DE60105228T2

DE60105228T2 - Material für mit Wismut substituierte Granat-Dickschicht und zugehöriges Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE60105228T2
Application number: DE60105228T
Authority: DE
Inventors: Tadakuni Sendai-shi Sato; Kazumitsu Sendai-shi Endo
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2000-06-06
Filing date: 2001-06-06
Publication date: 2005-08-11
Anticipated expiration: 2021-06-07
Also published as: US6542299B2; CA2349871A1; EP1162635B1; DE60105228D1; CN1329184A; EP1162635A1; US20010052828A1; TW524900B; JP2001348297A; KR20010110329A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf einen Bismuth-substituierten Granat unter optischen Granatmaterialien mit einem Faraday-Rotationseffekt, sowie auf ein Herstellungsverfahren davon, und spezieller auf einen Einkristall-Dickfilm aus Granat der GdBi-Reihe, der durch eine Flüssigphasen-Wachstumsmethode wachsen gelassen wurde, sowie auf ein Herstellungsverfahren davon.
2. Feststellung des verwandten Standes der Technik
Bisher wurden Vorrichtungen auf der Basis des Faraday-Rotationseffekts entwickelt und zu praktischem Gebrauch bei der Kommunikation mittels Licht oder der optischen Informationsverarbeitung gebracht. Bei Geräten zur Kommunikation mittels Licht unter Verwendung von Halbleiter-Laseroszillatoren nimmt das Rauschen zum Bilden der Oszillatoren zu, wenn Reflexionslicht aus optischen Faserkabeln oder Verbindern zu den Laserozillationsabschnitten zurückkehrt. Deshalb ist ein optischer Isolator unter Ausnutzung des Faraday-Rotationseffekts verwendet worden, um einen Zustand der Oszillation durch Ausblenden von Rücklicht sicherzustellen.
Granate vom Typ Bi-substituierter Seltenerden mit einem großen Faraday-Rotationseffekt sind durch eine LEP-Methode, eine Fließmethode oder dergleichen wachsen gelassen worden und als Isolatoren in Bereichen des nahen Infrarots verwendet worden.
Da durch die LPE-Methode gewachsene Granat-Dickfilme hinsichtlich der Produktivität ausgezeichnet sind, sind speziell die meisten der Granat-Filme zur Zeit durch diese Methode hergestellt worden.
Bei Kommunikationssystemen unter Verwendung von optischen Faserkabeln sind gegenwärtig Wellenlängenbänder von 1,31 μm bis 1,55 μm und ferner von 1,6 bis 2 μm ausgenützt worden.
Als Material für in solchen Wellenlängenbändern verwendeten Faraday-Rotationsvorrichtungen für Bereiche des nahen Infrarots sind Granat-Dickfilme der TbBi-Reihe und Granat-Dickfilme der GdBi-Reihe (Ga – oder Al-substituiert), die durch die LPE-Methode hergestellt wurden, vermarktet worden.
Das erstgenannte Material besitzt einen geringen Temperaturvariationskoeffizienten der Faraday-Rotation pro 45 Grad, wie etwa 0,04 bis 0,06 Grad/°C, jedoch ist die Intensität des Anwendungsmagnetfeldes Hs so hoch wie etwa 6,3662 × 10⁴ bis 9,5493 × 10⁴ A/m (800 bis 1.200 Oe) für das Erfordernis eines leistungsstarken Permanentmagneten. Das Material weist eine Magnetisierungs-Inversionstemperatur von etwa –50°C oder geringer auf und kann in einem weiten Temperaturbereich verwendet werden.
Das letztgenannte Material besitzt andererseits einen großen Temperaturvariationskoeffizienten der Faraday-Rotation pro 45 Grad, wie etwa 0,08 Grad/°C, das Hs ist so gering wie etwa 2,3873 × 10⁴ A/m (300 Oe), die Magnetisierungs-Inversionstemperatur ist so hoch wie etwa –10°C, und der Bereich der Arbeitstemperatur liegt in der Nähe der natürlichen Umgebungstemperatur.
Folglich hat der Bedarf des Marktes an Granatmaterialien der TbBi-Serie mit zufriedenstellenden Temperatureigenschaften zugenommen.
Bei Granatmaterialien der Seltenerd-Bi-Reihe tritt jedoch das den Tb-Ionen zuzuschreibende Absorptionsspektrum in einem Bereich einer Wellenlänge von 1,6 μm oder länger in Erscheinung, wie im Diagramm einer mit „Effect of Impurities on the Optical Properties of Yttrium Iron Garnet" betitelten Literatur im Journal of Applied Physics, Bd. 38, Nr. 3, S. 1038 gezeigt, und eine Erhöhung des Transmissionsverlusts in diesem Wellenlängenbereich im TbBi-Granatmaterial ist unvermeidlich.
