(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一般式（Ｒ，Ｂｉ)3（Ｆｅ，Ｍ)5Ｏ12（ただし、Ｒは主成分であるＴｂと、Ｙまたは他の希土類元素とから成る少なくとも１種以上の希土類元素を示し、また、ＭはＡｌ、Ｇａまたは両方の元素を示し、Ｍの量はゼロでもよい）によって表され、ガーネット単結晶基板上に液相エピタキシャル成長法により育成されたビスマス置換希土類鉄系ガーネット厚膜単結晶に、両面の鏡面加工を行い、無反射コート膜を形成して作製したファラデー回転子について、雰囲気が２.０〜３.５ｖｏｌ％のＨ2を含むＮ2ガスもしくはＡｒガス、保持温度が４６０〜５４０℃、保持時間は３時間以上である熱処理を２回以上繰り返し、かつ、各熱処理の間において２５０℃以下に冷却することを特徴とするファラデー回転子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ファラデー回転効果を有する光学用ガーネットからなるファラデー回転子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光通信や光情報処理において、ファラデー回転効果を応用したデバイスが開発、実用化されている。半導体レーザーを使用した光通信装置では、光ファイバーケーブルやコネクタなどの端部からの反射光がレーザー発振器に戻ると、ノイズが増加し、発振が不安定になる。このような戻り光を遮断し、安定した発振状態を確保するために、ファラデー回転の非相反性を利用した光アイソレータが使用されている。
【０００３】
現在、光ファイバーケーブルを用いた通信システムにおいては、波長が１.３１μｍや１.５５μｍの帯域がよく利用されている。このような帯域で用いられる近赤外用ファラデー回転素子材料として、厚膜状の希土類-鉄系ガーネット単結晶があり、厚膜単結晶として希土類元素にビスマス（Ｂｉ）を置換したビスマス置換希土類-鉄系ガーネットが実用化されており、（Ｔｂ，Ｂｉ)-鉄系ガーネットや（Ｇｄ，Ｂｉ)-鉄系ガーネットが主に用いられている。これらの厚膜単結晶を一般にビスマス置換希土類鉄系ガーネットもしくは磁性ガーネットと呼んでいる（以下、磁性ガーネットと記す）。
【０００４】
これらの磁性ガーネットはフラックス法により製造され、現在ではフラックス法の一種で、生産性に優れた液相エピタキシャル成長法（以下、ＬＰＥ法と記す）により、ほとんどが製造されている。
【０００５】
ところで、ＬＰＥ法で育成された、Ｔｂを主成分として、Ｙを含む希土類元素によるビスマス置換希土類-鉄系ガーネット（以下、ＴｂＢｉ系ガーネットと記す）は、Ｔｂイオンが＋２価と＋３価の価数を有することから、ＬＰＥ法の育成条件により、＋２価と＋３価の価数が存在する。これらの価数の比率に連動して磁性ガーネット中のもう一つの正イオンであるＦｅイオンの価数も＋３価以外に＋２価と＋４価が生じる。Ｆｅイオンに＋３価以外の価数のイオンの存在比率が上昇すると、上記光通信の波長帯域でＦｅイオンによる光吸収が増加する。したがって、Ｆｅイオンを＋３価に制御する価数制御が、光通信波長帯での光吸収を抑止するポイントとなる。
【０００６】
ＴｂＢｉ系ガーネットでは光吸収抑止すなわち挿入損失低減のため、水素を微量に含んだ窒素やアルゴン雰囲気での熱処理を導入している。
【０００７】
