磁気光学光変調器
【課題】可視光帯で用いる磁気光学光変調器の消光比を改善し、表示デバイスにおける表示のコントラストを大きくする。
【解決手段】偏光子１０と磁気光学結晶１２と検光子１６を、その順に光が進行するように光路中に配置し、磁気光学結晶は希土類鉄ガーネット単結晶からなり、磁気光学結晶に可変磁界を印加する可変磁界印加手段で磁気光学結晶の磁化方向を制御することにより、検光子から出力する透過光量を可変する磁気光学光変調器である。磁気光学結晶と検光子との間に直線位相子１４を挿入し、検光子からの透過光量が最小となる状態のときに、前記直線位相子は、それを光入射面内で回転させたときに直線位相子透過後の偏光の楕円率が最小となる角度に設定され、前記検光子は、直線位相子を透過した楕円偏光の長軸に対して検光子透過軸が直交するように設置されている。
【解決手段】偏光子１０と磁気光学結晶１２と検光子１６を、その順に光が進行するように光路中に配置し、磁気光学結晶は希土類鉄ガーネット単結晶からなり、磁気光学結晶に可変磁界を印加する可変磁界印加手段で磁気光学結晶の磁化方向を制御することにより、検光子から出力する透過光量を可変する磁気光学光変調器である。磁気光学結晶と検光子との間に直線位相子１４を挿入し、検光子からの透過光量が最小となる状態のときに、前記直線位相子は、それを光入射面内で回転させたときに直線位相子透過後の偏光の楕円率が最小となる角度に設定され、前記検光子は、直線位相子を透過した楕円偏光の長軸に対して検光子透過軸が直交するように設置されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、偏光子と希土類鉄ガーネット単結晶からなる磁気光学結晶と検光子を、その順に光が進行するように光路中に配置し、磁気光学結晶のファラデー効果を利用して検光子から出力する透過光量を可変する磁気光学光変調器に関し、更に詳しく述べると、磁気光学結晶と検光子との間に直線位相子を挿入し、偏光子による直線偏光が、磁気光学結晶を透過することによって生じる楕円偏光を、直線位相子によって直線偏光に戻して検光子に入力するように構成した磁気光学光変調器に関するものである。この技術は、例えば表示デバイスに用いる光強度変調器のコントラスト改善に有用である。
【背景技術】
【０００２】
光変調器は、透過光の強度を変調する光デバイスであり、駆動方式によって、音響光学方式、電気光学方式、及び磁気光学方式などがある。音響光学方式は、原理的には超音波による屈折率分布によって回折格子を形成させるため、消費電力が大きく、相当大きな電源が必要となる。電気光学方式の場合は、電気光学効果を利用するものであり、オン−オフのコントラスト比を大きくするには、電圧を印加する範囲を長くとる（即ち素子の光路長を長くする）必要があり、大型化が避けられない。それらに対して磁気光学方式は、ファラデー効果を利用するもので、光路長の短縮、低コスト化、低消費電力化の可能性があり、他の方式に比べて遙かに有利と考えられている。
【０００３】
磁気光学方式の公知例としては、特許文献１に示されているような、光通信で使用する磁気光学光変調器がある。磁気光学光変調器は、光路中に、偏光子と磁気光学素子と検光子を、その順に配置し、前記磁気光学素子のファラデー効果を利用して検光子からの出力光量を変調するように構成されている。磁気光学素子は、磁気光学材料と、それに磁界を印加する磁界印加手段などからなる。ここで磁気光学材料としては、典型的には希土類鉄ガーネット結晶が用いられている。
【０００４】
ところで、携帯電話機程度のサイズあるいは眼鏡等に装着できる超小型のレーザプロジェクタが開発されている。いずれも小型のレーザと光線走査装置を使って、投影面上で光を高速に動かすことによる残像効果を利用して映像を投影するものである。これらにおいて、カラー映像を投影するためには、当然のことながらＲＧＢの３色の光源を必要とし、それらのうちＲ（赤色）とＢ（青色）については発光強度を直接制御できるデバイス（半導体レーザ）が確立している。しかし、Ｇ（緑色）については、現在のところ、そのようなデバイスはなく、半導体励起レーザの第２高調波発生（ＳＨＧ）のレーザを使用することが有望視されている。しかしながら、電源の制御（厳密な素子の温度制御を含む）を行わないと発振効率が著しく低下してしまうため、Ｇ（緑色）については、緑色の安定したレーザ発振の後、光源からの光強度を外部光変調器によって変調する方式が採用される。
【０００５】
このような表示デバイスでは、可視光帯（例えば緑色光：波長５３２ｎｍ）の光を取り扱うことになるが、外部光変調器として上記のような従来の磁気光学光変調器を採用すると、消光比（最大強度と最小強度の比）は２０ｄＢ程度以下に止まり、期待する値ほど高くならない。因みに、光通信の光アイソレータなどに使われている磁気光学結晶（希土類鉄ガーネット結晶）では４０ｄＢ以上の消光比が得られている。消光比が悪いということは、表示デバイスにおいては表示のコントラストが低くなることを意味し、表示デバイスを高性能化できないという問題を生じる。
【特許文献１】特許第４０５６７２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、可視光帯で用いる磁気光学光変調器の消光比を改善し、表示デバイスにおける表示のコントラストを大きくすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
可視光帯で用いる磁気光学光変調器の消光比が低い原因は、磁気光学結晶での光吸収による磁気円２色性にある。即ち、磁気光学結晶である希土類鉄ガーネット単結晶は、例えば緑色光（波長５３２ｎｍ）では光吸収により１〜２ｄＢ／μｍ程度もの大きな吸収損失が生じる。そのため、偏光子からの直線偏光は、磁気光学結晶を透過する際に、偏光面が回転するだけでなく、光の鈍り（リタデーション）が生じて楕円偏光になる。その楕円偏光が検光子に入力すると、楕円偏光の長軸方向に対して検光子透過軸が直交していても、楕円偏光の短軸成分が検光子から出力し、最小透過光量が大きくなってしまう。これが、可視光帯で用いる磁気光学光変調器の消光比が低い原因である。そこで本発明では、磁気光学結晶を透過した楕円偏光を直線位相子によって直線偏光に戻し、それによって最小透過光量を極力低く抑えるように工夫されている。
【０００８】
即ち本発明は、偏光子と磁気光学結晶と検光子を、その順に光が進行するように光路中に配置し、前記磁気光学結晶は希土類鉄ガーネット単結晶からなり、該磁気光学結晶に磁界を印加する可変磁界印加手段で磁気光学結晶の磁化方向を制御することにより、検光子から出力する透過光量を可変する磁気光学光変調器において、磁気光学結晶と検光子との間に直線位相子を挿入し、検光子からの透過光量が最小となる状態のときに、前記直線位相子は、それを光入射面内で回転させたときに直線位相子透過後の偏光の楕円率が最小となる角度に設定され、前記検光子は、直線位相子を透過した楕円偏光の長軸に対して検光子透過軸が直交するように設置されていることを特徴とする磁気光学光変調器である。なお、光路は必ずしも一方向の直線である必要はなく，途中にミラー等の反射による折り返しがあってもよい。
【０００９】
