JPS6323302A - 磁気材料の基体を含むデバイス及びその製作法 - 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】 及術立翫 本発明は磁気デバイスとその製作に係る。

発凱■産景 磁気デバイスの分類の中にはたとえば磁気ドメイン又は
“バブル”デバイスが含まれ、またたとえばジエイ：エ
フ・ディロン（Ｊ、Ｆ、Ｄｉｌｌｏｎ）による“ガーネ
ット磁気絶縁体の磁気−光学研究の開発”フエライト：
ブロシーディングス・オン・ザ・インターナショナル・
コンファレンス（ＦＥＲＲＩＴＥｓ　：行μｍ吋］ｌＬ
虹」遅りむぶμ巨旦ｏｎａ　Ｉ並ゴ旦些匹搬−・１９８
０．７４３−７４９頁、及び ジエイ・エフ・ディロン（Ｊ、Ｆ、Ｄｉｌｌｏｎ）“磁
気光学とその用途”、ジャーナル・オン・マグネチック
・アンド・マグネチック・マテリアルズ（Ｊｏｕｒｎａ
ｌ吐ｍ唾…二ｎ」針唾鋭り旦山山）、第３１−３４巻、
（１９８３）１−９頁により述べられているような磁気
−光学デバイスも含まれる。

磁気−光学デバイスは光通信システムと関連して関心が
もたれるようになり、それは典型的な場合光源、変調器
、特定の所望の波長を有する電磁放射の検出器を含み、
更に光導波伝送線、スイッチ、偏向器、光アイソレータ
を含んでもよく、後者は反射された寄生の光が光源に再
入射するのを防止するためのものである。光アイソレー
タのよく確立した設計は、上で引用した論文及び更に以
下の論文で述べられているように偏光電磁放射のファラ
デー回転に暴く。

ジー・ビー・スコツト（Ｇ、Ｂ、５ｃｏｔｔ）　　ら、
“ビスマス置換鉄ガーネットの磁気−光学特性及び応用
”アイ・イー・イー・イー・トランスアクション・オン
・マグネティクス（ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ
　ｏｎ−メ１目Ｊｌａジ１辷ｊ−９■暴、）、　　第一
八Ｇ　−１２巻、　　（１９７６）　　、２９２−３１
１頁及び アール・シー・ブース（Ｒ，Ｃ，Ｂｏｏｔｈ）ら１．１
−１．７ミクロン波長範囲中の稀土類鉄ガーネット結晶
の磁気光学特性とそれらのデバイス製作での使用”ジャ
ーナル・オン・フィジフクス（Ｊｏｕｒｎａｌ吐乃川ｃ
ｓ）Ｄ、用１７巻（１９８４）５７９−５８７＠。

特に、後者の論文は稀土類鉄ガーネットと分類され稀土
類元素インドリウム、ガドリニウム、テルビウム、ジス
プロシウム、ホルミウム、エルビウム又はインテルビウ
ムを含む多数の単結晶材料の磁気光学特性に係る。これ
ら及び他の稀土類ガーネットのファラデー回転のデータ
は実際にかつ仮想的に次の論文によって与えられている
。

ジェイ・エフ・ディロン（Ｊ、Ｆ、Ｄｉｌｌｏｎ）″磁
気ガーネットの磁気光学特性”フィジフクス・オン・マ
グネチック・ガーネット、ソサイアク・イタリアナ・デ
ィ’フイジカ（Ｐｈ　５ｉｃｓ　ｏｆ　　Ｍａ　ｎｅｔ
ｉｃｓＧａｒｎｅｔｓ　５ｏｃｉａｔａ　Ｉｔａｌｉａ
ｎａ　ｄｉ　Ｆｉｓｉｃａ）　、１９７８；特に３９９
頁、第１表参照のこと。

ガーネット製作に関しては、置換されない稀土類ガーネ
ットは１　、’２５４０ナノメータより大きな格子定数
をもつようには形成されないと信じられていた。この点
に関しては、以下の論文を参照のごと。

ニス・ゲラ−（Ｓ、Ｇｅ１ｌｅｒ）ら、“ニオジウム置
換イツトリウム及びガドリウム鉄ガーネットの６イ２気
的及び結晶学的研究”フィジカル・レビュー狸狂旦■Ｌ
ハ■並）、第１２３巻、（１９６１）１６９２−１６９
９頁及び ジー・ピー・エスビノサ（Ｇ、Ｐ、Ｅｓｐｉｎｏｓａ）
　”　４Ｍ土類鉄ガーネツトの結晶−化学的研究”ジャ
ーナル・オン・ケミカル・フィジフクス（Ｊｏｕｒｎａ
ｌ　ｏｆ惧（４）］Ｌ咀田」）、第３７巻（１９６２）
　２３４４−２３４７頁。

