(57)【要約】【課題】ファラデー回転角の温度特性が従来に比べて一段と改良された、ホスト希土類元素にTbを用いたガーネット単結晶の製造方法を提供する。【解決手段】LPE法によって、波長1.3μｍ帯域用のビスマス置換型テルビウム−鉄−ガーネット単結晶を、格子定数12.465Å以上且つ12.480Å以下の 非磁性ガーネット結晶基板上に育成し、波長1.5μｍ帯域用のビスマス置換型テルビウム−鉄−ガーネット単結晶は、格子定数12.467Å以上且つ12.475Å以下の 非磁性ガーネット結晶基板上に育成することを特徴とする、ビスマス置換型テルビウム−鉄−ガーネット単結晶の製造方法。【特許請求の範囲】
【請求項１】
格子定数が12.465Å以上且つ12.480Å以下の 非磁性ガーネット結晶基板上にLPE法によってビスマス置換型テルビウム−鉄−ガーネット単結晶を育成することを特徴とする、ビスマス置換型テルビウム−鉄−ガーネット単結晶の製造方法。
【請求項２】
格子定数が12.465Å以上且つ12.480Å以下の 非磁性ガーネット結晶基板上にLPE法によって波長1.3μｍ帯域用ビスマス置換型テルビウム−鉄−ガーネット単結晶を育成することを特徴とする、ビスマス置換型テルビウム−鉄−ガーネット単結晶の製造方法。
【請求項３】
格子定数が12.467Å以上且つ12.475Å以下の 非磁性ガーネット結晶基板上にLPE法によって波長1.5μｍ帯域用ビスマス置換型テルビウム−鉄−ガーネット単結晶を育成することを特徴とする、ビスマス置換型テルビウム−鉄−ガーネット単結晶の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ファラデー効果を利用した光アイソレータ及び各種センサ等に用いるガーネット単結晶の製造方法に関するものであり、詳しくは、ビスマス(Bi)置換型のテルビウム(Tb)−鉄(Fe)−ガーネット単結晶の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光源を半導体レーザとする光応用機器において、光コネクタ等の端面からの反射光が光源の半導体レーザに戻ると、発振モードに変化が生じ雑音の原因となる。この戻り光を阻止するために光アイソレータが使用されている。波長約1.31〜1.55μｍ用のファラデー回転子には、従来からFZ法により作製されたバルク型YIG単結晶が使用されてきたが、製造コストが非常にかさむことと、製造工程が複雑なため、近年は、LPE（液相エピタキシャル）法により育成された低コスト、高性能のファラデー回転子が考案されている。
【０００３】
ファラデー回転子に求められる条件としては、透過光の挿入損失が小さいことと、ファラデー回転角の温度依存が小さいこと等が挙げられる。このうち、ファラデー回転角の温度依存に関して特許文献１に示すように、ホスト希土類元素にTbを用いたビスマス置換型のTb−Fe−ガーネット単結晶（以下、必要に応じて単に、ガーネット単結晶と記す）によって温度依存が非常に小さいファラデー回転子が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特公平０３−６９８４７号公報（第２−５頁、第１図）
【０００５】
前記特許文献１では、波長1.3μｍ帯域においては格子常数12.438Åの非磁性サマリウム・ガリウム・ガーネット基板｛111｝上に、Tb含有量x：2.6のガーネット単結晶を育成したものが、最もファラデー回転係数の変化率が低く温度依存性が良いことが示されている。前記変化率を１℃当たりのファラデー回転角の変化角度に直すと、22.5度当りの変化率は絶対値で0.0027度/℃が最も低く、温度特性が良いことが分かる。
【０００６】
又、波長1.5μｍ帯域においては格子常数12.438Åの非磁性サマリウム・ガリウム・ガーネット基板｛111｝上に、Tb含有量x：2.7のガーネット単結晶を育成したものが、最もファラデー回転係数の変化率が低く温度依存性が良いことが示されている。前記変化率を１℃当たりのファラデー回転角の変化角度に直すと、22.5度当りの変化率は絶対値で0.0081度/℃が最も低く、温度特性が良いことが分かる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
