JPH07104225A - ファラデー回転子 - Google Patents
ファラデー回転子Info
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- JPH07104225A JPH07104225A JP5249523A JP24952393A JPH07104225A JP H07104225 A JPH07104225 A JP H07104225A JP 5249523 A JP5249523 A JP 5249523A JP 24952393 A JP24952393 A JP 24952393A JP H07104225 A JPH07104225 A JP H07104225A
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-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/09—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on magneto-optical elements, e.g. exhibiting Faraday effect
- G02F1/093—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on magneto-optical elements, e.g. exhibiting Faraday effect used as non-reciprocal devices, e.g. optical isolators, circulators
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 飽和磁界が非常に低いにもかかわらず、磁気
ヒステリシスが大きいため光スイッチや磁界センサ用フ
ァラデー回転子としての利用が困難であった希土類鉄ガ
ーネット単結晶膜の磁気ヒステリシスを解消する方法を
提供する。 【構成】 希土類鉄ガーネット単結晶膜の一部分に永久
磁石を配置する。 【効果】 飽和磁界が非常に低いにも関わらず、磁気ヒ
ステリシスが大きいためファラデー回転子としての利用
が困難であった希土類鉄ガーネット単結晶の磁気ヒステ
リシスを消失させることができ、その結果、ファラデー
効果を利用した光スイッチや、磁界センサー用のファラ
デー回転子として低飽和磁界希土類ガーネット単結晶の
応用が可能となった。
ヒステリシスが大きいため光スイッチや磁界センサ用フ
ァラデー回転子としての利用が困難であった希土類鉄ガ
ーネット単結晶膜の磁気ヒステリシスを解消する方法を
提供する。 【構成】 希土類鉄ガーネット単結晶膜の一部分に永久
磁石を配置する。 【効果】 飽和磁界が非常に低いにも関わらず、磁気ヒ
ステリシスが大きいためファラデー回転子としての利用
が困難であった希土類鉄ガーネット単結晶の磁気ヒステ
リシスを消失させることができ、その結果、ファラデー
効果を利用した光スイッチや、磁界センサー用のファラ
デー回転子として低飽和磁界希土類ガーネット単結晶の
応用が可能となった。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、磁気的にヒステリシス
の大きな希土類鉄ガーネット単結晶膜を、光磁界センサ
や光スイッチ用途のファラデー回転子として利用する方
法に関する。更に詳しく云えば、本発明は、光磁界セン
サや光スイッチのファラデー回転子としての利用する際
に障害となる希土類鉄ガーネット単結晶膜の磁気ヒステ
リシスを消失させることで、磁気ヒステリシスの大きな
希土類鉄ガーネット単結晶膜でもこれら用途のファラデ
ー回転子として利用可能ならしめる方法に関するもので
ある。
の大きな希土類鉄ガーネット単結晶膜を、光磁界センサ
や光スイッチ用途のファラデー回転子として利用する方
法に関する。更に詳しく云えば、本発明は、光磁界セン
サや光スイッチのファラデー回転子としての利用する際
に障害となる希土類鉄ガーネット単結晶膜の磁気ヒステ
リシスを消失させることで、磁気ヒステリシスの大きな
希土類鉄ガーネット単結晶膜でもこれら用途のファラデ
ー回転子として利用可能ならしめる方法に関するもので
ある。
【０００２】
【従来の技術】近年、大きなファラデー効果を有する希
土類鉄ガーネット単結晶膜を利用した光スイッチ、また
光電流センサや光回転センサとも呼ばれる光磁界センサ
と云ったデバイスが次々と実用化され、これら用途に合
わせた希土類鉄ガーネット単結晶膜の開発も盛んにおこ
なわれている。ファラデー効果は磁気光学効果の一種
で、ファラデー効果を示す材料、すなわち希土類鉄ガー
ネット単結晶膜などのファラデー素子〔ファラデー回転
子〕を透過した光の偏波面が回転する現象を指す。そし
てこの偏波面の回転角の大きさは、ファラデー素子の磁
化の強度に比例して大きくなる。この様子を図１に示
す。図１において、外部磁界〔強度〕を印加しない状態
における、ファラデー回転子のファラデー回転角は、ゼ
ロ
土類鉄ガーネット単結晶膜を利用した光スイッチ、また
光電流センサや光回転センサとも呼ばれる光磁界センサ
と云ったデバイスが次々と実用化され、これら用途に合
わせた希土類鉄ガーネット単結晶膜の開発も盛んにおこ
なわれている。ファラデー効果は磁気光学効果の一種
で、ファラデー効果を示す材料、すなわち希土類鉄ガー
ネット単結晶膜などのファラデー素子〔ファラデー回転
子〕を透過した光の偏波面が回転する現象を指す。そし
てこの偏波面の回転角の大きさは、ファラデー素子の磁
化の強度に比例して大きくなる。この様子を図１に示
す。図１において、外部磁界〔強度〕を印加しない状態
における、ファラデー回転子のファラデー回転角は、ゼ
ロ
〔０〕、即ち、原点ｏに位置する。外部磁界が徐々に
強まるとファラデー回転角の絶対値〔θF 、または、−
θF、通常右回りをプラス、左回りをマイナスとする〕
は、経路ａ、または、経路ｄを経て、次第に大きくなっ
て行く〔経路ｏ→ａ→ｂ、または、経路ｏ→ｄ→ｅ〕。
外部磁界強度が或る強度〔Hs〕に達するとファラデー回
転角は、飽和した値〔飽和磁界：ｂ、または、ｅ点〕と
なる。更に外部磁界強度が強まっても、すでにファラデ
ー回転角が飽和しているから、ｂからｃ、または、ｄか
らｆへと移行するのみで、ファラデー回転角は変化しな
い。つぎに外部磁界を徐々に弱めていくと、逆の経路、
即ち、ｃ→ｂ→ａ→ｏ、或いは、ｆ→ｅ→ｄ→ｏを辿
り、最後には外部磁界の影響がなくなり、原点ｏに戻
る。以上述べたような、偏波面回転角の磁界依存特性を
利用したのが、光スイッチや磁界センサである。
強まるとファラデー回転角の絶対値〔θF 、または、−
θF、通常右回りをプラス、左回りをマイナスとする〕
は、経路ａ、または、経路ｄを経て、次第に大きくなっ
て行く〔経路ｏ→ａ→ｂ、または、経路ｏ→ｄ→ｅ〕。
外部磁界強度が或る強度〔Hs〕に達するとファラデー回
転角は、飽和した値〔飽和磁界：ｂ、または、ｅ点〕と
なる。更に外部磁界強度が強まっても、すでにファラデ
ー回転角が飽和しているから、ｂからｃ、または、ｄか
らｆへと移行するのみで、ファラデー回転角は変化しな
い。つぎに外部磁界を徐々に弱めていくと、逆の経路、
即ち、ｃ→ｂ→ａ→ｏ、或いは、ｆ→ｅ→ｄ→ｏを辿
り、最後には外部磁界の影響がなくなり、原点ｏに戻
る。以上述べたような、偏波面回転角の磁界依存特性を
利用したのが、光スイッチや磁界センサである。
【０００３】光スイッチは、図１の飽和点ｂと飽和点ｅ
以上の磁界を磁界発生装置によって発生、切り換えるこ
とで動作するものであり、また、光電流センサによる磁
界の検出は、この原点ｏと飽和点ｂ間の直線領域におけ
るファラデー回転角の差異を光強度として検出しようと
するものである。そして、回転センサとしての光磁界セ
ンサによる磁界の強弱の検出は、この原点ｏと、飽和点
ｂ、或いは、飽和点ｃにおけるファラデー回転角の差異
を光強度として検出しようとするものである。
以上の磁界を磁界発生装置によって発生、切り換えるこ
