JPH02201420A - ファラデー回転素子およびこれを用いた光スイッチ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 この発明は、光の偏波面を電流により変化させるファラ
デー回転素子及びこのファラデー回転素子を用いて光の
伝播方向を二方向に切り代える光スイッチに関するもの
である。

ｒ従来技術」 例えば、光源として半導体レーザの発生した光を二つの
光ファイバーに必要に応じて交互に伝搬させようとする
場合、これまで第２図に示すように、機械的にプリズム
１３を移動させて入射光５の光路をａからしに変える機
構の光スイッチが用いられている。ここで、１２ａ、１
２ｂは全反射プリズムである。しかし、この方法は、高
い消光比が得られるという利点がある反面、機械的な可
動？ｔｎ分があるため、長期間使用した場合には、可動
部分の摩耗による光軸ずれ等の劣化が起こり、信頼性に
問題がある。　この問題を解決する一つの方法として、
第３図に示すような、磁気光学効果を利用した光スイッ
チが実公昭６３−１４４６１４および実公昭６３−１４
４６１５号公報に開示されている。

これは光アイソレータの原理を利用したものである。線
輪３に電流を一方向に流すことにより磁場７ａを発生せ
しめ、これによりファラデー回転子２を磁化した場合、
入射光５が第１の偏光子６ａを通過後、ファラデー回転
子２で偏波面が４５°回転し、その偏波面に透過方向を
合わせた第２の偏光子６ｂを通過する。

この状態で、電流の方向を反転させ磁場方向を７ｂに反
転することによってファラデー回転子２の磁化方向を反
転させると、入射光５は第２の偏光子６ｂの透過方向と
は直交するので、これを通過できず図中す方向に示すよ
うに直角方向に光が曲げられる。従って、この方向に光
ファイバ等の光導波路を接続すれば、別の方向すに光を
伝搬できる。

即ち、入射光５は、ファラデー回転子２の磁化方向を反
転することで光の伝搬方向をａないしｂの方向にスイッ
チングできるいわゆる電磁的に制御可能な光スイッチを
実現できる。

［発明が解決しようとする課題」 しかし、上記の第３図に示すような従来の光アイソレー
タの機能を使用した光スイッチでは、ファラデー回転子
２の磁化を反転させるために極めて大きな１′Ｉ！力か
必要であるという問題があった。

即ち第３図に示すような磁気回路では、ホルダー１５に
巻かれた線輪３に大きな電流を流さないとファラデー回
転子２の磁化は反転できないものであった。

この一つの解決方法として、第４図に示す基板９に形成
したＹＩＧ単結晶ン遵膜のファラデー回転子２を用いた
方法が昭５８信学総全大、２２７６及び昭５８信学総全
大、５１３−１４に提案されている。第４図の光スイッ
チにおいて、磁気ヨークｌは一部分が欠けたリング状を
なし、その欠けた部分に薄膜型のファラデー回転子２が
配され、実質的に閉磁路に近い磁気回路となっている。

また、線輪３はリング状磁気ヨークｌの回りに巻かれて
いる。

この方法では、薄膜状のファラデー回転子２を用いてい
るため反磁界が極めて小さく、わずかな磁界で、即ちわ
ずかな電流でファラデー回転子２の磁化状態を反転でき
るという利点がある。

しかし、この方法では、ビーム径の大きな光を通すこと
ができず自ずと応用範囲に限界がある。

このように、従来の磁気光学効果を用いた光スイッチの
構造は、磁化反転させるために大きな電力が必要であり
、実用性のある素子を実現するには種々の問題点があっ
た。

本発明の目的は、この問題点を解決するための新しい構
造の磁気回路を有する磁気光学効果を用いたファラデー
回転素子およびこれを用いた光スイッチを提供すること
である。

［課題を解決するための手段」 一部または全部が半硬質磁石よりなる中空のヨークに貫
通するように光の通過孔を設け、前記ヨークの内部で前
記光の光軸が通過する位置にファラデー回転子を配し、
前記ファラデー回転子と前記ヨークにより閉磁路に近い
磁気回路を形成するとともに、前記ヨークと前記ファラ
デー回転子に囲まれた空間に前記ヨークの磁化状態を変
化させるための線輪を内包したことを特徴とするファラ
デー回転素子である。

