JP2004012997A

JP2004012997A - 磁気光学体

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Publication number: JP2004012997A
Application number: JP2002168800A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Hisagai; 久貝　裕一; Soichiro Okubo; 大久保　総一郎; Takashi Matsuura; 松浦　尚
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2002-06-10
Filing date: 2002-06-10
Publication date: 2004-01-15

Abstract

【課題】簡便な製造工程でかつ低コストで作製し得る磁気光学体を提供することを目的とし、これはファラデー回転子に好ましく利用され得るものである。
【解決手段】磁気光学体（１０）は、入射光の偏光面を回転させるための透光性で非晶質の磁性薄膜（２）と、この非晶質磁性薄膜（２）の両主面の各々上において高屈折率層（１ａ、３ａ）と低屈折率層（１ｂ、３ｂ）とを交互に積層した誘電体多層膜（１、３）とを含み、入射光はそれらの誘電体多層膜（１、３）間において非晶質磁性薄膜（２）中を往復伝播し得る。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は入射光の偏光面を回転させるファラデー回転子に利用され得る磁気光学体の改善に関し、ファラデー回転子はたとえば光通信における光アイソレータなどに利用され得るものである。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバやその他の光学部品を含んで構成される光通信システムにおいて、光コネクタや光回路部品などからの反射光が戻り光として光源に再入射することがある。光通信システムにおける光源としては、一般に半導体レーザが使用されている。レーザ光源に戻り光が入射すれば、それがレーザの共振作用に影響を及ぼし、出射レーザ光にノイズが含まれることになる。そこで、レーザ光源へ戻り光が入射することを防止するために、光アイソレータが利用されている。
【０００３】
光アイソレータは、第１と第２の偏光子にはさまれたファラデー回転子を含んでいる。第１の偏光子は、光源から射出された光のうちで特定の第１の偏光面を有する光のみを通過させる。ファラデー回転子は、第１の偏光子を通過した光の偏光面を４５度回転させる。第２の偏光子は、ファラデー回転子によって偏光面が４５度回転させられた光のみを通過させるように、第１の偏光面から４５度回転させられた第２の偏光面を有している。
【０００４】
このような光アイソレータに戻り光が逆方向に入射する場合、第２の偏光子は第２の偏光面を有する戻り光のみを通過させる。次に、戻り光がファラデー回転子を逆方向に通過するとき、その戻り光の第２の偏光面は、第１の偏光面へ回転し戻されるのではなくて、さらに４５度だけ追加回転させられる。これは、ファラデー効果の非相反性として知られている。すなわち、ファラデー回転子を通過した戻り光は、第１の偏光面に対して９０度回転させられた第３の偏光面を有している。したがって、第３の偏光面を有する戻り光は第１の偏光子を通過することができず、光源へ入射することが防止されることになる。
【０００５】
ここで、ファラデー効果とは、磁場中に置かれた透明物質中で磁場に平行に直線偏光を伝播させた場合に、その偏光面が回転する現象を意味する。透明物質がガラスなどの非磁性体の場合、ファラデー効果による偏光面の回転角（ファラデー回転角）は、その物質によって定まる比例定数の下で、磁場の強さと磁場に平行な光の伝播距離とに比例する。透明物質が強磁性体の場合、ファラデー回転角は磁化に関係する量であり、飽和磁場以上の磁場下では一定となり、また非磁性体の場合と同様に、光の伝播距離に比例する。一般に、非磁性透明物質よりも強磁性透明物質を利用することによって、大きなファラデー回転角が得られる。