とで動作するものであり、また、光電流センサによる磁
界の検出は、この原点ｏと飽和点ｂ間の直線領域におけ
るファラデー回転角の差異を光強度として検出しようと
するものである。そして、回転センサとしての光磁界セ
ンサによる磁界の強弱の検出は、この原点ｏと、飽和点
ｂ、或いは、飽和点ｃにおけるファラデー回転角の差異
を光強度として検出しようとするものである。
【０００４】希土類鉄ガーネット単結晶膜などのファラ
デー回転子を利用した光スイッチの構成を図２に示す。
ここで、符号1 はルチル等からなる偏光子、符号2 は希
土類鉄ガーネット単結晶膜等からなるファラデー回転
子、符号3はルチル等からなる偏光分離素子である。符
号4 はファラデー回転子が磁気的に飽和するのに十分な
磁界、すなわち飽和磁界以上の磁界を発生させるための
電磁石やコイルなどからなる磁界発生装置である。図２
において、偏光子1を透過した光は直線偏光となりファ
ラデー回転子に入射する。ファラデー回転子に入射した
光の偏波面はここで回転する。この偏波面の回転方向が
右回り（プラス）となるか、あるいは左回り（マイナ
ス）となるのかは、ファラデー回転子に印加される磁界
の方向による。偏波面の回転方向が切り替わると、偏光
分離素子4を透過した光の光路が切り替わる。すなわ
ち、外部印加磁界の方向を切り換えることで、光の出射
位置が切り替わる、すなわちスイッチングが可能となる
のである。この構成においてファラデー回転子の飽和磁
界が大きいと、ファラデー回転子の磁化を飽和させるに
足る十分な磁界を発生させるために、磁界発生装置が大
型化して、大きな電力が必要となる。また電流によるコ
イルの発熱などの問題が発生する。このため、ファラデ
ー効果を応用した光スイッチでは、希土類鉄ガーネット
単結晶膜の飽和磁界は可能な限り小さくして、磁界発生
装置の省電力化や小型化を図らなければならない。
デー回転子を利用した光スイッチの構成を図２に示す。
ここで、符号1 はルチル等からなる偏光子、符号2 は希
土類鉄ガーネット単結晶膜等からなるファラデー回転
子、符号3はルチル等からなる偏光分離素子である。符
号4 はファラデー回転子が磁気的に飽和するのに十分な
磁界、すなわち飽和磁界以上の磁界を発生させるための
電磁石やコイルなどからなる磁界発生装置である。図２
において、偏光子1を透過した光は直線偏光となりファ
ラデー回転子に入射する。ファラデー回転子に入射した
光の偏波面はここで回転する。この偏波面の回転方向が
右回り（プラス）となるか、あるいは左回り（マイナ
ス）となるのかは、ファラデー回転子に印加される磁界
の方向による。偏波面の回転方向が切り替わると、偏光
分離素子4を透過した光の光路が切り替わる。すなわ
ち、外部印加磁界の方向を切り換えることで、光の出射
位置が切り替わる、すなわちスイッチングが可能となる
のである。この構成においてファラデー回転子の飽和磁
界が大きいと、ファラデー回転子の磁化を飽和させるに
足る十分な磁界を発生させるために、磁界発生装置が大
型化して、大きな電力が必要となる。また電流によるコ
イルの発熱などの問題が発生する。このため、ファラデ
ー効果を応用した光スイッチでは、希土類鉄ガーネット
単結晶膜の飽和磁界は可能な限り小さくして、磁界発生
装置の省電力化や小型化を図らなければならない。
【０００５】光電流センサは一般に図３のように構成さ
れる。すなわち、符号5 はルチル等からなる偏光子、符
号6 は希土類鉄ガーネット単結晶膜等からなるファラデ
ー回転子、符号7 はルチル等からなる検光子である。図
３において偏光子5 を透過した光は直線偏光となり、つ
いでファラデー回転子によってその偏波面が回転する。
ファラデー回転子を透過した光は、つぎに検光子を透過
するが、その光強度は、ファラデー回転角に応じて変化
する。通常、ファラデー回転子による偏波面の回転は、
ファラデー回転子に印加される外部磁界強度に応じて、
飽和磁界以下においてはほぼ直線的に変化する（図１参
照）。したがって検光子透過後の光強度を測定すること
によって、ファラデー回転子に印加される外部磁界強度
が検知されることになる。光電流センサにおいては、電
線を流れる電流の僅かな変化を精度良く検出する必要が
あるが、電流の僅かな変化、すなわち電流が形成する磁
界の微小変化を検出するためには、図１における直線の
傾きを立ち上げる必要がある。そのためにはファラデー
回転子に用いる希土類鉄ガーネット単結晶膜の飽和磁界
を下げ、単位磁界当たりのファラデー回転角を大きくす
る必要がある。
れる。すなわち、符号5 はルチル等からなる偏光子、符
号6 は希土類鉄ガーネット単結晶膜等からなるファラデ
ー回転子、符号7 はルチル等からなる検光子である。図
３において偏光子5 を透過した光は直線偏光となり、つ
いでファラデー回転子によってその偏波面が回転する。
ファラデー回転子を透過した光は、つぎに検光子を透過
するが、その光強度は、ファラデー回転角に応じて変化
する。通常、ファラデー回転子による偏波面の回転は、
ファラデー回転子に印加される外部磁界強度に応じて、
飽和磁界以下においてはほぼ直線的に変化する（図１参
照）。したがって検光子透過後の光強度を測定すること
によって、ファラデー回転子に印加される外部磁界強度
が検知されることになる。光電流センサにおいては、電
線を流れる電流の僅かな変化を精度良く検出する必要が
あるが、電流の僅かな変化、すなわち電流が形成する磁
界の微小変化を検出するためには、図１における直線の
傾きを立ち上げる必要がある。そのためにはファラデー
回転子に用いる希土類鉄ガーネット単結晶膜の飽和磁界
を下げ、単位磁界当たりのファラデー回転角を大きくす
る必要がある。
【０００６】光磁界センサを用いる回転速度計、即ち、
光信号による回転速度計では、回転機器に永久磁石が取
り付けられており〔アプライド オプテイックス(Appli
ed Optics)、第28巻、第11号、1992頁(1989 年) 〕、こ
の永久磁石の形成する磁界の影響がおよぶ範囲に希土類
鉄ガーネット単結晶からなる光磁界センサが配置され
る。すると回転機器の回転に伴い、光磁界センサと永久
磁石が接近と離反を繰り返すが、永久磁石が接近した場
合と離反した場合とで、ファラデー回転子に印加される
磁界強度に差が生じる。すなわち永久磁石の回転によ
り、ファラデー回転角が変化し、その結果検光子と透過
する光の強度が変化する。したがって、永久磁石の回転
数・回転速度を光強度変化としてとらえることができる
のである。この場合、永久磁石と光磁界センサヘッドと
の距離が長くなると、永久磁石の形成する磁界は弱ま
る。従って、ファラデー効果を利用した回転速度計の感
度と精度とを、より高めるためには、より磁力の強い永
久磁石を用いて永久磁石の形成する磁界の弱まりに対応
するか、或いは、および、弱い磁界においても充分な機
能を発揮する光磁界センサヘッドを選ぶと共に、永久磁
石と光磁界センサヘッドとの距離をより短くする必要が
ある。永久磁石を、より磁力の強いものに替えること
は、経済的に不利であるのみならず、時として、永久磁
石の形状が大きくなって設置場所に制約が生じ、また、
永久磁石と光磁界センサヘッドとの距離が長くなり、実
質的な改善効果が得られないなどの弊害が生じる。そこ
で、低い磁界で磁気的に飽和する希土類鉄ガーネット単
結晶膜が必要となる。
光信号による回転速度計では、回転機器に永久磁石が取
り付けられており〔アプライド オプテイックス(Appli
ed Optics)、第28巻、第11号、1992頁(1989 年) 〕、こ
の永久磁石の形成する磁界の影響がおよぶ範囲に希土類
鉄ガーネット単結晶からなる光磁界センサが配置され
る。すると回転機器の回転に伴い、光磁界センサと永久
磁石が接近と離反を繰り返すが、永久磁石が接近した場
合と離反した場合とで、ファラデー回転子に印加される
磁界強度に差が生じる。すなわち永久磁石の回転によ
り、ファラデー回転角が変化し、その結果検光子と透過
する光の強度が変化する。したがって、永久磁石の回転
数・回転速度を光強度変化としてとらえることができる
