JPH0471878B2 - - Google Patents

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JPH0471878B2
JPH0471878B2 JP12208787A JP12208787A JPH0471878B2 JP H0471878 B2 JPH0471878 B2 JP H0471878B2 JP 12208787 A JP12208787 A JP 12208787A JP 12208787 A JP12208787 A JP 12208787A JP H0471878 B2 JPH0471878 B2 JP H0471878B2
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JP
Japan
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faraday rotation
zero
garnet
temperature coefficient
temperature
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JP12208787A
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English (en)
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JPS63285196A (ja
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Juko Yokoyama
Naoki Koshizuka
Hiromitsu Umezawa
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FDK Corp
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Original Assignee
Agency of Industrial Science and Technology
FDK Corp
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、フアラデー効果を利用した光アイソ
レータや光サーキユレータ、光スイツチ等に用い
られる磁性ガーネツト単結晶に関し、更に詳しく
は、ビスマス置換型のテルビウムおよび/または
ジスプロシウム−鉄ガーネツトで特定の組成とす
ることにより、室温付近におけるフアラデー回転
の温度係数をゼロもしくはほぼ零に低減できる磁
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
に変化が生じ雑音の原因になる。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。
この光アイソレータには、フラツクス法やFZ
法によつて作製されるバルクYIG(イツトリウム
−鉄ガーネツト)単結晶が広く使用されている。
しかし近年、LPE(液相エピタキシヤル)法に
よる磁性ガーネツ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
性ガーネツトのフア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を
有し、このため製造コストが低減し高性能の磁気
光学素子の製造が可能とされている。
磁性ガーネツトを光アイソレータ等に用いる場
合、それは光の偏波面を45度回転させる非相反素
子としての機能を果たす。この際の問題として、
磁性ガーネツトのフアラデー回転が温度によつて
変化するために、環境温度の変化に応じてフアラ
デー回転が本来の45度からずれるという欠点があ
る。
その度合を示すため、室温付近(298K)にお
けるフアラデー回転角の温度係数αを、 α=θF323−θF273/50(deg/K) 但し θF323:323Kにおけるフアラデー回転角 θF273:273Kにおけるフアラデー回転角 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、α=0.035
(deg/K)程度である。なお「アプライド・オ
プテイツクス」(APPLIED OPTICS)vol.25,
No.12p.1940−1945(1986)には、Yを一部Gdで置
換したバルクY3XGd3(1-X)Fe5O12(0.57<x<0.7)
で非常に小さなα(0.007以下)が得られることが
開示されている。
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等、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
晶長さが長くなる等の欠点がある。
他方、LPE法によるビスマス置換ガーネツト
厚膜の場合には、フアラデー回転の温度係数αを
低減するために2通りの方法が提案されている。
その一つは、R3-xBixFe5O12(Rは希土類元素)
で表される磁性ガーネツト単層膜において、Rと
してTb(テレビウム)やDy(ジスプロシウム)等
のフアラデー効果への寄与が正で且つ大きい元
素、あるいはY(イツトリウム)等のネール温度
