(57)【要約】【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、磁気特性の良好な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を目的とする。【解決手段】Ｂｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜と、当該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、当該単結晶膜は、化学式Ｂｉ３−ｘＲｘＦｅ５−ｙＭｙＯ１２（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種類の元素と、Ｐｂ、Ｃａ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は、１．５＜ｘ＜２．５を満足する。Ｍは、Ｇａ、Ａｌ、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｉ、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、ｙは、０＜ｙ＜１．５を満足する。）で表され、２つの表面のうち一方でのｙの値をｙ１とし、他方でのｙの値をｙ２としたとき、ｙ２≦ｙ１≦２ｙ２の関係を満たすようにする。【選択図】    図６
2004191468.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
硬磁性の特性を有する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−ｘＲｘＦｅ５−ｙＭｙＯ１２（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種類の元素と、Ｐｂ、Ｃａ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は、１．５＜ｘ＜２．５を満足する。Ｍは、Ｇａ、Ａｌ、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｉ、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、ｙは、０＜ｙ＜１．５を満足する。）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Ｍは、Ｇａ、Ａｌ、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｉ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】
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において、
補償温度が−４０℃以上、８５℃以下であること
を特徴とするファラデー回転子。
【請求項６】
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５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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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。
【０００２】
【従来の技術】
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（磁性ガーネット材料）は、光アイソレータや光サーキュレータなどに用いられるファラデー回転子として光通信システム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。光アイソレータは、ファラデー回転子と、一方向の偏光面の光のみを透過させる機能を有しファラデー回転子を挟んで配置される２枚の偏光素子又は偏光分離素子と、ファラデー回転子を磁気的に飽和させる外部磁石とを組み合わせて構成されることが多い。図１０は、ファラデー回転子の光の透過方向と磁界の方向を示している。図１０に示すように、ファラデー回転子２２４ｂには、光の進行方向に平行な矢印Ａの方向の磁界が例えば外部磁石により印加される。
【０００３】
