JP3953812B2 - Hard magnetic garnet material, Faraday rotator, optical isolator and optical communication system - Google Patents

Hard magnetic garnet material, Faraday rotator, optical isolator and optical communication system Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信システムに用いられる硬磁性ガーネット材料、ファラデー回転子、ファラデー回転子を用いた光アイソレータ等の光デバイス、さらには光デバイスを備えた光通信システムに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
現在、伝送容量の小さい電気通信に対して、光通信の普及が加速している。その理由は、以下説明するように、光通信は、高速大容量伝送が可能であること、中継器が少なくて済むために長距離伝送に有利であること、さらに電磁ノイズの影響を受けないことに集約される。
光は、TV・ラジオ放送あるいは無線通信で使用されている電波と電磁波である点で一致する。しかし、光通信で使用される電磁波の周波数は約200THzで、衛星放送(約10GHz)の約20000倍にあたる。周波数が高いということは、波長が短いことを意味し、それだけ多くの信号を高速で伝送できることになる。ちなみに、光通信で使用される電磁波の波長(中心波長)は、1.31μm(1310nm)および1.55μm(1550nm)である。
光通信に使用される光ファイバは、よく知られているように、屈折率の異なるガラスの二重構造をなしている。中心のコアを通る光はコア内部で反射を繰り返すので、たとえ光ファイバが曲がっていたとしても正確に信号が伝送される。しかも、光ファイバには透明度の高い高純度石英ガラスが使用されているため、光通信は、1kmあたり0.2dB程度しか減衰しない。したがって、増幅器を介することなく約100kmの伝送が可能であり、電気通信に比べて中継器の数を低減することができる。
電気通信ではEMI(電磁障害)が問題になるが、光ファイバを使った通信は、電磁誘導によるノイズの影響を受けない。そのため、極めて高品質な情報伝送が可能である。
【0003】
現在の光通信システムは、電気信号を光送信器のLD(レーザ・ダイオード)で光信号に変換し、この光信号を光ファイバで伝送してから、光受信器のPD(フォト・ダイオード)で電気信号に変換する。このように、光通信システムに不可欠な要素は、LD、PD、光ファイバおよび光コネクタである。比較的低速かつ近距離の通信システムはともかく、高速かつ長距離の通信システムにおいては、以上の要素のほかに、光増幅器、光分配器などの光伝送機器、これら機器に適用される光アイソレータ、光カプラ、光分波器、光スイッチ、光変調器、光減衰器などの光部品が必要となる。
【0004】
高速・長距離伝送、あるいは多分岐の光通信システムで、とりわけ重要となるのは光アイソレータである。現在の光通信システムにおいて、光アイソレータは、光送信器のLDモジュールおよび中継器の中で使用されている。光アイソレータは、電磁波を一方向にだけ伝え、途中で反射して戻ってくる電磁波を阻止する役割を持った光部品である。光アイソレータは、磁気光学効果の一種であるファラデー効果を応用したものである。ファラデー効果とは、ファラデー効果を示す材料、すなわち希土類鉄ガーネット単結晶膜などのファラデー回転子を透過した光の偏波面が回転する現象をいう。ファラデー効果のように、光の偏波方向が回転する性質を旋光性と呼ぶが、通常の旋光性と異なって、ファラデー効果においては、光の進行方向を逆にしても元に戻らずに、さらに偏波方向が回転する。ファラデー効果によって光の偏波方向が回転する現象を利用した素子をファラデー回転子という。
【0005】
LDモジュールを例にして光アイソレータの機能を説明する。
LDは、光ファイバと一体化したLDモジュールとして光送信器に組み込まれる。光アイソレータは、LDと光ファイバの間に配置され、ファラデー効果を応用してLDへの反射戻り光を防止する機能を果たす。反射戻り光とは、LDから出射した光が光コネクタなどの部品でわずかに反射して戻ってくる光をいう。反射戻り光はLDに対してノイズの原因となる。光を一方向だけに通す光アイソレータは、このノイズを除去して通信品質を維持する。
【0006】
光送信器のLDの場合、LDから出射される光の振動方向(偏波方向)は1方向に決まっているので、構造の簡易な偏波依存型の光アイソレータが用いられる。従来の偏波依存型の光アイソレータ10の基本構成を図6に示す。光アイソレータ10は、ガーネット単結晶膜から構成されるファラデー回転子11と、ファラデー回転子11を取り囲みかつファラデー回転子11を磁化するための円筒状の永久磁石12と、ファラデー回転子11の表裏両面に配置される偏光子13,14とから構成される。この偏光子13と14とは、45°の相対角度をもって配置される。
なお、光アイソレータ10において、光が進む方向を順方向と、また反射して戻る方向を逆方向と呼ぶことにする。
【0007】
次に、図7(永久磁石の記載を省略してある)に基づいて、光アイソレータ10が逆方向の光の通過を阻止する仕組みについて説明する。なお、図7(a)は順方向の光が光アイソレータ10を通過する様子を示し、図7(b)は逆方向の光が光アイソレータ10の通過を阻止される様子を示す図である。
図7(a)に示すように、順方向においては、偏光子13を通過した直線偏光はファラデー回転子11により45°回転し、45°の相対角度をもって配置される偏光子14を通過する。一方、図7(b)に示すように、逆方向においては、偏光子14を通過した直線偏光はファラデー回転子11によりさらに45°回転するため、偏光子13を通過することができなくなる。
以上ではLDモジュールに使用される偏波依存型の光アイソレータについて説明したが、光増幅器に用いられる光アイソレータのように、偏波無依存型のものもある。光増幅器の場合、光アイソレータに光ファイバから直接光が入射されるので、偏波方向を特定できない。そのために、偏波無依存型の光アイソレータが開発された。その基本構成はよく知られているため、ここでの説明は省略する。また、本願発明において、単に光アイソレータというときは、偏波依存型および偏波無依存型の両者を包含する概念を有している。
【0008】
ファラデー回転子は光アイソレータの性能を左右する。したがって、ファラデー回転子を構成する材料の特性が、高性能な光アイソレータを得るために重要となる。ファラデー回転子を構成する材料を選択する上で重要な点は、使用波長(光ファイバの場合、1310nm,1550nm)におけるファラデー回転角が大きいこと、および透明度が高いことである。このような条件を具備する材料として、当初にはYIG(イットリウム鉄ガーネット,Y3Fe512)が用いられていたが、量産性、小型化の点で不十分であった。
その後、ガーネット型結晶の希土類サイトをビスマス(Bi)で置換するとファラデー回転能が飛躍的に向上することが見出され、以後はこのBi置換希土類鉄ガーネット単結晶がファラデー回転子に用いられるようになった。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来のビスマス置換型希土類鉄ガーネット単結晶は、飽和磁場以上の磁場中でファラデー回転角が一定の値を示すものであった。そして、飽和磁場未満の大きさの磁場中においては、ファラデー回転角が磁場の大きさに比例し、外部磁場を取り除くとファラデー効果が消失していた。そのために、図6に示したように、従来の光アイソレータ10においては、飽和磁場以上の磁場をファラデー回転子11に印加するための永久磁石12が配設されていた。
光アイソレータ10についても、他の機器、部品と同様に小型化、低コスト化の要望がある。しかし、この永久磁石12の存在が、光アイソレータ10の小型化、低コスト化を妨げていたといえる。
【0010】
従来のビスマス置換型希土類鉄ガーネット単結晶は、外部磁場を取り除くとファラデー効果が消失してしまうことから、軟磁性材料ということができる。そのために、永久磁石の配設が不可欠であった。ところが、ビスマス置換型希土類鉄ガーネット単結晶に対して、硬磁性、つまり外部磁界を取り除いてもファラデー回転角を維持できる性質(ラッチング)を付与することができれば、永久磁石の配設を省略することができる。永久磁石の省略は、光アイソレータあるいはファラデー効果を利用する種々の機器、部品の小型化、低コスト化をもたらす。そのため、ビスマス置換型希土類鉄ガーネット単結晶の開発が行われている。
【0011】
例えば、特開平6−222311号公報には、LPE(Liquid Phase Epitaxial)法によって育成されたビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜において、前記単結晶膜は、化学組成がGdxyBi3-x-y Fe5-z (AlGa)z12(ただし、RはLa,Ce,Pr,Nd,Sm,Eu,Tb,Dy,Er,Tm,Yb,Lu,Yのうちの少なくとも一種であり、x,y,zはそれぞれ1.0≦x≦2.5、0≦y≦1.9、0.5≦z≦2.0の数である。)で示され、前記単結晶膜面と交差する方向に外部磁界を印加し磁気飽和させたのち当該外部磁界を除去しても、磁気飽和させた際のファラデー回転効果を保持するビスマス置換型希土類鉄ガーネット単結晶膜が開示されている。この単結晶膜は、飽和磁化以上の外部磁界を印加すると、外部磁界を取り除いても、ファラデー回転角が維持されることが示されている。ただし、このビスマス置換型希土類鉄ガーネット単結晶膜として具体的に開示されているのは、Gd1.8Bi1.2 Fe4.0 Al0.5Ga0.5 12単結晶膜のみであって、他の具体的な単結晶膜の開示はない。
【0012】
また、特開平9−185027号公報には、下記組成を有する硬磁性ビスマス置換型希土類鉄ガーネット単結晶膜が開示されている。なお、特開平9−185027号公報においては、Gd、TbおよびDyの含有を避けるべきであることの指摘がある。
Bi1Eu1Ho1Fe4 Ga1 12
Bi0.75Eu1.5Ho0.75Fe4.1 Ga0.9 12
Bi1Eu2Fe4 Ga0.5Al0.5 12
【0013】
さらに、特開平9−328398号公報には、LPE法で育成された、Tb3-xBixFe 5-y-zGayAlz12(式中、 1.1≦x≦1.5 、0.65≦y+z≦1.2 、z≦y) の化学組成で示されるビスマス置換型希土類鉄ガーネット単結晶膜を磁化処理してなる角形ヒステリシスを示すファラデー回転子が、また、特開平10−31112号公報にはLPE法で育成された、Tb3-x-yHoxBiyFe 5-x-wGazAlw12(式中、 0.40≦x≦0.70 、1.30≦y≦1.55、0.7≦z+w≦1.2 、0≦w/z≦0.3)化学組成で示されるビスマス置換型希土類鉄ガーネット単結晶膜を磁化処理してなる角形ヒステリシスを示すファラデー回転子が開示されている。
【0014】
以上のように、硬磁性を備えるビスマス置換型希土類鉄ガーネット単結晶膜が提案されている。しかし、上述したビスマス置換型希土類鉄ガーネット単結晶膜は、硬磁性を発現するか否かの基本的な検討に留まっており、ファラデー回転子として要求されるファラデー回転能、ファラデー回転角の温度特性、波長特性、あるいは挿入損失についての言及はない。
ファラデー回転子の実用化にとって、上記ファラデー回転能、温度特性、波長特性および挿入損失は重要な特性である。そこで本発明は、ファラデー回転能、温度特性、波長特性および挿入損失に優れた硬磁性ビスマス置換型希土類鉄ガーネット材料の提供を課題とする。
また、本発明は、ファラデー回転能、温度特性、波長特性および挿入損失に優れた硬磁性ビスマス置換型希土類鉄ガーネット材料から構成されるファラデー回転子の提供を課題とする。
さらに、本発明は、ファラデー回転能、温度特性、波長特性および挿入損失に優れた硬磁性ビスマス置換型希土類鉄ガーネット材料からなるファラデー回転子を備えた光アイソレータの提供を課題とする。
さらにまた本発明は、そのような光アイソレータを備えた光通信システムの提供を課題とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】
前述のように、ファラデー回転子の実用化にとって、ファラデー回転能、温度特性、波長特性および挿入損失は重要な特性である。
ここで、ファラデー回転角は、ファラデー回転子を構成する材料の厚さに比例し、単位厚さあたりの回転角をファラデー回転能と呼ぶ。光アイソレータに用いられるファラデー回転子の回転角は45°であるから、ファラデー回転能が大きいほどファラデー回転子の厚さを薄くでき、小型化にとって有利となる。
光アイソレータは、恒温状態で使用されるわけではなく、例えば、−40℃〜+85℃の温度範囲における動作保証が必要である。ファラデー回転角の温度依存性が小さいほど、より広い温度範囲での使用が可能となる。そのために、ファラデー回転角の温度依存性、つまり温度特性もまた重要な特性となる。
現在光アイソレータで使用される光の波長は、1310nmまたは1550nmであるが、これはあくまで中心波長である。つまり、実際にLDから出射される光の波長には所定の幅が存在している。したがって、ファラデー回転角の波長依存性、つまり波長特性も必要な特性である。とりわけ、光通信の波長多重化による大容量伝送技術の採用に際しては、極めて重要な特性となる。
