JP7474725B2 - 光アイソレータ - Google Patents

Description

本発明は、４００～４７０ｎｍの紫及び青色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、半導体レーザが使用され、数ミリワットから数百ミリワットの低出力レーザとなっている。その中で発振方式も簡易な構成でかつ多岐にわたる波長出力を可能とするファブリーペロ（Ｆａｂｒｙ－Ｐｅｒｏｔ）型レーザが主流となっている。

一般的に、ファブリーペロレーザは、光が通過する経路の両端に結晶の劈開などで形成した２枚の反射面を対向させた共振器に電流を流すことにより、誘導放出を得て発光するレーザである。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、被測定物からの反射光が戻ると、レーザ発振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、反射光が共振器である結晶素子へ戻るのを防止するため、共振器とレンズとの間に、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、戻り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、ファラディ回転子と、ファラディ回転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、ファラディ回転子の光透過方向（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回転子に入射すると、ファラディ回転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、ファラディ回転子の材料及び測定波長で決まる定数であり、Ｈは磁界強度であり、Ｌはファラディ回転子の長さ（光路長）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回転子において、所望のファラディ回転角を得ようとすると、ファラディ回転子に印加する磁界が大きいほど回転子長を短くすることができ、回転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、４００ｎｍ以下の波長帯で吸収係数が小さい、フッ化セリウム（化学式：ＣｅＦ_３）、フッ化プラセオジム（化学式：ＰｒＦ_３）などがある。

また、その他としては、特許文献２に記載されているように、４００～４７０ｎｍの紫及び青色波長帯域においてベルデ定数が大きい材料としては、テルビウム・ガリウム・ガーネット（化学式：Ｔｂ₃Ｇａ₅Ｏ₁₂）単結晶がある。

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回転子により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回転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。

国際公開第２０１２／１３３２００号 特開２０１１－１５０２０８号公報

特許文献１に記載されているフッ化プラセオジムは、波長４２０～５００ｎｍに大きな光吸収がある。従って、波長４００～４７０ｎｍではその吸収の影響が強く出るため、この波長域においては使用することはできない。一方でフッ化セリウムは波長５００ｎｍ以下３００ｎｍまでにおいては、顕著な光吸収がないため使用することができるが、ベルデ定数が波長４００ｎｍにおいて、４１４Ｒａｄ／Ｔ・ｍと特許文献２記載の同波長におけるＴＧＧの定数値４３０Ｒａｄ／Ｔ・ｍより小さい。そのため、小型光アイソレータの製作は困難であり、ＴＧＧにおいても、ベルデ定数値が上記フッ化物対比で比較的大きいものの、群を抜いた値を有していなかったので、更なる小型アイソレータの製作は困難であった。

近年の医療・光計測用途の半導体レーザは、一つの装置で複数のレーザモジュールを必要としたり、また半導体レーザの戻り光耐性をより高めるためにアイソレータを２個搭載する構成用途もあり、更なる小型アイソレータのニーズが高まっている。

本発明の目的は、紫及び青色波長４００～４７０ｎｍ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。

上記課題を解決するために、本発明では、波長４００ｎｍ～４７０ｎｍにおけるベルデ定数が７５０Ｒａｄ／Ｔ・ｍ以上のファラディ回転子と、
前記ファラディ回転子の外周に配置される中空マグネットと
を具備し、
前記ファラディ回転子に印加される磁束密度Ｂ（Ｔ）が下記式（１）の範囲内にあり、
前記ファラディ回転子が配置される光路長Ｌ（ｃｍ）が下記式（２）の範囲内にあることを特徴とする４００～４７０ｎｍ波長帯域用光アイソレータを提供する。
Ｂ≦０．４０ （１）
０．２６≦Ｌ≦０．５０ （２）

このような本発明によれば、波長４００ｎｍ～４７０ｎｍにおけるベルデ定数の大きいファラディ回転子と、より小さな磁束密度を有するマグネット材とを用いることにより、４００～４７０ｎｍにおいて透明な光アイソレータの小型化が達成できる。

