光アイソレータ用単結晶
独立行政法人物質・材料研究機構

ガルシア・ビジョラ 1・島 村 清 史 2

環 境・ エ ネ ル ギ ー 研 究 所

畑 中

翼 3・船 木 秋 晴 3・直 江 邦 浩 4Single Crystal for Optical Isolator
E. G. Víllora, K. Shimamura, T. Hatanaka, A. Funaki, and K. Naoe
現在，レーザー加工機に使用される波長 1 μm 帯において，光アイソレータ用ファラデー回転子にはTb3Ga5O12（TGG）単結晶が使用されている．しかし，ファラデー回転角不足，結晶育成が比較的困難，さらに非常に高価などの問題点も指摘されており，それらの問題を解決すべく，Tb（3 Sc,Lu）
2 Al3O12（TSLAG）単結晶に注目し結晶の育成・評価を行った．本論文では，TSLAG は結晶育成が容易であり，透過率，ファラデー回転角，消光比といった光アイソレータ用ファラデー回転子として重要な特性が全て TGG と同等以上であることが確認された．

Currently, Tb3Ga5O12（TGG）single crystal is used as Faraday rotator in the laser machinery the wavelength ofwhich is <1100 nm. However, TGG has problems of not enough Faraday rotation angle, diﬃcult crystal growth, very
high price, and so on.
In order to overcome these problems, we focused on Tb3(Sc,Lu)2Al3O12（TSLAG）single crystal and developed
and characterized TSLAG crystals. In this paper, we report that TSLAG can be grown easily and has higher
transparency, bigger Faraday rotation angle, and extinction ratio, which are very important properties for Faraday
rotator.

1．まえがラデー回転角不足，酸化ガリウムの蒸発などにより結晶き育成が比較的困難 3），非常に高価などの問題点も指摘されており，代替品がないために仕方なく使用している側

近年，光ファイバケーブルを用いた光通信や精密加工面がある．

用レーザー加工機の普及に伴い，光源となる各種レーザーは今後ますます高出力化していくといわれており，また，Tb 3Al 5O12（ TAG）はファラデー回転角も大きく，光源の安定化と破壊防止への対応が必要とされている．

透過率も申し分ないが 4），インコングルエント組成のた光アイソレータは光源の安定化と破壊防止をになう重要め 5），大型の結晶を得ることが困難という大きな問題をなデバイスであり，従来は鉄系磁性ガーネット薄膜単結抱えている．そこでこれらの問題を解決すべく，本研究晶が主として用いられてきたが，光源の高出力化に伴うでは高特性である TAG を出発材料としてカチオンのイオ薄膜単結晶の劣化，光を透過する波長域が狭いため使用

ン 半 径 に 注 目 し て 組 成 を 変 え，Tb3Sc2-xLuxAl3O12できる波長領域が限定されるといった点などが問題と（TSLAG）単結晶の育成・評価を行った．

なってきていた．特にファイバレーザーなどのレーザー加工機に使用される波長 1μm 帯において，鉄系磁性ガー

2．ガーネット構造におけるカチオンのイオン半径ネット薄膜単結晶の透過性は十分でなく，光アイソレータとして利用可能な波長域の拡大が必要とされてきてい一般的にガーネット構造は {C3} [A 2]（D 3）O 12 の組成る．

式 で 表 さ れ，{C} は 8 配 位，[A] は 6 配 位，（D） は 4

そのような背景の中，可視から近赤外まで適度な透過配位を表している．また，ガーネット構造を模式的に表率とファラデー回転角を有する Tb3Ga5O12（TGG）単結すと図 1 のようになる．

晶が波長 1 μm 帯において使用されているが 1）, 2），ファTAG の各カチオンのイオン半径を表 1 に示す．ここで，イオン半径は Shannon の有効イオン半径のことを1234指している 6）．表 1 より，[A] サイトの Al のイオン半光材料センター 光周波数変換グループ主任研究員（理学博士）
光材料センター 光周波数変換グループグループリーダー（理学博士）
先進技術研究室
先進技術研究室室長

径が 0.535 Åなのに対し，{C} サイトの Tb のイオン半径は 1.04 Åと一気に 2 倍程度になってしまっているこ39

2011 Vol.1

フ

略語・専門用語リスト
略語・専門用語
ファラデー回転

ジ正式表記

クラ

技報

第 120 号説 明ある偏光面を持った光が磁場中の物体を通過する際に，偏光面が回転すること

消光比結晶のひずみを評価するパラメータのひとつ．値が大きいほどひずみが小さく，光アイソレータ用結晶として優れている．

インコングルエント組成

ある組成の融液から温度を下げていくと異なる組成の固体が晶出してしまう組成のこと

カチオン

プラスの電荷を帯びたイオンのこと

CZ 法チョクラルスキー法

融液からの単結晶育成方法のひとつ．引上げ法とも呼ばれ，大型結晶を育成することができる．

ACD

図 2 TSLAG 単結晶（x ＝ 0.05）
Fig. 2. TSLAG single crystal（x ＝ 0.05）.
図 1 ガーネット構造の模式図
Fig. 1. Schematic of garnet structure.
らより，TSLAG のイオン半径バランスは TAG より改善されていることがわかる．
表 1 TAG の各カチオンのイオン半径
Table 1. Ionic radii of cations of TAG.
{Tb3}[Al2]（Al3）O12（TAG）