また本発明は、偏光子と磁気光学結晶と検光子を、その順に光が進行するように光路中に配置し、前記磁気光学結晶は希土類鉄ガーネット単結晶からなり、該磁気光学結晶に高周波磁界を印加するコイルによって光進行方向に対する磁気光学結晶の磁化方向を制御することにより、検光子から出力する透過光量を変調する磁気光学光変調器において、磁気光学結晶と検光子との間に直線位相子を挿入し、磁気光学結晶に印加される高周波磁界の光進行方向と同方向もしくは逆方向の成分が最大となる状態のときに、前記直線位相子は、それを光入射面内方向で回転させたときに直線位相子透過後の偏光の楕円率が最小となる角度に設定され、前記検光子は、直線位相子を透過した楕円偏光の長軸に対して検光子透過軸が直交するように設置されていることを特徴とする磁気光学光変調器である。
【００１０】
前記磁気光学結晶は、非磁性基板上に液相エピタキシャル成長させた希土類鉄ガーネット単結晶をアニール処理（熱処理）したものであり、該磁気光学結晶を中心に同心状にコイルが巻回され、該コイルに高周波電流を通電することにより、磁気光学結晶の光入射面に対して垂直方向の高周波磁界が印加されるようにするのが好ましい。
【００１１】
前記直線位相子は、その位相差δが、
δmin ＋ｎπ≦δ≦（ｎ＋１）π−δmin
δmin ＝１．５×ｄ×α
但し、
ｎ＝０，１，２，・・・
ｄ：磁気光学結晶内の光路の入射面垂直成分長（μｍ）
α：透過光の吸収係数（ｄＢ／μｍ）
を満たすものとする。ここで、磁気光学結晶内の光路の入射面垂直成分長（以下、垂直光路長と表記する）とは、例えば偏光子と、磁気光学結晶と、直線位相子と、検光子とが直線的に配列されている場合（後述する図２のような構成）は、光は磁気光学結晶内を１回透過するだけであるから，磁気光学結晶の厚さとなる。これに対し，磁気光学結晶の背面にミラー等を設置し，光が反射して再び入射面から出射する場合は、光は磁気光学結晶内を２回通過するため、磁気光学結晶の厚さの２倍となる。
【００１２】
希土類鉄ガーネット単結晶の組成は、
（ＲＢｉ）3 （ＦｅＭ）5 Ｏ12
但し、Ｒ：１種以上の希土類元素、Ｍ：Ｇａ，Ａｌ，Ｉｎから選ばれる１種以上の元素
であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る磁気光学光変調器は、光路中の磁気光学結晶と検光子との間に直線位相子が挿入され、該直線位相子は、最小透過光量状態で、直線位相子を光入射面内で回転させたときに該直線位相子透過後の偏光の楕円率が最小となる角度に設定されているので、楕円偏光が直線偏光もしくはそれに極めて近い状態（楕円率が非常に小さい状態）に戻り、他方、検光子は、直線位相子を透過した楕円偏光の長軸に対して検光子透過軸が直交するように設置されているので、最小透過光量を非常に低く抑えることができる。その結果、消光比が大幅に改善され、表示ディスプレイに適用した場合にはコントラストが大幅に向上する。因みに、直線位相子が無い場合にはコントラストが２０ｄＢ未満であるが、直線位相子を配置することにより４０ｄＢ以上にすることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１は、本発明に係る磁気光学光変調器の構成と動作を示す説明図である。磁気光学光変調器は、偏光子１０と、希土類鉄ガーネット単結晶からなる磁気光学結晶１２と、直線位相子１４と、検光子１６とが、その順に光が進行するように配置されている。ここで、直線位相子１４は、最小透過光量状態において、直線位相子を光入射面内で回転させたときに該直線位相子透過後の偏光の楕円率が最小となる向きに設定されており、検光子１６は、直線位相子１４を透過した楕円偏光の長軸に対して検光子透過軸が直交するように設置されている。
【００１５】
磁気光学光変調器へ入射する可視光（例えば波長５３２ｎｍの緑色光）は、偏光子１０を通過することによって直線偏光になる。図１の例では、偏光子透過軸１０ａが水平方向であるため、偏光子１０を透過した光は水平方向の直線偏光になっている。この直線偏光が、外部からの印加磁界により光の進行方向と同方向あるいは逆方向に磁化されている磁気光学結晶（希土類鉄ガーネット単結晶）１２を通過すると、偏光面が回転（ファラデー回転）する。それと同時に、磁気光学結晶１２での光吸収（１〜２ｄＢ／μｍ程度の吸収損失）のために光が鈍る。これらによって、磁気光学結晶１２を通過すると、入射した直線偏光は、主軸（長軸）が回転した楕円偏光となる。
【００１６】
図１において、Ａは最小透過光量が得られる状態（光遮断）の動作を、Ｂは最大透過光量が得られる状態（光透過）の動作を、それぞれ表している。Ａでは、外部からの印加磁界方向（白抜き矢印で示す）は光の進行方向と同方向であり、そのとき主軸は時計回りに回転するものとする。ここでは時計回りを正と定義する。それに対して、Ｂでは、外部からの印加磁界方向（白抜き矢印で示す）は光の進行方向と逆方向であり、主軸の回転方向は反時計回りとなる。但し、光の進行方向に外部磁界を印加した場合に必ず主軸の回転方向が時計回りになるということではなく、印加磁界方向が反転すれば、回転方向も反転するということである。主軸の回転角は、単位長さ当たりの回転角θF と垂直光路長ｄの積となる。
【００１７】
図１のＡ（光遮断）では、磁気光学結晶１２からの楕円偏光が、直線位相子１４を通過することにより、適当な位相差が与えられてほぼ直線偏光（直線偏光と見なせるほどに楕円率は非常に小さくなる）に戻る。この直線偏光の偏光軸（楕円偏光の主軸）に対して、検光子透過軸１６ａが直交するように配置されているので、検光子１６から出力する透過光量は極めて小さくなる。それに対して、図１のＢ（光透過）の場合には、磁気光学結晶１２からの楕円偏光が直線位相子１４を通過することにより、逆に楕円率は若干大きくなる。そして、その楕円偏光の検光子透過軸成分が、検光子１６を透過することになる。
【００１８】
因みに、図１のＡ（光遮断）において直線位相子が無い場合を想定すると、磁気光学結晶通過後の楕円偏光の長軸に対して検光子透過軸を直交させる場合に最も検光子透過光量を小さくすることができるが、その場合でも楕円偏光の短軸成分は検光子を通過してしまうため最小透過光量を小さくできない。光変調器としては、光の変調幅、つまり最大透過光量Ｐmax と最小透過光量Ｐmin の比であるコントラストＰmin ／Ｐmax が大きいことが重要である。しかし、上記のように、直線位相子が無い場合には最小透過光量を小さくできないので、コントラストの向上は望めないことになる。
【００１９】
コントラストに影響する要因としては、回転角の可変幅と偏光の楕円率がある。楕円偏光と検光子透過軸１６ａの関係を、図１のＣに示す。検光子を通過する光量Ｐは、楕円偏光の長軸をＩmax 、短軸をＩmin とすると、
Ｐ＝（Ｉmax cosα＋Ｉmin sinα）2 ・・・（１）
となる。ここでαは、楕円偏光の長軸と検光子透過軸とのなす角度である。上記（１）式より、透過光量を最小にするには、α＝π／２で、且つＩmin を小さくすることである。αは検光子透過軸の設定角度であるので、楕円偏光の長軸と直交方向に設置することが適当である。Ｉmin は、偏光の楕円率と関係しており、楕円率が小さいこと（直線偏光であること）が望ましいことになる。
【００２０】
そのため本発明では、直線位相子によって楕円率の小さい偏光に戻し、検光子透過軸を楕円偏光長軸と直交させている。その場合の最小透過光量Ｐmin は次式で表される。
Ｐmin ＝［Ｉmax cos（π／２）＋Ｉmin sin（π／２）］2
＝（Ｉmin ）2 ・・・（２）
