JP4930933B2 - 磁気光学素子 - Google Patents

Description

本発明は、酸化亜鉛を主体とした磁気光学素子に係り、特に、紫外線から赤外線領域の波長領域で使用され、小型化・高性能化を可能とする磁気光学素子に関する。

近年、光通信技術や大容量記録技術の大きな進展により、光アイソレーター、光サーキュレーター、磁界センサ、光スイッチ等の磁気光学素子の重要性も増している。
例えば、半導体レーザーを光源とする光ファイバー通信網において、半導体レーザーへの戻りビームは信号雑音の大きな原因となる。そこで、この半導体レーザーへの戻り光を遮断するために、光アイソレーターが用いられている。
また、光通信用回路デバイスとしては、光アイソレーターのほか、光サーキュレーター、可変光アッテネーター、光スイッチなどが実用化されている。さらに近年、高速かつ大容量の通信技術として、波長多重光伝送の実用化が進み、光集積回路素子としての光アイソレーター、光サーキュレーターなど非相反光学部品の必要性も増してきている。

これらの磁気光学素子の中で、例えば光アイソレーターの様々な材料の研究開発および実用化がなされている。１．３〜１．５μｍ帯の長波長領域ではイットリウム鉄ガーネット（ＹＩＧ）やＧｄ_3-ｘＢｉ_ｘＦｅ_５Ｏ_１２などが利用されている。エルビウムドープ光ファイバーを利用した０．９８μｍ帯の波長ではＨｇ_1-ｘ-ｙＣｄ_ｙＭｎ_ｘＴｅの磁性半導体が使用されている。更に、短波長領域の０．６〜０．８μｍ帯ではＣｄ_１-ｘＭｎ_ｘＴｅの磁性半導体の利用が検討されている。
特に近年は前述のとおり短時間で大量のデータが送信可能な高速・大容量の光通信を可能とすべく、短波長領域において高い磁気光学効果を発揮し得る磁気光学素子の開発が期待されている。また、特に光アイソレーターでは、大きな磁気光学効果を備えると同時に光吸収が小さいことが要求されるため、いろいろな波長に対して様々な材料の開発が行われている。

例えば、特許文献１には「磁気光学素子およびそれを用いた光アイソレータ」として、Ｃｄ_１-ｘ-ｙＭｎ_ｘＨｇ_ｙＴｅの単結晶板からなる磁気光学素子が開示されている。
また、特許文献２では「光アイソレータ」として、光アイソレータのファラデー回転子が常磁性体であるもの、そしてその常磁性体に含まれるものの中でもＣｄ_１-ｘＭｎ_ｘＴｅ（０＜ｘ＜１）、Ｈｇ_１-ｙＭｎ_ｙＴｅ（０＜ｙ＜１）、Ｈｇ_１-ｚＣｄ_ｚＴｅ（０＜ｚ＜１）の単結晶あるいは多結晶からなる磁気光学素子が開示されている。
さらに、特許文献３では、「磁気光学素子および光アイソレータ」としてルチル型構造を有する二酸化チタンにコバルトを添加してなる磁気光学素子が開示されている。

