JP2867736B2 - Magneto-optical material, method of manufacturing the same, and optical element using the same - Google Patents

Magneto-optical material, method of manufacturing the same, and optical element using the same

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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、波長特性が極めて良好
な磁気光学材料、その製造法およびそれを用いた光アイ
ソレータ、光サーキュレータ、磁界センサ、光スイッチ
等の光素子に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a magneto-optical material having extremely good wavelength characteristics, a method of manufacturing the same, and an optical element such as an optical isolator, an optical circulator, a magnetic field sensor, and an optical switch using the magneto-optical material.

【0002】[0002]

【従来の技術】光通信においては1.3μm帯および
1.55μm帯の長波長用の光アイソレータ等の光素子
には、フラックス法やフローティングゾーン法によって
製造されたファラデー効果の大きいビスマス置換ガドリ
ニウム鉄ガーネット(Gd3-x BiX Fe5 12;以
下、GdBiIGと記載する。)やイットリウム鉄ガー
ネット( 以下、YIGと記載する。)単結晶を用いたフ
ァラデー回転子が使用されている。
2. Description of the Related Art In optical communications, optical elements such as 1.3 μm and 1.55 μm long wavelength optical isolators are bismuth-substituted gadolinium irons having a large Faraday effect and manufactured by a flux method or a floating zone method. garnet (Gd 3-x Bi X Fe 5 O 12;. hereinafter referred to as GdBiIG) or yttrium iron garnet (. hereinafter referred to as YIG) the Faraday rotator using a single crystal is used.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、GdB
iIGやYIGはファラデー回転係数の波長変化が大き
いために、光源の波長が変わると光アイソレータ等の光
素子の特性が劣化したり、あるいは使用できないという
欠点があった。したがって、光源の波長が変化しても特
性の劣化の少ない光素子の開発が望まれている。
However, GdB
Since iIG and YIG have a large change in the wavelength of the Faraday rotation coefficient, if the wavelength of the light source changes, the characteristics of an optical element such as an optical isolator are degraded or cannot be used. Therefore, there is a demand for the development of an optical element with less deterioration in characteristics even when the wavelength of the light source changes.

【0004】[0004]

【課題を解決するための手段】本発明者等は、光通信に
使用する波長においてファラデー回転係数の波長変化が
少ない磁気光学材料を開発することおよび広い波長帯域
で特性の良好な光アイソレータ等の光素子を開発するこ
とを目的として、種々の希土類鉄ガーネットを育成して
その磁気光学効果の測定を行った結果、ビスマス、およ
びアルミニウム、クロムまたはインジウムで置換したテ
ルビウム鉄ガーネット(Tb3 Fe5 12;以下、Tb
IGと記載する。)およびそれを用いた光素子によって
上記の目的が達成できることを見出し、本発明に到達し
た。
SUMMARY OF THE INVENTION The present inventors have developed an optical communication system.
The wavelength change of the Faraday rotation coefficient at the wavelength used
Developing less magneto-optic material and wider wavelength band
To develop optical devices such as optical isolators with good characteristics.
For the purpose of growing various rare earth iron garnets,
As a result of measuring the magneto-optical effect, bismuth and
And aluminum, chromium or indium
Rubium iron garnet (TbThreeFeFiveO 12Hereinafter, Tb
Described as IG. ) And the optical element using it
Having found that the above objects can be achieved,
Was.

【0005】即ち、本発明の要旨は、主成分組成が、T
3-x Bix Fe5-y y 12(式中、Mはアルミニウ
ム、クロムまたはインジウムであり、xは0.22≦x
≦0.55であり、yは0<y≦0.3である。)であ
ることを特徴とする磁気光学材料、その製造法およびそ
れを用いた光素子に存する。
That is, the gist of the present invention is that the main component composition is T
b in 3-x Bi x Fe 5- y M y O 12 ( wherein, M is aluminum, chromium, or indium, x is 0.22 ≦ x
≤ 0.55, and y is 0 <y ≤ 0.3. ), A method of manufacturing the same, and an optical element using the same.

