JP5792832B2 - 光アイソレータ - Google Patents

Description

本発明は、３２０〜６３３ｎｍの波長帯域において使用される光アイソレータに関する。

従来から、医療・光計測等の用途に使用する産業用レーザには、紫外線（ＵＶ）及び可視域の半導体レーザ或いはランプ励起式ＹＡＧレーザの第二高調波（波長５３２ｎｍ）、第三高調波（波長３５５ｎｍ）が使用されている。

近年、その半導体レーザの波長用途も広くなり、高出力化が進んでいる。

しかしながら、一般的に半導体レーザは、その発光スペクトルが狭くて変換効率に優れるという特徴を持つが、その反面、反射光による戻り光に対しては非常に敏感であり、光ファイバヘの結合端面や被測定物からの反射光が戻ると、特性が不安定状態になるという危険性がある。よって、半導体レーザの安定動作の為には、反射光が発光光源である発光素子へ戻るのを防止するため、発光光源と加工体との間に、順方向の光を透過し、逆方向の光を遮断する機能を有する光アイソレータ（an optical isolator）を配置し、光ファイバから発光光源へ反射して戻ってくる光を遮断することが不可欠となる。

ここで、光アイソレータは、ファラディ素子と、ファラディ素子の光入射側及び光出射側に配置された一対の偏光子と、ファラディ素子の光透過方向（光軸方向）に磁界を印加するマグネットと、の３つの主要部品から構成される。この形態で光がファラディ素子に入射するとファラディ素子の中で偏光面が回転するという現象が生じる。これはファラディ効果と呼ばれる現象であり、偏光面が回転する角度をファラディ回転角と称し、その大きさθは次式で表される。
θ＝Ｖ×Ｈ×Ｌ
上記式中、Ｖはベルデ定数でファラディ素子の材料及び測定波長で決まる定数であり、Ｈは磁束密度、Ｌはファラディ素子の長さである。この式から分かるように、ある一定の大きさのベルデ定数を持つ素子において、所望のファラディ回転角を得ようとすると、ファラディ素子に印加する磁界が大きいほど素子長を短くすることができ、素子長が長いほど磁束密度を小さくすることできる。

特許文献１に記載されているように、上記波長帯においてベルデ定数が大きい材料としては、Ｆｅを含むＹＩＧ（イットリウム鉄ガーネット）単結晶がある。

また、その他としては、テルビウム・ガリウム・ガーネット（化学式：Ｔｂ₃Ｇａ₅Ｏ₁₂）などがある。
また、鉛を含むガラスも、用いられている。

光アイソレータの機能を有するためには、４５°程度のファラディ回転角が必要となる。具体的に、光アイソレータに入射された光は、その偏光面をファラディ素子により４５°回転されて各々角度調整された入出射偏光子を透過する。一方、戻り光はファラディ素子の非相反性を利用して、逆方向に偏光面を４５°回転され入射偏光子と９０°の直行偏光面となり、透過できなくなる。光アイソレータは、この現象を利用して光を単一方向にのみ透過させ、反射して戻ってくる光を阻止するものである。

特開２０１１−１５０２０８号公報

特許文献１に記載されているＹＩＧ単結晶は、波長３２０〜８００ｎｍに大きな光吸収がある。従って、波長３２０〜８００ｎｍではその吸収の影響が強く出るため、使用することはできない。

従来から使用されている光アイソレータでは、例えばテルビウム・ガリウム・ガーネット（ＴＧＧ）結晶のようなファラディ素子を使用している。ＴＧＧのベルデ定数は、波長６３３ｎｍにおいて０．４６ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）程度と大きいが、波長５００〜６００ｎｍにおいて大きな光吸収があり、波長３２０〜３８０ｎｍ、４５０〜５５０ｎｍではその光吸収の影響が強く出るため、６３３ｎｍ以下の波長においては、その使用に制限があった。なお、１分（ｍｉｎ）は１／６０度を表す。
更に、鉛を含むガラスは、波長３２０〜８００ｎｍではベルデ定数が小さく、ファラディ素子として用いると光路が長くなってしまう。

本発明が解決しようとする課題は、波長３２０〜６３３ｎｍにおいて透明で小型化した光アイソレータを提供することである。特に、医療、光計測用等の用途に使用される半導体レーザに使用される光アイソレータとして好適な小型光アイソレータを提供することである。
本発明が解決しようとする他の課題は、ファラディ効果が大きいファラディ素子を使用し、かつ、小さな外形のマグネットと組み合わせた光アイソレータを提供することである。本発明の他の課題は、以下の説明から明らかになるであろう。