以上のことから、最小透過光量は偏光の楕円率と直結しており、楕円率を小さくすることが重要であることが分かる。
【００２１】
他方、透過光量を最大にするには、α＝０で、且つＩmax を大きくする必要がある。本発明ではα＝π／２に設定しているので、透過光量は、上記（２）式より、
Ｐmax ＝［Ｉmax cos（π／２＋ｘ）＋Ｉmin sin（π／２＋ｘ）］2 ・・・（３）
となる。ここでｘは偏光面の変化量であり、本発明の場合は、正方向に磁界を印加したときの磁気光学結晶透過による回転角θF ｄと直線位相子通過による回転Ｌa の和と、逆方向に磁界を印加したときの磁気光学結晶通過による回転角−θF ｄと直線位相子通過による回転Ｌb の和との差になる。よって、（３）式は、次式のように変換される。
Ｐmax ＝｛Ｉmax sin［２θF ｄ＋（Ｌa −Ｌb ）］＋Ｉmin cos［２θF ｄ＋（Ｌa −Ｌb ）］｝2
これより、最大透過光量Ｐmax の条件としては、［２θF ｄ＋（Ｌa −Ｌb ）］＝π／２で、且つＩmax が大きいこととなる。
【００２２】
しかし、Ｉmax は磁気光学結晶の吸収に依存しているため、垂直光路長ｄを大きくすることは、回転角をπ／２に近づけることにより角度ずれロスを小さくすることと、吸収でＩmax が小さくなることによるロス増加の両面を持つため、その兼ね合いによる適当な膜厚ｄが存在し、最大透過光量Ｐmax のとき、［２θF ｄ＋（Ｌa −Ｌb ）］＝π／２とはならない場合もある。
【００２３】
本発明で重要なことは、光の鈍りを補正するために挿入した直線位相子がＩmax 及び回転角差へ与える影響である。Ｉmax に対しては、Ｉmax ＞＞ΔＩであり、影響は小さい。ここでΔＩは、直線位相子透過直前のＩ’max と直線位相子透過後のＩmax の差である。このΔＩは、Ｐmin と同程度の大きさであり、そのためＰmin を小さくすることには大きく寄与する。回転角差に対しても、２θF ｄ＞＞（Ｌa −Ｌb ）であり、影響は小さい。これより、直線位相子を挿入することは、Ｐmin を小さくすることの効果のみがあり、その他に悪影響は与えない点で優れている。
【００２４】
測定に用いた本発明の具体的構成例を図２に示す。この磁気光学光変調器も、偏光子１０と、希土類鉄ガーネット単結晶からなる磁気光学結晶１２と、直線位相子１４と、検光子１６とが、その順に光が進行するように光路中に配置されている。磁気光学結晶１２の外側に、円筒状の鉄心とコイルから形成される電磁石２０を配置し、−４０〜４０ｋＡ／ｍの磁界が印加できるように構成する。直線位相子１４は、波長５３２ｎｍの緑色光における位相差が６．８度であり、電磁石２０の磁界を＋４０ｋＡ／ｍにしたときに、磁気光学結晶（希土類鉄ガーネット単結晶）１２を透過した光の主軸（長軸）と該直線位相子１４の進相軸を合わせるように設置する。合わせる方法は、直線位相子が無い状態で、磁界を＋４０ｋＡ／ｍにして、検光子１６を光入射面内で回転させ、透過光量が最小になる角度で固定し、その状態で直線位相子１４を磁気光学結晶１２と検光子１６の間に挿入し、直線位相子１４を光入射面内で回転させて、検光子１６を透過する光量が最小になるようにする方法である。なお、磁気光学結晶１２は、（ＣａＧｄ）3 （ＭｇＺｒＧａ）5 Ｏ12で表される非磁性基板２２上に、液相エピタキシャル法により育成したものである。その組成は（ＧｄＹＢｉ）3 （ＦｅＧａ）5 Ｏ12、膜厚は３μｍである。なお、磁気光学結晶（希土類鉄ガーネット単結晶）は、育成後にトップ温度１０００℃で１０時間アニール処理（熱処理）してある。
【００２５】
このような測定系を用いて、直線位相子が無い場合（従来方式）と直線位相子が有る場合（本発明）について、波長５３２ｎｍで１ｍＷの光を入射したときの、ファラデー回転角と消光比の磁界依存性測定した。測定は、検光子を回転させる回転検光子法を用いた。測定結果を図３〜４に示す。いずれもＡは直線位相子が無い場合（従来方式）、Ｂは直線位相子が有る場合（本発明）である。
【００２６】
従来方式（直線位相子が無い場合）では、ファラデー回転角は、図３のＡに示すように±１４．６度で飽和し、その可変幅は２９．２度であった。消光比は、図４のＡに示すように、ファラデー回転角の絶対値が大きくなるに従い小さくなった。絶対値が１４．６度のときは２４．５ｄＢであった。続いて、磁界を＋４０ｋＡ／ｍにして、検光子を光入射面内で回転させ、透過光量が最小になる角度で固定した。この状態で磁界を−４０ｋＡ／ｍ〜＋４０ｋＡ／ｍまで可変させ、透過光量を測定した。その結果、図５のＡに示すように、最大透過光量は−１０．７ｄＢｍ、コントラストは１８．２ｄＢであった。
【００２７】
本発明（直線位相子が有る場合）では、図３のＡとＢとの比較から、ファラデー回転角は殆ど変わっていない。これに対して、消光比についてみると、図４のＡとＢとの比較から、本発明では、プラス磁界側の飽和値が大きくなり、マイナス磁界側の飽和値は小さくなったことが分かる。続いて、磁界を＋４０ｋＡ／ｍにして、検光子を光入射面内で回転させ、透過光量が最小になる角度で固定した状態で、磁界を−４０ｋＡ／ｍ〜＋４０ｋＡ／ｍまで可変させ、透過光量を測定すると、図５のＢに示すように、最大透過光量は−１０．５ｄＢｍ、コントラストは４４．０ｄＢであった。
【００２８】
これらの測定結果から、本発明は従来方式（直線位相子が無い場合）と比較して、コントラストを大幅に改善できることが確認できた。なお、コントラストを大幅に改善できたのは、直線位相子を挿入したことにより、プラス磁界側の消光比の飽和値が大きくなり、その状態で光を遮断する角度に検光子を設置しているためである。また、最大透過光量が従来方式と同程度の値であったことは、直線位相子挿入により、マイナス磁界側での消光比飽和値の劣化の影響が殆どないことを示している。
【００２９】
ここで、直線位相子の位相差を６．８度に設定したのは、そのときに最もコントラストを大きくできるからである。この最適な位相差は、希土類鉄ガーネット単結晶の吸収係数と垂直光路長に関係する考えられる。そこで、吸収係数や垂直光路長の異なるものについて、図２の測定系を用いて、コントラストが最大になるときの位相差を調べた。ここで、直線位相子と検光子の設置方法は上記と同じである。また、膜厚が垂直光路長となっている。結果を図６〜７に示す。図６は、位相差と吸収係数の関係を示したものであり、同じ膜厚（垂直光路長）で見ると直線関係になっている。図７は、図６の各膜厚での直線の傾きと膜厚の関係を表したものであり、直線関係が得られている。
【００３０】
この結果から、最適位相差δopt は次式で導かれた。
δopt ＝１．５×ｄ×α
ｄ：磁気光学結晶内の光路の入射面垂直成分長（μｍ）
α：透過光の吸収係数（ｄＢ／μｍ）
これより、希土類鉄ガーネット単結晶の厚みと吸収係数がわかれば、位相差は算出可能となる。ここで、このδopt は、その直線位相子の進相軸とそこに入射する偏光の主軸（長軸）を合わせたときの位相差である。よって、これ以上の位相差を持つ直線位相子の場合は、進相軸を主軸から傾ければ、コントラストを同様に大きくできる。その意味でδopt は、必要な最小位相差δmin と言える。但し、それ以上であっても、波の周期性から周期的にコントラストを大きくできない位相差が存在する。それらを除いた位相差δは、次式で表される。
δmin ＋ｎπ≦δ≦（ｎ＋１）π−δmin
但し、ｎ＝０，１，２，・・・
【実施例】
【００３１】
