(57)【要約】      （修正有）【課題】本発明は、ファラデー回転子及びそれを備えた光デバイスに関し、挿入損失をより低減できるファラデー回転子及びそれを備えた光デバイスを提供する。【解決手段】化学式Ｂｉ３−ｘ−ｙＲｘＡｙＦｅ５−ｚ−ｗＭｚＢｗＯ１２（ＲはＹを含む希土類元素のうち少なくとも１種の元素、ＡはＰｂ、Ｃａ、Ｃｄのうち少なくとも１種の元素であり、ｘ、ｙは１．５＜ｘ＋ｙ＜２．５を満たす。ＭはＧａ、Ａｌ、Ｓｃ、Ｉｎのうち少なくとも１種の元素、ＢはＳｉ、Ｔｉ、Ｇｅ、Ｐｔ、Ｍｇのうち少なくとも１種の元素であり、ｚ、ｗは０≦ｚ＋ｗ＜１．５を満たす。）で表され、光が入出射する２つの表面の一方でのｙ、ｗの値をｙ１、ｗ１とし、他方でのｙ、ｗの値をｙ２、ｗ２としたとき、ｙ２≦ｙ１≦２ｙ２、ｗ２≦ｗ１≦２ｗ２の関係を満たすＢｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜を有するようにする。【選択図】図３
2004206078.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｂｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜と、前記単結晶膜に形成され、光が入出射する２つの表面とを備えたファラデー回転子であって、
前記単結晶膜は、化学式Ｂｉ３−ｘ−ｙＲｘＡｙＦｅ５−ｚ−ｗＭｚＢｗＯ１２（ここで、Ｒは、Ｙを含む希土類元素のうちから選択される少なくとも１種類の元素であり、Ａは、Ｐｂ、Ｃａ及びＣｄのうちから選択される少なくとも１種類の元素であり、ｘ及びｙは、１．５＜ｘ＋ｙ＜２．５の関係を満たしている。Ｍは、Ｇａ、Ａｌ、Ｓｃ及びＩｎのうちから選択される少なくとも１種類の元素であり、Ｂは、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｇｅ、Ｐｔ及びＭｇのうちから選択される少なくとも１種類の元素であり、ｚ及びｗは、０≦ｚ＋ｗ＜１．５の関係を満たしている。）で表され、
前記２つの表面のうち一方での前記ｙの値をｙ１とし、他方での前記ｙの値をｙ２としたとき、ｙ２≦ｙ１≦２ｙ２の関係を満たし、
前記２つの表面のうち一方での前記ｗの値をｗ１とし、他方での前記ｗの値をｗ２としたとき、ｗ２≦ｗ１≦２ｗ２の関係を満たすこと
を特徴とするファラデー回転子。
【請求項２】
請求項１記載のファラデー回転子において、
前記ｙ１及び前記ｙ２は、ｙ１≒ｙ２の関係を満たし、
前記ｗ１及び前記ｗ２は、ｗ１≒ｗ２の関係を満たすこと
を特徴とするファラデー回転子。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のファラデー回転子において、
前記ｙは、０＜ｙ＜０．１をさらに満足し、
前記ｗは、０≦ｗ＜０．１をさらに満足すること
を特徴とするファラデー回転子。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のファラデー回転子において、
前記Ｂは、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｇｅ及びＭｇのうちから選択される少なくとも１種類の元素であり、Ｐｔを含まないこと
を特徴とするファラデー回転子。
【請求項５】
複数の光学素子からなる光デバイスであって、
前記光学素子は、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のファラデー回転子を含むこと
を特徴とする光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信システムに用いられ、Ｂｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜を有するファラデー回転子及びそれを備えた光デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
液相エピタキシャル（ＬＰＥ）法で育成されたＢｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜（以下、単に「ガーネット単結晶膜」ともいう）は、光アイソレータや光サーキュレータなどの通信用光デバイスに多く使用されている。光アイソレータは、光を一方向にだけ伝え、途中で反射して戻って来る光を阻止する役割を持った光デバイスである。ファラデー回転子は、ファラデー効果により光の偏光面を回転させる機能を有し、光アイソレータに用いられる場合には偏光面を４５度（ｄｅｇ．）回転させる。光通信システムでは、これらの通信用光デバイスが多数使用されている。
【０００３】