最近、前記光応用機器に対して耐環境性の要求が厳しくなり、光アイソレータもその要求に伴って、より幅広い温度帯域に亘って性能が一定で安定した特性が望まれるようになっている。このような昨今の要求に照らし合わせると、特許文献１記載のガーネット単結晶でも、温度に対するファラデー回転角の変化幅は大きく、周囲の環境温度に対して著しい依存性を示すとの評価になってしまっていた。そこで、一段と温度特性が改善されたガーネット単結晶の製造方法の確立が望まれている。
【０００８】
本発明は上記課題に鑑みて成されたものであり、その目的はファラデー回転角の温度特性が従来に比べて一段と改良された、ホスト希土類元素にTbを用いたガーネット単結晶の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の請求項１記載の発明は、格子定数が12.465Å以上且つ12.480Å以下の 非磁性ガーネット結晶基板上にLPE法によってビスマス置換型テルビウム−鉄−ガーネット単結晶を育成することを特徴とする、ビスマス置換型テルビウム−鉄−ガーネット単結晶の製造方法である。
【００１０】
又、本発明の請求項２記載の発明は、格子定数が12.465Å以上且つ12.480Å以下の 非磁性ガーネット結晶基板上にLPE法によって波長1.3μｍ帯域用ビスマス置換型テルビウム−鉄−ガーネット単結晶を育成することを特徴とする、ビスマス置換型テルビウム−鉄−ガーネット単結晶の製造方法である。
【００１１】
又、本発明の請求項３記載の発明は、格子定数が12.467Å以上且つ12.475Å以下の 非磁性ガーネット結晶基板上にLPE法によって波長1.5μｍ帯域用ビスマス置換型テルビウム−鉄−ガーネット単結晶を育成することを特徴とする、ビスマス置換型テルビウム−鉄−ガーネット単結晶の製造方法である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の請求項１記載のガーネット単結晶の製造方法に依れば、温度特性に優れたガーネット単結晶の製造が可能となる。従って、従来のガーネット単結晶と比較して、一層環境温度の変化に対してファラデー回転角が影響を受けにくく安定な特性が得られるガーネット単結晶が実現可能となる。
【００１３】
更に、本発明の請求項２記載のガーネット単結晶の製造方法に依れば、波長1.3μｍ帯域において、温度特性が絶対値で0.0027度/℃未満と、優れたガーネット単結晶の製造が可能となる。従って、従来の波長1.3μｍ帯域用のガーネット単結晶と比較して、波長1.3μｍ帯域において、一層、環境温度の変化に対してファラデー回転角が影響を受けにくく安定な特性が得られるガーネット単結晶が実現可能となる。
【００１４】
又、本発明の請求項３記載のガーネット単結晶の製造方法に依れば、波長1.5μｍ帯域において、温度特性が絶対値で0.0081度/℃未満と優れたガーネット単結晶の製造が可能となる。従って、従来の波長1.5μｍ帯域用のガーネット単結晶と比較して、波長1.5μｍ帯域において、一層環境温度の変化に対してファラデー回転角が影響を受けにくく安定な特性が得られるガーネット単結晶が実現可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
＜第１の実施形態＞
以下に、本発明の第１の実施形態を説明する。融剤として酸化鉛(PbO)、酸化ホウ素(B2O3)を、又、酸化物ガーネットエピタキシャル膜を形成させる金属酸化物として、ガーネット原料の酸化テルビウム(Tb4O7)、酸化ビスマス(Bi2O3)、及び酸化鉄(Fe2O3)の各粉末を混合して白金坩堝内に入れて加熱溶融する。溶融液の組成は種々の異なるものを用いるが、組成比は通常、原料の組成比を示すRパラメータで示され、本実施形態で用いる溶融液の組成範囲は、R1＝Fe2O3／Tb4O7＝30、R3=PbO／Bi2O3＝7.5、R4=Bi除くガーネット成分／全成分＝0.1、R6=PbO／Bi2O3＝2.2である。
【００１６】
1000℃に加熱溶融して十分に撹拌して均一に混合したのち、この溶融液の液面に、直径50ｍｍ、厚さ0.5ｍｍで格子定数12.475Aで、組成(GdCa)3(GaMgZr)5O12を持つ面方位｛111｝の非磁性ガーネット結晶基板（以下、SGGG基板という）を浸し、LPE法によって前記{111}面上に、ビスマス置換型テルビウム−鉄−ガーネット単結晶を821℃、大気雰囲気中で育成させた。