また、入射光に対する出射光の減衰分を挿入損失と呼ぶ。高品質な情報伝送を確保するために、ファラデー回転子においては、挿入損失を低減することが要求される。ファラデー回転子における挿入損失は、ファラデー回転子を構成する材料の光吸収損失と、当該材料と空気との屈折率の違いによる界面の反射損失からなる。ところが、反射損失は、ファラデー回転子表面に無反射コーティングを施すことにより、無視できる程度まで低減できる。したがって、光アイソレータの挿入損失は、ファラデー回転子の光吸収損失になる。この光吸収損失は、ビスマス置換型希土類鉄ガーネット材料を構成するイオンの光吸収により決定される。
【0016】
本発明者は、硬磁性を示し、かつ優れたファラデー回転能、温度特性、波長特性および挿入損失を実現するための検討を行った。その結果、ビスマス置換型希土類鉄ガーネット材料において、希土類サイトにGd、TbおよびYbを必ず含むこれまでにない新規な組成が有効であることを知見した。本発明はこの知見に基づくものであり、(Bi3−x−y−zGdTbYb)Fe( 5−w )12の化学組成(ただし、M=Ga、Al、Ge、Sc、In、SiおよびTiの一種または二種以上、0.1≦x≦1.5、0.3≦y≦2.0、0.1≦z≦1.5、0.5≦x+y+z≦2.5、0.4≦w≦1.5)を有し、角形の磁気ヒステリシスを示すことを特徴とする硬磁性ガーネット材料である。
本発明の硬磁性ガーネット材料において、1.0≦x+y+z≦2.3とすることが望ましい。
【0017】
本発明の硬磁性ガーネット材料は、−40℃〜+85℃の温度範囲、波長1550nmにおけるファラデー回転能を700°/cm以上とすることができる。また、本発明の硬磁性ガーネット材料は、前記硬磁性ガーネット材料が示す飽和磁化以上の大きさの外部磁界を印加した後に当該外部磁界を除去した後においても、前記ファラデー回転能が実質的に維持することができる。本発明の硬磁性ガーネット材料は、−40℃〜+85℃の温度範囲におけるファラデー回転角の温度特性を、その狙い値の13%以下とすることができる。さらに、本発明の硬磁性ガーネット材料は、室温かつ波長1500〜1600nmにおけるファラデー回転角の波長特性をその狙い値の8%以下とすることができる。さらにまた本発明の硬磁性ガーネット材料は、挿入損失を0.1dB以下とすることができる。
【0018】
本発明は以上の硬磁性ガーネット材料を適用した以下のファラデー回転子を提供する。すなわち本発明のファラデー回転子は、ビスマス置換型希土類鉄ガーネット単結晶膜を用い、入射された光の偏波面を回転させるファラデー回転子であって、前記単結晶膜は、希土類元素としてGd、TbおよびYbを必ず含み、実質的に角形の磁気ヒステリシスを示し、かつ−40℃〜+85℃の温度範囲、波長1550nmにおけるファラデー回転能が700°/cm以上であるとともに、ファラデー回転角の温度特性がその狙い値の13%以下、室温かつ波長1500〜1600nmにおけるファラデー回転角の波長特性がその狙い値の8%以下、挿入損失が0.1dB以下であることを特徴とする。
本発明のファラデー回転子における前記単結晶膜は、La,Pr,Sm,Eu,Dy,Lu,Tm,Er,Ho,YおよびCaの一種または二種以上を含むことができる。
本発明のファラデー回転子は、ファラデー回転能を800°/cm以上、温度特性をその狙い値の11%以下、波長特性をその狙い値の7%以下、挿入損失を0.07dB以下とすることができる。
【0019】
本発明は、以上のファラデー回転子を用いた以下の光アイソレータも提供する。本発明の光アイソレータは、順方向の光が入射される第1の偏光子と、前記第1の偏光子と所定間隔を隔てて対向配置され順方向の光が出射される第2の偏光子と、前記第1の偏光子と前記第2の偏光子との間に配置され、前記第1の偏光子を透過した光の偏波面を回転させて前記第2の偏光子に向けて出射するとともに、前記第2の偏光子を透過した逆方向の光の透過を阻止するファラデー回転子とを基本的な構成要素としている。本発明の光アイソレータは、前記ファラデー回転子が、(Bi3−x−y−zGdTbYb)Fe( 5−w )12の化学組成(ただし、M=Ga、Al、Ge、Sc、In、SiおよびTiの一種または二種以上、0.1≦x≦1.5、0.3≦y≦2.0、0.1≦z≦1.5、0.5≦x+y+z≦2.5、0.4≦w≦1.5)を有するビスマス置換型希土類鉄ガーネット単結晶膜から構成され、かつこのビスマス置換型希土類鉄ガーネット単結晶膜の磁気的なヒステリシスが角形を示すことを特徴としている。
【0020】
光アイソレータは、前述したように、光通信システムにおける光送信器に適用されている。本発明はこの光通信システムに本発明による光アイソレータ適用をも提案する。この提案は、電気信号から変換された光信号を発する光送信器と、前記光送信器から発せられる前記光信号を伝送する光伝送ラインと、前記光伝送ラインを介して伝送された前記光信号を受信し、かつ受信した前記光信号を電気信号に変換する光受信器とを備えた光通信システムであって、前記光発信器は、前記電気信号を前記光信号に変換する電−光変換素子と、前記電−光変換素子と前記光伝送ラインの間に配置される光アイソレータとを有し、前記光アイソレータを構成するファラデー回転子は、(Bi3−x−y−zGdTbYb)Fe( 5−w )12の化学組成(ただし、M=Ga、Al、Ge、Sc、In、SiおよびTiの一種または二種以上、0.1≦x≦1.5、0.3≦y≦2.0、0.1≦z≦1.5、0.5≦x+y+z≦2.5、0.4≦w≦1.5)を有するビスマス置換型希土類鉄ガーネット単結晶膜から構成され、かつこのビスマス置換型希土類鉄ガーネット単結晶膜の磁気的なヒステリシスが角形を示すことを特徴とする光通信システムにある。
【0021】
光通信システムにおいては、例えば光ファイバから構成される光伝送ライン上に光増幅器が配置されることがある。この光増幅器にも光アイソレータが使用される。この光アイソレータを本発明による光アイソレータとすることもできる。つまり本発明の光通信システムにおいて、前記光伝送ライン上に光増幅器が配置され、前記光増幅器は、前記光伝送ラインを伝送される光信号を受信するとともに受信した光信号の偏波面を回転させる光アイソレータと、前記光アイソレータを透過した光信号を増幅する増幅手段とを有し、前記光アイソレータを構成するファラデー回転子は、(Bi3-x-y-zGdxTbyYbz)Fe(5-w)w12の化学組成(ただし、M=Ga、Al、Ge、Sc、In、SiおよびTiの一種または二種以上、0.5≦x+y+z≦2.5,0.2≦w≦2.5)を有するビスマス置換型希土類鉄ガーネット単結晶膜から構成することができる。そして、このビスマス置換型希土類鉄ガーネット単結晶膜の磁気的なヒステリシスが角形を示すことが望ましい。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下本発明をより詳細かつ具体的に説明する。
まず本発明が適用される光通信システム1について、図1を参照しつつ説明する。
光通信システム1は、送信側と受信側との間で情報を光信号によって伝送するためのシステムである。送信側には光送信器2が、また受信側には光受信器3が配設されている。光送信器2と光受信器3とは、光ファイバからなる光伝送ライン4で接続されている。光伝送ライン4上には光増幅器5が介在している。光増幅器5は、光伝送ライン4の長さに応じた数だけ設けられる。
光送信器2は、電子回路21と、LDモジュール22とを備えている。伝送の対象となるデータを電気信号として受けた電子回路21は、所定の処理を施した後にLDモジュール22に出力する。LDモジュール22は、受けた電気信号を光信号に変換した後に、光伝送ライン4に伝送する。
光受信器3は、PDモジュール31と、電子回路32とを備えている。光伝送ライン4から伝送された光信号を受けたPDモジュール31は、電気信号に変換して電子回路32に出力する。電子回路32は、受けた電気信号を受信側に出力する。
光伝送ライン4上に配置された光増幅器5は、光伝送ライン4を伝送される光信号の減衰を防止するために増幅する。
【0023】
図2は、LDモジュール22の構成を示す図である。LDモジュール22は、ケース内に配置されるLD222と、LD222から出力される光(信号)が透過するレンズ223と、レンズ223を透過した光(信号)の偏波面を回転する光アイソレータ224とを備えている。
図3は、光アイソレータ224の構成を示す図である。図3に示すように、光アイソレータ224は、2つの偏光子224a,224cの間にファラデー回転子224bが配置された構成を有する。2つの偏光子224a,224cは、所定の間隔を隔てて対向配置される。いま、偏光子224aに順方向の光が入射されるものとすると、順方向の光は偏光子224cから光伝送ライン4に向けて出射される。偏光子224a、224cは公知の材料を用いることができる。例えば、コーニング社製のポーラ・コア(商品名)が望ましいが、これ限定されるものではない。
【0024】
ファラデー回転子224bは、偏光子224aを透過した光の偏波面を回転させて偏光子224cに向けて出射する。また、ファラデー回転子224bは、偏光子224cからの逆方向の光の透過を阻止する。この逆方向の光の透過を阻止できる理由は先に説明したとおりであるので、ここでの説明は省略する。
本発明において、このファラデー回転子224bを(Bi3-x-y-zGdxTbyYbz)Fe(5-w)w12の化学組成(ただし、M=Ga、Al、Ge、Sc、In、SiおよびTiの一種または二種以上、0.5≦x+y+z≦2.5,0.2≦w≦2.5)を有し、角形の磁気ヒステリシスを示すビスマス置換型希土類鉄ガーネット単結晶膜で構成する。この単結晶膜は、硬磁性を示す。
【0025】
本発明のビスマス置換型希土類鉄ガーネット単結晶膜は、希土類元素として、Gd、TbおよびYbの3つの元素を必ず含む点に特徴がある。
本発明において、Gdは磁気モーメントが希土類元素の中で最も大きいため、飽和磁化(4πMs)の低減に有効である。また、GdBi系のガーネットは、磁化反転温度が−10℃程度と、TbBi系のガーネットの−50℃に比べて室温に近いため、硬磁性にとって有利である。さらに、Gdは1200nm以上の波長の光の吸収がないため、挿入損失にとって有利である。
【0026】
本発明においてTbは、温度特性、波長特性を確保するために有効な元素である。Gdは磁気異方性が大きく高保磁力化に有効な元素であるが、保磁力への寄与はTbのほうが大きい。
本発明のビスマス置換型希土類鉄ガーネット単結晶膜は、LPE法により形成されることを前提とするが、Ybは、当該単結晶膜の格子定数を基板の格子定数と整合させるために含有される。ファラデー回転能を大きくするためには、Biを多く含む結晶とすることが望まれる。ここで、LPE法に用いられる基板(以下、LPE基板)は、所定の格子定数を有している。Biはイオン半径が大きいために、単にBiの量を多くしたのでは、得たい結晶膜の格子定数と基板の格子定数の整合が取れなくなる。そこで、Biの量を多くしつつ、イオン半径の小さいYbを含有せしめることにより、得たい結晶膜の格子定数と基板の格子定数の整合をとるのである。そして、Ybは光通信に使用される光の波長域で光吸収がないので、挿入損失を劣化させることもない。
【0027】
本発明のビスマス置換型希土類鉄ガーネット材料において、MはFeの一部を置換する元素であり、Ga、Al、Ge、Sc、In、SiおよびTiの一種または二種以上から選択される。この中では飽和磁化の低減の観点からGaが最も望ましい元素である。
【0028】
本発明のビスマス置換型希土類鉄ガーネット材料において、Gd、TbおよびYbの含有量を示すx,yおよびzは、0.5≦x+y+z≦2.5とする。x+y+zが0.5未満になると、イオン半径の大きいBiの量が相対的に多くなり、LPE法により単結晶膜を育成するためのLPE基板との格子定数の整合性が取れなくなる。また、x+y+zが2.5を超えると、逆にBiの量が相対的に少なくなり、ファラデー回転能が小さくなる。結果として、単結晶膜の厚さを厚くしなければならず、LPE法による単結晶膜の育成が難しくなり、歩留まりの低下をきたす。x+y+zの望ましい範囲は1.0≦x+y+z≦2.3である。
さらに、x,yおよびzの各々は、0.1≦x≦1.5、0.3≦y≦2.0、0.1≦z≦1.5とすることが望ましい。x(Gd量)を0.1以上とするのは硬磁性を得るための磁気異方性を十分に確保するためである。一方、xが1.5を超えるとTbおよびBiの量が不足するため、高いファラデー回転能を得ることができなくなる。
y(Tbの量)を0.3以上とするのは硬磁性を得るための磁気異方性を十分に確保するためである。一方、yが1.5を超えると、1500nmを超える波長の光における挿入損失が大きくなる。
z(Ybの量)を0.1以上とするのは0.1未満では、十分なファラデー回転能を確保することができず、膜厚を厚くする必要性が出てくるからである。一方、zが1.5を超えると、Gd、TbおよびBiの量が不足して、高いファラデー回転能を確保できなくなるためである。
【0029】
本発明のビスマス置換型希土類鉄ガーネット材料において、Feに対するMの置換量であるwは0.2≦w≦2.5とする。wが0.2未満では、得られた単結晶膜が角形のヒステリシスを保てなくなる。一方、wが2.5を超えると、単結晶の育成中に溶融部分に不必要な結晶核が生成して単結晶の健全な育成が困難となる。望ましいwの範囲は0.3≦w≦2.0、さらに望ましいwの範囲は0.4≦w≦1.5である。
