JP7788414B2 - ７８０－８２０ｎｍ波長帯域用光アイソレータ - Google Patents

Description

本発明は、７８０－８２０ｎｍ波長帯域において使用される光アイソレータに関する。

光記録・医療・光計測用途に使用される産業用レーザには、半導体レーザが主に使用されている。従来より、ＣＤへの光記録では波長７８０ｎｍの小型半導体レーザ、生体分子を可視化する２光子蛍光顕微鏡法或いは第二高調波発生顕微鏡法によるバイオイメージングでは８００ｎｍ帯パルス半導体レーザ、また、数ナノから数ピコメートルの位置決め精度を有するレーザ測長器においては、７８０－８００ｎｍの赤外波長域の半導体レーザが使用されている。

この半導体レーザの代表的なものとしてファブリペローレーザ（Ｆａｂｒｙ－Ｐｅｒｏｔ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）がある。レーザ発振の原理は、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を利用し、光の吸収よりも誘導放出の方が強くなったときにレーザ発光するというものである。これらの共振器構造は非常に簡素でありレーザーパッケージを小型化できる利点がある反面、発光したレーザ光が光ファイバ等ヘの結合端面へ入射される際、その一部が反射し戻り光となる場合がある。この戻り光が共振器内へ誘導されると本来出力されるレーザ光と干渉し、レーザ出力が安定しないという問題を引き起こす。

そこで、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に、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）を配置して、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。

ところで、この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。具体的には、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°の直行偏光面となって透過できなくなる。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て、反射して戻ってくる光を阻止するのである。

そして、このような機能の光アイソレータは、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ている。この光アイソレータでは、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。この現象は、一般にファラディ効果と呼ばれるもので、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
ここで、Ｖはヴェルデ定数であり、ファラディ回転子の材料および測定波長で決まる定数である。また、Ｈは磁束密度であり、Ｌはファラディ回転子の長さ（＝サンプル長）である。

光アイソレータの大きさを決める要因としては、磁束密度Ｈを与えるマグネットの大きさである。大きいマグネットであれば磁束密度Ｈも大きくなり、小型化を実現する小さいマグネットを利用すれば磁束密度Ｈは小さくなるので、同一長のファラディ回転子においては、より大きなヴェルデ定数を有する材料を開発することが必要になる。

従来から、波長７８０ｎｍ－８２０ｎｍの範囲で使用されるファラディ回転子の材料として、ＴＧＧ：テルビウム・ガリウム・ガーネット（化学式：Ｔｂ_３Ｇａ_５Ｏ_１２）などが知られている。このＴＧＧの７８０ｎｍ－８２０ｎｍの波長帯域におけるヴェルデ定数は、０．２５－０．２９ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）という小さい値であり、実際に使用されているＴＧＧ単結晶でも、そのヴェルデ定数は、波長８００ｎｍで０．２７ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）程度である。このような、ヴェルデ定数が０．２７ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）程度では、光アイソレータの機能を発揮させるために外径φ３．５ｃｍ、長さ２．０ｃｍの更なる大きなマグネットを使用しなければならず、光アイソレータの形状が大きくなるという問題があり、ファラディ回転子の材料としては不適である。なお、１ｍｉｎは１／６０度を表す。

そこで、光アイソレータの小型化が可能な材料として、特許文献１には、酸化テルビウムをモル比換算で５０％以上含む酸化物が記載されている。この記載によれば、この酸化物を用いると波長８００ｎｍのヴェルデ定数Ｖが０．６２ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以上で、かつファラディ回転子に印加する磁束密度Ｂ（Ｏｅ）が０．５×１０^４以下となるときに、同波長で用いる光アイソレータの小型化が可能であるとされている。具体的にはモル比換算で６０％の酸化物では、サンプル長１．１ｃｍにおいて３９５０［Ｏｅ］（＝０．３９５［Ｔ］）の磁束密度となる内径φ０．４ｃｍ、外径φ３．５ｃｍ、長さ２．０ｃｍのマグネットでファラディ回転角４５度が得られたと示されている。

特開２０１５－０１８１４５号公報

しかし、近年、半導体レーザが使用される光記録・医療・計測用途の分野では、赤外域波長７８０－８２０ｎｍ帯域で用いられる半導体レーザのパッケージサイズも小型化が進んでおり、このパッケージの外部に具備される光アイソレータも同波長帯でより一層の小型化が要求されている。特許文献１に記載のファラディ回転子は波長８００ｎｍにおいて０．６２ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）のヴェルデ定数を有することから、マグネットサイズはサンプル長１．１ｃｍにおいて外径φ３．５ｃｍ、長さ２．０ｃｍの寸法が必要となる。この寸法では、光アイソレータの方がレーザパッケージサイズより大きくなり、双方レイアウト上の制限がでてくる。よって実装可能な光アイソレータの現実的な外径としては、φ３．５ｃｍの半分以下のφ１．７ｃｍ以下であり、長さも２．０ｃｍ以下であればより好適な外形寸法となる。

