【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に固体レーザー、半導体レーザー（ＬＤ）を用いて構成される光源の戻り光防止デバイスである光アイソレータ用磁気光学素子に係り、特に波長領域０．６〜２．４μｍの使用に好適な磁気光学素子および光アイソレータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、次世代光通信技術の発展や、次世代大容量記憶技術の発展、インターネットを用いた商用サービス等のネットワークの広がりとともに、マルチメデイアの進展の可能性は高精細画像、高速通信の分野では、新たな波長用途が開拓されている。
【０００３】
特に、パソコン内の画像を大画面で高精細に写し出すプロジェクターは、遠隔地での双方向通信をおこなうツールとして需要が急増している。このプロジェクターの高精細化には、レーザー光源の高出力化と低雑音化（〜６０ｄＢ）が重要である。
【０００４】
特に、光の３原色の中で、緑色は既存のＬＤでは、十分な出力を確保できないために、ＬＤ励起固体ＳＨＧ（ＳＨＧ：ｓｅｃｏｎｄ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ 第二高調波）レーザーが用いられる。
【０００５】
高精細化には、その１０６４ｎｍの基本波長で、６０ｄＢ低雑音化を実現したワット級のレーザーが要求される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述したような高出力に対応できる適切な光アイソレータ材料は、これまで、存在しなかった。
【０００７】
これまでに、論文等から報告された磁気光学材料は、カルコパイライト系半導体、ＴＧＧ単結晶、鉛ガラス，ＺｎＳｅ等、希薄磁性半導体ＣｄＭｎＨｇＴｅ単結晶がある。
【０００８】
しかしながら、カルコパイライト系半導体は、低温度で磁気光学効果を示すものの、室温においての磁気光学効果は、極めて小さいので実用材料として検討されることはなかった。
【０００９】
ＴＧＧ単結晶、鉛ガラス、ＺｎＳｅ単結晶等は、低ベルデ定数のために実用的ではなかった。
【００１０】
また、希薄磁性半導体ＣｄＭｎＨｇＴｅ単結晶は、磁気光学特性は十分な性能を示すものの有害物質のＣｄ，Ｈｇを使用しているために、環境ＩＳＯの観点からも将来的に永遠に使用できる材料でないという問題があった。
【００１１】
従来の磁気光学材料を用いた場合には、特に、０．８〜１．１μｍ帯の波長の高出力（≧１Ｗ）レーザーに対応可能な実用的な光アイソレータを構成することは困難であった。
【００１２】
そこで、本発明の一般的な技術的課題は、０．６〜２．４μｍ帯のレーザー波長領域において光吸収が小さく、磁気光学効果が大きい（実用化可能）最適な磁気光学素子を提供することにある。
【００１３】
また、本発明の特別な技術的課題は、レーザー光源の高出力化と低雑音化（〜６０ｄＢ）が重要となる用途に必要不可欠な光アイソレータ材料および光アイソレータを提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、ルチル型構造を有する二酸化チタンにコバルトを添加してなることを特徴とする磁気光学素子が得られる。
【００１５】
また、本発明によれば、前記磁気光学素子において、前記コバルトの添加量が，０．０３以上で１．０％以下であることを特徴とする磁気光学素子が得られる。
【００１６】
また、本発明によれば、前記いずれか一つの磁気光学素子において、ＦＺ法、ＬＰＥ法、ＭＢＥ法、及びＭＯＣＶＤ法の内のいずれか一種の方法によって作製されていることを特徴とする磁気光学素子が得られる。
【００１７】
また、本発明によれば、前記いずれか一つの磁気光学素子において、育成雰囲気条件、熱処理条件により酸素濃度を制御する事により、キャリヤー濃度を制御してなる事を特徴とする磁気光学素子が得られる。
【００１８】
また、本発明によれば、前記いずれか一つの磁気光学素子において、前記キャリヤー濃度を２．０×１０１４ｃｍ−３以下とした事を特徴とする磁気光学素子が得られる。
【００１９】
また、本発明によれば、前記いずれか一つの磁気光学素子において、複屈折の影響がより少ないＣ面を光学面とした事を特徴とする磁気光学素子が得られる。
【００２０】
また、本発明によれば、前記いずれか一つの磁気光学素子において、Ｃ面の直角度精度を９０±１．０°以下とした事を特徴とする磁気光学素子および光アイソレータが得られる。
【００２１】
また、本発明によれば、前記いずれか一つの磁気光学素子において、入射面の偏光子との光学軸を±１．０°以下で合わせた事を特徴とする磁気光学素子が得られる。
【００２２】
また、本発明によれば、前記磁気光学素子からなることを特徴とする光アイソレータが得られる。
【００２３】
さらに、本発明によれば、前記いずれか一つの磁気光学素子を用いた光アイソレータであって、０．６〜２．４μｍに用いられることを特徴とする光アイソレータが得られる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