近年、通信市場が大きくなるとともに、光通信システムの低コスト化が強く要求されている。光通信システムの低コスト化のためには、光通信システムに使用される光デバイスの数を削減するのが有効である。そこで、光デバイスの挿入損失を可能な限り低減させて光ファイバを通る光の到達距離を伸ばすことにより、光デバイスの使用数量を削減することが要求されている。光デバイスに用いられるファラデー回転子にも挿入損失の低減が要求されている。
【０００４】
ファラデー回転子に挿入損失が発生する要因としては、以下の３つが考えられる。第１の要因は、ファラデー回転子を構成するＢｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜の元素に固有の光吸収である。第２の要因は、ガーネット単結晶膜を構成するイオン全体の電荷のバランスが崩れることにより生じる光吸収である。第３の要因は、ガーネット単結晶膜の光入出射面に形成される無反射膜の特性の不良である。これら３つの要因を最適化することで、ファラデー回転子の挿入損失を低減することができる。
【０００５】
Ｂｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜の主な構成元素であるＢｉやＦｅは、光通信に使用される波長１．３〜１．６μｍでの光吸収がない。そこで、ガーネット単結晶膜を構成する希土類元素として、波長１．３〜１．６μｍで光吸収のないＧｄ、Ｈｏ及びＹｂ等を選択することで、元素の光吸収による損失をなくすことができる。また、ファラデー回転子の光入出射面に成膜する無反射膜を形成材料の屈折率に合わせて適切な構造と膜厚にすることにより、特定の波長でガーネット単結晶膜表面での光の反射をほとんどなくすことが可能である。
【０００６】
Ｂｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜を構成するカチオン（陽イオン）は、基本的に３価である。これらのカチオンが２価や４価になるとＢｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜の電荷バランスが崩れ、それが光吸収を引き起こす原因となる（例えば、特許文献１参照）。大気の雰囲気中で育成したＢｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜では、ＰｂイオンがＰｂ２＋となっているので、４価のカチオンであるＳｉ４＋、Ｔｉ４＋、Ｇｅ４＋、Ｐｔ４＋を添加することにより電荷バランスがとられている。
【０００７】
【特許文献１】特公平６−４６６０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところが、上記のように挿入損失が最小となるような条件を設定しているにも関わらず、十分に挿入損失の小さいファラデー回転子が得られないという問題が生じている。実際には、最も挿入損失の小さいファラデー回転子でも、波長１．５５μｍの光に対して０．０５ｄＢ程度の挿入損失が生じる。このため、例えばファラデー回転子２個を使用した偏波無依存型光アイソレータでは、ファラデー回転子の挿入損失によって光損失が０．１ｄＢ程度大きくなってしまう。
【０００９】
本発明の目的は、挿入損失をより低減できるファラデー回転子及びそれを備えた光デバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的は、Ｂｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜と、前記単結晶膜に形成され、光が入出射する２つの表面とを備えたファラデー回転子であって、前記単結晶膜は、化学式Ｂｉ３−ｘ−ｙＲｘＡｙＦｅ５−ｚ−ｗＭｚＢｗＯ１２（ここで、Ｒは、Ｙを含む希土類元素のうちから選択される少なくとも１種類の元素であり、Ａは、Ｐｂ、Ｃａ及びＣｄのうちから選択される少なくとも１種類の元素であり、ｘ及びｙは、１．５＜ｘ＋ｙ＜２．５の関係を満たしている。Ｍは、Ｇａ、Ａｌ、Ｓｃ及びＩｎのうちから選択される少なくとも１種類の元素であり、Ｂは、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｇｅ、Ｐｔ及びＭｇのうちから選択される少なくとも１種類の元素であり、ｚ及びｗは、０≦ｚ＋ｗ＜１．５の関係を満たしている。）で表され、前記２つの表面のうち一方での前記ｙの値をｙ１とし、他方での前記ｙの値をｙ２としたとき、ｙ２≦ｙ１≦２ｙ２の関係を満たし、前記２つの表面のうち一方での前記ｗの値をｗ１とし、他方での前記ｗの値をｗ２としたとき、ｗ２≦ｗ１≦２ｗ２の関係を満たす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。
【００１１】
上記本発明のファラデー回転子において、前記ｙ１及び前記ｙ２は、ｙ１≒ｙ２の関係を満たし、前記ｗ１及び前記ｗ２は、ｗ１≒ｗ２の関係を満たすことを特徴とする。