【0006】以下、本発明を詳細に説明する。本発明に
おいては、ファラデー回転係数の波長変化率をFWCと
略記した。また、1.55μmの波長におけるFWC
は、半導体レーザーの通常の使用条件下における波長変
化が0.02μm以下であることを考慮して下記式で定
義した。式中、θF 1.55及びθF 1.57は、それぞれ1.
55μm及び1.57μmにおけるファラデー回転係数
である。
Hereinafter, the present invention will be described in detail. In the present invention, the wavelength change rate of the Faraday rotation coefficient is abbreviated as FWC. FWC at a wavelength of 1.55 μm
Is defined by the following equation in consideration of the fact that the wavelength change under normal use conditions of the semiconductor laser is 0.02 μm or less. In the formula, θ F 1.55 and θ F 1.57 are each 1.
The Faraday rotation coefficients at 55 μm and 1.57 μm.

【0007】 FWC=|(θF 1.55−θF 1.57)/θF 1.55×100| 本発明の磁気光学材料は、主成分組成が、Tb3-x Bi
x Fe5-y y 12(式中、Mはアルミニウム、クロム
またはインジウムである。)で表されるビスマス、およ
びアルミニウム、クロムまたはインジウムで置換したT
bIGである。
FWC = | (θ F 1.55 −θ F 1.57 ) / θ F 1.55 × 100 | In the magneto-optical material of the present invention, the main component composition is Tb 3-x Bi
x Fe 5-y M y O 12 ( wherein, M is aluminum, chromium, or indium.) bismuth represented by, and aluminum was replaced with chromium or Indium T
bIG.

【0008】ビスマス置換量は、1分子当り0.22以
上0.55以下の範囲である。また、アルミニウム、ク
ロムまたはインジウムの置換量は、1分子当り0.3以
下の範囲である。本発明のビスマス、およびアルミニウ
ム、クロムまたはインジウムで置換したTbIGは、単
結晶をフラックス法、液相エピタキシャル法、ブリッジ
マン法、チョクラルスキー法等によって育成することが
できる。また、焼結法により多結晶体として製造するこ
ともできる。特に、単結晶をフラックス法および液相エ
ピタキシャル法によって育成するのが好ましい。
[0008] The bismuth substitution amount is in the range of 0.22 to 0.55 per molecule. The substitution amount of aluminum, chromium or indium is in the range of 0.3 or less per molecule. The bismuth of the present invention and TbIG substituted with aluminum, chromium or indium can be grown from a single crystal by a flux method, a liquid phase epitaxial method, a Bridgman method, a Czochralski method, or the like. Moreover, it can also be manufactured as a polycrystalline body by a sintering method. In particular, it is preferable to grow a single crystal by a flux method and a liquid phase epitaxial method.

【0009】フラックス法の場合は、酸化鉛(Pb
O)、酸化ホウ素(B2 5 )、フッ化鉛(Pb
2 )、酸化ビスマス(Bi2 3 )、フッ化カリウム
(KF)等の融剤(フラックス)に結晶原料を溶解し、
高温で飽和溶液を作り、この溶液を徐冷することによっ
て単結晶を析出、育成させる。液相エピタキシャル法の
場合は、Gd3 Ga5 12、(GdCa)3 (GaMgZ
r)512、Sm3 Ga5 12等の非磁性ガーネット基板
に、フラックス法の場合と同様に調製した飽和溶液を接
触させることによって基板上に単結晶膜をエピタキシャ
ル成長させる。この場合、基板と単結晶膜の格子定数の
差が大きいと単結晶膜にクラックが発生するため、成長
させる単結晶膜の格子定数に合致した基板を選択する必
要がある。
In the case of the flux method, lead oxide (Pb
O), boron oxide (B 2 O 5 ), lead fluoride (Pb
F 2 ), bismuth oxide (Bi 2 O 3 ), potassium fluoride (KF), etc.
A saturated solution is prepared at a high temperature, and a single crystal is deposited and grown by gradually cooling the solution. In the case of the liquid phase epitaxial method, Gd 3 Ga 5 O 12 , (GdCa) 3 (GaMgZ
r) to 5 O 12, Sm 3 Ga 5 nonmagnetic garnet substrate of O 12 or the like, a single crystal film is epitaxially grown on the substrate by contacting the saturated solution prepared as in the case of the flux method. In this case, if the difference in lattice constant between the substrate and the single crystal film is large, cracks occur in the single crystal film. Therefore, it is necessary to select a substrate that matches the lattice constant of the single crystal film to be grown.

