DE69715308T2

DE69715308T2 - Faradayrotator mit rechteckiger Hysterese

Info

Publication number: DE69715308T2
Application number: DE69715308T
Authority: DE
Inventors: Kiyonari Hiramatsu; Kazushi Shirai; Norio Takeda
Original assignee: Mitsubishi Gas Chemical Co Inc
Current assignee: Mitsubishi Gas Chemical Co Inc
Priority date: 1996-06-03
Filing date: 1997-06-02
Publication date: 2003-07-31
Anticipated expiration: 2017-06-03
Also published as: DE69715308D1; US5898516A; EP0811851A3; EP0811851B1; JPH09328398A; JP3520889B2; EP0811851A2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

BEREICH DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Seltene-Erden- Eisengranateinkristallfilm, der eine sehr hohe magnetische Hysterese aufweist, und insbesondere einen wismuthsubstituierten Seltene-Erden-Einkristallfilm, der ein gesättigtes magnetisches Feld aufweist, das höher ist als sein Nukleierungsfeld über einen weiten Bereich seiner praktischen Betriebstemperaturen. Ein solcher Einkristallfilm wirkt genau genommen als ein Faraday-Rotator, ohne daß ein externes magnetisches Feld daran angelegt ist, und ist daher als optischer Isolator geeignet.

BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK

In jüngsten Jahren wurde die Forschung an optischen Isolatoren, optischen Schaltern und magnetooptischen Sensoren, die einen wismuthsubstituierten Seltene-Erden- Einsengranateinkristallfilm verwenden, intensiv ausgeführt. Der Faraday-Effekt ist ein magnetooptischer Effekt, bei dem die Ebene der Polarisation von Licht rotiert wird, wenn das Licht durch ein Faraday-Element durchdringt, das den Faraday-Effekt aufweist, d. h. einen Faraday-Rotator, der aus einem Material wie z. B. wismuthsubstituierten Seltene- Erden-Eisengranateinkristallfilmen hergestellt ist.
Im allgemeinen erhöht sich der Faraday-Rotationswinkel mit der Intensität eines externen magnetischen Feldes, das auf den Faraday-Rotator angelegt wird.
Fig. 1 ist eine Modelldarstellung einer magnetischen Eigenschaft eines wismuthsubstituierten Seltene-Erden- Eingranateinkristallfilms, der keine Hysterese aufweist. Wie in Fig. 1 gezeigt, weist ein wismuthsubstituierter Seltene-Erden-Eisengranateinkristallfilm einen gesättigten Rotationswinkel auf, wenn das externe magnetische Feld einen bestimmten Pegel überschreitet. Die magnetische Feldstärke, bei der die Faraday-Rotation einen konstanten Wert erreicht, wird gesättigtes magnetisches Feld (Hs) genannt. Dann verringert sich die Faraday-Rotation mit abnehmender Intensität des magnetischen Feldes, und wird Null, wenn das magnetische Feld Null wird. Anders ausgedrückt folgt die Faraday-Rotation einem Pfad o-a-b-c- b-a-o.
Eigentlich zeigt die Faraday-Rotation magnetische Hysterese, so daß die Faraday-Rotation einem Pfad o-a-b-c- b-b'-a-o folgt, wie in Fig. 1 gezeigt. Es wurde ein Phänomen entdeckt, daß einige wismuthsubstituierte Seltene- Erden-Eisengranateinkristallfilme, die die chemische Formel [(YBi)&sub3;(FeAl)&sub5;O&sub1;&sub2;] aufweisen, gesättigte Faraday-Rotationswinkel beibehalten, selbst wenn ein externes magnetisches Feld angelegt wird, das im wesentlichen die gleiche Stärke aufweist, aber die entgegengesetzte Richtung zum magnetischen Feld aufweist, durch das die Einkristallfilme magnetisch gesättigt wurden, d. h. die Magnetisierungskurve folgt dem Pfad o-a-b-c-b-d-e-f-e (Journal of Applied Physics, Vol. 55(1984), pp1052-1061).
Fig. 2 ist eine Modelldarstellung einer magnetischen Eigenschaft eines wismuthsubstituierten Seltene-Erden- Eisengranateinkristallfilms, der eine große rechteckige magnetische Hystereseschleife aufweist, die das gesättigte magnetische Feld (Hs) überschreitet.
Bezugnehmend auf Fig. 2 wird die magnetische Feldstärke, bei der der Faraday-Rotationswinkel in seiner Polarität invertiert wird, Nukleierungsfeld (Hn) genannt. Der Unterschied zwischen Hs und Hn ist die Größe der magnetischen Hysterese.
Eine Hysteresekurve einer Magnetisierung mit großer magnetischer Hysterese, wie die in Fig. 2 gezeigte, wird rechteckige Hystereseschleife genannt.
Magnetooptische Materialien mit einer rechteckigen magnetischen Hystereseschleife dienen als ein Faraday- Rotator, der den Faraday-Effekt zeigt, selbst wenn kein externes magnetisches Feld daran angelegt ist. Somit benötigt der wismuthsubstituierte Seltene-Erden- Eisengranateinkristallfilm, der eine rechteckige Hystereseschleife aufweist, wenn er als ein Faraday-Rotator verwendet wird, keinen Permanentmagneten, der normalerweise benötigt wird, wenn ein optischer Isolator hergestellt wird. Somit verleiht ein solcher Film sich selbst die Miniaturisierung der Vorrichtung und eine Verringerung der Kosten des optischen Isolators.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben herausgefunden, daß (GdYBi)&sub3;(FeGa)&sub5;O&sub1;&sub2;, das als wismuthsubstituierter Seltene-Erden- Eisengranateinkristallfilm für optische Schalter entwickelt ist, eine rechteckige Hystereseschleife aufweist, und haben den Einkristallfilm untersucht, um zu untersuchen, ob das Material als ein magnetfreier Faraday-Rotator für optische Isolatoren verwendet werden könnte.
Die Erfinder untersuchten die Eigenschaften eines (GdYBi)&sub3;(FeGa)&sub5;O&sub1;&sub2; Einkristallfilms und sind auf das Problem gestoßen, daß das Material eine rechteckige Hystereseschleife bei Temperaturen nahe der Raumtemperatur aufweisen, aber daß sogar ein schwaches externes magnetisches Feld, das an das Material angelegt wird, ausreicht, um zu verursachen, daß die rechteckige Hysterese verschwindet, oder zu verursachen, daß der Faraday-Rotationswinkel aus der Sättigung tritt bei Temperaturen höher als +50ºC.
