专利名称：磁性石榴石材料和使用该材料的光磁器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及本身为磁性石榴石材料的Bi(铋)置换稀土族铁石榴石单晶材料。此外，本发明还涉及利用使用磁性石榴石材料的光磁效应的光磁器件，特别是涉及法拉第转子。
现有的光通信，由使用波长1310nm或1550nm等的单波长的光的通信系统构成。在现有的光通信系统中使用的本身为光被动部件的光隔离器，由于在上述单波长中使用，故本身为构成光隔离器的光磁器件的法拉第转子，也被开发为使得在波长为1310nm或1550nm等的单波长下可以得到优良的特性。例如，在特开平3-69847号公报中，就公开了含有Tb(铽)的Bi置换稀土族铁石榴石单晶。如果用该磁性石榴石材料制作法拉第转子，则可以得到温度特性的改善效果。为此，使用以Tb为主要构成元素的法拉第转子的光隔离器，在光通信系统中就被人们广为使用开来。
近些年来，借助于因特网等的普及，通信线路中的通信量飞跃性地增加起来。作为实现今后的大容量光通信的手段，人们提出了用一条光纤同时传送波长不同的多个光信号的光波长多路通信系统(以下，叫做WDM通信系统)的方案。在WDM通信系统中使用的光放大器是以铒·涂料·纤维作为放大媒体直接放大光信号。在WDM通信系统的情况下，例如，在L波段(波长1570nm～1620nm)的波长范围内传送波长不同的多个光信号。
于是，就要求在光隔离器或光衰减器、光复合组件等的光被动部件中，在比现有的波长1550nm还长的长波长范围内，也具有优良的光磁特性。然而，用含Tb的Bi置换稀土类铁石榴石单晶制作的法拉第转子，在比1550nm还长的长波长范围中，插入损耗变大。因此用含有Tb的法拉第转子构成的光被动部件的插入损耗，在比1550nm还长的长波长范围的光中变大。
即，以Tb为主要组成的法拉第转子，要满足于在WDM通信系统中利用的L波段的波长范围中所要求的插入损耗在0.1dB以下的特性是困难的。
为此，在光通信系统内为了确保恒定的光量，就产生了使光源的功率变得更大的需要，结果是产生了光通信系统的价格增大的问题。
此外，当光的波长变长后，由于法拉第旋转系数(deg/μm)将降低，故要想得到用Bi置换稀土类铁石榴石单晶材料制作的法拉第转子所要求的法拉第旋转角度45deg，就必须加厚法拉第转子的膜厚。为此，就象WDM通信系统的L波段那样，在比现有的使用波长还长的波长范围内使用的光隔离器的法拉第转子，所需要的膜厚就变得比1550nm的单波长下使用的转子还厚，因而就产生了在单晶膜形成时或对法拉第转子进行研磨加工时因变成为经常发生裂纹而使成品率降低的根由这样的问题。
本发明的目的在于提供在单晶膜形成时或研磨加工时难于产生裂纹的磁性石榴石材料。
此外，本发明的目的还在于提供光磁器件，该器件是在波长λ(1570nm≤λ≤1620nm)的光入射进来之际法拉第旋转角θ将成为44deg≤θ≤46deg的光磁器件，而且是在加工时难于产生裂纹，因而可以抑制成品率的降低的光磁器件。
上述目的，可以用特征为可以用通式BiaM13-aFe5-bM2bO12表示的磁性石榴石材料来实现。
其中，M1是从Y、La、Eu、Gd、Ho、Yb、Lu、Pb中选出来的至少一种元素，M2是从Ga、Al、Ti、Ge、Si、Pt中选出来的至少一种元素，a满足1.0≤a≤1.5,b满足0≤b≤0.5。
上述本发明涉及的是磁性石榴石材料，其特征是上述材料，是用液相外延生长法形成的。
此外，上述目的，可以通过光磁器件实现，该光磁器件是在规定波长λ(但，1570nm≤λ≤1620nm)的光入射进来之际法拉第旋转角θ将成为44deg≤θ≤46deg的光磁器件，该光磁器件的特征是用上述本发明的磁性石榴石材料形成的。
上述本发明涉及的是光磁器件，其特征是上述波长λ的光入射进来之际的插入损耗在0.1dB以下。
本申请的发明人等根据下述条件对石榴石组成进行了探讨。
