(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
格子定数１２．４９６±０．００３Åの（ＧｄＣａ）3 （ＧａＭｇＺｒ）5 Ｏ12基板上に育成された化学式Ｔｂx Ｇｄy Ｙｂ3-x-y-z Ｂｉz Ｆｅ5 Ｏ12で示されるビスマス置換型希土類鉄ガーネット単結晶であって、前記ｘ，ｙ，ｚが、
０．４≦ｘ≦（０．５０１ｚ2 −０．４３２ｚ＋０．５３８）
１．２≦ｘ＋ｙ＜１．５
１．１≦ｚ≦１．２５
を満たしていることを特徴とする磁気光学ガーネット単結晶。
【請求項２】
格子定数１２．４９６±０．００３Åの（ＧｄＣａ）3 （ＧａＭｇＺｒ）5 Ｏ12基板上に育成された化学式Ｔｂ0.5 Ｇｄ0.7 Ｙｂ0.6 Ｂｉ1.2 Ｆｅ5 Ｏ12で示される磁気光学ガーネット単結晶。
【請求項３】
使用波長が１５３０〜１６２０nmの４５度ファラデー回転子のファラデー素子として用いる請求項１又は２記載の磁気光学ガーネット単結晶。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｔｂ，Ｇｄ，及びＹｂを含有する光学用ビスマス置換型希土類鉄ガーネット単結晶に関するものである。このビスマス置換型希土類鉄ガーネット単結晶は、使用波長が１５３０〜１６２０nmの広帯域において低損失で温度特性が良好であり、特に４５度ファラデー回転子に組み込むファラデー素子として好適である。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、光通信等の分野において、ファラデー回転を応用した各種の光デバイスが開発され、実用化されている。例えば、光通信の際に半導体レーザを使用した場合、光ファイバケーブルやコネクタ、その他の光部品等からの反射光が半導体レーザに戻ると発振が不安定になる。この不安定性を防止するために光アイソレータが使用されており、それにファラデー素子（磁気光学結晶）が組み込まれている。
【０００３】
大きなファラデー回転能をもつ磁気光学結晶として、ビスマス置換型希土類鉄ガーネット単結晶が知られている。これは、液相エピタキシャル（以下、「ＬＰＥ」という）法、フラックス法などによって育成され、近赤外領域での光アイソレータに使用されている。特に、ＬＰＥ法による単結晶膜の育成は、生産性に優れており、低価格で光アイソレータを提供できる利点がある。
【０００４】
ビスマス置換型希土類鉄ガーネットに関しては、その構成原子の一部を他の金属イオンで置換することによって、各種特性の改善が図られてきた。例えば、飽和磁化の小さいビスマス置換型希土類鉄ガーネット材料としてＴｂＧｄＢｉＩＧ（鉄ガーネット）が開発されている（特開昭６３−３５４２１号公報参照）。温度特性が良好なビスマス置換型希土類鉄ガーネット材料としてＴｂＧｄＢｉＡｌＩＧが開発されている（特開昭６３−１１２５００号公報参照）。更に、挿入損失や各特性が改善されたビスマス置換型希土類鉄ガーネット材料としてＴｂＹｂＢｉＩＧが開発されている（特開昭６２−２８８１９９号公報あるいは特開平２−５１４９４号公報参照）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
特開昭６３−３５４２１号公報におけるＴｂＧｄＢｉＩＧを、格子定数１２．４９６±０．００３Åの（ＧｄＣａ）3 （ＧａＭｇＺｒ）5 Ｏ12基板（以下、「ＳＧＧＧ基板」という）上に格子マッチングして育成すると、ファラデー回転係数が大きな膜はできず、波長１３１０nmでの４５度必要回転膜厚が４００μｍであるため、波長１５５０nmでは６００μｍと見積もられる。通常、４５度必要膜厚が５５０μｍ以上であるとき、研磨を行ってもピット等が残り歩留まりが悪くなる。また鏡面出しや基板除去等の研磨しろは最低５０μｍであるため、必要膜厚が５５０μｍであるときの育成膜厚は６００μｍよりも厚くなる。