Die Erfinder erforschten den wismuthsubstituierten Seltene-Erden-Eisengranateinkristallfilm, der in der japanischen vorläufigen Patentveröffentlichung (KOKAI) Nr. 6-222311 vorgeschlagen wird, und haben herausgefunden, daß das Material, das in eine Richtung magnetisch gesättigt ist, einen Faraday-Rotationswinkel einer invertierten Polarität zeigte, wenn es in einem externen magnetischen Feld von ungfähr 50 Oe ((1 Oe = 79,5775 A/m) in die entgegengesetzte Richtung plaziert ist, und das Material konnte die rechteckige Hysterese nur über einen engen Temperaturbereich halten.
Optische Isolatoren werden für gewöhnlich in Umgebungstemperaturen in dem Bereich von -20 bis +50ºC verwendet. Zusätzlich kann ein externes magnetisches Feld in der Nähe des Ortes existieren, wo ein optischer Isolator installiert ist. Somit ist es notwendig, daß das Material seine gesättigten Faraday-Rotationswinkel beibehält, wenn das Material in externen magnetischen Feldern bis zu 50 Oe vorzugsweise 100 Oe gelegt wird.
Dokument Hidema Uchishiba et al.: "Bi-Substituted Magnetic Garnet Film and its Application to an Optical Isolator" Fujitsu Scientific & Technical Journal, vol. 26, no. 2, 1. Januar 1990, Seiten 123-130, XP000148998, beschreibt einen optischen Isolator, der einen wismuthsubstituierten Terbium Eisen-Granat verwendet, wobei ein Teil des Eisens durch Aluminium und Gallium ersetzt wird.
Dokument EP-A-0 752 713 ist nach Artikel 54(3) EPÜ relevant, und legt Granatmaterialien für einen optischen Isolator offen, in dem ein wismuthsubstituierter Eisengranateinkristall einen Ga-Anteil aufweist, der teilweise Fe von 0,42 bis 0,59 ersetzt, und in dem Fe teilweise durch einen oder mehrere von Al, Ga, Si, Ge, Mg, Mn und Zr in Bereichen von 0,2 bis 2,0 ersetzt, und vorzugsweise von 0,2 bis 1,5.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es einen Faraday-Rotator und einen optischen Isolator bereitzustellen, der einen Faraday-Rotator verwendet, in dem die oben erwähnten Nachteile vermieden werden.
Diese Aufgabe wird durch die vorteilhaften Maßnahmen, wie sie in den Ansprüchen 1 und 5 angezeigt sind, gelöst.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Um die zuvor genannten Nachteile zu lösen, haben die Erfinder das Material weiter untersucht, und sind bei der vorliegenden Erfindung angelangt.
Ein Faraday-Rotator der Erfindung ist aus einem wismuthsubstituierten Eisengranateinkristallfilm ausgebildet, der mit einem Flüssiggasphasenepitaxialverfahren hergestellt wird, und durch die Formel dargestellt wird:
Tb3-xBixFe5-y-zGayAlzO&sub1;&sub2;
wobei x den Bereich 1,1 ≤ x ≤ 1,5, y + z den Bereich 0,65 ≤ y + z ≤ 1,2, und z den Bereich z ≤ y aufweist.
Der wismuthsubstituierte Seltene-Erden-Einkristallfilm wird einem Magnetisierungsprozeß unterzogen, wobei der Einkristallfilm durch ein erstes externes magnetisches Feld magnetisiert wird und eine rechteckige magnetische Hystereseschleife aufweist.
Das erste exterene magnetische Feld hat eine magnetische Feldstärke von 1,000 Oe oder höher und wird in eine Richtung senkrecht auf eine Fläche des wismuthsubstituierten Seltene-Erden- Eisengranateinkristallfilms angelegt.
Der weitere Bereich der Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung wird durch die detaillierte Beschreibung, die nachstehend gegeben wird, deutlich. Allerdings soll verstanden werden, daß die detaillierte Beschreibung und spezifische Beispiele, während der Angabe von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, zu Illustrationszwecken gegeben werden, da verschiedene Veränderungen und Abwandlungen innerhalb des Bereiches der Erfindung, wie sie durch die Ansprüche definiert werden, dem Fachmann durch diese detaillierte Beschreibung deutlich werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Die vorliegende Erfindung wird umfassender durch die detaillierte Beschreibung verstanden, die nachstehend gegeben wird, und die beiliegenden Zeichnungen, die nur zu Illustrationszwecken gezeigt werden, und somit nicht für die vorliegende Erfindung einschränkend sind, und wobei:
Fig. 1 eine Modelldarstellung der magnetischen Eigenschaft eines wismuthsubstituierten Seltene-Erden- Eisengranateinkristallfilms ist, der keine Hysterese aufweist;
Fig. 2 eine Modelldarstellung einer magnetischen Eigenschaft eines wismuthsubstituierten Seltene-Erden- Eisengranateinkristallfilms ist, der eine rechteckige Hysterese aufweist; und
