法拉第旋光器及磁光学元件的制作方法

本发明涉及法拉第旋光器及磁光学元件。

背景技术：

光隔离器是使光仅沿一个方向传播，并阻止反射返回的光的磁光学元件。光隔离器在用于光通信系统和激光加工系统等的激光振荡器中使用。

目前，在光通信系统中使用的波段主要为1300nm～1700nm，在光隔离器中的法拉第旋光器的法拉第元件使用稀土类铁石榴石。

另一方面，用于激光加工等的波长为比光通信波段短的波长，主要在1000nm附近。在该波段，上述稀土类铁石榴石因为光吸收大，所以不能够使用。因此，通常使用由顺磁性体结晶构成的法拉第元件，特别是众所周知的铽镓石榴石(tgg)。

为了用作光隔离器，法拉第旋转的旋转角(θ)需要为45°。该法拉第旋转角与法拉第元件的长度(l)、费尔德常数(v)和与光轴平行的磁通密度(h)的关系满足以下式(1)。

θ＝v·h·l式(1)

其中，费尔德常数是依赖于材料的特性。因此，为了调整法拉第旋转角，需要改变法拉第元件的长度或与施加在法拉第元件上的光轴平行的磁通密度。特别是，近年来要求器件的小型化，因此，不通过调整法拉第元件或磁铁的大小，而是通过改变磁铁的结构，来提高施加在法拉第旋光器上的磁通密度。

例如，在下述专利文献1中公开有一种法拉第旋光器，其具备由第一～第三磁铁构成的磁路和法拉第元件。第一磁铁在与光轴垂直且朝向光轴的方向上被磁化。第二磁铁在与光轴垂直且从光轴离开的方向上被磁化。在两者之间配置有第三磁铁。第三磁铁在与光轴平行且从第二磁铁朝向第一磁铁的方向上被磁化。该磁路构成为，在将第一磁铁和第二磁铁的沿着光轴方向的长度设为l2，将沿着第三光轴方向的长度设为l3时，l2/10≤l3≤l2的关系成立。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2009-229802号公报。

技术实现要素：

发明所要解决的技术问题

当以专利文献1所记载的结构来形成磁路时，在第一磁铁与第三磁铁的接合部、第二磁铁与第三磁铁的接合部附近形成磁通密度最大的区域。并且，在与连接该两区域的第三磁铁同等的长度的内部空间形成有磁通密度大且稳定的区域。

但是，在专利文献1中，使用大小超出上述区域的法拉第元件。其原因在于，像tgg这样的顺磁性体结晶的费尔德常数小，因此，为了获得期望的法拉第旋转角，法拉第元件的长度也变得重要。但是，如果像上述那样使用超出显示稳定的磁通密度的区域的元件，则在制作法拉第旋光器时法拉第元件的位置偏移的情况下，施加在法拉第元件上的磁通密度产生偏差。其结果是，法拉第旋转角的偏差变得显著，存在难以稳定地获得期望的法拉第旋转角的问题。

本发明是鉴于上述技术问题而完成的，其目的在于，提供一种能够稳定地获得45°的法拉第旋转角的法拉第旋光器及磁光学元件。

用于解决问题的技术方案

本发明的法拉第旋光器的特征在于，包括：磁路，其具有第一～第三磁体，第一～第三磁体分别设置有供光通过的贯通孔；和法拉第元件，其配置于贯通孔内，且由可透射光的顺磁性体构成，磁路由第一～第三磁体在前后方向上依次配置于同轴上而构成，在将光通过磁路的贯通孔的方向设为光轴方向时，第一磁体以使得贯通孔侧成为n极的方式在与光轴方向垂直的方向上被磁化，第二磁体以使得第一磁体侧成为n极的方式在与光轴方向平行的方向上被磁化，第三磁体以使得贯通孔侧成为s极的方式在与光轴方向垂直的方向上被磁化，第二磁体的沿光轴方向的长度为法拉第元件的沿光轴方向的长度的0.5倍以上，第一磁体和第三磁体的沿光轴方向的长度比第二磁体的沿光轴方向的长度短。基于上述那样的结构，在第一磁体与第二磁体的接合部和第二磁体与第三磁体的接合部附近形成磁通密度最大的区域。而且，通过将第一磁体和第三磁体的沿着光轴方向的长度设定为比第二磁体的沿着光轴方向的长度短，第二磁体相对地变长。因此，磁通密度大且稳定区域增加。因此，组装时法拉第元件的位置不易偏移，能够抑制法拉第旋转角的变动。

