KR970000907B1 - 자기광학소자 및 자계측정장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

자기광학소자 및 자계측정장치

제1도는 본 발명에 의한 자기광학소자의 감도정수의 온도변화를 표시한 도면.

제2도는 본 발명에 의한 자기광학소자 가운데에서 감도정수의 온도변화가 가장 작은 자기광학소자의 온도 특성을 표시한 도면.

제3도는 본 발명에 의한 자기광학소자의 규격화한 투과 스펙트럼을 표시한 도면.

제4도는 본 발명에 의한 자기광학소자를 사용한 자계측정장치의 실시예의 개략도.

제5도는 Bi 치환 희토류철가아닛(garnet)결정의 패러데이효과를 설명하는 도면.

제6도는 종래의 (BiGdY) IG 결정의 감도정수의 온도변화를 표시한 도면.

제7도는 종래의 (BiGdY) IG 결정의 가운데에서 감도정수의 온도변화가 가장 작은 Bi 치환 희토류철가아닛결정의 온도특성을 표시한 도면.

제8도는 종래의 (BiGdY) IG 결정의 감도정수의 온도변화(-50℃∼+100℃)를 Gd 치환량에 대해서 표시한 도면.

제9도는 종래의 (BiGdY) IG 결정의 감도정수의 온도변화(-20℃∼+80℃)를 Gd 치환량에 대해서 표시한 도면.

제10도는 패러데이효과를 사용한 자계의 측정원리를 표시한 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 자기광학소자 2 : 편광자

3 : 검광자 4 : 렌즈

5 : 광섬유 6 : 광원

7 : 광검출기 8 : 신호처리부

본 발명은, 패러데이효과를 가진 자기광학소자와 그것을 사용해서 자계를 검출하고, 그 자계강도를 측정하는 자계측정장치에 관한 것이다.

최근, 자계강도를 광을 사용해서 측정하는 방법으로서, 패러데이효과를 가진 자기광학소자와 광섬유를 짜맞춘 자계측정장치가 제안되어 있다(K. KYUM A et al., IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE-18 No. 10, 1619(1982)).

이 자계측정장치와 같이 전류가 흐르고 있는 도체의 둘레의 자계강도를 측정해서 전류를 검지하는 방법은, 광을 매체로 하기 때문에 절연성이 양호하며, 전자유도 노이즈를 받지 않는 등의 특징을 가지며, 송배전 설비에의 적용이 고안되어 있다.

제10도에 패러데이효과를 사용한 자계의 측정문제의 원리도를 표시한다. 제10도에 있어서 자계 H중에 자기광학소자(1)이 배치되어 있다. 이 자기광학소자(1)에 편광자(2)에 의해서 직선평광하게 된 광을 통과시킨다. 패러데이효과에 의해 평광면은 자계강도 H에 비례해서 회전을 받는다. 회전을 받은 직선편광은 편광자(2)와 투과편광방향을 45°로 다르게 한 검광자(3)을 통과하고, 회전각 θ의 크기가 광량변화로 변환된다. 그때의 광출력은 다음식(수학식 (1))으로 주어진다.

여기서, Pout는 광출력, K는 비례정수, θ는 패러데이회전각(도), L은 결정길이(cm), C는 감도정수이고 단위는(도/cm·Oe)이며, 자기광학소자의 감도를 표시한 것이다.

이와 같은 원리를 응용한 자계측정장치를 사용한 것으로서, 송배전선로에 있어서의 복수점에 자계측정기를 배치해서, 각 측정기로부터의 전기출력을 연산기에 입력하고, 그 파형의 합 또는 차이를 취해서 참조신호로 하고, 예를들면 송배전선로에 있어서의 0상전류를 검출해서 사고의 판정을 행하는 것이 제인되어 있다.

상기와 같은 자계측정장치에 사용되고 있는 자기광학소자로서, 일반식(화학식 (2))으로 표시되며, X의 값이 0.1X1.4, Y의 값이 0.1Y0.7인 희토류철가아닛결정이 일본국 특개평 1-312483에 개시되어 있다. Y를 Bi 치환하므로서 패러데이회전각을 크게해서 감도를 올리고, Gd 치환으로 온도특성을 개선하여, 제9도에 표시한 바와 같이 -20℃에서부터 +80℃의 온도범위에서 감도정수 C의 온도변화가 ±2.5% 이내로 되어 있다.