Fig. 3 einen optischen Isolator für eine Wellenlänge von 1,3 um darstellt, der unter Verwendung des Faraday- Rotators der Erfindung hergestellt wird.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Der Faraday-Rotator entsprechend der vorliegenden Erfindung ist ein Faraday-Rotator vom Typ rechteckiger Hysterese, der aus einem wismuthsubstituierten Seltene- Erden-Eisengranateinkristallfilm ausgebildet ist, der durch ein Flüssigphasenepitaxialverfahren (LPE) hergestellt und magnetisiert wird. Das Material wird durch die vorliegende chemische Struktur definiert.
Tb3-xBixFe5-y-zGayAlzO&sub1;&sub2; (1)
wobei x einen Bereich von 1,1 ≤ x ≤ 1,5, y + z einen Bereich 1,5, 0,65 ≤ y + z ≤ 1,2 und z einen Bereich z ≤ y aufweist.
In der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise ein magnetisches Feld größer als 1,000 Oe angelegt, um das Material zu magnetisieren, wenn der wismuthsubstituierte Seltene-Erden-Eisengranateinkristallfilm in die Sättigung rnagnetisiert wird, um eine rechteckige Hystereseschleife aufzuweisen. Es wurde nicht vollständig analysiert, warum ein externes magnetisches Feld höher als 1,000 Oe vorzuziehen ist, aber es scheint aufgrund der Tatsache zu sein, daß die Hysterese fortschreitend groß wird mit einer Erhöhung des externen magnetischen Feldes, das an das Material angelegt wird, ein Material erzielend, das für magnetfreie optische Isolatoren geeignet ist. In dieser Beschreibung wird der Ausdruck "magnetischer Prozeß" verwendet, um einen Prozeß abzudecken, in dem ein starkes magnetisches Feld auf ein Material angelegt wird, um das Material in die magnetische Sättigung zu bringen, so daß das gesättigte Material eine große Hysterese aufweist. Der Ausdruck "umgekehrter Magnetisierungsprozeß" wird verwendet, um einen Prozeß abzudecken, in dem das externe magnetische Feld auf Null reduziert wird, nachdem das Material magnetisch gesättigt wurde, und dann ein externes magnetisches Feld an das Material in eine Richtung entgegengesetzt der des Magnetisierungsprozesses angelegt wird.
Die rechteckige Hysterese wird vorzugsweise in dem Temperaturbereich von -40 bis +70ºC gehalten, und die Polarität des Faraday-Rotationswinkels wird vorzugsweise beibehalten, wenn ein externes magnetisches Feld bis zu 50 Oe an das Material in einer Richtung entgegengesetzt zu der des Magnetisierungsprozesses angelegt wird. Diese Anforderungen sollten erfüllt werden, so daß der Faraday- Rotator zuverlässig in einer gewöhnlichen Umgebung funktionieren kann.
Mit der Zusammensetzung des wismuthsubstituierten Seltene-Erden-Eisengranateinkristallfilms gemäß der vorliegenden Erfindung, wie sie in der Formel (1) ausgedrückt ist, ist der wismuthsubstituierte Betrag x vorzugsweise in dem Bereich 1,1 ≤ · ≤ 1,5. Ein wismuthsubstituierter Betrag x kleiner als 1,1 ist nicht wünschenswert, da der Faraday-Effekt sich verringert, und daher der Film dicker sein muß. Ein wismuthsubstituierter Betrag x ist größer als 1,5, bewirkt, daß der Ionenradius des Wismuths groß ist, was es schwer macht das Gitter des Films mit einem derzeit erhältlichen Substrat abzugleichen. Das macht die Herstellung des Faraday-Rotators schwierig.
Ein Substitutionsbetrag y + z von Gallium und Aluminium ist vorzugsweise in dem Bereich 0,65 ≤ y + z ≤ 1,2. Der Substitutionsbetrag y + z kleiner als 0,65 stellt das Problem dar, daß die rechteckige Hystereseschleife nicht über den Temperaturbereich gehalten werden kann, in dem die optischen Isolatoren gewöhnlich verwendet werden, oder das Problem, daß der umgekehrte Magnetisierungsprozeß verursacht, daß der gesättigte Faraday-Rotationswinkel verschwindet. Der Substitutionsbetrag y + z größer als 1,2 verringert den Faraday-Effekt mit dem Ergebnis, daß ein dickerer Film benötigt wird, um einen Faraday-Rotator herzustellen, der denselben Faraday-Effekt aufweist. Der Anteil von Gallium und Aluminium ist in dem Verhältnis y ≥ z.
Größere Anteile von Aluminium und Gallium machen es schwierig, das Gitter mit derzeit erhältlichen Substraten abzugleichen, was für die Herstellung von Faraday-Rotatoren nachteilig ist.
Granatsubstrate, die zum Aufwachsen eines wismuthsubstituierten Seltene = Erden Eisengranateinkristallfilms verwendet werden, enthalten ein (111) Granateinkristall [(GdCa)&sub3;(GaMgZr)&sub5;O&sub1;&sub2;] Substrat, das eine Gitterkonstante von 1,2497 ± 0,0002 nm aufweist, und ein (111) Granateinkristall [Nd&sub3;Ga&sub5;O&sub1;&sub2;] Substrat, das eine Gitterkonstante von 1,2509 ± 0,0002 nm aufweist. Diese Substrate sind vom Standpunkt des Gitterabgleichs wünschenswert.

