JPS627631A - 磁気光学素子 - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明は磁気光学効果を有する磁性鉄ガーネ、トな用い
てなる磁気光学素子に関し、特に広い波長範囲にわたり
て光吸収の少ない磁気光学素子を提供するものである。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

ファラデー効果など磁気光学効果を利用した磁気光学素
子は、光通信用の光アイソレータ、光スイ、チ、光サー
キュレータや光ファイバー形磁界センナなどとして広く
用いられている。

一般に、磁気光学素子には、ファラデー回転角が大きく
、広い波長範囲にわたって光吸収係数が小さ一磁性希土
類鉄ｆ−ネ、トフエライト単結晶（以下、磁性ガーネッ
ト単結晶と記す〕が用いられている。上記のような用途
に用いられている磁性ガーネット単結晶としては、例え
ばＹ　３Ｆ　＠　ｓ　０１２、（Ｂ　ｔ　・Ｇ　ａ　）
　ｓ　Ｆ　＠　５０ｆ　２、（Ｙ”Ｔｂ　）、Ｆｅ５０
１□、（Ｙ−８ｍ−ＬＩ−Ｂｌ−Ｃａ）３（Ｆｓ−Ｇａ
）５０１２及びこれらの誘導体など多くのものが知られ
ている。

これらの磁性ガーネット単結晶は、主にフラックス法や
液相エピタキシャル法（以下、ＬＰＥ法と記す）で育成
されている。この他、浮遊帯溶融法（ＦＺ法）、溶融引
上げ法（ＴＳＳＧ法〕、化学蒸着法（ＣＶＤ法）、水熱
法等も用いられる。

上記フラックス法やＬＰＥ法では、一般に７ラククスと
してＰｂＯ，ＰｂＦ２、Ｂ２０．、Ｂ１２Ｏ３、ＢａＯ
。

Ｌｉ□０、Ｍｏ０５、Ｙ２Ｏ５などの低融点酸化物を用
い、これら７ラツクスと磁性ガーネットの原料酸化物（
Ｙ２Ｏ２、Ｆ・２０３など）とをともにｐｔ　。

Ｒｈ％　ｒｒなどの貴金属ルッゲの中で高温（８００〜
１３００℃程度〕にて溶融し、その後５℃／ｈｒ以下の
冷却速度で徐冷して磁性ガーネット単結晶を育成する。

ところが、育成された磁性ガーネット単結晶には必ず７
ラツクスの成分（ｐｂなど〕やルッゲの成分（Ｐｔ、Ｒ
ｈなど）が混入する。その混入量は育成条件により異な
るが、これらの元素が混入すると、磁性ガーネット中の
Ｆ・　イオ／はＦｓ　”やＦ６　　に変化し、その結果
磁性ガーネット単結晶の光吸収係数が大きくなる。

このように光吸収係数の大きくなりた磁性が−ネット単
結晶を用いた場合、光アイソレータでは挿入損失が増加
したり、光情報の伝送品質が低下する問題があり、光磁
界センサでは感度　　　　。

が低下する問題がある。

また、磁性ガーネット単結晶のファラデー回転角はＢｉ
を添加することにより大きくなることが知られている。

こうしたＢｉを含有する磁性ガーネット単結晶を育成す
る場合、原料としてＢｉ２０３（フラックスとしての役
割をも有する）を配合するが、Ｂ１２０．の配合量が多
くなるとルツ′の成分であるハ・８゛５・　１′が磁性
ガーネ・　　　　１ト単結晶に混入しやすくなる。この
ため、上述□ した理由により磁性ガーネット単結晶の光吸収　　　　
、′係数が犬きくなり、種々の問題が生じる。

