解説

セラミックス基盤工学研究センター年報 (2007). Vol. 7, 55-59

高周波磁界検出用磁気光学インディケーターの作製と評価
安達信泰・ 植松大輔・太田敏孝
名古屋工業大学セラミックス基盤工学研究センター〒 507-0071 岐阜県多治見市旭ヶ丘 10-6-29

Synthesis and Characterization of the MO Indicator
for the High Frequency Magnetic Field Probe
Nobuyasu Adachi, Daisuke Uematsu, Toshitaka Ota
Ceramics Research Laboratory, Nagoya Institute of Technology
Asahigaoka 10-6-29, Tajimi, Gifu 507-0071 JAPANThe magnetic garnet film was investigated as a magnetooptical (MO) indicator for the censor probe of the high frequency magnetic
field generated on the electrical circuits. In order to detect the magnetic field components of the high frequency electromagneticwave, the ferromagnetic resonance (FMR) phenomena was utilized. The FMR enhances the sensitivity of the MO effect at aselected frequency band in the DC bias magnetic field. For the practical use, the applied magnetic field should be smaller because
the conventional electromagnets generate approximately 20 kOe at the maximum. In order to decrease the magnetic field, the large
magnetic anisotropy with in-plane of the (Bi,Lu)3Fe5O12 (110) film was utilized. The film was grown on the <110> oriented single
crystal Gd3Ga5O12 substrate by liquid phase epitaxy technique. The FMR field of this film becomes approximately 2 kOe, whichis smaller than the case of (Bi,Lu)3(Fe,Ga)5O12 film or the (111) film. The MO enhancement was experimentally recognized up
to 20 GHz in the magnetic field of 5 kOe which is easily generated by the conventional electromagnet or permanent magnet.

MO インディケーターとしては現在、最も適した物質で１．はじめにある。
我々は，ここ数年，希土類磁性ガーネットの持つ磁気磁性ガーネット薄膜は液相エピタキシー法により作製

光学効果を利用して，電子回路上に発生する高周波電磁しているが、直流磁界検出のための指針にしていた組成界のうち，磁界成分を検出できるプローブセンサー開発

設計は、感度と空間分解能を上げるために，ファラデーを行っている。希土類磁性ガーネットの発見から磁気光回転係数を大きくすること，異方性磁界を小さくするこ

学（MO）インディケータの応用における概略は，Ref. [1]とを基本に考えてきたが、高周波磁界検出では、後述すに示したが，その後，MO インディケータの応用としてるように、異方性磁界を大きくすることが重要となる。

変動磁界の可視化に取り組んでいる。磁界を視覚化する

高周波磁界センサー開発は、近年、環境問題の一つで手法は、電子線を用いたローレンツ顕微鏡や磁気力顕微鏡（MFM）があるが、前者は導入に多額の費用が必要ある電磁環境適合性（Electro-Magnetic Compatibility:EMC）が重要視されていることが背景にある。インターであること、後者は走査して 1 枚の画像を得るのに時間ネットや携帯電話を利用した無線通信を中心としたユビが要するために、時間変化する磁束の動的な観察に不向キタスネットワーク社会にむけて、通信は多様化され、きである。一方、磁気光学効果による手法は、簡便な光それに使用される通信周波数帯も、高周波化、ブロード学系で構成される装置で安価でかつリアルタイム観測もバンド化が進んでいる。しかも、通信機器の小型化も加可 能 で あ る。セ ン サ ー と し て の 性 能 は MO イ ン デ ィ

速され、機器同士はたえず、様々な電磁波にさらされてケータの材料特性に大きく依存する。極低温では、磁気いる状況である。このため、機器の誤作動の危険が懸念

光学効果が大きな物質として EuSe や EuS のカルコゲナされている。実際、航空法ではすでに、飛行機の計器類

イト磁性半導体が存在するが，キュリー点は液体窒素温の誤作動を防ぐために、電波を発する携帯電話やパソコ度以下となり極低温領域にしか有効でない。室温で大きンの電源を飛行中に常時切ることが規定されている。総な磁気光学効果を示す物質は、希土類磁性ガーネットが務省は、環境電磁波対策として、生体への EMC, 機器へキュリー点が 500K 以上であるので，室温で動作するの EMC, 情報セキュリティへの EMC として、その対策― 55 ―

高周波磁界検出用磁気光学インディケーターの作製と評価を進めている [2]。高周波電磁界分布の評価の必要性は、特に機器への EMC に対してますます大きくなっている。
ところが、GHz 帯を超えると従来型のループコイルによる電磁界計測は問題が生じることが指摘されていた。すなわち，高い周波数になると、プローブ自身による周辺電磁界分布への擾乱が顕著になる。そこで金属性のプローブの代わりに電気光学結晶や磁気光学結晶等の絶縁性セラミックスを利用して、電気を光信号に変換する、あるいは磁気を光信号を変換するプローブを開発する、といった試みがなされてきた [3-5]。物質が分極された

Fig. 2. Frequency dependence of the MO output signal from theり、磁化されることによって、結晶の屈折率が変化し、

MO indicator onto the microstripline. The input power was

その中を通過する光の偏波面が回転する。その光を偏光changed to 15, 16 dB and back ground signal was measured

板を通して観測すると、電界、磁界の強弱が光の強弱にwithout laser. The incident laser was focused on the point with

変換できるしくみであり、この原理自体は直流磁界のmaximum output signal.