のである。この場合、永久磁石と光磁界センサヘッドと
の距離が長くなると、永久磁石の形成する磁界は弱ま
る。従って、ファラデー効果を利用した回転速度計の感
度と精度とを、より高めるためには、より磁力の強い永
久磁石を用いて永久磁石の形成する磁界の弱まりに対応
するか、或いは、および、弱い磁界においても充分な機
能を発揮する光磁界センサヘッドを選ぶと共に、永久磁
石と光磁界センサヘッドとの距離をより短くする必要が
ある。永久磁石を、より磁力の強いものに替えること
は、経済的に不利であるのみならず、時として、永久磁
石の形状が大きくなって設置場所に制約が生じ、また、
永久磁石と光磁界センサヘッドとの距離が長くなり、実
質的な改善効果が得られないなどの弊害が生じる。そこ
で、低い磁界で磁気的に飽和する希土類鉄ガーネット単
結晶膜が必要となる。
【０００７】以上のように、光スイッチや光磁界センサ
においては、性能面、あるいは製造コストの面で、でき
るだけ低い磁界で飽和する希土類鉄ガーネット単結晶単
結晶膜が切望されているのである。
においては、性能面、あるいは製造コストの面で、でき
るだけ低い磁界で飽和する希土類鉄ガーネット単結晶単
結晶膜が切望されているのである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】化学構造式 R3(FeA)5O
12〔但し、R は、イットリウムY やビスマスBi、或い
は、希土類元素を意味し、A は、アルミニウムAlやガリ
ウムGaなどのことを意味する〕で表される希土類鉄ガー
ネット単結晶膜は、液相エピタキシャル(LPE) 法で比較
的容易に製造することができる。特に希土類の一部をビ
スマスで置換したビスマス置換鉄ガーネット単結晶は、
非常に大きなファラデー効果を示すことが知られてい
る。
12〔但し、R は、イットリウムY やビスマスBi、或い
は、希土類元素を意味し、A は、アルミニウムAlやガリ
ウムGaなどのことを意味する〕で表される希土類鉄ガー
ネット単結晶膜は、液相エピタキシャル(LPE) 法で比較
的容易に製造することができる。特に希土類の一部をビ
スマスで置換したビスマス置換鉄ガーネット単結晶は、
非常に大きなファラデー効果を示すことが知られてい
る。
【０００９】光スイッチや光磁界センサに用いられる希
土類鉄ガーネット単結晶は、感度の面、あるいは製造コ
ストの面で、できるだけ低い飽和磁界を有することが望
ましいことから、通常鉄をアルミニウムAlやガリウムGa
などの元素で置換することが広く行われている。例え
ば、(GdBi)3(FeGaAl)5O12 や (HoTbBi)3(FeGaAl)5O12な
ど〔特開平61-20926、特願平5-55621 参照〕が報告され
ている。しかしながら希土類鉄ガーネット単結晶膜にお
いて、AlやGaとFeとの構成比を変え、その飽和磁界を下
げていくと、次第に磁気ヒステリシスが大きくなるとい
う、実用上極めて大きな問題がある。
土類鉄ガーネット単結晶は、感度の面、あるいは製造コ
ストの面で、できるだけ低い飽和磁界を有することが望
ましいことから、通常鉄をアルミニウムAlやガリウムGa
などの元素で置換することが広く行われている。例え
ば、(GdBi)3(FeGaAl)5O12 や (HoTbBi)3(FeGaAl)5O12な
ど〔特開平61-20926、特願平5-55621 参照〕が報告され
ている。しかしながら希土類鉄ガーネット単結晶膜にお
いて、AlやGaとFeとの構成比を変え、その飽和磁界を下
げていくと、次第に磁気ヒステリシスが大きくなるとい
う、実用上極めて大きな問題がある。
【００１０】以下、磁気ヒステリシスを詳細に説明す
る。飽和磁界の比較的大きな希土類鉄ガーネット単結
晶、例えば(HoTbBi)3Fe5O12 のファラデー回転子の外部
磁界に対する磁化特性、即ち、外部磁界強度とファラデ
ー回転角との関係は、図１のようである。ところが、飽
和磁界が小さな希土類置換鉄ガーネット単結晶、例えば
(GdBi)3(FeAlGa)5O12 は、外部磁界強度とファラデー回
転角との関係において、図４のように、経路 ｏ→ａ→
ｂ→ｃ→ｂ→ｂ' →ａ→ｏのようなヒステリシスループ
を描く。すなわち、外部磁界の強度を強めて行くとき
〔経路 ｏ→ａ→ｂ→ｃ〕と、弱めて行くとき〔経路ｃ
→ｂ→ｂ' →ａ→ｏ〕とで、その経路が異なるのであ
る。
る。飽和磁界の比較的大きな希土類鉄ガーネット単結
晶、例えば(HoTbBi)3Fe5O12 のファラデー回転子の外部
磁界に対する磁化特性、即ち、外部磁界強度とファラデ
ー回転角との関係は、図１のようである。ところが、飽
和磁界が小さな希土類置換鉄ガーネット単結晶、例えば
(GdBi)3(FeAlGa)5O12 は、外部磁界強度とファラデー回
転角との関係において、図４のように、経路 ｏ→ａ→
ｂ→ｃ→ｂ→ｂ' →ａ→ｏのようなヒステリシスループ
を描く。すなわち、外部磁界の強度を強めて行くとき
〔経路 ｏ→ａ→ｂ→ｃ〕と、弱めて行くとき〔経路ｃ
→ｂ→ｂ' →ａ→ｏ〕とで、その経路が異なるのであ
る。
【００１１】図４において、ｂ点、および、ｅ点におけ
る磁界を飽和磁界Hs、磁化特性のヒステリシスによって
生じたｂ' 点、および、ｅ' 点における磁界を核形成磁
界Hnと称し、飽和磁界Hsと核形成磁界Hnとの差(Hs-Hn)
をヒステリシスの大きさと定義する。今、説明を簡単・
容易にするために、ｂ点における飽和磁界Hsを Hs1、
ｂ' 点における核形成磁界Hnを Hn1と表示し、また、ｅ
点における飽和磁界HsをHs2、ｅ' 点における核形成磁
界Hnを Hn2と表示する。
る磁界を飽和磁界Hs、磁化特性のヒステリシスによって
生じたｂ' 点、および、ｅ' 点における磁界を核形成磁
界Hnと称し、飽和磁界Hsと核形成磁界Hnとの差(Hs-Hn)
をヒステリシスの大きさと定義する。今、説明を簡単・
容易にするために、ｂ点における飽和磁界Hsを Hs1、
ｂ' 点における核形成磁界Hnを Hn1と表示し、また、ｅ
点における飽和磁界HsをHs2、ｅ' 点における核形成磁
界Hnを Hn2と表示する。
【００１２】希土類鉄ガーネット単結晶膜のヒステリシ
スが大きくなり、核形成磁界Hnが原点ｏに近づくと、図
４に見られるように、磁気的に一旦飽和された状態が、
外部磁界が殆どゼロになるまで保持されることになる。
従って、ヒステリシスの大きなファラデ回転子で構成さ
れた光回転センサでは、磁界強度の強弱を検知するため
には、光磁界センサの周囲・周辺の磁界強度を、ほぼゼ
ロにしなければならない。ところが回転センサは通常一
般に、機械装置内部に設置され、しかもその機械装置材
料はわずかではあるが磁力を帯びている。したがって、
光磁界センサの周囲・周辺の磁界強度を、ほぼゼロにし
た状態で使用するのはかなり困難である。また光電流セ
ンサでは、その磁界の測定範囲がHn以下という制限が生
じる。
スが大きくなり、核形成磁界Hnが原点ｏに近づくと、図
４に見られるように、磁気的に一旦飽和された状態が、
外部磁界が殆どゼロになるまで保持されることになる。
従って、ヒステリシスの大きなファラデ回転子で構成さ
れた光回転センサでは、磁界強度の強弱を検知するため
には、光磁界センサの周囲・周辺の磁界強度を、ほぼゼ
ロにしなければならない。ところが回転センサは通常一
般に、機械装置内部に設置され、しかもその機械装置材
料はわずかではあるが磁力を帯びている。したがって、
光磁界センサの周囲・周辺の磁界強度を、ほぼゼロにし
た状態で使用するのはかなり困難である。また光電流セ
ンサでは、その磁界の測定範囲がHn以下という制限が生
じる。
【００１３】また、希土類鉄ガーネット単結晶膜のヒス
テリシスが更に大きくなると、核形成磁界Hn1 が原点ｏ
を越えてマイナス側に入り込むものや〔図５〕、核形成
磁界Hn1 が飽和磁界Hs2 よりも大きく、四角形のヒステ
リシスカーブを描き〔図６〕、一旦飽和された後は、こ
の四角形のループを描くだけとなり、飽和に必要な磁界
が希土類鉄ガーネット単結晶の本来の飽和磁界Hsより大
きくなるものもある。