また、用途によっては磁性が−ネット単結晶の飽和磁化
（４πＭ、　）などの磁気特性を調整するため、Ｃａ　
　、　Ｍｇ　　等の２価イオンとなる元素やＳｉ　　、
　Ｇａ”、Ｚｒ、Ｖ　　等の４価、５価のイオンとなる
元素を原子価が中和するように組合せて添加することが
ある。この場合も育成方法によって量の多少はあるが、
得られる磁性が一ネット単結晶中でこれらの元素の原子
価が中和されずに、Ｆ・　やＦ・　が生じやすい。この
ため、やはり磁性ガーネット単結晶の光吸収係数が大き
くなるという問題がある。

〔発明の目的〕

本発明は上記問題点を解消するためになされたものであ
り、広い波長範囲にわたって光吸収が小さく、磁気光学
効果が大きい磁気光学素子を提供しようとするものであ
る。

〔発明の概要〕

本発明者らは磁性鉄ガーネットのＦ・の一部をＭｎで置
換すれば、Ｆｅ３＋がＦｅ２＋やＦｅ’＋に変化するの
を抑制でき、磁性鉄ガーネットの光吸収係数を低減し得
ることを見出し、本発明を完成するに至り虎。

すなわち、本願第１の発明の磁気光学素子は、一般式Ｒ
，（Ｆｅ　５−ｘ　ｙｔｎｘ）０．２　（ただし、Ｒは
希土類元素、Ｙ、Ｃａ、Ｐｂ、Ｂｌ、Ｓｒ、Ｂａから選
ばれる少なくとも１種の元素、０．０１≦ｘ＜０．２０
）にて表わされる磁性鉄ガーネットの単結晶又は多結晶
からなることを特徴とするものである。

また、本願第２の発明の磁気光学素子は、一般式Ｒ，（
Ｆ’・５−ｘ−、ＭｎｘＭＷ）０１□（ただし、Ｒは希
土類元素、Ｙ、Ｃａ、ｐｂ、Ｂｉ、Ｓｒ、Ｂａ　　から
選ばれる少なくとも１種の元素、ＭはＧａ、ＡＬ。

Ｉｎ、Ｓｃ、Ｃｏ、Ｎｌ、Ｃｒ、Ｖ、Ｔｉ％Ｓｔ、Ｇｏ
、Ｍｇ　、Ｚｎ　ｓ　Ｎｂ　ｓ　Ｔａ　、Ｓｎ　、Ｚｒ
　ｓ　Ｈｆ　ｓ　Ｐ　ｔ　１Ｒｈから選ばれる少なくと
も１種の元素゛、０．０１≦Ｘ≦０．２０，０．０１≦
ｗ＜１．５０）にて表わされる磁性鉄ガーネットの単結
晶又は多結晶からなることを特徴とするものである。つ
まり、本願第２の発明の磁気光学素子は磁性鉄ガーネ。

トのＦｅの一部をＭｎだけでなく、Ｍ（Ｍは上記に示し
た各元素のうちから選ばれる少なくとも１種の元素〕で
も置換した組成を有する磁性鉄ガーネットの単結晶又は
多結晶からなることを特徴とするものである。

本願第１及び第２の発明において、Ｍｎは磁性鉄ガーネ
ットの単結晶又は多結晶中でＦｅ　　。

Ｆｅ’＋などの光吸収の原因となる金属イオンが生じる
のを抑制する効果があり、光アイソレータなどの挿入損
失を低減させたり、光磁界センサの感度を向上させるた
めに添加されるものである。Ｍｎの含有量を示すＸを０
．０１≦Ｘ≦０，２０とし２＋ たのは、Ｘが０．０１未満ではＦ・　、　Ｆｅ　　の低
減効果が認められず、一方ｘ　２５Ｅ　０．２を超える
とファラデー回転角が低下し、磁気光学素子の性能が低
下するためである。

