(57)【要約】【課題】安価なファラデー回転子を提供する。【解決手段】ファラデー効果を有する磁性体２が多結晶体であり、かつ基体１に形成された貫通孔１ａの内部に充填されている。多結晶磁性体２が負の磁歪定数を有し、かつ、該磁性体２の内部に、貫通孔の側壁に対して略直交する半径方向外方へ向かう引張応力が残留しており、その残留応力による磁気弾性効果により、結晶磁気異方性に勝る一軸磁気異方性が誘導されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ファラデー効果を有する磁性体を備えたファラデー回転子において、
前記ファラデー効果を有する磁性体が多結晶体であり、かつ基体に形成された貫通孔の内部に充填されていることを特徴とするファラデー回転子。
【請求項２】
前記ファラデー効果を有する磁性体が負の磁歪定数を有し、かつ、該磁性体の内部に、前記貫通孔の側壁に対して略直交する方向の引張応力が残留していることを特徴とする請求項１に記載のファラデー回転子。
【請求項３】
前記基体が感光性ガラスであることを特徴とする請求項１又は２記載のファラデー回転子。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載されたファラデー回転子を用いた光アイソレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信分野、あるいは光計測の分野において、半導体レーザー等の光源から発射された光が、種々の原因で光源に帰還することを防止するための光アイソレータ等に用いられるファラデー回転子、及び、そのファラデー回転子を用いた光アイソレータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ファラデー回転子の材料としては、例えば、特許文献１に記載されているように、非磁性ガーネット基板上に液相エピタキシャル法で形成されたビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶が用いられていた。
【０００３】
一般的に、ファラデー回転子に入射する光の偏光方向と、ファラデー回転子を透過した後の光の偏光方向との成す角度、すなわちファラデー回転角は、ファラデー回転子の光伝播方向の厚さに比例する。
【０００４】
例えば、光アイソレータの場合、ファラデー回転角は４５度であることが必要であり、そのためのビスマス置換希土類鉄ガーネットの厚さは４００〜５００μｍとなる（以下、４５度のファラデー回転角を得るための厚さを「伝播長」と記す）。
【０００５】
通常、係る伝播長を得るために、液相エピタキシャル法で、ビスマス置換希土類鉄ガーネットを前述した伝播長より厚く形成した後、基板を研磨で除去し、更に、精密研磨により所望のファラデー回転角を得るために必要な膜厚に追い込む、という加工方法が採られていた。
【特許文献１】特開平７−２０６５９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、液相エピタキシャル法でビスマス置換希土類鉄ガーネットを形成する際には、非磁性のガーネット基板、例えばＧｄ３Ｇａ５Ｏ１２単結晶が用いられるが、係る非磁性単結晶基板は高価であり、最終形態のファラデー回転子には当該基板は残存しなくなるものの、結果的にファラデー回転子の価格を高額なものとしていた。
【０００７】
本発明は、上記事情を考慮し、安価なファラデー回転子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するための本発明により提供される第１の手段は、ファラデー効果を有する磁性体を備えたファラデー回転子において、前記ファラデー効果を有する磁性体が多結晶体であり、かつ基体に形成された貫通孔の内部に充填されていることを特徴とするファラデー回転子である。
【０００９】
また、本発明により提供される第２の手段は、第１の手段において、前記ファラデー効果を有する磁性体が負の磁歪定数を有し、かつ、該磁性体の内部に、前記貫通孔の側壁に対して略直交する方向の引張応力が残留していることを特徴とするファラデー回転子である。
