JPH02131216A - 磁気光学素子材料 - Google Patents

磁気光学素子材料

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JPH02131216A JP63285090A JP28509088A JPH02131216A JP H02131216 A JPH02131216 A JP H02131216A JP 63285090 A JP63285090 A JP 63285090A JP 28509088 A JP28509088 A JP 28509088A JP H02131216 A JPH02131216 A JP H02131216A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、ファラデー効果を利用した光アイソレータや
光サーキュレータ、光スイノチ等に用いる磁性ガーネッ
ト単結晶に関し、更に詳しくは、ビスマス置喚型のテル
ビウムー鉄ガーネットで鉄サイトの一部をアルミニウム
で置換した磁気光学素子材料に関するものである。
［従来の技術］ 例えば半導体レーザを光源として使用する各種の光応用
機器においては、光コネクタ等の端面からの反射光が光
源のレーザに戻ると発振モードに変化が生し雑音の原因
になる。この戻り光を阻止するために光アイソレータが
使用されている。
光アイソレータのファラデー回転子には、フラノクス法
やＦＺ法によって作製されるハルクＹＩＧ　（イットリ
ウムー鉄ガー不フト）単結晶が広く使用されてきた。
しかし近年、ＬＰＥ　（液相エビタキシャル）法による
磁性ガーネット単結晶の厚膜化の研究が進み、一部実用
化がなされている．ＬＰＥ法は、磁性ガーネ−／　｝の
ファラデー回転を飛躍的に負に増大させるＢｉ（ビスマ
ス）置換を容易に行うことができ、しかも育成に要する
時間が短い等の利点があり、このため製造コストが低く
高性能の磁気光学素子の製造が可能とされている。
磁性ガーネットに要求される特性としては、■ファラデ
ー回転の温度変化が小さいこと、■光吸収が少ないこと 等がある。更にＬＰＥ法により製造する場合には、 ■単位長さ当たりのファラデー回転が大きいこと、 ■基仮と膜との熱膨張率差が小さいことも必要である． 磁性ガーネットを光アイソレー夕に用いる場合、ファラ
デー回転に温度変化があると室温で達成される高いアイ
ソレーションが外部環境温度の変化により低下してしま
う。
その度合を示すため室温（２５℃）におけるファラデー
回転の温度係数βを、 但しθ１。℃　：０℃におけるファラデー回転角 θ，，。℃：５０℃におけるファラデー回転角 と定義すると、現在広く使用されているバルクＹＩＧで
は、波長λ−１．３μｍにおいて、β＝０．０３５　　
（ｄｅｇ／’Ｃ）程度である。
しかしバルク型の単結晶の場合は、育成に時間がかかり
高度な加工を必要とするなどコストが高くなり、且つ偏
波面を４５度回転させるのに必要な結晶長さが長くなる
欠点がある。
他方、ＬＰＥ法によるビスマス置換ガー２７ト．ＩＶ膜
の場合には、ファラデー回転の温度係数βを低滅するた
めに次の２通りの方法が提案されている。
その一つは、Ｒｓ−ｘ　Ｂ　ｉｘ　Ｆ　ｅ，　０＋ｚ　
（Ｒは希土類元素）で表される磁性ガーネ７｝単層膜に