上記の諸課題は、以下の手段＜１＞により達成された。好ましい実施形態＜２＞〜＜１１＞と共に列記する。
＜１＞波長４０５ｎｍにおけるベルデ定数が０．７０ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以上のファラディ素子と、前記ファラディ素子の外周に配置される第１の中空マグネット並びに第１の中空マグネットを光軸上で挟んで配置された第２及び第３の中空マグネットユニットと、を備え、第２及び第３の中空マグネットユニットは、それぞれ、光軸に対し９０度方向に等分割された２以上のマグネットから構成され、前記ファラディ素子に印加される磁束密度Ｂ（Ｏｅ）は下記式（１）の範囲内にあり、前記ファラディ素子が配置されるサンプル長Ｌ（ｃｍ）は下記式（２）の範囲内にある、ことを特徴とする３２０−６３３ｎｍ波長帯域用光アイソレータ、
０．８×１０⁴≦Ｂ≦１．５×１０⁴ （１）
０．２５≦Ｌ≦０．４５ （２）
＜２＞前記ファラディ素子が、下記式（Ｉ）で表される酸化物を９５％以上含有する、＜１＞に記載の光アイソレータ、
Ｙｂ₂Ｏ₃ （Ｉ）
＜３＞前記酸化物が単結晶である、＜２＞に記載の光アイソレータ、
＜４＞前記酸化物がセラミックスである、＜２＞に記載の光アイソレータ、
＜５＞前記ファラディ素子が、サンプル長Ｌ（ｃｍ）において、１ｄＢ以下の挿入損失と３０ｄＢ以上の消光比を有する、＜１＞〜＜４＞のいずれか１つに記載の光アイソレータ、
＜６＞第１の中空マグネット、並びに、第２及び第３の中空マグネットユニットが、ネオジム−鉄−ボロン（ＮｄＦｅＢ）系磁石からなる、＜１＞〜＜５＞のいずれか１つに記載の光アイソレータ、
＜７＞第１の中空マグネットの磁界極性を光軸方向とし、第２及び第３の中空マグネットユニットの磁界極性を光軸法線方向において互いに反対とした、＜１＞〜＜６＞のいずれか１つに記載の光アイソレータ、
＜８＞第２及び第３の中空マグネットユニットが、円筒マグネットを９０°に４分割した４個のマグネットの集合体である、＜１＞〜＜７＞のいずれか１つに記載の光アイソレータ、
＜９＞更に２枚以上の平板複屈折結晶及び１枚以上の４５度旋光子を具備した、＜１＞〜＜８＞のいずれか１つに記載の光アイソレータ、
＜１０＞前記平板複屈折結晶の光学軸は光軸に対しほぼ４５度方向であり、厚みが１．０ｃｍ以上である、＜９＞に記載の光アイソレータ、
＜１１＞第１の中空マグネット、第２の中空マグネットユニット及び第３の中空マグネットユニットが炭素鋼筐体の内部に搭載された、＜１＞〜＜１０＞のいずれか１つに記載の光アイソレータ。

＜１＞に記載の発明によれば、ベルデ定数の大きいファラディ素子と、磁束密度の大きいマグネット材及び磁気回路を用いることにより、光アイソレータの小型化が達成できた。
また、＜２＞に記載の発明によれば、偏光回転能を左右するＹｂ₂Ｏ₃酸化物含有量が９５％以上であるため、同含有量５０％ファラディ素子のサンプル長を１／２程度に短くできるので、高出力レーザにより懸念されるファラディ素子の光損傷を減少させることができた。
上記の＜７＞に記載の発明により、ファラディ素子に印加される磁束密度を高め、一層の小型化が達成できた。
上記の＜８＞に記載の発明により、小型化に加えて偏光無依存化を達成することができた。

本発明の光アイソレータの構成例を示す断面模式図である。 第２の中空マグネットユニット８及び第３の中空マグネットユニット９の断面模式図である。 光アイソレータ内における入力光と戻り光の偏光面の挙動を光軸に沿って示す模式図である。 実施例１及び比較例１において使用するファラディ素子のサンプル長Ｌ（０．２５〜０．４５ｃｍ）に対する、ファラディ回転角が４５度となる磁束密度Ｔ（１０⁴Ｏｅ）の大きさを示した図である。 有限要素法に基づく、ＮｄＦｅＢ系マグネットの形状解析結果を示す図である。

