CN101000410B - 磁性石榴石单晶及其制造方法和使用其的光学元件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及磁性石榴石单晶及其制造方法以及使用该磁性石榴石单晶的光学元件，其目的是提供削减了Pb的含量的磁性石榴石单晶及其制造方法以及使用该磁性石榴石单晶的光学元件。本发明的磁性石榴石单晶，用化学式Bi αNa βM 13- α - βFe 5- γM2 γO 12(M1是选自Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的至少1种或以上的元素，M2是选自Si、Ge、Ti中的至少1种或以上的元素，0.5＜α≤2.0、0＜β≤0.8、0.2≤3-α-β＜2.5、0＜γ≤1.6)表示。

Description

磁性石榴石单晶及其制造方法和使用其的光学元件
技术领域
本发明涉及磁性石榴石单晶及其制造方法和使用该磁性石榴石单晶的光学元件。
背景技术
法拉第转子是具有使透射光的偏光面旋转的功能的光学元件，用于通信用光隔离器、光衰减器、光循环器、光磁场传感器等光装置中。法拉第转子一般使用板状的铋(Bi)置换稀土类铁石榴石单晶制作。Bi置换稀土类铁石榴石单晶利用作为助熔剂法的一种的液相外延(LPE)法来育成。助熔剂法的单晶育成是在大气压中进行的。
利用助熔剂法等的溶液法(LPE法)来育成Bi置换稀土类铁石榴石单晶时，为了一边保持过饱和状态一边稳定地生长石榴石单晶，一般地氧化铅(PbO)、氧化铋(Bi2O3)和氧化硼(B2O3)被用作为溶剂。因此在育成磁性石榴石单晶时晶体中混入少量的铅(Pb)。一直以来通信用光装置所使用的法拉第转子使用在化学式Bi3-x-YM11xPbYFe5-z-wM12zM13wO12中Pb的量Y为0.03～0.06左右的磁性石榴石单晶。
【专利文献1】特开2001-044026号公报
【专利文献2】特开2001-044027号公报
【专利文献3】特公平6-046604号公报
发明内容
可是，随着近年的环境保护运动的高涨，正在努力削减所有的工业制品中的环境负担物质Pb的含有量。因此，即使在利用LPE法育成的磁性石榴石单晶中，混入的少量Pb也可成为环境污染的因素，从而成为问题。因此，需要削减或去除构成法拉第转子的材料磁性石榴石单晶中所含Pb的量。
本发明的目的在于，提供削减了Pb含有量的磁性石榴石单晶及其制造方法、以及使用该磁性石榴石单晶的光学元件。
上述目的可通过一种磁性石榴石单晶来达到，所述的磁性石榴石单晶，其特征在于，用化学式BiαNaβM13-α-βFe5-γM2γO12(M1是选自Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的至少1种或以上的元素，M2是选自Si、Ge、Ti中的至少1种或以上的元素，0.5＜α≤2.0、0＜β≤0.8、0.2≤3-α-β＜2.5、0＜γ≤1.6)表示。
根据上面所述的本发明的磁性石榴石单晶，其特征在于，上述γ为0.007≤γ≤1.6。
另外，上述目的可通过一种光学元件来达到，所述光学元件，其特征在于，使用上述本发明的磁性石榴石单晶制成。
此外，上述目的可通过一种磁性石榴石单晶的制造方法来达到，所述的磁性石榴石单晶的制造方法，其特征在于，由含有Na、Fe、M1和M2(M1是选自Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的至少1种或以上的元素，M2是选自Si、Ge、Ti中的至少1种或以上的元素)的材料生成熔融液，使用上述熔融液育成磁性石榴石单晶。
根据上面所述的本发明的磁性石榴石单晶的制造方法，其特征在于，上述材料中的上述M2相对于Fe的摩尔比是0.004或以上。
根据上面所述的本发明的磁性石榴石单晶，其特征在于，上述β和γ为0＜β≤0.1、0＜γ≤0.2。进一步地，其特征在于，上述β和γ为0＜β≤0.05、0＜γ≤0.1.另外，其特征在于，上述M2是至少含Si的1种或以上的元素。
此外，上述目的可通过一种磁性石榴石单晶来达到，所述磁性石榴石单晶，其特征在于，用化学式BiαNaβM13-α-βFe5-γ-σM2γM3δO12(M1是选自Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的至少1种或以上的元素，M2是选自Si、Ge、Ti中的至少1种或以上的元素，M3是Pt，0.5＜α≤2.0、0＜β≤0.8、0.2≤3-α-β＜2.5、0＜γ+δ≤1.6、0≤γ＜1.6、0＜δ＜0.16)表示。
另外，上述目的可通过一种法拉第转子来达到，所述法拉第转子，其特征在于，由上述本发明的磁性石榴石单晶制成。
上述目的可通过一种磁性石榴石单晶来达到，所述磁性石榴石单晶，其特征在于，用化学式BiαNaβM13-α-βFe5-κ-λ-μM4κM5λM6μO12(M1是选自Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的至少1种或以上的元素，M4是选自Sn、Rh、Ru、Hf、Zr中的至少1种或以上的元素，M5是选自V、Sb、Nb、Ta中的至少1种或以上的元素，M6是选自W、Mo中的至少1种或以上的元素，0.5≤α≤2.0、0＜β≤2.4、0＜3-α-β＜2.5、0＜κ+λ+μ≤1.6)表示。
根据上面所述的本发明的磁性石榴石单晶，其特征在于，上述κ、λ和μ满足κ+2λ+3μ≥0.007的关系。
另外，上述目的可通过一种光学元件来达到，所述光学元件的特征在于，使用上述本发明的磁性石榴石单晶制成。
根据本发明，能够削减或完全去除磁性石榴石单晶中所含的Pb量。
附图说明
图1是表示单晶育成工序的一部分的图。
图2是汇总示出本发明第1实施方案的实施例1-1至1-10和比较例1-1的M2/Fe摩尔比、Na量β、M2量γ、和光损耗的表。
图3是汇总示出本发明第2实施方案的实施例2-1至2-12和比较例2-1和2-2的(M2+M3)/Fe摩尔比、Na量β、(M2+M3)量(γ+δ)、和光损耗的表。
图4是汇总示出本发明第3实施方案的实施例3-1至3-17和比较例3-1的磁性石榴石单晶的Na量β、M4量κ、M5量λ和M6量μ、以及法拉第转子的光损耗的表。
具体实施方式
〔第1实施方案〕
用图1和图2说明本发明的第1实施方案的磁性石榴石单晶及其制造方法、以及使用该磁性石榴石单晶的光学元件。在本实施方案中，用钠(Na)代替以往的溶剂中所含的Pb，由包含Na和铁(Fe)的溶剂育成磁性石榴石单晶。含有Na和氧的物质与其他的氧化物比，大多在较低的温度下熔化，因此作为育成磁性石榴石单晶时的溶剂也有效。例如，由含有氢氧化钠(NaOH)的溶剂育成的磁性石榴石单晶，可得到没有缺陷和裂纹的优异的品质。因此，通过从溶剂的材料除掉PbO，将含有Na的物质和Bi2O3及B2O3用作为溶剂，可大致完全去除以往的磁性石榴石单晶中微量含有的Pb。
可是已判明，由含Na的溶剂育成的石榴石单晶，在光通信所使用的1300～1600nm的波段内的光吸收极大。当加工具有大的光吸收的石榴石单晶来制作法拉第转子等光学元件时，可发生光学元件的光损耗(插入损耗)变高的问题。因此，为了降低大致完全去除了Pb的光学元件的光损耗，必须减少使用含Na的溶剂育成的石榴石单晶的光吸收。
在此，将由含有NaOH、Bi2O3和B2O3的溶剂、利用LPE法育成的(BiGdYb)3Fe5O12单晶进行加工，从而制作出法拉第转子。该法拉第转子相对于波长1.55μm的光的光损耗是3dB。另外，将由含Pb的溶剂、利用LPE法育成的(BiGdYb)3Fe5O12单晶进行加工从而制作出另外的法拉第转子。该法拉第转子相对于波长1.55μm的光的光损耗是0.05dB或以下。因此可知，使用含Na的溶剂制作的法拉第转子的光损耗，与使用含Pb的溶剂制作的法拉第转子的光损耗比较极高。通过荧光X射线分析调查组成，结果从由含有Na的溶剂育成的石榴石单晶中检测出100～300ppm左右的Na。构成Bi置换稀土类铁石榴石的阳离子基本上是3价。因此，如果1价为稳定的价数的Na阳离子进入到石榴石单晶中，则电荷的平衡被破坏，石榴石单晶变成为半导体。由此可认为，含有Na的石榴石单晶发生了光吸收。
在本实施方案中，将氧化硅(SiO2)、氧化锗(GeO2)、氧化钛(TiO2)和氧化铂(PtO2)中的至少1种随Na一同加入到配合材料中，从而育成石榴石单晶。将育成的石榴石单晶加工成法拉第转子，评价光损耗，结果可发现光损耗降低的倾向。可以认为原因是，Si、Ge、Ti和Pt在石榴石中为4价的阳离子，是稳定的，因此，通过补偿石榴石中所含有的Na的1价阳离子，可取得石榴石单晶的电荷的平衡。
此外，在本实施方案中，在含Na的配合材料中以各种的配合量加入GeO2，育成了多种类的石榴石单晶。在本实施方案中，使用配合材料中的Ge相对于Fe的摩尔比(Ge/Fe摩尔比)作为参数，将Ge/Fe摩尔比在0～0.02的范围内设定成各种的值。将育成的多种的石榴石单晶分别加工成法拉第转子，评价光损耗。其结果可知，即使在配合材料中只很少量地添加GeO2，法拉第转子的光损耗也大幅度降低，使用Ge/Fe摩尔比为0.004的配合材料制作的法拉第转子的光损耗为0～0.01dB，变得极低。即使Ge/Fe摩尔比大于0.004，法拉第转子的光损耗也为0～0.01dB，没有变化。
由Ge/Fe摩尔比为0.004的配合材料育成的石榴石单晶通过荧光X射线分析和ICP(Inductively Coupled Plasma；高频感应耦合等离子体)分析来进行组成分析，结果得到了化学式(BiGdYb)2.996Na0.004Fe4.993Ge0.007O12。因此可知，通过象Ge那样在石榴石中4价稳定的元素加入到石榴石单晶中，法拉第转子的光损耗降低，特别是使石榴石单晶中的Ge量以化学式计为0.007时，可使法拉第转子的光损耗为最低。另外，即使进一步增加石榴石单晶中的Ge量，法拉第转子的光损耗也仍为最低值。