Für den Granat-Dickfilm der GdBi-Reihe (Ga bzw. Al-substituiert) sind andererseits die Herstellungsbedingungen in der mit „LPE-Growth of Bismuth Substituted Gadolinium Iron Garnet Layers: Systematization of Experimental Result" betitelten Literatur im Journal of Crystal Growth 64 (1983), S. 275 gezeigt, jedoch weist diese Literatur nicht auf den Granat-Dickfilm der GdBi-Reihe (Yb bzw. Al-substituiert) hin.
Es ist erwünscht, daß der optische Isolator eine höhere Transmission in der Vorwärtsrichtung und eine niedrigere Transmission in der dazu entgegengesetzten Richtung zeigt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Angesichts des Obigen ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Material für einen Bismuth-substituierten Granat-Dickfilm, der zu einer dem Granat aus der TbBi-Reihe inhärenten Vermeidung der Lichtabsorption bei einer Wellenlänge von etwa 1,6 μm sowie zur Verbesserung des Temperaturvariationskoeffizienten des Fa raday-Rotationseffekts des Granats der GdBi-Reihe in der Lage ist, sowie ein Herstellungsverfahren davon bereitzustellen.
Es ist eine andere Aufgabe dieser Erfindung, Kosten zu verringern, indem ein kommerziell erhältliches, substituiertes Gadolinium-Gallium-Granat(SGGG)-Substrat mit einem großgewachsenen Substratdurchmesser verwendet wird.
Es ist eine noch weitere Aufgabe dieser Erfindung, eine Faraday'sche Rotationsvorrichtung in einem Wellenlängenbereich oberhalb von etwa 1,5 μm bereitzustellen.
Gemäß einem ersten Gegenstand dieser Erfindung wird ein Material für einen Bismuth-substituierten Granat-Dickfilm bereitgestellt, der Gd, Yb, Bi, Fe und Al als dem Hauptbestandteil umfaßt, wachsen gelassen durch eine Flüssigphasen-Wachstumsmethode auf einem Granatsubstrat, wobei die Zusammensetzung des Granat-Dickfilms durch die allgemeine Formel wiedergegeben ist; Gd_3–x–yYb_xBi_yFe_5–zAl_zO₁₂ (0 < x ≤ 0,5, 0,85 ≤ y ≤ 1,55 und 0,15 ≤ z ≤ 0,65), und wobei Boroxid (B₂O₃) und Bleioxid (PbO) jeweils mit 0 bis 4,0 Gew.-% (0 nicht einschließend) im Granat-Dickfilm enthalten ist.
Gemäß einem weiteren Gegenstand dieser Erfindung wird eine Faraday'sche Rotationsvorrichtung bereitgestellt, die im wesentlichen einen Granat-Dickfilm, umfassend Gd, Yb, Bi, Fe und Al als dem Hauptbestandteil, umfaßt, der durch eine Flüssigphasen-Wachstumsmethode auf einem Granatsubstrat wachsen gelassen wurde, wobei die Zusammensetzung des Granat-Dickfilms durch die allgemeine Formel wiedergegeben ist: Gd_3–x–yYb_xBi_yFe_5–zAl_zO₁₂ (0 < x ≤ 0,5, 0,85 ≤ y ≤ 1,55 und 0,15 ≤ z ≤ 0,65), und wobei Boroxid (B₂O₃) und Bleioxid (PbO) jeweils mit 0 bis 4,0 Gew.-% (0 nicht einschließend) im Granat-Dickfilm enthalten ist.