在本发明的法拉第旋光器中，优选顺磁性体为玻璃材料。

在本发明的法拉第旋光器中，优选玻璃材料含有选自ce、pr、nd、pm、sm、eu、gd、tb、dy、ho、er、tm中的至少一种稀土类元素。特别优选含有tb。

在本发明的法拉第旋光器中，优选玻璃材料以摩尔％的氧化物换计，含有多于40％的tb2o3，且tb³⁺相对于全部tb的比例以摩尔％计为55％以上。这种玻璃材料的费尔德常数在0.2min/oe·cm以上，大于现有的tgg的费尔德常数(0.13min/oe·cm)，所以变得容易制作更小型的法拉第元件。

在本发明的法拉第旋光器中，优选磁路中的贯通孔的截面积在100mm²以下。通过将贯通孔的截面积设定为100mm²以下，磁通密度容易变大，所以容易小型化。

本发明的磁光学元件的特征在于，包括：上述法拉第旋光器；以及配置于法拉第旋光器的磁路的光轴方向上的一端的第一光学部件和配置于另一端的第二光学部件，通过磁路的贯通孔的光通过第一光学部件和第二光学部件。

在本发明的磁光学元件中，第一光学部件及第二光学部件也可以是偏振镜。

发明效果

根据本发明，能够提供一种能够稳定地获得45°法拉第旋转角的法拉第旋光器及磁光学元件。

附图说明

图1是表示本发明的法拉第旋光器的结构的一例的示意剖视图。

图2是表示本发明中的第一磁体的结构的一例的图。

图3是表示本发明中的第二磁体的结构的一例的图。

图4是表示本发明中的第三磁体的结构的一例的图。

图5是表示本发明的磁光学元件的结构的一例的示意剖视图。

具体实施方式

以下，说明本发明的优选的实施方式。但是，以下实施方式只是单纯的示例，本发明不限于以下实施方式。另外，在各附图中，实质上具有相同功能的部件有时以相同符号为参照。

(法拉第旋光器)

图1是表示本发明的法拉第旋光器的结构的一例的示意性剖视图。此外，图1中的n及s的文字表示磁极。在后述的其他附图中也是同样。

法拉第旋光器1是用于光隔离器及光循环器等磁光学元件的装置。法拉第旋光器1包括：设置有供光通过的贯通孔2a的磁路2；和配置于上述贯通孔2a内的法拉第元件14。法拉第元件14由可透射光的顺磁性体构成。

磁路2具有分别设置有贯通孔的第一磁体11、第二磁体12及第三磁体13。在磁路2中，第一磁体11、第二磁体12及第三磁体13在前后方向上依次配置于同轴上。此外，配置于同轴上是指从光轴方向观察以各磁体的中央附近重叠的方式配置。在本实施方式中，通过将第一磁体11、第二磁体12及第三磁体13的贯通孔连结，构成磁路2的贯通孔2a。

在磁路2中，第一磁体11和第三磁体13在与光轴方向垂直的方向上被磁化，且磁化方向彼此相反。具体而言，第一磁体11以使得贯通孔侧成为n极的方式在与光轴方向垂直的方向上被磁化。第三磁体13以使得贯通孔侧成为s极的方式在与光轴方向垂直的方向上被磁化。第二磁体12以使得第一磁体11侧成为n极的方式在与光轴方向平行的方向被磁化。

在法拉第旋光器1，可以使光从第一磁体11侧入射，也可以从第三磁体13侧入射。

本发明的法拉第旋光器1的特征在于具有以下结构。1)上述第二磁体12的沿光轴方向的长度为配置的法拉第元件14的长度的0.5倍以上。2)第一磁体11及第三磁体13的沿光轴方向的长度比第二磁体12的沿光轴方向的长度短。此外，以下有时只将沿着光轴方向的长度记为长度。