テリシスが更に大きくなると、核形成磁界Hn1 が原点ｏ
を越えてマイナス側に入り込むものや〔図５〕、核形成
磁界Hn1 が飽和磁界Hs2 よりも大きく、四角形のヒステ
リシスカーブを描き〔図６〕、一旦飽和された後は、こ
の四角形のループを描くだけとなり、飽和に必要な磁界
が希土類鉄ガーネット単結晶の本来の飽和磁界Hsより大
きくなるものもある。
【００１４】このようにヒステリシスの大きな希土類鉄
ガーネット単結晶は、印加磁界とファラデー回転角の直
線性がはずれることから光電流センサ用のファラデー回
転子として全く不適当であることは勿論、回転センサや
光スイッチ用途にも、その飽和に必要な磁界が大きくな
ることから利用は非常に困難である。
ガーネット単結晶は、印加磁界とファラデー回転角の直
線性がはずれることから光電流センサ用のファラデー回
転子として全く不適当であることは勿論、回転センサや
光スイッチ用途にも、その飽和に必要な磁界が大きくな
ることから利用は非常に困難である。
【００１５】一般に希土類鉄ガーネット単結晶膜は、鉄
をガリウムやアルミニウムなどで置換していくと飽和磁
界が低下するが、飽和磁界の低下につれて磁気ヒステリ
シスが大きくなる。そこで本発明者らは、磁気ヒステリ
シスのない希土類鉄ガーネット単結晶膜を開発すべく鋭
意検討した。その結果、従来の希土類鉄ガーネット単結
晶膜に比較して、飽和磁界が低いにも関わらず磁気ヒス
テリシスが非常に小さな(YLaBi)3(FeGa)5O12を見いだし
た。すなわち非磁性ガーネット単結晶基板上に、液相エ
ピタキシャル法で育成された一般式 Y3-x-y Lax Biy Fe
5-z Gaz O12 〔但し、ｘ、ｙ、ｚは、各々、0.1 ≦ｘ≦
0.4、1.0 ≦ｙ≦1.9 、1.0 ≦ｚ≦1.6の数である〕な
る化学組成を有する希土類鉄ガーネット単結晶膜であ
る。しかしながら、上記(YLaBi)3(FeGa)5O12において
も、飽和磁界を低下させるにつれて磁気ヒステリシスが
大きくなる傾向が見られた。そして飽和磁界を150 Oe以
下にすると、ファラデー回転角と外部印加磁界の関係は
図５、あるいは図６となり、実用化は非常に困難であ
る。
をガリウムやアルミニウムなどで置換していくと飽和磁
界が低下するが、飽和磁界の低下につれて磁気ヒステリ
シスが大きくなる。そこで本発明者らは、磁気ヒステリ
シスのない希土類鉄ガーネット単結晶膜を開発すべく鋭
意検討した。その結果、従来の希土類鉄ガーネット単結
晶膜に比較して、飽和磁界が低いにも関わらず磁気ヒス
テリシスが非常に小さな(YLaBi)3(FeGa)5O12を見いだし
た。すなわち非磁性ガーネット単結晶基板上に、液相エ
ピタキシャル法で育成された一般式 Y3-x-y Lax Biy Fe
5-z Gaz O12 〔但し、ｘ、ｙ、ｚは、各々、0.1 ≦ｘ≦
0.4、1.0 ≦ｙ≦1.9 、1.0 ≦ｚ≦1.6の数である〕な
る化学組成を有する希土類鉄ガーネット単結晶膜であ
る。しかしながら、上記(YLaBi)3(FeGa)5O12において
も、飽和磁界を低下させるにつれて磁気ヒステリシスが
大きくなる傾向が見られた。そして飽和磁界を150 Oe以
下にすると、ファラデー回転角と外部印加磁界の関係は
図５、あるいは図６となり、実用化は非常に困難であ
る。
【００１６】以上詳細に説明したように、飽和磁界の低
い希土類鉄ガーネット単結晶膜は、磁気ヒステリシスが
大きいため、光スイッチや光磁界センサ用のファラデー
回転子に用いる場合、磁界を切り換えるための磁界発生
装置が大きくなるとか、回転体にとりつける永久磁石強
度を強くするとか、磁界測定範囲が非常に狭い等の障害
や制限があるのが現状である。
い希土類鉄ガーネット単結晶膜は、磁気ヒステリシスが
大きいため、光スイッチや光磁界センサ用のファラデー
回転子に用いる場合、磁界を切り換えるための磁界発生
装置が大きくなるとか、回転体にとりつける永久磁石強
度を強くするとか、磁界測定範囲が非常に狭い等の障害
や制限があるのが現状である。
【００１７】
【課題を解決するための手段】本願発明者らは、磁気ヒ
ステリシスの大きな希土類鉄ガーネット単結晶膜を光ス
イッチや光磁界センサ用途のファラデー回転子として利
用する方法を鋭意検討した結果、希土類鉄ガーネット単
結晶膜の一部を永久磁石によって膜面垂直方向に常に磁
化することにより、光スイッチや光磁界センサの動作に
支障をきたす原因となった磁気的なヒステリシスが消失
することを見い出し、ヒステリシスの大きな希土類鉄ガ
ーネット単結晶膜でも光スイッチや光磁界センサ用途の
ファラデー回転子として利用することが可能になる、と
の極めて有益な知見を得て、更に、研究・検討を加え本
願発明を完成させた。
ステリシスの大きな希土類鉄ガーネット単結晶膜を光ス
イッチや光磁界センサ用途のファラデー回転子として利
用する方法を鋭意検討した結果、希土類鉄ガーネット単
結晶膜の一部を永久磁石によって膜面垂直方向に常に磁
化することにより、光スイッチや光磁界センサの動作に
支障をきたす原因となった磁気的なヒステリシスが消失
することを見い出し、ヒステリシスの大きな希土類鉄ガ
ーネット単結晶膜でも光スイッチや光磁界センサ用途の
ファラデー回転子として利用することが可能になる、と
の極めて有益な知見を得て、更に、研究・検討を加え本
願発明を完成させた。
【００１８】即ち、本願発明は、希土類鉄ガーネット単
結晶膜の一部を永久磁石によって膜面垂直方向に常に磁
化することによって、希土類鉄ガーネット単結晶膜の外
部磁界に対する磁化特性が改善されるとの知見に基づ
き、更に、詳細な実験検討を行い、工業的製造技術とし
て完成させたものである。
結晶膜の一部を永久磁石によって膜面垂直方向に常に磁
化することによって、希土類鉄ガーネット単結晶膜の外
部磁界に対する磁化特性が改善されるとの知見に基づ
き、更に、詳細な実験検討を行い、工業的製造技術とし
て完成させたものである。
【００１９】希土類鉄ガーネット単結晶膜の一部を永久
磁石により膜面垂直方向に常に磁化することによって、
希土類鉄ガーネット単結晶膜の磁気ヒステリシスが解消
される理由は明確ではないが、希土類鉄ガーネット単結
晶膜の磁区構造と関連して、以下のように推察される。
磁石により膜面垂直方向に常に磁化することによって、
希土類鉄ガーネット単結晶膜の磁気ヒステリシスが解消
される理由は明確ではないが、希土類鉄ガーネット単結
晶膜の磁区構造と関連して、以下のように推察される。
【００２０】希土類鉄ガーネットの磁区構造は、図８に
示されるように、磁化方向が上向きの領域Ａと下向きの
領域Ｂが交互に列ぶ、いわゆる多磁区構造を示す（状態
１）。そして、例えば領域Ａと同じ方向に外部から磁界
を印加すると（以下説明を明瞭にするため、上向きの磁
化、あるいは磁界の方向をプラス、下向きの磁化、ある
いは磁界の方向をマイナスと定める）、次第に領域Ａの
面積が増加し（状態２）、最後には磁区が消失し、全て
の磁化がプラス方向に揃った状態となる（状態３）。こ
れが磁気的に飽和した状態にほかならない。つぎに、外
部印加磁界強度を徐々に弱くしていくと、飽和磁界強度
よりも僅かに低い状態で、磁区が出現する。ところが、
磁気ヒステリシスが大きな希土類鉄ガーネット単結晶膜
は、外部印加磁界を弱くしても、図８の状態３の単磁区
構造を維持しつづけるのである。これは、単磁区構造か
ら多磁区構造に移行するために、単磁区構造の磁化方向
と逆の、すなわちマイナスの磁化方向を出現させるなん
らかの作用が必要であることを示唆している。
示されるように、磁化方向が上向きの領域Ａと下向きの
領域Ｂが交互に列ぶ、いわゆる多磁区構造を示す（状態
１）。そして、例えば領域Ａと同じ方向に外部から磁界
を印加すると（以下説明を明瞭にするため、上向きの磁
化、あるいは磁界の方向をプラス、下向きの磁化、ある
いは磁界の方向をマイナスと定める）、次第に領域Ａの
面積が増加し（状態２）、最後には磁区が消失し、全て
の磁化がプラス方向に揃った状態となる（状態３）。こ
れが磁気的に飽和した状態にほかならない。つぎに、外
部印加磁界強度を徐々に弱くしていくと、飽和磁界強度