그러나, 이 자기광학소자를 사용해서 자계측정장치를 구성하였을 경우에는, 측정장치의 온도특성이나 감도, 정밀도에 실용상 문제가 있다. 또, 종래의 Bi 치환 희토류철가아닛결정에서는 0.8㎛대의 파장광원을 사용하면, 결정의 광흡수손실에 의해서 자계측정장치에 있어서의 출력광량이 작아지며, SN비가 저하하여 측정정밀도가 나빠진다고 하는 문제점이 있었다.

따라서, 지금까지의 Bi 치환 희토류철가아닛결정 보다도 광흡수손실이 작은 것을 제공하면, 종래보다도 SN비가 높게 되어 측정정밀도가 좋아진다. 또 0.8㎛대의 단파장 광원의 사용에 의해서, 1.3㎛의 장파장 광원보다도 패러데이회전각이 크게 되므로 결정의 감도정수가 높게 된다. 감도정수가 높게 되면, 필요한 소자의 두께를 보다 얇게 할 수 있으므로, 액상 에피택셜 성장법(이하 LPE법이라 칭함)이나 기상성장법을 사용한 결정성장의 경우에 성장시간이 단축된다.

본 발명은, 실온부근에서의 온도변화가 실용상 문제가 되지 않고, 또 감도정수가 크며, 0.8㎛대에서의 광흡수손실이 작은 Bi 치환 희토류철가아닛결정을 실현하고, 이 결정을 자기광학소자로서 사용한 자계측정장치를 제공하고 것을 목적으로 하고 있다.

본 발명은, 상기 목적을 달성하기 위하여, 일반식(화학식(1))에 있어서 X의 값을0.8X1.3 또한 Y의 값을 0.1Y0.3, 또한 Z의 값을 0.1Z1.0, 또한 W의 값을 0.3W0.8로 한 Bi 치환 희토류철가아닛결정을 자기광학소자로서 제공하는 것이며, 바라건대, 본 자기광학소자를 사용한 자기광학변환부에서 자계강도의 변화를 검지하는 자계측정장치를 구성하는 것이다.

또, 이와 같은 구성에 의해서 실온부근의 온도변화가 적고, 또 감도정수가 크고, 0.8㎛대에서의 광흡수손실이 작은 자기광학소자를 제공하는 것이며, 그 작용을 이하에 설명한다.

Bi로 치환된 희토류철가아닛결정의 패러데이회전각은, 종래의 Bi를 함유하지 않는 것에 비교해서 1행 정도 크게 된다.

따라서, 자계측정장치용의 자기광학소자로서, 될 수 있는한 많이 Y를 Bi로 치환한 희토류철가아닛결정을 사용하므로서 자기광학소자의 감도가 크게 된다. 또, Y를 Gd로 치환하므로서 Bi로 치환된데 따른 온도보상을 행하여 그 온도특성을 개선한다. 또, 0.8㎛대에서의 결정의 광흡수손실을 작게 하고, 결정의 감도정수의 실온부근에서의 온도변화를 보다 작게 하기 위하여, Fe를 Ga로 치환한다. 그리고, 기판에 대한 격자정합성을 높이고, 성장시키는 단결정막의 결정성을 양호하게 하기 위하여 Y를 적어도 1개의 희토류 원소로 치환하여, 높은 온도특성을 가지도록 각 원소의 조성을 조절한다.

이하 본 발명의 실시예에 대해서 도면을 참조하면서 설명한다.

(실시예 1)

Bi₂O₃-PbO-B₂O₃계 용제를 사용해서 Ca-Mg-Zr 치환형 Gd₃Ga₅O₁₂기판상에 일반식(화학식 (1))으로 표시되는 Bi 치환 희토류철가아닛결정을 LPE법으로 결정성장하였다. 제1표에 실시예를 표시한다. 수치는 각 원소에 대한 조성비를 나타낸다. 얻게된 시료에 대해서, 종래의 -20에서부터 +80℃의 온도범위보다도 넓은 -50℃에서부터 +100℃의 온도범위에서 결정의 감도정수의 온도변화를 측정하였다. 그 결과를 온도특성으로서 표시하고 있다. 제1표중의 온도특성에 #표시를 부여한 시료는, 본 발명의 범위외의 것이다.

