JP4220267B2 - ファラデー回転子及びそれを用いた光部品 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶を用いて光の偏波面を可逆的に制御するファラデー回転子に関し、さらにそれを用いた光部品（光アイソレータ、光サーキュレータ、光スイッチ、光アッテネータ、偏波コントローラ等）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液相エピタキシャル法（ＬＰＥ法）で育成されたＢｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜から作製されるファラデー回転子は、光通信システムで用いられる光アイソレータ等に多用されている。さらに近年は、光アイソレータとは別の用途として磁気光学式の光アッテネータや光スイッチ、及び偏波コントローラ等にファラデー回転子が利用され、ＷＤＭ（光波長多重通信）システムで利用されるようになってきている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
光アイソレータは、ファラデー回転子に外部磁界を印加したり、ファラデー回転子自体を永久磁石にしたりすることで、光の進行方向と磁気モーメントの方向をほぼ同一にして所定のファラデー回転角を発生させる。一方、ファラデー回転子を利用した磁気光学型光アッテネータなどの光部品では、ファラデー回転子に光の進行方向とは異なる方位の外部磁界を印加してファラデー回転角を可逆的に変化させるようにしている。
【０００４】
液相エピタキシャル法で育成したＢｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜には膜成長方向に成長誘導磁気異方性が発生する。これによりガーネット単結晶膜の磁気モーメント方位はエピタキシャル成長方向と同一方向に固定される。一般に光アイソレータで使用されるファラデー回転子は、ガーネット単結晶膜のエピタキシャル成長方向と同方向に磁気モーメント方位を揃えて使用するため、このようなエピタキシャル成長によるガーネット単結晶膜に特有の磁気的特徴は使用上問題にはならない。
【０００５】
しかし、可変光アッテネータのようにファラデー回転角を可変させる構成でのファラデー回転子には、ガーネット単結晶膜のエピタキシャル成長方向とは異なる方向に磁界を印加して、磁気モーメント方位をガーネット単結晶膜のエピタキシャル成長方向に対して斜めにする必要がある。その際、強い成長誘導磁気異方性は磁気モーメント方位を斜めに変化させるための阻害要因となる。そこで、Ｂｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜を１０００℃以上の高温で熱処理することにより成長誘導磁気異方性を弱めて、印加磁界の方向に磁気モーメント方位が向くように制御し、ファラデー回転角が変化可能なファラデー回転子を得るようにしている（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平６−５１２５５号公報
【０００７】
【特許文献２】
特開平１０−１３９８号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
熱処理によりガーネット単結晶膜の成長誘導磁気異方性を弱くすると、磁気モーメント方位はガーネット単結晶膜の膜成長方向以外に向き易くなるが、逆に膜成長方向には向き難くなる。そのため、ガーネット単結晶膜の膜成長方向の飽和磁界Ｈｓは熱処理前より熱処理後の方が大きくなる。膜成長方向の印加磁界の強さを０から徐々に大きくしてファラデー回転角を測定し、ファラデー回転角が変化しなくなったときの印加磁界を飽和磁界Ｈｓとする。図８は、飽和磁界Ｈｓより小さい外部磁界Ｈ（不図示）をファラデー回転子１の光入射面にほぼ垂直に印加した状態を示している。図８に示すように、磁気モーメント２の一部は印加磁界の方向を向き、その他の部分は逆方向を向くのでガーネット単結晶膜は異なる磁区構造を持つ。
【０００９】
飽和磁界Ｈｓより小さな外部磁界Ｈを印加した状態でファラデー回転子１に特定の偏波面を持つ光Ｉｉを入射させると、磁気モーメント２が正方向と逆方向の領域で異なる偏波面を持つ光となる。そのため、図８に示すように、光の回折が生じて回折光Ｉｒが散乱光として出力されてしまい、出力光Ｉｏが減少して光損失が発生するためファラデー回転子１を使用した光部品の光損失が増大してしまう。
【００１０】
従って、ガーネット単結晶膜の成長誘導磁気異方性を弱くするための熱処理は、磁気モーメント２の方位を外部磁界ｈの印加により容易に変化できるようにすると共に、飽和磁界Ｈｓができる限り増加させない条件を選択して実施する必要がある。ところが、これを満足する条件で熱処理を施したファラデー回転子は、磁界を印加して磁気モーメント方位を印加磁界方向に揃えようとするときの磁気モーメント方位の再現性が低下してしまうため、所望範囲でファラデー回転角を正確に可変できないという問題が発生する。そのため、例えば磁気光学型光アッテネータで十分なアッテネーションが得られないといった問題が生じてしまう。
【００１１】
本発明の目的は、Ｂｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜を熱処理して成長誘導磁気異方性を弱めても、ファラデー回転角を安定して可変することができ、且つ可変角度が大きなファラデー回転子及びそれを用いた光部品を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、ガーネット単結晶を有し、前記ガーネット単結晶の光入射面に対してほぼ垂直方向に飽和磁界Ｈｓを印加したときの飽和回転角をＦｓとすると、前記飽和磁界Ｈｓの０．９倍の強さの外部磁界Ｈを印加したときのファラデー回転角Ｆが、１＞Ｆ／Ｆｓ≧０．９６の関係を満たすことを特徴とするファラデー回転子によって達成される。
【００１３】
上記本発明のファラデー回転子であって、前記ガーネット単結晶は、ＢｉaＡ3-aＦｅ5-xＭxＯ12（ここで、Ａは、Ｙ、Ｌｕ、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｔｂ、Ｇｄ、Ｅｕ、Ｓｍ、Ｎｄ、Ｐｒ、Ｃｅ、Ｌａ、Ｐｂ、Ｃａのうち１種類以上の元素であり、ａは、０．６≦ａ≦２．０を満足する。Ｍは、Ｇａ、Ａｌ、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｉｒ、Ｐｔのうち１種類以上の元素であり、ｘは、０≦ｘ≦１．５を満足する。）で表されることを特徴とする。
【００１４】
上記本発明のファラデー回転子であって、前記ガーネット単結晶は、ＢｉbＡcＢ3-b-cＦｅ5-xＭxＯ12（ここで、Ａは、Ｙ、Ｌｕ、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｅｕ、Ｓｍ、Ｎｄ、Ｐｒ、Ｃｅ、Ｌａ、Ｐｂ、Ｃａのうち１種類以上の元素であり、Ｂは、Ｔｂ、Ｇｄ、Ｄｙのうち１種類以上の元素で、ｂ及びｃは、０．６＜ｂ≦２．０、０．６＜ｂ＋ｃ≦３．０を満足する。Ｍは、Ｇａ、Ａｌ、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｉｒ、Ｐｔのうち１種類以上の元素であり、ｘは、０≦ｘ≦１．５を満足する。）で表されることを特徴とする。
【００１５】
上記本発明のファラデー回転子であって、前記外部磁界Ｈの大きさを制御して前記ファラデー回転角Ｆを変化させることを特徴とする。
【００１６】