【００１０】
また、本発明により提供される第３の手段は、第１又は第２の手段において、前記基体が感光性ガラスであることを特徴とするファラデー回転子である。
【００１１】
また、本発明により提供される第４の手段は、第１乃至第３のいずれかの手段により成るファラデー回転子を用いた光アイソレータである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明により、安価なビスマス置換希土類鉄ガーネットから成るファラデー回転子の提供が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の実施の形態について、図１を用いて説明する。
図１は、本発明の実施形態のファラデー回転子の概略図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線に沿った断面図を概略的に示したものである。
【００１４】
図中１は非磁性基体、２はファラデー効果を有する多結晶磁性体である。図に示したように、ファラデー効果を有する多結晶磁性体２は、非磁性基板１に形成された円形の貫通孔１ａの内部に充填されている。
【００１５】
貫通孔１ａの形状は、図に示したような円形の他に、例えば四角形とすることもできる。貫通孔１ａの形状と大きさは、多結晶磁性体２の内部を伝播する光の広がり等を考慮して、適宜選定することができる。
【００１６】
基体１としては、安価なセラミックス、あるいはガラス等、貫通孔を形成できるものであれば、特に制限はない。また、必ずしも非磁性である必要もなく、貫通孔１ａが形成できる材料であれば、磁性材料であってもよい。
【００１７】
貫通孔１ａの形成方法としては、超音波加工法、サンドブラスト法、レーザー加工法等、非磁性基体１の材質に合わせて適宜選定することが可能である。量産性等を考慮する場合は、非磁性基体１の材料として感光性ガラスを用い、フォトリソグラフィック法により貫通孔１ａを形成する方法が好適である。
【００１８】
また、ファラデー効果を有する多結晶磁性体２としては、ビスマス置換希土類鉄ガーネットを用いることが好適であり、その形成方法としては、高速成膜が可能なエアロゾルデポジション法を用いることが好適である。
【００１９】
エアロゾルデポジション法を採用すれば、ガーネット構造を有するビスマス置換希土類鉄ガーネットの微粒子を原料として用いることにより、基本的に、ガーネット構造を有する微細組織から成るビスマス置換希土類鉄ガーネット成膜体を形成することができる。
【００２０】
しかし、本発明は、基体１の貫通孔１ａ内への多結晶磁性体２の形成方法として、エアロゾルデポジション法に限定されるものではなく、所望の磁気光学特性が得られることを条件として、他の形成方法を用いることも可能である。
【００２１】
前述したように、本発明により成るファラデー回転子は、高価な単結晶非磁性ガーネット基板を用いずに製造することができるので、コスト低減に寄与することができる。
【００２２】
ところで、ビスマス置換希土類鉄ガーネットの結晶構造は立方晶で、結晶磁気異方性定数（Ｋ１）は負である。従って、磁化容易軸は＜１１１＞方向に平行となる。一般的に、液相エピタキシャル法でビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶を形成する場合、その＜１１１＞方向が基板面に垂直となるように、非磁性ガーネット基板の面方位が選定される。
【００２３】
すなわち、ファラデー回転子としてビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶が使用される場合、その＜１１１＞方向（ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜の膜面垂直方向）に磁界を印加して、当該方向に磁化を飽和させた状態で使用されることになる。前述したように、＜１１１＞方向はビスマス置換希土類鉄ガーネットの磁化容易軸方向であるため、当該ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶膜の場合には、その磁化を容易に飽和させることができる。
