磁気光学の応用(2) - 佐藤勝昭のホームページ

大学院理工学研究科
物性物理学特論第10回－磁気光学の応用(2)－
佐藤勝昭
今回学ぶこと




光通信デバイスと磁気光学材料
光アイソレータ、光サーキュレータ
電流計測と磁気光学効果
磁気光学電流センサー
磁気光学顕微鏡
空間光変調器(SLM)
光通信デバイスと磁気光学材料
http://magazine.fujitsu.com/vol48-3/6.html
要素技術１
半導体レーザ


LED構造において、劈開面を用いたキャビティ
構造を用いるとともに、ダブルヘテロ構造により、
光とキャリアを活性層に閉じ込め、反転分布を
作る。
DFB構造をとることで特定の波長のみを選択し
ている。
半導体レーザーの動作特性
LED動作
電流vs発光強度
発光スペクトル
佐藤勝昭編著「応用物性」（オーム社）
ダブルヘテロ構造

活性層(GaAs)
をバンドギャップ
の広い材料でサ
ンドイッチ：ダブ
ルヘテロ(DH)構
造４
http://www.ece.concordia.ca/~
i_statei/vlsi-opt/
ＤＨレーザー

光とキャリアの閉じこめ


バンドギャップの小さな半導体をバンドギャップの大
きな半導体でサンドイッチ：高い濃度の電子・ホール
の活性層に閉じこめ
屈折率の高い半導体(バンドギャップ小)を屈折率の
低い半導体(バンドギャップ大)でサンドイッチ：全反
射による光の閉じこめ
DFBレーザー


1波長の光しかでないレーザ。つまり、通信時に信号の波
がずれることがないので、高速・遠距離通信が可能。
（通信速度：Gb/s = 1秒間に10億回の光を点滅する。電
話を1度に約2万本通話させることができます)
http://www.labs.fujitsu.com/gijutsu/laser/kouzo.html
要素技術２
光ファイバー



材料：溶融石英(fused
silica SiO2)
構造：同心円状にコア層、
クラッド層、保護層を配置
光はコア層を全反射に
よって長距離にわたり低
損失で伝搬
http://www.miragesofttech.com/ofc.htm
東工大影山研HPより
光ファイバーの伝搬損失



短波長側の伝送損
失はレーリー散乱
長波長側の伝送損
失は分子振動によ
る赤外吸収
1.4μm付近の損失
はOHの分子振動
による
Physics Today Onlineによる
http://www.aip.org/pt/vol-53/iss-9/captions/p30cap1.html
佐藤・越田：応用電子物性工学（コロナ社、１９８９）
要素技術３
光検出




フォトダイオードを用いる
高速応答の光検出が必要
pinフォトダイオードまたはショットキー接合フォト
ダイオードが使われる。
通信用PDの材料としてはバンドギャップの小さ
なInGaAsなどが用いられる。
光検出




Pin-PD
Schottky PD
応答性は、空乏層をキャ
リアが走行する時間と静
電容量で決まる。
このため、空乏層を薄くす
るとともに、接合の面積を
小さくしなければならない。
Andrew Davidson, Focused Research Inc. and Kathy Li Dessau, New Focus Inc.
要素技術４
光中継：ファイバーアンプ


旭硝子の
HPhttp://www.agc.co.jp/news/2
000/0620.htmlより
光ファイバー中の光信号は１００km程
度の距離を伝送されると、20ｄＢ（百分
の一に）減衰する。これをもとの強さに
戻すために光ファイバーアンプと呼ばれ
る光増幅器が使われている。
光増幅器は、エルビウム（Er）イオンを
ドープした光ファイバー（ＥＤＦ:Erbium
Doped Fiber）と励起レーザーから構
成されており、励起光といわれる強い
レーザーと減衰した信号光を同時にＥＤ
Ｆ中に入れることによって、Erイオンの
誘導増幅作用により励起光のエネル
ギーを利用して信号光を増幅すること
ができる。
エルビウムの増幅作用


エルビウム（Er）イオンをドープしたガラスは、980nmや1480nm
の波長の光を吸収することによって1530nm付近で発光する。こ
の発光による誘導放出現象を利用することによって光増幅が可能
になる。
具体的には、ＥＤＦに増幅用のレーザー光を注入すると、Erイオン
がレーザー光のエネルギーを吸収し、エネルギーの高い状態に一
旦励起され、励起された状態から元のエネルギーの低い状態に戻
るときに、信号光とほぼ同じの1530nm前後の光を放出する（誘
導放出現象）。信号光は、この光のエネルギーをもらって増幅され
る。
Erをドープするホストガラスの組成によって、この発光の強度やス
ペクトル幅（帯域）が変化する。発光が広帯域であれば、光増幅で
きる波長域も広帯域になる。
旭硝子のHPhttp://www.agc.co.jp/news/2000/0620.htmlより
要素技術５
光アイソレータ