よって、波長８００ｎｍにおけるヴェルデ定数が０．６２ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）の従来の酸化テルビウムの材料では、この要望に応えるのに十分ではなかった。

本発明は、このような実情に鑑みなされたものであり、波長７８０－８２０ｎｍの帯域において、ファラディ効果が大きいファラディ回転子と小さな外形のマグネットとを組み合わせることによって、より一層の小型の光アイソレータを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の７８０－８２０ｎｍ波長帯域用光アイソレータは、下記式（Ａ）で表される酸化物を主成分として含む複合酸化物で構成されると共に、波長８００ｎｍにおけるヴェルデ定数が０．８０ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）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から構成される光アイソレータであって、
前記ファラディ回転子のサンプル長Ｌ（ｃｍ）は、下記式（１）の範囲内にあり、前記ファラディ回転子に印加される磁束密度Ｂ（Ｏｅ）は、下記式（２）の範囲内にある。
（Ｔｂ_ｘＲ_１－ｘ）_２Ｏ_３ （Ａ）
ここで、上記式（Ａ）中、ｘは、０．８≦ｘ≦１．０であり、Ｒは、スカンジウム、イットリウム、Ｔｂ（テルビウム）以外のランタノイド元素群よりなる集合から選択された少なくとも１つの元素を含む。
０．８≦Ｌ≦１．１ （１）
Ｂ≦０．４×１０^４ （２）

このような光アイソレータであれば、ヴェルデ定数が大きいためにファラディ効果が高くなり、所定のファラディ回転角を得るための磁界が小さくて済み、中空マグネットを小型化できるので、光アイソレータのより一層の小型化を実現できる。

また、前記酸化物は、セラミックスであることが好ましい。

このような酸化物であれば、ヴェルデ定数が大きなファラディ回転子を容易に実現できる。

また、前記ファラディ回転子は、前記サンプル長Ｌ（ｃｍ）において、１ｄＢ以下の挿入損失と３０ｄＢ以上の消光比を有することが好ましい。

このようなファラディ回転子であれば、光アイソレータを低損失かつ高アイソレーションの高性能なものにできる。

また、前記中空マグネットは、ネオジム－鉄－ボロン（ＮｄＦｅＢ）系磁石からなることが好ましい。

このような中空マグネットであれば、小型形状でも確実にファラディ回転子への磁束密度Ｂの印加を実現できる。

以上のように、本発明の７８０－８２０ｎｍ波長帯域用光アイソレータであれば、ヴェルデ定数が大きいためにファラディ効果が高くなり、所定のファラディ回転角を得るための磁界が小さくて済み、マグネットを小型化できるので、光アイソレータのより一層の小型化を実現できる。
また、光アイソレータを組み込むレーザ装置内の空間的寸法の自由度を大きくすることができる。
さらに、従来のＴＧＧファラディ回転子と比較して、長さを短くすることができるので、この短尺化によって吸収損失を減少させ、光アイソレータの重要な特性である挿入損失を減少させることができる。

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。 比較例１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および比較例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。 ファラディ回転子のサンプル長Ｌ（０．８～１．１ｃｍ）とファラディ回転角が４５度となる磁束密度Ｔ（１０^４Ｏｅ）の大きさとの関係を示した図である。 実施例１に使用するマグネット形状を算出するための磁束密度のシミュレーション図である。 比較例１に使用するマグネット形状を算出するための磁束密度のシミュレーション図である。

上述のように、７８０－８２０ｎｍ波長帯域用光アイソレータにおいて、より一層の小型化が求められていた。

そして、本発明者らが鋭意検討を行ったところ、波長７８０ｎｍ－８２０ｎｍの帯域では、マグネット外径をφ１．２ｃｍ以下、長さを２．０ｃｍ以下とするために、ヴェルデ定数が０．８０ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以上とする必要があり、それ未満の値では、使用する所定の磁界の大きさが０．４×１０^４（Ｏｅ）以上となり、光アイソレータをより小型化することは困難であることが判った。

そのために、本発明者らは、さらに検討を行ったところ、波長８００ｎｍでヴェルデ定数が０．８５ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以上になる材料として、酸化テルビウムをモル比換算で８０％以上含む酸化物材料を開発し、この材料をファラディ回転子に用いるとその長さを１．１ｃｍ以下まで短くできることを見出し、上記マグネット寸法内に実装できることを見出した。