【００２４】
しかし、多結晶体の場合には、＜１１１＞軸が等方的かつ不規則に配向しているため、磁化が飽和し難くなるという問題が生じる。その点、本発明によれば、係る磁化飽和の問題についても解決することができる。
【００２５】
すなわち、ファラデー回転子の構造を図１に示した構造とすると共に、ビスマス置換希土類鉄ガーネットの磁歪定数、及び残留応力を適当に選定し、残留応力による磁気弾性効果を利用することにより、結晶磁気異方性に勝る一軸磁気異方性を誘導することで、上記の磁化飽和の問題を解決することができる。
【００２６】
一般的に、磁気弾性効果によって誘導される磁気異方性は一軸的であり、その大きさは、次の（１）式によって与えられる。
Ｋｕ＝（３／２）λ・σ  …  （１）
【００２７】
同式（１）において、Ｋｕは磁気異方性エネルギー、λは磁歪定数、σは応力である。磁歪定数λは正負いずれの値をとることもでき、磁性材料及びその組成等によって決定される。また、応力σは引張応力の場合を正、圧縮応力の場合を負とする。Ｋｕが正の場合、誘導される磁気異方性の磁化容易軸は、応力印加方向に平行となり、Ｋｕが負の場合には、誘導される磁気異方性の磁化容易軸は、応力印加方向に直交する方向となる。
【００２８】
本発明では、ビスマス置換希土類鉄ガーネットの組成を、その磁歪定数が負になるように選定し、かつその内部に、非磁性基板１に形成された貫通孔１ａの側壁に略直交する方向（例えば、円形の貫通孔１ａの場合においては、貫通孔１ａの内部に充填された円柱形状の磁性体２の半径方向）の引張応力を残留せしめることにより、貫通孔１ａの軸線方向に略平行な一軸的な磁気異方性を誘導している。従って、磁性体２の軸方向を光の伝播方向３とすることにより、ファラデー効果を発揮することができる。
【００２９】
例えば、Bi1.2Gd1.8Fe5O12多結晶の場合、室温でのその結晶磁気異方性定数（Ｋ１）は、約−３００Ｊ／ｍ３で、磁歪定数は−１．８×１０−６である。従って、（１）式より、当該多結晶ガーネットに約１１０ＭＰａ程度の応力が印加された場合、あるいは、係る応力が当該多結晶ガーネットに残留している場合、磁気弾性効果によって誘導される磁気異方性エネルギーは、結晶磁気異方性定数（Ｋ１）と同程度の大きさになる。また、応力の値が、これ以上の値になると、磁気弾性効果によって誘導される磁気異方性エネルギーが、結晶磁気異方性定数（Ｋ１）に勝り、その磁界に対する磁化過程は、係る磁気弾性効果によって誘導される磁気異方性に支配されるようになる。
【００３０】
以下、図１に記載された形状の場合について、ファラデー効果を有する円柱形状の多結晶磁性体２の半径方向に応力を印加する、あるいは発生させる方法について説明する。
【００３１】
例えば、後述する方法（エアロゾルデポジション法）等でファラデー効果を有する多結晶磁性体２を非磁性基体１に設けられた貫通孔１ａ内に充填した後、高温で熱処理を施す。熱処理温度、時間等の条件は、当該熱処理温度で、非磁性基体１及びファラデー効果を有する多結晶磁性体２の両者がほぼ応力フリーの状態になるように設定する。ここでは、非磁性基体１の熱膨張係数が多結晶磁性体２の熱膨張係数より小さくなるように、両者の材料の組み合わせが決められている。
【００３２】
このような応力フリーの状態から室温まで冷却すると、図２（ａ）に示すように、熱膨張係数の大きい材料である多結晶磁性体２の方が、熱膨張係数の小さい材料である非磁性基体１よりも大きく収縮しようとするので、内周側の多結晶磁性体２には、矢印で示すような半径方向外側に向かう引張応力が発生する。ここで、収縮時の図においては、理解をしやすくするために、両部材間に収縮量の差としての隙間Ｓを図示してある。外周側の非磁性基体１と内周側の多結晶磁性体２が分離しているものであれば、このように収縮時に熱膨張差による隙間Ｓが生じる。しかし、実際には、非磁性基体１と磁性体２は一体化されているものであるから、前記隙間Ｓは生じず、その代わり、内周側の磁性体２には半径方向外方に向かう引張応力が発生し、外周側の非磁性基体１には半径方向内方に向かう引張応力が発生する。