上記本発明のファラデー回転子において、前記ｙは、０＜ｙ＜０．１をさらに満足し、前記ｗは、０≦ｗ＜０．１をさらに満足することを特徴とする。
上記本発明のファラデー回転子において、前記Ｂは、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｇｅ及びＭｇのうちから選択される少なくとも１種類の元素であり、Ｐｔを含まないことを特徴とする。
【００１２】
また、上記目的は、複数の光学素子からなる光デバイスであって、前記光学素子は、上記本発明のファラデー回転子を含むことを特徴とする光デバイスによって達成される。
【発明の効果】
【００１３】
以上の通り、本発明によれば、挿入損失をより低減できるファラデー回転子及びそれを備えた光デバイスを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の一実施の形態によるファラデー回転子及びそれを備えた光デバイスについて図１乃至図６を用いて説明する。まず、本実施の形態によるファラデー回転子の原理について説明する。
Ｂｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜の構成元素を適切に選択し、無反射膜の材料及び構造を最適化することによって、元素の光吸収による光損失とファラデー回転子表面での光反射による光損失とをほぼ０（ゼロ）にすることが可能である。これらの光損失をほぼ０にした上で、ファラデー回転子の挿入損失が発生する原因を検討した。その結果、ＬＰＥ法で育成されたＢｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜の電荷バランスが必ずしもとれていないのが原因であることが分かった。
【００１５】
３価のカチオンがほとんどであるＢｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜中では、２価のカチオンと４価のカチオンとが等量となる場合に電荷バランスがとれる。ガーネット単結晶膜の代表的な２価と４価のカチオンは、それぞれＰｂ２＋とＰｔ４＋である。Ｐｂは、溶媒に使われるＰｂＯからガーネット単結晶膜に析出する。Ｐｔは、Ｐｔ製の坩堝（るつぼ）から融液に溶け出て、さらにガーネット単結晶膜に析出する。
【００１６】
ところが、Ｐｔは、エピタキシャル膜の成長方向に不均一な組成分布を持つことが明らかになってきた。Ｐｔはエピタキシャル成長中に徐々に融液に溶け出て、その一部がガーネット単結晶膜に析出する。したがって、エピタキシャル成長中に融液のＰｔ濃度は徐々に上がり、それとともにガーネット単結晶膜中のＰｔ量も徐々に増加する。すなわち、４価のカチオンとなる元素は、膜成長方向に増加して分布する。
【００１７】
一方、融液に占めるＰｂＯ量は、坩堝に投入された出発材料の配合比で決まるため、エピタキシャル成長中に２価カチオンであるＰｂ２＋がガーネット単結晶膜に入る量は一定となる。すなわち、２価のカチオンとなる元素は、膜成長方向にほぼ均一に分布する。ガーネット単結晶膜中で２価又は４価のカチオンで安定となるＰｂ以外の元素が出発材料に配合される場合も、同様にエピタキシャル成長中にそれらの元素がガーネット単結晶膜に入る量は一定となる。
【００１８】
図１は、ファラデー回転子の概略構成と光の透過方向を示している。図１に示すように、ファラデー回転子２２４ｂは、板状のＢｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜と、当該ガーネット単結晶膜に形成され、光が入出射する２つの表面Ａ、Ｂとを有している。表面Ａ、Ｂには、不図示の無反射膜が形成されている。ガーネット単結晶膜の膜成長方向は、例えば表面Ａから表面Ｂに向かう方向である。
【００１９】
図２（ａ）は、図１に示すファラデー回転子のガーネット単結晶膜における膜厚方向の２価のカチオン量の分布を示すグラフである。図２（ｂ）は、図１に示すファラデー回転子のガーネット単結晶膜における膜厚方向の４価のカチオンの量の分布を示すグラフである。図２（ａ）、（ｂ）の横軸は膜厚方向の位置を表している。横軸の左端は表面Ａの位置を表し、右端は表面Ｂの位置を表している。図２（ａ）の縦軸は２価のカチオン量を表し、図２（ｂ）の縦軸は４価のカチオン量を図２（ａ）の縦軸と同スケールで表している。図２（ａ）、（ｂ）に示すように、２価のカチオン量は膜厚方向の全ての位置でほぼ一定であるのに対し、４価のカチオン量は表面Ａから表面Ｂまでほぼ直線的に単調増加している。
【００２０】
坩堝や基板固定用治具などの一部が融液に溶解することにより、これらを構成する元素の融液中の量は、エピタキシャル成長中徐々に増加していく。そして、溶解した元素がＢｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶中に取り込まれる元素であれば、エピタキシャル膜の成長とともにガーネット単結晶膜中の当該元素量は徐々に増加していく。その結果、融液に溶解した元素がガーネット単結晶膜中で２価又は４価のカチオンとなる場合、これらのカチオンに膜成長方向の組成分布が発生し、ガーネット単結晶膜の電荷バランスを崩す原因となり得る。