Beispiele

Die vorliegende Erfindung wird detailliert mittels Beispielen und Vergleichen mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.

Beispiel 1

Die vorliegenden Materialien wurden in einen Platintiegel mit einer Kapazität von 2,000 ml gelegt: 3,542 gm Bleioxid (PbO, 4 N), 3,733 gm Wismuthoxid (Bi&sub2;O&sub3;, 4 N), 448 gm Eisenoxid (Fe&sub2;O&sub3;, 4 N), 167 gm Boroxid (B&sub2;O&sub3;, 5 N), 45,9 gm Terbiumoxid (Tb&sub2;O&sub3;, 3 N), 66,7 gm Galliumoxid (Ga&sub2;O&sub3;, 3 N) und 5,8 m Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;, 3 N).
Die Materialien wurden erhitzt, um zu schmelzen, um dadurch eine Schmelze für das Züchten von wismuthsubstituierten Seltene-Erden- Eisengranateinkristallen vorzubereiten.
Ein Substrat aus (111) Granateinkristall "(GdCa)&sub3;(GaMgZr)&sub5;O&sub1;&sub2;" wurde verwendet, um einen Einkristallfilm herzustellen, wobei das Substrat eine Gitterkonstante von 1,2497 ± 0,0002 nm aufweist. Unter Verwendung des herkömmlichen Verfahrens wurde eine Fläche des (111) Granateinkristalls mit der Oberfläche der Schmelze in Kontakt gebracht, um epitaxiales Wachstum durchzuführen, und dadurch den Tb1,63Bi1,37Fe4,01Ga0,84Al0,15O&sub1;&sub2;-Einkristallfilm mit einer Dicke von 365 um (als G-Film-1 bezeichnet) zu erhalten. Die Zusammensetzung des Einkristallfilms wurde durch induktiv gekoppelte Plasmaemissionsspektrometrie (ICP- Emissionsspektrometrie) analysiert.
Der G-Film-1 wurde auf eine Dicke von 296 um poliert. Das Substrat wurde während des Polierens entfernt. Dann würde ein Antireflexionsfilm auf den beiden Seiten des G- Film-1 ausgebildet, um einen Faraday-Rotator (als Faraday- Rotator 1 bezeichnet) für Licht mit einer Wellenlänge von 1,31 um herzustellen. Die magnetischen Eigenschaften des G- Film-1 wurden wie folgt untersucht:
Zunächst wurde ein Faraday-Rotator 1 in die Mitte eines magnetischen Feldgenerators mit einer Helmholtzspule gelegt, kommerziell erhältlich bei Magnetics. Dann wurde der Faraday-Rotator 1 einem Halbleiterlaser ausgesetzt, der eine Wellenlänge von 1,310 nm aufweist, während er in einem magnetischen Feld platziert wird. Das Sättigungsmagnetfeld wurde durch Messen des Rotationswinkels der Ebene der Polarisation des Laserlichts gemessen, das durch den Faraday-Rotator 1 übertragen wird. Zusätzlich wurde das Sättigungsmagnetfeld bei verschiedenen Umgebungstemperaturen gemessen.
Das Sättigungsmagnetfeld des Faraday-Rotators 1 war 55 Oe bei +25ºC und erreichte ein Maximum von 164 Oe in dem Temperaturbereich von -40 bis +70ºC. Die magnetische Kompensationstemperatur (Temperatur bei der die Magnetisierung Null wird) war 0ºC.
Dann wurde der Faraday-Rotator 1 in die Mitte eines Elektromagneten bei einer Umgebung von 25ºC platziert, und ein magnetisches Feld von 2,000 Oe wird in eine Richtung senkrecht auf die Filmoberfläche angelegt, so daß der Film magnetisch gesättigt war. Dann wurde das magnetische Feld auf Null verringert, nachdem der Film magnetisch gesättigt wurde. Es wurde herausgefunden, daß der Faraday-Rotator 1 denselben Faraday-Rotationswinkel beibehalten hat wie der, wenn der Faraday-Rotator 1 durch den Elektromagneten gesättigt wurde. Der Faraday-Rotationswinkel war 44,7º.
Um das Nukleierungsfeld des Faraday-Rotators 1 zu untersuchen, wurde der Faraday-Rotator 1 wiederum in die Mitte der Helmholtzspule des Feldgenerators platziert und ein magnetisches Feld wurde an den Faraday-Rotator 1 in eine Richtung angelegt, entgegengesetzt der Richtung des externen magnetischen Feldes, die durch den Elektromagneten angelegt wird. Mit anderen Worten, wurde ein Test durchgeführt, um ein maximales externes magnetisches Feld zu bestimmen bei dem der Faraday-Rotator 1 seine magnetische Sättigung beibehalten kann. Es wurde herausgefunden, daß der Faraday-Rotator 1 bei einem maximalen magnetischen Feld von 143 Oe bei der Temperaturspanne von -40 bis +70ºC seine magnetische Sättigung beibehält.
Dann wurde ein optischer Isolator für eine Wellenlänge von 1,31 um hergestellt, wie in Fig. 3 gezeigt, unter Verwendung des Faraday-Rotators 1. Bezugnehmend auf Fig. 3 wird der Faraday-Rotator 1 aus dem G-Film-1 mit 2 mm · 2 mm Größe ausgebildet, der in einem magnetischen Feld von 2,000 Oe bei Raumtemperatur magnetisiert wurde. Ein Polarisator 2 ist ein polarisierendes Element für eine Wellenlänge von 1,31 um, das aus Glas hergestellt wurde, und hat die Form von POLARCORE (Markenzeichen) erhältlich bei CORNING. Ein Analysator 3 ist ebenso ein polarisierendes Element für eine Wellenlänge von 1,31 um, das aus Glas hergestellt wird, und die Form von POLARCORE (Markenname) annimmt. Eine Metallvorrichtung 4 hält den Faraday-Rotator, Polarisator und Analysator fest zusammen. Eine Metallvorrichtung 5 hält den Analysator 3. Faraday- Rotator, Polarisator und Analysator werden an den Metallvorrichtungen 4 und 5 mit Epoxidharzklebstoff befestigt. Die Metallvorrichtungen 4 und 5 wurden mit Epoxidklebstoff zusammengeklebt, um dadurch einen optischen Isolator bereitzustellen.
Die Isolation wurde bei dem Vorgehen von -40 bis +70ºC ohne externes magnetisches Feld, das an den optischen Isolator angelegt ist, gemessen. Die Isolation war 26 dB oder mehr in dem Temperaturbereich von -10 bis +40ºC und 21 dB oder mehr in dem Temperaturbereich von -40 bis +70ºC. Die Differenz bei der Isolation zwischen den Temperaturbereichen spiegelt die Temperaturabhängigkeit des Faraday-Rotationswinkels wieder.
Dann wurde die Isolation des optischen Isolators bei Temperaturen von -40 bis +70ºC gemessen, während ein magnetisches Feld von 100 Oe in einer Richtung entgegengesetzt der Richtung angelegt wird, in der der Isolator in Sättigung magnetisiert wurde. Die erhaltene Isolation war gleich oder größer als 26 dB bei Temperaturen von -10 bis +40ºC gleich oder größer als 21 dB bei Temperaturen von -40 bis +70ºC.

