導波路型磁気光学デバイスおよび光集積デバイス
【課題】複雑な構造を必要とせずに安価に導波路型磁気光学デバイスが形成できるようにする。
【解決手段】基板１０１の上に形成され、自発磁化を有する磁気光学材料から構成されたリング型光導波路１０２と、リング型光導波路１０２と入出力結合器１０４で光結合する導波路１０３とを少なくとも備える。導波路１０３は、例えば直線導波路である。また、入出力結合器１０４は、例えば、方向性結合器である。加えて、リング型光導波路１０２を構成している磁気光学材料は、リング型光導波路１０２の導波方向に磁化されている。
【解決手段】基板１０１の上に形成され、自発磁化を有する磁気光学材料から構成されたリング型光導波路１０２と、リング型光導波路１０２と入出力結合器１０４で光結合する導波路１０３とを少なくとも備える。導波路１０３は、例えば直線導波路である。また、入出力結合器１０４は、例えば、方向性結合器である。加えて、リング型光導波路１０２を構成している磁気光学材料は、リング型光導波路１０２の導波方向に磁化されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信，光配線，および光ストレージなどに用いられ、特に磁気光学材料を用いた光導波路を利用した光非相反性による導波路型磁気光学デバイス、および光集積デバイスに関する
【背景技術】
【０００２】
磁気光学材料を用いた光導波路を利用した光非相反性による導波路型磁気光学デバイスとして、例えば、光アイソレータおよび光サーキュレータがある。
【０００３】
光アイソレータは、一方向のみに光を透過させ、これと反対の方向に伝搬しようとする光を阻止する働きを有する光デバイスである。半導体レーザの出射端に光アイソレータを配置することにより、レーザからの出射光は光アイソレータを透過し、これを光ファイバ通信用の光源として用いることができる。逆に、光アイソレータを通して半導体レーザに入射しようとする光は、光アイソレータによって阻止され、半導体レーザに入射することはできない。半導体レーザに反射戻り光が入射する場合、半導体レーザの発振特性を劣化させるため、光アイソレータは、半導体レーザの特性を劣化させることなく、安定な発振を保つ機能を有している。
【０００４】
半導体レーザに限らず、光増幅器などの光能動素子においては、いずれも意図とは逆向きに光が入射することにより、素子の動作特性が劣化する。光アイソレータは、一方向にしか光が透過しないため、光能動素子に意図せずに逆向きに光が入射することを阻止することができ、光通信などで広く使われている。
【０００５】
光アイソレータが入射側と出射側の２端子型の光デバイスであるのに対し、光サーキュレータは、少なくとも３個以上の端子があり、例えば３個の端子の場合では、１、２、３の端子番号で順方向の１→２、２→３、３→１の方向に進む光は低損失で、逆方向の１→３、３→２、２→１の方向に進む光は高損失で出力する光デバイスである。波長多重方式を用いた光通信システムにおける信号を重畳された波長の選択的な追加・削除に用いられるデバイスである。
【０００６】
現在、実用に供されている光アイソレータ、光サーキュレータなどの全ての磁気光学デバイスは、光が通過する領域において、光の伝搬方向に直行する断面内に光を閉じこめる作用、すなわち導波作用のない構造である。これらバルク型デバイスは、半導体レーザなどの他の導波路形素子と一体集積化することが困難である。バルク型デバイスは、偏光子、磁気光学材料からなる非相反素子、磁気光学材料の磁化方向を制御する磁界発生用磁石、検光子のバルク素子の集積として構成される。
【０００７】
一方、他の光学素子との集積化を目的として、いくつかの導波作用のある磁気光学デバイスとして、光アイソレータ、すなわち導波路形光アイソレータが提案されている。これらの導波路形光アイソレータは、ＧＧＧ（Gadolinium Gallium Garnet：ガドリニウム ガリウム ガーネット）などのざくろ石構造の酸化物から構成された、いわゆるガーネット基板上に、エピタキシャル成長された磁性ガーネットを導波路として用いている。特許文献１では、ＧＧＧ基板上に液相エピタキシャル成長（ＬＰＥ）法によりランタン（Ｌａ）とガリウム（Ｇａ）とイットリウム（Ｙ）とを含有した鉄ガーネットを成長し、コア層とクラッド層の組成を制御することで屈折率を制御して導波層を形成している。さらに、ウエットエッチングによりリッジ部を形成し、導波路を形成している。
【０００８】
非特許文献１も同様に、Ｃａ，Ｍｇ，Ｚｒ添加のＧＧＧ基板の上に（１１１）にＣｅ置換ＹＩＧガーネット膜をＲＦスパッタ法でエピタキシャル成長させ、反応性イオンエッチングによりリッジ型導波路を形成している。非相反性によるアイソレーションを生じさせるためには、光の導波方向と磁化方向がある特定の角度を持つ必要があり、磁石による外部磁界で磁化方向を制御している。このように、磁気光学材料による導波路をアイソレータとして用いるためには、磁化方向を外部磁界により制御する必要がある。導波路型アイソレータの小型化や低コスト化には、外部磁界による磁化方向は、望ましくない。
【０００９】
今後の展望としては、光とエレクトロニクスの１チップ上の集積を可能とするシリコンフォトニック・デバイスの実現が大きな革新技術として求められている。これを実現するためには、ＣＰＵ，メモリーなどのＬＳＩと、光スイッチ，レーザなどの能動光学素子とを同一基板上に形成する技術が重要となる。シリコン基板上の光非相反素子は、これまでにハイブリッド形のものが提案されている。
【００１０】
光相反素子は、非相反なモード変換器と相反なモード変換器により構成されている。非相反部にのみ、磁性ガーネット導波路を用いており、相反部は半波長板が挿入されている。シリコン基板上に製作されたシリカ系の導波路に対し、個別に製作されたあらゆる部品（偏光子、非相反モード変換器、相反モード変換器）を挿入し、紫外線硬化樹脂で固めることにより製作される。部品を挿入するため、各部で挿入損失が発生する。また、非相反モード変換器とシリカ系導波路の位置合わせが極めて困難であるという欠点を持つ（非特許文献２参照）。
【００１１】
また、異種基板上への磁気光学素子を形成する技術として、磁気光学材料をウェハボンディングにより接合技術が特許文献２に開示されている。特許文献２には、磁性ガーネット／シリコン／二酸化珪素構造の磁気光学導波路が開示されている。この磁気光学導波路では、まず、シリコン結晶からなるコア層と、絶縁体であるＳｉＯ2からなる第１のクラッド層と、これらを保持する保持材とが、ＳｉＯ2からなる第１のクラッド層を中間層として３層に積層されたＳＯＩ基板が用いられている。また、磁性ガーネットからなる第２のクラッド層が、コア層表面においてウェハボンディングによって貼り合わされている。
【００１２】
この場合も、ボンディングした磁性ガーネットの磁化方向は、外部磁界で制御する必要がある。また、単結晶磁性ガーネットを張り合わせるため、小型化が困難であり高価になると欠点がある。
【００１３】
また、導波路上に磁気光学材料からなるマイクロディスクを積層した構成が特許文献３に開示されている。この場合は、磁気光学材料としてＦｅ：ＩｎＰがあげられているが、磁化方向は外部磁界で制御する必要がある。また、Ｆｅ：ＩｎＰを張り合わせるため、小型化が困難であり高価になると欠点がある。さらに特許文献３では、導波路構造の折り返し空洞共振器（folded cavity resonator）の一部上面に磁気光学材料を形成する構造が記載されている。しかしながら、この技術においても、磁化方向は外部磁界で制御する必要があるため、デバイスが大型化し効果になるという欠点がある。
【００１４】
特許文献４では、磁気光学材料からなる閉ループ導波路で形成されたアイソレータおよびサーキュレータが開示されている。導波路下部に形成した電極に流す電流により、磁界を磁性体導波路に印加することから、磁界は導波路に直交に作用し、ＴＭモードの導波モードのみに非相反性が作用する。従って、この技術では、ＴＥモードは使うことができないという欠点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開平７−５６０４０公報
【特許文献２】特開２００４−２４０００３公報
【特許文献３】特開２００５−２１５６７４公報
【特許文献４】特開平６−５１２４１公報
【特許文献５】特開２００１−３１８０公報
【特許文献６】特開２００２−２３５１８１公報
【特許文献７】特開２００５−１８１９９５公報
【非特許文献】
【００１６】
【非特許文献１】T. Shintaku,"Integrated optical isolator based on efficient nonreciprocal radiation mode conversion", Appl. Phys. Lett. ,Vol. 73, No.14, pp.1946-1948,1998.