特開平７−４３６５３号公報 特開２００２−８２３０９号公報 特開２００４−３６１８１５号公報

これらの特許文献に開示される磁気光学素子においては、１μｍ程度の波長を中心に、０．６μｍ程度の波長帯において利用される磁気光学素子であり、前述のような短波長領域で高い磁気光学性能を発揮することができない可能性が高いという課題があった。
また、特許文献１乃至３に開示されるような常磁性体を用いたファラデー回転素子では、素子として用いる際には大きな外部磁界が必要となり、小型化には不向きであるという課題があった。
さらに、これら素子応用に関する通常のデータとしては、例えば、光波長領域１．３〜１．５μｍ帯で用いられているガーネット系材料のファラデー回転角は数千°／ｃｍであったり、光波長領域０．８６〜１．１μｍ帯で用いられるＣｄＨｇＭｎＴｅ系材料のファラデー回転角が０．０５°／ｃｍ・Ｏｅ程度であったりと、光波長領域が長い領域であってしかも磁気光学特性が好ましくなく大きな外部磁界を必要とするものであり小型化も困難であるという課題があった。
なお、ガーネット系材料とＣｄＨｇＭｎＴｅ系材料で上述の回転角の単位が異なるのは、ガーネット系材料はフェリ磁性であり、磁場が数千Ｏｅ（エルステッド）でファラデー回転角の大きさが飽和すると考えられ、その飽和の回転角が示される一方、ＣｄＨｇＭｎＴｅ系材料は常磁性体であるためにファラデー回転角の大きさは磁場の増加と共にほぼ単調に増加するために、単位印加磁場強度当りの回転角として表現されるからである。ちなみに上述のＣｄＨｇＭｎＴｅ系材料の場合、数千Ｏｅでは回転角はせいぜい数百°／ｃｍである。なお、１エルステッドはＳＩ単位で表現すれば、１０^３／４π［Ａ／ｍ］となる。
一方、光通信情報システムや端末装置におけるこれら光アイソレーターの占める体積は依然として大きく、今後の高度情報化社会において各家庭への大容量情報通信網を考えた場合、短波長の可視光や近紫外光領域で作動し、小型かつ安価な光アイソレーターの実現が強く求められる。光アイソレーターの小型化のためには、大きな磁気光学効果を示し、かつ飽和磁界が小さい材料が望ましい。

近年、大容量記録技術を目的とし、窒化ガリウムや酸化亜鉛などが０．３６μｍ〜０．４８μｍ帯領域の短波長レーザー材料として研究開発および実用化がされている。しかしながら、このような波長領域において優れた特性の磁気光学素子は開発されていない。

本発明はかかる従来の事情に対処してなされたものであり、常温で強磁性で短波長領域を中心として幅広い波長領域で大きな磁気光学効果を示し、かつその飽和磁界も０．１Ｔ程度と小さく、磁気光学素子の小型化・高性能化に最適な材料からなる磁気光学素子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、ＺｎとＣｏとＯからなる化合物であって、その主成分組成が、Ｚｎ：Ｃｏ：Ｏ＝４６：６：４８、Ｚｎ：Ｃｏ：Ｏ＝４８：６：４６、Ｚｎ：Ｃｏ：Ｏ＝３２：２２：４６、Ｚｎ：Ｃｏ：Ｏ＝２８：２２：５０の４点で囲まれる領域に含まれるいずれかの組成であり、常温で強磁性を示すと共に透光性を備える磁気光学素子である。

本発明の請求項１に記載される磁気光学素子によれば、短波長領域である紫外線領域を含む赤外線領域までで大きな磁気光学効果を発揮することができるので薄膜形状においても十分な性能を備えている。よって高速大容量の光通信のための装置やシステムに用いられる磁気光学素子の小型化を図ることができる。また、主成分が容易に調達可能な亜鉛、コバルトであることから、磁気光学素子の低価格化をも可能とするものである。

さらに、磁気光学効果の生じる波長領域は素子の組成を変えることにより任意に制御することができる。このため、幅広い波長領域で磁気光学素子として利用できる。

本発明の磁気光学素子は室温で強磁性体であるため、約１０００Ｏｅ程度の磁界で試料の磁化を飽和させることができるために、磁気光学素子の小型化が可能となる。

また、本発明の磁気光学素子の主成分は酸化亜鉛からなっている。酸化亜鉛は、バンドギャップが３．４ｅＶの直接遷移型半導体であり、励起子結合エネルギーが６０ｍｅＶと極めて高いことから、高効率・低消費電力の青色〜紫外領域の発光素子として開発されている。本発明の磁気光学素子は、主成分が酸化亜鉛からなるため、これら発光素子との一体化が実現でき、この酸化亜鉛系素子においては更に低価格化・小型化が可能である。