光アイソレータ：光を一方向にだけ通
す光デバイス。
光通信に用いられている半導体レー
ザ(LD)や光アンプは、光学部品から
の戻り光により不安定な動作を起こす。
光アイソレータ：出力変動・周波数変
動・変調帯域抑制・LD破壊などの戻り
光による悪影響を取り除き、LDや光
アンプを安定化するために必要不可
欠な光デバイス。
信光社
http://www.shinkosha.com
/products/optical/
要素技術６
波長多重(WDM=wavelength division multiplexing)


この方式は、波長の異なる光信号を同時にファイバー中を伝送させる
方式であり、多重化されたチャンネルの数だけ伝送容量を増加させる
ことができる。
通信用光ファイバーは、1450～1650nmの波長域の伝送損失が小
さい(0.3dB/km以下)ため、原理的にはこの波長域全体を有効に使う
ことができる。
光通信における
磁気光学デバイスの位置づけ




戻り光は、LDの発振を不安定にしノイズ発生の原
因になる→アイソレータで戻り光を阻止。
WDMの光アドドロップ多重(OADM)においてファ
イバグレーティングと光サーキュレータを用いて特
定波長を選択
EDFAの前後にアイソレータを配置して動作を安定
化。ポンプ用レーザについても戻り光を阻止
光アッテネータ、光スイッチ
半導体レーザモジュール用アイソレータ
Optical isolator
for LD module
Optical fiber
Signal source
Laser diode
module
光アドドロップとサーキュレータ
光サーキュレータ
B
A
C
D
光ファイバ増幅器と
アイソレータ
偏光依存アイソレータ
偏光無依存アイソレータ
Faraday rotator F
½ waveplate C
Birefringent plate B1
Birefringent plate B2
Fiber 1
Fiber 2
Forward direction
B1
F
C
B2
Fiber 1
Fiber 2
Reverse direction
磁気光学サーキュレータ
Faraday rotator
Prism polarizer A
Reflection prism
Half wave plate
Port 1
Port 3
Port 2
Port 4
Prism polarizer B
アイソレータの今後の展開
導波路形アイソレータ




小型・軽量・低コスト化
半導体レーザとの一体化
サイズ：波長と同程度→薄膜/空気界面、あ
るいは、薄膜/基板界面の境界条件重要
タイプ：



磁気光学材料導波路形：材料の高品質化重要
リブ形
分岐導波路形
導波路形アイソレータ

腰塚による
マッハツェンダー形アイソレーター
リブ形アイソレータ
II-VI系希薄磁性半導体の
結晶構造と組成存在領域
Material
Crystal
structur
e
Range of
Composition
Material
Crystal
structure
Zn1-xMnxS
ZB
WZ
0<x<0.10
0.10<x0.45
Cd1-xMnxSe
WZ
0<x0.50
Zn1-xMnxSe
ZB
WZ
0<x0.30
0.30<x0.57
Cd1-xMnxTe
ZB
0<x0.77
Hg1-xMnxS
ZB
0<x0.37
Hg1-xMnxSe
ZB
0<x0.38
Hg1-xMnxTe
ZB
0<x0.75
Zn1-xMnxTe
Cd1-xMnxS
ZB
WZ
Range of
Composition
0<x0.86
0<x0.45
II-VI DMS の格子パラメータ
XRD
J. K. Furdyna et al., J. Solid State
Chem. 46, (1983) 349
EXAFS
B. A. Bunker et al., Diluted Magnetic
(Semimagnetic) Semiconductors,
(MRS., Pittsburg, 1987) vol.89, p. 231
Cd1-xMnxTeにおける
バンドギャップのMn濃度依存性
Cd1-xMnxTeのバルク成長

ブリッジマン法






出発原料: Cd, Mn, Te元素
石英管に真空封入
4 mm/hの速度でるつぼを降下させる。
融点: 1100°C
WZ (高温相) → ZB (低温相) 相転位（温度低
下）
過剰融液組成→相晶を防ぐ効果
CdMnTeの磁気光学スペクトル


II-VI族希薄磁性半導体：
Eg(バンドギャップ)がMn
濃度とともに高エネルギー
側にシフト
磁気ポーラロン効果(伝導
電子スピンと局在磁気モー
メントがsd相互作用→巨大
ｇ値：バンドギャップにおけ
る磁気光学効果
小柳らによる
Furdynaによる
半導体とアイソレータの一体化