【０００６】
他方、上述のファラデー効果の非相反性から理解されるように、ファラデー回転子内で光を複数回往復させて合計の伝播距離を大きくすることによって、ファラデー回転角を大きくすることができる。このことを利用するために、透明磁性膜の両主面の各々上に低屈折率層と高屈折率層とを交互に積層した誘電体多層膜を含むファラデー回転子が知られている。すなわち、それら２つの誘電体多層膜は干渉フィルタまたは干渉反射膜として作用し、一種のファブリ・ペロー共振器を構成する。したがって、透明磁性膜の両主面上に設けられた２つの誘電体多層膜間で透明磁性膜中を光が複数回往復することができ、大きなファラデー回転角が得られることになる。
【０００７】
図２の模式的な断面図は特開２００１−１１０６３５号に開示された磁気光学体を示しており、これはファラデー回転子に利用し得るものである。この磁気光学体２００は、第１の誘電体多層膜２１０と第２の誘電体多層膜２１１にはさまれた透光性磁性膜２０７を含んでいる。第１と第２の誘電体多層膜２１０と２１１の各々において、高屈折率のＴａ_２Ｏ_５層と低屈折率のＳｉＯ_２層が交互に積層されている。透光性磁性膜２０７としては、良好な磁気光学特性を有する希土類鉄ガーネットである結晶質のＢｉＹＩＧ（ビスマス置換イットリウム鉄ガーネット）膜が用いられる。
【０００８】
図３は、図２の磁気光学体を作製する過程において利用される赤外線加熱装置を模式的なブロック図で図解している。この赤外線加熱装置２２０においては、水冷される基板ホルダ２０１上にインジュウムシート２０２を介して基板２０３が載置される。基板２０３上には、第１の誘電体多層膜２１０が形成されている。そのような誘電体多層膜は、たとえばＥＢ（電子ビーム）蒸着などによって形成され得る。また、この第１の誘電体多層膜２１０上にはＢｉＹＩＧ膜２０７が形成されている。そのようなＢｉＹＩＧ膜２０７は、たとえばスパッタリングによって形成され得る。ただし、スパッタリングによって成膜されたままのＢｉＹＩＧ膜２０７は非晶質である。この非晶質ＢｉＹＩＧ膜２０７上に、吸光板としてのグラッシーカーボン板２０４がセットされる。
【０００９】
赤外線発生部２２１は赤外線２２１ａを放射し、グラッシーカーボン板２０４がその赤外線２２１ａを吸収することによって加熱される。他方、基板ホルダ２０１は冷却機構２２２によって冷却される。そして、カーボン板２０４の温度は、熱電対２２３によってモニタされる。すなわち、赤外線加熱装置２２０は、誘電体多層膜２１０に悪影響を及ぼすことなく、ＢｉＹＩＧ膜２０７を結晶化するために用いられる。
【００１０】
前述のように、成膜されたままの状態のＢｉＹＩＧ膜２０７は、非晶質であって十分な磁化特性を有しておらず、大きなファラデー回転角を生じさせることができない。したがって、ＢｉＹＩＧ膜に大きなファラデー回転角を持たせるために、６００℃以上の熱処理によってＢｉＹＩＧ膜を結晶化させる必要がある。他方、誘電体多層膜２０１が６００℃以上の温度にさらされれば、それに含まれるＴａ_２Ｏ_５層とＳｉＯ_２層との間において相互拡散を生じ、その誘電体多層膜の光学的特性を損なってしまう。このような理由から、誘電体多層膜２０１を冷却しつつ、ＢｉＹＩＧ膜２０７を赤外線で加熱して結晶化させるのである。そして、ＢｉＹＩＧ膜２０７が結晶化された後には、そのＢｉＹＩＧ膜２０７上に第２の誘電体多層膜２１１がＥＢ蒸着などによって形成される。
【００１１】
図４の模式的な断面図は特開２００１−１９４６３９号に開示された磁気光学体を示しており、これは高温の熱処理を必要とすることなく作製し得ることを特徴としている。この磁気光学体２００は、第１の誘電体多層膜１４と第２の誘電体多層膜１５にはさまれた透光性磁性膜１６を含んでいる。第１と第２の誘電体多層膜１４と１５の各々において、高屈折率のＴａ_２Ｏ_５層１２と低屈折率のＳｉＯ_２層１３が交互に積層されている。透光性磁性膜１６としては、複合材料が用いられている。
【００１２】
