可変ファラデー回転子、および光シャッター
【課題】効率的に磁界を発生させて、小型化と動作安定性とを両立させた可変ファラデー回転子を提供する
【解決手段】光軸１１方向を前後方向として、磁気光学材料からなるファラデー素子２と、当該ファラデー素子に磁界を印加するための磁気回路部とを含んで構成されるファラデー回転子１ａであって、前記ファラデー素子の前後に偏光子（３ｆ，３ｂ）が配置されて非相反部１０が構成され、前記光軸と一致する軸を有して前後に開口する中空筒状で、光路に沿って進行する光を中空部６１を介して通過させる高透磁率磁性材料からなるコア部６が前記非相反部の前後にそれぞれ配置され、前記磁気回路部は、前記光軸を螺旋軸として、前記非相反部と前記コア部の周囲に巻回されているコイル４によって形成されている。
【解決手段】光軸１１方向を前後方向として、磁気光学材料からなるファラデー素子２と、当該ファラデー素子に磁界を印加するための磁気回路部とを含んで構成されるファラデー回転子１ａであって、前記ファラデー素子の前後に偏光子（３ｆ，３ｂ）が配置されて非相反部１０が構成され、前記光軸と一致する軸を有して前後に開口する中空筒状で、光路に沿って進行する光を中空部６１を介して通過させる高透磁率磁性材料からなるコア部６が前記非相反部の前後にそれぞれ配置され、前記磁気回路部は、前記光軸を螺旋軸として、前記非相反部と前記コア部の周囲に巻回されているコイル４によって形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光軸方向を前後方向として、磁気光学材料からなるファラデー素子の前後に複屈折素子が配置されている非相反部と、ファラデー素子に磁界を印加するための磁気回路部とを含んで構成されるファラデー回転子に関する。具体的には、磁気回路部にコイルを用いた可変ファラデー回転子に関する。また、可変ファラデー回転子を用いた光シャッターにも関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のごとく、物質に磁場をかけることにより、その物質に応じ、透過してきた光の偏光面が時計回りあるいは反時計回りに回転する現象がファラデー効果である。そして、以下では、ファラデー効果を利用して光の偏光面を回転さる光学部品をファラデー回転子と呼ぶことにする。そして、光学部品として実用可能なファラデー回転子は、希土類鉄ガーネット単結晶など、ファラデー回転係数（ベルデ定数）が大きく、優れたファラデー効果を有する磁気光学材料（以下、ファラデー素子）と、そのファラデー素子に磁界を印加するための磁気回路部とを含んで構成されている。
【０００３】
ところで、ファラデー回転子には、磁気回路部にコイルを用いるとともに、そのコイルに印加する電流の方向に応じてファラデー素子に印加する磁界の方向を反転させることで、入射光の偏光面の回転方向を逆転させることができる可変ファラデー回転子がある。そして、以下の特許文献１には、略Ｃ字状のヨークにコイルを巻回してなる電磁石を磁気回路として、その略Ｃ字状のヨークの磁気ギャップにファラデー素子が配置された可変ファラデー回転子について記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献２】特開平７−３０１７７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
周知のごとく、コイルが発生する磁界（磁束密度）Ｂは、コイルが巻回される物質の透磁率μとコイルの巻数ｎとコイルに印加する電流Ｉの積μ・ｎ・Ｉで表現される。そして、コイルが巻回される物質のμの値が一定である場合、大きな電流Ｉを印加すれば、コイルの巻数ｎは少なくて済むが、大きな電流Ｉを印加することで発熱量が大きくなる。ファラデー素子は、温度の上昇に伴ってベルデ定数が低下するので、コイルが発熱すると、可変ファラデー回転子のファラデー回転角が不安定になり、光学部品としての特性が劣化し、信頼性が低下する。
【０００６】
また、発熱量を抑えるために、コイルの巻数ｎを増やし、小さな電流値Ｉで磁気回路部を駆動すれば、今度は、コイルのサイズが大きくなり、可変ファラデー回転子自体の小型化はもちろん、可変ファラデー回転子が組み込まれる様々な光回路素子（光シャッター、光アッテネーターなど）や光回路素子を用いた製品（光通信用機器など）の小型化も困難となる。
【０００７】
上記のμの値が大きな高透磁率材料（フェライトコア、珪素鋼板など）からなるヨークにコイルを形成した磁気回路を用いることも考えられるが、その磁気回路は、上述した特許文献１に記載されている可変ファラデー回転子のように、光路を塞がないように配置する必要があり、磁気回路を光路から外れた場所に配置せざるを得ない。また、発生磁界を大きくするために、磁気回路の磁路長を長くする必要もあり、磁気回路自体も大型化する。すなわち、従来の可変ファラデー回転子は、小型化と動作安定性とが相反する。
【０００８】
したがって、本発明は、効率的に磁界を発生させて、小型化と動作安定性とを両立させた可変ファラデー回転子を提供することを目的としている。また、その可変ファラデー回転子が備える特徴的な構成や構造に基づいて、小型で動作安定性に優れた光シャッターを提供することも目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するための本発明は、光軸方向を前後方向として、磁気光学材料からなるファラデー素子と、当該ファラデー素子に磁界を印加するための磁気回路部とを含んで構成されるファラデー回転子であって、
前記ファラデー素子の前後に偏光子が配置されて非相反部が構成され、
前記光軸と一致する軸を有して前後に開口する中空筒状で、光路に沿って進行する光を中空部を介して通過させる高透磁率磁性材料からなるコア部が前記非相反部の前後にそれぞれ配置され、
前記磁気回路部は、前記光軸を螺旋軸として、前記非相反部と前記コア部の周囲に巻回されているコイルによって形成されている。
【００１０】
また、上記可変ファラデー回転子において、前記光軸を軸とした筒状の外筒の内側に中空筒状の内筒が同軸に配置された二重筒状のケースを備え、
前記内筒は前後に開口して、当該内筒の中空部に非相反部と前記コア部が収納され、
前記コイルが前記内筒の外周に巻回されて当該内筒と前記外筒との間の空隙に収納され、
前記内筒と前記外筒との間の空隙で、前記コイルの形成領域の前後に磁性材料が充填されている可変ファラデー回転子とすればより好ましい。
【００１１】
なお、上記いずれかの可変ファラデー素子において、前記コア部をフェライトコアとしたり、珪素鋼鈑で構成したりしてもよい。
【００１２】
本発明は、光シャッターにも及んでおり、当該光シャッターに係る発明は、光軸方向を前後方向として、磁気光学材料からなるファラデー素子の前後に光学軸が所定方向に偏光子が配置されてなる第１および第２の非相反部が前記光軸に沿って隣接して直列に配置されているとともに、当該第１および第２の非相反部の前記ファラデー素子に磁界を印加するための磁気回路部とを含んで構成され、
前記第１の非相反部の後方に第２の非相反部が直列配置され、前記光軸と一致する円筒軸を有する中空円筒状で、前記第１の非相反部の前方と、前記第２の非相反部の後方にそれぞれ高透磁率磁性材料からなるコア部が配置され、
前記磁気回路部は、前記光軸を螺旋軸として、前記直列配置されている前記第１および第２の非相反部と、前記コア部の周囲とに巻回されているコイルによって形成され、
前記コイルに印加する電流の方向によって前記光軸方向の磁界の方向を反転させることで、前記光軸に沿って所定の方向に進行する光を透過、あるいは遮断させる、
ことを特徴とする光シャッターとしている。
【００１３】
