JP2715053B2 - 磁気光学素子材料 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、液相エピタキシャル
（以下、「ＬＰＥ」と略記する）成長による磁性ガーネ
ット単結晶に関し、更に詳しく述べると、（ＮｄＢｉ）
₃ Ｆｅ₅ Ｏ₁₂なる組成の磁性ガーネット単結晶からなる
磁気光学素子材料に関するものである。この材料は、特
に使用波長９５０〜１０５０nm帯の光アイソレータなど
に有用である。

【０００２】

【従来の技術】磁性ガーネット単結晶はファラデー効果
を持っており、光アイソレータの中心材料である。現
在、光通信に使用されている波長帯は１３１０nmと１５
５０nmである。そして近年、この波長帯に適用される磁
性ガーネット単結晶は、非磁性ガーネット単結晶基板上
にＬＰＥ法により成膜した単結晶膜（ＬＰＥ膜）が主と
なっている。その理由は、ＬＰＥ法が量産性に優れてい
ることによる。代表的な基板としては、格子定数ａ＝１
２．４９６Åの（ＣａＧｄ）₃ （ＺｒＭｇＧａ）₅Ｏ₁₂
がある。

【０００３】磁性ガーネット単結晶の特性を評価する基
準として性能指数Ｆ（deg ／ｄＢ）がある。この性能指
数Ｆは、Ｆ＝θ_F ／αで表され、その値が大きいほど性
能が優れていることを表している。なおθ_F はファラデ
ー回転係数（deg ／cm）、αは吸収係数（ｄＢ／cm）で
ある。性能指数Ｆを大きくするためには、ファラデー回
転係数θ_F を大きく、吸収係数αを小さくする必要があ
る。そこで、ファラデー回転係数θ_F を大きくするため
にビスマスを多量置換することが提案されている（例え
ば特開平１−２４６５２０号公報、特開平１−２５０９
２４号公報）。また吸収係数αを小さくするために、２
価や４価の化合物を添加する方法、育成後に酸化や還元
処理を行う方法（日本応用磁気学会誌 vol.10, No.2, 1
986 ）がある。

【０００４】ところで近年、光信号をそのまま増幅でき
るファイバ型光増幅器の開発が活発に行われている。通
信波長１３１０nm帯にはプラセオジウムドープファイバ
が、１５５０nm帯にはエルビウムドープファイバがあ
る。しかし各々その実用化のためには、励起光用光アイ
ソレータが必要となる。プラセオジウムドープファイバ
の励起光波長は１０１７nm、エルビウムドープファイバ
の励起光波長は９８０nmと１４８０nmである。従って、
９８０nm，１０１７nm，１４８０nm帯で用いることので
きる光アイソレータが必要であり、それに応じて各々の
波長帯に適した磁性ガーネット単結晶を開発しなければ
ならない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】現在、このうち、１４
８０nm帯の磁性ガーネット単結晶には、既存の１５５０
nm帯用の磁性ガーネット単結晶を流用して製造してお
り、それで特に問題は生じていない。これに対して９８
０nm帯及び１０１７nm帯に既存の１３１０nm帯の磁性ガ
ーネット単結晶を使用しようとしても、光吸収が大き
く、特性が悪化するため、実質的に使用不可能である。
このように光吸収が大きくなる理由は、９００nm付近に
ピークをもつＦｅ³⁺の吸収が１０００nm付近まで広がり
を持つためである。

【０００６】本発明の目的は、特に波長９５０〜１０５
０nm帯において良好な特性を呈し、ＬＰＥ法により成膜
した磁性ガーネット単結晶からなる磁気光学素子材料を
提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、格子定数ａが
１２．６１Å≦ａ≦１２．６３Åである非磁性ガーネッ
ト基板上にＬＰＥ法により成長させた、組成式がＮｄ
_3-x Ｂｉ_x Ｆｅ₅ Ｏ₁₂（但し、０．５≦ｘ≦１．９）で
示される磁性ガーネット単結晶からなる磁気光学素子材
料である。この材料は、特に波長９５０〜１０５０nm帯
で使用するのに適している。非磁性ガーネット基板とし
ては、組成式がＧｄ_3-y Ｎｄ_y Ｓｃ₂ Ｇａ₃ Ｏ₁₂（但
し、１．０≦ｙ≦１．４）で示されるものが使用でき
る。

【０００８】前記のように、９８０nm及び１０１７nm帯
光アイソレータのファラデー素子に鉄ガーネットを用い
た場合は、Ｆｅ³⁺固有の吸収が９００nm付近にピークを
持つため、吸収が大きい問題がある。しかし、フラック
ス法による磁性ガーネット単結晶では、結晶の格子定数
を大きくすると、吸収のピークは短波長側にシフトす
る。そこで、本発明者等はＬＰＥ法の基板として、格子
定数ａが、１２．６１Å≦ａ≦１２．６３Åと、従来品
よりもかなり大きな非磁性ガーネット単結晶基板を開発
して、（ＮｄＢｉ）₃ Ｆｅ₅ Ｏ₁₂なる組成の磁性ガーネ
ット単結晶膜の育成を試み、本発明を完成させたもので
ある。