第二磁体12的长度相对于法拉第元件14的长度在0.5倍以上，优选0.55倍以上、0.6倍以上、0.7倍以上，特别优选0.8倍以上。如果形成图1那样的磁路2，则第二磁体12的中空部分磁通密度大，且广泛形成稳定区域。因此，通过将第二磁体12的长度设定为相对于法拉第元件14的长度的一定程度以上，特别是同等程度，能够将法拉第元件14配置于磁通密度大的区域。因此，即使组装时法拉第元件14的位置偏移，也能够抑制法拉第旋转角的变动。进而，整个法拉第元件14高效率地被施加磁场，所以即使使用短的法拉第元件14或者小的磁路2也能够获得大的法拉第旋转角。另外，如果将第二磁体12的长度设定为相对于法拉第元件14的长度的一定程度以下，能够使磁路2小型化。具体而言，优选1.5倍以下，更优选1.3倍以下，特别是1.2倍以下。此外，以下有时将法拉第旋转角记为旋转角。

并且，在法拉第旋光器1中，第一磁体11及第三磁体13比第二磁体12短。由此，能够缩短整个磁路2。因此，能够实现法拉第旋光器1及使用该法拉第旋光器的磁光学元件的进一步小型化。

优选磁路2的贯通孔2a的截面积在100mm²以下。贯通孔2a的截面积如果变得过大，则无法获得足够的磁通密度，如果过小，则难以将法拉第元件14配置于贯通孔2a内。优选贯通孔2a的截面积为3mm²～80mm²、4mm²～70mm²、5mm²～60mm²，特别优选7mm²～50mm²。

磁路2的贯通孔2a的截面形状没有特别限定，也可以是矩形或圆形。在方便组装这一点上优选矩形，在施加均匀的磁场这一点上优选圆形。法拉第元件14的截面形状和磁路2的贯通孔2a的截面形状也可以不必一致，但就施加均匀的磁场而言，优选使其一致。

图2是表示第一磁体的结构的一例的图。图3是表示第二磁体的结构的一例的图。图4是表示第三磁体的结构的一例的图。

图2所示的第一磁体11由4个磁铁片组合构成。此外，构成第一磁体11的磁铁片的个数不限于上述情况。例如，也可以是，第一磁体11由6个或者8个等磁铁片组合构成。通过组合多个磁铁片构成第一磁体11，能够有效地增大磁场。当然，第一磁体11也可以由单体磁铁构成。

图3所示的第二磁体12由1个单体磁铁构成。此外，也可以是，第二磁体12由两个以上的磁铁片组合构成。

图4所示的第三磁体13与第一磁体11相同，由4个磁铁片组合构成。此外，第三磁体13可以由6个或者8个等磁铁片组合构成，也可以由单体磁铁构成。

本发明的第一磁体11、第二磁体12及第三磁体13由永久磁铁构成。作为上述永久磁铁，特别优选稀土磁铁，其中优选以钐钴磁铁(sm－co)为主成分的磁铁或者以钕铁硼磁铁(nd－fe－b)为主成分的磁铁。

在本发明的法拉第元件14中，能够使用顺磁性体。其中，优选使用玻璃材料。因为由单晶材料这样的缺陷等导致的费尔德常数的变动或消光比的降低少，受来自粘接剂的应力的影响也少，所以由玻璃材料构成的法拉第元件能够保持稳定的费尔德常数和高的消光比。此外，在法拉第元件14上，也可以使用除玻璃材料以外的顺磁性体。

优选本发明的法拉第元件14所使用的玻璃材料含有选自ce、pr、nd、pm、sm、eu、gd、tb、dy、ho、er、tm中的至少一种稀土元素。特别优选含有tb。

优选本发明的法拉第元件14所使用的玻璃材料以摩尔％的氧化物换计含有超过40％的tb2o3，优选45％以上、48％以上、49％以上，特别是50％以上。这样，通过增加tb2o3的含量，变得容易获得良好的法拉第效应。此外，在玻璃中tb以三价或四价的状态存在，但在本说明书中，将这些全部表示为tb2o3。

在本发明的玻璃材料中，优选tb³⁺相对于全tb的比例以摩尔％计为55％以上，优选60％以上、70％以上、80％以上、90％以上，特别是95％以上。如果tb³⁺相对于全tb的比例过低，则波长300nm～1100nm中的光透射率变得容易降低。