また、このような本発明によれば、ファラディ効果が大きいファラディ回転子を使用し、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ができる。

前記ファラディ回転子が、下記式（Ｉ）で表される酸化物を９５％以上含有するものでることが好ましい。
（Ｔｂ_ｘＲ_１－ｘ）_２Ｏ_３ （Ｉ）
（ここで、上記式（Ｉ）中、ｘは、０．５≦ｘ≦１．０であり、Ｒは、テルビウム以外のランタノイド元素、スカンジウム及びイットリウムよりなる群から選択される少なくとも１つの元素を含む。）

このような光アイソレータでは、偏光回転能を左右する、式（Ｉ）（Ｔｂ_ｘＲ_１－ｘ）_２Ｏ_３で表される酸化物のファラディ回転子における含有量が９５％以上であるため、同含有量５０％であるファラディ回転子を用いる場合よりもファラディ回転子を配置する光路長を１／２程度に短くできるので、外径が小さくかつ短尺化されたアイソレータの提供が可能になる。

前記酸化物は、単結晶又はセラミックスであることが好ましいが、低温で合成できることから単結晶に限られないセラミックスであることがより好ましい。

前記ファラディ回転子が、前記式（２）を満たす光路長Ｌ（ｃｍ）において、１ｄＢ以下の挿入損失と３０ｄＢ以上の消光比とを示すものであることが好ましい。

これにより、より低損失かつより高アイソレーションの光学特性を有するものとなる。

前記ファラディ回転子を光軸に沿って間に挟むように配置された一対の偏光子を更に具備し、
前記偏光子の各々は、０．５ｄＢ以下の挿入損失と３０ｄＢ以上の消光比とを示す偏光ビームスプリッターであることが好ましい。

これにより、より低損失かつより高アイソレーションの光学特性を有するものとなる。

以上のように、本発明の光アイソレータであれば、紫及び青色の波長４００～４７０ｎｍにおいて透明で小型化した光アイソレータとすることができる。

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。 実施例１及び比較例１において使用するファラディ回転子（ＡＲコーティング無し）の透過率の波長特性図である。 実施例１及び２、並びに比較例１において使用するファラディ回転子が配置される光路長Ｌ（０．２６～０．５０ｃｍ）に対する、ファラディ回転角が４５°となる磁束密度Ｂ（Ｔ：１０^４Ｏｅ）の大きさを示した図である。 比較例１において使用するファラディ回転子に印加する磁束密度を算出したシミュレーション図である。

上述のように、紫及び青色波長４００～４７０ｎｍにおいて透明で小型化した光アイソレータの開発が求められていた。

本発明者らは、上記課題について鋭意検討を重ねた結果、ファラディ回転子として、波長４００ｎｍ～４７０ｎｍにおけるベルデ定数が７５０Ｒａｄ／Ｔ・ｍ以上のものを用い、ファラディ回転子に印加される磁束密度Ｂ（Ｔ）を０．４０Ｔ以下とし、ファラディ回転子が配置される光路長Ｌ（ｃｍ）を０．２６ｃｍ以上０．５０ｃｍ以下とすることにより、紫及び青色波長に対応した従来の光アイソレータでは実現し得なかった小型化を実現できることを見出し、本発明を完成させた。

即ち、本発明は、波長４００ｎｍ～４７０ｎｍにおけるベルデ定数が７５０Ｒａｄ／Ｔ・ｍ以上のファラディ回転子と、
前記ファラディ回転子の外周に配置される中空マグネットと
を具備し、
前記ファラディ回転子に印加される磁束密度Ｂ（Ｔ）が下記式（１）の範囲内にあり、
前記ファラディ回転子が配置される光路長Ｌ（ｃｍ）が下記式（２）の範囲内にあることを特徴とする４００～４７０ｎｍ波長帯域用光アイソレータである。
Ｂ≦０．４０ （１）
０．２６≦Ｌ≦０．５０ （２）