本発明において半硬質磁石のヨークを磁化することによ
り、ヨークより発生する磁場によりファラブー回転子を
磁化し入射する光の偏波面を回転することが出来る。半
硬質磁石を用いることで線輪に電流を常時流さなくても
所定の偏波面の回転角を維持することができる。

このように構成したファラデー回転素子では、逆方向に
瞬間的に大きな電流を流して半硬質磁石の磁化状態すな
わちファラデー回転子の磁化状・態を反転することによ
って光スイッチとして使用することができる。

また、ファラデー回転子の両側に偏光子を配し、ファラ
デー回転子に入射する偏波面を揃えることにより消光比
を向上することができ好ましい。

第１図は、本発明の光スイッチの原理構造を示す説明図
である。ファラデー回転子２の両側に二つの偏光子６ａ
、８ｂを配し、このファラデー回転子２を通る光の偏波
面の回転方向を反転させるために線輪３がファラデー回
転子２の周りに巻かれている。

さらに、光の通過孔４ａ、４ｂを有する半硬質磁石のヨ
ーク１が中心にファラデー回転子２を内包し、かつ線輪
３も内包するように配されている。ヨーク１とファラデ
ー回転子２はほば閉磁路の磁気回路の構成となっている
。８輪３のリード線１４ａ、１４ｂはヨークｌの外に取
り出され、これに電流を流すことによりヨークｌに印加
する磁場を調整する。従い、この電流を反転するとヨー
ク１の磁化方向が反転し、ファラデー回転子磁化方向も
反転する。

このような構造により、第１図の本発明の構造は第３図
の従来技術の構造よりもはるかに磁気抵抗が小さく、少
ない電流でファラデー回転子２の磁化を反転でき、ファ
ラデー回転子の飽和のために線輪３に電流を流し続ける
必要がなくなる。

この場合、磁場が実線方向７ａを向いているときは、入
射光５はａ方向に伝搬するが、磁場が点線の方向７ｂを
向いているときは、入射光５はｂ方向に伝搬する。

また、ファラデー回転子の直径とヨークの光通過孔の直
径との間には、性能上極めて密接な関係があり、これら
がファラデー回転子に印加される磁場の強度に対する重
要なパラメータである。ファラデー回転子が飽和するた
めに必要な線輪電流はファラデー回転子の直径がヨーク
の光通過孔直径よりも大きいときに非常に小さくなる。

　　また、上記説明のファラデー回転素子では、ヨーク
、ファラデー回転子、線輪のみの構造を示したが、この
線輪を保持するためのボビン等を加えても良いし、ヨー
ク、ファラデー回転子、線輪の位置を固定する為の支持
部材を挿入しても良いのはもちろんである。

光スイッチを構成する場合、偏光子として、偏光ビーム
スプリッタあるいはグラントムソンプリズム、くさび型
プリズム等の他の複屈折プリズムが使用できる。

「実施例」 以下本発明の実施例を詳しく説明する。

（実施例１） 第１図に示す構造を有する光スイッチを作成した。ここ
で６ａ及び６ｂは偏光ビームスプリッタよりなる偏光子
、２は入射光５が通過する円柱状のＹＩＧよりなるファ
ラデー回転子、３はヨークｌに磁場を印加する線輪、ｌ
は中空部に線輪３及びファラデー回転子２を装架するＦ
ｅ−Ｃｒ−Ｃｏ磁石製のヨーク、４ａ及び４ｂはヨーク
ｌに設けられた光通過孔である。なお、ファラデー回転
子２の回転角は飽和時で４５度とした。

線輪３のリード線１４ａ、１４ｂはヨークの外に取り出
され、第５図の回路に接続されている。すなわち、初期
状態ではスイッチＳＷＩ、ＳＷ２．ＳＷ３．ＳＷ４はｏ
ｒ；Ｆの状態にあり、電ＪＥから抵抗Ｒを介してコンデ
ンサーＣ（２０μＦ）に電荷が蓄積される。

