CN1439749A - 磁性石榴石材料、法拉第转子、光器件、铋置换稀土类铁榴石单晶膜及制法、坩埚 - Google Patents

磁性石榴石材料、法拉第转子、光器件、铋置换稀土类铁榴石单晶膜及制法、坩埚 Download PDF

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Abstract

提出即使采用LPE法也可得到光吸收特性的劣化度低的磁性石榴石材料的手法。用Au构成用于LPE法的坩埚(10)。使用Au制的坩埚(10)制成的单晶体中所进入的Au量比使用Pt制的坩埚10制成的单晶体中所进入的Pt量少。Au与Pt比，其使插入损失劣化的程度小。

Description

磁性石榴石材料、法拉第转子、光器件、 铋置换稀土类铁榴石单晶膜及制法、坩埚
发明所属的技术领域
本发明涉及用于光通信系统的磁性石榴石(磁性柘榴石)材料、法拉第转子、光器件、铋置换稀土类的铁榴石(铁石榴石；irongarnet)单晶体膜及其制造方法以及其所使用的坩埚，尤其涉及在法拉第转子中获得低的插入损失(插入损耗)和良好的磁特性的技术。
背景技术
现在，相对于传输容量小的电通信，光通信的普及正在加速。其理由如以下说明的那样，光通信集约为以下事实：可高速大容量传输；中继器少而可完成，所以有利于长距离传输；又，不受电磁噪声的影响。
光在作为在TV广播播送或无线通信中使用的电波、电磁波的这方面一致。但是，在光通信中使用的电磁波的频率为约200THz，相当于在卫星广播中使用的电波的频率(约10GHz)的约20000倍。频率高意味着波长短，从而能以高速传输更多的信号。在光通信中使用的电磁波的波长(中心波长)为1.31μm和1.55μm。
用于光通信的光导纤维如所熟知的那样，具有折射率不同的玻璃的二重构造。由于从中心的芯(core)通过的光在芯内部反复反射，所以即使光导纤维弯曲也能准确地传输信号。而且，光导纤维中使用透明度高的高纯度石英玻璃，所以在光通信中平均每1km只衰减0.2dB左右。因此，不通过放大器即可传输约100km，与电通信比，可减少中继器的数量。
在电通信中，EMI(电磁障碍)成为问题，但使用光导纤维的光通信不受由电磁感应引起的噪声的影响。因此，可进行极高质量的信息传输。
现在的光通信系统通过光发送器的LD(激光·二极管)将电信号变换成光信号。该光信号从光导纤维传输后通过光接收器的PD(光敏二极管)变换成电信号。这样，光通信系统不可缺少的要素是LD、PD、光导纤维及光连接器。比较低速且近距离的通信系统暂且不说，对于高速且长距离的通信系统，除以上要素以外，还需要光放大器、光分配器等光传输机器和其所使用的光隔离器、光分接器、光分频滤波器、光开关、光调制器及光衰减器等光器件。
在高速.长距离传输或多分支的光通信系统中，尤其重要的是光隔离器。对于现在的光通信系统，光隔离器在光发送器的LD组件及中继器中使用。光隔离器具有只沿一个方向传送光、阻止在中途反射并返回来的光的作用。光隔离器应用了作为磁光学效应的一种的法拉第效应。所谓法拉第效应，是在施加磁场的透明媒质中透过的光的偏光面(偏振面)旋转的现象。光的偏光面旋转的现象叫做旋光性。根据法拉第效应产生的磁旋光(法拉第旋转)与通常的旋光性(自然旋光性)不同，即使使光的行进方向逆反旋转方向也不变化。将利用了通过法拉第效应使光的偏光面旋转的现象的光学元件称为法拉第转子。
法拉第转子左右光隔离器的性能。因此，构成法拉第转子的材料的特性为了得到高性能的光隔离器而变得重要。在选择构成法拉第转子的材料上，重要的一点是使用波长(光导纤维的场合，为1.31μm和1.55μm)的法拉第旋转角大、透明度高。作为具备这样的条件的材料，当初使用YIG(钇铁石榴石；Y3Fe5O12)。可是，YIG在量产性和小型化方面有难点。其后，发现当用Bi(铋)置换石榴石型晶体的稀土类位点(site)时，法拉第旋转能飞跃性地提高，以后Bi置换稀土类铁榴石单晶膜(以下也简单地称为“石榴石单晶膜”)被用于法拉第转子。
Bi置换稀土类铁榴石单晶膜使用液相外延(LPE；Liquid PhaseEpitaxial)法(晶体取向附生法)制作。在LPE法中，将由氧化铋、氧化铁和稀土类氧化物构成的稀土类铁榴石成分的氧化物(原料组成物)和作为含氧化铅、氧化硼的助熔剂成分的助熔剂组成物投入到Pt制的坩埚内。其次，通过将坩埚加热至规定的温度，熔融原料组成物得到熔融物。接着，降低熔融物的温度呈过冷却状态，一边使LPE基板旋转，一边使之与熔融物接触，在LPE基板上石榴石单晶膜晶体取向接长(外延)地生长。
在采用LPE法育成石榴石单晶膜上，作为问题点，坩埚的腐蚀被指出。众所周知，Pt是耐蚀性优异的材料，但对含有构成助熔剂成分的氧化铅和氧化铋的熔融物的耐蚀性是不充分的。因此，即使是由Pt构成的坩埚，当熔融物的液面一定时，液面附近的腐蚀也变得显著。
为了防止由熔融物所致的坩埚的腐蚀，特开平9-175898号公报(以下称为“文献1”)记载了使坩埚内熔融物液面移动，据此使坩埚的腐蚀区域移动，从而调整坩埚的溶解量的方法。又，特开平11-322496号公报(以下称为“文献2”)记载了在Pt制的坩埚的内侧设置与Pt制坩埚可分离的Pt制腐蚀防止体的方法。文献1和文献2所记载的方法在能降低Pt制坩埚的更换或改铸的频度的这一点上进行评介。
发明内容
文献1和文献2所记载的方法并不能降低由于腐蚀而从坩埚溶出的Pt向熔融物内的混入量。混入了Pt的石榴石单晶膜其光吸收增长。这是因为，通过混入成为4价阳离子的元素Pt，石榴石单晶膜的电荷平衡被破坏，光吸收特性劣化。
作为光吸收特性劣化的对策，作了以下研究：进行适当的热处理，或者适当量地添加成为2价阳离子的元素(例如Ca)或成为4价阳离子的元素(例如Ge)，据此取得石榴石单晶膜内的电荷平衡。可是，即使进行热处理，或者添加成为2价或4价阳离子的元素，有时也不能充分恢复光吸收特性。
本发明的目的在于，提供插入损失低、获得良好的磁特性的磁性石榴石材料、法拉第转子、光器件、铋置换稀土类铁榴石单晶膜、其制造方法以及其所使用的坩埚。
在Bi置换稀土类铁榴石单晶膜的育成中，构成坩埚的Pt在助熔剂中缓慢地溶解。而且，Pt和石榴石单晶体中的Fe置换，从而混入到石榴石单晶体中。本发明人发现，在助熔剂中溶解并混入到石榴石单晶体中的Pt的量沿石榴石单晶膜的膜生长方向增加，同时起因于石榴石单晶膜育成中的育成温度条件的变化，混入到石榴石单晶体中的Pt的量慢慢地增加。
这样，在石榴石单晶膜的育成过程中Pt量慢慢地增加。换言之，在石榴石单晶膜的膜厚方向Pt量发生变化。为此，即使在石榴石单晶膜的一部分中取得电荷平衡，在其他部分也不能取得电荷平衡。即，作为石榴石单晶膜全体，电荷平衡依然为破坏的状态。向这样的石榴石单晶膜入射光时，发生光吸收，所以使用该石榴石单晶膜制作的法拉第转子其光的插入损失变大。
因此，作为难以进入到Bi置换稀土类铁榴石单晶体中，同时即使混入也不破坏石榴石单晶膜的电荷平衡的元素，本发明人着眼于成为3价阳离子的金属元素。因此，本发明提供一种磁性石榴石材料，其特征在于，由铋置换稀土类铁榴石单晶膜构成，前述单晶膜的化学组成为Bi(3-x)AxFe(5-y-z)MyTz012(其中，A＝从含Y的稀土类元素及Ca的组中选出的1种或2种以上、M＝从Ga、Al、Ge、Sc、In、Si、Ti、Mg、Mn及Zr的组中选出的1种或2种以上、T＝从Au、Rh和Ir的组中选出的1种或2种以上、0.2≤x≤2.5，0≤y≤2.0，0＜z≤0.1)。
本发明的磁性石榴石材料具有以下特征：在前述单晶膜厚度方向的前述T元素的浓度分布大致均匀。这是和使用Pt制坩埚得到的石榴石单晶膜中Pt的浓度分布与膜厚方向的距离存在比例关系鲜明对比的特征。
磁性石榴石材料存在在去掉外部磁场时法拉第效应消失的软磁性和即使去掉外部磁场也能维持法拉第效应的硬磁性这两种类型。含有使用软磁性石榴石制作的法拉第转子的光隔离器，需要用于赋予法拉第转子以外部磁场的永久磁铁。与此相对，含有使用硬磁性石榴石材料制作的法拉第转子的光隔离器可以省略永久磁铁。永久磁铁的省略带来光隔离器、或利用法拉第效应的各种机器和部件的小型化及低成本化。为此，进行着硬磁性型的Bi置换稀土类铁榴石单晶膜的开发。本发明可适用于软磁性和硬磁性两种类型的磁性石榴石材料。
本发明人发现：当Pt的浓度存在分布时，对硬磁性造成坏影响。详细情况后面叙述。使用从育成初期到后期Pt的浓度增加的Bi置换稀土类铁榴石单晶膜制作的法拉第转子在补偿温度附近有2个法拉第旋转角。在本说明书中，将出现互相分离的多个法拉第旋转角的现象称为分离(split)。产生分离的硬磁性法拉第转子顽磁力降低。硬磁性的石榴石单晶膜在法拉第转子的使用温度范围(通常-40～85℃)内存在补偿温度，所以，希望阻止在补偿温度附近的分离的发生。再者，如本领域人所知，所谓补偿温度是稀土类离子和Fe离子的全部磁矩变得相等，表观上磁化为0(零)的温度。但如后面的实施例所示，在实际制造的硬磁性石榴石材料之中虽然在室温附近自然磁化显示最低值，但有不为0的。在本说明书中，为方便起见，有时也将自然磁化显示最低值的温度称为补偿温度。
对于以上所述，根据上述本发明的硬磁性石榴石材料可在补偿温度附近阻止分离的发生。
在前述的T元素之中，本发明最推荐使用Au。所以，根据本发明提供一种法拉第转子，其特征在于，由含Au的铋置换稀土类铁榴石单晶膜构成，使入射的光的偏光面旋转，同时插入损失为0.03dB以下。前述单晶膜中所含的Au量按摩尔比计优选为0.01以下(不包括0)。
构成本发明的法拉第转子的单晶膜可容许Pt存在。即，这是因为如果按摩尔比计将前述单晶膜中所含的Pt量规定在0.01以下则不会给予插入损失以坏影响。
本发明也提供使用以上的法拉第转子的光器件。该光器件的特征为，具备顺向的光入射的第1光学元件、与前述第1光学元件隔规定间隔相向配置、前述顺向的光射出的第2光学元件、配置在前述第1光学元件和前述第2光学元件之间、使透过前述第1光学元件的光的偏光面旋转、向前述第2光学元件射出的法拉第转子，前述法拉第转子由含Au的铋置换稀土类铁榴石单晶膜构成，使入射的光的偏光面旋转，同时插入损失为0.03dB以下。
又，本发明提供制得含Au的本发明的Bi置换稀土类铁榴石单晶膜的方法。该方法可分类为第1方法和第2方法。第1方法的要旨，由Au构成在采用LPE法得到石榴石单晶膜时使用的坩埚。第2方法的要旨，使用于得到石榴石单晶膜的原料含有Au。
第1方法的特征为，是采用液相外延法制造铋置换稀土类铁榴石单晶膜的方法，具有以下步骤：将前述铋置换稀土类铁榴石单晶膜的原料组成物和助熔剂组成物投入到至少在熔融物接触的部位配Au的坩埚的步骤；加热、熔融前述原料组成物得到前述熔融物的步骤；将前述熔融物降温到前述铋置换稀土类铁榴石单晶膜的育成温度的步骤；一边使降温的前述熔融物接触单晶膜育成基板，一边育成铋置换稀土类铁榴石单晶膜的步骤。
第2方法的特征为，是采用液相外延法制造铋置换稀土类铁榴石单晶膜的方法，具有以下步骤：将前述铋置换稀土类铁榴石单晶膜的原料组成物、Au及助熔剂组成物投入到坩埚的步骤；加热、熔融前述原料组成物和Au，得到熔融物的步骤；将前述熔融物降温到前述铋置换稀土类铁榴石单晶膜的育成温度的步骤；一边使降温的前述熔融物接触单晶膜育成基板，一边育成前述铋置换稀土类铁榴石单晶膜的步骤。
本发明提供用于上述第1方法的坩蜗。该坩埚在采用液相外延法制造铋置换稀土类铁榴石单晶膜时使用，特征为，至少与熔融物接触的区域由Au或Au合金构成。
附图的简单说明
图1是表示Pt量与插入损失的关系的曲线图。
图2是用于说明LPE法的图。
图3是表示在LPE法的过程中搅拌熔融物的情况的图。
图4是表示使用了本发明第1实施形态的法拉第转子的光通信系统的构成的图。
图5是表示使用了本发明第1实施形态的法拉第转子的LD组件的构成的图。
图6是表示使用了本发明第1实施形态的法拉第转子的光隔离器的构成的图。
图7是表示在单晶膜厚度方向的Au和Pt的浓度度分布的图。
图8是表示本发明第1实施形态的实施例1-2的法拉第转子的外部磁场和法拉第旋转角的关系的图。
图9是表示本发明第1实施形态的比较例1-2的法拉第转子的外部磁场和法拉第旋转角的关系的图。
图10是用于说明法拉第旋转角产生分离的原因的图。
图11是表示法拉第转子的光的透过方向和磁场的方向的图。
图12是表示使用以往的硬磁性的Bi置换稀土类铁榴石单晶膜制造的法拉第转子的法拉第旋转角的磁滞的曲线图。
图13是表示使用硬磁性的Bi置换稀土类铁榴石单晶膜制造的法拉第转子的自然磁化(自发磁化)M和温度的关系的曲线。
图14是示意地表示在补偿温度Tc附近的Bi置换稀土类铁榴石单晶膜的自旋(spin)排列的图。
图15是示意地表示在比补偿温度Tc高的温度T2下的Bi置换稀土类铁榴石单晶膜的自旋排列的图。
图16是示意地表示在比补偿温度Tc低的温度T1下的Bi置换稀土类铁榴石单晶膜的自旋排列的图。
图17A～图17E是示意地表示存在铁离子和稀土类元素离子的磁矩之和互相不同的两个区域的法拉第转子的构成及每个区域的磁特性的图。
图18是表示本发明第3实施形态的法拉第转子的法拉第旋转角的磁滞的曲线图。
图19是表示法拉第转子的概略构成和光的透过方向的图。