【非特許文献２】N.Sugimoto, et al. ,"A Hybrid Integrated Waveguide Isolator on a Silica-Based Planar Lightwave Circuit", J. Lightwave Tech. ,Vol.14, No.11,pp.2537-2546,1996.
【非特許文献３】Jun Akedo and Maxim Lebedev, "Microstructure and Electrical Propertys of Lead Zirconate Titanate(Pb(Zr52/Ti48)O３) Thick Films Deposited by Aerosol Deposition Method", Jpn. J. Appl. Phys. , Vol.38, pp.5397-5401,1999.
【非特許文献４】M. Nakada, et al. ,"Optical and electro-optical properties of Pb(Zr,Ti)O３ and (Pb,La)(Zr,Ti)O３ ?lms prepared by aerosol deposition method", Journal of Crystal Growth, 275, (2005), e1275-e1280.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、磁気光学材料を用いた導波路型磁気光学デバイスは、構造が複雑であり、高価になるという問題がある。例えば、磁気光学材料からなる導波路の非相反性による機能である光アイソレーションや光サーキュレーションなどを発現するためには、磁化方向の制御のために磁石による外部磁界のコントロール、偏光子などの部品の集積などが必要となる。このように、上述した導波路型磁気光学デバイスでは、部品の点数が増えて構造が複雑となり、高価になってしまう。
【００１８】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、複雑な構造を必要とせずに安価に導波路型磁気光学デバイスが形成できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明に係る導波路型磁気光学デバイスは、自発磁化を有する磁気光学材料から構成されたリング型光導波路と、このリング型光導波路と入出力結合器で光結合する導波路とを少なくとも備え、リング型光導波路を構成している磁気光学材料は、リング型光導波路の導波方向に磁化されている。
【００２０】
また、本発明に係る光集積デバイスは、上述した導波路型磁気光学デバイスと、レーザ、電気光変換器、光電気変換器、光増幅器、光スイッチまたは光フィルターの中より選択された光学素子とが、同一の基板の上に集積されている。また、上述した導波路型磁気光学デバイスと、電子回路とが、同一の基板の上に集積されている。
【発明の効果】
【００２１】
以上説明したことより、本発明によれば、複雑な構造を必要とせずに安価に導波路型磁気光学デバイスが形成できるようになるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施の形態における導波路型磁気光学デバイスの構成を示す平面図である。
【図２Ａ】実施の形態１における導波路型磁気光学デバイスの製造方法例を示す工程図である。
【図２Ｂ】実施の形態１における導波路型磁気光学デバイスの製造方法例を示す工程図である。
【図２Ｃ】実施の形態１における導波路型磁気光学デバイスの製造方法例を示す工程図である。
【図２Ｄ】実施の形態１における導波路型磁気光学デバイスの製造方法例を示す工程図である。
【図３】ＡＤ法による成膜を行うための成膜装置の構成を示す構成図である。
【図４】本発明の実施の形態２における導波路型磁気光学デバイスの構成を示す平面図である。
【図５】実施の形態２における導波路型磁気光学デバイスの製造方法を説明するための断面図である。
【図６】本発明の実施の形態３における導波路型磁気光学デバイスの構成を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【００２４】
［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１について説明する。図１は、本発明の実施の形態１における導波路型磁気光学デバイスの構成を示す平面図である。この導波路型磁気光学デバイスは、基板１０１の上に形成され、自発磁化を有する磁気光学材料から構成されたリング型光導波路１０２と、リング型光導波路１０２と入出力結合器１０４で光結合する導波路１０３とを少なくとも備える。導波路１０３は、例えば直線導波路である。また、入出力結合器１０４は、例えば、方向性結合器である。加えて、リング型光導波路１０２を構成している磁気光学材料は、リング型光導波路１０２の導波方向に磁化されている。
【００２５】
例えば、図１の紙面左側から右側にかけて、信号光を導波路１０３に導波させる場合、リング型光導波路１０２は、右回りの導波方向に着磁されていればよい。このように磁化しておくことで、リング型光導波路１０２の非相反性により、磁化方向である右回りの導波方向と、これとは逆の左回りの導波方向とでは、屈折率が異なることになる。この結果、リング型光導波路１０２の共鳴波長は、右回りと左回りとで異なるものとなる。これは、左回りの導波方向に着磁されていても同様である。
【００２６】
従って、リング型光導波路１０２の右回りの共鳴波長の光を、導波路１０３に紙面左側より右側方向に導波させると、この導波光はリング型光導波路１０２の左回りの共鳴波長とは一致せず、導波路１０３の入出力結合器１０４より右側に導波していく。これに対し、リング型光導波路１０２の右回りの共鳴波長の光を、導波路１０３に紙面右側より左側方向に導波させると、この導波光はリング型光導波路１０２の右回りの共鳴波長と一致してリング型光導波路１０２に共鳴し、入出力結合器１０４でリング型光導波路１０２に結合する。この結果、導波光は、リング型光導波路１０２を周回するようになる。この場合、導波路１０３に紙面右側より左方向に導波させた光は、導波路１０３の入出力結合器１０４より左側に導波していくことがない。
【００２７】
このように、本実施の形態における導波路型磁気光学デバイスによれば、導波路１０３に導波させる光の導波方向により導波光量を変化させることができ、アイソレータとして機能させることができる。また、外部磁界などの複雑な構造を必要としていないので、安価に形成できる。
【００２８】
次に、上述した本実施の形態における導波路型磁気光学デバイスの製造方法についてこの１例を簡単に説明する。図２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄは、本実施の形態における導波路型磁気光学デバイスの製造方法例を示す工程図であり、図１のＡＡ’線の断面の部分を示している。