本発明に使用するファラディ回転子は、波長４００～４７０ｎｍにおいて光吸収が実用可能なほど十分に少ない透明なファラディ回転子であるため、フッ化プラセオジムのような従来の回転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。また、ベルデ定数の大きいファラディ回転子の使用により、より小さな磁束密度を有する小型マグネット材を具備することにより、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。

詳細には、光アイソレータの大きさは、ファラディ回転子を配置する光路長Ｌ及びマグネットの大きさに大きく依存する。マグネットの大きさは、磁束密度Ｂ（Ｔ）の大きさに依存する。マグネットの磁束密度Ｂ（Ｔ）が式（１）：Ｂ≦０．４０を満たすため、マグネットを小型化することができる。このような小型化したマグネットを具備し、且つファラディ回転子が配置される光路長Ｌ（ｃｍ）が式（２）：０．２６≦Ｌ≦０．５０を満たしているので、更なる小型化が達成できる。そして、このような式（１）及び（２）を満たしていながらも波長４００ｎｍ～４７０ｎｍにおけるベルデ定数が７５０Ｒａｄ／Ｔ・ｍ以上のファラディ回転子を用いるため、光アイソレータとして機能するのに必要な４５°程度のファラディ回転角を実現することができる。

以下、本発明について詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

本発明のアイソレータは、４００～４７０ｎｍの波長帯域のレーザ光に使用される。このようなレーザには、簡易な構成でかつ多岐にわたる波長出力が可能とするファブリーペロ（Ｆａｂｒｙ－Ｐｅｒｏｔ）型レーザが含まれる。
なお、当業者は、本発明の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に示す光アイソレータ１０において、入射偏光子１、ファラディ回転子２、及び出射偏光子３が、左側の入射側から右側の出射側に向う光軸６上に、順次配置されている。

図１において、入射側で入射偏光子１が偏光子ホルダ４に固定され、出射側では出射偏光子３が偏光子ホルダ４に固定されている。これらの偏光子ホルダ４は、外部筐体である金属ホルダ５に固定されている。

ファラディ回転子２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回転子を例にとり説明する。

このファラディ回転子２の外周には、中空マグネット７が配置されている。ファラディ回転子２が円筒状の場合、中空マグネット７は中空円筒状であることが好ましく、ファラディ回転子２の中心軸及び中空マグネット７の中空部の中心軸は同軸であることが好ましい。また、ファラディ回転子２の外径と、中空マグネット７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することが好ましい。この配置により、ファラディ回転子２が中空マグネット７の中空部の中心に配置される。

すなわち、本発明に係る光アイソレータは、図１に示すように、ファラディ回転子２と、このファラディ回転子２の外周に配置される中空マグネット７とを具備している。また、光アイソレータ１０は、ファラディ回転子２を光軸６に沿って間に挟むように配置された一対の偏光子１及び３を更に具備することが好ましい。そして、図１に示す、ファラディ回転子２の寸法のうち、光軸６に沿った寸法Ｌが、ファラディ回転子が配置される光路長Ｌ（ｃｍ）である。

本発明の光アイソレータは、ファラディ回転子として、波長４００～４７０ｎｍにおけるベルデ定数が７５０Ｒａｄ／Ｔ・ｍ以上のファラディ回転子を具備する。このファラディ回転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回転子は、波長４００～４７０ｎｍでのベルデ定数が７５０Ｒａｄ／Ｔ・ｍ以上である。ベルデ定数は７５０Ｒａｄ／Ｔ・ｍ以上であれば特に限定されないが、テルビウム酸化物含有量１００％のベルデ定数（１４２０Ｒａｄ／Ｔｍ）が上限となる。ベルデ定数が７５０Ｒａｄ／Ｔ・ｍ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回転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、測定方法は特に限定されない。
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回転子をセットし、波長４００～４７０ｎｍにおけるベルデ定数を測定する。また、測定温度は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、ファラディ回転子が配置される光路長Ｌ（ｃｍ）は下記式（２）の範囲内にある。
０．２６≦Ｌ≦０．５０ （２）
光路長（サンプル長ということもできる）が０．５０ｃｍを超えると、アイソレータの小型化が難しくなり、０．２６ｃｍ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。

