JP2005208295A - 可変ファラデー回転子及びそれを用いた可変光減衰器 - Google Patents

Abstract

【課題】 可変ファラデー回転子及び可変光減衰器を小型化・細径化する。多数並設するアレイ構造でも小型化できるようにする。
【解決手段】 可変ファラデー回転子は、磁気光学結晶１０と、それを通る光の進行方向に垂直に固定磁界を印加する永久磁石１４ａ，１４ｂと、光の進行方向に平行に可変磁界を印加する電磁石１２ａ，１２ｂを具備している。電磁石は、円筒状ヨーク１６の外周にコイル１８を巻装した構造であり、磁気光学結晶の両方の光透過面にそれぞれ対向するように配置し、磁気光学結晶を挟むように両側に一対の板状永久磁石を配置する。可変光減衰器を構成するには、磁気光学結晶の入射側に偏光子を、出射側に検光子を設置する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、入射光のファラデー回転角を可変できるファラデー回転子に関し、更に詳しく述べると、筒状ヨーク構造の電磁石を光路に沿って配置することにより小型・細径化可能とした可変ファラデー回転子に関するものである。この技術は、例えば光通信の分野で光強度を調整する可変光減衰器、光スイッチなどに有用である。

光通信システムあるいは光計測システムなどでは、偏光面を回転させるファラデー回転子が組み込まれている。周知のように、ファラデー回転子は、磁気光学結晶（ファラデー効果を有する磁性ガーネット単結晶）に外部磁界を印加し、それによって磁気光学結晶を透過する光のファラデー回転角を制御するように構成されている。その一例として、磁気光学結晶に可変磁界を印加してファラデー回転角を可変制御するタイプがある。その場合には、通常、永久磁石による固定磁界と電磁石による可変磁界との合成磁界を印加する。

ファラデー回転子において、ファラデー回転角を決めるのは磁気光学結晶の磁化方向である。具体的には、その磁化方向と光の伝搬方向とのなす角の余弦成分によって決まる。そこで、磁気光学結晶に印加する磁界の直交２成分の比を変えることで、この余弦成分を制御する。従って、光の進行方向に対して異なった２方向の磁界発生源が必要であり、この方向として光の進行方向に対して平行な方向と垂直な方向を選ぶのがよい。

可変光減衰器に用いられている従来の可変ファラデー回転子において、その磁界発生源は、Ｕ型ヨークを有する電磁石と永久磁石とからなる。この場合、磁気光学結晶を通る光の進行方向に対して垂直に固定磁界を印加するように永久磁石を配置し、光の進行方向に対して平行に可変磁界を印加するように電磁石を配置する構成（例えば特許文献１参照）と、それとは逆に、磁気光学結晶を通る光の進行方向に対して平行に固定磁界を印加するように永久磁石を配置し、光の進行方向に対して垂直に可変磁界を印加するように電磁石を配置する構成（例えば特許文献２参照）がある。

両者を比べると、永久磁石の方が小さくできるため、一般に、後者の方が小型化に有利であるとされているが、いずれにしてもＵ型ヨークを使用する以上、小型化には限界がある。後者であっても、その構成のまま更なる小型化を図ろうとした場合、
・電磁石のヨークサイズが小さくなるため、十分な磁界が得られなくなる。
・永久磁石の磁界を有効に働かせるためには、永久磁石と電磁石ヨークをある程度離す必要があり、それが小型化の妨げとなる。
などの問題があるからである。
特開平９−２３６７８４号公報 特開２００２−３４１３０２号公報

本発明が解決しようとする課題は、従来構造では小型化・細径化が難しい点、多数並設するアレイ構造の小型化が難しい点、などである。

本発明は、磁気光学結晶と、該磁気光学結晶を通る光の進行方向に対して実質的に垂直に固定磁界が印加されるように配置した永久磁石と、前記磁気光学結晶を通る光の進行方向に対して実質的に平行に可変磁界が印加されるように配置した電磁石を具備しているファラデー回転子において、電磁石は筒状ヨークの外周にコイルを巻装した構造をなし、該筒状ヨークの内部が光路となるように、磁気光学結晶の少なくとも一方の光透過面に対向するように位置し、磁気光学結晶を挟むように両側に一対の永久磁石を配置して、全体を細長棒状とした可変ファラデー回転子である。ここで、電磁石は１個でもよいが、一対の電磁石が、磁気光学結晶の両光透過面にそれぞれ対向するように位置している構造の方が好ましい。