【0030】
以上の本発明によれば、−40℃〜+85℃の温度範囲においてファラデー効果を具現するとともに、波長1550nmにおけるファラデー回転能が700°/cm以上のビスマス置換型希土類鉄ガーネット材料が得られる。このガーネット材料は、当該材料が示す飽和磁化以上の大きさの外部磁界を印加した後に当該外部磁界を除去した後においても、以上のファラデー回転能が実質的に維持される。また、このガーネット材料は、波長1310nmにおけるファラデー回転能が1000°/cm以上の特性を得ることができる。
また、以上の本発明によれば、−40℃〜+85℃の温度範囲、波長1550nmにおけるファラデー回転角の温度特性をその狙い値の13%以下とすることができる。また、この材料は、−40℃〜+85℃の温度範囲、波長1310nmにおけるファラデー回転角の温度特性をその狙い値の10%以下とすることができる。なお、温度特性は負の値となることもあるが、本発明で規定する温度特性は絶対値である。これは、波長特性についても同様である。また、本発明において狙い値とは、以下の意義を有する。つまり、現行の光アイソレータは、前述したように、回転角を45°としている。この45°が本発明でいうところの狙い値である。現行の光アイソレータの場合、この45°を基準として温度特性が求められる。例えば、回転角を60°とした場合には、60°を基準として温度特性が求められる。このことも、波長特性について同様に当てはまる。
また、本発明のガーネット材料は、室温かつ波長1500〜1600nmにおけるファラデー回転角の波長特性をその狙い値の8%以下とすることができるが、波長1250〜1360nmにおける波長特性をその狙い値の3%以下とすることができる。
なお、本発明において、温度特性、波長特性を重視する場合にはTbの量を多くすればよい。また、挿入損失を重視する場合にはGdの量を多くすればよい。さらに、ファラデー回転能を大きくして小型化を重視する場合にはBiの量を多くすればよい。
【0031】
本発明によるファラデー回転子は、以上説明したビスマス置換型希土類鉄ガーネット材料をLPE法により育成した単結晶膜から構成することができる。この単結晶膜は、希土類元素としてGd、TbおよびYbを必ず含み、実質的に角形の磁気ヒステリシスを示し、かつ−40℃〜+85℃の温度範囲、波長1550nmにおけるファラデー回転能が700°/cm以上であるとともに、ファラデー回転角の温度特性がその狙い値の13%以下、室温かつ波長1550〜1600nmにおけるファラデー回転角の波長特性がその狙い値の8%以下、挿入損失が0.1dB以下という構成を備える。
【0032】
本発明による単結晶膜は、希土類元素としてGd、TbおよびYbを必須の構成元素とするが、他の希土類元素の含有を排除するものではない。したがって、Gd、TbおよびYbのほかに、La,Pr,Sm,Eu,Dy,Lu,Tm,Er,Ho,YおよびCaの一種または二種以上を含有しても、本発明の範囲に包含される。ただし、その含有は、本発明の効果を害しないレベルに抑えるべきである。もっとも、具体的な含有量を定めることは容易ではない。
本発明による単結晶膜は、希土類元素としてGd、TbおよびYbを必須構成元素としている点に特徴がある。そして、この3つの希土類元素のうち、GdおよびTbは、ファラデー回転能の温度特性、波長特性を改善することを目的として含有せしめられる。一方、YbはLPE基板との格子定数の整合のために含有せしめられる。本発明においてその含有が排除されない上記希土類元素のうち、Sm、EuおよびDyはGdおよびTbと同様に磁気異方性が大きい。また、Lu,Tm,Er,HoおよびYは、Dyよりもイオン半径がYよりも小さい点で共通する。
【0033】
本発明による単結晶膜は、LPE法により育成することができる。図8はLPE法により単結晶膜を育成している様子を示している。図8に示すように、例えば白金製の坩堝40に得たい単結晶膜の原料とフラックスとを投入する。坩堝40の材質としては、他に金(Au)あるいはIrを用いることができる。坩堝40に投入された原料とフラックスとは、加熱コイル41へ通電することにより加熱、溶融してメルト42を形成する。メルト42の温度を下げて過冷却状態にして、LPE基板43を回転させながらメルト42に接触させると、LPE基板43上に、単結晶膜44がエピタキシャル成長する。なお、育成された単結晶膜44には、フラックスおよび坩堝40から不純物が不可避的に混入するが、本発明がこのような不可避的不純物の混入を許容することは言うまでもない。もちろん、本発明の効果を実行あらしめるために、これら不純物の混入を低減することが望ましいことは言うまでもない。
【0034】
LPE法により得る単結晶膜は、最終的に得たいファラデー回転子の厚さよりも若干厚く育成される。研磨加工に供した後にファラデー回転子として用いるためである。なお、ファラデー回転子には、使用される光の波長に対して回転角が45°になるような単結晶膜が用いられる。換言すれば、LPE法により得られた単結晶膜は、ファラデー回転角が45°になるまで研磨加工される。ファラデー回転子は、概ね500μm程度の厚さを有している。研磨加工された後に、挿入損失低減のために、ファラデー回転子の表面には、無反射コーティングを施すことが望ましい。
【0035】
【実施例】
以下本発明の具体的な実施例について説明する。
(実施例1)
酸化ビスマス(Bi23,4N)、酸化第2鉄(Fe23,4N)、酸化ガドリニウム(Gd23,5N)、酸化テルビウム(Tb23,3N) 、酸化イッテルビウム(Yb23,4N)、酸化ガリウム(Ga23,4N)を原料として、図8に示す装置を用いて、エピタキシャル成長により、4種類のビスマス置換型希土類鉄磁性ガーネット単結晶膜を育成した。用いたLPE基板は、(111)ガーネット単結晶((GdCa)3(GaMgZr)512)である。この基板の格子定数は、1.2497±0.0002nmである。なお、前記原料のほかに、酸化鉛(PbO,4N)および酸化ほう素(B23,5N)をフラックスとして白金製の坩堝40に投入した。
【0036】
得られた単結晶膜について組成分析を行った。その結果を表1に示す。
また、この単結晶膜を500μmまで研磨した後に、VSM(振動試料型磁力計)を用いて磁気特性を測定した。その結果、飽和磁化(4πMs)が60G、保磁力が600Oeで、図4に示すように、良好な核型ヒステリシスを示した。
また、飽和磁化以上の大きさの外部磁場を印加した後に、ファラデー回転角測定装置を用いてファラデー回転能、温度特性、波長特性および挿入損失を測定した。その結果を図5および表1に併せて示す。なお、この単結晶膜は、45°の回転角を有するように作成されている。したがって、温度特性、波長特性における狙い値は45°である。また、ファラデー回転能およびその温度特性は、−40℃〜+85℃の温度範囲、波長1550nmにおける値、ファラデー回転角の波長特性は室温かつ波長1500〜1600nmにおける値、挿入損失は−40℃〜+85℃における値である(実施例2および3においても同様)。さらに、温度特性、波長特性については、その評価によく使われている(°/℃)および(°/nm)の値も併記している(実施例2,3も同様)。
【0037】
【表1】

Figure 0003953812
【0038】
図5に示すように、ファラデー回転能は、外部磁場を除去しても変わらず、角形ヒステリシスをしめしている。
表1において、試料No.1は希土類元素としてGd、TbおよびYbを含む本発明のビスマス置換型希土類鉄磁性ガーネット単結晶膜である。一方、No.2〜4は各々Gd、TbおよびYbを含まない点で本発明によるNo.1と相違する。また、No.5〜8は各々前述した特開平6−222311号公報、特開平9−185027号公報、特開平9−328398号公報および特開平10−31112号公報に開示された単結晶膜に相当する単結晶膜である。
No.1と、No.2〜4を比較すると以下のことが言える。すなわち、Gdを含まないNo.2は、本発明によるNo.1に比べて挿入損失が劣っている。また、Tbを含まないNo.3は、本発明によるNo.1に比べて温度特性および波長特性が劣っている。さらに、Ybを含まないNo.4は、ファラデー回転能が不足している。
【0039】
また、No.5は波長特性が、No.6は温度特性および波長特性が、No.7は挿入損失が、さらにNo.8は 温度特性が本発明による試料No.1に比べて劣っている。
以上のNo.2〜8に比べて本発明によるNo.1の単結晶膜は、ファラデー回転能、温度特性、波長特性および挿入損失ともに優れた値を示しており、希土類元素としてGd、TbおよびYbを必須の構成元素とすることの必要性を認識することができる。
【0040】
(実施例2)
実施例1と同様にして、表2に示す4種類のビスマス置換型希土類鉄磁性ガーネット単結晶膜を得た。なお、表2中の試料No.1は実施例1において作成した単結晶膜である。これら単結晶膜について、実施例1と同様にしてファラデー回転能、温度特性、波長特性および挿入損失を測定した。その結果を表2に示す。
【0041】
【表2】
Figure 0003953812
【0042】
No.1、No.9およびNo.10を組成面から比較すると、No.1はNo.9およびNo.10に比べてTbの含有量が多い。また、No.9は、No.1およびNo.10に比べてGdの含有量が多い。さらに、No.10は、No.1およびNo.9に比べてBiの含有量が多い。
以上の組成面の相違を念頭において測定された特性を比較してみると、まず、Tbの含有量を多くすると(No.1)、温度特性および波長特性を向上させることができる。また、Gdの含有量を多くすると(No.9)、挿入損失を向上させることができる。さらに、Bi含有量を多くすると(No.10)、ファラデー回転能を向上させることができる。
No.11は、Gaの含有量が0.1と低い材料であるが、角形ヒステリシスを示さず、本発明で言うところの硬磁性を具現しない。
以上のとおりであり、本発明のビスマス置換型希土類鉄磁性ガーネット単結晶膜は、構成元素の含有量を適宜調整することにより、ファラデー回転子に要求される種々の特性にマッチした材料とすることができる。
【0043】
(実施例3)
実施例1と同様にして、表3に示す種々のビスマス置換型希土類鉄磁性ガーネット単結晶膜を得た。これら単結晶膜について、実施例1と同様にしてファラデー回転能、温度特性、波長特性および挿入損失を測定した。その結果を表3に示すが、No.12〜20の試料は、いずれも−40℃〜+85℃の温度範囲、波長1550nmにおけるファラデー回転能が700°/cm以上であるとともに、ファラデー回転角の温度特性がその狙い値の13%以下、室温かつ波長1550〜1600nmにおけるファラデー回転角の波長特性が狙い値の8%以下、挿入損失が0.1dB以下という特性を満足していることがわかる。
【0044】
【表3】
Figure 0003953812
【0045】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ファラデー回転能、温度特性、波長特性および挿入損失に優れた硬磁性ビスマス置換型希土類鉄ガーネット材料が提供される。したがって、本発明の硬磁性ビスマス置換型希土類鉄ガーネット材料を用いたファラデー回転子は、小型・低コスト化を図れるとともに、例えば光アイソレータに用いられた場合に、高性能なアイソレーションを実現する。また、このような光アイソレータを用いた本発明の光通信システムは、高品質な光通信の実現に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本実施の形態による光通信システムの構成を示す図である。
【図2】 本実施の形態によるLDモジュールの構成を示す斜視図である。
【図3】 本実施の形態による光アイソレータの構成を示す図である。
【図4】 本実施例による磁性ガーネット材料の保磁力と磁化の関係を示す図である。
【図5】 本実施例による磁性ガーネット材料の外部磁場とファラデー回転角の関係を示す図である。
【図6】 従来の光アイソレータの構成を示す図である。
【図7】 光アイソレータの原理を説明するための図である。
【図8】 LPE法を説明するための図である。
【符号の説明】
1…光通信システム、2…光送信器、21…電子回路、22…LDモジュール、222…LD、223…レンズ、224…光アイソレータ、224a,224c…偏光子、224b…ファラデー回転子、3…光受信器、31…PDモジュール、32…電子回路、4…光伝送ライン、5…光増幅器、10…光アイソレータ、11…ファラデー回転子、12…永久磁石、13,14…偏光子、40…坩堝、41…加熱コイル、42…メルト、43…LPE基板、44…単結晶膜[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a hard magnetic garnet material used in an optical communication system, an Faraday rotator, an optical device such as an optical isolator using the Faraday rotator, and an optical communication system including the optical device.
[0002]
[Prior art]
