JPH1036192A - ファラデー回転子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 液相エピタキシャル法で作製が容易な厚さ範
囲で、光アイソレータ用ファラデー回転子としての磁気
特性、光学特性が優れたビスマス置換希土類鉄ガーネッ
ト単結晶膜を提供する。 【解決手段】 液相エピタキシャル法で育成されてな
り、式(1):Tb_3-x-y Ho_xBi_y Fe_5-zGa_z O₁₂ (式中、 0.5
＜x/(3-x-y)＜1.0 、1.20≦ｙ≦1.40、0.20≦ｚ≦0.40)
の化学組成で示されるビスマス置換希土類鉄ガーネッ
ト単結晶膜。 【効果】 温度特性が約 0.06degree/℃、飽和磁界が 8
00 Oe 以下、ファラデー回転子としての厚さが 420μｍ
（但し波長1.55μｍにて）以下で、従来のビスマス置換
希土類鉄ガーネット単結晶膜と比較して、特性のバラン
スがとれたビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜が
得られた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光アイソレータ用ファ
ラデー回転子に好適なビスマス置換希土類鉄ガーネット
単結晶膜に関する。さらに詳しくは、ファラデー回転角
の温度特性が良好で、ファラデー回転係数が大きく、か
つ飽和磁界が低い、といういくつかの特徴を有するビス
マス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜である。

【０００２】

【従来の技術】近年、光ファイバ通信や光計測の発展は
めざましいものがある。この光ファイバ通信や光計測で
は多くの場合、信号源として半導体レーザが使用されて
いる。しかし半導体レーザは、光ファイバ端面などから
反射し、再び半導体レーザ自身に戻ってくるところのい
わゆる反射戻り光があると、発振が不安定になるという
重大な欠点がある。そのため半導体レーザの出射側に光
アイソレータを設けて、反射戻り光を遮断し、半導体レ
ーザの発振を安定化させることが行われている。

【０００３】光アイソレータは二つの偏光素子とファラ
デー回転子、及びファラデー回転子を磁気的に飽和させ
るための永久磁石からなる。そして通常一般に、ファラ
デー効果が大きなビスマス置換希土類鉄ガーネット単結
晶厚膜がファラデー回転子に用いられてる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】光アイソレータ用ファ
ラデー回転子として好適なビスマス置換希土類鉄ガーネ
ット単結晶膜としてはすでに、(TbBi)₃Fe₅O₁₂ 、(GdBi)
₃(FeGaAl)₅O₁₂ あるいは、(TbHoBi)₃Fe₅O₁₂ が報告され
ている。これらのビスマス置換希土類鉄ガーネット単結
晶膜はそれぞれ特性が異なる。

【０００５】(TbBi)₃Fe₅O₁₂ は飽和磁界が 750 Oe と割
合低く、ファラデー回転角の温度依存性が小さい。ファ
ラデー回転角の温度依存性が小さいことは、広い温度範
囲で光アイソレータの消光比が高く保たれることを意味
する。ファラデー回転角の温度依存性を示す指標とし
て、１℃の温度変動に対し、ファラデー回転角が45度か
ら何度ずれるかを示す温度係数α(degree/℃）が用いら
れているが、(TbBi)₃Fe₅O₁₂ の場合、αが 0.045と非常
に小さい。

【０００６】しかし、一方、ファラデー効果がやや小さ
いため、ファラデー回転子として必要な厚さが厚いとい
う欠点がある。例えば、波長1.55μｍでは 450μｍの厚
さが必要であるが、研磨代として30μｍ〜50μｍを加え
ると、液相エピタキシャル法で 480μｍ以上もの厚さに
結晶を成長させなければならない。液相エピタキシャル
法では 450μｍを越える厚さにビスマス置換希土類鉄ガ
ーネット単結晶膜を成長させると、結晶周辺に同心円ク
ラックと呼ばれる割れヒビが入るとか、結晶欠陥が多く
なるなどの問題を生じ、歩留まりが低下する。