充分に、コンデンサーＣが充電された状態で、ＳＷｌ、
ＳＷ２をＯＮにすると尖頭値の高い放電電流が線輪３の
順方向（実線方向）に流れる。放電がほとんど完了した
段階でＳＷＩ、ＳＷ２を再びＯＦＦにする。この状態で
はＦｅ−Ｃｒ−Ｃｏ磁石よりなるヨーク９は一方向に着
磁され、これによりファラデー回転子２も一方向に安定
に磁化される。このとき、第１図のおいて光はａ方向に
伝搬される。

光の伝搬方向をａ方向からｂ方向に切り換えたい場合は
、第５図の回路で、Ｓ　Ｗ３．　Ｓ　Ｗ４をほぼ同時に
ＯＮすれば実現できる。このとき、放電電流は逆方向（
点線方向）に流れるので半硬質磁石製のヨーク１とファ
ラデー回転子２は反対方向に磁化され、光は第１図にお
いてｂ方向に伝わる。第６図は第５図に示した各スイッ
チのＯＮ、ＯＦＦと電流の関係を示したものである。

この実施例では、線輪３に電流を流し続けなくとも安定
なファラデー回転子１の磁化状態を実現できるのが特徴
である。

第１図の本発明の構造と第３図の従来技術の構造を比較
すると明かなどとく、本発明の磁気回路の方がはるかに
磁気抵抗が小さく、平均的に少ない電流でファラデー回
転子２の磁化を反転できる。

実験の結果、従来構造では連続的に約１ＯＡ近い電流が
必要であったが、本発明の実施例では、尖頭値５Ａ以下
、印加電圧５０Ｖ、コンデンサＣより放電される電流の
パルス幅１　ｍ５ｅｃ以下で充分であった。

しかも、安定状態を維持するために、電流を流し続ける
必要はない。

（実施例２） 第７図に示すファラデー回転素子を作成した。

二のファラデー回転素子は上記実施例１に示すヨーク１
、ファラデー回転子２及び線輪３よりなるファラデー回
転素子のうちヨークｌに分割部８を設けたものである。

このファラデー回転素子を使用して光通過孔４ａ、４ｂ
の直径ＤＯとファラデー回転子２の直径ＤＹの比を変化
させてファラデー回転子２の飽和に必要な線輪３の電流
値を測定した。その結果を第８図に示す。

第８図に示すように、ＤＯがＤＹより大きいときは、飽
和電流は５Ａ以上とかなり大きいが、反対にＤｏがＤＹ
より小さいときは、飽和電流は５Ａよりもかなり小さく
なる。

なお、この実施例では、ファラデー回転子の形状として
円柱形としたが、ファラデー回転子の断面形状は矩型で
も多角形でも効果が同じであることは１本技術に関係す
る技術者であれば容易に理解できるであろう。また、ヨ
ークの中心の光通過孔についてもその形状は種々のもの
が考えられる。

これらの場合には、第８図で得られた寸法の大小関係は
、ＤＯは通過孔の最小・１法、ＤＹはファラデー回転子
の断面形状の最大寸法と変換して考えることができる。

（実施例３） 実施例１で示した光スイッチをＤｏ＝０．８ＤＹの関係
で作製し、入射光５の波長と消光比及び挿入損失を測定
した。第９図にその結果を示す。第９図中、実線は電流
を順方向、即ち第１図中の内部磁場方向が７８となるよ
うにした場合を示し、一方破線は反対に第１図中の内部
磁場方向が７ｂとなるようにした場合である。また、入
射光の波長は半導体レーザを想定して、１．５５μＩ付
近とした。

第９図に示すように両方向とも挿入損失はｌｄＢ以下で
あり、望ましくない伝搬方向の漏洩光の減衰量は３０　
ｄＢ以上が確保されており、優れた光スイッチが得られ
ることがわかる。

（実施例４） 第１０図は、本発明の他の実施例を示す、入射光のビー
ム径が比較的大きい場合等は、ファラデー回転子２の直
径が大きくなるので、反磁界係数が大きくなり、大きな
電流を流す必要がある。この場合には、第１０図に示す
ように、光の通過孔の内面にに突起１０を設け、＆ｉＩ
輪の体積を増加させることが有効である。

