JP5533819B2

JP5533819B2 - 磁気光学デバイスの評価方法

Info

Publication number: JP5533819B2
Application number: JP2011178871A
Authority: JP
Inventors: 俊樹岸本
Original assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Priority date: 2011-08-18
Filing date: 2011-08-18
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2025-07-29
Also published as: JP2012013710A

Description

本発明は、外部磁場が無くても磁気的に飽和した状態が維持されるＢｉ置換希土類鉄ガーネット膜を組み込んだ光アイソレータ、光サーキュレータ、光磁気センサ等磁気光学デバイスの評価方法に関するものである。

光ファイバ通信や光計測等では、多くの場合、信号源として半導体レーザが使用されている。しかし、この半導体レーザには、光ファイバ端面等から反射され、再び半導体レーザ自身に戻ってくるいわゆる反射戻り光が存在すると発振が不安定になるという重大な欠点がある。このため、半導体レーザの出射側に光アイソレータを設け、反射戻り光を遮断して半導体レーザの発振を安定化させる方法が一般的に採られている。

ところで、上記光アイソレータは、ファラデー回転子とこの両側に配置された偏光子および検光子とで構成され、かつ、ファラデー回転子の周囲にはファラデー回転子を磁気的に飽和させる永久磁石が配置されている。上記ファラデー回転子は一般に多磁区の状態が安定のため、永久磁石により単一磁区にする必要があるからである。尚、単一磁区にすることを磁気的に飽和させるという。

そして、光アイソレータの中心的な機能を担う上記ファラデー回転子には、主に液相エピタキシャル法で育成された厚さ数十〜５５０μｍ程度のＢｉ置換希土類鉄ガーネット膜、例えば、（ＹｂＴｂＢｉ）_３Ｆｅ_５Ｏ_１２、（ＧｄＢｉ）_３（ＦｅＡｌＧａ）_５Ｏ_１２等が適用されている。

また、近年の光アイソレータに対する小型化の要求に答えるべく、磁石を使用しなくても磁気的に飽和した状態が維持されるＢｉ置換希土類鉄ガーネット膜も開発されている。そして、このＢｉ置換希土類鉄ガーネット膜として、例えば、（ＥｕＨｏＢｉ）_３（ＦｅＧａ）_５Ｏ_１２、（ＨｏＴｂＢｉ）_３（ＦｅＡｌＧａ）_５Ｏ_１２等が提案されている。尚、このＢｉ置換希土類鉄ガーネット膜は、最初に外部磁場を印加して磁気的に飽和させた後は、外部磁場を取り除いても磁気的に飽和した状態が維持されることから高保磁力膜と呼ばれており、磁気的に飽和させることを着磁と呼んでいる。

そして、高保磁力膜であるこのＢｉ置換希土類鉄ガーネット膜を適用することにより、構成部品としての上記磁石を省略できるため、従来の１／３程度に小型化された光アイソレータを実現することが可能となる。

ここで、光アイソレータ等に組み込まれるＢｉ置換希土類鉄ガーネット膜は、通常、以下のような工程を経て製造されている。

まず、液相エピタキシャル法により上記Ｂｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶が育成され、研磨工程で基板の除去と厚さ調整が行われた後に光学研磨される。次に、両面に真空蒸着法等により反射防止膜が施され、かつ、ダイシングマシーンやスクライバー等により光アイソレータ用ファラデー回転子として必要な大きさの小片に切断されて、光アイソレータ等に組み込まれるＢｉ置換希土類鉄ガーネット膜のチップが得られる。

また、光アイソレータの製造では、切断した上記Ｂｉ置換希土類鉄ガーネット膜のチップをそのまま組み込んで使用する場合、あるいは、Ｂｉ置換希土類鉄ガーネット膜を切断する前に光アイソレータに必要な偏光子と検光子を予め両面側に接着し、その後切断して光アイソレータのチップとして使用する場合がある。

ところで、高保磁力膜であるＢｉ置換希土類鉄ガーネット膜においては、上記研磨や切断工程で膜に応力が加わったり、あるいは、光アイソレータの組み立て時においてハンダ工程や接着工程で膜が加熱された場合、折角固定した高保磁力膜の磁気的飽和状態が解除され、単一の磁区であったものが当初の多磁区状態に戻ってしまうことがあった。

そこで、高保磁力膜であるＢｉ置換希土類鉄ガーネット膜を確実に着磁させるため、Ｂｉ置換希土類鉄ガーネット膜を５０℃以上に加熱しながら磁場を印加する熱着磁方法が提案されている（特許文献１参照）。