＜実施例１＞
（ＣａＧｄ）3 （ＭｇＺｒＧａ）5 Ｏ12で表される、厚さが７００μｍで１インチ形状の非磁性基板に、液相エピタキシャル法により、組成が（ＧｄＹＢｉ）3 （ＦｅＧａ）5 Ｏ12の磁性ガーネット単結晶を３μｍ育成した。それを１ｍｍ角に切断し、１０００℃で１０時間熱処理して磁気光学結晶とした。この磁気光学結晶について、波長５３２ｎｍにおける吸収係数を測定したところ、１．５ｄＢ／μｍであった。磁気光学結晶を、銅線を巻きつけた鉄心の中に配置し、その前後に偏光子と検光子を設置した。光は、偏光子、磁気光学結晶、検光子の順に通過する。鉄心に巻きつけたコイルに正逆電流を流すことにより、磁気光学結晶には、光の進行方向と同方向をプラスとした場合に−４０〜＋４０ｋＡ／ｍの磁界が印加できる。ここで、マイナスは光の進行方向と逆方向の磁界強度を表している。この状態で、波長５３２ｎｍ、１ｍＷの光を入射し、磁界を＋４０ｋＡ／ｍにして、検光子を光入射面内で回転させ、透過光量が最小になる角度で固定した。次に、磁気光学結晶と検光子の間に波長５３２ｎｍにおける位相差が６．８度の直線位相子を挿入し、光入射面内で回転させて、検光子を透過する光量が最小になるようにした。この状態で、磁界を−４０ｋＡ／ｍ〜＋４０ｋＡ／ｍまで可変させ、透過光量を測定した。その結果、最大透過光量ては−１０．５ｄＢｍ、コントラストは４４．０ｄＢであった。
【００３２】
＜実施例２＞
（ＣａＧｄ）3 （ＭｇＺｒＧａ）5 Ｏ12で表される、厚さが７００μｍで１インチ形状の非磁性基板に、液相エピタキシャル法により、組成が（ＧｄＹＢｉ）3 （ＦｅＧａ）5 Ｏ12の磁性ガーネット単結晶を３μｍ育成した。それを１ｍｍ角に切断し、１０００℃で１０時間熱処理して磁気光学結晶とした。この磁気光学結晶について、波長５３２ｎｍにおける吸収係数を測定したところ、１．５ｄＢ／μｍであった。磁気光学結晶を、銅線を巻きつけた鉄心の中に配置し、その前に偏光子を、直後に５３２ｎｍにおける位相差が４５度の直線位相子を、その後ろに検光子を設置した。光は、偏光子、磁気光学結晶、直線位相子、検光子の順に通過する。鉄心に巻きつけたコイルに正逆電流を流すことにより、磁気光学結晶には、光の進行方向と同方向をプラスとした場合に−４０〜＋４０ｋＡ／ｍの磁界が印加できる。ここでも、マイナスは光の進行方向と逆方向の磁界強度を表している。この状態で、波長５３２ｎｍ、１ｍＷの光を入射し、磁界を＋４０ｋＡ／ｍにして、検光子を光入射面内で半周回転させ、透過光量の最小値を測定した。次に、直線位相子を光入射面内で５度程度回転させて固定し、検光子を半周回転させて透過光量の最小値を測定した。この作業を繰り返し、透過光量が最も小さくなる直線位相子角度領域を見つけ、その付近で直線位相子角度を微調整して、透過光量が最小になる角度で固定し、検光子も透過光量が最小になる角度で固定した。この状態で磁界を−４０ｋＡ／ｍ〜＋４０ｋＡ／ｍまで可変させ、透過光量を測定した。その結果、最大透過光量は−１０．２ｄＢｍ、コントラストは４４．３ｄＢとなった。
【００３３】
＜比較例＞
（ＣａＧｄ）3 （ＭｇＺｒＧａ）5 Ｏ12で表される、厚さが７００μｍで１インチ形状の非磁性基板に、液相エピタキシャル法により、組成が（ＧｄＹＢｉ）3 （ＦｅＧａ）5 Ｏ12の磁性ガーネット単結晶を３μｍ育成した。それを１ｍｍ角に切断し、１０００℃で１０時間熱処理して磁気光学結晶とした。その磁気光学結晶について、波長５３２ｎｍにおける吸収係数を測定したところ、１．５ｄＢ／μｍであった。磁気光学結晶を、銅線を巻きつけた鉄心の中に配置し、その前後に偏光子と検光子を設置した。光は、偏光子、磁気光学結晶、検光子の順に通過する。鉄心に巻きつけたコイルに正逆電流を流すことにより、磁気光学結晶には、光の進行方向と同方向をプラスとした場合に−４０〜＋４０ｋＡ／ｍの磁界が印加できる。ここでも、マイナスは光の進行方向と逆方向の磁界強度を表している。この状態で、波長５３２ｎｍ、１ｍＷの光を入射し、磁界を＋４０ｋＡ／ｍにして、検光子を光入射面内で回転させ、透過光量が最小になる角度で固定した。次に、磁界を−４０ｋＡ／ｍ〜＋４０ｋＡ／ｍまで可変させ、透過光量を測定した。その結果、最大透過光量は−１０．７ｄＢｍ、コントラストは１８．２ｄＢであった。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明に係る磁気光学光変調器の構成と動作の説明図。
【図２】本発明に係る磁気光学光変調器の具体的構成例を示す説明図。
【図３】ファラデー回転角の磁界依存性を示すグラフ。
【図４】消光比の磁界依存性を示すグラフ。
【図５】光出力の磁界依存性を示すグラフ。
【図６】膜厚をパラメータとしたときの吸収係数と位相差の関係を示すグラフ。
【図７】膜厚と位相差係数との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
【００３５】
１０ 偏光子
１２ 磁気光学結晶
１４ 直線位相子
１６ 検光子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、偏光子と希土類鉄ガーネット単結晶からなる磁気光学結晶と検光子を、その順に光が進行するように光路中に配置し、磁気光学結晶のファラデー効果を利用して検光子から出力する透過光量を可変する磁気光学光変調器に関し、更に詳しく述べると、磁気光学結晶と検光子との間に直線位相子を挿入し、偏光子による直線偏光が、磁気光学結晶を透過することによって生じる楕円偏光を、直線位相子によって直線偏光に戻して検光子に入力するように構成した磁気光学光変調器に関するものである。この技術は、例えば表示デバイスに用いる光強度変調器のコントラスト改善に有用である。
【背景技術】
【０００２】
光変調器は、透過光の強度を変調する光デバイスであり、駆動方式によって、音響光学方式、電気光学方式、及び磁気光学方式などがある。音響光学方式は、原理的には超音波による屈折率分布によって回折格子を形成させるため、消費電力が大きく、相当大きな電源が必要となる。電気光学方式の場合は、電気光学効果を利用するものであり、オン−オフのコントラスト比を大きくするには、電圧を印加する範囲を長くとる（即ち素子の光路長を長くする）必要があり、大型化が避けられない。それらに対して磁気光学方式は、ファラデー効果を利用するもので、光路長の短縮、低コスト化、低消費電力化の可能性があり、他の方式に比べて遙かに有利と考えられている。
【０００３】
磁気光学方式の公知例としては、特許文献１に示されているような、光通信で使用する磁気光学光変調器がある。磁気光学光変調器は、光路中に、偏光子と磁気光学素子と検光子を、その順に配置し、前記磁気光学素子のファラデー効果を利用して検光子からの出力光量を変調するように構成されている。磁気光学素子は、磁気光学材料と、それに磁界を印加する磁界印加手段などからなる。ここで磁気光学材料としては、典型的には希土類鉄ガーネット結晶が用いられている。
【０００４】
