JP2000264789A - 磁性ガーネット材料およびそれを用いたファラデー回転子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】素子厚さを薄くしても、十分なファラデー回転
能が得られ、飽和に要する磁界が２００（Ｏｅ）以下で
あり、磁気補償温度を０°Ｃ以下にできる磁性ガーネッ
ト材料及び、素子厚さが薄く、且つ低コストで高歩留ま
りのファラデー回転子を提供することを目的とする。 【解決手段】一般式 Ｂｉ_ｘＹｂ_ｙＧｄ_ｚＭ１
_{３−ｘ−ｙ−ｚ}Ｆｅ_ｗＭ２_ｕＭ３ _{５−ｗ−ｕ}Ｏ_１２で表
される磁性ガーネット材料及びこれを用いたファラデー
回転子によって達成される。但し、Ｍ１はＢｉ、Ｙｂ又
はＧｄを置換し得る一種以上の元素、Ｍ２はＦｅを置換
し得る一種以上の非磁性元素、Ｍ３はＦｅおよびＭ２を
置換し得る一種以上の元素である。またｘ、ｙ、ｚ、
ｗ、ｕは各々、１．０≦ｘ≦１．６、０．３≦ｙ≦０．
７、０．９≦ｚ≦１．６、４．０≦ｗ≦４．３、０．７
≦ｕ≦１．０を満足する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、磁性ガーネット材
料およびそれを用いた磁気光学効果を利用するファラデ
ー回転子に関する。なお、本発明のファラデー回転子
は、例えば光アイソレータ、光アッテネータに用いられ
る。

【０００２】

【従来の技術】半導体レーザを用いた光通信や光応用機
器には、光アイソレータ、光サーキュレータあるいは光
アッテネータが広く使われている。これらのデバイスに
必須な素子の一つにファラデー回転子が挙げられる。フ
ァラデー回転子にはＹＩＧ（イットリウム鉄ガーネッ
ト）単結晶、ビスマス（Ｂｉ）置換希土類鉄ガーネット
単結晶が知られているが、現在では、液相エピタキシャ
ル法（以下、ＬＰＥ法という）により形成されたビスマ
ス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜を用いたファラデー
回転子が主流になっている。

【０００３】例えば、特開昭６３−６９７１８号公報に
は、一般式（Ｂｉ_ｘＲｅ_ｙＧｄ_{５− ｘ−ｙ}）Ｆｅ_５Ｏ
_１２、ＲｅはＬｕ又はＹｂ又はＬｕとＹｂの両方であ
り、０．５≦ｘ≦１．３、０．１≦ｙ≦０．７であるビ
スマス置換型希土類鉄ガーネットが開示されている。ま
た特開平９−３３８７０号公報には、一般式Ｇｄ_３−ｘ
Ｂｉ_ｘＦｅ_{５−ｙ−ｚ}Ｇａ_ｙＡｌ_ｚＯ_１２（但し、０．
９０≦ｘ≦１．０５、０．５０≦ｙ＋ｚ≦０．６５、
０．２０≦ｙ／ｚ≦０．２７）であるビスマス置換型希
土類鉄ガーネットが開示されている。また最近、光アイ
ソレータ等のデバイスの小型化や、あるいは特開平９−
２３６７８４号公報に開示されているような磁気光学素
子を用いた光アッテネータに注目が集まり、そのため低
い磁界で飽和するファラデー回転子の必要性が高まって
いる。低磁界で飽和するファラデー回転子は、Ｆｅ元素
をＧａ、Ａｌ等非磁性元素で置換することにより容易に
得られ、実際いくつか提案されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、Ｆｅ元
素を非磁性元素で置換するとファラデー回転能が低下し
てしまい、素子厚を厚くしなければならないという欠点
を有している。飽和に要する磁界が２００（Ｏｅ）以下
になるファラデー回転子の素子厚は、波長１５５０ｎｍ
の光アイソレータ用ファラデー回転子の場合約５００μ
ｍ、波長１５５０ｎｍの光アッテネータ用の場合には１
０００〜１２００μｍの厚さが必要となる。またさら
に、非磁性元素の量を増やすと磁気補償温度が０°Ｃよ
り高くなってしまいファラデー回転子の使用温度範囲が
制限されてしまうという問題が発生する。