【００１７】
育成したガーネット単結晶の厚みは約380μｍであった。又、育成されたガーネット単結晶の結晶格子定数はSGGG基板の格子定数に依存し、12.4745Åであった。これらの格子定数を有する(TbBi)3(Fe)5O12で示される組成のガーネット単結晶のSGGG基板を除去し、364μｍの厚さまで研磨し、両面に無反射コート膜を蒸着した。そのガーネット単結晶に関して、ファラデー回転角と波長1.31μmに対する-10〜+80℃範囲内での１℃当たりの回転角の変化量（温度特性）を測定した。その結果、ファラデー回転角は22.5度で、その温度特性は-0.00185度/℃であった。温度と共に回転角が増大する場合は+、減少する場合は-の符号で表す。
【００１８】
この温度特性：-0.00185度/℃は、特許文献１で示されている、波長1.3μm帯域での温度特性0.0027度/℃を上回る良好な結果であった（温度特性は絶対値で示している）。従って、従来の波長1.3μｍ帯域用のガーネット単結晶と比較して、一層、環境温度の変化に対してファラデー回転角が影響を受けにくく安定な特性が得られるガーネット単結晶が実現可能となる。
【００１９】
＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態を説明する。なお、第１の実施形態と同一箇所の説明は重複するので、適宜省略する。融剤及び金属酸化物の原料は第１の実施形態と同一のものを用い、溶融液の組成範囲も第１の実施形態と同一である。
【００２０】
加熱溶融、撹拌して均一に混合したのち、溶融液の液面に、直径50ｍｍ、厚さ0.5ｍｍで格子定数12.467Aで、組成(GdCa)3(GaMgZr)5O12を持つ面方位｛111｝のSGGG基板を浸し、LPE法によって前記{111}面上に、ビスマス置換型テルビウム−鉄−ガーネット単結晶を826℃、大気雰囲気中で育成させた。
【００２１】
育成したガーネット単結晶の厚みは約480μｍであった。又、育成されたガーネット単結晶の結晶格子定数は12.470Åであった。次にSGGG基板を除去し、453μｍの厚さまで研磨し、両面に無反射コート膜を蒸着した。そのガーネット単結晶に関して、ファラデー回転角と波長1.31μmに対する-10〜+80℃範囲内での温度特性を測定した。その結果、ファラデー回転角は22.5度で、その温度特性は+0.00175度/℃であった。
【００２２】
この温度特性：+0.00175度/℃は、特許文献１で示されている、波長1.3μm帯域での温度特性0.0027度/℃を上回る良好な結果であった（温度特性は絶対値で示している）。従って、従来の波長1.3μｍ帯域用のガーネット単結晶と比較して、一層、環境温度の変化に対してファラデー回転角が影響を受けにくく安定な特性が得られるガーネット単結晶が実現可能となる。
【００２３】
＜第１の比較例＞
次に、上記第１及び第２の実施形態に対する第１の比較例を示す。なお、前記各実施形態と同一箇所の説明は重複するので、適宜省略する。融剤及び金属酸化物の原料は前記各実施形態と同一のものを用い、溶融液の組成範囲も前記第１の実施形態と同一である。
【００２４】
加熱溶融、撹拌して均一に混合したのち、溶融液の液面に、直径50ｍｍ、厚さ0.5ｍｍで格子定数12.497Aで、組成(GdCa)3(GaMgZr)5O12を持つ面方位｛111｝のSGGG基板を浸し、LPE法によって前記{111}面上に、ビスマス置換型テルビウム−鉄−ガーネット単結晶を818℃、大気雰囲気中で育成させた。
【００２５】
育成したガーネット単結晶の厚みは約200μｍであった。又、育成されたガーネット単結晶の結晶格子定数は12.495Åであった。次にSGGG基板を除去し、181μｍの厚さまで研磨し、両面に無反射コート膜を蒸着した。そのガーネット単結晶に関して、ファラデー回転角と波長1.31μmに対する-10〜+80℃範囲内での温度特性を測定した。その結果、ファラデー回転角は22.5度で、その温度特性は-0.0169度/℃であった。
【００２６】
この温度特性：-0.0169度/℃は、特許文献１で示されている、波長1.3μm帯域での温度特性0.0027度/℃を下回る結果であった（温度特性は絶対値で示している）。