关于Ge以外的Si、Ti和Pt等的在石榴石中4价稳定的元素，可知在与上述同样的条件下能够降低法拉第转子的光损耗。另外可知，即使组合Ge、Si、Ti和Pt之中的2种或以上来使用，在与上述同样的条件下也能够降低法拉第转子的光损耗。即，通过使用由含有Na、Fe和M2(M2是选自Si、Ge、Ti、Pt中的至少1种或以上的元素)的配合材料育成的石榴石单晶，可得到低损耗的法拉第转子。此外，通过使用由M2相对于Fe的摩尔比(M2/Fe摩尔比)为0.004或以上的配合材料育成的石榴石单晶，可得到更低损耗的法拉第转子。
采用Si、Ge、Ti和Pt等的在石榴石中4价稳定的元素、和以2价的状态进入到石榴石中的Pb进行电荷补偿从而降低光损耗的技术，以往就为人所知(例如参照专利文献1～3)。可是，由采用Pb、和选自Si、Ge、Ti、Pt中的至少1种元素进行电荷补偿的石榴石单晶制作的法拉第转子的光损耗为0.01～0.05dB左右。与此相对，由采用Na、和选自Si、Ge、Ti、Pt中的至少1种元素进行电荷补偿的石榴石单晶得到的法拉第转子的光损耗为0～0.01dB。因此可知，根据本实施方案，以比含Pb的现有的法拉第转子更低的损耗得到优异的特性。可以认为这是因为，Na与Si、Ge、Ti和Pt的组合可完全补偿电荷的缘故。
当Si、Ge、Ti和Pt以所规定的量或所规定的量以上加入到石榴石单晶中、电荷的平衡被破坏时，为了补偿电荷Na加入到石榴石中。因此，即使是用Si、Ge、Ti和Pt大量置换Fe的场合，通过将Na加入到石榴石中，也可补偿电荷。可是，在磁性石榴石单晶中，Si、Ge、Ti和Pt的置换量大于1.6时，居里点降低到室温附近，因此作为法拉第转子使用变得困难。因此，Si、Ge、Ti和Pt的置换量的上限以化学式计为1.6。如果4价稳定的元素和1价稳定的元素以1∶2的比率加入到石榴石单晶中，则可取得电荷的平衡，因此在石榴石单晶中，Si、Ge、Ti和Pt以化学式计只加入1.6时，Na以化学式计只加入0.8。即，可用于法拉第转子的磁性石榴石单晶所含的Na的上限以化学式计为0.8。
在用含Na的溶剂育成磁性石榴石单晶的场合，与不含Na的溶剂比，可更稳定地保持溶液的过饱和状态。因此，Bi以化学式计直到2.0左右为止可稳定地进入到石榴石单晶中。另一方面，作为法拉第转子为了得到充分的转动系数(deg/μm)，需要Bi以化学式计为0.5或以上。
另外，在本实施方案中，作为磁性石榴石单晶所含的稀土类元素，可使用通过单独使用或组合使用而可稳定地与Fe制作石榴石单晶的钇(Y)、镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、饵(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)和镥(Lu)。
如以上说明的那样，本实施方案的磁性石榴石单晶，用化学式BiαNaβM13-α-βFe5-γM2γO12(M1是选自Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的至少1种或以上的元素，M2是选自Si、Ge、Ti、Pt中的至少1种或以上的元素，0.5＜α≤2.0、0＜β≤0.8、0.2≤3-α-β＜2.5、0＜γ≤1.6)表示。根据本实施方案，可实现大致完全去除了Pb的磁性石榴石单晶和使用该磁性石榴石单晶的光学元件。另外，根据本实施方案，可降低光学元件的光损耗。
以下用实施例和比较例更具体地说明本实施方案的磁性石榴石单晶及其制造方法、以及使用该磁性石榴石单晶的光学元件。
(实施例1-1)
图1表示磁性石榴石单晶育成工序的一部分。首先，在金(Au)制的坩埚4中填充Gd2O3、Yb2O3、Fe2O3、GeO2、B2O3、Bi2O3、NaOH，配置在电炉中。此时的Ge/Fe摩尔比规定为0.006。升高炉温到950℃为止，熔化坩埚4内的材料，生成熔融液8，使用Au制的搅拌用工具搅拌熔融液8。在用于由熔融液8育成磁性石榴石单晶膜的基板上，使用由利用提拉法育成的石榴石单晶锭制作的单晶片。在本实施例中作为单晶育成用基板10，使用CaMgZr置换GGG(钆·镓·石榴石)单晶基板((GdCa)3(GaMgZr)5O12)。
将CaMgZr置换GGG基收10安装在Au制的固定工具2上投入到炉内，降低炉温到850℃为止之后，使基板10的一面与熔融液8接触，进行40小时外延生长。得到膜厚500μm的磁性石榴石单晶膜12.通过荧光X射线分析对育成的单晶膜12进行组成分析，结果组成为Bi1.300Gd1.200Yb0.500Fe4.990Ge0.010O12，Na未能检测出。然后用ICP分析法详细评价组成，可确定Na的含有量。其结果可知，磁性石榴石单晶膜12的化学式是(BiGdYb)2.995Na0.005(FeGe)5.000O12。加工育成的单晶膜12，制作了相对于波长1.55μm的光转动角为45deg的单晶板。在该单晶板的研磨面上形成无反射涂层，制作了法拉第转子。从制作的法拉第转子中抽取20个，评价相对于波长1.55μm的光的光损耗。法拉第转子的光损耗为0～0.01dB，是极低的损耗。
(实施例1-2)
在Au制的坩埚4中填充Gd2O3、Yb2O3、Fe2O3、GeO2、B2O3、Bi2O3、NaOH，配置在电炉中。此时的Ge/Fe摩尔比规定为0.004。升高炉温到950℃为止，熔化坩埚4内的材料，生成熔融液8，使用Au制的搅拌用工具搅拌熔融液8。将CaMgZr置换GGG基板10安装在Au制的固定工具2上投入到炉内，降低炉温到850℃为止之后，使基板10的一面与熔融液8接触，进行40小时外延生长。得到膜厚500μm的磁性石榴石单晶膜12。通过荧光X射线分析对育成的单晶膜12进行组成分析，结果组成为Bi1.300Gd1.200Yb0.500Fe4.993Ge0.007O12，Na未能检测出。然后用ICP分析法详细评价组成，可确定Na的含有量。其结果可知，磁性石榴石单晶膜12的化学式是(BiGdYb)2.996Na0.004(FeGe)5.000O12。加工育成的单晶膜12，制作了相对于波长1.55μm的光转动角为45deg的单晶板。在该单晶板的研磨面上形成无反射涂层，制作了法拉第转子。从制作的法拉第转子中抽取20个，评价相对于波长1.55μm的光的光损耗。法拉第转子的光损耗为0～0.01dB，是极低的损耗。
(实施例1-3)
在Au制的坩埚4中填充Gd2O3、Yb2O3、Fe2O3、GeO2、B2O3、Bi2O3、NaOH，配置在电炉中。此时的Ge/Fe摩尔比规定为0.008。升高炉温到950℃为止，熔化坩埚4内的材料，生成熔融液8，使用Au制的搅拌用工具搅拌熔融液8。将CaMgZr置换GGG基板10安装在Au制的固定工具2上投入到炉内，降低炉温到850℃为止之后，使基板10的一面与熔融液8接触，进行40小时外延生长。得到膜厚500μm的磁性石榴石单晶膜12。通过荧光X射线分析对育成的单晶膜12进行组成分析，结果检测出Na，组成为Bi1.293Gd1.200Yb0.500Na0.007Fe4.987Ge0.013O12。加工育成的单晶膜12，制作了相对于波长1.55μm的光转动角为45deg的单晶板。在该单晶板的研磨面上形成无反射涂层，制作了法拉第转子。从制作的法拉第转子中抽取20个，评价相对于波长1.55μm的光的光损耗。法拉第转子的光损耗为0～0.01dB，是极低的损耗。
(实施例1-4)
在Au制的坩埚4中填充Gd2O3、Yb2O3、Fe2O3、GeO2、B2O3、Bi2O3、NaOH，配置在电炉中。此时的Ge/Fe摩尔比规定为0.012。升高炉温到950℃为止，熔化坩埚4内的材料，生成熔融液8，使用Au制的搅拌用工具搅拌熔融液8。将CaMgZr置换GGG基板10安装在Au制的固定工具2上投入到炉内，降低炉温到850℃为止之后，使基板10的一面与熔融液8接触，进行40小时外延生长。得到膜厚500μm的磁性石榴石单晶膜12。通过荧光X射线分析对育成的单晶膜12进行组成分析，结果组成为Bi1.290Gd1.200Yb0.500Na0.010Fe4.980Ge0.020O12。加工育成的单晶膜12，制作了相对于波长1.55μm的光转动角为45deg的单晶板。在该单晶板的研磨面上形成无反射涂层，制作了法拉第转子。从制作的法拉第转子中抽取20个，评价相对于波长1.55μm的光的光损耗。法拉第转子的光损耗为0～0.01dB，是极低的损耗。
(实施例1-5)
在Au制的坩埚4中填充Gd2O3、Yb2O3、Fe2O3、GeO2、B2O3、Bi2O3、NaOH，配置在电炉中。此时的Ge/Fe摩尔比规定为0.020。升高炉温到950℃为止，熔化坩埚4内的材料，生成熔融液8，使用Au制的搅拌用工具搅拌熔融液8。将CaMgZr置换GGG基板10安装在Au制的固定工具2上投入到炉内，降低炉温到850℃为止之后，使基板10的一面与熔融液8接触，进行40小时外延生长。得到膜厚500μm的磁性石榴石单晶膜l2。通过荧光X射线分析对育成的单晶膜12进行组成分析，结果组成为Bi1.283Gd1.200Yb0.500Na0.017Fe4.967Ge0.033O12。加工育成的单晶膜12，制作了相对于波长1.55μm的光转动角为45deg的单晶板。在该单晶板的研磨面上形成无反射涂层，制作了法拉第转子。从制作的法拉第转子中抽取20个，评价相对于波长1.55μm的光的光损耗。法拉第转子的光损耗为0～0.01dB，是极低的损耗。
(实施例1-6)
在Au制的坩埚4中填充Gd2O3、Yb2O3、Fe2O3、GeO2、B2O3、Bi2O3、NaOH，配置在电炉中。此时的Ge/Fe摩尔比规定为0.002。升高炉温到950℃为止，熔化坩埚4内的材料，生成熔融液8，使用Au制的搅拌用工具搅拌熔融液8。将CaMgZr置换GGG基板10安装在Au制的固定工具2上投入到炉内，降低炉温到850℃为止之后，使基板10的一面与熔融液8接触，进行40小时外延生长。得到膜厚500μm的磁性石榴石单晶膜12。通过荧光X射线分析对育成的单晶膜12进行组成分析，结果组成为Bi1.300Gd1.200Yb0.500Fe4.997Ge0.003O12。Na未能检测出。然后用ICP分析法详细评价组成，可确定Na的含有量。其结果可知，磁性石榴石单晶膜12的化学式是(BiGdYb)2.998Na0.002(FeGe)5.000O12。加工育成的单晶膜12，制作了相对于波长1.55μm的光转动角为45deg的单晶板。在该单晶板的研磨面上形成无反射涂层，制作了法拉第转子。从制作的法拉第转子中抽取20个，评价相对于波长1.55μm的光的光损耗。法拉第转子的光损耗为0.2～0.25dB。