ところで、携帯電話機程度のサイズあるいは眼鏡等に装着できる超小型のレーザプロジェクタが開発されている。いずれも小型のレーザと光線走査装置を使って、投影面上で光を高速に動かすことによる残像効果を利用して映像を投影するものである。これらにおいて、カラー映像を投影するためには、当然のことながらＲＧＢの３色の光源を必要とし、それらのうちＲ（赤色）とＢ（青色）については発光強度を直接制御できるデバイス（半導体レーザ）が確立している。しかし、Ｇ（緑色）については、現在のところ、そのようなデバイスはなく、半導体励起レーザの第２高調波発生（ＳＨＧ）のレーザを使用することが有望視されている。しかしながら、電源の制御（厳密な素子の温度制御を含む）を行わないと発振効率が著しく低下してしまうため、Ｇ（緑色）については、緑色の安定したレーザ発振の後、光源からの光強度を外部光変調器によって変調する方式が採用される。
【０００５】
このような表示デバイスでは、可視光帯（例えば緑色光：波長５３２ｎｍ）の光を取り扱うことになるが、外部光変調器として上記のような従来の磁気光学光変調器を採用すると、消光比（最大強度と最小強度の比）は２０ｄＢ程度以下に止まり、期待する値ほど高くならない。因みに、光通信の光アイソレータなどに使われている磁気光学結晶（希土類鉄ガーネット結晶）では４０ｄＢ以上の消光比が得られている。消光比が悪いということは、表示デバイスにおいては表示のコントラストが低くなることを意味し、表示デバイスを高性能化できないという問題を生じる。
【特許文献１】特許第４０５６７２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、可視光帯で用いる磁気光学光変調器の消光比を改善し、表示デバイスにおける表示のコントラストを大きくすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
可視光帯で用いる磁気光学光変調器の消光比が低い原因は、磁気光学結晶での光吸収による磁気円２色性にある。即ち、磁気光学結晶である希土類鉄ガーネット単結晶は、例えば緑色光（波長５３２ｎｍ）では光吸収により１〜２ｄＢ／μｍ程度もの大きな吸収損失が生じる。そのため、偏光子からの直線偏光は、磁気光学結晶を透過する際に、偏光面が回転するだけでなく、光の鈍り（リタデーション）が生じて楕円偏光になる。その楕円偏光が検光子に入力すると、楕円偏光の長軸方向に対して検光子透過軸が直交していても、楕円偏光の短軸成分が検光子から出力し、最小透過光量が大きくなってしまう。これが、可視光帯で用いる磁気光学光変調器の消光比が低い原因である。そこで本発明では、磁気光学結晶を透過した楕円偏光を直線位相子によって直線偏光に戻し、それによって最小透過光量を極力低く抑えるように工夫されている。
【０００８】
即ち本発明は、偏光子と磁気光学結晶と検光子を、その順に光が進行するように光路中に配置し、前記磁気光学結晶は希土類鉄ガーネット単結晶からなり、該磁気光学結晶に磁界を印加する可変磁界印加手段で磁気光学結晶の磁化方向を制御することにより、検光子から出力する透過光量を可変する磁気光学光変調器において、磁気光学結晶と検光子との間に直線位相子を挿入し、検光子からの透過光量が最小となる状態のときに、前記直線位相子は、それを光入射面内で回転させたときに直線位相子透過後の偏光の楕円率が最小となる角度に設定され、前記検光子は、直線位相子を透過した楕円偏光の長軸に対して検光子透過軸が直交するように設置されていることを特徴とする磁気光学光変調器である。なお、光路は必ずしも一方向の直線である必要はなく，途中にミラー等の反射による折り返しがあってもよい。
【０００９】
また本発明は、偏光子と磁気光学結晶と検光子を、その順に光が進行するように光路中に配置し、前記磁気光学結晶は希土類鉄ガーネット単結晶からなり、該磁気光学結晶に高周波磁界を印加するコイルによって光進行方向に対する磁気光学結晶の磁化方向を制御することにより、検光子から出力する透過光量を変調する磁気光学光変調器において、磁気光学結晶と検光子との間に直線位相子を挿入し、磁気光学結晶に印加される高周波磁界の光進行方向と同方向もしくは逆方向の成分が最大となる状態のときに、前記直線位相子は、それを光入射面内方向で回転させたときに直線位相子透過後の偏光の楕円率が最小となる角度に設定され、前記検光子は、直線位相子を透過した楕円偏光の長軸に対して検光子透過軸が直交するように設置されていることを特徴とする磁気光学光変調器である。
【００１０】
前記磁気光学結晶は、非磁性基板上に液相エピタキシャル成長させた希土類鉄ガーネット単結晶をアニール処理（熱処理）したものであり、該磁気光学結晶を中心に同心状にコイルが巻回され、該コイルに高周波電流を通電することにより、磁気光学結晶の光入射面に対して垂直方向の高周波磁界が印加されるようにするのが好ましい。
【００１１】
前記直線位相子は、その位相差δが、
δmin ＋ｎπ≦δ≦（ｎ＋１）π−δmin
δmin ＝１．５×ｄ×α
但し、
ｎ＝０，１，２，・・・
ｄ：磁気光学結晶内の光路の入射面垂直成分長（μｍ）
α：透過光の吸収係数（ｄＢ／μｍ）
を満たすものとする。ここで、磁気光学結晶内の光路の入射面垂直成分長（以下、垂直光路長と表記する）とは、例えば偏光子と、磁気光学結晶と、直線位相子と、検光子とが直線的に配列されている場合（後述する図２のような構成）は、光は磁気光学結晶内を１回透過するだけであるから，磁気光学結晶の厚さとなる。これに対し，磁気光学結晶の背面にミラー等を設置し，光が反射して再び入射面から出射する場合は、光は磁気光学結晶内を２回通過するため、磁気光学結晶の厚さの２倍となる。
【００１２】
希土類鉄ガーネット単結晶の組成は、
（ＲＢｉ）3 （ＦｅＭ）5 Ｏ12
但し、Ｒ：１種以上の希土類元素、Ｍ：Ｇａ，Ａｌ，Ｉｎから選ばれる１種以上の元素
であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る磁気光学光変調器は、光路中の磁気光学結晶と検光子との間に直線位相子が挿入され、該直線位相子は、最小透過光量状態で、直線位相子を光入射面内で回転させたときに該直線位相子透過後の偏光の楕円率が最小となる角度に設定されているので、楕円偏光が直線偏光もしくはそれに極めて近い状態（楕円率が非常に小さい状態）に戻り、他方、検光子は、直線位相子を透過した楕円偏光の長軸に対して検光子透過軸が直交するように設置されているので、最小透過光量を非常に低く抑えることができる。その結果、消光比が大幅に改善され、表示ディスプレイに適用した場合にはコントラストが大幅に向上する。因みに、直線位相子が無い場合にはコントラストが２０ｄＢ未満であるが、直線位相子を配置することにより４０ｄＢ以上にすることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１は、本発明に係る磁気光学光変調器の構成と動作を示す説明図である。磁気光学光変調器は、偏光子１０と、希土類鉄ガーネット単結晶からなる磁気光学結晶１２と、直線位相子１４と、検光子１６とが、その順に光が進行するように配置されている。ここで、直線位相子１４は、最小透過光量状態において、直線位相子を光入射面内で回転させたときに該直線位相子透過後の偏光の楕円率が最小となる向きに設定されており、検光子１６は、直線位相子１４を透過した楕円偏光の長軸に対して検光子透過軸が直交するように設置されている。
【００１５】
磁気光学光変調器へ入射する可視光（例えば波長５３２ｎｍの緑色光）は、偏光子１０を通過することによって直線偏光になる。図１の例では、偏光子透過軸１０ａが水平方向であるため、偏光子１０を透過した光は水平方向の直線偏光になっている。この直線偏光が、外部からの印加磁界により光の進行方向と同方向あるいは逆方向に磁化されている磁気光学結晶（希土類鉄ガーネット単結晶）１２を通過すると、偏光面が回転（ファラデー回転）する。それと同時に、磁気光学結晶１２での光吸収（１〜２ｄＢ／μｍ程度の吸収損失）のために光が鈍る。これらによって、磁気光学結晶１２を通過すると、入射した直線偏光は、主軸（長軸）が回転した楕円偏光となる。