また、このようなファラディ効果が大きい上記酸化物材料と磁束密度の大きい中空マグネットを組み合わせればより一層の小型化が実現可能であることを知見し、本発明に至ったものである。

以下、本発明の実施形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

本発明に係る光アイソレータは、７８０～８２０ｎｍの波長帯域のレーザ光に使用されるものである。このレーザには、半導体レーザが含まれる。なお、本発明に係る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もできる。

図１は、光アイソレータの構成例を示す断面模式図である。図１では、入射偏光子１、ファラディ回転子２および出射偏光子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。また、入射側では入射偏光子１が偏光子ホルダ４に固定され、同じく出射側では出射偏光子３が偏光子ホルダ４に固定され、各々入出射の偏光方向が調整され金属ホルダ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、円柱状であることが好ましいので、以下に、円柱状のファラディ回転子２を例に説明する。

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が円柱状の場合、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。そして、このような配置によってファラディ回転子２は中空マグネット７の中心に配置される。

次に、本発明の光アイソレータは、波長８００ｎｍにおけるヴェルデ定数が０．８０ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以上のファラディ回転子を有するから、このファラディ回転子について説明する。

ファラディ回転子は、波長８００ｎｍでのヴェルデ定数が０．８５ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以上である酸化テルビウムがモル比換算で８０％以上含まれる酸化物材料で構成される。具体的な材料としては、下記式（Ａ）で表される酸化物を主成分とするものであり、その他に焼結助剤を有する場合がある。
（Ｔｂ_ｘＲ_１－ｘ）_２Ｏ_３ （Ａ）
ここで、式（Ａ）中、ｘは０．８≦ｘ≦１．０であり、Ｒはスカンジウム、イットリウム、Ｔｂ（テルビウム）以外のランタノイド元素群よりなる集合から選択された少なくとも１つの元素を含むものである。

なお、このような酸化物結晶を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、切断後に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挙げられる。

ファラディ回転子としては、上記のような材料であれば特に限定されないが、セラミックスとすることができる。セラミックスであれば、ヴェルデ定数が大きなファラディ回転子を容易に実現できるからである。以下「透明セラミックス」という。

［透明セラミックスの製造方法］
所望の配合比の酸化物粉末を使用して、透明セラミックスを製造する。
透明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、特に限定されない。透明セラミックスの製造方法としては、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例示され、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。

以下、透明セラミックスの作製方法として、熱間等方圧加圧法（ＨＩＰ（Ｈｏｔ Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ Ｐｒｅｓｓｉｎｇ）を使用して透明セラミックスを作製する場合の一例について説明する。

（原料粉末の調製）
出発原料として用いる前記式（Ａ）で表される酸化物の粉末材料は高純度のものを使用することが好ましく、純度９９．９重量％以上であることが好ましく、９９．９９重量％以上であることがより好ましく、９９．９９９重量％以上であることがさらに好ましい。なお、酸化テルビウムとしてはＴｂ_２Ｏ_３に限定されるものではなく、Ｔｂ_４Ｏ_７を使用することもできる。

所望の配合比の酸化物粉末を使用して透明セラミックスを製造することになるが、その際に使用される粉末粒子の形状やサイズについては特に限定されない。また、これらの原料粉末の調製方法も特に限定されない。乾式粉砕法、湿式粉砕法、共沈法、アルコキシド加水分解法、ゾルゲル法、水熱合成法、噴霧熱分解法、その他あらゆる合成法で作製された原料粉末が好適に利用できる。なお、このとき酸化物の粉末材料を主成分として含有していればよく、その他の成分を副成分として意図的に含有していてもよい。

ここで、主成分として含有するとは、前記式（Ａ）で表される複合酸化物を５０質量％以上含有することを意味する。前記式（Ａ）で表される複合酸化物の含有量は８０質量％以上であることが好ましく、９０質量％以上であることがより好ましく、９７質量％以上であることがさらに好ましく、９８質量％以上であることが特に好ましい。

一般的に例示される、その他の副成分（主成分以外の成分）としては、単結晶育成の際にドープされるドーパントやフラックス、セラミックス製造の際に添加される焼結助剤等がある。

ここで、焼結助剤としては、チタン、ジルコニウム、ハフニウムなどの第４族元素の酸化物、マグネシウム、カルシウムなどの第２族元素の酸化物が挙げられる。また、第４族元素の酸化物と第２族元素の酸化物を同時に使用してもよい。これらの酸化物は波長８００ｎｍ付近に吸収がなく、本発明に係る透明セラミックスに好適である。焼結助剤を所定量加えても良く、複合酸化物１００質量部に対して０．０１質量部超５．０質量部以下含むことが好ましく、０．０３質量部超３．０質量部以下含むことがより好ましく、０．０５質量部超２．０質量部以下含むことがさらに好ましい。