【０００９】本発明においてＮｄ（ネオジム）を用いる
のは、ＮｄがＢｉ（ビスマス）と同じ負のファラデー回
転を生じ、ファラデー回転係数θ_F を大きくすることが
できるためである。なお、Ｎｄは１５００nm帯に吸収が
あり、そのため従来、使用波長１５５０nm帯のファラデ
ー素子材料としては不適切なものであったが、それより
短波長側（特に本発明が意図しているような波長帯域）
では、そのような不都合はない。そして、ビスマスの置
換量ｘを、０．５≦ｘ≦１．９としたのは、０．５未満
ではファラデー回転係数θ_F が小さく、そのため光アイ
ソレータに必要な４５°回転膜厚が厚くなり、特に短波
長側での吸収が大きくなること、１．９を超えてビスマ
ス置換量が多くなると育成した磁性ガーネット単結晶膜
に割れが生じることによる。

【００１０】（ＮｄＢｉ）₃ Ｆｅ₅ Ｏ₁₂なる組成の磁性
ガーネット単結晶は、格子定数ａがａ＝１２．６２Åで
ある。ＬＰＥ法で結晶を育成する場合、基板とＬＰＥ膜
との格子定数を合わせなければならない制約を受ける。
本発明者等が開発した組成式Ｇｄ_3-y Ｎｄ_y Ｓｃ₂ Ｇａ
₃ Ｏ₁₂（但し、１．０≦ｙ≦１．４）で示される非磁性
ガーネット基板は、格子定数ａが、１２．６１Å≦ａ≦
１２．６３Åであり、上記磁性ガーネット単結晶のＬＰ
Ｅ法による成膜に最適である。

【００１１】

【作用】上記のように、（ＮｄＢｉ）₃ Ｆｅ₅ Ｏ₁₂で表
される組成の磁性ガーネット単結晶は、格子定数ａがａ
＝１２．６２Åと大きい。そのためフラックス法による
磁性ガーネット単結晶の場合と同様、９００nm付近での
吸収のピークが短波長側にシフトする現象が生じること
が確認された。そのため９５０nm〜１０５０nmの帯域で
の吸収低減効果が生じ、性能指数が向上する。しかも、
Ｘ線回折で検査した結果、この磁性ガーネット単結晶
は、ＮｄとＢｉの置換量が変化しても、その格子定数ａ
が一定（ａ＝１２．６２Å）であることが分かり、その
ためＮｄとＢｉの置換量の異なる様々な組成の単結晶を
同一の非磁性ガーネット基板上に容易に成膜でき、且つ
成膜の際に厳密な温度制御が不要となる。

【００１２】

【実施例】はじめに引上げ法により基板となる非磁性ガ
ーネット単結晶を＜１１１＞方位で育成した。その組成
はＧｄ_1.8 Ｎｄ_1.2 Ｓｃ₂ Ｇａ₃ Ｏ₁₂であり、格子定数
ａはａ＝１２．６２Åであった。次に、この単結晶基板
を用いて、ＬＰＥ法により（ＮｄＢｉ）₃ Ｆｅ₅ Ｏ₁₂を
育成した。

【００１３】ＬＰＥ膜の原料として、Ｎｄ₂ Ｏ₃ ，Ｆｅ
₂ Ｏ₃ ，Ｂｉ₂ Ｏ₃ ，ＰｂＯ，Ｂ₂Ｏ₃ を用いた。まず
９５０℃で１０時間溶融し、次いで同じ９５０℃で３時
間攪拌した。その後、材料に応じた単結晶育成温度まで
下げ、ＬＰＥ法で磁性ガーネット単結晶を育成した。実
験結果の一例を表１に示す。表１において、膜厚は実際
に成膜した時の厚さであり、割れはその時の割れ発生の
有無を示している。また特性は波長９８０nm及び１０１
７nmで使用可能か否かを〇と×で表しており、以下に述
べる表２及び表３の結果に基づいている。なお、実験例
１〜６の磁性ガーネット単結晶の格子定数ａは、Ｎｄと
Ｂｉとの組成比率にかかわらず全てａ＝１２．６２Åで
一定であった。

【００１４】

【表１】

【００１５】割れの生じなかった実験例１〜５の磁性ガ
ーネット単結晶について、波長λ＝９８０nm及び１０１
７nmでの磁気光学特性（ファラデー回転係数θ_F 、吸収
係数α、性能指数Ｆ、及び４５°損失）を測定した。そ
の結果を、表２（波長λ＝９８０nmの特性）及び表３
（波長λ＝１０１７nmの特性）に示す。また比較のため
に、１３１０nm帯用の光アイソレータに現在使用されて
いるＬＰＥ法による磁性ガーネット単結晶（比較例）の
特性データを合わせて示す。なお、この比較例の組成
は、Ｔｂ_1.85Ｂｉ_1.15Ｆｅ_4.75Ａｌ_0.25Ｏ₁₂である。

