JPH04142010A - 磁気光学磁性ガーネット結晶 - Google Patents

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、
光サーキュレータ、光スィッチなどの磁気光学素子に用
いられるビスマス（Ｂｉ）置換磁性ガーネット結晶に関
するものである。

［従来の技術］ 半導体レーザ（ＬＤ）を光源とする光伝送回路において
、コネクタやスイッチなどの光学部品、受光素子等から
の反射戻り光がＬＤに入ると、レーザ発振が不安定とな
り伝送品質が劣化することが知られている。この対策と
してＬＤへの反射戻り光を遮断する光アイソレータが提
案され、現在実用化が進んでいる。

光アイソレータは、磁気光学効果のうちで透過光の直線
偏光面回転現象であるファラデー効果のもつ非相反性を
うまく利用したものである。

ファラデー効果を示し、波長１．３〜１．５５μｍの近
赤外領域で用いられるファラデー回転子材料は、磁気光
学ガーネット結晶である。その中で、光アイソレータの
ファラデー回転子としてイツトリウム・鉄・ガーネット
（ＹＩＧ）結晶が最初に使用された。

近年、光アイソレータの小型化、ならびに低価格化が急
速に進展し、これに伴い素子の小型化、および製作コス
トの低減化が切望されている。

光アイソレータの小型化のためには、主要部品であるフ
ァラデー回転子の小型化が必須の条件であところで、フ
ァラデー回転子として用いる場合は、入射偏光面を４５
度回転させるだけの長さが必要であるが、この長さはフ
ァラデー回転係数の大・小に比例する。したがって、フ
ァラデー回転子をより小型化するためには、ファラデー
回転係数の大きな材料を選択する必要がある。

ファラデー回転係数の大きな材料として、Ｂｉを固溶し
たガーネットが一般に知られている。

本材料は、ＣＶＤ法、スパッタ法、フラックス法および
液相エピタキシャル（ＬＰＥ）法等によって製造可能で
ある。しかし、ＣＶＤ法およびスパッタ法は主に結晶性
に問題があり、まだ実用化が難しい。

フラックス法は、ガーネット成分の酸化イツトリウムお
よび酸化鉄と共に、フラックス成分の酸化鉛や酸化はう
素を融解し、融液を液相温度以上に保持して均一にした
後、融液を徐冷することによりガーネット結晶を自然核
発生により成長させる。本法では、ガーネット成分の偏
析のため濃度バラツキが生じ易い、フラックスの固化に
伴い結晶にクラックが入り易い、等の欠点が見られたが
、改良されたフラックス法により改善された。

しかし、自然核を成長させるため結晶育成に長時間を要
する、素子化には精密加工を要する、等量産性に乏しい
。

このような状況から、磁気バフ゛ル素子用ガーネット薄
膜の育成法として開発されたＬＰＥ法が注目され、本法
を用いてＢｉ置換磁性ガーネット厚膜の開発が種々検討
されている。

さて、Ｔｈ１ｎ　５ｏｌｉｄ　Ｆｉｌｍｓ、１１４（１
９８４）６９に示されているように、ファラデー回転係
数はＢｉ置換量に比例して増加する。しかし、ガーネッ
ト結晶に対するＢｉの固溶度が極めて小さいことから、
置換が非常に難しいことも知られている。

一方、材料科学誌Ｖｏ１２３．Ｎｏ３（１９８７）１５
１に述べられているように、ＹＩＧの希土類サイトをＢ
ｉ、Ｇｄ元素等で置換したＧｄ２．ＩＢ　ｉｏ、９Ｆ　
ｅ４．６ＡＩ０．ｌＧａ０．３０１２（ＧＢＩＧ）は、
ファラデー回転係数の温度係数が太きい。例えば、ＹＩ
Ｇの温度係数は０．０４ｄｅｇ／’Ｃ程度であるが、上
記材はＯ，ｌｏｄｅｇ／”ＣでありＹＩＧの約２倍以上
である。

