JPH0831373B2 - 光アイソレ−タ用磁性ガ−ネツト - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、光アイソレータに適用する磁性ガーネッ
ト、特に0.8μｍの波長帯（0.8μｍの波長帯とは0.8μ
ｍの波長を中心とする0.75〜0.85μｍ程度の波長範囲を
一般に指称する）就中780〜830nmの波長の光に対する光
アイソレータの磁性ガーネットに係わる。

〔発明の概要〕

本発明は、ビスマス置換型イットリウム鉄ガーネット
より成る光アイソレータ用磁性ガーネットにおいて、ビ
スマスを1.5/f.u.（フォーミュラユニット）以上含有
し、鉄の一部を、鉄よりもイオン半径の小さいGaまたは
Alのいずれか１種以上で0.7〜1.2/f.u.置換し、イット
リウムの一部をガドリニウムで0.3〜0.45/f.u.置換した
光アイソレータ用磁性ガーネットであって、順方向光挿
入損Ｌを減少させたものである。

〔従来の技術〕

例えば光ディスク、光磁気ディスク等における情報の
記録或いは（及び）読み出しをはじめとして、各種用途
に半導体レーザーの利用が広まっている。

ところが、このように半導体レーザーを用いる場合、
これに戻り光があるとモードホッピングノイズが生じる
などの不都合があることから、できるだけ、半導体レー
ザーから発振した光が、再び半導体レーザーに戻ること
がないように、この戻り光を遮断する光アイソレータの
必要性が高まっている。

この光アイソレータは、第３図にその概略的構成を示
すように、ファラデー回転素子（１）を挾んで偏光子
（２）と検光子（３）とが配置されて成る。ファラデー
回転素子（１）は、マグネット（４）によって光軸方向
に磁場が与えられて、光源（５）例えば半導体レーザー
から偏光子（２）を通じて入射する直線偏光をその偏光
面が45゜回転するようになされる。検光子（３）はこの
ファラデー回転素子（１）によって45゜回転した偏光を
通過することができるようにその軸方向が選ばれてい
て、これを通過した光が被照射面に照射するようになさ
れている。そして、この場合被照射面（６）からの反射
光、すなわち戻り光がある場合、この戻り光は、再び検
光子（３）を通過してファラデー回転素子（１）を通過
し、この時再び45゜回転されて偏光子（２）に向う。し
たがって、この偏光子（２）に向う戻り光は順方向の入
射光に対してその偏光面が90゜回転していることにな
り、この偏光子（２）を通過することができず、光源
（５）に向うことができない。このように光アイソレー
タによれば、一方向すなわち順方向に関しては、光透過
性を有するがこれとは逆の方向に関しては遮断効果を奏
することができる。

このように光アイソレータは、逆方向の光を遮断する
機能を有するものであるが、順方向の光損失を小さくす
る上でファラデー回転素子自体の光透過率はできるだけ
大きいことが望まれる。この光透過率を大きくするに
は、ファラデー回転素子の厚さｔは、できるだけ小さい
ことが望まれるが、この厚さｔは、所要の回転角、上述
の例では45゜の回転角を得るために、或る厚さを必要と
する。45゜回転する間の順方向光挿入損失Ｌ（dB）は、 （但し、αは光吸収係数、θ_Ｆはファラデー回転角）で
与えられるので、Ｌを小さくするには、光吸収係数αが
小さいかファラデ回転角θ_Ｆが大きいものが必要とな
る。

この光吸収係数αは、波長に依存するものであり、1.
3μｍ波長帯で代表されるような長波長帯については、Y
IG（イットリウム・鉄・ガーネット）によるファラデー
回転素子によって可成り満足するものが得られている。

ところが、上述したような光ディスク、或いは光磁気
ディスク等の光源としては、AlGaAs系半導体レーザーの
ような0.8μｍ波長帯の半導体レーザーが用いられんと
する方向にあり、この0.8μｍ波長帯についてのファラ
デー回転素子の開発が望まれている。

一方、このようなファラデー回転素子に用いる磁性ガ
ーネット、すなわち希土類鉄ガーネットを育成する方法
としては、液相エピタキタシーLPEによって結晶膜を得
るという方法、すなわち原料融液中に例えばGGG（ガド
リニウム・ガリウム・ガーネット）、或いはそのGdの一
部を他の元素で置換したSGGG基板を浸漬し、この基板を
引上げることによってこの基板上に磁性ガーネット膜を
育成するという方法が量産性にすぐれているものである
が、この場合、この液相エピタキシーの融液には、フラ
ックスが添加される。このフラックスとしては、通常Pb
Oが用いられる。ところが、このPbOをフラックスとして
用いた場合、その育成された結晶膜中にPb²⁺の一部が混
入することは避けられないものであり、これによって光
の吸収損失を低めることが難しくなる。尚、PbOフラッ
クスによる場合においても、その結晶膜の育成温度をコ
ントロールすることによって光吸収を下げることができ
るという報告もなされている（ジャーナル オブ アプ
ライド フィジックス（Journal of Applied Physics）
Vol.45 P2867〜2873 July 1974）ところであるが、これ
についても、0.8μｍ波長帯では有効なものではない。