よりも僅かに低い状態で、磁区が出現する。ところが、
磁気ヒステリシスが大きな希土類鉄ガーネット単結晶膜
は、外部印加磁界を弱くしても、図８の状態３の単磁区
構造を維持しつづけるのである。これは、単磁区構造か
ら多磁区構造に移行するために、単磁区構造の磁化方向
と逆の、すなわちマイナスの磁化方向を出現させるなん
らかの作用が必要であることを示唆している。
【００２１】しかるに、希土類鉄ガーネット単結晶の一
部に、磁化がマイナスの永久磁石を取り付けると、外部
からプラス方向に磁界を印加し、ほとんどの領域はプラ
スに磁化されたとしても、永久磁石の周辺は常にマイナ
スの磁化を保持することになる（図９）。つぎに外部印
加磁界を弱めていくと、すでに永久磁石周辺はマイナス
の磁化を有する磁区があるため、ここからマイナスの磁
化を有する領域Ｂが全体に速やかに広がる（図１０）、
というスキームが想定される。したがって、希土類鉄ガ
ーネットの永久磁石をとりつけた部分以外のところに注
目すると、ヒステリシスがまったくない状態が実現され
るのである。
部に、磁化がマイナスの永久磁石を取り付けると、外部
からプラス方向に磁界を印加し、ほとんどの領域はプラ
スに磁化されたとしても、永久磁石の周辺は常にマイナ
スの磁化を保持することになる（図９）。つぎに外部印
加磁界を弱めていくと、すでに永久磁石周辺はマイナス
の磁化を有する磁区があるため、ここからマイナスの磁
化を有する領域Ｂが全体に速やかに広がる（図１０）、
というスキームが想定される。したがって、希土類鉄ガ
ーネットの永久磁石をとりつけた部分以外のところに注
目すると、ヒステリシスがまったくない状態が実現され
るのである。
【００２２】本願発明の完成によって、希土類鉄ガーネ
ット単結晶膜を利用した、より一層の省電力で小型化さ
れた光スイッチや、微小な磁界でも検知する光磁界セン
サの製造が可能になった。
ット単結晶膜を利用した、より一層の省電力で小型化さ
れた光スイッチや、微小な磁界でも検知する光磁界セン
サの製造が可能になった。
【００２３】本発明を実施するとき、永久磁石の種類に
特に制限はなく、アルニコ磁石、フェライト磁石、希土
類磁石など希土類鉄ガーネット単結晶を局所的に飽和さ
せるのに十分な磁力を有する永久磁石であれば良い。
特に制限はなく、アルニコ磁石、フェライト磁石、希土
類磁石など希土類鉄ガーネット単結晶を局所的に飽和さ
せるのに十分な磁力を有する永久磁石であれば良い。
【００２４】本発明を実施するとき、永久磁石の大きさ
に特に制限はなく、希土類鉄ガーネット単結晶を局所的
に飽和させることができる大きさであればよい。
に特に制限はなく、希土類鉄ガーネット単結晶を局所的
に飽和させることができる大きさであればよい。
【００２５】本発明を実施するとき、永久磁石の配置
は、希土類鉄ガーネットの大きさと永久磁石の強度、大
きさによって異なるが、通常光を透過させる部分から
0.3mm以上の距離をもたせればよい。
は、希土類鉄ガーネットの大きさと永久磁石の強度、大
きさによって異なるが、通常光を透過させる部分から
0.3mm以上の距離をもたせればよい。
【００２６】本発明を実施するとき、永久磁石の磁化方
向は、外部から希土類鉄ガーネット単結晶に印加する磁
界と逆方向でなければならない。外部から希土類鉄ガー
ネット単結晶に印加する磁界が一方向ではなく正逆の磁
界が印加される場合は、磁化方向が異なる２つ以上の永
久磁石を配置すればよい。
向は、外部から希土類鉄ガーネット単結晶に印加する磁
界と逆方向でなければならない。外部から希土類鉄ガー
ネット単結晶に印加する磁界が一方向ではなく正逆の磁
界が印加される場合は、磁化方向が異なる２つ以上の永
久磁石を配置すればよい。
【００２７】本発明を実施するとき、ファラデー回転
子、即ち、希土類磁性ガーネットの組成に特に制限はな
いが、一般式、R3 Fe5-z Az O12 〔但し、R は Bi 、Y
、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、T
m、Yb、Luの群から選ばれる少なくとも一種であり、A
は Ga 、Sc、Al、Inの群から選ばれる少なくとも一種で
ある〕で示される磁性ガーネット単結晶の、特に磁気的
なヒステリシスの大きなものに対して適用することが好
ましい。
子、即ち、希土類磁性ガーネットの組成に特に制限はな
いが、一般式、R3 Fe5-z Az O12 〔但し、R は Bi 、Y
、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、T
m、Yb、Luの群から選ばれる少なくとも一種であり、A
は Ga 、Sc、Al、Inの群から選ばれる少なくとも一種で
ある〕で示される磁性ガーネット単結晶の、特に磁気的
なヒステリシスの大きなものに対して適用することが好
ましい。
【００２８】以下、本発明を実施例によって、その実施
態様と効果を具体的に、かつ詳細に説明するが、以下の
例は、具体的に説明するものであって、、本発明の実施
態様や発明の範囲を限定するものとしては意図されてい
ない。
態様と効果を具体的に、かつ詳細に説明するが、以下の
例は、具体的に説明するものであって、、本発明の実施
態様や発明の範囲を限定するものとしては意図されてい
ない。
【００２９】
実施例１ 容量 500mlの白金製ルツボに、酸化鉛〔PbO 、4N〕843
g、酸化ビスマス〔Bi2O 3 、4N〕978g、酸化第２鉄〔Fe2
O3 、4N〕128g、酸化ほう素〔B2O3、5N〕38g 、酸化テ
ルビウム〔Tb4O7 、3N〕6.0g、酸化ホルミウム〔Ho
2O3 、3N〕7.0g、酸化ガリウム〔Ga2O3 、3N〕18g 、酸
化アルミニウム〔Al2O3 、3N〕4.2gを仕込んだ。これを
精密縦型管状電気炉の所定の位置に設置し、1000℃に加
熱溶融して十分に攪拌して均一に混合したのち、融液温
度 775℃にまで冷却してビスマス置換希土類磁性ガーネ
ット単結晶育成用融液とした。ここに得られた融液表面
に、常法に従って、厚さが 480μm で、格子定数が 12.
493 ±0.002 Åの（111)ガーネット単結晶［(GdCa)3(Ga
MgZr)5O12 ］基板の片面を接触させ、融液温度を 775℃
に維持しながらエピタキシャル成長を行い、厚さ47μm
の (HoTbBi)3(FeGaAl)5O12単結晶膜[HoTbBiFeGaAlG単結
晶膜] を得た。次に、この HoTbBiFeGaAlG単結晶膜を 1
mm×3mm に切断し、磁気特性を測定した。測定は以下の
方法を採った。まず 1mm×3mm の大きさの HoTbBiFeGaA
lG単結晶膜を、マグネテック社のコイルからなる磁界発
生装置［マグネット］の中心に配置させ、磁界を印加し
ながら、0.786 μm の半導体レーザ光を HoTbBiFeGaAlG
単結晶膜に照射した。そして HoTbBiFeGaAlG単結晶膜を
透過したレーザ光の偏波面の回転角の測定から、ファラ
デー回転角の印加磁界依存性を調べた。その結果から、
HoTbBiFeGaAlG 単結晶膜の飽和磁界とヒステリシスの大
きさを得た。その結果、図４と同様のヒステリシスカー
ブが得られた。即ち HoTbBiFeGaAlG単結晶膜の磁気特性
は、 Hs1＝180(Oe) Hs2＝-180(Oe) Hn1＝20(Oe) Hn
2＝-20(Oe) であった。
g、酸化ビスマス〔Bi2O 3 、4N〕978g、酸化第２鉄〔Fe2
O3 、4N〕128g、酸化ほう素〔B2O3、5N〕38g 、酸化テ
ルビウム〔Tb4O7 、3N〕6.0g、酸化ホルミウム〔Ho
2O3 、3N〕7.0g、酸化ガリウム〔Ga2O3 、3N〕18g 、酸
化アルミニウム〔Al2O3 、3N〕4.2gを仕込んだ。これを
精密縦型管状電気炉の所定の位置に設置し、1000℃に加
熱溶融して十分に攪拌して均一に混合したのち、融液温
度 775℃にまで冷却してビスマス置換希土類磁性ガーネ
ット単結晶育成用融液とした。ここに得られた融液表面
に、常法に従って、厚さが 480μm で、格子定数が 12.