また本発明は、このような可変ファラデー回転子を用い、磁気光学結晶の入射側に偏光子を設置し、出射側に検光子を設置した透過型の可変光減衰器である。磁気光学結晶の一方の光透過面側に偏光子を設置し、他方の光透過面側に反射鏡を設置して反射型の可変光減衰器を構成することもできる。電磁石の端部にレンズを介して光ファイバフェルールを装着することで、光ファイバ形部品となる。

本発明に係る可変ファラデー回転子は、磁気光学結晶を通る光の進行方向に対して垂直に固定磁界を印加するように永久磁石を配置し、光の進行方向に対して平行に可変磁界を印加するように電磁石を配置し、しかもその電磁石は筒状ヨークの外周にコイルを巻装した構造として筒状ヨークの内部を光が通過するように構成したので、小型化・細径化（光の進行方向に対して径方向の寸法を非常に小さく）できる。

従って、本発明の可変ファラデー回転子を用いて、偏光子などを組み込むことで細径棒状の可変光減衰器が得られる。細径構造であることから、多数を並設することで、小型の可変減衰器アレイを構成できる。

可変ファラデー回転子は、磁気光学結晶と、該磁気光学結晶を通る光の進行方向に対して実質的に垂直に固定磁界が印加されるように配置した永久磁石と、前記磁気光学結晶を通る光の進行方向に対して実質的に平行に可変磁界が印加されるように配置した電磁石を具備している。ここで電磁石は、筒状ヨークの外周にコイルを巻装した構造である。そして一対の電磁石が、磁気光学結晶の両方の光透過面にそれぞれ対向するように配置され、また磁気光学結晶を挟むように両側に一対の厚み方向に着磁した板状の永久磁石が配置される。

厚み方向に着磁した板状の一対の永久磁石によって、磁気光学結晶の光の進行方向に対して垂直な方向に固定磁界が印加される。また電磁石のコイルに通電することによって筒状ヨークの軸方向に磁束が通り、漏洩した磁界が磁気光学結晶に集中し、光の進行方向に対して平行な方向に可変磁界が印加される。なお、筒状ヨークの中心孔が光路となるために、光が遮られることはない。

可変光減衰器を構成するには、典型的には上記の可変ファラデー回転子を用い、磁気光学結晶の入射側に偏光子を設置し、出射側に検光子を設置する。偏光子及び検光子は、電磁石と磁気光学結晶との間に挿入するのが好ましい。偏光子及び検光子としては、楔形複屈折素子（例えばルチル結晶）を用い、それらの結晶軸の方位を直交配置とするのが好ましい。

この構成は、固定磁界は比較的弱くてよいため、永久磁石としてフェライト系磁石やボンド磁石が使用可能である。永久磁石と電磁石は、ある程度離す必要があるため、上記のように、その間に偏光子や検光子を挿入するのが、小型化の上で有利である。

図１は本発明に係る可変ファラデー回転子の一実施例を示す斜視図である。磁気光学結晶１０の光路の前後に電磁石１２ａ，１２ｂを配置し、光路の左右（あるいは上下）に永久磁石１４ａ，１４ｂを配置する。ここで両電磁石１２ａ，１２ｂは、ケイ素鋼などからなる円筒状ヨーク１６の外周にコイル１８を巻装した構造をなし、該円筒状ヨーク１６の中心孔２０が光路となる。また永久磁石１４ａ，１４ｂは、厚み方向に着磁したフェライト系あるいはボンド磁石などの板状磁石である。

コイル１８に通電することにより、円筒状ヨーク１６を磁束が通り、外部に磁界が発生する。両方の電磁石１２ａ，１２ｂのコイル１８に同じ向きに通電することで、間に位置する磁気光学結晶１０には、光の進行方向に対して実質的に平行方向に磁界が印加され、電流値を制御することにより磁界の強さを可変できる。２個の永久磁石１４ａ，１４ｂは同じ向きに着磁されており、それによって磁気光学結晶１０には、光の進行方向に対して実質的に垂直方向に固定磁界が印加される。従って、磁気光学結晶１０には、光の進行方向に対して実質的に垂直方向の固定磁界と光の進行方向に対して実質的に平行方向の可変磁界が同時に印加され、それらによる合成磁界方向と光の進行方向との余弦（ｃｏｓ）成分に応じて入射光にファラデー回転が生じる。

本発明では、図示のように、Ｕ型ヨークを使用していないため、光の進行方向に対して垂直方向への部材の張り出しが無く、小型化・細径化することができる。

図２は本発明に係る可変光減衰器の一実施例を示す斜視図である。ここでは図１に示す可変ファラデー回転子をそのまま利用しており、そのため対応する部材には同一符号を付し、それらについての説明は省略する。本発明では、磁気光学結晶１０の入射側に偏光子２２を設置し、出射側に検光子２４を設置する。これら偏光子２２及び検光子２４の種類及び設置位置は任意であるが、図示のように磁気光学結晶１０と電磁石１２ａ，１２ｂの間にそれぞれ設けることが好ましい。これは両方の電磁石１２ａ，１２ｂの間にはある程度の距離が必要であり、その空間を利用して偏光子２２及び検光子２４を挿入できるからである。