また、上記光シャッターにおいて、前記光軸を軸とした筒状の外筒の内側に中空筒状の内筒が同軸に配置された二重筒状のケースを備え、
前記内筒は前後に開口して、当該内筒の中空部に前記直列状態にある第１および第２の非相反部と前記コア部とが収納され、
前記コイルは、前記内筒の外周に巻回されて当該内筒と前記外筒との間の空隙に収納さ
前記内筒と前記外筒との間の空隙で、前記コイルの形成領域の前後に磁性材料が充填されている光シャッターとすれば、より好ましい。
【００１４】
そして、上記いずれかの光シャッターにおいて、前記コア部は、フェライトコアであってもよいし、珪素鋼鈑で構成されていてもよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の可変ファラデー回転子によれば、より強い磁界をファラデー素子に効率よく印加させることができ、結果的に、小型化と動作安定生とを高いレベルで両立させることができる。また、その可変ファラデー回転子の構成を応用した光シャッターは、ファラデー素子に強磁界を効率的に印加させることができるため、優れた遮光性能と透過性能を可逆的に安定して発揮できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】従来の可変ファラデー回転子の概略構造図である。
【図２】上記従来の可変ファラデー回転子を構成する各光学素子の特性の一例を示す図である。
【図３】第１実施例に係る可変ファラデー回転子の概略構造図である。
【図４】第２実施例に係る可変ファラデー回転子の概略構造図である
【図５】従来、第１実施例、および第２実施例のそれぞれの可変ファラデー回転子の起磁力特性を示す図である。
【図６】可変ファラデー回転子を応用した光シャッターにおける直列非相反部の構成を示す図である。
【図７】従来の光シャッターの構造を示す図である。
【図８】第３実施例に係る光シャッターの構造を示す図である。
【図９】第４実施例に係る光シャッターの構造を示す図である。
【図１０】従来の光シャッターと第３実施例の光シャッターの磁気光学特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
＝＝＝可変ファラデー回転子＝＝＝
本発明の実施例に係る可変ファラデー回転子の性能を評価するために、構造や構成が異なる可変ファラデー回転子を３種類作製した。作製した３種類の可変ファラデー回転子の一つは、従来の可変ファラデー回転子であり、図１に、その従来の可変ファラデー回転子（以下、従来例）１ｃの概略構造を示した。図１（Ａ）は、従来例１ｃの主要部を示す斜視図であり、（Ｂ）は、（Ａ）におけるａ−ａ矢視断面図である。すなわち、光軸１１方向を前後方向とするとともに、図１（Ａ）を前方上方からの斜視図として前後と上下を規定し、前方から光軸１１に沿って後方を見た状態で左右を規定すると、（Ｂ）は、従来例１ｃを、光軸１１を通り、前後上下方向の面と平行な断面を左方向から見たときの図である。なお、図１を含め、構造や構成を示した以下の図は、その構造や構成を説明するためのものであり、各構成要素のサイズの比率などは実際のものとは異なっている。
【００１８】
従来例１ｃは、図１（Ｂ）に示したように、（Ａ）に示した主要部が筒状のケース５内に収納された構造となっており、図示した例では、ケース５は、前後が開口する中空筒状で、外周にコイル４が巻回されるともに中空内部に非相反部１０が収納されている内筒５２と、当該第１実施例１ａの外装を構成する外筒５１とが同軸上に配置された二重筒状となっている。
【００１９】
主要部は、偏光子として、楔形ルチルからなる二つの複屈折素子（３ｆ，３ｂ）を用い、その二つの複屈折素子（３ｆ，３ｂ）をファラデー素子２の前後にそれぞれ一つずつ配置した非相反部１０と、この非相反部１０に磁界を印加する磁気回路部とによって構成されている。そして、ファラデー素子２における光の入射面および出射面の法線方向を光軸１１方向として、磁気回路部は、この光軸１１を螺旋軸としてファラデー素子２の周囲に巻回されているコイル４によって形成されている。すなわち、電源（図示せず）から供給される電流をコイル４の巻線に流すと、ファラデー素子２には、光軸１１方向に磁界が印加される構成となっている。
【００２０】
非相反部１０は、二つの楔形の複屈折素子（３ｆ，３ｂ）が、前後の幅が薄い頂部３１が互いに１８０度方向に向くように配置されてなり、図示した例では、二つの複屈折素子（３ｆ，３ｂ）は、ファラデー素子２側の面が光軸１１と直交して互いに平行となるように対面しつつ、前方の複屈折素子３ｆは、頂部３１から下方に向かって前方に傾斜し、後方の複屈折素子３ｂは、頂部３１を下方として、上方に向かって後方に傾斜している。また、二つの複屈折素子（３ｆ，３ｂ）の光学軸は、光軸１１と直交している。
【００２１】
以上の構成を備えた非相反部１０では、光軸１１と平行に前方から後方に進む光が前方の複屈折素子３ｆに入射すると互いに直交する二つの直線偏光である通常光と異常光に分離するとともに、下方に屈折し、その二つの直線偏光は、ファラデー素子２に入射するとさらに下方に屈折する。そして、ファラデー素子２を透過した光が後方の複屈折素子３ｂに入射すると、少なくとも、前方の複屈折素子３ｆにて分離した通常光と異常光に対応する光については、この後方の複屈折素子３ｂから光が後方に出射する際に、再度光軸１１と平行となる。なお、偏光子としては、上記楔形ルチルに限らず、光軸１１と直交する面を前後に有する複屈折性結晶や偏光板などを採用してもよい。
【００２２】
ところで、可変ファラデー回転子は磁気飽和状態におけるファラデー素子２の光軸１１回りのファラデー回転角と、二つの複屈折素子（３ｆ，３ｂ）の光学軸方向などの光学特性を適宜に設定しておけば、偏光を扱う様々な光学部品として機能する。例えば、従来例１ｃは、上記特許文献１にも記載されている光の透過と遮断を制御できる光シャッターとして機能する。
【００２３】
図２に、従来例１ｃを用いた光シャッターの例を示した。当該図２では、光シャッターとして機能する従来例１ｃの非相反部１０の構成を示している。図示した例では、光軸１１に沿って前方から後方に光を入射することとし、前方の複屈折素子３ｆの光学軸３２ｆは、左右方向に対して時計回りに２２．５度傾いており、後方の複屈折素子３ｂの光学軸３２ｂは、左右方向に対して反時計回りに２２．５度傾いている。すなわち、前後の複屈折素子（３ｆ，３ｂ）の光学軸（３２ｆ，３２ｂ）は４５度の角度で交差している。また、ファラデー素子２のファラデー回転角は、磁界の方向に応じて時計回り、あるいは反時計回りに４５度となっている。
【００２４】
しかしながら、図１に示した従来例１ｃでは、十分な磁界を発生させるために、コイル４に印加する電流を大きくする必要がある。また、その大きな電流によってコイル４を形成する導線が発熱し、その熱によってファラデー素子２の動作が不安定になる。すなわち、従来例１ｃを用いて光シャッターを構成すれば、ファラデー回転角が安定せず、十分な消光比を得ることができない。そして、ファラデー回転子は、光シャッターに限らず、様々な用途に用いられる基本的な光学部品であることから、可変ファラデー回転子には、小さな電流でも光軸１１方向に大きな磁界が得られるような構成が必要となる。
【００２５】
そこで、以下に、効率よく磁界を発生するための構成を備えた可変ファラデー回転子を例示する。図３（Ａ）は、その高効率の可変ファラデー回転子の一例（以下、第１実施例）１ａを前方上方から見たときの一部破断斜視図を示している。また、（Ｂ）に（Ａ）におけるｂ−ｂ矢視断面を示した。第１実施例１ａは、従来例１ｃと同様のケース５内に各種光学要素が収納された構造であり、非相反部１０の構成も、従来例１ｃと同様である。なお、（Ａ）では、部分的に（Ｂ）に示したハッチングを用いて、第１実施例１ａの各構成要素が容易に区別できるようにしている。