Currently, the spread of optical communication is accelerating against telecommunication with a small transmission capacity. The reason is that, as explained below, optical communication is capable of high-speed and large-capacity transmission, is advantageous for long-distance transmission because it requires fewer repeaters, and is not affected by electromagnetic noise. To be aggregated.
The light coincides with the electromagnetic wave used in TV / radio broadcasting or wireless communication in that it is an electromagnetic wave. However, the frequency of electromagnetic waves used in optical communication is about 200 THz, which is about 20000 times that of satellite broadcasting (about 10 GHz). A high frequency means that the wavelength is short, and so many signals can be transmitted at high speed. Incidentally, the wavelengths (center wavelength) of electromagnetic waves used in optical communication are 1.31 μm (1310 nm) and 1.55 μm (1550 nm).
As is well known, an optical fiber used for optical communication has a double structure of glass having different refractive indexes. The light passing through the central core is repeatedly reflected inside the core, so that even if the optical fiber is bent, the signal is transmitted accurately. Moreover, since high-purity quartz glass with high transparency is used for the optical fiber, optical communication attenuates only about 0.2 dB per 1 km. Therefore, transmission of about 100 km is possible without using an amplifier, and the number of repeaters can be reduced as compared with telecommunication.
In telecommunications, EMI (electromagnetic interference) is a problem, but communication using an optical fiber is not affected by noise caused by electromagnetic induction. Therefore, extremely high quality information transmission is possible.
[0003]
In the current optical communication system, an electrical signal is converted into an optical signal by an LD (laser diode) of an optical transmitter, and the optical signal is transmitted through an optical fiber, and then is transmitted by an optical receiver PD (photo diode). Convert to electrical signal. Thus, the essential elements for the optical communication system are LD, PD, optical fiber and optical connector. In addition to the above elements, in addition to the above elements, optical transmission devices such as optical amplifiers and optical distributors, optical isolators applied to these devices, apart from relatively low-speed and short-distance communication systems, Optical components such as an optical coupler, an optical demultiplexer, an optical switch, an optical modulator, and an optical attenuator are required.
[0004]
An optical isolator is particularly important in high-speed, long-distance transmission or multi-branch optical communication systems. In current optical communication systems, optical isolators are used in LD modules and repeaters of optical transmitters. An optical isolator is an optical component that transmits electromagnetic waves only in one direction and blocks electromagnetic waves that are reflected and returned in the middle. The optical isolator applies the Faraday effect, which is a kind of magneto-optical effect. The Faraday effect refers to a phenomenon in which the polarization plane of light transmitted through a Faraday rotator such as a material exhibiting the Faraday effect, that is, a rare earth iron garnet single crystal film, rotates. The property of rotating the polarization direction of light like the Faraday effect is called optical rotation, but unlike the normal optical rotation, in the Faraday effect, it does not return to its original state even if the light traveling direction is reversed. Furthermore, the polarization direction rotates. An element that utilizes the phenomenon that the polarization direction of light rotates due to the Faraday effect is called a Faraday rotator.
[0005]
The function of the optical isolator will be described using an LD module as an example.
The LD is incorporated in the optical transmitter as an LD module integrated with the optical fiber. The optical isolator is disposed between the LD and the optical fiber, and fulfills the function of preventing reflected return light to the LD by applying the Faraday effect. The reflected return light refers to light that is returned from the light emitted from the LD after being slightly reflected by a component such as an optical connector. The reflected return light causes noise for the LD. An optical isolator that passes light in only one direction removes this noise and maintains communication quality.
[0006]
In the case of an LD of an optical transmitter, the vibration direction (polarization direction) of light emitted from the LD is determined to be one direction, and thus a polarization-dependent optical isolator having a simple structure is used. A basic configuration of a conventional polarization-dependent optical isolator 10 is shown in FIG. The optical isolator 10 includes a Faraday rotator 11 composed of a garnet single crystal film, a cylindrical permanent magnet 12 surrounding the Faraday rotator 11 and magnetizing the Faraday rotator 11, and both front and back surfaces of the Faraday rotator 11. The polarizers 13 and 14 are arranged on the surface. The polarizers 13 and 14 are arranged with a relative angle of 45 °.
In the optical isolator 10, the direction in which light travels is referred to as a forward direction, and the direction in which light is reflected back is referred to as a reverse direction.
[0007]
Next, based on FIG. 7 (the description of the permanent magnet is omitted), a mechanism in which the optical isolator 10 prevents passage of light in the reverse direction will be described. 7A shows a state in which forward light passes through the optical isolator 10, and FIG. 7B shows a state in which light in the reverse direction is blocked from passing through the optical isolator 10.