图20A和图20B是表示法拉第转子的Bi置换稀土类铁榴石单晶膜的厚度方向的2价和4价的阳离子量的分布的曲线图。
图21A和图21B是表示本发明第4实施形态的法拉第转子的Bi置换稀土类铁榴石单晶膜的厚度方向的2价和4价的阳离子量的分布的曲线图。
符号说明
1              光通信系统
2              光发送器
3              光接收器
4              光传输线路
5              光放大器
10             坩埚
11             加热绕组
12             熔融物
13             LPE基板
14             石榴石单晶膜
15             搅拌体(搅拌铲)
16             晶片夹具
21、32         电子电路
22             LD组件
31             PD组件
222            LD
223            透镜
224            光隔离器
224a、224c     偏振片
224b           法拉第转子
226            假想面
发明的实施形态
[第1实施形态]
关于本发明第1实施形态的磁性石榴石材料、法拉第转子、铋置换稀土类铁榴石单晶膜的制造方法及用于该方法的坩埚，使用图1～图10予以说明。本实施形态的磁性石榴石材料具有Bi(3-x)AxFe(5-y-z)MyTzO12(其中，A＝从含有Y的稀土类元素和Ca的组中选出的1种或2种以上、M＝从Ga、Al、Ge、Sc、In、Si、Ti、Mg、Mn和Zr的组中选出的1种或2种以上、T＝从Au、Rh、Ir的组中选出的1种或2种以上、0.2≤x≤2.5，0≤y≤2.0，0＜z≤0.1)的化学组成。再者，以上组成只示出有意在材料中含有的元素。例如，未示出在采用LPE法育成单晶膜时由助熔剂混入的Pb，但本实施形态并不否定这些元素的不可避免的含有。
在本实施形态的磁性石榴石材料中，最特征性的必需元素是T元素。但是，T元素高价，同时即使过剩地含有也不能期待与其量相应的效果，所以将T元素的量z的上限定为0.1。z的优选的上限为0.05，更优选的上限为0.01。T元素是成为3价阳离子的金属元素，价数和构成Bi置换稀土类铁榴石单晶膜的阳离子一致。所以，象在4价阳离子下变得稳定的元素Pt那样，不会使石榴石单晶膜的电荷平衡崩溃。作为成为3价阳离子的金属元素，存在Au、Rh及Ir，使用任一个从其阳离子的价数都能期待上述效果，但Au是最优选的。详细情况后述，但其原因是作为在LPE法中使用的坩埚的材质适合。
在本实施形态的Bi置换稀土类铁榴石材料中，A元素是从含Y的稀土类元素(Y、Gd、Tb、Yb、Sm、Eu、Dy、Lu、Tm、Er、Ho、La、Ce、Pr、Nd)和Ca的组中选出的1种或2种以上。A元素的量x满足0.2≤x≤2.5。当x不到0.2时，离子半径大的Bi的量相对地变多，不能取得与用于采用LPE法育成石榴石单晶膜的LPE基板的晶格常数的一致性。另外，当x超过2.5时，相反地Bi量相对地变少，法拉第旋转能变小。作为结果，必须增厚石榴石单晶膜的厚度，采用LPE法育成石榴石单晶膜变难，造成制造合格率降低。x的优选范围为1.0≤x≤2.3，更优选的范围为1.3≤x≤2.0。
作为稀土类元素，希望选择Gd、Tb及Yb3种元素。Gd的磁矩在稀土类元素中最大，所以对降低饱和磁化(4πMs)有效。又，GdBi系的石榴石其磁化转换温度为-10℃左右，与TbBi系的石榴石的磁化转换温度(-50℃)比更近于室温，所以在得到硬磁性的石榴石单晶膜的场合是有利的。又，Gd没有在1.2μm以上的波长下的光吸收，所以对降低插入损失有效。
Tb是对确保温度特性，波长特性有效的元素。Gd是磁各向异性大、对高顽磁力化有效的元素，但对顽磁力的贡献Tb的一方大。
Yb为了使石榴石单晶膜的晶格常数与LPE基板的晶格常数一致而含有。在此，本实施形态的石榴石单晶膜以采用LPE法形成为前提。为了增大法拉第旋转能，希望为多量含有Bi的晶体。LPE基板具有规定的晶格常数。Bi由于离子半径大，所以单单增多Bi的量时，所要得到的石榴石单晶膜的晶格常数和LPE基板的晶格常数不能取得一致。因此，通过增多Bi量，同时，使含有离子半径小的Yb，来取得要得到的石榴石单晶膜的晶格常数和LPE基板的晶格常数的一致。并且，Yb在光通信所使用的光的波长区没有光吸收，所以也不增加插入损失。
又，Sm、Eu和Dy与Gd、Tb一样，磁各向异性大。另外，Lu、Tm、Er、Ho、和Y在比Dy离子半径还小的这点上与Yb相同。
在本实施形态的Bi置换稀土类铁榴石材料中，M是置换Fe的一部分的元素，可从Ga、Al、Ge、Sc、In、Si、Ti、Mg、Mn及Zr的组中选出1种或2种以上。其中，从容易育成石榴石单晶膜的观点看，Ga是最优选的元素。M对Fe的置换量y满足0≤y≤2.0。但是，为了得到硬磁性、即方型的磁滞，优选y为0.1以上。另一方面，y超过2.0时，在育成石榴石单晶膜中，在熔融部分生成不需要的晶核，石榴石单晶膜的健全的育成变得困难。为了得到硬磁性的石榴石单晶膜，优选的y的范围为0.3≤y≤1.7，更优选的y的范围为0.4≤y≤1.5。
图1表示Bi置换稀土类铁榴石单晶膜所含的Pt量与使用该石榴石单晶膜制作的法拉第转子的插入损失的关系。模轴表示Pt(f.u.)，纵轴表示插入损失(dB)。如图1所示，如果使Pt量为0.01左右，则可将法拉第转子的插入损失抑制在0.03dB左右。又，如果使Pt量为0，则可将法拉第转子的插入损失抑制在0.01dB左右。这提示：对于本实施形态的磁性石榴石材料，使Pt量为0是最优选的，但如果是微量则可包含Pt。可是，由于Pt在石榴石单晶膜的育成过程中容易混入，所以使用Pt制坩埚时，定为不到0.01的Pt量是困难的。
本实施形态的磁性石榴石材料，可采用LPE法制造。图2示出采用LPE法育成石榴石单晶膜的情况。如图2所示，在坩埚10中投入稀土类铁榴石成分的氧化物(原料组成物)和助熔剂组成物。稀土类铁榴石成分的氧化物包括氧化铁、稀土类氧化物及氧化铋。助熔剂组成物包括氧化铅和氧化硼。但这是例示，在要得到的石榴石单晶膜的化学组成中也可以进一步含有其他氧化物、助熔剂成分。构成助熔剂成分的元素在育成过程中有时也纳入到石榴石单晶膜中。例如，将氧化铅作为助熔剂成分之一而使用的场合，所育成的石榴石单晶膜含有微量的Pb。
本实施形态有以下特征：使用至少在熔融物12接触的部分配Au的坩埚10。在此，所谓“配Au”，除了用Au构成坩埚10整体的情况以外，包括用Au只构成坩埚10的一部分、例如坩埚10的内壁的情况。又，不仅纯粹的Au，是也包含使用Au合金的情况的概念，作为与Au合金化的元素，可举出Ir、Rh、Pt。
投入到坩埚10的原料组成物和助熔剂组成物，通过对加热绕组11通电而被加热、熔融，成为熔融物12。在形成熔融物12的过程中，熔融物12被搅拌。图3示出该情况。例如，在加热到950℃左右的状态下，熔融物12使用搅拌体15被搅拌。这是为了提高熔融物12的熔融状态的均匀性。搅拌体15也与坩埚10一样，希望用Au构成。当使用用Pt构成的搅拌体15时，在搅拌中Pt从搅拌体15溶出，含到熔融物12中。所以，为了得到使用至少在熔融物12接触的部位配Au的坩埚10的效果，用Au构成搅拌体15是优选的。再者，所谓“用Au构成”，不仅包括用Au构成搅拌体15本身的情况，也包含用其他材质构成搅拌体15本身，在其表面形成Au膜的情况、以及用Au构成与熔融物12接触的部位，其他部分用Au以外的材质构成的情况。
用搅拌体15搅拌熔融物12结束后，将熔融物12的温度降到例如800℃左右，呈过冷却状态。在该状态下，如图2所示，一边使LPE基板13旋转，一边使之与熔融物12接触，在LPE基板13上(图中、下面一侧)石榴石单晶膜14外延生长(取向生长)。再者，在所育成的石榴石单晶膜14中，助熔剂成分和构成坩埚10的Au作为杂质而被混入。
为使本实施形态的Bi置换稀土类铁榴石单晶膜含有Au，除了用Au(或Au合金)构成坩埚10以外，也可以使原料中含有Au。该场合下，既可以使用至少在熔融物12接触的部位配Au的坩蜗10，也可以使用由其他材料，例如Pt、Rh和Ir之中1种或2种以上(合金)构成的坩埚10。
在石榴石单晶膜14的育成过程中，如图2所示，夹持LPE基板13的晶片夹具16有与熔融物12接触的可能性。所以，该晶片夹具16也用Au构成为好。晶片夹具16如图2所示，用其尖端的爪状部夹持LPE基板13。所以，至少用Au构成尖端的爪状部为好。“用Au构成”的意思与上述相同。
采用LPE法得到的石榴石单晶膜，比最终要得到的法拉第转子的厚度厚一些。供研磨加工后，用为法拉第转子。法拉第转子使用相对于所使用的光波长，法拉第旋转角为45度(deg.)的石榴石单晶膜。换言之，采用LPE法得到的石榴石单晶膜研磨加工到法拉第旋转角变成45deg.的厚度。法拉第转子大约有500μm左右的厚度。研磨加工后，为了降低插入损失，在法拉第转子的表面施以无反射涂层为好。象以上那样得到的法拉第转子用于光隔离器等光器件。并且，该光器件可用于光通信系统。使用图4～图6关于本实施形态适用的光通信系统1予以说明。图4表示光通信系统1的构成。如图4所示，光通信系统1是用于在信号发送侧和信号接收侧之间利用光信号传输信息的系统。在信号发送侧配设光发送器2，在信号接收侧配设光接收器3。光发送器2和光接收器3用由光导纤维构成的光传输线路4连接。在光传输线路4上介在光放大器5。光放大器5只设置与光传输线路4的长度相应的数目。
光发送器2备有电子电路21、激光二极管(LD)组件22。电子电路21将成为传输对象的数据作为电信号接收，施行规定的处理后，输出到LD组件22。LD组件22将接收的电信号转换成光信号后，传输给光传输线路4。
光接收器3具备光敏二极管(PD)组件31和电子电路32。PD组件31将通过光传输线路4从光发送器2侧接收的光信号转换成电信号，输出给电子电路32。电子电路32将输入的电信号输出给信号接收侧。
在光传输线路4上配设的光放大器5为了防止在光传输线路4传输的光信号衰减而放大光信号。
图5表示LD组件22的构成。如图5所示，LD组件22具备：配置在箱内的LD222、使从LD222输出、具有1.31μm(或1.55μm)的波长的光(信号)为平行光而供给的透镜223、使从透镜223透过的光(信号)只在一个方向透过的光隔离器224、将从光隔离器224射出的光聚光向光传输线路4供给的透镜223。
图6表示光隔离器224的构成。如图6所示，光隔离器224具有在2个偏振片224a、224c之间配置了法拉第转子224b的构成。本例的法拉第转子224b例如有硬磁性的石榴石单晶膜。硬磁性的石榴石单晶膜当通过外部磁场磁化时则保持其磁化变为永久磁铁。因此，法拉第转子224b不需要施加磁场的外部磁铁。法拉第转子224b也可以有不是硬磁性而是软磁性的石榴石单晶膜。在该情况下，例如环状的永久磁铁作为外部磁铁而配设，并使之包围法拉第转子224b的周围。2个偏振片224a、224c隔规定的间隔相向配置。向偏振片224a入射顺向(图的箭头方向)的光时，顺向的光从偏振片224c向光传输线路4射出。偏振片224a、224c可以使用公知的材料。例如，コ一ニング公司制的ポ一ラ·コア(商品名)为好，但并不限定于此。
法拉第转子224b使从偏振片224a透过的顺向的光的偏光面例如只旋转45deg.，向偏振片224c射出。偏振片224c的偏振轴(偏光轴)相对于偏振片224a的偏振轴只旋转45deg.而配置。因此，偏振片224c使顺向的光透过。另一方面，从偏振片224c侧入射从偏振片224c透过的逆方向的光的偏光面通过法拉第转子224b进一步只旋转45deg.，与偏振片224a的偏振轴正交。据此，光隔离器224使来自偏振片224a侧的顺向的光透过，阻止来自偏振片224c侧的逆方向的光透过。
在本实施形态中，用前述的Bi置换稀土类铁榴石单晶膜构成法拉第转子224b。并且，法拉第转子224b作为光隔离器224等光器件的一部分而发挥功能。再者，以上，作为光器件的例子，关于光隔离器224进行了说明，但本实施形态的法拉第转子224b不用说，也可适用于光衰减器、光循环器及光磁传感器等其他光器件。
以下，关于本实施形态的具体实施例予以说明。(实施例1-1)
将氧化铋(Bi2O3，4N)、氧化铁(Fe2O3，4N)、氧化钆(Gd2O3，5N)、氧化铽(Tb4O7，3N)、氧化镱(Yb2O3，4N)、氧化镓(Ga2O3，4N)作为原料，使用图2所示的装置，采用LPE法育成Bi置换稀土类铁榴石单晶膜。使用的LPE基板13由(111)石榴石单晶体((GdCa)3(GaMgZr)5O12)构成。LPE基板13的晶格常数为l.2497±0.0002nm。再者，除前述原料以外，将氧化铅(Pbo，4N)和氧化硼(B2O3，5N)作为助熔剂组成物投入到坩埚10中。坩埚10其全体由Au构成。投入原料组成物及助熔剂组成物后，加热到950℃熔融原料组成物，得到熔融物12。其后，采用用Au被覆表面的搅拌体15将熔融物12只搅拌规定时间。搅拌结束后，将熔融物12降温到850℃后，开始育成石榴石单晶膜14。在育成石榴石单晶膜14的过程中，LPE基板13用表面被覆了Au的晶片夹具16夹持。