(1)在比1550nm还长的长波长的L波段(1570～1620nm)的波段范围内一般说满足法拉第转子所要求的插入损耗0.1dB；而且(2)可以得到在外延膜的生长中或对法拉第转子进行加工时的裂纹少的单晶。
结果发现作为稀土类元素使用Y、La、Eu、Gd、Ho、Yb、Lu，并使Bi量处于1.0～1.5的范围内，则具有大的效果。
Tb对于法拉第转子的温度系数(deg/℃)的改善具有大的效果，此外，若在波长1550nm附近，对于波长系数(deg/nm)的改善也有效果，是一种对于改善光隔离器的各种特性有用的元素。为此一直被作为法拉第转子的主要元素利用。但是，对于Tb来说在比1550nm长的长波长的1800nm附近有光的吸收峰，因此，把Tb用做主要元素的法拉第转子，随着波长从1550nm附近变成为长波长，将引起归因于光吸收而产生的插入损耗的增加，在1570nm以上的长波长的光的情况下，变得不能满足法拉第转子所要求的插入损耗在0.1dB以下的特性。
于是，对在这些光的波长范围内吸收小，且即便是作为主要元素使用，法拉第转子的插入损耗也可以变成为0.1dB以下的组成进行了探讨。结果是得知Y、La、Eu、Gd、Ho、Yb、Lu的元素，在1550nm附近的波长范围内光吸收小，且若使用这些元素，则在1570～1620nm的波长范围内插入损耗将变成为0.1dB以下。这些元素，若与Tb比较，由于在L波段的光吸收显著地小，故被认为可以使插入损耗变成为0.1dB以下。
此外，即便是添加进Ga、Al、Ti、Ge、Si等的元素，在L波段范围(1570～1620nm)内也可以得到插入损耗在0.1dB以下的特性。这些置换成Fe，虽然会使法拉第旋转系数(deg/μm)降低，但对于减小转子的饱和磁场是有效的，借助于此，外部磁铁可以变小，可以使光隔离器变成为小型。但是，当与Fe之间的置换量增大时，法拉第旋转角45deg所必须的膜厚就会因法拉第旋转系数(deg/μm)的减小而变厚，变成为产生裂纹的原因，所以这些元素的置换量作成为0.5以下是适当的。
在Bi置换稀土类铁磁性石榴石单晶材料中，随着光的波长变长，法拉第旋转系数(deg/μm)减小，在L波段范围(1570～1620nm)的光中使用的法拉第转子，比在波长1550nm的光中使用的法拉第转子用来得到法拉第旋转角45deg的膜厚就要增大。在用液相外延(LPE)法生长Bi置换稀土类铁磁性石榴石单晶的情况下，对于基板来说一般要使用以Gd和Ga为基本组成的单晶晶片。
例如，在用LPE法形成磁性石榴石单晶膜的情况下，可以使用已添加进Ca、Zr、Mg的钆·镓·石榴石(以下，叫做GGG)单晶基板。然而，由于这些添加Ca、Zr、Mg的GGG基板与磁性石榴石单晶膜具有不同的组成，故基板与外延膜之间的热膨胀系数不一样。外延膜的热膨胀系数比基板的热膨胀系数大。这便成为外延膜形成时或冷却时发生的裂纹的原因。特别是当外延膜的膜厚变厚时，发生裂纹的比率就会飞跃地增加。由于在比波长1550nm还长的长波长下使用的法拉第转子需要更厚的膜厚，故裂纹的频度也将增大，难于以高的成品率进行制造。
于是，就产生了使法拉第旋转系数(deg/μm)增大使转子的膜厚变薄的必要。增大法拉第旋转系数，虽然采用增加外延膜的Bi膜组成的Bi量的办法是可能的，但是由于当外延膜的Bi变化时，膜的热膨胀系数也会变化，故发生裂纹的膜厚也会变化。为此，对把法拉第转子的膜厚和研磨加工所必要的膜厚加进去的厚度的外延膜的生长、冷却和研磨加工等各个工序中不发生裂纹的Bi置换稀土类铁磁性石榴石单晶的组成进行了探讨。
若在石榴石的组成式中所占有的Bi量在1.0以下，则要想得到为制作在L波段(1570～1620nm)内使用的法拉第转子所必要的膜厚，在生长中或研磨加工中会发生裂纹，使成品率降低。
此外，为了从过饱和状态的液相向基板上边析出固相以便进行外延生长，LPE法总是含有在外延膜以外也析出固相的可能性。在进行这样的固相析出的情况下，就会发生这样的问题在外延膜表面上发生缺陷或生长速度显著的减小。
如果想要生长在石榴石的组成式中所占有的Bi量为1.5以上的外延膜，则原材料融液的过饱和状态将变得不稳定，除外延生长以外，在融液中还将产生铁石榴石的析出。结果就变成为得不到制作法拉第转子所必须的膜厚，进而在生长中还会发生裂纹或晶体缺陷。
