２００２．２．８日本応用磁気学会第123回研究会磁気光学材料の基礎と光通信への応用東京農工大学佐藤勝昭 CONTENTS • • • • • • • はじめに磁気光学効果の物理的起源光通信における磁気光学デバイスの位置づけ光アイソレータ・サーキュレータの原理と構成アイソレータ・サーキュレータ材料次世代磁気光学デバイスの開発動向おわりにはじめに • 最近の情報通信技術におけるブロードバンド化 ←波長多重通信(WDM)の寄与大 • 家庭への光ファイバ導入：アイソレータなど非相反光回路素子の需要 • このledcture：磁気光学効果の基礎 • 光通信用磁気光学デバイス・材料磁気光学効果の物理的起源 • 光＝電磁波 • 電磁波の伝搬現象：マクスウェル方程式 • 媒体：連続体とみなす→誘電率テンソル – 磁化の効果→非対角成分 • 固有値問題→複素屈折率：２つの固有値固有解：左右円偏光 – 左右円偏光の位相差→旋光 – 左右円偏光の振幅差→円二色性ファラデー効果 • 透過の磁気光学効果 – 磁気旋光性（ファラデー回転）θF – 磁気円二色性（ファラデー楕円率）ηF • 自然旋光性との違い – ファラデー効果は非相反（往復すると２倍回転） – 自然旋光性は相反（往復すると回転ゼロ） • ヴェルデ定数 – θF＝VlH (反磁性体または常磁性体）磁性体のファラデー回転角磁性体 Fe 回転角 (deg) 3.825･105 性能指数(deg/dB) Co 1.88･105 546 〃 2 1.11) Ni 1.3･105 826 120 K 0.27 1.11) Y3Fe5O12 250 1150 100 K 1.12) Gd2BiFe5O12 1.01･104 800 RT 1.13) MnSb 2.8･105 500 〃 1.14) MnBi 5.0･105 633 〃 1.15) YFeO3 4.9･103 633 〃 1.16) NdFeO3 4.72･104 633 〃 1.17) CrBr3 1.3･105 500 1.5K 1.18) EuO 5･105 104 660 4.2 K 2.08 1.19) CdCr2S4 3.8･103 35(80K) 1000 4K 0.6 1.20) 44 1.43 波長 (nm) 578 温度 (K) RT 磁界 (T) 2.4 文献 1.11) ファラデー回転と楕円率主軸の傾き：回転角楕円の短軸と長軸の比：楕円率直線偏光が入射したとき • 出射光が楕円偏光になり (磁気円二色性）磁界楕円偏光 • その主軸が回転する効果 (磁気旋光:Faraday回転) 直線偏光電磁気学と磁気光学効果マクスウェル方程式 rotrotE  ~  2 E c t 2 2 0  iNx  E  E0 exp   c  誘電率テンソル   xx  ~      xy  0   xy  xx 0 0  0  zz  磁化された等方性媒質の誘電テンソル固有値と固有関数固有方程式固有値  Nˆ 2   xx    xy  0    xy Nˆ 2   xx 0 0  E x    0  E y   0    zz  E z  Nˆ 2   xx  i xy 固有関数：左右円偏光非対角成分がないとき：左右円偏光の応答に差がない磁気光学効果は生じない磁気光学の式 Nˆ  Nˆ   Nˆ    x x  i x y   x x  i x y  i xy  xx Nˆ  i  x y F        xx  (xy1) M i     (xx0)  12  (xx2) M 2 磁気光学効果には対角・非対角両成分が寄与磁気光学効果の現象論直線偏光は等振幅等速度の左右円偏光に分解できる媒質を通ることにより左円偏光の位相と右円偏光の位相が異なると旋光する媒質を通ることにより左円偏光の振幅と右円偏光の振幅が異なると楕円になる一般には、主軸の傾いた楕円になる磁気光学効果の量子論 • 磁化の存在→スピン状態の分裂 – 左右円偏光の選択則には影響しない • スピン軌道相互作用→軌道状態の分裂 – 右(左)回り光吸収→右(左)回り電子運動誘起 • 大きな磁気光学効果の条件 – 遷移強度の強い許容遷移が存在すること – スピン軌道相互作用の大きな元素を含む – 磁化には必ずしも比例しない電子分極のミクロな扱い E + + 電界の摂動を受けた波動関数 - 無摂動系の波動関数 + - = + ・・ + + s-電子的 p-電子的無摂動系の固有関数で展開円偏光の吸収と電子構造 px-orbital py-orbital Lz=+1 p+=px+ipy Lz=-1 p-=px-ipy Lz=0 s-like スピン軌道相互作用の重要性 Jz=-3/2 Jz=-1/2 L=1 LZ=+1,0,-1 Jz=+1/2 Jz=+3/2 LZ=0 交換分裂 Jz=-1/2 Jz=+1/2 交換相互作用 L=0 磁化なし +スピン軌道相互作用反磁性型スペクトル Lz=-1 励起状態 0  Lz=+1 1 ”xy ’xy 2 1+2 基底状態 Lz=0 磁化の無いとき磁化のあるとき光子エネルギー光子エネルギー誘電率の非対角成分のピーク値  xy Ne f SO  2 4m 0 2 peak 大きな磁気光学効果を持つ条件：・光学遷移の振動子強度 f が大きい・スピン軌道相互作用が大きい・遷移のピーク幅が狭い磁性ガーネット • 磁性ガーネット： – YIG(Y3Fe5O12)をベースとする鉄酸化物；Y→希土類、Bi に置換して物性制御 • 3つのカチオンサイト： – 希土類：12面体位置を占有 – 鉄Fe3+：４面体位置と８面体位置、反強磁性結合 – フェリ磁性体ガーネットの結晶構造 YIGの光吸収スペクトル • 電荷移動型(CT)遷移 (強い光吸収)2.5eV • 配位子場遷移 (弱い光吸収) – ４面体配位：2.03eV – ８面体配位： 1.77eV,1.37eV,1.26eV 磁性ガーネットの3d52p6電子状態 J z= J z= J=7/2 6P (6T , 6T ) 2 1g 5/2 - -3/2 3/2 7/2 -7/2 J=5/2 -3/2 3/2 -3/2 3/2 -3/2 J=3/2 P+ P+ P- P- 6S (6A , 6A ) 1 1g without perturbation spin-orbit interaction 5/2 tetrahedral crystal field (Td) -5/2 octahedral crystal field (Oh) 品川による x104 • 電荷移動型遷移を多電子系として扱い計算。 0.8 (a) experiment +2 0 0.4 -2 (b) calculation 0 0.4 - 300 400 500 600 wavelength (nm) Faraday rotation (deg/cm) YIGの磁気光学スペクトル Bi置換磁性ガーネット • Bi：１２面体位置を置換 • ファラデー回転係数：Bi 置換量に比例して増加。 • Biのもつ大きなスピン軌道相互作用が原因。 • Bi置換によって吸収は増加しないので結果的に性能指数が向上 Bi置換YIGの磁気光学スペクトル実験結果と計算結果 • スペクトルの計算 – 3d=300cm-1, – 2p=50cm-1 for YIG – 2p=2000cm-1 for Bi0.3Y2.7IG K.Shinagawa:Magneto-Optics, eds. Sugano, Kojima, Springer, 1999, Chap.5, 137 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ファイバ増幅器とアイソレータ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