Gemäß einem noch weiteren Gegenstand dieser Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Materials für einen Bismuthsubstituierten Granat-Dickfilm mit dem Wachstum eines Granat-Dickfilms, der Gd, Yb, Bi, Fe und Al umfaßt, durch eine Flüssigphasen-Wachstumsmethode auf einem Granatsubstrat bereitgestellt. In der vorliegenden Erfindung schließt das Verfahren das Wachsenlassen des Granat-Dickfilms auf einem substituierten Gadolinium-Gallium-Granat(SGGG)-Substrat ein, und die Zusammensetzung des Granat-Dickfilms wird durch die allgemeine Formel wiedergegeben: Gd_3–x–yYb_xBi_yFe_5–zAl_zO₁₂ (0 < x ≤ 0,5, 0,85 ≤ y ≤ 1,55 und 0,15 ≤ z ≤ 0,65), und wobei Boroxid (B₂O₃) und Bleioxid (PbO) jeweils mit 0 bis 4,0 Gew.-% (0 nicht einschließend) im Granat-Dickfilm enthalten ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Graphik, die eine Beziehung zwischen einem B₂O₃-Gehalt und einem Einfügungsverlust (I. L.) in einem Granat-Dickfilm der GdBi-Reihe in einem ersten Beispiel dieser Erfindung zeigt;
2 ist eine Graphik, die eine Beziehung zwischen einem PbO-Gehalt und einem Einfügungsverlust (I. L.) in einem Granat-Dickfilm der GdBi-Reihe in einem zweiten Beispiel gemäß dieser Erfindung zeigt;
3 ist eine Graphik, die eine Beziehung zwischen einer Hitzebehandlungstemperatur und einem Einfügungsverlust (I. L.) in einem Granat-Dickfilm der GdBi-Reihe in einem dritten Beispiel gemäß dieser Erfindung zeigt;
4 ist eine Graphik, die eine Beziehung zwischen einer Sauerstoffkonzentration in einer Hitzebehandlungsatmosphäre und einem Einfügungsverlust (I. L.) in einem Granat-Dickfilm der GdBi-Reihe in einem vierten Beispiel gemäß dieser Erfindung zeigt;
5A ist eine Graphik, die eine Beziehung zwischen θ_F/T und z für die Abhängigkeit der optischen und magnetischen Eigenschaften der Zusammensetzung z in einem Granat-Dickfilm der GdBi-Reihe in einem fünften Beispiel gemäß dieser Erfindung zeigt;
5B ist eine Graphik, die eine Beziehung zwischen Hs und z für die Abhängigkeit der optischen und magnetischen Eigenschaften von der Zusammensetzung z in einem Granat-Dickfilm der GdBi-Reihe in einem fünften Beispiel gemäß dieser Erfindung zeigt;
6 ist eine Graphik, die eine Beziehung zwischen einer Zusammensetzung x und Hs in einem Granat-Dickfilm der GdBi-Reihe eines sechsten Beispiels gemäß dieser Erfindung zeigt;
7A ist eine Graphik, die eine Beziehung zwischen θ_F/T und y für die Abhängigkeit der optischen und magnetischen Eigenschaften von der Zusammensetzung y in einem Granat-Dickfilm der GdBi-Reihe eines siebten Beispiels gemäß dieser Erfindung zeigt; und
7B ist eine Graphik, die eine Beziehung zwischen Hs und z für die Abhängigkeit der optischen und magnetischen Eigenschaften von der Zusammensetzung y in einem Granat-Dickfilm der GdBi-Reihe eines siebten Beispiels gemäß dieser Erfindung zeigt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Vor der Beschreibung der Beispiele gemäß dieser Erfindung wird das Prinzip der Erfindung erläutert.
Der Bedarf an speziellen Eigenschaften des Granats der GdBi-Reihe schließt ein, daß

(1) das Material eine hohe Durchlässigkeit (geringer Einfügungsverlust) in einem Wellenbereich oberhalb 1,5 μm zeigt,
(2) der durchschnittliche Variationskoeffizient θ_F/T der Faraday'schen Rotation innerhalb eines Temperaturbereichs von –20°C bis +80°C pro 45 Grad einen besseren Wert zeigt als den der vermarkteten Granat-Materialien der GdBi-Reihe (etwa 0,08 Grad/°C),
(3) die Magnetisierungsinversionstemperatur T_comp –20°C oder weniger ist (im gewöhnlichen natürlichen Umgebungstemperaturbereich verwendbar) (da die Messung von T_comp bei –40°C oder darunter in diesem Beispiel schwierig ist, wird die niedrigere Temperatur als –40°C oder darunter angezeigt), und daß ferner
(4) der Einfügungsverlust (I. L.) bei einer Dicke, wo der Winkel der Faraday'schen Rotation etwa 45 Grad beträgt, 0,2 dB oder darunter ist (gewöhnlich 0,3 dB oder darunter sein kann), und
(5) das erforderliche Anwendungs-Magnetfeld zum Erreichen des Sättigungszustandes (erforderliches Magnetfeld Hs) 3,9789 × 10⁴ A/m (500 Oe) oder weniger beträgt (was die Verwendung eines kleinen Permanentmagneten erlaubt, was zur Verminderung der Kosten und zur Minimierung der Größenordnung nützlich ist). Diese werden als anpassungsfähiger Bereich des Granatmaterials dieser Erfindung definiert.

Für die Faraday'sche Rotationsvorrichtung vermag ein größerer Faraday'scher Rotationseffekt θ_F/T (Faraday'scher Rotationswinkel pro Einheitsdicke) die Filmdicke der Vorrichtung zu verringern. Beim LPE-Verfahren werden häufig Nachteile für die Industrie verursacht, etwa die Verschlechterung der Kristallinität und dem Anstieg des Auftretens von Rissen im Zuge der Zunahme der Dicke des gewachsenen Films.