根据以上的结果可知，采用使在石榴石组成式中所占有的Bi量变成为1.0～1.5的办法，就可以减少在各个工序中的裂纹，以制作在L波段中使用的法拉第转子。
此外，例如作为光磁器件以光隔离器为例时，则为了除去返回光，需要使法拉第转子的旋转角为45deg，当法拉第旋转角偏离45deg时，光隔离特性降低。要想确保足够的隔离就必须使法拉第旋转角成为在44～46deg的范围内。因此，要想在L波段构成光隔离器，就必须在该波段内把法拉第旋转角作成为44～46deg。
实施例如上所述，通过使用Y、La、Eu、Gd、Ho、Yb、Lu作为稀土类元素，并使用Bi量为1.0～1.5的Bi置换稀土类铁石榴石单晶材料制作光磁器件，就可以减少在单晶膜的生长时或研磨加工时的裂纹，同时还可以得到在1570～1620nm的波长范围内插入损耗在0.1dB以下的特性。
以下，作为本发明涉及的磁性石榴石材料和利用该材料的光磁器件的具体的实施例，参看表1，对实施例1到4和比较例1到3进行说明。
(实施例1)称量3.315g的Gd2O3、8.839g的Yb2O3、43.214g的B2O3、173.74g的Fe2O3、1189.6g的PbO、826.4g的Bi2O3、5.121g的GeO2并填充到Pt坩埚内在大约1000℃下融解进行搅拌使之均质化之后，以120℃/H使之降温，在815℃的过饱和状态下得到温度的稳定。接着，以100rpm使2英寸φ的CaMgZr置换GGG单晶基板进行旋转，同时进行40个小时的磁性石榴石单晶膜的液相外延生长，得到膜厚505μm的单晶膜。该磁性石榴石单晶膜是镜面状态，未产生裂纹。
用荧光X射线法分析所得到的单晶膜的组成，得知其组成为表1所示那样的Bi1.20Gd0.78Yb0.98Pb0.04Fe4.96Ge0.02Pt0.02O12。此外，在对该磁性石榴石单晶膜进行研磨加工使得在波长1600nm的光的情况下法拉第旋转角变成为45deg，并在两面附加上无反射膜之后，切断成3mm见方制作在波长1600nm的光中使用的法拉第转子。在研磨加工和切断工序中，在单晶膜上也不产生裂纹。对该法拉第转子的法拉第旋转系数、插入损耗和温度特性进行评价，得到了在膜厚为400μm时法拉第旋转系数为0.1125deg/μm，插入损耗最大为0.10dB，最小为0.06dB，温度特性为0.066deg/℃的值。
(实施例2)
称量6.149g的Eu2O3、8.245g的Lu2O3、43.214g的B2O3、0.614g的La2O3、156.40g的Fe2O3、1189.6g的PbO、826.4g的Bi2O3、3.530g的TiO2并填充到Pt坩埚内在大约1000℃下融解进行搅拌使之均质化之后，以120℃/H使之降温，在820℃的过饱和状态下得到温度的稳定。接着，以100rpm使2英寸φ的CaMgZr置换GGG单晶基板进行旋转，同时进行48个小时的磁性石榴石单晶膜的液相外延生长，得到膜厚545μm的单晶膜。该磁性石榴石单晶膜是镜面状态，未产生裂纹。
用荧光X射线法分析所得到的单晶膜的组成，得知其组成为表1所示的那样的Bi1.00Eu1.08Lu0.83La0.05Pb0.04Fe4.96Ti0.02Pt0.02O12。此外，在对该磁性石榴石单晶膜进行研磨加工使得在波长1620nm的光的情况下法拉第旋转角变成为45deg，并在两面附加上无反射膜之后，切断成3mm见方制作在波长1570nm的光中使用的法拉第转子。在研磨加工和切断工序中，在单晶膜上也不产生裂纹。对该法拉第转子的法拉第旋转系数、插入损耗和温度特性进行评价，得到了在膜厚为455μm时法拉第旋转系数为0.0989deg/μm，插入损耗最大为0.10dB，最小为0.07dB，温度特性为0.062deg/℃的值。
