(57)【要約】【課題】本発明は、ファラデー回転角の温度依存性の増大等を抑制しつつ飽和磁界を低減できる磁性ガーネット単結晶及びそれを用いた光学素子を提供する。【解決手段】ＬＰＥ法により育成され、（ＢｉｘＴｂ３−ｘ−ｙ−ｚＹｂｙＭｚ）（Ｆｅ５−ａ−ｂ−ｃＧａａＧｅｂＮｃ）Ｏ１２（ただし、ＭはＢｉ、Ｔｂ、Ｙｂを置換し得る１種類以上の元素、ＮはＳｉ、Ｔｉ、Ｐｔから選択される１種類以上の元素であり、１．０≦ｘ≦１．４、０＜ｙ≦０．５、０≦ｚ≦０．１、０．４≦ａ≦０．８、０＜ｂ≦０．１、０≦ｃ≦０．１）で示されるビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶を用いる。光アイソレータ１００は、上記ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶で作製したファラデー回転子１を有している。ファラデー回転子１の光入射側には偏光子８が配置され、光射出側には検光子１０が配置されている。【選択図】　　図１
2004010395.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液相エピタキシャル成長法により育成され、一般式が
（ＢｉｘＴｂ３−ｘ−ｙ−ｚＹｂｙＭｚ）（Ｆｅ５−ａ−ｂ−ｃＧａａＧｅｂＮｃ）Ｏ１２
（ただし、ＭはＢｉ、Ｔｂ、Ｙｂを置換し得る１種類以上の元素、ＮはＳｉ、Ｔｉ、Ｐｔから選択される１種類以上の元素であり、１．０≦ｘ≦１．４、０＜ｙ≦０．５、０≦ｚ≦０．１、０．４≦ａ≦０．８、０＜ｂ≦０．１、０≦ｃ≦０．１）で示されるビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶。
【請求項２】
請求項１記載のビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶で作製され、
飽和磁界が１００（Ｏｅ）以上５００（Ｏｅ）以下であること
を特徴とするファラデー回転子。
【請求項３】
請求項２記載のファラデー回転子と、
前記飽和磁界を前記ファラデー回転子に印加する磁気回路と
を有することを特徴とする光学素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、飽和に要する磁界が小さいビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶及びそれを用いたファラデー回転子及びそれを用いた光学素子（光アイソレータ、光サーキュレータ、光スイッチ、光アッテネータなど）に関する。
【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、光サーキュレータなど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として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（ＬＰＥ法）により育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】
【発明が解決しようとする課題】
偏波依存型光アイソレータは、半導体レーザと一体化したいわゆる半導体レーザモジュールとして用いられることから、小型化が強く求められている。光アイソレータの小型化にはファラデー回転子を磁気的に飽和させるための円筒形の永久磁石を小型化することが有効である。しかし、永久磁石を小型化すると円筒形の永久磁石の内部における磁界が弱くなるので、弱い外部磁界でも磁気的に飽和するファラデー回転子が必要となる。
【０００４】
すなわち、永久磁石を小型化するためには、ファラデー回転子に用いられるビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶の飽和に要する磁界を小さくすることが必要である。ところが、現在標準的に用いられているファラデー回転子の飽和磁界は約１０００（Ｏｅ）と非常に大きい。
【０００５】
そこで、例えば、特開平１１−１３９４号公報には、光アイソレータを小型化するための低飽和ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜が開示されている。上記公報では、液相エピタキシャル成長法により育成され、一般式がＴｂ３−ｘＢｉｘＦｅ５−ｙ−ｚＧａｙＡｌｚＯ１２（ただし、１．２５＜ｘ＜１．４０、０．５＜ｙ＋ｚ＜０．６５、０．４５＜ｚ／ｙ＜０．７５）で示され、３５０Ｏｅ以下の低飽和磁界で十分なファラデー回転角が得られる低飽和ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜が提案されている。
【０００６】
上記のようにＦｅの一部をＡｌやＧａなどの非磁性元素で置換すると飽和磁界を低減するには有効であるが、一方でファラデー回転角の温度依存性が増大したり、ファラデー回転能（単位厚さ当りのファラデー回転角）が低下して膜厚が増加してしまったり、エピタキシャル膜育成時の割れが多発したり、あるいは消光比が悪化したり挿入損失が増加したりする等の問題が生じ易くなる。