Folglich ist es erwünscht, daß der Faraday'sche Rotationseffekt θ_F größer gemacht werden kann.
Der Faraday'sche Effekt θ_F des vermarkteten Granat-Dickfilms der GdBi-Reihe bei einer Wellenlänge von 1,55 μm beträgt etwa 800 Grad/cm.
In dieser Erfindung ist es ebenfalls erwünscht, daß der Faraday'sche Rotationseffekt θ_F einen äquivalenten oder größeren Wert annimmt. Der Faraday'sche Rotationseffekt θ_F kann nicht ohne weiteres durch Verändern einfacher Faktoren verändert werden, aber durch Anpassung verschiedener Lösungs- oder Schmelzzusammensetzungen und Wachstumsbedingungen optimiert und erhalten werden.
Als ein Ergebnis kann das zur Erfüllung der oben beschriebenen Erfordernisse (1)–(5) befähigte Material zur Verwirklichung der vorliegenden Erfindung erhalten werden, indem ein Granat-Dickfilm, der Gd, Yb, Bi, Fe und Al als dem Hauptbestandteil umfaßt und jeweils 0 bis 4,0 Gewichts-% (0 nicht einschließend) enthält, durch eine LPE-Methode wachsen gelassen wird, wobei der Granat auf einem SGGG-, also substituierten Gadolinium-Gallium-Granat-Substrat wächst, und der Granat-Dickfilm einer Hitzebehandlung in einer Atmosphäre eines 10- bis 100%-Sauerstoffgehalts bei einer Temperatur von 950 bis 1.140°C unterworfen wird. Die Gründe zum Eingrenzen der jeweiligen Zusammensetzungen und unterschiedlichen Bedingungen dieser Erfindung sind zu erläutern.
Im Material für den Granat-Dickfilm wird der Gehalt für jeweils B₂O₃ und PbO auf 0 bis 4,0 Gewichts-% (0 nicht einschließend) eingegrenzt, da gefunden wurde, daß der Einfügungsverlust (I. L.) bei einem Gehalt innerhalb des oben beschriebenen Bereichs verringert wird. Es wird angenommen, daß die Wirkung des Verringerns des Einfügungsverlusts durch den Einbau von B₂O₃ und PbO ein Effekt der Konditionierung des ionischen Zustands der aufbauenden Kristallelemente in der Granatzusammensetzung ist.
Über die LPE-Methode ist es erwünscht, daß die Gitterkonstante des Substrats und die Gitterkonstante des Granat-Dickfilms nahe beieinander liegen. Folglich wird ein SGGG-Substrat der Gitterkonstante von etwa 1,2496 nm (12,496 Å) für den Granat der TbBi-Reihe verwendet, und ein NGG-Substrat der Gitterkonstante von etwa 1,2509 nm (12,509 Å) wird für den Granat der GdBi-Reihe verwendet.
Der maximale Durchmesser des vermarkteten NGG-Substrats beträgt jedoch 5,08 cm (2 Inch).
Andererseits werden SGGG-Substrate mit 7,62 cm (3 Inch) Durchmesser vermarktet.
Folglich kann, wenn ein GdBi-Reihe-Granat-SGGG-Substrat-Wachstum möglich ist, eine deutliche Verringerung der Kosten und eine Erhöhung der Produktionsmenge erreicht werden.
Beim Verfahren der Herstellung des Materials für den Granat-Dickfilm gemäß dieser Erfindung wird ferner das Material für den Granat-Dickfilm innerhalb eines Bereichs von 950 bis 1.140°C hitzebehandelt, da die Verringerung des Einfügungsverlusts (I. L.) innerhalb dieses Bereichs beobachtet wird, und die Homogenisierung der Zusammensetzung ist aufgrund einer niedrigen Temperatur, wenn sie geringer als 950°C ist, unzureichend, während eine Granat-Zersetzung (Verdampfung von Bi₂O₃) verursacht wird, wenn sie 1.140°C übersteigt.
Die Verringerung des Einfügungsverlusts (I. L.) durch die Hitzebehandlung ist der Verbesserung der Homogenisierung aufgrund der Diffusion von Atomen zuzuschreiben, d. h. einer Verringerung der Streuung im Kristallgitter sowie dem Ionengleichgewicht.
Ferner beträgt im Verfahren zur Herstellung des Materials für den Granat-Dickfilm gemäß dieser Erfindung der Sauerstoffgehalt in der Atmosphäre bei der Hitzebehandlung 10% oder mehr, da der Effekt, etwa die Verringerung des Einfügungsverlusts, durch die Hitzebehandlung bei einem solchen Gehalt beobachtet wird, während der Einfügungsverlust (I. L.) beim Gehalt von weniger als 10% aufgrund des Mangels an Sauerstoff im Granat ansteigt.