【０００７】(GdBi)₃(FeGaAl)₅O₁₂ は、飽和磁界が 200
Oe と非常に低いという特徴を有する。したがって、飽
和に要する永久磁石が小さくて済むことから、光アイソ
レータの小型化に非常に有利である。しかしながら、温
度係数αが 0.08degree/℃とかなり大きく、この点で使
用範囲に制限が生じる。

【０００８】(TbHoBi)₃Fe₅O₁₂ の場合は、温度係数αが
0.06degree/℃と(TbBi)₃Fe₅O₁₂ の0.045には及ばない
ものの、ファラデー効果が大きいため、波長1.55μｍで
ファラデー回転子としての厚さが 360μｍとかなり薄
く、製造面で有利である。しかしながら、飽和磁界が 1
050 Oeとやや大きく、永久磁石の大きさに制限が生じ、
光アイソレータの一層の小型化が困難である、という課
題がある。

【０００９】以上のことより、飽和磁界としては (TbB
i)₃Fe₅O₁₂並みの 750 Oe 前後、ファラデー回転角の温
度依存性は、(TbHoBi)₃Fe₅O₁₂ と同程度の 0.06degree/
℃、ファラデー回転子としての厚さは、波長1.55μｍに
対して(TbHoBi)₃Fe₅O₁₂ と同程度の 360μｍ、もしくは
厚くても 420μｍ以下のビスマス置換希土類鉄ガーネッ
ト単結晶膜の開発が望まれている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、液
相エピタキシャル法で育成されてなり、下記式(1) の化
学組成で示されるビスマス置換希土類鉄ガーネット単結
晶膜からなるファラデー回転子である。 Tb_3-x-yHo_xBi_y Fe_5-zGa_z O₁₂ (1) (式中、 0.5＜x/(3-x-y)＜1.0 、1.20≦ｙ≦1.40、0.20
≦ｚ≦0.40)

【００１１】本発明のビスマス置換希土類鉄ガーネット
単結晶膜の組成は式(1) におけるホルミウムに対するテ
ルビウムの比、すなわち、x/(3-x-y) が 0.5より大き
く、かつ１未満が好ましい。 x/(3-x-y)が 0.5以下にな
ると、1.55μｍにおけるファラデー回転子としての厚さ
が 400μｍ以上となるので好ましくない。また、x/(3-x
-y) が１以上になると、飽和磁界が 800 Oe を越えるの
で好ましくない。

【００１２】ビスマス置換量ｙは 1.20 以上、 1.40 以
下が好ましい。ｙが 1.20 未満ではファラデー回効果が
低下し、ファラデー回転子として必要な膜厚が厚くなる
ので好ましくない。また、 1.40 を越えると、飽和磁界
が 800 Oe を越えるので好ましくない。

【００１３】ガリウムの置換量ｚは 0.20 以上、 0.40
以下が好ましい。ｚが 0.20 未満になると、飽和磁界が
800 Oe を越えるので好ましくない。また、ｚが 0.40
を越えると、ファラデー回転子の温度特性αが 0.07 前
後と大きくなるので好ましくない。

【００１４】本発明のビスマス置換希土類鉄ガーネット
単結晶膜の育成に用いるガーネット基板としては、格子
定数が1.2497±0.0002nmの（111)ガーネット単結晶[(Gd
Ca)₃(GaMgZr)₅O₁₂] 基板、1.2509nmの（111)ガーネット
単結晶[Nd₃Ga₅O₁₂] 基板があり、格子整合の面で好まし
い。

【００１５】

【実施例】以下、実施例、比較例を示し本発明を具体的
に説明する。 実施例１ 酸化鉛(PbO, 4N) 2,226g、酸化ビスマス(Bi₂O₃, 4N) 2,
323g、酸化第２鉄(Fe₂O₃, 4N) 301g、酸化硼素(B₂O₃, 5
N) 107g 、酸化テルビウム(Tb₂O₃, 3N) 16.4g、酸化ホ
ルミウム(Ho₂O₃, 3N) 15.2g 、酸化ガリウム(Ga₂O₃, 3
N) 12.4g を容量1,000ml(ミリリットル)の白金製ルツボに加熱
溶融し、ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶育成用
融液とした。