(实施例1-7)
在Au制的坩埚4中填充Gd2O3、Yb2O3、Fe2O3、GeO2、B2O3、Bi2O3、NaOH，配置在电炉中。此时的Ge/Fe摩尔比规定为0.003。升高炉温到950℃为止，熔化坩埚4内的材料，生成熔融液8，使用Au制的搅拌用工具搅拌熔融液8。将CaMgZr置换GGG基板10安装在Au制的固定工具2上投入到炉内，降低炉温到850℃为止之后，使基板10的一面与熔融液8接触，进行40小时外延生长。得到膜厚500μm的磁性石榴石单晶膜12。通过荧光X射线分析对育成的单晶膜12进行组成分析，结果组成为Bi1.300Gd1.200Yb0.500Fe4.994Ge0.006O12，Na未能检测出。然后用ICP分析法详细评价组成，可确定Na的含有量。其结果可知，磁性石榴石单晶膜12的化学式是(BiGdYb)2.997Na0.003(FeGe)5.000O12。加工育成的单晶膜12，制作了相对于波长1.55μm的光转动角为45deg的单晶板。在该单晶板的研磨面上形成无反射涂层，制作了法拉第转子。从制作的法拉第转子中抽取20个，评价相对于波长1.55μm的光的光损耗。法拉第转子的光损耗为0.04～0.07dB。
(实施例1-8)
在Au制的坩埚4中填充Gd2O3、Yb2O3、Fe2O3、SiO2、B2O3、Bi2O3、NaOH，配置在电炉中。此时的Si/Fe摩尔比规定为0.006。升高炉温到950℃为止，熔化坩埚4内的材料，生成熔融液8，使用Au制的搅拌用工具搅拌熔融液8。将CaMgZr置换GGG基板10安装在Au制的固定工具2上投入到炉内，降低炉温到850℃为止之后，使基板10的一面与熔融液8接触，进行40小时外延生长。得到膜厚500μm的磁性石榴石单晶膜12。通过荧光X射线分析对育成的单晶膜12进行组成分析，结果组成为Bi1.300Gd1.200Yb0.500Fe4.990Si0.010O12，Na未能检测出。然后用ICP分析法详细评价组成，可确定Na的含有量。其结果可知，磁性石榴石单晶膜12的化学式是(BiGdYb)2.995Na0.005(FeSi)5.000O12。加工育成的单晶膜12，制作了相对于波长1.55μm的光转动角为45deg的单晶板。在该单晶板的研磨面上形成无反射涂层，制作了法拉第转子。从制作的法拉第转子中抽取20个，评价相对于波长1.55μm的光的光损耗。法拉第转子的光损耗为0～0.01dB，是极低的损耗。
(实施例1-9)
在Au制的坩埚4中填充Gd2O3、Yb2O3、Fe2O3、TiO2、B2O3、  Bi2O3、NaOH，配置在电炉中。此时的Ti/Fe摩尔比规定为0.006。升高炉温到950℃为止，熔化坩埚4内的材料，生成熔融液8，使用Au制的搅拌用工具搅拌熔融液8。将CaMgZr置换GGG基板10安装在Au制的固定工具2上投入到炉内，降低炉温到850℃为止之后，使基板10的一面与熔融液8接触，进行40小时外延生长。得到膜厚500μm的磁性石榴石单晶膜12。通过荧光X射线分析对育成的单晶膜12进行组成分析，结果组成为Bi1.300Gd1.200Yb0.500Fe4.990Ti0.010O12，Na未能检测出。然后用ICP分析法详细评价组成，可确定Na的含有量。其结果可知，磁性石榴石单晶膜12的化学式是(BiGdYb)2.995Na0.005(FeTi)5.000O12。加工育成的单晶膜12，制作了相对于波长1.55μm的光转动角为45deg的单晶板。在该单晶板的研磨面上形成无反射涂层，制作了法拉第转子。从制作的法拉第转子中抽取20个，评价相对于波长1.55μm的光的光损耗。法拉第转子的光损耗为0～0.01dB，是极低的损耗。
(实施例1-10)
在Au制的坩埚4中填充Gd2O3、Yb2O3、Fe2O3、PtO2、B2O3、Bi2O3、NaOH，配置在电炉中。此时的Pt/Fe摩尔比规定为0.006。升高炉温到950℃为止，熔化坩埚4内的材料，生成熔融液8，使用Au制的搅拌用工具搅拌熔融液8。将CaMgZr置换GGG基板10安装在Au制的固定工具2上投入到炉内，降低炉温到850℃为止之后，使基板10的一面与熔融液8接触，进行40小时外延生长。得到膜厚500μm的磁性石榴石单晶膜12。通过荧光X射线分析对育成的单晶膜12进行组成分析，结果组成为Bi1.300Gd1.200Yb0.500Fe4.990Pt0.010O12，Na未能检测出。然后用ICP分析法详细评价组成，可确定Na的含有量。其结果可知，磁性石榴石单晶膜12的化学式是(BiGdYb)2.995Na0.005(FePt)5.000O12。加工育成的单晶膜12，制作了相对于波长1.55μm的光转动角为45deg的单晶板。在该单晶板的研磨面上形成无反射涂层，制作了法拉第转子。从制作的法拉第转子中抽取20个，评价相对于波长1.55μm的光的光损耗。法拉第转子的光损耗为0～0.01dB，是极低的损耗。
(比较例1-1)
在Au制的坩埚4中填充Gd2O3、Yb2O3、Fe2O3、B2O3、Bi2O3、NaOH，配置在电炉中。升高炉温到950℃为止，熔化坩埚4内的材料，生成熔融液8，使用Au制的搅拌用工具搅拌熔融液8。将CaMgZr置换GGG基板10安装在Au制的固定工具2上投入到炉内，降低炉温到850℃为止之后，使基板10的一面与熔融液8接触，进行40小时外延生长。得到膜厚500μm的磁性石榴石单晶膜12。通过荧光X射线分析对育成的单晶膜12进行组成分析，结果组成为Bi1.300Gd1.200Yb0.500Fe5.000O12，Na未能检测出。然后用ICP分析法详细评价组成，可确定Na的含有量。其结果可知，磁性石榴石单晶膜12的化学式是(BiGdYb)2.998Na0.002Fe5.000O12。加工育成的单晶膜12，制作了相对于波长1.55μm的光转动角为45deg的单晶板。在该单晶板的研磨面上形成无反射涂层，制作了法拉第转子。从制作的法拉第转子中抽取20个，评价相对于波长1.55μm的光的光损耗。法拉第转子的光损耗为3.0～3.5dB，是极高的损耗。
图2关于上述的实施例和比较例汇总示出了配合材料的M2/Fe摩尔比、育成的石榴石单晶的Na量β和M2量γ、以及制作的法拉第转子的光损耗(dB)。如图2所示可知，使用了含有Na和M2的磁性石榴石单晶的法拉第转子(实施例1-1至1-10)，比使用了含Na但不含M2的磁性石榴石单晶的法拉第转子(比较例1-1)更能降低光损耗。特别是磁性石榴石单晶的M2量γ为0.007或以上的场合(实施例1-1至1-5和1-8至1-10)，与使用由含有Pb的溶剂育成的磁性石榴石单晶制作的现有的法拉第转子(例如光损耗为0.05dB或以下)比较，也可得到极低的损耗的法拉第转子。
另外可知，通过使用由含有Na、Fe、M1和M2的材料育成的磁性石榴石单晶，可得到低损耗的法拉第转子。特别是M2/Fe摩尔比为0.004或以上的场合，可得到极低损耗的法拉第转子。
〔第2实施方案〕
用图1和图3说明本发明第2实施方案的磁性石榴石单晶及其制造方法、以及使用该磁性石榴石单晶的光学元件。Na是与稀土类、Bi比离子半径大的元素，在石榴石的晶体结构中占有与稀土类、Bi相同的晶点(site)。在石榴石膜的育成中，为了防止单晶裂纹，需要使基板和膜的晶格常数大致相同。因此在Na加入到石榴石中的场合，为了使晶格常数维持为恒定值，需要减少Bi、Gd、Tb等具有较大离子半径的元素的量，增加Yb、Ho、Y等具有较小离子半径的元素。Bi对转子的厚度造成较大的影响，Gd和Tb等对转子的饱和磁场造成影响。因此当石榴石中的Na量增加时，为了使晶格常数保持为恒定，稀土类、Bi的组成要变化，饱和磁场、厚度等的转子特性与含有Pb的现有转子不同。希望含有Pb的现有转子由具有相同的特性的非铅转子代替。为此，优选Na量β少，从实用上看，需要至少为0.1或以下。此外，为了使非铅转子的特性与现有的转子接近至同等，进一步优选Na量β为0.05或以下。另外，在Si、Ge、Ti之中，Si也是离子半径小的元素，当将Si加入到石榴石中时，具有缓和具有大的离子半径的Na加入到石榴石中的效果。因此，优选将Si添加到石榴石中来进行电荷补偿。Pt与Si、Ge、Ti同样，具有在4价稳定的阳离子的状态下与石榴石中的Na进行电荷补偿、抑制光吸收的效果。可是，Pt是易形成稳定的复合氧化物的元素，当尝试育成Pt量δ大于0.16的石榴石膜时，在育成石榴石膜的同时，在溶液中引起含有Pt的复合氧化物的析出，不能稳定地维持溶液的过饱和状态。因此，难以育成制作法拉第转子所必需的厚度为数百μm、晶体缺陷少的石榴石膜。因此，优选Pt量δ小于0.16。
以下，用实施例和比较例具体地说明本实施方案的磁性石榴石单晶及其制造方法、以及使用该磁性石榴石单晶的光学元件。
(实施例2-1)
在Au制的坩埚4中填充Gd2O3、Yb2O3、Fe2O3、GeO2、SiO2、B2O3、Bi2O3、NaOH，配置在电炉中。此时的Ge、Si与Fe的摩尔比(Ge+Si)/Fe为0.006。升高炉温到950℃为止，熔化坩埚4内的材料，生成熔融液8，使用Au制的搅拌用工具搅拌熔融液8。将CaMgZr置换GGG基板10安装在Au制的固定工具2上投入到炉内，降低炉温到850℃为止之后，使基板10的一面与熔融液8接触，进行40小时外延生长。得到膜厚500μm的磁性石榴石单晶膜12。通过荧光X射线分析对育成的单晶膜进行组成分析，结果组成为Bi1.000Gd1.610Yb0.390Fe4.990Ge0.005Si0.005O12，Na未能检测出。然后用ICP分析法详细评价组成，可确定Na的含有量。其结果可知，磁性石榴石单晶膜12的化学式是(BiGdYb)2.995Na0.005(FeGeSi)5.000O12。加工育成的单晶膜12，制作了相对于波长1.55μm的光转动角为45deg的单晶板。在该单晶板的研磨面上形成无反射涂层，制作了法拉第转子。转子的厚度为410μm，在1mm见方的形状下的饱和磁场为618Oe。从制作的法拉第转子中抽取20个，评价相对于波长1.55μm的光的光损耗。法拉第转子的光损耗为0～0.01dB，是极低的损耗。