本発明に用いるファラディ回転子は、下記式（Ｉ）で表される酸化物を９５％以上含有することが好ましく、その他焼結助剤を有する場合がある。
（Ｔｂ_ｘＲ_１－ｘ）_２Ｏ_３ （Ｉ）
上記の酸化物の含有量は、９９質量％以上であることがより好ましく、９９．９質量％以上であることが更に好ましく、１００質量％であることが特に好ましい。

上記式（Ｉ）で表される酸化物は、単結晶又はセラミックスであることが好ましいが、低温で合成できることから単結晶に限られないセラミックスであることがより好ましい。

上記の金属酸化物は、例えば、単結晶作製の際に添加するドーパントや、セラミックス作製時に添加する焼結助剤として含有される。また、ファラディ回転子の材料を製造する際に、坩堝の構成成分などが副成分として混入する場合もある。
なお、焼結助剤としては、シリコン、マグネシウム、カルシウムの各酸化物のなかからいずれか一種類以上を選定することが好ましい。

単結晶を作製する方法しては、公知の方法を用いることができる。例えば、フローティングゾーンメルト法、マイクロ引下げ法、引上げ法、スカルメルト法、ブリッジマン法などが例示される。これらの各方法については、「バルク単結晶の最新技術と応用開発」（福田承生監修、シーエムシー出版、２００６年３月）、「結晶成長ハンドブック」（「日本結晶成長学会「結晶成長ハンドブック」編集委員会編、共立出版株式会社、１９９５年９月」に詳しい。
単結晶の作製においては、安定に結晶化させる目的で、アルカリ土類金属の酸化物（例えば、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム）をドーピングしてもよい。

なお、得られた単結晶を光アイソレータのファラディ回転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。

セラミックスの作製方法としては、従来公知の製造方法を適宜選択して使用することができる。主な作製方法としては、熱間等方圧加圧処理する方法、固相法とプレス成形法とを組み合わせる方法、鋳型成形等を利用して真空焼結する方法等が挙げられる。詳細は、池末明生著「光学単結晶から光学多結晶へ」応用物理、第７５巻、第５号、５７９－５８３（２００６）、柳谷高公、八木秀喜著「セラミックレーザー材料の現状と将来」レーザー研究、第３６巻、第９号、５４４－５４８（２００８年）等に記載されている。

成形後には、加熱（好ましくは、４００～１０００℃）により脱脂処理を行うことも好ましい。焼成条件としては、酸素雰囲気炉、１，３８０～１，７８０℃で、時間は１～４０時間とできる。また、焼成の後、さらに透明性を上げるため、熱間等方圧加圧（ＨＩＰ）法で処理を行うことも有効である。処理温度は、前記焼成温度よりも低いことが好ましく、１，０００～１，７５０℃とすることができる。またこのときの処理圧力は、１００～２００ＭＰａとすることができる。処理時間は特に限定されないが、４時間以下で行うことができる。このようにして得られた透明セラミックス焼結体は、未だ酸素欠損に起因するＦセンター吸収による灰色外観を呈しているため、続いて大気炉でアニール処理を施すことも有効である。アニール温度としては、１３００～１７００℃が好ましく、処理時間は３時間以上が好ましい。

本発明に用いることができるファラディ回転子は、本発明の光アイソレータにおける前記式（２）を満たす光路長Ｌ（ｃｍ）において、当該回転子のロッド両端面（光透過面）に無反射コーティング（ＡＲコーティング）を施した後、１ｄＢ以下の挿入損失と３０ｄＢ以上の消光比とを示すものであることが好ましい。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４００～４７０ｎｍ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回転子は、波長４００～４７０ｎｍ、上記光路長Ｌｃｍ（０．２６≦Ｌ≦０．５０）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％以上であることがさらに好ましい。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％以下であればよい。