【０００７】
本発明の目的は、ファラデー回転角の温度依存性が増大したり、ファラデー回転能が低下したりせず、また消光比が悪化したり挿入損失が増加したりすることなく、飽和に要する磁界を低減させることができるビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶及びそれを用いたファラデー回転子及びそれを用いた光学素子を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、液相エピタキシャル成長法により育成され、一般式が（ＢｉｘＴｂ３−ｘ−ｙ−ｚＹｂｙＭｚ）（Ｆｅ５−ａ−ｂ−ｃＧａａＧｅｂＮｃ）Ｏ１２（ただし、ＭはＢｉ、Ｔｂ、Ｙｂを置換し得る１種類以上の元素、ＮはＳｉ、Ｔｉ、Ｐｔから選択される１種類以上の元素であり、１．０≦ｘ≦１．４、０＜ｙ≦０．５、０≦ｚ≦０．１、０．４≦ａ≦０．８、０＜ｂ≦０．１、０≦ｃ≦０．１）で示されるビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶によって達成される。
【０００９】
また、上記目的は、上記本発明のビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶で作製され、飽和磁界が１００（Ｏｅ）以上５００（Ｏｅ）以下であ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。
【００１０】
さらに、上記目的は、上記本発明のファラデー回転子と、前記飽和磁界を前記ファラデー回転子に印加する磁気回路とを有することを特徴とする光学素子によって達成される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施の形態によるビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶及びそれを用いたファラデー回転子及びそれを用いた光学素子について以下に表１乃至表４及び図１、図２を用いて説明する。まず、飽和磁界を低減するには、鉄（Ｆｅ）の一部を非磁性元素であるＧａやＧｅで置換することが有効である。ところが、多量の非磁性元素の置換に伴ってファラデー回転角の温度依存性が大きくなるために、光アイソレータの性能に影響を与える。特に光通信用レーザモジュールで用いられる光アイソレータに使用するには飽和磁界の低下に伴う温度依存性の増加は問題となるが、特公平３−６９８４７号公報に記載されているように、ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜において希土類元素にＴｂを選択するとファラデー回転子の温度依存性が小さくなり有効である。
【００１２】
また、Ｆｅの一部を多量の非磁性元素で置換するとファラデー回転能が小さくなるために、ファラデー回転子の厚さが増加する。ファラデー回転能を大きくし、厚さの増加を抑えるには、ビスマス置換量を増やすことが有効である。しかし、ビスマス置換量が多くなるとビスマスのイオン半径が大きいが故に格子定数も大きくなり、結局基板との格子整合が取れず割れや結晶欠陥が多発し、単結晶膜を育成するのが困難になる。
【００１３】
そこでＴｂイオンの一部をよりイオン半径の小さなＹｂイオンで置換することにより、エピタキシャル膜と基板の格子定数を一致させながらＢｉ置換量を増やすことが可能となる。また、ＹｂイオンはＴｂイオンと置換し得る希土類元素イオンの中でもイオン半径は小さいため、ＴｂイオンをＹｂイオンで置換した場合でも温度特性の改善に有効な元素であるＴｂイオン量の減少を最小に抑えることができ、飽和磁界の低減に伴うファラデー回転子の温度特性の悪化を最小限に抑えることができる。さらにＹｂは光通信で使用される波長である１３００ｎｍから１６５０ｎｍの帯域で光吸収がないためファラデー回転子の挿入損失の増加を抑える点でも有効な元素である。すなわち、低飽和磁界のファラデー回転子を作製するに当り、Ｙｂは、Ｔｂ及びＢｉと組み合わせることでファラデー回転能を大きくできること、温度特性の悪化を最小限に抑えられること、挿入損失を増加させないこと等の点で極めて優れた元素である。
【００１４】
さらに、特公平６−４６６０４号公報に記載されているように、Ｇｅなどの四価元素を置換することによってガーネットに起因する光吸収を低減でき、挿入損失を小さくすることができる。
【００１５】
また、Ｇｅイオンはガーネット型構造の結晶ではａサイトもしくはｄサイトのＦｅイオンと置換されるため、ファラデー回転子の飽和磁界を低減する点でも有効な元素である。
【００１６】
以上のようにＦｅの一部をＧａやＧｅで置換することによって飽和磁界を低減でき、Ｇｅ置換では挿入損失も低減することができる。また主たる希土類元素にＴｂを選択するとファラデー回転角の温度依存性を良好に保つことができる。そしてＴｂの一部をＹｂで置換することにより挿入損失の増加を抑えながら、ガーネット単結晶膜の格子定数ならびにＢｉ置換量を制御できるためにファラデー回転能を制御でき、ファラデー回転子に必要とされる磁気光学特性を満たすことが可能となる。