본 실시예는, 특히 0.85㎛ 광원을 사용하였을때의 Bi 치한 희토류철가아닛결정의 감도정수의 온도변화를 작게 하는 것을 목적으로 해서, Fe를 Ga로 치환하고, 그것에 대응해서 Y에 대한 Bi와 Gd의 치환량을 조절하였다. 또, 성장시킨 단결정막의 기판에 대한 격자정합성을 양호하게 하기 위하여, 희토류 원소 가운데에서 가장 이온반경이 Bi에 가까운 La를 Y로 치환하고, 결정성이 양호한 자계측정장치용의 자기광학소자를 실현하였다. 또한, 본 실시예에서는, 격자정합성을 취하기 위하여 치환하는 원소로서 La를 사용한 예에 대해서 기술하였으나, 일반식(화학식 (1))의 R 원소에 1종류 이상의 희토류 원소를 사용하는 것도 가능하였다. 그 경우, Bi 치환 희토류철가아닛결정의 포화자화에 대해서 영향이 없는 비자성 원소인 것이 보다 양호한 결과를 부여하였다. 또, 가아닛결정기판에 격자정수가 다른 Ca-Mg-Zr치환형 Gd₃Ga₅O₁₂결정기판 이외의 것을 사용하였을 경우도 격자정합성을 취하기 위하여 일반식(화학식 (1))의 R 원소에 1종류 이상의 희토류 원소를 치환해서 온도특성이 양호한 Bi치환 희토류철가아닛결정을 성장할 수 있었다.

상기 제1표에서 *표시 붙인 시료에 대해서는 0.85㎛ 광원을 사용하였을때의 온도변화의 측정데이터를 제1도에 표시하고 있다. 제1도는, 실온의 감도정수로 규격화한 것을 표시하고 있다.

본 발명의 자기광학소자는, 일반식(화학식 (1))으로 표시되나, 결정조성이, X의 값이 0.8X1.3, 또한 Y의 값이 0.1Y0.3, 또한 Z의 값이 0.1Z1.0, 또한 W의 값이 0.3W0.8의 범위에서는, -50℃에서부터 +100℃의 온도범위에서 결정의 감도정수의 온도변화는 ±4.0% 이내에 머물고 있다. 비교예로서, 종래의 일반식(화학식 (2))으로 표시되고, X의 값이 0.1X1.4, Y의 값이 0.1Y0.7인 Bi 치환 희토류철가아닛결정의 0.85㎛ 광원을 사용하였을때의 감도정수의 온도변화를 제6도에 표시한다. 제6도의 측정결과를 기초로, Gd 치환량에 대해서 감도정수의 온도변화를 표시하였던 것이 제8도이다. 제8도에서 알 수 있는 바와 같이 -50℃에서부터 +100℃의 온도범위에서는, 결정의 감도정수의 온도변화는 ±7.0% 이내로 되어 있으며, 본 발명의 자기광학소자는, 종래예의 온도범위에 비해서 실용에 견딜 수 있는 온도범위가 50℃만큼 넓어지고, 또 온도변화가 보다 플랫하게 개선되어 있는 것을 알 수 있다.

또, 제1표중의 (Bi_1.3Gd_0.1La_0.1Y_1.5)(Fe_4.4Ga_0.5)O₁₂의 시료 No. 9에 있어서는, 제2도에 표시한 바와 같이 ±0.4% 이내라고 하는 종래에 없는 대단히 양호한 온도특성을 표시하고 있어, 비교예의 제7도와 비교하면 -50℃에서부터 +100℃의 온도범위에서, ±1.0% 이내에서 ±0.4% 이내로 크게 온도특성이 개선되어, 온도에 대해서 감도정수는 거의 변화하지 않는다. 또한, 이 온도특성의 개선은, 0.85㎛ 광원 뿐만 아니라, 가아닛결정을 투과하는 다른 파장에 대해서도 확인되었다. 또, 이상은 Ca-Mg-Zr 치환형 Gd₃Ga₅O₁₂기판상에 성장시킨 것이나, Nd₃Ga₅O₁₂기판상에도 성장조건을 바꾸어서 성장하여, 마찬가지의 결과를 얻을 수 있었다.