(实施例2-2)
在Au制的坩埚4中填充Gd2O3、Yb2O3、Fe2O3、GeO2、SiO2、B2O3、Bi2O3、NaOH，配置在电炉中。此时的Ge、Si与Fe的摩尔比(Ge+Si)/Fe为0.004。升高炉温到950℃为止，熔化坩埚4内的材料，生成熔融液8，使用Au制的搅拌用工具搅拌熔融液8。将CaMgZr置换GGG基板10安装在Au制的固定工具2上投入到炉内，降低炉温到850℃为止之后，使基板10的一面与熔融液8接触，进行40小时外延生长。得到膜厚500μm的磁性石榴石单晶膜。通过荧光X射线分析对育成的单晶膜进行组成分析，结果组成为Bi1.000Gd1.610Yb0.390(FeGeSi)5.000O12，不能确定Ge和Si量，Na未能检测出。然后用ICP分析法详细评价组成，可确定Na的含有量。其结果可知，磁性石榴石单晶膜12的化学式是(BiGdYb)2.996Na0.004Fe4.993Ge0.004Si0.003O12。加工育成的单晶膜12，制作了相对于波长1.55μm的光转动角为45deg的单晶板。在该单晶板的研磨面上形成无反射涂层，制作了法拉第转子。转子的厚度为410μm，在1mm见方的形状下的饱和磁场为618Oe。从制作的法拉第转子中抽取20个，评价相对于波长1.55μm的光的光损耗。法拉第转子的光损耗为0～0.01dB，是极低的损耗。
(实施例2-3)
在Au制的坩埚4中填充Gd2O3、Yb2O3、Fe2O3、GeO2、SiO2、B2O3、Bi2O3、NaOH，配置在电炉中。此时的Ge、Si与Fe的摩尔比(Ge+Si)/Fe为0.008。升高炉温到950℃为止，熔化坩埚4内的材料，生成熔融液8，使用Au制的搅拌用工具搅拌熔融液8。将CaMgZr置换GGG基板10安装在Au制的固定工具2上投入到炉内，降低炉温到850℃为止之后，使基板10的一面与熔融液8接触，进行40小时外延生长。得到膜厚500μm的磁性石榴石单晶膜。通过荧光X射线分析对育成的单晶膜进行组成分析，结果检测出Na，组成为Bi0.990Gd1.610Yb0.393Na0.007Fe4.987Ge0.008Si0.005O12。加工育成的单晶膜12，制作了相对于波长1.55μm的光转动角为45deg的单晶板。在该单晶板的研磨面上形成无反射涂层，制作了法拉第转子。转子的厚度为413μm，在1mm见方的形状下的饱和磁场为618Oe。从制作的法拉第转子中抽取20个，评价相对于波长1.55μm的光的光损耗。法拉第转子的光损耗为0～0.01dB，是极低的损耗。
(实施例2-4)
在Au制的坩埚4中填充Gd2O3、Yb2O3、Fe2O3、GeO2、SiO2、B2O3、Bi2O3、NaOH，配置在电炉中。此时的Ge、Si与Fe的摩尔比(Ge+Si)/Fe为0.012。升高炉温到950℃为止，熔化坩埚4内的材料，生成熔融液8，使用Au制的搅拌用工具搅拌熔融液8。将CaMgZr置换GGG基板10安装在Au制的固定工具2上投入到炉内，降低炉温到850℃为止之后，使基板10的一面与熔融液8接触，进行40小时外延生长。得到膜厚500μm的磁性石榴石单晶膜。通过荧光X射线分析对育成的单晶膜进行组成分析，结果组成为Bi0.986Gd1.610Yb0.394Na0.010Fe4.980Ge0.015Si0.005O12。加工育成的单晶膜12，制作了相对于波长1.55μm的光转动角为45deg的单晶板。在该单晶板的研磨面上形成无反射涂层，制作了法拉第转子。转子的厚度为415μm，在1mm见方的形状下的饱和磁场为617Oe。从制作的法拉第转子中抽取20个，评价相对于波长1.55μm的光的光损耗。法拉第转子的光损耗为0～0.01dB，是极低的损耗。
(实施例2-5)
在Au制的坩埚4中填充Gd2O3、Yb2O3、Fe2O3、GeO2、SiO2、B2O3、Bi2O3、NaOH，配置在电炉中。此时的Ge、Si与Fe的摩尔比(Ge+Si)/Fe为0.020。升高炉温到950℃为止，熔化坩埚4内的材料，生成熔融液8，使用Au制的搅拌用工具搅拌熔融液8。将CaMgZr置换GGG基板10安装在Au制的固定工具2上投入到炉内，降低炉温到850℃为止之后，使基板10的一面与熔融液8接触，进行40小时外延生长。得到膜厚500μm的磁性石榴石单晶膜。通过荧光X射线分析对育成的单晶膜进行组成分析，结果组成为Bi0.990Gd1.590Yb0.403Na0.017Fe4.967Ge0.028Si0.005O12.加工育成的单晶膜12，制作了相对于波长1.55μm的光转动角为45deg的单晶板.在该单晶板的研磨面上形成无反射涂层，制作了法拉第转子.转子的厚度为413μm，在1mm见方的形状下的饱和磁场为626Oe.从制作的法拉第转子中抽取20个，评价相对于波长1.55μm的光的光损耗。法拉第转子的光损耗为0～0.01dB，是极低的损耗.
(实施例2-6)
在Au制的坩埚4中填充Gd2O3、Yb2O3、Fe2O3、GeO2、SiO2、B2O3、Bi2O3、NaOH，配置在电炉中.此时的Ge、Si与Fe的摩尔比(Ge+Si)/Fe为0.060。升高炉温到950℃为止，熔化坩埚4内的材料，生成熔融液8，使用Au制的搅拌用工具搅拌熔融液8.将CaMgZr置换GGG基板10安装在Au制的固定工具2上投入到炉内，降低炉温到850℃为止之后，使基板10的一面与熔融液8接触，进行40小时外延生长.得到膜厚500μm的磁性石榴石单晶膜.通过荧光X射线分析对育成的单晶膜进行组成分析，结果组成为Bi9.500Gd1.580Yb0.420Na0.050Fe4.900Ge0.080Si0.020O12.加工育成的单晶膜12，制作了相对于波长1.55μm的光转动角为45deg的单晶板.在该单晶板的研磨面上形成无反射涂层，制作了法拉第转子.转子的厚度为431μm，在1mm见方的形状下的饱和磁场为631Oe.从制作的法拉第转子中抽取20个，评价相对于波长1.55μm的光的光损耗.法拉第转子的光损耗为0～0.01dB，是极低的损耗。
(实施例2-7)
在Au制的坩埚4中填充Gd2O3、Yb2O3、Fe2O3、GeO2、SiO2、B2O3、Bi2O3、NaOH，配置在电炉中.此时的Ge、Si与Fe的摩尔比(Ge+Si)/Fe为0.120.升高炉温到950℃为止，熔化坩埚4内的材料，生成熔融液8，使用Au制的搅拌用工具搅拌熔融液8.将CaMgZr置换GGG基板10安装在Au制的固定工具2上投入到炉内，降低炉温到850℃为止之后，使基板10的一面与熔融液8接触，进行40小时外延生长.得到膜厚500μm的磁性石榴石单晶膜.通过荧光X射线分析对育成的单晶膜进行组成分析，结果组成为Bi0.923Gd1.510Yb0.467Na0.100Fe4.800Ge0.160Si0.040O12.加工育成的单晶膜12，制作了相对于波长1.55μm的光转动角为45deg的单晶板.在该单晶板的研磨面上形成无反射涂层，制作了法拉第转子.转子的厚度为443μm，在1mm见方的形状下的饱和磁场为662Oe.从制作的法拉第转子中抽取20个，评价相对于波长1.55μm的光的光损耗.法拉第转子的光损耗为0～0.01dB，是极低的损耗.
(实施例2-8)
在Au制的坩埚4中填充Gd2O3、Yb2O3、Fe2O3、GeO2、SiO2、B2O3、Bi2O3、NaOH，配置在电炉中.此时的Ge、Si与Fe的摩尔比(Ge+Si)/Fe为0.002.升高炉温到950℃为止，熔化坩埚4内的材料，生成熔融液8，使用Au制的搅拌用工具搅拌熔融液8.将CaMgZr置换GGG基板10安装在Au制的固定工具2上投入到炉内，降低炉温到850℃为止之后，使基板10的一面与熔融液8接触，进行40小时外延生长。得到膜厚500μm的磁性石榴石单晶膜。通过荧光X射线分析对育成的单晶膜进行组成分析，结果组成为Bi1.000Gd1.610Yb0.390(FeGeSi)5.000O12，Na未能检测出.然后用ICP分析法详细评价组成，可确定Na的含有量.其结果可知，磁性石榴石单晶膜的化学式是(BiGdYb)2.998Na0.002Fe4.997Ge0.002Si0.001O12.加工育成的单晶膜12，制作了相对于波长1.55μm的光转动角为45deg的单晶板.在该单晶板的研磨面上形成无反射涂层，制作了法拉第转子.转子的厚度为410μm，在1mm见方的形状下的饱和磁场为618Oe.从制作的法拉第转子中抽取20个，评价相对于波长1.55μm的光的光损耗.法拉第转子的光损耗为0.2～0.25dB，是比不添加Ge的转子低的损耗.
(实施例2-9)
在Au制的坩埚4中填充Gd2O3、Yb2O3、Fe2O3、SiO2、B2O3、Bi2O3、NaOH，配置在电炉中.此时的Si与Fe的摩尔比Si/Fe为0.006.升高炉温到950℃为止，熔化坩埚4内的材料，生成熔融液8，使用Au制的搅拌用工具搅拌熔融液8.将CaMgZr置换GGG基板10安装在Au制的固定工具2上投入到炉内，降低炉温到850℃为止之后，使基板10的一面与熔融液8接触，进行40小时外延生长.得到膜厚500μm的磁性石榴石单晶膜.通过荧光X射线分析对育成的单晶膜进行组成分析，结果组成为Bi1.000Gd1.520Yb0.480Fe4.990Si0.010O12，Na未能检测出。然后用ICP分析法详细评价组成，可确定Na的含有量.其结果可知，磁性石榴石单晶膜的化学式是(BiGdYb)2.995Na0.005(FeSi)5.000O12.加工育成的单晶膜12，制作了相对于波长1.55μm的光转动角为45deg的单晶板.在该单晶板的研磨面上形成无反射涂层，制作了法拉第转子。转子的厚度为410μm，在1mm见方的形状下的饱和磁场为618Oe.从制作的法拉第转子中抽取20个，评价相对于波长1.55μm的光的光损耗.法拉第转子的光损耗为0～0.01dB，是极低的损耗.