まず、本発明をさらに詳細に説明する。
【００２５】
本発明の磁気光学素子は、コバルトＣｏを配合させたルチル構造を有するルチル単結晶で構成される。このルチル単結晶は、波長領域０．６０〜２．４μｍに使用できるように、コバルトＣｏを０．０３％以上０．１％以下の範囲で配合することで使用波長に適切な光吸収スペクトル特性を選択し、ベルデ定数をもたせ、実用的な結晶の光透過損失≦０．１ｄＢ（ファラデー回転角４５ｄｅｇの光路長）を実現する。
【００２６】
更に、本発明の光アイソレータは、前記磁気光学素子をファラデー回転子として備えている。
【００２７】
上記において、Ｃｏ組成の選択は、この材料を用いて実用性能を得るために、材料のＣｏの添加量とともに変化する吸収波長帯とベルデ定数が大きい波長範囲を調整し、使用する波長において光透過損失が透明な領域になるようにする。
【００２８】
一方、材料のベルデ定数は、使用波長とＣｏ添加量依存性があるので、できるだけベルデが定数大きい組成点を選択する。光透過損失とベルデ定数の両立する範囲は、Ｃｏ添加量に大きく依存する。また、このような組成点を選択したとしても、ファラデー回転角４５ｄｅｇの光路長あたり≦０．１ｄＢを低損失化を実現するのはきわめて困難であった。
【００２９】
この点は、結晶中の不純物量の制御が重要なポイントとなる。
【００３０】
結晶成長プロセスにおいて、育成雰囲気、酸素濃度を厳密に制御する事でキャリヤー濃度を２．０×１０１４（ｃｍ−３）以下で、特に０．８〜１．１μｍ帯波長領域の光透過損失が改善され、目標仕様を満足できる磁気光学素子が得られる。
【００３１】
それでは、本発明の具体例について詳細に説明する。
【００３２】
以下、本発明の具体例として、Ｃｏ０．０１％添加ルチル単結晶の育成を例に挙げて説明する。
【００３３】
図１は本発明の実施の形態による結晶製造装置を示す概略図である。図１を参照すると、純度３Ｎ（９９．９％）のＣｏ０．０１％添加ルチル原料を、０．０５ｋｇ秤量し、乾式混合にて十分混合後、水圧プレスにより成形する。その後、電気炉において１１００℃以上の温度で、仮焼して育成用原料棒１を作製する。
【００３４】
その後、種結晶ルチル２と育成用原料棒１を赤外集光加熱炉（ＦＺ炉）３の適切な温度勾配をもつ所定の位置にセッテングする。
【００３５】
種結晶ルチル２および育成用原料棒１の融点以上の温度のもとで、原料棒降下速度５０ｍｍ／Ｈｒで結晶成長させた。なお、育成雰囲気はＣＯ２ガス中もしくはＯ２ガス中で育成が行われた。
【００３６】
上記結晶をファラデー回転子として、光アイソレータを作製した。なお、光アイソレータは周知の如く、ファラデー回転子を光軸の方向に偏光子、検光子で挟み込み、周囲に軸方向に磁界を印加するための永久磁石を配置してなる構成である。
【００３７】
従来の材料および本発明の例を下記表１に示す。
【００３８】
【表１】
また、下記表２は育成雰囲気、熱処理によるキャリヤー濃度の変動の関係を示している。また、図２はキャリヤー濃度と光透過損失の相関を示す図である。図２において、光透過損失（ロスｄＢ）は、直径（φ）１０（φ）×長さ（Ｌ）１０ｍｍの光アイソレータを作製する磁石で、ファラデー回転角４５ｄｅｇになる長さでの値である。また、図３は消光比の結晶面依存性を示している。
【００３９】
【表２】
上記表１、表２及び図２の例から、Ｃｏ量ｘは添加（０．０３≦ｘ≦０．１）％の組成範囲が適切であり、育成雰囲気、熱処理によりキャリヤー濃度を制御できることが明確になった。
【００４０】
また、高耐光性の実用的な光アイソレータに必要な光透過損失≦１．０ｄＢを満足する条件は、キャリヤー濃度と光透過損失の相関より、キャリヤー濃度は、２．０×１０１４（ｃｍ−３）範囲である事が明確になった。
【００４１】
なお、図３から、レーザー入射面の条件としては、Ｃ面に垂直なものが、消光比は最も大きい。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、０．８〜１．１μｍ帯の波長の高出力（≧１Ｗ）レーザーに対応可能な実用的な光アイソレータとそれに用いる磁気光学素子を提供することができる。
【００４３】
また、穂発明によれば、主として高出力（≧１Ｗ）レーザーを用いて構成される光源の戻り光防止デバイスである光アイソレータ用磁気光学素子において、特に波長領域０．６〜２．４μｍの使用に好適な磁気光学素子および光アイソレータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｃｏ添加ルチル単結晶の製造に用いられる結晶製造装置の概略図である。
【図２】キャリヤー濃度と光透過損失の相関を示す図である。
【図３】消光比の結晶面依存性を示している。
【符号の説明】
１ Ｃｏ添加ルチル単結品
２ ルチル種結晶
３ メルトゾーン
４ 赤外集光加熱炉（ＦＺ炉）