この材料を光アイソレータのファラデー回転子に用いた
場合、光アイソレータのアイソレーション（Ｅｓ）が劣
化する。Ｅｓは、下式で表される。

Ｅｓ＝−１０−ｌｏｇ−ｓｉｎ２（Δθ）ここでΔθ　
（ｄ　ｅ　ｇ）は、θの４５度からのずれである。半導
体レーザの発振波長の変化を考慮しない場合、０〜５０
℃の温度範囲においてＹＩＧは３６ｄＢのＥｓが得られ
るが、上記材は２９ｄＢまで低下する。光アイソレータ
のＥｓは３０ｄＢ以上が望まれるが、二のＥｓを確保す
るためには、０，０７ｄｅｇ／℃以下の温度係数が必要
となる。

既述のように、光アイソレータの小型化のためにはファ
ラデー回転子の小型化は必要不可欠である。これを実現
するためには、Ｂｉを多量に置換しファラデー回転係数
を飛踊的に増大せしめることが肝要であるが、反面上記
のようにファラデー回転係数の温度係数が大きくなる欠
点を併せもつ。

この相反する２つの命題を解決するべく種々検討がなさ
れている。

［発明が解決しようとする問題点コ Ｂｉを多量に置換するためには、Ｂ１の固溶度を大きく
する必要がある。これを実現するためには、　（イ）Ｒ
１，適成分系の探索、（ロ）ＬＰＥ条件の最適化、等が
提案されている。（イ）は先に述べた（ＧｄＢｉ）３（
ＦｅＡＩＧａ）５０１２が代表格であるが、ファラデー
回転係数の温度特性が劣化する欠点をもつ。　（ロ）は
主に過冷却度（ΔＴ：飽和温度−腹成長温度）の増大、
および膜成長温度（ＴＧ）の低温化である。しかし、Δ
Ｔの増大に伴い自然核が生成され易くなる。この自然核
はフラックス法では種結晶となるが、ＬＰＥ法において
は膜欠陥の一因となる好ましくない生成物である。また
、ΔＴの増大ならびにＴＧの低温化に伴い、融液中のフ
ラックス成分であるｐｂ、ルツボおよび基板固定治具材
料のＰｔ、が各々膜中に混入し易くなる。

ＰｂおよびＰｔが膜中に混入した場合、日本応用磁気学
会誌、１０，２．（１９８６）１６１から知れるように
光吸収が増大する。またＰｔは、Ｊ、Ｍａｇｎ、Ｓｏｃ
、Ｊｐｎ、１１．ＳＩ　　（１９８７）３４７から知れ
るように膜欠陥の一因となり、欠陥部は、日本応用磁気
学会誌、１０．２（１９８６）１４７に述べられている
ように、光学特性が劣化することが知られている。した
がって、ΔＴは３０℃以下程度、ＴＧは７３０℃以上程
度が好ましい。

ところで、膜と基板の格子定数が不整合の場合、膜割れ
、または基板割れの原因となることが知られているが、
イオン半径が大きいＢｉイオンを置換すると膜の格子定
数は大きくなる。したがって、膜の格子定数に整合させ
るためには、より大きな格子定数の基板を選択する必要
があるが、工業的に使用可能なガーネット基板の種類は
限定されている。そこで、希土類サイト、あるいはＦｅ
サイトを種々の元素で置換し、かつその置換量を厳密に
調整して、膜の格子定数を基板に合致させることが一般
的であるが、既述のように置換による弊害が問題点とな
っていた。

本発明は、Ｂｉ置換に伴う種々の問題点を解消し総合的
に優れた磁気光学ガーネット結晶を提供するものである
。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は、上記問題点を解決するためにＬ　ｕ　ｓ−（
Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＋Ｑ）　ｙｘＴｂｙＥ　ｕｚＢ　ｉ　ＱＦ　
ｅ　ｓ○１゜（式中、Ｘ、　Ｙ、およびＺは０．１〜１
．０、Ｑは０．５〜２．０）で表せる組成を有すること
を特徴とする磁気光学磁性ガーネット結晶を提供するも
のである。

本発明の目的は、　（イ）Ｂｉ多量置換、　（ロ）ファ
ラデー回転係数の温度特性の向上、（ハ）自然核欠陥の
低減等を総合的に達成することである。

以下に本発明の基本的考え方を示す。既述のように多量
Ｂｉ置換を可能とするホスト希土類元素としてＧｄが知
られているが、ファラデー回転係数の温度特性を劣化さ
せる欠点があった。そこで本発明者らは、種々検討を重
ねた結果、磁気光学特性に悪影響を及ぼさず多量にＢｉ
を置換可能な元素としてＹの添加が有効であることを見
い出した。