近年、軟磁性であったＢｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜の組成を制御することで、硬磁性のＢｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜を実現することが検討されている（例えば、特許文献１参照）。ファラデー回転子を硬磁性にすること、すなわちファラデー回転子を永久磁石にすることは、ファラデー回転子に磁界を印加する外部磁石が不要になるため、光アイソレータの小型化や低コスト化に極めて有効である。Ｂｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜を硬磁性にするには、希土類元素としてＴｂ、Ｇｄ、Ｅｕ、Ｈｏなどのような磁気モーメントの大きい元素を選択するとともに、鉄をＧａやＡｌなどの非磁性元素で置換する。こうすると光アイソレータの動作温度付近で自発磁化Ｍを小さい値にすることができ、その結果、Ｂｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜に磁気的な角型ヒステリシスを持たせ、抗磁力（保磁力）Ｈｃを大きくすることが可能となる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−１８５０２７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
Ｔｂ、Ｇｄ、Ｅｕ、Ｈｏなどの元素を多く含むＢｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜は、自発磁化Ｍの温度特性の中で、自発磁化Ｍがほぼ０（ゼロ）となる温度すなわち補償温度を持つ。補償温度では、希土類イオンとＦｅイオンの全磁気モーメントが等しくなって、見かけ上の磁化はほぼ０になっている。一般的に、永久磁石の抗磁力Ｈｃは自発磁化Ｍが小さいほど大きい値をとることができる。したがって、通信用光デバイスの動作温度として要求される−４０〜８５℃の範囲に補償温度を設定して、通信用光デバイスの実用温度範囲内で自発磁化Ｍをより小さい値とすることが望ましい。
【０００６】
ところが、上記のような方法でＢｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜を硬磁性にすると、自発磁化Ｍが極めて小さい値になる温度条件で、複数のファラデー回転角が出現する特異な現象が生じることが分かってきた。図１１は、上記の硬磁性のＢｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜を用いて製造されたファラデー回転子のファラデー回転角の磁気ヒステリシスを示している。横軸は磁界を表し、縦軸はファラデー回転角（ｄｅｇ．）を表している。図１１に示すように、このファラデー回転子は、４５ｄｅｇ．と２０ｄｅｇ．の２つのファラデー回転角を有している。本明細書中では、互いに分離された複数のファラデー回転角が現れる現象をスプリットということにする。スプリットが生じたファラデー回転子は、ファラデー回転角の再現性が低下してしまい、外部磁界や温度の変化によりファラデー回転角が大きく変動する。このため、所望のファラデー回転角を安定的に得ることができなくなる。特に、温度が変化するとファラデー回転角の再現性が低下することが確認されている。このようなファラデー回転子を用いて光アイソレータなどの光デバイスを作製すると、ファラデー回転角が変動してしまうため光が透過しなくなる等の不具合が発生する。
【０００７】
そこで、スプリットの生じる温度範囲を光デバイスの動作温度である−４０〜８５℃の範囲から外すことによって、上記の問題を解決する試みが行われている。しかし、この場合、自発磁化Ｍの値が比較的大きい条件で硬磁性の特性が得られるため、抗磁力Ｈｃが極めて小さい値となる。このため外部からの磁界、温度変動及び衝撃などによって、ファラデー回転子の磁気的特性が容易に変化してしまい、ファラデー回転角が変動してしまうという問題が生じている。その結果、硬磁性の特性を有するファラデー回転子は、一般的な光デバイスにはまだ普及していない。
【０００８】
本発明の目的は、磁気特性の良好な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。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、硬磁性の特性を有する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−ｘＲｘＦｅ５−ｙＭｙＯ１２（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種類の元素と、Ｐｂ、Ｃａ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は、１．５＜ｘ＜２．５を満足する。Ｍは、Ｇａ、Ａｌ、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｉ、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、ｙは、０＜ｙ＜１．５を満足する。）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。
【００１０】
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をさらに満足することを特徴とする。
【００１１】
上記本発明のファラデー回転子において、前記Ｍは、Ｇａ、Ａｌ、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｉ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。