【００２６】
そして、第１実施例１ａでは、非相反部１０の前後に、高透磁率材料からなる中空筒状のコア部６が配置され、このコア部６の構造や配置が従来例１ｃと異なる大きな特徴となっている。コア部６は、前後両端が開口する円筒状で、前後方向に進行する光を中空部６１を介して通過させるように形成されている。なお、この例では、コア部６にフェライトコアを用いている。もちろん、コア部６は、フェライトコアに限らず、珪素鋼板などの他の高透磁率材料で形成されていてもよい。
【００２７】
このように、第１実施例１ａの構成では、実質的な透磁率μの値を大きくすることになり、従来例１ｃと同じ磁界を発生させるとすると、巻数ｎと電流値Ｉの積算値をμの値に反比例して小さくさせることができる。すなわち、磁気飽和させるための印加電流値を低減させることができる。それによって、これまで必要であった磁性ヨークなどが必要なくなり、小型化と低価格化を達成することができる。また、電流値を低減させることにより発熱量を抑え、ファラデー素子２を安定して動作させることができる。
【００２８】
図４は、効率よく磁界を発生するための構成を備えた可変ファラデー回転子のその他の例（以下、第２実施例）１ｂを示しており、図４（Ａ）は、当該第２実施例１ｂを前方上方から見たときの一部破断斜視図を示している。また、（Ｂ）は、（Ａ）におけるｃ−ｃ矢視断面図である。なお、図４（Ａ）では、前方から見たときの構造が分かりやすいように、同じ部材については、（Ｂ）と同じハッチングを用いて示している。第２実施例１ｂは、第１実施例１ａの構成とほぼ同様であるが、主要部を収納するケース５の内部構造に特徴を有している。具体的には、ケース５は、前後に開口する中空筒状で、光軸１１を軸とした筒状の外筒５１の内側に中空筒状の内筒５２が配置された二重筒状となっている。そして、内筒５２の外周と外筒５１の内周との間にコイル４が形成されている。なお、ここまでの構造は、従来例１ｃや第１実施例１ａにおけるケース５と実質的に同じである。しかし、第２実施例１ｂでは、内筒５２と外筒５１との間の空隙５３で、コイル４の形成領域４１の前後に磁性材料７が充填されている点が異なっている。すなわち、第２実施例１ｂでは、ケース５の前後両端に中空リング状の磁性材料７がコア部６の外周に配置されることになり、コイル４の前後両端における磁束の漏れを防止し、ファラデー素子２に対し、さらに効果的に磁界を印加することができるようになっている。なお、磁性材料７としては、フェライトコアや珪素鋼板などの高透磁率材料を用いてもよいが、第２実施例１ｂでは、透磁率μが２程度のより安価な磁性材料７を用いている。
【００２９】
ここで、上記従来例１ｃ、第１実施例１ａ、および第２実施例１ｂにおける起磁力特性を評価するために、コイル４中心部の磁束密度が２００ガウスとなるときのコイルの巻数ｎと電流値Ｉとの関係を調べた。図５に各可変ファラデー回転子（１ｃ，１ａ，１ｂ）の起磁力特性をグラフにして示した。なお、図５では、巻数ｎと電流値Ｉの積で表される起磁力も合わせて示している。図５に示したグラフより、第１実施例１ａは、従来例１ｃと比較して、同じ磁界を発生させるための巻数ｎや電流値Ｉを低下させることができ、第２実施例１ｂは、巻数ｎや電流値Ｉを第１実施例１ａよりも、さらに低下させることができた。
【００３０】
具体的には、巻数ｎを２５００とすると、従来例１ｃでは、２００ガウスの磁束密度を得るために、約６０ｍＡの電流Ｉが必要となる。コイル４を構成する導線の抵抗値は約１００Ω程度であるため、消費電力は、１００×０．０６２＝３６０ｍＷ程度となり、発熱したコイル４を放熱させることが難しい。そのため、従来例１ｃは、ファラデー素子２の温度依存特性が顕在化し、ファラデー回転角が不安定になる。
【００３１】
一方、第１実施例１ａでは、印加電流値は約４０ｍＡ程度で、となり、消費電力Ｐ＝１００×０．０４２＝１６０ｍＷ程度となり、従来例１ｃの１／２以下になる。したがって、温度の上昇を抑制することが十分に可能となる。さらに、第２実施例１ｂでは、印加電流値が約３０ｍＡ程度で、消費電力Ｐ＝１００×０．０３２＝９０ｍＷとなり、従来例１ｃの１／４程度となり、温度の上昇をさらに抑制することが可能となる。しかも、第２実施例１ｂは、第１実施例１ａに対し、安価な磁性材料７をケース５に充填するだけの構成で、極めて優れた発熱抑制効果を大きなコストアップを伴わずに得ることができる。もちろん、同じ磁束密度を同じ電流値で得ようとすれば、コイル４の巻数は、従来例１ｃ、第１実施例１ａ、第２実施例１ｂの順に少なくなり、磁束密度と電流値が規定されている場合には、第１実施例１ａや第２実施例１ｂは、従来例１ｃよりも小型化することが可能となる。
【００３２】
＝＝＝光シャッター＝＝＝
上述したように、構成が異なる三種類の可変ファラデー回転子（１ｃ，１ａ，１ｂ）は逸れも単体で光シャッターとして機能させることができ、印加する磁界と光シャッターにおける消光比とから各可変ファラデー回転子（１ｃ，１ａ，１ｂ）の磁気光学特性を評価することができる。しかし、非相反部１０を光軸１１に沿って二つ直列に配置して光シャッターを構成すると、先に図２に示したような、単体の可変ファラデー回転子からなる光シャッターよりも消光比を大きくすることができ、可変ファラデー回転子の磁気光学特性をより正確に評価することができる。そこで、非相反部１０を光軸１１に沿って直列に配置しつつ、上記三種類の可変ファラデー回転子（１ｃ，１ａ，１ｂ）のそれぞれの構造を基本とした三種類の光シャッターを作製し、各光シャッターの性能を評価した。また、その評価結果より，間接的に上記三種類の可変ファラデー回転子（１ｃ，１ａ，１ｂ）の磁気光学特性を評価した。
【００３３】
図６に、作製した三種類の光シャッターが備える二つの非相反部（１０ｆ，１０ｂ）の配置を示した。図６（Ａ）は、直列状態にある非相反部（１０ｆ，１０ｂ）における各光学素子（２ｆ，２ｂ，３Ａ〜３Ｄ）の配置を示す斜視図であり、（Ｂ）は、二つの非相反部（１０ｆ，１０ｂ）に含まれている四つの複屈折素子（３Ａ〜３Ｄ）の光学軸（３２Ａ〜３２Ｄ）の方向を示している。作製した光シャッターでは、図１、図３、図４のそれぞれに示したファラデー回転子（１ｃ，１ａ，１ｂ）に共通する非相反部１０を二つ用いている。そして、二つの非相反部（１０ｆ，１０ｂ）を光軸１１回りに互いに９０度の角度をなすように直列に配置している。それによって、前方から入射した光が屈折を繰り返して、光路が直列状態にある非相反部の形成領域から外れてしまわないようにしている。
【００３４】
また、前後の非相反部（１０ｆ、１０ｂ）のそれぞれにおける二つの複屈折素子（３Ａ−３Ｂ，３Ｃ−３Ｄ）の光学軸（３２Ａ−３２Ｂ，３２Ｃ−３２Ｄ）が、互いに４５度の角度で交差しているとともに、前方から数えて１番目と４番目の複屈折素子（３Ａ，３Ｄ）の光学軸（３２Ａ，３２Ｄ）、および前方から数えて２番目と３番目の複屈折素子（３Ｂ，３Ｃ）の光学軸（３２Ｂ，３２Ｄ）が直交している。二つの非相反部（１０ｆ，１０ｂ）のそれぞれのファラデー素子（２ｆ，２ｂ）は、実質的に同じものであり、印加される前後方向の磁界の向きに応じてファラーで回転角が前方から見て時計回り、あるいは反時計回りに４５度回転するように設定されている。それによって、図６に示した二つの非相反部（１０ｆ，１０ｂ）を直列配置した光学構成（以下、直列非相反部）１００に、光軸１１方向に磁界を印加する磁気回路部を加えて光シャッターを構成した場合、前方から後方に向かって光が入射すると、前後二つのファラデー素子（２ｆ，２ｂ）のファラデー回転角がともに前方から見て時計回りに４５度のとき、光シャッターは後方に光を透過させ、ファラデー回転角が反時計回りに４５度のときに光を遮断する。もちろん、光シャッターを構成するためのファラデー回転角や複屈折素子の光学軸方向などは、図６に示した構成に限らず、各種考えられる。いずれにしても、ファラデー素子（２ｆ，２ｂ）の前後に、複屈折素子（３Ａ−３Ｂ，３Ｃ−３Ｄ）などの偏光子を配置した非相反部１０を光軸１１に沿って直列配置する光学構成を基本として、コイル４からなる磁気回路部と、上記従来例１ｃ、第１実施例１ａ、および第２実施例１ｂが備える周辺構成とによって光シャッターを構成すればよい。