また、磁気ガーネットはネオジウム又はプラセオジウム
が量的にそれぞれ化合物（Ｎｄ２Ｙ）ＦｅｓＯ，ｓ及び
（Ｐ　ｒ　＋、ａ　Ｙ＋、ｚ）Ｆ　ｅｓ　０１２中に含
まれる量を越えないだけ含むように作られてきた。この
点に関しては、以下の論文を参照のこと。

ジー・ゴールドリング（Ｇ、Ｇｏｌｄｒｉｎｇ）ら、′
混合イツトリウムーニオジウムー鉄ガーネット中へのニ
オジウムの導入について°ジャーナル・オン・アプライ
ド・フィジフクス（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａ　　ｌ１
ｅｄ旦■射至１−１第３１巻、（１９６０）２０５７−
２０５９頁及び ピーハンセン（１’、Ｈａｎｓｅｎ）ら、ジャーナル・
オン・アプライド・フィジンクスリμ仄促上ユＬ」１■
仰工程す護Ａリー２発表予定。

完工■１豹 本発明はニオジウム及びパラセオジウム、鉄ガーネツト
材料の単結晶のような磁気材料の基体を含むデバイスを
実現する。そのような結晶はたとえば液相エピタキシャ
ル堆積により作ることができる。これらの材料はたとえ
ば光通信システム中の光アイソレータのような磁気的、
特に磁気−光学的デバイスに用いるのに適している。

尖譜汎■脱凱 図に示されているのは、レーザ１、線形偏光器２、偏光
一回転３、線形偏光器４及び光導波路５である。図示さ
れていないのは、光伝搬の方向に平行又は反平行な方向
に磁気基体３を磁気的にバイアスするための永久磁石の
ような磁界源である。

偏光回転基体３の厚さは基体を通過する直線偏光放射の
４５度回転偏光を生じるよう選択される。

偏光器４の偏光方向は、偏光器２の偏光方向に対して同
じ４５度だけ回転し、レーザ１から偏光器２及び偏光回
転基体３を通過して来る放射を自由に通過させるように
する。

すでに述べたように、描かれた装置はレーザ１から放出
され導波路５に入る光を供給する。逆に装置は反対方向
に移動する余分の放射がレーザ１に到達するのを防止す
る働きをする。そのような余分な放射は光フアイバ界面
でのレーザ放射の部分的な反射で生じることがあり、ま
た余分な放射は導波路５に接続された光システム中の他
のどこでも生じる可能性がある。

レーザ光が光フアイバ界面で反射される場合、基体３を
通ってもどる反射光は余分に４５度回転し、これは基体
３中の磁気光学効果の反相方性による。回転された光は
偏光器２の偏光方向に垂直に直線偏光し、従ってレーザ
１に入るのが防止される。この場合、すなわち光フアイ
バ界面から反射されたレーザ光の場合、偏光器４の存在
は木質的でない。

他のどこかで発生した光の場合、偏光器４はそのような
光を直線偏光させる働きをし、基体３は偏光した光の偏
光を偏光器２の偏光方向に垂直にし、やはり光はレーザ
１に入るのが防止される。

本発明に従うと、上で述べたような光学的に分離された
レーザのようなデバイスは、ニオジウム、プラセオジウ
ム又はニオジウム−プラセオジウム鉄ガーネツト材料の
基体を含み、たとえば上で述べたデバイス中で、そのよ
うな材料は基体３の実現のために選択される。より一般
的には、磁気−光学回転の高い値のため、ニオジウム、
プラセオジウム及びニオジウム−プラセオジウム鉄ガー
ネツト材料は、たとえば磁気−光学スイッチ、ディスプ
レイ、メモリ、アイソレータ、変調器及び光偏光器のよ
うなデバイスに有用である。本発明に従うデバイスは偏
光した光放射源を含んでもよく、またデバイスは光偏光
器を含んでもよい。

ニオジウム及びプラセオジウム鉄ガーネット材料は磁気
−光学効果が含まれる用途には特に有用と考えられるが
、他の型の磁気デバイス中でそれらを用いることは除外
されない。特に磁気バブルデバイス中でそれらを用いる
ことは考えられる。