(实施例2-10)
在Au制的坩埚4中填充Gd2O3、Yb2O3、Fe2O3、GeO2、B2O3、Bi2O3、NaOH，配置在电炉中.此时的Ge与Fe的摩尔比Ge/Fe为0.006.升高炉温到950℃为止，熔化坩埚4内的材料，生成熔融液8，使用Au制的搅拌用工具搅拌熔融液8.将CaMgZr置换GGG基板10安装在Au制的固定工具2上投入到炉内，降低炉温到850℃为止之后，使基板10的一面与熔融液8接触，进行40小时外延生长.得到膜厚500μm的磁性石榴石单晶膜.通过荧光X射线分析对育成的单晶膜进行组成分析，结果组成为Bi1.000Gd1.610Yb0.390Fe4.990Ge0.010O12，Na未能检测出.然后用ICP分析法详细评价组成，可确定Na的含有量.其结果可知，磁性石榴石单晶膜的化学式是(BiGdYb)2.995Na0.005(FeGe)5.000O12.加工育成的单晶膜12，制作了相对于波长1.55μm的光转动角为45deg的单晶板.在该单晶板的研磨面上形成无反射涂层，制作了法拉第转子.转子的厚度为410μm，在1mm见方的形状下的饱和磁场为618Oe。从制作的法拉第转子中抽取20个，评价相对于波长1.55μm的光的光损耗.法拉第转子的光损耗为0～0.01dB，是极低的损耗.
(实施例2-11)
在Au制的坩埚4中填充Gd2O3、Yb2O3、Fe2O3、TiO2、B2O3、Bi2O3、NaOH，配置在电炉中.此时的Ti与Fe的摩尔比Ti/Fe为0.006。升高炉温到950℃为止，熔化坩埚4内的材料，生成熔融液8，使用Au制的搅拌用工具搅拌熔融液8.将CaMgZr置换GGG基板10安装在Au制的固定工具2上投入到炉内，降低炉温到850℃为止之后，使基板10的一面与熔融液8接触，进行40小时外延生长.得到膜厚500μm的磁性石榴石单晶膜.通过荧光X射线分析对育成的单晶膜进行组成分析，结果组成为Bi1.000Gd1.610Yb0.390Fe4.990Ti0.010O12，Na未能检测出.然后用ICP分析法详细评价组成，可确定Na的含有量.其结果可知，磁性石榴石单晶膜的化学式是(BiGdYb)2.995Na0.005(FeTi)5.000O12.加工育成的单晶膜12，制作了相对于波长1.55μm的光转动角为45deg的单晶板.在该单晶板的研磨面上形成无反射涂层，制作了法拉第转子.转子的厚度为410μm，在1mm见方的形状下的饱和磁场为618Oe.从制作的法拉第转子中抽取20个，评价相对于波长1.55μm的光的光损耗.法拉第转子的光损耗为0～0.01dB，是极低的损耗。
(实施例2-12)
在Au制的坩埚4中填充Gd2O3、Yb2O3、Fe2O3、PtO2、B2O3、Bi2O3、NaOH，配置在电炉中.此时的Pt与Fe的摩尔比Pt/Fe为0.006.升高炉温到950℃为止，熔化坩埚4内的材料，生成熔融液8，使用Au制的搅拌用工具搅拌熔融液8.将CaMgZr置换GGG基板10安装在Au制的固定工具2上投入到炉内，降低炉温到850℃为止之后，使基板10的一面与熔融液8接触，进行40小时外延生长.得到膜厚500μm的磁性石榴石单晶膜.通过荧光X射线分析对育成的单晶膜进行组成分析，结果组成为Bi1.000Gd1.610Yb0.390Fe4.990Pt0.010O12，Na未能检测出.然后用ICP分析法详细评价组成，可确定Na的含有量.其结果可知，磁性石榴石单晶膜的化学式是(BiGdYb)2.995Na0.005(FePt)5.000O12.加工育成的单晶膜12，制作了相对于波长1.55μm的光转动角为45deg的单晶板.在该单晶板的研磨面上形成无反射涂层，制作了法拉第转子.转子的厚度为410μm，在1mm见方的形状下的饱和磁场为618Oe.从制作的法拉第转子中抽取20个，评价相对于波长1.55μm的光的光损耗.法拉第转子的光损耗为0～0.01dB，是极低的损耗.
(比较例2-1)
在Au制的坩埚4中填充Gd2O3、Yb2O3、Fe2O3、B2O3、Bi2O3、NaOH，配置在电炉中.升高炉温到950℃为止，熔化坩埚4内的材料，生成熔融液8，使用Au制的搅拌用工具搅拌熔融液8.将CaMgZr置换GGG基板10安装在Au制的固定工具2上投入到炉内，降低炉温到850℃为止之后，使基板10的一面与熔融液8接触，进行40小时外延生长.得到膜厚500μm的磁性石榴石单晶膜.通过荧光X射线分析对育成的单晶膜进行组成分析，结果组成为Bi1.000Gd1.610Yb0.390Fe5.000O12，Na未能检测出.然后用ICP分析法详细评价组成，可确定Na的含有量.其结果可知，磁性石榴石单晶膜的化学式是(BiGdYb)2.998Na0.002Fe5.000O12.加工育成的单晶膜12，制作了相对于波长1.55μm的光转动角为45deg的单晶板。在该单晶板的研磨面上形成无反射涂层，制作了法拉第转子.转子的厚度为410μm，在1mm见方的形状下的饱和磁场为618Oe.从制作的法拉第转子中抽取20个，评价相对于波长1.55μm的光的光损耗.法拉第转子的光损耗为3.0～3.5dB，是极高的损耗.
(比较例2-2)
在Au制的坩埚4中填充Gd2O3、Yb2O3、Fe2O3、PtO2、B2O3、Bi2O3、NaOH，配置在电炉中.此时的Pt与Fe的摩尔比Pt/Fe为0.100.升高炉温到950℃为止，熔化坩埚4内的材料，生成熔融液8，使用Au制的搅拌用工具搅拌熔融液8.将CaMgZr置换GGG基板10安装在Au制的固定工具2上投入到炉内，降低炉温到850℃为止之后，使基板10的一面与熔融液8接触，进行40小时外延生长.得到在育成的表面具有许多晶体缺陷的、膜厚365μm的磁性石榴石单晶膜.通过荧光X射线分析对育成的单晶膜进行组成分析，结果组成为Bi0.950Gd1.590Yb0.380Na0.080Fe4.840Pt0.160O12.由于单晶膜的厚度不足，因此不能制作相对于波长1.55μm的光转动角为45deg的单晶板.
图3关于上述的实施例和比较例汇总示出配合材料的(M2+M3)/Fe摩尔比、育成的石榴石单晶的Na量β、M2量γ、和M3量δ、以及制作的法拉第转子的光损耗(dB).如图3所示可知，使用了含有Na、M2和M3的磁性石榴石单晶的法拉第转子(实施例2-1至2-12)，比使用了不含M2和M3的磁性石榴石单晶的法拉第转子(比较例2-1)更能降低光损耗.特别是磁性石榴石单晶的Na量β为0.1或以下、包含Ge和Si的M2量γ(M3量δ＝0)为0.2或以下的场合(实施例2-1至2-8)、优选Na量β为0.05或以下、M2量γ(M3量δ＝0)为0.1或以下的场合(实施例2-1至2-6和实施例2-8)，可得到极低损耗的法拉第转子.
〔第3实施方案〕
用图4说明本发明第3实施方案的磁性石榴石单晶和使用该磁性石榴石单晶的光学元件.在本实施方案中，用钠(Na)代替现有的溶剂中所含的Pb的至少一部分，由含有Na的溶液育成磁性石榴石单晶.含有Na和氧的物质与其他氧化物比，大多在较低的温度下熔化，因此Na作为育成磁性石榴石单晶时的溶剂是有效的.例如由含有氢氧化钠(NaOH)的溶剂育成的磁性石榴石单晶，具有无缺陷和裂纹的优异的品质.通过从溶剂的材料去除掉PbO，将含有Na的物质和Bi2O3及B2O3用作为溶剂，可大致完全去除以往的磁性石榴石单晶中微量含有的Pb.
可是已判明，由含有Na的溶剂育成的石榴石单晶，在光通信所使用的1300～1600nm的波段内的光吸收极大.当加工具有大的光吸收的石榴石单晶来制作法拉第转子等光学元件时，可发生光学元件的光损耗(插入损耗)变高的问题.因此，为了降低大致完全去除了Pb的光学元件的光损耗，必须减少使用含Na的溶剂育成的石榴石单晶的光吸收.
在此，将以NaOH、Bi2O3和B2O3为溶剂、利用LPE法育成的磁性石榴石单晶((BiGdYb)3Fe5O12)进行加工，从而制作出法拉第转子.该法拉第转子相对于波长1.55μm的光的光损耗是3dB.另外，将由含Pb的溶剂、利用LPE法育成的磁性石榴石单晶((BiGdYb)3Fe5O12)进行加工，从而制作出另外的法拉第转子.该法拉第转子相对于波长1.55μm的光的光损耗是0.05dB或以下.因此可知，使用含Na的溶剂制作的法拉第转子的光损耗，与使用含Pb的溶剂制作的法拉第转子的光损耗比较极高.通过荧光X射线分析调查由含Na的溶剂育成的磁性石榴石单晶的组成，结果检测出100～300ppm左右的Na.构成Bi置换稀土类铁石榴石的阳离子基本上是3价.因此，如果1价为稳定的价数的Na阳离子进入到磁性石榴石单晶中，则电荷的平衡被破坏，磁性石榴石单晶变成为半导体.由此可认为，含有Na的磁性石榴石单晶发生了光吸收.
在本实施方案中，将氧化锡(SnO2)、氧化铑(RhO2)、氧化钌(RuO2)、氧化铪(HfO2)、氧化锆(ZrO2)、氧化钒(V2O5)、氧化锑(Sb2O5)、氧化铌(Nb2O5)、氧化钽(Ta2O5)、氧化钼(MoO3)、和氧化钨(WO3)中的至少1种随Na一同加入到配合材料中，从而育成磁性石榴石单晶.将育成的磁性石榴石单晶加工成法拉第转子，评价光损耗，结果可看到光损耗降低的倾向.Sn、Rh、Ru、Hf和Zr在石榴石中其4价的阳离子变得稳定，V、Sb、Nb和Ta在石榴石中其5价的阳离子变得稳定，Mo和W在石榴石中其6价的阳离子变得稳定.通过随Na的阳离子一起进入到磁性石榴石单晶中的这些4价、5价或6价的阳离子补偿电荷，可取得电荷的平衡，磁性石榴石单晶成为绝缘体.可以认为由此磁性石榴石单晶的光吸收减少.
此外，在本实施方案中，在含Na的配合材料中以各种的配合量加入SnO2，育成了多种类的磁性石榴石单晶.在本实施方案中，使用配合材料中的Sn相对于Fe的摩尔比(Sn/Fe摩尔比)作为参数，通过改变SnO2的配合量，将Sn/Fe摩尔比在0～0.02的范围内设定成各种的值.将育成的多种的磁性石榴石单晶分别加工成法拉第转子，评价光损耗.其结果可知，即使在配合材料中只很少量地添加SnO2，法拉第转子的光损耗也大幅度降低，使用Sn/Fe摩尔比为0.004的配合材料制作的法拉第转子的光损耗为0～0.01dB，变得极低.即使Sn/Fe摩尔比大于0.004，法拉第转子的光损耗也为0～0.01dB，没有变化.