【００１６】
図１において、Ａは最小透過光量が得られる状態（光遮断）の動作を、Ｂは最大透過光量が得られる状態（光透過）の動作を、それぞれ表している。Ａでは、外部からの印加磁界方向（白抜き矢印で示す）は光の進行方向と同方向であり、そのとき主軸は時計回りに回転するものとする。ここでは時計回りを正と定義する。それに対して、Ｂでは、外部からの印加磁界方向（白抜き矢印で示す）は光の進行方向と逆方向であり、主軸の回転方向は反時計回りとなる。但し、光の進行方向に外部磁界を印加した場合に必ず主軸の回転方向が時計回りになるということではなく、印加磁界方向が反転すれば、回転方向も反転するということである。主軸の回転角は、単位長さ当たりの回転角θF と垂直光路長ｄの積となる。
【００１７】
図１のＡ（光遮断）では、磁気光学結晶１２からの楕円偏光が、直線位相子１４を通過することにより、適当な位相差が与えられてほぼ直線偏光（直線偏光と見なせるほどに楕円率は非常に小さくなる）に戻る。この直線偏光の偏光軸（楕円偏光の主軸）に対して、検光子透過軸１６ａが直交するように配置されているので、検光子１６から出力する透過光量は極めて小さくなる。それに対して、図１のＢ（光透過）の場合には、磁気光学結晶１２からの楕円偏光が直線位相子１４を通過することにより、逆に楕円率は若干大きくなる。そして、その楕円偏光の検光子透過軸成分が、検光子１６を透過することになる。
【００１８】
因みに、図１のＡ（光遮断）において直線位相子が無い場合を想定すると、磁気光学結晶通過後の楕円偏光の長軸に対して検光子透過軸を直交させる場合に最も検光子透過光量を小さくすることができるが、その場合でも楕円偏光の短軸成分は検光子を通過してしまうため最小透過光量を小さくできない。光変調器としては、光の変調幅、つまり最大透過光量Ｐmax と最小透過光量Ｐmin の比であるコントラストＰmin ／Ｐmax が大きいことが重要である。しかし、上記のように、直線位相子が無い場合には最小透過光量を小さくできないので、コントラストの向上は望めないことになる。
【００１９】
コントラストに影響する要因としては、回転角の可変幅と偏光の楕円率がある。楕円偏光と検光子透過軸１６ａの関係を、図１のＣに示す。検光子を通過する光量Ｐは、楕円偏光の長軸をＩmax 、短軸をＩmin とすると、
Ｐ＝（Ｉmax cosα＋Ｉmin sinα）2 ・・・（１）
となる。ここでαは、楕円偏光の長軸と検光子透過軸とのなす角度である。上記（１）式より、透過光量を最小にするには、α＝π／２で、且つＩmin を小さくすることである。αは検光子透過軸の設定角度であるので、楕円偏光の長軸と直交方向に設置することが適当である。Ｉmin は、偏光の楕円率と関係しており、楕円率が小さいこと（直線偏光であること）が望ましいことになる。
【００２０】
そのため本発明では、直線位相子によって楕円率の小さい偏光に戻し、検光子透過軸を楕円偏光長軸と直交させている。その場合の最小透過光量Ｐmin は次式で表される。
Ｐmin ＝［Ｉmax cos（π／２）＋Ｉmin sin（π／２）］2
＝（Ｉmin ）2 ・・・（２）
以上のことから、最小透過光量は偏光の楕円率と直結しており、楕円率を小さくすることが重要であることが分かる。
【００２１】
他方、透過光量を最大にするには、α＝０で、且つＩmax を大きくする必要がある。本発明ではα＝π／２に設定しているので、透過光量は、上記（２）式より、
Ｐmax ＝［Ｉmax cos（π／２＋ｘ）＋Ｉmin sin（π／２＋ｘ）］2 ・・・（３）
となる。ここでｘは偏光面の変化量であり、本発明の場合は、正方向に磁界を印加したときの磁気光学結晶透過による回転角θF ｄと直線位相子通過による回転Ｌa の和と、逆方向に磁界を印加したときの磁気光学結晶通過による回転角−θF ｄと直線位相子通過による回転Ｌb の和との差になる。よって、（３）式は、次式のように変換される。
Ｐmax ＝｛Ｉmax sin［２θF ｄ＋（Ｌa −Ｌb ）］＋Ｉmin cos［２θF ｄ＋（Ｌa −Ｌb ）］｝2
これより、最大透過光量Ｐmax の条件としては、［２θF ｄ＋（Ｌa −Ｌb ）］＝π／２で、且つＩmax が大きいこととなる。
【００２２】
しかし、Ｉmax は磁気光学結晶の吸収に依存しているため、垂直光路長ｄを大きくすることは、回転角をπ／２に近づけることにより角度ずれロスを小さくすることと、吸収でＩmax が小さくなることによるロス増加の両面を持つため、その兼ね合いによる適当な膜厚ｄが存在し、最大透過光量Ｐmax のとき、［２θF ｄ＋（Ｌa −Ｌb ）］＝π／２とはならない場合もある。
【００２３】
本発明で重要なことは、光の鈍りを補正するために挿入した直線位相子がＩmax 及び回転角差へ与える影響である。Ｉmax に対しては、Ｉmax ＞＞ΔＩであり、影響は小さい。ここでΔＩは、直線位相子透過直前のＩ’max と直線位相子透過後のＩmax の差である。このΔＩは、Ｐmin と同程度の大きさであり、そのためＰmin を小さくすることには大きく寄与する。回転角差に対しても、２θF ｄ＞＞（Ｌa −Ｌb ）であり、影響は小さい。これより、直線位相子を挿入することは、Ｐmin を小さくすることの効果のみがあり、その他に悪影響は与えない点で優れている。
【００２４】
測定に用いた本発明の具体的構成例を図２に示す。この磁気光学光変調器も、偏光子１０と、希土類鉄ガーネット単結晶からなる磁気光学結晶１２と、直線位相子１４と、検光子１６とが、その順に光が進行するように光路中に配置されている。磁気光学結晶１２の外側に、円筒状の鉄心とコイルから形成される電磁石２０を配置し、−４０〜４０ｋＡ／ｍの磁界が印加できるように構成する。直線位相子１４は、波長５３２ｎｍの緑色光における位相差が６．８度であり、電磁石２０の磁界を＋４０ｋＡ／ｍにしたときに、磁気光学結晶（希土類鉄ガーネット単結晶）１２を透過した光の主軸（長軸）と該直線位相子１４の進相軸を合わせるように設置する。合わせる方法は、直線位相子が無い状態で、磁界を＋４０ｋＡ／ｍにして、検光子１６を光入射面内で回転させ、透過光量が最小になる角度で固定し、その状態で直線位相子１４を磁気光学結晶１２と検光子１６の間に挿入し、直線位相子１４を光入射面内で回転させて、検光子１６を透過する光量が最小になるようにする方法である。なお、磁気光学結晶１２は、（ＣａＧｄ）3 （ＭｇＺｒＧａ）5 Ｏ12で表される非磁性基板２２上に、液相エピタキシャル法により育成したものである。その組成は（ＧｄＹＢｉ）3 （ＦｅＧａ）5 Ｏ12、膜厚は３μｍである。なお、磁気光学結晶（希土類鉄ガーネット単結晶）は、育成後にトップ温度１０００℃で１０時間アニール処理（熱処理）してある。
【００２５】
このような測定系を用いて、直線位相子が無い場合（従来方式）と直線位相子が有る場合（本発明）について、波長５３２ｎｍで１ｍＷの光を入射したときの、ファラデー回転角と消光比の磁界依存性測定した。測定は、検光子を回転させる回転検光子法を用いた。測定結果を図３〜４に示す。いずれもＡは直線位相子が無い場合（従来方式）、Ｂは直線位相子が有る場合（本発明）である。