Beispiel 2

Die folgenden Materialien wurden in einen Platintiegel von 2,000 ml Kapazität gelegt: 3,546 gm Bleioxid (PbO, 4 N), 3,733 gm Wismuthoxid (Bi&sub2;O&sub3;, 4 N), 448 gm Eisenoxid (Fe&sub2;O&sub3;, 4 N), 167 gm Bor (B&sub2;O&sub3;, 5 N), 46,0 gm Terbiumoxid (Tb&sub2;O&sub3;, 3 N), 42,7 gm Galliumoxid (Ga&sub2;O&sub3;, 3 N) und 13,9 gm Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;, 3 N).
Die Materialien wurden erhitzt um zu schmelzen, um dadurch eine Schmelze zum Züchten von wismuthsubstituierten Seltene-Erden-Eisengranateinkristallen vorzubereiten.
Ein Tb1,58Bi1,42Fe4,06Ga0,63Al0,31O&sub1;&sub2;-Einkristallfilm mit einer Dicke von 530 um (G-Film-2 genannt) wurde auf dieselbe Weise wie Beispiel 1 hergestellt, mit dem Unterschied, daß die vorgenannte Schmelze verwendet wurde. Der G-Film-2 wurde auf eine Dicke von 481 um poliert.
Das Substrat aus (111) Granateinkristall wurde während des Polierens entfernt. Dann wird ein Antireflektionsfilm für 1,55 um auf den beiden Seiten des G-Film-2 ausgebildet, um einen Faraday-Rotator (Faraday-Rotator 2 genannt) für Licht mit einer Wellenlänge von 1,55 um auszubilden. Die magnetischen Eigenschaften des Films wurden wie folgt untersucht:
Zunächst wurde der Faraday-Rotator 2 in die Mitte eines Elektromagneten bei Raumtemperatur gelegt, der Elektromagnet legt ein magnetisches Feld von 3,000 Oe an den Faraday-Rotator 2 in einer Richtung senkrecht auf seine Filmoberfläche an, um ihn in Sättigung zu magnetisieren. Nach der Sättigung wurde das magnetische Feld auf Null verringert, aber der Faraday-Rotator 2 behielt seinen Faraday-Rotationswinkel, der erreicht wurde, wenn der Faraday-Rotator 2 magnetisch gesättigt wurde. Der Faraday- Rotationswinkel war 44,2º.
Dann wurde der Faraday-Rotator 2 wieder in die Mitte der Helmholtzspule des Feldgenerators gelegt, um das Nukleierungsfeld zu untersuchen, so daß ein magnetisches Feld an den Faraday-Rotator 2 in eine Richtung entgegengesetzt dem externen magnetischen Feld, das von dem Elektromagneten angelegt wird, angelegt wird. Anders ausgedrückt wurde ein Test geführt, um ein maximales externes magnetisches Feld zu bestimmen, bei dem der Faraday- Rotator seine magnetische Sättigung beibehalten kann. Der Faraday-Rotator 2 behielt seine magnetische Sättigung bei einem maximalen externen magnetischen Feld von 170 Oe bei Temperaturen von -40 bis +70ºC.