【００３５】
図７〜図９に、それぞれ、従来例１ｃ、第１実施例１ａ、および第２実施例１ｂを応用した光シャッター（１０１ｃ，１０１ａ，１０２ｂ）の構造を示した。なお、図７〜図９は、図６におけるｄ−ｄ矢視断面に相当する図である。各光シャッター（１０１ｃ，１０１ａ，１０１ｂ）は、図６に示した直列非相反部１００とコイル４とをケース５内に収納した構造であり、図７に示した従来例１ｃに対応する光シャッター（以下、従来シャッター）１０１ｃでは、基本的に、直列非相反部１００の周囲にコイル４を巻回しただけの構造となっている。
【００３６】
図８は、第１実施例１ａの応用形態に対応する光シャッター（以下、第３実施例）１０１ａを示しており、直列非相反部１００の前後に第１実施例１ａにおけるコア部６を配置した構造となっている。図９は、第２実施例１ｂの応用形態に対応する光シャッター（以下、第４実施例）１０１ｂの構造を示しており、第３実施例１０１ａに対し、二重筒状のケース５の内筒５２と外筒５１との間の空隙５３部分で、コイル４の形成領域４１の前後両端側に第２実施例１ｃで用いたものと同様の磁性材料７を充填している。
【００３７】
ここで、各光シャッター（１０１ｃ，１０１ａ，１０１ｂ）のうち、従来シャッター１０１ｃと第３実施例１０１ａについての磁気光学特性を評価した。評価方法は、それぞれの光シャッター（１０１ｃ，１０１ａ）に前方から光を入射するとともに、１Ｈｚの周期でコイル４に印加する電流の向きを反転させて光透過状態と遮光状態を交互に切り替えさせながら、光シャッターの後方に透過してきた光の光強度を測定することで行った。また、当該測定に際しては、各光シャッター（１０１ｃ，１０１ａ）の光透過時の光透過損失と遮光時における遮光率とが初期状態で同等なるように、従来シャッター１０１ｃについては５０ｍＡ、第３実施例１０１ａについては３０ｍＡの電流をそれぞれのコイル４に正逆方向に反転させながら流した。
【００３８】
図１０に、従来シャッター１０１ｃと第３実施例１０１ａにおける磁気光学特性をしめした。図１０（Ａ）は、光シャッター（１０１ｃ，１０１ａ）がコイル４に印加する電流の反転回数と遮光状態での遮光率との関係を示しており、（Ｂ）は、電流の反転回数と光透過状態での透過損失との関係を示している。図１０より、コイル４に印加する電流を正逆に一回反転させる動作を１サイクルとして、従来シャッター１０１ｃは、遮光状態では５０サイクル目あたりで、光透過状態では、３０サイクル目あたりで特性が急激に劣化しているのが確認できた。一方、第３実施例１０１ａは、光透過状態、遮光状態の双方において、３００サイクル目でも初期特性を維持していることが確認できた。なお、第４実施例１０１ｂの磁気光学特性については、評価するまでもなく、図５に示した各可変ファラデー回転子（１ｃ，１ａ，１ｂ）における起磁力特性から、第３実施例１０１ａの磁気光学特性よりも優れていることは自明である。以上により、第１実施例〜第４実施例に係る可変ファラデー回転子（１ａ,１ｂ）や光シャッター（１０１ａ，１０１ｂ）は、ファラデー素子（２，２ｆ，２ｂ）に高速で反転する磁界が随時印加されるような光通信用の機器に適用される場合であっても、その機器を安定して動作させることができる。とくに、第３実施例１０１ａと第４実施例１０１ｂでは、消光比が大きく、安定した動作が可能で、小型化も期待できるより実用的な光シャッターとして提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明は、例えば、光通信のための各種通信機器に適用することができる。
【符号の説明】
【００４０】
１ａ〜１ｃ 可変ファラデー回転子 ２，２ｆ，２ｂ ファラデー素子、３ｆ，３ｂ，３Ａ〜３Ｄ 複屈折素子、４ コイル、５ ケース ６ コア部（フェライトコア）、７ 磁性材料、１０ 非相反部、１１ 光軸、３１ 楔形の複屈折素子の頂部、３２ｆ，３２ｂ，３２Ａ〜３２Ｄ 複屈折素子の光学軸、４１ コイル形成領域、５１ 外筒、５２ 内筒、５３ 外筒と内筒との間の空隙、６１ コア部の中空部、１００ 直列非相反部、１０１ａ〜１０１ｃ 光シャッター
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光軸方向を前後方向として、磁気光学材料からなるファラデー素子の前後に複屈折素子が配置されている非相反部と、ファラデー素子に磁界を印加するための磁気回路部とを含んで構成されるファラデー回転子に関する。具体的には、磁気回路部にコイルを用いた可変ファラデー回転子に関する。また、可変ファラデー回転子を用いた光シャッターにも関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のごとく、物質に磁場をかけることにより、その物質に応じ、透過してきた光の偏光面が時計回りあるいは反時計回りに回転する現象がファラデー効果である。そして、以下では、ファラデー効果を利用して光の偏光面を回転さる光学部品をファラデー回転子と呼ぶことにする。そして、光学部品として実用可能なファラデー回転子は、希土類鉄ガーネット単結晶など、ファラデー回転係数（ベルデ定数）が大きく、優れたファラデー効果を有する磁気光学材料（以下、ファラデー素子）と、そのファラデー素子に磁界を印加するための磁気回路部とを含んで構成されている。
【０００３】
ところで、ファラデー回転子には、磁気回路部にコイルを用いるとともに、そのコイルに印加する電流の方向に応じてファラデー素子に印加する磁界の方向を反転させることで、入射光の偏光面の回転方向を逆転させることができる可変ファラデー回転子がある。そして、以下の特許文献１には、略Ｃ字状のヨークにコイルを巻回してなる電磁石を磁気回路として、その略Ｃ字状のヨークの磁気ギャップにファラデー素子が配置された可変ファラデー回転子について記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献２】特開平７−３０１７７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
周知のごとく、コイルが発生する磁界（磁束密度）Ｂは、コイルが巻回される物質の透磁率μとコイルの巻数ｎとコイルに印加する電流Ｉの積μ・ｎ・Ｉで表現される。そして、コイルが巻回される物質のμの値が一定である場合、大きな電流Ｉを印加すれば、コイルの巻数ｎは少なくて済むが、大きな電流Ｉを印加することで発熱量が大きくなる。ファラデー素子は、温度の上昇に伴ってベルデ定数が低下するので、コイルが発熱すると、可変ファラデー回転子のファラデー回転角が不安定になり、光学部品としての特性が劣化し、信頼性が低下する。
【０００６】
また、発熱量を抑えるために、コイルの巻数ｎを増やし、小さな電流値Ｉで磁気回路部を駆動すれば、今度は、コイルのサイズが大きくなり、可変ファラデー回転子自体の小型化はもちろん、可変ファラデー回転子が組み込まれる様々な光回路素子（光シャッター、光アッテネーターなど）や光回路素子を用いた製品（光通信用機器など）の小型化も困難となる。
【０００７】