ところで、ＴｂＢｉ系ガーネットにおいては、他のファラデー回転効果を有する磁気光学素子でも同様であるが、光信号を透過させる面を鏡面加工した後、その両面に蒸着法やスパッタ法にて無反射コート膜を形成した後で、ファラデー回転子としての挿入損失の値を確認することができる。言い換えると、無反射コート膜がない状態では、反射による損失が１ｄＢ以上もあり、ＴｂＢｉ系ガーネット自体の挿入損失を正確に測定することができない。
【０００８】
したがって、十分に吟味された製造条件下で育成されたＴｂＢｉ系ガーネットであって、製造条件のばらつき等により特性が劣化したとしても、挿入損失を確認できる工程は、ファラデー回転子として製品化された無反射コート膜形成後となる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
現在の光アイソレータに求められる光学特性として、光信号の減衰を抑えた低挿入損失が上げられる。このことから、光アイソレータを構成するファラデー回転子にも同様の光学特性が求められる。
【００１０】
しかし、前述のようにファラデー回転子の挿入損失は無反射コート膜形成後でしか確認できない。そこで、本発明者らは、ＴｂＢｉ系ガーネットにおいて挿入損失が大きい場合、無反射コート膜を研磨により除去し、熱処理を追加し挿入損失低減を図ってきたが、実質、無反射コート膜形成工程を２回行うこととなり、コスト上昇を招く結果となった。
【００１１】
このことから、上記問題に鑑み、本発明では製造工程を繰り返すことなく、低挿入損失のファラデー回転子を得ることのできる製造方法を提供することにある。
【００１２】
なお、市販されている磁性ガーネットを用いたファラデー回転子は、一般に挿入損失０.１ｄＢ以下であることから、課題とする挿入損失を０.０５ｄＢ以下とした。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明者による種々の検討の結果、ＬＰＥ法により育成したＴｂＢｉ系ガーネットに、無反射コート膜を形成することにより得たファラデー回転子を、２.０〜３.５ｖｏｌ％のＨ２を含むＮ２ガスもしくはＡｒガスの雰囲気、保持温度が４６０〜５４０℃、保持時間３時間以上にて熱処理することにより、挿入損失が低減することを見いだした。
【００１４】
同時に、１回の熱処理では、中央部に挿入損失の低減しない領域が残存するが、これを２回もしくは３回の熱処理の操り返しにより、ウェーハの全領域で挿入損失が低減することを見いだした。
即ち、本発明によれば、一般式（Ｒ，Ｂｉ)3（Ｆｅ，Ｍ)5Ｏ12（ただし、Ｒは主成分であるＴｂと、Ｙまたは他の希土類元素とから成る少なくとも１種以上の希土類元素を示し、また、ＭはＡｌ、Ｇａまたは両方の元素を示し、Ｍの量はゼロでもよい）によって表され、ガーネット単結晶基板上に液相エピタキシャル成長法により育成されたビスマス置換希土類鉄系ガーネット厚膜単結晶に、両面の鏡面加工を行い、無反射コート膜を形成して作製したファラデー回転子について、雰囲気が２.０〜３.５ｖｏｌ％のＨ2を含むＮ2ガスもしくはＡｒガス、保持温度が４６０〜５４０℃、保持時間は３時間以上である熱処理を２回以上繰り返し、かつ、各熱処理の間において２５０℃以下に冷却することを特徴とするファラデー回転子の製造方法が得られる。
【００１５】
その様子を図面で説明する。図１は本発明における熱処理の繰り返しによる挿入損失低減の効果を示す概念図である。図１（ａ）は熱処理１回、図１（ｂ）は熱処理２回、図１（ｃ）は熱処理３回の場合を示す。挿入損失が０.０５ｄＢ以下の領域が、熱処理の回数とともに、ウェーハの外周部から中央部に向かって拡がっていく様子が示されている。