一方、上記以外の元素では、波長８００ｎｍ付近に吸収がみられること、希土類酸化物に固溶しにくいため、焼結助剤として反応せず、単独で析出してしまうこと、活性度が高すぎて結晶粒の大きさが最適範囲とならないこと、又は長期間において徐々に水分と反応することからセラミックスが吸湿性を示して失透することなどの問題があり、本発明に係る透明セラミックスを製造するための焼結助剤として不適である。

次に、得られた原料粉末材料を所望のモル比で秤量した後、粒径を揃えるため、必要に応じてポリアクリル酸アンモニウム、ポリカルボン酸アンモニウム、などの分散剤、所望の成型体を得るために、メチルセルロース、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコールなどのバインダー等の少なくともいずれかを加える。さらに溶媒として水やメチルアルコール、エチルアルコールなどを使って、スラリー状とし、数～１０数時間、ボールミルなどの一般的な混合粉砕を行う。得られたスラリーをスプレードライで処理して乾燥球状態体を得る。

また、ボールミルなどで混合粉砕した後、焼成処理を行ってもよく、焼成処理の後、さらに粉砕処理を行ってもよい。具体的には、ボールミル等で混合粉砕した後、スプレードライで処理した混合粉末を焼成する方法が例示できる。

焼成温度及び焼成時間は特に限定されないが、焼成温度は６００～１，６００℃であることが好ましく、８００～１，４００℃であることがより好ましく、８００～１，１００℃であることがさらに好ましい。焼成の雰囲気は特に限定はされず、大気、酸素および酸素含有雰囲気、アルゴン雰囲気、窒素ガス雰囲気等の不活性雰囲気の中から好適に利用できる。また、焼成時間は特に限定されず、混合粉末の含水量や焼成温度に応じて適宜選択すればよいが、１～２０時間であることが好ましく、より好ましくは５～１５時間である。また、焼成を行う場合には、焼成後にさらにボールミル等で数～１０数時間粉砕混合することが好ましい。

また、混合粉末の平均粒子径の分布をシャープにし、さらに、高純度とする目的で、粉末材料を溶解して、再結晶化及び粉砕した後、原料粉末として使用してもよい。具体的には、高純度（例えば９９．９質量％以上）の原料粉末を用意し、Ｔｂ_２Ｏ_３：Ｒ_２Ｏ_３が所望のモル比になるように、秤量する。これらの原料粉末を濃度１ｍｏｌ／ｌ硝酸水溶液として溶解し、それに濃度１ｍｏｌ／ｌの硫酸アンモニウム水溶液を混合し、さらに超純水を加えて、濃度を調整し、得られた水溶液を撹拌しながら、濃度０．５ｍｏｌ／ｌの炭酸水素アンモニウム水溶液を、一定の滴下速度でｐＨ８になるまで滴下し、攪拌しながら室温で数日間放置し、その後、ろ過と超純水での洗浄を行って、１５０℃で数日間乾燥する方法が例示できる。

得られた混合粉末を、アルミナ坩堝に入れて、窒素雰囲気もしくはアルゴン雰囲気などの不活性雰囲気で、好ましくは８００～１，５００℃、より好ましくは１，０００～１，４００℃、さらに好ましくは１，１００～１，２００℃にて、好ましくは０．５～１０時間、より好ましくは１～７時間、さらに好ましくは２～４時間仮焼きを行う。ここで、不活性雰囲気にするのは、酸化テルビウムの価数が変化しないようにするためである。

［製造工程］
上記原料粉末を用いて、所定形状に成形した後に脱脂を行い、次いで焼結し、さらに熱間等方圧加圧法（ＨＩＰ）にて加工して透明複合酸化物焼結体を作製する。

（成形）
成形においては、通常のプレス成形工程を好適に利用できる。即ち、ごく一般的な、型に充填して一定方向から加圧するプレス工程や、変形可能な防水容器に密閉収納して静水圧で加圧するＣＩＰ（Ｃｏｌｄ Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ Ｐｒｅｓｓ）工程が利用できる。なお、印加圧力は得られる成形体の相対密度を確認しながら適宜調整すればよく、特に制限されない。また、成形工程においては、鋳込み成形などのその他の成形方法も好適に利用できる。また、成形する形状は特に限定されず、使用する装置等に応じて適宜選択すればよく、例えば、円柱状に成形することが例示される。