【００１６】

【表２】

【００１７】

【表３】

【００１８】表２及び表３から、実験例１〜５は全て比
較例よりも特性が良い。しかし、その絶対値を見てみる
と、表２の実験例１は４５°損失が５．６ｄＢと大き
い。現在、９８０nmの励起光用半導体レーザの出力は１
２０ｍＷが限界である。これ以上の高出力では寿命や安
定性に問題がある。そして、エルビウムドープファイバ
への入力パワーは３０ｍＷは必要である。この差は６ｄ
Ｂであるが、ファイバへの結合損失（２ｄＢ程度）を考
慮すると、ファラデー素子となる磁性ガーネット単結晶
膜の損失は４ｄＢ以下でなければならないことになる。
従って、表２の実験例１では損失が大きすぎて光アイソ
レータとしては不適当である。このことから、Ｂｉ置換
量ｘの下限は０．５となる。

【００１９】またＢｉ置換量ｘが多くなるほどファラデ
ー回転係数が大きくなるが、表１に示すように、Ｂｉ置
換量ｘが２．０の試料（実験例６）は、割れが生じた。
このことから、Ｂｉ置換量ｘの上限は１．９となる。こ
れらのことから、各表において実験例２〜５が本発明品
ということになる。

【００２０】図１にＬＰＥ膜の吸収スペクトルを示す。
実線は本発明品を示し、点線は比較例を示す。この図１
より、９００nm付近の吸収ピークが短波長側にシフトし
ていることが分かる。そして、９００〜１０５０nmにお
いて、本発明品は比較例より吸収係数が低減しているこ
とが分かる。しかし、その絶対値を見ると、９００nm付
近は非常に大きい。実験例１〜５の中で最も性能が優れ
ている実験例５について、ファラデー回転子に必要な４
５°損失の波長依存性を図２に示す。前記のように、光
アイソレータとして使用可能な損失の上限を４ｄＢとす
ると、使用可能な波長の下限は９５０nmとなる。１０５
０nmより大きな波長帯では、比較例とほとんど変わりが
ない。

【００２１】次に、非磁性ガーネット単結晶基板の組成
を変えることで格子定数を変えて、ＬＰＥ膜を育成し
た。育成したＬＰＥ膜は、実験例２の組成である。その
結果を表４に示す。非磁性ガーネット単結晶基板の組成
は、Ｇｄ_3-y Ｎｄ_y Ｓｃ₂ Ｇａ₃ Ｏ₁₂である。表４で、
膜厚は上記の基板上に育成したＬＰＥ膜の厚さである。
この結果、好ましい組成は１．０≦ｙ≦１．４であり、
格子定数は１２．６１Å≦ａ≦１２．６３であることが
分かる。

【００２２】

【表４】

【００２３】

【発明の効果】本発明は上記のように、格子定数ａが１
２．６１Å≦ａ≦１２．６３Åである非磁性ガーネット
基板上にＬＰＥ成長させた、組成式がＮｄ_3-x Ｂｉ_x Ｆ
ｅ₅ Ｏ₁₂（０．５≦ｘ≦１．９）で示される磁性ガーネ
ット単結晶からなる磁気光学素子材料であるから、特に
波長９５０〜１０５０nm帯において性能指数が向上し、
その波長帯域の光アイソレータとして十分使用可能な材
料が得られた。これによって、プラセオジウムドープフ
ァイバの励起光波長１０１７nm、及びエルビウムドープ
ファイバの励起光波長９８０nmに用いる光アイソレータ
が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明品と比較例の吸収スペクトルを示す図。

【図２】Ｎｄ_1.1 Ｂｉ_1.9 Ｆｅ₅ Ｏ₁₂の４５°損失の波
長依存性を示すグラフ。

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 格子定数ａが１２．６１Å≦ａ≦１２．
   ６３Åである非磁性ガーネット基板上に液相エピタキシ
   ャル成長させた、組成式がＮｄ_3-x Ｂｉ_x Ｆｅ₅ Ｏ
   ₁₂（但し、０．５≦ｘ≦１．９）で示される磁性ガーネ
   ット単結晶からなる磁気光学素子材料。
2. 【請求項２】 波長９５０〜１０５０nm帯で使用する請
   求項１記載の磁気光学素子材料。
3. 【請求項３】 組成式がＧｄ_3-y Ｎｄ_y Ｓｃ₂ Ｇａ₃ Ｏ
   ₁₂（但し、１．０≦ｙ≦１．４）で示される非磁性ガー
   ネット基板を用いる請求項１又は２記載の磁気光学素子
   材料。