そこでPb²⁺が混入することのないように、Bi₂O₃のみ
をフラックスとする融液を用いて液相エピタキシーによ
ってBi置換の磁性ガーネット膜、すなわち希土類の一部
をBiで置換した磁性ガーネット膜を育成することが考え
られる（ジャーナル オブ エレクトロ ケミカル ソ
サイアテイ（Journal of Electrochemical Society）Vo
l.123 P1248〜1249 1976）。

ところが、実際上、このような方法によってBi置換の
磁性ガーネットを育成しても、光吸収の低下は充分得ら
れない。これは、本来Bi置換の磁性ガーネットの組成
は、例えば、 であるべきものが、実際には、 で示されるようなPt⁴⁺及び酸素空席の発生によって２価
のFeイオンが発生してこれにより光吸収が生じるものと
思われる。このPtの混入は、液相エピタキシーに際して
用いられるるつぼがPtであることにより、このPtが融液
中に拡散することによる。

尚、液相エピタキシーによって磁気異方性を有するガ
ーネット膜を得る方法として、フラックスにCaCO₃を添
加したものの報告（マティリアル リサーチ ブルテン
（Material Research Bulltein）Vol.11,PP337〜246,19
76）があるが、この場合、そのフラックスはBi₂O₃単独
のものではなく、Bi₂O₃と共に、CeO₂/K₂O,或いはSiO₂/N
a₂O等が添加されるものであり、しかも光吸収について
の究明はなされていない。

〔発明が解決しようとする問題点〕

前述したようにBi置換磁性ガーネットは0.8μｍ波長
帯に関して光吸収が充分小さいものが得られていないこ
とに問題があった。

このような問題点を解消するものとして、本出願人の
出願に係る先願；特願昭60−219724号出願「ビスマス置
換磁性ガーネットとその製法」が提供された。これは
（LuBi）_３（FeM）₅O₁₂の一般式で示され、そのＭがIII
A族のAlまたはGaのいずれか１種以上である組成の磁性
ガーネットを、上記組成を形成する元素と、Bi₂O₃より
成る融液から液相エピタキシャル成長するに、その融液
中にII A族元素イオンを0.8μｍ波長帯で光吸収の極小
値を与える近傍の量をもって添加するものである。この
場合、２価金属イオンの添加によって、Fe²⁺の存在を回
避して0.8μｍ帯の光吸収が小さくされたLu,Biを含む磁
性ガーネットを作製することができるものである。その
例としては、GGG基板上に下記組成の融液によるLPE法に
よって磁性ガーネット膜を育成するに、 この融液の組成として を用い、これに、この融液に、MgOを添加するものであ
る。今、このMgOの添加量を で定義（式中の分子式は融液中のモル数を示す）される
▲Ｒ^′ _６▼で表わして、▲Ｒ^′ _６▼＝0.2％,0.6％,1.0
％,1.2％,1.4％,1.8％になるようにMgOを順次添加して
いって夫々育成膜を得てこれら育成膜について波長λ
が、λ＝810nmの光についての光吸収係数α₈₁₀を測定し
た結果を第１図に示す。第１図において黒丸印は、その
測定値をプロットしたもので、一部の組成については複
数の試料を作製した夫々についての計測結果を示したも
のである。これによると、▲Ｒ^′ _６▼の増加につれ、つ
まりMg²⁺の添加により、α₈₁₀が一旦減少し、▲Ｒ^′ _６
▼が1.0〜1.2％で最小値を示し、これより更に▲Ｒ^′ _６
▼を増加させると再びα₈₁₀が増大している。そして、
▲Ｒ^′ _６▼1.0％ではｎ型伝導を示し、▲Ｒ^′ _６▼
1.8％では、ｐ型伝導を示した。