As shown in FIG. 7A, in the forward direction, the linearly polarized light that has passed through the polarizer 13 is rotated by 45 ° by the Faraday rotator 11 and passes through the polarizer 14 that is disposed at a relative angle of 45 °. On the other hand, as shown in FIG. 7B, in the reverse direction, the linearly polarized light that has passed through the polarizer 14 is further rotated by 45 ° by the Faraday rotator 11, so that it cannot pass through the polarizer 13.
The polarization-dependent optical isolator used in the LD module has been described above. However, there is a polarization-independent type optical isolator used in the optical amplifier. In the case of an optical amplifier, since light is directly incident on the optical isolator from the optical fiber, the polarization direction cannot be specified. For this purpose, a polarization-independent optical isolator has been developed. Since the basic configuration is well known, a description thereof is omitted here. Further, in the present invention, when simply called an optical isolator, it has a concept including both a polarization dependent type and a polarization independent type.
[0008]
The Faraday rotator determines the performance of the optical isolator. Therefore, the characteristics of the material constituting the Faraday rotator are important for obtaining a high-performance optical isolator. What is important in selecting the material constituting the Faraday rotator is that the Faraday rotation angle at the wavelength used (1310 nm and 1550 nm in the case of an optical fiber) is large and the transparency is high. Initially, YIG (yttrium iron garnet, YThreeFeFiveO12) Was used, but was insufficient in terms of mass productivity and miniaturization.
Subsequently, it was found that when the rare earth site of the garnet-type crystal is replaced with bismuth (Bi), the Faraday rotation ability is dramatically improved. Thereafter, this Bi-substituted rare earth iron garnet single crystal is used for the Faraday rotator. became.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, the conventional bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal has a constant Faraday rotation angle in a magnetic field higher than a saturation magnetic field. In a magnetic field with a magnitude smaller than the saturation magnetic field, the Faraday rotation angle is proportional to the magnitude of the magnetic field, and the Faraday effect disappears when the external magnetic field is removed. Therefore, as shown in FIG. 6, in the conventional optical isolator 10, a permanent magnet 12 for applying a magnetic field equal to or higher than the saturation magnetic field to the Faraday rotator 11 is provided.
The optical isolator 10 also has a demand for downsizing and cost reduction as with other devices and components. However, it can be said that the presence of the permanent magnet 12 has prevented the optical isolator 10 from being reduced in size and cost.
[0010]
A conventional bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal can be called a soft magnetic material because the Faraday effect disappears when the external magnetic field is removed. Therefore, the arrangement of permanent magnets is indispensable. However, if the bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal can be imparted with hard magnetism, that is, the ability to maintain the Faraday rotation angle even when the external magnetic field is removed (latching), the arrangement of the permanent magnets can be omitted. Can do. The omission of permanent magnets leads to downsizing and cost reduction of various devices and parts utilizing the optical isolator or Faraday effect. For this reason, development of bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystals has been underway.
[0011]
For example, Japanese Patent Laid-Open No. Hei 6-222231 discloses a bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film grown by an LPE (Liquid Phase Epitaxial) method, wherein the single crystal film has a chemical composition of Gd.xRyBi3-xy Fe5-z (AlGa)z O12(However, R is at least one of La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Tb, Dy, Er, Tm, Yb, Lu, and Y, and x, y, and z are 1.0 ≦ x, respectively. ≦ 2.5, 0 ≦ y ≦ 1.9, 0.5 ≦ z ≦ 2.0.), And applying an external magnetic field in the direction intersecting the single crystal film surface to cause magnetic saturation. Subsequently, a bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film that retains the Faraday rotation effect when magnetically saturated even when the external magnetic field is removed is disclosed. This single crystal film has been shown to maintain the Faraday rotation angle when an external magnetic field equal to or higher than saturation magnetization is applied, even if the external magnetic field is removed. However, this bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film is specifically disclosed as Gd1.8Bi1.2 Fe4.0 Al0.5Ga0.5O12There is only a single crystal film and no other specific single crystal film is disclosed.
[0012]
Japanese Laid-Open Patent Publication No. 9-185027 discloses a hard magnetic bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film having the following composition. In JP-A-9-185027, it is pointed out that the inclusion of Gd, Tb and Dy should be avoided.
Bi1Eu1Ho1FeFour Ga1O12
Bi0.75Eu1.5Ho0.75Fe4.1 Ga0.9O12
Bi1Eu2FeFour Ga0.5Al0.5O12
[0013]
Furthermore, JP-A-9-328398 discloses Tb grown by the LPE method.3-xBixFe5-yzGayAlz O12(Wherein 1.1 ≦ x ≦ 1.5, 0.65 ≦ y + z ≦ 1.2, z ≦ y) a square formed by magnetizing a bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film represented by a chemical composition A Faraday rotator exhibiting hysteresis is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-31112.3-xyHoxBiyFe5-xwGazAlw O12(Wherein, 0.40 ≦ x ≦ 0.70, 1.30 ≦ y ≦ 1.55, 0.7 ≦ z + w ≦ 1.2, 0 ≦ w / z ≦ 0.3) Bismuth represented by the chemical composition There has been disclosed a Faraday rotator exhibiting a square hysteresis formed by magnetizing a substitutional rare earth iron garnet single crystal film.
[0014]
As described above, a bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film having hard magnetism has been proposed. However, the above-described bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film has been studied only as to whether or not it exhibits hard magnetism, and the Faraday rotation capability and temperature characteristics of the Faraday rotation angle required as a Faraday rotator. There is no mention of wavelength characteristics or insertion loss.
The above-mentioned Faraday rotation capability, temperature characteristics, wavelength characteristics, and insertion loss are important characteristics for practical use of a Faraday rotator. Therefore, an object of the present invention is to provide a hard magnetic bismuth-substituted rare earth iron garnet material having excellent Faraday rotation capability, temperature characteristics, wavelength characteristics, and insertion loss.
Another object of the present invention is to provide a Faraday rotator composed of a hard magnetic bismuth-substituted rare earth iron garnet material having excellent Faraday rotation capability, temperature characteristics, wavelength characteristics, and insertion loss.
Another object of the present invention is to provide an optical isolator including a Faraday rotator made of a hard magnetic bismuth-substituted rare earth iron garnet material having excellent Faraday rotation capability, temperature characteristics, wavelength characteristics, and insertion loss.
Furthermore, this invention makes it a subject to provide the optical communication system provided with such an optical isolator.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
As described above, the Faraday rotability, temperature characteristics, wavelength characteristics, and insertion loss are important characteristics for practical use of the Faraday rotator.
Here, the Faraday rotation angle is proportional to the thickness of the material constituting the Faraday rotator, and the rotation angle per unit thickness is called Faraday rotation ability. Since the rotation angle of the Faraday rotator used in the optical isolator is 45 °, the greater the Faraday rotation capability, the thinner the Faraday rotator, which is advantageous for miniaturization.
The optical isolator is not used in a constant temperature state, and requires an operation guarantee in a temperature range of −40 ° C. to + 85 ° C., for example. The smaller the temperature dependency of the Faraday rotation angle, the wider the temperature range can be used. Therefore, the temperature dependence of the Faraday rotation angle, that is, the temperature characteristic is also an important characteristic.
The wavelength of light currently used in optical isolators is 1310 nm or 1550 nm, but this is only the center wavelength. That is, there is a predetermined width in the wavelength of light actually emitted from the LD. Therefore, the wavelength dependency of the Faraday rotation angle, that is, the wavelength characteristic is also a necessary characteristic. In particular, it becomes a very important characteristic when adopting a large-capacity transmission technology by wavelength multiplexing of optical communication.
The attenuation of the outgoing light with respect to the incident light is called insertion loss. In order to ensure high-quality information transmission, the Faraday rotator is required to reduce insertion loss. The insertion loss in the Faraday rotator is composed of the light absorption loss of the material constituting the Faraday rotator and the reflection loss of the interface due to the difference in refractive index between the material and air. However, the reflection loss can be reduced to a negligible level by applying a non-reflective coating to the surface of the Faraday rotator. Therefore, the insertion loss of the optical isolator becomes the light absorption loss of the Faraday rotator. This light absorption loss is determined by light absorption of ions constituting the bismuth-substituted rare earth iron garnet material.
[0016]
  The present inventor conducted studies for realizing hard magnetism and realizing excellent Faraday rotation performance, temperature characteristics, wavelength characteristics, and insertion loss. As a result, it has been found that in bismuth-substituted rare earth iron garnet materials, an unprecedented novel composition that always contains Gd, Tb and Yb in the rare earth sites is effective. The present invention is based on this finding, and (Bi3-xyzGdxTbyYbz) Fe( 5-w )MwO12Chemical composition (where M = Ga, Al, Ge, Sc, In, Si and Ti, or two or more of them)0.1 ≦ x ≦ 1.5, 0.3 ≦ y ≦ 2.0, 0.1 ≦ z ≦ 1.5,0.5 ≦ x + y + z ≦ 2.5,0.4 ≦ w ≦ 1.5And is a hard magnetic garnet material characterized by exhibiting a square magnetic hysteresis.
  In the hard magnetic garnet material of the present invention,1.0 ≦ x + y + z ≦ 2.3Is desirable.
[0017]
The hard magnetic garnet material of the present invention can have a Faraday rotation capability of 700 ° / cm or more at a temperature range of −40 ° C. to + 85 ° C. and a wavelength of 1550 nm. Further, the hard magnetic garnet material of the present invention substantially maintains the Faraday rotation ability even after the external magnetic field is removed after applying an external magnetic field having a magnitude greater than or equal to the saturation magnetization exhibited by the hard magnetic garnet material. can do. In the hard magnetic garnet material of the present invention, the temperature characteristic of the Faraday rotation angle in the temperature range of −40 ° C. to + 85 ° C. can be set to 13% or less of the target value. Furthermore, the hard magnetic garnet material of the present invention can make the wavelength characteristic of the Faraday rotation angle at room temperature and a wavelength of 1500 to 1600 nm 8% or less of the target value. Furthermore, the hard magnetic garnet material of the present invention can have an insertion loss of 0.1 dB or less.
[0018]
The present invention provides the following Faraday rotator to which the above hard magnetic garnet material is applied. That is, the Faraday rotator of the present invention is a Faraday rotator that uses a bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film and rotates the plane of polarization of incident light. And Yb must be present, substantially exhibiting a square magnetic hysteresis, a temperature range of −40 ° C. to + 85 ° C., a Faraday rotation ability at a wavelength of 1550 nm is 700 ° / cm or more, and a temperature characteristic of the Faraday rotation angle is It is characterized by 13% or less of the target value, wavelength characteristics of the Faraday rotation angle at room temperature and wavelengths of 1500 to 1600 nm, 8% or less of the target value, and insertion loss of 0.1 dB or less.
The single crystal film in the Faraday rotator of the present invention may include one or more of La, Pr, Sm, Eu, Dy, Lu, Tm, Er, Ho, Y, and Ca.
The Faraday rotator of the present invention has a Faraday rotatory power of 800 ° / cm or more, a temperature characteristic of 11% or less of the target value, a wavelength characteristic of 7% or less of the target value, and an insertion loss of 0.07 dB or less. Can do.