【００２１】
出発材料からＢｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜に入る２価及び４価のカチオンの量と、育成中に融液に徐々に溶解してガーネット単結晶膜に入る２価及び４価のカチオンの量とを制御することにより、ファラデー回転子の膜厚方向の特定の位置で電荷バランスをとることは可能である。ところが、エピタキシャル成長中に融液に溶解して２価及び４価のカチオンとなる元素は膜成長方向に組成変動を持つため、一部分で電荷バランスがとれても他の部分では電荷バランスが崩れることになる。そして、電荷バランスの崩れる部分で損失が発生する。例えば図２（ａ）、（ｂ）では、ガーネット単結晶膜の表面Ａ、Ｂ間のほぼ中央の位置Ｃで、２価のカチオン量と４価のカチオン量とが共にｄであり、互いに等しくなっている。しかし、４価のカチオン量は膜成長方向に増加しているため、位置Ｃより表面Ａ側では２価のカチオン量ｄより少なく、位置Ｃより表面Ｂ側では２価のカチオン量ｄより多くなっている。したがって、位置Ｃ以外では２価のカチオン量と４価のカチオン量とが等しくならず、電荷バランスが崩れるため、ファラデー回転子に挿入損失が生じてしまう。
【００２２】
そこで、Ｂｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜中で２価及び４価のカチオンとなる元素を膜成長方向に均一に分布させるとともに、さらに２価及び４価のカチオンの間で電荷バランスをとることによって、電荷バランスに起因するファラデー回転子の挿入損失を低減できる。２価及び４価のカチオンとなる元素の組成分布は均一であることが損失低減に最も有効であるが、均一でなくても組成変動を所定の範囲内に抑えることにより、ファラデー回転子の挿入損失を従来と比較して著しく低減できる。
【００２３】
育成中に坩堝や治具から融液に溶解する代表的な元素はＰｔである。Ｐｔは、溶媒であるＰｂＯ、Ｂｉ２Ｏ３、Ｂ２Ｏ３の融液に溶解し難い上に、高融点材料（融点１７７２℃）であるため、ＬＰＥ法の坩堝や基板固定用治具の構造材に一般に利用されている。Ｐｔは溶媒に溶け難いが若干は溶解するため、エピタキシャル成長中に融液に少しずつ溶けていく。溶けたＰｔは４価のカチオンで安定であり、膜成長とともに組成変動を生じさせながらガーネット単結晶中に入る。したがって、均一な組成分布を持つＰｂ２＋と不均一な組成分布を持つＰｔ４＋とがともにガーネット単結晶膜に含有されるため、ファラデー回転子の挿入損失をほぼ０にすることはできなかった。
【００２４】
そこで、ファラデー回転子の挿入損失を低減するために、坩堝、育成に使用する融液の攪拌用治具、及び基板固定用治具をＡｕで構成して、エピタキシャル膜を育成することを検討した。Ａｕは非常に酸化されにくい元素のため、坩堝や治具の材料に用いると、融液にほとんど溶解せずガーネット単結晶膜にもほとんど析出しない。また、Ａｕは３価のカチオンで安定な元素なので、ガーネット単結晶中に入っても電荷バランスを崩すことはない。したがって、Ａｕを坩堝や治具の構造材に用い、２価のカチオンとなるＰｂと、４価のカチオンとなるＳｉ、Ｇｅ、Ｔｉ等の元素とで電荷バランスをとったエピタキシャル膜を育成してファラデー回転子を作製すると、挿入損失をほぼ０にすることができた。
【００２５】
ただし、Ａｕは融点（１０６４℃）が８００〜９００℃の育成温度に近いため、坩堝や治具の構造材としては強度が不足する。この強度不足は、ＰｔとＡｕの合金製の坩堝や治具を用いることで解消できる。ＰｔとＡｕの合金製の坩堝や治具を用いて育成を行うと、Ｐｔ製の坩堝や治具を用いた場合よりは少量のＰｔが融液に溶解する。
【００２６】
ＰｔとＡｕの合金製の坩堝や治具を用いて、Ｐｔ４＋の組成変動が僅かに生じたＢｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜を育成し、当該ガーネット単結晶膜の加工及び無反射膜の成膜を経てファラデー回転子を作製した。このファラデー回転子の光が入出射する２つのガーネット単結晶膜表面でＰｔの組成の評価及び比較を行い、挿入損失との関係を調べた。その結果、一方の表面のＰｔ量が他方の表面のＰｔ量と同等、あるいはその２倍以下という組成分布条件を満足していれば、ファラデー回転子の挿入損失が従来と比較して明確に低下する傾向が確認された。また、Ａｕ製の坩堝や治具を用いて、Ｐｔが完全に除去されたＢｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜を育成し、ファラデー回転子を作製した。このファラデー回転子の挿入損失はほぼ０となった。