Die Veränderung der Eigenschaften durch den Zusammensetzungswert des Hauptbestandteils im Material für den Granat-Dickfilm gemäß dieser Erfindung weist eine enge Beziehung zur Substitution von Atomen im Kristallgitter sowie dem magnetischen Spin auf, und der Zusammensetzungsbereich dieser Erfindung verleiht den optischen Eigenschaften einen optimalen Bereich.
Die Flüssigphasen-Wachstumsmethode (LPE-Methode) für den Bi-substituierten Granat zur Verwendung in der Faraday'schen Rotationsvorrichtung, die z. B. in optischen Isolatoren verwendet wird, wird wie unten beschrieben ausgeführt.
Granat-Bestandteile – Gd₂O₃, Yb₂O₃, Fe₂O₃, Al₂O₃, etc. – werden unter Verwendung von PbO, Bi₂O₃, B₂O₃ oder dergleichen als dem Fließbestandteil bei etwa 900 bis 1.100°C in einem Platintiegel zum Herstellen einer Lösung oder einer Schmelze geschmolzen, und dann wird die Temperatur zum Erzielen eines unterkühlten Zustand, d. h. dem Zustand einer übersättigten Lösung, verringert. Ein Granat-Substrat wird in die Schmelze eingetaucht und für einen langen Zeitraum gedreht, um einen Dickfilm aus Bi-substituierten Granat wachsen zu lassen.
Unter den wie oben beschrieben wachsen gelassenen Bi-substituierten Granaten weisen die Granate der GdBi-Reihe das Merkmal des Besitzens eines relativ großen Faraday'schen Rotationseffekts θ_F sowie daß das auf den Granat anzuwendende, erforderliche Magnetfeld klein sein kann, auf. Das erforderliche Anwendungs-Magnetfeld, d. h. das erforderliche Magnetfeld Hs, ist ein Magnetfeld, das zum Erreichen eines minimalen Einfügungsverlusts des Granats nötig ist. Physikalisch gesehen ist dies ein Magnetfeld, das zur Ausrichtung der magnetischen Spins des Granats in einer Richtung erforderlich ist.
Im allgemeinen ist das angelegte Magnetfeld so angepaßt, daß es aus einem an der Peripherie des Granatfilms angeordneten Permanentmagneten geliefert wird. Wenn die Sättigungsmagnetisierung 4πMs des Granatfilms niedrig ist, wird folglich Hs ebenfalls erniedrigt, und die Eigenschaften des verwendeten Magneten können erniedrigt werden. Gleichzeitig ist es möglich, die Größe bzw. das Gewicht zu verringern, was industriell nützlich ist.
Nun werden Beispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.
Erstes Beispiel
Granatfilme der GdBi-Reihe mit jeweiliger Zusammensetzung, die etwa 0,5 Gewichts-% PbO mit dem Verhältnis der Hauptbestandteile Gd_1,4Yb_0,3Bi_1,3Fe_4,4Al_0,6O₁₂ umfaßt und 0, 1, 2, 3, 4 und 5 Gewichts-% B₂O₃ enthält, wurden auf eine Dicke von etwa 500 μm unter Verwendung von Pulvern von Gadoliniumoxid (Gd₂O₃), Ytterbiumoxid (Yb₂O₃), Eisenoxid (Fe₂O₃), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Bismuthoxid (Bi₂O₃), Bleioxid (PbO) und Boroxid (B₂O₃) bei hoher Reinheit als dem Ausgangsmaterial und durch Verwendung eines PbO-Bi₂O₃-B₂O₃-Fließsystems durch die LPE-Methode auf einem SGGG-Substrat der Gitterkonstante von etwa 1,2496 nm (12,496) wachsen gelassen.
Dann wurden die Substrate für die Prüfkörper entfernt, beide Oberflächen wurden auf eine solche Dicke poliert, daß der Faraday'sche Rotationswinkel bei einer Wellenlänge von 1,55 μm etwa 45 Grad betrug.
Die oben beschriebene Zusammensetzung wurde als ein Durchschnittswert einer EPMA-Analyse bestimmt, die gegenüber beiden Oberflächen dieser Prüfkörper, jeweils bei fünf Punkten, ausgeführt wurde. Bezüglich B₂O₃ wurde sie durch Ausführen einer Atomabsorptionsanalyse gegenüber dem Prüfkörper bestimmt.