本発明の光アイソレータは、波長４０５ｎｍにおけるベルデ定数が０．７０ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以上のファラディ素子と、前記ファラディ素子の外周に配置される第１の中空マグネット並びに第１の中空マグネットを光軸上で挟んで配置された第２及び第３の中空マグネットユニットと、を備え、第２及び第３の中空マグネットユニットは、光軸に対し９０度方向に等分割された２以上のマグネットから構成され、前記ファラディ素子に印加される磁束密度Ｂ（Ｏｅ）は下記式（１）の範囲内にあり、前記ファラディ素子が配置されるサンプル長Ｌ（ｃｍ）は下記式（２）の範囲内にある、ことを特徴とする。
０．８×１０⁴≦Ｂ≦１．５×１０⁴ （１）
０．２５≦Ｌ≦０．４５ （２）
本発明に使用するファラディ素子は、波長３２０〜６３３ｎｍにおいて光吸収が極めて少ない透明なファラディ素子であるため、ＴＧＧ結晶のような従来の素子では機能することができない波長帯へも対応することができた。このファラディ素子に磁束密度の大きいマグネット材及び磁気回路を用いることにより、光アイソレータの小型化を可能とした。このために、光アイソレータを組み込むデバイス内の空間的寸法の自由度を大きくすることができた。
以下に本発明を詳細に説明する。

本発明の光アイソレータは、３２０〜６３３ｎｍの波長帯域のレーザ光に好ましく使用される。このようなレーザには、半導体レーザやランプ励起式ＹＡＧレーザの第二高調波（波長５３２ｎｍ）、第三高調波（波長３５５ｎｍ）が含まれる。
なお、当業者は、本発明の光アイソレータを上記以外の波長帯域のレーザ光に設計変更することができる。

本発明の光アイソレータの基本的な構成例を、以下図面を参照して説明する。
図１は、本発明の光アイソレータの構成例を示す断面模式図である。
図１において、入射偏光子１、ファラディ素子４、及び出射偏光子６が、左側の入射側から右側の出射側に向う光軸１２上に、順次配置されている。
図１において、入射偏光子１は楔ガラス２により、また、出射偏光子６は楔ガラス２により光軸１２上に固定されている。入射側で入射偏光子１は、偏光子ホルダ３に固定され、出射側では４５度旋光子５と出射偏光子６が偏光子ホルダ３に固定されている。また、光学軸１１を入射偏光子１及び出射偏光子６に示した。

ファラディ素子４の形状は特に限定されず、三角柱状、四角柱状でもよいが、円筒状であることが好ましい。以下に円筒状のファラディ素子を例にとり説明する。
このファラディ素子４の外周には、第１の中空マグネット７並びに第１の中空マグネットを光軸上で挟んで、第２の中空マグネットユニット８及び第３の中空マグネットユニット９が配置されている。ファラディ素子４が円筒状の場合、第１の中空マグネット７並びに第２の中空マグネットユニット８及び第３の中空マグネットユニット９はいずれも中空円筒状であることが好ましく、ファラディ素子４の中心軸及び第１の中空マグネット７の中空部と二つの中空マグネットユニット８，９の中空部の中心軸は同軸であることが好ましい。また、ファラディ素子４の外径と、第１の中空マグネット７の中空部の内径と、二つの中空マグネットユニット８，９の中空部の内径はほぼ同じであり、光アイソレータを組み立てた後に調芯とすることが好ましい。この配置により、ファラディ素子４が第１の中空マグネット７の中心に配置される。

第１の中空マグネット７と、第２の中空マグネットユニット８及び第３の中空マグネットユニット９とは、これらの中空部が光軸と同軸になるように配置されている。これらの２つの中空マグネットユニット８，９は、いずれも、光軸に対し９０度（９０°）方向に、すなわち光軸に対して垂直な面で、２以上に等分割された複数のマグネットの集合体である。
図２は、２つの中空マグネットユニット８，９の一実施形態を示す断面模式図である。両中空マグネット共に、円筒マグネットを９０°に４分割した４個のマグネットの集合体となっている。４分割したマグネットユニット（集合体）は、加工適性に優れるので好ましい。この４分割マグネットユニットの態様の他に、１８０°に２分割された２個のマグネットの集合体や、１２０°に３分割された３個のマグネットの集合体でもよい。

図２に示すように、第２の中空マグネットユニット８及び第３の中空マグネットユニット９は、それぞれ、筐体１０の内部に収納されている。
図２に示す実施形態において、円筒マグネットを４分割したマグネットは、その磁界極性は外周方向となっている。この場合、各々のマグネットは相互に反磁力を持ち合わせるので、組み合わせたマグネットユニットの外周外径と筐体１０の内径をマグネットユニットが挿入できるようにほぼ一致させると、各々の反磁力のみで筐体１０の内部に固定することができる。この固定法を利用すれば、第２の中空マグネットユニット８と第３の中空マグネット９を両側の押さえとして、第１の中空マグネット７を隙間無く固定することができるので、構成するマグネット全体の固定が接着剤等を必要としない信頼性の高い実装とすることができる。
ここで、「磁界極性」とは、磁化の方向を意味する。すなわち、磁力線の向きを表す。

本発明の光アイソレータは、波長４０５ｎｍにおけるベルデ定数が０．７０ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以上のファラディ素子を有する。このファラディ素子について説明する。