对所得的石榴石单晶膜(实施例1-1)进行组成分析，结果证实为Bi1.0Gd0.7Tb1.1Yb0.2Fe4.1Ga0.9Au0.0037O12。再者，该组成是石榴石单晶膜育成后期的组成，并且未将Pb作为分析的对象。另外，该石榴石单晶膜在组成上显示出硬磁性。将该石榴石单晶膜切断研磨为规定尺寸后，通过施行无反射被覆，得到1mm×1mm×0.5mm尺寸的法拉第转子。测定该法拉第转子的插入损失的结果为0.01dB。所谓插入损失是指射出光相对于入射光的衰减部分。
另外，除使坩埚10为Pt制的以外，使用与上述一样地得到的石榴石单晶膜(比较例1-1)制得法拉第转子。石榴石单晶膜的组成证实为Bi1.0Gd0.7Tb1.1Yb0.2Fe4.1Ga0.9Pt0.02O12。测定该法拉第转子的插入损失的结果为0.05dB。
象以上那样，使用了含Au的石榴石单晶膜的法拉第转子与使用了含Pt的石榴石单晶膜的法拉第转子比，显示出优异的插入损失。如前述那样，Bi置换稀土类铁榴石单晶显示出3价。Au的电荷为3价，Pt的电荷为4价。所以，Pt进入到石榴石单晶时，使电荷平衡崩溃，与此相反，Au是与石榴石单晶相同的成为3价阳离子的元素，因此即使进入到石榴石单晶也不使电荷平衡崩溃。而且，Au难以进入石榴石单晶中，具有即使微量进入也几乎不形成浓度分布的特征。所以可以说给予插入损失以不良影响的程度极小。再者，作为有3价的电荷，并且可用于LPE法的坩埚10的元素，有Rh及Ir。所以，本实施例关于Au予以表示了，但代替Au，或通过与Au合金化，坩埚10也能使用Rh和/或Ir。
测定了2种石榴石单晶膜的膜厚方向的Au(实施例1-1)、Pt(比较例1-1)的浓度分布。其结果示于图7。横轴表示石榴石单晶膜的膜厚(μm)，纵轴表示Au、Pt量(f.u.)。再者，在图7中，膜厚0μm侧表示石榴石单晶膜育成初期，膜厚400μm侧表示石榴石单晶膜育成后期。如图7所示，从石榴石单晶膜育成初期至育成后期，Pt的浓度比Au还高。Au在膜厚方向的浓度分布大体上均匀，与比相反，Pt从石榴石单晶膜育成初期到育成后期其浓度分布直线地增大。
这可推测为基于以下所示的几个要因。首先，Au、Pt及Fe的离子半径有关系。各个离子半径为Au是0.99(＝0.099nm)，Pt是0.77，Fe是0.69。Pt与Fe的离子半径接近，所以容易置换Fe位点，可认为是容易进入到石榴石单晶中的。另外，关于坩埚10，相对于含有助熔剂的熔融物12的Au、Pt的溶出量有关系。即，Au与Pt比，对熔融物12的耐蚀性优异，所以Au与Pt相比，在熔融液中溶出量少。而且，伴随时间的经过，Pt溶出的量逐渐增加。这些情况关联，如图7所示，Au和Pt在膜厚方向的浓度分布产生差异。再者，Rh的离子半径为0.81，Ir的离子半径为0.82。它们的离子半径比Pt还大，所以可判定与Pt比，难进入石榴石单晶中。(实施例1-2)
将氧化铋(Bi2O3，4N)、氧化铁(Fe2O3，4N)、氧化钆(Gd2O3，5N)、氧化铽(Tb4O7，3N)、氧化镱(Yb2O3，4N)，氧化镓(Ga2O3，4N)、氧化锗(GeO2，4N)作为原料，在与实施例1-1相同的条件下育成Bi置换稀土类铁榴石单晶膜。
关于所得的石榴石单晶膜(实施例1-2)进行了组成分析。组成分析是对石榴石单晶膜的厚度方向、即石榴石单晶膜的育成初期和育成后期进行。其结果证实，育成初期为Bi1.0Gd0.7Tb1.1Yb0.2Pb0.03Fe4.3Ga0.7Ge0.03Au0.0034O12，育成后期为Bi1.0Gd0.7Tb1.1Yb0.2Pb0.03Fe4.3Ga0.7Ge0.03Au0.0037O12。另外，关于该石榴石单晶膜，使用YSM(振动试样型磁力计)测定磁特性。其结果，在补偿温度下饱和磁化(4πMs)为0G(1G＝0.1mT)，顽磁力为4kOe(1Oe＝1/(4π)×103A/m)。
将该石榴石单晶膜切断研磨为规定尺寸后，通过施行无反射被覆，得到1mm×1mm×0.5mm尺寸的法拉第转子。关于得到的法拉第转子，使用法拉第旋转角测定装置测定法拉第旋转能。图8是表示本实施例的法拉第转子的外部磁场和法拉第旋转角的关系的曲线图。横轴表示磁场，纵轴表示法拉第旋转角(deg.)。如图8所示，本实施例的法拉第转子可获得良好的方型特性。
又，除使坩埚10为Pt制以外，使用与上述一样地制得的石榴石单晶膜(比较例1-2)得到法拉第转子。关于所得的法拉第转子进行了组成分析。组成分析与实施例(1-2)一样，对石榴石单晶膜的育成初期和育成后期进行。其结果证实，育成初期为Bi1.08Gd0.29Tb1.38Yb0.21Pb0.033Fe4.3Ga0.67Ge0.022Pt0.008  O12，育成后期为Bi1.09Gd0.30Tb1.37Yb0.20Pb0.035Fe4.3Ga0.7Ge0.016Pt0.024O12。可知从育成初期到育成后期，Pt量的增加率高。而且，该增加率比石榴石单晶膜的其他构成元素大。关于该石榴石单晶膜与实施例1-2同样测定磁特性。其结果在补偿温度下的饱和磁化(4πMs)为25G。得到该饱和磁化的温度从严格的意义讲不是补偿温度，但如前述那样，在本说明书中称为补偿温度。使用该石榴石单晶膜与实施例1-2同样地制作法拉第转子后，测定了法拉第旋转能。图9是表示本比较例的法拉第转子的外部磁场和法拉第旋转角的关系的曲线图。横轴表示磁场，纵轴表示法拉第旋转角(deg.)。如图9所示，可证实本比较例的法拉第转子产生了分离(split)。
产生以上的分离的原因不清楚。但是，本发明人理解为：在构成法拉第转子的石榴石单晶膜内产生规定元素、尤其是Pt的浓度梯度，出现了补偿温度不同的2个相，是分离的发生原因。以下一边参照图10一边关于这一点叙述。在图10中，中央的曲线表示自然磁化和测定温度的关系(自然磁化的温度曲线)。横轴表示温度，纵轴表示自然磁化。前述的2个相记为a相及b相。另外，a相的补偿温度记为Tca，b相的补偿温度记为Tcb(Tca＞Tcb)。
中央曲线中的点划线表示a相的自然磁化的温度曲线，虚线表示b相的自然磁化的温度曲线。中央的曲线中的实线表示实测的自然磁化的温度曲线。该实线定义成为a相自然磁化的温度曲线和b相自然磁化的温度曲线的比例加法。各个曲线所带的箭头表示通过a相和b相的光的旋转方向(以下称为“法拉第旋转方向”)。拔白箭头表示a相的法拉第旋转方向，涂黑箭头表示b相的法拉第旋转方向。如图10所示，a相的法拉第旋转方向在Tca以下的温度范围为图中向下表示的方向(以下，第1方向)。又，b相的法拉第旋转方向在Tcb以下的温度范围也为第1方向。
图10的(I)示出在Tcb以下的规定温度的法拉第旋转角的磁滞回线。如图10(I)所示，存在a相的磁滞回线和b相的磁滞回线。可是，在该规定温度下实测的磁滞回线显示方型。作为其理由，可推测为：a相的法拉第旋转方向和b相的法拉第旋转方向一致，以及由于在前述规定温度下的自然磁化的差异小，所以顽磁力的差异也小。
其次，当为Tcb以上的温度时，b相的法拉第旋转方向变成与Tcb以下的温度范围不同的图中向上的方向(第2方向)。b相的磁场的方向以Tcb为界线变为逆向。另一方面，即使超过Tcb，在Tca以下的温度范围，a相的法拉第旋转方向维持第1方向。所以，在Tcb以上Tca以下的温度范围，a相的法拉第旋转方向和b相的法拉第旋转方向相互相反。另外，Tcb以上Tca以下的规定温度的a相的自然磁化和b相的自然磁化的差异，可以说比Tcb以下的温度范围的大。所以，Tcb以上Tca以下的规定温度的a相和b相的法拉第旋转角的磁滞回线如图10(II)所示，存在2个。可是，在实测时，则显示图10(III)所示的磁滞回线。该磁滞回线可认识成图10(II)的a相的磁滞回线和b相的磁滞回线之和。
在Tca以上的温度范围，a相的法拉第旋转方向和b相的法拉第旋转方向一致。可是，a相的自然磁化和b相的自然磁化的差异小。所以，如图10(IV)所示，a相的磁滞回线和b相的磁滞回线存在，与Tcb以下的温度范围一样显示方型。
以上是本发明人对分离发生原因的理解。并且，分离在作为置换铁位点和元素的Pt的浓度梯度显著的场合无例外地产生。所以，通过降低Pt的浓度梯度，可抑制分离的发生。(实施例1-3)
与实施例1-2同样，育成了Bi置换稀土类铁榴石单晶膜。关于所得的石榴石单晶膜(实施例1-3)进行了组成分析，结果育成初期和育成后期都有以下的化学组成。该化学组成的材料显示软磁性。
Bi1.0Gd0.7Tb1.1Yb0.2Pb0.03Fe4.97Ge0.03Au0.003O12
将该石榴石单晶膜切断研磨成规定尺寸后，通过施以无反射被覆，得到1mm×1mm×0.5mm尺寸的法拉第转子。测定该法拉第转子的插入损失的结果，为0.01dB。
除使坩埚10为Pt制以外，使用与上述一样制得的石榴石单晶膜(比较例1-3)得到法拉第转子。该石榴石单晶膜的组成，育成初期为Bi1.0Gd0.7Tb1.1Yb0.2Pb0.03Fe4.97Ge0.023Pt0.007O12，育成后期Bi1.0Gd0.7Tb1.1Yb0.2Pb0.03Fe4.97Ge0.017Pt0.022O12。测定该法拉第转子的插入损失的结果为0.04dB。
象以上那样，实施例1-3的法拉第转子由于可理想地进行电荷补偿，所以能降低插入损失。与此相反，比较例1-3的法拉第转子由于电荷平衡崩溃，所以插入损失变大。
如以上说明的那样，采用本实施形态，可得到插入损失优异的磁性Bi置换稀土类铁榴石材料。另外，根据本实施形态，可得到即使在补偿温度下也不产生分离的硬磁性Bi置换稀土类铁榴石材料。
[第2实施形态]
其次，关于本发明第2实施形态的磁性石榴石材料、法拉第转子、光器件、铋置换稀土类铁榴石单晶膜及其制造方法予以说明。
近年，进行了硬磁性型的Bi置换稀土类铁榴石单晶膜的开发。硬磁性型的石榴石单晶膜如图8所示，可知法拉第旋转角的磁滞显示良好的方型。
本发明人关于该硬磁性型的石榴石单晶膜进行研讨。其结果证实如图9所示，在法拉第转子的使用温度范围(一般为-40～85℃)的特定的温度区，有时产生分离。并且发现，产生分离的石榴石单晶膜顽磁力变小，作为硬磁性型的石榴石单晶膜不理想。
因此，本实施形态的课题是提供在法拉第转子的使用温度范围内，法拉第旋转角可维持方型的磁滞的磁性石榴石材料。另外，本实施形态提供使用了该磁性石榴石材料的法拉第转子及光器件。进一步地，本实施形态提供制造该磁性石榴石材料的方法。
本发明人关于体现图9所示的法拉第旋转角的磁滞的Bi置换稀土类铁榴石单晶膜进行了种种调查。其结果，本发明人查明，在该石榴石单晶膜的表面和背面的Pt浓度与其他元素比，大大地发生变动。Pt本来不是构成Bi置换稀土类铁榴石单晶膜的元素，但是可置换石榴石单晶膜的铁位点的元素。并且本发明人发现，从石榴石单晶膜的育成初期到育成后期，形成Pt的浓度增加的梯度。当然，构成石榴石单晶膜的其他元素也存在一些浓度分布(一般为百分之几～20％)，但Pt的浓度分布与其他构成元素比，是显著的(300～1000％左右)。此外，该石榴石单晶膜的饱和磁化在补偿温度下理想地应变成0，但超过了20G。
Bi置换稀土类铁榴石单晶膜用LPE法制作。该LPE法是将由氧化铋、氧化铁和稀土类氧化物构成的Bi置换稀土类铁榴石单晶的原料组成物和助熔剂组成物投入到Pt制坩蜗内，通过加热到规定的温度，熔融原料组成物得到熔融物。一般，助熔剂组成物含有氧化铅、氧化硼。接着，降低熔融物的温度，呈过冷却状态，一边使LPE基板旋转，一边使其与熔融物接触，从而在LPE基板上使石榴石单晶膜外延生长。在该过程中，从坩埚溶出的Pt进入到石榴石单晶中的铁位点。于是，制成降低了Pt量的Bi置换稀土类铁榴石单晶膜，求出法拉第旋转角的磁滞。其结果证实，在使用温度范围内，未产生图9所示的分离。并且，这种Bi置换稀土类铁榴石单晶膜在补偿温度下的饱和磁化为20G以下，优选10G以下，更优选2G以下。
按照上述，根据本实施形态，提供一种磁性石榴石材料，它采用由铋置换稀土类铁榴石构成的单晶膜构成，前述单晶膜中的置换铁位点的元素的浓度变动为200％以下。并且，在补偿温度下的饱和磁化为20G以下。对于该磁性石榴石材料，应该抑制浓度变动的置换铁位点的元素的典型是Pt。Pt的浓度变动优选为200％以下。
构成本实施形态的磁性石榴石材料的单晶膜可使用以下的化学组成。
 Bi3-xAxFe(5-y)MyO12
(式中，A＝从含Y的稀土类元素、Ca及Pb的组中选出的1种或2种以上，M＝从Ga、Al、Ge、Sc、In、Si、Ti、Mg、Mn、Zr、Au、Ir、Rh及Pt的组中选出的1种或2种以上，0.2≤x≤2.5，O≤y≤2.0)
在以上的化学组成中，作为前述M至少选择Ga，并且表示Ga量的y在0.8≤y≤2.0的范围，据此在LPE法中即使使用Pt制的坩蜗，也抑制Pt在前述单晶膜中对铁位点的置换，可阻止Pt的浓度梯度的形成。
通过适用本实施形态，可提供一种法拉第转子，其特征为：具备由具有以下的一般式所示的组成的铋置换稀土类铁榴石构成的单晶膜和在前述单晶膜表面被覆的无反射膜，前述单晶膜所含的Pt量按摩尔比计为0.01以下，并且前述单晶膜的表面和背面的Pt的浓度变动为200％以下。
Bi3-xAxFe(5-y)MyO12