本願第２の発明において、Ｆｓの一部と置換されるＭ（
Ｇａ、ＡＡ、Ｉｎ、Ｓｃ、Ｃｏ、Ｎｌ、Ｃｒ。

Ｖ、Ｔｉ、８１、Ｇ・、Ｍｇ、　Ｚｎ、　Ｎｂ、　Ｔａ
、Ｓｎ　。

Ｚｒ、　Ｈｆ、　Ｐｔ、　Ｒｈから選ばれる少なくとも
１種の元素〕は、磁性ガーネット単結晶を垂直磁化膜と
し、小型化、感度向上を図るために４πＭ。

を減少させたり、あるいはファラデー回転角の温度係数
を小さくする作用を有する。Ｍの含有　　　□量を示す
Ｗを０，０１≦ｖく１，５０とし喪のは、Ｗがｏ、ｏｉ
未満では４πＭ、を低減させる効果が認められす、一方
Ｗが１．５０を超えるとファラデー回転数がかえって減
少してしまうためである。

上記ＭＫ：含まれる各元素は３価イオンでないた　　　
：め、どのような方法で単結晶を育成してもＦ・２４や
Ｆｓ　　が発生するのを避けることができないが、Ｍｎ
添加により光吸収係数の増大を抑制することができる。

上記Ｍに含まれる各元素のうち、Ｇｏ、ｋＡ、Ｉｎ、Ｓ
ｃは特に４πＭ、の低減効果、ファラデー回転角の温度
係数を小さくする効果が大きいものである。

本願第１及び第２の発明において、Ｒで示される元素を
、ＢｉとＲ’　（Ｂｉ以外のＲ〕とで構成してもよい。

すなわち、一般式 （”ＢｌアＲ／３−ア）（Ｆ・５−一部）０，２、ある
いは一般式〔Ｂ’ｙ”３−ｙ〕（”５−ｘ−ｖｒ”ｘ”
ｗ）０１□（ただし、Ｒ′は希土類元素、Ｙ、Ｃａ、Ｐ
ｂ、Ｓｒ、Ｂａから選ばれる少なくとも１種の元素、０
．０１く７く２．０゜なお、Ｍ、ｘ、及びＷについては
上述した説明と同様である）にて表わされる磁性鉄ガー
ネットの単結晶又は多結晶を用いてもよい。上記組成に
おいて、Ｂｌは磁性ガーネットの７アラデ一回転角を向
上させる作用を有する。Ｂ１の含有量を示すｙをｏ、ｏ
ｌくｙく２．ｏとしたのは、ｙが０．０１未満ではファ
ラデー回転角を向上させる効果がなく、一方ｙが２．０
を超えるとイオン半径の大きいＢｉ　　が多くなって磁
性ガーネット単結晶の品質を劣化させるためである。特
に、Ｂ１１１ｉ換磁性ガーネツト単結晶を育成する場合
、ｐｔ％ｐｈ。

Ｉｒなどのルツデの成分の混入量が多くなるが、本発明
に係る磁性鉄ｆ−ネッ）ＫはＭｎが添加されているため
、光吸収係数を小さくする効果が著しい。

また、本願筒２の発明において、Ｒで示される元素を、
Ｂｉ、Ｒ“（０８％　Ｐｂ１Ｓｒｘ　Ｂａから選ばれる
少なくとも１種の元素〕及びＢ／／／　（Ｂｌ及びＲ１
ｌ以外のＲ）で構成してもよい。すなわち、一般式（Ｂ
ｌｙＲ；Ｒ’５−ｙ−ｚ〕（Ｆ＋１５−ｘ−ｖＭｎｘＭ
ｗ）０１２　（ただし、Ｒ“はＣＡＮ　Ｐｂｘ　　Ｓｒ
、　　Ｂａから選ばれる少なくとも１種の元素、Ｈａは
希土類元素、Ｙから選ばれる少なくとも１種の元素、０
．０１く工＜１．５０゜なお−％Ｍ、ｘ、ｗ１　ｙにつ
いては上述した説明と同様である）にて表わされる磁性
鉄ガーネ。