本発明に用いることができるファラディ素子は、波長４０５ｎｍでのベルデ定数が０．７０ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以上である。ベルデ定数は０．７０ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以上であれば特に限定されないが、Ｙｂ₂Ｏ₃酸化物含有量１００％のベルデ定数が上限となる。ベルデ定数が０．７０ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）未満であると、ファラディ回転角を４５°とするために必要なファラディ素子の長さが長くなり、光アイソレータを小型化することが困難である。

本発明において、ベルデ定数は、定法に従い測定すればよく、特に限定されない。
具体的には、所定の厚さの酸化物を切り出し、鏡面研磨仕上げを行い、磁束密度の大きさが既知の永久磁石にファラディ素子をセットし、波長４０５ｎｍにおけるベルデ定数を測定する。また、測定条件は２５±１０℃とし、大気中で測定を行う。

本発明の光アイソレータにおいて、前記ファラディ素子が配置されるサンプル長Ｌ（ｃｍ）は下記式（２）の範囲内にある。
０．２５≦Ｌ≦０．４５ （２）
サンプル長が０．４５ｃｍを超えると、光アイソレータの小型化が難しくなり、０．２５ｃｍ未満であると所望のファラディ回転角を得るための磁束密度の大きさが大きくなり、やはり光アイソレータの小型化が難しくなる。
ここで、ファラディ素子が配置されるサンプル長とは、ファラディ素子の光軸上の長さを意味し、図１中にＬで示されている。

本発明に用いるファラディ素子は、下記式（Ｉ）で表される酸化物を９５％重量以上含有することが好ましい。
Ｙｂ₂Ｏ₃ （Ｉ）
上記の酸化物の含有量は、９９．９重量％以上であることがより好ましく、１００重量％であることが更に好ましい。

イッテルビウム（Ｙｂ）は、テルビウム（Ｔｂ）と同様に、軌道角運動量Ｌ＝３であるため、常磁性元素であり、波長３２０〜６３３ｎｍにおいて吸収が無い元素である。このため、この波長域の光アイソレータに使用するには、最も適した元素である。
一方、テルビウムは、イッテルビウムよりもベルデ定数が大きいが、波長３２０〜３８０ｎｍ、４５０〜５５０ｎｍに吸収がある。従って、このイッテルビウムをできるだけ多く含む化合物を作製することが、その化合物のベルデ定数を大きくし、ファラディ回転角を大きくできる。

更に波長３２０〜６３３ｎｍにおいて吸収が無い化合物を作製するには、構成する他の元素も、その波長域において透明である必要があり、それに最も適した化合物は、波長３２０〜６３３ｎｍにおいて吸収が無い元素との酸化物である。

ここで、光アイソレータの大きさを決める要因は、ベルデ定数、磁界の大きさである。そして光アイソレータを小型化するためには、その構成部品であるファラディ素子をできるだけ短くできる材料を開発する必要がある。
そこで、使用する波長において、ベルデ定数が０．２０ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以上であることが望ましく、それ未満であると、使用する磁界において、ファラディ素子の長さが１０ｍｍ以上になり、光アイソレータ形状と透過損失が大きくなってしまうことが判った。
そして更なる検討・実験の結果、酸化イッテルビウムを重量比換算で９５重量％以上含む材料であれば、ベルデ定数が０．２０ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以上となり、ファラディ材料の長さが１０ｍｍ以下になり、光アイソレータの小型化が図れると供に、波長３２０〜６３３ｎｍの光の吸収がほとんど発生しないものとすることができることを知見した。

前記式（Ｉ）で表される酸化物は、単結晶であってもよく、セラミックスであってもよい。このような単結晶、セラミックスの製造方法としては、特開２０１１−１５０２０８号公報等が参照できる。
なお、単結晶を光アイソレータのファラディ素子として使用する場合には、切断後、研磨剤等により表面に鏡面仕上げを施すことが好ましい。研磨剤は特に限定されないが、例えば、コロイダルシリカが例示される。

本発明に用いることができるファラディ素子は、本発明の光アイソレータにおける前記サンプル長Ｌ（ｃｍ）において、１ｄＢ以下の挿入損失と３０ｄＢ以上の消光比とを有することが好ましく、光アイソレータへの搭載及びその組み立てエラーを考慮すると、０．５ｄＢ以下の挿入損失と３５ｄＢ以上の消光比を有することがより好ましい。上記の範囲内であると、低損失かつ高アイソレーションの光学特性を有する光アイソレータの作製を可能にするという観点で好ましい。
なお、挿入損失及び消光比等の光学特性は、定法に従い、波長４０５ｎｍにおいて測定する。なお、測定条件は２５±１０℃とし、大気中で測定を行う。