上記本発明のファラデー回転子において、補償温度が−４０℃以上、８５℃以下であることを特徴とする。
【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。
【００１３】
【発明の実施の形態】
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９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。
ファラデー回転子の全領域で磁気的な特性が均一な場合、補償温度近傍で自発磁化Ｍが極めて小さい値となってもスプリットが生じることは本来あり得ない。したがって、スプリットが生じるということは、磁気的な特性が異なる複数の層が重なってファラデー回転子を構成していると推定される。そこで、様々な手法によりこのファラデー回転子の磁気特性や組成を分析したところ、鉄及び鉄と置換できる元素の組成分布とスプリットの発生との間に明らかな相関関係があることが分かった。すなわち、ファラデー回転子の鉄及び鉄と置換する元素の組成分布がエピタキシャル膜成長方向（光の入出射方向）に不均一であると、スプリットが生じることが確認された。
【００１４】
図１は、硬磁性のＢｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜を用いて製造されたファラデー回転子の自発磁化Ｍと温度との関係を示している。横軸は温度を表し、縦軸は自発磁化Ｍを表している。図１に示すように、自発磁化Ｍは、補償温度Ｔｃでほぼ０になっている。補償温度Ｔｃは、光デバイスの動作温度として要求される−４０℃以上８５℃以下の範囲に設定されている。
図２乃至図４は、Ｂｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜のスピン配列を模式的に示している。図２は補償温度Ｔｃ近傍でのスピン配列を示し、図３は補償温度Ｔｃより高い温度Ｔ２でのスピン配列を示している。図４は補償温度Ｔｃより低い温度Ｔ１でのスピン配列を示している。各図中の矢印ａは鉄イオンの磁気モーメントの方位及び強度を表し、各図中の矢印ｂは希土類元素イオンの磁気モーメントの方位及び強度を表している。図２に示すように、補償温度Ｔｃ近傍の温度では、希土類元素イオンと鉄イオンの磁気モーメントの強度が互いにほぼ等しくなっている。図３に示すように、補償温度Ｔｃより高い温度Ｔ２では、希土類元素イオンの磁気モーメントの強度の方が鉄イオンの磁気モーメントの強度よりも高くなっている。図４に示すように、補償温度Ｔｃより低い温度Ｔ１では、鉄イオンの磁気モーメントの強度の方が希土類元素イオンの磁気モーメントの強度よりも高くなっている。
【００１５】
大きい磁気モーメントを持つ希土類元素を多く含むＢｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜では、鉄を置換する非磁性元素の量が多くなると補償温度Ｔｃが高くなっていく。非磁性元素の置換量を適当な量に調整することによって、補償温度Ｔｃを室温近傍にすることができ、室温を中心とする光デバイスの動作温度で大きい値の抗磁力Ｈｃが得られる。
【００１６】
ところが、非磁性元素の置換量が領域により不均一であると、同一の温度条件であっても補償温度Ｔｃが領域により異なるため、補償温度Ｔｃに対する相対的な希土類元素イオンと鉄イオンの磁気モーメントの強度が領域により異なってしまう。ある領域で希土類元素イオンと鉄イオンの磁気モーメントの強度が互いにほぼ等しいとしても、当該領域よりも鉄の組成比の大きい領域では、補償温度Ｔｃが低くなるため、鉄イオンの磁気モーメントの強度の方が希土類元素イオンの磁気モーメントの強度よりも高くなる。逆に、鉄の組成比の小さい領域では、希土類元素イオンの磁気モーメントの強度の方が鉄イオンの磁気モーメントの強度よりも高くなる。したがって、１つのファラデー回転子内に、鉄イオンと希土類元素イオンの磁気モーメントの和が互いに異なる複数の領域が存在してしまうことになる。これらの複数の領域は、磁気的な特性が互いに異なる。
【００１７】
図５は、鉄イオンと希土類元素イオンの磁気モーメントの和が互いに異なる２つの領域が存在するファラデー回転子の構成及び領域毎の磁気特性を模式的に示している。図５（ａ）に示すように、ファラデー回転子２２４ｂは、鉄イオンと希土類元素イオンの磁気モーメントの和が互いに異なる２つの領域を有している。２つの領域は、入出射両面にほぼ平行な仮想面２２６を境界としている。図５（ｂ）はファラデー回転子２２４ｂの入射面側での自発磁化Ｍと温度との関係（ｂ相）を示し、図５（ｃ）はファラデー回転子２２４ｂの出射面側での自発磁化Ｍと温度との関係（ａ相）を示している。図５（ｂ）、（ｃ）の横軸は温度を表し、縦軸は自発磁化Ｍを表している。破線ｃは、ファラデー回転子２２４ｂの温度を表している。また、図５（ｄ）はファラデー回転子２２４ｂのｂ相の磁気ヒステリシスを示し、図５（ｅ）はファラデー回転子２２４ｂのａ相の磁気ヒステリシスを示している。図５（ｄ）、（ｅ）の横軸は磁界を表し、縦軸はファラデー回転角を表している。図５（ｄ）、（ｅ）中の左右方向に延びる破線はファラデー回転角０ｄｅｇ．を表し、上下方向に延びる破線は磁界０を表している。
