JPH04142009A

JPH04142009A - 磁性ガーネット結晶

Info

Publication number: JPH04142009A
Application number: JP26469090A
Authority: JP
Inventors: Hisao Kurosawa; 黒沢　久夫; Masazumi Sato; 佐藤　正純
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1990-10-01
Filing date: 1990-10-01
Publication date: 1992-05-15

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】［産業上の利用分野］本発明は、ファラデー効果を利用した光アイソレータ、
光サーキュレータ、光スィッチなどの磁気光学素子に用
いられるビスマス（Ｂｉ）置換磁性ガーネット結晶に関
するものである。

［従来の技術］半導体レーザ（ＬＤ）を光源とする光伝送回路において
、コネクタやスイッチなどの光学部品、受光素子等から
の反射戻り光がＬＤに入ると、レーザ発振が不安定とな
り伝送品質が劣化することが知られている。この対策と
してＬＤへの反射戻り光を遮断する光アイソレータが提
案され、現在実用化が進んでいる。

光アイソレータは、磁気光学効果のうちで透過光の直線
偏光面回転現象であるファラデー効果のもつ非相反性を
うまく利用したものである。

ファラデー効果を示し、波長１．３〜１．５５μｍの近
赤外領域で用いられるファラデー回転子材料は、磁気光
学ガーネット結晶である。その中で、光アイソレータの
ファラデー回転子としてイツトリウム・鉄・ガーネット
（Ｙ　Ｉ　Ｇ）結晶が最初に使用された。

近年、光アイソレータの小型化、ならびに低価格化が急
速に進展し、これに伴い素子の小型化、および製作コス
トの低減化が切望されている。

光アイソレータの小型化のためには、主要部品であるフ
ァラデー回転子の小型化が必須の条件である。

ところで、ファラデー回転子として用いる場合は、入射
偏光面を４５度回転させるだけの長さが必要であるが、
この長さはファラデー回転係数の大・小に比例する。し
たがって、ファラデー回転子をより小型化するためには
、ファラデー回転係数の大きな材料を選択する必要があ
る。

ファラデー回転係数の大きな材料として、Ｂｉを固溶し
たガーネットが一般に知られている。

本材料は、ＣＶＤ法、スパッタ法、フラックス法および
液相エピタキシャル（ＬＰＥ）法等によって製造可能で
ある。しかし、ＣＶＤ法およびスパッタ法は主に結晶性
に問題があり、まだ実用化が難しい。

フラックス法は、ガーネット成分の酸化イツトリウムお
よび酸化鉄と共に、フラックス成分の酸化鉛や酸化はう
素を融解し、融液を液相温度以上に保持して均一にした
後、融液を徐冷することによりガーネット結晶を自然核
発生により成長させる。本法では、ガーネット成分の偏
析のため濃度バラツキが生じ易い、フラックスの固化に
伴い結晶にクラックが入り易い、等の欠点が見られたか
、改良されたフラックス法により改善された。

しかし、自然核を成長させるため結晶育成に長時間を要
する、素子化には精密加工を要する、等量産性に乏しい
。

このような状況から、磁気へ゛フ゛ル素子用ガーネット
薄膜の育成法として開発されたＬＰＥ法が注目され、本
法を用いてＢｉ置換磁性ガーネット厚膜の開発が種々検
討されている。

さて、Ｔｈ１ｎ　５ｏｌｉｄ　Ｆｉｌｍｓ、１１４（１
９８４）６９に示されているように、ファラデー回転係
数はＢｉ置換量に比例して増加する。しかし、ガーネッ
ト結晶に対するＢｉの固溶度が極めて小さいことから、
置換が非常に難しいことも知られている。

一方、材料科学誌Ｖｏ１２３．Ｎｏ３（１９８７）１５
１に述べられているように、ＹＩＧの希土類サイトをＢ
１、Ｇｄ元素等で置換したＧｄ２．ｌＢ　ｉｏ、９Ｆ　
ｅ４．６Ａ１０．ｌＧａ０．３０１２（Ｇ　Ｂ　Ｉ　Ｇ
）は、ファラデー回転係数の温度係数が大きい。例えば
、ＹＩＧの温度係数は０．０４ｄｅｇ／’Ｃ程度である
が、上記材は０．１０ｄｅｇ／’ＣでありＹＩＧの約２
倍以上である。