이와 같은 양호한 결과를 얻기 위한 기본적인 이론은, 다음과 같은 것이다. 희토류철가아닛결정은 강자성체이며, 패러데이효과는 제5도와 같이 어느 일정한 자계에서 포화한다. 자계측정에는, 외부자계에 대해서 직선적으로 변화하는 부분을 사용한다. 이 경우, 외부자계에 대한 회전각 θ는, 다음식(수학식 (3))으로 나타낼 수 있다.

여기서, θF는 패러데이회전능력, Ms는 포화자화, L은 결정길이를 나타낸다. 따라서, 감도정수 C 및그 온도의존성은, 다음식(수학식 (4))으로 정의할 수 있다.

위의 식에서도 알 수 있는 바와 같이, 감도정수의 온도변화는, θ_F와 Ms의 쌍방의 온도변화에 의해서 결정된다.

종래의 Fe를 Ga로 치환하지 않는 희토류철가아닛결정(Bi_XGd_YY_3-X-Y)Fe₅P₁₂보다도, Ga로 치환하고, Ga치환량에 대응해서 Bi나 Gd의 치환량을 조정한 본 발명의 희토류철가아닛결정쪽이 실온부근에서의 Ms(T)의 온도변화율과 θ_F(T)의 온도변화율이 일치하고 있으므로, 결정의 감도정수의 온도변화가 보다 정수에 접근하여, 온도특성의 개선을 실현하였다.

다음에, 제2표에 종래예와 합해서 희토류철가아닛결정의 흡수계수와 감도정수의 측정결과를 표시한다. 여기서, K는 흡수계수이다.

측정결과에서, Ga 치환에 의해서 특히 0.85㎛대에 있어서의 흡수계수가 작아지고 있는 것을 알 수 있고, 또 Fe가 비자성 이온으로 치환되므로서 포화자화 Ms도 작아지므로, 수학식 (4)로부터 결정의 감도정수는 크게 되는 것을 알 수 있다.

종래의 Fe를 Ga로 치환하지 않는 화학식 (2)로 표시되는 희토류철가아닛결정에서는, 자기광학소자로서 사용하기 위해서는 100㎛ 정도의 후막이 필요하였으나, 결정의 감도정수도 크게 할 수 있었으므로 막두께를 약 절반으로 할 수 있고, 성장시간도 단축하여 결정의 양산성도 크게 개선되었다.

또, 막 두께를 얇게 할 수 있었으므로, 자기광학소자로서 광흡수손실도 작게 되었다. 종래의 Fe를 Ga로 치환하지 않는 화학식 (2)으로 표시되는 Bi 치환 희토류철가아닛결정을 사용한 자계측정장치에서는, 0.8㎛대의 파장광원을 사용하면 출력광량이 작고 측정밀도가 나빴으나, 본 발명의 자기광학소자를 사용한 자계측정장치에서는 SN비가 크게 되어 측정정밀도도 개선되었다. 또, 1.3㎛대의 장파장쪽에 비해서 저가격인 0.8㎛대의 단파장용의 발광소자 및 수광소자를 사용할 수 있고, 자계측정장치로서 저가격화도 실현할 수 있었다.

(실시예 2)

다음에, 제4도에 본 발명에 의한 자기광학소자를 사용한 자계측정장치의 일실시예를 표시한다. 자기광학소자(1)은, 제1표중의 시료 No.9의(BiGdLaY)(FeGa)O이며, 막두께 43.9㎛의 것을 사용하였다. (2)는 자기광학소자(1)의 끝면에 설치한 편광자이며, (3)은 자기광학소자의 또 한쪽의 끝면에, 편광자(2)에 대해서 투과편광방향이 45°경사지게 설치한 검광자이다. 편광자(2), 검광자(3)으로서는, 소형화를 도모하기 위하여 유리제의 편광판을 사용하였다. 자기광학소자(1), 편광자(2), 검광자(3)으로 구성되는 자기광학변환부는, 측정자계(H)중 또는 측정자계를 강하게 하기 위하여 설치한 주회(周回)적분코어의 캡속에 배치된다. 특히 유리제 편광판을 편광자(2)와 검광자(3)에 사용한 자기광학변환부(4)는, 변환부 자체를 소형화 할 수 있으므로 주회적분코어의 갭을 좁게 할 수 있어, 자계측정장치의 감도를 올릴 수 있었다. (4)는 렌즈이며, 자기광학변환부에 입사하는 광 또는 자기광학변환부를 투과한 광을 평행광원으로 하기 위한 것이다. (5)는, 광전송로를 형성하는 광섬유이다. (6)은 광신호발생수단이며, 0.8㎛대 또는 1.3㎛대의 LED 또는 LD를 사용하였다.

