磁気光学材料の基礎と光通信への応用.ppt

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1、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２００２．２．８日本応用磁気学会第123回研究会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

2、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回転角(deg)性能指数(deg/dB)波長(nm)温度(K)磁界(T)文献Fe3.825･105578RT2.41.11)Co1.88･10

3、5546〃21.11)Ni1.3･105826120K0.271.11)Y3Fe5O122501150100K1.12)Gd2BiFe5O121.01･10444800RT1.13)MnSb2.8･105500〃1.14)MnBi5.0･1051.43633〃1.15)YFeO34.9･103633〃1.16)NdFeO34.72･104633〃1.17)CrBr31.3･1055001.5K1.18)EuO5･1051046604.2K2.081.19)CdCr2S43.8･10335(80K)10004K0.61.20)ファラデー回転と楕円率磁界直線偏光楕円偏光主軸の傾き：回転

4、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）その主軸が回転する効果(磁気旋光:Faraday回転)電磁気学と磁気光学効果マクスウェル方程式誘電率テンソル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固有方程式固有値磁気光学の式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一般には、主軸の傾いた楕円になる媒質を通ることに

5、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=++++　・・++--無摂動系の波動関数電界の摂動を受けた波動関数Es-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Lz=0Lz=+1Lz=-1s-likep-=px-ipyp+=px+ipypx-orbital

6、py-orbitalスピン軌道相互作用の重要性L=1L=0LZ=+1,0,-1LZ=0Jz=-3/2Jz=-1/2Jz=+1/2Jz=+3/2Jz=-1/2Jz=+1/2交換分裂交換相互作用+スピン軌道相互作用磁化なし反磁性型スペクトル励起状態基底状態012磁化の無いとき磁化のあるときLz=0Lz=+1Lz=-11+2光子エネルギー光子エネルギー’xy”xy誘電率の非対角成分のピーク値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

7、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：2.03eV８面体配位：1.77eV,1.37eV,1.26eVYIGの光吸収スペクトル磁性ガーネットの3d52p6電子状態6S(6A1,6A1g)6P(6T2,6T1g)withoutperturbationspin-o