また、上記目的は、上記本発明のファラデー回転子と、前記外部磁界Ｈを前記ファラデー回転子に印加する磁気回路とを有することを特徴とする光部品によって達成される。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施の形態によるファラデー回転子及びそれを用いた光部品について図１乃至図７を用いて説明する。まず、本実施の形態によるファラデー回転子の動作原理について図１を用いて説明する。図１の横軸は熱処理時間を表し、縦軸は、下段が膜成長方向の飽和磁界Ｈｓの強さ（Ｏｅ）を表し、中段はファラデー回転角（ｄｅｇ．）を表し、上段は飽和磁界Ｈｓを印加したときの飽和回転角Ｆｓに対して飽和磁界Ｈｓの０．９倍の強さの磁界を印加したときのファラデー回転角Ｆの割合Ｆ／Ｆｓを表している。
【００１８】
成長誘導磁気異方性は、エピタキシャル成長時に生じる温度変動や融液の対流の変動を原因として膜成長方向に微小な周期的組成変動ができることにより発生する。エピタキシャル膜を熱処理すると、原子の再配列が起きて膜成長方向の周期的な組成変動が少なくなるため成長誘導磁気異方性は減少する。より高温で長時間の熱処理を行うほど成長誘導磁気異方性は小さくなる。磁性ガーネット単結晶の磁化容易軸は＜１１１＞の結晶方位である。通常、磁性ガーネット単結晶膜の育成に使用するＣａＭｇＺｒ置換ＧＧＧ基板は（１１１）面が育成面に使用される。
【００１９】
従って、ガーネット単結晶に複数存在する磁化容易軸＜１１１＞の一つはＧＧＧ基板の育成面に垂直な方位を向いており、成長誘導磁気異方性の方位と一致している。それらの方位が一致していることにより磁性ガーネット単結晶膜の磁気モーメント方位は成長方向に固定されている。熱処理で成長誘導磁気異方性が減少すると、磁気モーメント方位は膜成長方向以外の＜１１１＞の結晶方位にも向き易くなる。特に、ファラデー回転子は板状に育成した単結晶膜を加工して同様の板状の光学素子として形成するため、仮に成長誘導磁気異方性の影響がないとすれば、形状の効果により膜成長方向から斜めの＜１１１＞方位に磁気モーメントの方位は向くことになる。
【００２０】
図１下段に示すように、膜成長方向の飽和磁界Ｈｓは熱処理前より熱処理後の方が大きくなる。また、膜成長方向の飽和磁界Ｈｓは熱処理時間が長いほど大きくなる。そこで従来は、既述の通り、成長誘導磁気異方性を弱くするための熱処理は、磁気モーメント方位を任意方向に可変できるようにするのと共に、飽和磁界Ｈｓができる限り増加しない条件として、例えば図１中に示す「従来条件」の熱処理時間を選んで行われていた。
【００２１】
ところが、図１中段に示すように、得られるファラデー回転角Ｆは、熱処理の開始と共に急激に小さくなり、「従来条件」の熱処理時間よりかなり長い熱処理時間にしないとその変動量は安定しない。
【００２２】
従って、飽和磁界Ｈｓをできるだけ増加させないことを第１条件とする「従来条件」の熱処理時間で熱処理を行うと、図１中段に示すように、熱処理時間が僅かに振れただけで得られるファラデー回転角が大きく変動してしまうという問題が発生する。このため、磁気光学型光アッテネータ等では正確で十分なアッテネーションが得られないという問題が生じる。
【００２３】
次に、図２及び図３を用いて磁気モーメント２の方位と外部磁界Ｈの関係について説明する。図２は、熱処理を施していないファラデー回転子１を示している。また、ファラデー回転子１の光入射面は、ガーネット単結晶の結晶成長方向にほぼ直交している。
【００２４】
図２（ａ）に示すように、熱処理を施していないファラデー回転子１を構成するガーネット単結晶は、結晶成長方向に磁化容易軸があるため、磁界無印加状態でのファラデー回転子１には、磁気モーメント２の一部が磁化容易軸の一方向を向き、それ以外は逆方向を向いている異なる磁区構造が形成されている。
【００２５】
図２（ｂ）に示すように、ガーネット単結晶の光入射面に対してほぼ垂直方向の成分が飽和磁界Ｈｓより大きくなる外部磁界Ｈをファラデー回転子１に斜めに印加すると磁気モーメント２は全域で一方向を向き、磁区の構造は一様なものとなる。この状態で得られるファラデー回転子１のファラデー回転角を飽和回転角Ｆｓとする。
【００２６】
図３は、熱処理を施したファラデー回転子１の磁気モーメント２の方位と外部磁界Ｈの関係を示している。なお、ファラデー回転子１の光入射面は、ガーネット単結晶の結晶成長方向にほぼ直交している。
【００２７】
図３（ａ）に示すように、熱処理を施したファラデー回転子１を構成するガーネット単結晶は、磁化容易軸が結晶成長方向から（１００）結晶面に沿った方位に変化しているものの、磁界無印加状態でのファラデー回転子１内の磁気モーメント２は、一部が磁化容易軸の一方向を向き、それ以外は逆方向を向いて、異なる磁区構造が形成されている。
【００２８】
図３（ｂ）に示すように、熱処理を施したファラデー回転子１に光入射面に対してほぼ垂直方向の成分が飽和磁界Ｈｓより大きくなる外部磁界Ｈを斜めに印加すると、熱処理を施さないファラデー回転子１の場合と同様に磁気モーメント２は全域で一方向を向き、磁区の構造は一様なものとなる。但し、基板面法線方向に斜めに磁化容易軸が存在し、磁気モーメント２の方位は外部磁界Ｈの方向に倣い基板面法線方向から斜めになるため、得られるファラデー回転角Ｆは飽和回転角Ｆｓより小さくなる。
【００２９】
磁性ガーネット単結晶膜は熱処理の時間が長くなると成長誘導磁気異方性は減少して、外部磁界Ｈの影響により容易に磁気モーメント２の方位は変化し得るようになる。図１に示した「従来条件」近傍での熱処理時間で熱処理を施すと、磁気モーメント方位の可変性は急激に増大するため、図１中段に示すようにファラデー回転角Ｆの変動率も大きくなる。さらに熱処理時間が長くなると外部磁界Ｈによる磁気モーメント方位の可変性はほぼ一定になる。これは成長誘導磁気異方性が弱くなったことにより、磁気モーメント方位の可変性が成長誘導磁気異方性の影響を受け難くなったことによる。このため、図１中段に示すように、ファラデー回転角Ｆの変動率は小さくなり安定する。
【００３０】
また、図１下段に示すように、熱処理時間が長くなると飽和磁界Ｈｓは急激に増加する。これは熱処理により磁気モーメント方位が膜成長方向以外に向き易くなった結果、逆に磁気モーメント方位を膜成長方向に向けさせるために、より強い外部磁界Ｈが必要になったことを示す。すでに説明したが、飽和磁界Ｈｓより小さい磁界をファラデー回転子１に印加すると回折損失が生じて素子特性が劣化するため、従来は飽和磁界Ｈｓができる限り増大しない「従来条件」で熱処理を施していた。ところがそのような熱処理条件は、熱処理時間の変動に依存して磁気モーメント方位の可変性が最も大きく変動する条件でもある。「従来条件」及びその近傍の熱処理時間では、熱処理時の炉の温度変動や試料の位置による温度の僅かな違いなど熱処理条件の差が磁気モーメント方位の変動量に大きく影響する。このため、図１中段に示すように、ファラデー回転角Ｆの回転角度のばらつきも大きくなってしまう結果となっていた。
【００３１】
ところが、図１の「改善条件」に示すような、「従来条件」より長時間の熱処理を施すことにより、磁気モーメント方位の変動を小さくして熱処理時間によるファラデー回転角Ｆのばらつきを低減して、熱処理時間の変動に依存性ない安定したファラデー回転角Ｆを得ることが可能になる。
【００３２】
図４は、熱処理を施していないファラデー回転子１に印加する外部磁界Ｈとファラデー回転角Ｆとの関係を示している。横軸は外部磁界Ｈ（Ｏｅ）を表し、縦軸はファラデー回転角（ｄｅｇ．）を表している。横軸の値Ｈｓは、熱処理を施していないファラデー回転子１の飽和磁界Ｈｓの大きさを示している。また、横軸の値０．９×Ｈｓは、飽和磁界Ｈｓのほぼ９割の大きさを示している。なお図４では、ファラデー回転子１を構成するガーネット単結晶の成長方向であって、光入射出方向に外部磁界Ｈを印加している。
【００３３】
図５は、熱処理を施したファラデー回転子１に印加する外部磁界Ｈとファラデー回転角との関係を示している。横軸は外部磁界Ｈ（Ｏｅ）を表し、縦軸はファラデー回転角（ｄｅｇ．）を表している。横軸の値Ｈｓは、熱処理を施したファラデー回転子１の飽和磁界Ｈｓの大きさを示している。また、横軸の値０．９×Ｈｓは、飽和磁界Ｈｓのほぼ９割の大きさを示している。なお図５もファラデー回転子を構成するガーネット単結晶の成長方向であって、光入射出方向に外部磁界Ｈを印加している。