(其中，A＝从含Y的稀土类元素、Ca和Pb的组中选出的1种或2种以上，M＝从Ga、Al、Ge、Sc、In、Si、Ti、Mg、Mn、Zr、Au、Ir、Rh和Pt的组中选出的1种或2种以上，0.2≤x≤2.5，0≤y≤2.0)
又，通过适用本实施形态，可提供一种光器件，该光器件具备顺向的光入射的第1光学元件、与前述第1光学元件隔规定间隔而相向配置的前述顺向的光射出的第2光学元件、配置在前述第1光学元件和前述第2光学元件之间，使透过前述第1光学元件的光的偏光面旋转并向前述第2光学元件射出的法拉第转子，前述法拉第转子由所含的Pt量按摩尔比计为0.01以下、表面和背面的Pt浓度变动为200％以下的铋置换稀土类铁榴石单晶膜构成。
本实施形态提出了抑制置换由采用LPE法育成的Bi置换稀土类铁石榴构成的单晶膜中的铁位点的元素、典型的Pt的浓度变动的几种手法。该手法，可适用于在LPE法中使用Pt制的坩埚时。
其手法之1是在不活性气体气氛下进行LPE法的石榴石单晶膜的育成。即，本实施形态提供一种铋置换稀土类铁榴石单晶膜的制造方法，它是采用液相外延法制造由铋置换稀土类铁榴石构成的单晶膜的方法，其特征在于，具备将前述铋置换稀土类铁榴石的原料组成物和助熔剂组成物投入到坩埚中的步骤、加热、熔融前述原料组成物得到熔融物的步骤、将前述熔融物降温到前述单晶膜的育成温度的步骤、一边使降温的前述熔融物接触单晶膜育成基板，一边育成前述单晶膜的步骤，在不活性气体气氛下进行得到前述熔融物的步骤以后的处理，Pt在象大气中那样含有氧的气氛下变成与氧的化合物并易溶解，因此主旨是通过处在比大气还具还原性的气氛下来抑制来自坩埚的Pt的溶解。
又，作为抑制来自坩埚的Pt的溶解，提出使用不含PbO的助熔剂组成物。本实施形态将不含PbO的助熔剂组成物称为无铅助熔剂组成物。所以，根据本实施形态，可提供一种铋置换稀土类铁榴石单晶膜的制造方法，其特征在于，该方法是采用液相外延法制造由铋置换稀土类铁榴石构成的单晶膜的方法，具备将构成稀土类铁榴石成分的氧化物和助熔剂组成物投入到坩埚的步骤、加热、熔融氧化物得到前述熔融物的步骤、将前述熔融物降温到铋置换稀土类铁榴石单晶膜的育成温度的步骤、一边使降温的前述熔融物接触单晶膜育成基板，一边育成前述铋置换稀土类铁榴石单晶膜的步骤，作为前述助熔剂组成物使用无铅助熔剂组成物。
采用以上制造方法可以制得由用液相外延法育成的铋置换稀土类铁榴石构成的单晶膜，通过作为用于前述液相外延法的助熔剂组成物使用无铅助熔剂，可以得到限制了PbO从前述助熔剂组成物混入的单晶膜。
以下更具体地说明本实施形态。
本实施形态的磁性石榴石材料，由由Bi置换稀土类铁榴石构成的单晶膜构成，单晶膜中的置换铁位点的元素的浓度变动为200％以下。这是因为，当象Pt那样置换铁位点的元素有显著的浓度变动时，在硬磁性型的材料中产生分离，顽磁力降低。该浓度变动越低越好，优选150％以下，更优选100％以下，最优选50％以下。在此，所谓浓度变动是指单晶膜厚度方向的浓度变动。假设单晶膜育成初期的浓度为100，育成后期的浓度为150，则浓度变动由(150-100)/100得50％。
在本实施形态中，作为降低Bi置换稀土类铁榴石单晶膜中的置换铁位点的元素的浓度变动的效果，除了防止分离发生之外，还可举出降低插入损失。即在石榴石单晶膜的育成过程中，当Pt量慢慢增加，在膜厚方向Pt量发生变动时，在石榴石单晶的一部分中电荷平衡崩溃。这样，当向电荷平衡崩溃的石榴石单晶膜入射光时，发生光吸收。因此，使用该石榴石单晶膜制作的法拉第转子的插入损失变大。可是，通过降低置换铁位点的元素的浓度变动，取得电荷平衡，可降低插入损失。
象使用图1已经说明的那样，希望Bi置换稀土类铁榴石单晶膜所含的Pt量是微量的。可是，由于Pt在石榴石单晶膜的育成过程中容易进入，所以当使用Pt制的坩埚时，迄今为止正在研究的LPE法难以使Pt量为0.01以下。根据本实施形态的提案，即使使用Pt制的坩埚也能使Pt量在0.01以下。该插入损失降低的效果即使任一波长的光都有效。
再者，防止分离的发生是硬磁性型的磁性石榴石材料固有的效果，但插入损失的降低效果也表现在软磁性型的磁性石榴石材料上。所以，本实施形态可适用于硬磁性和软磁性两种类型。
本实施形态的磁性石榴石材料，在补偿温度下的饱和磁化为10G以下。Bi置换稀土类铁榴石单晶体的场合，顽磁力Hc＝4K/3M(K：磁各向异性常数，M：磁化)，所以饱和磁化越小，顽磁力Hc越大。因此，饱和磁化越小，对硬磁性型的磁性石榴石材料来说是所希望的。当然，饱和磁化为0G是理想的，但本实施形态可容许在20G以下，更优选在10G以下的范围。
本实施形态的磁性石榴石材料适用的具体的化学组成如下。但以下化学组成并未考虑在制造过程中混入的元素全部。
Bi(3-x)AxFe(5-y)MyO12(其中，A＝从含Y的稀土类元素、Ca和Pb的组中选出的1种或2种以上，M＝从Ga、Al、Ge、Sc、In、Si、Ti、Mg、Mn、Zr、Au、Ir、Rh和Pt的组中选出的1种或2种以上，0.2≤x≤2.5，0≤y2.0)。
在此，M元素是可置换铁位点的元素。本实施形态的要件是，在含有可置换铁位点的元素的场合，其所有元素的浓度变动为200％以下。例如，考虑含有Ga、Ge及Pt的场合。即使Ga和Ge的浓度变动为50％以下，如果Pt的浓度变动超过200％，则也在本实施形态的范围外。
在由由本实施形态的铋置换稀土类铁榴石构成的单晶膜构成的磁性石榴石材料中，A元素是从含Y的稀土类元素(Y、Gd、Tb、Yb、Sm、Eu、Dy、Lu、Tm、Er、Ho、La、Ce、Pr、Nd)、Ca和Pb的组中选出的1种或2种以上。A元素的量x为0.2≤x≤2.5。当x不到0.2时，离子半径大的Bi量相对地变多，不能取得与用于采用LPE法育成单晶膜的LPE基板的晶格常数的一致性。又，当x超过2.5时，Bi量反而相对地变少，法拉第旋转能变小。作为结果，必须增厚石榴石单晶膜的厚度，采用LPE法育成石榴石单晶膜变得困难，带来制造合格率的降低。x优选的范围为1.0≤x≤2.3，更优选的范围为1.3≤x≤2.0。再者，Pb不是积极添加的元素，是在实施LPE法时，使用含PbO的助熔剂组成物时，由该助熔剂组成物混入的。如在第1实施形态中所述，作为稀土类元素，选择Gd、Tb及Yb这三种元素为好。
在本实施形态的Bi置换稀土类铁榴石材料中，M是置换Fe的一部分的元素，从Ga、Al、Ge、Sc、In、Si、Ti、Mg、Mn、Zr、Au、Ir、Rh及Pt的组中选择1种或2种以上。其中，从育成石榴石单晶膜的容易程度的观点看，Ga是最优选的元素。另外，Ga有阻止Pt通过对铁位点的置换而混入到石榴石单晶中的效果。降低Pt量的场合，为了进行与从助熔剂组成物混入的Pb之间的电荷补偿，使含有Ge是有效的。
M对Fe的置换量y满足0≤y≤2.0。但为了得到硬磁性、即方型的磁滞，使y为0.1以上为好。另一方面，当y超过2.0时，在石榴石单晶膜的育成中，熔融部分中生成不需要的晶核，石榴石单晶膜的键全的育成变得困难。为了得到硬磁性的石榴石单晶膜，优选的y的范围为0.3≤y≤1.7，更优选的y的范围为0.4≤y≤1.5。再者，以上的M元素并不限于有意识地添加的元素，也可以是在制造过程中不可避免地混入的元素。从LPE法所用的坩埚混入的Pt是典型例子。
本实施形态的铋置换稀土类铁榴石单晶膜，可采用LPE法制造。以下一边参照已经示出的图2和图3，一边说明铋置换稀土类铁榴石单晶膜的制造方法。首先，向坩埚10投入原料组成物和助熔剂组成物。原料组成物包括氧化铁、稀土类氧化物及氧化铋。助熔剂组成物包括氧化铅和氧化硼。但这是例示，对于要得到的石榴石单晶膜的化学组成，也可以进一步含有其他的氧化物、助熔剂组成物。含有氧化铅的助熔剂组成物，溶解坩埚10的能力高，所以作为坩埚10的材质使用Pt的场合，使用不含氧化铅的无铅助熔剂组成物为好。作为不含氧化铅的助熔剂组成物的具体例，有Bi2O3单质、Bi2O3和B2O3的混合物、Bi2O3、B2O3和Na2O的混合物等。
坩埚10的最一般的材质是Pt，但本实施形态可容许将Au用于坩埚10。这是因为，Au由助熔剂所致的溶解量少，同时即使含在磁性石榴石材料中，也不象Pt那样给予不良影响。在此，作为将Au用于坩埚10的形态除用Au构成坩埚10全体的情况以外，也包括用Au构成坩埚10的一部分、例如只坩埚10的内壁的情况。另外，不只纯粹的Au，是也包含使用Au合金的情况的概念。作为与Au合金化的元素，可举出Ir、Rh及Pt。
投入到坩埚10中的原料组成物和助熔剂组成物，通过向加热绕组11通电而被加热，熔融，成为熔融物12。熔融物12在例如加热至950℃左右的状态下使用搅拌体15搅拌。这是为了提高熔融物12的熔融状态的均匀性。搅拌体15也与坩埚10一样，用Au构成为好。当使用用Pt构成的搅拌体15时，在搅拌中从搅拌体15溶出Pt，从而含到熔融物12中。所以，为了享有使用至少在熔融物12接触的部位配Au的坩埚10的效果，用Au构成搅拌体15为好。再者，所谓“用Au构成”，如已经叙述的那样，不只用Au构成搅拌体15自身的场合，也包含用别的材质构成搅拌体15，在其表面形成Au膜的情况、以及用Au构成与熔融物12接触的部位，其他部分用Au以外的材质构成的情况。
用搅拌体15搅拌熔融物12结束后，将熔融物12的温度例如降到800℃左右，呈过冷却状态。在该状态下，一边使LPE基板13旋转，一边使与熔融物12接触，则在LPE基板13上石榴石单晶膜14外延生长。
在石榴石单晶膜14的育成过程中，保持LPE基板13的晶片夹具16有与熔融物12接触的可能性。所以，也用Au构成该晶片夹具16为好。晶片夹具16用其端头的爪状部保持LPE基板13，所以至少用Au构成该端头爪状部为好。
采用LPE法得到单晶膜的场合，一般情况是使气氛为大气。可是，使用Pt制的坩埚10的场合，当氧的比例超过20体积％时，Pt和氧生成化合物，Pt易溶解。于是，在使用Pt制的坩埚10时，在比大气还具有还原性的气氛、例如Ar等不活性气体气氛中采用LPE法得到石榴石单晶膜对阻止Pt向石榴石单晶膜中混入是有效的。再者，在氧少的气氛下得到的石榴石单晶膜，容易含有氧缺陷，但通过施行热处理(例如在800℃下保持30小时)，也可消除氧缺陷。本实施形态的比大气还具有还原性的气氛包括不活性气体气氛、或含有20体积％以下的氧的不活性气体气氛。这是因为，如果为20体积％以下的氧量，则能将Pt的溶解量抑制成微量。
采用LPE法得到的石榴石单晶膜，比最终要得到的法拉第转子的厚度厚一些。这是为了供研磨加工后作为法拉第转子。法拉第转子使用对所使用的光波长而言，法拉第旋转角为45deg.的石榴石单晶膜。换言之，采用LPE法得到的石榴石单晶膜被研磨加工到法拉第旋转角变为45deg.的厚度。法拉第转子有大约500μm左右的厚度。研磨加工后，为了降低插入损失，法拉第转子的表面施行无反射被覆为好。
以下说明本实施形态的具体的实施例。
(实施例2-1)
以氧化铋(Bi2O3，4N)、氧化铁(Fe2O3，4N)、氧化钆(Gd2O3，5N)、氧化铽(Tb4O7，3N)、氧化镱(Yb2O3，4N)、氧化镓(Ga2O3，4N)和氧化锗(GeO2，4N)为原料，使用图2所示的装置，采用LPE法在大气中育成Bi置换稀土类铁榴石单晶膜。使用的LPE基板13由(111)石榴石单晶体((GdCa)3(GaMgZr)5O12)构成。LPE基板13的晶格常数为1.2497±0.0002nm。再者，除前述原料以外，将氧化铅(PbO，4N)和氧化硼(B2O3，5N)作为助熔剂组成物投入到坩埚10中，坩埚10其全体由Pt构成。投入原料组成物和助熔剂组成物后，加热到950℃熔融原料组成物后，用Pt制的搅拌体15将熔融物12只搅拌规定的时间。搅拌结束后，将熔融物12降温到850℃后，开始石榴石单晶膜14的育成。在石榴石单晶膜14的育成过程中，LPE基板13用Pt制的晶片夹具16保持。
对所得的石榴石单晶膜(实施例2-1)进行组成分析的结果，证实石榴石单晶膜的育成初期为Bi1.1Gd0.18Tb1.38Yb0.3Pb0.03Fe3.99Ga1.01Ge0.03O12，育成后期为Bi1.1Gd0.18Tb1.38Yb0.3Pb0.035Fe4.0Ga1.0Ge0.035O12。再者，在实施例2-1中，置换铁位点的元素是Ga和Ge。其浓度变动分别为1％和17％。将该石榴石单晶膜切断研磨成规定尺寸后，一边使测定温度变化，一边测定磁特性的结果，补偿温度下的饱和磁化(4πMs)为3G，顽磁力Hc为3.5kOe。得到该饱和磁化的温度在严格的意义上讲不是补偿温度，但如前述那样，在本说明书中称为补偿温度。另外，关于该石榴石单晶膜，使用法拉第旋转角测定装置测定法拉第旋转角的磁滞的结果，显示出图8所示的良好的方型。
其次，通过对实施例2-1的单晶膜施行无反射被覆，得到1mm×1mm×0.5mm尺寸的法拉第转子。使用该法拉第转子用波长1.31μm的光测定插入损失的结果为0.01dB。
除基本上降低Ga量以外，采用与上述一样的方法得到石榴石单晶膜(比较例2-1)。证实该石榴石单晶膜的化学组成，育成初期为Bi1.1Gd0.18Tb1.39Yb0.3Pb0.03Fe4.46Ga0.5Ge0.03Pt0.01O12，育成后期为Bi1.1Gd0.18Tb1.38Yb0.3Pb0.04Fe4.4Ga0.53Ge0.02Pt0.04O12。这样，Pt从育成初期到育成后期形成浓度增加的梯度。再者，在比较例2-1中，置换铁位点的元素为Ga、Ge和Pt，其浓度变动分别为6％、33％和300％。这样，比较例2-1的作为置换铁位点的元素之一的Pt的浓度变动为300％，超过了200％。