【0010】このようにして得られたビスマス、および
アルミニウム、クロムまたはインジウムで置換したTb
IGを用いると、光源の波長が変化しても特性の劣化が
少なく、広い波長帯域で特性が良好な光素子を製造する
ことができる。このような光素子としては、光アイソレ
ータ、光サーキュレータ、光スイッチ及び磁界センサを
挙げることができる。
The bismuth thus obtained and Tb substituted with aluminum, chromium or indium
When an IG is used, even if the wavelength of the light source changes, there is little deterioration in characteristics, and an optical element having good characteristics in a wide wavelength band can be manufactured. Examples of such an optical element include an optical isolator, an optical circulator, an optical switch, and a magnetic field sensor.

【0011】[0011]

【実施例】以下、実施例により本発明を詳細に説明する
が、本発明はその要旨を越えない限り実施例により限定
されるものではない。 実施例1 Tb2.64Bi0.36Fe4.95Al0.0512の組成を有する
単結晶をフラックス法により育成した。得られた単結晶
の波長1.55μmにおけるファラデー回転係数は−3
62deg/cm、FWCは1.2%であった。 実施例2 Tb2.46Bi0.54Fe4.85Al0.1512の組成を有する
単結晶をフラックス法により育成した。得られた単結晶
の波長1.55μmにおけるファラデー回転係数は−6
00deg/cm、FWCは1.7%であった。
EXAMPLES The present invention will be described in detail below with reference to examples, but the present invention is not limited to the examples unless it exceeds the gist. Example 1 A single crystal having a composition of Tb 2.64 Bi 0.36 Fe 4.95 Al 0.05 O 12 was grown by a flux method. The Faraday rotation coefficient at a wavelength of 1.55 μm of the obtained single crystal was −3.
62 deg / cm and FWC were 1.2%. Example 2 A single crystal having a composition of Tb 2.46 Bi 0.54 Fe 4.85 Al 0.15 O 12 was grown by a flux method. The Faraday rotation coefficient at a wavelength of 1.55 μm of the obtained single crystal was −6.
00deg / cm and FWC were 1.7%.

【0012】実施例3 Tb2.76Bi0.24Fe4.75Al0.2512の組成を有する
単結晶をフラックス法により育成した。得られた単結晶
の波長1.55μmにおけるファラデー回転係数は−1
80deg/cm、FWCは0.2%であった。 実施例4 Sm3 Ga5 12単結晶基板上に、PbO−Bi2 3
系融剤からTb2.66Bi0.34Fe4.95In0.0512の組
成を有する単結晶膜を液相エピタキシャル法により育成
した。得られた単結晶膜の波長1.55μmにおけるフ
ァラデー回転係数は−335deg/cm、FWCは
1.1%であった。
Example 3 A single crystal having a composition of Tb 2.76 Bi 0.24 Fe 4.75 Al 0.25 O 12 was grown by a flux method. The Faraday rotation coefficient at a wavelength of 1.55 μm of the obtained single crystal was −1.
80 deg / cm and FWC were 0.2%. Example 4 PbO—Bi 2 O 3 was deposited on an Sm 3 Ga 5 O 12 single crystal substrate.
A single crystal film having a composition of Tb 2.66 Bi 0.34 Fe 4.95 In 0.05 O 12 was grown from a system flux by a liquid phase epitaxial method. The Faraday rotation coefficient at a wavelength of 1.55 μm of the obtained single crystal film was −335 deg / cm, and the FWC was 1.1%.