上記のμの値が大きな高透磁率材料（フェライトコア、珪素鋼板など）からなるヨークにコイルを形成した磁気回路を用いることも考えられるが、その磁気回路は、上述した特許文献１に記載されている可変ファラデー回転子のように、光路を塞がないように配置する必要があり、磁気回路を光路から外れた場所に配置せざるを得ない。また、発生磁界を大きくするために、磁気回路の磁路長を長くする必要もあり、磁気回路自体も大型化する。すなわち、従来の可変ファラデー回転子は、小型化と動作安定性とが相反する。
【０００８】
したがって、本発明は、効率的に磁界を発生させて、小型化と動作安定性とを両立させた可変ファラデー回転子を提供することを目的としている。また、その可変ファラデー回転子が備える特徴的な構成や構造に基づいて、小型で動作安定性に優れた光シャッターを提供することも目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するための本発明は、光軸方向を前後方向として、磁気光学材料からなるファラデー素子と、当該ファラデー素子に磁界を印加するための磁気回路部とを含んで構成されるファラデー回転子であって、
前記ファラデー素子の前後に偏光子が配置されて非相反部が構成され、
前記光軸と一致する軸を有して前後に開口する中空筒状で、光路に沿って進行する光を中空部を介して通過させる高透磁率磁性材料からなるコア部が前記非相反部の前後にそれぞれ配置され、
前記磁気回路部は、前記光軸を螺旋軸として、前記非相反部と前記コア部の周囲に巻回されているコイルによって形成されている。
【００１０】
また、上記可変ファラデー回転子において、前記光軸を軸とした筒状の外筒の内側に中空筒状の内筒が同軸に配置された二重筒状のケースを備え、
前記内筒は前後に開口して、当該内筒の中空部に非相反部と前記コア部が収納され、
前記コイルが前記内筒の外周に巻回されて当該内筒と前記外筒との間の空隙に収納され、
前記内筒と前記外筒との間の空隙で、前記コイルの形成領域の前後に磁性材料が充填されている可変ファラデー回転子とすればより好ましい。
【００１１】
なお、上記いずれかの可変ファラデー素子において、前記コア部をフェライトコアとしたり、珪素鋼鈑で構成したりしてもよい。
【００１２】
本発明は、光シャッターにも及んでおり、当該光シャッターに係る発明は、光軸方向を前後方向として、磁気光学材料からなるファラデー素子の前後に光学軸が所定方向に偏光子が配置されてなる第１および第２の非相反部が前記光軸に沿って隣接して直列に配置されているとともに、当該第１および第２の非相反部の前記ファラデー素子に磁界を印加するための磁気回路部とを含んで構成され、
前記第１の非相反部の後方に第２の非相反部が直列配置され、前記光軸と一致する円筒軸を有する中空円筒状で、前記第１の非相反部の前方と、前記第２の非相反部の後方にそれぞれ高透磁率磁性材料からなるコア部が配置され、
前記磁気回路部は、前記光軸を螺旋軸として、前記直列配置されている前記第１および第２の非相反部と、前記コア部の周囲とに巻回されているコイルによって形成され、
前記コイルに印加する電流の方向によって前記光軸方向の磁界の方向を反転させることで、前記光軸に沿って所定の方向に進行する光を透過、あるいは遮断させる、
ことを特徴とする光シャッターとしている。
【００１３】
また、上記光シャッターにおいて、前記光軸を軸とした筒状の外筒の内側に中空筒状の内筒が同軸に配置された二重筒状のケースを備え、
前記内筒は前後に開口して、当該内筒の中空部に前記直列状態にある第１および第２の非相反部と前記コア部とが収納され、
前記コイルは、前記内筒の外周に巻回されて当該内筒と前記外筒との間の空隙に収納さ
前記内筒と前記外筒との間の空隙で、前記コイルの形成領域の前後に磁性材料が充填されている光シャッターとすれば、より好ましい。
【００１４】
そして、上記いずれかの光シャッターにおいて、前記コア部は、フェライトコアであってもよいし、珪素鋼鈑で構成されていてもよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の可変ファラデー回転子によれば、より強い磁界をファラデー素子に効率よく印加させることができ、結果的に、小型化と動作安定生とを高いレベルで両立させることができる。また、その可変ファラデー回転子の構成を応用した光シャッターは、ファラデー素子に強磁界を効率的に印加させることができるため、優れた遮光性能と透過性能を可逆的に安定して発揮できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】従来の可変ファラデー回転子の概略構造図である。
【図２】上記従来の可変ファラデー回転子を構成する各光学素子の特性の一例を示す図である。
【図３】第１実施例に係る可変ファラデー回転子の概略構造図である。
【図４】第２実施例に係る可変ファラデー回転子の概略構造図である
【図５】従来、第１実施例、および第２実施例のそれぞれの可変ファラデー回転子の起磁力特性を示す図である。
【図６】可変ファラデー回転子を応用した光シャッターにおける直列非相反部の構成を示す図である。
【図７】従来の光シャッターの構造を示す図である。
【図８】第３実施例に係る光シャッターの構造を示す図である。
【図９】第４実施例に係る光シャッターの構造を示す図である。
【図１０】従来の光シャッターと第３実施例の光シャッターの磁気光学特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
＝＝＝可変ファラデー回転子＝＝＝
本発明の実施例に係る可変ファラデー回転子の性能を評価するために、構造や構成が異なる可変ファラデー回転子を３種類作製した。作製した３種類の可変ファラデー回転子の一つは、従来の可変ファラデー回転子であり、図１に、その従来の可変ファラデー回転子（以下、従来例）１ｃの概略構造を示した。図１（Ａ）は、従来例１ｃの主要部を示す斜視図であり、（Ｂ）は、（Ａ）におけるａ−ａ矢視断面図である。すなわち、光軸１１方向を前後方向とするとともに、図１（Ａ）を前方上方からの斜視図として前後と上下を規定し、前方から光軸１１に沿って後方を見た状態で左右を規定すると、（Ｂ）は、従来例１ｃを、光軸１１を通り、前後上下方向の面と平行な断面を左方向から見たときの図である。なお、図１を含め、構造や構成を示した以下の図は、その構造や構成を説明するためのものであり、各構成要素のサイズの比率などは実際のものとは異なっている。
【００１８】
従来例１ｃは、図１（Ｂ）に示したように、（Ａ）に示した主要部が筒状のケース５内に収納された構造となっており、図示した例では、ケース５は、前後が開口する中空筒状で、外周にコイル４が巻回されるともに中空内部に非相反部１０が収納されている内筒５２と、当該第１実施例１ａの外装を構成する外筒５１とが同軸上に配置された二重筒状となっている。
【００１９】
主要部は、偏光子として、楔形ルチルからなる二つの複屈折素子（３ｆ，３ｂ）を用い、その二つの複屈折素子（３ｆ，３ｂ）をファラデー素子２の前後にそれぞれ一つずつ配置した非相反部１０と、この非相反部１０に磁界を印加する磁気回路部とによって構成されている。そして、ファラデー素子２における光の入射面および出射面の法線方向を光軸１１方向として、磁気回路部は、この光軸１１を螺旋軸としてファラデー素子２の周囲に巻回されているコイル４によって形成されている。すなわち、電源（図示せず）から供給される電流をコイル４の巻線に流すと、ファラデー素子２には、光軸１１方向に磁界が印加される構成となっている。
【００２０】