５ 育成雰囲気[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a magneto-optical element for an optical isolator, which is a device for preventing return light of a light source mainly constituted by using a solid-state laser or a semiconductor laser (LD), and particularly to a use in a wavelength range of 0.6 to 2.4 μm. The present invention relates to a suitable magneto-optical element and an optical isolator.
[0002]
[Prior art]
In recent years, with the development of next-generation optical communication technology, the development of next-generation large-capacity storage technology, and the spread of networks such as commercial services using the Internet, the possibility of the development of multimedia has increased in the field of high-definition images and high-speed communication. New wavelength applications are being explored.
[0003]
In particular, the demand for a projector for projecting an image in a personal computer on a large screen with high definition is rapidly increasing as a tool for performing bidirectional communication in a remote place. To increase the definition of this projector, it is important to increase the output of the laser light source and reduce the noise (up to 60 dB).
[0004]
In particular, among the three primary colors of light, green cannot use a conventional LD to secure a sufficient output. Therefore, an LD-excited solid-state SHG (second harmonic generation second harmonic) laser is used.
[0005]
Higher definition requires a watt-class laser that achieves 60 dB lower noise at its fundamental wavelength of 1064 nm.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, there has been no suitable optical isolator material capable of coping with the high output as described above.
[0007]
Magneto-optical materials reported so far from papers and the like include chalcopyrite-based semiconductors, TGG single crystals, lead glass, ZnSe, and other diluted magnetic semiconductor CdMnHgTe single crystals.
[0008]
However, although a chalcopyrite-based semiconductor exhibits a magneto-optical effect at a low temperature, the magneto-optical effect at room temperature is extremely small and has not been studied as a practical material.