【００２７】
Ｐｔは４価のカチオンで安定な元素である。Ｐｔと同様に４価のカチオンで安定なＳｉ、Ｇｅ、Ｔｉ等の他の元素についても、一方の表面の組成が他方の表面の組成と同等、あるいはその２倍以下という組成分布条件を満足させることでファラデー回転子の挿入損失を低減させることが可能となる。また、Ｂｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜の主要なカチオンは３価であり４価のカチオンとの電荷の差は１である。したがって、同じく３価のカチオンと電荷の差が１である２価のカチオンで安定な元素についても、上記の組成分布条件を満足させることでファラデー回転子の挿入損失を低減させることが可能となる。エピタキシャル成長でガーネット単結晶膜に入り２価のカチオンで安定となる元素は、Ｐｂ、Ｃａ、Ｃｄ、Ｍｇ等である。これらＰｔ以外の２価又は４価のカチオンで安定な元素が含まれた坩堝や治具を用いてガーネット単結晶膜を育成する際に、これらの元素が融液に溶解して、さらにガーネット単結晶中に入っても、組成変動を所定の範囲内に収めることにより、ファラデー回転子の挿入損失を低減させることができる。
【００２８】
Ｐｂは、大気中で育成する際にはＰｂ２＋となりガーネット単結晶中に入るが、雰囲気制御を行いながら熱処理してＰｂ４＋とすることで電荷バランスをとり、ファラデー回転子の挿入損失の低減が行われる。この場合、Ｐｂは２価のカチオンと４価のカチオンとに分かれた上で特定の比率になってそれぞれ組成分布を持つので、一方の表面のＰｂ量が他方の表面のＰｂ量と同等、あるいはその２倍以下という組成分布条件を満たしていれば、熱処理の有無に関わらず挿入損失の低減が可能である。
【００２９】
このように、本実施の形態によるファラデー回転子は、化学式Ｂｉ３−ｘ−ｙＲｘＡｙＦｅ５−ｚ−ｗＭｚＢｗＯ１２（ここで、Ｒは、Ｙを含む希土類元素のうちから選択される少なくとも１種類の元素であり、Ａは、Ｐｂ、Ｃａ及びＣｄのうちから選択される少なくとも１種類の元素であり、ｘ及びｙは、１．５＜ｘ＋ｙ＜２．５の関係を満たしている。Ｍは、Ｇａ、Ａｌ、Ｓｃ及びＩｎのうちから選択される少なくとも１種類の元素であり、Ｂは、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｇｅ、Ｐｔ及びＭｇのうちから選択される少なくとも１種類の元素であり、ｚ及びｗは、０≦ｚ＋ｗ＜１．５の関係を満たしている。）で表されるＢｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜を有している。また、本実施の形態によるファラデー回転子は、Ｂｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜に形成され、光の入出射する２つの表面のうち一方の表面でのｙの値をｙ１とし、他方の表面でのｙの値をｙ２としたとき、ｙ２≦ｙ１≦２ｙ２の関係を満たし、一方の表面でのｗの値をｗ１とし、他方の表面でのｗの値をｗ２としたとき、ｗ２≦ｗ１≦２ｗ２の関係を満たしている。さらに、ｙ１及びｙ２がｙ１≒ｙ２の関係を満たし、ｗ１及びｗ２がｗ１≒ｗ２の関係を満たしていればさらに望ましい。
【００３０】
Ｂｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜中で２価と４価のカチオンの間で電荷バランスをとるには、元素Ｍ及び元素Ｂが０＜ｚ＋ｗ＜１．５の範囲にある場合だけでなく、元素Ｍ及び元素Ｂを添加せずに、すなわちｚ＋ｗ＝０としてもよい。例えば元素ＡをＰｂとして、適切な雰囲気と温度で熱処理することによりＢｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜に僅かに含まれるＰｂイオンをＰｂ２＋とＰｂ４＋にして、これらの２価と４価のカチオンで電荷バランスをとることにより、ファラデー回転子の挿入損失を低減できる。
【００３１】
図３（ａ）は、本実施の形態によるファラデー回転子のガーネット単結晶膜における膜厚方向の２価のカチオン量の分布を示し、図２（ａ）に対応するグラフである。図３（ｂ）は、本実施の形態によるファラデー回転子のガーネット単結晶膜における膜厚方向の４価のカチオン量の分布を示し、図２（ｂ）に対応するグラフである。図３（ａ）、（ｂ）に示すように、２価のカチオン量と４価のカチオン量とは、共に膜厚方向の全ての位置でほぼ一定になっている。このため、出発材料からガーネット単結晶膜に入る２価及び４価のカチオンの量を互いに等しいｄに制御することにより、ファラデー回転子の膜厚方向の全ての位置で電荷バランスをとることができる。
【００３２】