本発明に用いることができるファラディ素子は、波長４０５ｎｍ、サンプル長Ｌｃｍ（０．２５≦Ｌ≦０．４５）での透過率（光の透過率）が８０％以上であることが好ましく、８２％以上であることが好ましく、８５％以上であることが更に好ましい。透過率は高いことが好ましく、その上限は特に限定されず、１００％以下である。
透過率は、波長４０５ｎｍの光を厚さＬｃｍのファラディ素子に透過させた時の光の強度により測定される。すなわち、透過率は以下の式で表される。
透過率＝Ｉ／Ｉｏ×１００
（上記式中、Ｉは透過光強度（厚さＬｃｍの試料を透過した光の強度）、Ｉｏは入射光強度を表す。）
なお、得られる酸化物の透過率が均一ではなく、測定箇所によって透過率に変動がある場合には、任意の１０点の平均透過率をもって、該酸化物の透過率とする。

本発明の光アイソレータにおいて、第１の中空マグネット並びに第２の中空マグネットユニット及び第３の中空マグネットユニットを含む中空マグネットユニット群について説明を追加する。
第１の中空マグネット並びに第２及び第３の中空マグネットユニットは、いずれも、可能な限り小型な永久磁石とすることが好ましく、かつ大きな磁場強度を得るために、ネオジム−鉄−ボロン（ＮｄＦｅＢ）系磁石を使用することが好ましい。

本発明の光アイソレータにおいて、図１に示すように、第１の中空マグネットの磁界極性を光軸方向とし、第２の中空マグネットユニットの磁界極性と第３の中空マグネットユニットの磁界極性を光軸法線方向において互いに反対とすることが好ましい。この構成を採ることにより、ファラディ素子に与える印加磁束密度を最大とすることができる。

本発明の光アイソレータの基本設計において、ファラディ素子の長さを短くすることが小型化のために重要であり、このためにファラディ効果が大きいファラディ素子と磁束密度の大きいマグネット材（磁石）及び磁気回路を組み合わせて用いることにより小型化を実現したものである。また、半導体レーザで問題となるハイパワー光によるファラディ素子の光損傷は、ファラディ素子の透過率と長さで決まるため、透過率が高く長さが短いファラディ素子ほど好都合である。

本発明の光アイソレータにおいて、更に２枚以上の平板複屈折結晶及び１枚以上の４５度旋光子を光軸上に具備することが好ましい。この構成により、偏光無依存型の光アイソレータとすることができる。
この場合、前記平板複屈折結晶の光学軸は光軸に対しほぼ４５°方向であり、厚みが１．０ｃｍ以上であることが好ましい。例えば、ルチル単結晶（ＴｉＯ₂）を使用した場合においては厚みの１／１０であるφ１．０ｍｍ、α−ＢＢＯ結晶（ＢａＢ₂Ｏ₄）においては厚みの１／３０程度であるφ０．３５ｍｍのビーム径にまで対応することができる。

半導体レーザの高出力化に伴い、搭載される光アイソレータに対する要求事項としては、各々の部品がハイパワー光に対して耐性を持ち、伝搬する光の偏光状態に影響されない偏光無依存型であることが挙げられる。この要求に応えるべく、使用される偏光子としては、その屈折率差を利用して光ビームを分離する複屈折結晶が最適である。代表的な複屈折結晶としては、波長４００〜６３３ｎｍで透明であるイットリウム・バナデート（ＹＶＯ₄）、ルチル単結晶（ＴｉＯ₂）、波長３５０〜６３３ｎｍで透明である方解石単結晶（ＣａＣＯ₃）、波長１９０〜６３３ｎｍで透明であるα−ＢＢＯ結晶（ＢａＢ₂Ｏ₄）があり、半導体レーザの発振波長に合わせ透明な複屈折結晶を使用すればよい。また、前述した偏光無依存化を図るために、複屈折結晶の光学軸は光軸に対しておよそ４５度になるように平板加工を施すことが好ましい。また、その厚みは異常光の分離距離と比例関係にあるため所望のビームシフト量を満足する厚みに各々精度良く加工すればよい。この平板型複屈折偏光子を入出射偏光子として２枚配置し、その間に波長３２０〜６３３ｎｍのいずれかにおいてファラディ回転角が４５度であるファラディ素子と同一波長で偏光面を４５度回転する４５度旋光子とその周囲にファラディ素子の光軸方向に磁界を与えるマグネットを配置することにより、偏光無依存型光アイソレータが構成される。