进而，能够使本发明的法拉第元件14含有下述成分。此外，在以下各成分的含量的说明中，除非另有说明，“％”意味着“摩尔％”。

sio2成为玻璃骨架，是扩大玻璃化范围的成分。但是，无益于费尔德常数的提高，因此，如果其含量过高，则变得难以获得充分的法拉第效应。因此，优选sio2的含量为0％～50％，特别是1％～35％。

b2o3成为玻璃骨架，是扩大玻璃化范围的成分。但是，b2o3无益于费尔德常数的提高，因此，如果其含量过高，则变得难以获得充分的法拉第效应。因此，优选b2o3的含量为0％～50％，特别是1％～40％。

p2o5成为玻璃骨架，是扩大玻璃化范围的成分。但是，p2o5无益于费尔德常数的提高，因此，如果其含量过高，则变得难以获得充分的法拉第效应。因此，优选p2o5的含量为0％～50％，特别是1％～40％。

al2o3是提高玻璃形成能力的成分。但是，al2o3无益于费尔德常数的提高，因此，如果其含量过高，则变得难以获得充分的法拉第效应。因此，优选al2o3的含量为0％～50％，特别是0％～30％。

la2o3、gd2o3、y2o3具有稳定玻璃化的效果。但是，如果其含量过高，反而变得难以玻璃化。因此，优选la2o3、gd2o3、y2o3的含量分别在10％以下，特别是5％以下。

dy2o3、eu2o3、ce2o3稳定玻璃化，并且，也有助于费尔德常数的提高。但是，如果其含量过高，反而变得难以玻璃化。因此，优选dy2o3、eu2o3、ce2o3的含量分别在15％以下，特别是10％以下。此外，在玻璃中存在的dy、eu、ce以三价或四价的状态存在，但在本说明书中，将这些全部分别表示为dy2o3、eu2o3、ce2o3。

mgo、cao、sro、bao具有稳定玻璃化的效果，另外具有提高化学耐久性的效果。但是，无益于费尔德常数的提高，因此，如果其含量过高，则变得难以获得充分的法拉第效应。因此，优选这些成分的含量分别为0％～10％，特别是0％～5％。

geo2是提高玻璃形成能力的成分。但是，geo2无益于费尔德常数的提高，因此，如果其含量过高，则变得难以获得充分的法拉第效应。因此，优选geo2的含量为0％～15％、0％～10％，特别是0％～9％。

ga2o3具有提高玻璃形成能力，扩大玻璃化范围的效果。但是，如果其含量过高，则变得容易失透。另外，ga2o3无益于费尔德常数的提高，因此，如果其含量过高，则变得难以获得充分的法拉第效应。因此，优选ga2o3的含量为0％～6％，特别是0％～5％。

氟具有提高玻璃形成能力，扩大玻璃化范围的效果。但是，如果其含量过高，则可能在熔融过程中挥发而引起成分变化，存在给玻璃化带来不利影响的风险。另外，容易增加波筋。因此，优选氟的含量(f2换算)为0％～10％、0％～7％，特别是0％～5％。

能够添加sb2o3作为还原剂。但是，为了避免着色，或者考虑对环境的负担，优选其含量在0.1％以下。

本发明的法拉第元件14在300nm～1100nm的波长范围内显示良好的光透过性。具体而言，优选波长为1064nm的1mm光路长度的透射率在60％以上、70％以上，特别是80％以上。另外，优选波长633nm中的光路长度1mm上的透射率在30％以上、50％以上、70％以上，特别是80％以上。进而，优选波长533nm中的光路长度1mm上的透射率在30％以上、50％以上、70％以上，特别是80％以上。

本发明的法拉第元件14的截面形状没有特别限定，为了具有均匀的法拉第效应，优选为圆形。优选法拉第元件14的直径在10mm以下，优选8mm以下、5mm以下，特别是3.5mm以下。如果法拉第元件14的直径过大，则变得无法将法拉第元件14配置在磁路2的贯通孔2a内。或者，需要增大磁路2，法拉第旋光器1的小型化变得难以实现。法拉第元件14的直径的下限没有特别限定，但实际上为0.5mm以上。