【００３４】
図４と図５を比較しつつ説明すると、熱処理により飽和磁界Ｈｓが増大したファラデー回転子１では、飽和磁界Ｈｓに近い強度の外部磁界Ｈを印加したファラデー回転角Ｆは飽和回転角Ｆｓに非常に近い値となる。たとえば、図４に示すような熱処理を施していないファラデー回転子１に飽和磁界Ｈｓの０．９倍の外部磁界Ｈを印加した場合の、ファラデー回転角Ｆを飽和回転角Ｆｓで割った値Ｆ／Ｆｓは、図１の上段に示すように、０．９４となる。それに対して「従来条件」の熱処理を施したファラデー回転子１に飽和磁界Ｈｓの０．９倍の外部磁界Ｈを印加した場合のＦ／Ｆｓは、図１上段に示すように、０．９５となる。また、ファラデー回転角Ｆの熱処理時間に依存する変動を改善した「改善条件」での熱処理では、Ｆ／Ｆｓは、図１上段に示すように、０．９６以上となった。この図１上段に示すように、Ｆ／Ｆｓは熱処理なしで０．９４程度であり、「従来条件」の熱処理時間で０．９５程度である。本実施の形態の「改善条件」による熱処理時間によれば、Ｆ／Ｆｓは０．９６以上となる。
【００３５】
ファラデー回転角Ｆの熱処理時間に依存する変動を改善するために長時間の熱処理を行うと飽和磁界Ｈｓは増加するが、より大きな外部磁界Ｈを印加できる外部磁気回路を使うことで回折損失は低減できる。また、図５に示すように、長時間の熱処理を行ったファラデー回転子１は、飽和磁界Ｈｓより著しく小さい外部磁界Ｈを印加した場合を除き、例えば飽和磁界Ｈｓの０．９倍以下の外部磁界Ｈでもファラデー回転角Ｆは飽和磁界Ｈｓでの飽和回転角Ｆｓの０．９６倍以上が得られるため、回折損失をほとんど発生させない実使用に十分耐えることが分かった。
【００３６】
このように、図４及び図５から明らかなように、外部磁界Ｈとファラデー回転角Ｆの関係には明確な関連があり、また、図１から明らかなように、ファラデー回転角Ｆの変動性には熱処理時間との明確な関連性がある。そして飽和磁界Ｈｓの０．９倍の大きさの外部磁界Ｈを印加した場合のファラデー回転角Ｆを飽和回転角Ｆｓで割った値Ｆ／Ｆｓが０．９６以上となるようなファラデー回転子１を熱処理により作製することで、ファラデー回転角Ｆの変動性を抑えて安定化させ、且つ可変回転角度の大きさを飽和磁界Ｈｓを印加した場合に近い状態に維持することができる。
【００３７】
本実施の形態のファラデー回転子１のガーネット単結晶は、ＢｉaＡ3-aＦｅ5-xＭxＯ12（ここで、Ａは、Ｙ、Ｌｕ、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｔｂ、Ｇｄ、Ｅｕ、Ｓｍ、Ｎｄ、Ｐｒ、Ｃｅ、Ｌａ、Ｐｂ、Ｃａのうち１種類以上の元素であり、ａは、０．６≦ａ≦２．０を満足する。Ｍは、Ｇａ、Ａｌ、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｉｒ、Ｐｔのうち１種類以上の元素であり、ｘは、０≦ｘ≦１．５を満足する。）で表されることを特徴とする。
【００３８】
また、本実施の形態のファラデー回転子１のガーネット単結晶は、ＢｉbＡcＢ3-b-cＦｅ5-xＭxＯ12（ここで、Ａは、Ｙ、Ｌｕ、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｅｕ、Ｓｍ、Ｎｄ、Ｐｒ、Ｃｅ、Ｌａ、Ｐｂ、Ｃａのうち１種類以上の元素であり、Ｂは、Ｔｂ、Ｇｄ、Ｄｙのうち１種類以上の元素で、ｂ及びｃは、０．６＜ｂ≦２．０、０．６＜ｂ＋ｃ≦３．０を満足する。Ｍは、Ｇａ、Ａｌ、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｉｒ、Ｐｔのうち１種類以上の元素であり、ｘは、０≦ｘ≦１．５を満足する。）で表されることを特徴とする。
【００３９】
磁性ガーネット単結晶の希土類の主組成にＧｄ、ＴｂやＤｙを使用すると、飽和磁界Ｈｓを小さくすることができ、磁気回路の小型化や消費電力の低減に有効である。そして、その範囲を化学式において０＜３−ｂ−ｃ≦２．４とすると特に効果がある。
【００４０】
Ｂｉ量は化学式で０．６以下になるとファラデー回転係数（ファラデー回転角Ｆ／ファラデー回転子厚さＴ）が小さくなり、所定のファラデー回転角Ｆを得るにはファラデー回転子１を厚くする必要が生じるため単結晶膜の育成が困難になる。また、Ｂｉ量が化学式で２．０以上になると、単結晶膜のエピタキシャル成長時に育成条件が不安定になり、良好な品質の単結晶膜が得られなくなる。従って、Ｂｉ量は０．６から２．０の範囲が好ましい。
【００４１】
ＭはＦｅに置換し得る元素であるが、それらの元素を添加することはファラデー回転子１の飽和磁界Ｈｓを小さくすることに有効である。しかし、これらの元素が化学式で１．５以上の量がＦｅと置換すると磁性ガーネット単結晶のキュリー点が動作温度以下まで低下して、ファラデー回転子１として機能しなくなる。従って、Ｍの量は０から１．５までが好ましい。
【００４２】
以下、具体的実施例を用いて説明する。
〔実施例１〕
組成がＢｉ1.2Ｇｄ1.2Ｙｂ0.5Ｐｂ0.05Ｆｅ4.15Ｇａ0.8Ｐｔ0.01Ｇｅ0.04Ｏ12となる磁性ガーネット単結晶膜を液相エピタキシャル法により育成し、加工して板状の磁性ガーネット単結晶を作製した。その単結晶板面に対して垂直な方向に外部磁界Ｈを印加してファラデー回転角Ｆを測定することで、飽和磁界Ｈｓを室温で評価したところ１１０Ｏｅであり、飽和磁界Ｈｓを印加した飽和回転角Ｆｓは３０ｄｅｇ．であった。飽和磁界Ｈｓの０．９倍の外部磁界Ｈ＝９９Ｏｅを印加したときのファラデー回転角Ｆは２８．２ｄｅｇ．であった。ファラデー回転角Ｆ／飽和回転角Ｆｓは０．９４であった。
【００４３】
このような単結晶１０個を１１００℃で１５時間熱処理し、同様な方法で飽和磁界Ｈｓを室温で評価したところ、いずれも１５０Ｏｅであり、飽和磁界Ｈｓを印加した飽和回転角Ｆｓは３０ｄｅｇ．であった。飽和磁界Ｈｓの０．９倍の外部磁界Ｈ＝１３５Ｏｅを印加したときのファラデー回転角Ｆは２８．８ｄｅｇ．であった。ファラデー回転角Ｆ／飽和回転角Ｆｓは０．９６であった。これらの単結晶からなるファラデー回転子１に光入射出面に垂直方向に１３５Ｏｅの外部磁界Ｈ１を印加し、さらに横方向に３００Ｏｅの外部磁界Ｈ２を印加して、ファラデー回転角Ｆを測定した。１０個のファラデー回転子１のファラデー回転角Ｆの変動量は２．２〜２．５ｄｅｇ．であり、可変回転角が２６．３〜２６．６ｄｅｇ．の安定したファラデー回転角特性が得られた。
【００４４】
〔実施例２〕
組成がＢｉ1.2Ｔｂ0.8Ｈｏ0.9Ｐｂ0.05Ｆｅ4.15Ｇａ0.8Ｐｔ0.01Ｇｅ0.04Ｏ12となる磁性ガーネット単結晶膜を液相エピタキシャル法により育成し、加工して板状の磁性ガーネット単結晶を作製した。その単結晶板面に対して垂直な方向に外部磁界Ｈを印加してファラデー回転角Ｆを測定することで、飽和磁界Ｈｓを室温で評価したところ１１０Ｏｅであり、飽和磁界Ｈｓを印加した飽和回転角Ｆｓは３０ｄｅｇ．であった。飽和磁界Ｈｓの０．９倍の外部磁界Ｈ＝９９Ｏｅを印加したときのファラデー回転角Ｆは２８．２ｄｅｇ．であった。ファラデー回転角Ｆ／飽和回転角Ｆｓは０．９４であった。
【００４５】
このような単結晶１０個を１１００℃で３０時間熱処理し、同様な方法で飽和磁界Ｈｓを室温で評価したところ、いずれも３００Ｏｅであり、飽和磁界Ｈｓを印加した飽和回転角Ｆｓは３０ｄｅｇ．であった。飽和磁界Ｈｓの０．９倍の外部磁界Ｈ＝２７０Ｏｅを印加したときのファラデー回転角Ｆは２９．７ｄｅｇ．であった。ファラデー回転角Ｆ／飽和回転角Ｆｓは０．９９であった。これらの単結晶からなるファラデー回転子１に光入射出面に垂直方向に１５０Ｏｅの外部磁界Ｈ１を印加し、さらに横方向に３５０Ｏｅの外部磁界Ｈ２を印加して、ファラデー回転角Ｆを測定した。１０個のファラデー回転子１のファラデー回転角Ｆの変動量は２．０〜２．２ｄｅｇ．であり、可変回転角が２７．５〜２７．７ｄｅｇ．で安定したファラデー回転角特性が得られた。