が大きくなる元素を置換することにより、前記温
度係数αを小さくする方法がある。
例えば、日本応用磁気学会誌vol.10,No.2,
P.151(1986)には、RとしてGd,Yb,Tbを用
い、xを変えて実験を行つた結果、Dy2.5Bi0.5
Fe5O12の組成がαが最も小さく、バルクYIGと
同程度のαを有することが記載されている。
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,Gd,Dy,
Yを用いて実験した結果、Yが最もネール温度が
高くα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とした(YbTbBi)3Fe5
O12が、バルクYIGに近いαを有することが示さ
れている。
もう一つの方法は、αが正のBi置換磁性ガー
ネツトとαが負で大きな値を持つ磁性ガーネツト
からなる二層膜構造とし、膜厚を各々適当に選ぶ
ことによつて全体の温度係数α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
−ZE−15(1987)には、(GdBi)3(FeAlGa)5O12
と(YbTbBi)3Fe5O12の組み合わせで、全体のα
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)3Fe5O12と(BiGd)3
(FeGa)5O12の組み合わせで、全体のα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問題点] 上記のような従来のLPE法によるBi置換磁性
ガーネツト単結晶厚膜によるフアラデー回転の温
度係数αの低減に関しては、単層膜構造ではαが
バルクYIGなみの値にとどまり、それよりも低減
できない欠点があり、また二層膜構造ではαがほ
ぼゼロになるが、2種類の膜を育成する必要があ
るため、時間や工数を要し、従つてコスト高にな
る欠点があつた。
本発明の目的は、上記のような従来技術の欠点
を解消し、磁性ガーネツト単結晶の単層膜構造で
ありながら、フアラデー回転の温度係数αをゼロ
もしくはほぼゼロに低減できる磁気光学素子材料
を提供することにある。
[問題点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
ガーネツト単結晶であつて、次の一般式 R13-x-yR2yBixFe5O12 但し、 R1:Tbおよび/またはDy R2:希土類元素 O≦y≦1,0.35≦x≦0.45 まず本発明の基本的考え方について説明する。
ガーネツト型構造を有する単結晶は、一般に
{C3}〔A2〕(D3)012で書き表わされ、希土類元
素やビスマスはCサイトに、鉄はAサイトとDサ
イトとに入る。そして鉄ガーネツトにおいては、
CサイトとAサイトの磁気モーメントが平行で、
Dサイトの磁気モーメントはそれらと反平行をな
し、全体でフエリ磁性を形成している。
フアラデー回転の温度変化は、下記に示す一定
波長での理論式(Phys.Rev.vol.181No.2p896
(1969)) θF(T)=CMc(T)+AMa(T)+DMd(T)
…… が実験値とよく合うとされている。ここで、Mc
(T).Ma(T),Md(T)は上述の各サイトの磁
気モーメントの温度変化を示し、またC,A,D
は一定波長における定数である。
鉄サイトが鉄以外の元素で置換されていない場
合には、上記式は希土類元素の寄与θFR(T)と
鉄による寄与θFFe(T)を用いて θF(T)=θFR(T)+θFFe(T) …… と書くことができる。
ところでフアラデー回転を大きくするには希土
類サイトの一部をBiで置換するのが有効である
が、この場合にはBi自身はフアラデー回転に寄
与しない代わりに、鉄サイトの係数AおよびDが
変化し、結局、Bi置換量xの増加に伴つてθFFe
(T)が負に増大するために、θF(T)が負に増大
するものと説明されている。
第1図は前記式に基づいたBi置換ガーネツ
トにおけるフアラデー回転の温度変化を示す模式
図である。xが約0.02より大きい場合、θFFe(T)
のαは正の傾きを有している。従つて全体のフア
ラデー回転θF(T)のαをゼロにするには、θFR
(T)のαが負である必要がある。
θFR(T)のαについては、R3Fe5O12(Rは希土
類元素)において調べられており、その結果、
DyおよびTbでそれが負で大きいことが知られて
いる。
そこで本発明者は、Tb3-x-yLuyBixFe5O12の磁
性ガーネツト単結晶について種々検討を行つた結
果、フアラデー回転の温度係数αがゼロもしくは
ほぼゼロになる組成を見出した。本発明はかかる
現象の知得に基づき完成されたものである。即ち
前記のように本発明は次の一般式 R13-x-yR2yBixFe5O12 但し、 R1:Tbおよび/またはDy R2:希土類元素 O≦y≦1,0.35≦x≦0.45 で表される組成を有する。
ここでTbまたはDyを用いるのは、前述のよう
にそれらを含む鉄ガーネツトが大きな負の温度係
数αをもつからである。またR2として用いる希
土類元素は、LPE法の場合に使用する基板との
格子整合をとるため置換したものであり、基板材
料によつて、あるいは製法によつて用いなくてよ
ければ、その方が好ましい。
Bi置換量xを0.35≦x≦0.45としたのは、各種
実験の結果、特にその組成範囲とすることによつ