図３には、光アイソレータ内における入力光と戻り光の偏光面の挙動を光軸に沿って示した。
図３の上段には、入力光の偏光面の挙動を示す。最初に、入力光はスネルの法則に従い入射偏光子の光学軸偏光方向にシフトする異常光と光学軸に対して直交偏光方向で直進する常光との２つに分離される。入射光は、入射偏光子１において偏光面をそれぞれ０度、９０度に分離された常光、異常光がファラディ素子４により右回りにそれぞれ４５度回転される。この偏光面の角度が更に右回りに４５度回転されるように、１／２波長板の光学軸は面内に２２．５度とし配置した。この構成で常光、異常光が１／２波長板を透過すると、偏光面が共に右回りに４５度回転されるので、常光、異常光それぞれ９０度偏光面を回転する。その結果、出射偏光子６においては、入射偏光子１と同方向に光学軸を有しているので、常光が異常光としてビームシフト、異常光は常光として直進し双方のビームが一致して偏光無依存化が図られる。

図３の下段には、戻り光の偏光面の挙動を示す。戻り光はファラディ素子の非相反性を利用して、逆方向に偏光面を４５°回転され入射偏光子と９０°の直行偏光面となり、透過できなくなる。

本発明の光アイソレータは、第１の中空マグネット並びに第２の中空マグネットユニット及び第３の中空マグネットユニットを炭素鋼筐体に搭載することが好ましい。炭素鋼筐体に収納することにより、マグネットの周囲にヨーク（継鉄）材が構成されることになるので、マグネットの持っている吸着力或いは吸引力を増大させることができる。
なお、図２の説明おいて述べたように、等分割した４つのマグネットユニットの外周外径と筐体１０の内径をマグネットが挿入できるようにほぼ一致させると、各々マグネットの反磁力のみで２つのマグネットユニットを筐体の内部に固定することができる。

（実施例１）
図１に示す構成の４０５ｎｍ帯光アイソレータを製作した。
入射偏光子１及び出射偏光子６としては４０５ｎｍにおいて高い透明性を有する、α−ＢＢＯ結晶（ＢａＢ₂Ｏ₄）を使用し、その光透過面は１．０ｃｍ厚の平行平板に加工されており、その光学軸１１は光軸１２に対して４７．８度傾いている。図１では、傾き方向が紙面の中にあるように描かれている。更にこの平行平板偏光子は光透過面に中心波長４０５ｎｍの反射防止膜を施すと共に、入射光路に光透過面の反射光が戻ることを回避するため、５度だけ傾き角度をもった楔ガラス２の上に偏光子底面を接着固定し偏光子ホルダ３に搭載した。
また、ファラディ素子４は第１の中空マグネット７の中空部中心に位置するようにし、第２の中空マグネットユニット８と第３の中空マグネットユニット９を合わせた全てのマグネットにより形成される磁界分布の最大となる位置に固定した。第２及び第３のマグネットユニットは、図２に示したように、４つに等分割されたマグネットを組み合わせて使用した。入射光路順にファラディ素子４の後に配置される４５度旋光子５は、人工水晶を材質とする１／２波長板を使用し、その光透過面には中心波長４０５ｎｍの反射防止膜を施した。

ファラディ素子としては、波長４０５ｎｍにおいてベルデ定数が０．７０ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以上となる、イッテルビウム酸化物をサンプル長０．２５〜０．４５ｃｍとして使用した。ファラディ素子の外周には、ネオジム−鉄−ボロン（ＮｄＦｅＢ）系マグネットからなる中空マグネットを配置した。その中空マグネット両側には、磁界極性が反対であり、かつ光軸に対し９０度方向に４つに等分割された中空マグネットユニットを配置し、分割された各々のマグネットの磁界極性は光軸法線方向とした磁気回路を構成した。また、マグネット及びマグネットユニットの外側には、炭素鋼筐体を配置した。

なお、ビームシフト量は平行平板偏光子の厚みに依存する。平行平板偏光子の厚さを１．０ｃｍとした本実施例においては、ビームシフト量は約０．３５ｍｍとなる。戻り光についても入射位置よりそれぞれ上下０．３５ｍｍ離れて分離され出射されるので、光アイソレータ機能を考慮すると、最大ビーム径（１／ｅ²）としてはφ０．３５ｍｍまで対応することができる。また、ハイパワー光のパワー密度を小さくする等の目的で、更に大きいビーム径を取り扱う場合は、ファラディ素子の有効領域を確保した上で、平行平板偏光子の厚みを１．０ｃｍ以上の任意の大きさにすればよい。

次に、本実施例１において使用したファラディ素子４の詳細を説明する。材料としてはイッテルビウム酸化物を１００重量％含むＹｂ₂Ｏ₃セラミックスを用いた。前記Ｙｂ₂Ｏ₃セラミックスは、特開２０１１−１５０２０８号公報に記載の方法に従い作製した。具体的には、高純度Ｙｂ₂Ｏ₃粉末を粉砕した後、エタノール、エチレングリコールを加えて湿式混合し、スラリー状とし、このスラリーを成型器を用いて成型した。成型体を１，６００℃で２時間、アルゴン雰囲気で焼結して、セラミックスを得た。
このセラミックスを波長４０５ｎｍにおいて測定したところ、挿入損失０．５ｄＢ、消光比４０ｄＢ、ベルデ定数０．７４ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）の光学特性を有していることが分かった。なお、このときの測定したサンプルは外径（直径）φ０．３ｃｍ、長さ０．４ｃｍの円筒形状であった。