旧、ｌＬ収 本発明のニオジウム及びプラセオジウム鉄ガーネツト材
料は本質的に式Ｎｄ、Ｆｅｓ　Ｏ，□及びＰ　ｒ３Ｆｅ
ｓ　０，２で表わしてもよい。より一般的にニオジウム
及びプラセオジウムは組合せて含まれてもよく、ガーネ
ット結晶構造の鉄（オクタヘドラル及びテトラヘドラル
）位置とともに、稀土類（ドデカヘドラル）中に他の置
き換えをしてもよい。より具体的には、本発明のガーネ
・ノド材料は本質的に弐 ＮｄｘＰｒｙｒ２．−ｘ−ｙＴｚＦｅ、ｚｏｌｚで表わ
してもよい。ここでｘ＋ｙは２より大きくあるいはそう
でなければｙは１．８より大きい。ここで、ＲはＹ％　
Ｃａ、Ｂ　ｉ、、Ｐｂ、Ｌａ、Ｃｅ。

Ｓｍ、、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、ＤｙＸＨｏ、Ｅｒ、Ｌｕ、
Ｔｍ又はｙｂのようないくっがの稀土類置換基の一つを
表わし、ＴはＡＩ　Ｇａ、、Ｇｅ、Ｓｉ、、Ｐｂｓ　Ｐ
ｔｓ又は■のような１ないしいくつかの鉄位置置換基を
表わす。

林葺袈作 本発明のニオジウム、プラセオジウム及びニオジウムプ
ラセオジウム鉄ガーネツト材料は、液相エピタキシャル
堆積により作ることができる。最初たとえばサマリウム
スカンジウム−ガリウムガーネットのような適当な基板
上にヘテロエピタキシーするか、もしバルクシードが得
られるならば、そのようなシード上にヘテロエピタキシ
ーすることによる。エピタキシャル堆積はガーネットを
構成する酸化物とフラックス成分を含む融体から行うと
便利である。後者の選択は厳密でなくてよい。

適当なフラックス成分の中には鉛酸化物とホウ素酸化物
、鉛酸化物とバナジウム酸化物、バリウム酸化物、ビス
マス酸化物、水酸化す］・リウム、及び水酸化カリウム
がある。

オルトフェライトの均一核生成を最小にするという点で
、ガーネットの不均質な成長を進めるよう、過冷却は制
限される。また、成長するガーネット材料の熱力学的安
定性の点から、成長温度は稀土類ガーふソト成長の習慣
的な実施法に比べ、相対的に低く保たれる。より具体的
には、好ましい成長温度は１０５０℃より低いが等しく
、９５０”ｃより低いか等しいことが好ましい。これは
１１００’Ｃを越える温度での通常の成長条件と対照的
である。

Ｐｂ０ＢｚＯ：＋を用いる時、７５０　”ｃより高いか
等しい成長温度が好ましい。また、この場合好ましい温
度における成長により、鉛のある程度の量がオクタヘド
ラル位置、及び恐らくオクタヘドラル位置における白金
とともに、ドデカヘドラル中に含まれることが理解され
よう。そのように含まれることは光吸収を上げ、磁気ガ
ーネット材料のキュリー温度を下る傾向があるが、しか
しこれらの効果は許容しうると考えられる。

堆積は成長中の結晶と両立する格子定数をもつ基板上に
行われる。たとえば、格子定数は１．２５６ないし１．
２６３ナノメータの範囲で、ニオジウム鉄ガーネットの
成長の場合好ましくは１．２５８６ないし１．２６０６
ナノメータの範囲である。同様に、プラセオジウム鉄ガ
ーネットの成長の場合、好ましい基板格子定数は、１．
２６１ないし１．２６８ナノメータの範囲で、好ましく
は１．２６３６ないし１．２６５６ナノメータである。

（不整合が大きすぎると、成長層中に過度の歪が生じ、
所望の結晶材料がともに成長するのが防げられる可能性
がある。歪の高い結晶層は堆積温度から冷却するときク
ランクを生じる可能性がある。） 以下の例はニオジウム及びプラセオジウム鉄ガーネツト
材料の製作について示し、それらの結晶学的、磁気的及
び磁気−光学特性に関するデータを提供する。特に注意
すべきと考えられることは磁気−光学回転の測定された
値で、これは標準的な磁気ガーネット材料、イツトリウ
ム鉄ガーネット（Ｙ　Ｉ　Ｇ）　、Ｙ３Ｆｅｓ　Ｏｔｚ
中のより弱い対応する効果と特に比較される。