このMg²⁺の添加の効果は、次のように考えられる。す
なわち、Mg²⁺を添加しないときは、Pt⁴⁺と酸素空席の存
在のためにFe²⁺が発生し、そのためｎ型伝導を示し、Fe
²⁺による光吸収によってα₈₁₀が大きくなると考えられ
る（ジャーナル オブ アプライド フィジックス（Jo
urnal of Applied Physics）Vol.41 P1211〜1217,1970
参照）。そして、これにMg²⁺を添加すると各育成膜に入
ったMg²⁺の分だけFe²⁺が減少し、α₈₁₀は低下する。更
にMg²⁺がPt⁴⁺と酸素空席量を補うだけ膜中に添加される
と、Fe²⁺の発生が抑えられるのでα₈₁₀は最小となる。
そして、Mg²⁺がこれ以上増加すると、過剰のMg²⁺のため
に、Fe⁴⁺が発生してｐ型伝導となり、このFe⁴⁺による光
吸収が生じてα₈₁₀の増加が生じてくると考えられる。
この低光吸収を得るためのMg²⁺の仕込み濃度は▲Ｒ^′ _６
▼＝1.2±0.2％であった。また、この先願発明の他の例
としてはGGG基板上に の組成の融液に、MgOを添加した。この場合、 で定義される量で表わされる▲Ｒ^′ _６▼が夫々0.1％,0.
2％,0.3％,0.4％,0.5％,0.6％,0.8％,1.14％,5.0％とな
る様にMgOを順次添加してLPE法によって膜育成を行っ
た。夫々育成した膜の波長λが、λ＝810nmの光につい
ての光吸収係数α₈₁₀を測定した結果を第２図に示す。
この場合、▲Ｒ^′ _６▼0.4％でｎ型，▲Ｒ^′ _６▼1.1
4％でＰ型を呈した。この例においても、Mg²⁺の添加と
共にα₈₁₀は減少し、α₈₁₀＝0.5〜0.8％で最小の値を示
し、これよりMg²⁺を増加させることによって再びα₈₁₀
の増加が生じている。

このように各融液について、Mg²⁺を適当量添加するこ
とによってFe²⁺の発生を抑え光吸収を必ず下げることが
でき、Mg²⁺、すなわち、２価イオンの適当な添加量は、
前記▲Ｒ^′ _６▼で表わして、光吸収を最小とする量の±
20％程度の範囲とすれば良好な結果が得られるというも
のである。

更にまた、光吸収係数αを小さくする方法として本出
願人による先願；特願昭60−236568号出願「ビスマス含
有磁性ガーネット膜の製法」によって提案された。この
先願の発明では育成された磁性ガーネット膜を600℃以
上の加熱状態から毎時500℃より遅い冷却速度で徐冷す
ることによってαの低減化をはかることができたもので
ある。

一方、前記（１）式から損失Ｌの低減化をはかるには
ファラデー回転角θ_Ｆをも大きくすることが望まれ、Bi
のとり込み量を1.5/f.u.以上とすることによってθ_Ｆの
増大化がはかられ損失Ｌの減少がはかられることが究明
された。

例えば同様に本出願人の出願に係る先願；特願昭61−
28483号出願「光アイソレータ」において、（Bi,Tm,Y）
₃Fe₅O₁₂のFeの一部を、Feよりもイオン半径の小さいIII
A非磁性元素の例えばGa,Al等をFeサイトにFeの0.7〜1.
2/f.u.で置換したBi置換型イットリウム鉄ガーネットを
提案した。この場合、Feを非磁性元素で置換することに
より、Fe³⁺の量を低減することから光吸収を小さくでき
る。ただし、置換の量が1.2/f.u.を越えると、ファラデ
ー回転角θ_Ｆが小さくなり、順方向光挿入損失Ｌが大き
くなるため、光アイソレータとしての機能が充分でなく
なる。しかしながら、この場合、光吸収の低減の効果を
得ることができるように、例えばGaを約0.8/f.u.に選定
しようとすると、これに見合ってSGGG基板上に育成する
目的のガーネット膜に格子定数に不整合が生じないよう
にとり込むべきBi量は1.7/f.u.程度となるが、このよう
にしても現実的には融液が不安定となり異相が析出し易
くなるという問題点がある。

本発明ビスマス置換型イットリウム鉄ガーネット、
（BiY）_３（FeM）₅O₁₂（但しＭはGa,Al等のIII A族元
素）において、Biのとり込み量を大にしてファラデー回
転角θ_Ｆの増大化をはかるにもかかわらず、格子定数の
不整合の問題の解消をはかる。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明においては、例えばSGGG基板上に育成するビス
マス置換型イットリウム鉄ガーネットにおいて、ビスマ
スBiを1.5/f.u.以上含有し、鉄Feの一部を、鉄Feよりも
イオン半径の小さい非磁性元素の例えばガリウムGa,ア
ルミニウムAlのIII A族元素のいずれか１種以上で、0.7
〜1.2/f.u.置換し、イットリウムＹの一部をガドリニウ
ムGdで0.3〜0.45/f.u.置換する。

〔作用〕

本発明においては、イットリウムＹの一部を、イオン
半径の大きいGdによって置換したので、ビスマスBiのと
り込み量を1.5/f.u.以上に大にしても格子不整合による
異相の発生を回避でき、このように格子不整合を発生す
ることはなくBiのとり込み量を大にすることができるこ
とからファラデー回転角θ_Ｆの増大化がはかられ、鉄の
一部をIII A族元素で置換したことによるFe³⁺量の低減
効果によって光吸収係数αの低減化と相俟って前記
（１）式から明らかなように光挿入損失Ｌの低減化をは
かることができる。