【００２７】
＜第２の比較例＞
次に、上記第１及び第２の実施形態に対する第２の比較例を示す。なお、前記各実施形態と同一箇所の説明は重複するので、適宜省略する。融剤及び金属酸化物の原料は前記各実施形態と同一のものを用い、溶融液の組成範囲も前記第１の実施形態と同一である。
【００２８】
加熱溶融、撹拌して均一に混合したのち、溶融液の液面に、直径50ｍｍ、厚さ0.5ｍｍで格子定数12.464Aで、組成(GdCa)3(GaMgZr)5O12を持つ面方位｛111｝のSGGG基板を浸し、LPE法によって前記{111}面上に、ビスマス置換型テルビウム−鉄−ガーネット単結晶を816℃、大気雰囲気中で育成させた。
【００２９】
育成したガーネット単結晶の厚みは約600μｍであった。又、育成されたガーネット単結晶の結晶格子定数は12.463Åであった。次にSGGG基板を除去し、585μｍの厚さまで研磨し、両面に無反射コート膜を蒸着した。そのガーネット単結晶に関して、ファラデー回転角と波長1.31μmに対する-10〜+80℃範囲内での温度特性を測定した。その結果、ファラデー回転角は22.5度で、その温度特性は+0.0130度/℃であった。
【００３０】
この温度特性：+0.0130度/℃は、特許文献１で示されている、波長1.3μm帯域での温度特性0.0027度/℃を下回る結果であった（温度特性は絶対値で示している）。従って、以上の第１及び第２の比較例より、従来の波長1.3μｍ帯域用のガーネット単結晶よりも温度特性を改善するためには、格子定数を12.465Å以上且つ12.480Å以下に設定されたSGGG基板によりガーネット単結晶を育成するのが望ましいことが導き出される。
【００３１】
＜第３の実施形態＞
次に、本発明の第３の実施形態を説明する。なお、前記各実施形態と同一箇所の説明は重複するので、適宜省略する。融剤及び金属酸化物の原料は前記各実施形態と同一のものを用いるが、溶融液の組成範囲は、R1＝30、R3＝7.5、R4=0.1、R6=2.1に変更した。
【００３２】
加熱溶融、撹拌して均一に混合したのち、溶融液の液面に、直径50ｍｍ、厚さ0.5ｍｍで格子定数12.470Aで、組成(GdCa)3(GaMgZr)5O12を持つ面方位｛111｝の非磁性ガーネット結晶基板（以下、SGGG基板という）を浸し、LPE法によって前記{111}面上に、ビスマス置換型テルビウム−鉄−ガーネット単結晶を830℃、大気雰囲気中で育成させた。
【００３３】
育成したガーネット単結晶の厚みは約500μｍであった。又、育成されたガーネット単結晶の結晶格子定数は、12.471Åであった。次にSGGG基板を除去し、415μｍの厚さまで研磨し、両面に無反射コート膜を蒸着した。そのガーネット単結晶に関して、ファラデー回転角と波長1.55μmに対する-10〜+80℃範囲内での温度特性を測定した。その結果、ファラデー回転角は15度で、その温度特性は-0.0051度/℃であった。従って、ファラデー回転角22.5度相当では、-0.00765度/℃であった。
【００３４】
この温度特性：-0.00765度/℃は、特許文献１で示されている、波長1.5μm帯域での温度特性0.0081度/℃を上回る良好な結果であった（温度特性は絶対値で示している）。従って、従来の波長1.5μｍ帯域用のガーネット単結晶と比較して、一層、環境温度の変化に対してファラデー回転角が影響を受けにくく安定な特性が得られるガーネット単結晶が実現可能となる。
【００３５】
＜第４の実施形態＞
次に、本発明の第４の実施形態を説明する。なお、前記各実施形態と同一箇所の説明は重複するので、適宜省略する。融剤及び金属酸化物の原料は前記各実施形態と同一のものを用い、溶融液の組成範囲も第３の実施形態と同一である。
【００３６】
加熱溶融、撹拌して均一に混合したのち、溶融液の液面に、直径50ｍｍ、厚さ0.5ｍｍで格子定数12.468Aで、組成(GdCa)3(GaMgZr)5O12を持つ面方位｛111｝の非磁性ガーネット結晶基板（以下、SGGG基板という）を浸し、LPE法によって前記{111}面上に、ビスマス置換型テルビウム−鉄−ガーネット単結晶を850℃、大気雰囲気中で育成させた。
【００３７】