複合材の透光性磁性膜１６においては、強磁性金属のＣｏ微粒子１７が、希土類酸化物であるＳｍ_２Ｏ_３母相１８中で分散させられている。このような透光性磁性膜１６は、回転支持テーブル上に基板を保持し、Ｓｍ_２Ｏ_３ターゲットとＣｏターゲットからスパッタされた粒子流に基板を交互にさらすことによって形成され得る。そして、Ｓｍ_２Ｏ_３母相１８中に分散されたＣｏ微粒子１７を含む透光性磁性膜１６が、たとえば５００℃以下の比較的低温で形成され得る。すなわち、磁気光学体２００は比較的低温で作製され得るので、それに含まれる誘電体多層膜１４と１５におけるＴａ_２Ｏ_５層１２とＳｉＯ_２層１３との間の相互拡散が低減され、それらの誘電体多層膜の光学的特性の劣化が防止され得る。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
特開２００１−１１０６３５号に開示された磁気光学体は、図３に関連して説明されたように、その製造工程が非常に煩雑であって製造コストも高くなる。また、特開２００１−１９４６３９号に開示された磁気光学体も、その作製に複雑なスパッタリング工程を要して製造コストも高くなる。
【００１４】
そこで、本発明は簡便な製造工程でかつ低コストで作製し得る磁気光学体を提供することを目的とし、これはファラデー回転子に好ましく利用され得るものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明による磁気光学体は、入射光の偏光面を回転させるための透光性で非晶質の磁性薄膜と、この非晶質磁性薄膜の両主面の各々上において低屈折率層と高屈折率層とを交互に積層した誘電体多層膜とを含むことを特徴としている。
【００１６】
なお、その非晶質磁性薄膜は、Ｆｅ、Ｃｏ、およびＮｉの少なくとも１種の元素を含む酸化物を含むことが好ましい。また、その非晶質磁性薄膜は、Ｐ、Ａｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、およびＢｉの少なくとも１種の元素をさらに含むことが好ましい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
まず、本発明者らは、成膜された非晶質状態のままで大きなファラデー回転角を有し得る透光性材料に関して検討した。その結果、いくつかの特定の組成の材料に関しては、非晶質状態においても大きなファラデー回転角を有し得ることが見出された。
【００１８】
図１は、本発明の一実施形態による磁気光学体を示す模式的な断面図である。この磁気光学体１０は、第１の誘電体多層膜１と第２の誘電体多層膜３にはさまれた透光性磁性膜２を含んでいる。すなわち、透光性磁性膜２が極めて薄い場合でも、干渉フィルタまたは干渉反射膜として作用し得る第１と第２の誘電体多層膜１、３の間において、入射光が透光性磁性膜２中を多数回往復することができ、大きなファラデー回転角を得ることができる。
【００１９】
第１の誘電体多層膜１において、ＴｉＯ_２またはＴａ_２Ｏ_５などからなる高屈折率層１ａとＳｉＯ_２などからなる低屈折率層１ｂが交互に積層されている。同様に、第１の誘電体多層膜３においても、ＴｉＯ_２またはＴａ_２Ｏ_５などからなる高屈折率層３ａとＳｉＯ_２などからなる低屈折率層３ｂが交互に積層されている。これらの誘電体多層膜は、たとえばＥＢ蒸着やＣＶＤ（化学気相堆積）などのような公知の気相堆積法を利用して形成することができる。
【００２０】
ここで、誘電体多層膜中の各誘電体層の厚さｄ_１は、その誘電体層の屈折率がｎ_１で入射光の波長がλである場合に、ｄ_１＝λ／４ｎ_１に設定し得る。このように各誘電体層の厚さを設定することによって、それらの誘電体層を含む誘電体多層膜が干渉フィルタまたは干渉反射膜として作用し得る。
【００２１】
透光性磁性膜２としては、十分な飽和磁化を有し得る非晶質の透光性材料の膜が利用される。非晶質膜は、一般に、スパッタリング、真空蒸着、レーザアブレーション、イオンプレーティング、ＭＢＥ（分子ビームエピタキシ）などの方法を利用して、５００℃以下の比較的低温で形成することができ、２００℃以下の低温での形成も可能である。
【００２２】