透過率は、波長４００～４７０ｎｍの光を厚さ（光路長）Ｌ（ｃｍ）のファラディ回転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、ファラディ回転子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、該ファラディ回転子の透過率とする。

本発明の光アイソレータが具備する中空マグネットについて説明を追加する。
中空マグネットは、可能な限り小型な永久磁石とすることが好ましく、かつ磁石材質として、フェライト磁石或いはサマリウム－コバルト磁石よりも大きな磁束密度を有するネオジム－鉄－ボロン（ＮｄＦｅＢ）系磁石を選択することが好ましい。さらに本中空マグネットをステンレス筐体に収納し、筐体周囲の同ステンレス部材とレーザ溶接にて一体化することにより、固定強度が強固で、より小型化されたレーザモジュールを構成することができる。

本発明の光アイソレータの基本設計において、ファラディ回転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回転子と磁束密度の小さいマグネット（磁石）形状を組み合わせて用いることにより、十分に小型化された光アイソレータの提供を可能としている。

本発明の光アイソレータにおいて、偏光子として偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を２個以上光学軸上に具備することが好ましい。この構成により、偏光依存のアイソレータとすることができる。例えば図１に示した入射偏光子１及び出射偏光子３は、ＰＢＳであってもよい。

さらに、ＰＢＳの波長４００～４７０ｎｍを有する光の透過率は、９０％以上であることが好ましく、９２％以上であることが好ましく、９５％以上であることがさらに好ましい。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％以下であればよい。その他の一般的な偏光子としては、ガラス偏光子が挙げられるが、波長４００～４７０ｎｍにおいては、ドーピングされている金属粒子の吸収が極めて大きく、５０％以下の透過率となるので、偏光子として使用するのは好ましくない。

偏光子として、０．５ｄＢ以下の挿入損失と３０ｄＢ以上の消光比とを示す偏光ビームスプリッターを用いることが好ましい。これにより、より低損失かつより高アイソレーションの光学特性を有するものとなる。

以下、実施例及び比較例を用いて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

（実施例１）
図１に示す構成の４６０ｎｍ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３としては４６０ｎｍにおいて高い透明性／消光比を有する、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を使用し、その光透過面に中心波長４６０ｎｍの反射防止膜を施した。更に、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、４°だけ傾き角度をもった偏光子ホルダ４の上に偏光子１及び３の四隅底面を共に接着固定した。偏光子１及び３を接着固定した偏光子ホルダ４を、金属ホルダ５に挿入した。

また、ファラディ回転子２は中空マグネット７の中空部中心に位置するようにし、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。入射光路順に入射偏光子１及び出射偏光子３はファラディ回転子２透過後に回転される偏光角度４５°に合わせ最大のアイソレーション特性となるよう光学軸の調整を行い、偏光子ホルダ４と金属ホルダ５の外周接合部とをレーザ溶接して固定した。尚、ファラディ回転子２の光透過面には中心波長４６０ｎｍの反射防止膜を施している。

ファラディ回転子２としては、波長４６０ｎｍにおいてベルデ定数が７６０Ｒａｄ／Ｔ・ｍとなる、（Ｔｂ_０．５Ｒ_０．５）_２Ｏ_３酸化物（Ｒ＝Ｙ（イットリウム））を光路長Ｌが０．４８ｃｍとなるように配置して使用した。ＡＲコーティング前の当該回転子の波長特性を図２に示す。図２から明らかなように、４６０ｎｍにおいて７９％の透過率を有し、その後ＡＲコーティングを施したところ９０％の高い透過率を有することを確認した。

ファラディ回転子２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７を配置した。また、マグネット及びマグネットユニットの外側には、金属ホルダ５としてステンレス筐体を配置した。このようにして、実施例１の光アイソレータ１０を作製した。

