(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一般式 ＢｉｘＹｂｙＧｄｚＭ１３−ｘ−ｙ−ｚＦｅｗＭ２ｕＭ３５−ｗ−ｕＯ１２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Ｐｂを含む１種以上の元素、
Ｍ２はＧａ、Ａｌのうち１種以上の元素、
Ｍ３はＴｉ、Ｐｔ、Ｇｅのうち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
ｘ＋ｙ＋ｚ＜３
ｗ＋ｕ＜５
を満足する。
【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。
【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。
【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。
【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（ＢｉｘＲｅｙＧｄ５−ｘ−ｙ）Ｆｅ５Ｏ１２、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Ｇｄ３−ｘＢｉｘＦｅ５−ｙ−ｚＧａｙＡｌｚＯ１２（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５００μｍ、波長１５５０ｎｍの光アッテネータ用の場合には１０００〜１２００μｍ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  ＢｉｘＹｂｙＧｄｚＭ１３−ｘ−ｙ−ｚＦｅｗＭ２ｕＭ３５−ｗ−ｕＯ１２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、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１０００（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１２５０ｄｅｇ／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７２０〜８４０μｍ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（Ｏｅ）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］
Ｙｂ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｂｉ２Ｏ３、ＰｂＯ、Ｆｅ２Ｏ３、Ｇａ２Ｏ３、Ｂ２Ｏ３およびＧｅＯ２を各々９．２０９（ｇ）、８．４７１（ｇ）、１４６２．０（ｇ）、１１７７．４（ｇ）、２３１．９（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４５ｄｅｇ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、Ｂｉ１．３７Ｙｂ０．６７Ｇｄ０．９３Ｐｂ０．０３Ｆｅ４．１６Ｇａ０．８１Ｇｅ０．０２Ｐｔ０．０１Ｏ１２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］
Ｙｂ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｂｉ２Ｏ３、ＰｂＯ、Ｆｅ２Ｏ３、Ｇａ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｂ２Ｏ３およびＴｉＯ２を各々４．２７０（ｇ）、１０．９９１（ｇ）、１０４４．２（ｇ）、８３３．５（ｇ）、１４３．３（ｇ）、１０．４０（ｇ）、５．６５（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４５ｄｅｇ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、Ｂｉ１．１７Ｙｂ０．３６Ｇｄ１．４４Ｐｂ０．０３Ｆｅ４．１９Ｇａ０．３９Ａｌ０．３９Ｔｉ０．０２Ｐｔ０．０１Ｏ１２なる組成であり、表１に示す特性であった。
【００２２】
【表１】
0003649935.tif 000002
【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。