【００１８】
図５（ｂ）、（ｃ）に示すように、ａ相とｂ相では補償温度Ｔｃが異なっている。ａ相では補償温度Ｔｃがファラデー回転子２２４ｂの温度より高く、ｂ相では補償温度Ｔｃがファラデー回転子２２４ｂの温度より低い。このため、図５（ｄ）、（ｅ）に示すように、ａ相とｂ相では磁気ヒステリシスが異なっている。したがって、ファラデー回転子２２４ｂの磁気ヒステリシスは、ａ相の磁気ヒステリシスとｂ相の磁気ヒステリシスとの和になり、補償温度Ｔｃ近傍の温度でのファラデー回転角には、図１１に示すようにスプリットが生じる。
【００１９】
Ｂｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜中の鉄の組成分布が変動する原因は、エピタキシャル膜の育成中に鉄と置換する元素の組成変動である。そこで、鉄と置換する元素とその組成変動量を分析したところ、組成変動を抑えるほどスプリットが発生しなくなり、抗磁力Ｈｃが大きい値になることが分かった。
【００２０】
ＧａとＡｌは、Ｂｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜のエピタキシャル成長が安定することや、イオンの価数が鉄と同じ３価であること等のため、置換用の非磁性元素として使用されることが多い。このため、多量に置換されるＧａやＡｌのような非磁性元素の組成分布が均一であることが必要となる。しかし、ＧａやＡｌについては、これらの酸化物を酸化鉄と共に育成用坩堝（るつぼ）に配合する割合で育成条件が確定する。このため、ＧａやＡｌの組成がファラデー回転子の各領域で不均一になる可能性は低い。したがって、一般的なエピタキシャル成長条件では、ＧａやＡｌの組成変動はスプリットの発生に大きな影響を与えない。
【００２１】
それ以外の非磁性元素として、坩堝や治具から育成中に融液に溶出し、鉄と置換する非磁性の微量置換元素がある。微量置換元素は育成用の出発材料でないため、Ｂｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜中に入る組成量は最大でも０．１程度までである。ところが、これらの微量置換元素の組成分布はスプリットの発生に大きな影響を与えることが分かった。すなわち、鉄と置換する非磁性の微量置換元素の組成分布が不均一になると、スプリットが生じることが確認された。したがって、ファラデー回転子の抗磁力Ｈｃの特性を改善するためには、微量置換元素の組成分布の均一化が必要であることが分かった。微量置換元素の組成分布が膜成長方向（厚さ方向）に略均一な状態、すなわちファラデー回転子の光の入出射する２つのＢｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜表面の間で、鉄と置換するそれぞれの非磁性元素が同じ量である状態が最も好ましい。しかし、必ずしも組成分布が一定になっていなくても、ファラデー回転子の特性に実用上の問題が生じない場合もある。ファラデー回転子の光の入出射する２つのＢｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜表面のうち一方の表面での各非磁性元素量が、他方の表面での各非磁性元素量以上でかつ２倍以下である場合は、スプリットの発生が抑制され、抗磁力Ｈｃが実用上問題のない値になる。
【００２２】
坩堝や治具から育成中に融液に溶出し、鉄と置換する非磁性の微量置換元素のうち代表的なものはＰｔである。通常、ガーネット単結晶膜のエピタキシャル成長の原材料を入れる容器は、ＰｂＯ、Ｂｉ２Ｏ３、Ｂ２Ｏ３の溶媒との反応性が低いこと、及び融点が育成温度より余裕を持って高いことという条件を満足するＰｔ（融点１７７２℃）を主成分にして作製されている。Ｐｔは融液との反応性が低いものの若干は反応してしまうため、エピタキシャル成長中、徐々に融液に溶解する。したがって、特にＰｔについて、ファラデー回転子の光の入出射する２つのＢｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜表面のうち、一方の表面のＰｔ量が、他方の表面のＰｔ量以上でかつ２倍以下になるようにする必要がある。
【００２３】
また、坩堝や基板固定に使用する治具などからＰｔ以外の不純物が溶液に溶出し、それらの元素がエピタキシャル膜に混入して不均一な組成分布を形成することもある。そのような場合でもファラデー回転子の光の入出射する２つのＢｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜表面のうち、一方の表面の各非磁性元素量が、他方の表面のそれぞれの非磁性元素量以上でかつ２倍以下になるようにする必要がある。
【００２４】