【０００５】ＬＰＥ法により磁性ガーネット単結晶膜を
形成する場合、Ｃａ、Ｚｒ、Ｍｇを添加したガドリニウ
ム・ガリウム・ガーネット（以下、ＧＧＧという）単結
晶のような基板材と磁性ガーネット単結晶膜の熱膨張係
数が２０％程度異なるため、膜成長時にワレが発生しや
すくなる。特に５００μｍ以上になるとその傾向が顕著
になり、様々な方法で回避する努力がなされているが、
素子の厚さを薄くすることは最も有効な方法の一つであ
る。

【０００６】ＬＰＥ法は過飽和状態の液相から基板上に
固相をエピタキシャル成長するように析出させるため、
エピタキシャル膜以外にも固相が析出する可能性は常に
含まれている。そのような固相が析出した場合、エピタ
キシャル膜表面への欠陥の発生、あるいは成長速度の著
しい減少という問題を引き起こす。膜厚が５００μｍを
越えると過飽和状態に曝される時間が数十時間にも及ぶ
ためこの問題を引き起こし易くなる。

【０００７】さらに、形成した磁性ガーネット単結晶膜
からファラデー回転子を得る場合、基板除去や表面の研
磨を施すため素子厚より約１００μｍ以上厚い膜が必要
である。そのためますます上記問題は顕著になってく
る。

【０００８】このように素子の厚さが厚くなると、デバ
イスの小型化の弊害になる他、単結晶膜形成時のワレ、
表面欠陥の発生、成長速度の著しい減少のため、歩留ま
り低下、コスト上昇や生産性の低下を引き起こす。また
一つの回転子を作るために複数個の材料を必要とする事
態も発生し、さらにコスト上昇を引き起こす。例えば光
アッテネータ用回転子の場合、波長１５５０ｎｍで素子
厚は約１〜１．２ｍｍであり、そのため磁性ガーネット
単結晶膜は１．１〜１．３ｍｍの厚さが必要である。素
材としては３個を重ね合わせて使用しなければならず、
コストの上昇や取り扱いの煩雑さが問題になってくる。

【０００９】本発明の目的は、素子厚さを薄くしても十
分なファラデー回転能が得られ、飽和に要する磁界が２
００（Ｏｅ）以下であり、磁気補償温度を０°Ｃ以下に
できる磁性ガーネット材料を提供することにある。また
本発明の目的は、厚膜形成時においても表面欠陥の発
生、成長速度の減少を起こしにくい磁性ガーネット材料
を提供することにある。さらに本発明の目的は、素子厚
さを薄くでき、且つ製造コストを抑え、高い製造歩留ま
りを実現できるファラデー回転子を提供することにあ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的は、一般式 Ｂ
ｉ_ｘＹｂ_ｙＧｄ_ｚＭ１_{３−ｘ−ｙ−ｚ}Ｆｅ_ｗＭ２_ｕＭ３
_{５−ｗ−ｕ}Ｏ_１２で表されることを特徴とする磁性ガー
ネット材料によって達成される。但し、Ｍ１はＢｉ、Ｙ
ｂ又はＧｄを置換し得る１種以上の元素、Ｍ２はＦｅを
置換し得る１種以上の非磁性元素、Ｍ３はＦｅおよびＭ
２を置換し得る１種以上の元素である。またｘ、ｙ、
ｚ、ｗ、ｕは各々、１．０≦ｘ≦１．６、０．３≦ｙ≦
０．７、０．９≦ｚ≦１．６、４．０≦ｗ≦４．３、
０．７≦ｕ≦１．０を満足する。

