Faraday rotator, wherein the Faraday rotation angle is adjusted by adjusting a magnetically induced dielectric constant that causes Faraday rotation by a load magnetic field. 【請求項３】請求項１または２に記載の多層膜ファラデ
ー回転子であって、回転角が１５度または２２．５度に
調整されていることを特徴とする多層膜ファラデー回転
子。3. The multilayer Faraday rotator according to claim 1, wherein the rotation angle is adjusted to 15 degrees or 22.5 degrees. 【請求項４】請求項３に記載の多層膜ファラデー回転子
を少なくとも２個使用して全回転角が４５度に調整され
ていることを特徴とする多層膜ファラデー回転子。4. A multilayer Faraday rotator wherein at least two multilayer Faraday rotators according to claim 3 are used and the total rotation angle is adjusted to 45 degrees.