Nach Anwenden einer reflektionsfreien Beschichtung eines SiO₂-Films auf den Platten der Prüfkörper wurde ein Magnetfeld bis auf etwa 3,9789 × 10⁴ A/m (0,5 kOe) hinauf durch Verwendung eines Elektromagneten angewendet, um das minimale Anwendungs-Magnetfeld, bei dem die Permeabilität eine Sättigung erreicht, d. h. das erforderliche Magnetfeld Hs, den Einfügungsverlust (I. L.), den Faraday'schen Rotationseffekt θ_F/T sowie den Temperaturvariationskoeffizienten θ_F/T der Faraday'schen Rotation pro 45 Grad (θ_F/T) bei –20°C bis +80°C zu bestimmen.
Als ein Ergebnis betrug Hs etwa 3,1831 × 104 A/m (400 Oe), θ_F betrug etwa 1.200 Grad/cm, θ_F/T betrug etwa 0,06 Grad/°C, und T_comp betrug –40°C oder darunter für alle Prüfkörper.
Die Beziehung zwischen dem Einfügungsverlust (I. L.) und dem B₂O₃-Gehalt ist wie in 1 gezeigt.
Wie aus 1 gesehen werden kann, nimmt der Einfügungsverlust (I. L.) durch den Einbau von B₂O₃ ab, jedoch nimmt er in einem Bereich von über 4,0 Gewichts-% deutlich zu. Aus dem Vorstehenden ist der Bereich von 0 bis 4,0 Gewichts-% (0 nicht einschließend) für die Verringerungswirkung des Einfügungsverlusts (I. L.) wirksam. Ein Bereich von 1 bis 3,2 Gewichts-% ist besonders bevorzugt.
Zweites Beispiel
Nachdem Granatfilme der GdBi-Reihe mit jeweils einer Zusammensetzung, die etwa 0,5 Gewichts-% B₂O₃ enthielt, ein Verhältnis der Bestandteile von Gd_1,7Yb_0,2Bi_1,1Fe_4,6Al_0,4O₁₂ aufwies und 0, 1, 2, 3, 4 und 5 Gewichts-% PbO enthielt, auf eine Dicke von etwa 600 μm wachsen gelassen wurde, wurden auf die gleiche weise wie im ersten Beispiel Prüfkörper hergestellt, und die Eigenschaften wurden gemessen.
Als ein Ergebnis betrug Hs 400 Oe, θ_F betrug etwa 1.100 Grad/cm, θ_F/T betrug etwa 0, 06 Grad/°C, und T_comp betrug –40°C oder darunter für alle Prüfkörper.
Wie aus 2 gesehen werden kann, wird der Einfügungsverlust (I. L.) durch den Einbau von PbO verringert, und er steigt in einem Bereich von über 4,0 Gewichts-% PbO deutlich an.
Folglich kann ein Bereich des PbO-Gehalts von 0 bis 4,0 Gewichts-% (0 nicht einschließend) als nützlich bezeichnet werden. Durch Bringen des PbO-Gehalts in einen Bereich von 0,4 bis 4,0 Gewichts-% kann weiter bevorzugt der Einfügungsverlust (I. L.) auf 0,08 dB oder weniger verringert werden. Ein Bereich von 1,0 bis 4,0 Gewichts-% ist besonders bevorzugt.
Drittes Beispiel
Ein Granatfilm mit einem Hauptbestandteilsverhältnis von Gd_1,1Yb_0,4Bi_1,5Fe_4,4Al_0,6O₁₂ und etwa 0, 7 Gewichts-% B₂O₃ enthaltend wurde auf die gleiche Weise wie im ersten Beispiel auf Dicke von etwa 500 μm wachsen gelassen.
Dann wurden die Prüfkörper jeweils bei Temperaturen von 950°C, 1.000°C, 1.050°C, 1.100°C, 1.130°C und 1.150°C für 10 Stunden zur Anwendung einer Hitzebehandlung gehalten.
Nach dem Polieren beider Oberflächen der Prüfkörper zum Einstellen der Dicke derart, daß der Faraday'sche Rotationswinkel bei einer Wellenlänge von 1,55 μm etwa 45° betrug, wurde die Messung durchgeführt.
Als ein Ergebnis betrug Hs etwa 2,3873 × 10⁴ A/m (300 Oe), θ_F betrug etwa 1.400 Grad/cm, θ_F/T betrug etwa 0,05 Grad/°C, und T_comp betrug –40°C oder darunter für alle Prüfkörper.
Ferner ist die Beziehung zwischen dem Einfügungsverlust (I. L.) und der Hitzebehandlungstemperatur in 3 gezeigt.
Aus 3 wird der Effekt des Verringerns des Einfügungsverlusts (I. L.) durch die Hitzebehandlung in einem Bereich der Hitzetemperatur von 950 bis 1.140°C beobachtet. Folglich kann gesagt werden, daß die Hitzebehandlung in einem Temperaturbereich von 950 bis 1.140°C als nützlich bezeichnet werden kann.