その数値は、Ｏ，１未満では効果を示さず、１゜０より
も大きくなると希土類サイトに置換すべき他の元素の置
換量が低減されることから好ましくない。望ましくは、
０．２〜０．　９とすべきである。

Ｂ１置換によるファラデー回転係数の温度特性の劣化は
、ファラデー回転係数の符号の変化が主原因といわれて
いる。すなわち、Ｂ１置換によりファラデー回転係数は
飛躇的に増大するが、同時にその符号は負となり温度上
昇に伴ってその値が小さくなるためである。そこで、フ
ァラデー回転係数の温度特性を向上させるために、ファ
ラデー回転係数の符号が正の結晶と負の結晶を固溶体と
する、２板を貼合わせる、または２層に成長させる、等
の方法が提案された。しかし、固溶体性以外の方法では
、入射光の挿入損失が大きくなる欠点がみられ実用性に
乏しいことが指摘されている。

本発明においては、固溶体法に着目し種々の元素で検討
を進めた結果、ファラデー回転係数が正の符号を有する
ＴｂとＥｕが有望であることを見い出した。その数値は
、Ｏ，１未満では改善効果が見られず、１．Ｏよりも大
きくなるとＢｉ置換量が減少するため好ましくない。望
ましくは、０、　２〜０．８の範囲である。なお、Ｔｂ
とＥｕの比は、はぼｌ：１が好ましく、この比が大きく
異なると融液が不安定となる。Ｂｉは、０．５未満では
充分なファラデー回転係数が得られず必要膜厚が大きく
なることから好ましくない。一方、２．０よりも大きく
なるとΔＴが３０℃以上になるため、自然核の析出が激
しくなり膜欠陥が増大することから好ましくない。望ま
しくは、０．８〜１．６とすべをである。

ところで、工業的に使用可能なＬＰＥ用ガーネット基板
の種類は数が少なく、通常Ｇ　ｄ３Ｇ　ａ５０１２　（
ＧＧＧ）およびＣａ−Ｍｇ−Ｚｒ置換ＧＧＧ基板が市場
の大半を占め、Ｓｍ３Ｇａ５Ｏ１２およびＮｄ３Ｇａ５
０１２基板はごく一部でしか使用されていない。したが
って、膜の成分組成を制御して基板の格子定数に合致さ
せることが一般的である。

既述のようにＢｉ置換量の増大に伴い膜の格子定数は大
きくなることから、Ｂ１を置換する母材の格子定数を小
さくすることがすなわちＢｉを多量に置換するための土
壌といえる。

Ｔｈ１ｎ　５ｏｌｉｄ　Ｆｉｌｍｓ、１１４（１９８４
）３３に述べられているように、Ｌｕ３Ｆｅ５０１２の
格子定数は希土類鉄ガーネットの中で最も小さい。そこ
で本発明においては、Ｌｕを希土類サイトのバランスの
役目に位置づけ、Ｂｉの置換量に応じてＬｕの添加量を
決定した。したがって、その定義をＬｕ３−（ｘ＋ｙ　
＋　ｚ　十Ｑ）とした。

［実施例］ 以下に、実施例を用いて本発明の詳細な説明する。なお
、基板と膜の格子定数のミスマツチは、Ｘ線デイフラク
トメータを用いて測定した。

実施例 〈実施例１〉 第１表の実施例１に示した融液組成を用いて、Ｃａ−Ｍ
ｇ−Ｚｒ置換Ｇｄ３Ｇａ５Ｏ１２基板上に成長温度７６
３℃、ΔＴ２１℃でＬＰＥ成長させたＬ　ｕＯ，３Ｅ　
ｕｏ、４Ｔ　ｂｏ、３Ｙ０．７Ｂ　ｉ　１．３Ｆ　ｅ５
０１２組成のガーネット膜は、使用波長１．５５μｍに
おいてファラデー回転係数１５１０ｄｅｇ／Ｃｍ、０〜
５０℃の温度係数０．０５ｄｅｇ／”Ｃを示した。また
、育成中の自然核の発生は皆無で、自然核の影響による
膜欠陥は全く見られなかった。

ＧＢＩＧのファラデー回転係数、および温度特性は、各
々１１０２０ｄｅ／ｃｍ、および０．１０ｄｅｇ／’Ｃ
であり、本発明のガーネット膜は何れの特性においても
勝っている。

