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

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）

LED 動作

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４http://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

東工大影山研 HP より

http://www.miragesofttech.com/ofc.htm

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

佐藤・越田：応用電子物性工学（コロナ社、１９８９）

Physics 　 Today 　 Online によるhttp://www.aip.org/pt/vol-53/iss-9/captions/p30cap1.html

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 光ファイバー中の光信号は１００ km 程度の距離

を伝送されると、 20 ｄＢ（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ＥＤＦ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。

旭硝子の HPhttp://www.agc.co.jp/news/2000/0620.html より

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 fiberSignal 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

A

B

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

Fiber 2 Fiber 1

Forward direction

Reverse direction

½ waveplate C

Birefringent plate B2

B2B1 F C

Birefringent plate B1

Fiber 2 Fiber 1

Faraday rotator F

磁気光学サーキュレータPrism polarizer A Faraday rotator

Prism polarizer B

Half wave plate

Port 1

Port 3

Port 2

Port 4

Reflection prism

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 structure

Range ofComposition

Zn1-xMnxS ZBWZ

0<x<0.100.10<x0.45

Zn1-xMnxSe ZBWZ

0<x0.300.30<x0.57

Zn1-xMnxTe ZB 0<x0.86

Cd1-xMnxS WZ 0<x0.45

Material Crystal structure

Range ofComposition

Cd1-xMnxSe WZ 0<x0.50

Cd1-xMnxTe ZB 0<x0.77

Hg1-xMnxS ZB 0<x0.37

Hg1-xMnxSe ZB 0<x0.38

Hg1-xMnxTe ZB 0<x0.75

II-VI DMS の格子パラメータ

J. K. Furdyna et al., J. Solid State Chem. 46, (1983) 349

XRD 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 After installationMagnetic core

Hook

Magneto-optical sensor head

Fastening screw

Optical fiber

Fail-safe string

Aerial wire

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

検光子

偏光子対物レンズ 試料

穴あき電磁石光源

CCDカメラ

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 †×0, × 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)

検光子

λ/4 波長板レンズ

無偏光ビームスプリッター

対物レンズ

偏光子

CCDカメラ電磁石

試料

I(0) I0T{1 2F J0 (0 )}

I( p) I0T 2F J1(0 )I(2p) I0T2F 2J2(0 )

F

p

F

0

Jn

MCD

Faraday rotation

transmittance

Bessel function

modulation frequency

retardation

T

磁気光学信号の検出方法PEM Sample Detector

p=50kHzPolarizer Analyzer

λ/4 波長板を使った測定法

E2 ASQPE1

12

1 11 1

cosF iFsinF sinF iF cosFsinF iF cosF cosF iFsinF

1 icos2 isin2isin2 1 icos2

1 00 0

ExEy

12

cosF sinF F sin 2 F cos 2 F i cos 2 F sin 2 F F sinF cosF cosF sinF F sin 2 F cos 2 F i cos 2 F sin 2 F F sinF cosF

Ex

I cosF sinF F sin 2 F cos 2 F 2

cos 2 F sin 2 F F sinF cosF 2Ex

2 /4

I(0º )I(45º )I( 45º)

= 0º LP 45º RCP -45 º LCP

H

E1 E2 E3E4

PolarizerSampleRotation F

Elipticity F

/4Wave plate Analizer

CCDcamera

= 45º= -45º= 0 = 45º

光強度 I() と磁気光学信号LP RCPLCP

F= -5, 0, 5°F= 0°

Faraday rotationLP RCPLCP

F= 0°F= -5, 0, 5°

Faraday ellipticity

0

0.5

1

-45 0 45

F = 5º

F = 0º

F = -5º

I()/IIN

Angle of /4 Wave Plate (degree)

I(0º)

I(45º)I(-45º)

0

0.5

1

-45 0 45

F = +5ºF = 0ºF = -5º

I()/IIN

Angle of /4 Wave Plate (degree)

I(0º) I(45º)I(-45º)

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 .

磁気光学画像の求め方

100 m

F 12sin 1

2I(0) I( /4) I( /4) (1 F

2) Ex2

F 12I( /4) I( /4)I( /4) I( /4)

ファラデー回転角

ファラデー楕円率

F 12I( /4) I( /4) /Ex

2

F 12

2I(0) I( /4) I( /4) (1 F

2) I( /4) I( /4)

クロスニコル法との比較Optical modulation Crossed polarizer

Magnetic contrast ○ ○F & F (simultaneously) ○ ×Quantitativeness ○ △Brightness of images ○ 0.25（ I0） △ 0.01（ I0）Inhomogeneous sample ○ △

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 50m×50m　　 膜厚　　　　　　 200nm

-0.5

0

0.5

1

400 500 600 700Fa

rada

y ro

tatio

n (10

5 deg

ree/

cm)

Wave length (nm)

通常の磁気光学効果像

YBFGO

YBFO

YBFGO の磁気光学スペクトル

YBFGO

YFGO

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

磁化反転

ファラデー楕円率像

波長 500 nm

ファラデー回転像のラインプロファイル

-1

-0.5

0

0.5

1

500 600 700 800 900 1000

Fara

day

Rota

tion

(deg

ree)

Position (pixel)

回転角 ~ 0.5 deg.

-1

-0.5

0

0.5

1

500 600 700 800 900 1000Fara

day

Rota

tion

(deg

ree)

Position (pixel)

磁化反転

フフフフフフフ F と ファラデー楕円率 F の波長依存性の定量的評価

-5 104

-4 104

-3 104

-2 104

-1 104

0

400 500 600 700

Fara

day

rota

tion

(deg

ree/

cm)

Wave length (nm)

F of YBFG thin film

by MO spectrometer

F of patterned YBFG

by MO microscope

-7 104

-6 104

-5 104

-4 104

-3 104

-2 104

-1 104

0

400 500 600 700Fa

rada

y el

liptic

ity (d

egre

e/cm

)Wave length (nm)

積算と平滑化による磁気光学像の改善とノイズの評価-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

500 600 700 800 900 1000Fara

day

Rota

tion

(deg

ree)

Position (pixel)

= 0.470º

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

500 600 700 800 900 1000Fara

day

Rota

tion

(deg

ree)

Position (pixel)

= 0.148º

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

500 600 700 800 900 1000Fara

day

Rota

tion

(deg

ree)

Position (pixel)

= 0.046º

: 標準偏差 .

1 shot 0.920º

Integration (10 times) 0.148º

Integration (10 times) + Smoothing 0.048º

磁場 (A/m)-20000 20000

ファラデー回転角(

度)

20

-20

ヒステリシスの測定

Garnet film prepared by LPE by Prof. Shinagawa of Toho Univ.

Pt/Co MO ディスクの記録マーク

MO記録された 1 m のグルーブが明瞭に見られており分解能は 1 m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

L10 Fe50Pt50(100nm)/MgO(001)

FePt 薄膜の Kerr 回転画像

SEM像Kerr 回転画像

1.9

2

2.1

2.2

2.3

2.4

2.5

100 200 300 400 500 600 700

Kerr

Elli

ptic

ity (d

egre

e)

Position (pixel)

0.29o

-0.5

-0.45

-0.4

-0.35

-0.3

-0.25

-0.2

-0.15

0 100 200 300 400 500 600 700

Kerr

Elli

ptic

ity (d

egre

e)

Position (pixel)

0.22o

Kerr rotation

Kerr ellipticity

Kerr images of Bi:YIG filmKerr images of Bi:YIG film

今後の展開

液晶変調器を用いた磁気光学顕微鏡

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

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