以下に、本発明を実施するための最良の形態を図１乃至図４を参照しながら説明する。
本実施の形態に係る磁気光学素子の主成分となるＺｎＣｏＯは、スパッタ法により、サファイヤ基板上に作製された。スパッタのターゲットの組成を変えることで、ＺｎＣｏＯ薄膜の組成を制御し、様々な試料の作製を行った。本実施の形態に係る磁気光学素子は、このようにして作製されるＺｎＣｏＯの単結晶板あるいは多結晶板として形成されるものである。
図１はＺｎＣｏＯの磁化の磁場依存性を示す図である。ｘ軸には磁場の強さをとり、ｙ軸には磁化の強さをとっている。磁化の単位は、ｅｍｕ／ｃｍ^３としているが、この１ｅｍｕをＳＩ単位で表現すれば、４π／１０^４［Ｔ］（テスラ）となる。
磁化の測定は、超伝導量子干渉計（ＳＱＵＩＤ磁束計）にて行った。測定温度は室温（２７℃）である。磁場は薄膜面内方向に印加した。図中示してある比は、ＺｎＣｏＯの組成の比である。その組成は電子プローブＸ線マイクロ分析法にて決定した。Ｃｏ濃度の高い試料においては、明確なヒステリシスがみられ、強磁性体であることがわかる。一方、Ｃｏ濃度の低い試料では、直線的な振る舞いを示し、常磁性体であることがわかる。

図２は、作製した試料の磁気特性の一覧を示したものである。図２において、ｘ軸は薄膜中のＣｏ濃度（％）を、ｙ軸は薄膜中のＯ濃度（％）を示している。図中、白丸で示しているものが強磁性となる試料、×印で示しているものが常磁性となる試料である。測定は室温で行った。この図より、Ｃｏ濃度が高く、Ｏ濃度が低い試料において、強磁性体となることが分かる。
図１に示されたＺｎ：Ｃｏ：Ｏ＝３７：１２：５１は常磁性体であるものの、同じ低Ｃｏ濃度の材料であってもＯ濃度が低い試料は、強磁性を示すことが理解される。
なお、Ｃｏ濃度が高くなると強磁性体となるが、２２％を超えてあまり高くなってしまうと透明度が薄れてしまい透光性が劣化して光アイソレーターとして成立が難しくなってしまう。
図２に示される実線で囲まれる部分の組成が本実施の形態に係る磁気光学素子の組成である。実線で示される四角形の頂点は、Ｚｎ：Ｃｏ：Ｏ＝４４：６：５０、Ｚｎ：Ｃｏ：Ｏ＝４８：６：４６、Ｚｎ：Ｃｏ：Ｏ＝３２：２２：４６、Ｚｎ：Ｃｏ：Ｏ＝２６：２２：５２の４点となっている。

図３は、作製した試料の磁気円二色性の光波長依存性を示したものである。磁気円二色性とは、磁性体によって光が反射、透過する際のスピン分極による右まわりの偏光と左まわりの偏光の反射率差、透過率差を意味する。ｘ軸は入射光の波長であり、ｙ軸は磁気円二色性（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｃｉｒｃｕｌａｒ Ｄｉｃｈｒｏｉｓｍ）の程度を示している。
測定は、光を薄膜成長方向に入射し、外部磁場を薄膜成長方向に印加するファラデー配置にて行った。測定温度は室温、測定磁場は１００００Ｏｅである。図２で示した強磁性特性を示す組成領域の試料においては、大きな磁気光学効果がみられる。磁気光学効果の大きさは、Ｃｏ濃度の増加およびＯ濃度の減少に伴い増加する傾向がある。
しかしながら、図２中、Ｚｎ：Ｃｏ：Ｏ＝４４：６：５０、Ｚｎ：Ｃｏ：Ｏ＝４８：６：４６、Ｚｎ：Ｃｏ：Ｏ＝３２：２２：４６、Ｚｎ：Ｃｏ：Ｏ＝２６：２２：５２の４点を実線で囲んだ組成領域外において強磁性的特性を示す試料は、前述のとおり光の透過率が低い、あるいは表面の凹凸が大きい等の問題があり、磁気光学素子として利用することが困難となってしまう。