育成したガーネット単結晶の厚みは約525μｍであった。又、育成されたガーネット単結晶の結晶格子定数は、12.4675Åであった。次にSGGG基板を除去し、505μｍの厚さまで研磨し、両面に無反射コート膜を蒸着した。そのガーネット単結晶に関して、ファラデー回転角と波長1.55μmに対する-10〜+80℃範囲内での温度特性を測定した。その結果、ファラデー回転角は15度で、その温度特性は+0.0005度/℃であった。従って、ファラデー回転角22.5度相当では、+0.00075度/℃であった。
【００３８】
この温度特性：+0.00075度/℃は、特許文献１で示されている、波長1.5μm帯域での温度特性0.0081度/℃を上回る良好な結果であった（温度特性は絶対値で示している）。従って、従来の波長1.5μｍ帯域用のガーネット単結晶と比較して、一層、環境温度の変化に対してファラデー回転角が影響を受けにくく安定な特性が得られるガーネット単結晶が実現可能となる。
【００３９】
＜第３の比較例＞
次に、上記第３及び第４の実施形態に対する第３の比較例を示す。なお、前記第３及び第４の実施形態と同一箇所の説明は重複するので、適宜省略する。融剤及び金属酸化物の原料は前記各実施形態と同一のものを用い、溶融液の組成範囲も前記第３の実施形態と同一である。
【００４０】
加熱溶融、撹拌して均一に混合したのち、溶融液の液面に、直径50ｍｍ、厚さ0.5ｍｍで格子定数12.480Aで、組成(GdCa)3(GaMgZr)5O12を持つ面方位｛111｝のSGGG基板を浸し、LPE法によって前記{111}面上に、ビスマス置換型テルビウム−鉄−ガーネット単結晶を801℃、大気雰囲気中で育成させた。
【００４１】
育成したガーネット単結晶の厚みは約380μｍであった。又、育成されたガーネット単結晶の結晶格子定数は12.481Åであった。次にSGGG基板を除去し、367μｍの厚さまで研磨し、両面に無反射コート膜を蒸着した。そのガーネット単結晶に関して、ファラデー回転角と波長1.55μmに対する-10〜+80℃範囲内での温度特性を測定した。その結果、ファラデー回転角は22.5度で、その温度特性は-0.0165度/℃であった。
【００４２】
この温度特性：-0.0165度/℃は、特許文献１で示されている、波長1.5μm帯域での温度特性0.0081度/℃を下回る結果であった（温度特性は絶対値で示している）。
【００４３】
＜第４の比較例＞
次に、上記第３及び第４の実施形態に対する第４の比較例を示す。なお、前記第３及び第４の実施形態と同一箇所の説明は重複するので、適宜省略する。融剤及び金属酸化物の原料は前記各実施形態と同一のものを用い、溶融液の組成範囲も前記第３の実施形態と同一である。
【００４４】
加熱溶融、撹拌して均一に混合したのち、溶融液の液面に、直径50ｍｍ、厚さ0.5ｍｍで格子定数12.466Aで、組成(GdCa)3(GaMgZr)5O12を持つ面方位｛111｝のSGGG基板を浸し、LPE法によって前記{111}面上に、ビスマス置換型テルビウム−鉄−ガーネット単結晶を800℃、大気雰囲気中で育成させた。
【００４５】
育成したガーネット単結晶の厚みは約550μｍであった。又、育成されたガーネット単結晶の結晶格子定数は12.465Åであった。次にSGGG基板を除去し、500μｍの厚さまで研磨し、両面に無反射コート膜を蒸着した。そのガーネット単結晶に関して、ファラデー回転角と波長1.55μmに対する-10〜+80℃範囲内での温度特性を測定した。その結果、ファラデー回転角は22.5度で、その温度特性は+0.010度/℃であった。
【００４６】
この温度特性：+0.010度/℃は、特許文献１で示されている、波長1.5μm帯域での温度特性0.0081度/℃を下回る結果であった（温度特性は絶対値で示している）。従って、以上の第３及び第４の比較例より、従来の波長1.5μｍ帯域用のガーネット単結晶よりも温度特性を改善するためには、格子定数を12.467Å以上且つ12.475Å以下に設定されたSGGG基板によりガーネット単結晶を育成するのが望ましいことが導き出される。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明の製造方法で育成されたガーネット単結晶は、ファラデー回転角の温度依存が小さく、低挿入損失であることから、光応用機器等の部材として利用することが可能である。