特開２００３−２５７７３７号公報

しかし、上記小型化の要請が更に高まり、用いられるＢｉ置換希土類鉄ガーネット膜のチップサイズが１ｍｍ角、あるいはそれ以下のサイズになってくると、熱着磁を施したとしても、チップを取り扱う際に加えられた機械的な力や、光アイソレータ等磁気光学デバイス組み立て時のハンダ固定工程や接着剤固定工程での加熱により、本来単一磁区であったものが多磁区状態になってしまう例が発生するようになってきた。

ここで、多磁区化したことでデバイスの光学特性が著しく低下するのであれば、光学特性を検査することでＢｉ置換希土類鉄ガーネット膜が多磁区化したデバイスを取り除くことができる。しかし、高保磁力膜であるＢｉ置換希土類鉄ガーネット膜は磁区のサイズが大きいため、Ｂｉ置換希土類鉄ガーネット膜が多磁区化していてもレーザ光が入射する場所としては一つの磁区に収まっている場合があり、このような状態で光学特性の劣化を判別することはできない。そして、多磁区化したＢｉ置換希土類鉄ガーネット膜は、何らかの外乱により多磁区状態の磁区の形状が変化するため、このようなＢｉ置換希土類鉄ガーネット膜を組み込んだデバイスの光学特性は保証できないことになる。

尚、Ｂｉ置換希土類鉄ガーネット膜がデバイス化されていないファラデー回転子の状態であれば、偏光顕微鏡で磁区の状態を直接観察することにより多磁区化を検出することは可能であるが、デバイス化された後においてはアパーチャ等が取り付けられているためＢｉ置換希土類鉄ガーネット膜全体を顕微鏡により観察することは不可能である。

本発明はこのような問題点に着目してなされたもので、その課題とするところは、高保磁力膜であるＢｉ置換希土類鉄ガーネット膜が組み込まれた磁気光学デバイスにおいて、組み込まれたＢｉ置換希土類鉄ガーネット膜が多磁区化しているか否かを簡便な方法により判別できる磁気光学デバイスの評価方法を提供することにある。

そこで、上記課題を解決するため本発明者が鋭意研究を行ったところ、以下のような技術的発見を見出すに至った。すなわち、磁気光学デバイスに組み込まれたＢｉ置換希土類鉄ガーネット膜に対し、その磁化方向とは逆方向に外部磁場を印加した状態で光学特性を評価した場合、Ｂｉ置換希土類鉄ガーネット膜が多磁区化しているデバイスにおいては光学特性が大きく変化することを見出すに至った。本発明はこのような技術的発見に基づき完成されたものである。

すなわち、請求項１に係る発明は、
外部磁場が無くても磁気的に飽和した状態が維持されるＢｉ置換希土類鉄ガーネット膜であってかつ磁気光学デバイスに組み込まれる前に着磁されているＢｉ置換希土類鉄ガーネット膜を組み込んだ磁気光学デバイスの評価方法を前提とし、
偏光子と検光子に挟まれた状態で光アイソレータである磁気光学デバイスに組み込まれたＢｉ置換希土類鉄ガーネット膜に対して、Ｂｉ置換希土類鉄ガーネット膜の磁化方向と平行な方向から光を入射し、透過した光量を計測している状態で、上記Ｂｉ置換希土類鉄ガーネット膜の磁化方向とは逆方向にＢｉ置換希土類鉄ガーネット膜が本来有する保磁力よりも小さな外部磁場を印加し、透過光量から計測される外部磁場印加前後における光学特性に基づきＢｉ置換希土類鉄ガーネット膜の良否を判別する方法であって、透過光量から計測される外部磁場印加前後における上記光学特性が、光アイソレータの挿入損失またはアイソレーションであることを特徴とする。

また、請求項２に係る発明は、
請求項１に記載の発明に係る磁気光学デバイスの評価方法を前提とし、
Ｂｉ置換希土類鉄ガーネット膜の磁化方向とは逆方向に印加する上記外部磁場が、Ｂｉ置換希土類鉄ガーネット膜が本来有する保磁力平均値の５０〜７０％に設定されていることを特徴とし、
請求項３に係る発明は、
請求項１または２に記載の発明に係る磁気光学デバイスの評価方法を前提とし、
透過光量から計測される外部磁場印加前後における上記光学特性が、光アイソレータの挿入損失であることを特徴とし、
請求項４に係る発明は、
請求項１、２または３に記載の発明に係る磁気光学デバイスの評価方法を前提とし、
上記Ｂｉ置換希土類鉄ガーネット膜が、（ＥｕＨｏＢｉ）_３（ＦｅＧａ）_５Ｏ_１２または（ＨｏＴｂＢｉ）_３（ＦｅＡｌＧａ）_５Ｏ_１２のいずれかであることを特徴とするものである。