[0009]
TGG single crystal, lead glass, ZnSe single crystal, etc. were not practical due to low Verdet constant.
[0010]
In addition, although the diluted magnetic semiconductor CdMnHgTe single crystal shows sufficient performance in terms of magneto-optical properties, it uses harmful substances Cd and Hg, and therefore is not a material that can be used forever in the future from the viewpoint of environmental ISO. There was a problem.
[0011]
When a conventional magneto-optical material is used, it has been particularly difficult to construct a practical optical isolator that can support a high-power (≧ 1 W) laser having a wavelength in the 0.8 to 1.1 μm band. .
[0012]
Therefore, a general technical problem of the present invention is to provide an optimum magneto-optical element which has a small light absorption and a large magneto-optical effect (can be put into practical use) in a laser wavelength range of 0.6 to 2.4 μm. It is in.
[0013]
Further, a special technical object of the present invention is to provide an optical isolator material and an optical isolator which are indispensable for applications in which high output and low noise (up to 60 dB) of a laser light source are important.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, there is provided a magneto-optical element characterized in that cobalt is added to titanium dioxide having a rutile structure.
[0015]
Further, according to the present invention, in the magneto-optical element, the addition amount of the cobalt is 0.03 or more and 1.0% or less.
[0016]
According to the invention, in any one of the magneto-optical elements, the magneto-optical element is manufactured by any one of a FZ method, an LPE method, an MBE method, and a MOCVD method. An element is obtained.
[0017]
Further, according to the present invention, in any one of the above-described magneto-optical elements, a carrier concentration is controlled by controlling an oxygen concentration by a growth atmosphere condition and a heat treatment condition. Can be
[0018]
Further, according to the invention, in any one of the magneto-optical devices, the carrier concentration is set to 2.0 × 10 14 cm −3 or less.
[0019]
Further, according to the present invention, in any one of the above-described magneto-optical elements, a magneto-optical element characterized in that a C-plane having less influence of birefringence is an optical surface.
[0020]
Further, according to the present invention, in any one of the magneto-optical elements, a magneto-optical element and an optical isolator characterized in that the squareness accuracy of the C plane is 90 ± 1.0 ° or less.
[0021]
Further, according to the present invention, in any one of the above-described magneto-optical elements, a magneto-optical element characterized in that the optical axis of the incident surface and the polarizer is aligned at ± 1.0 ° or less.
[0022]
According to the present invention, there is provided an optical isolator comprising the magneto-optical element.
[0023]
Further, according to the present invention, there is provided an optical isolator using any one of the above-mentioned magneto-optical elements, wherein the optical isolator is used at a thickness of 0.6 to 2.4 μm.
[0024]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
First, the present invention will be described in more detail.
[0025]
The magneto-optical element of the present invention is composed of a rutile single crystal having a rutile structure in which cobalt Co is blended. This rutile single crystal is blended with Co in a range of 0.03% or more and 0.1% or less so that it can be used in a wavelength range of 0.60 to 2.4 μm. Is selected, and a Verde constant is provided to realize a practical crystal light transmission loss ≦ 0.1 dB (optical path length at a Faraday rotation angle of 45 deg).
[0026]
Further, the optical isolator of the present invention includes the magneto-optical element as a Faraday rotator.
[0027]
In the above, the Co composition is selected by adjusting the absorption wavelength band that changes with the amount of Co added and the wavelength range where the Verdet constant is large, in order to obtain practical performance using this material. Ensure that the loss is in a transparent area.
[0028]
On the other hand, since the Verdet constant of the material depends on the wavelength used and the amount of Co added, a composition point having a Verdet constant as large as possible is selected. The range in which the light transmission loss and the Verdet constant are compatible largely depends on the Co addition amount. Even if such a composition point is selected, it has been extremely difficult to realize a reduction in loss of ≤0.1 dB per optical path length at a Faraday rotation angle of 45 deg.