【００２９】
まず、シリコンからなる基板２０１の表面を熱酸化することで、相厚３μｍ程度の酸化シリコン層２０２を形成する。酸化シリコン層２０２は、下部のクラッド層となる部分である。次に、図２Ｂに示すように、酸化シリコン層２０２に深さ１．５μｍ・幅１．５μｍの溝２２１を形成する。例えば、公知のリソグラフィー技術で形成した幅１．５μｍの溝パターンを有するレジスト層を形成し、次いで、レジスト層をマスクとした公知の反応性イオンエッチングで選択的にエッチング鶴ことで、溝２２１を形成すればよい。溝２２１を形成した後に、レジスト層は除去する。溝２２１は、リング型光導波路１０２を構成するコアとなる部分に対応している。
【００３０】
次に、溝２２１の内部を含めて酸化シリコン層２０２の上に、自発磁化を有する磁気光学材料として、例えばＢｉ置換ＹＩＧガーネットからなる磁気光学材料膜を形成し、この磁気光学材料膜を公知のＣＭＰ法などにより平坦化しながら研磨して一部を除去する。これらのことにより、図２Ｃに示すように、溝２２１を充填する磁気光学材料の層より構成されたコア２０３が形成される。コア２０３は、リング型光導波路１０２を構成するものである。この場合、リング型光導波路１０２は、チャネル型導波路となっている。
【００３１】
次に、コア２０３の部分を含めた酸化シリコン層２０２の上に、熱ＣＶＤ法で酸化シリコンを堆積することで、図２Ｄに示すように、層厚１．５μｍ程度の酸化シリコン層２０４を形成する。酸化シリコン層２０４は、上部クラッド層となる。この後、微小磁石により、コア２０３よりなるリング型光導波路の、例えば右回り方向に着磁し、リング型光導波路の磁化方向を一方向にそろえる。
【００３２】
また、図１に示す導波路１０３を構成するコアは、酸化シリコン層２０４を形成する前に、上述同様にして酸化シリコン層２０２に溝を形成し、この溝をＴｉＯ2で充填することで形成する。従って、導波路１０３は、ＴｉＯ2よりなるコアと酸化シリコンよりなるクラッドとから構成されていることになる。
【００３３】
ここで、上述したＢｉ置換ＹＩＧガーネットからなる磁気光学材料膜の形成について説明する。
【００３４】
磁気光学材料を用いた導波路型磁気光学デバイスは長く研究されているが、実用化されていない。これは、磁気光学材料として用いられている磁性ガーネットを基板上に形成するためには、ＧＧＧなどの単結晶基板上に結晶成長させる、もしくは、高温アニールが必要なため、ＳｉＯ2，Ｓｉ，ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体などを基材とした導波路との集積化が困難であることによる。このような状態では、導波路型にするメリット（小型化、低コスト化など）がなくなってしまう。
【００３５】
一方、酸化物の新たな膜形成技術として、常温衝撃固化現象を利用したエアロゾルデポジション（ＡＤ法）が開発されている。ＡＤ法は、超微粒子材料の衝突付着現象を利用している。従来の薄膜形成法に比べ高い成膜速度と低いプロセス温度の実現が期待されている（非特許文献３）。また、ＡＤ法は、膜特性が下地層に依存しないことから、基板を自由に選択することができる。
【００３６】
特許文献５に開示されている技術はＡＤ法の形成方法であり、基板上に供給した超微粒子脆性材料に機械的衝撃を印加して粉砕し、超微粒子脆性材料同士、超微粒子脆性材料同士、または、超微粒子脆性材料と前板とを接合させることを特徴としている。この形成方法によれば、超微粒子相互の接合を実現し、熱を加えることなく、高密度、高強度の膜が形成される。
【００３７】
特許文献６に開示されている技術は、ＡＤ法により形成された構造物に関するものであり、構造物は結晶配向性がない多結晶体であり、ガラス層からなる粒界層が実質的にないことを特徴としている。
【００３８】
このＡＤ法を用いた透明度の高い電気光学材料の薄膜成形に関する検討がなされている（非特許文献４）。この検討によると、光学素子の基本特性であるＡＤ法により形成した膜の透過損失は、成形体を形成する微粒子および屈折率を異にする非成形体微粒子のレイリー散乱によることが明らかにされている。
【００３９】
また、特許文献７に開示されている技術は、ＡＤ法による光学素子、光集積デバイス、光情報伝搬システムおよびその製造法に関するものである。この技術では、基板上に供給した超微粒子脆性材料に機械的衝撃力を与え、超微粒子脆性材料を粉砕して接合させる衝撃固化現象により成形体を形成し、光学素子としている。特許文献７の技術では、光学素子に含有されるポア（空孔）、異相などの屈折率が成形体の主たる構成体と異なる部分の平均半径ｄ（ｎｍ）と成形体を伝搬する光の波長λ（ｎｍ）の間に「ｄ6／λ4＜４×１０-5ｎｍ2」の関係があることが特徴とされている。
【００４０】
上述したことからわかるように、磁気光学材料であるＢｉ置換ＹＩＧガーネット膜の形成は、ＡＤ法により形成すればよい。ＡＤ法による成膜では、例えば、図３に示す成膜装置を用いればよい。図３は、ＡＤ法による成膜を行うための成膜装置の構成を示す構成図である。
【００４１】
この装置は、まず、酸素ガスを収容するガスボンベ３０１と、ガスボンベ３０１より供給される酸素ガスを搬送する搬送管３０２と、搬送管３０２で搬送される酸素が供給されるガラスボトル３０３とを備える。ガラスボトル３０３には、原料の粉末（超微粒子脆性磁気光学材料）３０４が収容されている。また、ガラスボトル３０３には、排気管３０５を介して排気装置（図示せず）が接続され、ガラスボトル３０３の内部を排気可能としている。また、ガラスボトル３０３は、排出管３０６を備える。
【００４２】
ガラスボトル３０３の排出管３０６には、搬送管３０７が接続され、搬送管３０７は、ノズル３０８に接続している。ノズル３０８は、成膜を行う成膜チャンバー３０９の中に配置されている。また、成膜チャンバー３０９の内部においては、ノズル３０８の吐出方向に成膜対象の基板Ｗが配置される。また、成膜チャンバー３０９には、真空ポンプ３１０が接続され、成膜チャンバー３０９の内部を真空排気可能としている。
【００４３】
この成膜装置において、まず、原料となる粉末３０４を収容したガラスボトル３０３の内部を、排気管３０５を介して２．７ｋＰａ程度の圧力に排気する。排気した後、キャリアガスとして酸素を、ガスボンベ３０１より流量を制御しながらガラスボトル３０３に導入する。ガラスボトル３０３を加振器３１１により振動させることで、ガラスボトル３０３内の気体中に粉末３０４の微粒子を分散させたエアロゾルを発生させ、導入されているキャリアガスにより、搬送管３０７を介してノズル３０８に輸送する。ノズル３０８が配置されている成膜チャンバー３０９は、真空ポンプ３１０により所定の真空度に排気しておく。
【００４４】