【００１１】また、本発明の磁性ガーネット材料は、格
子定数が１．２４９（ｎｍ）以上のガーネット構造を持
つ単結晶基板上に、液相エピタキシャル法で成膜するこ
とを特徴とする。さらに、本発明の磁性ガーネット材料
は、飽和に要する磁界が２００（Ｏｅ）以下であり、磁
気補償温度が０°Ｃ以下で、且つファラデー回転能が１
０００（ｄｅｇ／ｃｍ）以上であることを特徴とする。
また上記目的は、本発明の磁性ガーネット材料で形成さ
れることを特徴とするファラデー回転子によって達成さ
れる。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明で開示した組成にて形成さ
れた磁性ガーネット単結晶膜の波長１５５０μｍにおけ
るファラデー回転能は、以下の実施例に示すように１２
５０ｄｅｇ／ｃｍであり、光アイソレータ用の素子厚は
３６０μｍ、光アッテネータ用の素子厚は７２０〜８４
０μｍと約３０％程薄くすることができる。また約７０
時間のエピタキシャル成長を行い９５０μｍの磁性ガー
ネット単結晶膜を形成しても、クラック、膜表面の欠
陥、成長速度の著しい減少はほとんど認められない。そ
の結果光アイソレータ用、光アッテネータ用いずれのフ
ァラデー回転子も１枚で構成することができるようにな
る。

【００１３】本発明の磁性ガーネット単結晶膜では、少
なくとも（Ｃａ、Ｚｒ、Ｍｇ）含有ＧＧＧ単結晶基板
（格子定数＝１．２４９４（ｎｍ））及びＮＧＧ単結晶
基板（格子定数＝１．２５０４（ｎｍ））を用いた場合
において、ビスマス量ｘは、１．０≦ｘ≦１．６の範囲
から選択される。ビスマス量ｘを１．０より小さくさせ
ると、ファラデー回転能が低下してしまうので素子厚を
厚くせざるを得なくなる。また、他のｙ、ｚ、ｕとの依
存性を勘案しつつ、厚膜形成における表面欠陥の発生、
成長速度の減少等を考慮すると、飽和磁界を２００（Ｏ
ｅ）以下にするためには、ビスマス量ｘは１．６を越え
ないようにする必要がある。同様にして、イッテルビウ
ム量ｙは０．３≦ｙ≦０．７、ガドリニウム量ｚは０．
９≦ｚ≦１．６の範囲に決定される。

【００１４】また、式中のＭ１は、Ｂｉ、Ｙｂ又はＧｄ
を置換し得る１種以上の元素である不可避の不純物及び
微量の添加物を表しており、例えば、Ｐｂ、Ｙ、その他
の希土類元素等である。式中のＭ２は、Ｆｅを置換し得
る１種以上の非磁性元素であり、例えば、Ｇａ、Ａｌ、
Ｉｎ、Ｓｃ等、あるいはそれらの２種以上の組合せから
選ばれる。このＭ２の非磁性元素の量ｕは、０．７≦ｕ
≦１．０の範囲から選択される。非磁性元素の量ｕを
０．７より小さくさせると、飽和磁界を２００（Ｏｅ）
以下にすることが困難になり、一方、非磁性元素の量ｕ
が１．０を越えるとファラデー回転能が低下するので、
素子厚を厚くする必要が生じてしまう。また、非磁性元
素の量ｕが１．０を越えてしまうと、ファラデー回転子
の磁気補償温度が上昇してしまう。例えばファラデー回
転子の所望の使用温度範囲が０°Ｃ〜７５°Ｃにあり、
０°Ｃ以下の磁気補償温度を得るためには、非磁性元素
の量ｕは１．０を越えないようにする必要がある。な
お、ガドリニウム量ｚ等を変えても磁気補償温度が変わ
るため、少なくとも非磁性元素の量ｕとガドリニウム量
ｚとには従属関係が成立している。Ｍ３は、Ｆｅおよび
Ｍ２を置換し得る１種以上の元素である不可避の不純物
及び微量の添加物を表しており、例えば、Ｔｉ、Ｐｔ、
Ｇｅ、Ｓｉ等、あるいはそれらの２種以上の組合せから
選ばれる。このＭ３の量と、非磁性元素Ｍ２の量ｕとか
ら、Ｆｅ量ｗは４．０≦ｗ≦４．３の範囲内に限定され
る。