【００２６】
従来方式（直線位相子が無い場合）では、ファラデー回転角は、図３のＡに示すように±１４．６度で飽和し、その可変幅は２９．２度であった。消光比は、図４のＡに示すように、ファラデー回転角の絶対値が大きくなるに従い小さくなった。絶対値が１４．６度のときは２４．５ｄＢであった。続いて、磁界を＋４０ｋＡ／ｍにして、検光子を光入射面内で回転させ、透過光量が最小になる角度で固定した。この状態で磁界を−４０ｋＡ／ｍ〜＋４０ｋＡ／ｍまで可変させ、透過光量を測定した。その結果、図５のＡに示すように、最大透過光量は−１０．７ｄＢｍ、コントラストは１８．２ｄＢであった。
【００２７】
本発明（直線位相子が有る場合）では、図３のＡとＢとの比較から、ファラデー回転角は殆ど変わっていない。これに対して、消光比についてみると、図４のＡとＢとの比較から、本発明では、プラス磁界側の飽和値が大きくなり、マイナス磁界側の飽和値は小さくなったことが分かる。続いて、磁界を＋４０ｋＡ／ｍにして、検光子を光入射面内で回転させ、透過光量が最小になる角度で固定した状態で、磁界を−４０ｋＡ／ｍ〜＋４０ｋＡ／ｍまで可変させ、透過光量を測定すると、図５のＢに示すように、最大透過光量は−１０．５ｄＢｍ、コントラストは４４．０ｄＢであった。
【００２８】
これらの測定結果から、本発明は従来方式（直線位相子が無い場合）と比較して、コントラストを大幅に改善できることが確認できた。なお、コントラストを大幅に改善できたのは、直線位相子を挿入したことにより、プラス磁界側の消光比の飽和値が大きくなり、その状態で光を遮断する角度に検光子を設置しているためである。また、最大透過光量が従来方式と同程度の値であったことは、直線位相子挿入により、マイナス磁界側での消光比飽和値の劣化の影響が殆どないことを示している。
【００２９】
ここで、直線位相子の位相差を６．８度に設定したのは、そのときに最もコントラストを大きくできるからである。この最適な位相差は、希土類鉄ガーネット単結晶の吸収係数と垂直光路長に関係する考えられる。そこで、吸収係数や垂直光路長の異なるものについて、図２の測定系を用いて、コントラストが最大になるときの位相差を調べた。ここで、直線位相子と検光子の設置方法は上記と同じである。また、膜厚が垂直光路長となっている。結果を図６〜７に示す。図６は、位相差と吸収係数の関係を示したものであり、同じ膜厚（垂直光路長）で見ると直線関係になっている。図７は、図６の各膜厚での直線の傾きと膜厚の関係を表したものであり、直線関係が得られている。
【００３０】
この結果から、最適位相差δopt は次式で導かれた。
δopt ＝１．５×ｄ×α
ｄ：磁気光学結晶内の光路の入射面垂直成分長（μｍ）
α：透過光の吸収係数（ｄＢ／μｍ）
これより、希土類鉄ガーネット単結晶の厚みと吸収係数がわかれば、位相差は算出可能となる。ここで、このδopt は、その直線位相子の進相軸とそこに入射する偏光の主軸（長軸）を合わせたときの位相差である。よって、これ以上の位相差を持つ直線位相子の場合は、進相軸を主軸から傾ければ、コントラストを同様に大きくできる。その意味でδopt は、必要な最小位相差δmin と言える。但し、それ以上であっても、波の周期性から周期的にコントラストを大きくできない位相差が存在する。それらを除いた位相差δは、次式で表される。
δmin ＋ｎπ≦δ≦（ｎ＋１）π−δmin
但し、ｎ＝０，１，２，・・・
【実施例】
【００３１】
＜実施例１＞
（ＣａＧｄ）3 （ＭｇＺｒＧａ）5 Ｏ12で表される、厚さが７００μｍで１インチ形状の非磁性基板に、液相エピタキシャル法により、組成が（ＧｄＹＢｉ）3 （ＦｅＧａ）5 Ｏ12の磁性ガーネット単結晶を３μｍ育成した。それを１ｍｍ角に切断し、１０００℃で１０時間熱処理して磁気光学結晶とした。この磁気光学結晶について、波長５３２ｎｍにおける吸収係数を測定したところ、１．５ｄＢ／μｍであった。磁気光学結晶を、銅線を巻きつけた鉄心の中に配置し、その前後に偏光子と検光子を設置した。光は、偏光子、磁気光学結晶、検光子の順に通過する。鉄心に巻きつけたコイルに正逆電流を流すことにより、磁気光学結晶には、光の進行方向と同方向をプラスとした場合に−４０〜＋４０ｋＡ／ｍの磁界が印加できる。ここで、マイナスは光の進行方向と逆方向の磁界強度を表している。この状態で、波長５３２ｎｍ、１ｍＷの光を入射し、磁界を＋４０ｋＡ／ｍにして、検光子を光入射面内で回転させ、透過光量が最小になる角度で固定した。次に、磁気光学結晶と検光子の間に波長５３２ｎｍにおける位相差が６．８度の直線位相子を挿入し、光入射面内で回転させて、検光子を透過する光量が最小になるようにした。この状態で、磁界を−４０ｋＡ／ｍ〜＋４０ｋＡ／ｍまで可変させ、透過光量を測定した。その結果、最大透過光量ては−１０．５ｄＢｍ、コントラストは４４．０ｄＢであった。
【００３２】
＜実施例２＞
（ＣａＧｄ）3 （ＭｇＺｒＧａ）5 Ｏ12で表される、厚さが７００μｍで１インチ形状の非磁性基板に、液相エピタキシャル法により、組成が（ＧｄＹＢｉ）3 （ＦｅＧａ）5 Ｏ12の磁性ガーネット単結晶を３μｍ育成した。それを１ｍｍ角に切断し、１０００℃で１０時間熱処理して磁気光学結晶とした。この磁気光学結晶について、波長５３２ｎｍにおける吸収係数を測定したところ、１．５ｄＢ／μｍであった。磁気光学結晶を、銅線を巻きつけた鉄心の中に配置し、その前に偏光子を、直後に５３２ｎｍにおける位相差が４５度の直線位相子を、その後ろに検光子を設置した。光は、偏光子、磁気光学結晶、直線位相子、検光子の順に通過する。鉄心に巻きつけたコイルに正逆電流を流すことにより、磁気光学結晶には、光の進行方向と同方向をプラスとした場合に−４０〜＋４０ｋＡ／ｍの磁界が印加できる。ここでも、マイナスは光の進行方向と逆方向の磁界強度を表している。この状態で、波長５３２ｎｍ、１ｍＷの光を入射し、磁界を＋４０ｋＡ／ｍにして、検光子を光入射面内で半周回転させ、透過光量の最小値を測定した。次に、直線位相子を光入射面内で５度程度回転させて固定し、検光子を半周回転させて透過光量の最小値を測定した。この作業を繰り返し、透過光量が最も小さくなる直線位相子角度領域を見つけ、その付近で直線位相子角度を微調整して、透過光量が最小になる角度で固定し、検光子も透過光量が最小になる角度で固定した。この状態で磁界を−４０ｋＡ／ｍ〜＋４０ｋＡ／ｍまで可変させ、透過光量を測定した。その結果、最大透過光量は−１０．２ｄＢｍ、コントラストは４４．３ｄＢとなった。
【００３３】
＜比較例＞
（ＣａＧｄ）3 （ＭｇＺｒＧａ）5 Ｏ12で表される、厚さが７００μｍで１インチ形状の非磁性基板に、液相エピタキシャル法により、組成が（ＧｄＹＢｉ）3 （ＦｅＧａ）5 Ｏ12の磁性ガーネット単結晶を３μｍ育成した。それを１ｍｍ角に切断し、１０００℃で１０時間熱処理して磁気光学結晶とした。その磁気光学結晶について、波長５３２ｎｍにおける吸収係数を測定したところ、１．５ｄＢ／μｍであった。磁気光学結晶を、銅線を巻きつけた鉄心の中に配置し、その前後に偏光子と検光子を設置した。光は、偏光子、磁気光学結晶、検光子の順に通過する。鉄心に巻きつけたコイルに正逆電流を流すことにより、磁気光学結晶には、光の進行方向と同方向をプラスとした場合に−４０〜＋４０ｋＡ／ｍの磁界が印加できる。ここでも、マイナスは光の進行方向と逆方向の磁界強度を表している。この状態で、波長５３２ｎｍ、１ｍＷの光を入射し、磁界を＋４０ｋＡ／ｍにして、検光子を光入射面内で回転させ、透過光量が最小になる角度で固定した。次に、磁界を−４０ｋＡ／ｍ〜＋４０ｋＡ／ｍまで可変させ、透過光量を測定した。その結果、最大透過光量は−１０．７ｄＢｍ、コントラストは１８．２ｄＢであった。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明に係る磁気光学光変調器の構成と動作の説明図。