（脱脂）
脱脂においては、通常の脱脂工程を好適に利用できる。即ち、加熱炉による昇温脱脂工程を経ることが可能である。また、この時の温度は好ましくは２００～６００℃、より好ましくは２５０～４００℃である。脱脂を行う際の雰囲気は特に限定されず、大気、酸素、アルゴンガス雰囲気等が好適に利用できる。

（焼結）
焼結においては、一般的な焼結工程を好適に利用できる。即ち、抵抗加熱方式、誘導加熱方式等の加熱焼結工程を好適に利用できる。このときの雰囲気は特に制限されず、大気、不活性ガス、酸素ガス、水素ガス、ヘリウムガス等の各種雰囲気が好適に利用できるが、より好ましくは減圧下（真空中）での焼結が利用できる。

また、焼結時の真空度は、１×１０^－１Ｐａ以下であることが好ましく、１×１０^－２Ｐａ以下であることがより好ましい。焼結条件としては、１，３００～１，８００℃であることが好ましく、１，４００～１，７００℃であることがより好ましく、１，４００～１，６００℃であることがさらに好ましい。焼結時間は１～５０時間であることが好ましく、２～２５時間であることがより好ましく、５～２０時間であることがさらに好ましい。このとき、好ましくは１，２００℃程度までは昇温速度を１００～５００℃／ｈｒ、より好ましくは２００～４００℃／ｈｒ、さらに好ましくは２５０～３５０℃／ｈｒとし、それ以上の温度では、昇温速度を遅くすることが好ましく、２０～１００℃／ｈｒとすることがより好ましい。

（熱間等方圧加圧法（ＨＩＰ）による加工）
また、上記の焼結の後、さらに透明性を上げるため、熱間等方圧加圧法（ＨＩＰ）処理等の後工程を設ける。特に、焼結工程終了後でも透光性が発現しなかった透明複合酸化物焼結体の場合には、ＨＩＰ処理まで進めることで焼結体中の気泡を排除でき、透光性を得ることが容易となり好ましい。

処理温度は、前記焼結温度よりも高いことが好ましく、１，３００℃以上とすることが好ましい。また、ＨＩＰ処理での処理温度は、ＨＩＰ処理中に粒成長が生じると気泡の除去が困難となるため、１，８００℃以下であることが好ましく、１，７００℃以下であることがより好ましい。処理圧力は、市販のＨＩＰ装置で処理できる１９６ＭＰａ以下であると簡便で好ましい。処理時間は特に限定されないが、５０時間以下が好ましく、２５時間以下がより好ましく、１０時間以下がさらに好ましい。また、１５分以上が好ましく、３０分以上がより好ましく、１時間以上がさらに好ましい。このときの加圧ガス媒体の種類はアルゴン等の不活性ガス、又はＡｒ－Ｏ_２が好適に利用できる。

（加工）
得られた透明体を光学用途に使用するにあたり、光学的に利用する軸上にある両端面を長さＬ（ｃｍ）となるように、光学研磨して仕上げる、この時の平面度はλ＝６３３ｎｍの場合、λ／２以下が好ましく、λ／８以下が特に好ましい。なお、光学研磨された面に適宜反射防止膜を成膜することで光学損失を更に低減させることも可能である。

また、本発明では、ヴェルデ定数が０．８０ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以上であれば特に限定されないが、テルビウム酸化物の含有量１００％のヴェルデ定数が上限となる。ヴェルデ定数が０．８０ｍｉｎ／（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マグネットの大きさが大きくなり、光アイソレータを小型化することが困難であるからである。

このヴェルデ定数は、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て、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としてセットし、測定条件２５±１０℃の大気中で波長８００ｎｍにおけるヴェルデ定数を測定する。

表１に、（Ｔｂ_ｘＲ_１－ｘ）_２Ｏ_３の具体的な組成例と波長８００ｎｍでのヴェルデ定数の値を示す。

表１より、３つの組成例で、ｘ＝０．８、１．０では、ヴェルデ定数が０．８５～１．０５ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）となり、全てが０．８０ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以上を満たしている。

さらに、本発明のファラディ回転子の長さ（サンプル長）Ｌ（ｃｍ）と実装されるマグネット磁束密度Ｂ（Ｏｅ）は、下記式（１）（２）を満たす。
０．８≦Ｌ≦１．１ （１）
Ｂ≦０．４×１０^４ （２）
ファラディ回転子の長さが０．８ｃｍ未満であると、ファラディ回転角４５度を得るための磁束密度が０．４×１０^４Ｏｅを超えるので、マグネット外形サイズがより大きくなり、小型化が難しい。また、ファラディ回転子のサンプル長が１．１ｃｍを超えると、印加される磁束密度が極端に小さくなるが、逆にマグネットの長尺化やそれに伴うアイソレータ長も長くなるために、やはりアイソレータのより一層の小型化が難しくなる。

