铋置换型稀土类铁石榴石晶体膜和光隔离器的制作方法

专利名称：铋置换型稀土类铁石榴石晶体膜和光隔离器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种作为加工用高功率激光装置中的光反馈的应对措施使用的光隔离器，特别是涉及作为法拉第旋转器使用的铋置换型稀土类铁石榴石和光隔离器的改良。
背景技术：
对在光通信中利用的半导体激光器和在激光加工等中利用的固体激光器等而言，若在激光谐振器外部的光学面或加工面所反射的光返回到激光元件，则会使激光振荡变得不稳定。若振荡不稳定，则在光通信的情况下会成为信号噪声，而在加工用激光器的情况下会导致激光元件的损坏。因此，采用光隔离器以进行屏蔽，从而使上述反射的反馈光不会返回到激光元件中。然而，近年来，在作为YAG激光器(加工用激光器)的替代品而受到关注的光纤激光器中，作为其光隔离器中使用的法拉第(faraday)旋转器，过去一直以来是使用铽镓石榴石晶体(下称“TGG”)或铽铝石榴石晶体(下称“TAG”)。但是，TGG和TAG的每单位长度的法拉第旋转系数较小，为了获得45度的偏振光旋转角以发挥作为光隔离器的功能，需要加长光程长度，并且必须采用大的晶体。另外，为了获得高光隔离度，需要对晶体施加均匀且强大的磁场，因此使用了强力的大磁铁。由此，光隔离器的尺寸形成得较大。另外，由于光程长度长的缘故，存在激光器的射线束形状在晶体内变形的问`题，有时也需要用于修正变形的光学系统。而且，由于TGG昂贵，因此，一直需求小型且廉价的法拉第旋转器。另一方面，通过在该类型的光隔离器中使用目前专用于光通信领域的铋置换型稀土类铁石榴石晶体膜(下称“RIG”)，可使尺寸大幅度地小型化。但是，对RIG而言已知存在如下所述的问题:当使用的光波长缩短至用于加工用激光器中的1.1 μ m附近时，由铁离子引起的光吸收变大，并且由该光吸收导致温度上升而引起性能劣化。因此，有人提出了改善RIG中存在的温度上升问题的方法。例如，在专利文献I 专利文献2中，记载了保留在通常的方法中通过研磨予以去除的RIG生长用基板即钆镓石榴石基板(下称“GGG基板”)，从而使在RIG发生的热量容易释放的方法。另外，也有人提出了采用从以往就作为散热基板使用的蓝宝石等高热导率基板的方法(专利文献3)。但是，这些办法均只不过用于释放RIG中产生的热量的技术，并不是通过这些办法减少了光吸收，因此希望有一种通过减少RIG自身的光吸收来减少RIG中的发热量的技术。然而，对于作为加工用激光器波长的I μ m左右光而言，已知上述RIG中所含的铁离子吸收该光。但是，铁是RIG中产生法拉第效果的重要元素，当减少铁成分时，会导致获得作为光隔离器所要求的45°法拉第旋转角所需的RIG膜厚增加，其结果是无法实现RIG中的光吸收量的减少。于是，作为减少I μ m频带附近波长中的RIG的光吸收的技术，有人提出了作为RIG
生长用基板使用晶格常数更大的非磁性石榴石基板来代替一直以来广泛应用的晶格常数为1.2497nm的(CaGd)3(ZrMgGa)5O12基板(下称“SGGG”)，从而使铁离子的光吸收向短波长一侧转移的方法。例如，在专利文献4中记载了使用晶格常数为1.256nm的Gd3(ScGa)5O12基板(下称“GSGG”)来制备RIG的例子；另外，在专利文献5、专利文献6中记载了使用晶格常数在 1.264 1.279nm 范围的 Sm3 (ScGa) 5012 基板(下称“SSGG”)或 La3 (ScGa) 5012 基板(下称“LSGG”)来制备RIG的例子。