关于比较例2-1的石榴石单晶膜，与实施例2-1同样测定磁特性，结果在补偿温度下的饱和磁化(4πMs)为30G。另外，关于该石榴石单晶膜，使用法拉第旋转角测定装置测定在补偿温度下的法拉第旋转角的磁滞，结果发生图9所示的分离。另外，与实施例2-1一样，用波长1.31μm的光测定插入损失的结果为0.06dB。
如以上那样，使用了实质上不含Pt的石榴石单晶膜的法拉第转子不产生使用了含Pt的石榴石单晶膜的法拉第转子所产生的分离。当Pt进入到石榴石单晶体中，并且形成浓度梯度时，使石榴石单晶膜的电荷平衡崩溃。可判定，由于电荷平衡崩溃，从而产生分离，并且插入损失增加。
实施例2-1和比较例2-1基本上在同一条件下得到。如前述那样，实施例2-1的石榴石单晶膜中不含可定量程度的Pt。这基于实施例2-1和比较例2-1的Ga量的差异。即，Ga和Pt与Fe离子半径接近，但当Ga对铁位点多量置换时，Pt变得不能与Fe置换。为此，可推定即使Pt从坩埚10溶解，进入到石榴石单晶膜中的Pt也是微量的。
(实施例2-2)
除了使Bi置换稀土类铁榴石单晶膜的育成气氛为含有5体积％的氧的Ar气体气氛、使目的组成不同以外，在与实施例2-1同样的条件下育成石榴石单晶膜。
关于所得的石榴石单晶膜(实施例2-2)与实施例2-1同样地进行了组成分析。其结果证实，该石榴石单晶膜的化学组成，育成初期为Bi1.1Gd0.18Tb1.39Yb0.3Pb0.03Fe4.7Ga0.27Ge0.03Pt0.005O12，育成后期为Bi1.1Gd0.18Tb1.39Yb0.3Pb0.03Fe4.7Ga0.27Ge0.025Pt0.01O12。这样，通过在不活性气体气氛中进行石榴石单晶膜的育成，即使使用Pt制的坩埚10的场合，也能降低石榴石单晶膜所含的Pt量。
在实施例2-2中，置换铁位点的元素为Ga、Ge和Pt，其浓度变动分别为0％、17％和100％。除该石榴石单晶膜切断研磨成规定尺寸后，与实施例2-1同样地测定磁特性，结果在补偿温度下的饱和磁化(4πMs)为4G，顽磁力Hc为2.5kOe。另外，关于该石榴石单晶膜与实施例2-1同样地测定法拉第旋转角的磁滞，结果显示出良好的方型。其次，通过对该石榴石单晶膜施行无反射被覆，得到1mm×1mm×0.5mm尺寸的法拉第转子。使用该法拉第转子采用波长1.31μm的光测定插入损失的结果为0.01dB。
(实施例2-3)
除了使助熔剂组成物为Bi2O3和B2O3的混合物、作为原料不使用氧化锗、以及使目的组成不同以外，在与实施例2-1同样的条件下育成Bi置换稀土类铁榴石单晶膜。
关于所得的石榴石单晶膜(实施例2-3)，与实施例2-1同样地进行组成分析。其结果证实，该石榴石单晶膜的化学组成，育成初期为Bi1.1Gd0.22Tb1.38Yb0.3Fe4.25Ga0.75Pt0.002O12，育成后期为Bi1.1Gd0.22Tb1.38Yb0.3Fe4.25Ga0.75Pt0.00025O12。这样，通过在不活性气体气氛中进行石榴石单晶膜的育成，即使使用Pt制的坩埚10的场合，也能降低石榴石单晶膜所含的Pt量。另外，实施例2-3由于使用不含Pb0的无铅助熔剂组成物，所以Pb的混入被限制。
在实施例2-3中，置换铁位点的元素是Ga和Pt，其浓度变动分别为0％及25％。将该石榴石单晶膜切断研磨成规定尺寸后，与实施例2-1同样地测定磁特性的结果，在补偿温度下的饱和磁化(4πMs)为2G，顽磁力Hc为4kOe。关于该石榴石单晶膜，与实施例2-1一样地测定法拉第旋转角的磁滞的结果，显示出良好的方型。其次，通过对该石榴石单晶膜施行无反射被覆，得到1mm×1mm×0.5mm尺寸的法拉第转子。使用该法拉第转子采用波长1.31μm的光测定插入损失的结果为0.01dB。
(实施例2-4)
采用与实施例2-1同样的方法，得到Pt含量不同的多个石榴石单晶膜。求出这些石榴石单晶膜的育成初期及育成后期的Pt的浓度变动。另外，求出了这些石榴石单晶膜在补偿温度下的法拉第旋转角的磁滞、饱和磁化(4πMs)和顽磁力Hc。
                          表1
No.   Pt浓度变动(％) 法拉第旋转角的磁滞   饱和磁化(G)   顽磁力(kOe)
  1     490     发生分离     50     -
  2     300     发生分离     30     -
  3     180     方型     15     1
  4     100     方型     4     2.5
  5     54     方型     3     3
  6     25     方型     2     4
*磁滞、饱和磁化、顽磁力在补偿温度下测定
如表1所示，当Pt的浓度变动超过200％时，可知发生分离。而且，饱和磁化超过20G。再者，发生分离的材料不能准确地测定顽磁力。与此相对，当Pt的浓度变动为200％以下时，不产生分离，法拉第旋转角显示出方型的磁滞。(实施例2-5)
除了使坩埚10、搅拌体15和晶片夹具16为Au制以外，与实施例2-1同样育成Bi置换稀土类铁榴石单晶膜。关于所得的石榴石单晶膜(实施例2-5)进行组成分析的结果，育成初期和育成后期都有以下的化学组成。该化学组成的材料显示出软磁性。
Bi1.1Gd1.2Yb0.67Pb0.03Fe4.97Ge0.03O12
将该石榴石单晶膜切断研磨成规定尺寸后，通过施行无反射被覆，得到1mm×1mm×0.5mm尺寸的法拉第转子。使用该法拉第转子用波长1.31μm的光测定插入损失的结果，为0.01dB。再者，在实施例2-5中，置换铁位点的元素为Ge，其浓度变动为0％。
除了使坩埚10、搅拌体15及晶片夹具16为Pt制以外，使用与上述一样地得到的石榴石单晶膜(比较例2-5)得到法拉第转子。该石榴石单晶膜的化学组成，育成初期为Bi1.1Gd1.2Yb0.67Pb0.03Fe4.97Ge0.023Pt0.007O12，育成后期为B1.1Gd1.2Yb0.67Pb0.03Fe4.97Ge0.017Pt0.022O12。用波长1.31μm的光测定该法拉第转子的插入损失的结果为0.04dB。
象以上那样，实施例2-5的法拉第转子由于可理想地进行电荷补偿，所以可降低插入损失。与此相对，比较例2-5的法拉第转子由于电荷平衡崩溃，所以插入损失变大。再者，在比较例2-5中，置换铁位点的元素为Ge和Pt，其浓度变动分别为26％和214％。
如以上说明的那样，根据本实施形态，可得到即使在补偿温度下也不发生分离的硬磁性的Bi置换稀土类铁榴石材料。又，根据本实施形态，可得到插入损失优异的Bi置换稀土类铁榴石材料。[第3实施形态]
以下关于本发明的第3实施形态的法拉第转子及光器件，使用图10～图18予以说明。用LPE法育成的Bi置换稀土类铁榴石单晶膜，作为用于光隔离器和光回转器(循环)等的法拉第转子较多地用于光通信系统。光隔离器有只在一个方向传送光，阻止在途中反射回来的光的作用。法拉第转子有利用法拉第效应使光的偏光面旋转的机能，在用于光隔离器的情况下，使偏光面旋转45deg.。光隔离器大多情况是将法拉第转子、具有只使一个方向的偏光面的光透过的机能并夹着法拉第转子而配置的2片偏振元件或偏振分离元件、和使法拉第转子磁性地饱和的外部磁铁组和而构成的。图11示出法拉第转子的光的透射方向和磁场的方向。如图11所示，对法拉第转子224b例如采用外部磁铁施加与光的前进方向平行的箭头A方向的磁场。
近年，正在研究通过控制软磁性的Bi置换稀土类铁榴石单晶膜的组成，来实现硬磁性的Bi置换稀土类铁榴石单晶膜(例如，参照特开平9-185027号公报)。使法拉第转子为硬磁性，即将法拉第转子制成永久磁铁不需要对法拉第转子外加磁场的外部磁铁，因此对光隔离器的小型化和低成本化极为有效。为使Bi置换稀土类铁榴石单晶膜为硬磁性，作为稀土类元素选择Tb、Gd、Eu、Ho等之类的总磁矩大的元素，同时用Ga和Al等非磁性元素置换Fe。这样，在光隔离器的工作温度附近可使自然磁化M为小的值，其结果，可使Bi置换稀土类铁榴石单晶膜具有磁的方型磁带，使矫顽力(顽磁力)Hc增大。
多量含有Tb、Gd、Eu、Ho等元素的Bi置换稀土类铁榴石单晶膜，在自然磁化M的温度特性中，有自然磁化M大体为0的温度、即补偿温度。对于补偿温度，稀土类离子和Fe离子的总磁矩变得相等，表观上的磁化大体上变为0。一般地，自然磁化M越小，永久磁铁的矫顽力Hc越能取得大的值。所以，将补偿温度设定在作为通信用光器件的工作温度所要求的-40～85℃的范围，在通信用光器件的实用温度范围内使自然磁化M为更小的值为好。
可是，当用上述方法使Bi置换稀土类铁榴石单晶膜为硬磁性时，可知在自然磁化M变为极小的值的温度条件下，产生出现多个法拉第旋转角的特异的现象(分离)。图12示出使用上述硬磁性的石榴石单晶膜制造的法拉第转子的法拉第旋转角的磁滞。横轴表示磁场，纵轴表示法拉第旋转角(deg.)。如图12所示，该法拉第转子有45deg.和20deg.两个法拉第旋转角。产生了分离的法拉第转子，法拉第旋转角的再现性降低，由于外部磁场和温度的变化，使得法拉第旋转角较大地变动。因此，不能稳定地得到所需的法拉第旋转角。尤其是被证实，当温度变化时，法拉第旋转角的再现性降低。当使用这样的法拉第转子制作光隔离器等光器件时，由于法拉第旋转角变动，所以产生光不透射等不良情况。
因此，通过使产生分离的温度范围脱离作为光器件的工作温度的-40～85℃的范围，进行解决上述问题的尝试。可是，这种情况下，为了在自然磁化M值比较大的条件下得到硬磁性的特性，矫顽力Hc变为极小的值。因此，通过来自外部的磁场、温度变动和冲击等，法拉第转子的磁特性容易地变化，法拉第旋转角变动，产生这些问题。其结果，有硬磁性特性的法拉第转子，尚未在一般的光器件中普及。
本实施形态的目的在于，提供磁特性良好的法拉第转子和具备该转子的光器件。
上述目的通过一种法拉第转子而可达到。该法拉第转子的特征在于，是具备有硬磁性特性的Bi置换稀土类铁榴石单晶膜、和形成于前述单晶膜、光入射和射出的两个表面的法拉第转子，前述单晶膜用化学式Bi3-xRxFe5-yMyO12(在此，R是从选自含Y的稀土类元素中的至少1种元素和Pb、Ca中选出的至少一种元素，x满足1.5＜x＜2.5。M是从Ga、Al、Sc、In、Si、Ge、Ti、Pt和Mg中选出的至少1种元素，y满足0＜y＜1.5。)表示，前述2个表面之中，一方的前述y值记为y1，另一方的前述y值记为y2时，满足y2≤y1≤2y2的关系。
对于上述本发明的法拉第转子，其特征为：前述y1和前述y2满足y1y2的关系，
对于上述本发明的法拉第转子，其特征为：前述y进一步满足0＜y＜0.1。
对于上述本发明的法拉第转子，其特征为：前述M是从Ga、Al、Sc、In、Si、Ge、Ti及Mg中选出的至少1种元素，不包括Pt。
对于上述本发明的法拉第转子，其特征为：补偿温度为-40℃以上、85℃以下。
又，上述目的通过一种光器件可达到，该光器件的特征为：是由多个光学元件构成的光器件，前述光学元件包括上述本发明的法拉第转子。
关于本实施形态的法拉第转子和具备它的光器件予以说明。首先，说明本实施形态的法拉第转子的原理。
在法拉第转子的全部区域磁特性均匀的场合，即使在补偿温度附近自然磁化M变为极小的值，本来也不会产生分离。所以产生分离这一情况可推定为磁特性不同的多个层重叠，构成法拉第转子。于是，采用各种各样的手法分析了该法拉第转子的磁特性和组成，结果可知，在铁及可与铁置换的元素的组成分布和分离发生之间存在明显的相关关系。即证实，当法拉第转子的铁及与铁置换的元素的组成分布在外延膜(取向附生膜)生长方向(光的入射射出方向)不均匀时，产生分离。
图13示出了使用硬磁性的Bi置换稀土类铁榴石单晶膜制造的法拉第转子的自然磁化M和温度的关系。横轴表示温度，纵轴表示自然磁化M。如图13所示，自然磁化M在补偿温度Tc下大体上变为0。补偿温度Tc设定在作为光器件的工作温度所要求的-40℃以上85℃以下的范围。
图14～图16示意地示出Bi置换稀土类铁榴石单晶膜的旋转排列(自旋阵列)。图14表示在补偿温度Tc附近的旋转排列，图15表示在比补偿温度Tc高的温度T2下的旋转排列。图16表示在比补偿温度Tc低的温度T1下的旋转排列。各图中的箭头a表示铁离子的磁矩的方位和强度，各图中的箭头b表示稀土类元素离子的磁矩的方位和强度。如图14所示，在补偿温度Tc附近的温度下，稀土类元素离子和铁离子的磁矩的强度相互大体上变得相等。如图15所示，在比补偿温度Tc高的温度T2下，稀土类元素离子的磁矩的强度比铁离子的磁矩的强度高。如图16所示，在比补偿温度Tc低的温度T1下，铁离子的磁矩的强度比稀土类元素离子的磁矩的强度高。
较多地含具有大的磁矩的稀土类元素的Bi置换稀土类铁榴石单晶膜，当置换铁的非磁性元素的量变多时，补偿温度变高。通过将非磁性元素的置换量调整为适当的量，可使补偿温度在室温附近，在以室温为中心的光器件的工作温度下，可得到大的矫顽力Hc。