以上のように本実施の形態によれば、Ｂｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜を用いて作製したファラデー回転子において、ガーネット単結晶膜中で２価又は４価のカチオンで安定な元素の光入出射方向の組成変動を所定の範囲内に抑えることにより、挿入損失を著しく低減することができる。
【００３３】
以上説明したファラデー回転子は、光アイソレータ等の光デバイスに供される。そして、この光デバイスは、光通信システムに用いることができる。図４乃至図６を用いて、本実施の形態が適用される光通信システム１について説明する。
図４は、光通信システム１の構成を示している。図４に示すように、光通信システム１は、送信側と受信側との間で光信号によって情報を伝送するためのシステムである。送信側には光送信器２が配設され、受信側には光受信器３が配設されている。光送信器２と光受信器３とは、光ファイバからなる光伝送ライン４で接続されている。光伝送ライン４上には光増幅器５が介在している。光増幅器５は、光伝送ライン４の長さに応じた数だけ設けられる。
【００３４】
光送信器２は、電子回路２１と、レーザダイオード（ＬＤ）モジュール２２とを備えている。電子回路２１は、伝送の対象となるデータを電気信号として受信して、所定の処理を施した後にＬＤモジュール２２に出力する。ＬＤモジュール２２は、受信した電気信号を光信号に変換した後に、光伝送ライン４に伝送する。
光受信器３は、フォトダイオード（ＰＤ）モジュール３１と、電子回路３２とを備えている。ＰＤモジュール３１は、光伝送ライン４を介して光受信器２側から受信した光信号を電気信号に変換し、電子回路３２に出力する。電子回路３２は入力した電気信号を受信側に出力する。
光伝送ライン４上に配設された光増幅器５は、光伝送ライン４を伝送される光信号の減衰を防止するために光信号を増幅する。
【００３５】
図５は、ＬＤモジュール２２の構成を示している。図５に示すように、ＬＤモジュール２２は、ケース内に配置されるＬＤ２２２と、ＬＤ２２２から出力され、１．３１μｍ（又は１．５５μｍ）の波長を有する光（信号）を平行光として供給するレンズ２２３と、レンズ２２３を透過した光（信号）を一方向にのみ透過させる光アイソレータ２２４と、光アイソレータ２２４を出射した光を集光して光伝送ライン４に供給するレンズ２２３とを備えている。
【００３６】
図６は、光アイソレータ２２４の構成を示している。図６に示すように、光アイソレータ２２４は、２つの偏光子２２４ａ、２２４ｃの間にファラデー回転子２２４ｂが配置された構成を有する。本例のファラデー回転子２２４ｂは、例えば硬磁性のガーネット単結晶膜を有している。硬磁性のガーネット単結晶膜は、外部磁界により磁化されるとその磁化を保ち永久磁石になる。このため、ファラデー回転子２２４ｂに磁界を印加する外部磁石は不要である。ファラデー回転子２２４ｂは、硬磁性でなく軟磁性のガーネット単結晶膜を有していてもよい。その場合には、ファラデー回転子２２４ｂの周囲を取り囲むように例えばリング状の永久磁石が外部磁石として配設される。２つの偏光子２２４ａ、２２４ｃは、所定の間隔を隔てて対向配置される。偏光子２２４ａに順方向（図の矢印方向）の光が入射されるものとすると、順方向の光は偏光子２２４ｃから光伝送ライン４に向けて出射される。
【００３７】
ファラデー回転子２２４ｂは、偏光子２２４ａを透過した順方向の光の偏光面を例えば４５ｄｅｇ．だけ回転させ、偏光子２２４ｃに向けて出射する。偏光子２２４ｃの偏光軸は、偏光子２２４ａの偏光軸に対して４５ｄｅｇ．だけ回転して配置されている。このため、偏光子２２４ｃは順方向の光を透過させる。一方、偏光子２２４ｃ側から入射し偏光子２２４ｃを透過した逆方向の光の偏光面は、ファラデー回転子２２４ｂによりさらに４５ｄｅｇ．だけ回転して、偏光子２２４ａの偏光軸に直交する。これにより、光アイソレータ２２４は、偏光子２２４ａ側からの順方向の光を透過させ、偏光子２２４ｃ側からの逆方向の光の透過を阻止する。
【００３８】
本実施の形態においては、ファラデー回転子２２４ｂを前述のＢｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜で構成する。そして、ファラデー回転子２２４ｂは、光アイソレータ２２４等の光デバイスの一部として機能する。
なお、以上では光デバイスの例として、光アイソレータ２２４について説明したが、本実施の形態のファラデー回転子２２４ｂは、光アッテネータ、光サーキュレータ、光磁界センサ及び光減衰器等の他の光デバイスに適用できることは言うまでもない。
【００３９】
以下、本実施の形態によるファラデー回転子について、具体的実施例を用いて説明する。
（実施例１）