なお、ファラデー回転係数は入射偏光と出射偏光の角度
差を膜厚で除して求めた。温度特性は、０℃から５０℃
間のファラデー回転角θのずれを上記温度差で除して求
めた。一方、融液中の自然核の存在有無は目視で確認し
、膜中の自然核の存在有無は光学顕微鏡を用いて確認し
た。

（以下、余白） 表１゜ 単位；モル％ 〈実施例２〉 第１表の実施例２に示した融液組成を用いて、Ｃａ−Ｍ
ｇ−Ｚｒ置換Ｇｄ３Ｇａ５Ｏ１２基板上に成長温度７８
８℃、ΔＴ１２℃でＬＰＥ成長させたＬｕｏ、２Ｅｕｏ
、９Ｔｂｏ、８Ｙ０．２ＢｉＯ，９Ｆｅ５０１２組成の
ガーネット膜は、使用波長１．５５μｍにおいてファラ
デー回転係数１０４０　ｄ　ｅ　ｇ／ｃｍ。

０〜５０℃の温度係数０．０４ｄｅｇ／’Ｃを示した。

また、育成中の自然核の発生は皆無で、自然核の影響に
よる膜欠陥は全く見られなかった。

〈実施例３〉 第１表の実施例３に示した融液組成を用いて、Ｃａ−Ｍ
ｇ−Ｚｒ置換Ｇｄ３Ｇａ５Ｏ１２基板上に成長温度７４
３℃、ΔＴ２８℃でＬＰＥ成長させたＬ　ｕｏ、３Ｅ　
ｕｏ、３Ｔ　ｂＯ，３Ｙ０．６Ｂ　ｉ　１．５Ｆ　ｅ５
０１２組成のガーネット膜は、使用波長１．５５μｍに
おいてファラデー回転係数１７８０ｄｅｇ／ｃｍ、０〜
５０℃の温度係数０．０７ｄｅｇ／℃を示した。また、
育成中の自然核の発生は皆無で、自然核の影響による膜
欠陥は全く見られなかった。

〈実施例４〉 第１表の実施例４に示した融液組成を用いて、Ｃａ−Ｍ
ｇ−Ｚｒ置換Ｇｄ３Ｇａ５Ｏ１２基板上に成長温度７２
０℃、ΔＴ４６℃でＬＰＥ成長させたＬ　ｕＯ，３Ｅ　
ｕＯ，ＩＴ　ｂｏ、ＩＹｏ、４Ｂ　ｉ２．ＩＦ　ｅ５０
１２組成のガーネット膜は、使用波長１．５５μｍにお
いてファラデー回転係数２４６０ｄｅｇ／ｃｍを示した
。しかし、融液中に自然核が析出し、その自然核を核と
した膜欠陥が多数発生した。その結果、結晶性が劣化し
光学特性の測定が不可能であった。

［発明の効果コ 本発明組成のガーネット結晶は、大きなファラデー回転
係数が得られるためファラデー回転子の小型化が計れる
。また、ファラデー回転角の温度係数が小さいため光ア
イソレータのアイソレーションの劣化が少ない。更に、
自然核欠陥の低減により育成歩留りが大幅に向上する。

以上のことから本発明の実用的価値は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、膜中のＢｉ量とＹ量の関係を示した図、第２
図は、自然核生成に及ぼす膜中のＥｕ量とＴｂ量の比の
影響を示した図、第３図は、膜中のＥｕ十Ｔｂ量とファ
ラデー回転角の温度係数の関係を示した図である。 第１図 Ｙ含有量 Ｘ　１０”ａｔｏｍｓ／ｆ、ｕ 第２図 Ｔｂ含有量 Ｘ　Ｉ　Ｏ”ａｔｏＩＴｌｓ／ｆ、ｕ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 一般式； Ｌｕ＿３＿−＿（＿Ｘ＿＋Ｙ＿＋ｚ＿＋＿Ｑ）Ｙ＿ｘＴ
   ｂ＿ＹＥｕ＿ｚＢｉ＿ＱＦｅ＿５Ｏ＿１＿２（式中、Ｘ
   ，Ｙ，およびＺは０．１〜１．０、Ｑは０．５〜２．０
   ）で表せる組成を有することを特徴とする磁気光学磁性
   ガーネット結晶。