育成膜厚６００μｍ以上のＬＰＥ膜の育成は不可能ではないが、クラックが多くなり、さらに歩留まりが悪くなる。このような観点から見ると、前記の４５度必要膜厚６００μｍは厚すぎる。そこで格子定数がＳＧＧＧ基板よりも大きい１２．５０９ÅのＮｄ3 Ｇａ5 Ｏ12基板（以下、「ＮＧＧ基板」という）上に育成することにより、ファラデー回転係数が大きい膜を育成している。しかし、ＮＧＧ基板はＳＧＧＧ基板よりも高価であり、３インチ基板の入手が困難である。また、格子定数の大きな（格子定数１２．５６Å）Ｇｄ3 （ＳｃＧａ）5 Ｏ12基板（以下、「ＧＳＧＧ基板」という）上に育成することにより４５度必要膜厚を５５０μｍ以下にすることもできるが、ＧＳＧＧ基板も高価で、３インチ基板が入手困難なため量産には向かない。
【０００６】
特開昭６３−１１２５００号公報におけるＴｂＧｄＢｉＡｌＩＧでは、Ｔｂの組成比が大きく、Ｔｂの吸収によりガーネット膜の損失が大きくなってしまう。特に、今後の波長多重光通信で使用が予想される１６２０nmではＴｂの吸収係数が１．５８ｄＢ／cmであるため、Ｔｂの吸収損失だけで０．１ｄＢ以上の損失となってしまう。
【０００７】
特開昭６２−２８８１９９号公報及び特開平２−５１４９４号公報におけるＴｂＹｂＢｉＩＧでは飽和磁界が大きく（特開昭６２−２８８１９９号公報では最低約８０ｋＡ／ｍ、特開平２−５１４９４号公報では１００ｋＡ／ｍ）、デバイスの小型化に伴う磁石の小型化に対応できない。また、特開平２−５１４９４号公報では損失は低減されたが、まだ０．２ｄＢ程度ある。
【０００８】
本発明の目的は、波長１５３０〜１６２０nmの広帯域においても低損失で、特性に優れた磁気光学ガーネット単結晶を提供することである。本発明の他の目的は、波長１５３０〜１６２０nmの広帯域において、損失が０．１ｄＢ以下、飽和磁界７２ｋＡ／ｍ以下、４５度必要膜厚５５０μｍ以下、温度特性０．０７度／℃以下と、総合的に優れた特性を呈する磁気光学ガーネット単結晶を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、ＴｂＢｉＩＧ系において、Ｇｄ，Ｙｂを共にガーネットの構成元素に加え、構成元素比率を適当な範囲に選定することにより、損失が小さく、且つ飽和磁界が小さく、さらにファラデー回転係数が大きいＴｂＧｄＹｂＢｉＩＧをＳＧＧＧ基板上に育成できることを見出した。本発明は、かかる知得に基づきなされたものである。
【００１０】
本発明は、格子定数１２．４９６±０．００３Åの（ＧｄＣａ）3 （ＧａＭｇＺｒ）5 Ｏ12基板上に育成された化学式Ｔｂx Ｇｄy Ｙｂ3-x-y-z Ｂｉz Ｆｅ5 Ｏ12で示されるビスマス置換型希土類鉄ガーネット単結晶であって、前記ｘ，ｙ，ｚが、
０．２≦ｘ≦（０．７１４ｚ2 −０．５２９ｚ＋０．６４０）
１．１≦ｘ＋ｙ＜１．８
０．９５≦ｚ≦１．３
を満たしている磁気光学ガーネット単結晶である。
【００１１】
一般に光アイソレータ等のファラデー回転子に組み込まれている永久磁石は磁界強度が強いサマリウムコバルト磁石であり、例えば内径１．５mm、外径３．５mm、長さ２．５mmの形状では内径の８０％以内で１７０ｋＡ／ｍ程度の磁界強度を持っている。しかし磁石の周囲に鉄製の部品が存在することにより磁界は８０ｋＡ／ｍ程度に低下するため、ファラデー素子（磁気光学ガーネット）の飽和に要する磁界は実用上７２ｋＡ／ｍ以下とすることが好ましい。ＴｂＧｄＹｂＢｉＩＧ系において、飽和に要する磁界を７２ｋＡ／ｍ以下にするためには、Ｔｂ量ｘとＧｄ量ｙの合計（ｘ＋ｙ）は１．１以上とする必要がある。その時、膜と基板の格子マッチングを考慮すると、Ｂｉ量ｚの上限は１．３となる。
【００１２】