元素（D）サイト（4 配位）

Al

0.39

[A] サイト（6 配位）

Al0.535{ C }サイト（8 配位）

Tb1.043．実

イオン半径（Å）

験方法

Tb4O7，Sc2O 3，Al2O 3，Lu2O 3 の 粉 末 試 料（ 全 て 純 度は 99.99 %）を原料として Tb3Sc2-xLuxAl3O12（0.05 ≦ x≦ 0.2）の組成となるよう秤量した後，Ir るつぼに入れてチョクラルスキー（CZ）法により単結晶を育成した．
育成は大気圧 N 2 雰囲気中において，引上げ速度を 1.0

表 2 TSLAG の各カチオンのイオン半径
Table 2. Ionic radii of cations of TSLAG.
{Tb3}[Sc2-xLux］（Al3）O12（TSLAG）

元素

イオン半径（Å）（D）サイト（4 配位）

Al

0.39

[A] サイト（6 配位）

Sc

0.745

[A] サイト（6 配位）

Lu

0.861

{ C }サイト（8 配位）

Tb

1.04mm/h，種結晶の回転速度を 10 rpm として行った． 種結晶には <111> 方向に切り出した Y3Al5O 12（YAG）単結晶を用いた．
得られた結晶の評価として分光透過率測定，ファラデー回転角測定を行った（㈱光学技研殿による測定）．
また，粉末 X 線回折による相同定を行った．

4．結とがわかる．このイオン半径のアンバランスさによりTAG は安定したガーネット構造を保つことができなく果育成した TSLAG（x ＝ 0.05）の外観写真を図 2 に示す．

なっていると考えられる．

直径約 1 インチのクラックフリーの単結晶を育成することに成功した．

そこで本研究では，TAG の [A] サイトの Al を Sc とLu で置換した Tb3Sc2-xLu xAl 3O 12（ TSLAG）を考案した．

また，得られた各 TSLAG 単結晶の粉末 X 線回折の

表 2 に TSLAG の各カチオンのイオン半径を示す．これ

結果を図 3 に示す．どの組成の TSLAG もガーネット相40光アイソレータ用単結晶

100x ＝ 0.05x ＝ 0.180
透過率Ⅰx ＝ 0.2（c.p.s）

60x = 0.05x = 0.1（％）40x = 0.2
TGG20103050709003002θ（°）

図 3 各 TSLAG 単結晶の粉末 X 線回折結果
Fig. 3. Powder X-ray diﬀraction pattern of TSLAG.

500700900

波長（nm）

11001300

図 4 各 TSLAG の分光透過率測定結果
Fig. 4. Transmittance spectrum of TSLAG and TGG.

x = 0.05
ファラデー回転角比率

1.605．むx = 0.21.40

TGG

すび

本報告のように直径約 1 インチの TSLAG 単結晶を育成した．分光透過率は測定波長全域で TGG 以上と良好

1.20で，特に 400 〜 800 nm の可視域全域において高い透過1.00率を示した．また，同一磁場におけるファラデー回転角は最大で TGG の 1.3 倍程度と大きいことが確認された．

0.80
600

800
波

1000長（nm）

1200

今後は更なる高品質化，大型化を目指していく予定で1400ある．

図 5 ファラデー回転角の測定結果（TGG を 1 とした場合の相対比較）
Fig. 5. Faraday rotation angle ratio ofTSLAG and TGG（TGG value is 1）.

参考文献1） Khazanov, et al.： Faraday isolators for high average
power：State of the art ，Proceedings of the Lasers
and Electro-Optics，2008 and 2008 Conference on
Quantum Electronics and Laser Science CLEO/QELS，
San Jose，CA，May 4‒9，2008

単相であることが確認された．
図 4 に各 TSLAG の分光透過率測定結果を示す．ここ2） M. Y. A. Raja, et al.： Room-temperature inverse

で，測定はノンコーティングで行った．

Faraday effect in terbium gallium garnet ，Appl.

測定波長全域で TGG より高い透過率を持つことが分Phys. Lett.，67，2123-2125，1995

かり，可視域全域（400 〜 800 nm）で特に高い透過率

3） R. C. Linares： Growth of garnet laser crystals ，を示した．つまり，TGG では透過率が低いために不可Solid State Commun.，2，229-231，1964

能だった短波長領域でも，TSLAG を使用することで光4） Rubinstein, et al.： Magneto-Optical Properties ofアイソレータを提供することが可能である．

Rare Earth（III）Aluminum Garnets ，J. Appl. Phys.，

また，ファラデー回転角の測定結果を図 5 に示す．こ35，pp.3069-3070，1964

こ で， 測 定 面 は（111） 面 で， 測 定 用 サ ン プ ル 長 は 20mm とした．図 5 より，波長によっては TGG の 1.3 倍

5） S. Ganschow, et al. ： On the Crystallization ofを超える大きなファラデー回転角を持つことがわかっ

Terbium Aluminium Garnet ，Cryst. Res. Technol.，
34，615-619，1999

た．このことは同じファラデー回転を起こすために必要な磁界が TGG より小さくて済むため磁石を小さくでき，

6） R. D. Shannon： Revised effective ionic radii and光アイソレータの小型化が可能であることを意味している．特にレーザー加工機に組み込まれているインライン

systematic studies of interatomic distances in halides
and chalcogenides ，Acta Cryst.，A32，751 ‒ 767，型光アイソレータにおいては，サイズが大きいと他部品1976のレイアウトやサイズに影響するため小型化が望まれており，ファラデー回転角が大きいことは大きな利点となる．

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