貼り合わせ法



半導体上に直接磁性ガーネット膜作製→格子不整合のため困難
ガーネット膜を作っておき、半導体基板に貼り合わせる方法が
提案されている
希薄磁性半導体の利用


DMSの結晶構造:GaAsと同じ閃亜鉛鉱型→
 半導体レーザとの一体化の可能性。
導波路用途の面内光透過の良質の薄膜作製困難。
 安藤ら：GaAs基板上にMBE法でCdMnTeの薄膜を作製。バッ
ファ層：ZnTe, CdTe層
電流磁界センサ
電流センサ
Before installation
Magnetic core
After installation
Aerial wire
Hook
Magneto-optical
sensor head
Fail-safe string
Fastening
screw
Optical fiber
光ファイバ磁界センサ
磁気光学顕微鏡による磁区観察

クロスニコル条件で
は、磁化の正負に対
して対称になり、磁気
コントラストがでない
ので、偏光子と検光
子の角度を90度から
４度程度ずらしておく
と、コントラストが得ら
れる。
ファラデー効果を用いた
磁区のイメージング
CCDカメラ
検光子
対物レンズ
偏光子
試料
穴あき電磁石
光源
ファラデー効果で観察した
(Gd,Bi)3(Fe,Ga)5O12の磁区
NHK技研玉城氏のご厚意による
CCDカメラによる磁気光学イメージング
磁性ガーネットの磁区の変化
趙(東工大)、
佐藤(農工大)
磁気光学顕微鏡その１
顕微鏡：Olympus BH-UMA
CCD：Hamamatsu C4880
検光子 : Glan-Thompson（ MG*B10）
対物レンズ：NeoSPlanNIC × 10, × 50
波長板：ACP-400-700
偏光子：Glan-Thompson（ MG*B10）
波長選択：干渉フィルター
(450, 500,550, 600, 650 nm)
光源：ハロゲン電球 20W
開発中の反射型顕微鏡
光源(LED)
偏光子
λ/4波長板
レンズ
対物レンズ
CCD
カメラ
電磁石
試料
無偏光ビーム
スプリッター
検光子
磁気光学信号の検出方法
PEM
Sample
Polarizer p=50kHz
I(0)  I0T{1 2F  J0 ( 0 )}
I( p)  I0T  2F  J1( 0 )
I(2p)  I0 T  2 F 2J2 ( 0 )
Detector
Analyzer
F
F
T
Jn
MCD
Faraday rotation
transmittance
Bessel function
p
modulation frequency
0
retardation
λ/4波長板を使った測定法
=0
=
45º
-45º
E1
Polarizer
a = 45º
H
E2
l /4
Wave plate
E3
Sample
Rotation F
Elipticity  F
a E4
= 0º LP
45º RCP
-45 º LCP
CCD
camera
Analizer
E 2  ASQPE 1
1 1 1cos F  iF sin  F
  
2 1 1sin  F  iF cos F
sin  F  iF cos  F 1 i cos2
isin 2 1 0E x 


 
cos F  iF sin  F  isin 2
1 i cos2 0 0E y 
1 cos F  sin  F  F sin 2   F   cos2   F  icos2   F   sin 2  F   F sin  F  cos  F 

 
E x
cos


sin



sin
2




cos
2




i
cos
2




sin
2





sin


cos

2 














F
F
F
F
F
F
F
F
F
F




I   cos F  sin F  F sin 2  F   cos2   F 
2
 cos2   F   sin 2  F   F sin F  cos  F  E x /4
2
2
I(0º)
I(45º)
I(45º)
光強度 I() と磁気光学信号
Faraday rotation
1
LCP
LP
Faraday ellipticity
RCP
1
LCP
I( )/ IIN
I( )/ IIN
RCP
F = 5º
F = 0º
F = -5º
F = +5º
F = 0º
F = -5º
0.5
LP
0.5
I(0º)
I(-45º)
I(0º)
I(45º)
-45
0
45
0
I(45º)
I(-45º)
0
-45
0
45
Angle of l/4 W ave Plate  (degree)
Angle of l/4 W ave Plate  (degree)
F = -5, 0, 5°,
F = 0°
F = 0°,
F = -5, 0, 5°
磁気光学画像の求め方
ファラデー回転角
 2I(0)  I( /4)  I( /4)