493 ±0.002 Åの（111)ガーネット単結晶［(GdCa)3(Ga
MgZr)5O12 ］基板の片面を接触させ、融液温度を 775℃
に維持しながらエピタキシャル成長を行い、厚さ47μm
の (HoTbBi)3(FeGaAl)5O12単結晶膜[HoTbBiFeGaAlG単結
晶膜] を得た。次に、この HoTbBiFeGaAlG単結晶膜を 1
mm×3mm に切断し、磁気特性を測定した。測定は以下の
方法を採った。まず 1mm×3mm の大きさの HoTbBiFeGaA
lG単結晶膜を、マグネテック社のコイルからなる磁界発
生装置［マグネット］の中心に配置させ、磁界を印加し
ながら、0.786 μm の半導体レーザ光を HoTbBiFeGaAlG
単結晶膜に照射した。そして HoTbBiFeGaAlG単結晶膜を
透過したレーザ光の偏波面の回転角の測定から、ファラ
デー回転角の印加磁界依存性を調べた。その結果から、
HoTbBiFeGaAlG 単結晶膜の飽和磁界とヒステリシスの大
きさを得た。その結果、図４と同様のヒステリシスカー
ブが得られた。即ち HoTbBiFeGaAlG単結晶膜の磁気特性
は、 Hs1＝180(Oe) Hs2＝-180(Oe) Hn1＝20(Oe) Hn
2＝-20(Oe) であった。
【００３０】次に、HoTbBiFeGaAlG 単結晶膜に図１０に
示すような配置で、永久磁石を固定し、同様に磁気特性
を測定した。永久磁石は、残留磁束密度4000(G) 、形状
1mmφ×1mm のフェライト永久磁石である。このフェラ
イト永久磁石は、ファラデー回転子の角に、その磁化方
向がファラデー回転子の膜面に対して垂直になるように
エポキシ系接着剤で固定されている。このファラデー回
転子の中心位置での磁界特性を測定した結果が図１１で
ある。印加磁界がプラスの領域で（永久磁石による磁化
方向と逆方向）、磁気的なヒステリシスが消失した。即
ち HoTbBiFeGaAlG単結晶膜の磁気特性は、 Hs1＝180(Oe) Hs2＝-180(Oe) Hn1＝180(Oe) Hn
2＝-10(Oe) であった。
示すような配置で、永久磁石を固定し、同様に磁気特性
を測定した。永久磁石は、残留磁束密度4000(G) 、形状
1mmφ×1mm のフェライト永久磁石である。このフェラ
イト永久磁石は、ファラデー回転子の角に、その磁化方
向がファラデー回転子の膜面に対して垂直になるように
エポキシ系接着剤で固定されている。このファラデー回
転子の中心位置での磁界特性を測定した結果が図１１で
ある。印加磁界がプラスの領域で（永久磁石による磁化
方向と逆方向）、磁気的なヒステリシスが消失した。即
ち HoTbBiFeGaAlG単結晶膜の磁気特性は、 Hs1＝180(Oe) Hs2＝-180(Oe) Hn1＝180(Oe) Hn
2＝-10(Oe) であった。
【００３１】実施例２ 実施例１に使用したフェライト永久磁石を図１２のよう
に配置した以外は、実施例１と同様に HoTbBiFeGaAlG単
結晶膜の磁気特性を測定した。但し二つのフェライト永
久磁石の磁化方向は逆向きとした。このファラデー回転
子の中心位置での磁界特性を測定したところ、図１のよ
うな特性をしめした。すなわち、 Hs1＝180(Oe) Hs2＝-180(Oe) Hn1＝180(Oe) Hn
2＝-180(Oe) であった。
に配置した以外は、実施例１と同様に HoTbBiFeGaAlG単
結晶膜の磁気特性を測定した。但し二つのフェライト永
久磁石の磁化方向は逆向きとした。このファラデー回転
子の中心位置での磁界特性を測定したところ、図１のよ
うな特性をしめした。すなわち、 Hs1＝180(Oe) Hs2＝-180(Oe) Hn1＝180(Oe) Hn
2＝-180(Oe) であった。
【００３２】実施例３ 実施例２におけるフェライト永久磁石の代わりに残留磁
束密度10000(G)、形状1mmφ×1mm の希土類永久磁石に
した以外は、実施例２と同様の測定を行った。この HoT
bBiFeGaAlG単結晶膜の中心位置での磁界特性を測定した
ところ、図１のような特性を示した。すなわち、 Hs1＝180(Oe) Hs2＝-180(Oe) Hn1＝180(Oe) Hn
2＝-180(Oe) であった。
束密度10000(G)、形状1mmφ×1mm の希土類永久磁石に
した以外は、実施例２と同様の測定を行った。この HoT
bBiFeGaAlG単結晶膜の中心位置での磁界特性を測定した
ところ、図１のような特性を示した。すなわち、 Hs1＝180(Oe) Hs2＝-180(Oe) Hn1＝180(Oe) Hn
2＝-180(Oe) であった。
【００３３】実施例４ 実施例１で作製した 1mm×3mm の大きさの HoTbBiFeGaA
lG単結晶膜の両端に、残留磁束密度4000(G) 、形状 1mm
×1mm ×0.5mm のフェライト永久磁石を配置し、エポキ
シ系接着剤で固定した。図１３に HoTbBiFeGaAlG単結晶
膜と磁石の配置を示した。フェライト永久磁石は、その
磁化方向が HoTbBiFeGaAlG単結晶膜の膜面に対して垂直
になるよう固定されている。この HoTbBiFeGaAlG単結晶
膜の中心位置での磁界特性を測定したところ、図１２の
ような特性を示した。すなわち Hs1＝180(Oe) Hs2＝-180(Oe) Hn1＝180(Oe) Hn
2＝-180(Oe) であった。
lG単結晶膜の両端に、残留磁束密度4000(G) 、形状 1mm
×1mm ×0.5mm のフェライト永久磁石を配置し、エポキ
シ系接着剤で固定した。図１３に HoTbBiFeGaAlG単結晶
膜と磁石の配置を示した。フェライト永久磁石は、その
磁化方向が HoTbBiFeGaAlG単結晶膜の膜面に対して垂直
になるよう固定されている。この HoTbBiFeGaAlG単結晶
膜の中心位置での磁界特性を測定したところ、図１２の
ような特性を示した。すなわち Hs1＝180(Oe) Hs2＝-180(Oe) Hn1＝180(Oe) Hn
2＝-180(Oe) であった。
【００３４】実施例５ 容量 300mlの白金製ルツボに、酸化鉛〔PbO 、4N〕420
g、酸化ビスマス〔Bi2O 3 、4N〕490g、酸化第２鉄〔Fe2
O3 、4N〕65g 、酸化ほう素〔B2O3、5N〕15g 、酸化ガ
ドリニウム〔Gd2O3 、3N〕7.1g、酸化ガリウム〔Ga
2O3 、3N〕1.3g、酸化アルミニウム〔Al2O3 、3N〕3.8g
を仕込んだ。これを精密縦型管状電気炉の所定の位置に
設置し、1000℃に加熱溶融して十分に攪拌して均一に混
合したのち、融液温度 841℃にまで冷却してビスマス置
換希土類磁性ガーネット単結晶育成用融液とした。ここ
に得られた融液表面に、常法に従って、厚さが 480μm
で、格子定数が 12.493 ±0.002 Åの（111)ガーネット
単結晶［(GdCa)3(GaMgZr)5O12 ］基板の片面を接触さ
せ、融液温度を 841℃に維持しながらエピタキシャル成
長を行い、厚さ26μm の (GdBi)3(FeGaAl)5O12単結晶膜
[GdBiFeGaAlG単結晶膜] を得た。次に、この GdBiFeGaA
lG単結晶膜を 1mm×3mm に切断し、実施例１とまったく
同様の方法で、磁気特性を測定したところ、図６に示さ
れるような角型ヒステリシスを示した。すなわち Hs1＝80(Oe) Hs2＝-80(Oe) Hn1＝-240(Oe) Hn
2＝240(Oe) であった。次に、1mm ×3mm の大きさの GdBiFeGaAlG単
結晶膜に実施例４と同様に、図１３に示すような配置
で、永久磁石を固定し、同様に磁気特性を測定した。永
久磁石は、実施例４で使用した残留磁束密度4000
（Ｇ）、形状 1mm×1mm ×0.5mm のフェライト永久磁石
である。この GdBiFeGaAlG単結晶膜の中心位置での磁界
特性を測定したところ、図１のような特性を示した。す
なわち Hs1＝80(Oe) Hs2＝-80(Oe) Hn1＝80(Oe) Hn
2＝-80(Oe) であった。
g、酸化ビスマス〔Bi2O 3 、4N〕490g、酸化第２鉄〔Fe2
O3 、4N〕65g 、酸化ほう素〔B2O3、5N〕15g 、酸化ガ
ドリニウム〔Gd2O3 、3N〕7.1g、酸化ガリウム〔Ga
2O3 、3N〕1.3g、酸化アルミニウム〔Al2O3 、3N〕3.8g
を仕込んだ。これを精密縦型管状電気炉の所定の位置に
設置し、1000℃に加熱溶融して十分に攪拌して均一に混
合したのち、融液温度 841℃にまで冷却してビスマス置
換希土類磁性ガーネット単結晶育成用融液とした。ここ
に得られた融液表面に、常法に従って、厚さが 480μm
で、格子定数が 12.493 ±0.002 Åの（111)ガーネット
単結晶［(GdCa)3(GaMgZr)5O12 ］基板の片面を接触さ
せ、融液温度を 841℃に維持しながらエピタキシャル成
長を行い、厚さ26μm の (GdBi)3(FeGaAl)5O12単結晶膜
[GdBiFeGaAlG単結晶膜] を得た。次に、この GdBiFeGaA
lG単結晶膜を 1mm×3mm に切断し、実施例１とまったく
同様の方法で、磁気特性を測定したところ、図６に示さ
れるような角型ヒステリシスを示した。すなわち Hs1＝80(Oe) Hs2＝-80(Oe) Hn1＝-240(Oe) Hn
2＝240(Oe) であった。次に、1mm ×3mm の大きさの GdBiFeGaAlG単
結晶膜に実施例４と同様に、図１３に示すような配置
で、永久磁石を固定し、同様に磁気特性を測定した。永
久磁石は、実施例４で使用した残留磁束密度4000
（Ｇ）、形状 1mm×1mm ×0.5mm のフェライト永久磁石
である。この GdBiFeGaAlG単結晶膜の中心位置での磁界
特性を測定したところ、図１のような特性を示した。す
なわち Hs1＝80(Oe) Hs2＝-80(Oe) Hn1＝80(Oe) Hn
2＝-80(Oe) であった。
【００３５】
【発明の効果】本発明によれば、飽和磁界が非常に低い
にも関わらず、磁気ヒステリシスが大きいため、ファラ
デー回転子としての利用が困難であった希土類鉄ガーネ
ット単結晶の磁気ヒステリシスを消失させることができ
る。その結果、ファラデー効果を利用した光スイッチ
や、磁界センサー用のファラデー回転子として低飽和磁
界希土類ガーネット単結晶の応用が可能となった。
にも関わらず、磁気ヒステリシスが大きいため、ファラ
デー回転子としての利用が困難であった希土類鉄ガーネ
ット単結晶の磁気ヒステリシスを消失させることができ
る。その結果、ファラデー効果を利用した光スイッチ