[0019]
  The present invention also provides the following optical isolator using the above Faraday rotator. An optical isolator according to the present invention includes a first polarizer that receives forward light, and a second polarizer that is disposed to face the first polarizer at a predetermined interval and emits forward light. And between the first polarizer and the second polarizer, the polarization plane of the light transmitted through the first polarizer is rotated and emitted toward the second polarizer. In addition, a Faraday rotator that blocks transmission of light in the reverse direction that has passed through the second polarizer is a basic component. In the optical isolator of the present invention, the Faraday rotator is (Bi3-xyzGdxTbyYbz) Fe( 5-w )MwO12Chemical composition (where M = Ga, Al, Ge, Sc, In, Si and Ti, or two or more of them)0.1 ≦ x ≦ 1.5, 0.3 ≦ y ≦ 2.0, 0.1 ≦ z ≦ 1.5,0.5 ≦ x + y + z ≦ 2.5,0.4 ≦ w ≦ 1.5), And the magnetic hysteresis of the bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film exhibits a square shape.
[0020]
  As described above, the optical isolator is applied to an optical transmitter in an optical communication system. The present invention provides an optical isolator according to the present invention in this optical communication system.ofSuggest application. The proposal includes an optical transmitter that emits an optical signal converted from an electrical signal, an optical transmission line that transmits the optical signal emitted from the optical transmitter, and the optical signal transmitted through the optical transmission line. And an optical receiver that converts the received optical signal into an electrical signal, wherein the optical transmitter converts the electrical signal into the optical signal. A Faraday rotator that includes an element and an optical isolator disposed between the electro-optical conversion element and the optical transmission line.3-xyzGdxTbyYbz) Fe( 5-w )MwO12(Wherein, M = Ga, Al, Ge, Sc, In, Si and Ti, or one or more of them,0.1 ≦ x ≦ 1.5, 0.3 ≦ y ≦ 2.0, 0.1 ≦ z ≦ 1.5,0.5 ≦ x + y + z ≦ 2.5,0.4 ≦ w ≦ 1.5Bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film, and the magnetic hysteresis of the bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film is square.
[0021]
In an optical communication system, for example, an optical amplifier may be arranged on an optical transmission line composed of an optical fiber. An optical isolator is also used for this optical amplifier. This optical isolator may be an optical isolator according to the present invention. That is, in the optical communication system of the present invention, an optical amplifier is disposed on the optical transmission line, and the optical amplifier receives an optical signal transmitted through the optical transmission line and rotates a polarization plane of the received optical signal. The Faraday rotator which has an optical isolator and an amplification means for amplifying an optical signal transmitted through the optical isolator, and which constitutes the optical isolator is (Bi3-xyzGdxTbyYbz) Fe(5-w)MwO12(Where M = Ga, Al, Ge, Sc, In, Si and Ti, one or more of 0.5, 0.5 ≦ x + y + z ≦ 2.5, 0.2 ≦ w ≦ 2.5) A bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film can be used. The magnetic hysteresis of the bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film is desirably square.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in more detail and specifically.
First, an optical communication system 1 to which the present invention is applied will be described with reference to FIG.
The optical communication system 1 is a system for transmitting information by an optical signal between a transmission side and a reception side. An optical transmitter 2 is disposed on the transmission side, and an optical receiver 3 is disposed on the reception side. The optical transmitter 2 and the optical receiver 3 are connected by an optical transmission line 4 made of an optical fiber. An optical amplifier 5 is interposed on the optical transmission line 4. The number of the optical amplifiers 5 is provided according to the length of the optical transmission line 4.
The optical transmitter 2 includes an electronic circuit 21 and an LD module 22. The electronic circuit 21 that has received the data to be transmitted as an electrical signal performs predetermined processing and outputs it to the LD module 22. The LD module 22 converts the received electrical signal into an optical signal and transmits the optical signal to the optical transmission line 4.
The optical receiver 3 includes a PD module 31 and an electronic circuit 32. The PD module 31 that has received the optical signal transmitted from the optical transmission line 4 converts it into an electrical signal and outputs it to the electronic circuit 32. The electronic circuit 32 outputs the received electrical signal to the receiving side.
An optical amplifier 5 disposed on the optical transmission line 4 amplifies the optical signal transmitted through the optical transmission line 4 in order to prevent attenuation.
[0023]
FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of the LD module 22. The LD module 22 includes an LD 222 disposed in the case, a lens 223 through which light (signal) output from the LD 222 passes, and an optical isolator 224 that rotates the polarization plane of the light (signal) transmitted through the lens 223. I have.
FIG. 3 is a diagram illustrating the configuration of the optical isolator 224. As shown in FIG. 3, the optical isolator 224 has a configuration in which a Faraday rotator 224b is disposed between two polarizers 224a and 224c. The two polarizers 224a and 224c are arranged to face each other with a predetermined interval. Assuming that forward light is incident on the polarizer 224a, the forward light is emitted from the polarizer 224c toward the optical transmission line 4. Known materials can be used for the polarizers 224a and 224c. For example, a polar core (trade name) manufactured by Corning is desirable, but not limited thereto.
[0024]
The Faraday rotator 224b rotates the polarization plane of the light transmitted through the polarizer 224a and emits the light toward the polarizer 224c. Further, the Faraday rotator 224b blocks the transmission of light in the reverse direction from the polarizer 224c. Since the reason why light transmission in the reverse direction can be prevented is as described above, description thereof is omitted here.
In the present invention, this Faraday rotator 224b is replaced with (Bi3-xyzGdxTbyYbz) Fe(5-w)MwO12(Where M = Ga, Al, Ge, Sc, In, Si and Ti, one or more, 0.5 ≦ x + y + z ≦ 2.5, 0.2 ≦ w ≦ 2.5) And a bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film exhibiting a square magnetic hysteresis. This single crystal film exhibits hard magnetism.
[0025]
The bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film of the present invention is characterized in that it always contains three elements of Gd, Tb and Yb as rare earth elements.
In the present invention, since Gd has the largest magnetic moment among the rare earth elements, it is effective in reducing saturation magnetization (4πMs). GdBi-based garnet is advantageous for hard magnetism because its magnetization reversal temperature is about −10 ° C., which is closer to room temperature than −50 ° C. of TbBi-based garnet. Furthermore, since Gd does not absorb light having a wavelength of 1200 nm or more, it is advantageous for insertion loss.
[0026]
In the present invention, Tb is an element effective for ensuring temperature characteristics and wavelength characteristics. Gd is an element having a large magnetic anisotropy and effective in increasing the coercive force, but Tb contributes more to the coercive force.
The bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film of the present invention is premised on being formed by the LPE method, but Yb is contained for matching the lattice constant of the single crystal film with the lattice constant of the substrate. . In order to increase the Faraday rotation capability, it is desired to use a crystal containing a large amount of Bi. Here, a substrate (hereinafter referred to as an LPE substrate) used in the LPE method has a predetermined lattice constant. Since Bi has a large ion radius, simply increasing the amount of Bi makes it impossible to match the lattice constant of the crystal film to be obtained with the lattice constant of the substrate. Therefore, by increasing the amount of Bi and adding Yb having a small ion radius, the lattice constant of the crystal film to be obtained and the lattice constant of the substrate are matched. And since Yb does not absorb light in the wavelength region of light used for optical communication, insertion loss is not deteriorated.
[0027]
In the bismuth-substituted rare earth iron garnet material of the present invention, M is an element that substitutes part of Fe, and is selected from one or more of Ga, Al, Ge, Sc, In, Si, and Ti. Among these, Ga is the most desirable element from the viewpoint of reducing saturation magnetization.
[0028]
In the bismuth-substituted rare earth iron garnet material of the present invention, x, y, and z indicating the contents of Gd, Tb, and Yb are set to 0.5 ≦ x + y + z ≦ 2.5. When x + y + z is less than 0.5, the amount of Bi having a large ion radius becomes relatively large, and the lattice constant consistency with the LPE substrate for growing a single crystal film by the LPE method cannot be obtained. On the other hand, when x + y + z exceeds 2.5, the amount of Bi is conversely decreased, and the Faraday rotation capability is decreased. As a result, the thickness of the single crystal film must be increased, and it becomes difficult to grow the single crystal film by the LPE method, resulting in a decrease in yield. A desirable range of x + y + z is 1.0 ≦ x + y + z ≦ 2.3.
Further, each of x, y, and z is preferably 0.1 ≦ x ≦ 1.5, 0.3 ≦ y ≦ 2.0, and 0.1 ≦ z ≦ 1.5. The reason why x (Gd amount) is 0.1 or more is to sufficiently secure magnetic anisotropy for obtaining hard magnetism. On the other hand, when x exceeds 1.5, the amount of Tb and Bi is insufficient, and thus high Faraday rotation ability cannot be obtained.
The reason why y (amount of Tb) is 0.3 or more is to sufficiently secure magnetic anisotropy for obtaining hard magnetism. On the other hand, when y exceeds 1.5, the insertion loss in light with a wavelength exceeding 1500 nm increases.
The reason why z (amount of Yb) is 0.1 or more is that if it is less than 0.1, sufficient Faraday rotation capability cannot be ensured, and it becomes necessary to increase the film thickness. On the other hand, if z exceeds 1.5, the amounts of Gd, Tb, and Bi are insufficient, and high Faraday rotation ability cannot be ensured.
[0029]
In the bismuth-substituted rare earth iron garnet material of the present invention, w, which is the amount of substitution of M with respect to Fe, is 0.2 ≦ w ≦ 2.5. When w is less than 0.2, the obtained single crystal film cannot maintain a square hysteresis. On the other hand, if w exceeds 2.5, unnecessary crystal nuclei are generated in the molten portion during the growth of the single crystal, making it difficult to grow the single crystal soundly. A desirable range of w is 0.3 ≦ w ≦ 2.0, and a more desirable range of w is 0.4 ≦ w ≦ 1.5.
[0030]
According to the present invention as described above, a bismuth-substituted rare earth iron garnet material that realizes the Faraday effect in a temperature range of −40 ° C. to + 85 ° C. and has a Faraday rotation ability at a wavelength of 1550 nm of 700 ° / cm or more can be obtained. This garnet material substantially maintains the above Faraday rotation ability even after the external magnetic field is removed after the external magnetic field having a magnitude equal to or greater than the saturation magnetization exhibited by the material is applied. Moreover, this garnet material can obtain the characteristics that the Faraday rotation ability at a wavelength of 1310 nm is 1000 ° / cm or more.