本発明のファラディ回転子は、前記式を満たすサンプル長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い。また、サンプル長Ｌが上記式を満たす範囲内であると、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を作製することが可能であるから好ましい。なお、挿入損失及び消光比等の光学特性は、定法に従って、測定条件２５±１０℃として大気中で波長８００ｎｍにおいて測定される。

また、本発明のファラディ回転子は、波長８００ｎｍ、サンプル長Ｌｃｍが０．８≦Ｌ≦１．１の範囲での全光線透過率（光の全透過率）が７８％以上であることが好ましく、８０％以上であればより好ましい。全透過率は、より高い方が好ましいが、その上限は特に限定されず、１００％以下である。

そして、このような全光線透過率は、日本分光（製）の紫外可視分光光度計Ｖ－６７０を用いて測定した。内壁に高反射率素材を塗布した積分球で光を多重反射させて光を均一にし、試料の濁りで散乱した光なども捕捉した光の強度により測定され、以下の式に基づいて求めた。この時の波長は８００ｎｍである。
全光線透過率＝Ｉ／Ｉｏ×１００
ここで、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）であり、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この酸化物の透過率とする。

次に、本発明の光アイソレータに用いられる中空マグネット７について説明する。この中空マグネット７は、可能な限り小型な永久磁石とすることが好ましく、大きな磁場強度を得るためには、ネオジム－鉄－ボロン（ＮｄＦｅＢ）系磁石を使用することが好ましい。

一般的に、更なる磁束密度を与えるためには、図２に示すように、第２の中空マグネット８および第３の中空マグネット９を具備した、複数マグネットを使用した反磁場マグネット構成が必要となる。この場合、マグネット周囲に炭素鋼材によるヨーク構造を必要とする為、結果としてより大きな外形となる。

よって、光アイソレータを小型化にするためには中空マグネットを単一で使用することが好ましく、本発明に係る中空マグネット７は、図１に示すように、中空マグネット７の磁界極性を光軸６方向とし、中空マグネット７の外周に偏光子材を具備し、各々溶接固定することができるＳＵＳ材金属ホルダ５を配置することが好ましい。このような構成とすることによって、マグネット形状が小さくかつファラディ回転子２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では、その基本設計において、中空マグネット７の外径および長さを小さくすることが小型化のために重要なことであり、そのためにファラディ効果が大きいファラディ回転子２と磁束密度の大きい中空マグネット７材（磁石）とを組み合わせて用いることがより小型化を実現するために重要なことである。

また、光アイソレータに半導体レーザを用いる場合に問題となるハイパワー光によるファラディ回転子２の光損傷は、ファラディ回転子２の透過率とその長さＬで決まるため、この光損傷を少なくするためには、ファラディ回転子２の透過率が高く、また長さＬが短い方が好都合である。

さらに、本発明の光アイソレータでは、偏光依存型のガラス偏光子を２枚以上光学軸上に具備することが好ましく、この構成によって偏光依存の光アイソレータとすることができる。

なお、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６上に具備することがより好ましいが、この構成によって偏光無依存のアイソレータとすることもできる。この場合、前記平板複屈折結晶の光学軸は、光軸６に対してほぼ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（ＴｉＯ_２）を使用した場合では、厚みの１／１０であるφ１．０ｍｍ、α－ＢＢＯ結晶（ＢａＢ_２Ｏ_４）を使用した場合では、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。

以上、本発明の実施形態について説明した。

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＞
実施例１では、図１に示す構成の７８０－８２０ｎｍ波長帯域用の光アイソレータを製作した。入射偏光子１および出射偏光子３には、７８０－８２０ｎｍ波長帯域において高い透明性／消光比を有する吸収型のガラス偏光子を使用し、その光透過面に中心波長８００ｎｍの反射防止膜を施すとともに、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に、５度だけ傾き角度をもった偏光子ホルダ４の上に偏光子の四隅底面を共に接着固定して、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、かつ中空マグネット７による磁界分布の最大となるような位置に固定した。入射光路順に配置された入射偏光子１および出射偏光子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度に合わせて最大のアイソレーション特性となるようにその光学軸の調整を行って、偏光子ホルダ４と金属ホルダ５の外周接合部をレーザ溶接固定した。なお、ファラディ回転子２の光透過面には、中心波長８００ｎｍの反射防止膜（図示せず）が施されている。

