光学の革新：GGG、SGGG、NGGガーネット・ブールの役割

1 はじめに

5Gネットワークの本格的な構築は、光ファイバー通信市場に新たな機会をもたらしている。光ファイバーは、必要な高速データ伝送速度を実現する唯一の素材である。5Gネットワークにより光ファイバーの需要が急増する一方で、光ファイバーアイソレーターの需要も増加傾向にある。光ファイバーアイソレータは、最大利得を高め、ノイズ指数を下げるために、ベイトドープファイバー増幅器と組み合わせて使用される。高密度波長分割多重（DWDM）光ファイバー通信の急速な発展では、高速・大容量システムが重要な役割を果たす。光アイソレータは、この文脈において特に重要である。

ガドリニウム・ガリウム・ガーネット （GGG）、スカンジウム・ガドリニウム・ガリウム・ガーネット（SGGG）、ネオジム・ガリウム・ガーネット（NGG）は、その優れた磁気光学特性から様々な磁気光学デバイスに広く使用されており、光学材料分野の新星となっている。

写真1 光ファイバー

2 GGG

2.1 はじめに

ガドリニウム・ガリウム・ガーネット （GGG、式Gd3Ga5O12）はガーネット状の合成結晶材料で、通常は無色である。立方晶の結晶格子を持ち、密度は7.08g/cm3、モース硬度は6.5と7.5である。光学デバイスの重要な原料として、GGGはいくつかのユニークな特性を持っている。比較的高い屈折率を持つ。同時に、可視スペクトル領域で良好な透明性を持つ。そのため、光を透過させ、本来の光学特性を維持することができる。高屈折率レンズ、光学部品、レーザーデバイスなどの光学デバイスの作製に最適である。また、光学カー効果や自己集光効果など、いくつかの非線形光学効果も示します。GGGは熱伝導率が比較的低く、放熱性に優れているため、光学デバイスや基板に最適です。最も重要な点として、GGGは優れた磁気光学特性を有しており、これはファラデースピン効果によって特徴付けられる。この特性は、光磁気ストレージ・デバイスや光磁気偏向素子など、光磁気デバイスへの幅広い応用につながっている。

写真2 薄片状GGG結晶

2.2 キャラクタ

トランジスタや集積回路は、半導体シート（この場合は基板（チップ））の表面上に作製される。半導体基板は、電気的特性だけでなく、機械的支持の役割も果たす。

基板材料として、GGGは基板材料に非常に適した特性を持っている：

1.基板とエピタキシャル膜の構造的なマッチング：エピタキシャル材料と基板材料は、結晶構造が同一または類似しており、格子定数の不整合が小さく、結晶性が良好で、欠陥密度が低い。GGG単結晶の格子定数や熱膨張係数はYIGと一致することから、GGG単結晶はYIGおよびYIG-like光磁気エピタキシャル膜の基板材料として適していると考えられる。これらのYIGおよびYIG-like材料は、光アイソレータ、光導波路、集積光学系の分野で幅広い応用が可能である。

2.基板とエピタキシャル膜の熱膨張係数のマッチング： 熱膨張係数のマッチングは非常に重要である。エピタキシャル膜と基板材料の熱膨張係数の差が大きすぎると、エピタキシャル膜の品質を低下させるだけでなく、デバイスの作業プロセスにおいても、デバイスの損傷による熱の影響を受ける可能性があります。

3.基板とエピタキシャル膜の化学的安定性が一致すること： 基板材料は化学的安定性がよく、エピタキシャル膜を保護し、安定性を維持し、加工中に分解しないこと。

4.材料の準備の容易さとコスト： 大量生産するためには、基板材料の調製が簡単で、できるだけ低コストであることが必要である。

写真3 1000℃におけるGGGのXRDパターン

2.3 準備

磁気バブル・メモリの大部分は、ガドリニウム・ガリウム・ガーネット （GGG）基板上に作製される。これらの基板はキャリアとしてだけでなく、磁気記憶層をエピタキシャル成長させるための核としても機能する。基板構造に欠陥があるとエピタキシャル層にも欠陥が再現されるため、基板は非常に均一でなければならない。従って、GGGの品質を保証するためには、GGGの調製プロセス技術自体が非常に完璧でなければならない。GGGの最も一般的な調製法は引張法であり、引張調製プロセスで最も重要な点は、温度と速度の制御の2つである。