非相反部１０は、二つの楔形の複屈折素子（３ｆ，３ｂ）が、前後の幅が薄い頂部３１が互いに１８０度方向に向くように配置されてなり、図示した例では、二つの複屈折素子（３ｆ，３ｂ）は、ファラデー素子２側の面が光軸１１と直交して互いに平行となるように対面しつつ、前方の複屈折素子３ｆは、頂部３１から下方に向かって前方に傾斜し、後方の複屈折素子３ｂは、頂部３１を下方として、上方に向かって後方に傾斜している。また、二つの複屈折素子（３ｆ，３ｂ）の光学軸は、光軸１１と直交している。
【００２１】
以上の構成を備えた非相反部１０では、光軸１１と平行に前方から後方に進む光が前方の複屈折素子３ｆに入射すると互いに直交する二つの直線偏光である通常光と異常光に分離するとともに、下方に屈折し、その二つの直線偏光は、ファラデー素子２に入射するとさらに下方に屈折する。そして、ファラデー素子２を透過した光が後方の複屈折素子３ｂに入射すると、少なくとも、前方の複屈折素子３ｆにて分離した通常光と異常光に対応する光については、この後方の複屈折素子３ｂから光が後方に出射する際に、再度光軸１１と平行となる。なお、偏光子としては、上記楔形ルチルに限らず、光軸１１と直交する面を前後に有する複屈折性結晶や偏光板などを採用してもよい。
【００２２】
ところで、可変ファラデー回転子は磁気飽和状態におけるファラデー素子２の光軸１１回りのファラデー回転角と、二つの複屈折素子（３ｆ，３ｂ）の光学軸方向などの光学特性を適宜に設定しておけば、偏光を扱う様々な光学部品として機能する。例えば、従来例１ｃは、上記特許文献１にも記載されている光の透過と遮断を制御できる光シャッターとして機能する。
【００２３】
図２に、従来例１ｃを用いた光シャッターの例を示した。当該図２では、光シャッターとして機能する従来例１ｃの非相反部１０の構成を示している。図示した例では、光軸１１に沿って前方から後方に光を入射することとし、前方の複屈折素子３ｆの光学軸３２ｆは、左右方向に対して時計回りに２２．５度傾いており、後方の複屈折素子３ｂの光学軸３２ｂは、左右方向に対して反時計回りに２２．５度傾いている。すなわち、前後の複屈折素子（３ｆ，３ｂ）の光学軸（３２ｆ，３２ｂ）は４５度の角度で交差している。また、ファラデー素子２のファラデー回転角は、磁界の方向に応じて時計回り、あるいは反時計回りに４５度となっている。
【００２４】
しかしながら、図１に示した従来例１ｃでは、十分な磁界を発生させるために、コイル４に印加する電流を大きくする必要がある。また、その大きな電流によってコイル４を形成する導線が発熱し、その熱によってファラデー素子２の動作が不安定になる。すなわち、従来例１ｃを用いて光シャッターを構成すれば、ファラデー回転角が安定せず、十分な消光比を得ることができない。そして、ファラデー回転子は、光シャッターに限らず、様々な用途に用いられる基本的な光学部品であることから、可変ファラデー回転子には、小さな電流でも光軸１１方向に大きな磁界が得られるような構成が必要となる。
【００２５】
そこで、以下に、効率よく磁界を発生するための構成を備えた可変ファラデー回転子を例示する。図３（Ａ）は、その高効率の可変ファラデー回転子の一例（以下、第１実施例）１ａを前方上方から見たときの一部破断斜視図を示している。また、（Ｂ）に（Ａ）におけるｂ−ｂ矢視断面を示した。第１実施例１ａは、従来例１ｃと同様のケース５内に各種光学要素が収納された構造であり、非相反部１０の構成も、従来例１ｃと同様である。なお、（Ａ）では、部分的に（Ｂ）に示したハッチングを用いて、第１実施例１ａの各構成要素が容易に区別できるようにしている。
【００２６】
そして、第１実施例１ａでは、非相反部１０の前後に、高透磁率材料からなる中空筒状のコア部６が配置され、このコア部６の構造や配置が従来例１ｃと異なる大きな特徴となっている。コア部６は、前後両端が開口する円筒状で、前後方向に進行する光を中空部６１を介して通過させるように形成されている。なお、この例では、コア部６にフェライトコアを用いている。もちろん、コア部６は、フェライトコアに限らず、珪素鋼板などの他の高透磁率材料で形成されていてもよい。
【００２７】
このように、第１実施例１ａの構成では、実質的な透磁率μの値を大きくすることになり、従来例１ｃと同じ磁界を発生させるとすると、巻数ｎと電流値Ｉの積算値をμの値に反比例して小さくさせることができる。すなわち、磁気飽和させるための印加電流値を低減させることができる。それによって、これまで必要であった磁性ヨークなどが必要なくなり、小型化と低価格化を達成することができる。また、電流値を低減させることにより発熱量を抑え、ファラデー素子２を安定して動作させることができる。
【００２８】
図４は、効率よく磁界を発生するための構成を備えた可変ファラデー回転子のその他の例（以下、第２実施例）１ｂを示しており、図４（Ａ）は、当該第２実施例１ｂを前方上方から見たときの一部破断斜視図を示している。また、（Ｂ）は、（Ａ）におけるｃ−ｃ矢視断面図である。なお、図４（Ａ）では、前方から見たときの構造が分かりやすいように、同じ部材については、（Ｂ）と同じハッチングを用いて示している。第２実施例１ｂは、第１実施例１ａの構成とほぼ同様であるが、主要部を収納するケース５の内部構造に特徴を有している。具体的には、ケース５は、前後に開口する中空筒状で、光軸１１を軸とした筒状の外筒５１の内側に中空筒状の内筒５２が配置された二重筒状となっている。そして、内筒５２の外周と外筒５１の内周との間にコイル４が形成されている。なお、ここまでの構造は、従来例１ｃや第１実施例１ａにおけるケース５と実質的に同じである。しかし、第２実施例１ｂでは、内筒５２と外筒５１との間の空隙５３で、コイル４の形成領域４１の前後に磁性材料７が充填されている点が異なっている。すなわち、第２実施例１ｂでは、ケース５の前後両端に中空リング状の磁性材料７がコア部６の外周に配置されることになり、コイル４の前後両端における磁束の漏れを防止し、ファラデー素子２に対し、さらに効果的に磁界を印加することができるようになっている。なお、磁性材料７としては、フェライトコアや珪素鋼板などの高透磁率材料を用いてもよいが、第２実施例１ｂでは、透磁率μが２程度のより安価な磁性材料７を用いている。
【００２９】
ここで、上記従来例１ｃ、第１実施例１ａ、および第２実施例１ｂにおける起磁力特性を評価するために、コイル４中心部の磁束密度が２００ガウスとなるときのコイルの巻数ｎと電流値Ｉとの関係を調べた。図５に各可変ファラデー回転子（１ｃ，１ａ，１ｂ）の起磁力特性をグラフにして示した。なお、図５では、巻数ｎと電流値Ｉの積で表される起磁力も合わせて示している。図５に示したグラフより、第１実施例１ａは、従来例１ｃと比較して、同じ磁界を発生させるための巻数ｎや電流値Ｉを低下させることができ、第２実施例１ｂは、巻数ｎや電流値Ｉを第１実施例１ａよりも、さらに低下させることができた。
【００３０】
具体的には、巻数ｎを２５００とすると、従来例１ｃでは、２００ガウスの磁束密度を得るために、約６０ｍＡの電流Ｉが必要となる。コイル４を構成する導線の抵抗値は約１００Ω程度であるため、消費電力は、１００×０．０６２＝３６０ｍＷ程度となり、発熱したコイル４を放熱させることが難しい。そのため、従来例１ｃは、ファラデー素子２の温度依存特性が顕在化し、ファラデー回転角が不安定になる。
【００３１】
一方、第１実施例１ａでは、印加電流値は約４０ｍＡ程度で、となり、消費電力Ｐ＝１００×０．０４２＝１６０ｍＷ程度となり、従来例１ｃの１／２以下になる。したがって、温度の上昇を抑制することが十分に可能となる。さらに、第２実施例１ｂでは、印加電流値が約３０ｍＡ程度で、消費電力Ｐ＝１００×０．０３２＝９０ｍＷとなり、従来例１ｃの１／４程度となり、温度の上昇をさらに抑制することが可能となる。しかも、第２実施例１ｂは、第１実施例１ａに対し、安価な磁性材料７をケース５に充填するだけの構成で、極めて優れた発熱抑制効果を大きなコストアップを伴わずに得ることができる。もちろん、同じ磁束密度を同じ電流値で得ようとすれば、コイル４の巻数は、従来例１ｃ、第１実施例１ａ、第２実施例１ｂの順に少なくなり、磁束密度と電流値が規定されている場合には、第１実施例１ａや第２実施例１ｂは、従来例１ｃよりも小型化することが可能となる。