Viertes Beispiel
Ein Granatfilm mit einem Hauptbestandteilverhältnis von Gd_2,0Yb_0,1Bi_0,9Fe_4,8Al_0,2O₁₂ und B₂O₃ bei etwa 0,5 Gewichts-% sowie PbO bei etwa 1,5 Gewichts-% enthaltend wurde auf die gleiche Weise wie im ersten Beispiel auf eine Dicke von etwa 700 μm wachsen gelassen.
Dann wurden die Prüfkörper bei einer Temperatur von 1.050°C und einer Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre von 0, 10, 20, 40, 60, 80 und 100% sowie dem Halten für 20 Stunden hitze behandelt, die Prüfkörper wurden hergestellt, und die Eigenschaften wurden gemessen.
Als ein Ergebnis betrug Hs etwa 3,9789 × 10⁴ A/m (500 Oe), θ_F betrug etwa 900 Grad/cm, θ_F/T betrug etwa 0,07 Grad/°C, und T_comp betrug –40°C oder darunter für alle Prüfkörper.
Ferner ist die Beziehung zwischen dem Einfügungsverlust (I. L.) und der Sauerstoffkonzentration bei der Hitzebehandlungstemperatur in 4 gezeigt.
Aus 4 wird der Effekt des Verringerns des Einfügungsverlusts (I. L.) durch die Hitzebehandlung in einem Bereich der Sauerstoffkonzentration bei der Hitzebehandlungstemperatur von 10 bis 100% beobachtet. Folglich kann gesagt werden, daß 10 bis 100% Sauerstoffkonzentration bei der Hitzebehandlungsatmosphäre als nützlich bezeichnet werden kann.
Fünftes Beispiel
Granatfilme, die etwa 0,5 Gewichts-% B₂O₃ sowie etwa 1 Gewichts-% PbO enthielten, und mit einem Hauptbestandteilverhältnis von Gd_1,7Yb_0,2Bi_1,1Fe_5–zAl_zO₁₂, worin z = 0,1, 0,2, 0,3, 0,4 0,5, 0,6 und 0,7, wurden auf die gleiche Weise wie im ersten Beispiel auf eine Dicke von etwa 600 μm wachsen gelassen, Prüfkörper wurden hergestellt und die Eigenschaften wurden gemessen.
Als ein Ergebnis betrug θ_F etwa 1.100 Grad/cm, und T_comp betrug –40°C für alle Prüfkörper.
Beziehungen zwischen θ_F/T und Hs und z sind jeweils in 5A und 5B gezeigt.
Hs von 3,9789 × 10⁴ A/m (500 Oe) oder weniger und θ_F/T von 0, 08 Grad/cm oder weniger wurden innerhalb eines Bereichs von z von 0,15 bis 0,65 erhalten.
Sechstes Beispiel
Granatfilme, die etwa 0,5 Gewichts-% B₂O₃ und etwa 11 Gewichts-% PbO enthielten sowie mit dem Hauptbestandteilsverhältnis von Gd_1,9–xYb_xBi_1,1Fe_4,6Al_0,4O₁₂, wobei x = 0, 0,1, 0,2, 0,3, 0,4, 0,5 und 0,6, wurden auf die gleiche Weise wie im ersten Beispiel auf Dicke von etwa 600 μm wachsen gelassen, Prüfkörper wurden hergestellt, und die Eigenschaften wurden gemessen.
Als ein Ergebnis betrug θ_F etwa 1.100 Grad/cm und T_comp betrug –40°C oder weniger für alle Prüfkörper.
Die Beziehung zwischen Hs und x ist in 6 gezeigt. Hs von 3,9789 × 10⁴ A/m (500 Oe) oder weniger wurden für den Bereich von z von 0 bis 0,5 erhalten.
Siebtes Beispiel
Granatfilme, die etwa 0,5 Gewichts-% B₂O₃ und etwa 1 Gewichts-% PbO enthielten und mit dem Hauptbestandteilsverhältnis von (Gd_1,7Yb_0,2)_(3–y)/_1,9Bi_yFe_4,6Al_0,4O₁₂, worin y = 0,8, 0,9, 1,0, 1,1, 1,2, 1,3, 1,4, 1,5 und 1,6, wurden auf die gleiche Weise wie im ersten Beispiel auf eine Dicke von etwa 600 μm wachsen gelassen, Prüfkörper wurden hergestellt, und die Eigenschaften wurden gemessen.
Als ein Ergebnis betrug T_comp –40°C oder weniger, und θ_F/T betrug 0,06 bis 0,076 Grad/°C.
Die Beziehungen zwischen dem erhaltenen θ_F und Hs bzw. y sind jeweils in 7A und 7B gezeigt.