この材料を光アイソレータのファラデー回転子に用いた
場合、光アイソレータのアイソレーション（Ｅｓ）が劣
化する。Ｅｓは下式で表される。

Ｅｓ＝−１０・ｌｏｇ−ｓｉｎ２（Δθ）ここでΔθ（
ｄｅｇ）は、θの４５度からのずれである。半導体レー
ザの発振波長の変化を考慮しない場合、０〜５０℃の温
度範囲においてＹＩＧは３６ｄＢのＥｓが得られるが、
上記材は２９ｄＢまで低下する。光アイソレータのＥｓ
は３０ｄＢ以上が望まれるが、このＥｓを確保するため
には、０．０７ｄｅｇ／”Ｃ以下の温度係数が必要とな
る。

既述のように、光アイソレータの小型化のためにはファ
ラデー回転子の小型化は必要不可欠である。これを実現
するためには、Ｂｉを多量に置換しファラデー回転係数
を飛躍的に増大せしめることが肝要であるが、反面上記
のようにファラデー回転係数の温度係数が大きくなる欠
点を併せもつ。

この相反する２つの命題を解決するべく種々検討がなさ
れている。

［発明が解決しようとする問題点］Ｂｉを多量に置換するためには、Ｂ１の固溶度を大きく
する必要がある。これを実現するためには、　（イ）最
適成分系の探索、　（ロ）ＬＰＥ条件の最適化、等が提
案されている。　（イ）は先に述べた（ＧｄＢｉ）３（
ＦｅＡＩＧａ）５０１２が代表格であるが、ファラデー
回転係数の温度特性が劣化する欠点をもつ。（ロ）は主
に過冷却度（へＴ：飽和温度−膜成長温度）の増大、お
よび膜成長温度（ＴＧ）の低温化である。しかし、八Ｔ
の増大に伴い自然核が生成され易くなる。この自然核は
フラックス法では種結晶となるが、ＬＰＥ法においては
膜欠陥の一因となる好ましくない生成物である。また、
ΔＴの増大ならびにＴＧの低温化に伴い、融液中のフラ
ックス成分であるＰｂ、ルツボおよび基板固定治具材料
のＰｔ、が各々膜中に混入し易くなる。

ｐｂおよびｐｔが膜中に混入した場合、日本応用磁気学
会誌、１０，２．　　（１９８６）１６１から知れるよ
うに光吸収が増大する。またＰｔは、Ｊ、Ｍａｇｎ、Ｓ
ｏｃ、Ｊ　ｐｎ、１１．ＳＩ　（１９８７）３４７から
知れるように膜欠陥の一因となり、欠陥部は、日本応用
磁気学会誌、１０．２（１９８６）１４７に述べられて
いるように、光学特性が劣化することが知られている。

したがって、八Ｔは３０℃以下程度、ＴＧは７３０℃以
上程度が好ましい。

ところで、膜と基板の格子定数が不整合の場合、膜割れ
、または基板割れの原因となることが知られているが、
イオン半径が大きいＢｉイオンを置換すると膜の格子定
数は大きくなる。したがって、膜の格子定数に整合させ
るためには、より大きな格子定数の基板を選択する必要
があるが、工業的に使用可能なガーネット基板の種類は
限定されている。そこで、希土類サイト、あるいはＦｅ
サイトを種々の元素で置換し、かつその置換量を厳密に
調整して、膜の格子定数を基板に合致させることが一般
的であるが、既述のように置換による弊害が問題点とな
っていた。

本発明は、Ｂｉ置換に伴う種々の問題点を解消し総合的
に優れた磁気光学ガーネット結晶を提供するものである
。

［問題点を解決するための手段］本発明は、上記問題点を解決するために一般式；％式％（式中、Ｘは０．１〜１．０、ｙは０．１〜ｌ。

８、Ｚは０．　５〜２．０の数である）で表わされる組
成を有することを特徴とする磁性ガーネット結晶を提供
するものである。

本発明の目的は、　（イ）Ｂｉ多量置換、　（ロ）ファ
ラデー回転係数の温度特性の向上、（ハ）自然核欠陥の
低減等を総合的に達成することである。

以下に本発明の基本的考え方を示す。既述のように多量
Ｂｉ置換を可能とするホスト希土類元素としてＧｄが知
られているが、ファラデー回転係数の温度特性を劣化さ
せる欠点があった。そこで本発明者らは、種々検討を重
ねた結果、磁気光学特性に悪影響を及ぼさず多量にＢ１
を置換可能な元素としてＹの添加が有効であることを見
い出した。