そして、ファラデー回転子のＨｃ特性をさらに改善するために、坩堝や、育成に使用する溶液の攪拌用治具（攪拌子）、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は非常にイオンになり難い元素であるためＰｂＯ、Ｂｉ２Ｏ３及びＢ２Ｏ３の溶媒に僅かしか溶解せず、その僅かに溶解したＡｕも酸化物であるエピタキシャル膜にはほとんど析出しない。このため、坩堝や治具から析出するＰｔやその他の不純物をエピタキシャル膜から除去するためには、Ａｕを用いるこれらの手法は最も有効な方法となる。このように、Ｐｔやその他の不純物が除去されることにより、スプリットが発生せず、大きい抗磁力Ｈｃを持つ理想的な硬磁性ファラデー回転子が得られる。
【００２５】
ただし、Ａｕの融点は１０６４℃と育成温度に近いため、Ａｕで作製された坩堝や治具は育成条件では極めて軟らかく、取り扱い難い。このため、ＰｔとＡｕを合金化することで補強した材料を用いることが、坩堝や治具の強度を得るために有効である。このような材料を用いると、微量のＰｔがエピタキシャル膜に混入することがある。しかし、この場合でもファラデー回転子の光の入出射する２つのＢｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜表面のうち、一方の表面のＰｔ量が、他方の表面のＰｔ量以上でかつ２倍以下であれば、実用上の特性的な問題は起きないことが分かった。
【００２６】
また、原材料に配合され、鉄と多量に置換されるＧａやＡｌなどの非磁性元素においても組成変動がないことが理想である。ファラデー回転子の両表面において、一方の表面の各非磁性元素量が、他方の表面のそれぞれの非磁性元素量以上でかつ２倍以下であることは、同じく硬磁性のファラデー回転子に必要な条件である。
【００２７】
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−ｘＲｘＦｅ５−ｙＭｙＯ１２（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種類の元素と、Ｐｂ及びＣａ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は、１．５＜ｘ＜２．５を満足する。Ｍは、Ｇａ、Ａｌ、Ｓｃ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｉ、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、ｙは、０＜ｙ＜１．５を満足する。）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の関係を満たしている。さらに、ｙ１及びｙ２がｙ１≒ｙ２の関係を満たしていればさらに望ましい。
【００２８】
図６は、本実施の形態によるファラデー回転子のファラデー回転角の磁気ヒステリシス（硬磁気特性）を示している。横軸は磁界を表し、縦軸はファラデー回転角（ｄｅｇ．）を表している。図６に示すように、本実施の形態では、スプリットが発生せず、比較的大きい抗磁力Ｈｃが得られるとともに、良好な角型ヒステリシスが得られている。
【００２９】
本実施の形態によれば、硬磁性の特性を有するＢｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜より作製されるファラデー回転子において、鉄と置換する各非磁性元素の光入出射方向の組成分布を一定の範囲に抑えることにより、スプリットの発生を抑制することが可能となった。
【００３０】
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７乃至図９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７は、光通信システム１の構成を示している。図７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。
【００３１】
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。
【００３２】
図８は、ＬＤモジュール２２の構成を示している。図８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。
【００３３】
図９は、光アイソレータ２２４の構成を示している。図９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。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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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）