【００１６】
また、繰り返しの熱処理の間において、温度を２５０℃以下にすることにより、ウェーハの全領域で０.０５ｄＢ以下の挿入が得られることも分かった。
【００１７】
なお、この熱処理では蒸着法、スパッタ法により形成した無反射コート膜双方において、挿入損失の低減および無反射コート膜の変化が無いことを確認した。
【００１８】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
【００１９】
（実施例１）純度９９.９９％の酸化テルビウムＴｂ2Ｏ3、酸化第二鉄Ｆｅ2Ｏ3、酸化アルミニウムＡｌ2Ｏ3、および酸化鉛ＰｂＯ、酸化ビスマスＢｉ2Ｏ3、酸化硼素Ｂ2Ｏ3の粉末を使用し、ＰｂＯ−Ｂｉ2Ｏ3−Ｂ2Ｏ3系をフラックスとして、ＬＰＥ法にて、格子定数ａ＝１２.４９６Åの置換型Ｇｄ3Ｇａ5Ｏ12（以下、ＳＧＧＧと記す）基板に、一般式Ｔｂ2.1Ｂｉ0.9Ｆｅ4.98Ａｌ0.02Ｏ12のＴｂＢｉ系ガーネットを５００μｍ育成した。
【００２０】
育成後、１１ｍｍ×１１ｍｍに切断した後、ＳＧＧＧ基板を研磨により除去した。
【００２１】
次に、波長１.３１μｍでファラデー回転角が４５ｄｅｇ.となる厚さ３５０μｍに研磨により両面を鏡面に仕上げ、スパッタ法により波長１.３１μｍ用の無反射コート膜を両面に施した。
【００２２】
次に、この試料を２.５ｖｏｌ％のＨ2を混合したＮ2ガスの雰囲気において、熱処理温度５００℃、保持時間５時間の熱処理を５回繰り返した。
【００２３】
挿入損失測定は、各熱処理終了後、室温（２５℃）まで降温して行った。測定は２枚の試料Ａ，Ｂについて、図２において、符号▲１▼および▲２▼で示した２箇所で行い、熱処理の繰り返しによる変化を評価した。なお、図２は、１１ｍｍ×１１ｍｍのＴｂＢｉ系ガーネットの挿入損失の測定個所を示す概略図である。
【００２４】
図３にその結果を示す。すなわち、図３は、挿入損失Ｉ.Ｌ.の熱処理の繰り返し回数への依存性を示す図である。なお、比較例として、熱処理前の挿入損失を示した。
【００２５】
図３に示すように、試料Ａでは繰り返し回数３回で、全領域で０.０３ｄＢが得られた。一方、試料Ｂでは繰り返し回数２回で、全領域で０.０３ｄＢが得られた。２試料とも、全領域で０.０３ｄＢが得られた繰り返し回数以降での、挿入損失の変化は見られない。
【００２６】
以上のように、少量のＨ2を含む、不活性ガスとしてのＮ2ガス雰囲気において、熱処理を繰り返すことにより、挿入損失０.０５ｄＢ以下のファラデー回転子を得ることができる。
【００２７】
（実施例２）実施例１で用いた、ＴｂＢｉ系ガーネットからなるファラデー回転子を、熱処理温度４００〜６００℃、不活性ガスとしてのＮ2ガスに混合するＨ2濃度を１〜５ｖｏｌ％、熱処理温度での保持時間１〜３０時間、繰り返し回数を３回、各熱処理間の冷却温度を室温とする熱処理を行った。
【００２８】
なお、実施例２以降、挿入損失は試料中央部（図２の▲１▼）における測定で評価した。これは、試料中央部が熱処理による挿入損失の低減において最も遅いためである。
【００２９】
図４に熱処理温度４００〜６００℃、Ｈ2濃度２.５ｖｏｌ％、保持時間５時間における、熱処理を３回繰り返した後の挿入損失の変化を示す。
【００３０】
図４に示すように、熱処理温度４６０〜５４０℃において、挿入損失０.０５ｄＢ以下が得られることが分かった。