【００４６】
〔比較例１〕
組成がＢｉ1.2Ｇｄ1.2Ｙｂ0.5Ｐｂ0.05Ｆｅ4.15Ｇａ0.8Ｐｔ0.01Ｇｅ0.04Ｏ12となる磁性ガーネット単結晶膜を液相エピタキシャル法により育成し、加工して板状の磁性ガーネット単結晶を作製した。その単結晶板面に対して垂直な方向に外部磁界Ｈを印加してファラデー回転角Ｆを測定することで、飽和磁界Ｈｓを室温で評価したところ１１０Ｏｅであり、飽和磁界Ｈｓを印加した飽和回転角Ｆｓは３０ｄｅｇ．であった。飽和磁界Ｈｓの０．９倍の外部磁界Ｈ＝９９Ｏｅを印加したときのファラデー回転角Ｆは２８．２ｄｅｇ．であった。ファラデー回転角Ｆ／飽和回転角Ｆｓは０．９４であった。
【００４７】
このような単結晶１０個を１１００℃で１０時間熱処理し、同様な方法で飽和磁界Ｈｓを室温で評価したところ、いずれも１２０Ｏｅであり、飽和磁界Ｈｓを印加した飽和回転角Ｆｓは３０ｄｅｇ．であった。飽和磁界Ｈｓの０．９倍の外部磁界Ｈ＝１０８Ｏｅを印加したときのファラデー回転角Ｆは２８．５ｄｅｇ．であった。ファラデー回転角Ｆ／飽和回転角Ｆｓは０．９５であった。これらの単結晶からなるファラデー回転子１に光入射出面に垂直方向に１２０Ｏｅの外部磁界Ｈ１を印加し、さらに横方向に３００Ｏｅの外部磁界Ｈ２を印加して、ファラデー回転角Ｆを測定した。１０個のファラデー回転子１のファラデー回転角Ｆの変動量は４．８〜１１．０ｄｅｇ．であり、可変回転角が１９．０〜２５．２ｄｅｇ．とばらつく不安定なファラデー回転角特性となった。
【００４８】
以上説明したように、本実施の形態によれば、Ｂｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜より作製したファラデー回転子を熱処理して、飽和磁界Ｈｓの０．９倍の磁界を加えた場合のファラデー回転角Ｆを飽和回転角Ｆｓで割った値Ｆ／Ｆｓを０．９６以上とすることにより、ファラデー回転角Ｆの変動量を抑制して安定させ、且つ可変角度が大きなファラデー回転子１及びそれを用いた光部品を得ることができる。
【００４９】
次に、本実施の形態によるファラデー回転子を用いた光部品としての光アイソレータ１００の概略の構成について図６を用いて説明する。図６は、本実施例に係る光アイソレータ１００の概略構成を示している。図６において、光アイソレータ１００は、本実施の形態によるファラデー回転子１を有している。ファラデー回転子１の光入射側には偏光子８が配置され、ファラデー回転子１の光射出側には検光子１０が配置されている。
【００５０】
ファラデー回転子１に飽和磁界を印加して所定のファラデー回転角を付与するために磁気回路が設けられている。磁気回路は、一組のリング型永久磁石３、４を有している。リング型永久磁石３、４はファラデー回転子１の入射光Ｉｉの入射側と射出光Ｉｏの射出側とに磁極を揃えて配置されている。リング型永久磁石３、４によりファラデー回転子１に対して光の入射出方向に飽和磁界が印加される。
【００５１】
次に、本実施の形態によるファラデー回転子用いた光部品としての光アッテネータ１１０の概略の構成について図７を用いて説明する。図７は、本実施例に係る光アッテネータ１１０の概略構成を示している。図７において、光アッテネータ１１０は、本実施の形態によるファラデー回転子１を有している。ファラデー回転子１の光入射側には光の入射順に偏光子８と旋光子１２が配置され、ファラデー回転子１の光射出側には検光子１０が配置されている。ファラデー回転子１に飽和磁界を印加して所定のファラデー回転角を付与するために磁気回路が設けられている。磁気回路は、リング型永久磁石３、４を有しており、ファラデー回転子１の入射光Ｉｉの入射側と射出光Ｉｏの射出側に一組のリング型永久磁石３、４が磁極を揃えて配置されている。これらリング型永久磁石３、４により光の入射出方向に固定磁界が印加される。
【００５２】
また、ファラデー回転子１に対して固定磁界の方向とほぼ直交する方向に可変磁界を印加する電磁石６が配置されている。可変磁界の強度は電磁石６のコイル（不図示）に流す電流を変化させることにより制御できる。可変磁界の強度を変化させることによりファラデー回転角を制御して射出光量の減衰率を制御することができる。
【００５３】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、Ｂｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜を熱処理して成長誘導磁気異方性を弱めても、ファラデー回転角の変動量を抑えて安定させ、且つ可変角度が大きなファラデー回転子及びそれを用いた光部品を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態によるファラデー回転子の動作原理について説明する図である。横軸は熱処理時間を表し、縦軸は下段が膜成長方向の飽和磁界Ｈｓの強さ（Ｏｅ）を表し、中段はファラデー回転角（ｄｅｇ．）を表し、上段は飽和磁界Ｈｓを印加したときの飽和回転角Ｆｓに対する飽和磁界Ｈｓの０．９倍の強さの磁界を印加したときのファラデー回転角Ｆの割合Ｆ／Ｆｓを表している。
【図２】本発明の一実施の形態によるファラデー回転子の動作原理を説明するために、熱処理を施していないファラデー回転子の磁気モーメントの方向と外部磁界Ｈの関係を説明する図である。
【図３】本発明の一実施の形態によるファラデー回転子の動作原理を説明するために、熱処理を施したファラデー回転子の磁気モーメントの方向と外部磁界Ｈの関係を説明する図である。
【図４】本発明の一実施の形態によるファラデー回転子の動作原理を説明するために、熱処理を施していないファラデー回転子のファラデー回転角と外部磁界Ｈの関係を説明する図である。
【図５】本発明の一実施の形態によるファラデー回転子の動作原理を説明するために、熱処理を施したファラデー回転子のファラデー回転角と外部磁界Ｈの関係を説明する図である。
【図６】本発明の一実施の形態によるファラデー回転子及びそれを用いた光アイソレータの概略の構成を示す図である。
【図７】本発明の一実施の形態によるファラデー回転子及びそれを用いた光アッテネータの概略の構成を示す図である。
【図８】磁気モーメントの方位と回折光による光損失の関係を説明する図である。
【符号の説明】
１ ファラデー回転子
２ 磁気モーメント
３、４ リング型永久磁石
６ 電磁石
８ 偏光子
１０ 検光子
１２ 旋光子
１００ 光アイソレータ
１１０ 光アッテネータ
Ｈ、Ｈ１、Ｈ２ 外部磁界
Ｈｓ 飽和磁界
Ｉｉ 入力（入射）光
Ｉｏ 出力（射出）光
Ｉｒ 回折光
【発明の属する技術分野】
本発明は、ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶を用いて光の偏波面を可逆的に制御するファラデー回転子に関し、さらにそれを用いた光部品（光アイソレータ、光サーキュレータ、光スイッチ、光アッテネータ、偏波コントローラ等）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液相エピタキシャル法（ＬＰＥ法）で育成されたＢｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜から作製されるファラデー回転子は、光通信システムで用いられる光アイソレータ等に多用されている。さらに近年は、光アイソレータとは別の用途として磁気光学式の光アッテネータや光スイッチ、及び偏波コントローラ等にファラデー回転子が利用され、ＷＤＭ（光波長多重通信）システムで利用されるようになってきている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