Further, according to the present invention described above, the temperature characteristics of the Faraday rotation angle at a temperature range of −40 ° C. to + 85 ° C. and a wavelength of 1550 nm can be made 13% or less of the target value. Moreover, this material can make the temperature characteristic of the Faraday rotation angle in a temperature range of −40 ° C. to + 85 ° C. and a wavelength of 1310 nm be 10% or less of the target value. Although the temperature characteristic may be a negative value, the temperature characteristic defined in the present invention is an absolute value. The same applies to the wavelength characteristics. In the present invention, the target value has the following significance. In other words, the current optical isolator has a rotation angle of 45 ° as described above. This 45 ° is the target value in the present invention. In the case of the current optical isolator, the temperature characteristic is obtained with reference to this 45 °. For example, when the rotation angle is 60 °, the temperature characteristics are obtained with reference to 60 °. This is also true for the wavelength characteristics.
The garnet material of the present invention can reduce the wavelength characteristic of the Faraday rotation angle at room temperature and a wavelength of 1500 to 1600 nm to 8% or less of the target value, but the wavelength characteristic at a wavelength of 1250 to 1360 nm is 3% of the target value. % Or less.
In the present invention, when temperature characteristics and wavelength characteristics are emphasized, the amount of Tb may be increased. Further, when importance is attached to insertion loss, the amount of Gd may be increased. Furthermore, when the Faraday rotation capability is increased to emphasize downsizing, the amount of Bi may be increased.
[0031]
The Faraday rotator according to the present invention can be composed of a single crystal film obtained by growing the bismuth-substituted rare earth iron garnet material described above by the LPE method. This single crystal film necessarily contains Gd, Tb, and Yb as rare earth elements, exhibits a substantially square magnetic hysteresis, and has a Faraday rotation capability of 700 ° / cm at a temperature range of −40 ° C. to + 85 ° C. and a wavelength of 1550 nm. In addition to the above, the temperature characteristic of the Faraday rotation angle is 13% or less of the target value, the wavelength characteristic of the Faraday rotation angle at room temperature and wavelengths of 1550 to 1600 nm is 8% or less of the target value, and the insertion loss is 0.1 dB or less. It has a configuration.
[0032]
The single crystal film according to the present invention uses Gd, Tb and Yb as essential constituent elements as rare earth elements, but does not exclude the inclusion of other rare earth elements. Therefore, in addition to Gd, Tb and Yb, La, Pr, Sm, Eu, Dy, Lu, Tm, Er, Ho, Y, and Ca may be included in the scope of the present invention. Is done. However, the content should be suppressed to a level that does not impair the effects of the present invention. However, it is not easy to determine a specific content.
The single crystal film according to the present invention is characterized in that Gd, Tb and Yb are essential constituent elements as rare earth elements. Of these three rare earth elements, Gd and Tb are contained for the purpose of improving the temperature characteristics and wavelength characteristics of the Faraday rotation ability. On the other hand, Yb is contained for matching the lattice constant with the LPE substrate. Among the rare earth elements whose inclusion is not excluded in the present invention, Sm, Eu and Dy have a large magnetic anisotropy like Gd and Tb. Lu, Tm, Er, Ho, and Y are common in that the ion radius is smaller than Y than Dy.
[0033]
The single crystal film according to the present invention can be grown by the LPE method. FIG. 8 shows a state in which a single crystal film is grown by the LPE method. As shown in FIG. 8, for example, a raw material and flux of a single crystal film to be obtained are put into a platinum crucible 40. As a material of the crucible 40, gold (Au) or Ir can be used. The raw material and flux charged in the crucible 40 are heated and melted by energizing the heating coil 41 to form a melt 42. When the temperature of the melt 42 is lowered to bring it into a supercooled state and the LPE substrate 43 is rotated and brought into contact with the melt 42, the single crystal film 44 is epitaxially grown on the LPE substrate 43. In the grown single crystal film 44, impurities are inevitably mixed from the flux and the crucible 40, but it goes without saying that the present invention allows such unavoidable impurities to be mixed. Of course, it goes without saying that it is desirable to reduce the contamination of these impurities in order to achieve the effect of the present invention.
[0034]
The single crystal film obtained by the LPE method is grown slightly thicker than the thickness of the Faraday rotator to be finally obtained. This is because it is used as a Faraday rotator after being subjected to polishing. The Faraday rotator uses a single crystal film whose rotation angle is 45 ° with respect to the wavelength of light used. In other words, the single crystal film obtained by the LPE method is polished until the Faraday rotation angle becomes 45 °. The Faraday rotator has a thickness of about 500 μm. After polishing, it is desirable to apply a non-reflective coating to the surface of the Faraday rotator in order to reduce insertion loss.
[0035]
【Example】
Specific examples of the present invention will be described below.
Example 1
Bismuth oxide (Bi2OThree, 4N), ferric oxide (Fe2OThree, 4N), gadolinium oxide (Gd2OThree, 5N), terbium oxide (Tb2OThree, 3N), ytterbium oxide (Yb2OThree, 4N), gallium oxide (Ga2OThree, 4N) as raw materials, four types of bismuth-substituted rare earth iron magnetic garnet single crystal films were grown by epitaxial growth using the apparatus shown in FIG. The LPE substrate used was (111) garnet single crystal ((GdCa)Three(GaMgZr)FiveO12). The lattice constant of this substrate is 1.2497 ± 0.0002 nm. In addition to the above raw materials, lead oxide (PbO, 4N) and boron oxide (B2OThree, 5N) as a flux was introduced into a platinum crucible 40.
[0036]
Composition analysis was performed on the obtained single crystal film. The results are shown in Table 1.
Further, after polishing this single crystal film to 500 μm, the magnetic properties were measured using a VSM (vibrating sample magnetometer). As a result, the saturation magnetization (4πMs) was 60 G, the coercive force was 600 Oe, and good nucleated hysteresis was shown as shown in FIG.
Further, after applying an external magnetic field having a magnitude greater than or equal to the saturation magnetization, the Faraday rotation angle, temperature characteristics, wavelength characteristics, and insertion loss were measured using a Faraday rotation angle measurement device. The results are also shown in FIG. 5 and Table 1. This single crystal film is formed so as to have a rotation angle of 45 °. Therefore, the target value in the temperature characteristic and the wavelength characteristic is 45 °. Further, the Faraday rotation capability and its temperature characteristics are a temperature range of −40 ° C. to + 85 ° C., values at a wavelength of 1550 nm, wavelength characteristics of Faraday rotation angles are values at room temperature and wavelengths of 1500 to 1600 nm, and insertion loss is −40 ° C. to +85 It is a value at ° C. (the same applies to Examples 2 and 3). Further, with respect to temperature characteristics and wavelength characteristics, values (° / ° C.) and (° / nm) that are often used for the evaluation are also shown (the same applies to Examples 2 and 3).
[0037]
[Table 1]
Figure 0003953812
[0038]
As shown in FIG. 5, the Faraday rotation ability does not change even when the external magnetic field is removed, and exhibits a square hysteresis.
In Table 1, Sample No. Reference numeral 1 denotes a bismuth-substituted rare earth iron magnetic garnet single crystal film of the present invention containing Gd, Tb and Yb as rare earth elements. On the other hand, no. Nos. 2 to 4 are each No. 2 according to the present invention in that they do not contain Gd, Tb and Yb. 1 and different. No. 5-8 are single crystals corresponding to the single crystal films disclosed in Japanese Patent Laid-Open Nos. Hei 6-222231, Hei 9-185027, Hei 9-328398 and Hei 10-31112, respectively. It is a membrane.
No. 1 and no. The following can be said by comparing 2-4. That is, no. 2 is No. 2 according to the present invention. Insertion loss is inferior to 1. In addition, no. No. 3 according to the present invention. Compared to 1, temperature characteristics and wavelength characteristics are inferior. Furthermore, no. 4 has insufficient Faraday rotation capability.
[0039]
No. No. 5 has a wavelength characteristic of No. 5. No. 6 has a temperature characteristic and a wavelength characteristic of No. 6. No. 7 has an insertion loss. Sample No. 8 according to the present invention has a temperature characteristic. It is inferior to 1.
No. above. No. 2-8 according to the present invention. The single crystal film 1 has excellent values for Faraday rotation capability, temperature characteristics, wavelength characteristics, and insertion loss, and recognizes the necessity of using Gd, Tb, and Yb as essential constituent elements as rare earth elements. be able to.
[0040]
(Example 2)
In the same manner as in Example 1, four types of bismuth-substituted rare earth iron magnetic garnet single crystal films shown in Table 2 were obtained. In Table 2, the sample No. Reference numeral 1 denotes a single crystal film prepared in Example 1. For these single crystal films, the Faraday rotatory power, temperature characteristics, wavelength characteristics, and insertion loss were measured in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 2.
[0041]
[Table 2]
Figure 0003953812
[0042]
No. 1, no. 9 and no. When comparing No. 10 from the viewpoint of composition, no. 1 is No. 1. 9 and no. Compared to 10, the content of Tb is large. No. No. 9 1 and no. Compared to 10, the content of Gd is large. Furthermore, no. 10 is No. 1 and no. Compared to 9, the Bi content is high.
Comparing the characteristics measured with the above compositional differences in mind, first, when the Tb content is increased (No. 1), the temperature characteristics and the wavelength characteristics can be improved. Further, when the content of Gd is increased (No. 9), the insertion loss can be improved. Further, when the Bi content is increased (No. 10), the Faraday rotation ability can be improved.
No. 11 is a material having a low Ga content of 0.1, but does not exhibit square hysteresis and does not embody the hard magnetism referred to in the present invention.
As described above, the bismuth-substituted rare earth iron magnetic garnet single crystal film of the present invention should be a material that matches various characteristics required for a Faraday rotator by appropriately adjusting the content of constituent elements. Can do.
[0043]
(Example 3)
In the same manner as in Example 1, various bismuth-substituted rare earth iron magnetic garnet single crystal films shown in Table 3 were obtained. For these single crystal films, the Faraday rotatory power, temperature characteristics, wavelength characteristics, and insertion loss were measured in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 3. Each of the samples 12 to 20 has a temperature range of −40 ° C. to + 85 ° C., the Faraday rotation ability at a wavelength of 1550 nm is 700 ° / cm or more, and the temperature characteristic of the Faraday rotation angle is 13% or less of the target value. It can be seen that the wavelength characteristics of the Faraday rotation angle at room temperature and wavelengths of 1550 to 1600 nm satisfy the characteristics of 8% or less of the target value and the insertion loss of 0.1 dB or less.
[0044]
[Table 3]
Figure 0003953812
[0045]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a hard magnetic bismuth-substituted rare earth iron garnet material excellent in Faraday rotation capability, temperature characteristics, wavelength characteristics, and insertion loss is provided. Therefore, the Faraday rotator using the hard magnetic bismuth-substituted rare earth iron garnet material of the present invention can be reduced in size and cost, and realizes high-performance isolation when used in an optical isolator, for example. The optical communication system of the present invention using such an optical isolator can contribute to the realization of high-quality optical communication.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an optical communication system according to the present embodiment.
FIG. 2 is a perspective view showing a configuration of an LD module according to the present embodiment.
FIG. 3 is a diagram showing a configuration of an optical isolator according to the present embodiment.