【0013】実施例5 Sm3 Ga5 12単結晶基板上に、PbO−Bi2 3
系融剤からTb2.75Bi0.25Fe4.85In0.1512の組
成を有する単結晶膜を液相エピタキシャル法により育成
した。得られた単結晶膜の波長1.55μmにおけるフ
ァラデー回転係数は−205deg/cm、FWCは
0.3%であった。 実施例6 Sm3 Ga5 12単結晶基板上に、PbO−Bi2 3
系融剤からTb2.66Bi0.34Fe4.95Cr0.0512の組
成を有する単結晶膜を液相エピタキシャル法により育成
した。得られた単結晶膜の波長1.55μmにおけるフ
ァラデー回転係数は−331deg/cm、FWCは
1.0%であった。
EXAMPLE 5 PbO—Bi 2 O 3 was deposited on a single crystal substrate of Sm 3 Ga 5 O 12.
The single crystal film having a composition of Tb 2.75 Bi 0.25 Fe 4.85 In 0.15 O 12 from KeiToruzai were grown by liquid phase epitaxial method. The Faraday rotation coefficient at a wavelength of 1.55 μm of the obtained single crystal film was −205 deg / cm, and the FWC was 0.3%. Example 6 PbO—Bi 2 O 3 was deposited on an Sm 3 Ga 5 O 12 single crystal substrate.
A single crystal film having a composition of Tb 2.66 Bi 0.34 Fe 4.95 Cr 0.05 O 12 was grown from a system flux by a liquid phase epitaxial method. The Faraday rotation coefficient at a wavelength of 1.55 μm of the obtained single crystal film was −331 deg / cm, and the FWC was 1.0%.

【0014】比較例1 Y3 Fe5 12の組成を有する単結晶を(YIG)フラ
ックス法により育成した。得られた単結晶の波長1.5
5μmにおけるファラデー回転係数は176deg/c
m、FWCは1.9%であった。 比較例2 Sm3 Ga5 12単結晶基板上に、PbO−Bi2 3
系融剤からTb2.82Bi0.18Fe5 12の組成を有する
単結晶膜を液相エピタキシャル法により育成した。得ら
れた単結晶の波長1.55μmにおけるファラデー回転
係数は−104deg/cm、FWCは5.9%であっ
た。
Comparative Example 1 A single crystal having a composition of Y 3 Fe 5 O 12 was grown by a (YIG) flux method. The wavelength of the obtained single crystal is 1.5
The Faraday rotation coefficient at 5 μm is 176 deg / c
m and FWC were 1.9%. Comparative Example 2 PbO—Bi 2 O 3 was formed on an Sm 3 Ga 5 O 12 single crystal substrate.
A single crystal film having a composition of Tb 2.82 Bi 0.18 Fe 5 O 12 was grown from a system flux by a liquid phase epitaxial method. The Faraday rotation coefficient at a wavelength of 1.55 μm of the obtained single crystal was −104 deg / cm, and the FWC was 5.9%.

【0015】比較例3 Tb2.60Bi0.40Fe4.65Al0.3512の組成を有する
単結晶をフラックス法により育成した。得られた単結晶
の波長1.55μmにおけるファラデー回転係数は−3
52deg/cm、FWCは2.1%であった。 比較例4 Tb2.25Bi0.75Fe4.95Al0.0512の組成を有する
単結晶をフラックス法により育成した。得られた単結晶
の波長1.55μmにおけるファラデー回転係数は−9
00deg/cm、FWCは2.0%であった。
Comparative Example 3 A single crystal having a composition of Tb 2.60 Bi 0.40 Fe 4.65 Al 0.35 O 12 was grown by a flux method. The Faraday rotation coefficient at a wavelength of 1.55 μm of the obtained single crystal was −3.
52 deg / cm and FWC were 2.1%. Comparative Example 4 A single crystal having a composition of Tb 2.25 Bi 0.75 Fe 4.95 Al 0.05 O 12 was grown by a flux method. The Faraday rotation coefficient at a wavelength of 1.55 μm of the obtained single crystal was −9.
00deg / cm and FWC were 2.0%.