すなわち、本発明による磁気光学体１０においては、それに含まれる透光性磁性膜２として非晶質膜が形成されるので、誘電体多層膜１、３に含まれる高屈折率層１ａ、３ａと低屈折率層１ｂ、３ｂとの間で相互拡散が生じず、誘電体多層膜１、３の光学的特性が損なわれることがない。
【００２３】
なお、透光性磁性膜２の厚さｄ_２は、その透光性磁性膜の屈折率がｎ_２で入射光の波長がλである場合に、ｄ_２＝λ／２ｎ_２またはｄ_２＝λ／ｎ_２に設定し得る。
【００２４】
透光性磁性膜２としては、Ｃｏ、Ｆｅ、およびＮｉの少なくとも１種の強磁性元素を含む酸化物膜を利用することができる。また、そのような強磁性元素の酸化物に希土類元素の酸化物が混合された膜も、透光性磁性膜２として利用され得る。さらに、透光性磁性膜２を構成する酸化物内に、Ｐ、Ａｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｂｉなどの添加元素が含められてもよい。これらの添加元素は大きなイオン半径を有していて酸化物内の拡散を抑制するように作用し、透光性磁性膜２を構成する酸化物膜の非晶質性を安定化させ得る。ただし、添加元素を必要以上に多くすれば、透光性磁性膜２の磁気特性を低下させるので好ましくない。
【００２５】
なお、透光性磁性膜２が非晶質であることは、光透過性の観点からも好ましいことである。なぜならば、非晶質材料は非常に均質であり、多結晶材料の場合のように結晶粒界における光の散乱などが生じ得ないからである。
【００２６】
より具体的には、透光性磁性膜２は、ＣｏＦｅ_２Ｏ_４の非晶質膜として形成することができる。たとえば、ＣｏＦｅ_２Ｏ_４ターゲットを用いるスパッタリング法によって形成し得る。そのとき、基板を加熱する必要はなく、スパッタリングによる成膜中の基板温度の上昇は約７０〜８０℃程度である。なお、より低い基板温度が望まれる場合には、基板ホルダが水冷されてもよいことは言うまでもない。
【００２７】
また、ＣｏＦｅ_２Ｏ_４膜の非晶質性を安定化させるために、たとえばＰが添加されてもよい。その場合、たとえば８０質量％のＣｏＦｅ_２Ｏ_４と２０質量％のＰ_２Ｏ_５の混合物をスパッタリングのターゲットとして用いることができる。
【００２８】
さらに、透光性磁性膜２としては、ＣｏＦｅ_２Ｏ_４の非晶質膜の場合と同様に、ＮｉＦｅ_２Ｏ_４の非晶質膜をも利用することができる。すなわち、ＮｉＦｅ_２Ｏ_４に希土類酸化物が混合されてもよいし、イオン半径の大きな元素が添加されてもよい。
【００２９】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、簡便な製造工程でかつ低コストで作製し得る磁気光学体を提供することができ、それはファラデー回転子に好ましく利用され得るものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるファラデー回転子に含まれる磁気光学体を示す模式的な断面図である。
【図２】先行技術によるファラデー回転子に含まれる磁気光学体の一例を示す模式的な断面図である。
【図３】図２の磁気光学体に含まれれる希土類鉄ガーネット膜を結晶化する方法を示す模式的なブロック図である。
【図４】先行技術によるファラデー回転子に含まれる磁気光学体の他の例を示す模式的な断面図である。
【符号の説明】
１　第１の誘電体多層膜、２　透光性磁性膜、３　第２の誘電体多層膜、１ａ、３ａ　高屈折率層、１ｂ、３ｂ　低屈折率層、１０　磁気光学体。

Claims

入射光の偏光面を回転させるための透光性で非晶質の磁性薄膜と、
前記非晶質磁性薄膜の両主面の各々上において低屈折率層と高屈折率層とを交互に積層した誘電体多層膜とを含むことを特徴とする磁気光学体。
前記非晶質磁性薄膜は、Ｆｅ、Ｃｏ、およびＮｉの少なくとも１種の元素を含む酸化物を含むことを特徴とする請求項１に記載の磁気光学体。
前記非晶質磁性薄膜は、Ｐ、Ａｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、およびＢｉの少なくとも１種の元素をさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の磁気光学体。