由Sn/Fe摩尔比为0.004的配合材料育成的磁性石榴石单晶通过荧光X射线分析和ICP(Inductively Coupled Plasma；高频感应耦合等离子体)分析来进行组成分析，结果得到了化学式(BiGdYb)2.996Na0.004Fe4.993Sn0.007O12.组成分析的结果可知，通过象Sn那样在石榴石中4价稳定的元素加入到磁性石榴石单晶中，法拉第转子的光损耗降低，特别是使磁性石榴石单晶中的Sn量κ以化学式计为0.007时(κ＝0.007)，可使法拉第转子的光损耗为最低.另外，即使进一步增加磁性石榴石单晶中的Sn量κ(κ＞0.007)，法拉第转子的光损耗也仍为最低值.
可知即使使用与Sn同样在石榴石中4价稳定的Rh、Ru、Hf和Zr等来代替Sn，也能够降低法拉第转子的光损耗.特别是当使在磁性石榴石单晶中的这些元素的量κ以化学式计为0.007或其以上时(κ≥0.007)，能够使法拉第转子的光损耗最低.
另外可知，即使使用在石榴石中5价稳定的V、Sb、Nb和Ta等、或在石榴石中6价稳定的W和Mo等，也能够同样降低法拉第转子的光损耗.但是，使用在石榴石中5价或6价稳定的这些元素的场合，用于法拉第转子的光损耗变得最低的条件与上述不同.关于在石榴石中成为5价的阳离子的V、Sb、Nb和Ta，当在磁性石榴石单晶中的这些元素的量λ以化学式计为0.0035或其以上时(2λ≥0.007)，能够使法拉第转子的光损耗最低.关于在石榴石中成为6价的阳离子的W和Mo，当在磁性石榴石单晶中的这些元素的量μ以化学式计为0.0023或其以上时(3μ≥0.007)，能够使法拉第转子的光损耗最低.
此外可知，即使组合Sn、Rh、Ru、Hf、Zr、V、Sb、Nb、Ta、W和Mo之中的2种或以上来使用，也同样能够降低法拉第转子的光损耗。即，通过在表示磁性石榴石单晶的组成的化学式中，选自Sn、Rh、Ru、Hf和Zr中的至少1种元素的量κ、选自V、Sb、Nb和Ta中的至少1种元素的量λ、以及选自W和Mo中的至少1种元素的量μ满足κ+λ+μ＞0的关系，磁性石榴石单晶的光吸收和法拉第转子的光损耗降低.另外，通过κ、λ和μ满足κ+2λ+3μ≥0.007的关系，磁性石榴石单晶的光吸收和法拉第转子的光损耗进一步降低.
当Sn、Rh、Ru、Hf、Zr、V、Sb、Nb、Ta、W和Mo以所规定的量或所规定的量以上加入到石榴石单晶中、电荷的平衡被破坏时，为了补偿电荷Na加入到石榴石中.因此，即使是用Sn、Rh、Ru、Hf、Zr、V、Sb、Nb、Ta、W和Mo大量置换Fe的场合，通过将Na加入到石榴石中，也可补偿电荷。可是，在磁性石榴石单晶中，Sn、Rh、Ru、Hf、Zr、V、Sb、Nb、Ta、W和Mo的置换量大于1.6时，居里点降低到室温附近，因此作为法拉第转子使用变得困难。因此，Sn、Rh、Ru、Hf、Zr、V、Sb、Nb、Ta、W和Mo的置换量的上限以化学式计为1.6(κ+λ+μ≤1.6).
如果4价稳定的元素和1价稳定的元素以2∶1的比率加入到石榴石单晶中，则可取得电荷的平衡，因此在石榴石单晶中，4价稳定的Sn、Rh、Ru、Hf、和Zr以化学式计只加入1.6时，Na以化学式计只加入0.8.另外，如果5价稳定的元素和1价稳定的元素以1∶1的比率加入到石榴石单晶中，则可取得电荷的平衡，因此在石榴石单晶中，5价稳定的V、Sb、Nb和Ta以化学式计只加入1.6时，Na以化学式计只加入1.6.此外，如果6价稳定的元素和1价稳定的元素以2∶3的比率加入到石榴石单晶中，则可取得电荷的平衡，因此在石榴石单晶中，6价稳定的W和Mo以化学式计只加入1.6时，Na以化学式计只加入2.4。即，可用于法拉第转子的磁性石榴石单晶所含的Na的上限以化学式计为2.4(β≤2.4).
在用含Na的溶剂育成磁性石榴石单晶的场合，与不含Na的溶剂比，可更稳定地保持溶液的过饱和状态.因此，Bi以化学式计直到2.0左右为止可稳定地进入到石榴石单晶中(α≤2.0).另一方面，作为法拉第转子为了得到充分的转动系数(deg/μm)，需要石榴石单晶中的Bi以化学式计为0.5或以上(α≥0.5).
另外，在本实施方案中，作为磁性石榴石单晶所含的稀土类元素，可使用通过单独使用或组合使用而可稳定地与Fe制作石榴石单晶的钇(Y)、镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)和镥(Lu).
如以上说明的那样，本实施方案的磁性石榴石单晶，用化学式BiαNaβM13-α-βFe5-κ-λ-μM4κM5λM6μO12(M1是选自Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的至少1种或以上的元素，M4是选自Sn、Rh、Ru、Hf、Zr中的至少1种或以上的元素，M5是选自V、Sb、Nb、Ta中的至少1种或以上的元素，M6是选自W、Mo中的至少1种或以上的元素，0.5≤α≤2.0、0＜β≤2.4、0＜3-α-β＜2.5、0＜κ+λ+μ≤1.6)表示.根据本实施方案，可实现大致完全去除了Pb的磁性石榴石单晶和使用该磁性石榴石单晶的光学元件。另外，根据本实施方案，可降低磁性石榴石单晶的光吸收和光学元件的光损耗.
以下用实施例和比较例更具体地说明本实施方案的磁性石榴石单晶及使用该磁性石榴石单晶的光学元件.
(实施例3-1)
在金(Au)制的坩埚中填充Gd2O3、Yb2O3、Fe2O3、SnO2、B2O3、Bi2O3、NaOH，配置在电炉中。此时的Sn/Fe摩尔比规定为0.006.升高炉温到950℃为止，熔化坩埚内的材料，生成熔融液(溶液)，使用Au制的搅拌用工具搅拌熔融液.在用于育成磁性石榴石单晶膜的基板上，使用由利用提拉法育成的石榴石单晶锭制作的单晶片。在本实施例中作为单晶育成用基板，使用CaMgZr置换GGG(钆·镓·石榴石)单晶基板((GdCa)3(GaMgZr)5O12).
将CaMgZr置换GGG基板安装在Au制的固定工具上并投入到炉内，降低炉温到850℃为止之后，使基板的一面与熔融液接触，进行40小时外延生长.得到膜厚500μm的磁性石榴石单晶膜.通过荧光X射线分析对育成的单晶膜进行组成分析，结果组成为Bi1.300Gd1.200Yb0.500Fe4.990Sn0.010O12，Na未能检测出.然后用ICP分析法详细评价组成，可确定Na的含有量.其结果可知，磁性石榴石单晶膜的化学式是(BiGdYb)2.995N80.005(FeSn)5.000O12.加工育成的单晶膜，制作了相对于波长1.55μm的光转动角为45deg的单晶板.在该单晶板的研磨面上形成无反射涂层，制作了法拉第转子.从制作的法拉第转子中抽取20个，评价相对于波长1.55μm的光的光损耗.法拉第转子的光损耗为0～0.01dB，是极低的损耗.
(实施例3-2)
在Au制的坩埚中填充Gd2O3、Yb2O3、Fe2O3、SnO2、B2O3、Bi2O3、NaOH，配置在电炉中.此时的Sn/Fe摩尔比规定为0.004.升高炉温到950℃为止，熔化坩埚内的材料，生成熔融液，使用Au制的搅拌用工具搅拌熔融液.将CaMgZr置换GGG基板安装在Au制的固定工具上并投入到炉内，降低炉温到850℃为止之后，使基板的一面与熔融液接触，进行40小时外延生长.得到膜厚500μm的磁性石榴石单晶膜.通过荧光X射线分析对育成的单晶膜进行组成分析，结果组成为Bi1.300Gd1.200Yb0.500Fe4.993Sn0.007O12，Na未能检测出.然后用ICP分析法详细评价组成，可确定Na的含有量.其结果可知，磁性石榴石单晶膜的化学式是(BiGdYb)2.996Na0.004(FeSn)5.000O12.加工育成的单晶膜，制作了相对于波长1.55μm的光转动角为45deg的单晶板.在该单晶板的研磨面上形成无反射涂层，制作了法拉第转子.从制作的法拉第转子中抽取20个，评价相对于波长1.55μm的光的光损耗.法拉第转子的光损耗为0～0.01dB，是极低的损耗.
(实施例3-3)
在Au制的坩埚中填充Gd2O3、Yb2O3、Fe2O3、SnO2、B2O3、Bi2O3、NaOH，配置在电炉中。此时的Sn/Fe摩尔比规定为0.008.升高炉温到950℃为止，熔化坩埚内的材料，生成熔融液，使用Au制的搅拌用工具搅拌熔融液.将CaMgZr置换GGG基板安装在Au制的固定工具上并投入到炉内，降低炉温到850℃为止之后，使基板的一面与熔融液接触，进行40小时外延生长.得到膜厚500μm的磁性石榴石单晶膜.通过荧光X射线分析对育成的单晶膜进行组成分析，结果检测出Na，组成为Bi1.293Gd1.200Yb0.500Na0.007Fe4.987Sn0.013O12.加工育成的单晶膜，制作了相对于波长1.55μm的光转动角为45deg的单晶板.在该单晶板的研磨面上形成无反射涂层，制作了法拉第转子.从制作的法拉第转子中抽取20个，评价相对于波长1.55μm的光的光损耗.法拉第转子的光损耗为0～0.01.dB，是极低的损耗.
(实施例3-4)
在Au制的坩埚中填充Gd2O3、Yb2O3、Fe2O3、SnO2、B2O3、Bi2O3、NaOH，配置在电炉中.此时的Sn/Fe摩尔比规定为0.012.升高炉温到950℃为止，熔化坩埚内的材料，生成熔融液，使用Au制的搅拌用工具搅拌熔融液.将CaMgZr置换GGG基板安装在Au制的固定工具上并投入到炉内，降低炉温到850℃为止之后，使基板的一面与熔融液接触，进行40小时外延生长.得到膜厚500μm的磁性石榴石单晶膜.通过荧光X射线分析对育成的单晶膜进行组成分析，结果检测出Na，组成为Bi1.290Gd1.200Yb0.500Na0.010Fe4.980Sn0.020O12.加工育成的单晶膜，制作了相对于波长1.55μm的光转动角为45deg的单晶板.在该单晶板的研磨面上形成无反射涂层，制作了法拉第转子.从制作的法拉第转子中抽取20个，评价相对于波长1.55μm的光的光损耗.法拉第转子的光损耗为0～0.01dB，是极低的损耗.