次に、本実施例１において使用したファラディ回転子２の詳細を説明する。材料としてはテルビウム酸化物を５０重量％含む（Ｔｂ_０．５Ｒ_０．５）_２Ｏ_３セラミックス（Ｒ＝Ｙ（イットリウム））を用いた。このセラミックスを波長４６０ｎｍにおいて測定したところ、挿入損失０．４５ｄＢ、消光比４０ｄＢ、ベルデ定数７６０Ｒａｄ／Ｔ・ｍの光学特性を有していることがわかった。なお、このときの測定したサンプルは外径０．４４ｃｍ、長さ０．４８ｃｍの円筒形状であった。

（実施例２）
実施例２では、ファラディ回転子２として、波長４６０ｎｍにおいてベルデ定数が８４０Ｒａｄ／Ｔ・ｍとなる、（Ｔｂ_０．６Ｒ_０．４）_２Ｏ_３酸化物（Ｒ＝Ｙ（イットリウム））を用いたこと以外は、実施例１と同様にして、実施例２の光アイソレータ１０を作製した。

また、実施例２において使用したファラディ回転子の材料としては、テルビウム酸化物を６０重量％含む（Ｔｂ_０．６Ｒ_０．４）_２Ｏ_３セラミックス（Ｒ＝Ｙ（イットリウム））を用いた。このセラミックスを波長４６０ｎｍにおいて測定したところ、挿入損失０．４８ｄＢ、消光比４０ｄＢ、ベルデ定数８４０Ｒａｄ／Ｔ・ｍの光学特性を有していることがわかった。なお、このときの測定したサンプルは外径０．４４ｃｍ、長さ０．４０ｃｍの円筒形状であった。

図３に、実施例１及び２において使用するセラミックスの光路長Ｌを０．２６～０．５０ｃｍの間で０．０２ｃｍずつ変化させた場合に、ファラディ回転角が４５°となる磁束密度Ｂ（Ｔ（＝１０^４Ｏｅ））を光路長Ｌ（ｃｍ）の関数として示す。光路長Ｌが０．５０ｃｍである場合に、実施例１のベルデ定数７６０Ｒａｄ／Ｔ・ｍ値よりファラディ回転角が４５°となる磁束密度を算出すると、必要とする磁束密度は約０．２０［Ｔ］となることがわかる。また、本発明の下限となる光路長Ｌが０．２６ｃｍのとき０．４０［Ｔ］となり、これらはいずれも式（１）：Ｂ≦０．４０を満足していることが判る。同様に、光路長Ｌが０．５０ｃｍである場合に、実施例２のベルデ定数８４０Ｒａｄ／Ｔ・ｍ値よりファラディ回転角が４５°となる磁束密度を算出すると、必要とする磁束密度は約０．１６［Ｔ］となることがわかる。また、本発明の下限となる光路長０．２６ｃｍのとき約０．３１［Ｔ］となり、これらはいずれも式（１）：Ｂ≦０．４０を満足していることが判る。

実施例１における磁束密度（０．２１［Ｔ］）を満足するマグネットは、信越化学工業（株）製ネオジム－鉄－ボロン（ＮｄＦｅＢ）を採用し、マグネット外径１．０ｃｍ、内径０．４５ｃｍ、長さ０．６ｃｍの形状になることが判った。

更に、先に説明したように光アイソレータを組み立てたところ、実施例１では、波長４６０ｎｍにおいて挿入損失０．６０［ｄＢ］、アイソレーション（消光比）３８［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。実施例２の光アイソレータは、挿入損失０．６３［ｄＢ］、アイソレーション３８［ｄＢ］の光学特性を有していた。

（比較例１）
比較例１としてＴＧＧ単結晶（ベルデ定数３８０Ｒａｄ／Ｔ・ｍ）をファラディ回転子とした光アイソレータを作製した。このＴＧＧ単結晶に印加する磁束密度を算出すると、図３のように、光路長０．５ｃｍにおいて必要とする磁束密度は約０．４１［Ｔ］となることがわかる。実施例１と同様にマグネット形状を算出するため、外径を２．５ｃｍとし、長さ（ＭＴ）をパラメータとして得られる磁束密度分布のシミュレーション結果を図４に示す。この結果、比較例１における磁束密度を満足するマグネット形状は、外径２．５ｃｍ、内径０．４ｃｍ、長さ１．０ｃｍになることが判った。ここで図４中の位置Ｚ［ｍｍ］は、図１の光軸６上の中心からの距離を示し、光路長［ｃｍ］は２×Ｚ／１０と算出する。