Ｇｄ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３、Ｂｉ２Ｏ、Ｆｅ２Ｏ３、Ｇａ２Ｏ３、ＧｅＯ２、ＰｂＯ、Ｂ２Ｏ３をＡｕ製の坩堝に入れて融解、攪拌を行う。Ａｕ製の治具でＣａＭｇＺｒ置換ガドリウムガリウムガーネット単結晶基板を固定して、ＬＰＥ法によって基板上に（ＢｉＧｄＹｂＰｂ）３（ＦｅＧａＧｅ）５Ｏ１２の組成を持つＢｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜を育成した。このガーネット単結晶膜を研磨、切断し、光の入出射する２つの表面に無反射膜を成膜して、波長１．５５μｍの光でファラデー回転角が４５ｄｅｇ．であり、１．５ｍｍ角、厚さ３６０μｍのファラデー回転子を作製した。このファラデー回転子のガーネット組成を分析した。組成分析は、ガーネット単結晶膜の両表面で、レーザアブレーション／ＩＣＰ質量分析法によりＰｂとＧｅについて行った。この分析値を相対的に比較することにより、これらの元素の両表面での組成比を評価した。その結果、ファラデー回転子のガーネット単結晶膜の両表面での組成比は、一方の表面でのＰｂとＧｅの量をそれぞれ１００とすると、他方の表面での相対的な量はＰｂ、Ｇｅともに１１０であった。また、波長１．５５μｍの光を用いてファラデー回転子の挿入損失を測定したところ、挿入損失は０ｄＢであった。
【００４０】
（実施例２）
Ｇｄ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３、Ｂｉ２Ｏ、Ｆｅ２Ｏ３、Ｇａ２Ｏ３、ＧｅＯ２、ＰｂＯ、Ｂ２Ｏ３をＡｕ製の坩堝に入れて融解、攪拌を行う。Ｐｔ製の治具でＣａＭｇＺｒ置換ガドリウムガリウムガーネット単結晶基板を固定して、ＬＰＥ法によって基板上に（ＢｉＧｄＹｂＰｂ）３（ＦｅＧａＧｅＰｔ）５Ｏ１２の組成を持つＢｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜を育成した。このガーネット単結晶膜を研磨、切断し、光の入出射する２つの表面に無反射膜を成膜して、波長１．５５μｍの光でファラデー回転角が４５ｄｅｇ．であり、１．５ｍｍ角、厚さ３６０μｍのファラデー回転子を作製した。このファラデー回転子のガーネット組成を分析した。組成分析は、ガーネット単結晶膜の両表面で、レーザアブレーション／ＩＣＰ質量分析法によりＰｂ、Ｇｅ及びＰｔについて行った。この分析値を相対的に比較することにより、これらの元素の両表面での組成比を評価した。その結果、ファラデー回転子のガーネット単結晶膜の両表面での組成比は、一方の表面でのＰｂ、Ｇｅ及びＰｔの量をそれぞれ１００とすると、他方の表面での相対的な量はＰｂが９０、Ｇｅが１００、Ｐｔが１５０であった。また、波長１．５５μｍの光を用いてファラデー回転子の挿入損失を測定したところ、挿入損失は０．０１ｄＢであった。
【００４１】
（実施例３）
Ｇｄ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３、Ｂｉ２Ｏ、Ｆｅ２Ｏ３、Ｇａ２Ｏ３、ＧｅＯ２、ＰｂＯ、Ｂ２Ｏ３をＡｕとＰｔの合金製の坩堝に入れて融解、攪拌を行う。Ｐｔ製の治具でＣａＭｇＺｒ置換ガドリウムガリウムガーネット単結晶基板を固定して、ＬＰＥ法によって基板上に（ＢｉＧｄＹｂＰｂ）３（ＦｅＧａＧｅＰｔ）５Ｏ１２の組成を持つＢｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜を育成した。このガーネット単結晶膜を研磨、切断し、光の入出射する２つの表面に無反射膜を成膜して、波長１．５５μｍの光でファラデー回転角が４５ｄｅｇ．であり、１．５ｍｍ角、厚さ３６０μｍのファラデー回転子を作製した。このファラデー回転子のガーネット組成を分析した。組成分析は、ガーネット単結晶膜の両表面で、レーザアブレーション／ＩＣＰ質量分析法によりＰｂ、Ｇｅ及びＰｔについて行った。この分析値を相対的に比較することにより、これらの元素の両表面での組成比を評価した。その結果、ファラデー回転子のガーネット単結晶膜の両表面での組成比は、一方の表面でのＰｂ、Ｇｅ及びＰｔの量をそれぞれ１００とすると、他方の表面での相対的な量はＰｂが９０、Ｇｅが１００、Ｐｔが２００であった。また、波長１．５５μｍの光を用いてファラデー回転子の挿入損失を測定したところ、挿入損失は０．０３ｄＢであった。
【００４２】
（実施例４）