可是，当非磁性元素的置换量根据区域而不均匀时，即使是同一温度条件，补偿温度Tc根据区域不同而不同，所以相对于补偿温度Tc的相对的稀土类元素离子和铁离子的磁矩的强度根据区域而不同。即使在某个区域，稀土类元素离子和铁离子的磁矩的强度相互大体上相等，比起该区域铁的组成比大的区域，补偿温度Tc也变低，所以铁离子的磁矩的强度比稀土类元素离子的磁矩的强度高。相反，铁的组成比小的区域，稀土类元素离子的磁矩的强度比铁离子的磁矩的强度高。所以，在1个法拉第转子内，存在铁离子和稀土类元素离子的磁矩之和相互不同的多个区域。这些多个区域，磁特性相互不同。
图17A～图17E示意地示出了存在铁离子和稀土类元素离子的磁矩之和相互不同的两个区域的法拉第转子的构成及每个区域的磁特性。如图17A所示，法拉第转子224b具有铁离子和稀土类元素离子的磁矩之和相互不同的2个区域。2个区域以与入射射出面大体平行的假想面226为界限。图17B表示法拉第转子224b的入射面侧的自然磁化M和温度的关系(b相)，图17C表示法拉第转子224b的射出面侧的自然磁化M和温度的关系(a相)。图17B和图17C的横轴表示温度，纵轴表示自然磁化M。虚线c表示法拉第转子224b的温度。又，图17D表示法拉第转子224b的b相的磁滞，图17E表示法拉第转子224b的a相的磁滞。图17D和图17E的横轴表示磁场，纵轴表示法拉第旋转角。图17D和图17E中的向左右方向延伸的虚线表示法拉第旋转角0deg.，向上下方向延伸的虚线表示磁场0。
如图17B及图17C所示，a相和b相补偿温度Tc不同。A相补偿温度Tc比法拉第转子224b的温度高，b相补偿温度Tc比法拉第转子224b的温度低。因此，如图17D和图17E所示，a相和b相磁滞不相同。所以，法拉第转子224b的磁滞变为a相的磁滞和b相的磁滞之和，在补偿温度Tc附近的温度的法拉第旋转角如图12所示产生分离。
Bi置换稀土类铁榴石单晶膜中铁的组成分布变动的原因是，在外延膜的育成中和铁置换的元素的组成变动。于是，分析与铁置换的元素和其组成变动量的结果，可知越抑制组成变动，越不发生分离，矫顽力Hc变为大的值。
为了Bi置换稀土类铁榴石单晶膜的外延生长稳定、离子的价数为与铁相同的3价等，Ga和Al作为置换用的非磁性元素使用的情况较多。因此，多量地置换的Ga和Al之类的非磁性元素的组成分布均匀成为必要。可是，关于Ga和Al，在育成用坩埚中和氧化铁一起配合它们的氧化物的比例下，育成条件确定。因此，Ga和Al的组成在法拉第转子的各区域变得不均匀的可能性低。所以，在一般的外延生长条件下，Ga和Al的组成变动不给予分离的发生以大的影响。
作为其以外的非磁性元素，有在育成中从坩埚和夹具溶出到熔融液中，和铁置换的非磁性的微量置换元素。微量置换元素不是育成用的起始材料，所以进入到Bi置换稀土类铁榴石单晶膜中的组成量，即使最大也就到0.1左右。可是，知道，这些微量置换元素的组成分布给予分离的发生以大的影响。即，证实当与铁置换的非磁性的微量置换元素的组成分布不均匀时，则产生分离。所以可知，为了改善法拉第转子的矫顽力Hc的特性，微量置换元素的组成分布的均匀化是必要的。微量置换元素的组成分布在膜生长方向(厚度方向)大致均匀的状态最好，即在法拉第转子的光的入射射出的2个Bi置换稀土类铁榴石单晶膜表面之间，与铁置换的各非磁性元素为相同的量的状态最好。可是，即使组成分布未必一定法拉第转子的特性有时也产生实用上的问题。法拉第转子的光的入射射出的2个Bi置换稀土类铁榴石单晶膜表面之中，在一个表面的各非磁性元素是在另一表面的各非磁性元素量以上、且2倍以下的场合，可抑制分离的发生，矫顽力Hc为实用上没有问题的值。
在育成中，从坩埚和夹具向熔融液溶出，和铁置换的非磁性的微量置换元素中，代表性的是Pt。通常，装入了石榴石单晶膜的外延生长的原材料的容器是以Pt(熔点1772℃)为主成分制作的，其中，Pt满足以下条件：与PbO、Bi2O3、B2O3的溶剂的反应性低，以及其熔点高，比育成温度有余裕。由于虽然Pt与熔融液的反应性低，但仍稍微反应，所以在外延生长中，缓慢地向熔融液溶解。因此，特别是关于Pt，必须使得：法拉第转子的光的入射射出的2个Bi置换稀土类铁榴石单晶膜表面之中，一个表面的Pt量为另一表面的Pt量以上、且2倍以下。
另外，从坩埚和用于基板固定的夹具等，Pt以外的杂质向熔融液溶出，这些元素混入到外延膜，有时也形成不均匀的组成分布。即使这样的场合，也必须使得：法拉第转子的光的入射射出的2个Bi置换稀土类铁榴石单晶膜表面之中，一个表面的非磁性元素量为另一表面的各非磁性元素量以上、且2倍以下。
而且，为了进一步改善法拉第转子的Hc特性，研究了：用Au构成坩埚、用于育成的熔融液的搅拌用具(搅拌体)、基板固定用具，育成外延膜。Au是非常难成为离子的元素，只溶于PbO、Bi2O3、B2O3的溶剂一点点，其一点点溶解的Au几乎不在外延膜析出。因此，为了从外延膜除去从坩埚和夹具析出的Pt和其他杂质，使用Au的这些手法为最有效的方法。这样，通过除去Pt和其他杂质，可得到不产生分离，有大的矫顽力Hc的理想的硬磁性法拉第转子。
但是，Au的熔点与1064℃这一育成温度接近，因此用Au制的坩埚和夹具在育成条件下极软，难以操作。为此，使用通过将Pt和Au合金化来补强的材料，为了得到坩埚和夹具的强度是有效的。当使用这样的材料时，有时微量的Pt混入到外延膜。可是，即使这种情况，如果法拉第转子的光的入射射出的2个Bi置换稀土类铁榴石单晶膜表面之中，一个表面的Pt量为另一表面的Pt量以上、且2倍以下，则不会引起实用上的特性的问题。
另外，对于配合到原材料中、与铁多量置换的Ga和Al等非磁性元素，没有组成变动是理想的。在法拉第转子的两表面，一个表面的各非磁性元素量为另一表面的各自的非磁性元素量以上、且2倍以下，同样是硬磁性的法拉第转子所必需的条件。
这样，本实施形态的法拉第转子，具有用化学式Bi3-xRxFe5-yMyO12(在此，R是从选自含Y的稀土类元素之中的至少1种元素和Pb及Ca中的至少1种元素，x满足1.5＜x＜2.5。M是从Ga、Al、Sc、In、Si、Ge、Ti、Pt及Mg中选出的至少1种元素，y满足0＜y＜1.5。)表示的Bi置换稀土类铁榴石单晶膜。另外，本实施形态的法拉第转子，形成于Bi置换稀土类铁榴石单晶膜、光的入射射出的2个表面之中将一个表面的y值记为y1，将另一表面的y值记为y2时，满足y2≤y1≤2y2的关系。进一步地，y1和y2满足y1y2的关系更优选。
图18示出本实施形态的法拉第转子的法拉第旋转角的磁滞(硬磁特性)。横轴表示磁场，纵轴表示法拉第旋转角(deg.)。如图18所示，本实施形态在得到不发生分离、比较大的矫顽力Hc的同时，得到良好的方型磁滞。本实施形态的法拉第转子象已经使用图4～图6说明的那样，可用于光器件及光通信系统。
根据本实施形态，在由具有硬磁性特性的Bi置换稀土类铁榴石单晶膜制作的法拉第转子中，通过将与铁置换的各非磁性元素的光入射射出方向的组在分布抑制在一定的范围，可抑制分离的发生。
以下使用具体实施例说明本实施形态的法拉第转子。
(实施例3-1)
将Tb4O7、Yb2O3、Bi2O3、Fe2O3、Ga2O3、GeO2、PbO、B2O3放入Au制的坩蜗，将该坩蜗配置在电炉内，升温熔融后进行搅拌。用Au制的夹具固定CaMgZr置换钆镓石榴石单晶基板，采用LPE法由该熔融液在基板上育成有(BiTbYbPb)3(FeGaGe)5O12组成的Bi置换稀土类铁榴石单晶膜。研磨、切断该石榴石单晶膜，在光的x射射出的2面上形成无反射膜，制作在波长1.55μm的光下法拉第旋转角为45deg.，1.5mm见方、厚450μm的法拉第转子。用VSM评价的结果，该法拉第转子的补偿温度为15℃。一边改变温度，一边用VSM评价自然磁化M，将在比居里温度低的温度下自然磁化M最接近于0的温度判断为补偿温度。评价了在温度25℃下法拉第旋转角和外部磁场的关系，结果法拉第旋转角只为45deg.，未产生分离、矫顽力Hc为500kA/m。其次，在该法拉第转子的光的入射射出面分析了石榴石组成。组成分析是在(BiTbYbPb)3(FeGaGe)5O12单晶体的光的入射射出的2面，采用激光擦除/ICP质量分析法关于Ga和Ge进行的。通过相对地比较该分析值，进行了这些元素的在入射射出两面的组成比的评价。其结果，在法拉第转子的入射射出两面的组成比，若使一个表面的Ga和Ge的量分别为100，则另一面的相对的量Ga、Ge都为110。(实施例3-2)
将Tb4O7、Yb2O3、Bi2O3、Fe2O3、Ga2O3、GeO2、PbO、B2O3放入Au制的坩埚，配置到电炉内，升温熔融后进行搅拌。用Pt制的夹具固定CaMgZr置换钆镓石榴石单晶基板，采用LPE法由该熔融液在基板上育成具有(BiTbYbPb)3(FeGaGePt)5O12组成的Bi置换稀土类铁榴石单晶膜。研磨、切断该石榴石单晶膜，在光入射射出的2面形成无反射膜，制作在波长1.55μm的光下法拉第旋转角为45deg.，1.5mm见方、厚度450μm的法拉第转子。用VSM评价的结果，该法拉第转子的补偿温度为15℃。一边变化温度一边用VSM评价自然磁化M，将在比居里温度低的温度下自然磁化M最接近于0的温度判断为补偿温度。在温度25℃评价法拉第旋转角和外部磁场的关系，结果法拉第旋转角为45deg.，稍微发生分离，矫顽力He为200kA/m。其次，在该法拉第转子的光的入射射出面分析了石榴石组成。组成分析是在(BiTbYbPb)3(FeGaGePt)5O12单晶体的光的入射射出的2面，对采用激光擦除/ICP质量分析法检测的Ga、Ge及Pt进行。通过相对地比较该分析值，进行了这些元素在入射出两面的组成比的评价。其结果，在法拉第转子的入射射出两面的组成比，若一个表面的Ga、Ge及Pt量分别为100，则另一表面的相对的量Ga为100，Ge为110，Pt为150。(实施例3-3)
将Tb4O7、Yb2O3、Bi2O3、Fe2O3、Ga2O3、GeO2、PbO、B2O3放入Au与Pt的合金制的坩埚，配置到电炉内，升温熔融后进行搅拌。用Pt制的夹具固定CaMgZr转换钆镓石榴石单晶板，采用LPE法由该熔融液在基板上育成具有(BiTbYbPb)3(FeGaGePt)5O12组成的Bi置换稀土类铁榴石单晶膜。研磨、切断该石榴石单晶膜，在光的入射射出的2面形成无反射膜，制作在波长1.55μm的光下法拉第旋转角为45deg.1.5mm方、厚度450μm的法拉第转子。用VSM评价的结果，该法拉第转子的补偿温度为15℃。一边变化温度一边用VSM评价自然磁化M，将在比居里温度低的温度下自然磁化M最接近于0的温度判断为补偿温度。在温度25℃下评价法拉第旋转角和外部磁场的关系，结果法拉第旋转角为45deg.，发生分离，矫顽力He为120kA/m。若矫顽力Hc为120kA/m，则没有实用上的问题。其次，在该法拉第转子的光的入射射出面分析石榴石组成。组成分析是对在(BiTbYbPb)3(FeGaGePt)5O12单晶体的光的入射射出的2面采用激光擦除/ICP质量分析法检测的Ga、Ge及Pt进行。通过相对地比较该分析值，进行这些元素的在入射射出两面的组成比的评价。其结果，在法拉第转子的入射射出两面的组成比，若使Ga、Ge及Pt在一个表面的量分别为100，则在另一个表面的相对的量Ga为100，Ge为100，Pt为200。(比较例3-1)
将Tb4O7、Yb2O3、Bi2O3、Fe2O3、Ga2O3、GeO2、PbO、B2O3放入Pt制的坩埚，配置到电炉内，升温熔融后进行搅拌。用Pt制的夹具固定CaMgZr置换钆镓石榴石单晶基板，采用LPE法由该熔融液在基板上育成具有(BiTbYbPb)3(FeGaGePt)5O12组成的Bi置换稀土类铁榴石单晶膜。研磨、切断该石榴石单晶膜，在光的入射射出的2面形成无反射膜，制作在波长1.55μm的光下法拉第旋转角为45deg.、1.5mm方、厚度450μm的法拉第转子。用VSM评价的结果，该法拉第转子的补偿温度为15℃。一边变化温度，一边用VSM评价自然磁化M，将在比居里温度低的温度下的自然磁化M最近于0的温度判断为补偿温度。在温度25℃下评价法拉第旋转角和外部磁场的关系，结果法拉第旋转角为45deg.，发生分离，矫顽力Hc为10kA/m。该法拉第转子不适于实用。其次，在该法拉第转子的光的入射射出面分析石榴石组成。组成分析是在(BiTbYbPb)3(FeGaGePt)5O12单晶体的光的入射射出的2面，对采用激光擦除/ICP质量分析法检测的Ga、Ge及Pt进行。通过相对地比较该分析值，进行这些元素的在入射射出两面的组成比的评价。其结果，在法拉第转子的入射射出两面的组成比，若使Ga、Ge及Pt在一个表面的量分别为100，则在另一个表面的相对的量Ga为110，Ge为90，Pt为250。
本实施形态，在由有硬磁特特性的Bi置换稀土类铁榴石单晶膜制作的法拉第转子中，通过将与铁置换的各非磁性元素的光入射射出方向的组成分布抑制在一定的范围，可抑制分离的发生，或者可得到比较大的矫顽力Hc。因此，不会产生以往成为问题的由少许的外部磁场、热及振动等所引起的法拉第旋转角的变动。
按照以上所述，根据本发明可实现磁特性良好的法拉第转子及具备该转子的光器件。[第4实施形态]