気土附にニオジウム鉄ガーネット） 基板はチョクラルスキ技術により成長してあったサマリ
ウムスカンジウム−ガリウムガーネット、３　ｍ３（Ｓ
　ＣＨｌｌｌＧ　ａ　３．２）　０１２の基体から切ら
れた。

基体はＸ線回折により決められた約１．２６１７ナノメ
ータの格子定数ａ。を有した。

融体は標準的なＰｂ０ＢｚＯ３フラックス及びガーネッ
ト成分から作られ、特定の酸化物がほぼ以下の世で用い
られた。０．６４７重世パーセント（０，３９６モルバ
ーセン日ニオジウム酸化物、Ｎｄ２０３．１２．２８９
重世パーセント（１５，８４０モルパーセント）鉄酸化
物、Ｆ　ｅｚ　Ｏｚ　、１．７０６重世パーセント（５
，０４３モルパーセント）三酸化ホウ素、Ｂ２Ｏ３及び
８５．３５８重量パーセント（７８，７２１モルパーセ
ント）鉛酸化物ＰｂＯ０融体温度を約８９０℃（約１０
℃の過冷却に対）に保ったまま基板を融体中に浸し、約
０．５ミリメートルの厚さを有するニオジウム鉄ガーネ
ットの薄膜を約４８時間で基板上に堆積させた。薄膜一
基板格子不整により生じる歪のため、堆積した層にはク
ラックが入り、融体から引出された時破損した。破損し
た破片は更に堆積するためのシードとして用いられ、試
料は約２×２ミリメートルのホモエピタキシーで成長さ
せた。

試料の格子定数３０は約１．２５９６ナノメータで、磁
気特性は以下のように決定した。振動試料磁力計を、約
２９４℃のキュリー温度Ｔｃと約１６５．５１ＯＡ／ｍ
　　（２０８０エルステツド）の室温磁化４πＭｓを測
定するために用いた。ｉＫ、／氾（ここでＭｓは室温の
磁化に関して定義され、Ｋ。

は立方体異方性である）及び磁気回転比Ｔが、多くの方
向でとられたフェロ磁気共鳴スペクトルにより、小球上
で約２５℃の〆温度で測定した。そのような測定から、
Ｋ１は約−１８００００ｅｒｇ／ｃｕｔに等しいと決め
られ、Ｔは約３．３５メガヘルツ／７９．６Ａｍ−’　
（３，３５メガヘルツ／エルステント）に等しいことが
わかった。磁気−光学回転は分光器で生じるような０．
５ないし２．５ミクロンの範囲の波長をもつ光を用いて
、室温で測定した。回転偏光器法を用い約１５９．２０
ＯＡ／ｍ（２０００エルステツド）の磁界を試料を飽和
させるために印加した。約１．０６４．１，３及び１．
５５ミクロンの代表的な波長の場合、測定された回転は
約−１１３０、−６９０及び−４２０度／　ｃａｎであ
った。そのような磁気−光学回転の値は、約＋２８０、
＋２０６及び＋１６０度／　ｃｍのイツトリウム−鉄ガ
ー：？、７トの各値と対照的である。

最後に吸収測定により、材料は約１ミクロンより長い波
長で高い透明性であることが示された。

第１±（プラセオジウム鉄ガーネット）基板はチョクラ
ルスキ技術により成長してあったサマリウムスカンジウ
ムーガリウムガーネ、、ト、Ｓ　ｍ：＋（Ｓ　Ｃｚ　Ｇ
　ａ　３）　Ｏ＋ｚの基体から切られた。基板はＸ線回
折により決められた約１．２６４０ナノメータの格子定
数ａ０を有した。

融液は標準的なＰｂＯ−８２０３フラツクス及びガーネ
ット成分から作られた。具体的な酸化物はほぼ以下の量
で用いた。０．６５５重世パーセント（０，３９６モル
パーセント）プラセオジウム酸化物Ｐ　ｒ　、Ｏ，、、
１２，２９８重世パーセント（１５，８５２モルパーセ
ント）の鉄酸化物Ｆ　ｅ２ｏ、　、１．７０５重量パー
セント（５，０４２モルパーセント）の三酸化ホウ素Ｂ
２Ｏ３及び８５．３４２重量パーセント（７８，７１０
モルパーセント）の鉛酸化’１ｈＰｂＯ０ 融体温度を約８６５℃（約１０℃の過冷却に対応）に保
ったまま、基板を融体中に浸し、約０．５ミリメートル
の厚さを有するプラセオジウム鉄ガーネットの薄膜を、
約４８時間で基板上に堆積させた。堆積した層にはクラ
ンクが発生し、融体から引出した時破損した。破損した
破片は更に堆積させるため基板として用いられ、試料は
約６×５×２ミリメートルのホモエピクキシーに成長し
た。