여기서, (BiGdLaY)(FeGa)O의 시료 No.9의 광투과 스펙트럼을 제3도에 표시한다. 본 발명의 Bi치환 희토류철가아닛결정을 이와 같이 자계측정장치로서 사용할 경우, SN비를 높게 하기 위해서는 35.0% 이상의 투과율이 필요하다. 중심파장이 0.8㎛대의 광원을 사용하였을 경우, 1.3㎛대의 광원을 사용하는 것보다도 패러데이회전각 θ가 약 4배나 크게 되므로, 제3도중의 특히 사선부분으로 표시한 범위의 0.78㎛에서부터 0.9㎛로 중심파장을 가지는 광원이, 자계측정장치로서 필요하다는 것을 알았다. 그래서, 이번에는 특히 λ=0.85㎛의 피이크파장을 가지는 LED를 사용하였다. (7)은 소자(1)을 투과한 후의 광을 검지하여 전기신호로 변환하는 검지수단이며, Ge-PD, Si PIN-PD 등을 사용하였으나, 이번에는 0.85㎛의 LED를 사용하였으므로, Si PIN-PD를 사용하였다. (8)은 신호처리부이다. 이와 같은 구성에 있어서, 자계강도를 측정하였던바, 700Oe 이하의 자계를 주위온도 -50℃에서부터 +100℃의 온도범위에서, 측정감도의 변화가 종래에 없는 ±0.5% 이하의 높은 정밀도로 측정할 수 있었다. 또한, 본 실시예에서는 편광자(2) 및 검광자(3)을 유리제 편광판으로 하였으나, 글랜톰슨프리즘이나 편광비임스플리터를 사용하는 것도 가능하다.

이상 설명해온 것으로부터 명백한 바와 같이, 본 발명의 자기광학소자와 그것을 사용한 자계측정장치에 의하면, 종래에 없는 넓은 온도범위에 걸쳐서 실온부근의 온도변화에 완전히 영향받지 않고, 자계강도를 감도좋게 또한 고정밀도로 측정하는 것이 가능하게 되고, 또, 저가격화도 실현되어, 그 공업적가치는 지대한 것이다.

Claims (5)

1. 일반식(화학식 (1))으로 표시되는 Bi 치환 희토류철가아닛결정에 있어서 X의 값을 0.8X1.3, 또한 Y의 값을 0.1Y0.3, 또한 Z의 값을 0.1Z1.0, 또한 W의 값을 0.3W0.8로 한 것을 특징으로 하는 자기광학소자(여기서, R은 희토류 원소에서 선택되는 적어도 1종류의 원소임).
2. 제1항에 있어서, Bi 치환 희토류철가아닛결정을 가아닛결정기판위에 에피택셜 성장시켜서 형성하는 것을 특징으로 하는 자기광학소자.
3. 제2항에 있어서, 가아닛결정기판이 Ca-Mg-Zr 치환형 Gd₃Ga₅O₁₂기판 또는 Nd₃Ga₅O₁₂기판인 것을 특징으로 하는 자기광학소자.
4. 투과편광방향을 서로 다르게 한 평광자와 검광자와의 사이에 일반식이 상기 화학식 (1)로 표시되는 특허청구범위 제1항 기재의 Bi 치환 희토류철가아닛결정으로 이루어진 자기광학소자를 배치한 자기광학변환부와, 상기 변환부의 양단부에 형성된 광전송로와, 상기 광전송로에 광을 입사하는 광발생수단과, 상기 입사광이 상기 자기광학변환부를 투과한 후의 광출력을 검지하고, 전기신호로 변환하는 검지수단과, 상기 검지수단으로부터의 전기신호를 처리하는 전기회로를 구비하고, 상기 자기광학변환부를 자계중에 배치하므로서, 자계강도를 검출하는 것을 특징으로 하는 자계측정장치.
5. 제4항에 있어서, 파장 0.78㎛에서부터 0.9㎛의 사이에 발광피이크파장을 가지는 광발생수단을 사용하는 것을 특징으로 하는 자계측정장치.