【００３３】
発生する引張応力の大きさは、多結晶磁性体２と非磁性基体１の熱膨張係数の違いに依存する。このように多結晶磁性体２に引張応力が発生することにより、磁気弾性効果によって一軸的な磁気異方性が誘導される。
【００３４】
この場合、ファラデー効果を有する多結晶磁性体２は負の磁歪定数を有していることが必要条件となる。負であれば、磁気異方性の磁気容易軸が、引張応力の方向（磁性体２の半径方向）と直交する方向（軸方向）に誘導され、図２（ｂ）に示す光伝播方向３と平行になるからである。
【００３５】
以上、本発明のファラデー回転子の実施の形態について説明したが、本発明は、前述した実施形態に制限されるものではなく、非磁性基体１とファラデー効果を有する多結晶磁性体２との相互作用によって誘発される応力による磁気弾性効果を利用して、光伝播方向３に一軸的な磁気異方性を誘導できる形態であれば、他の形態であっても有効である。
【００３６】
また、本発明により成るファラデー回転子の光入射面と光出射面の各々に、例えば通常の光アイソレータと同様の偏光子と検光子を設置すれば、外部磁界印加手段を必要としない光アイソレータを容易に製造することができる。
以下、実施例を用いて本発明について更に詳細に説明する。
【実施例１】
【００３７】
実施例１について、図３及び図４を用いて説明する。図３の（ａ）は、多結晶磁性体が形成される前の非磁性基体の全体形状を示す概略図で、図中３１はステアタイト基板（非磁性基体）、３２はステアタイト基板３１に設けられた孔である。また、図３の（ｂ）は孔３２の断面形態を示す概略図である。また、図４の（ａ）は、ステアタイト基板３１上に多結晶磁性体が形成された後の形態を示す概略側断面図で、図中４１は多結晶のBi1.2Gd1.8Fe5O12である。また、図４の（ｂ）は、（ａ）に示した多結晶のBi1.2Gd1.8Fe5O12４１が形成された基板３１を、（ａ）図中のＡ−Ａ‘線及びＢ−Ｂ’線の位置まで、研削・研磨により薄肉化した後の状態を示す概略側断面図である。
【００３８】
本実施例では、非磁性基体３１としてステアタイト基板（熱膨張係数：５×１０−６）を用いており、その形状は１０ｍｍ角、厚さは１ｍｍであった。当該ステアタイト基板３１に対して、図３（ａ）に示すように、ドリルを用いて５００μｍφ、深さ３５０μｍの孔３２を形成した。ただし、図３（ｂ）に示すように、孔３２の表面近傍は、径の大きなドリルを用いて、孔３２の径を７００μｍに拡げた。当該孔を１．７ｍｍピッチで複数個形成した。
【００３９】
次に、図４（ａ）に示すように、前記孔３２内にエアロゾルデポジション法により、多結晶Bi1.2Gd1.8Fe5O12４１を成膜充填した。ここで、非磁性基体として用いるステアタイト基板３１の熱膨張係数（約５×１０−６／℃）は、多結晶Bi1.2Gd1.8Fe5O12４１の熱膨張係数（約１０×１０−６／℃）に比べて小さい。また、エアロゾルデポジション法で用いた原料微粒子の平均粒径は０．８μｍ、搬送ガスは酸素で、その流量は５リットル／分であった。また、噴射ノズルの開口径は０．６ｍｍφであった。
【００４０】
係る条件で、多結晶Bi1.2Gd1.8Fe5O12４１を約４００μｍ形成した。その後、６００℃で１時間の熱処理を施した。
【００４１】
熱処理後、基板表裏面を、図４（ａ）中のＡ−Ａ‘及びＢ−Ｂ’線まで研削除去及び研磨し、最終的に約２８０μｍ厚とした。そしてその後、図４（ｂ）のＣ−Ｃ‘線及びＤ−Ｄ’線に沿って切断し、図１に示す形状のファラデー回転子を作成した。
【００４２】
当該サンプルについて、波長１．５μｍでファラデー効果を測定した結果、ファラデー回転角は約４５度であった。また、振動式磁力計で円柱形状Bi1.2Gd1.8Fe5O12の中心軸方向の磁化曲線を測定した結果、反磁界補正後のＭｒ角型比はほぼ１であり、前述した磁気弾性効果が誘導されていない場合の理論値０．８３より大きくなった。このことから、円柱形状Bi1.2Gd1.8Fe5O12の半径方向に引張応力が残留し、係る残留応力によって誘導される磁気異方性が、結晶磁気異方性に勝り、かつ磁化過程を支配していることが確認された。