本発明に係る磁気光学デバイスの評価方法によれば、
磁気光学デバイスに組み込まれたＢｉ置換希土類鉄ガーネット膜に対しその磁化方向とは逆方向に外部磁場を印加した状態でＢｉ置換希土類鉄ガーネット膜の光学特性を評価しているため、通常の光学的評価方法ではＢｉ置換希土類鉄ガーネット膜が多磁区化しているか否かを判別できないような場合であっても、組み込まれたＢｉ置換希土類鉄ガーネット膜が多磁区化しているか否かを簡便に判別することが可能となる。

図１（ａ）（ｂ）は、単一磁区になっているＢｉ置換希土類鉄ガーネット膜（試料Ｎｏ．１〜３）と多磁区になっているＢｉ置換希土類鉄ガーネット膜（試料Ｎｏ．４〜６）の偏光顕微鏡による観察図。実施例１に係る光アイソレータの構成説明図。本発明に係る磁気光学デバイスの評価方法における外部磁場印加工程を示す説明図。

本発明は、高保磁力膜であるＢｉ置換希土類鉄ガーネット膜が組み込まれた磁気光学デバイスの評価方法であって、磁気光学デバイスに組み込まれたＢｉ置換希土類鉄ガーネット膜に対し、光を入射し、透過した光量を計測している状態で、上記Ｂｉ置換希土類鉄ガーネット膜の磁化方向とは逆方向にＢｉ置換希土類鉄ガーネット膜が本来有する保磁力よりも小さな外部磁場（以後、「逆磁場」と呼ぶ場合がある）を印加し、透過光量から計測される外部磁場印加前後における光学特性に基づきＢｉ置換希土類鉄ガーネット膜の良否を判別することを特徴としている。

そして、上記逆磁場は、Ｂｉ置換希土類鉄ガーネット膜が本来有する保磁力（着磁されたＢｉ置換希土類鉄ガーネット膜が通常有する保磁力の平均値）の５０〜７０％が好ましい。上記逆磁場に関し、Ｂｉ置換希土類鉄ガーネット膜が本来有する保磁力の５０％を下回ると、組み込まれたＢｉ置換希土類鉄ガーネット膜が多磁区化しているか否かを判別できないことがあり、７０％を越えると、多磁区化していない本来良品であるＢｉ置換希土類鉄ガーネット膜まで飽和状態が解除されてしまう恐れがあるからである。

尚、磁気光学デバイスが光アイソレータの場合、透過光量から計測される光学特性としては、光を順方向から入射させる挿入損失と逆方向から入射させるアイソレーションがある。しかし、アイソレーションの場合、評価光学系における試料の位置調整が最適でないため、数値的には３０ｄＢ以上の値が出てしまうことがあり、外部から逆磁場を印加しても透過光量は変化を示さないことがある。このため、磁気光学デバイスに組み込まれたＢｉ置換希土類鉄ガーネット膜を簡便に評価するには、挿入損失の変化に基づいて評価する方が望ましい。

高保磁力膜であるＢｉ置換希土類鉄ガーネット膜として、組成が（ＥｕＨｏＢｉ）_３（ＦｅＧａ）_５Ｏ_１２で１ｍｍ角のチップを用意した。尚、用意したチップには、偏光顕微鏡で観察すると図１（ａ）に示すような単一磁区になっているＢｉ置換希土類鉄ガーネット膜１（試料Ｎｏ．１〜３）と、図１（ｂ）に示すように多磁区になっているＢｉ置換希土類鉄ガーネット膜１（試料Ｎｏ．４〜６）があり、これ等各チップを用いてアパーチャの付いた光アイソレータを作製した。

作製した光アイソレータは、図２に示すようにＢｉ置換希土類鉄ガーネット膜１の両側に偏光子３と検光子４が接着された光アイソレータ素子を、円形の開口部が形成された略円筒型のホルダー５に接着した後、円形の開口部が形成された円盤状アパーチャ６を上記ホルダー５に固定して成る一般的な円筒型光アイソレータである。

そして、アパーチャの付いた光アイソレータでは、図１（ａ）（ｂ）に示すように観察できるＢｉ置換希土類鉄ガーネット膜１の部分が限られるため、図１（ｂ）に示す多磁区になっているＢｉ置換希土類鉄ガーネット膜１においても、観察できる部分は、見かけ上、図１（ａ）の単一磁区になっているＢｉ置換希土類鉄ガーネット膜１と区別がつかない。尚、図１（ａ）（ｂ）中、符号２はアパーチャ（開口部）の形状を示している。