試料の格子定数ａ０は約１．２６４６ナノメータで、磁
気特性は上の第１例で述べたのと同じ方法で決めた。以
下の値が得られた。約２９６℃のキュリー温度Ｔｃ、約
１６４．３７４　Ａ／ｍ　　（２０６５エルステンド）
の室温磁化４πＭｓ、約４ｏｏｏ。

ｅｒＢ／ｃｓＡの立方体異方性に１、約３．２７メガヘ
ルツ／　７９．６　Ａｍ”’　（３，２７メガヘルツ／
エルステツド）の磁気回転比Ｔ、約１．０６４．１，３
、及び１．５５ミクロンの各波長に対し磁気−光学回転
は約−１７８９、−１０６０及び−７９９度／　Ｃ１ｎ
であった。

吸収測定は材料は約１．５及び１．８７５ミクロンの波
長で吸収ピークを有し、約２．４ミクロンを越える波長
では高い透明度であることを示した。

【図面の簡単な説明】

図面は光アイソレータを含むレーザ光源デノ＼イスを概
略的に示す図である。 〔主要部分の符号の説明〕 磁気材料の基体・・・３　　　　偏光器・・・２．４出
　願　人　：　アメリカン　テレフォン　アンドテレグ
ラフ　カムバニー

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、磁気材料の基体を含むデバイスにおいて、前記基体
   は式 Ｎｄ＿ｘＰｒ＿ｙＲ＿３＿−＿ｘ＿−＿ｙＴ＿ｚＦｅ＿
   ５＿−＿ｚ２Ｏ＿１＿２で表わされるガーネット材料か
   ら本質的に成り、ｘ＋ｙは２より大きな値を有するか、
   ｙは１．８より大きな値を有し、Ｒは少くとも１つの稀
   土類結晶学的位置の置換元素を表わし、Ｔは少くとも１
   つの鉄結晶学的位置の置換元素を表わし、ｚはゼロより
   大きいか等しいことを特徴とする磁気材料の基体を含む
   デバイス。 ２、特許請求の範囲第１項に記載されたデバイスにおい
   て、 ｘ＋ｙの値は本質的に３に等しいことを特徴とする磁気
   材料の基体を含むデバイス。 ３、特許請求の範囲第１項に記載されたデバイスにおい
   て、 ＲはＹ、Ｃａ、Ｂｉ、Ｐｂ、Ｌａ、Ｃｅ、 Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｌｕ、Ｔ
   ｍ及びＹｂから選択されることを特徴とする磁気材料の
   基体を含むデバイス。 ４、特許請求の範囲第１項に記載されたデバイスにおい
   て、 ＴはＡｌ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｐｂ、Ｐｔ、及びＶから
   成るグループから選択されることを特徴とする磁気材料
   の基体を含むデバイス。 ５、特許請求の範囲第１項に記載されたデバイスにおい
   て、 前記デバイスは磁気−光学材料の基体として前記基体を
   含むことを特徴とする磁気材料の基体を含むデバイス。 ６、特許請求の範囲第５項に記載されたデバイスにおい
   て、 前記デバイスは少くとも１つの偏光器を含むことを特徴
   とする磁気材料の基体を含むデバイス。 ７、基板の表面をガーネット材料の成分を含み、更に少
   くとも１つのフラックス成分を含む融体に接触させるこ
   とを含む、磁気材料の基体を含むデバイスを製作する方
   法において、 前記ガーネット材料の成分を含む融体の温度は１０５０
   ℃より低いか等しいことを特徴とする方法。 ８、特許請求の範囲第７項に記載された方法において、 前記基板は本質的にサマリウムスカンジウム−ガリウム
   ガーネットから成るかあるいは前記基板の材料はニオジ
   ウム鉄ガーネット、プラセオジウム鉄ガーネット及びニ
   オジウム−プラセオジウム鉄ガーネットから選択される
   ことを特徴とする方法。 ９、特許請求の範囲第７項に記載された方法において、 前記融体はフラックス成分鉛酸化物及びホウ素酸化物を
   含むことを特徴とする方法。 １０、特許請求の範囲第９項に記載された方法において
   、 前記融体の温度は７５０℃より高いか等しいことを特徴
   とする方法。