FIG. 4 is a graph showing the relationship between coercive force and magnetization of a magnetic garnet material according to the present example.
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the external magnetic field and the Faraday rotation angle of the magnetic garnet material according to the present example.
FIG. 6 is a diagram showing a configuration of a conventional optical isolator.
FIG. 7 is a diagram for explaining the principle of an optical isolator.
FIG. 8 is a diagram for explaining an LPE method.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Optical communication system, 2 ... Optical transmitter, 21 ... Electronic circuit, 22 ... LD module, 222 ... LD, 223 ... Lens, 224 ... Optical isolator, 224a, 224c ... Polarizer, 224b ... Faraday rotator, 3 ... Optical receiver 31 ... PD module 32 ... Electronic circuit 4 ... Optical transmission line 5 ... Optical amplifier 10 ... Optical isolator 11 ... Faraday rotator 12 ... Permanent magnet 13,14 ... Polarizer 40 ... Crucible, 41 ... heating coil, 42 ... melt, 43 ... LPE substrate, 44 ... single crystal film

Claims (14)

(Bi3−x−y−zGdTbYb)Fe( 5−w )12の化学組成(ただし、M=Ga、Al、Ge、Sc、In、SiおよびTiの一種または二種以上、0.1≦x≦1.5、0.3≦y≦2.0、0.1≦z≦1.5、0.5≦x+y+z≦2.5、0.4≦w≦1.5)を有し、角形の磁気ヒステリシスを示すことを特徴とする硬磁性ガーネット材料。 (Bi 3-x-y- z Gd x Tb y Yb z) Fe (5-w) chemical composition of M w O 12 (provided that, M = Ga, Al, Ge , Sc, In, one of Si and Ti, or Two or more, 0.1 ≦ x ≦ 1.5, 0.3 ≦ y ≦ 2.0 , 0.1 ≦ z ≦ 1.5, 0.5 ≦ x + y + z ≦ 2.5, 0.4 ≦ w ≦ 1.5 ), and exhibits a square magnetic hysteresis. −40℃〜+85℃の温度範囲、波長1550nmにおけるファラデー回転能が700°/cm以上であることを特徴とする請求項に記載の硬磁性ガーネット材料。2. The hard magnetic garnet material according to claim 1 , wherein a Faraday rotation ability at a temperature range of −40 ° C. to + 85 ° C. and a wavelength of 1550 nm is 700 ° / cm or more. 前記硬磁性ガーネット材料が示す飽和磁化以上の大きさの外部磁界を印加した後に当該外部磁界を除去した後においても、前記ファラデー回転能が実質的に維持されることを特徴とする請求項1又は2に記載の硬磁性ガーネット材料。In After removal of the external magnetic field after applying an external magnetic field of the saturation magnetization or the size of the hard magnetic garnet material also shows, according to claim 1, characterized in that the Faraday rotational capacity is substantially maintained or 2. Hard magnetic garnet material according to 2. −40℃〜+85℃の温度範囲、波長1550nmにおけるファラデー回転角の温度特性が、その狙い値の13%以下であることを特徴とする請求項1〜のいずれかに記載の硬磁性ガーネット材料。The hard magnetic garnet material according to any one of claims 1 to 3 , wherein a temperature characteristic of a Faraday rotation angle at a temperature range of -40 ° C to + 85 ° C and a wavelength of 1550 nm is 13% or less of the target value. . 室温かつ波長1500〜1600nmにおけるファラデー回転角の波長特性が、その狙い値の8%以下であることを特徴とする請求項1〜のいずれかに記載の硬磁性ガーネット材料。The hard magnetic garnet material according to any one of claims 1 to 4 , wherein a wavelength characteristic of a Faraday rotation angle at room temperature and a wavelength of 1500 to 1600 nm is 8% or less of a target value. −40℃〜+85℃の温度範囲における挿入損失が0.1dB以下であることを特徴とする請求項1〜のいずれかに記載の硬磁性ガーネット材料。Hard magnetic garnet material according to any one of claims 1 to 5, the insertion loss in the temperature range of -40 ℃ ~ + 85 ℃ is equal to or is less than 0.1dB. ビスマス置換型希土類鉄ガーネット単結晶膜を用い、入射された光の偏波面を回転させるファラデー回転子であって、
前記単結晶膜は、
希土類元素としてGd、TbおよびYbを必ず含み、実質的に角形の磁気ヒステリシスを示し、かつ
−40℃〜+85℃の温度範囲、波長1550nmにおけるファラデー回転能が700°/cm以上であるとともに、ファラデー回転角の温度特性がその狙い値の13%以下、
室温かつ波長1500〜1600nmにおけるファラデー回転角の波長特性がその狙い値の8%以下、
挿入損失が0.1dB以下であることを特徴とするファラデー回転子。
A Faraday rotator that rotates a polarization plane of incident light using a bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film,
The single crystal film is
The rare earth element always contains Gd, Tb, and Yb, exhibits substantially a square magnetic hysteresis, has a temperature range of −40 ° C. to + 85 ° C., and has a Faraday rotation capability at a wavelength of 1550 nm of 700 ° / cm or more. The temperature characteristic of the rotation angle is 13% or less of the target value,
The wavelength characteristic of the Faraday rotation angle at room temperature and a wavelength of 1500-1600 nm is 8% or less of the target value,
A Faraday rotator having an insertion loss of 0.1 dB or less.
前記単結晶膜は、Gd、TbおよびYbのほかに、La,Pr,Sm,Eu,Dy,Lu,Tm,Er,Ho,YおよびCaの一種または二種以上を含むことを特徴とする請求項に記載のファラデー回転子。The single crystal film includes one or more of La, Pr, Sm, Eu, Dy, Lu, Tm, Er, Ho, Y, and Ca in addition to Gd, Tb, and Yb. Item 8. The Faraday rotator according to Item 7 . −40℃〜+85℃の温度範囲、波長1550nmにおける前記ファラデー回転能が、800°/cm以上であることを特徴とする請求項又はに記載のファラデー回転子。The Faraday rotator according to claim 7 or 8 , wherein the Faraday rotation ability in a temperature range of -40 ° C to + 85 ° C and a wavelength of 1550 nm is 800 ° / cm or more. 前記温度特性が、その狙い値の11%以下であることを特徴とする請求項のいずれかに記載のファラデー回転子。The Faraday rotator according to any one of claims 7 to 9 , wherein the temperature characteristic is 11% or less of a target value. 前記波長特性がその狙い値の7%以下であることを特徴とする請求項10のいずれかに記載のファラデー回転子。The Faraday rotator according to any one of claims 7 to 10 , wherein the wavelength characteristic is 7% or less of a target value. 前記挿入損失が0.07dB以下であることを特徴とする請求項11のいずれかに記載のファラデー回転子。The Faraday rotator according to any one of claims 7 to 11 , wherein the insertion loss is 0.07 dB or less. 順方向の光が入射される第1の偏光子と、
前記第1の偏光子と所定間隔を隔てて対向配置され前記順方向の光が出射される第2の偏光子と、
前記第1の偏光子と前記第2の偏光子との間に配置され、前記第1の偏光子を透過した光の偏波面を回転させて前記第2の偏光子に向けて出射するとともに、前記第2の偏光子を透過した逆方向の光の透過を阻止するファラデー回転子とを備え、
前記ファラデー回転子は、
(Bi3−x−y−zGdTbYb)Fe( 5−w )12の化学組成(ただし、M=Ga、Al、Ge、Sc、In、SiおよびTiの一種または二種以上、0.1≦x≦1.5、0.3≦y≦2.0、0.1≦z≦1.5、0.5≦x+y+z≦2.5、0.4≦w≦1.5)を有するビスマス置換型希土類鉄ガーネット単結晶膜から構成され、かつこのビスマス置換型希土類鉄ガーネット単結晶膜の磁気的なヒステリシスが角形を示すことを特徴とする光アイソレータ。
A first polarizer on which forward light is incident;
A second polarizer disposed opposite to the first polarizer at a predetermined interval and emitting the light in the forward direction;
The first polarizer and the second polarizer are disposed between the first polarizer, the polarization plane of the light transmitted through the first polarizer is rotated and emitted toward the second polarizer, and A Faraday rotator that blocks transmission of light in the reverse direction that has passed through the second polarizer,
The Faraday rotator is
(Bi 3-x-y- z Gd x Tb y Yb z) Fe (5-w) chemical composition of M w O 12 (provided that, M = Ga, Al, Ge , Sc, In, one of Si and Ti, or Two or more, 0.1 ≦ x ≦ 1.5, 0.3 ≦ y ≦ 2.0 , 0.1 ≦ z ≦ 1.5, 0.5 ≦ x + y + z ≦ 2.5, 0.4 ≦ w ≦ 1.5 ) and an optical isolator characterized in that the magnetic hysteresis of the bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film has a square shape.
電気信号から変換された光信号を発する光送信器と、
前記光送信器から発せられる前記光信号を伝送する光伝送ラインと、
前記光伝送ラインを介して伝送された前記光信号を受信し、かつ受信した前記光信号を電気信号に変換する光受信器とを備えた光通信システムであって、
前記光発信器は、
前記電気信号を前記光信号に変換する電−光変換素子と、前記電−光変換素子と前記光伝送ラインの間に配置される光アイソレータとを有し、
前記光アイソレータを構成するファラデー回転子は、
(Bi3−x−y−zGdTbYb)Fe( 5−w )12の化学組成(ただし、M=Ga、Al、Ge、Sc、In、SiおよびTiの一種または二種以上、0.1≦x≦1.5、0.3≦y≦2.0、0.1≦z≦1.5、0.5≦x+y+z≦2.5、0.4≦w≦1.5)を有するビスマス置換型希土類鉄ガーネット単結晶膜から構成され、かつこのビスマス置換型希土類鉄ガーネット単結晶膜の磁気的なヒステリシスが角形を示すことを特徴とする光通信システム。
An optical transmitter that emits an optical signal converted from an electrical signal;
An optical transmission line for transmitting the optical signal emitted from the optical transmitter;
An optical communication system comprising: an optical receiver that receives the optical signal transmitted through the optical transmission line and converts the received optical signal into an electrical signal;
The optical transmitter is:
An electro-optical conversion element that converts the electrical signal into the optical signal; and an optical isolator disposed between the electro-optical conversion element and the optical transmission line;
The Faraday rotator constituting the optical isolator is:
(Bi 3-x-y- z Gd x Tb y Yb z) Fe (5-w) chemical composition of M w O 12 (provided that, M = Ga, Al, Ge , Sc, In, one of Si and Ti, or Two or more, 0.1 ≦ x ≦ 1.5, 0.3 ≦ y ≦ 2.0 , 0.1 ≦ z ≦ 1.5, 0.5 ≦ x + y + z ≦ 2.5, 0.4 ≦ w ≦ 1.5 ) and a bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film, and the magnetic hysteresis of the bismuth-substituted rare earth iron garnet single crystal film exhibits a square shape.
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