Ｇｄ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３、Ｂｉ２Ｏ、Ｆｅ２Ｏ３、Ｇａ２Ｏ３、ＰｂＯ、Ｂ２Ｏ３をＡｕ製の坩堝に入れて融解、攪拌を行う。Ａｕ製の治具でＧａＭｇＺｒ置換ガドリウムガリウムガーネット単結晶基板を固定して、ＬＰＥ法により基板上に（ＢｉＧｄＹｂＰｂ）３（ＦｅＧａ）５Ｏ１２の組成を持つＢｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜を育成した。このガーネット単結晶膜に研磨や切断などの加工と水素雰囲気中で熱処理を行った。熱処理によりＰｂ４＋の半分をＰｂ２＋に還元した。ガーネット単結晶板の光の入出射する２つの表面に無反射膜を成膜して、波長１．５５μｍの光でファラデー回転角が４５ｄｅｇ．であり、１．５ｍｍ角、厚さ３６０μｍのファラデー回転子を作製した。このファラデー回転子の光の入出射面でのガーネット組成をレーザアブレーション／ＩＣＰ質量分析法により分析した。（ＢｉＧｄＹｂＰｂ）３（ＦｅＧａ）５Ｏ１２単結晶の光の入出射する２つの表面でのＰｂのピーク強度を比較することで、この元素の両表面での組成比の分析をした。その結果、ファラデー回転子のガーネット単結晶膜の両表面でのＰｂの組成比は、一方の表面でのピーク強度を１００とした場合、他方の表面での相対的なピーク強度は１０７であった。また、波長１．５５μｍの光を用いてファラデー回転子の挿入損失を測定したところ、挿入損失は０ｄＢとなった。ガーネット単結晶に含まれるＰｂが等量の４価と２価のイオンとなり、それぞれのイオンが膜成長方向に均一に分布している。
【００４３】
（比較例１）
Ｇｄ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３、Ｂｉ２Ｏ、Ｆｅ２Ｏ３、Ｇａ２Ｏ３、ＧｅＯ２、ＰｂＯ、Ｂ２Ｏ３をＰｔ製の坩堝に入れて融解、攪拌を行う。Ｐｔ製の治具でＣａＭｇＺｒ置換ガドリウムガリウムガーネット単結晶基板を固定して、ＬＰＥ法によって基板上に（ＢｉＧｄＹｂＰｂ）３（ＦｅＧａＧｅＰｔ）５Ｏ１２の組成を持つガーネット単結晶膜を育成した。このガーネット単結晶膜を研磨、切断し、光の入出射する２つの表面に無反射膜を成膜して、波長１．５５μｍの光でファラデー回転角が４５ｄｅｇ．であり、１．５ｍｍ角、厚さ３６０μｍのファラデー回転子を作製した。このファラデー回転子のガーネット組成を分析した。組成分析は、ガーネット単結晶膜の両表面で、レーザアブレーション／ＩＣＰ質量分析法によりＰｂ、Ｇｅ及びＰｔについて行った。この分析値を相対的に比較することにより、これらの元素の両表面での組成比を評価した。その結果、ファラデー回転子のガーネット単結晶膜の両表面での組成比は、一方の表面でのＰｂ、Ｇｅ及びＰｔの量をそれぞれ１００とすると、他方の表面での相対的な量はＰｂが９０、Ｇｅが９０、Ｐｔが２５０であった。また、波長１．５５μｍの光を用いてファラデー回転子の挿入損失を測定したところ、挿入損失は０．０５ｄＢであった。
【００４４】
以上のように、本実施の形態によれば、Ｂｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜を用いて作製したファラデー回転子において、ガーネット単結晶膜中で２価及び４価のカチオンで安定な元素の光入出射方向の組成変動を一定の範囲内に抑えることにより、挿入損失を著しく低減することができる。
【００４５】
また、本実施の形態によれば、Ｂｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜を用いて作製したファラデー回転子において、ガーネット単結晶膜中で２価及び４価のカチオンで安定な元素の光入出射方向の組成分布を均一にすることにより、挿入損失をほぼ０にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】ファラデー回転子の概略構成と光の透過方向を示す図である。
【図２】ファラデー回転子のＢｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜における膜厚方向の２価及び４価のカチオン量の分布を示すグラフである。
【図３】本発明の一実施の形態によるファラデー回転子のＢｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜における膜厚方向の２価及び４価のカチオン量の分布を示すグラフである。
【図４】本発明の一実施の形態によるファラデー回転子を用いた光通信システムの構成を示す図である。
【図５】本発明の一実施の形態によるファラデー回転子を用いたＬＤモジュールの構成を示す図である。
【図６】本発明の一実施の形態によるファラデー回転子を用いた光アイソレータの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００４７】
１  光通信システム
２  光送信器
３  光受信器
４  光伝送ライン
５  光増幅器
２１、３２  電子回路
２２  ＬＤモジュール
３１  ＰＤモジュール
２２２  ＬＤ
２２３  レンズ
２２４  光アイソレータ
２２４ａ、２２４ｃ  偏光子
２２４ｂ  ファラデー回転子
【図１】
2004206078.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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