[0029]
This is an important point in controlling the amount of impurities in the crystal.
[0030]
In the crystal growth process, the carrier concentration is 2.0 × 10 14 (cm −3 ) or less, and the light transmission loss particularly in the 0.8 to 1.1 μm band wavelength region is controlled by strictly controlling the growth atmosphere and the oxygen concentration. An improved magneto-optical element that satisfies the target specification can be obtained.
[0031]
Now, a specific example of the present invention will be described in detail.
[0032]
Hereinafter, as a specific example of the present invention, the growth of a rutile single crystal containing 0.01% of Co will be described as an example.
[0033]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a crystal manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, 0.05 kg of a 0.01% Co-added rutile raw material having a purity of 3N (99.9%) is weighed, mixed well by dry mixing, and then molded by a hydraulic press. Thereafter, the raw material rods 1 for growth are calcined at a temperature of 1100 ° C. or more in an electric furnace.
[0034]
Thereafter, the seed crystal rutile 2 and the raw material rod 1 are set in a predetermined position of the infrared condensing heating furnace (FZ furnace) 3 having a suitable temperature gradient.
[0035]
The crystal was grown at a temperature equal to or higher than the melting points of the seed crystal rutile 2 and the raw material rod 1 at a raw material rod descending speed of 50 mm / Hr. The growth was performed in a CO 2 gas or an O 2 gas.
[0036]
An optical isolator was manufactured using the above crystal as a Faraday rotator. As is well known, the optical isolator has a structure in which a Faraday rotator is sandwiched between a polarizer and an analyzer in the direction of the optical axis, and a permanent magnet for applying a magnetic field in the axial direction is arranged around the Faraday rotator.
[0037]
Conventional materials and examples of the present invention are shown in Table 1 below.
[0038]
[Table 1]
Table 2 below shows the relationship between the growth atmosphere and the change in the carrier concentration due to the heat treatment. FIG. 2 is a diagram showing the correlation between the carrier concentration and the light transmission loss. In FIG. 2, the light transmission loss (loss dB) is a value of a magnet for producing an optical isolator having a diameter (φ) of 10 (φ) × a length (L) of 10 mm and having a Faraday rotation angle of 45 deg. . FIG. 3 shows the crystal plane dependence of the extinction ratio.
[0039]
[Table 2]
From the examples in Tables 1 and 2 and FIG. 2, it is clear that the Co content x is appropriate in the composition range of addition (0.03 ≦ x ≦ 0.1)%, and the carrier concentration can be controlled by the growth atmosphere and heat treatment. Became.
[0040]
The condition that satisfies the light transmission loss ≦ 1.0 dB required for a practical light isolator having high light resistance is based on the correlation between the carrier concentration and the light transmission loss, and the carrier concentration is 2.0 × 10 14 (cm −). 3 ) It became clear that it was a range.
[0041]
From FIG. 3, the condition of the laser incident surface is perpendicular to the C-plane, and the extinction ratio is the largest.
[0042]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a practical optical isolator capable of supporting a high-output (≧ 1 W) laser having a wavelength in the 0.8 to 1.1 μm band and a magneto-optical element used for the optical isolator.
[0043]
According to the invention, use of a magneto-optical element for an optical isolator, which is a return light prevention device of a light source mainly using a high-power (≧ 1 W) laser, particularly uses a wavelength region of 0.6 to 2.4 μm. It is possible to provide a magneto-optical element and an optical isolator suitable for the present invention.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view of a crystal manufacturing apparatus used for manufacturing a Co-doped rutile single crystal.
FIG. 2 is a diagram showing a correlation between carrier concentration and light transmission loss.
FIG. 3 shows the crystal plane dependence of the extinction ratio.
[Explanation of symbols]
1 Coated rutile single product 2 Rutile seed crystal 3 Melt zone 4 Infrared focusing heating furnace (FZ furnace)
5 Training atmosphere