典型的には、９０〜１００度の可変ファラデー回転子を用い、偏光子２２に対して検光子２４はほぼ直交方位とする。入射光は偏光子２２で常光・異常光に分離し、それらの偏光面が磁気光学結晶１０で合成磁界方向に応じて回転し、それぞれ検光子２４を通り更に光路分離して互いの平行光成分が出射側と結合することになる。両電磁石１２ａ，１２ｂの駆動電流がゼロの時は、偏光面は回転しないため殆ど出射側に結合できず、減衰量は最大となる。それに対して電磁石の駆動電流が十分大きい時は、偏光面はほぼ９０度回転するため大部分が出射側と結合し、減衰量は最小となる。

結晶部品の詳細と光路の例を図３に示す。図３のＡに示す構成が基本形である。磁気光学結晶１０は、例えばＢｉ置換希土類鉄ガーネットのＬＰＥ単結晶膜である。偏光子２２及び検光子２４は、楔形の複屈折結晶であり、例えばルチルからなる。偏光子２２及び検光子２４は、磁気光学結晶１０に対向する面は該磁気光学結晶１０の面と平行で、反対側の傾斜面は互いに平行となるように配置され、偏光子２２と検光子２４の結晶軸方位は互いに垂直で且つ光の進行方向に垂直な面内となるように定められている。なお、図３に示す光路内の偏光方向は、磁気光学結晶１０で偏光面が９０度回転したものとして描いている。入射光は２つの光路に分離するが、互いに平行光となったものが出射側と結合する。

図３のＢは変形例である。基本的な部分はＡと同様であるので、対応する部材には同一符号を付し、それらについての説明は省略する。検光子２４の後段に平行平面の複屈折結晶２６を配置している。この複屈折結晶２６は、偏光子２２や検光子２４と同じ材料（ルチルなど）からなり、丁度楔形の偏光子２２と検光子２４を組み合わせた寸法の平行四辺形状である。図示のように、検光子２４からの出射光は、光路間隔が広く（従ってビーム径が大きく）、偏光子２２と検光子２４により偏波モードによって光路長に差が生じる。しかし、平行平面の複屈折結晶２６を配置すると、偏波モード分散を補償でき、しかもビーム径を小さくすることができる。

図２のような構造の可変光減衰器による減衰特性の一例を図４に示す。ここで構成部品は次の通りである。
（１）電磁石
・ヨーク…材料：ケイ素鋼、寸法：内径１．０mmφ、外径１．７mmφ、長さ１１mm
・コイル…０．１mmφの絶縁被覆導線で１００ターンを１０層（合計１０００ターン）
（２）永久磁石…フェライト系磁石
（３）磁気光学結晶…Ｂｉ置換希土類鉄ガーネットＬＰＥ膜、ファラデー回転角：１００度
（４）偏光子、検光子…楔形ルチル、結晶軸配置は直交

図４に示すように、コイル駆動電流がゼロのときに最大減衰量４５ｄＢ以上を呈し、駆動電流が８０ｍＡ付近で減衰量はほぼ０ｄＢに到達する。

本発明に係る可変光減衰器の他の実施例を図５に示す。Ａは側断面を表し、Ｂはそのｘ−ｘ断面を表している。ここでは電磁石３２ａ，３２ｂのヨーク３６を、両端にフランジを有するボビン構造とし、直接絶縁被覆導線を巻き付けてコイル３８を形成できるようにしている。磁気光学結晶３０は、筒状ホルダ３１の内部に挿入して保持し、偏光子４２及び検光子４４も該筒状ホルダ３１内に組み込む。板状の永久磁石３４ａ，３４ｂは、筒状ホルダ３１の外面に相対向するように貼着する。図示していないが、これらは外側ケースで囲まれ、全体が位置決め保持される。両端にはレンズ（例えば非球面レンズなど）が装着される。そして、光ファイバのフェルールが接続される。このようにして、細径（例えば３．５mmφ程度以下）のファイバ接続型の可変光減衰器が実現できる。長さは、例えば両端のレンズを含めて２５mm程度以下、両端のフェルールを含めても３７mm程度以下にできる。