おいて、ＲとしてＴｂ（テルビウム）やＤｙ（ジスプロ
シウム）等のファラデー効果への寄与が正で且つ大きい
元素、あるいはＹ（イットリウム）等のネール温度が大
きくなる元素を使用する方法である。
例えば、日本応用磁気学会誌ｖｏｌ．１０．Ｎｏ．２ｐ
．１５１　（１９８６）には、ＲとしてＧｄ　　Ｙｂ　
　Ｔｂを用いＸを変えて実験を行った結果、Ｄｙｚ．ｓ
Ｂ　ｉｏ．ｓ　　Ｆ　ｅｓ　Ｏ＋ｚの組成でβが最も小
さくバルクＹＩＧと同程度となり、室温でのファラデ一
回転θ，はλ＝１．３μｍで−９　０　０ｄｅｇ／ａｍ
、λ＝１．５５μｍで−６　０　０ｄｅｇ／ｃｍである
と記載されている。
電子通信学会技術研究報告ＣＰＭ８６−３６（１９８６
）には、ＲとしてＥｒ．Ｙｂ，Ｔｍ，Ｌｕ　　ＧｄＤｙ
．Ｙを用いて実験した結果、Ｙが最もネール温度が高く
βが小さいこと、しかしこれは飽和磁化が大きい欠点を
有するために、ＲとしてＹｂとＴｂを用い、Ｙｂ　：　
Ｔｂ＝　１　：３．６５とし？（ＹｂＴｂＢｉ）ｚ　　
Ｆｅ５　ｏ１２がβ＝　０．０５（ｄｅｇ／℃）であり
、室温でのθ，はλ＝１３ｐｍで−１　８　０　０　ｄ
ｅｇ／ａｍ、λ−１．５５μｍで−１　２　０　０　ｄ
ｅｇ／ｃｍであることが記載されている。
また第１２回日木応用磁気学会学術講演概要集３ａＡ−
２　（１９８８）にはＹｂｏ．ｑ　Ｔ　ｂ　，６。Ｂｉ
，，３Ｆｅ，０＋ｚにおいて、室温でのθ，はλ−１３
ｐｍで−２　４　０　０ｄｅｇ／ｃｍ，β一〇．０７ｄ
ｅｇ／℃であることが記載されている。
もう一つの方法は、温度係数βが正のＢｉ置換磁性ガー
不ノトとβが負で大きな値を持つ磁性ガー不ノトからな
る二Ｎ膜構造とし、膜厚を各々適当に選ぶことによって
全体の温度係数βをゼロにする方法である。
例えば第３４回応用物理学会関係連合講演会２９ｐ−Ｚ
Ｅ−１５　（１９８７）には、（ＧｄＢｉ），（ＦｅＡ
　Ｉ　Ｇ　ａ　）　ｓ　　（）＋ｚと　（　Ｙ　ｂ　Ｔ
　ｂ　Ｂ　ｉ　）　３　　Ｆ　ｅ　５０１■の組み合わ
せで、全体のβがほぼゼロになることが示されているし
、同じく第３４回応用物理学会関係連合講演会３１ａ−
ＺＥ−５　（１９８７）には、（ＢｉＬｕＧｄ）ｓ　　
Ｆｅ５　　０＋ｚと　（ＢｉＧｄ），（　Ｆ　ｅ　Ｇ　
ａ　）　ｓ　○１！の組み合わせで、全体のβがほぼゼ
ロになることが示されている。
［発明が解決しようとする課題〕 上記のような従来のＬＰＥ法によるＢｉ置換磁性ガーネ
ット単結晶厚膜からなる磁気光学素子において、（Ｇｄ
Ｂｉ）−＋　　（ＦｅＡＩＧａ），０１２では、上述の
ようにファラデー回転の温度係数βが非常に大きい欠点
がある。
またＲｆｆ−Ｈ　Ｂ　ｉｘ　Ｆ　ｅ５　０＋ｚ　（Ｒは
希土類元素）で表される、’ｆｅｅサイトを置換しない
単層膜では、光吸収が大きい欠点があり、且つ基仮と膜
との熱膨張率差が大きいために育成時に割れ易い欠点も
ある。
更に二層膜構造では温度係数βがほぼゼロになる代わり
に、育成時に割れ易《、その上、膜の育成に時間を要し
、工程が複雑化しコスト高になる欠点がある。
フラノクス法によるＴ　ｂｓ−．．Ｂ　ｉ）（　　Ｆ　
ｅ−，−ｙＱａ，０＋ｔでは、ファラデー回転がλ−１
．　　３μｍで−１　１　０　０ｄｅｇ／ｃｍシかない
ため、ＬＰＥ法でこれを育成すると膜厚を厚くしなけれ