光アイソレータは、ファラデー回転子に外部磁界を印加したり、ファラデー回転子自体を永久磁石にしたりすることで、光の進行方向と磁気モーメントの方向をほぼ同一にして所定のファラデー回転角を発生させる。一方、ファラデー回転子を利用した磁気光学型光アッテネータなどの光部品では、ファラデー回転子に光の進行方向とは異なる方位の外部磁界を印加してファラデー回転角を可逆的に変化させるようにしている。
【０００４】
液相エピタキシャル法で育成したＢｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜には膜成長方向に成長誘導磁気異方性が発生する。これによりガーネット単結晶膜の磁気モーメント方位はエピタキシャル成長方向と同一方向に固定される。一般に光アイソレータで使用されるファラデー回転子は、ガーネット単結晶膜のエピタキシャル成長方向と同方向に磁気モーメント方位を揃えて使用するため、このようなエピタキシャル成長によるガーネット単結晶膜に特有の磁気的特徴は使用上問題にはならない。
【０００５】
しかし、可変光アッテネータのようにファラデー回転角を可変させる構成でのファラデー回転子には、ガーネット単結晶膜のエピタキシャル成長方向とは異なる方向に磁界を印加して、磁気モーメント方位をガーネット単結晶膜のエピタキシャル成長方向に対して斜めにする必要がある。その際、強い成長誘導磁気異方性は磁気モーメント方位を斜めに変化させるための阻害要因となる。そこで、Ｂｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜を１０００℃以上の高温で熱処理することにより成長誘導磁気異方性を弱めて、印加磁界の方向に磁気モーメント方位が向くように制御し、ファラデー回転角が変化可能なファラデー回転子を得るようにしている（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平６−５１２５５号公報
【０００７】
【特許文献２】
特開平１０−１３９８号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
熱処理によりガーネット単結晶膜の成長誘導磁気異方性を弱くすると、磁気モーメント方位はガーネット単結晶膜の膜成長方向以外に向き易くなるが、逆に膜成長方向には向き難くなる。そのため、ガーネット単結晶膜の膜成長方向の飽和磁界Ｈｓは熱処理前より熱処理後の方が大きくなる。膜成長方向の印加磁界の強さを０から徐々に大きくしてファラデー回転角を測定し、ファラデー回転角が変化しなくなったときの印加磁界を飽和磁界Ｈｓとする。図８は、飽和磁界Ｈｓより小さい外部磁界Ｈ（不図示）をファラデー回転子１の光入射面にほぼ垂直に印加した状態を示している。図８に示すように、磁気モーメント２の一部は印加磁界の方向を向き、その他の部分は逆方向を向くのでガーネット単結晶膜は異なる磁区構造を持つ。
【０００９】
飽和磁界Ｈｓより小さな外部磁界Ｈを印加した状態でファラデー回転子１に特定の偏波面を持つ光Ｉｉを入射させると、磁気モーメント２が正方向と逆方向の領域で異なる偏波面を持つ光となる。そのため、図８に示すように、光の回折が生じて回折光Ｉｒが散乱光として出力されてしまい、出力光Ｉｏが減少して光損失が発生するためファラデー回転子１を使用した光部品の光損失が増大してしまう。
【００１０】
従って、ガーネット単結晶膜の成長誘導磁気異方性を弱くするための熱処理は、磁気モーメント２の方位を外部磁界ｈの印加により容易に変化できるようにすると共に、飽和磁界Ｈｓができる限り増加させない条件を選択して実施する必要がある。ところが、これを満足する条件で熱処理を施したファラデー回転子は、磁界を印加して磁気モーメント方位を印加磁界方向に揃えようとするときの磁気モーメント方位の再現性が低下してしまうため、所望範囲でファラデー回転角を正確に可変できないという問題が発生する。そのため、例えば磁気光学型光アッテネータで十分なアッテネーションが得られないといった問題が生じてしまう。
【００１１】
本発明の目的は、Ｂｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜を熱処理して成長誘導磁気異方性を弱めても、ファラデー回転角を安定して可変することができ、且つ可変角度が大きなファラデー回転子及びそれを用いた光部品を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、ガーネット単結晶を有し、前記ガーネット単結晶の光入射面に対してほぼ垂直方向に飽和磁界Ｈｓを印加したときの飽和回転角をＦｓとすると、前記飽和磁界Ｈｓの０．９倍の強さの外部磁界Ｈを印加したときのファラデー回転角Ｆが、１＞Ｆ／Ｆｓ≧０．９６の関係を満たすことを特徴とするファラデー回転子によって達成される。
【００１３】
上記本発明のファラデー回転子であって、前記ガーネット単結晶は、ＢｉaＡ3-aＦｅ5-xＭxＯ12（ここで、Ａは、Ｙ、Ｌｕ、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｔｂ、Ｇｄ、Ｅｕ、Ｓｍ、Ｎｄ、Ｐｒ、Ｃｅ、Ｌａ、Ｐｂ、Ｃａのうち１種類以上の元素であり、ａは、０．６≦ａ≦２．０を満足する。Ｍは、Ｇａ、Ａｌ、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｉｒ、Ｐｔのうち１種類以上の元素であり、ｘは、０≦ｘ≦１．５を満足する。）で表されることを特徴とする。
【００１４】
上記本発明のファラデー回転子であって、前記ガーネット単結晶は、ＢｉbＡcＢ3-b-cＦｅ5-xＭxＯ12（ここで、Ａは、Ｙ、Ｌｕ、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｅｕ、Ｓｍ、Ｎｄ、Ｐｒ、Ｃｅ、Ｌａ、Ｐｂ、Ｃａのうち１種類以上の元素であり、Ｂは、Ｔｂ、Ｇｄ、Ｄｙのうち１種類以上の元素で、ｂ及びｃは、０．６＜ｂ≦２．０、０．６＜ｂ＋ｃ≦３．０を満足する。Ｍは、Ｇａ、Ａｌ、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｉｒ、Ｐｔのうち１種類以上の元素であり、ｘは、０≦ｘ≦１．５を満足する。）で表されることを特徴とする。
【００１５】
上記本発明のファラデー回転子であって、前記外部磁界Ｈの大きさを制御して前記ファラデー回転角Ｆを変化させることを特徴とする。
【００１６】
また、上記目的は、上記本発明のファラデー回転子と、前記外部磁界Ｈを前記ファラデー回転子に印加する磁気回路とを有することを特徴とする光部品によって達成される。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施の形態によるファラデー回転子及びそれを用いた光部品について図１乃至図７を用いて説明する。まず、本実施の形態によるファラデー回転子の動作原理について図１を用いて説明する。図１の横軸は熱処理時間を表し、縦軸は、下段が膜成長方向の飽和磁界Ｈｓの強さ（Ｏｅ）を表し、中段はファラデー回転角（ｄｅｇ．）を表し、上段は飽和磁界Ｈｓを印加したときの飽和回転角Ｆｓに対して飽和磁界Ｈｓの０．９倍の強さの磁界を印加したときのファラデー回転角Ｆの割合Ｆ／Ｆｓを表している。
【００１８】
成長誘導磁気異方性は、エピタキシャル成長時に生じる温度変動や融液の対流の変動を原因として膜成長方向に微小な周期的組成変動ができることにより発生する。エピタキシャル膜を熱処理すると、原子の再配列が起きて膜成長方向の周期的な組成変動が少なくなるため成長誘導磁気異方性は減少する。より高温で長時間の熱処理を行うほど成長誘導磁気異方性は小さくなる。磁性ガーネット単結晶の磁化容易軸は＜１１１＞の結晶方位である。通常、磁性ガーネット単結晶膜の育成に使用するＣａＭｇＺｒ置換ＧＧＧ基板は（１１１）面が育成面に使用される。
【００１９】