(实施例3-5)
在Au制的坩埚中填充Gd2O3、Yb2O3、Fe2O3、SnO2、B2O3、Bi2O3、NaOH，配置在电炉中。此时的Sn/Fe摩尔比规定为0.020.升高炉温到950℃为止，熔化坩埚内的材料，生成熔融液，使用Au制的搅拌用工具搅拌熔融液.将CaMgZr置换GGG基板安装在Au制的固定工具上并投入到炉内，降低炉温到850℃为止之后，使基板的一面与熔融液接触，进行40小时外延生长.得到膜厚500μm的磁性石榴石单晶膜.通过荧光X射线分析对育成的单晶膜进行组成分析，结果检测出Na，组成为Bi1.283Gd1.200Yb0.500Na0.017Fe4.967Sn0.033O12。加工育成的单晶膜，制作了相对于波长1.55μm的光转动角为45deg的单晶板.在该单晶板的研磨面上形成无反射涂层，制作了法拉第转子。从制作的法拉第转子中抽取20个，评价相对于波长1.55μm的光的光损耗。法拉第转子的光损耗为0～0.01dB，是极低的损耗.
(实施例3-6)
在Au制的坩埚中填充Gd2O3、Yb2O3、Fe2O3、SnO2、B2O3、Bi2O3、NaOH，配置在电炉中.此时的Sn/Fe摩尔比规定为0.002.升高炉温到950℃为止，熔化坩埚内的材料，生成熔融液，使用Au制的搅拌用工具搅拌熔融液.将CaMgZr置换GGG基板安装在Au制的固定工具上并投入到炉内，降低炉温到850℃为止之后，使基板的一面与熔融液接触，进行40小时外延生长.得到膜厚500μm的磁性石榴石单晶膜。通过荧光X射线分析对育成的单晶膜进行组成分析，结果组成为Bi1.300Gd1.200Yb0.500Fe4.997Sn0.003O12，Na未能检测出.然后用ICP分析法详细评价组成，可确定Na的含有量.其结果可知，磁性石榴石单晶膜的化学式是(BiGdYb)2.998Na0.002(FeSn)5.000O12.加工育成的单晶膜，制作了相对于波长1.55μm的光转动角为45deg的单晶板.在该单晶板的研磨面上形成无反射涂层，制作了法拉第转子.从制作的法拉第转子中抽取20个，评价相对于波长1.55μm的光的光损耗.法拉第转子的光损耗为0.2～0.25dB.
(实施例3-7)
在Au制的坩埚中填充Gd2O3、Yb2O3、Fe2O3、SnO2、B2O3、Bi2O3、NaOH，配置在电炉中.此时的Sn/Fe摩尔比规定为0.003.升高炉温到950℃为止，熔化坩埚内的材料，生成熔融液，使用Au制的搅拌用工具搅拌熔融液.将CaMgZr置换GGG基板安装在Au制的固定工具上并投入到炉内，降低炉温到850℃为止之后，使基板的一面与熔融液接触，进行40小时外延生长.得到膜厚500μm的磁性石榴石单晶膜.通过荧光X射线分析对育成的单晶膜进行组成分析，结果组成为Bi1.300Gd1.200Yb0.500Fe4.994Sn0.006O12，Na未能检测出.然后用ICP分析法详细评价组成，可确定Na的含有量.其结果可知，磁性石榴石单晶膜的化学式是(BiGdYb)2.997Na0.003(FeSn)5.000O12.加工育成的单晶膜，制作了相对于波长1.55μm的光转动角为45deg的单晶板.在该单晶板的研磨面上形成无反射涂层，制作了法拉第转子。从制作的法拉第转子中抽取20个，评价相对于波长1.55μm的光的光损耗。法拉第转子的光损耗为0.04～0.07dB.
(实施例3-8)
在Au制的坩埚中填充Gd2O3、Yb2O3、Fe2O3、RhO2、B2O3、Bi2O3、NaOH，配置在电炉中.此时的Rh/Fe摩尔比规定为0.006.升高炉温到950℃为止，熔化坩埚内的材料，生成熔融液，使用Au制的搅拌用工具搅拌熔融液.将CaMgZr置换GGG基板安装在Au制的固定工具上并投入到炉内，降低炉温到850℃为止之后，使基板的一面与熔融液接触，进行40小时升延生长.得到膜厚500μm的磁性石榴石单晶膜.通过荧光X射线分析对育成的单晶膜进行组成分析，结果组成为Bi1.300Gd1.200Yb0.500Fe4.990Rh0.010O12，Na未能检测出.然后用ICP分析法详细评价组成，可确定Na的含有量.其结果可知，磁性石榴石单晶膜的化学式是(BiGdYb)2.995Na0.005(FeRh)5.000O12.加工育成的单晶膜，制作了相对于波长1.55μm的光转动角为45deg的单晶板.在该单晶板的研磨面上形成无反射涂层，制作了法拉第转子.从制作的法拉第转子中抽取20个，评价相对于波长1.55μm的光的光损耗.法拉第转子的光损耗为0～0.01dB，是极低的损耗。
(实施例3-9)
在Au制的坩埚中填充Gd2O3、Yb2O3、Fe2O3、RuO2、B2O3、Bi2O3、NaOH，配置在电炉中.此时的Ru/Fe摩尔比规定为0.006.升高炉温到950℃为止，熔化坩埚内的材料，生成熔融液，使用Au制的搅拌用工具搅拌熔融液.将CaMgZr置换GGG基板安装在Au制的固定工具上并投入到炉内，降低炉温到850℃为止之后，使基板的一面与熔融液接触，进行40小时外延生长.得到膜厚500μm的磁性石榴石单晶膜.通过荧光X射线分析对育成的单晶膜进行组成分析，结果组成为Bi1.300Gd1.200Yb0.500Fe4.990Ru0.010O12，Na未能检测出.然后用ICP分析法详细评价组成，可确定Na的含有量.其结果可知，磁性石榴石单晶膜的化学式是(BiGdYb)2.995Na0.005(FeRu)5.000O12.加工育成的单晶膜，制作了相对于波长1.55μm的光转动角为45deg的单晶板.在该单晶板的研磨面上形成无反射涂层，制作了法拉第转子。从制作的法拉第转子中抽取20个，评价相对于波长1.55μm的光的光损耗。法拉第转子的光损耗为0～0.01dB，是极低的损耗。
(实施例3-10)
在Au制的坩埚中填充Gd2O3、Yb2O3、Fe2O3、HfO2、B2O3、Bi2O3、NaOH，配置在电炉中.此时的Hf/Fe摩尔比规定为0.006。升高炉温到950℃为止，熔化坩埚内的材料，生成熔融液，使用Au制的搅拌用工具搅拌熔融液。将CaMgZr置换GGG基板安装在Au制的固定工具上并投入到炉内，降低炉温到850℃为止之后，使基板的一面与熔融液接触，进行40小时外延生长.得到膜厚500μm的磁性石榴石单晶膜.通过荧光X射线分析对育成的单晶膜进行组成分析，结果组成为Bi1.300Gd1.200Yb0.500Fe4.990Hf0.010O12，Na未能检测出.然后用ICP分析法详细评价组成，可确定Na的含有量.其结果可知，磁性石榴石单晶膜的化学式是(BiGdYb)2.995Na0.005(FeHf)5.000O12.加工育成的单晶膜，制作了相对于波长1.55μm的光转动角为45deg的单晶板.在该单晶板的研磨面上形成无反射涂层，制作了法拉第转子.从制作的法拉第转子中抽取20个，评价相对于波长1.55μm的光的光损耗.法拉第转子的光损耗为0～0.01dB，是极低的损耗.
(实施例3-11)
在Au制的坩埚中填充Gd2O3、Yb2O3、Fe2O3、ZrO2、B2O3、Bi2O3、NaOH，配置在电炉中.此时的Zr/Fe摩尔比规定为0.006。升高炉温到950℃为止，熔化坩埚内的材料，生成熔融液，使用Au制的搅拌用工具搅拌熔融液.将CaMgZr置换GGG基板安装在Au制的固定工具上并投入到炉内，降低炉温到850℃为止之后，使基板的一面与熔融液接触，进行40小时外延生长.得到膜厚500μm的磁性石榴石单晶膜.通过荧光X射线分析对育成的单晶膜进行组成分析，结果组成为Bi1.300Gd1.200Yb0.500Fe4.990Zr0.010O12，Na未能检测出.然后用ICP分析法详细评价组成，可确定Na的含有量.其结果可知，磁性石榴石单晶膜的化学式是(BiGdYb)2 .995Na0.005(FeZr)5.000O12.加工育成的单晶膜，制作了相对于波长1.55μm的光转动角为45deg的单晶板.在该单晶板的研磨面上形成无反射涂层，制作了法拉第转子。从制作的法拉第转子中抽取20个，评价相对于波长1.55μm的光的光损耗.法拉第转子的光损耗为0～0.01dB，是极低的损耗。
(实施例3-12)
在Au制的坩埚中填充Gd2O3、Yb2O3、Fe2O3、V2O5、B2O3、Bi2O3、NaOH，配置在电炉中.此时的V/Fe摩尔比规定为0.003.升高炉温到950℃为止，熔化坩埚内的材料，生成熔融液，使用Au制的搅拌用工具搅拌熔融液.将CaMgZr置换GGG基板安装在Au制的固定工具上并投入到炉内，降低炉温到850℃为止之后，使基板的一面与熔融液接触，进行40小时外延生长.得到膜厚500μm的磁性石榴石单晶膜.通过荧光X射线分析对育成的单晶膜进行组成分析，结果组成为Bi1.300Gd1.200Yb0.500Fe5.000O12，Na和V未能检测出.然后用ICP分析法详细评价组成，可确定Na和V的含有量.其结果可知，磁性石榴石单晶膜的化学式是(BiGdYb)2.995Na0.005Fe4.995V0.005O12.加工育成的单晶膜，制作了相对于波长1.55μm的光转动角为45deg的单晶板.在该单晶板的研磨面上形成无反射涂层，制作了法拉第转子.从制作的法拉第转子中抽取20个，评价相对于波长1.55μm的光的光损耗.法拉第转子的光损耗为0～0.01dB，是极低的损耗.
(实施例3-13)
在Au制的坩埚中填充Gd2O3、Yb2O3、Fe2O3、Sb2O5、B2O3、Bi2O3、NaOH，配置在电炉中.此时的Sb/Fe摩尔比规定为0.003.升高炉温到950℃为止，熔化坩埚内的材料，生成熔融液，使用Au制的搅拌用工具搅拌熔融液.将CaMgZr置换GGG基板安装在Au制的固定工具上并投入到炉内，降低炉温到850℃为止之后，使基板的一面与熔融液接触，进行40小时外延生长.得到膜厚500μm的磁性石榴石单晶膜.通过荧光X射线分析对育成的单晶膜进行组成分析，结果组成为Bi1.300Gd1.200Yb0.500Fe5.000O12，Na和Sb未能检测出.然后用ICP分析法详细评价组成，可确定Na和Sb的含有量.其结果可知，磁性石榴石单晶膜的化学式是(BiGdYb)2.995Na0.005Fe4.995Sb0.005O12.加工育成的单晶膜，制作了相对于波长1.55μm的光转动角为45deg的单晶板.在该单晶板的研磨面上形成无反射涂层，制作了法拉第转子。从制作的法拉第转子中抽取20个，评价相对于波长1.55μm的光的光损耗。法拉第转子的光损耗为0～0.01dB，是极低的损耗.