や、磁界センサー用のファラデー回転子として低飽和磁
界希土類ガーネット単結晶の応用が可能となった。
【図１】磁気ヒステリシスを示さない希土類鉄ガーネッ
ト単結晶の磁気特性の一例を示す模式図である。
ト単結晶の磁気特性の一例を示す模式図である。
【図２】ファラデー効果を利用した光スイッチの一例を
示す図である。
示す図である。
【図３】ファラデー効果を利用した電流センサーの一例
を示す図である。
を示す図である。
【図４】磁気ヒステリシスを示す希土類鉄ガーネット単
結晶の磁気特性の一例を示す模式図である。
結晶の磁気特性の一例を示す模式図である。
【図５】非常に大きな磁気ヒステリシスを示す希土類鉄
ガーネット単結晶の磁気特性の一例を示す模式図であ
る。
ガーネット単結晶の磁気特性の一例を示す模式図であ
る。
【図６】磁気ヒステリシスが非常に大きいため、角型ヒ
ステリシスをなす希土類鉄ガーネット単結晶の磁気特性
の一例を示す模式図である。
ステリシスをなす希土類鉄ガーネット単結晶の磁気特性
の一例を示す模式図である。
【図７】希土類鉄ガーネット単結晶の磁区の状態を示す
模式図である。
模式図である。
【図８】希土類ガーネット単結晶の一部に永久磁石が配
置され、しかも飽和磁界以上の磁界を外部から印加した
場合の、希土類ガーネット単結晶の磁区の状態を示す模
式図である。
置され、しかも飽和磁界以上の磁界を外部から印加した
場合の、希土類ガーネット単結晶の磁区の状態を示す模
式図である。
【図９】希土類ガーネット単結晶の一部に永久磁石が配
置されており、しかも外部磁界が飽和磁界以下に低下し
た場合の、希土類鉄ガーネット単結晶の磁区の状態を示
す模式図である。
置されており、しかも外部磁界が飽和磁界以下に低下し
た場合の、希土類鉄ガーネット単結晶の磁区の状態を示
す模式図である。
【図１０】大きさ 1mm×3mm の希土類ガーネット単結晶
の一部に永久磁石が１個配置されているファラデー回転
子の模式図である。
の一部に永久磁石が１個配置されているファラデー回転
子の模式図である。
【図１１】図１０の構成からなる希土類ガーネット単結
晶の磁気特性の一例を示す図である。
晶の磁気特性の一例を示す図である。
【図１２】大きさ 1mm×3mm の希土類ガーネット単結晶
の一部に永久磁石が２個配置されているファラデー回転
子の模式図である。
の一部に永久磁石が２個配置されているファラデー回転
子の模式図である。
【図１３】大きさ 1mm×3mm の希土類ガーネット単結晶
の両端に永久磁石が２個配置されているファラデー回転
子の模式図である。
の両端に永久磁石が２個配置されているファラデー回転
子の模式図である。
１ ・・・偏光子 ２ ・・・ファラデー回転子 ３ ・・・偏光分離素子 ４ ・・・磁界発生装置 ５ ・・・偏光子 ６ ・・・ファラデー回転子 ７ ・・・検光子
【手続補正書】
【提出日】平成６年８月２３日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００２】
【従来の技術】近年、大きなファラデー効果を有する希
土類鉄ガーネット単結晶膜を利用した光スイッチ、また
光電流センサや光回転センサとも呼ばれる光磁界センサ
と云ったデバイスが次々と実用化され、これら用途に合
わせた希土類鉄ガーネット単結晶膜の開発も盛んにおこ
なわれている。ファラデー効果は磁気光学効果の一種
で、ファラデー効果を示す材料、すなわち希土類鉄ガー
ネット単結晶膜などのファラデー素子〔ファラデー回転
子〕を透過した光の偏波面が回転する現象を指す。そし
てこの偏波面の回転角の大きさは、ファラデー素子の磁
化の強度に比例して大きくなる。この様子を図１に示
す。図１において、外部磁界〔強度〕を印加しない状態
における、ファラデー回転子のファラデー回転角は、ゼ
ロ
土類鉄ガーネット単結晶膜を利用した光スイッチ、また
光電流センサや光回転センサとも呼ばれる光磁界センサ
と云ったデバイスが次々と実用化され、これら用途に合
わせた希土類鉄ガーネット単結晶膜の開発も盛んにおこ
なわれている。ファラデー効果は磁気光学効果の一種
で、ファラデー効果を示す材料、すなわち希土類鉄ガー
ネット単結晶膜などのファラデー素子〔ファラデー回転
子〕を透過した光の偏波面が回転する現象を指す。そし
てこの偏波面の回転角の大きさは、ファラデー素子の磁
化の強度に比例して大きくなる。この様子を図１に示
す。図１において、外部磁界〔強度〕を印加しない状態
における、ファラデー回転子のファラデー回転角は、ゼ
ロ
〔０〕、即ち、原点ｏに位置する。外部磁界が徐々に
強まるとファラデー回転角の絶対値〔θF 、または、−
θF、通常右回りをプラス、左回りをマイナスとする〕
は、経路ａ、または、経路ｄを経て、次第に大きくなっ
て行く〔経路ｏ→ａ→ｂ、または、経路ｏ→ｄ→ｅ〕。
外部磁界強度が或る強度〔Hs〕に達するとファラデー回
転角は、飽和した値〔飽和磁界：ｂ、または、ｅ点〕と
なる。更に外部磁界強度が強まっても、すでにファラデ
ー回転角が飽和しているから、ｂからｃ、または、ｅか
らｆへと移行するのみで、ファラデー回転角は変化しな
い。つぎに外部磁界を徐々に弱めていくと、逆の経路、
即ち、ｃ→ｂ→ａ→ｏ、或いは、ｆ→ｅ→ｄ→ｏを辿
り、最後には外部磁界の影響がなくなり、原点ｏに戻
る。以上述べたような、偏波面回転角の磁界依存特性を
利用したのが、光スイッチや磁界センサである。
強まるとファラデー回転角の絶対値〔θF 、または、−
θF、通常右回りをプラス、左回りをマイナスとする〕
は、経路ａ、または、経路ｄを経て、次第に大きくなっ
て行く〔経路ｏ→ａ→ｂ、または、経路ｏ→ｄ→ｅ〕。
外部磁界強度が或る強度〔Hs〕に達するとファラデー回
転角は、飽和した値〔飽和磁界：ｂ、または、ｅ点〕と
なる。更に外部磁界強度が強まっても、すでにファラデ
ー回転角が飽和しているから、ｂからｃ、または、ｅか
らｆへと移行するのみで、ファラデー回転角は変化しな
い。つぎに外部磁界を徐々に弱めていくと、逆の経路、
即ち、ｃ→ｂ→ａ→ｏ、或いは、ｆ→ｅ→ｄ→ｏを辿
り、最後には外部磁界の影響がなくなり、原点ｏに戻
る。以上述べたような、偏波面回転角の磁界依存特性を
利用したのが、光スイッチや磁界センサである。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正内容】
【００２０】希土類鉄ガーネットの磁区構造は、図７に
示されるように、磁化方向が上向きの領域Ａと下向きの
領域Ｂが交互に列ぶ、いわゆる多磁区構造を示す（状態
１）。そして、例えば領域Ａと同じ方向に外部から磁界
を印加すると（以下説明を明瞭にするため、上向きの磁
化、あるいは磁界の方向をプラス、下向きの磁化、ある
いは磁界の方向をマイナスと定める）、次第に領域Ａの
面積が増加し（状態２）、最後には磁区が消失し、全て
の磁化がプラス方向に揃った状態となる（状態３）。こ
れが磁気的に飽和した状態にほかならない。つぎに、外
部印加磁界強度を徐々に弱くしていくと、飽和磁界強度
よりも僅かに低い状態で、磁区が出現する。ところが、
磁気ヒステリシスが大きな希土類鉄ガーネット単結晶膜
は、外部印加磁界を弱くしても、図７の状態３の単磁区
構造を維持しつづけるのである。これは、単磁区構造か
ら多磁区構造に移行するために、単磁区構造の磁化方向
と逆の、すなわちマイナスの磁化方向を出現させるなん
らかの作用が必要であることを示唆している。
示されるように、磁化方向が上向きの領域Ａと下向きの
領域Ｂが交互に列ぶ、いわゆる多磁区構造を示す（状態
１）。そして、例えば領域Ａと同じ方向に外部から磁界
を印加すると（以下説明を明瞭にするため、上向きの磁
化、あるいは磁界の方向をプラス、下向きの磁化、ある
いは磁界の方向をマイナスと定める）、次第に領域Ａの
面積が増加し（状態２）、最後には磁区が消失し、全て
の磁化がプラス方向に揃った状態となる（状態３）。こ
れが磁気的に飽和した状態にほかならない。つぎに、外
部印加磁界強度を徐々に弱くしていくと、飽和磁界強度
よりも僅かに低い状態で、磁区が出現する。ところが、
磁気ヒステリシスが大きな希土類鉄ガーネット単結晶膜
は、外部印加磁界を弱くしても、図７の状態３の単磁区
構造を維持しつづけるのである。これは、単磁区構造か
ら多磁区構造に移行するために、単磁区構造の磁化方向
と逆の、すなわちマイナスの磁化方向を出現させるなん
らかの作用が必要であることを示唆している。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正内容】
【００２１】しかるに、希土類鉄ガーネット単結晶の一
部に、磁化がマイナスの永久磁石を取り付けると、外部
からプラス方向に磁界を印加し、ほとんどの領域はプラ
スに磁化されたとしても、永久磁石の周辺は常にマイナ
スの磁化を保持することになる（図８）。つぎに外部印
加磁界を弱めていくと、すでに永久磁石周辺はマイナス
の磁化を有する磁区があるため、ここからマイナスの磁
化を有する領域Ｂが全体に速やかに広がる（図９）、と
いうスキームが想定される。したがって、希土類鉄ガー
ネットの永久磁石をとりつけた部分以外のところに注目
すると、ヒステリシスがまったくない状態が実現される
のである。
部に、磁化がマイナスの永久磁石を取り付けると、外部
からプラス方向に磁界を印加し、ほとんどの領域はプラ
スに磁化されたとしても、永久磁石の周辺は常にマイナ
スの磁化を保持することになる（図８）。つぎに外部印
加磁界を弱めていくと、すでに永久磁石周辺はマイナス
の磁化を有する磁区があるため、ここからマイナスの磁
化を有する領域Ｂが全体に速やかに広がる（図９）、と
いうスキームが想定される。したがって、希土類鉄ガー
ネットの永久磁石をとりつけた部分以外のところに注目
すると、ヒステリシスがまったくない状態が実現される
のである。
Claims (2)
- 【請求項１】希土類鉄ガーネット単結晶膜の少なくとも
一部分が永久磁石によって膜面垂直方向に常に磁化され
ていることを特長とするファラデー回転子。 - 【請求項２】２個の永久磁石を用いて、ファラデー回転
子の２箇所を互いに反対方向に磁化することを特長とす
る請求項１記載のファラデー回転子。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5249523A JPH07104225A (ja) | 1993-10-05 | 1993-10-05 | ファラデー回転子 |
| CA002131124A CA2131124A1 (en) | 1993-10-05 | 1994-08-30 | Faraday rotator |