【００３１】
次に、図５にＨ2濃度１〜５ｖｏｌ％、熱処理温度４８０℃、保持時間５時間における、熱処理を３回繰り返した後の挿入損失の変化を示す。
【００３２】
図５に示すように、Ｈ2濃度２.０〜３.５ｖｏｌ％において、挿入損失０.０５ｄＢ以下が得られることが分かった。
【００３３】
次に、図６に熱処理温度での保持時間０〜３０時間、熱処理温度４８０℃、Ｈ2濃度２.５ｖｏｌ％、熱処理を３回繰り返した後の挿入損失の変化を示す。
【００３４】
図６に示すように、熱処理温度での保持時間３時間以上において、挿入損失０.０５ｄＢ以下が得られることが分かった。
【００３５】
以上のように、熱処理温度４６０〜５４０℃、不活性ガスに混合するＨ2濃度２.０〜３.５ｖｏｌ％、保持時間３時間以上において、熱処理を繰り返すことにより、挿入損失０.０５ｄＢ以下のファラデー回転子を得ることができる。
【００３６】
（実施例３）実施例１で用いた、ＴｂＢｉ系ガーネットからなるファラデー回転子を、熱処理温度５００℃、不活性ガスとしてのＮ2ガスに混合するＨ2濃度３ｖｏｌ％、保持時間５時間、繰り返し回数を３回、各熱処理間の冷却温度を室温ないし３５０℃とする熱処理を行った。
【００３７】
図７に各熱処理間の冷却温度を室温ないし３５０℃、熱処理温度５００℃、Ｈ2濃度３ｖｏｌ％、保持時間５時間、熱処理を３回繰り返した後の挿入損失の変化を示す。
【００３８】
図７に示すように、各熱処理間の冷却温度を２５０℃以下において、挿入損失０.０５ｄＢ以下が得られことが分かった。
【００３９】
以上のように、各熱処理間の冷却温度を２５０℃以下において、熱処理を繰り返すことにより、挿入損失０.０５ｄＢ以下のファラデー回転子を得ることができる。
【００４０】
（実施例４）実施例１で用いたＴｂＢｉ系ガーネットに、本例では、蒸着法により１.３１μｍ用の無反射コート膜を形成し、ファラデー回転子を得た。
【００４１】
このファラデー回転子に、熱処理温度５００℃、不活性ガスとしてのＮ2ガスに混合するＨ2濃度を３ｖｏｌ％、保持時間５時間、繰り返し回数を３回、各熱処理間の冷却温度を２００℃とする熱処理を行った。
【００４２】
その結果、挿入損失０.０３ｄＢのファラデー回転子が得られた。
【００４３】
以上のように、本発明によれば、無反射コート膜の形成方法（蒸着法、スパッタ法）を問わず、０.０５ｄＢ以下のファラデー回転子を得ることができる。
【００４４】
（実施例５）純度９９.９９％の酸化テルビウムＴｂ2Ｏ3、酸化イットリウムＹ2Ｏ3、酸化イッテルビウムＹｂ2Ｏ3、酸化第二鉄Ｆｅ2Ｏ3、酸化アルミニウムＡｌ2Ｏ3、および酸化鉛ＰｂＯ、酸化ビスマスＢｉ2Ｏ3、酸化硼素Ｂ2Ｏ3の粉末を使用し、ＰｂＯ−Ｂｉ2Ｏ3−Ｂ2Ｏ3系をフラックスとして、ＬＰＥ法にて、格子定数ａ＝１２.４９６ÅのＳＧＧＧ基板に、一般式Ｔｂ1.8Ｙ0.2Ｂｉ1.0Ｆｅ5Ｏ12およびＴｂ1.8Ｙｂ0.2Ｂｉ1.0Ｆｅ5Ｏ12である希土類元素にＴｂを主成分とする２つの組成のガーネットを５００μｍ育成した。
【００４５】
また、純度９９.９９％の酸化テルビウムＴｂ2Ｏ3、酸化ガドリニウムＧｄ2Ｏ3、酸化第二鉄Ｆｅ2Ｏ3、酸化ガリウムＧａ2Ｏ3、および酸化鉛ＰｂＯ、酸化ビスマスＢｉ2Ｏ3、酸化硼素Ｂ2Ｏ3の粉末を使用し、ＰｂＯ−Ｂｉ2Ｏ3−Ｂ2Ｏ3系をフラックスとして、ＬＰＥ法にて、格子定数ａ＝１２.５０９ÅのＮＧＧに、一般式Ｔｂ1.8Ｇｄ0.2Ｂｉ1.0Ｆｅ4.9Ｇａ0.1Ｏ12の希土類元素にＴｂを主成分とするガーネットを５００μｍ育成した。