并且，这些技术均是使用晶格常数比以往所用的SGGG更大的非磁性石榴石基板来使RIG生长的方法，通过这些方法，使RIG中所含的铁离子的光吸收向短波长一侧转移，由此减少光吸收量。但是，对于通过使用晶格常数为1.256nm的Gd3(ScGa)5O12基板(GSGG)制备的专利文献4的RIG而言，当调节RIG的厚度以使法拉第旋转角成为45°时，在波长1.05 μ m处的吸收损失是IdB左右，并未达到使损失足够低的RIG。另一方面，对于通过使用晶格常数在1.264 1.279nm范围的SSGG和LSGG制备的专利文献5、专利文献6的RIG而言，在波长1.064 μ m处的吸收损失确定是0.6dB以下。但是，要在市场上稳定地获得上述SSGG和LSGG实际上很困难，因此无法在工业上将SSGG和LSGG作为基板加以利用。

现有技术文献专利文献专利文献1:日本特开2000-66160号公报专利文献2:日本特开平7-281129号公报专利文献3:日本特开2007-256616号公报专利文献4:日本特开平6-281902号公报专利文献5:日本特开平8-290997号公报专利文献6:日本特开平8-290998号公报

发明内容
发明要解决的课题如上所述，采用以往的办法，在工业上难以获得对Iym频带波长光的损失低于0.6dB的低损失RIG。但是，在利用RIG的小型且廉价的IW级加工用激光器所使用的光隔离器市场中，期望有插入损耗低于0.6dB的低损失RIG。特别是，近年来，正在考虑在IW级以上的加工用激光装置的光隔离器中采用RIG。因此，在市场上需求插入损耗在0.5dB以下的非常低损失的RIG，期望开发一种能够在工业上以高收率提供低损失RIG的方法。解决课题的方法然而，以往认为:在上述铋置换型稀土类铁石榴石晶体膜(RIG)中，若大量添加Bi，则RIG的法拉第旋转系数变大(参照专利文献4的0003段)从而能够使RIG变薄；另外，通过大量添加离子半径大的Bi，能够使RIG的晶格常数变大，并能够将铁离子的光吸收向短波长一侧转移从而容易获得插入损耗低的晶体，并基于这种认识，以往通常采取加大RIG中的Bi添加量的方法。但是，已知当Bi的添加量大时，RIG与晶格常数为1.256nm的GSGG基板之间的晶格常数的偏差变大，生长在上述GSGG基板上的RIG容易产生裂纹，从而无法以高收率制造RIG。于是，为了解决上述课题，本发明人等反复进行了精心研究，结果发现通过控制铋置换型稀土类铁石榴石晶体膜(RIG)中的稀土类的种类和添加量，即使Bi的添加量少的情况下，也能够获得插入损耗低的RIG ;进而还发现随着能够减少Bi添加量，可使RIG的晶格常数与GSGG基板的晶格常数达到匹配，从而，即使在GSGG基板上制备RIG也能抑制RIG的裂纹，能够以高收率制造RIG。本发明是基于上述技术发现而完成的。S卩，本发明的铋置换型稀土类铁石榴石晶体膜，是通过液相外延生长法在以化学式Gd3(ScGa)5O12表示的非磁性石榴石基板上生长的铋置换型稀土类铁石榴石晶体膜，，其特征在于，以化学式Nd3_x_yGdxBiyFe5012表示，并且上述化学式中的x和y分别是0.89 彡 X 彡 1.43 和 0.85 彡 y 彡 1.19。另外，本发明的光隔离器，其特征在于，作为法拉第旋转器使用本发明的上述铋置换型稀土类铁石榴石晶体膜。发明效果本发明的铋置换型稀土类铁石榴石晶体膜(RIG)的特征在于，以化学式Nd3_x_yGdxBiyFe5012表示，并且上述化学式中的x和y分别是0.89 < x < 1.43和