トの単結晶又は多結晶を用いてもよい。上記組成におい
て、Ｒ＃は上述したＭのうち原子価が３価でないものと
一諸に置換し、原子価を中和する役目をし、又育成中に
成長訪導異方性を誘起し、ガーネット単結晶を垂直磁化
膜とする役目もする。このＲ“に含まれる各元素も３価
イオ／でない九め、Ｆｅ　　やＦｅ　が発生するのを避
、けることができないが、Ｍｎ添加によシ光吸収係数の
増大を抑制することができる。

また、多結晶の場合でもＣａを含む磁性が−ネ、トでは
全く空孔や異相のない高密度の多結晶が得られ、磁気光
学素子として用いることができる。この場合、１０００
℃以上の高温で焼結されるので、Ｆｅ６るいＨＦｅ　　
が生じるおそれがあるが、Ｍｎを添加することべより多
結晶体の光吸収係数を低減することができる。

なお、本発明に係る磁気光学素子を構成する磁性ｆ−ネ
ット単結晶は主にｐｂｏ、Ｂ２Ｏ５、Ｂｔ□ｏ５、ｐｂ
ｐ’２、ｖ２０３．８１０％　Ｌ１２０、ＭｏＯ３，５
ｂ２０５などの低融点の酸化物を７う、クスとして用い
たスラックス法６るいはＬＰＩｉＸ法で育成されるが、
他の育成方法、例えば浮遊帯溶融法（ＦＺ法）、溶融引
上げ法（ＴＳＳＧ　）、化学蒸着法（ｃｖｎ法〕、水熱
法により育成しても所定の効果を得ることができる。

また、本発明に係る磁気光学素子を構成する磁性鉄ガー
ネットと同様な組成を有するものは、例えば特開昭５８
−１３９０８２号公報にも記載されている。しかし、こ
の公報にＩｔｉ　Ｆｅの一部をＭｎで置換した実施例は
記載されておらず、また磁性鉄ガーネットの光吸収係数
についても全く考慮されていない。

これに対して本発明では、Ｆｅのごく一部を凪で置換し
た磁性鉄ガーネットの単結晶又は多結晶を用い、光吸収
係数の小さい磁気光学素子を提供することができ、ひい
ては光アイソレータ、元スイッチ、光丈−キ嘉レータあ
るいは光ファイバー形磁界センナの性能及び信頼性を向
上し得るものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明に係る磁性ガーネット単結晶を７２．ジ
ス法によシ育成する際に用いられる装置の断面図である
。第１図において、冷却耐火物１上には白金ルツＭ２が
載置され、この白金ルツ？２の外周にはヒータ３が配置
されている。原料酸化物及び７う、クスは白金ルツデ２
内に装填され、ヒータ３によシ溶融されて溶融液３とな
る。そして、冷却耐火物ｌによシ白金ルツが２に温度勾
配が与えられ、徐冷することによ）磁性ガーネット単結
晶５が育成される。

この装置を用い、下記表に示す実施例１〜６及び比較例
１〜４の各組成の磁性鉄ガーネット単結晶を育成した。

具体的な育成条件、育成された単結晶についての試験方
法等を実施例３及び比較例１を例として更に詳細に説明
する。

実施例３ 磁性が−ネットの成分としてＧｄ２Ｏ３５５ｊ’　１Ｙ
２０５５０１　ｓ　Ｆｅ２Ｏ３４８０！、Ｍｎ２Ｏ３１
０ｇ及びフラックスとしてＰｂＯ７６０＃、ｎ２ｏ５１
６０．９．　ｎ１２ｏ３１５００Ｉｉを秤量し、白金ル
ツボ２内に装填し、ヒータ３により１１００℃で溶融し
、２４時間保持して均一な溶融液４とし念、その後、冷
却耐火物１によシ白金ルツ＋Ｐ２に温度勾配を形成し、
１℃／Ｈの冷却速度８００℃まで徐冷して、約２０Ｘ２
０Ｘ２０＋ｍの磁性ガーネット単結晶５を得た。この単
結晶の組成を化学分析法で調べたところ、 ＣＢｉｏ、５ｔＧｄ１．１６Ｙ１．ｏｏＰｂｏ、ｏｓ〕
（Ｆｅ４．９ｏＭｎｏ、１ｏ）Ｏｔ２　　で６つた。