MO インディケータと同じである。高周波電磁界観察用に優位な点は、スピンの振る舞いが高速であるため、変動磁界に対して高速応答が期待できることにある。また、ノイズと同じレベルまで出力が低下した (Fig. 2.)。フェ絶縁体薄膜を用いることにより、金属ループアンテナのラ イ ト 材 料 は，透 磁 率 の 減 少 が GHz 帯 に 見 ら れ る

ようにプローブ自身が周辺電磁界分布のノイズとなる影（Snoek の法則）ことは一般的だが，それは，磁壁移動が響を小さくすることができる点にある。

高周波に追随しなくなるためである。強い磁気異方性がそこで，まずは直流磁界観察に用いた MO インディ面内にある薄膜の場合，面直方向に関しては磁気モーメケータによって高周波磁界が検出できるかどうかを調べントの回転運動による磁化誘起で生じるファラデー効果ることから研究を始めたところ以下に述べるような問題

であれば，GHz 帯においても磁気モーメントの運動は応点があることが判明した。実験は，1 本のマイクロスト答できると考えたが，実際の実験ではファラデー回転はリップライン（細い銅線）上に高周波信号を流し，その観測されなくなった。この問題に対して，高橋らは，磁真上に MO インディケータを置き，波長 1.3 ミクロンの性ガーネット膜の面内方向にバイアス磁界をかけた状態赤外レーザーを走査させて MO インディケータからので，高周波磁界観察を行うと，特定周波数で MO 効果が。偏光板を通った反射光の強反射光を検出する（Fig.1a）

増大され，画像化できることを報告した [6]。また，MO度分布が磁界分布に相当する。アンペールの法則によれ効果が増大する周波数は，バイアス磁界の強度に依存すば，マイクロストリップラインの周りに同心円状に磁界ることから，選択的に周波数を決めて観測することも可が発生する。ファラデー回転は，MO インディケータの能であることが見出された。

面直方向の磁束によって起こるので，銅線の縁をピークに磁界分布が発生すると予想し，実際に 100MHz の高周Fig. 3 は，周波数に依存した MO 効果の増大を測定した結果である。実験は，直流磁界用の MO インディケー波シグナルを観察したところ Fig. 1(b) のような強度分タをマイクロストリップライン上に置き，マイクロスト布が得られた。しかしながら，入力周波数を GHz 帯にリップラインに高周波を入力することで発生した磁界分増大させるにつれて，S/N が低下し，10 GHz を超えるとFig. 1. Example observation of the high frequency magneticfield around the microstripline. The bright part part is thegarnet film and dark area inside the film shows the partFig. 3. Frequency dependence of the output signal from the MOwith large Faraday rotation.

indicator onto the microstripline in the applied bias magnetic field.
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布を観測する際に Fig. 1(b) に示されるような反射光強度の明るい位置にレーザースポットを固定し，外部バイアス磁界のもとで周波数を変化させて行った。外部磁界が増大するとともに，極大を示すピークは MO 効果がエンハンスされていることを示し，周波数が高周波側にシフトしていく様子がわかる。のこの現象は，磁性ガーFig. 4. The structures of the MO

ネットの強磁性共鳴 (FMR) に起因すると考えられていindicator: 1. GGG substrate, 2.

る。実際に X バンド，Q バンドの強磁性共鳴実験の周波

garnet film, 3. Au coat.

数−共鳴磁界曲線と MO 効果の増大周波数−バイアス磁界曲線を比較すると同一直線状にのることからも裏付けられている。実験で得られた画像から高周波磁界分布グが取れると考えたからである。

を定量的に評価するには，改善すべき点はあるものの，融液組成は、Table I に示す R パラメータ [7] をもと磁気共鳴とファラデー効果を組み合わせることで GHzに計算した。R1 は c サイトに入る希土類イオンと a、d帯の高周波磁界を検出することが原理的に可能であるこ

サイトに入る Fe3+ イオンとの比であり，ガーネット相のとが明らかとなった。次に，センサープローブ開発とし初晶域やメルトの液相温度に関係する。R2 はガーネッての一つの目標値である 30GHz までの高周波の磁界分