【００１７】
すなわち、本実施の形態によるビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶は、液相エピタキシャル成長法によって育成され、一般式が（ＢｉｘＴｂ３−ｘ−ｙ−ｚＹｂｙＭｚ）（Ｆｅ５−ａ−ｂ−ｃＧａａＧｅｂＮｃ）Ｏ１２（ただし、ＭはＢｉ、Ｔｂ、Ｙｂを置換し得る１種類以上の元素、ＮはＳｉ、Ｔｉ、Ｐｔから選択される１種類以上の元素であり、１．０≦ｘ≦１．４，０＜ｙ≦０．５、０≦ｚ≦０．１、０．４≦ａ≦０．８、０＜ｂ≦０．１、０≦ｃ≦０．１）で示される。本実施の形態のビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶を用いて飽和磁界の小さいファラデー回転子を実現できる。
【００１８】
本実施の形態のビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶において、ｘが１．０未満になるとファラデー回転能が小さくなるため製品厚さが厚くなったり、エピタキシャル膜の育成中に割れが多発したり、また、消光比が低下したり挿入損失が増加したりするので好ましくない。また、ｘが１．４を越えると非磁性ガーネット基板との格子定数のマッチングが困難になる上、育成中の融液にエピタキシャル成長以外の結晶成長が起きて結晶欠陥の原因となることから好ましくない。
【００１９】
ｙが０．５を越える条件でエピタキシャル膜と基板の格子定数を一致させるとＢｉ量が１．４を超えることになるため好ましくない。またＭはたとえばＰｂやＣａ、あるいは他の希土類元素でありファラデー回転子の特性の調整に有効である。しかし、ｚが０．１を越えると、挿入損失や温度特性などの特性が悪化するため好ましくない。
【００２０】
ａが０．４未満であると飽和磁界が大きくなり、０．８を超えるとファラデー回転角の温度係数が大きくなり、ファラデー回転能が低下するため好ましくない。また、ｂが０．１を越えると挿入損失が大きくなるため好ましくない。さらに、Ｐｔに代表されるＮの量ｃが０．１を越えるとやはり挿入損失が大きくなるために好ましくない。
【００２１】
以下、本実施の形態に係るビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶及びそれを用いたファラデー回転子及びそれを用いた光学素子の具体的実施例として、実施例１乃至８及び比較例１及び２について表１乃至表４及び図１を参照しつつ説明する。
（実施例１）
酸化テルビウム（Ｔｂ４Ｏ７，３Ｎ）を２６．０４２ｇ、酸化イッテリビウム（Ｙｂ２Ｏ３，３Ｎ）を５．４９０ｇ、酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ２，４Ｎ）を４．７７６ｇ、酸化ホウ素（Ｂ２Ｏ３，３Ｎ）を１１０．４７ｇ、酸化鉛（ＰｂＯ，３Ｎ）を２５７５．８ｇ、酸化ビスマス（Ｂｉ２Ｏ３，３Ｎ）を２０１６．４ｇ、酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３，４Ｎ）を２５．１６５ｇ、酸化第二鉄（Ｆｅ２Ｏ３，３Ｎ）を３３５．９０ｇ秤量して白金製のルツボに充填し、約９００℃で融解して撹件を行い均質化した後、７８０℃まで温度を下げた。その後３インチφ（直径）の（Ｃａ，Ｚｒ，Ｍｇ）含有ＧＧＧ単結晶基板（格子定数＝ｌ．２４９５ｎｍ）を１００ｒ．ｐ．ｍ．で回転させながら、当該ＧＧＧ単結晶基板上に液相エピタキシャル成長を開始させ、格子定数を制御しながら３６時間膜成長を行ったところ、５８０μｍの膜厚を持つビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜を得た。
【００２２】
得られたビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜から当該ＧＧＧ単結晶基板を研磨して除去した後、波長１５５０ｎｍにてファラデー回転角が４５ｄｅｇ．（度）となるように表面および裏面（ＧＧＧ基板のあった側）を鏡面研磨した。その後、膜両面に反射防止膜（ＡＲコート）を形成して所望のファラデー回転子を得た。
【００２３】
得られたビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜の組成を蛍光Ｘ線分析装置により分析したところ表１に示すように、（Ｂｉ１．０５Ｔｂ１．６６Ｙｂ０．２４Ｐｂ０．０５）（Ｆｅ４．５５Ｇａ０．４１Ｇｅ０．０２Ｐｔ０．０２）Ｏ１２であった。
【００２４】
【表１】
2004010395.tif 000003
【００２５】
また表２に示すように、飽和に要する磁界は４５２Ｏｅ、膜厚４４６μｍ、ファラデー回転角の温度係数は−０．０６０ｄｅｇ．／℃となった。
【００２６】
【表２】
2004010395.tif 000004
【００２７】
（実施例２）