【００１５】

【実施例】以下に、本発明に係る磁性ガーネット材料及
びそれを用いたファラデー回転子の具体的な実施例とし
て［実施例１］乃至［実施例３］について説明する。な
お、具体的な一例として、２００（Ｏｅ）以下の磁界で
飽和し、磁気補償温度が０°Ｃ以下であるようなファラ
デー回転子において、ファラデー回転能をできるだけ大
きくし素子厚さを薄くすること、また５００μｍ以上の
厚膜形成時においても表面欠陥の発生、成長速度の減少
を起こしにくい条件を探すことを目的として材料探索を
行った。その結果、磁性ガーネット単結晶膜の組成を以
下に示す組成にしたとき、目的にかなうエピタキシャル
膜が得られることを見出し発明するに至った。

【００１６】［実施例１］Ｙｂ_２Ｏ_３、Ｇｄ_２Ｏ_３、Ｂ
ｉ_２Ｏ_３、ＰｂＯ、Ｆｅ_２Ｏ_３、Ｇａ_２Ｏ_３、Ｂ _２Ｏ_３
およびＧｅＯ_２を各々９．２０９（ｇ）、８．４７１
（ｇ）、１４６２．０（ｇ）、１１７７．４（ｇ）、２
３１．９（ｇ）、３７．１０（ｇ）、５８．７６（ｇ）
および３．０３９（ｇ）秤量し、白金製のルツボに入
れ、９００℃まで加熱し、溶解、撹拌を行った。その後
７５０℃まで温度を下げ、２インチφのサイズをもつ
（Ｃａ、Ｚｒ、Ｍｇ）含有ＧＧＧ単結晶基板（格子定数
＝１．２４９４（ｎｍ））上に液相エピタキシャル成長
を開始させた。その後０．４℃／Ｈの温度勾配にて２５
時間温度を低下させ、膜成長させたところ４５０μｍの
膜厚をもつ磁性ガーネット単結晶膜を得た。クラックは
全くなく、表面もほぼ鏡面状態であった。

【００１７】こうして得られた単結晶膜を基板除去した
後、波長１５５０ｎｍにてファラデー回転角が４５ｄｅ
ｇとなるように表面側および基板側を鏡面研磨し、厚さ
３６０μｍの光アイソレータ用のファラデー回転子を得
た。蛍光Ｘ線分析装置（以下、ＦＸという）による組成
分析の結果、Ｂｉ_１．３７Ｙｂ_０．６７Ｇｄ_０．９３Ｐ
ｂ_０．０３Ｆｅ_４．１６Ｇａ_０．８１Ｇｅ_０．０２Ｐｔ
_０．０１Ｏ_１２なる組成であり、表１に示す特性であっ
た。

【００１８】［実施例２］実施例１と同様の材料を用
い、７５０℃にて液相エピタキシャル成長を開始させ
た。その後６時間温度保持し、さらに０．４℃／Ｈの勾
配にて６３時間温度を低下させ、膜成長を行った。その
結果、膜厚９５０μｍの磁性ガーネット単結晶膜を得
た。クラックはわずかに外周部１ｍｍのところに認めら
れ、また表面の欠陥も実施例１に比べると増加していた
が、いずれも素子形成において問題になる程度のもので
はなかった。

【００１９】こうして得られた単結晶膜を基板除去した
後、１０００℃、１５時間、空気中に保持し熱処理を施
した。ここで昇降温時の温度勾配はいずれも２００℃／
Ｈであった。熱処理後、膜表面側および基板界面側を各
々５０μｍずつ鏡面研磨して、波長１５５０ｎｍにてフ
ァラデー回転角が１０５ｄｅｇとなる厚さ８４０μｍの
光アッテネータ用の表１に示す特性のファラデー回転子
を得た。このファラデー回転子を用いて光アッテネータ
を形成し、光減衰量を測定したところ、電流７０ｍＡを
コイルに流すことにより３０ｄＢの減衰を得た。