従って、ガーネット単結晶に複数存在する磁化容易軸＜１１１＞の一つはＧＧＧ基板の育成面に垂直な方位を向いており、成長誘導磁気異方性の方位と一致している。それらの方位が一致していることにより磁性ガーネット単結晶膜の磁気モーメント方位は成長方向に固定されている。熱処理で成長誘導磁気異方性が減少すると、磁気モーメント方位は膜成長方向以外の＜１１１＞の結晶方位にも向き易くなる。特に、ファラデー回転子は板状に育成した単結晶膜を加工して同様の板状の光学素子として形成するため、仮に成長誘導磁気異方性の影響がないとすれば、形状の効果により膜成長方向から斜めの＜１１１＞方位に磁気モーメントの方位は向くことになる。
【００２０】
図１下段に示すように、膜成長方向の飽和磁界Ｈｓは熱処理前より熱処理後の方が大きくなる。また、膜成長方向の飽和磁界Ｈｓは熱処理時間が長いほど大きくなる。そこで従来は、既述の通り、成長誘導磁気異方性を弱くするための熱処理は、磁気モーメント方位を任意方向に可変できるようにするのと共に、飽和磁界Ｈｓができる限り増加しない条件として、例えば図１中に示す「従来条件」の熱処理時間を選んで行われていた。
【００２１】
ところが、図１中段に示すように、得られるファラデー回転角Ｆは、熱処理の開始と共に急激に小さくなり、「従来条件」の熱処理時間よりかなり長い熱処理時間にしないとその変動量は安定しない。
【００２２】
従って、飽和磁界Ｈｓをできるだけ増加させないことを第１条件とする「従来条件」の熱処理時間で熱処理を行うと、図１中段に示すように、熱処理時間が僅かに振れただけで得られるファラデー回転角が大きく変動してしまうという問題が発生する。このため、磁気光学型光アッテネータ等では正確で十分なアッテネーションが得られないという問題が生じる。
【００２３】
次に、図２及び図３を用いて磁気モーメント２の方位と外部磁界Ｈの関係について説明する。図２は、熱処理を施していないファラデー回転子１を示している。また、ファラデー回転子１の光入射面は、ガーネット単結晶の結晶成長方向にほぼ直交している。
【００２４】
図２（ａ）に示すように、熱処理を施していないファラデー回転子１を構成するガーネット単結晶は、結晶成長方向に磁化容易軸があるため、磁界無印加状態でのファラデー回転子１には、磁気モーメント２の一部が磁化容易軸の一方向を向き、それ以外は逆方向を向いている異なる磁区構造が形成されている。
【００２５】
図２（ｂ）に示すように、ガーネット単結晶の光入射面に対してほぼ垂直方向の成分が飽和磁界Ｈｓより大きくなる外部磁界Ｈをファラデー回転子１に斜めに印加すると磁気モーメント２は全域で一方向を向き、磁区の構造は一様なものとなる。この状態で得られるファラデー回転子１のファラデー回転角を飽和回転角Ｆｓとする。
【００２６】
図３は、熱処理を施したファラデー回転子１の磁気モーメント２の方位と外部磁界Ｈの関係を示している。なお、ファラデー回転子１の光入射面は、ガーネット単結晶の結晶成長方向にほぼ直交している。
【００２７】
図３（ａ）に示すように、熱処理を施したファラデー回転子１を構成するガーネット単結晶は、磁化容易軸が結晶成長方向から（１００）結晶面に沿った方位に変化しているものの、磁界無印加状態でのファラデー回転子１内の磁気モーメント２は、一部が磁化容易軸の一方向を向き、それ以外は逆方向を向いて、異なる磁区構造が形成されている。
【００２８】
図３（ｂ）に示すように、熱処理を施したファラデー回転子１に光入射面に対してほぼ垂直方向の成分が飽和磁界Ｈｓより大きくなる外部磁界Ｈを斜めに印加すると、熱処理を施さないファラデー回転子１の場合と同様に磁気モーメント２は全域で一方向を向き、磁区の構造は一様なものとなる。但し、基板面法線方向に斜めに磁化容易軸が存在し、磁気モーメント２の方位は外部磁界Ｈの方向に倣い基板面法線方向から斜めになるため、得られるファラデー回転角Ｆは飽和回転角Ｆｓより小さくなる。
【００２９】
磁性ガーネット単結晶膜は熱処理の時間が長くなると成長誘導磁気異方性は減少して、外部磁界Ｈの影響により容易に磁気モーメント２の方位は変化し得るようになる。図１に示した「従来条件」近傍での熱処理時間で熱処理を施すと、磁気モーメント方位の可変性は急激に増大するため、図１中段に示すようにファラデー回転角Ｆの変動率も大きくなる。さらに熱処理時間が長くなると外部磁界Ｈによる磁気モーメント方位の可変性はほぼ一定になる。これは成長誘導磁気異方性が弱くなったことにより、磁気モーメント方位の可変性が成長誘導磁気異方性の影響を受け難くなったことによる。このため、図１中段に示すように、ファラデー回転角Ｆの変動率は小さくなり安定する。
【００３０】
また、図１下段に示すように、熱処理時間が長くなると飽和磁界Ｈｓは急激に増加する。これは熱処理により磁気モーメント方位が膜成長方向以外に向き易くなった結果、逆に磁気モーメント方位を膜成長方向に向けさせるために、より強い外部磁界Ｈが必要になったことを示す。すでに説明したが、飽和磁界Ｈｓより小さい磁界をファラデー回転子１に印加すると回折損失が生じて素子特性が劣化するため、従来は飽和磁界Ｈｓができる限り増大しない「従来条件」で熱処理を施していた。ところがそのような熱処理条件は、熱処理時間の変動に依存して磁気モーメント方位の可変性が最も大きく変動する条件でもある。「従来条件」及びその近傍の熱処理時間では、熱処理時の炉の温度変動や試料の位置による温度の僅かな違いなど熱処理条件の差が磁気モーメント方位の変動量に大きく影響する。このため、図１中段に示すように、ファラデー回転角Ｆの回転角度のばらつきも大きくなってしまう結果となっていた。
【００３１】
ところが、図１の「改善条件」に示すような、「従来条件」より長時間の熱処理を施すことにより、磁気モーメント方位の変動を小さくして熱処理時間によるファラデー回転角Ｆのばらつきを低減して、熱処理時間の変動に依存性ない安定したファラデー回転角Ｆを得ることが可能になる。
【００３２】
図４は、熱処理を施していないファラデー回転子１に印加する外部磁界Ｈとファラデー回転角Ｆとの関係を示している。横軸は外部磁界Ｈ（Ｏｅ）を表し、縦軸はファラデー回転角（ｄｅｇ．）を表している。横軸の値Ｈｓは、熱処理を施していないファラデー回転子１の飽和磁界Ｈｓの大きさを示している。また、横軸の値０．９×Ｈｓは、飽和磁界Ｈｓのほぼ９割の大きさを示している。なお図４では、ファラデー回転子１を構成するガーネット単結晶の成長方向であって、光入射出方向に外部磁界Ｈを印加している。
【００３３】
図５は、熱処理を施したファラデー回転子１に印加する外部磁界Ｈとファラデー回転角との関係を示している。横軸は外部磁界Ｈ（Ｏｅ）を表し、縦軸はファラデー回転角（ｄｅｇ．）を表している。横軸の値Ｈｓは、熱処理を施したファラデー回転子１の飽和磁界Ｈｓの大きさを示している。また、横軸の値０．９×Ｈｓは、飽和磁界Ｈｓのほぼ９割の大きさを示している。なお図５もファラデー回転子を構成するガーネット単結晶の成長方向であって、光入射出方向に外部磁界Ｈを印加している。
【００３４】
図４と図５を比較しつつ説明すると、熱処理により飽和磁界Ｈｓが増大したファラデー回転子１では、飽和磁界Ｈｓに近い強度の外部磁界Ｈを印加したファラデー回転角Ｆは飽和回転角Ｆｓに非常に近い値となる。たとえば、図４に示すような熱処理を施していないファラデー回転子１に飽和磁界Ｈｓの０．９倍の外部磁界Ｈを印加した場合の、ファラデー回転角Ｆを飽和回転角Ｆｓで割った値Ｆ／Ｆｓは、図１の上段に示すように、０．９４となる。それに対して「従来条件」の熱処理を施したファラデー回転子１に飽和磁界Ｈｓの０．９倍の外部磁界Ｈを印加した場合のＦ／Ｆｓは、図１上段に示すように、０．９５となる。また、ファラデー回転角Ｆの熱処理時間に依存する変動を改善した「改善条件」での熱処理では、Ｆ／Ｆｓは、図１上段に示すように、０．９６以上となった。この図１上段に示すように、Ｆ／Ｆｓは熱処理なしで０．９４程度であり、「従来条件」の熱処理時間で０．９５程度である。本実施の形態の「改善条件」による熱処理時間によれば、Ｆ／Ｆｓは０．９６以上となる。