〔実施例〕

実施例１ SGGG基板（格子定数ａ＝12.499Å）に下記組成の融液
によるLPE法によって磁性ガーネット膜を育成した。

の融液に で定義（式中の分子式は融液中のモル数を示す）される
▲Ｒ^′ _６▼で表わして、▲Ｒ^′ _６▼＝0.5（％）となる
ようにMgOを添加してLPE育成を行った。この育成された
膜組成は、EPMA分析で、Bi_1.56 Y_1.32 Gd_0.38 Fe_3.88 G
a_0.86 O₁₂となった。この実施例１において▲Ｒ^′ _６▼
を変化させて夫々LPE育成を行った膜について▲Ｒ^′ _６
▼に対するα＝780nmの光吸収係数α₇₈₀の測定を行った
ところ下に凸の特性を示し、▲Ｒ^′ _６▼＝0.5で最小値
を示した。また、このときの挿入損失ＬはＬ＝1.6（d
B）となった。ここにＬは特に45゜ファラデー回転子の
順方向挿入損ではこのＬは、 Ｌ（dB）＝45゜・α〔cm^-1〕/ln10×θ_Ｆ〔deg/μｍ〕
×10³ で与えられる。

すなわち、この実施例１では、２価のイオンMg²⁺の添
加によって例えば先願の特願昭60−21974号出願で説明
したように、光吸収の低減化がはかられるものであり、
この場合においてもこのMg²⁺すなわち２価イオンの適当
な添加量は、▲Ｒ^′ _６▼で表わして光吸収を最小にする
量の±20％程度とすることによって良好な結果が得られ
る。また、これと共に、Bi添加量の増加によってファラ
デー回転角θ_Ｆの増大がなされて損失Ｌの減少化がはか
られている。

比較例 EPMA分析による組成がBi_1.38 Y_1.78 Fe_4.84 O₁₂なる
膜をSGGG基板上にMg²⁺を添加して光吸収の極小値を得た
ときの波長780nmに対しての損失Ｌは、Ｌ＝2.0dBとなっ
た。

すなわち、Bi₂O₃単独フラックス等においてLPEによっ
てＬ1.6dBの膜育成を実現するためには、Ga0.7/f.
u.置換とBi多量置換が共に重要であり、Ｌ1.6dBの実
現には、Bi＞1.5/f.u.の組成が必要であり、Bi1.5/f.
u.とするには、例えばGa約0.8/f.u.での置換条件でGdを
添加しない融液を用いてSGGG基板上にLPE膜育成を行っ
たところその融液は著しく不安定で、異相の析出が大で
良質な膜が得られなかった。これに対し、Gdが0.3〜0.4
5/f.u.で良質の膜の育成ができた。

更にまた、本発明において、育成されたガーネット膜
を、先願の特願昭60−236568号の発明におけると同様に
600℃以上に加熱し、毎時500℃より遅い冷却速度で冷却
する熱処理を行って、より光吸収を低めるようにするこ
ともできる。

〔発明の効果〕

上述したように本発明においては、イットリウムＹの
一部を、イオン半径の大きいガドリニウムGdによって置
換したので、ビスマスBiのとり込み量を1.5/f.u.以上に
大にしても格子不整合による異相の発生を回避でき、こ
のように格子不整合を発生することなくBiのとり込み量
を大にすることができることからファラデー回転角θ_Ｆ
の増大化がはかられ、鉄の一部をIII A族元素で置換し
たことによるFe³⁺量の低減効果によって光吸収係数αの
低減化と相俟って光挿入損失Ｌが格段に改善される。し
たがって冒頭に述べた光アイソータに適用して効率の良
い動作を行わしめることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は夫々本発明の説明に供するガーネッ
ト膜の光吸収係数の測定曲線図、第３図は本発明による
Bi置換磁性ガーネットを適用し得る光アイソレータの構
成図である。 （１）はファラデー回転素子、（２）は偏光子、（３）
は検光子、（４）はマグネット、（５）は光源、（６）
は被照射面である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ビスマス置換型イットリウム鉄ガーネット
   より成る光アイソレータ用磁性ガーネットにおいて、 ビスマスを1.5/f.u.以上含有し、 鉄の一部を、鉄よりもイオン半径の小さいGaまたはAlの
   いずれか１種以上で0.7〜1.2/f.u.置換し、 イットリウムの一部をガドリニウムで0.3〜0.45/f.u.置
   換したことを特徴とする光アイソレータ用磁性ガーネッ
   ト。