Vergleich 1

Die folgenden Materialien wurden in einen Platintiegel mit 2,000 ml Kapazität gelegt: 3,561 gm Bleioxid(PbO, 4 N), 3,717 gm Wismuthoxid (Bi&sub2;O&sub3;, 4 N), 459 gm Eisenoxid (Fe&sub2;O&sub3;, 4 N), 171 gm Bor (8203, 5 N), 45,9 gm Terbiumoxid (Tb&sub2;O&sub3;, 3 N) und 43,4 gm Galliumoxid (Ga&sub2;O&sub3;, 3 N).
Die Materialien wurden erhitzt um zu schmelzen, um dadurch eine Schmelze zum Züchten von wismuthsubstituierten Seltene-Erden-Eisengranateinkristallen vorzubereiten.
Ein Tb2,01Bi1,09Fe4,44Ga0,56O&sub1;&sub2;-Einkristallfilm mit einer Dicke von 413 um (G-Film-C1 genannt) wurde auf dieselbe Weise wie im Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, daß die zuvor genannten Schmelze verwendet wurde. Der G-Film-C1 wurde auf die genannte gleiche Weise wie im Beispiel 1 verarbeitet, um einen Faraday-Rotator herzustellen (Faraday-Rotator C1 genannt), der für eine Wellenlänge von 1,31 um verwendet wird, und eine Dicke von 364 um aufweist. Das Sättigungsmagnetfeld war 329 Oe bei +25ºC und erreichte ein Maximum von 380 Oe in dem Temperaturbereich von -40 bis +70ºC.
Der Faraday-Rotator C1 wurde in die Mitte eines Elektromagneten gelegt, um den Faraday-Rotator C1 durch Anlegen eines magnetischen Feldes von 5,000 Oe in einer Richtung senkrecht zur Filmoberfläche zu magnetisieren. Das Magnetfeld wurde dann auf Null verringert, nachdem der Faraday-Rotator C1 gesättigt wurde. Es wurde herausgefunden, daß der Faraday-Rotator C1 seine magnetische Sättigung beibehalten hat, die erreicht wurde, wenn der Faraday-Rotator C1 gesättigt wurde.
Der Faraday-Rotator C1 wurde wieder in die Helmholtzspule des Feldgenerators gelegt, so daß ein magnetisches Feld an den Faraday-Rotator C1 angelegt wurde, um ein magnetisches Nukleierungsfeld zu bestimmen. Das an den Faraday-Rotator angelegte magnetische Feld wurde durch einen Elektromagneten in eine Richtung entgegengesetzt zum magnetischen Feld angelegt. Anders ausgedrückt wurde ein Test durchgeführt, um ein maximales externes magnetisches Feld zu bestimmen, bei dem der Faraday-Rotator seine magnetische Sättigung beibehalten kann. Es wurde herausgefunden, daß der Faraday-Rotator C1 eine magnetische Sättigung bei einem maximalen magnetischen Feld von 30 Oe beibehalten hat, in dem Temperaturbereich von -40 bis +70ºC.

Vergleich 2

Der Faraday-Rotator 1, der im Beispiel 1 erhalten wurde, wurde in die Mitte eines Elektromagneten gelegt, um den Faraday-Rotator 1 durch Anlegen eines magnetischen Feldes von 500 Oe in eine Richtung senkrecht auf die Filmoberfläche magnetisch zu sättigen. Das magnetische Feld wurde dann auf Null verringert, nachdem der Faraday-Rotator 1 gesättigt wurde. Der Faraday-Rotator 1 hat die magnetische Sättigung beibehalten, die erreicht wurde, als der Faraday-Rotator 1 gesättigt war. Der Faraday-Rotator 1 wurde wiederum in die Helmholtzspule gelegt, um ein magnetisches Feld anzulegen, um das magnetische Nukleierungsfeld zu bestimmen. Das von der Helmholtzspule erzeugte magnetische Feld war in einer Richtung entgegengesetzt dem magnetischen Feld, das durch den Elektromagneten an den Faraday-Rotator 1 angelegt wurde. Anders ausgedrückt, wurde ein Test durchgeführt, um ein maximales externes magnetisches Feld zu bestimmen, bei dem der Faraday-Rotator seine magnetische Sättigung beibehalten kann. Es wurde herausgefunden, daß der Faraday-Rotator 1 seine magnetische Sättigung bei einem maximalen magnetischen Feld von 18 Oe in dem Temperaturbereich von - 40 bis +70ºC beibehält.