Ｔｂ４Ｏ７、Ｙｂ２Ｏ３、Ｂｉ２Ｏ、Ｆｅ２Ｏ３、Ｇａ２Ｏ３、ＧｅＯ２、ＰｂＯ、Ｂ２Ｏ３をＡｕ製の坩堝に入れて当該坩堝を電気炉内に配置し、温度を上げて溶融した後に攪拌を行った。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、液相エピタキシャル法によってこの融液より基板上に（ＢｉＴｂＹｂＰｂ）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。この単結晶膜を研磨、切断し、光の入出射する２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４５０μｍのファラデー回転子を作製した。ＶＳＭ（振動試料型磁力計）で評価したところ、このファラデー回転子の補償温度は１５℃であった。温度を変えながらＶＳＭで自発磁化Ｍを評価して、キュリー温度より低い温度で自発磁化Ｍが０に最も近づいた温度を補償温度と判断した。温度２５℃でファラデー回転角と外部磁界との関係を評価したところ、ファラデー回転角は４５ｄｅｇ．のみであってスプリットは発生せず、抗磁力Ｈｃは５００ｋＡ／ｍであった。次に、このファラデー回転子の光の入出射面でガーネット組成を分析した。組成分析は、（ＢｉＴｂＨｏＰｂ）３（ＦｅＧａＧｅ）５Ｏ１２単結晶の光の入出射する２面で、レーザアブレーション／ＩＣＰ質量分析法によりＧａ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、これらの元素の入出射両面での組成比の評価を行った。その結果、ファラデー回転子の入出射両面での組成比は、一方の表面でのＧａ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Ｇａ、Ｇｅ共に１１０であった。
【００３７】
（実施例２）
Ｔｂ４Ｏ７、Ｙｂ２Ｏ３、Ｂｉ２Ｏ、Ｆｅ２Ｏ３、Ｇａ２Ｏ３、ＧｅＯ２、ＰｂＯ、Ｂ２Ｏ３をＡｕ製の坩堝に入れて電気炉内に配置し、温度を上げて溶融した後に攪拌を行った。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、液相エピタキシャル法によってこの融液より基板上に（ＢｉＴｂＹｂＰｂ）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。この単結晶膜を研磨、切断し、光の入出射する２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４５０μｍのファラデー回転子を作製した。ＶＳＭで評価したところ、このファラデー回転子の補償温度は１５℃であった。温度を変えながらＶＳＭで自発磁化Ｍを評価して、キュリー温度より低い温度で自発磁化Ｍが０に最も近づいた温度を補償温度と判断した。温度２５℃でファラデー回転角と外部磁界との関係を評価したところ、ファラデー回転角は４５ｄｅｇ．であり、僅かにスプリットが発生し、抗磁力Ｈｃは２００ｋＡ／ｍであった。次に、このファラデー回転子の光の入出射面でガーネット組成を分析した。組成分析は、（ＢｉＴｂＹｂＰｂ）３（ＦｅＧａＧｅＰｔ）５Ｏ１２単結晶の光の入出射する２面で、レーザアブレーション／ＩＣＰ質量分析法により検出されるＧａ、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、これらの元素の入出射両面での組成比の評価を行った。その結果、ファラデー回転子の入出射両面での組成比は、一方の表面でのＧａ、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Ｇａが１００、Ｇｅが１１０、Ｐｔが１５０であった。
【００３８】
（実施例３）
Ｔｂ４Ｏ７、Ｙｂ２Ｏ３、Ｂｉ２Ｏ、Ｆｅ２Ｏ３、Ｇａ２Ｏ３、ＧｅＯ２、ＰｂＯ、Ｂ２Ｏ３をＡｕとＰｔの合金製の坩堝に入れて電気炉内に配置し、温度を上げて溶融した後に攪拌を行った。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、液相エピタキシャル法によってこの融液より基板上に（ＢｉＴｂＹｂＰｂ）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。この単結晶膜を研磨、切断し、光の入出射する２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４５０μｍのファラデー回転子を作製した。ＶＳＭで評価したところ、このファラデー回転子の補償温度は１５℃であった。温度を変えながらＶＳＭで自発磁化Ｍを評価して、キュリー温度より低い温度で自発磁化Ｍが０に最も近づいた温度を補償温度と判断した。温度２５℃でファラデー回転角と外部磁界との関係を評価したところ、ファラデー回転角は４５ｄｅｇ．であり、スプリットが発生し、抗磁力Ｈｃは１２０ｋＡ／ｍであった。抗磁力Ｈｃが１２０ｋＡ／ｍならば実用上の問題はない。次に、このファラデー回転子の光の入出射面でガーネット組成を分析した。組成分析は、（ＢｉＴｂＹｂＰｂ）３（ＦｅＧａＧｅＰｔ）５Ｏ１２単結晶の光の入出射する２面で、レーザアブレーション／ＩＣＰ質量分析法により検出されるＧａ、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、これらの元素の入出射両面での組成比の評価を行った。その結果、ファラデー回転子の入出射両面での組成比は、Ｇａ、Ｇｅ及びＰｔの一方の表面での量をそれぞれ１００とすると、他方の表面での相対的な量はＧａが１００、Ｇｅが１００、Ｐｔが２００であった。