【実施例２】
【００４３】
実施例２では、実施例１とほぼ同様の条件で、図１（ａ）に示す形状のファラデー回転子を作成した。ただし、本実施例においては、実施例１におけるステアタイト基板を感光性ガラス基板とした。
【００４４】
用いた感光性ガラス基板は、５インチ角で、厚さは１．０ｍｍであった。感光性ガラスの組成は、ＳｉＯ２：７８．０重量％、ＬｉＯ２：１０．０重量％、Ａｌ２Ｏ３：６．０重量％、Ｋ２Ｏ３：４，０重量％、Ｎａ２Ｏ：１．０重量％、ＺｎＯ：１．０重量％、Ａｕ：０．００３重量％、Ａｇ：０．０８重量％、ＣｅＯ２：０．０８重量％である。
【００４５】
同基板に、フォトマスクを密着させて所謂密着露光方式により、紫外線を照射し潜像を形成した。用いた光源は１ＫＷのＸｅ−Ｈｇランプで、波長が３２０ｎｍの光で、露光量は、５５０ｍＪ／ｃｍ２であった。
【００４６】
フオトマスクとしては、径が４５０μｍの円形パターンが１．７ｍｍピッチで縦横方向に複数個配列されたものを用いた。
【００４７】
露光後、すなわち潜像形成後、その感光性ガラス基板に対し、攪拌装置が付属した流気式加熱炉内で、５９０℃、１時間の熱処理を施した。その後、７vol％のフッ化水素酸水溶液に硫酸を加えた混酸（硫酸濃度：２０ｗｔ％）からなるエッチング液を、熱処理後の感光性ガラス基板にスプレーすることによって孔を形成した。
【００４８】
形成された孔の形状を図５に模式的に示す。図中３１は感光性ガラス基板である。孔３２の深さは、実施例１と同様、３５０μｍで孔中央部の径は５００μｍである。また表面近傍の孔径は、エッチング時のサイドエッチ効果により拡がり、その基板表面における径は約８００μｍであった。
【００４９】
係る基板から、１０ｍｍ角の基板を切り出し、実施例１と同様の条件で、エアロゾルデポジション法により多結晶Bi1.2Gd1.8Fe5O12を約４００μｍ形成した後、熱処理、研削研磨、及び切断の各工程を経て、図１に示す形状のファラデー回転子を作成した。
【００５０】
当該サンプルについて、波長：１．５μｍでファラデー効果を測定した結果、ファラデー回転角は約４５度であった。
【００５１】
また、振動式磁力計で円柱形状のBi1.2Gd1.8Fe5O12の中心軸方向の磁化曲線を測定した結果、反磁界補正後のＭｒ角型比はほぼ１であり、前述した磁気弾性効果が誘導されていない場合の理論値０．８３より大きかった。このことから、円柱形状のBi1.2Gd1.8Fe5O12の半径方向に引張応力が残留し、係る残留応力によって誘導される磁気異方性が、結晶磁気異方性に勝り、かつ磁化過程を支配していることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の実施形態のファラデー回転子の構成図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＩｂ−Ｉｂ矢視断面図である。
【図２】（ａ）は同ファラデー回転子の磁性体に引張応力を導入する原理の説明図、（ｂ）は引張応力の方向と光伝播方向の関係を示す断面図である。
【図３】同実施形態のファラデー回転子を得るための非磁性基体の構成図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）はその孔の断面図である。
【図４】同実施形態のファラデー回転子を得るための製造途中の工程の説明図で、（ａ）はエアロゾルデポジション法により非磁性基体の上に多結晶磁性体を成膜した状態を示す断面図、（ｂ）はそれを研削・研磨して不要部分を取り除いた状態を示す断面図である。
【図５】非磁性基体に他の方法で孔を形成した場合の断面図である。
【符号の説明】
【００５３】
１  非磁性基体
１ａ  貫通孔
２  ファラデー回転効果を有する磁性体
【図１】
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【図２】
2007328297.tif 000004
【図３】
2007328297.tif 000005
【図４】
2007328297.tif 000006
【図５】
2007328297.tif 000007