【００３５】
ファラデー回転角Ｆの熱処理時間に依存する変動を改善するために長時間の熱処理を行うと飽和磁界Ｈｓは増加するが、より大きな外部磁界Ｈを印加できる外部磁気回路を使うことで回折損失は低減できる。また、図５に示すように、長時間の熱処理を行ったファラデー回転子１は、飽和磁界Ｈｓより著しく小さい外部磁界Ｈを印加した場合を除き、例えば飽和磁界Ｈｓの０．９倍以下の外部磁界Ｈでもファラデー回転角Ｆは飽和磁界Ｈｓでの飽和回転角Ｆｓの０．９６倍以上が得られるため、回折損失をほとんど発生させない実使用に十分耐えることが分かった。
【００３６】
このように、図４及び図５から明らかなように、外部磁界Ｈとファラデー回転角Ｆの関係には明確な関連があり、また、図１から明らかなように、ファラデー回転角Ｆの変動性には熱処理時間との明確な関連性がある。そして飽和磁界Ｈｓの０．９倍の大きさの外部磁界Ｈを印加した場合のファラデー回転角Ｆを飽和回転角Ｆｓで割った値Ｆ／Ｆｓが０．９６以上となるようなファラデー回転子１を熱処理により作製することで、ファラデー回転角Ｆの変動性を抑えて安定化させ、且つ可変回転角度の大きさを飽和磁界Ｈｓを印加した場合に近い状態に維持することができる。
【００３７】
本実施の形態のファラデー回転子１のガーネット単結晶は、ＢｉaＡ3-aＦｅ5-xＭxＯ12（ここで、Ａは、Ｙ、Ｌｕ、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｔｂ、Ｇｄ、Ｅｕ、Ｓｍ、Ｎｄ、Ｐｒ、Ｃｅ、Ｌａ、Ｐｂ、Ｃａのうち１種類以上の元素であり、ａは、０．６≦ａ≦２．０を満足する。Ｍは、Ｇａ、Ａｌ、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｉｒ、Ｐｔのうち１種類以上の元素であり、ｘは、０≦ｘ≦１．５を満足する。）で表されることを特徴とする。
【００３８】
また、本実施の形態のファラデー回転子１のガーネット単結晶は、ＢｉbＡcＢ3-b-cＦｅ5-xＭxＯ12（ここで、Ａは、Ｙ、Ｌｕ、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｅｕ、Ｓｍ、Ｎｄ、Ｐｒ、Ｃｅ、Ｌａ、Ｐｂ、Ｃａのうち１種類以上の元素であり、Ｂは、Ｔｂ、Ｇｄ、Ｄｙのうち１種類以上の元素で、ｂ及びｃは、０．６＜ｂ≦２．０、０．６＜ｂ＋ｃ≦３．０を満足する。Ｍは、Ｇａ、Ａｌ、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｉｒ、Ｐｔのうち１種類以上の元素であり、ｘは、０≦ｘ≦１．５を満足する。）で表されることを特徴とする。
【００３９】
磁性ガーネット単結晶の希土類の主組成にＧｄ、ＴｂやＤｙを使用すると、飽和磁界Ｈｓを小さくすることができ、磁気回路の小型化や消費電力の低減に有効である。そして、その範囲を化学式において０＜３−ｂ−ｃ≦２．４とすると特に効果がある。
【００４０】
Ｂｉ量は化学式で０．６以下になるとファラデー回転係数（ファラデー回転角Ｆ／ファラデー回転子厚さＴ）が小さくなり、所定のファラデー回転角Ｆを得るにはファラデー回転子１を厚くする必要が生じるため単結晶膜の育成が困難になる。また、Ｂｉ量が化学式で２．０以上になると、単結晶膜のエピタキシャル成長時に育成条件が不安定になり、良好な品質の単結晶膜が得られなくなる。従って、Ｂｉ量は０．６から２．０の範囲が好ましい。
【００４１】
ＭはＦｅに置換し得る元素であるが、それらの元素を添加することはファラデー回転子１の飽和磁界Ｈｓを小さくすることに有効である。しかし、これらの元素が化学式で１．５以上の量がＦｅと置換すると磁性ガーネット単結晶のキュリー点が動作温度以下まで低下して、ファラデー回転子１として機能しなくなる。従って、Ｍの量は０から１．５までが好ましい。
【００４２】
以下、具体的実施例を用いて説明する。
〔実施例１〕
組成がＢｉ1.2Ｇｄ1.2Ｙｂ0.5Ｐｂ0.05Ｆｅ4.15Ｇａ0.8Ｐｔ0.01Ｇｅ0.04Ｏ12となる磁性ガーネット単結晶膜を液相エピタキシャル法により育成し、加工して板状の磁性ガーネット単結晶を作製した。その単結晶板面に対して垂直な方向に外部磁界Ｈを印加してファラデー回転角Ｆを測定することで、飽和磁界Ｈｓを室温で評価したところ１１０Ｏｅであり、飽和磁界Ｈｓを印加した飽和回転角Ｆｓは３０ｄｅｇ．であった。飽和磁界Ｈｓの０．９倍の外部磁界Ｈ＝９９Ｏｅを印加したときのファラデー回転角Ｆは２８．２ｄｅｇ．であった。ファラデー回転角Ｆ／飽和回転角Ｆｓは０．９４であった。
【００４３】
このような単結晶１０個を１１００℃で１５時間熱処理し、同様な方法で飽和磁界Ｈｓを室温で評価したところ、いずれも１５０Ｏｅであり、飽和磁界Ｈｓを印加した飽和回転角Ｆｓは３０ｄｅｇ．であった。飽和磁界Ｈｓの０．９倍の外部磁界Ｈ＝１３５Ｏｅを印加したときのファラデー回転角Ｆは２８．８ｄｅｇ．であった。ファラデー回転角Ｆ／飽和回転角Ｆｓは０．９６であった。これらの単結晶からなるファラデー回転子１に光入射出面に垂直方向に１３５Ｏｅの外部磁界Ｈ１を印加し、さらに横方向に３００Ｏｅの外部磁界Ｈ２を印加して、ファラデー回転角Ｆを測定した。１０個のファラデー回転子１のファラデー回転角Ｆの変動量は２．２〜２．５ｄｅｇ．であり、可変回転角が２６．３〜２６．６ｄｅｇ．の安定したファラデー回転角特性が得られた。
【００４４】
〔実施例２〕
組成がＢｉ1.2Ｔｂ0.8Ｈｏ0.9Ｐｂ0.05Ｆｅ4.15Ｇａ0.8Ｐｔ0.01Ｇｅ0.04Ｏ12となる磁性ガーネット単結晶膜を液相エピタキシャル法により育成し、加工して板状の磁性ガーネット単結晶を作製した。その単結晶板面に対して垂直な方向に外部磁界Ｈを印加してファラデー回転角Ｆを測定することで、飽和磁界Ｈｓを室温で評価したところ１１０Ｏｅであり、飽和磁界Ｈｓを印加した飽和回転角Ｆｓは３０ｄｅｇ．であった。飽和磁界Ｈｓの０．９倍の外部磁界Ｈ＝９９Ｏｅを印加したときのファラデー回転角Ｆは２８．２ｄｅｇ．であった。ファラデー回転角Ｆ／飽和回転角Ｆｓは０．９４であった。
【００４５】
このような単結晶１０個を１１００℃で３０時間熱処理し、同様な方法で飽和磁界Ｈｓを室温で評価したところ、いずれも３００Ｏｅであり、飽和磁界Ｈｓを印加した飽和回転角Ｆｓは３０ｄｅｇ．であった。飽和磁界Ｈｓの０．９倍の外部磁界Ｈ＝２７０Ｏｅを印加したときのファラデー回転角Ｆは２９．７ｄｅｇ．であった。ファラデー回転角Ｆ／飽和回転角Ｆｓは０．９９であった。これらの単結晶からなるファラデー回転子１に光入射出面に垂直方向に１５０Ｏｅの外部磁界Ｈ１を印加し、さらに横方向に３５０Ｏｅの外部磁界Ｈ２を印加して、ファラデー回転角Ｆを測定した。１０個のファラデー回転子１のファラデー回転角Ｆの変動量は２．０〜２．２ｄｅｇ．であり、可変回転角が２７．５〜２７．７ｄｅｇ．で安定したファラデー回転角特性が得られた。
【００４６】
〔比較例１〕
組成がＢｉ1.2Ｇｄ1.2Ｙｂ0.5Ｐｂ0.05Ｆｅ4.15Ｇａ0.8Ｐｔ0.01Ｇｅ0.04Ｏ12となる磁性ガーネット単結晶膜を液相エピタキシャル法により育成し、加工して板状の磁性ガーネット単結晶を作製した。その単結晶板面に対して垂直な方向に外部磁界Ｈを印加してファラデー回転角Ｆを測定することで、飽和磁界Ｈｓを室温で評価したところ１１０Ｏｅであり、飽和磁界Ｈｓを印加した飽和回転角Ｆｓは３０ｄｅｇ．であった。飽和磁界Ｈｓの０．９倍の外部磁界Ｈ＝９９Ｏｅを印加したときのファラデー回転角Ｆは２８．２ｄｅｇ．であった。ファラデー回転角Ｆ／飽和回転角Ｆｓは０．９４であった。
【００４７】