优选本发明的法拉第元件14的长度为2mm～25mm、3mm～20mm、4mm～15mm、5mm～14mm、5.5mm～12mm，特别是6mm～11mm。如果法拉第元件14过短，则为了获得45°旋转角，需要增大磁场，即增大磁路2，所以难以小型化法拉第旋光器1。另一方面，如果法拉第元件14过长，则需要使第二磁体12变长，所以难以小型化法拉第旋光器1。

优选本发明的法拉第旋光器1以350nm～1300nm的波长被使用，特别优选在450nm～1200nm、500nm～1200nm、800nm～1100nm、900nm～1100nm的范围内使用。

(磁光学元件)

图5是表示本发明的磁光学元件的结构的一例的示意剖视图。

图5所示的磁光学元件20为光隔离器。光隔离器为阻挡激光的反射回光的装置。磁光学元件20包括图1所示的法拉第旋光器1和配置于磁路2的光轴方向上的一端的第一光学部件25及配置于另一端的第二光学部件26。第一光学部件25及第二光学部件26在本实施方式中为偏振器。第二光学部件26的光透射轴相对于第一光学部件25的光透射轴倾斜45°。

入射于磁光学元件20的光通过第一光学部件25成为直线偏光，并入射于法拉第元件14。入射的光因法拉第元件14而旋转45°，并通过第二光学部件26。通过第二光学部件26的光的一部分成为反射返回光，以偏光面45°的角度通过第二光学部件26。通过第二光学部件26的反射返回光因法拉第元件14而进一步旋转45°，相对于第一光学部件25的光透射轴成为90°的正交偏光面。因此，反射返回光不能透过第一光学部件25，并被遮断。

本发明的磁光学元件20具有图1所示的本发明的法拉第旋光器1，所以能够稳定的得到45°法拉第旋转角，且实现小型化。

图5所示的磁光学元件20为光隔离器，但磁光学元件20也可以是光循环器。在该情况下，第一光学部件25及第二光学部件26只要为波长板或分束器即可。此外，磁光学元件20也可以是除光隔离器及光循环器以外的磁光学元件。

＜实施例＞

以下，基于实施例说明本发明，但本发明不限于这些实施例。

在本实施例中，列举波长为1064nm的法拉第旋光器为实施例，但本发明不限于该波长。

(实施例1)

实施例1的法拉第元件的制作如下。首先将原料压制成型，在700℃～1400℃下烧结6小时，由此制作玻璃原料块。制作本实施例中的玻璃原料块以获得55tb2o3－10al2o3－35b2o3的玻璃组成。

接着，使用乳钵将玻璃原料块粗粉碎为小片。使用获得的玻璃原料块的小片，通过无容器悬浮法制作玻璃材料。此外，使用100w的co2激光振荡器作为热源。另外，使用氮气作为使玻璃原料块悬浮的气体，以1l/分钟～30l/分钟的流量进行供给。

将获得的玻璃材料在800℃下，在4％－h2/n2气氛中热处理10小时。

使用x射线光电子能谱分析装置(xps)测定tb³⁺相对于全tb的比例。具体而言，对于获得的玻璃材料，使用xps通过测定的各tb离子的峰强度比，计算出tb³⁺相对于全tb的比例。其结果为，tb³⁺的比例在99％以上。

对于获得的玻璃材料，测定费尔德常数。使用旋转检光子法测定费尔德常数。具体而言，将获得的玻璃材料研磨加工为1mm的厚度，测定10koe的磁场中波长为1064nm的法拉第旋转角，计算出费尔德常数。测定的费尔德常数为0.204min/oe·cm～0.212min/oe·cm。

接着，将获得的玻璃通过切削、研磨等，得到直径为φ3mm、长度为12mm的圆柱状的法拉第元件。消光比为42db。此外，在实施例及比较例中，长度是指沿着法拉第旋光器上的光轴方向的长度。

使用sm－co磁铁作为构成第一～第三磁体的永久磁铁。将第一～第三磁体的外径设定为φ32mm，贯通孔的直径设定为φ4mm。第一磁体的长度设定为11.5mm，第二磁体的长度设定为12mm，第三磁体的长度设定为11.5mm。

将上述中获得的法拉第元件与第一～第三磁体组合，作为法拉第旋光器。

(实施例2)