【図２】本発明に係る磁気光学光変調器の具体的構成例を示す説明図。
【図３】ファラデー回転角の磁界依存性を示すグラフ。
【図４】消光比の磁界依存性を示すグラフ。
【図５】光出力の磁界依存性を示すグラフ。
【図６】膜厚をパラメータとしたときの吸収係数と位相差の関係を示すグラフ。
【図７】膜厚と位相差係数との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
【００３５】
１０ 偏光子
１２ 磁気光学結晶
１４ 直線位相子
１６ 検光子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
偏光子と磁気光学結晶と検光子を、その順に光が進行するように光路中に配置し、前記磁気光学結晶は希土類鉄ガーネット単結晶からなり、該磁気光学結晶に磁界を印加する可変磁界印加手段で磁気光学結晶の磁化方向を制御することにより、検光子から出力する透過光量を可変する磁気光学光変調器において、
磁気光学結晶と検光子との間に直線位相子を挿入し、検光子からの透過光量が最小となる状態のときに、前記直線位相子は、それを光入射面内で回転させたときに直線位相子透過後の偏光の楕円率が最小となる角度に設定され、前記検光子は、直線位相子を透過した楕円偏光の長軸に対して検光子透過軸が直交するように設置されていることを特徴とする磁気光学光変調器。
【請求項２】
偏光子と磁気光学結晶と検光子を、その順に光が進行するように光路中に配置し、前記磁気光学結晶は希土類鉄ガーネット単結晶からなり、該磁気光学結晶に高周波磁界を印加するコイルによって光進行方向に対する磁気光学結晶の磁化方向を制御することにより、検光子から出力する透過光量を変調する磁気光学光変調器において、
磁気光学結晶と検光子との間に直線位相子を挿入し、磁気光学結晶に印加される高周波磁界の光進行方向と同方向もしくは逆方向の成分が最大となる状態のときに、前記直線位相子は、それを光入射面内方向で回転させたときに直線位相子透過後の偏光の楕円率が最小となる角度に設定され、前記検光子は、直線位相子を透過した楕円偏光の長軸に対して検光子透過軸が直交するように設置されていることを特徴とする磁気光学光変調器。
【請求項３】
前記磁気光学結晶は、非磁性基板上に液相エピタキシャル成長させた希土類鉄ガーネット単結晶をアニール処理したものであり、該磁気光学結晶を中心に同心状にコイルが巻回され、該コイルに高周波電流を通電することにより、磁気光学結晶の光入射面に対して垂直方向の高周波磁界が印加されるようにした請求項２記載の磁気光学光変調器。
【請求項４】
前記直線位相子は、その位相差δが、
δmin ＋ｎπ≦δ≦（ｎ＋１）π−δmin
δmin ＝１．５×ｄ×α
但し、
ｎ＝０，１，２，・・・
ｄ：磁気光学結晶内の光路の入射面垂直成分長（μｍ）
α：透過光の吸収係数（ｄＢ／μｍ）
を満たすものである請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気光学光変調器。
【請求項５】
希土類鉄ガーネット単結晶の組成が、
（ＲＢｉ）3 （ＦｅＭ）5 Ｏ12
但し、
Ｒ：１種以上の希土類元素
Ｍ：Ｇａ，Ａｌ，Ｉｎから選ばれる１種以上の元素
である請求項１乃至４のいずれかに記載の磁気光学光変調器。
【請求項１】
偏光子と磁気光学結晶と検光子を、その順に光が進行するように光路中に配置し、前記磁気光学結晶は希土類鉄ガーネット単結晶からなり、該磁気光学結晶に磁界を印加する可変磁界印加手段で磁気光学結晶の磁化方向を制御することにより、検光子から出力する透過光量を可変する磁気光学光変調器において、
磁気光学結晶と検光子との間に直線位相子を挿入し、検光子からの透過光量が最小となる状態のときに、前記直線位相子は、それを光入射面内で回転させたときに直線位相子透過後の偏光の楕円率が最小となる角度に設定され、前記検光子は、直線位相子を透過した楕円偏光の長軸に対して検光子透過軸が直交するように設置されていることを特徴とする磁気光学光変調器。
【請求項２】
偏光子と磁気光学結晶と検光子を、その順に光が進行するように光路中に配置し、前記磁気光学結晶は希土類鉄ガーネット単結晶からなり、該磁気光学結晶に高周波磁界を印加するコイルによって光進行方向に対する磁気光学結晶の磁化方向を制御することにより、検光子から出力する透過光量を変調する磁気光学光変調器において、
磁気光学結晶と検光子との間に直線位相子を挿入し、磁気光学結晶に印加される高周波磁界の光進行方向と同方向もしくは逆方向の成分が最大となる状態のときに、前記直線位相子は、それを光入射面内方向で回転させたときに直線位相子透過後の偏光の楕円率が最小となる角度に設定され、前記検光子は、直線位相子を透過した楕円偏光の長軸に対して検光子透過軸が直交するように設置されていることを特徴とする磁気光学光変調器。
【請求項３】
前記磁気光学結晶は、非磁性基板上に液相エピタキシャル成長させた希土類鉄ガーネット単結晶をアニール処理したものであり、該磁気光学結晶を中心に同心状にコイルが巻回され、該コイルに高周波電流を通電することにより、磁気光学結晶の光入射面に対して垂直方向の高周波磁界が印加されるようにした請求項２記載の磁気光学光変調器。
【請求項４】
前記直線位相子は、その位相差δが、
δmin ＋ｎπ≦δ≦（ｎ＋１）π−δmin
δmin ＝１．５×ｄ×α
但し、
ｎ＝０，１，２，・・・
ｄ：磁気光学結晶内の光路の入射面垂直成分長（μｍ）
α：透過光の吸収係数（ｄＢ／μｍ）
を満たすものである請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気光学光変調器。
【請求項５】
希土類鉄ガーネット単結晶の組成が、
（ＲＢｉ）3 （ＦｅＭ）5 Ｏ12
但し、
Ｒ：１種以上の希土類元素
Ｍ：Ｇａ，Ａｌ，Ｉｎから選ばれる１種以上の元素
である請求項１乃至４のいずれかに記載の磁気光学光変調器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１０−１４５９１３（Ｐ２０１０−１４５９１３Ａ）
【公開日】平成２２年７月１日（２０１０．７．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３２５３４２（Ｐ２００８−３２５３４２）
【出願日】平成２０年１２月２２日（２００８．１２．２２）
【出願人】（０００２３７７２１）ＦＤＫ株式会社 (449)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年７月１日（２０１０．７．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月２２日（２００８．１２．２２）
【出願人】（０００２３７７２１）ＦＤＫ株式会社 (449)
【Ｆターム（参考）】
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