【0016】[0016]

【発明の効果】本発明によれば、波長1.55μm帯と
いう光通信に使用する実用的な波長においてファラデー
回転係数の波長変化が非常に小さい磁気光学素子が得ら
れるため、半導体レーザー等の光源の発振波長が変化し
ても性能の劣化が小さい光アイソレータ、光スイッチ、
光サーキュレータ、磁界センサー等の光素子を製造する
ことができ、工業上非常に有用である。
According to the present invention, it is possible to obtain a magneto-optical element having a very small change in the Faraday rotation coefficient at a practical wavelength of 1.55 .mu.m, which is a practical wavelength used for optical communication. Optical isolators, optical switches,
Optical elements such as optical circulators and magnetic field sensors can be manufactured, and are extremely useful in industry.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 玉城 孝彦 東京都世田谷区砧一丁目10番11号 日本 放送協会放送技術研究所内 (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G02F 1/09 501 C01G 49/00 C30B 9/04 C30B 19/02 C30B 29/28 G02B 27/28 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continued on the front page (72) Inventor Takahiko Tamaki 1-10-11 Kinuta, Setagaya-ku, Tokyo Japan Broadcasting Corporation Research Institute of Broadcasting Technology (58) Field surveyed (Int.Cl. 6 , DB name) G02F 1 / 09 501 C01G 49/00 C30B 9/04 C30B 19/02 C30B 29/28 G02B 27/28

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 主成分組成が、Tb3-x Bix Fe5-y
y 12(式中、Mはアルミニウム、クロムまたはイン
ジウムであり、xは0.22≦x≦0.55であり、y
は0<y≦0.3である。)であることを特徴とする磁
気光学材料。
1. The method according to claim 1, wherein the main component composition is Tb 3-x B x Fe 5-y
M y O 12 , wherein M is aluminum, chromium or indium, x is 0.22 ≦ x ≦ 0.55, and y
Is 0 <y ≦ 0.3. ) Is a magneto-optical material.
【請求項2】 主成分組成が、Tb3-x Bix Fe5-y
y 12(式中、Mはアルミニウム、クロムまたはイン
ジウムであり、xは0.22≦x≦0.55であり、y
は0<y≦0.3である。)である単結晶をフラックス
法で製造することを特徴とする磁気光学材料の製造法。
2. The composition of a main component having a composition of Tb 3-x B x Fe 5-y
M y O 12 , wherein M is aluminum, chromium or indium, x is 0.22 ≦ x ≦ 0.55, and y
Is 0 <y ≦ 0.3. A) producing a single crystal by a flux method.
【請求項3】 主成分組成が、Tb3-x Bix Fe5-y
y 12(式中、Mはアルミニウム、クロムまたはイン
ジウムであり、xは0.22≦x≦0.55であり、y
は0<y≦0.3である。)である単結晶膜を液相エピ
タキシャル法で製造することを特徴とする磁気光学材料
の製造法。
3. The main component composition is Tb 3-x B x Fe 5-y
M y O 12 , wherein M is aluminum, chromium or indium, x is 0.22 ≦ x ≦ 0.55, and y
Is 0 <y ≦ 0.3. A) producing a single crystal film by a liquid phase epitaxial method.
【請求項4】 特許請求の範囲第1項記載の磁気光学材
料を用いることを特徴とする光素子。
4. An optical element using the magneto-optical material according to claim 1.
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