【００１６】ここに得られた融液表面に、常法に従っ
て、厚さが 500μｍで格子定数が1.2497±0.0002nmの
（111)ガーネット単結晶[(GdCa)₃(GaMgZr)₅O₁₂] 基板の
片面を接触させ、エピタキシャル成長を行った。そし
て、厚さ 440μm のTb_0.95Ho_0.79Bi_1.26Fe_4.73Ga_0.27O
₁₂ 単結晶膜（以下「Ｇ膜−1 ］と記す）を得た。な
お、組成分析はプラズマ発光分析法によった。

【００１７】このＧ膜−1 を研磨して、厚さ 383μｍに
調整した。ただし、基板は研磨の過程で除去した。その
後両面に大気側からSi0₂、Nd₂O₃ 、Si0₂の順に構成され
た波長1.55μｍ対応の反射防止膜をイオンアシスト法で
施して1.55μｍ用のファラデー回転子 (以下「ファラデ
ー回転子−1 」と記す) を作製した。ファラデー回転子
−1 を 2mm×2mm の大きさに切断し、その光学特性と磁
気特性を測定した結果、ファラデー回転角は45.3度、温
度係数は 0.061 degree/℃、飽和磁界は 760 Oe であっ
た。

【００１８】実施例２ 酸化鉛(PbO, 4N) 2,226g、酸化ビスマス(Bi₂O₃, 4N) 2,
323g、酸化第２鉄(Fe₂O₃, 4N) 297g、酸化硼素(B₂O₃, 5
N) 107g 、酸化テルビウム(Tb₂O₃, 3N) 18.6g、酸化ホ
ルミウム(Ho₂O₃, 3N) 12.9g 、酸化ガリウム(Ga₂O₃, 3
N) 17.3g を容量1,000mlの白金製ルツボに加熱溶融し、
ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶育成用融液とし
た。

【００１９】ここに得られた融液表面に、常法に従っ
て、厚さが 500μｍで格子定数が1.2497±0.0002nmの
（111)ガーネット単結晶[(GdCa)₃(GaMgZr)₅O₁₂] 基板の
片面を接触させ、エピタキシャル成長を行った。そし
て、厚さ 435μm のTb_1.02 Ho_0.70Bi_1.28Fe_4.65Ga_0.35O
₁₂単結晶膜（以下「Ｇ膜−2 ］と記す）を得た。

【００２０】このＧ膜−2 を研磨して、厚さ 391μｍに
調整した。ただし、基板は研磨の過程で除去した。その
後両面に大気側からSi0₂、Nd₂O₃ 、SiO₂の順に構成され
た波長1.55μｍ対応の反射防止膜をイオンアシスト法で
施して1.55μｍ用のファラデー回転子 (以下「ファラデ
ー回転子−2 」と記す) を作製した。ファラデー回転子
−2 を 2mm×2mm の大きさに切断し、その光学特性と磁
気特性を測定した結果、ファラデー回転角は44.6度、温
度係数は 0.064 degree/℃、飽和磁界は 680 Oe であっ
た。

【００２１】実施例３ 実施例１で得られたＧ膜−1 を研磨して、厚さ 266μｍ
に調整した。ただし、基板は研磨の過程で除去した。そ
の後両面に大気側からSi0₂、Nd₂O₃ 、SiO₂の順に構成さ
れた波長1.31μｍ対応の反射防止膜をイオンアシスト法
で施して1.31μｍ用のファラデー回転子 (以下「ファラ
デー回転子−3 」と記す) を作製した。ファラデー回転
子−1 を 2mm×2mm の大きさに切断し、その光学特性と
磁気特性を測定した結果、ファラデー回転角は45.0度、
温度係数は 0.061 degree/℃、飽和磁界は 710 Oe であ
った。

【００２２】比較例1 酸化鉛(PbO、4N) 2,226g、酸化ビスマス(Bi₂O₃, 4N) 2,
323g、酸化第２鉄(Fe₂O₃, 4N) 300g、酸化硼素(B₂O₃, 5
N) 107g 、酸化テルビウム(Tb₂O₃, 3N) 14.5g、酸化ホ
ルミウム(Ho₂O₃、3N) 17.2g 、酸化ガリウム(Ga₂O₃, 3
N) 14.1g を容量1,000mlの白金製ルツボに加熱溶融し、
ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶育成用融液とし
た。