図４に、実施例１において使用するセラミックスのサンプル長を０．２５〜０．４５ｃｍに０．０５ｃｍずつ変化させた場合に、ファラディ回転角が４５度となる磁束密度Ｔ（１０⁴Ｏｅ）をサンプル長Ｌの関数として示す。
ここで、前述したサンプルサンプル長が０．４ｃｍである場合に、実施例１のベルデ定数（０．７４ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ））値よりファラディ回転角が４５度となる磁束密度を算出すると、必要とする磁束密度は約９，１００［Ｏｅ］（＝０．９１［Ｔ］）となることが分かる。

（比較例１）
図４に示すように、比較例１としてイッテルビウム酸化物を５０重量％含むＹｂ₂Ｏ₃セラミックス（ベルデ定数０．３７ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ））をファラディ素子とした光アイソレータを作製した。
このＹｂ₂Ｏ₃セラミックスに印加する磁束密度を算出すると、サンプル長０．４ｃｍにおいて必要とする磁束密度は約１８，２００［Ｏｅ］（＝１．８２［Ｔ］）、同様に磁束密度の下限値を示すサンプル長０．４５ｃｍにおいては約１６，０００［Ｏｅ］（＝１．６［Ｔ］）となることが分かる。

よって、本発明の光アイソレータにおいては、サンプル長に対する磁束密度の関係が、実施例１で示される関係にあり、いずれも前出＜１＞中の式（１）を満たす範囲内にあった。
Ｙｂ₂Ｏ₃５０重量％のファラディ素子に使用するマグネットと比較して、本発明の光アイソレータでは、ファラディ素子のサンプル長及び印加する磁束密度を小さくできるので、マグネットの外径を小さくすることができ、この結果光アイソレータの小型化が実現できた。光アイソレータの製品形状の小型化の他に、光アイソレータから外部に漏洩する磁場の低減も図ることができた。

これを具現化するため、各々マグネット外径をパラメータとして、得られる磁束密度分布を磁場解析により求めた。解析手法としては有限要素法（ＪＭＡＧ−Ｄｅｓｉｇｎｅｒ）を選択し、マグネット材質は信越化学工業（株）製ネオジム−鉄−ボロン（ＮｄＦｅＢ）マグネット、筐体１０の材質は炭素鋼とした。シミュレーション結果を図５に示す。
なお、図５におけるマグネットの内径φ（直径）及びφ外径（直径）は、以下の通りである。
実施例１（サンプル長０．４５ｃｍ）：マグネット内径φ０．４ｃｍ、外径φ１．４ｃｍ
実施例１（サンプル長０．４０ｃｍ）：マグネット内径φ０．４ｃｍ、外径φ１．６ｃｍ
実施例１（サンプル長０．２５ｃｍ）：マグネット内径φ０．４ｃｍ、外径φ２．４ｃｍ
比較例１（サンプル長０．４５ｃｍ）：マグネット内径φ０．４ｃｍ、外径φ３．４ｃｍ
図５中、Ｚ（ｃｍ）は、ファラディ素子が配置される中心軸からの距離を示しており、０ｃｍは中心軸上の中央（配置されるファラディ素子の真ん中）を示している。すなわち、ファラディ素子のサンプル長が０．４５ｃｍの場合には、ファラディ素子の端点は、Ｚ＝±０．２２５ｃｍにあたり、同様に、ファラディ素子のサンプル長が０．４０ｃｍの場合には、ファラディ素子の端点はＺ＝±０．２０ｃｍにあたる。
図５のシミュレーションの結果、光軸方向（Ｚ）に対し、安定した磁束密度が得られることが分かった。
式（１）、式（２）を満たす上限の磁束密度は実施例１におけるサンプル長０．２５ｃｍの磁束密度分布、下限の磁束密度は実施例１におけるサンプル長０．４５ｃｍの磁束密度分布を示しており、各々マグネット形状は上述の通り、内径φ０．４ｃｍ、外径φ１．４（下限値）〜φ２．４ｃｍ（上限値）となった。