Vergleich 3

Die folgenden Materialien wurden in einen Platintiegel mit 2,000 ml Kapazität gelegt: 3,560 gm Bleioxid (PbO, 4 N), 3,716 gm Wismuthoxid (Bi&sub2;O&sub3;, 4 N), 445 gm Eisenoxid (Fe&sub2;O&sub3;, 4 N), 171 gm Bor (8203, 5 N), 49,2 gm Gadoliniumoxid (Gd&sub2;O&sub3;, 3 N), 4,45 gm Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;, 3 N) und 54,6 gm Galliumoxid (Fa&sub2;O&sub3;, 3 N).
Die Materialien wurden erhitzt um zu schmelzen, um dadurch eine Schmelze zum Züchten von wismuthsubstituierten Seltene-Erden-Eisengranateinkristallen vorzubereiten.
Ein Gd2,07Bi0,93Fe4,21Ga0,68Al0,11O&sub1;&sub2;-Einkristallfilm mit einer Dicke von 425 um (G-Film-C3 genannt) wurde auf dieselbe Weise wie im Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, daß die zuvor genannte Schmelze verwendet wurde.
Der G-Film-C3 wurde auf genau dieselbe Weise wie im Beispiel 1 verarbeitet, um einen Faraday-Rotator (Faraday- Rotator C3 genannt) mit einer Dicke von 386 um für eine Wellenlänge von 1,31 um herzustellen. Die magnetischen Eigenschaften des G-Film-C3 wurden gemessen. Das gesättigte magnetische Feld von Faraday-Rotator C3 war 155 Oe bei +25ºC und erreichte ein Maximum von 439 Oe in dem Temperaturbereich von -40 bis +70ºC. Die magnetische Kompensationstemperatur war auf 58ºC.
Der Faraday-Rotator C3 wurde dann in die Mitte eines Elektromagneten in einer Umgebung mit Raumtemperatur gestellt, und ein magnetisches Feld von 5,000 Oe wurde in eine Richtung senkrecht auf die G-Film-C3 Fläche angelegt, so daß der G-Film-C3 magnetisch gesättigt wurde. Das Magnetfeld wurde auf Null verringert, nachdem der G-Film-C3 magnetisch gesättigt wurde, aber der Faraday-Rotator C3 magnetisch gesättigt wurde, aber der Faraday-Rotator C3 behielt denselben Faraday-Rotationswinkel bei, wie den, wenn der Faraday-Rotator C3 magnetisch gesättigt wurde. Allerdings tritt der Faraday-Rotator C3 in seinen nichtgesättigten Zustand über, wenn er auf -25ºC heruntergekühlt wurde.
Es wird offensichtlich sein, daß die somit beschriebene Erfindung auf viele Arten verändert werden kann. Solche Veränderungen sollen nicht dahingehend bewertet werden, daß sie von dem Bereich der Erfindung, wie er durch die nachstehenden Ansprüche definiert wird, abweichen.

Claims

1. Ein Faraday-Rotator aus einem Wismutsubstituiertem Eisengranateinkristallfilm, der durch ein Flüssigphasen-epitaktisches Verfahren gewachsen wird und durch eine Formel dargestellt wird:

Tb3-xBixFe5-y-zGayAlzO&sub1;&sub2;

wobei x in dem Bereich 1,1 ≤ · ≤ 1,5, y + z den Bereich 0,65 ≤ y + z ≤ 1,2, und z den Bereich z ≤ y hat,

wobei der Einkristallfilm einem Magnetisierungsprozeß unterzogen wird, in dem der Einkristallfilm durch ein erstes externes magnetisches Feld magnetisiert wird, so daß der Einkristallfilm eine rechteckige magnetische Hystereseschleife aufweist.

2. Der Faraday-Rotator nach Anspruch 1, wobei das erste externe magnetische Feld eine magnetische Feldstärke von 79,5775 A/m (1,000 Oe) oder höher aufweist, das erste externe magnetische Feld in eine Richtung senkrecht auf einer Fläche des Wismutsubstituierten Seltene-Erde-Einkristallfilms angelegt wird, und dann entfernt wird, nachdem der Wismutsubstituierte Seltene-Erde-Einkristallfilm magnetisiert wurde.

3. Der Faraday-Rotator nach Anspruch 1, wobei die rechteckige magnetische Hystereseschleife in dem Temperaturbereich von -40 bis +70ºC gehalten ist.

4. Der Faraday-Rotator nach Anspruch 1, wobei der Faraday-Rotator nach dem Magnetisierungsprozeß einen Faraday-Rotationswinkel zeigt, und der Faraday-Rotationswinkel dieselbe Polarität aufweist, wenn der Faraday- Rotator in einem zweiten externen magnetischen Feld gleich oder kleiner als 3978,9 A/m (50 Oe) angeordnet wird, wobei das zweite externe magnetische Feld in einer Richtung entgegengesetzt des ersten externen magnetischen Feldes ist.

5. Eine optische Einwegleitung, die ein Faraday- Rotator nach Anspruch 1 enthält, wobei die optische Einwegleitung ferner umfasst:

einen Polarisator (2); und

einen Analysator (3);

wobei der Polarisator und der Analysator so angeordnet sind, daß der Faraday-Rotator (1) zwischen dem Polarisator (2) und dem Analysator (3) angeordnet ist.