作製された光アイソレータにレーザ光を入射し、挿入損失とアイソレーションを評価した結果を表１に示す。そして、表１の結果から、単一磁区になっているＢｉ置換希土類鉄ガーネット膜１（試料Ｎｏ．１〜３）が組み込まれた光アイソレータと、多磁区になっているＢｉ置換希土類鉄ガーネット膜１（試料Ｎｏ．４〜６）が組み込まれた光アイソレータ間において差が見られないことが確認される。

しかし、試料Ｎｏ．４〜６のＢｉ置換希土類鉄ガーネット膜に関しては、膜が多磁区になっていることは事実であり、通常の光学的評価方法によりＢｉ置換希土類鉄ガーネット膜の良否を判定することはできないことになる。

次に、実施例１に係る磁気光学デバイスの評価方法を説明する。

光学系的には、通常の光学特性（挿入損失、アイソレーション）の測定方法と全く同じである。

まず、通常の挿入損失あるいはアイソレーションを測定する。その後、そのままの状態で、図３に示すように光アイソレータ７に組み込まれているＢｉ置換希土類鉄ガーネット膜に対して、Ｂｉ置換希土類鉄ガーネット膜の磁化方向とは逆方向にＢｉ置換希土類鉄ガーネット膜が本来有する保磁力よりも小さな外部磁場を永久磁石８により印加し、光学特性（挿入損失、アイソレーション）の変化を測定するものである。

そして、試料Ｎｏ．１〜６のＢｉ置換希土類鉄ガーネット膜を組み込んで作製した光アイソレータを、実施例１に係る評価方法により測定した結果を表２に示す。

表２の結果から明らかなように単一磁区になっているＢｉ置換希土類鉄ガーネット膜（試料Ｎｏ．１〜３）を組み込んだ光アイソレータにおいては、外部磁場印加前後における光学特性（挿入損失、アイソレーション）の変化は確認されなかった。

他方、多磁区になっているＢｉ置換希土類鉄ガーネット膜（試料Ｎｏ．４〜６）が組み込まれた光アイソレータにおいては、明らかな挿入損失の増加やアイソレーションの低下が起きていることが確認される。逆磁場の印加により磁区の状態が変化し、これにより光学特性が大きく変動したものと推察される。

このように実施例１に係る評価方法を用いることにより、多磁区になっているＢｉ置換希土類鉄ガーネット膜を検出できることが確認された。また、この評価方法は、偏光顕微鏡を用いた従来の評価方法と比較してＢｉ置換希土類鉄ガーネット膜全体を観察する必要がなく、かつ、製品の評価項目である光学特性を評価する際に実施できる方法でもあることから実用性の高い方法であることも確認される。

１Ｂｉ置換希土類鉄ガーネット膜
２アパーチャの形状
３偏光子
４検光子
５ホルダー
６アパーチャ
７光アイソレータ
８永久磁石

Claims

外部磁場が無くても磁気的に飽和した状態が維持されるＢｉ置換希土類鉄ガーネット膜であってかつ磁気光学デバイスに組み込まれる前に着磁されているＢｉ置換希土類鉄ガーネット膜を組み込んだ磁気光学デバイスの評価方法において、
偏光子と検光子に挟まれた状態で光アイソレータである磁気光学デバイスに組み込まれたＢｉ置換希土類鉄ガーネット膜に対して、Ｂｉ置換希土類鉄ガーネット膜の磁化方向と平行な方向から光を入射し、透過した光量を計測している状態で、上記Ｂｉ置換希土類鉄ガーネット膜の磁化方向とは逆方向にＢｉ置換希土類鉄ガーネット膜が本来有する保磁力よりも小さな外部磁場を印加し、透過光量から計測される外部磁場印加前後における光学特性に基づきＢｉ置換希土類鉄ガーネット膜の良否を判別する方法であって、透過光量から計測される外部磁場印加前後における上記光学特性が、光アイソレータの挿入損失またはアイソレーションであることを特徴とする磁気光学デバイスの評価方法。
Ｂｉ置換希土類鉄ガーネット膜の磁化方向とは逆方向に印加する上記外部磁場が、Ｂｉ置換希土類鉄ガーネット膜が本来有する保磁力平均値の５０〜７０％に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気光学デバイスの評価方法。
透過光量から計測される外部磁場印加前後における上記光学特性が、光アイソレータの挿入損失であることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気光学デバイスの評価方法。
上記Ｂｉ置換希土類鉄ガーネット膜が、（ＥｕＨｏＢｉ）_３（ＦｅＧａ）_５Ｏ_１２または（ＨｏＴｂＢｉ）_３（ＦｅＡｌＧａ）_５Ｏ_１２のいずれかであることを特徴とする請求項１、２または３に記載の磁気光学デバイスの評価方法。