0.85 ^ y ^ 1.19，与专利文献4等中记载的以往的RIG相比，本发明的RIG的插入损耗低于0.6dB并且能够以高收率进行制造。并且，通过使用插 入损耗低于0.6dB的本发明的RIG，能够实现RIG中的发热量本身的减少，因此，当将本发明的RIG应用于加工用激光器的光隔离器中时，能够对更高功率的激光大幅度地抑制温度上升，因此，具有减少特性劣化的效果。


图1是表示Bi量与插入损耗之间的关系的图表。图2是表示Nd和Gd以及Bi的组成的Nd-Gd-Bi三元系组成图。
具体实施例方式下面，详细说明本发明的实施方式。(A)稀土类的选择对构成本发明铋置换型稀土类铁石榴石晶体膜(RIG)的稀土元素种类而言，必需是Nd和Gd。当采用液相外延生长法在基板上生长晶体时，必须整合基板与晶体膜的晶格常数。对晶格常数为1.256nm的GSGG基板而言，从该GSGG基板的较大的晶格常数考虑，能够选择的稀土元素很多。由于被称为镧系元素收缩的现象，稀土元素中原子序数57 71的镧系元素的离子半径中，存在La > Ce > Pr > Nd > Pm > Sm > Eu > Gd > Tb > Dy > Ho> Er > Tm > Yb > Lu 的顺序。然而，当RIG中不加入离子半径大的Bi时，RIG的法拉第旋转性能降低，用于形成45°法拉第旋转角所需的RIG的厚度增加，从而导致由光吸收引起的插入损耗变大。因此，当仅选择离子半径大的稀土元素时，难以使RIG中含有Bi，因而不优选。当Gd量设为X、Bi量设为y时，铋置换型稀土类铁石榴石晶体膜(RIG)的化学式表示为R3-x-yGdxBiyFe5012。此外，化学式中的R是Gd以外的稀土元素。在此，若Bi量增加，则RIG的热膨胀系数会随着Bi量的增加而变大，因此，存在与基板的晶格常数差变大、生长中RIG产生裂纹、RIG中发生位错等导致生产效率降低以及性能劣化等问题。并且，已知在Bi量超过1.3时难以制备优质的RIG，因此不优选使用能够得到Bi量超过1.3的RIG的离子半径小的稀土元素(例如Tm、Yb、Lu等)。另外，除上述稀土元素以外，当使用Sm时，在I μ m频带附近存在大量的吸收峰，因此不优选。Eu具有二价，已知在RIG中添加二价元素时吸收会增加，因此不优选在RIG中使用二价的Eu。基于上述理由，确认:作为构成本发明铋置换型稀土类铁石榴石晶体膜的稀土元素，当从中等离子半径的稀土元素中选择Gd、从离子半径大的稀土元素中选择Nd时，通过设定为后述的Nd与Gd的比率、Bi量，能够兼备良好的插入损耗和高收率。(B) Nd 与 Gd 的比率关于Nd与Gd的比率而言，若Nd量过多则RIG的晶格常数变大；若RIG的晶格常数过大，则在RIG生长后冷却至室温时，RIG侧凸起而翘曲，容易产生裂纹。相反，若Nd量过少，则RIG的晶格常数变小，因而RIG侧凹陷而翘曲，容易产生裂纹。根据表示以下实施例和比较例的结果的表2中的“Gd量”栏，Gd量必须在0.89
1.43的范围内；并且，根据下面的C栏“Bi量与插入损耗、成品率的关系”所记载的表I和图1的结果，Bi量需要在0.85 1.19的范围内。

并且，根据化学式Nd3_x_yGdxBiyFe5012中表示的数学式(3-x-y)以及上述Gd量(X值)和Bi量(y值)的各值，得出Nd量的下限值为(3-1.43-1.19 = 0.38)、上限值为(3-0.89-0.85 = 1.26)。即，Nd 量在 0.38 1.26 的范围内。(C)Bi量与插入损耗、成品率的关系使用铋置换型稀土类铁石榴石晶体膜(RIG)的法拉第旋转器的温度上升，其原因在于铁离子在I μ m附近的光吸收，并且其吸收系数随着温度上升而增加，从而会导致进一步的温度上升。因此，当RIG的插入损耗大时，为了抑制上述发热，其使用被限制在低功率的激光器中，并需要安装散热用基板。