以下，使用图19～图21B说明本发明第4实施形态的法拉第转子及具备该转子的光器件。近年，通信市场变大的同时，也强烈要求光通信系统的低成本化。光通信系统大多使用光隔离器等通信用光器件。为了光通信系统的低成本化，削减用于光通信系统的光器件数是有效的。因此，要求的是：可能限度地减少光器件的插入损失，延长通过光器件的光的到达距离，以削减光器件的使用数量。对于用于光器件的法拉第转子也要求降低插入损失。
作为法拉第转子产生插入损失的要因，可认为有以下三点。第1要因是构成法拉第转子的Bi置换稀土类铁榴石单晶膜的元素所固有的光吸收。第2要因是由于构成石榴石单晶膜的离子全体的电荷平衡崩溃所产生的光吸收。第3要因是在石榴石单晶膜的光入射射出面形成的无反射膜的特性不良。通过使这3个要因最优化，可减少法拉第转子的插入损失。
作为Bi置换稀土类铁榴石单晶膜的主要的构成元素的Bi和Fe，在用于光通信的波长1.3～1.6μm下没有光吸收。因此，作为构成石榴石单晶膜的稀土类元素，通过选择在波长1.3～1.6μm下没有光吸收的Gd、Ho及Yb等，能够消除元素的光吸收所引起的损失。又，通过使成膜于法拉第转子的光入射射出面的无反射膜与形成材料的折射率一致，并制成适当的构造和膜厚，可基本消除在特定的波长下在石榴石单晶膜表面的光的反射。
构成Bi置换稀土类铁榴石单晶膜的阳离子基本上为3价。当这些阳离子为2价或4价时，Bi置换稀土类铁榴石单晶膜的电荷平衡崩溃，这成为引起光吸收的原因(例如，参看特公平6-46604号公报)。为了取得电荷平衡，通过在适当的气氛和温度下热处理石榴石单晶膜，从而使少许地含在石榴石单晶膜的Pb离子为Pb2+和Pb4+，用这些2价和4价阳离子可取得电荷平衡。又，在大气气氛中育成的石榴石单晶膜，由于Pb离子为Pb2+，所以通过添加作为4价阳离子的Si4+、Ti4+、Ge4+、Pt4+，可取得电荷平衡。
可是，如上那样，尽管设定插入损失为最小的条件，也会产生不能得到插入损失充分小的法拉第转子的问题。实际上，即使插入损失最小的法拉第转子，对波长1.55μm的光也产生0.05dB左右的插入损失。因此，例如，使用了2个法拉第转子的偏振无依赖型光隔离器，由于法拉第转子的插入损失、光损失变大到0.1dB左右。
本实施形态的目的在于，提供更降低插入损失的法拉第转子及具备该转子的光器件。
上述目的通过一种法拉第转子可以实现，该转子的特征在于，是具备Bi置换稀土类铁榴石单晶膜、和形成于前述单晶膜、光入射射出的2个表面的法拉第转子，前述单晶膜用化学式Bi3-x-yRxAyFe5-z-wMzBwO12(在此，R为选自含Y的稀土类元素之中的至少1种元素，A为从Pb、Ca及Cd之中选出的至少1种元素，x及y满足1.5＜x+y＜2.5的关系。M是从Ga、Al、Sc及In中选出的至少1种元素，B是从Si、Ti、Ge、Pt、Mg中选出的至少1种元素，z及w满足0≤z+w＜1.5的关系。)表示，在前述2个表面之中，使一方的前述y值为y1，使另一方的前述y值为y2时，满足y2≤y1≤2y2的关系，前述2个表面之中，使一方的前述w值为w1，使另一方的前述w值为w2时，满足w2≤w1≤2w2的关系。
在上述本发明的法拉第转子中，其特征在于：前述y1及前述y2满足y1y2的关系，前述w1及前述w2满足w1w2的关系。
在本发明的法拉第转子中，其特征在于：前述y进一步满足0＜y＜0.1，前述w进一步满足0≤w＜0.1。
在上述本发明的法拉第转子中，其特征在于：前述B是从Si、Ti、Ge、Mg中选出的至少一种元素，不包含Pt。
又，上述目的通过一种光器件可以实现，该光器件的特征在于：是由多个光学元件构成的光器件，前述光学元件包括上述本发明的法拉第转子。
关于本实施形态的法拉第转子及具备该转子的光器件予以说明。首先，关于本实施形态的法拉第转子的原理予以说明。
通过适当选择Bi置换稀土类铁榴石单晶膜的构成元素，并使无反射膜的材料和结构最优化，可使元素的光吸收所致的光损失和在法拉第转子表面的光反射所致光损失大体为0。除使这些光损失大体为0以外，还研讨了法拉第转子发生插入损失的原因。其结果可知，用LPE法育成的Bi置换稀土类铁榴石单晶膜未必能取得电荷平衡是原因。
基本上为3价阳离子的Bi置换稀土类铁榴石单晶膜中，在2价阳离子和4价阳离子变为等量的情况下，能取得电荷平衡。石榴石单晶膜的代表性的2价和4价阳离子分别为Pb2+和Pb4+。Pb从溶剂中所使用的PbO析出到石榴石单晶膜。Pt从Pt制的坩埚溶出到熔融液，并进一步析出到石榴石单晶膜。
可是，Pt在外延膜的生长方向有不均匀的组成分布的情况变得清楚了。Pt在外延生长中缓慢地溶出到熔融液中，其一部分析出到石榴石单晶膜中。所以，在外延生长中熔融液的Pt浓度缓慢地上升，与此同时，石榴石单晶膜中的Pt量缓慢地增加。即成为4价阳离子的元素在膜生长方向增加并分布。
另一方面，在熔融液中所占的PbO量，用投入到坩埚中的起始材料的配合比确定，因此，在外延生长中作为2价阳离子的Pb2+进行到石榴石单晶膜中的量变得一定。即成为2价阳离子的元素在膜生长方向基本上均匀地分布。在石榴石单晶膜中在2价或4价的阳离子下变得稳定的Pb以外的元素配合到起始材料的场合，也同样地在外延生长中这些元素进入到石榴石单晶膜中的量变得一定。
图19表示法拉第转子的概略构成和光的透射方向。如图19所示，法拉第转子224b有板状的Bi置换稀土类石榴石单晶膜、和形成于该石榴石单晶膜、光入射射出的2个表面A、B。在表面A、B形成未图示出的无反射膜。石榴石单晶膜的膜生长方向例如为从表面A向表面B的方向。
图20A是表示图19所示的法拉第转子的石榴石单晶膜的膜厚方向的2价阳离子量的分布的图。图20B是表示图19所示的法拉第转子的石榴石单晶膜的膜厚方向的4价阳离子量的分布的图。图20A和图20B的横轴表示膜厚方向的位置。横轴的左端表示表面A的位置，右端表示表面B的位置。图20A的纵轴表示2价的阳离子量，图20B的纵轴用与图20A的纵轴相同的刻度表示4价阳离子量。如图20A及图20B所示，2价的阳离子量在膜厚方向的所有位置大体一定，而4价的阳离子从表面A到表面B大体直线性地单调增加。
由于坩埚和基板固定用夹具等的一部分溶到熔融液中，使得构成它们的元素在熔融液中的量在外延生长中缓慢地增加。并且，如果溶解的元素是进入到Bi置换稀土类铁榴石单晶中的元素，则与外延膜的生长一起，石榴石单晶膜中的该元素量缓慢地增加。其结果，溶到熔融液的元素在石榴石单晶膜中变成2价或4价的阳离子的场合，这些阳离子产生膜生长方向的组成分布，可成为使石榴石单晶膜的电荷平衡崩溃的原因。
通过控制从起始材料进入到Bi置换稀土类铁榴石单晶膜的2价和4价的阳离子量、和在育成中缓慢溶到熔融液中并进入到石榴石单晶膜的2价和4价的阳离子的量，可在法拉第转子的膜厚方向的特定位置取得电荷平衡。可是在外延生长中溶解到熔融液并成为2价和4价的阳离子的元素，在膜生长方向有组成变动，所以即使在一部分取得电荷平衡，在其他部分电荷平衡也崩溃。并且，在电荷平衡崩溃的部分发生损失。例如，在图20A和图20B中，在石榴石单晶膜的表面A、B间的大体中央的位置C，2价的阳离子量和4价的阳离子量都是d，变得互相相等。可是，4价的阳离子量在膜生长方向增加，所以在位置C至表面A侧比2价的阳离子d少，在位置C至表面B侧比2价的阳离子量d多。所以，在位置C以外，2价的阳离子量和4价的阳离子量不相等，电荷平衡崩溃，所以法拉第转子发生插入损失。
于是，通过在Bi置换稀土类铁榴石单晶膜中使变成2价和4价的阳离子的元素在膜生长方向均匀地分布，同时进一步地在2价和4价的阳离子间取得电荷平衡，起因于电荷平衡可降低法拉第转子的插入损失。成为2价和4价的阳离子的元素的组成分布均匀对降低损失最有效，但即使不均匀，通过将组成变动抑制在规定的范围内，和过去比较也能显著地降低法拉第转子的插入损失。
在育成中从坩埚和夹具溶解到熔融液的代表性元素是Pt。Pt难溶于作为溶剂的BbO、Bi2O3、B2O3的熔融液，而且是高熔点材料(熔点1772℃)，所以一般用于LPE法的坩埚和基板固定用夹具的结构材料。Pt难溶于溶剂，但少许地溶解，因此在外延生长中在熔融液中少许地溶解。溶解的Pt在4价阳离子下稳定，但与膜生长一起，一边使之产生组成变动一边进入到石榴石单晶体中。所以，具有均匀的组成分布的Pb2+和具有不均匀的组成分布的Pt4+都在石榴石单晶膜中含有，因此不能使法拉第转子的插入损失基本为0。
于是，为了降低法拉第转子的插入损失，研究了：用Au构成坩埚、育成中使用的熔融液的搅拌用夹具、和基板固定用夹具，育成外延膜。Au是非常难被氧化的元素，因此当用于坩埚和夹具的材料时，几乎不溶于熔融液，也几乎不析出到石榴石单晶膜。另外，由于Au在3价的阳离子下为稳定的元素，所以即使进入到石榴石单晶体中也不会破坏电荷平衡。所以，如果将Au用于坩埚和夹具的结构材料，育成用成为2价的阳离子的Pb和成为4价阳离子的Si、Ge、Ti等元素取得电荷平衡的外延膜，制作法拉第转子，则能够使插入损失大体为0。
但是，Au的熔点(1064℃)接近于800～900℃的育成温度，因此作为坩埚和夹具的结构材料强度不足。该强度不足通过使用Pt和Au的合金制的坩埚和夹具而能够消除。当使用Pt和Au的合金制的坩埚和夹具进行育成时，比起使用Pt制的坩埚和夹具，少量的Pt溶于熔融液中。
使用Pt和Au的合金制的坩埚和夹具，育成稍微产生了Pt4+的组成变动的Bi置换稀土类铁榴石单晶膜，经过该石榴石单晶膜的加工及无反射膜的成膜，制作了法拉第转子。在该法拉第转子的光入射射出的2个石榴石单晶膜表面进行Pt的组成的评价和比较，调查了与插入损失的关系。其结果证实，如果满足一个表面的Pt量与另一表面的Pt量同等、或者为其2倍以下这一组成分布条件，则法拉第转子的插入损失与过去比较有明确降低的倾向。另外，使用Au制的坩埚和夹具，育成完全除去Pt的Bi置换稀土类铁榴石单晶膜，制作了法拉第转子。该法拉第转子的插入损失大体变为0。
Pt在4价的阳离子下为稳定的元素。关于与Pt同样在4价的阳离子下稳定的Si、Ge、Ti等其他元素，通过使满足一个表面的组成与另一个表面的组成同等、或者为其2倍以下这一组成分布条件，也能使法拉第转子的插入损失降低。又，Bi置换稀土类铁榴石单晶膜的主要的阳离子为3价，与4价的阳离子的电荷差为1。所以，关于在同样地与3价阳离子电荷之差为1的2价阳离子下稳定的元素，通过使满足上述的组成分布条件，也能使法拉第转子的插入损失降低。在外延生长中进入到石榴石单晶膜，并在2价阳离子下变得稳定的元素，为Pb、Ca、Cd、Mg等。使用含有这些Pt以外的在2价或4价的阳离子下稳定的元素的坩埚和夹具，育成石榴石单晶膜时，这些元素溶于熔融液，即使进一步地进入到石榴石单晶体中，通过将组成变动取在规定的范围内，也能降低法拉第转子的插入损失。
在大气中育成时，Pb成为Pb2+，进入到石榴石单晶体中，但通过一边进行气氛控制一边热处理，使成为Pb4+，可取得电荷平衡，降低法拉第转子的插入损失。这种情况下，Pb分为2价的阳离子和4价的阳离子，而且变成特定的比率，分别具有组成分布，所以如果满足一个表面的Pb量与另一表面的Pb量同等、或者为其2倍以下这一组成分布条件，则不论有无热处理，都能降低插入损失。
这样，本实施形态的法拉第转子，具有用化学式Bi3-x-yRxAyFe5-z-wMzBwO12(在此，R为选自含Y的稀土类元素之中的至少1种元素，A为从Pb、Ca及Cd之中选出的至少1种元素，x及y满足1.5＜x+y＜2.5的关系。M是从Ga、Al、Sc及In中选出的至少1种元素，B是从Si、Ti、Ge、Pt及Mg中选出的至少1种元素，z及w满足0≤z+w＜1.5关系。)表示的Bi置换稀土类铁榴石单晶膜。另外，本实施形态的法拉第转子，形成于Bi置换稀土类铁榴石单晶膜、光入射射出的2个表面之中，使一个表面的y值y1，使另一表面的y值为y2时，满足y2≤y1≤2y2的关系，使一个表面的w值为w1，使另一表面的w值为w2时，满足w2≤w1≤2w2的关系。进一步地，更优选y1和y2满足y1y2的关系，w1和w2满足w1w2的关系。
图21A表示本实施形态的法拉第转子的石榴石单晶膜的膜厚方向的2价阳离子量的分布，是与图20A对应的曲线图。图21B表示本实施形态的法拉第转子的石榴石单晶膜的膜厚方向的4价阳离子量的分布，是与图20B对应的曲线图。如图21A和图21B所示，2价阳离子和4价阳离子均在膜厚方向的所有位置大体一定。因此，通过将从起始材料进入到石榴石单晶膜的2价及4价的阳离子的量控制在互相相等的d，在法拉第转子的膜厚方向的所有位置都能取得电荷平衡。
如以上那样，根据本实施形态，在使用Bi置换的稀土类铁榴石单晶膜制作的法拉第转子中，通过将在石榴石单晶膜中在2价或4价的阳离子下稳定的元素的光入射射出方向的组成变动抑制在规定的范围内，可显著地降低插入损失。本实施形态的法拉第转子，如已经使用图4～图6说明的那样，可用于光器件及光通信系统。
以下，关于本实施形态的法拉第转子，使用具体实施例予以说明。
(实施例4-1)