【００３９】
（比較例１）
Ｔｂ４Ｏ７、Ｙｂ２Ｏ３、Ｂｉ２Ｏ、Ｆｅ２Ｏ３、Ｇａ２Ｏ３、ＧｅＯ２、ＰｂＯ、Ｂ２Ｏ３をＰｔ製の坩堝に入れて電気炉内に配置し、温度を上げて溶融した後に攪拌を行った。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、液相エピタキシャル法によってこの融液より基板上に（ＢｉＴｂＹｂＰｂ）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。この単結晶膜を研磨、切断し、光の入出射する２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４５０μｍのファラデー回転子を作製した。ＶＳＭで評価したところ、このファラデー回転子の補償温度は１５℃であった。温度を変えながらＶＳＭで自発磁化Ｍを評価して、キュリー温度より低い温度で自発磁化Ｍが０に最も近づいた温度を補償温度と判断した。温度２５℃でファラデー回転角と外部磁界との関係を評価したところ、ファラデー回転角は４５ｄｅｇ．であり、スプリットが発生し、抗磁力Ｈｃは１０ｋＡ／ｍであった。このファラデー回転子は実用に適さなかった。次に、このファラデー回転子の光の入出射面でガーネット組成を分析した。組成分析は、（ＢｉＴｂＹｂＰｂ）３（ＦｅＧａＧｅＰｔ）５Ｏ１２単結晶の光の入出射する２面で、レーザアブレーション／ＩＣＰ質量分析法により検出されるＧａ、Ｇｅ及びＰｔについて行った。その分析値を相対的に比較することにより、これらの元素の入出射両面での組成比の評価を行った。その結果、ファラデー回転子の入出射両面での組成比は、Ｇａ、Ｇｅ、Ｐｔの一方の表面での量をそれぞれ１００とすると、他方の表面での相対的な量はＧａが１１０、Ｇｅが９０、Ｐｔが２５０であった。
【００４０】
本実施の形態では、硬磁性の特性を有するＢｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜より作製されるファラデー回転子において、鉄と置換する各非磁性元素の光入出射方向の組成分布を一定の範囲に抑えることにより、スプリットの発生が抑制でき、または比較的大きい抗磁力Ｈｃが得られている。このため、従来問題となっていた僅かな外部磁界、熱及び振動などによるファラデー回転角の変動が生じない。
【００４１】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、磁気特性の良好な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。
【図面の簡単な説明】
【図１】硬磁性のＢｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜を用いて製造されたファラデー回転子の自発磁化Ｍと温度との関係を示すグラフである。
【図２】補償温度Ｔｃ近傍でのＢｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜のスピン配列を模式的に示す図である。
【図３】補償温度Ｔｃより高い温度Ｔ２でのＢｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜のスピン配列を模式的に示す図である。
【図４】補償温度Ｔｃより低い温度Ｔ１でのＢｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜のスピン配列を模式的に示す図である。
【図５】鉄イオンと希土類元素イオンの磁気モーメントの和が互いに異なる２つの領域が存在するファラデー回転子の構成及び領域毎の磁気特性を模式的に示す図である。
【図６】本実施の形態によるファラデー回転子のファラデー回転角の磁気ヒステリシスを示すグラフである。
【図７】本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８】本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９】本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。
【図１０】ファラデー回転子の光の透過方向と磁界の方向を示す図である。
【図１１】従来の硬磁性のＢｉ置換希土類鉄ガーネット単結晶膜を用いて製造されたファラデー回転子のファラデー回転角の磁気ヒステリシスを示すグラフである。
【符号の説明】
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
２２６  仮想面
【図１】
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【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
2004191468.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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