ファラデー素子の４５度必要膜厚は５５０μｍ未満が好ましい。通常、４５度必要膜厚が５５０μｍ以上のとき、研磨を行ってもピット等が残り歩留まりが悪くなる。また必要膜厚が５５０μｍであるとき、鏡面出しや基板除去等の研磨しろは最低５０μｍであるため、育成膜厚は６００μｍよりも厚くなる。育成膜厚６００μｍ以上のＬＰＥ膜の育成は不可能ではないが、クラックが多くなり、さらに歩留まりが悪くなる。この２つの理由により、必要膜厚５５０μｍ未満であれば生産性の限界歩留まり３０％以上を確実に保つことができるといえる。そのためには、Ｂｉ量ｚは０．９５以上にする必要があり、その時、格子定数マッチングを考慮するとＴｂ量ｘとＧｄ量ｙの合計（ｘ＋ｙ）は１．８未満となる。なお、ここでいう歩留まりは、
歩留まり＝（１．７mm角の良品）／（３インチ基板から取り出しうる１．７mm角チップの総数）×１００
で算出される値である。
【００１３】
またＴｂ量ｘが少なくなると、ファラデー回転回数の温度特性が悪化する。Ｔｂ量ｘを０．２以上にすることにより温度特性が０．０７度／℃以下となる。
【００１４】
Ｔｂを含む鉄ガーネット単結晶膜には、Ｔｂの吸収損失の他に反射損失や鉄の２価４価によると考えられている損失があり、それらの合計が０．０３ｄＢ程度になる場合もある。波長１６２０nmでの損失を常に０．１ｄＢ以下とするには、Ｔｂの吸収損失は０．０７ｄＢ以下にする必要がある。Ｔｂの吸収損失は膜厚及びＴｂ量ｘの２項目に比例するため、Ｔｂの吸収損失の上限を決めるにはＴｂ量ｘを必要膜厚に関する項目で制限する必要がある。必要膜厚はＢｉ量ｚに支配されている。波長１６２０nmにおいて４５度回転必要膜厚でＴｂの吸収損失が０．０７ｄＢ以下の条件を満たす限界の組成のＴｂ量ｘ、Ｂｉ量ｚを実験から求めて式を立てると、Ｔｂ量ｘはＢｉ量ｚの経験式
ｘ≦（０．７１４ｚ2 −０．５２９ｚ＋０．６４０）
で制御される。実験で求めた損失が０．１ｄＢとなるときのＴｂ量ｘとＢｉ量ｚの関係を図１に示す。
【００１５】
本発明の範囲の組成であれば、前記３つの条件を満たすことにより、波長１６２０nmでも損失は０．１ｄＢ以下となる。温度特性は、一般的なＧｄＢｉＩＧの０．０８度／℃よりも確実に小さい０．０７度／℃以下である。また飽和磁界は７２ｋＡ／ｍ以下となり、通常のＴｂＢｉＩＧよりも小さくなる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
より好ましくは、格子定数１２．４９６±０．００３Åの（ＧｄＣａ）3 （ＧａＭｇＺｒ）5 Ｏ12基板上に育成された化学式Ｔｂx Ｇｄy Ｙｂ3-x-y-z Ｂｉz Ｆｅ5 Ｏ12で示されるビスマス置換型希土類鉄ガーネット単結晶であって、前記ｘ，ｙ，ｚが、
０．４≦ｘ≦（０．５０１ｚ2 −０．４３２ｚ＋０．５３８）
１．２≦ｘ＋ｙ＜１．５
１．１≦ｚ≦１．２５
を満たすようにすることである。このようにすると、４５度ファラデー回転角を得るための必要膜厚が５００μｍ以下でよく、損失０．０８ｄＢ以下、２５℃〜５０℃の範囲での温度特性０．０６５度／℃以下、飽和に要する磁界６８ｋＡ／ｍ以下にできる。
【００１７】
特に、格子定数が１２．４９６±０．００３Åである（ＧｄＣａ）3 （ＧａＭｇＺｒ）5 Ｏ12基板上に育成された化学式Ｔｂ0.5 Ｇｄ0.7 Ｙｂ0.6 Ｂｉ1.2 Ｆｅ5 Ｏ12で示される磁気光学ガーネット単結晶は、最適特性を示す。
【００１８】
本発明に係る磁気光学ガーネット単結晶は、基板上にＬＰＥ法で育成するのが好ましい。この磁気光学ガーネット単結晶は、特に使用波長１５３０〜１６２０nmの広帯域で使用する４５度ファラデー回転子のファラデー素子として有用である。
【００１９】
【実施例】
（実施例１）