このような単結晶１０個を１１００℃で１０時間熱処理し、同様な方法で飽和磁界Ｈｓを室温で評価したところ、いずれも１２０Ｏｅであり、飽和磁界Ｈｓを印加した飽和回転角Ｆｓは３０ｄｅｇ．であった。飽和磁界Ｈｓの０．９倍の外部磁界Ｈ＝１０８Ｏｅを印加したときのファラデー回転角Ｆは２８．５ｄｅｇ．であった。ファラデー回転角Ｆ／飽和回転角Ｆｓは０．９５であった。これらの単結晶からなるファラデー回転子１に光入射出面に垂直方向に１２０Ｏｅの外部磁界Ｈ１を印加し、さらに横方向に３００Ｏｅの外部磁界Ｈ２を印加して、ファラデー回転角Ｆを測定した。１０個のファラデー回転子１のファラデー回転角Ｆの変動量は４．８〜１１．０ｄｅｇ．であり、可変回転角が１９．０〜２５．２ｄｅｇ．とばらつく不安定なファラデー回転角特性となった。
【００４８】
以上説明したように、本実施の形態によれば、Ｂｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜より作製したファラデー回転子を熱処理して、飽和磁界Ｈｓの０．９倍の磁界を加えた場合のファラデー回転角Ｆを飽和回転角Ｆｓで割った値Ｆ／Ｆｓを０．９６以上とすることにより、ファラデー回転角Ｆの変動量を抑制して安定させ、且つ可変角度が大きなファラデー回転子１及びそれを用いた光部品を得ることができる。
【００４９】
次に、本実施の形態によるファラデー回転子を用いた光部品としての光アイソレータ１００の概略の構成について図６を用いて説明する。図６は、本実施例に係る光アイソレータ１００の概略構成を示している。図６において、光アイソレータ１００は、本実施の形態によるファラデー回転子１を有している。ファラデー回転子１の光入射側には偏光子８が配置され、ファラデー回転子１の光射出側には検光子１０が配置されている。
【００５０】
ファラデー回転子１に飽和磁界を印加して所定のファラデー回転角を付与するために磁気回路が設けられている。磁気回路は、一組のリング型永久磁石３、４を有している。リング型永久磁石３、４はファラデー回転子１の入射光Ｉｉの入射側と射出光Ｉｏの射出側とに磁極を揃えて配置されている。リング型永久磁石３、４によりファラデー回転子１に対して光の入射出方向に飽和磁界が印加される。
【００５１】
次に、本実施の形態によるファラデー回転子用いた光部品としての光アッテネータ１１０の概略の構成について図７を用いて説明する。図７は、本実施例に係る光アッテネータ１１０の概略構成を示している。図７において、光アッテネータ１１０は、本実施の形態によるファラデー回転子１を有している。ファラデー回転子１の光入射側には光の入射順に偏光子８と旋光子１２が配置され、ファラデー回転子１の光射出側には検光子１０が配置されている。ファラデー回転子１に飽和磁界を印加して所定のファラデー回転角を付与するために磁気回路が設けられている。磁気回路は、リング型永久磁石３、４を有しており、ファラデー回転子１の入射光Ｉｉの入射側と射出光Ｉｏの射出側に一組のリング型永久磁石３、４が磁極を揃えて配置されている。これらリング型永久磁石３、４により光の入射出方向に固定磁界が印加される。
【００５２】
また、ファラデー回転子１に対して固定磁界の方向とほぼ直交する方向に可変磁界を印加する電磁石６が配置されている。可変磁界の強度は電磁石６のコイル（不図示）に流す電流を変化させることにより制御できる。可変磁界の強度を変化させることによりファラデー回転角を制御して射出光量の減衰率を制御することができる。
【００５３】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、Ｂｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜を熱処理して成長誘導磁気異方性を弱めても、ファラデー回転角の変動量を抑えて安定させ、且つ可変角度が大きなファラデー回転子及びそれを用いた光部品を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態によるファラデー回転子の動作原理について説明する図である。横軸は熱処理時間を表し、縦軸は下段が膜成長方向の飽和磁界Ｈｓの強さ（Ｏｅ）を表し、中段はファラデー回転角（ｄｅｇ．）を表し、上段は飽和磁界Ｈｓを印加したときの飽和回転角Ｆｓに対する飽和磁界Ｈｓの０．９倍の強さの磁界を印加したときのファラデー回転角Ｆの割合Ｆ／Ｆｓを表している。
【図２】本発明の一実施の形態によるファラデー回転子の動作原理を説明するために、熱処理を施していないファラデー回転子の磁気モーメントの方向と外部磁界Ｈの関係を説明する図である。
【図３】本発明の一実施の形態によるファラデー回転子の動作原理を説明するために、熱処理を施したファラデー回転子の磁気モーメントの方向と外部磁界Ｈの関係を説明する図である。
【図４】本発明の一実施の形態によるファラデー回転子の動作原理を説明するために、熱処理を施していないファラデー回転子のファラデー回転角と外部磁界Ｈの関係を説明する図である。
【図５】本発明の一実施の形態によるファラデー回転子の動作原理を説明するために、熱処理を施したファラデー回転子のファラデー回転角と外部磁界Ｈの関係を説明する図である。
【図６】本発明の一実施の形態によるファラデー回転子及びそれを用いた光アイソレータの概略の構成を示す図である。
【図７】本発明の一実施の形態によるファラデー回転子及びそれを用いた光アッテネータの概略の構成を示す図である。
【図８】磁気モーメントの方位と回折光による光損失の関係を説明する図である。
【符号の説明】
１ ファラデー回転子
２ 磁気モーメント
３、４ リング型永久磁石
６ 電磁石
８ 偏光子
１０ 検光子
１２ 旋光子
１００ 光アイソレータ
１１０ 光アッテネータ
Ｈ、Ｈ１、Ｈ２ 外部磁界
Ｈｓ 飽和磁界
Ｉｉ 入力（入射）光
Ｉｏ 出力（射出）光
Ｉｒ 回折光
Claims (5)
- ガーネット単結晶を有し、
前記ガーネット単結晶の光入射面に対してほぼ垂直方向に飽和磁界Ｈｓを印加したときの飽和回転角をＦｓとすると、前記飽和磁界Ｈｓの０．９倍の強さの外部磁界Ｈを印加したときのファラデー回転角Ｆが、１＞Ｆ／Ｆｓ≧０．９６の関係を満たすこと
を特徴とするファラデー回転子。 - 請求項１記載のファラデー回転子であって、
前記ガーネット単結晶は、
ＢｉaＡ3-aＦｅ5-xＭxＯ12（ここで、Ａは、Ｙ、Ｌｕ、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｔｂ、Ｇｄ、Ｅｕ、Ｓｍ、Ｎｄ、Ｐｒ、Ｃｅ、Ｌａ、Ｐｂ、Ｃａのうち１種類以上の元素であり、ａは、０．６≦ａ≦２．０を満足する。Ｍは、Ｇａ、Ａｌ、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｉｒ、Ｐｔのうち１種類以上の元素であり、ｘは、０≦ｘ≦１．５を満足する。）で表されること
を特徴とするファラデー回転子。 - 請求項１記載のファラデー回転子であって、
前記ガーネット単結晶は、
ＢｉbＡcＢ3-b-cＦｅ5-xＭxＯ12（ここで、Ａは、Ｙ、Ｌｕ、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｅｕ、Ｓｍ、Ｎｄ、Ｐｒ、Ｃｅ、Ｌａ、Ｐｂ、Ｃａのうち１種類以上の元素であり、Ｂは、Ｔｂ、Ｇｄ、Ｄｙのうち１種類以上の元素で、ｂ及びｃは、０．６＜ｂ≦２．０、０．６＜ｂ＋ｃ≦３．０を満足する。Ｍは、Ｇａ、Ａｌ、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｉｒ、Ｐｔのうち１種類以上の元素であり、ｘは、０≦ｘ≦１．５を満足する。）で表されること
を特徴とするファラデー回転子。 - 請求項１乃至３のいずれか１項に記載のファラデー回転子であって、
前記外部磁界Ｈの大きさを制御して前記ファラデー回転角Ｆを変化させること
を特徴とするファラデー回転子。 - 請求項１乃至４のいずれか１項に記載のファラデー回転子と、
前記外部磁界Ｈを前記ファラデー回転子に印加する磁気回路と
を有することを特徴とする光部品。
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