1.温度制御：融液の温度制御は、引張法の結晶成長プロセスの鍵である。融液中の温度分布は、固液界面の融点温度を維持し、種結晶の周囲の融液がある程度のサブクールを持ち、残りの融液が過熱状態を保つようにすることが要求される。このようにして、単結晶に配列された種結晶の構造に従って、融液が界面で他の核、原子、分子を生成しないようにする。ある程度のサブクールを維持するためには、結晶が成長するために、成長界面は常に凝固点の等温表面から離れた低い温度に向かって移動しなければならない。加えて、融液の温度は通常、融液を適切な温度に保つために、室温よりもはるかに高いだけでなく、ヒーターによっても、熱の継続的な供給を持っている必要があります。

2.リフト率： リフティングの速度は、結晶成長速度と品質を決定します。適切な回転速度で、溶融物は良好な混合を生成し、過冷却の目的の成分を防ぐために、半径方向の温度勾配を小さくすることができます。一般的なリフト速度は毎時6〜15ミリメートルです。

また、GGG材料自体の成長により、結晶中に霧状の白い粒子が発生することがあり、光学的使用に影響を与える。関連する技術的な理由と改善策も検討中である。

写真4 GGG結晶中に霧状の白い斑点が発生することがある。

2.4 応用例（冷凍）

磁性材料は磁場を印加されると磁気モーメントの向きが変化する。この過程は磁気エントロピーの変化、すなわち外部磁場中で磁気モーメントが再配向することによって生じるエントロピー変化を伴う。熱交換は、磁性材料が磁場中で磁気エントロピー変化を起こすときに起こる。磁気冷凍システムを設計すれば、熱を吸収しながら物体を冷却することができる。磁気冷凍業界では、GGGはヘリウム・窒素液化の前段冷凍だけでなく、市場He IIフロー用の20K以下の温度領域での適用に成功している。

写真5 GGGの柱状結晶

3SGGG&NGG

3.1 SGGG

スカンジウム・ガドリニウム・ガリウム・ガーネット （SGGG、式Gd3Sc2Ga3O12）結晶は、GGG結晶のGa3+の一部をSc3+に置換して得られる結晶で、構造と外観が類似しており、同じ方法で製造される。GSGGにはいくつかの利点がある：

1.GGGと同様、高品質のコアレスGSGG結晶は成長が容易であり、不純物の欠陥や微小面の成長に起因する応力を回避できる。

2.Sc含有ガーネットは、熱伝導率が高く、物理化学的特性が安定しており、放熱効率が高く、表面の過熱による問題を効果的に回避できる。

表1 GGGとSGGGの特性比較

3.2 NGG

ネオジムガリウムガーネット （NGG）結晶は、GGG結晶中のGa3+の一部をNd3+で置換した結晶である。その利点は主に以下の通りである：

1.結晶成長が比較的容易で、結晶成長速度は5mm/hに達する。

2.応力集中がなく、不純物の少ない平坦な界面で結晶を成長させることができるため、高出力結晶用途の大型スラットの作製が容易である。

3.イットリウム・アルミニウム・ガーネット(YAG)結晶中のNdの分配係数は0.1-0.2であるのに対し、GGG結晶中のNdの分配係数は0.52と高く、高濃度ドープレーザー結晶の作製に適しており、ポンプパワーを向上させることができる^[1]。

4.レーザー利得媒質であるネオジムガラスと比較して、Nd: GGG結晶は機械的強度が高く、熱伝導率が高いため、結晶を短時間で冷却することができます。

5.Nd3+をGd3+に同型置換することで、Nd3+レーザーの上部エネルギー準位における発光の分断を効果的に回避できる^[2]。

6.Nd:GGG結晶のレーザー効率は、一般的に使用されている高出力レーザー利得媒質であるネオジムガラスの2倍であり、100kWまでの出力を持つ短距離戦略レーザー兵器のレーザー作動媒質として使用することができる^[3,4]。

表2 GGG、SGGG、NGGGの特性比較

4 結論

GGG、SGGG、NGGG は、その優れた光学特性により、レーザー技術、光学デバイス、磁気応用、その他のハイテク分野で広く使用されている。GGGは、最も広く研究され、応用されている材料として、レーザー共振キャビティ、磁気光学デバイスレーザー結晶などの分野で様々な用途に使用されている。SGGGとNGGは、スカンジウムとネオジムの2種類の希土類元素のドーピングにより、その本来の特性に優れた側面を持ち、さらなる用途の開拓が待たれている。SGGGとNGGGは、スカンジウムとネオジムの2種類の希土類元素のドーピングにより、GGG本来の特性よりも優れた側面を持ち、さらなる用途開拓が待たれている。

参考文献

[1]ZIMIK K，CHAUHANR，KUMARR，eta1． 平坦界面成長における異なるガス流量と坩堝サイズの検討[J]，JournaIof CrystaIGrowth，2013，363(3)：76-79．79．