(实施例3-14)
在Au制的坩埚中填充Gd2O3、Yb2O3、Fe2O3、Nb2O5、B2O3、Bi2O3、NaOH，配置在电炉中.此时的Nb/Fe摩尔比规定为0.003.升高炉温到950℃为止，熔化坩埚内的材料，生成熔融液，使用Au制的搅拌用工具搅拌熔融液。将CaMgZr置换GGG基板安装在Au制的固定工具上并投入到炉内，降低炉温到850℃为止之后，使基板的一面与熔融液接触，进行40小时外延生长.得到膜厚500μm的磁性石榴石单晶膜.通过荧光X射线分析对育成的单晶膜进行组成分析，结果组成为Bi1.300Gd1.200Yb0.500Fe5.000O12，Na和Nb未能检测出.然后用ICP分析法详细评价组成，可确定Na和Nb的含有量.其结果可知，磁性石榴石单晶膜的化学式是(BiGdYb)2.995Na0.005Fe4.995Nb0.005O12.加工育成的单晶膜，制作了相对于波长1.55μm的光转动角为45deg的单晶板.在该单晶板的研磨面上形成无反射涂层，制作了法拉第转子.从制作的法拉第转子中抽取20个，评价相对于波长1.55μm的光的光损耗.法拉第转子的光损耗为0～0.01dB，是极低的损耗.
(实施例3-15)
在Au制的坩埚中填充Gd2O3、Yb2O3、Fe2O3、Ta2O5、B2O3、Bi2O3、NaOH，配置在电炉中.此时的Ta/Fe摩尔比规定为0.003.升高炉温到950℃为止，熔化坩埚内的材料，生成熔融液，使用Au制的搅拌用工具搅拌熔融液.将CaMgZr置换GGG基板安装在Au制的固定工具上并投入到炉内，降低炉温到850℃为止之后，使基板的一面与熔融液接触，进行40小时外延生长.得到膜厚500μm的磁性石榴石单晶膜。通过荧光X射线分析对育成的单晶膜进行组成分析，结果组成为Bi1.300Gd1.200Yb0.500Fe5.000O12，Na和Ta未能检测出.然后用ICP分析法详细评价组成，可确定Na和Ta的含有量.其结果可知，磁性石榴石单晶膜的化学式是(BiGdYb)2.995Na0.005Fe4.995Ta0.005O12.加工育成的单晶膜，制作了相对于波长1.55μm的光转动角为45deg的单晶板.在该单晶板的研磨面上形成无反射涂层，制作了法拉第转子。从制作的法拉第转子中抽取20个，评价相对于波长1.55μm的光的光损耗.法拉第转子的光损耗为0～0.01dB，是极低的损耗.
(实施例3-16)
在Au制的坩埚中填充Gd2O3、Yb2O3、Fe2O3、WO3、B2O3、Bi2O3、NaOH，配置在电炉中.此时的W/Fe摩尔比规定为0.002.升高炉温到950℃为止，熔化坩埚内的材料，生成熔融液，使用Au制的搅拌用工具搅拌熔融液.将CaMgZr置换GGG基板安装在Au制的固定工具上并投入到炉内，降低炉温到850℃为止之后，使基板的一面与熔融液接触，进行40小时外延生长.得到膜厚500μm的磁性石榴石单晶膜.通过荧光X射线分析对育成的单晶膜进行组成分析，结果组成为Bi1.300Gd1.200Yb0.500Fe5.000O12，Na和W未能检测出.然后用ICP分析法详细评价组成，可确定Na和W的含有量.其结果可知，磁性石榴石单晶膜的化学式是(BiGdYb)2.995Na0.005Fe4.997W0.003O12.加工育成的单晶膜，制作了相对于波长1.55μm的光转动角为45deg的单晶板。在该单晶板的研磨面上形成无反射涂层，制作了法拉第转子。从制作的法拉第转子中抽取20个，评价相对于波长1.55μm的光的光损耗.法拉第转子的光损耗为0～0.01dB，是极低的损耗。
(实施例3-17)
在Au制的坩埚中填充Gd2O3、Yb2O3、Fe2O3、MoO3、B2O3、Bi2O3、NaOH，配置在电炉中.此时的Mo/Fe摩尔比规定为0.002.升高炉温到950℃为止，熔化坩埚内的材料，生成熔融液，使用Au制的搅拌用工具搅拌熔融液.将CaMgZr置换GGG基板安装在Au制的固定工具上并投入到炉内，降低炉温到850℃为止之后，使基板的一面与熔融液接触，进行40小时外延生长.得到膜厚500μm的磁性石榴石单晶膜.通过荧光X射线分析对育成的单晶膜进行组成分析，结果组成为Bi1.300Gd1.200Yb0.500Fe5.000O12，Na和Mo未能检测出.然后用ICP分析法详细评价组成，可确定Na和Mo的含有量.其结果可知，磁性石榴石单晶膜的化学式是(BiGdYb)2.995Na0.005Fe4.997Mo0.003O12.加工育成的单晶膜，制作了相对于波长1.55μm的光转动角为45deg的单晶板。在该单晶板的研磨面上形成无反射涂层，制作了法拉第转于.从制作的法拉第转子中抽取20个，评价相对于波长1.55μm的光的光损耗.法拉第转子的光损耗为0～0.01dB，是极低的损耗.
(比较例3-1)
在Au制的坩埚中填充Gd2O3、Yb2O3、Fe2O3、B2O3、Bi2O3、NaOH，配置在电炉中.升高炉温到950℃为止，熔化坩埚内的材料，生成熔融液，使用Au制的搅拌用工具搅拌熔融液.将CaMgZr置换GGG基板安装在Au制的固定工具上并投入到炉内，降低炉温到850℃为止之后，使基板的一面与熔融液接触，进行40小时外延生长.得到膜厚500μm的磁性石榴石单晶膜.通过荧光X射线分析对育成的单晶膜进行组成分析，结果组成为Bi1.300Gd1.200Yb0.500Fe5.000O12，Na未能检测出。然后用ICP分析法详细评价组成，可确定Na的含有量.其结果可知，磁性石榴石单晶膜的化学式是(BiGdYb)2.998Na0.002Fe5.000O12.加工育成的单晶膜，制作了相对于波长1.55μm的光转动角为45deg的单晶板.在该单晶板的研磨面上形成无反射涂层，制作了法拉第转子.从制作的法拉第转子中抽取20个，评价相对于波长1.55μm的光的光损耗.法拉第转子的光损耗为3.0～3.5dB，是极高的损耗.
关于上述的实施例和比较例，图4汇总示出了育成的磁性石榴石单晶的Na量β、M4量κ、M5量λ、M6量μ、κ+λ+μ和k+2λ+3μ、以及制作的法拉第转子的光损耗(dB).如图4所示，本实施例的磁性石榴石单晶在含有Na的同时含有M4、M5或M6之中的任意元素(κ+λ+μ＞0).另一方面，比较例的磁性石榴石单晶含有Na但均不含有M4、M5和M6(κ+λ+μ＝0)。可知，使用含有M4、M5或M6之中的任意元素的本实施例的磁性石榴石单晶的法拉第转子，与使用比较例的磁性石榴石单晶的法拉第转子相比，为低损耗。特别是在M4量κ、M5量λ和M6量μ满足κ+2λ+3μ≥0.007的关系的场合(实施例3-1至3-5和实施例3-8至3-17)，可得到即使与使用由含有Pb的溶剂育成的磁性石榴石单晶制作的现有的法拉第转子(例如光损耗为0.05dB或以下)相比损耗也极低的法拉第转子。

Claims (13)

1.一种磁性石榴石单晶，其特征在于，用化学式BiαNaβM13-α-βFe5-γM2γO12表示，M1是选自Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的至少一种的元素，M2是选自Si、Ge、Ti中的至少一种的元素，0.5＜α≤2.0、0＜β≤0.8、0.2≤3-α-β＜2.5、0＜γ≤1.6。
2.根据权利要求1所述的磁性石榴石单晶，其特征在于，上述γ为0.007≤γ≤1.6。
3.一种光学元件，其特征在于，使用权利要求1或2所述的磁性石榴石单晶制作而成。
4.一种磁性石榴石单晶的制造方法，其特征在于，由含有Na、Fe、M1和M2的材料生成熔融液，M1是选自Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的至少一种的元素，M2是选自Si、Ge、Ti中的至少一种的元素，
使用上述熔融液育成磁性石榴石单晶，所述磁性石榴石单晶用化学式BiαNaβM13-α-βFe5-γM2γO12表示，M1是选自Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的至少一种的元素，M2是选自Si、Ge、Ti中的至少一种的元素，0.5＜α≤2.0、0＜β≤0.8、0.2≤3-α-β＜2.5、0＜γ≤1.6。
5.根据权利要求4所述的磁性石榴石单晶的制造方法，其特征在于，上述材料中的上述M2相对于Fe的摩尔比是0.004以上。
6.根据权利要求1所述的磁性石榴石单晶，其特征在于，上述β和γ为0＜β≤0.1、0＜γ≤0.2。
7.根据权利要求6所述的磁性石榴石单晶，其特征在于，上述β和γ为0＜β≤0.05、0＜γ≤0.1。
8.根据权利要求6或7所述的磁性石榴石单晶，其特征在于，上述M2是至少含有Si的元素。
9.一种磁性石榴石单晶，其特征在于，用化学式BiαNaβM13-α-βFe5-γ-σM2γM3δO12表示，M1是选自Y、La、C e、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的至少一种的元素，M2是选自Si、Ge、Ti中的至少一种的元素，M3是Pt，0.5＜α≤2.0、0＜β≤0.8、0.2≤3-α-β＜2.5、0＜γ+δ≤1.6、0≤γ＜1.6、0＜δ＜0.16。
10.一种法拉第转子，其特征在于，由权利要求1或9所述的磁性石榴石单晶制作。
11.一种磁性石榴石单晶，其特征在于，用化学式BiαNaβM13-α-βFe5-κ-λ-μM4κM5λM6μO12表示，M1是选自Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的至少一种的元素，M4是选自Sn、Rh、Ru、Hf、Zr中的至少一种的元素，M5是选自V、Sb、Nb、Ta中的至少一种的元素，M6是选自W、Mo中的至少一种的元素，0.5≤α≤2.0、0＜β≤2.4、0＜3-α-β＜2.5、0＜κ+λ+μ≤1.6。
12.根据权利要求11所述的磁性石榴石单晶，其特征在于，上述κ、λ和μ满足κ+2λ+3μ≥0.007的关系。
13.一种光学元件，其特征在于，使用权利要求11或12所述的磁性石榴石单晶制作而成。
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