ＰｂＯ−Ｂ2 Ｏ3 −Ｂｉ2 Ｏ3 をフラックスとし、ＬＰＥ法により、格子定数１２．４９６Å、組成が（ＧｄＣａ）3 （ＧａＭｇＺｒ）5 Ｏ12である直径３インチ、厚み１１７０μｍのＳＧＧＧ基板の（１１１）面上に、Ｂｉ置換希土類ガーネット単結晶膜（ＬＰＥ膜、組成：Ｔｂ0.75Ｇｄ0.5 Ｙｂ0.6 Ｂｉ1.15Ｆｅ5 Ｏ12、膜厚４６１μｍ）を、融液温度７７８℃で育成した。組成はＩＰＣ（誘導結合プラズマ）発光分光分析法により求めた。
【００２０】
得られたＬＰＥ膜を７．６mm角に切断し、鏡面研磨を行い、３７９μｍ（波長１５５０nm用）と４１７μｍ（波長１６２０nm用）に仕上げた。その時、基板は完全に除去した。研磨したＬＰＥ膜に反射防止膜を蒸着し、その後、１．７mm角に切断した試料で評価した。この製造工程での歩留まりは６２％であった。
【００２１】
３７９μｍ膜の波長１５５０nmでのファラデー回転角は４５．０度であり、４１７μｍ膜の波長１６２０nmでのファラデー回転角は４４．９度であった。損失は、波長１５５０nmでは０．０４ｄＢ、波長１６２０nmでは０．０８ｄＢであった。温度特性は、両波長において２５℃〜５０℃の範囲で０．０６１度／℃であった。また飽和に要する磁界は６５ｋＡ／ｍであった。
【００２２】
（実施例２）
実施例１と同様の方法でＬＰＥ膜の育成を行い、Ｂｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜（ＬＰＥ膜、組成：Ｔｂ0.5 Ｇｄ0.7 Ｙｂ0.6 Ｂｉ1.2 Ｆｅ5 Ｏ12、膜厚４５５μｍ）を融液温度７７２℃で育成した。実施例１と同様に加工を行い、３７２μｍ（波長１５５０nm用）と４１０μｍ（波長１６２０nm用）に仕上げ、評価を行った。この製造工程での歩留まりは６０％であった。
【００２３】
３７２μｍ膜の波長１５５０nmでのファラデー回転角は４５．１度であり、４１０μｍ膜の波長１６２０nmでのファラデー回転角は４５．０度であった。損失は、波長１５５０nmでは０．０４ｄＢ、波長１６２０nmでは０．０７ｄＢであった。温度特性は、両波長において２５℃〜５０℃の範囲で０．０６４度／℃であった。また飽和に要する磁界は６８ｋＡ／ｍであった。
【００２４】
（実施例３）
実施例１と同様の方法でＬＰＥ膜の育成を行い、Ｂｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜（ＬＰＥ膜、組成：Ｔｂ0.7 Ｇｄ1.0 Ｙｂ0.35Ｂｉ0.95Ｆｅ5 Ｏ12、膜厚５６４μｍ）を融液温度８１０℃で育成した。実施例１と同様に加工を行い、４６４μｍ（波長１５５０nm用）と５１２μｍ（波長１６２０nm用）に仕上げ、評価を行った。この製造工程での歩留まりは４２％であった。
【００２５】
４６４μｍ膜の波長１５５０nmでのファラデー回転角は４５．０度であり、５１２μｍ膜の波長１６２０nmでのファラデー回転角は４５．０度であった。損失は、波長１５５０nmでは０．０５ｄＢ、波長１６２０nmでは０．０９ｄＢであった。温度特性は、両波長において２５℃〜５０℃の範囲で０．０６４度／℃であった。また飽和に要する磁界は５０ｋＡ／ｍであった。
【００２６】
（比較例１）
実施例１と同様の方法でＬＰＥ膜の育成を行い、Ｂｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜（ＬＰＥ膜、組成：Ｔｂ1.2 Ｇｄ0.1 Ｙｂ0.5 Ｂｉ1.2 Ｆｅ5 Ｏ12、膜厚４６２μｍ）を融液温度７７３℃で育成した。実施例１と同様に加工を行い、３７４μｍ（波長１５５０nm用）と４１５μｍ（波長１６２０nm用）に仕上げ、評価を行った。この製造工程での歩留まりは５６％であった。
【００２７】
３７４μｍ膜の波長１５５０nmでのファラデー回転角は４５．０度であり、４１５μｍ膜の波長１６２０nmでのファラデー回転角は４４．９度であった。損失は、波長１５５０nmでは０．０５ｄＢであったが、波長１６２０nmでは０．１１ｄＢと大きかった。温度特性は、両波長において２５℃〜５０℃の範囲で０．０５８度／℃であった。また飽和に要する磁界は６８ｋＡ／ｍであった。