Ein θ_F von 800 Grad/cm oder mehr und Hs von 3,7987 × 10⁴ A/m (500 Oe oder weniger) wurden für den Bereich von y von 0,85 bis 1,55 erhalten.
Wie oben beschrieben wurde, wird eine Absorption bei einer Wellenlänge von 1,6 μm oder mehr, die dem Granat der TbBi-Reihe inhärent ist, gemäß dieser Erfindung vermieden, und sie kann ein Material für einen Bismuth-substituierten Granat-Dickfilm, der bezüglich des Temperaturvariationskoeffizienten oder des Faraday'schen Rotationseffekt des Granats der GdYbBi-Reihe verbessert ist, sowie ein Herstellungsverfahren davon bereitstellen.
Gemäß dieser Erfindung kann ferner eine Faraday'sche Rotationsvorrichtung, die in einem Wellenlängenbereich oberhalb von 1,5 μm zu verwenden ist, bereitgestellt werden.

Claims

Material für einen Bismuth-substituierten Granat-Dickfilm, umfassend Yb, Bi, Fe und Al als dem Hauptbestandteil, der durch eine Flüssigphasen-Wachstumsmethode auf einem Granatsubstrat wachsen gelassen wurde, wobei die Zusammensetzung des Granat-Dickfilms durch die allgemeine Formel wiedergegeben ist: Gd_3–x–yYb_xBi_yFe_5–zAl_zO₁₂ (0 < x ≤ 0,5, 0,85 ≤ y ≤ 1,55 und 0,15 ≤ z ≤ 0,65), und wobei Boroxid (B₂O₃) und Bleioxid (PbO) jeweils mit 0 bis 4,0 Gew.-% (0 nicht einschließend) im Granat-Dickfilm enthalten ist.
Material für einen Bismuth-substituierten Granat-Dickfilm wie im Anspruch 1 definiert, wobei auf den Granat-Dickfilm eine Hitzebehandlung angewandt wurde, den Granat-Dickfilm bei einer Temperatur in einem Bereich von 950 bis 1.140°C zu halten.
Faraday'sche Rotationsvorrichtung, die im wesentlichen einen Granat-Dickfilm, umfassend Gd, Yb, Bi, Fe und Al als dem Hauptbestandteil, umfaßt, der durch eine Flüssigphasen-Wachstumsmethode auf einem Granatsubstrat wachsen gelassen wurde, wobei die Zusammensetzung des Granat-Dickfilms durch die allgemeine Formel wiedergegeben ist: Gd_3–x–yYb_xBi_yFe_5–zAl_zO₁₂ (0 < x ≤ 0,5, 0,85 ≤ y ≤ 1,55 und 0,15 ≤ z ≤ 0,65), und wobei Boroxid (B₂O₃) und Bleioxid (PbO) jeweils mit 0 bis 4,0 Gew.-% (0 nicht einschließend) im Granat-Dickfilm enthalten ist.
Faraday'sche Rotationsvorrichtung wie im Anspruch 3 definiert, wobei auf den Granat-Dickfilm eine Hitzebehandlung angewandt wurde, den Granat-Dickfilm bei einer Temperatur in einem Bereich von 950 bis 1.140°C zu halten.
Verfahren zur Herstellung eines Materials für einen Bismuth-substituierten Granat-Dickfilm mit dem Wachstum eines Granat-Dickfilms, der Gd, Yb, Bi, Fe und Al umfaßt, durch eine Flüssigphasen-Wachstumsmethode auf einem Granatsubstrat, wobei das Verfahren das Wachstum des Granat-Dickfilms auf einem substituierten Gadolinum-Gallium-Granat(SGGG)-Substrat einschließt und die Zusammensetzung des Granat-Dickfilms durch die allgemeine Formel wiedergegeben ist: Gd_3–x–yYb_xBi_yFe_5–zAl_zO₁₂ (0 < x ≤ 0,5, 0,85 ≤ y ≤ 1,55 und 0,15 ≤ z ≤ 0,65), und wobei Boroxid (B₂O₃) und Bleioxid (PbO) jeweils mit 0 bis 4,0 Gew.-% (0 nicht einschließend) im Granat-Dickfilm enthalten ist.
Verfahren zur Herstellung eines Materials für einen Bismuth-substituierten Granat-Dickfilm wie im Anspruch 5 definiert, ferner mit einem Schritt des Anwendens einer Hitzebehandlung, den Granat-Dickfilm bei einer Temperatur in einem Bereich von 950 bis 1.140°C zu halten.
Verfahren zur Herstellung eines Materials für einen Bismuth-substituierten Granat-Dickfilm wie im Anspruch 6 defi niert, wobei der Sauerstoffgehalt in der Atmosphäre der Hitzebehandlung in einem Bereich von 10 bis 100% liegt.