ばならず、割れてしまう。
本発明の目的は、上記のような従来技術の欠点を解消し
、磁性ガーネソト単結晶の単層膜構造でありながら、フ
ァラデー回転の温度係数βが小さく、光吸収が少ない組
成であると同時に、室温におけるファラデ−回転が大き
い磁気光学素子材料を提供することにある。
また本発明の他の目的は、熱膨張率が基板のそれに近い
ために、育成時に割れ珪＜、そのため歩留りよく製造で
きるるイ生気光学素子材料を提供することにある。
［課題を解決するための手段］ 上記のような目的を達成できる本発明は、磁性ガーネッ
ト華結晶であって、次の一般式Ｔ　ｂｆｆ−Ｘ　Ｂ　ｉ
ｉ＋　Ｆ　ｅｓ−，　Ａ　ｌｙ　Ｏ但し、０．８≦ｘ≦
１．３ Ｑ＜ｙ≦０．５ にて表される組成を存する磁気光学素子材料である。
まず本発明の基本的な考え方について説明する。希土類
鉄ガー名ット構造の単結晶でファラデー回転を大きくす
るには希土類サイトの一部をＢｉＴ：置換するのが有効
である。そしてファラデー回転の温度係数βを改善する
ためには、希土類元素としてそれへの寄与が大きなＴｂ
が効果的である。
また光吸収に関してはＦｅ”イオンの一部価数が変化し
Ｆｅ”あるいはＦｅ４−になると、これらが光を吸収す
ることが判っている。その解決には、その原因となるＦ
ｅを非磁性イオンで置換することが有効である。更に割
れを引き起こす基板と膜との熱膨張率差も、Ｆｅを非磁
性イオンで置換すると少なくできる． ところが一般に、Ｆｅサイトを置換するとファラデー回
転が低下し、且つファラデー回転の温度係数が増大する
と考えられていた。
本発明者等は、上記の観点から様々な組成を有する昨結
晶膜を育成し検討した結果、適切な組成を見出し、本発
明を完成するに至ったものである。
本発明においてＡＩを選択した理由は、（ａ）イオン半
径が小さいこと、 （ｂ）３価が安定なこと、 ｉｃ）使用波長で吸収を持たないこと、による。Ｆｅサ
イトを非磁性イオンで置換するとファラデー回転が小さ
くなるが、上記ｔａ＋のようにイオン半径が小さいとＢ
１の置換量を増加してそれを十分補える。
Ｔ　ｂ３−Ｘ　　Ｂ　ｉｘ　　Ｆ　ｅｓ−ｙ　Ａ　Ｉ　
ｙ　　ＯＩｚ　（但し、０．８≦ｘ≦１．３、Ｑ＜ｙ≦
０，５）とすると、ファラデー回転の温度係数βが悪化
せず、光吸収が小さく、且つ室温におけるファラデ−回
転を大きくできる． この種の材料は、好まし《は基板上にＬＰＥ法により成
膜する。磁気光学素子として用いる時の内部歪をゼロに
するため、室温における基板と１１２との格子定数差を
０．０１人以内にする．基板と膜の熱膨張率が異なるた
め、育成温度８００℃では両者の格子定数差が増大し０
．　　１％にもなる．膜が厚くなるほど育成温度での内
部応力が大きくなり、Ｆｅサイトが置換されていないガ
ーネットで基板の厚みが４００μｍの場合、膜厚が３０
０μｍを超えるとクラックが発生し易くなる。更に５０
０μｍを超えるとクランクフリーでの育成は非常に困難
である。
そのため研磨しろ５０μｍ程度を考慮すると４５０μｍ
以内で光の偏波面が４５゜回転すること、即ちファラデ
ー回転がｌ　Ｏ　Ｏ　Ｏｄｅｇ／ｃｍ以上あることが必
要である。λ＝１．５５μｍで１　０　０　０　ｄｅｇ
／ｃ翔以上あるためには、λ一１．３μｍではファラデ