(实施例3)称量3.560g的Ho2O3、4.241g的Y2O3、3.416g的Lu2O3、43.214g的B2O3、190.70g的Fe2O3、1189.6g的PbO、826.4g的Bi2O3、5.598g的SiO2并填充到Pt坩埚内在大约1000℃下融解进行搅拌使之均质化之后，以120℃/H使之降温，在805℃的过饱和状态下得到温度的稳定。接着，以100rpm使2英寸φ的CaMgZr置换GGG单晶基板进行旋转，同时进行35个小时的磁性石榴石单晶膜的液相外延生长，得到膜厚430μm的单晶膜。该磁性石榴石单晶膜是镜面状态，未产生裂纹。
用荧光X射线法分析所得到的单晶膜的组成，得知其组成为表1所示的那样的Bi1.40Ho0.45Y0.51Lu0.60Pb0.04Fe4.96Si0.02Pt0.02O12。此外，在对该磁性石榴石单晶膜进行研磨加工使得在波长1570nm的光的情况下法拉第旋转角变成为45deg，并在两面附加上无反射膜之后，切断成3mm见方制作在波长1570nm的光中使用的法拉第转子。在研磨加工和切断工序中，在单晶膜上也不产生裂纹。对该法拉第转子的法拉第旋转系数、插入损耗和温度特性进行评价，得到了在膜厚为330μm时法拉第旋转系数为0.1364deg/μm，插入损耗最大为0.09dB，最小为0.05dB，温度特性为0.070deg/℃的值。
(实施例4)称量5.178g的Ho2O3、5.300g的Y2O3、43.214g的B2O3、177.35g的Fe2O3、9.401g的Ga2O3、3.409g的Al2O3、1189.6g的PbO、826.4g的Bi2O3、5.850g的GeO2并填充到Pt坩埚内在大约1000℃下融解进行搅拌使之均质化之后，以120℃/H使之降温，在801℃的过饱和状态下得到温度的稳定。接着，以100rpm使2英寸φ的CaMgZr置换GGG单晶基板进行旋转，同时进行40个小时的磁性石榴石单晶膜的液相外延生长，得到膜厚465μm的单晶膜。该磁性石榴石单晶膜是镜面状态，未产生裂纹。
用荧光X射线法分析所得到的单晶膜的组成，得知其组成为表1所示的那样的Bi1.50Ho0.75Y0.71Pb0.04Fe4.46Ga0.30Al0.20Ge0.02Pt0.02O12。此外，在对该磁性石榴石单晶膜进行研磨加工使得在波长1570nm的光的情况下法拉第旋转角变成为45deg，并在两面附加上无反射膜之后，切断成3mm见方制作在波长1570nm的光中使用的法拉第转子。在研磨加工和切断工序中，在单晶膜上也不产生裂纹。对该法拉第转子的法拉第旋转系数、插入损耗和温度特性进行评价，得到了在膜厚为360μm时法拉第旋转系数为0.1268deg/μm，插入损耗最大为0.10dB，最小为0.08dB，温度特性为0.082deg/℃的值。
(比较例1)称量4.446g的Tb2O3、7.645g的Yb2O3、43.214g的B2O3、173.74g的Fe2O3、1189.6g的PbO、826.4g的Bi2O3、3.912g的TiO2并填充到Pt坩埚内在大约1000℃下融解进行搅拌使之均质化之后，以120℃/H使之降温，在823℃的过饱和状态下得到温度的稳定。接着，以100rpm使2英寸φ的CaMgZr置换GGG单晶基板进行旋转，同时进行43个小时的磁性石榴石单晶膜的液相外延生长，得到膜厚520μm的单晶膜。该磁性石榴石单晶膜是镜面状态，未产生裂纹。
用荧光X射线法分析所得到的单晶膜的组成，得知其组成为表1所示的那样的Bi1.20Tb1.03Yb0.73Pb0.04Fe4.96Ti0.02Pt0.02O12。此外，在对该磁性石榴石单晶膜进行研磨加工使得在波长1620nm的光的情况下法拉第旋转角变成为45deg，并在两面附加上无反射膜之后，切断成3mm见方制作波长1620nm用的法拉第转子。在研磨加工和切断工序中，在单晶膜上也不产生裂纹。对该法拉第转子的法拉第旋转系数、插入损耗和温度特性进行评价，得到了在膜厚为415μm时法拉第旋转系数为0.1082deg/μm，插入损耗最大为0.29dB，最小为0.25dB，温度特性为0.055deg/℃的值。