【００２３】ここに得られた融液表面に、常法に従っ
て、厚さが 500μm で格子定数が1.2497±0.0002nmの
（111)ガーネット単結晶[(GdCa)₃(GaMgZr)₅O₁₂] 基板の
片面を接触させ、エピタキシャル成長を行った。そし
て、厚さ 396μm のTb_0.78Ho_0.88Bi_1.34Fe_4.72Ga_0.28O
₁₂ 単結晶膜（以下「Ｇ膜−C1］と記す）を得た。

【００２４】このＧ膜−C1を研磨して、厚さ 355μｍに
調整した。ただし、基板は研磨の過程で除去した。その
後両面に大気側からSi0₂、Nd₂O₃ 、Si0₂の順に構成され
た波長1.55μｍ対応の反射防止膜をイオンアシスト法で
施して1.55μｍ用のファラデー回転子 (以下「ファラデ
ー回転子−C1」と記す) を作製した。ファラデー回転子
−C1を 2mm×2mm の大きさに切断し、その光学特性と磁
気特性を測定した結果、ファラデー回転角は45.2度、温
度係数は 0.063 degree/℃、飽和磁界は 830 Oe であっ
た。

【００２５】比較例2 酸化鉛(PbO, 4N) 2,226g、酸化ビスマス(Bi₂O₃, 4N) 2,
323g、酸化第２鉄(Fe₂O₃, 4N) 293g、酸化硼素(B₂O₃, 5
N) 107g 、酸化テルビウム(Tb₂O₃, 3N) 17.3g、酸化ホ
ルミウム(Ho₂O₃, 3N) 14.3g 、酸化ガリウム(Ga₂O₃, 3
N) 22.3g を容量1,000mlの白金製ルツボに加熱溶融し、
ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶育成用融液とし
た。

【００２６】ここに得られた融液表面に、常法に従っ
て、厚さが 500μｍで格子定数が1.2497±0.0002nmの
（111)ガーネット単結晶[(GdCa)₃(GaMgZr)₅O₁₂] 基板の
片面を接触させ、エピタキシャル成長を行った。そし
て、厚さ 417μｍのTb_0.92Ho_0.75Bi_1.33Fe_4.54Ga_0.46O
₁₂ 単結晶膜（以下「Ｇ膜−C2］と記す）を得た。

【００２７】このＧ膜−C2を研磨して、厚さ 358μｍに
調整した。ただし、基板は研磨の過程で除去した。その
後両面に大気側からSi0₂、Nd₂O₃ 、Si0₂の順に構成され
た波長1.55μｍ対応の反射防止膜をイオンアシスト法で
施して1.55μｍ用のファラデー回転子 (以下「ファラデ
ー回転子−C2」と記す) を作製した。ファラデー回転子
−C2を 2mm×2mm の大きさに切断し、その光学特性と磁
気特性を測定した結果、ファラデー回転角は44.4度、温
度係数は 0.067 degree/℃、飽和磁界は 600 Oe であっ
た。

【００２８】

【発明の効果】本発明のビスマス置換希土類鉄ガーネッ
ト単結晶膜は、温度特性が0.06degree／℃、飽和磁界が
800 Oe 以下、ファラデー回転子としての厚さが 420μ
ｍ（但し波長1.55μｍにて）以下となり、従来のビスマ
ス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜と比較して、特性の
バランスがとれ、かつ液相エピタキシャル法で作製が容
易であるという特徴を有する。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 武田 憲夫 東京都葛飾区新宿６丁目１番１号 三菱瓦 斯化学株式会社東京研究所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 液相エピタキシャル法で育成されてな
   り、下記式(1) の化学組成で示されるビスマス置換希土
   類鉄ガーネット単結晶膜であることを特徴とするファラ
   デー回転子。 Tb_3-x-yHo_xBi_y Fe_5-zGa_z O₁₂ (1) (式中、 0.5＜x/(3-x-y)＜1.0 、1.20≦ｙ≦1.40、0.20
   ≦ｚ≦0.40)