このようなファラディ回転子２の材料としては、表１を参照し、波長８００ｎｍにおいてヴェルデ定数が０．８５ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）以上となるテルビウム／スカンジウム酸化物を使用した。また、このファラディ回転子２のサンプル長Ｌを１．１ｃｍとし、このファラディ回転子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、その外側にはＳＵＳ金属筐体を配置した。

実施例１のファラディ回転子２の詳細についてさらに説明すると、ファラディ回転子２の具体的な材料としては、テルビウム酸化物をモル比換算で８０％含むテルビウム／スカンジウム酸化物のセラミックスを用いた。このセラミックスの光学特性を波長８００ｎｍにおいて測定したところ、挿入損失０．１ｄＢ、消光比３８ｄＢ、ヴェルデ定数０．８５ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）であった。なお、このときに測定したサンプルの形状は、外径φ２．３ｃｍ、長さ１．１０ｃｍの円柱形状であった。図３に、本ファラディ回転子２の波長透過特性を示す。

図４には、実施例１で使用するテルビウム／スカンジウム酸化物セラミックスのサンプル長を０．８０～１．１０ｃｍの範囲で０．０５ｃｍずつ変化させた場合に、ファラディ回転角が４５度となるときの磁束密度Ｂｒ（Ｔ＝１０^４Ｏｅ）とサンプル長Ｌ（ｃｍ）との関係を示している。なお、図３、図４において、特許文献１に記載の材料を参考例として示した。

そして、実施例１のファラディ回転子２の場合、そのサンプル長Ｌは１．１０ｃｍであり、ファラディ回転子２のヴェルデ定数は０．８５ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）であるから、この場合のファラディ回転角が４５度となるような磁束密度を図４の関係から算出すると、その磁束密度は、約２９００［Ｏｅ］（＝０．２９［Ｔ］）であることが判る。

また、本発明では、ヴェルデ定数の下限値が０．８０ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）であり、このときのファラディ回転子２に用いられる材料は、少なくとも酸化テルビウムがモル比換算で８０％含まれるテルビウム／スカンジウム、テルビウム／イットリウム、テルビウム／ルテチウム酸化物である。そして、そのサンプル長Ｌの下限値は０．８ｃｍであるから、この酸化物の磁束密度は、図４の関係から算出すると、０．４×１０^４［Ｏｅ］（＝０．４［Ｔ］）の値がＢｒの上限となることが判る。したがって、本発明で用いられる中空マグネットは、光アイソレータのより一層の小型化のためには、その磁束密度Ｂ（Ｏｅ）が下記式（２）を満たすことが好ましい。
Ｂ≦０．４×１０^４ （２）

次に、実施例１の磁束密度を満足する中空マグネット形状について説明する。この中空マグネットの形状は、以下のような磁場解析により求めた。すなわち、磁場解析手法としては有限要素法（ＪＭＡＧ－Ｄｅｓｉｇｎｅｒ）を選択し、マグネット材質としては信越化学工業（株）製ネオジム－鉄－ボロン（ＮｄＦｅＢ）マグネットを、また金属ホルダ５の材質としてはＳＵＳステンレス材をそれぞれ選択した。また、図５に、中空マグネット外径をφ１．２ｃｍとし、中空マグネットの長さ（Ｌ’）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示す。

この図５の結果によれば、実施例１のサンプル長Ｌが１．１０ｃｍの場合の磁束密度分布を示す中空マグネット形状は、内径φ０．３ｃｍ、外径φ１．２ｃｍ、長さ２．０ｃｍになることが判った。ここで、図中のＺ［ｃｍ］は、光軸６上の中心からの距離を示し、サンプル長Ｌ［ｃｍ］は、２×Ｚとして算出する。つまり図５においてサンプル長Ｌが１．１０ｃｍとなるのは、横軸Ｚが０．５５ｃｍの位置である。

そして、波長８００ｎｍにおいて光アイソレータを組み立てたところ、挿入損失０．５［ｄＢ］、アイソレーション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。

＜比較例１＞
比較例１では、ＴＧＧ単結晶（ヴェルデ定数０．２７ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ））をファラディ回転子とした光アイソレータを作製した。そして、サンプル長０．８０～１．１０ｃｍの範囲で、このＴＧＧ単結晶に印加すべき磁束密度を算出すると、図４に示す通りとなった。特に比較例１が実施例１と同様のサンプル長１．１ｃｍにおいて必要とする磁束密度は、約９，１００［Ｏｅ］（＝０．９１［Ｔ］）となることが判る。そこで、実施例１と同様に中空マグネット形状を算出するために、外径をφ２．５ｃｍとし、図２に示す中空マグネット７の長さ（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６に示す。