次に、この単結晶から直径５１１１１　％厚さ２１１Ｉ
ＩＩの円板を切９出して光学レベルに鏡面加工し、５ｋ
ｏ・の磁界中において消光法でファラデー回転角（θＦ
）を測定したところ、波長λ＝１．３μｍのレーデ光に
ついて、θＦ　＝　５０００７ｃｍであった。ま念、λ
＝１．３μｍのレーデ光に対する吸収係数（α〕をキャ
リー分光器によシ創定したところ、α＝　０．２０　ｃ
ｍ−’であった。この結果、この単結晶の性能指数（Ｆ
ｉｇｕｒｅ　ｏｆ　Ｍｅｒｌｔ　）はＦ＝　５８０　’
／ｄＢでらった。

次いで、この単結晶を加工し、４５°の偏光角をもつ直
径２Ｍ１１、厚さ０．９８の磁気光学素子を作製し、半
導体レーデ（波長１．３μｍ）と光アイソレータを組み
立て、アイソレーションを測定したところ、３９ｄＢと
優れたアイソレーションを有することがわかった。

比較例Ｉ Ｆ’６２０５を４９０＃用いたことと、Ｍｎ　２０３を
全く用いなかったこと以外は上記実施例３と同様にして
単結晶を育成し、 ＣＢｉｏ、５ｔＧｄ１．４６Ｙ１．ｏ、Ｐｂｏ、ｏ２）
ＦｅｓＯｔｚなる組成の磁性ガーネット単結晶を得た。

この単結晶について、波長λ＝１．３μｍのレーデ光で
上記実施例３と同様にθ、及びαを測定したところ、θ
、＝５２０°２ム、α＝２．０の−１でありた。

このように光吸収係数が大きいため、性能指数はＦ＝６
０７ｄＢでろり虎。

また、上記実施例３と同様にしてアイソレーションを測
定したところ、３１ｄＢと上記実施例１に比べて劣って
いることがわかった。

上記実施例３及び比較例１以外の組成の磁性鉄ガーネッ
トについても光吸収係数を測定した結果を下記表に示す
。

上記表から明らかなように、Ｍｎを全く含まなり磁性鉄
ガーネット単結晶（比較例１，２．４）は光吸収係数が
犬きくなっている。また、Ｍｎが０．２を超えて添加さ
れている磁性鉄ガーネット単結晶（比較例３）では、Ｍ
ｕ　　は育成中と生じるＦｓ　　をＦｏ＋Ｍｎ　　−＋
Ｆ＊　　十Ｍｎ　　のような原子価の移動で抑制してい
るが、量が０．２を超えると、Ｍｎ　　による、光吸収
係数の増加が生じている。なお、Ｍｎ２＋による光吸収
係数の増加は小さい、これに対して実施例１〜６の磁性
鉄ガーネット単結晶はいずれも光吸収係数が小さい値で
あった。また、性能指数、アイソレータ特性も良好でお
ることが確認された。

