[发明专利]Bi置换稀土类铁石榴石单晶及其制造方法、以及光学器件

说明书

技术领域

本发明涉及无铅的Bi置换稀土类铁石榴石单晶及其制造方法，以及具备该Bi置换稀土类铁石榴石单晶的光学器件。

背景技术

在使用于光隔离器或光循环器等的法拉第转子中，使用通过LPE(Liquid Phase Epitaxy：液相外延)法培育的Bi置换稀土类铁石榴石单晶(以下，根据需要称为“石榴石单晶”)。LPE法是将原料投入坩埚中熔化从而形成熔融物，并使培育用衬底与该熔融物接触从而外延生长石榴石单晶的单晶培育方法。由于PbO与B₂O₃或Bi₂O₃等一同使用于熔融物中，因此，无法避免培育出的石榴石单晶中含有Pb(铅)。

近年来，为了避免有害性大的化学物质对环境造成不良影响，而正在世界范围内开展限制在产品中含有有害物质这样的活动，铅也被指定为有害物质。作为这样的限制有害物质的一例，可以举出欧盟(EU)施行的RoHS指令(Restriction of Hazardous Substances)等。伴随于此，在石榴石单晶中少量含有的铅因为有可能成为环境污染的主要原因而成为问题。

因此，为了使石榴石单晶中不含有铅，需要由不含铅的熔融物培育石榴石单晶。尤其是在被装入光隔离器中的石榴石单晶的情况下，由于法拉第旋转角的关系，在1.3μm～1.55μm波长带域的光通信用途中需要使光的偏光面旋转45度左右的厚度。

进而，在上述规定的厚度之外，将以产生45度法拉第旋转角的厚度换算时的插入损耗(Insertion Loss：以下称为“IL”)降低到作为光隔离器的市场要求值的0.10dB以下也是必要的。在由现有的含铅熔融物培育石榴石单晶时，从耐热性和耐腐蚀性等的观点出发，熔化原料的坩埚中采用Pt(铂)。该情况下，当在大气中进行石榴石单晶的培育时，坩埚材料铂氧化并熔化于熔融物中，从而在培育出的石榴石单晶中也以四价铂离子(Pt⁴⁺)的形式含有微量的上述铂。

而且，石榴石单晶中含有的二价铅离子(Pb²⁺)和四价铂离子(Pt⁴⁺)引起光吸收，由此引发的二价或四价的铁离子(Fe²⁺或Fe⁴⁺)在1.3μm～1.55μm的波长带域中使光吸收增强，从而导致IL(插入损耗)增大。

由于在石榴石单晶中三价是稳定的，因此，在二价的杂质过剩时利用四价的添加物进行电荷补偿，在四价的杂质过剩时利用二价的添加物进行电荷补偿。认为由于现有的石榴石单晶含有Pb，因此，该Pb以二价离子(Pb²⁺)和四价离子(Pb⁴⁺)的形式存在于石榴石单晶中，由此，石榴石单晶整体中的二价离子(Pb²⁺)和四价离子(Pt⁴⁺和Pb⁴⁺)的含有平衡被大致均等地保持。其结果是，可以认为由于在现有的石榴石单晶中很少产生使光吸收增强的Fe²⁺或Fe⁴⁺，因此，IL(插入损耗)的增大被抑制(推断为Pb²⁺含有量＞Pb⁴⁺含有量)。

但是，由于在不含铅的熔融物中完全没有Pb²⁺和Pb⁴⁺，因此，在由该熔融物培育出的石榴石单晶中相对地Pt⁴⁺变得过剩。因此，为了与该过剩的Pt⁴⁺进行电荷补偿而产生作为二价离子的Fe²⁺，因而光吸收增强，从而也导致IL(插入损耗)增大。

因此，提出了下述石榴石单晶的培育方法，即，坩埚材料不使用铂而使用Au(金)，并且利用不含铅的熔融物进行石榴石单晶的培育。例如，在专利文献1中公开了作为不使用铅的熔融物成分，代替Pb而添加Na等的碱金属。

另外，提出了代替Pb²⁺而添加同为二价的Ca从而抑制IL(插入损耗)的增大的技术(例如参照专利文献2)。

【在先技术文献】

【专利文献】

专利文献1：日本公报、特开2006-169093号(第5～9页)

专利文献2：日本公报、特开2007-153696号(第3～7页)

发明内容