将Gd2O3、Yb2O3、Bi2O3、Fe2O3、Ga2O3、GeO2、PbO、B2O3放入Au制的坩埚，熔化并进行搅拌。用Au制的夹具固定CaMgZr置换钆镓石榴石单晶基板，采用LPE法在基板上育成具有(BiGdYbPb)3(FeGaGe)5O12组成的Bi置换稀土类铁榴石单晶膜。研磨、切断该石榴石单晶膜，在光的入射射出的2面形成无反射膜，制作在波长1.55μm的光下法拉第旋转角为45deg、1.5mm方，厚度360μm的法拉第转子。分析了该法拉第转子的石榴石组成。组成分析是在石榴石单晶膜的两表面，采用激光擦除/ICP质量分析法，关于Pb和Ge进行。通过相对地比较该分析值，评价这些元素在两表面的组成比。其结果，在法拉第转子的石榴石单晶膜的两表面的组成比，若使在一个表面的Pb和Ge的量分别100，则在另一个表面的相对的量Pb、Ge都为110。另外，使用波长1.55μm的光测定法拉第转子的插入损失的结果，插入损失为0dB。
(实施例4-2)
将Gd2o3、Yb2O3、Bi2O3、Fe2O3、Ga2O3、GeO2、PbO、B2O3放入Au制的坩埚，熔化并进行搅拌。用Pt制的夹具固定CaMgZr置换钆镓石榴石单晶基板，采用LPE法在基板上育成具有(BiGdYbPb)3(FeGaGePt)5O12组成的Bi置换稀土类铁榴石单晶膜。研磨、切断该石榴石单晶膜，在光的入射射出的2个表面形成无反射膜，制作在波长1.55μm的光下法拉第旋转角为45deg.、1.5mm方，厚度360μm的法拉第转子。分析了该法拉第转子的石榴石组成。组成分析是在石榴石单晶膜的两表面，采用激光擦除/ICP质量分析法，关于Pb、Ge和Pt进行。通过相对地比较该分析值，评价这些元素在两表面的组成比。其结果，在法拉第转子的石榴石单晶膜的两表面的组成比，若使在一个表面的Pb、Ge及Pt的量分别为100，则在另一个表面的相对的量Pb为90，Ge为100，Pt为150。另外，使用波长1.55μm的光测定法拉第转子的插入损失的结果，插入损失为0.01dB。
(实施例4-3)
将Gd2o3、Yb2O3、Bi2O3、Fe2O3、Ga2O3、GeO2、PbO、B2O3放入Au与Pt的合金制的坩埚，熔化并进行搅拌。用Pt制的夹具固定CaMgZr置换钆镓石榴石单晶基板，采用LPE法在基板上育成具有(BiGdYbPb)3(FeGaGePt)5O12组成的Bi置换稀土类铁榴石单晶膜。研磨、切断该石榴石单晶膜，在光的入射射出的2个表面形成无反射膜，制作在波长1.55μm的光下法拉第旋转角为45deg.、1.5mm方、厚度360μm的法拉第转子。
分析了该法拉第转子的石榴石组成。组成分析是在石榴石单晶膜的两表面，采用激光擦除/ICP质量分析法，关于Pb、Ge和Pt进行。通过相对地比较该分析值，评价这些元素在两表面的组成比。其结果，在法拉第转子的石榴石单晶膜的两表面的组成比，若使在一个表面的Pb、Ge及Pt的量分别为100，则在另一个表面的相对的量Pb为90，Ge为100，Pt为200。另外，使用波长1.55μm的光测定法拉第转子的插入损失的结果，插入损失为0.03dB。
(比较例4-1)
将Gd2O3、Yb2O3、Bi2O3、Fe2O3、Ga2O3、GeO2、PbO、B2O3放入Pt制的坩埚，熔化并进行搅拌。用Pt制的夹具固定CaMgZr置换钆镓石榴石单晶基板，采用LPE法在基板上育成具有(BiGdYbPb)3(FeGaGePt)5O12组成的石榴石单晶膜。研磨、切断该石榴石单晶膜，在光的入射射出的2个表面形成无反射膜，制作在波长1.55μm的光下法拉第旋转角为45deg.，1.5mm方，厚度360μm的法拉第转子。分析了该法拉第转子的石榴石组成。组成分析是在石榴石单晶膜的两表面，采用激光擦除/ICP质量分析法，关于Pb、Ge和Pt进行。通过相对地比较该分析值，评价这些元素在两表面的组成比。其结果，在法拉第转子的石榴石单晶膜的两表面的组成比，若使在一个表面的Pb、Ge及Pt的量分别为100，则在另一个表面的相对的量Pb为90，Ge为90，Pt为250。另外，使用波长1.55μm的光测定法拉第转子的插入损失的结果，插入损失为0.05dB。
如以上那样，根据本实施形态，在使用Bi置换稀土类铁榴石单晶膜制作的法拉第转子中，通过将在石榴石单晶膜中在2价及4价的阳离子下稳定的元素的光入射射出方向的组成变动抑制在一定的范围内，能够显著地降低插入损失。
又，根据本实施形态，在使用Bi置换稀土类铁榴石单晶膜制作的法拉第转子中，通过使在石榴石单晶膜中在2价及4价的阳离子下稳定的元素的光入射射出方向的组成分布均匀，能够使插入损失大体为0。
如以上说明的那样，根据本实施形态，可实现更降低插入损失的法拉第转子以及具备该转子的光器件。
发明效果
按照上述，采用本发明，可实现插入损失低，能得到良好的磁特性的磁性石榴石材料、法拉第转子、光器件、铋置换稀土类铁榴石单晶膜及其制造方法以及该法所用的坩埚。

Claims (28)

1.一种磁性石榴石材料，其特征在于，由铋置换稀土类铁榴石单晶膜构成，前述单晶膜的化学组成为Bi(3-x)AxFe(5-y-z)MyTz012，其中，A＝从含Y的稀土类元素及Ca的组中选出的1种或2种以上、M＝从Ga、Al、Ge、Sc、In、Si、Ti、Mg、Mn及Zr的组中选出的1种或2种以上、T＝从Au、Rh和Ir的组中选出的1种或2种以上、0.2≤x≤2.5，0≤y≤2.0，0＜z≤0.1)。
2.权利要求1所述的磁性石榴石材料，其特征在于，前述单晶膜厚度方向的前述T元素的浓度分布大致均匀。
3.一种法拉第转子，其特征在于，由含Au的铋置换稀土类铁榴石单晶膜构成，使所入射的光的偏光面旋转，同时插入损失为0.03dB以下。
4.权利要求3所述的法拉第转子，其特征在于，使前述单晶膜中所含的Au量按摩尔比计为0.01以下，但不包括0。
5.权利要求4所述的法拉第转子，其特征在于，按摩尔比计将前述单晶膜中所含的Pt量限定在0.01以下。
6.一种光器件，其特征为，具备顺向的光入射的第1光学元件、与前述第1光学元件隔规定间隔而对置、前述顺向的光射出的第2光学元件、配置在前述第1光学元件和前述第2光学元件之间、使透过前述第1光学元件的光的偏光面旋转并向前述第2光学元件射出的法拉第转子，前述法拉第转子由含Au的铋置换稀土类铁榴石单晶膜构成，使所入射的光的偏光面旋转，同时插入损失为0.03dB以下。
7.一种Bi置换稀土类铁榴石单晶膜的制造方法，其特征在于，是采用液相外延法制造铋置换稀土类铁榴石单晶膜的方法，具有以下步骤：将前述铋置换稀土类铁榴石单晶膜的原料组成物和助熔剂组成物投入到至少在熔融物接触的部位配Au的坩埚中的步骤；加热、熔融前述原料组成物得到熔融物的步骤；将前述熔融物降温到前述铋置换稀土类铁榴石单晶膜的育成温度的步骤；一边使降温的前述熔融物接触单晶膜育成基板，一边育成前述铋置换稀土类铁榴石单晶膜的步骤。
8.一种Bi置换稀土类铁榴石单晶膜的制造方法，其特征在于，是采用液相外延法制造铋置换稀土类铁榴石单晶膜的方法，具有以下步骤：将前述铋置换稀土类铁榴石单晶膜的原料组成物、Au及助熔剂组成物投入到坩埚中的步骤；加热、熔融前述原料组成物和Au，得到熔融物的步骤；将前述熔融物降温到前述铋置换稀土类铁榴石单晶膜的育成温度的步骤；一边使降温的前述熔融物接触单晶膜育成基板，一边育成前述铋置换稀土类铁榴石单晶膜的步骤。
9.一种坩蜗，其特征为，是在采用液相外延法制造铋置换稀土类铁榴石单晶膜时使用的坩埚，前述坩埚的至少与熔融物接触的区域由Au或Au合金构成。
10.一种磁性石榴石材料，其特征在于，用由Bi置换稀土类铁榴石构成的单晶膜构成，前述单晶膜中的置换铁位点的元素的浓度变动为200％以下，且在补偿温度的饱和磁化为20G以下。
11.权利要求10所述的磁性石榴石材料，其特征在于，前述置换铁位点的元素是Pt，Pt的浓度变动为200％以下。
12.权利要求10所述的磁性石榴石材料，其特征在于，前述单晶膜具有以下的化学组成：Bi3-xAxFe(5-y)MyO12，式中，A＝从含Y的稀土类元素、Ca及Pb的组中选出的1种或2种以上，M＝从Ga、Al、Ge、Sc、In、Si、Ti、Mg、Mn、Zr、Au、Ir、Rh及Pt的组中选出的1种或2种以上，0.2≤x≤2.5，0≤y≤2.0。
13.权利要求12所述的磁性石榴石材料，其特征在于，作为前述M至少选择Ga，并且表示Ga量的y在0.8≤y≤2.0的范围。
14.一种法拉第转子，其特征在于，具备由具有以下的一般式所示的组成的铋置换稀土类铁榴石构成的单晶膜、和在前述单晶膜表面被覆的无反射膜，前述单晶膜所含的Pt量按摩尔比计为0.01以下，并且前述单晶膜的表面和背面的Pt的浓度变动为200％以下，
Bi3-xAxFe(5-y)MyO12
其中，A＝从含Y的稀土类元素、Ca和Pb的组中选出的1种或2种以上，M＝从Ga、Al、Ge、Sc、In、Si、Ti、Mg、Mn、Zr、Au、Ir、Rh和Pt的组中选出的1种或2种以上，0.2≤x≤2.5，0≤y≤2.0。
15.一种光器件，其特征在于，该光器件具备顺向的光入射的第1光学元件、与前述第1光学元件隔规定间隔而对置的前述顺向的光射出的第2光学元件、配置在前述第1光学元件和前述第2光学元件之间，使透过前述第1光学元件的光的偏光面旋转并向前述第2光学元件射出的法拉第转子，前述法拉第转子由所含的Pt量按摩尔比计为0.01以下、在表面和背面的Pt的浓度变动为200％以下的铋置换稀土类铁榴石单晶膜构成。
16.一种铋置换稀土类铁榴石单晶膜的制造方法，其特征在于，它是采用液相外延法制造由铋置换稀土类铁榴石构成的单晶膜的方法，具备将前述铋置换稀土类铁榴石的原料组成物和助熔剂组成物投入到坩埚中的步骤、和加热、熔融前述原料组成物得到熔融物的步骤、将前述熔融物降温到前述单晶膜的育成温度的步骤、以及一边使降温的前述熔融物接触单晶膜育成基板一边育成前述单晶膜的步骤，在比大气更有还原性的气氛下进行得到前述熔融物的步骤以后的处理。
17.一种铋置换稀土类铁榴石单晶膜的制造方法，其特征在于，该方法是采用液相外延法制造由铋置换稀土类铁榴石构成的单晶膜的方法，具备将前述铋置换稀土类铁榴石的原料组成物和助熔剂组成物投入到坩埚中的步骤、和加热、熔融前述原料组成物得到熔融物的步骤、将前述熔融物降温到铋置换稀土类铁榴石单晶膜的育成温度的步骤、以及一边使降温的前述熔融物接触单晶膜育成基板一边育成前述铋置换稀土类铁榴石单晶膜的步骤，作为前述助熔剂组成物使用无铅助熔剂组成物。
18.一种单晶膜，其特征是，它是由采用液相外延法育成的铋置换稀土类铁榴石构成的单晶膜，作为在前述液相外延法中使用的助熔剂组成物，通过使用无铅助熔剂，限制了杂质从前述助熔剂组成物混入。
19.一种法拉第转子，其特征在于，是具备有硬磁性特性的Bi置换稀土类铁榴石单晶膜、和形成于前述单晶膜、光入射和射出的2个表面的法拉第转子，前述单晶膜用化学式Bi3-xRxFe5-yMyO12表示，其中，R是从选自含Y的稀土类元素中的至少1种元素和Pb、Ca中选出的至少一种元素，x满足1.5＜x＜2.5，M是从Ga、Al、Sc、In、Si、Ge、Ti、Pt和Mg中选出的至少1种元素，y满足0＜y＜1.5，并且，前述2个表面之中，在一方的前述y值记为y1，在另一方的前述y值记为y2时，满足y2≤y1≤2y2的关系。
20.一种法拉第转子，其特征在于，在权利要求19所述的法拉第转子中，前述y1和前述y2满足y1y2的关系。
21.一种法拉第转子，其特征在于，在权利要求19或20所述的法拉第转子中，前述y还进一步满足0＜y＜0.1。
22.一种法拉第转子，其特征在于，在权利要求19～21的任一项所述的法拉弟转子中，前述M是从Ga、Al、Sc、In、Si、Ge、Ti及Mg之中选出的至少1种元素，不包含Pt。
23.一种法拉第转子，其特征在于，在权利要求19～22的任一项所述的法拉第转子中，补偿温度为-40℃以上、85℃以下。
24.一种法拉第转子，其特征在于，是具备Bi置换稀土类铁榴石单晶膜、和形成于前述单晶膜、光入射和射出的2个表面的法拉第转子，前述单晶膜用化学式Bi3-x-yRxAyFe5-z-wMzBwO12表示，其中，R为从含Y的稀土类元素之中选出的至少1种元素，A为从Pb、Ca及Cd之中选出的至少1种元素，x及y满足1.5＜x+y＜2.5的关系，M是从Ga、Al、Sc及In中选出的至少1种元素，B是从Si、Ti、Ge、Pt及Mg之中选出的至少1种元素，z及w满足0≤z+w＜1.5的关系；前述2个表面之中，使在一方的前述y值为y1，使在另一方的前述y值为y2时，满足y2≤y1≤2y2的关系，前述2个表面之中，使在一方的前述w值为w1，使在另一方的前述w值为w2时，满足w2≤w1≤2w2的关系。
25.一种法拉第转子，其特征在于，在权利要求24所述的法拉第转子中，前述y1及前述y2满足y1y2的关系，前述w1及前述w2满足w1w2的关系。
26.一种法拉第转子，其特征在于，在权利要求24或25所述的法拉第转子中，前述y还进一步满足0＜y＜0.1，前述w还进一步满足0≤w＜0.1。
27.一种法拉第转子，其特征在于，在权利要求24～26的任一项所述的法拉第转子中，前述B是从Si、TI、Ge和Mg之中选出的至少一种元素，不包含Pt。
28.一种光器件，其特征在于：是由多个光学元件构成的光器件，前述光学元件包括权利要求19～27的任一项所述的法拉第转子。
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