〔発明の効果〕

以上詳述した如く本発明によれば、光吸収係数の小さｂ
磁気光学素子を提供することができ、光アイソレータ、
光スィッチ、光サーキュレータあるいは光ファイバー形
磁界センナに用いた場合、挿入損失の低減らるｈは感度
の改善により性能及び信頼性を向上できる等顕著な効果
を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は７ラツクス法による磁性ガーネット単結晶の育
成装置の断面図である。 １・・・冷却耐火物、２・・・白金ルッデ、３・・・ヒ
ータ、４・・・溶融液、５・・・磁性ガーネット単結晶
。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）一般式 Ｒ＿３（Ｆｅ＿５＿−＿ｘＭｎ＿ｘ）Ｏ＿１＿２（ただ
   し、Ｒは希土類元素、Ｙ、Ｃａ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｓｒ、Ｂ
   ａから選ばれる少なくと も１種の元素、 ０．０１≦ｘ≦０．２０） にて表わされる磁性鉄ガーネットの単結晶又は多結晶か
   らなることを特徴とする磁気光学素子。 （２）一般式 〔Ｂｉ＿ｙＲ′＿３＿−＿ｙ〕（Ｆｅ＿５＿−＿ｘＭｎ
   ＿ｘ）Ｏ＿１＿２（ただし、Ｒ′は希土類元素、Ｙ、Ｃ
   ａ、Ｐｂ、Ｓｒ、Ｂａから選ばれる少なくとも１ 種の元素、 ０．０１≦ｘ≦０．２０、０．０１≦ｙ≦２．０）にて
   表わされる磁性鉄ガーネットの単結晶又は多結晶からな
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の磁気光
   学素子。 （３）一般式 Ｒ＿３（Ｆｅ＿５＿−＿ｘ＿−＿ｗＭｎ＿ｘＭ＿ｗ）Ｏ
   ＿１＿２（ただし、Ｒは希土類元素、Ｙ、Ｃａ、Ｐｂ、
   Ｂｉ、Ｓｒ、Ｂａから選ばれる少なくと も１種の元素、 ＭはＧａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｓｃ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｖ、
   Ｔｉ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｓｎ、Ｚ
   ｒ、Ｈｆ、Ｐｔ、 Ｒｈから選ばれる少なくとも１種の元 素、 ０．０１≦ｘ≦０．２０、０．０１≦ｗ≦１．５０）に
   て表わされる磁性鉄ガーネットの単結晶又は多結晶から
   なることを特徴とする磁気光学素子。 （４）一般式 〔Ｂｉ＿ｙＲ′＿３＿−＿ｙ〕（Ｆｅ＿５＿−＿ｘ＿−
   ＿ｗＭｎ＿ｘＭ＿ｗ）Ｏ＿１＿２（ただし、Ｒ′は希土
   類元素、Ｙ、Ｃａ、Ｐｂ、Ｓｒ、Ｂａから選ばれる少な
   くとも１ 種の元素、 ＭはＧａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｓｃ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｖ、
   Ｔｉ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｓｎ、Ｚ
   ｒ、Ｈｆ、Ｐｔ、 Ｒｈから選ばれる少なくとも１種の元 素、 ０．０１≦ｘ≦０．２０、０．０１≦ｗ≦１．５０、０
   ．０１≦ｙ≦２．０） にて表わされる磁性鉄ガーネットの単結晶又は多結晶か
   らなることを特徴とする特許請求の範囲第４項記載の磁
   気光学素子。 （５）一般式 〔Ｂｉ＿ｙＲ″＿ｚＲ″′＿３＿−＿ｙ＿−＿ｚ〕（Ｆ
   ｅ＿５＿−＿ｘ＿−＿ｗＭｎ＿ｘＭ＿ｗ）Ｏ＿１＿２（
   ただし、Ｒ″はＣａ、Ｐｂ、Ｓｒ、Ｂａから選ばれる少
   なくとも１種の元素、 Ｒ″′は希土類元素、Ｙから選ばれる少 なくとも１種の元素、 ＭはＧａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｓｃ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｖ、
   Ｔｉ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｓｎ、Ｚ
   ｒ、Ｈｆ、Ｐｔ、 Ｒｈから選ばれる少なくとも１種の元 素、 ０．０１≦ｘ≦０．２０、０．０１≦ｗ≦１．５０、０
   ．０１≦ｙ≦２．０、０．０１≦ｚ１．５０）にて表わ
   される磁性鉄ガーネットの単結晶又は多結晶からなるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第４項記載の磁気光学素
   子。