その数値は、０．１未満では効果を示さず、１゜０より
も大きくなると希土類サイトに置換すべき他の元素の置
換量が低減されることから好ましくない。望ましくは、
０．２〜０．９とすべきである。

Ｂ１置換によるファラデー回転係数の温度特性の劣化は
、ファラデー回転係数の符号の変化か主原因といわれて
いる。すなわち、Ｂ１置換によりファラデー回転係数は
飛躍的に増大するが、同時にその符号は負となり温度上
昇に伴ってその値が小さくなるためである。そこで、フ
ァラデー回転係数の温度特性を向上させるために、ファ
ラデ回転係数の符号が正の結晶と負の結晶を固溶体とす
る、２板を貼合わせる、または２層に成長させる、等の
方法が提案された。しかし、固溶体性以外の方法では、
入射光の挿入損失が大きくなる欠点かみられ実用性に乏
しいことが指摘されている。

本発明においては、固溶体法に着目し種々の元素で検討
を進めた結果、ファラデー回転係数が正の符号を有する
Ｔｂが有望であることを見い出した。

その数値は、Ｏ，１未満では改善効果が見られず、１．
８よりも大きくなるとＢ１置換量が減少するため好まし
くない。望ましくは、０．２〜ｌ、　　５の範囲である
。Ｂ１は、０．５未満では充分なファラデー回転係数が
得られず必要膜厚が大きくなる二とから好ましくない。

一方、２．０よりも大きくなるとΔＴが３０°Ｃ以上に
なるため、自然核の析出が激しくなり膜欠陥が増大する
ことから好ましくない。望ましくは、０．８〜１，６と
すべきである。

ところで、工業的に使用可能なＬＰＥ用ガーネット基板
の種類は数が少なく、通常Ｇｄ３Ｇａ５Ｏ１２（ＧＧＧ
）およびＣａ−Ｍｇ−Ｚｒ置換ＧＧＧ基板が市場の大半
を占め、Ｓｍ３Ｇａ５Ｏ１２およびＮｄ３Ｇａ５０１２
基板はご＜一部でしか使用されていない。したがって、
膜の成分組成を制御して基板の格子定数に合致させるこ
とが一般的である。

既述のようにＢｉ置換量の増大に伴い膜の格子定数は大
きくなることから、Ｂｉを置換する母材の格子定数を小
さくすることがすなわちＢｉを多量に置換するための土
壌といえる。

Ｔｈ１ｎ　５ｏｌｉｄ　Ｆｉｌｍｓ、１１４（１９８４
）３３に述べられているように、Ｌｕ３Ｆｅ５０１２の
格子定数は希土類鉄ガーネットの中で最も小さい。そこ
で本発明においては、Ｌｕを希土類サイトのバランスの
役目に位置づけ、Ｂｉの置換量に応じてＬｕの添加量を
決定した。したがって、その定義をＬｕ３−　（ｘ十ｙ
十ｚ）とした。

［実施例］以下に、実施例を用いて本発明の詳細な説明する。なお
、基板と膜の格子定数のミスマツチは、Ｘ線デイフラク
トメータを用いて測定した。

実施例〈実施例１〉第１表の実施例１に示した融液組成を用いて、Ｃａ−Ｍ
ｇ−Ｚｒ置換Ｇｄ３Ｇａ５Ｏ１２基板上に成長温度７６
２℃、ΔＴ２１℃でＬＰＥ成長させたＬｕ０．３Ｔｂｏ
、７Ｙ０．７Ｂｉ１．３Ｆｅ５０１２組成のガーネット
膜は、使用波長１．５５μｍにおいてファラデー回転係
数１４８０ｄｅｇ／ｃｍ、０〜５０℃の温度係数０．　
０５　ｄ　ｅ　ｇ／”Ｃを示した。また、育成中の自然
核の発生は皆無で、自然核の影響による膜欠陥は全く見
られなかった。

ＧＢＩＧのファラデー回転係数、および温度特性は、各
々１１０２０ｄｅ／ｃｍ、および０．１０ｄｅｇ／”Ｃ
であり、本発明のガーネット膜は何れの特性においても
勝っている。

なお、ファラデー回転係数は入射偏光と出射偏光の角度
差を膜厚で除して求めた。温度特性は、０”Ｃから５０
”０間のファラデー回転角θのずれを上記温度差で除し
て求めた。一方、融液中の自然核の存在有無は目視で確
認し、膜中の自然核の存在有無は光学顕微鏡を用いて確
認した。