−回転が３／２倍、つまり１　５　０　０　ｄｅｇ／　
ｃｍ程度以上必要である。
本発明ではＦｅサイトを非磁性のＡ１イオンで置換して
いるため、熱膨張率差が小さく、育成時の基板と膜の格
子定数差が小さくなり、割れ難くなる。
［実施例］ （ＣａＭｇＧｄ）ｓ　　（ＺｒＧａ）ｓ　　Ｏ＋ｚの組
成の単結晶基板を使用し、その上に一般式Ｔｂ３−ｘ　
　Ｂ　ｌ　ｗ　　Ｆ　ｅ　５−ｙ　　Ａ　Ｉ　ｙ　　ｋ
で表される種々の磁性ガーネソト単結晶膜をＬＰＥ　（
液相エビタキシャル）法により育成し試料を作成した。
また同時に比較例としてｙ＝０、即ちＦｅサイトを置換
していない単層膜についても試料を作成した。そして各
試料について室温におけるファラデー回転θＦ（ｄｅｇ
／ａｍ）　　ファラデー回転の温度係数β（ｄｅｇ／　
℃）　、光損失（ｄ　Ｂ）割れが生じるまでの最大膜厚
（μｍ）を測定した。試料の組成と測定結果を第１表に
示す。
第１表 ＦｅサイトへのＡ１の置換量が増加するにつれて温度係
数βはやや大きくなるが、ＴｂサイトへのＢｉ置換量を
増加することができ、ファラデー回転は増大ずる。また
ＡＩ置換量を増加するにつれて光吸収は低城し、割れが
発生する最大膜厚も厚くできることが判る。
ファラデー回転の温度係数βからみて、ＡＩの置換量ｙ
の最大値は０．５程度である。またＢｉ置喚量Ｘの最大
値は１．３程度となる。
［発明の効果］ 本発明は上記のように、Ｂｉ置換型のＴｂ−鉄ガーネッ
ト単結晶でＦｅサイトの一部をＡｌで置換した磁気光学
素子材料だから、ファラデー回転の温度係数が小さく、
光吸収も小さく、且つ室温におけるファラデー回転を太
き《できる優れた効果を存する． そのため例えばＬＰＥ法の場合、従来技術の二層膜構造
のように、それぞれ適当な厚みをもった２種類の磁性ガ
ーネット膜を作製せずに済み、結晶の育成や加工の工程
を半減できる利点が生じる。
また基板として（ＣａＭｇＧｄ）ｉ　　（ＺｒＧａ）ｓ
ｏ＋ｚを使用してＬＰＥ法で上記組成の膜を育成すると
、熱膨張率差が小さく育成時の格子定数の差も小さいた
め、割れ難く、歩留りよく製造できる。
特許出願人　　富士電気化学株式会社 代　　理 人 茂　　見 攬

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、磁性ガーネット単結晶であって、一般式Ｔｂ＿３＿
    −＿ｘＢｉ＿ｘＦｅ＿５＿−＿ｙＡｌ＿ｙＯ＿１＿２但
    し、０．８≦ｘ≦１．３ ０＜ｙ≦０．５ にて表される組成を有することを特徴とする磁気光学素
    子材料。 ２、（ＣａＭｇＧｄ）＿３（ＺｒＧａ）＿５Ｏ＿１＿２
    の組成を有し、室温での格子定数ａが１２．４９０Å≦
    ａ≦１２．４９８Åである単結晶を基板とし、その表面
    に請求項１記載の材料の膜を液相エピタキシャル成長さ
    せた磁気光学素子材料。 ３、室温における基板と膜との格子定数の差が０．０１
    Å以内である請求項２記載の磁気光学素子材料。
JP63285090A 1988-11-11 1988-11-11 磁気光学素子材料 Expired - Lifetime JPH0766114B2 (ja)

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