【００３２】
＝＝＝光シャッター＝＝＝
上述したように、構成が異なる三種類の可変ファラデー回転子（１ｃ，１ａ，１ｂ）は逸れも単体で光シャッターとして機能させることができ、印加する磁界と光シャッターにおける消光比とから各可変ファラデー回転子（１ｃ，１ａ，１ｂ）の磁気光学特性を評価することができる。しかし、非相反部１０を光軸１１に沿って二つ直列に配置して光シャッターを構成すると、先に図２に示したような、単体の可変ファラデー回転子からなる光シャッターよりも消光比を大きくすることができ、可変ファラデー回転子の磁気光学特性をより正確に評価することができる。そこで、非相反部１０を光軸１１に沿って直列に配置しつつ、上記三種類の可変ファラデー回転子（１ｃ，１ａ，１ｂ）のそれぞれの構造を基本とした三種類の光シャッターを作製し、各光シャッターの性能を評価した。また、その評価結果より，間接的に上記三種類の可変ファラデー回転子（１ｃ，１ａ，１ｂ）の磁気光学特性を評価した。
【００３３】
図６に、作製した三種類の光シャッターが備える二つの非相反部（１０ｆ，１０ｂ）の配置を示した。図６（Ａ）は、直列状態にある非相反部（１０ｆ，１０ｂ）における各光学素子（２ｆ，２ｂ，３Ａ〜３Ｄ）の配置を示す斜視図であり、（Ｂ）は、二つの非相反部（１０ｆ，１０ｂ）に含まれている四つの複屈折素子（３Ａ〜３Ｄ）の光学軸（３２Ａ〜３２Ｄ）の方向を示している。作製した光シャッターでは、図１、図３、図４のそれぞれに示したファラデー回転子（１ｃ，１ａ，１ｂ）に共通する非相反部１０を二つ用いている。そして、二つの非相反部（１０ｆ，１０ｂ）を光軸１１回りに互いに９０度の角度をなすように直列に配置している。それによって、前方から入射した光が屈折を繰り返して、光路が直列状態にある非相反部の形成領域から外れてしまわないようにしている。
【００３４】
また、前後の非相反部（１０ｆ、１０ｂ）のそれぞれにおける二つの複屈折素子（３Ａ−３Ｂ，３Ｃ−３Ｄ）の光学軸（３２Ａ−３２Ｂ，３２Ｃ−３２Ｄ）が、互いに４５度の角度で交差しているとともに、前方から数えて１番目と４番目の複屈折素子（３Ａ，３Ｄ）の光学軸（３２Ａ，３２Ｄ）、および前方から数えて２番目と３番目の複屈折素子（３Ｂ，３Ｃ）の光学軸（３２Ｂ，３２Ｄ）が直交している。二つの非相反部（１０ｆ，１０ｂ）のそれぞれのファラデー素子（２ｆ，２ｂ）は、実質的に同じものであり、印加される前後方向の磁界の向きに応じてファラーで回転角が前方から見て時計回り、あるいは反時計回りに４５度回転するように設定されている。それによって、図６に示した二つの非相反部（１０ｆ，１０ｂ）を直列配置した光学構成（以下、直列非相反部）１００に、光軸１１方向に磁界を印加する磁気回路部を加えて光シャッターを構成した場合、前方から後方に向かって光が入射すると、前後二つのファラデー素子（２ｆ，２ｂ）のファラデー回転角がともに前方から見て時計回りに４５度のとき、光シャッターは後方に光を透過させ、ファラデー回転角が反時計回りに４５度のときに光を遮断する。もちろん、光シャッターを構成するためのファラデー回転角や複屈折素子の光学軸方向などは、図６に示した構成に限らず、各種考えられる。いずれにしても、ファラデー素子（２ｆ，２ｂ）の前後に、複屈折素子（３Ａ−３Ｂ，３Ｃ−３Ｄ）などの偏光子を配置した非相反部１０を光軸１１に沿って直列配置する光学構成を基本として、コイル４からなる磁気回路部と、上記従来例１ｃ、第１実施例１ａ、および第２実施例１ｂが備える周辺構成とによって光シャッターを構成すればよい。
【００３５】
図７〜図９に、それぞれ、従来例１ｃ、第１実施例１ａ、および第２実施例１ｂを応用した光シャッター（１０１ｃ，１０１ａ，１０２ｂ）の構造を示した。なお、図７〜図９は、図６におけるｄ−ｄ矢視断面に相当する図である。各光シャッター（１０１ｃ，１０１ａ，１０１ｂ）は、図６に示した直列非相反部１００とコイル４とをケース５内に収納した構造であり、図７に示した従来例１ｃに対応する光シャッター（以下、従来シャッター）１０１ｃでは、基本的に、直列非相反部１００の周囲にコイル４を巻回しただけの構造となっている。
【００３６】
図８は、第１実施例１ａの応用形態に対応する光シャッター（以下、第３実施例）１０１ａを示しており、直列非相反部１００の前後に第１実施例１ａにおけるコア部６を配置した構造となっている。図９は、第２実施例１ｂの応用形態に対応する光シャッター（以下、第４実施例）１０１ｂの構造を示しており、第３実施例１０１ａに対し、二重筒状のケース５の内筒５２と外筒５１との間の空隙５３部分で、コイル４の形成領域４１の前後両端側に第２実施例１ｃで用いたものと同様の磁性材料７を充填している。
【００３７】
ここで、各光シャッター（１０１ｃ，１０１ａ，１０１ｂ）のうち、従来シャッター１０１ｃと第３実施例１０１ａについての磁気光学特性を評価した。評価方法は、それぞれの光シャッター（１０１ｃ，１０１ａ）に前方から光を入射するとともに、１Ｈｚの周期でコイル４に印加する電流の向きを反転させて光透過状態と遮光状態を交互に切り替えさせながら、光シャッターの後方に透過してきた光の光強度を測定することで行った。また、当該測定に際しては、各光シャッター（１０１ｃ，１０１ａ）の光透過時の光透過損失と遮光時における遮光率とが初期状態で同等なるように、従来シャッター１０１ｃについては５０ｍＡ、第３実施例１０１ａについては３０ｍＡの電流をそれぞれのコイル４に正逆方向に反転させながら流した。
【００３８】
図１０に、従来シャッター１０１ｃと第３実施例１０１ａにおける磁気光学特性をしめした。図１０（Ａ）は、光シャッター（１０１ｃ，１０１ａ）がコイル４に印加する電流の反転回数と遮光状態での遮光率との関係を示しており、（Ｂ）は、電流の反転回数と光透過状態での透過損失との関係を示している。図１０より、コイル４に印加する電流を正逆に一回反転させる動作を１サイクルとして、従来シャッター１０１ｃは、遮光状態では５０サイクル目あたりで、光透過状態では、３０サイクル目あたりで特性が急激に劣化しているのが確認できた。一方、第３実施例１０１ａは、光透過状態、遮光状態の双方において、３００サイクル目でも初期特性を維持していることが確認できた。なお、第４実施例１０１ｂの磁気光学特性については、評価するまでもなく、図５に示した各可変ファラデー回転子（１ｃ，１ａ，１ｂ）における起磁力特性から、第３実施例１０１ａの磁気光学特性よりも優れていることは自明である。以上により、第１実施例〜第４実施例に係る可変ファラデー回転子（１ａ,１ｂ）や光シャッター（１０１ａ，１０１ｂ）は、ファラデー素子（２，２ｆ，２ｂ）に高速で反転する磁界が随時印加されるような光通信用の機器に適用される場合であっても、その機器を安定して動作させることができる。とくに、第３実施例１０１ａと第４実施例１０１ｂでは、消光比が大きく、安定した動作が可能で、小型化も期待できるより実用的な光シャッターとして提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明は、例えば、光通信のための各種通信機器に適用することができる。
【符号の説明】
【００４０】