ト中の a、d サイトの Fe3+ を置換する Ga3+ の量に関係す布を行うための磁性ガーネットに印加は，バイアス磁界る。R3 はフラックス中の B2O3 の量を決める。R4 はメルは市販の安価な電磁石か永久磁石で行えることが実用上ト中のガーネット成分の割合を表し、R5 は c サイトの希望ましい。そのために，小さなバイアス磁界で磁気共鳴土類イオンを他のイオンで置換するときの置換量を決めが起こるようなプローブであることが必要となる。そこる。R6 はフラックス中の Bi2O3 の量を決める．

で，磁性ガーネット薄膜に面内方向に強い磁気異方性をFig. 4 に MO インディケーターの構造を示す。基板の付加することで，異方性磁界のアシストにより強磁性共片面に成膜し，反射膜である金薄膜を薄くコートティン鳴が起こるような膜合成を目的とした。

グする。反射面が接するようにマイクロストリップライン上におき，膜面とは反対側の基板面から赤外線レーザーを入射し，反射光を検出する。磁性薄膜の磁化され２．実験ている部分を直線に偏光された光が通過すると偏光面がMO インディケータの作製には，光学的に優れ、均質回転する。その後，偏光板を通った光強弱が磁界の大きな膜を得るのに有利な液相エピタキシー法を用いている。

さに対応する。磁界強度分布を測定する装置の概観図をガーネット組成の酸化物原料のほかにフラックスとしてFig. 5. に示す。光学徐振台に被測定回路を固定し，光ファイバーを通した赤外線レーザー光（l=1.33mm）をPbO，B2O3，Bi2O3 を原料として調合し、白金るつぼ中で，700 ℃ から 900 ℃ 程度の高温融液を過冷却状態にしガルバノスキャナーで走査させ，その戻り光を再び光て，単結晶基板を融液表面に接触させて片面基板上に成ファイバーを通して，サーキュレーターにより受光素子膜した。基板には Gd3Ga5O12 (GGG) の単結晶基板を用に導き，出力を二次元マッピングする。さらに，バイアいた。
組成としては，母体に Lu3Fe5O12 を選択した。ビスマ
スが大きなイオン半径を持つために YIG にビスマスを置換する場合に比べて、Y よりイオン半径が小さく非磁性イオンである Lu ベースの母体を用いるほうが、同じ基板を用いる場合、ビスマス置換量を多くしてマッチン

Table I. The description of the R parameters.

Fig. 5. The schematic measurement system of the high frequency
magnetic field distributions.
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高周波磁界検出用磁気光学インディケーターの作製と評価

ス磁界を印加する場合は，マイクロストリップラインが配線されている回路基板をはさむように電磁石をセットし，回路基板全体に磁界を印加した。
３．結果と考察
直流磁界の可視化用 MO インディケータでは，面内磁気異方性があり，かつ面直方向の初期磁化曲線の傾きが大きくなるようにするために，鉄サイトを非磁性イオンの Ga で置換した (Bi,Lu)3(Fe,Ga)5O12 の組成を選択した。
鉄イオンが希釈されると磁気異方性が弱くなり，面内磁気異方性を持ちながら，面直方向へ磁界をかけたときの初期磁化曲線の傾きが大きくなるために，磁界に対する感度が大きくなるからである。高周波磁界観察で，磁気共鳴を起こすために外部磁界のアシストを期待して，異方性磁界を膜に付与する場合には，逆に鉄イオンによる磁気異方性を十分活かすために鉄イオンサイトの置換はし な い 指 針 で 成 膜 を 行 っ た。Fig. 6 に は，BixLu3Fig. 7. FMR spectra of the the BixLu3-xFe5O12Fe5O12 と BixLu3-xFeyGa5-yO12 の（110）膜における強磁性共鳴スペクトルを示す。BixLu3-xFe5O12 は，鉄が希釈された系に比べ 800 Oe 低い，2kOe 程度の磁界を印加す
x(BLIG) grown on the (110), (100) and (111)
GGG substrate.

ると共鳴現象が現れることがわかる。
また，結晶磁気異方性も異方性磁界に大きく影響する。
磁性ガーネット結晶の磁化容易軸は 111 方向にあるた用に適した組成 (Bi,Lu)3(Fe,Ga)5O12 よりも鉄サイトをめに，一般に光アイソレータの成膜用の基板として汎用非磁性イオンで置換をしない組成である BixLu3-xFe5O12，されている (111) 基板を用いると面直方向に容易軸を結晶成長面としては（110）面を選択するほうが適して持った膜が成膜される。(110) 面上に成膜すれば 111 方いると考えられる。