【００２８】
（比較例２）
実施例１と同様の方法でＬＰＥ膜の育成を行い、Ｂｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜（ＬＰＥ膜、組成：Ｔｂ0.45Ｇｄ0.45Ｙｂ0.75Ｂｉ1.35Ｆｅ5 Ｏ12、膜厚３７８μｍ）を融液温度７６５℃で育成した。実施例１と同様に加工を行い、３０１μｍ（波長１５５０nm用）と３３６μｍ（波長１６２０nm用）に仕上げ、評価を行った。この時、歩留まりは６９％であった。
【００２９】
３０１μｍ膜の波長１５５０nmでのファラデー回転角は４４．９度であり、３３６μｍ膜の波長１６２０nmでのファラデー回転角は４５．２度であった。損失は、波長１５５０nmでは０．０４ｄＢ、波長１６２０nmでは０．０６ｄＢであった。温度特性は、両波長において２５℃〜５０℃の範囲で０．０６６度／℃であった。しかし、飽和に要する磁界は８３ｋＡ／ｍと大きかった。
【００３０】
（比較例３）
実施例１と同様の方法でＬＰＥ膜の育成を行い、Ｂｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜（ＬＰＥ膜、組成：Ｔｂ0.65Ｇｄ1.25Ｙｂ0.25Ｂｉ0.85Ｆｅ5 Ｏ12、膜厚６２９μｍ）を融液温度８２４℃で育成した。しかし、この膜は他の膜と異なり、育成後多数のクラックが発生していた。実施例１と同様に加工を行い、５４０μｍ（波長１５５０nm用）と５８６μｍ（波長１６２０nm用）に仕上げ、評価を行った。この製造工程での歩留まりは僅か６％であった。
【００３１】
５４０μｍ膜の波長１５５０nmでのファラデー回転角は４５．０度であり、５８６μｍ膜の波長１６２０nmでのファラデー回転角は４４．９度であった。損失は、波長１５５０nmでは０．０４ｄＢ、波長１６２０nmでは０．０９ｄＢであった。温度特性は、両波長において２５℃〜５０℃の範囲で０．０６２度／℃であった。また飽和に要する磁界は４４ｋＡ／ｍであった。
【００３２】
（比較例４）
実施例１と同様の方法でＬＰＥ膜の育成を行い、Ｂｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜（ＬＰＥ膜、組成：Ｔｂ0.1 Ｇｄ1.1 Ｙｂ0.55Ｂｉ1.25Ｆｅ5 Ｏ12、膜厚４２９μｍ）を融液温度７６７℃で育成した。実施例１と同様に加工を行い、３３１μｍ（波長１５５０nm用）と３７２μｍ（波長１６２０nm用）に仕上げ、評価を行った。この製造工程での歩留まりは６３％であった。
【００３３】
３３１μｍ膜の波長１５５０nmでのファラデー回転角は４５．０度であり、３７２μｍ膜の波長１６２０nmでのファラデー回転角は４５．０度であった。損失は、波長１５５０nmでは０．０４ｄＢ、波長１６２０nmでは０．０７ｄＢであった。しかし、温度特性は、両波長において２５℃〜５０℃の範囲で０．０７１度／℃であった。また飽和に要する磁界は６８ｋＡ／ｍであった。
【００３４】
各実施例と各比較例についての組成、特性一覧、及び判定結果を表１に示す。
【００３５】
【表１】
0003698933.tif 000002
【００３６】
【発明の効果】
本発明は上記のように構成したことにより、波長１５３０〜１６２０nmの広帯域において、損失が０．１ｄＢ以下、飽和磁界７２ｋＡ／ｍ以下、ファラデー回転角４５度必要膜厚５５０μｍ以下、２５℃〜５０℃の温度特性０．０７度／℃以下と、総合的に優れた特性を呈する磁気光学ガーネット単結晶が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実験で求めた損失が０．１ｄＢとなるときのＴｂ量ｘとＢｉ量ｚの関係を示すグラフ。
【図１】
0003698933.tif 000003