実施例１と同様に、酸化テルビウム（Ｔｂ４Ｏ７，３Ｎ）を２６．２３９ｇ、酸化イッテリビウム（Ｙｂ２Ｏ３，３Ｎ）を４．４２６ｇ、酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ２，４Ｎ）を４．７７６ｇ、酸化ホウ素（Ｂ２Ｏ３，３Ｎ）を１１０．４７ｇ、酸化鉛（ＰｂＯ，３Ｎ）を２５７５．８ｇ、酸化ビスマス（Ｂｉ２Ｏ３，３Ｎ）を２０１６．４ｇ、酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３，４Ｎ）を３１．０３９ｇ、酸化第二鉄（Ｆｅ２Ｏ３，３Ｎ）を３３０．８９ｇ秤量して白金製のルツボに充填し、約９００℃で融解して撹伴を行い均質化した後、７８０℃まで温度を下げた。その後３インチφの（Ｃａ，Ｚｒ，Ｍｇ）含有ＧＧＧ単結晶基板（格子定数＝１．２４９５ｎ　ｍ）を１００ｒ．ｐ．ｍ．で回転させながら、当該ＧＧＧ単結晶基板上に液相エピタキシャル成長を開始させ、格子定数を制御しながら３６時間膜成長を行ったところ、５８０μｍの膜厚を持つビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜を得た。
【００２８】
得られたビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜から当該ＧＧＧ単結晶基板を研磨して除去した後、波長１５５０ｎｍにてファラデー回転角が４５ｄｅｇ．となるように表面および裏面を鏡面研磨した。その後、膜両面に反射防止膜を形成して所望のファラデー回転子を得た。
【００２９】
得られたビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜の組成を蛍光Ｘ線分析装置により分析したところ表１に示すように、（Ｂｉ１．０４Ｔｂ１．７２Ｙｂ０．１９Ｐｂ０．０５）（Ｆｅ４．４７Ｇａ０．４９Ｇｅ０．０２Ｐｔ０．０２）Ｏ１２であった。
【００３０】
また表２に示すように、飽和に要する磁界は３４７Ｏｅ、膜厚４５０μｍ、ファラデー回転角の温度係数は−０．０６２ｄｅｇ．／℃となった。
【００３１】
（実施例３）
実施例１及び２と同様に、酸化テルビウム（Ｔｂ４Ｏ７，３Ｎ）を２６．２３９ｇ、酸化イッテリビウム（Ｙｂ２Ｏ３，３Ｎ）を４．４２６ｇ、酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ２，４Ｎ）を４．７７６ｇ、酸化ホウ素（Ｂ２Ｏ３，３Ｎ）を１１０．４７ｇ、酸化鉛（ＰｂＯ，３Ｎ）を２５７５．８ｇ、酸化ビスマス（Ｂｉ２Ｏ３，３Ｎ）を２０１６．４ｇ、酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３，４Ｎ）を３３．５５４ｇ、酸化第二鉄（Ｆｅ２Ｏ３，３Ｎ）を３２８．７２ｇ秤量して白金製のルツボに充填し、約９００℃で融解して攪拌を行い均質化した後、７８０℃まで温度を下げた。その後３インチφの（Ｃａ，Ｚｒ，Ｍｇ）含有ＧＧＧ単結晶基板（格子定数＝１．２４９５ｎｍ）を１００ｒ．ｐ．ｍ．で回転させながら、当該ＧＧＧ単結晶基板上に液相エピタキシャル成長を開始させ、格子定数を制御しながら３６時間膜成長を行ったところ、５８０μｍの膜厚を持つビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜を得た。
【００３２】
得られたビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜から当該ＧＧＧ単結晶基板を研磨して除去した後、波長１５５０ｎｍにてファラデー回転角が４５ｄｅｇ．となるように表面および裏面を鏡面研磨した。その後、膜両面に反射防止膜を形成して所望のファラデー回転子を得た。
【００３３】
得られたビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜の組成を蛍光Ｘ線分析装置により分析したところ表１に示すように、（Ｂｉ１．０７Ｔｂ１．６９Ｙｂ０．１９Ｐｂ０．０５）（Ｆｅ４．４２Ｇａ０．５３Ｇｅ０．０２Ｐｔ０．０３）Ｏ１２であった。
【００３４】
また表２に示すように、飽和に要する磁界は２９１Ｏｅ、膜厚４５９μｍ、ファラデー回転角の温度係数は−０．０６３ｄｅｇ．／℃となった。
【００３５】
（実施例４）
実施例１乃至３と同様に、酸化テルビウム（Ｔｂ４Ｏ７，３Ｎ）を２３．４０３ｇ、酸化イッテリビウム（Ｙｂ２Ｏ３，３Ｎ）を５．９２１ｇ、酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ２，４Ｎ）を４．７７６ｇ、酸化ホウ素（Ｂ２Ｏ３，３Ｎ）を１１０．４７ｇ、酸化鉛（ＰｂＯ，３Ｎ）を２５７５．８ｇ、酸化ビスマス（Ｂｉ２Ｏ３，３Ｎ）を２０１６．４ｇ、酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３，４Ｎ）を３７．７５０ｇ、酸化第二鉄（Ｆｅ２Ｏ３，３Ｎ）を３２５．１９ｇ秤量して白金製のルツボに充填し、約９００℃で融解して攪拌を行い均質化した後、７７０℃まで温度を下げた。その後３インチφの（Ｃａ，Ｚｒ，Ｍｇ）含有ＧＧＧ単結晶基板（格子定数＝ｌ．２４９５ｎｍ）を１００ｒ．ｐ．ｍ．で回転させながら、当該ＧＧＧ単結晶基板上に液相エピタキシャル成長を開始させ、格子定数を制御しながら３６時間膜成長を行ったところ、５８０μｍの膜厚を持つビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜を得た。
得られたビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜から当該ＧＧＧ単結晶基板を研磨して除去した後、波長１５５０ｎｍにてファラデー回転角が４５ｄｅｇ．となるように表面および裏面を鏡面研磨した。その後、膜両面に反射防止膜を形成して所望のファラデー回転子を得た。
【００３６】
得られたビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜の組成を蛍光Ｘ線分析装置により分析したところ表１に示すように、（Ｂｉ１．１３Ｔｂ１．５６Ｙｂ０．２６Ｐｂ０．０５）（Ｆｅ４．３６Ｇａ０．５９Ｇｅ０．０２Ｐｔ０．０３）Ｏ１２であった。
【００３７】
また表２に示すように、飽和に要する磁界は２９１Ｏｅ、膜厚４２９μｍ、ファラデー回転角の温度係数は−０．０６４ｄｅｇ．／℃となった。
【００３８】
（実施例５）
実施例１乃至４と同様に、酸化テルビウム（Ｔｂ４Ｏ７，３Ｎ）を２３．３５９ｇ、酸化イッテリビウム（Ｙｂ２Ｏ３，３Ｎ）を６．８９５ｇ、酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ２，４Ｎ）を４．７７６ｇ、酸化ホウ素（Ｂ２０３，３Ｎ）を１１０．４７ｇ、酸化鉛（ＰｂＯ，３Ｎ）を２５７５．８ｇ、酸化ビスマス（Ｂｉ２Ｏ３，３Ｎ）を２０１６．４ｇ、酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３，４Ｎ）を５０．３０６ｇ、酸化第二鉄（Ｆｅ２Ｏ３，３Ｎ）を３１４．３０ｇ秤量して白金製のルツボに充填し、約９００℃で融解して攪拌を行い均質化した後、７７０℃まで温度を下げた。その後３インチφの（Ｃａ，Ｚｒ，Ｍｇ）含有ＧＧＧ単結晶基板（格子定数＝１．２４９５ｎｍ）を１００ｒ．ｐ．ｍ．で回転させながら、当該ＧＧＧ単結晶基板上に液相エピタキシャル成長を開始させ、格子定数を制御しながら３４時間膜成長を行ったところ、５８０μｍの膜厚を持つビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜を得た。
【００３９】
得られたビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜から当該ＧＧＧ単結晶基板を研磨して除去した後、波長１５５０ｎｍにてファラデー回転角が４５ｄｅｇ．となるように表面および裏面を鏡面研磨した。その後、膜両面に反射防止膜を形成して所望のファラデー回転子を得た。
【００４０】
得られたビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜の組成を蛍光Ｘ線分析装置により分析したところ表１に示すように、（Ｂｉ１．１７Ｔｂ１．４８Ｙｂ０．２９Ｐｂ０．０６）（Ｆｅ４．２１Ｇａ０．７４Ｇｅ０．０２Ｐｔ０．０３）Ｏ１２であった。
【００４１】
また表２に示すように、飽和に要する磁界は１５１Ｏｅ、膜厚４４１μｍ、ファラデー回転角の温度係数は−０．０６５ｄｅｇ．／℃となった。
【００４２】
（比較例１）
実施例１乃至４と同様に、酸化テルビウム（Ｔｂ４Ｏ７，３Ｎ）を３３．７５８ｇ、酸化イッテリビウム（Ｙｂ２Ｏ３，３Ｎ）を１．４２４ｇ、酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ２，４Ｎ）を４．７７７ｇ、酸化ホウ素（Ｂ２Ｏ３，３Ｎ）を１１０．４７ｇ、酸化鉛（ＰｂＯ，３Ｎ）を２５７５．８ｇ、酸化ビスマス（Ｂｉ２Ｏ３，３Ｎ）を２０１６．４ｇ、酸化第二鉄（Ｆｅ２Ｏ３，３Ｎ）を３５７．３３ｇ秤量して白金製のルツボに充填し、約９００℃で融解して攪拌を行い均質化した後、８００℃まで温度を下げた。その後３インチφの（Ｃａ，Ｚｒ，Ｍｇ）含有ＧＧＧ単結晶基板（格子定数＝ｌ．２４９５ｎｍ）を１００ｒ．ｐ．ｍ．で回転させながら、当該ＧＧＧ単結晶基板上に液相エピタキシャル成長を開始させ、格子定数を制御しながら４１時間膜成長を行ったところ、６３０μｍの膜厚を持つビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜を得た。
【００４３】
得られたビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜から当該ＧＧＧ単結晶基板を研磨して除去した後、波長１５５０ｎｍにてファラデー回転角が４５ｄｅｇ．となるように表面および裏面を鏡面研磨した。その後、膜両面に反射防止膜を形成して所望のファラデー回転子を得た。
【００４４】
得られたビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜の組成を蛍光Ｘ線分析装置により分析したところ表１に示すように、（Ｂｉ０．９０Ｔｂ２．００Ｙｂ０．０５Ｐｂ０．０５）（Ｆｅ４．９６Ｇｅ０．０２Ｐｔ０．０２）Ｏ１２であった。
【００４５】
また表２に示すように、飽和に要する磁界は８３０Ｏｅ、膜厚５１７μｍ、ファラデー回転角の温度係数は−０．０４５ｄｅｇ．／℃となった。
【００４６】
（実施例６）
実施例１乃至５と同様に、酸化テルビウム（Ｔｂ４Ｏ７，３Ｎ）を２５．１４５ｇ、酸化イッテリビウム（Ｙｂ２Ｏ３，３Ｎ）を４．２４１ｇ、酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ２，４Ｎ）を３．９１４ｇ、酸化ホウ素（Ｂ２Ｏ３，３Ｎ）を１０９．６９ｇ、酸化鉛（ＰｂＯ，３Ｎ）を２５５７．８ｇ、酸化ビスマス（Ｂｉ２Ｏ３，３Ｎ）を２００２．３ｇ、酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３，４Ｎ）を３６．６５４ｇ、酸化第二鉄（Ｆｅ２Ｏ３，３Ｎ）を３５９．１０ｇ秤量して白金製のルツボに充填し、約９００℃で融解して攪拌を行い均質化した後、７９０℃まで温度を下げた。その後３インチφの（Ｃａ，Ｚｒ，Ｍｇ）含有ＧＧＧ単結晶基板（格子定数＝１．２４９５ｎｍ）を１００ｒ．ｐ．ｍ．で回転させながら、当該ＧＧＧ単結晶基板上に液相エピタキシャル成長を開始させ、格子定数を制御しながら３９時間膜成長を行ったところ、６２０μｍの膜厚を持つビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜を得た。
【００４７】
得られたビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜から当該ＧＧＧ単結晶基板を研磨して除去した後、波長１５５０ｎｍにてファラデー回転角が４５ｄｅｇ．となるように表面および裏面を鏡面研磨した。その後、膜両面に反射防止膜を形成して所望のファラデー回転子を得た。
【００４８】
得られたビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜の組成を蛍光Ｘ線分析装置により分析したところ表３に示すように、（Ｂｉ１．１８Ｔｂ１．５９Ｙｂ０．１８Ｐｂ０．０５）（Ｆｅ４．４５Ｇａ０．５１Ｇｅ０．０２Ｐｔ０．０３）Ｏ１２であった。
【００４９】
【表３】
2004010395.tif 000005
【００５０】
また表４に示すように、飽和に要する磁界は３２２Ｏｅ、膜厚４５０μｍ、ファラデー回転角の温度係数は−０．０６２ｄｅｇ．／℃，挿入損失は０．０９ｄＢとなった。
【００５１】
【表４】
2004010395.tif 000006
【００５２】
（実施例７）
実施例１乃至６と同様に、酸化テルビウム（Ｔｂ４Ｏ７，３Ｎ）を２５．１４５ｇ、酸化イッテリビウム（Ｙｂ２Ｏ３，３Ｎ）を４．２４１ｇ、酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ２，４Ｎ）を６．５２３ｇ、酸化ホウ素（Ｂ２Ｏ３，３Ｎ）を１０９．６９ｇ、酸化鉛（ＰｂＯ，３Ｎ）を２５５７．８ｇ、酸化ビスマス（Ｂｉ２Ｏ３，３Ｎ）を２００２．３ｇ、酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３，４Ｎ）を３６．６５４ｇ、酸化第二鉄（Ｆｅ２Ｏ３，３Ｎ）を３５９．１０ｇ秤量して白金製のルツボに充填し、約９００℃で融解して攪拌を行い均質化した後、７９０℃まで温度を下げた。その後３インチφの（Ｃａ，Ｚｒ，Ｍｇ）含有ＧＧＧ単結晶基板（格子定数＝１．２４９５ｎｍ）を１００ｒ．ｐ．ｍ．で回転させながら、当該ＧＧＧ単結晶基板上に液相エピタキシャル成長を開始させ、格子定数を制御しながら３９時間膜成長を行ったところ、６２０μｍの膜厚を持つビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜を得た。
【００５３】
得られたビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜から当該ＧＧＧ単結晶基板を研磨して除去した後、波長１５５０ｎｍにてファラデー回転角が４５ｄｅｇ．となるように表面および裏面を鏡面研磨した。その後、膜両面に反射防止膜を形成して所望のファラデー回転子を得た。
【００５４】
得られたビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜の組成を蛍光Ｘ線分析装置により分析したところ表３に示すように、（Ｂｉ１．１９Ｔｂ１．５８Ｙｂ０．１７Ｐｂ０．０６）（Ｆｅ４．４５Ｇａ０．５０Ｇｅ０．０３Ｐｔ０．０２）Ｏ１２であった。
【００５５】
また表４に示すように、飽和に要する磁界は３０７Ｏｅ、膜厚４６４μｍ、ファラデー回転角の温度係数は−０．０６２ｄｅｇ．／℃、挿入損失は０．０６ｄＢとなった。
【００５６】
（実施例８）