以上のようにしてノズル３０８に供給されたエアロゾルを、ノズル３０８より吐出し、吐出したエアロゾル３１２を基板Ｗの表面に吹き付ければ、エアロゾルに含まれている粉末による薄膜が基板Ｗの表面に形成される。このように、ＡＤ法により形成される薄膜は、供給した超微粒子脆性磁気光学材料に機械的衝撃力を与え、供給した超微粒子脆性磁気光学材料を粉砕して基板の表面に接合させて成型した成形体である。
【００４５】
上述したＡＤ法による成膜条件は、次のようになる。キャリアガスは酸素とし、ノズル３０８より吐出されるエアロゾル３１２の基板Ｗへの入射角を１０度とする。また、キャリアガスのガス流量は１２リットル／分とし、加振器３１１の振動数は２００ｒｐｍとする。これらの条件によると、成膜速度は０．５μｍ/分となる。
【００４６】
このようなＡＤ法において、Ｂｉ置換ＹＩＧガーネットの粉末を用いれば、基板の上にＢｉ置換ＹＩＧガーネットの膜を形成することができる。Ｂｉ置換ＹＩＧガーネット（Ｂｉ−ＹＩＧ）の組成は、（Ｂｉ0.8Ｙ2.2）Ｆｅ5Ｏ12である。また、この場合、原料とする粉末の平均粒径は、０．６μｍとすればよい。成膜材料のＢｉ−ＹＩＧ系粉末は、ガーネット型結晶構造を持つ強磁性体の組成であり、大きな磁気光学効果を持つ導波路型磁気光学デバイスへの適応が可能な組成である。また、ＡＤ法により形成するＢｉ−ＹＩＧ膜は、保磁力を有する磁化曲線を示しており、導波路型磁気光学デバイスへの適応が可能である。なお、導波路１０３を構成するＴｉＯ2のコアについても、ＡＤ法により形成することができる。
【００４７】
次に、上述したようにすることで作製した本実施の形態における導波路型磁気光学デバイスの導波路１０３の一端に、先球ファイバーを用いて波長１．５５０μｍの光を結合した結果について説明する。導波路１０３の他端より出射される光を先球ファイバーで結合し、先球ファイバーに結合した光の光量をフォトディテクタで測定する。導波路１０３の一方より結合させた場合、導波損失が３ｄＢであるが、他方より結合させると、導波損失が１５ｄＢとなる。従って、本実施の形態における導波路型磁気光学デバイスでは、光アイソレーションとして１２ｄＢの値が得られたことを示している。
【００４８】
以上に説明したように、ＡＤ法を用いた磁気光学材料膜の形成は、磁気光学材料より構成される導波路を容易に形成できるようになる。また、ＡＤ法による磁気光学材料膜の形成は、他の光素子との一体集積化が容易なリング型磁気光学デバイスに適用することができる。ＡＤ法により形成する磁気光学材料膜は、上述したことからわかるように、下地層の結晶性に本質的に依存しない。この利点により、例えば、レーザ、電気光変換器、光電気変換器、光増幅器、光導波路、光フィルターなどの別種の光学素子を予め形成した基板、あるいは、ＣＰＵ、メモリーなどの電子素子で構成される集積回路が予め形成されている基板に対し、さらに、これらの基板上に本発明にかかる光学素子を作製して、全体として、本発明の光学素子で構成される光デバイスと、他のデバイスを集積した光集積バイスの作製に応用することができる。
【００４９】
［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について説明する。図４は、本発明の実施の形態２における導波路型磁気光学デバイスの構成を示す平面図である。この導波路型磁気光学デバイスは、基板４０１の上に形成され、磁気光学材料から構成されたリング型光導波路４０２と、リング型光導波路４０２と入出力結合器４０４で光結合する導波路４０３と、リング型光導波路４０２と入出力結合器４０６で光結合する導波路４０５とを少なくとも備える。入出力結合器４０４および入出力結合器４０６は、例えば、方向性結合器である。加えて、リング型光導波路４０２を構成している磁気光学材料は、リング型光導波路４０２の導波方向に磁化されている。
【００５０】
例えば、図４の紙面左側から右側にかけて、信号光を導波路４０３に導波させる場合、リング型光導波路４０２は、右回りの導波方向に着磁されていればよい。このように磁化しておくことで、リング型光導波路４０２の非相反性により、磁化方向である右回りの導波方向と、これとは逆の左回りの導波方向とでは、屈折率が異なることになる。この結果、リング型光導波路４０２の共鳴波長は、右回りと左回りとで異なるものとなる。これは、左回りの導波方向に着磁されていても同様である。
【００５１】
従って、リング型光導波路４０２の右回りの共鳴波長の光を、導波路４０３に紙面左側より右側方向に導波させると、この導波光はリング型光導波路４０２の左回りの共鳴波長とは一致せず、導波路４０３の入出力結合器４０４より右側に導波していく。これに対し、リング型光導波路４０２の右回りの共鳴波長の光を、導波路４０３に紙面右側より左側方向に導波させると、この導波光は、リング型光導波路４０２の右回りの共鳴波長と一致してリング型光導波路４０２に共鳴し、入出力結合器４０４でリング型光導波路４０２に結合する。
【００５２】
このようにしてリング型光導波路４０２に結合した導波光は、リング型光導波路４０２を周回する中で、入出力結合器４０６で導波路４０５に結合し、導波路４０５を、図４の紙面右方向に導波していく。
【００５３】
このように、本実施の形態における導波路型磁気光学デバイスによれば、導波路４０３に導波させる光の導波方向により、導波光の出力先を変化するサーキュレータとして機能させることができる。
【００５４】
次に、上述した本実施の形態における導波路型磁気光学デバイスの製造方法について、図５を用いて簡単に説明する。まず、よく知られたＳＯＩ基板を用意し、ＳＯＩ基板の表面シリコン層を公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術によりパターニングすることで、下部クラッド層となる埋め込み絶縁層５０２の上にシリコンからなるコア５０３を形成する。なお、ＳＯＩ基板においては、シリコンよりなる基部５０１の上に、埋め込み絶縁層５０２を介して表面シリコン層が形成されている。コア５０３は、例えば、断面の寸法が、幅０．６μｍ，高さ０．５μｍとすればよい。コア５０３は、リング型光導波路４０２を構成するものである。この場合、リング型光導波路４０２、チャネル型導波路となっている。
【００５５】
次に、コア５０３を含めた埋め込み絶縁層５０２の上に、上述したＡＤ法により、例えばＢｉ置換ＹＩＧガーネットからなる上部クラッド層５０４を形成する。形成した上部クラッド層５０４は、表面研磨を行って平坦化しておく。この後、微小磁石により、コア５０３を形成してある箇所のリング型光導波路における上部クラッド層５０４を、例えば右回り方向に着磁し、リング型光導波路の磁化方向を一方向にそろえればよい。
【００５６】