1 1
F  sin 

2
2


2
(1 F ) E x



1 2I(0)  I( /4)  I( /4) 
F  

2 (1 F 2 )I( /4)  I( /4)
100 mm
ファラデー楕円率

1
2
F   I( /4)  I( /4)/ E x
1 I( / 4)  I( / 4) 
F   

2 I( / 4)  I( / 4) 

2
CCD カメラで撮った (a)I(0º), (b)I(45º),
(c)I(-45º) および、画像処理で得られ
た (d)ファラデー回転と (e)楕円率.
クロスニコル法との比較
Optical modulation
Magnetic contrast
F & F (simultaneously)
Quantitativeness
Brightness of images
Inhomogeneous sample
Crossed polarizer
○
○
○
○
×
△
○（0.25 I0 ）
○
△（0.01 I0 ）
△
ファラデー回転像を測定した試料
MODで作製した Y2BiFe4GaO12
正方形ドット配列
サイズ
50mm×50mm
膜厚
200nm
YBFGO
YBFGO
0.5
Faraday rotation (
5
10 degree/cm)
1
YFGO
YBFO
0
-0.5
400
500
600
700
Wave length (nm)
通常の磁気光学効果像
YBFGOの磁気光学スペクトル
ファラデー楕円率像
磁化反転
ファラデー回転角像
磁化反転によるファラデー効果の画像の反転
波長500 nm
ファラデー回転像のラインプロファイル
1
Faraday Rotation (degree)
Faraday Rotation (degree)
1
0.5
0
-0.5
-1
500
600
700
800
900
1000
0.5
0
-0.5
-1
500
Position (pixel)
700
800
Position (pixel)
磁化反転
回転角 ~ 0.5 deg.
600
900
1000
ファラデー回転F とファラデー楕円率F
の波長依存性の定量的評価
0
Faraday ellipticity (degree/cm)
Faraday rotation (degree/cm)
0
-1 104
-2 104
 of YBFG thin film
F
by MO spectrometer
-3 104
-4 104
 of patterned YBFG
F
by MO microscope
-5 104
400
500
600
Wave length (nm)
700
-1 104
-2 104
-3 104
-4 104
-5 104
-6 104
-7 104
400
500
600
Wave length (nm)
700
積算と平滑化による磁気光学像の
改善とノイズの評価
 = 0.470º
Faraday Rotation (degree)
0.4
 : 標準偏差.
0.2
0
1 shot
-0.2
-0.4
500
600
700
800
900
1000
0.920º
Position (pixel)
Integration (10 times)
Faraday Rotation (degree)
0.4
0.2
0.148º
0
-0.2
 = 0.148º
-0.4
500
600
700
800
900
1000
Position (pixel)
Faraday Rotation (degree)
0.4
0.2
0.048º
0
-0.2
 = 0.046º
-0.4
500
Integration (10 times)
+ Smoothing
600
700
800
Position (pixel)
900
1000
ヒステリシスの測定
20
(
フ
ァ
ラ
デ
ー
回
転
角
度
)
Garnet film prepared by LPE by
Prof. Shinagawa of Toho Univ.
-20
-20000
磁場(A/m)
20000
Pt/Co MO ディスクの記録マーク
MO記録された1 mmのグルーブが明瞭に見られており分解能
は1 mm以下と推定される
低温成膜FePt薄膜のKerr回転画像
Fe38Pt62(20nm)/Pt(40nm)/Fe(1nm)/MgO(001)
Kerr回転画像
FePt薄膜のKerr回転画像
L10 Fe50Pt50(100nm)/MgO(001)
Kerr回転画像
SEM像
Kerr images of Bi:YIG film
Kerr rotation
Kerr Ellipticity (degree)
2.5
2.4
2.3
0. 29o
2.2
2.1
2
1.9
100
200
300
400
500
600
700
Pos ition (pix el)
Kerr ellipticity
Kerr Ellipticity (degree)
-0.15
-0.2
-0.25
-0.3
0.22 o
-0.35
-0.4
-0.45
-0.5
0
100
200
300
400
500
Pos ition (pix el)
600
700
今後の展開

実時間測定




ソフト
液晶波長板による偏光スイッチ
低温測定
光源の光強度増強
液晶変調器を用いた磁気光学顕微鏡
空間磁気光学変調器(MOSLM)



光画像処理に用いられるSLM (spatial light
modulator)として通常液晶が用いられるが、
応答速度が速いSLMが求められていた。
磁気光学効果を用いると高速応答が期待できる。
豊橋技科大の井上らは、MOSLMを開発した。
磁界の印加のためにWord線とBit線に電流を
流し、合成磁界で磁化を反転する。
MOSLMの例

豊橋技科大井上研のHPより

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