実施例１乃至７と同様に、酸化テルビウム（Ｔｂ４Ｏ７，３Ｎ）を２５．１４５ｇ、酸化イッテリビウム（Ｙｂ２Ｏ３，３Ｎ）を４．２４１ｇ、酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ２，４Ｎ）を１０．２３０ｇ、酸化ホウ素（Ｂ２Ｏ３，３Ｎ）を１０９．６９ｇ、酸化鉛（ＰｂＯ，３Ｎ）を２５５７．８ｇ、酸化ビスマス（Ｂｉ２Ｏ３，３Ｎ）を２００２．３ｇ、酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３，４Ｎ）を３６．６５４ｇ、酸化第二鉄（Ｆｅ２Ｏ３，３Ｎ）を３５９．１０ｇ秤量して白金製のルツボに充填し、約９００℃で融解して攪拌を行い均質化した後、７９０℃まで温度を下げた。その後３インチφの（Ｃａ，Ｚｒ，Ｍｇ）含有ＧＧＧ単結晶基板（格子定数＝１．２４９５ｎｍ）を１００ｒ．ｐ．ｍ．で回転させながら、当該ＧＧＧ単結晶基板上に液相エピタキシャル成長を開始させ、格子定数を制御しながら３９時間膜成長を行ったところ、６２０μｍの膜厚を持つビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜を得た。
【００５７】
得られたビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜から当該ＧＧＧ単結晶基板を研磨して除去した後、波長１５５０ｎｍにてファラデー回転角が４５ｄｅｇ．となるように表面および裏面を鏡面研磨した。その後、膜両面に反射防止膜を形成して所望のファラデー回転子を得た。
【００５８】
得られたビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜の組成を蛍光Ｘ線分析装置により分析したところ表３に示すように、（Ｂｉ１．１９Ｔｂ１．５８Ｙｂ０．１８Ｐｂ０．０５）（Ｆｅ４．４４Ｇａ０．４９Ｇｅ０．０５Ｐｔ０．０２）Ｏ１２となった。
【００５９】
また表４に示すように、飽和に要する磁界は２７７Ｏｅ、膜厚４６９μｍ、ファラデー回転角の温度係数は−０．０６２ｄｅｇ．／℃、挿入損失は０．１０ｄＢとなった。
【００６０】
（比較例２）
実施例１乃至８と同様に、酸化テルビウム（Ｔｂ４Ｏ７，３Ｎ）を２５．１４５ｇ、酸化イッテリビウム（Ｙｂ２Ｏ３，３Ｎ）を４．２４１ｇ、酸化ホウ素（Ｂ２Ｏ３，３Ｎ）を１０９．６９ｇ、酸化鉛（ＰｂＯ，３Ｎ）を２５５７．８ｇ、酸化ビスマス（Ｂｉ２Ｏ３，３Ｎ）を２００２．３ｇ、酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３，４Ｎ）を３６．６５４ｇ、酸化第二鉄（Ｆｅ２Ｏ３，３Ｎ）を３５９．１０ｇ秤量して白金製のルツボに充填し、約９００℃で融解して攪拌を行い均質化した後、７９０℃まで温度を下げた。その後３インチφの（Ｃａ，Ｚｒ，Ｍｇ）含有ＧＧＧ単結晶基板（格子定数＝１．２４９５ｎｍ）を１００ｒ．ｐ．ｍ．で回転させながら、当該ＧＧＧ単結晶基板上に液相エピタキシャル成長を開始させ、格子定数を制御しながら３９時間膜成長を行ったところ、６２０μｍの膜厚を持つビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜を得た。
【００６１】
得られたビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜から当該ＧＧＧ単結晶基板を研磨して除去した後、波長１５５０ｎｍにてファラデー回転角が４５ｄｅｇ．となるように表面および裏面を鏡面研磨した。その後、膜両面に反射防止膜を形成して所望のファラデー回転子を得た。
【００６２】
得られたビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜の組成を蛍光Ｘ線分析装置により分析したところ表３に示すように、（Ｂｉ１．１８Ｔｂ１．５９Ｙｂ０．１８Ｐｂ０．０５）（Ｆｅ４．４６Ｇａ０．５２Ｐｔ０．０２）Ｏ１２であった。
【００６３】
また表４に示すように、飽和に要する磁界は３５２Ｏｅ、膜厚４４６μｍ、ファラデー回転角の温度係数は−０．０６２ｄｅｇ．／℃、挿入損失は０．２５ｄＢとなり、Ｇｅ無添加では飽和に要する磁界および挿入損失が大きくなることがわかった。
【００６４】
以上説明したように本実施の形態によれば、実施例１乃至８から明らかなようにＧａ置換量を０．４以上０．８以下にすると、ファラデー回転角の温度係数を悪化させずに光アイソレータ等に利用されるビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶の飽和磁界を低減することができる。本実施の形態によるビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶を用いることにより、飽和磁界が１００（Ｏｅ）以上５００（Ｏｅ）以下のファラデー回転子が得られる。このため、小型の永久磁石でファラデー回転子に飽和磁界を印加することが可能になり、光学素子の小型化が可能になる。