なお、本実施の形態では、図４に示す導波路４０３および導波路４０５を構成するコアは、上述したコア５０３と同時に、ＳＯＩ基板の表面シリコン層をパターニングすることで形成しておくことができる。また、導波路４０３および導波路４０５においては、酸化シリコン層を上部クラッド層として形成する。本実施の形態では、リング型光導波路４０２，入出力結合器４０４，および導波路４０５が、いずれもシリコンコアより構成されていることになる。
【００５７】
つぎに、上述した本実施の形態におけるリング型磁気光学デバイスの導波路４０４の一端（図４左側）に、先球ファイバーを用いて波長１．５５０μｍの光を結合した結果について説明する。導波路４０３の他端（図４右側）より出射される光、および導波路４０５の先端（図４右側）より出射される光を、各々先球ファイバーで結合し、各々の先球ファイバーに結合した光の光量をフォトディテクタで測定する。導波路４０４の他端における導波損失は５ｄＢとなるが、導波路４０５の先端における導波損失は１９ｄＢとなる。
【００５８】
以上のことに対し、導波路４０４の他端に、波長１．５５０μｍの光を結合すると、導波路４０４の一端における導波損失は２０ｄＢとなるが、導波路４０５の先端における導波損失は７ｄＢとなる。これらのことは、本実施の形態における導波路型磁気光学デバイスが、サーキュレーション機能を有していることを示している。
【００５９】
また、本実施の形態においても、磁気光学材料膜をＡＤ法により形成することで、例えば、レーザ、電気光変換器、光電気変換器、光増幅器、光導波路、光フィルターなどの別種の光学素子を予め形成した基板、あるいは、ＣＰＵ、メモリーなどの電子素子で構成される集積回路（電子回路）が予め形成されている基板に対し、さらに、これらの基板上に本発明にかかる光学素子を作製して、全体として、本発明の光学素子で構成される光デバイスと、他のデバイスを集積した光集積バイスの作製に応用することができる。
【００６０】
［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３について説明する。上述では、リング型光導波路の全体を磁気光学材料で形成したが、これに限るものではない。リング型光導波路の一部を磁気光学材料で形成しても、この領域においては、磁化方向により屈折率が異なることになるので、同様の効果が得られる。
【００６１】
図６は、本発明の実施の形態３における導波路型磁気光学デバイスの構成を示す平面図である。この導波路型磁気光学デバイスは、基板６０１の上に形成され、一部が自発磁化を有する磁気光学材料から構成されたリング型光導波路６０２と、リング型光導波路６０２と入出力結合器６０４で光結合する導波路６０３とを少なくとも備える。入出力結合器６０４は、例えば、方向性結合器である。
【００６２】
ここで、本実施の形態における導波路型磁気光学デバイスは、リング型光導波路６０２が、導波路６０３と同様に構成された導波路部分６０２ａと、自発磁化を有する磁気光学材料から構成された導波路部分６０２ｂとを備え、導波路部分６０２ｂを構成している磁気光学材料が、リング型光導波路６０２の導波方向に磁化されている。
【００６３】
例えば、図６の紙面左側から右側にかけて、信号光を導波路６０３に導波させる場合、導波路部分６０２ｂは、リング型光導波路６０２の右回りの導波方向に着磁されていればよい。このように磁化しておくことで、導波路部分６０２ｂの非相反性により、磁化方向である右回りの導波方向と、これとは逆の左回りの導波方向とでは、屈折率が異なることになる。この結果、リング型光導波路６０２の導波路部分６０２ｂにおける共鳴波長は、右回りと左回りとで異なるものとなる。これは、左回りの導波方向に着磁されていても同様である。
【００６４】
従って、リング型光導波路６０２の導波路部分６０２ｂにおける右回りの共鳴波長の光を、導波路６０３に紙面左側より右側方向に導波させると、導波路６０３の入出力結合器６０４より左回りに導波路部分６０２ａに結合した光は、導波路部分６０２ｂには共鳴せず、導波路部分６０２ｂを導波することはない。この結果、この場合は、導波路６０３に紙面左側より右側方向に導波させた光は、導波路６０３の入出力結合器６０４より右側に導波していく。
【００６５】
これに対し、リング型光導波路６０２の右回りの共鳴波長の光を、導波路６０３に紙面右側より左側方向に導波させると、導波路６０３の入出力結合器６０４より導波路部分６０２ａに結合した光は、右回りに導波し、導波路部分６０２ｂに共鳴して導波路部分６０２ｂを導波する。この結果、導波光は、リング型光導波路６０２を周回するようになる。この場合、導波路６０３に紙面右側より左方向に導波させた光は、導波路６０３の入出力結合器６０４より左側に導波していくことがない。
【００６６】
このように、本実施の形態における導波路型磁気光学デバイスによれば、導波路６０３に導波させる光の導波方向により導波光量を変化させることができ、アイソレータとして機能させることができる。
【００６７】
本実施の形態における導波路型磁気光学デバイスは、導波路部分６０２ｂの部分を、前述した実施の形態１のリング型光導波路１０２と同様に作製すればよい。また、導波路部分６０２ａおよび導波路６０３は、前述した実施の形態１の導波路１０３と同様に作製すればよい。
【００６８】
このようにして作製した本実施の形態における導波路型磁気光学デバイスの導波路６０３の一端に、先球ファイバーを用いて波長１．５５０μｍの光を結合した結果について説明する。導波路６０３の他端より出射される光を先球ファイバーで結合し、先球ファイバーに結合した光の光量をフォトディテクタで測定する。導波路６０３の一方より結合させた場合、導波損失が３．５ｄＢであるが、他方より結合させると、導波損失が１２ｄＢとなる。従って、本実施の形態における導波路型磁気光学デバイスでは、光アイソレーションとして９．５ｄＢの値が得られたことを示している。
【符号の説明】
【００６９】
１０１…基板、１０２…リング型光導波路、１０３…導波路、１０４…入出力結合器。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信，光配線，および光ストレージなどに用いられ、特に磁気光学材料を用いた光導波路を利用した光非相反性による導波路型磁気光学デバイス、および光集積デバイスに関する
【背景技術】
【０００２】
磁気光学材料を用いた光導波路を利用した光非相反性による導波路型磁気光学デバイスとして、例えば、光アイソレータおよび光サーキュレータがある。
【０００３】
光アイソレータは、一方向のみに光を透過させ、これと反対の方向に伝搬しようとする光を阻止する働きを有する光デバイスである。半導体レーザの出射端に光アイソレータを配置することにより、レーザからの出射光は光アイソレータを透過し、これを光ファイバ通信用の光源として用いることができる。逆に、光アイソレータを通して半導体レーザに入射しようとする光は、光アイソレータによって阻止され、半導体レーザに入射することはできない。半導体レーザに反射戻り光が入射する場合、半導体レーザの発振特性を劣化させるため、光アイソレータは、半導体レーザの特性を劣化させることなく、安定な発振を保つ機能を有している。