実施例１において使用したファラディ素子４（サンプル長０．４ｃｍ、外径φ０．３ｃｍ）に与える磁束密度９，１００［Ｏｅ］（＝０．９１［Ｔ］）を満足するには、図５中の実施例１（サンプル長０．４０ｃｍ）が最適であった。この結果から、実施例１の構成を採用する場合に使用するマグネット形状は、第１、第２、及び第３の中空マグネットを組み合わせて実際に製作したところ内径φ０．４ｃｍ、外径φ１．６ｃｍ、長さ３．２ｃｍとなった。この組立て構成品のファラディ回転角を波長４０５ｎｍで実測したところ、４５．０度となりシミュレーション結果と合致していた。これに４０５ｎｍにおいて透明であるα−ＢＢＯ結晶（ＢａＢ₂Ｏ₄）を偏光子とし光アイソレータを組み立てたところ、挿入損失０．７[ｄＢ]、アイソレーション３５[ｄＢ]の光学特性を有する光アイソレータを作製することができた。

比較例１で示した従来構成の下限値であるサンプル長０．４５ｃｍにおけるＹｂ₂Ｏ₃５０％セラミックスを使用したマグネット形状は、内径φ０．４ｃｍ、外径φ３．４ｃｍ、長さ３．８ｃｍであるから、両者を比較すると、本発明においては従来品に比べて、体積比８０％のサイズダウンを実現することが分かった。

また、ベルデ定数には波長依存性があり、長波長になると定数が小さくなることが一般的に知られている。そこで３２０〜６３３ｎｍにおける上限波長である６３３ｎｍにおいても、ベルデ定数を評価した。その結果、各々使用したＹｂ₂Ｏ₃セラミックスのベルデ定数は、比較例１の０．１１ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）に対し実施例１では０．２２ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）とファラディ素子の短尺化の目安となる０．２０ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以上を満足していることが分かった。よって、本発明の光アイソレータは、使用する各々の部品及びその構成が３２０〜６３３ｎｍ帯において低損失で高アイソレーションの特性を持ち、十分に小型化された光アイソレータとして作用することを示している。

１ 入射偏光子
２ 楔ガラス
３ 偏光子ホルダ
４ ファラディ素子
５ ４５度旋光子
６ 出射偏光子
７ 第１の中空マグネット
８ 第２の中空マグネットユニット
９ 第３の中空マグネットユニット
１０ 筐体
１１ 光学軸
１２ 光軸

Claims (10)

1. 波長４０５ｎｍにおけるベルデ定数が０．７０ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以上のファラディ素子と、
   前記ファラディ素子の外周に配置される第１の中空マグネット並びに第１の中空マグネットを光軸上で挟んで配置された第２及び第３の中空マグネットユニットと、を備え、
   第２及び第３の中空マグネットユニットは、それぞれ、光軸に対し９０度方向に等分割された２以上のマグネットから構成され、
   前記ファラディ素子に印加される磁束密度Ｂ（Ｏｅ）は下記式（１）の範囲内にあり、
   前記ファラディ素子が配置されるサンプル長Ｌ（ｃｍ）は下記式（２）の範囲内にあり、第１の中空マグネット、第２の中空マグネットユニット及び第３の中空マグネットユニットが炭素鋼筐体の内部に搭載されたことを特徴とする
   ３２０〜６３３ｎｍ波長帯域用光アイソレータ。
   ０．８×１０⁴≦Ｂ≦１．５×１０⁴ （１）
   ０．２５≦Ｌ≦０．４５ （２）
2. 前記ファラディ素子が、下記式（Ｉ）で表される酸化物を９５重量％以上含有する、請求項１に記載の光アイソレータ。
   Ｙｂ₂Ｏ₃ （Ｉ）
3. 前記酸化物が単結晶である、請求項２に記載の光アイソレータ。
4. 前記酸化物がセラミックスである、請求項２に記載の光アイソレータ。
5. 前記ファラディ素子が、サンプル長Ｌ（ｃｍ）において、１ｄＢ以下の挿入損失と３０ｄＢ以上の消光比を有する、請求項１〜４のいずれか１つに記載の光アイソレータ。
6. 第１の中空マグネット、並びに、第２及び第３の中空マグネットユニットが、ネオジム−鉄−ボロン（ＮｄＦｅＢ）系磁石からなる、請求項１〜５のいずれか１つに記載の光アイソレータ。
7. 第１の中空マグネットの磁界極性を光軸方向とし、第２及び第３の中空マグネットユニットの磁界極性を光軸法線方向において互いに反対とした、請求項１〜６のいずれか１つに記載の光アイソレータ。
8. 第２及び第３の中空マグネットユニットが、円筒マグネットを９０°に４分割した４個のマグネットの集合体である、請求項１〜７のいずれか１つに記載の光アイソレータ。
9. 更に２枚以上の平板複屈折結晶及び１枚以上の４５度旋光子を具備する、請求項１〜８のいずれか１つに記載の光アイソレータ。
10. 前記平板複屈折結晶の光学軸は光軸に対しほぼ４５度方向であり、厚みが１．０ｃｍ以上である、請求項９に記載の光アイソレータ。

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