このような可変光減衰器は、図面からも分かるように細径構造であるので、複数を並設するのが容易であり、それによって小型の可変光減衰器アレイが構成できる。

図６は本発明に係る可変光減衰器の更に他の実施例を示す斜視図である。磁気光学結晶５０の光路の前方に電磁石５２を、後方に反射ミラー５３を配置し、光路の左右（あるいは上下）に永久磁石５４ａ，５４ｂを配置する。電磁石５２は、ケイ素鋼などからなる円筒状ヨーク５６の外周にコイル５８を巻装した構造をなし、該円筒状ヨーク５６の中心孔６０が光路となる。また永久磁石５４ａ，５４ｂは、厚み方向に着磁したフェライト系などの板状磁石である。電磁石５２と磁気光学結晶５０との間に偏光子６２を挿入する。磁気光学結晶５０は、４５度以上のファラデー回転が生じるような長さとする。電磁石を磁気光学結晶と反射ミラーの間に設けてもよい。

コイル５８に通電することにより、円筒状ヨーク５６を磁束が通り、外部に磁界が発生し、磁気光学結晶５０には、光の進行方向に対して実質的に平行方向に磁界が印加され、電流値を制御することにより磁界の強さを可変できる。２個の永久磁石５４ａ，５４ｂは同じ向きに着磁されており、それによって磁気光学結晶５０には、光の進行方向に対して実質的に垂直方向に固定磁界が印加される。従って、磁気光学結晶５０には、光の進行方向に対して実質的に垂直方向の固定磁界と光の進行方向に対して実質的に平行方向の可変磁界が同時に印加され、それらによる合成磁界方向と光の進行方向の余弦成分に応じて透過光にファラデー回転が生じる。

入射光は偏光子で常光・異常光に分離し、それらの偏光面が磁気光学結晶５０で合成磁界方向に応じて回転し、反射ミラー５３で反射し、再び磁気光学結晶５０を通って偏波面が回転し、それぞれ偏光子６２を通り光路分離し平行光成分が出射する。この反射型の場合、電磁石５２の駆動電流が十分大きい時は、往復で偏光面がほぼ９０度回転するため殆ど出射側に結合できず、減衰量は最大となる。それに対して電磁石の駆動電流がゼロの時は、反射光の偏光面は回転しないため大部分が出射側と結合し、減衰量は最小となる。

以上、本発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明はかかる構成のみに限定されるものではない。透過型の場合でも電磁石を１個とすることができるし、逆に反射型の場合に電磁石を２個対として配置することもできる。永久磁石は磁気光学結晶を挟むように２個一対の形で配置するのが好ましいが、場合によっては一方のみとすることも可能である。偏光子や検光子は、磁気光学結晶と電磁石の間に挿入するのが好ましいが、電磁石の外側（磁気光学結晶から離れた位置）に設けることもできる。

本発明に係る可変ファラデー回転子の一実施例を示す斜視図。 本発明に係る可変光減衰器の一実施例を示す斜視図。 それに用いる結晶と光路の説明図。 本発明に係る可変光減衰器の減衰特性の一例を示すグラフ。 本発明に係る可変光減衰器の他の実施例を示す説明図。 本発明に係る可変光減衰器の更に他の実施例を示す斜視図。

符号の説明

１０ 磁気光学結晶
１２ａ，１２ｂ 電磁石
１４ａ，１４ｂ 永久磁石
１６ 円筒状ヨーク
１８ コイル

Claims (5)

1. 磁気光学結晶と、該磁気光学結晶を通る光の進行方向に対して実質的に垂直に固定磁界が印加されるように配置した永久磁石と、前記磁気光学結晶を通る光の進行方向に対して実質的に平行に可変磁界が印加されるように配置した電磁石を具備しているファラデー回転子において、
   電磁石は筒状ヨークの外周にコイルを巻装した構造をなし、該筒状ヨークの内部が光路となるように、磁気光学結晶の少なくとも一方の光透過面に対向するように位置し、磁気光学結晶を挟むように両側に一対の永久磁石を配置して、全体を細長棒状としたことを特徴とする可変ファラデー回転子。
2. 一対の電磁石が、磁気光学結晶の両光透過面にそれぞれ対向するように位置している請求項１記載の可変ファラデー回転子。
3. 請求項１又は２記載の可変ファラデー回転子を用い、磁気光学結晶の入射側に偏光子を設置し、出射側に検光子を設置した透過型の可変光減衰器。
4. 請求項１又は２記載の可変ファラデー回転子を用い、磁気光学結晶の一方の光透過面側に偏光子を設置し、他方の光透過面側に反射ミラーを設置した反射型の可変光減衰器。
5. 筒状ヨークの端部に、レンズを介して光ファイバフェルールを装着した請求項３又は４記載の可変光減衰器。
   

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