【０００４】
半導体レーザに限らず、光増幅器などの光能動素子においては、いずれも意図とは逆向きに光が入射することにより、素子の動作特性が劣化する。光アイソレータは、一方向にしか光が透過しないため、光能動素子に意図せずに逆向きに光が入射することを阻止することができ、光通信などで広く使われている。
【０００５】
光アイソレータが入射側と出射側の２端子型の光デバイスであるのに対し、光サーキュレータは、少なくとも３個以上の端子があり、例えば３個の端子の場合では、１、２、３の端子番号で順方向の１→２、２→３、３→１の方向に進む光は低損失で、逆方向の１→３、３→２、２→１の方向に進む光は高損失で出力する光デバイスである。波長多重方式を用いた光通信システムにおける信号を重畳された波長の選択的な追加・削除に用いられるデバイスである。
【０００６】
現在、実用に供されている光アイソレータ、光サーキュレータなどの全ての磁気光学デバイスは、光が通過する領域において、光の伝搬方向に直行する断面内に光を閉じこめる作用、すなわち導波作用のない構造である。これらバルク型デバイスは、半導体レーザなどの他の導波路形素子と一体集積化することが困難である。バルク型デバイスは、偏光子、磁気光学材料からなる非相反素子、磁気光学材料の磁化方向を制御する磁界発生用磁石、検光子のバルク素子の集積として構成される。
【０００７】
一方、他の光学素子との集積化を目的として、いくつかの導波作用のある磁気光学デバイスとして、光アイソレータ、すなわち導波路形光アイソレータが提案されている。これらの導波路形光アイソレータは、ＧＧＧ（Gadolinium Gallium Garnet：ガドリニウム ガリウム ガーネット）などのざくろ石構造の酸化物から構成された、いわゆるガーネット基板上に、エピタキシャル成長された磁性ガーネットを導波路として用いている。特許文献１では、ＧＧＧ基板上に液相エピタキシャル成長（ＬＰＥ）法によりランタン（Ｌａ）とガリウム（Ｇａ）とイットリウム（Ｙ）とを含有した鉄ガーネットを成長し、コア層とクラッド層の組成を制御することで屈折率を制御して導波層を形成している。さらに、ウエットエッチングによりリッジ部を形成し、導波路を形成している。
【０００８】
非特許文献１も同様に、Ｃａ，Ｍｇ，Ｚｒ添加のＧＧＧ基板の上に（１１１）にＣｅ置換ＹＩＧガーネット膜をＲＦスパッタ法でエピタキシャル成長させ、反応性イオンエッチングによりリッジ型導波路を形成している。非相反性によるアイソレーションを生じさせるためには、光の導波方向と磁化方向がある特定の角度を持つ必要があり、磁石による外部磁界で磁化方向を制御している。このように、磁気光学材料による導波路をアイソレータとして用いるためには、磁化方向を外部磁界により制御する必要がある。導波路型アイソレータの小型化や低コスト化には、外部磁界による磁化方向は、望ましくない。
【０００９】
今後の展望としては、光とエレクトロニクスの１チップ上の集積を可能とするシリコンフォトニック・デバイスの実現が大きな革新技術として求められている。これを実現するためには、ＣＰＵ，メモリーなどのＬＳＩと、光スイッチ，レーザなどの能動光学素子とを同一基板上に形成する技術が重要となる。シリコン基板上の光非相反素子は、これまでにハイブリッド形のものが提案されている。
【００１０】
光相反素子は、非相反なモード変換器と相反なモード変換器により構成されている。非相反部にのみ、磁性ガーネット導波路を用いており、相反部は半波長板が挿入されている。シリコン基板上に製作されたシリカ系の導波路に対し、個別に製作されたあらゆる部品（偏光子、非相反モード変換器、相反モード変換器）を挿入し、紫外線硬化樹脂で固めることにより製作される。部品を挿入するため、各部で挿入損失が発生する。また、非相反モード変換器とシリカ系導波路の位置合わせが極めて困難であるという欠点を持つ（非特許文献２参照）。
【００１１】
また、異種基板上への磁気光学素子を形成する技術として、磁気光学材料をウェハボンディングにより接合技術が特許文献２に開示されている。特許文献２には、磁性ガーネット／シリコン／二酸化珪素構造の磁気光学導波路が開示されている。この磁気光学導波路では、まず、シリコン結晶からなるコア層と、絶縁体であるＳｉＯ2からなる第１のクラッド層と、これらを保持する保持材とが、ＳｉＯ2からなる第１のクラッド層を中間層として３層に積層されたＳＯＩ基板が用いられている。また、磁性ガーネットからなる第２のクラッド層が、コア層表面においてウェハボンディングによって貼り合わされている。
【００１２】
この場合も、ボンディングした磁性ガーネットの磁化方向は、外部磁界で制御する必要がある。また、単結晶磁性ガーネットを張り合わせるため、小型化が困難であり高価になると欠点がある。
【００１３】
また、導波路上に磁気光学材料からなるマイクロディスクを積層した構成が特許文献３に開示されている。この場合は、磁気光学材料としてＦｅ：ＩｎＰがあげられているが、磁化方向は外部磁界で制御する必要がある。また、Ｆｅ：ＩｎＰを張り合わせるため、小型化が困難であり高価になると欠点がある。さらに特許文献３では、導波路構造の折り返し空洞共振器（folded cavity resonator）の一部上面に磁気光学材料を形成する構造が記載されている。しかしながら、この技術においても、磁化方向は外部磁界で制御する必要があるため、デバイスが大型化し効果になるという欠点がある。
【００１４】
特許文献４では、磁気光学材料からなる閉ループ導波路で形成されたアイソレータおよびサーキュレータが開示されている。導波路下部に形成した電極に流す電流により、磁界を磁性体導波路に印加することから、磁界は導波路に直交に作用し、ＴＭモードの導波モードのみに非相反性が作用する。従って、この技術では、ＴＥモードは使うことができないという欠点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開平７−５６０４０公報
【特許文献２】特開２００４−２４０００３公報
【特許文献３】特開２００５−２１５６７４公報
【特許文献４】特開平６−５１２４１公報
【特許文献５】特開２００１−３１８０公報
【特許文献６】特開２００２−２３５１８１公報
【特許文献７】特開２００５−１８１９９５公報
【非特許文献】
【００１６】
【非特許文献１】T. Shintaku,"Integrated optical isolator based on efficient nonreciprocal radiation mode conversion", Appl. Phys. Lett. ,Vol. 73, No.14, pp.1946-1948,1998.