てフアラデー回転の温度係数αが非常に小さくな
るからである。更に好ましくは、0.4≦x≦0.45
程度とすることである。
[実施例] 以下、Tb3-x-yLuyBixFe5O12について行つた実
験結果を特性線図によつて詳細に説明する。
第2図は、LPE法によつてSmGGおよび
CaMgZrGGG基板上に作製したTb3-x-yLuyBix
Fe5O12のx=0,0.4,0.6,1.1の場合の波長λ=
633nmにおけるフアラデー回転θFの温度依存性を
示している。x=0,y=0のTb3Fe5O12では温
度係数α(曲線の傾き)は負であるが、xの増加
とともに正に変化している。その中間段階である
x=0.4,y=0.5の場合には、室温付近での温度
係数αが非常に小さくなることが分かる。なおフ
アラデー回転θFの符号の反転は磁気補償によるも
のである。
第3図は、第2図の試料におけるαのx依存性
を示す。x=0ではxが増えるに従い正に変化し
ており、xが約0.4ではαがほぼゼロになること
が分かる。
上記の実施例は、波長λ=633nmの場合である
が、光通信に使われる波長である0.8,1.15,1.3,
1.55μm等の場合でもx=0.4,y=0.5の膜が、α
がほぼゼロになることを確認している。従つて以
上の議論および組成は、そのまま光通信波長にも
当てはまる。
また実施例ではLuが置換されているが、これ
は基板と膜との格子整合をとる目的で使用されて
おり、従つて必ずしもLuのみに限られるもので
はなく、その目的を達しうる希土類元素であれば
よい。但し、この種の元素の置換は、Tb,Dyあ
るいはBiの置換量を減らし、その寄与を減少さ
せることになるので、その量yはなるべく小さい
値をとることが望ましい。この置換元素の種類や
用いる基板の格子定数に応じてα=0となる組成
は若干変化するが、0.35≦x≦0.45,0≦y≦1
の範囲内である。
更に実施例ではR1にTbを用いているが、Dyに
変えても、またTbとDyとを一緒に用いても同じ
効果が得られる。但し、Dy3+イオンは波長λ=
1.3μm付近に光吸収を有するため、この波長での
使用は適当でない。
なお本発明による磁性ガーネツトは、フアラデ
ー回転の温度係数αがほぼゼロになる原因がその
組成のみに依存するため、LPE法によつて作製
されたものだけでなく、フラツクス法やFZ法に
よつて作製したものでも同等の効果が得られるこ
とは言うまでもない。このような製法の場合に
は、格子整合をとるための置換元素R2は不要と
なる。
[発明の効果] 本発明は上記のように、Bi置換型のTbおよ
び/またはDy−鉄ガーネツト単結晶でBi量xを
0.35≦x≦0.45としたから、室温付近のフアラデ
ー回転の温度係数αをほぼゼロにできる優れた効
果を有する。
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つた
2種類の磁性ガーネツ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等の利点が生
じる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の原理を示すBi置換ガーネツ
トにおけるフアラデー回転の温度変化を示す模式
図、第2図はTb3-x-yLuyBixFeO12のx=0,
0.4,0.6,1.1の場合のλ=633nmにおけるフアラ
デー回転の温度依存性を示す特性線図、第3図は
その室温付近のフアラデー回転の温度係数αの
Bi置換量x依存性を示す特性線図である。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 磁性ガーネツト単結晶であつて、一般式 R13-x-yR2yBixFe5O12 但し、 R1:Tbおよび/またはDy R2:希土類元素 O≦y≦1,0.35≦x≦0.45 にて表される組織を有することを特徴とする磁気
    光学素子材料。
JP12208787A 1987-05-19 1987-05-19 磁気光学素子材料 Granted JPS63285196A (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP12208787A JPS63285196A (ja) 1987-05-19 1987-05-19 磁気光学素子材料

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JPS63291028A (ja) * 1987-05-25 1988-11-28 Furukawa Electric Co Ltd:The ファラデ−素子
JPH02164723A (ja) * 1988-12-19 1990-06-25 Tokin Corp 磁気光学ガーネット
JPH038725A (ja) * 1989-06-05 1991-01-16 Tokin Corp 磁気光学ガーネット
DE69127604T2 (de) * 1990-11-14 1998-04-09 Nippon Steel Corp Dünne Schicht aus einem polykristallinen Granat für magneto-optisches Aufzeichnungsmedium

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