１ａ〜１ｃ 可変ファラデー回転子 ２，２ｆ，２ｂ ファラデー素子、３ｆ，３ｂ，３Ａ〜３Ｄ 複屈折素子、４ コイル、５ ケース ６ コア部（フェライトコア）、７ 磁性材料、１０ 非相反部、１１ 光軸、３１ 楔形の複屈折素子の頂部、３２ｆ，３２ｂ，３２Ａ〜３２Ｄ 複屈折素子の光学軸、４１ コイル形成領域、５１ 外筒、５２ 内筒、５３ 外筒と内筒との間の空隙、６１ コア部の中空部、１００ 直列非相反部、１０１ａ〜１０１ｃ 光シャッター
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光軸方向を前後方向として、磁気光学材料からなるファラデー素子と、当該ファラデー素子に磁界を印加するための磁気回路部とを含んで構成されるファラデー回転子であって、
前記ファラデー素子の前後に偏光子が配置されて非相反部が構成され、
前記光軸と一致する軸を有して前後に開口する中空筒状で、光路に沿って進行する光を中空部を介して通過させる高透磁率磁性材料からなるコア部が前記非相反部の前後にそれぞれ配置され、
前記磁気回路部は、前記光軸を螺旋軸として、前記非相反部と前記コア部の周囲に巻回されているコイルによって形成されている、
ことを特徴とする可変ファラデー回転子。
【請求項２】
請求項１において、
前記光軸を軸とした筒状の外筒の内側に中空筒状の内筒が同軸に配置された二重筒状のケースを備え、
前記内筒は前後に開口して、当該内筒の中空部に非相反部と前記コア部が収納され、
前記コイルは、前記内筒の外周に巻回されて当該内筒と前記外筒との間の空隙に収納され、
前記内筒と前記外筒との間の空隙で、前記コイルの形成領域の前後に磁性材料が充填されている、
ことを特徴とする可変ファラデー回転子。
【請求項３】
請求項１または２において、前記コア部は、フェライトコアであることを特徴とする可変ファラデー回転子。
【請求項４】
請求項１または２において、前記コア部は、珪素鋼鈑で構成されていることを特徴とする可変ファラデー回転子。
【請求項５】
光軸方向を前後方向として、磁気光学材料からなるファラデー素子の前後に光学軸が所定方向に偏光子が配置されてなる第１および第２の非相反部が前記光軸に沿って隣接して直列に配置されているとともに、当該第１および第２の非相反部の前記ファラデー素子に磁界を印加するための磁気回路部とを含んで構成され、
前記第１の非相反部の後方に第２の非相反部が直列配置され、前記光軸と一致する円筒軸を有する中空円筒状で、前記第１の非相反部の前方と、前記第２の非相反部の後方にそれぞれ高透磁率磁性材料からなるコア部が配置され、
前記磁気回路部は、前記光軸を螺旋軸として、前記直列配置されている前記第１および第２の非相反部と、前記コア部の周囲とに巻回されているコイルによって形成され、
前記コイルに印加する電流の方向によって前記光軸方向の磁界の方向を反転させることで、前記光軸に沿って所定の方向に進行する光を透過、あるいは遮断させる、
ことを特徴とする光シャッター。
【請求項６】
請求項３において、
前記光軸を軸とした筒状の外筒の内側に中空筒状の内筒が同軸に配置された二重筒状のケースを備え、
前記内筒は前後に開口して、当該内筒の中空部に前記直列状態にある第１および第２の非相反部と前記コア部とが収納され、
前記コイルは、前記内筒の外周に巻回されて当該内筒と前記外筒との間の空隙に収納され、
前記内筒と前記外筒との間の空隙で、前記コイルの形成領域の前後に磁性材料が充填されている、
ことを特徴とする光シャッター。
【請求項７】
請求項５または６において、前記コア部は、フェライトコアであることを特徴とする光シャッター。
【請求項８】
請求項５または６において、前記コア部は、珪素鋼鈑で構成されていることを特徴とする光シャッター。
【請求項１】
光軸方向を前後方向として、磁気光学材料からなるファラデー素子と、当該ファラデー素子に磁界を印加するための磁気回路部とを含んで構成されるファラデー回転子であって、
前記ファラデー素子の前後に偏光子が配置されて非相反部が構成され、
前記光軸と一致する軸を有して前後に開口する中空筒状で、光路に沿って進行する光を中空部を介して通過させる高透磁率磁性材料からなるコア部が前記非相反部の前後にそれぞれ配置され、
前記磁気回路部は、前記光軸を螺旋軸として、前記非相反部と前記コア部の周囲に巻回されているコイルによって形成されている、
ことを特徴とする可変ファラデー回転子。
【請求項２】
請求項１において、
前記光軸を軸とした筒状の外筒の内側に中空筒状の内筒が同軸に配置された二重筒状のケースを備え、
前記内筒は前後に開口して、当該内筒の中空部に非相反部と前記コア部が収納され、
前記コイルは、前記内筒の外周に巻回されて当該内筒と前記外筒との間の空隙に収納され、
前記内筒と前記外筒との間の空隙で、前記コイルの形成領域の前後に磁性材料が充填されている、
ことを特徴とする可変ファラデー回転子。
【請求項３】
請求項１または２において、前記コア部は、フェライトコアであることを特徴とする可変ファラデー回転子。
【請求項４】
請求項１または２において、前記コア部は、珪素鋼鈑で構成されていることを特徴とする可変ファラデー回転子。
【請求項５】
光軸方向を前後方向として、磁気光学材料からなるファラデー素子の前後に光学軸が所定方向に偏光子が配置されてなる第１および第２の非相反部が前記光軸に沿って隣接して直列に配置されているとともに、当該第１および第２の非相反部の前記ファラデー素子に磁界を印加するための磁気回路部とを含んで構成され、
前記第１の非相反部の後方に第２の非相反部が直列配置され、前記光軸と一致する円筒軸を有する中空円筒状で、前記第１の非相反部の前方と、前記第２の非相反部の後方にそれぞれ高透磁率磁性材料からなるコア部が配置され、
前記磁気回路部は、前記光軸を螺旋軸として、前記直列配置されている前記第１および第２の非相反部と、前記コア部の周囲とに巻回されているコイルによって形成され、
前記コイルに印加する電流の方向によって前記光軸方向の磁界の方向を反転させることで、前記光軸に沿って所定の方向に進行する光を透過、あるいは遮断させる、
ことを特徴とする光シャッター。
【請求項６】
請求項３において、
前記光軸を軸とした筒状の外筒の内側に中空筒状の内筒が同軸に配置された二重筒状のケースを備え、
前記内筒は前後に開口して、当該内筒の中空部に前記直列状態にある第１および第２の非相反部と前記コア部とが収納され、
前記コイルは、前記内筒の外周に巻回されて当該内筒と前記外筒との間の空隙に収納され、
前記内筒と前記外筒との間の空隙で、前記コイルの形成領域の前後に磁性材料が充填されている、
ことを特徴とする光シャッター。
【請求項７】
請求項５または６において、前記コア部は、フェライトコアであることを特徴とする光シャッター。
【請求項８】
請求項５または６において、前記コア部は、珪素鋼鈑で構成されていることを特徴とする光シャッター。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１３−４１０９５（Ｐ２０１３−４１０９５Ａ）
【公開日】平成２５年２月２８日（２０１３．２．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７７６７５（Ｐ２０１１−１７７６７５）
【出願日】平成２３年８月１５日（２０１１．８．１５）
【出願人】（０００２３７７２１）ＦＤＫ株式会社 (449)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月２８日（２０１３．２．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月１５日（２０１１．８．１５）
【出願人】（０００２３７７２１）ＦＤＫ株式会社 (449)
【Ｆターム（参考）】
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