また実施例６乃至８から明らかなようにＧｅ置換量を０．０２以上０．０５以下にすると挿入損失が０．１（ｄＢ）以下となり、挿入損失および飽和磁界を低減することができる。
【００６５】
次に、本実施の形態によるビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶を用いたファラデー回転子及びそれを用いた光学素子としての光アイソレータ１００の概略の構成について図１を用いて説明する。図１は、本実施例に係る光アイソレータ１００の概略構成を示している。図１において、光アイソレータ１００は、本実施の形態によるビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶を用いたファラデー回転子１を有している。ファラデー回転子１の光入射側には偏光子８が配置され、ファラデー回転子１の光射出側には検光子１０が配置されている。
【００６６】
ファラデー回転子１に飽和磁界を印加して所定のファラデー回転角を付与するために磁気回路が設けられている。磁気回路は、一組のリング型永久磁石２、４を有している。リング型永久磁石２、４はファラデー回転子１の入射光Ｉｉの入射側と射出光Ｉｏの射出側とに磁極を揃えて配置されている。リング型永久磁石２、４によりファラデー回転子１に対して光の入射出方向に飽和磁界が印加される。光アイソレータ１００のファラデー回転子１は、本実施の形態によるビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶を用いることにより１００（Ｏｅ）以上５００（Ｏｅ）以下の飽和磁界が得られている。このため、リング型永久磁石２、４が小型であってもファラデー回転子１に十分な飽和磁界を印加することが可能になる。
【００６７】
次に、本実施の形態によるビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶で作製されたファラデー回転子及びそれを用いた光学素子としての光アッテネータ１１０の概略の構成について図２を用いて説明する。図２は、本実施例に係る光アッテネータ１１０の概略構成を示している。図２において、光アッテネータ１１０は、本実施の形態によるビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶で作製されたファラデー回転子１を有している。ファラデー回転子１の光入射側には光の入射順に偏光子８と旋光子１２が配置され、ファラデー回転子１の光射出側には検光子１０が配置されている。ファラデー回転子１に飽和磁界を印加して所定のファラデー回転角を付与するために磁気回路が設けられている。磁気回路は、リング型永久磁石２、４を有しており、ファラデー回転子１の入射光Ｉｉの入射側と射出光Ｉｏの射出側に一組のリング型永久磁石２、４が磁極を揃えて配置されている。これらリング型永久磁石２、４により光の入射出方向に固定磁界が印加される。
【００６８】
また、ファラデー回転子１に対して固定磁界の方向とほぼ直交する方向に可変磁界を印加する電磁石６が配置されている。可変磁界の強度は電磁石６のコイル（不図示）に流す電流を変化させることにより制御できる。可変磁界の強度を変化させることによりファラデー回転角を制御して射出光量の減衰率を制御することができる。本実施の形態による光アッテネータ１１０は、上記実施例に基づくビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶で作製され、飽和磁界が１００（Ｏｅ）以上５００（Ｏｅ）以下のファラデー回転子１を有している。このため、小型のリング型永久磁石２、４でファラデー回転子１に飽和磁界を印加することが可能になる。
【００６９】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、飽和に要する磁界を低減させても、ファラデー回転角の温度依存性が増大せず、ファラデー回転能も低下せず、消光比も悪化せず、挿入損失も増加しないビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶及びそれを用いたファラデー回転子及びそれを用いた光学素子を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態によるビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶を用いたファラデー回転子及びそれを用いた光アイソレータの概略の構成を示す図である。
【図２】本発明の一実施の形態によるビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶を用いたファラデー回転子及びそれを用いた光アッテネータの概略の構成を示す図である。
【符号の説明】
１　ファラデー回転子
２、４　リング型永久磁石
６　電磁石
８　偏光子
１０　検光子
１２　旋光子
１００　光アイソレータ
１１０　光アッテネータ
【図１】
2004010395.tif 000007
【図２】
2004010395.tif 000008