【００４６】
次に、実施例１と同様の工程により、波長１.３１μｍでファラデー回転角が４５ｄｅｇ.となる厚さ３４０μｍに研磨により両面を鏡面に仕上げ、スパッタ法により波長１.３１μｍ用の無反射コート膜を両面に施しファラデー回転子を得た。
【００４７】
これらのファラデー回転子に、熱処理温度５００℃、不活性ガスとしてのＮ2ガスに混合するＨ2濃度を３ｖｏｌ％、保持時間５時間、繰り返し回数を３回、各熱処理間の冷却温度を２００℃とする熱処理を行い、挿入損失を評価した。
【００４８】
その結果を表１に示す。
【００４９】
【表１】
0003864185.tif 000002
【００５０】
表１に示すように、３種のファラデー回転子において、挿入損失０.０３ｄＢが得られた。
【００５１】
以上のように、本発明によれば、Ｔｂ以外の希土類元素（Ｙを含む）を構成元素に含み、かつ、Ｔｂを主成分とするビスマス置換希土類-鉄ガーネットからなるファラデー回転子において、０.０５ｄＢ以下の挿入損失が得られる。
【００５２】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明によれば、一般式（Ｒ，Ｂｉ)3（Ｆｅ，Ｍ)5Ｏ12（ただし、Ｒは主成分であるＴｂと、Ｙまたは他の希土類元素から成る少なくとも１種以上の希土類元素を示し、また、ＭはＡｌ、Ｇａまたは両方の元素を示し、Ｍの量はゼロでもよい）で表されるビスマス置換希土類鉄系ガーネット厚膜単結晶に、無反射コート膜を形成したファラデー回転子を、雰囲気が２.０〜３.５ｖｏｌ％のＨ2を含むＮ2ガスもしくはＡｒガス、保持温度が４６０〜５４０℃、保持時間３時間以上にて熱処理すること、更に該熱処理の繰り返し、および該熱処理間の冷却温度を２５０℃以下とすることにより、挿入損失０.０５ｄＢ以下のファラデー回転子が得られる。
【００５３】
したがって、本発明によれば、無反射コート膜を形成した状態で挿入損失を低減する熱処理を可能とするファラデー回転子の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における熱処理の繰り返しによる挿入損失低減の効果を示す概念図。図１（ａ）は熱処理１回、図１（ｂ）は熱処理２回、図１（ｃ）は熱処理３回の場合を示す図。
【図２】１１ｍｍ×１１ｍｍのＴｂＢｉ系ガーネットの挿入損失の測定個所を示す概略図。
【図３】本発明の実施例１における、挿入損失Ｉ.Ｌ.の熱処理の繰り返し回数への依存性を示す図。
【図４】本発明の実施例２における、挿入損失Ｉ.Ｌ.の熱処理温度への依存性を示す図。
【図５】本発明の実施例２における、挿入損失Ｉ.Ｌ.の水素濃度への依存性を示す図。
【図６】本発明の実施例２における、挿入損失Ｉ.Ｌ.の保持時間への依存性を示す図。
【図７】本発明の実施例３における、挿入損失Ｉ.Ｌ.の各熱処理間での冷却温度への依存性を示す図。
【符号の説明】
▲１▼，▲２▼    挿入損失測定箇所
【図１】
0003864185.tif 000003
【図２】
0003864185.tif 000004
【図３】
0003864185.tif 000005
【図４】
0003864185.tif 000006
【図５】
0003864185.tif 000007
【図６】
0003864185.tif 000008
【図７】
0003864185.tif 000009