（以下、余白）表１゜単位；モル％成分　実施例１　実施例２　実施例３　実施例４Ｆ　ｅ
　ａｏｊ　　１２．５５　　　１５．２５　　　１３．
２２　　　９．５８Ｙ２０．　　０．１２　　０．０４
　　０．０８　　０．０８Ｌ　ｕ　２０３　０．０４　
　０．０３　　０．０６　　０．０５Ｔ　ｂ４０？　　
０．０７　　０．１６　　０．０４　　０．０２Ｂｉ２
０ｓ　　２７．１９　　２５．８５　　３１．４５　３
３．３２Ｂ、０．　　６．９０　　　６．４２　　６．
１６　６．９９ＰｂＯ５３，１３５２，２５４８，９９
４９，９６〈実施例２〉第１表の実施例２に示した融液組成を用いて、Ｃａ−Ｍ
ｇ−’１ｒｆｌｔ換Ｇｄ３Ｇａ５Ｏ１２基板上に成長温
度７９０℃、ΔＴｌ１℃でＬＰＥ成長させたＬ　ｕＯ，
３Ｔ　ｂｌ、６Ｙ０．２Ｂ　ｉ　０．９Ｆ　ｅ５０１２
組成のガーネット膜は、使用波長１．５５μｍにおいて
ファラデー回転係数１１０４０ｄｅ／ｃｍ。

０〜５０℃の温度係数０．０４ｄｅｇ／℃を示した。ま
た、育成中の自然核の発生は皆無で、自然核の影響によ
る膜欠陥は全く見られなかった。

〈実施例３〉第１表の実施例３に示した融液組成を用いて、Ｃａ−Ｍ
ｇ−Ｚｒ置換Ｇｄ３Ｇａ５Ｏ１２基板上に成長温度７４
０℃、ΔＴ２８．　５°ＣでＬＰＥ成長させたＬ　ｕｏ
、４Ｔ　ｂｏ、５Ｙ０．５Ｂ　ｉ　１．６Ｆ　ｅ５０１
２組成のガーネット膜は、使用波長１．５５μｍにおい
てファラデー回転係数１８８０ｄｅｇ／ａｍ、０〜５０
℃の温度係数０．０７ｄｅｇ／’Ｃを示した。また、育
成中の自然核の発生は皆無で、自然核の影響による膜欠
陥は全く見られなかった。

〈実施例４〉第１表の実施例４に示した融液組成を用いて、Ｃａ−Ｍ
ｇ−Ｚｒ置換Ｇｄ３Ｇａ５Ｏ１２基板上に成長温度７１
８℃、ΔＴ４５℃でＬＰＥ成長させたＬ　ｕｏ、３Ｔ　
ｂｏ、Ｉ　Ｙｏ、５Ｂ　ｉ　２．Ｉ　Ｆ　ｅ５０１２組
成のガーネット膜は、使用波長１．５５μｍにおいてフ
ァラデー回転係数２４７０ｄｅｇ／ｃｍを示した。しか
し、融液中に自然核が析出し、その自然核を核とした膜
欠陥か多数発生した。その結果、結晶性が劣化し光学特
性の測定が不可能であった。

［発明・考案の効果〕本発明組成のガーネット結晶は、大きなファラデー回転
係数が得られるためファラデー回転子の小型化が計れる
。また、ファラデー回転角の温度係数が小さいため光ア
イソレータのアイソレーションの劣化が少ない。更に、
自然核欠陥の低減により育成歩留りが大幅に向上する。

以上のことから本発明の実用的価値は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、膜中のＢｉ量とＹ量の関係を示した図、第２
図は膜中のＴｂ量とファラデー回転角の温度係数の関係
を示した図である。第１図Ｙ含有量 ×１０−’ａｔｏｍｓ／ｆ、　ｕ第２図Ｔｂ含有量０　’ａｔｏｍｓ／ｆ、ｕ

Claims

【特許請求の範囲】一般式；Ｌｕ＿３＿−＿（＿Ｘ＿＋＿Ｙ＿＋＿Ｚ＿）Ｙ＿ｘＴｂ
＿ＹＢｉ＿ｚＦｅ＿５Ｏ＿１＿２（式中、ｘは０．１〜
１．０、ｙは０．１〜１．８、ｚは０．５〜２．０の数
である）で表わされる組成を有することを特徴とする磁
性ガーネット結晶。