向に等価な 111 方向を膜面内に含めることが可能である。

この BixLu3-xFe5O12（110）膜を用いて試作した MO イ

Fig. 7 に異なる面方位の GGG 基板上に成長させた膜のンディケータをマイクロストリップライン上に置き，マ面内方向に磁界をかけたときの強磁性共鳴のスペクトルイクロストリップライン上に発生する高周波磁界の MOを示す。(111) 膜，(100) 膜，(110) 膜と順に共鳴磁界が効果による反射光の出力に関して，周波数依存性を測定減少するのは結晶磁気異方性の効果と考えられる。

した結果を Fig. 8 に示す。Fig. 3 の結果と比較すると，気共鳴を起こすための設計指針としては，直流磁界検出

728 Oe の直流バイアス磁界中では 4 GHz 付近において，シャープな MO 効果の増大が観測されるのに対して，Fig. 6. FMR spectra of the the BixLu3-xFe5O12 (BLIG)

Fig. 8. Frequency dependence of the output signal from the BixLu3-and the BixLu3-xFeyGa5-yO12 (BLGIG) grown on thex(110) GGG substrate.

bias magnetic field.

これらの結果から，より小さな外部バイアス磁界で磁Fe5O12 (110) MO indicator onto the microstrip line in the applied― 58 ―

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検討と改善が課題として残されている。
４．まとめLPE 法により高周波磁界観察用の MO インディケー
ターを作製した。磁気異方性を利用した設計指針に基づき、マイクロストリップライン上に発生する 20GHz の高周波磁界分布を FMR と MO 効果を組み合わせて二次元的に観測できるようになった。
Fig. 9. The observation of the high frequency

謝辞

magnetic field of 14 GHz generated around themicrostrip line in the applied magnetic field

本研究は情報通信研究機構連携研究部門仙台リサーチ(H=3593 Oe). The dashed line indicates theセンターにおける研究プロジェクト「電磁波セキュリposition of the microstrip line

ティを確保するための高感度電磁波測定技術の研究開発」との共同研究によるもので，高周波磁界観察は，仙台リサーチセンターの太田博康主席専門研究員，高橋正Fig. 8 の結果では，691 Oe のバイアス磁界中で，5GHz付近において MO 効果の増大が観測されている。すな慎特別研究員（太陽誘電（株））らの協力のもと行われた

わち，膜の異方性磁界のアシストで小さなバイアス磁界

学名誉教授には，全般にわたって有意義な議論をしていでより高い高周波磁界の検出が可能となっている。また，

ただきました。また，磁気共鳴の測定には，自然科学研

この MO 効果による磁界検出は，20GHz のさらに高い究機構分子科学研究所の藤原基靖博士他技術職員の方々

高周波磁界においても，ほとんど感度を減少することなの協力を得ました。ここに感謝いたします。

ものです。プロジェクトリーダーである荒井賢一東北大

くピーク観測できることがわかる。20GHz のときに印加亜した直流磁界バイアスが 5.5 kOe であること，鉄心参考文献

電磁石が発生できる最大磁界が 20 KOe 程度であること[1] N. Adachi, D. Uematsu, T. Ota, T. Okuda, T. Machi, N.

を考えると市販の電磁石，あるいは永久磁石を磁界発生

Koshizuka, Annual report of the Ceramics Research

源に用いて，測定系を組み立てることは十分可能であると考えられる。

Laboratory, Nagoya Inst. Tech., Vol. IV, pp.21 (2004)[2] NICT

hoepage:

http://www2.nict.go.jp/y/y224/general

BixLu3-xFe5O12（110）膜を用いて試作した MO イン
ディケータにより，15 GH の高周波をマイクロストリッ[3] E. Yamazaki, H. Park, S. Wakana, M. Kishi, M. Tsuchiya,

プラインに入力し，発生した磁界分布を観測した例をJournal of Applied Phys. 41(7B), L864-L866 (2002).

Fig. 9 に示す。点線部分が MO インディケータの下の[4] N. Kuwabara, K. Tajima, R. Kobayashi, F. Amemiya, IEEE

マイクロストリップラインの位置を表し，明るい輪郭が/general.html

Trans. Electromagn. Compat. 34, pp.391 (1992).

5 mm 角に近い MO インディケータの形状を表している。

[5] M. kanda, K. D. Masterson: Proc. IEEE 80, pp.209 (1992)

点線付近の色の濃い部分が反射光強度の大きな部分で[6] M. Takahashi, H. Ota, N. Adachi, K. I. Arai, IEICE Tech.

MO 効果が現れている部分に相当する。理論上は，マイRep., vol. 106, no. 579, EMCJ2006-129, pp. 77-82 (2007).

クロストリップラインを中心とした同心円状に磁界が発[7] S. L. Blank, J. W. Nielsen, Cryst. Growth 17, pp.302-311

生する。MO 効果として観測できる磁界成分は膜に対して垂直方向の成分であるので，ストリップラインの両端が強い磁界分布となる。Fig. 9 では，両端が強い傾向を示しているものの，分布強度は不均一であり，膜特性の― 59 ―(1972).