【非特許文献２】N.Sugimoto, et al. ,"A Hybrid Integrated Waveguide Isolator on a Silica-Based Planar Lightwave Circuit", J. Lightwave Tech. ,Vol.14, No.11,pp.2537-2546,1996.
【非特許文献３】Jun Akedo and Maxim Lebedev, "Microstructure and Electrical Propertys of Lead Zirconate Titanate(Pb(Zr52/Ti48)O３) Thick Films Deposited by Aerosol Deposition Method", Jpn. J. Appl. Phys. , Vol.38, pp.5397-5401,1999.
【非特許文献４】M. Nakada, et al. ,"Optical and electro-optical properties of Pb(Zr,Ti)O３ and (Pb,La)(Zr,Ti)O３ ?lms prepared by aerosol deposition method", Journal of Crystal Growth, 275, (2005), e1275-e1280.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、磁気光学材料を用いた導波路型磁気光学デバイスは、構造が複雑であり、高価になるという問題がある。例えば、磁気光学材料からなる導波路の非相反性による機能である光アイソレーションや光サーキュレーションなどを発現するためには、磁化方向の制御のために磁石による外部磁界のコントロール、偏光子などの部品の集積などが必要となる。このように、上述した導波路型磁気光学デバイスでは、部品の点数が増えて構造が複雑となり、高価になってしまう。
【００１８】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、複雑な構造を必要とせずに安価に導波路型磁気光学デバイスが形成できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明に係る導波路型磁気光学デバイスは、自発磁化を有する磁気光学材料から構成されたリング型光導波路と、このリング型光導波路と入出力結合器で光結合する導波路とを少なくとも備え、リング型光導波路を構成している磁気光学材料は、リング型光導波路の導波方向に磁化されている。
【００２０】
また、本発明に係る光集積デバイスは、上述した導波路型磁気光学デバイスと、レーザ、電気光変換器、光電気変換器、光増幅器、光スイッチまたは光フィルターの中より選択された光学素子とが、同一の基板の上に集積されている。また、上述した導波路型磁気光学デバイスと、電子回路とが、同一の基板の上に集積されている。
【発明の効果】
【００２１】
以上説明したことより、本発明によれば、複雑な構造を必要とせずに安価に導波路型磁気光学デバイスが形成できるようになるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施の形態における導波路型磁気光学デバイスの構成を示す平面図である。
【図２Ａ】実施の形態１における導波路型磁気光学デバイスの製造方法例を示す工程図である。
【図２Ｂ】実施の形態１における導波路型磁気光学デバイスの製造方法例を示す工程図である。
【図２Ｃ】実施の形態１における導波路型磁気光学デバイスの製造方法例を示す工程図である。
【図２Ｄ】実施の形態１における導波路型磁気光学デバイスの製造方法例を示す工程図である。
【図３】ＡＤ法による成膜を行うための成膜装置の構成を示す構成図である。
【図４】本発明の実施の形態２における導波路型磁気光学デバイスの構成を示す平面図である。
【図５】実施の形態２における導波路型磁気光学デバイスの製造方法を説明するための断面図である。
【図６】本発明の実施の形態３における導波路型磁気光学デバイスの構成を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【００２４】
［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１について説明する。図１は、本発明の実施の形態１における導波路型磁気光学デバイスの構成を示す平面図である。この導波路型磁気光学デバイスは、基板１０１の上に形成され、自発磁化を有する磁気光学材料から構成されたリング型光導波路１０２と、リング型光導波路１０２と入出力結合器１０４で光結合する導波路１０３とを少なくとも備える。導波路１０３は、例えば直線導波路である。また、入出力結合器１０４は、例えば、方向性結合器である。加えて、リング型光導波路１０２を構成している磁気光学材料は、リング型光導波路１０２の導波方向に磁化されている。
【００２５】
例えば、図１の紙面左側から右側にかけて、信号光を導波路１０３に導波させる場合、リング型光導波路１０２は、右回りの導波方向に着磁されていればよい。このように磁化しておくことで、リング型光導波路１０２の非相反性により、磁化方向である右回りの導波方向と、これとは逆の左回りの導波方向とでは、屈折率が異なることになる。この結果、リング型光導波路１０２の共鳴波長は、右回りと左回りとで異なるものとなる。これは、左回りの導波方向に着磁されていても同様である。
【００２６】
従って、リング型光導波路１０２の右回りの共鳴波長の光を、導波路１０３に紙面左側より右側方向に導波させると、この導波光はリング型光導波路１０２の左回りの共鳴波長とは一致せず、導波路１０３の入出力結合器１０４より右側に導波していく。これに対し、リング型光導波路１０２の右回りの共鳴波長の光を、導波路１０３に紙面右側より左側方向に導波させると、この導波光はリング型光導波路１０２の右回りの共鳴波長と一致してリング型光導波路１０２に共鳴し、入出力結合器１０４でリング型光導波路１０２に結合する。この結果、導波光は、リング型光導波路１０２を周回するようになる。この場合、導波路１０３に紙面右側より左方向に導波させた光は、導波路１０３の入出力結合器１０４より左側に導波していくことがない。
【００２７】
このように、本実施の形態における導波路型磁気光学デバイスによれば、導波路１０３に導波させる光の導波方向により導波光量を変化させることができ、アイソレータとして機能させることができる。また、外部磁界などの複雑な構造を必要としていないので、安価に形成できる。
【００２８】
次に、上述した本実施の形態における導波路型磁気光学デバイスの製造方法についてこの１例を簡単に説明する。図２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄは、本実施の形態における導波路型磁気光学デバイスの製造方法例を示す工程図であり、図１のＡＡ’線の断面の部分を示している。
【００２９】
まず、シリコンからなる基板２０１の表面を熱酸化することで、相厚３μｍ程度の酸化シリコン層２０２を形成する。酸化シリコン層２０２は、下部のクラッド層となる部分である。次に、図２Ｂに示すように、酸化シリコン層２０２に深さ１．５μｍ・幅１．５μｍの溝２２１を形成する。例えば、公知のリソグラフィー技術で形成した幅１．５μｍの溝パターンを有するレジスト層を形成し、次いで、レジスト層をマスクとした公知の反応性イオンエッチングで選択的にエッチング鶴ことで、溝２２１を形成すればよい。溝２２１を形成した後に、レジスト層は除去する。溝２２１は、リング型光導波路１０２を構成するコアとなる部分に対応している。