| EP94113619A EP0646826A1 (en) | 1993-10-05 | 1994-08-31 | Faraday rotator |
| US08/299,344 US5535046A (en) | 1993-10-05 | 1994-09-01 | Faraday rotator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5249523A JPH07104225A (ja) | 1993-10-05 | 1993-10-05 | ファラデー回転子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07104225A true JPH07104225A (ja) | 1995-04-21 |
Family
ID=17194249
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5249523A Pending JPH07104225A (ja) | 1993-10-05 | 1993-10-05 | ファラデー回転子 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5535046A (ja) |
| EP (1) | EP0646826A1 (ja) |
| JP (1) | JPH07104225A (ja) |
| CA (1) | CA2131124A1 (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH01293328A (ja) * | 1988-05-20 | 1989-11-27 | Nec Corp | 偏波ダイバーシチ光受信装置 |
| JPH07306390A (ja) * | 1994-05-12 | 1995-11-21 | Fuji Elelctrochem Co Ltd | 偏光面切換器及びそれを用いた光スイッチ |
| US6833941B2 (en) | 2002-08-12 | 2004-12-21 | Tdk Corporation | Magneto-optic optical device |
Families Citing this family (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0757275A1 (en) * | 1995-02-16 | 1997-02-05 | Tokin Corporation | Optical isolator |
| JP3624918B2 (ja) * | 1995-06-16 | 2005-03-02 | 三菱瓦斯化学株式会社 | 短波長用ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶の製造法 |
| US5739943A (en) * | 1995-08-24 | 1998-04-14 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Polarization control unit |
| JP3493119B2 (ja) * | 1997-08-25 | 2004-02-03 | Ｆｄｋ株式会社 | ファラデー回転角可変装置 |
| JPH11255600A (ja) * | 1998-03-12 | 1999-09-21 | Mitsubishi Gas Chem Co Inc | ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶厚膜の製造法 |
| AU1215400A (en) | 1998-10-21 | 2000-05-08 | Paul G. Duncan | Methods and apparatus for optically measuring polarization rotation of optical wave fronts using rare earth iron garnets |
| JP2001075063A (ja) * | 1999-09-02 | 2001-03-23 | Fujitsu Ltd | ファラデー回転子 |
| CN100399111C (zh) * | 2002-01-24 | 2008-07-02 | Tdk株式会社 | 法拉第转子及用其的光部件 |
| AT411852B (de) * | 2002-02-12 | 2004-06-25 | Didosyan Yuri S Dr | Verfahren und vorrichtung zur änderung des polarisationszustandes von licht mit einem magnetisch einachsigen kristall |
| US7170921B1 (en) * | 2002-10-18 | 2007-01-30 | Finisar Corporation | Magneto-optic variable optical attenuator |
Family Cites Families (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3904273A (en) * | 1974-03-18 | 1975-09-09 | Us Energy | Apodised aperture using rotation of plane of polarization |
| JPS5981570A (ja) * | 1982-11-01 | 1984-05-11 | Hitachi Ltd | 光方式磁界測定装置 |
| US4686678A (en) * | 1984-03-27 | 1987-08-11 | Nec Corporation | Semiconductor laser apparatus with isolator |
| US4728178A (en) * | 1984-07-02 | 1988-03-01 | Allied Corporation | Faceted magneto-optical garnet layer and light modulator using the same |
| US4856878A (en) * | 1987-12-04 | 1989-08-15 | Wilson Donald K | Magnetic configuration for Faraday rotators |
| JP2679083B2 (ja) * | 1988-02-26 | 1997-11-19 | 三菱瓦斯化学株式会社 | 磁気光学ガーネット |
| US4974944A (en) * | 1988-07-21 | 1990-12-04 | Hewlett-Packard Company | Optical nonreciprocal device |
| US4981341A (en) * | 1989-07-14 | 1991-01-01 | At&T Bell Laboratories | Apparatus comprising a magneto-optic isolator utilizing a garnet layer |
| JPH0354198A (ja) * | 1989-07-20 | 1991-03-08 | Shin Etsu Chem Co Ltd | 酸化物ガーネット単結晶 |
| JPH03116114A (ja) * | 1989-08-14 | 1991-05-17 | Opt For Res | 偏光面の回転方法 |
| US5087984A (en) * | 1990-03-09 | 1992-02-11 | Optics For Research | Optical isolators employing oppositely signed faraday rotating materials |
| DE69121176T2 (de) * | 1990-12-17 | 1997-01-09 | Nippon Telegraph & Telephone | Optischer Zirkulator |
| EP0691563A3 (en) * | 1991-02-20 | 1997-01-15 | Sumitomo Electric Industries | Optical isolator |
| JP3054208B2 (ja) * | 1991-03-01 | 2000-06-19 | 帝人製機株式会社 | 磁界測定装置 |
-
1993
- 1993-10-05 JP JP5249523A patent/JPH07104225A/ja active Pending
-
1994
- 1994-08-30 CA CA002131124A patent/CA2131124A1/en not_active Abandoned
- 1994-08-31 EP EP94113619A patent/EP0646826A1/en not_active Ceased
- 1994-09-01 US US08/299,344 patent/US5535046A/en not_active Expired - Fee Related
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH01293328A (ja) * | 1988-05-20 | 1989-11-27 | Nec Corp | 偏波ダイバーシチ光受信装置 |
| JP2658180B2 (ja) * | 1988-05-20 | 1997-09-30 | 日本電気株式会社 | 偏波ダイバーシチ光受信装置 |
| JPH07306390A (ja) * | 1994-05-12 | 1995-11-21 | Fuji Elelctrochem Co Ltd | 偏光面切換器及びそれを用いた光スイッチ |
| US6833941B2 (en) | 2002-08-12 | 2004-12-21 | Tdk Corporation | Magneto-optic optical device |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP0646826A1 (en) | 1995-04-05 |
| CA2131124A1 (en) | 1995-04-06 |
| US5535046A (en) | 1996-07-09 |
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