図２には、光路長０．５ｃｍのＴＧＧ単結晶の波長特性を併せて示す。ＴＧＧ単結晶は、波長４６０ｎｍにおいては７８％の透過率を有し、その後ＡＲコーティングを施したところ８９％の透過率であった。このＴＧＧ単結晶を波長４６０ｎｍにおいて測定したところ、挿入損失０．５０［ｄＢ］、消光比３６［ｄＢ］の光学特性を有していた。更に、上記の通り光アイソレータを組み立てたところ、挿入損失０．６５［ｄＢ］、アイソレーション３４［ｄＢ］の光学特性であった。

実施例１及び２と比較例１とを比較すると、本発明の例である実施例１及び２においては比較例１のＴＧＧ光アイソレータに比べて、低損失かつ高アイソレーションな特性を有し、体積比９０％のサイズダウンを実現することがわかった。

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４００～４７０ｎｍにおける上限波長である４７０ｎｍにおいても、ベルデ定数を評価した。その結果、比較例１のＴＧＧは３７０Ｒａｄ／Ｔ・ｍに対し、実施例１では７５０Ｒａｄ／Ｔ・ｍと２倍以上の性能を有していることがわかった。実施例２も８２０Ｒａｄ／Ｔ・ｍと２．２倍以上の性能を有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４００～４７０ｎｍ帯において低損失で高アイソレーションの特性を持ちながら、かつ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。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

１…入射偏光子、 ２…ファラディ回転子、 ３…出射偏光子、 ４…偏光子ホルダ、 ５…金属ホルダ、６…光軸、 ７…中空マグネット、 １０…光アイソレータ。

Claims (5)

1. 波長４００ｎｍ～４７０ｎｍにおけるベルデ定数が７５０Ｒａｄ／Ｔ・ｍ以上のファラディ回転子であって、下記式（Ｉ）で表される酸化物を９５％以上含有するファラディ回転子と、
   前記ファラディ回転子の外周に配置される中空マグネットと
   を具備し、
   前記ファラディ回転子に印加される磁束密度Ｂ（Ｔ）が下記式（１）の範囲内にあり、
   前記ファラディ回転子が配置される光路長Ｌ（ｃｍ）が下記式（２）の範囲内にあることを特徴とする４００～４７０ｎｍ波長帯域用光アイソレータ。
   （Ｔｂ _ｘ Ｒ _１－ｘ ） _２ Ｏ _３ （Ｉ）
   （ここで、上記式（Ｉ）中、ｘは、０．５≦ｘ≦１．０であり、Ｒは、テルビウム以外のランタノイド元素、スカンジウム及びイットリウムよりなる群から選択される少なくとも１つの元素を含む。）
   Ｂ≦０．４０ （１）
   ０．２６≦Ｌ≦０．５０ （２）
2. 前記酸化物が単結晶であることを特徴とする請求項１に記載の光アイソレータ。
3. 前記酸化物がセラミックスであることを特徴とする請求項１に記載の光アイソレータ。
4. 前記ファラディ回転子が、前記式（２）を満たす光路長Ｌ（ｃｍ）において、１ｄＢ以下の挿入損失と３０ｄＢ以上の消光比とを示すものであることを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の光アイソレータ。
5. 前記ファラディ回転子を光軸に沿って間に挟むように配置された一対の偏光子を更に具備し、
   前記偏光子の各々は、０．５ｄＢ以下の挿入損失と３０ｄＢ以上の消光比とを示す偏光ビームスプリッターであることを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の光アイソレータ。
   

Images