并且，当将RIG用于IW级加工用激光器时，插入损耗必须为0.6dB以下，进而，当用于高功率激光器时，则插入损耗必须为0.5dB以下。在此，根据图1的图表可确认:当以化学式Nd3_x_yGdxBiyFe5012表示的RIG的Bi量低于0.85时，用于使法拉第旋转角成为45°所需的RIG的厚度增加，从而因光吸收引起的插入损耗变大，得不到低于0.6dB的低损失RIG。图1的图表是表示Bi量与插入损耗之间的关系。图1的图表是如下所述求出的图表:针对米用液相外延生长法分别生长而成的各RIG，通过EPMA定量分析求出各Bi量；接着，用切割锯将生长后的各RIG切割成Ilmm见方的尺寸，进而通过研磨调整RIG的厚度以使对波长1.06 μ m光的法拉第旋转角成为45°，并在双面形成对波长1.06 μ m光的防反射膜后，入射波长1.06 μ m的YVO4激光,从而测定插入损耗，并基于它们的结果求出。并且，根据图1的图表可知，为了使RIG的插入损耗成为
0.6dB以下，Bi量需要在0.85以上，进而，为了使RIG的插入损耗成为0.5dB以下，优选Bi量在0.97以上。接着，在下述表I中示出了 Bi量与成品率之间的关系。表I是如下所述获取:通过EPMA定量分析，针对采用液相外延法生长的以化学式Nd3_x_yGdxBiyFe5012表示的RIG，分别求出各RIG的Bi量；接着，使用切割锯将生长后的各RIG切割成Ilmm见方的尺寸,进而由Ilmm见方的尺寸切割成Imm见方的尺寸,将该Imm见方的RIG中的、存在因RIG中产生的裂纹引起的边缘缺陷变形者评价为不合格，无边缘缺陷者评价为合格品，依此方式进行挑选；接着，使用金属显微镜、红外显微镜，观察Imm见方的全部合格品面内存在的凹坑数，若各Imm见方面积内的凹坑数量超过5个则评价为不合格，若在5个以下则评价为合格品，求出各个不同Bi量的RIG收率。此外，对收率而言，从经验规则上将合格品率在90%以上评价为高收率。另外，Imm见方RIG全部合格品时的参数是100片。表I
权利要求
1.一种铋置换型稀土类铁石榴石晶体膜，其是通过液相外延生长法在以化学式Gd3(ScGa)5O12表示的非磁性石榴石基板上生长的铋置换型稀土类铁石榴石晶体膜，其特征在于， 以化学式Nd3_x_yGdxBiyFe5012表示，并且所述化学式中的x和y分别是0.89≤x≤1.43和 0.85 ≤y ≤1.19。
2.一种光隔离器，其特征在于，作为法拉第旋转器，使用权利要求1所述的铋置换型稀土类铁石榴石晶体膜。
全文摘要
本发明提供一种插入损耗低于0.6dB、且能够以高收率制造的铋置换型稀土类铁石榴石晶体膜(RIG)和光隔离器。所述铋置换型稀土类铁石榴石晶体膜，是通过液相外延生长法在以化学式Gd3(ScGa)5O12表示的非磁性石榴石基板上生长的铋置换型稀土类铁石榴石晶体膜，其特征在于，以化学式Nd3-x-yGdxBiyFe5O12表示，其中，x和y是0.89≤x≤1.43、0.85≤y≤1.19。以化学式Nd3-x-yGdxBiyFe5O12表示的本发明的RIG与以往的RIG相比，其插入损耗低于0.6dB并且能够减少因波长1μm左右的光吸收引起的发热量，因此，具有能够应用于加工用高功率激光装置的光隔离器用法拉第旋转器的显著效果。
文档编号G02B5/30GK103228826SQ201180056450
公开日2013年7月31日 申请日期2011年11月10日 优先权日2010年11月29日
发明者大住俢司, 能见育孝, 中村宣夫, 畑中浩, 梶谷富男 申请人:住友金属矿山株式会社