除了将第一磁体的长度设定为8mm，第二磁体的长度设定为9mm，第三磁体的长度设定为8mm，法拉第元件的长度设定为13.5mm以外，与实施例1同样地制作法拉第旋光器。

(实施例3)

除了将第一磁体的长度设定为12mm，第二磁体的长度设定为12.5mm，第三磁体的长度设定为12mm，法拉第元件的长度设定为18mm以外，与实施例1同样地制作法拉第旋光器。

(实施例4)

除了使用nd－fe－b磁铁作为构成第一～第三磁体的永久磁铁，将法拉第元件的长度设定为10mm以外，与实施例1同样地制作法拉第旋光器。

(实施例5)

除了将第一磁体的长度设定为13mm，第二磁体的长度设定为13.2mm，第三磁体的长度设定为13mm，法拉第元件的长度设定为9.6mm以外，与实施例4同样地制作法拉第旋光器。

(实施例6)

除了将第一磁体的长度设定为10mm，第二磁体的长度设定为10.5mm，第三磁体的长度设定为10mm，法拉第元件的长度设定为7.9mm以外，与实施例4同样地制作法拉第旋光器。

(实施例7)

除了将第一磁体的长度设定为13mm，第二磁体的长度设定为13.2mm，第三磁体的长度设定为13mm，法拉第元件的长度设定为10mm以外，与实施例1同样地制作法拉第旋光器。

(实施例8)

除了将第一磁体的长度设定为10mm，第二磁体的长度设定为10.1mm，第三磁体的长度设定为10mm，法拉第元件的长度设定为10.2mm以外，与实施例1同样地制作法拉第旋光器。

(实施例9)

除了将第一磁体的长度设定为10.2mm，第二磁体的长度设定为10.3mm，第三磁体的长度设定为10.2mm，法拉第元件的长度设定为10.1mm以外，与实施例1同样地制作法拉第旋光器。

(实施例10)

除了将第一磁体的长度设定为11mm，第二磁体的长度设定为12mm，第三磁体的长度设定为11mm，法拉第元件的长度设定为15mm以外，与实施例1同样地制作法拉第旋光器。

(实施例11)

除了将第一磁体的长度设定为11mm，第二磁体的长度设定为11.1mm，第三磁体的长度设定为11mm，法拉第元件的长度设定为9.7mm以外，与实施例1同样地制作法拉第旋光器。

(比较例1)

除了将法拉第元件的长度设定为25mm以外，与实施例1同样地制作法拉第旋光器。

(比较例2)

除了使用在法拉第元件上通过切克劳斯基法制作的tgg单晶以外，与比较例1同样地制作法拉第旋光器。此外，经测定，法拉第元件的费尔德常数为0.125min/oe·cm～0.134min/oe·cm。

(比较例3)

除了使用nd－fe－b磁铁作为构成第一～第三磁体的永久磁铁以外，与比较例2同样地制作法拉第旋光器。

通过将各法拉第旋光器分别制作十个并进行测定而求出旋转角的偏差。测定旋转角的偏差的结果示于下述表1。此外，在表1中，将第一磁体的长度设定为a，第二磁体的长度设定为b，第三磁体的长度设定为c，法拉第元件的长度设定为l，波长为1064nm的费尔德常数设定为v。

【表1】

在实施例1～实施例11中，旋转角的偏差在±0.8°以内，获得角度偏差小的法拉第旋光器。

在比较例1中，旋转角的偏差为±1.3°，比实施例1～实施例11偏差更大。

比较例2的旋转角的偏差为±1.8，比较例3的旋转角的偏差为±1.9°。因此，在比较例2及比较例3中，旋转角偏差大。这取决于组合法拉第元件及第一～第三磁体时的法拉第元件的位置偏移和tgg单晶的费尔德常数的偏差。

此外，在比较例2及比较例3中，第一～第三磁体的大小与实施例1及实施例4相同，但费尔德常数小，所以未达到45°旋转角。另一方面，在实施例1及实施例4中，旋转角达到45°。

符号说明

1…法拉第旋光器

2…磁路

2a…贯通孔

11…第一磁体

12…第二磁体

13…第三磁体

14…法拉第元件

20…磁光学元件

25…第一光学部件

26…第二光学部件。