【００２０】［実施例３］Ｙｂ_２Ｏ_３、Ｇｄ_２Ｏ_３、Ｂ
ｉ_２Ｏ_３、ＰｂＯ、Ｆｅ_２Ｏ_３、Ｇａ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ
_３、Ｂ_２Ｏ_３およびＴｉＯ_２を各々４．２７０（ｇ）、
１０．９９１（ｇ）、１０４４．２（ｇ）、８３３．５
（ｇ）、１４３．３（ｇ）、１０．４０（ｇ）、５．６
５（ｇ）、４１．６０（ｇ）および１．４３３（ｇ）秤
量し、白金製のルツボに入れ、９００℃まで加熱し、溶
解、撹拌を行った。その後７７９℃まで温度を下げ、２
インチφのサイズをもつＮＧＧ単結晶基板（格子定数＝
１．２５０４（ｎｍ））上に液相エピタキシャル成長を
開始させた。その後０．６℃／Ｈの温度勾配にて３３時
間温度を低下させ、膜成長させたところ５５０μｍの膜
厚をもつ磁性ガーネット単結晶膜を得た。クラックは全
くなく、表面もほぼ鏡面状態であった。

【００２１】こうして得られた単結晶膜を基板除去した
後、波長１５５０ｎｍにてファラデー回転角が４５ｄｅ
ｇとなるように表面側および基板側を鏡面研磨し、厚さ
４５０μｍの光アイソレータ用のファラデー回転子を得
た。ＦＸによる組成分折の結果、Ｂｉ_１．１７Ｙｂ
_０．３６Ｇｄ_１．４４Ｐｂ_０．０３Ｆｅ_４．１９Ｇａ
_{０． ３９}Ａｌ_０．３９Ｔｉ_０．０２Ｐｔ_０．０１Ｏ_１２
なる組成であり、表１に示す特性であった。

【００２２】

【表１】

【００２３】

【発明の効果】以上の通り、本発明によれば、素子厚さ
を薄くしても、十分なファラデー回転能が得られ、飽和
に要する磁界を２００（Ｏｅ）以下にすることができる
と共に、磁気補償温度を０°Ｃ以下にすることができる
ようになる。また本発明によれば、厚膜形成時において
も表面欠陥の発生、成長速度の減少を起こし難くするこ
とができるようになる。さらに本発明によれば、素子厚
さを薄くでき、且つ製造コストを抑え、高い製造歩留ま
りを達成できるファラデー回転子を実現できる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 後藤 正憲 東京都中央区日本橋一丁目13番１号 ティ ーディーケイ株式会社内 (72)発明者 岩塚 信治 東京都中央区日本橋一丁目13番１号 ティ ーディーケイ株式会社内 Ｆターム(参考） 2G017 AB05 AD12 AD14 2H079 AA03 BA02 CA06 DA13 EA11 4G077 AA03 AB05 BC22 CG01 ED04 HA03

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一般式 Ｂｉ_ｘＹｂ_ｙＧｄ_ｚＭ１
   _{３−ｘ−ｙ−ｚ}Ｆｅ_ｗＭ２_ｕＭ３_{５−ｗ−ｕ}Ｏ_１２で表
   されることを特徴とする磁性ガーネット材料。 但し、Ｍ１はＢｉ、Ｙｂ又はＧｄを置換し得る１種以上
   の元素、 Ｍ２はＦｅを置換し得る１種以上の非磁性元素、 Ｍ３はＦｅおよびＭ２を置換し得る１種以上の元素であ
   り、 またｘ、ｙ、ｚ、ｗ、ｕは各々、 １．０≦ｘ≦１．６ ０．３≦ｙ≦０．７ ０．９≦ｚ≦１．６ ４．０≦ｗ≦４．３ ０．７≦ｕ≦１．０ を満足する。
2. 【請求項２】請求項１記載の磁性ガーネット材料であっ
   て、 格子定数が１．２４９（ｎｍ）以上のガーネット構造を
   含む単結晶基板上に、液相エピタキシャル法で成膜させ
   たことを特徴とする磁性ガーネット材料。
3. 【請求項３】請求項１又は２に記載の磁性ガーネット材
   料であって、 飽和に要する磁界が２００（Ｏｅ）以下であり、 磁気補償温度が０°Ｃ以下であり、且つファラデー回転
   能が１０００（ｄｅｇ／ｃｍ）以上であることを特徴と
   する磁性ガーネット材料。
4. 【請求項４】請求項１乃至３のいずれか１項に記載の磁
   性ガーネット材料で形成されることを特徴とするファラ
   デー回転子。