この図６の結果によれば、比較例１における磁束密度を満足する中空マグネット形状は、中空マグネット７、第２の中空マグネット８、第３の中空マグネット９による反磁場構成となり、内径φ０．３ｃｍ、外径φ２．５ｃｍ、中空マグネット７の長さＭＴ＝２．０ｃｍを含む総長６．５ｃｍの長さになることが判った。ここで、図中のＺ［ｃｍ］は光軸６上中心からの距離を示し、サンプル長Ｌ［ｃｍ］は２×Ｚとして算出する。

以上の結果について実施例１と比較例１を比較すると、実施例１では、比較例１のＴＧＧの光アイソレータに比べて、双方のマグネット外径と長さより算出した体積比で９０％以上のサイズダウンができることが確認された。

また、ヴェルデ定数には波長依存性があるために、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から、７８０－８２０ｎｍ帯域における上限波長の８２０ｎｍにおいてもそのヴェルデ定数を評価したところ、比較例１のＴＧＧでは、０．２６ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）であるのに対して、実施例１では、０．８０ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）であったので、８００ｎｍの長波長の場合でも、３倍以上の性能を有していることが確認された。

したがって、本実施例の光アイソレータによれば、７８０―８２０ｎｍ帯域において、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実用化が可能であることが確認された。

本発明は以下の態様を包含する。
［１］：
下記式（Ａ）で表される酸化物を主成分として含む複合酸化物で構成されると共に、波長８００ｎｍにおけるヴェルデ定数が０．８０ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）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から構成される光アイソレータであって、
前記ファラディ回転子のサンプル長Ｌ（ｃｍ）は、下記式（１）の範囲内にあり、前記ファラディ回転子に印加される磁束密度Ｂ（Ｏｅ）は、下記式（２）の範囲内にあることを特徴とする７８０－８２０ｎｍ波長帯域用光アイソレータ。
（Ｔｂ_ｘＲ_１－ｘ）_２Ｏ_３ （Ａ）
ここで、上記式（Ａ）中、ｘは、０．８≦ｘ≦１．０であり、Ｒは、スカンジウム、イットリウム、Ｔｂ（テルビウム）以外のランタノイド元素群よりなる集合から選択された少なくとも１つの元素を含む。
０．８≦Ｌ≦１．１ （１）
Ｂ≦０．４×１０^４ （２）
［２］：
前記酸化物は、セラミックスであることを特徴とする上記［１］に記載の光アイソレータ。
［３］：
前記ファラディ回転子は、前記サンプル長Ｌ（ｃｍ）において、１ｄＢ以下の挿入損失と３０ｄＢ以上の消光比を有することを特徴とする上記［１］又は上記［２］に記載の光アイソレータ。
［４］：
前記中空マグネットは、ネオジム－鉄－ボロン（ＮｄＦｅＢ）系磁石からなることを特徴とする上記［１］から上記［３］のいずれかに記載の光アイソレータ。

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、 ８…第２の中空マグネット、 ９…第３の中空マグネット。

Claims (4)

1. 下記式（Ａ）で表される酸化物を主成分として含む複合酸化物で構成されると共に、波長８００ｎｍにおけるヴェルデ定数が０．８０ｍｉｎ／（Ｏｅ・ｃｍ）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から構成される光アイソレータであって、
   前記ファラディ回転子のサンプル長Ｌ（ｃｍ）は、下記式（１）の範囲内にあり、前記ファラディ回転子に印加される磁束密度Ｂ（Ｏｅ）は、下記式（２）の範囲内にあることを特徴とする７８０－８２０ｎｍ波長帯域用光アイソレータ。
   （Ｔｂ_ｘＲ_１－ｘ）_２Ｏ_３ （Ａ）
   ここで、上記式（Ａ）中、ｘは、０．８≦ｘ≦１．０であり、Ｒは、スカンジウム、イットリウム、Ｔｂ（テルビウム）以外のランタノイド元素群よりなる集合から選択された少なくとも１つの元素を含む。
   ０．８≦Ｌ≦１．１ （１）
   Ｂ≦０．４×１０^４ （２）
2. 前記酸化物は、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。
3. 前記ファラディ回転子は、前記サンプル長Ｌ（ｃｍ）において、１ｄＢ以下の挿入損失と３０ｄＢ以上の消光比を有す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. 前記中空マグネットは、ネオジム－鉄－ボロン（ＮｄＦｅＢ）系磁石からなることを特徴とする請求項１～３の何れか一項に記載の光アイソレータ。