（実施例５） 第１１図は、本発明の他の実施例である。図に示すよう
に、中空のヨーク１の周辺部分に切込み１１が設けられ
ている。このようにすることにより、線輪３に電流を流
すことによる線輪の温度上昇を空気の対流の冷却効果に
よりある程度抑えることができる。さらに、ヨーク１の
周辺部分の磁気抵抗と光通過孔４ａ、４ｂ付近の磁気抵
抗をほぼ同じに設計することができ、ヨークｌの表面に
現れる磁荷を最小にすることができる。

また、本発明の実施例は、ヨーク１全体を半硬質磁石と
したが、ヨーク・１を分割しそれらのある部分を半硬質
磁石としても本発明の効果が変わらない。特に、第１０
図の光の通過孔の内面の突起ｌＯの部分のみを半硬質磁
石にすることは効果がある。

本発明の実施例では、ファラデー回転子はＹＩＧ単結晶
を使用したが、他の材質、例えばＢｉ置換のＬ　Ｐ　Ｅ
　（Ｌｉｑｕｉｄ　Ｐｈａｓｅ　Ｅｐｉｔａｘｉａｌ）
膜等も使用できる。しかし、ＬＰＥ膜は余りに膜厚が薄
いために励磁用線輪の空間を充分確保できないかもしく
はできたとしてもヨークの中央部分とＬＰＥ膜の間隔が
離れすぎて磁気抵抗が大きくなる可能性がある。

「発明の効果」 このように本発明のファラデー回転素子は、高いイａ頼
性有し、かつ低電力駆動が可能である。さらに、半硬質
磁石よりなるヨークの保磁力を使用するため、特に高速
でない光スイッチとして有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のファラデー回転素子の構成の一実施例
を示した図、第２図、第３図、第４図は従来の光スイッ
チの構造を示した図、第５図は本発明に使用する電源回
路の一例を示した図、第６図は第５図の電源回路におけ
る放電電流の説明図、第７図は光通過孔とファラデー回
転子の関係を示した図、第８図は瞬間電流とファラデー
回転角の関係を示した図、第９図は本発明のファラデー
回転素子の消光比と挿入損失の一例を示した図、第１０
図及び第１１図は本発明の他の実施例を示した図である
。 ｌ；ヨーク、２；ファラデー回転子、 ３；線輪、４　ａ、４　ｂ　；光通過孔、５；入射光６
ａ、６ｂ；偏光子、７　ａ、７　ｂ　；磁場方向。 １０；突起、１１；切込み 第１図 第３図 第２図 第４図 第 図 第 図 第 図 第 図 瞬間電流の最大値

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）一部または全部が半硬質磁石よりなる中空のヨー
   クに貫通するように光の通過孔を設け、前記ヨークの中
   空部で前記光の光軸が通過する位置にファラデー回転子
   を配し、前記ファラデー回転子と前記ヨークにより閉磁
   路に近い磁気回路を形成するとともに、前記ヨークと前
   記ファラデー回転子に囲まれた空間に前記ヨークの磁化
   状態を変化させるための線輪を内包したことを特徴とす
   るファラデー回転素子。
2. （２）請求項１に記載のヨークに設けられた光の通過孔
   の最小寸法が、前記ファラデー回転子の光軸に対して垂
   直方向の最大寸法より、小さいことを特徴とする請求項
   １に記載のファラデー回転素子。
3. （３）請求項１又は２に記載のヨークが２個以上の部分
   に分割可能になっていることを特徴とする請求項１又は
   ２に記載のファラデー回転素子。
4. （４）請求項１及至３のいずれかに記載のヨークの一部
   が除去されていることを特徴とするファラデー回転素子
   。
5. （５）請求項１及至４記載のファラデー回転素子におい
   て、前記ファラデー回転子がＹＩＧ（Ｙ＿３Ｆｅ＿５Ｏ
   ＿１＿２）を主成分とするガーネット型フェライト単結
   晶を用いたことを特徴とするファラデー回転素子。
6. （６）請求項１及至５のいずれかに記載のファラデー回
   転素子の両側に偏光子を配し、前記ファラデー回転子の
   磁化方向を反転させて光路を変えることを特徴とする光
   スイッチ。
7. （７）線輪に順方向もしくは逆方向に一定期間電流を流
   しヨークを磁化することによりファラデー回転子の一つ
   の安定状態をえる構成としたことを特徴とする請求項６
   に記載の光スイッチ。