(比较例2)称量5.330g的Eu2O3、8.072g的Lu2O3、43.214g的B2O3、146.18g的Fe2O3、1189.6g的PbO、826.4g的Bi2O3、4.294g的TiO2并填充到Pt坩埚内在大约1000℃下融解进行搅拌使之均质化之后，以120℃/H使之降温，在835℃的过饱和状态下得到温度的稳定。接着，以100rpm使2英寸φ的CaMgZr置换GGG单晶基板进行旋转，同时进行48个小时的磁性石榴石单晶膜的液相外延生长，得到膜厚590μm的单晶膜。但是，在该磁性石榴石单晶膜的表面的外周上，发生了多个同心圆状的裂纹。
用荧光X射线法分析所得到的单晶膜的组成，得知其组成为表1所示的那样的Bi0.90Eu1.22Lu0.84Pb0.04Fe4.96Ti0.02Pt0.02O12。此外，在对该磁性石榴石单晶膜进行研磨加工使得在波长1620nm的光的情况下法拉第旋转角变成为45deg，并在两面附加上无反射膜之后，切断成3mm见方制作波长1620nm用的法拉第转子。在研磨加工工序中，也发生裂纹，作为3mm见方的法拉第转子所得到的数量为不发生裂纹的情况下所得到的数量的大约1/2左右。对该法拉第转子的法拉第旋转系数、插入损耗和温度特性进行评价，得到了在膜厚为490μm时法拉第旋转系数为0.0918deg/μm，插入损耗最大为0.10dB，最小为0.08dB，温度特性为0.065deg/℃的值。
(比较例3)称量10.915g的Ho2O3、7.664g的Lu2O3、43.214g的B2O3、184.74g的Fe2O3、8.879g的Al2O3、1189.6g的PbO、826.4g的Bi2O3、4.294g的TiO2并填充到Pt坩埚内在大约1000℃下融解进行搅拌使之均质化之后，以120℃/H使之降温，在786℃的过饱和状态下得到温度的稳定。接着，以100rpm使2英寸φ的CaMgZr置换GGG单晶基板进行旋转35个小时，外延生长磁性石榴石单晶膜。但是，除外延生长以外，在融液中还发生石榴石相的析出，膜厚只能得到280μm的单晶膜。虽然在该磁性石榴石单晶膜的表面上没有裂纹，但当由于融液中的石榴石析出的结果发现了多个缺陷。
用荧光X射线法分析所得到的单晶膜的组成，得知其组成为表1所示的那样的Bi1.60Ho0.70Lu0.66Pb0.04Fe4.46Al0.50Ti0.02Pt0.02O12。由于该单晶膜膜厚不足，故未能加工成L波段(1570nm～1620nm)用的法拉第转子。
表1Bi置换稀土族铁石榴石单晶膜的组成和评价结果的总结发明的效果如上所述，采用本发明，可以得到减少了在单晶膜的生长时或研磨加工时的裂纹的磁性石榴石材料的同时，还可以得到在1570nm～1620nm的波长范围内具有插入损耗在1.0dB以下的特性的法拉第转子。
权利要求
1．一种磁性石榴石材料，其特征是该材料是用通式BiaM13-aFe5-bM2bO12表示的材料，其中，M1是从Y、La、Eu、Gd、Ho、Yb、Lu、Pb中选出来的至少一种元素，M2是从Ga、Al、Ti、Ge、Si、Pt中选出来的至少一种元素，a满足1.0≤a≤1.5，b满足0≤b≤0.5。
2．权利要求1所述的磁性石榴石材料，其特征是上述材料是用液相外延生长法形成的磁性石榴石材料。
3．一种光磁器件，该光磁器件是在规定的波长λ(但，1570nm≤λ≤1620nm)的光入射进来之际法拉第旋转角θ成为44deg≤θ≤46deg的光磁器件，其特征是该光磁器件是用权利要求1或2所述的磁性石榴石材料形成的。
4．权利要求3所述的光磁器件，其特征是上述波长λ的光入射进来之际的插入损耗在0.1dB以下。
全文摘要
本发明涉及利用使用磁性石榴石材料的光磁效应的光磁器件,提供在单晶膜生长时或研磨加工时不产生裂纹的磁性石榴石材料。还提供光磁器件,它是在波长λ(1570nm≤λ≤1620nm)的光入射时法拉第旋转角θ为44deg≤θ≤46deg的光磁器件。用通式Bi
文档编号H01F1/34GK1310349SQ0110475
公开日2001年8月29日 申请日期2001年2月22日 优先权日2000年2月22日
发明者大井户敦, 山泽和人 申请人:Tdk株式会社