また、磁気光学素子の組成については、利用目的に応じて適宜選択できる。ＺｎＣｏＯの磁気光学効果は、組成によりその大きさや波長依存性が大きく変化する。このため、利用する光源、素子の大きさや素子の磁気特性等を考慮し、図２中のＺｎ：Ｃｏ：Ｏ＝４４：６：５０、Ｚｎ：Ｃｏ：Ｏ＝４８：６：４６、Ｚｎ：Ｃｏ：Ｏ＝３２：２２：４６、Ｚｎ：Ｃｏ：Ｏ＝２６：２２：５２の４点で囲まれる組成領域内にて任意に選択することができる。

図４は、磁気円二色性の磁場依存性を示したものである。ｘ軸は印加磁場の強さを示し、ｙ軸は図３と同様に磁気円二色性の程度を示している。
測定光源の波長は、短波長の可視光の領域に含まれる０．４５μｍと紫外線領域に含まれる０．２９μｍである。測定した試料の組成は、Ｚｎ：Ｃｏ：Ｏ＝３２：２０：４８である。ＳＱＵＩＤ磁束計の結果と同様に、明確なヒステリシスがみられる。また、磁気光学効果の大きさも１０００Ｏｅ程度で飽和する傾向にある。このため、ＺｎＣｏＯにおいては、磁気光学効果を生じさせるのに大きな外部磁界が必要でないことから、磁気光学素子の小型化が可能となる。また、短波長領域の可視光や紫外線領域でこのような優れた磁気光学効果を発揮できるため、高速大容量の光通信を実現するための磁気光学素子として機能させることが可能である。

また、ＺｎＣｏＯのファラデー効果の測定を行った。測定光源の波長は０．６４μｍ、印加磁場は約５０００Ｏｅである。試料Ｚｎ：Ｃｏ：Ｏ＝３２：２０：４８のファラデー回転角は３．７×１０^４ °/ｃｍ、試料Ｚｎ：Ｃｏ：Ｏ＝３２：１９：４９のファラデー回転角は１．１×１０^４ °/ｃｍとなり、前述のガーネット系材料やＣｄＨｇＭｎＴｅ系材料などの従来材料と比較しても十分大きな値となった。さらに、図３に示したように、本発明のＺｎＣｏＯでは短波長領域においても大きな磁気光学効果を示す。このため、青色〜紫外領域の発光素子の光アイソレーター等としての利用も可能である。

本発明に係る磁気光学素子を利用することで、光アイソレーター、光サーキュレーター、磁界センサ、光スイッチ、さらには光磁気記録媒体等広く利用が可能である。また、これらの製品の高性能化・小型化が可能となる。

本発明の実施の形態に係る磁気光学素子の磁化の磁場依存性を示した図である。 本発明の実施の形態に係る磁気光学素子の組成領域を示した図である。 本発明の実施の形態に係る磁気光学素子の磁気円二色性の波長依存性を示した図である。 本発明の実施の形態に係る磁気光学素子の磁気円二色性の磁場依存性を示した図である。

Claims (1)

1. ＺｎとＣｏとＯからなる化合物であって、その主成分組成が、Ｚｎ：Ｃｏ：Ｏ＝４６：６：４８、Ｚｎ：Ｃｏ：Ｏ＝４８：６：４６、Ｚｎ：Ｃｏ：Ｏ＝３２：２２：４６、Ｚｎ：Ｃｏ：Ｏ＝２８：２２：５０の４点で囲まれる領域に含まれるいずれかの組成であり、常温で強磁性を示すと共に透光性を備えることを特徴とする磁気光学素子。