【００３０】
次に、溝２２１の内部を含めて酸化シリコン層２０２の上に、自発磁化を有する磁気光学材料として、例えばＢｉ置換ＹＩＧガーネットからなる磁気光学材料膜を形成し、この磁気光学材料膜を公知のＣＭＰ法などにより平坦化しながら研磨して一部を除去する。これらのことにより、図２Ｃに示すように、溝２２１を充填する磁気光学材料の層より構成されたコア２０３が形成される。コア２０３は、リング型光導波路１０２を構成するものである。この場合、リング型光導波路１０２は、チャネル型導波路となっている。
【００３１】
次に、コア２０３の部分を含めた酸化シリコン層２０２の上に、熱ＣＶＤ法で酸化シリコンを堆積することで、図２Ｄに示すように、層厚１．５μｍ程度の酸化シリコン層２０４を形成する。酸化シリコン層２０４は、上部クラッド層となる。この後、微小磁石により、コア２０３よりなるリング型光導波路の、例えば右回り方向に着磁し、リング型光導波路の磁化方向を一方向にそろえる。
【００３２】
また、図１に示す導波路１０３を構成するコアは、酸化シリコン層２０４を形成する前に、上述同様にして酸化シリコン層２０２に溝を形成し、この溝をＴｉＯ2で充填することで形成する。従って、導波路１０３は、ＴｉＯ2よりなるコアと酸化シリコンよりなるクラッドとから構成されていることになる。
【００３３】
ここで、上述したＢｉ置換ＹＩＧガーネットからなる磁気光学材料膜の形成について説明する。
【００３４】
磁気光学材料を用いた導波路型磁気光学デバイスは長く研究されているが、実用化されていない。これは、磁気光学材料として用いられている磁性ガーネットを基板上に形成するためには、ＧＧＧなどの単結晶基板上に結晶成長させる、もしくは、高温アニールが必要なため、ＳｉＯ2，Ｓｉ，ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体などを基材とした導波路との集積化が困難であることによる。このような状態では、導波路型にするメリット（小型化、低コスト化など）がなくなってしまう。
【００３５】
一方、酸化物の新たな膜形成技術として、常温衝撃固化現象を利用したエアロゾルデポジション（ＡＤ法）が開発されている。ＡＤ法は、超微粒子材料の衝突付着現象を利用している。従来の薄膜形成法に比べ高い成膜速度と低いプロセス温度の実現が期待されている（非特許文献３）。また、ＡＤ法は、膜特性が下地層に依存しないことから、基板を自由に選択することができる。
【００３６】
特許文献５に開示されている技術はＡＤ法の形成方法であり、基板上に供給した超微粒子脆性材料に機械的衝撃を印加して粉砕し、超微粒子脆性材料同士、超微粒子脆性材料同士、または、超微粒子脆性材料と前板とを接合させることを特徴としている。この形成方法によれば、超微粒子相互の接合を実現し、熱を加えることなく、高密度、高強度の膜が形成される。
【００３７】
特許文献６に開示されている技術は、ＡＤ法により形成された構造物に関するものであり、構造物は結晶配向性がない多結晶体であり、ガラス層からなる粒界層が実質的にないことを特徴としている。
【００３８】
このＡＤ法を用いた透明度の高い電気光学材料の薄膜成形に関する検討がなされている（非特許文献４）。この検討によると、光学素子の基本特性であるＡＤ法により形成した膜の透過損失は、成形体を形成する微粒子および屈折率を異にする非成形体微粒子のレイリー散乱によることが明らかにされている。
【００３９】
また、特許文献７に開示されている技術は、ＡＤ法による光学素子、光集積デバイス、光情報伝搬システムおよびその製造法に関するものである。この技術では、基板上に供給した超微粒子脆性材料に機械的衝撃力を与え、超微粒子脆性材料を粉砕して接合させる衝撃固化現象により成形体を形成し、光学素子としている。特許文献７の技術では、光学素子に含有されるポア（空孔）、異相などの屈折率が成形体の主たる構成体と異なる部分の平均半径ｄ（ｎｍ）と成形体を伝搬する光の波長λ（ｎｍ）の間に「ｄ6／λ4＜４×１０-5ｎｍ2」の関係があることが特徴とされている。
【００４０】
上述したことからわかるように、磁気光学材料であるＢｉ置換ＹＩＧガーネット膜の形成は、ＡＤ法により形成すればよい。ＡＤ法による成膜では、例えば、図３に示す成膜装置を用いればよい。図３は、ＡＤ法による成膜を行うための成膜装置の構成を示す構成図である。
【００４１】
この装置は、まず、酸素ガスを収容するガスボンベ３０１と、ガスボンベ３０１より供給される酸素ガスを搬送する搬送管３０２と、搬送管３０２で搬送される酸素が供給されるガラスボトル３０３とを備える。ガラスボトル３０３には、原料の粉末（超微粒子脆性磁気光学材料）３０４が収容されている。また、ガラスボトル３０３には、排気管３０５を介して排気装置（図示せず）が接続され、ガラスボトル３０３の内部を排気可能としている。また、ガラスボトル３０３は、排出管３０６を備える。
【００４２】
ガラスボトル３０３の排出管３０６には、搬送管３０７が接続され、搬送管３０７は、ノズル３０８に接続している。ノズル３０８は、成膜を行う成膜チャンバー３０９の中に配置されている。また、成膜チャンバー３０９の内部においては、ノズル３０８の吐出方向に成膜対象の基板Ｗが配置される。また、成膜チャンバー３０９には、真空ポンプ３１０が接続され、成膜チャンバー３０９の内部を真空排気可能としている。
【００４３】
この成膜装置において、まず、原料となる粉末３０４を収容したガラスボトル３０３の内部を、排気管３０５を介して２．７ｋＰａ程度の圧力に排気する。排気した後、キャリアガスとして酸素を、ガスボンベ３０１より流量を制御しながらガラスボトル３０３に導入する。ガラスボトル３０３を加振器３１１により振動させることで、ガラスボトル３０３内の気体中に粉末３０４の微粒子を分散させたエアロゾルを発生させ、導入されているキャリアガスにより、搬送管３０７を介してノズル３０８に輸送する。ノズル３０８が配置されている成膜チャンバー３０９は、真空ポンプ３１０により所定の真空度に排気しておく。
【００４４】
以上のようにしてノズル３０８に供給されたエアロゾルを、ノズル３０８より吐出し、吐出したエアロゾル３１２を基板Ｗの表面に吹き付ければ、エアロゾルに含まれている粉末による薄膜が基板Ｗの表面に形成される。このように、ＡＤ法により形成される薄膜は、供給した超微粒子脆性磁気光学材料に機械的衝撃力を与え、供給した超微粒子脆性磁気光学材料を粉砕して基板の表面に接合させて成型した成形体である。
【００４５】
上述したＡＤ法による成膜条件は、次のようになる。キャリアガスは酸素とし、ノズル３０８より吐出されるエアロゾル３１２の基板Ｗへの入射角を１０度とする。また、キャリアガスのガス流量は１２リットル／分とし、加振器３１１の振動数は２００ｒｐｍとする。これらの条件によると、成膜速度は０．５μｍ/分となる。
【００４６】
このようなＡＤ法において、Ｂｉ置換ＹＩＧガーネットの粉末を用いれば、基板の上にＢｉ置換ＹＩＧガーネットの膜を形成することができる。Ｂｉ置換ＹＩＧガーネット（Ｂｉ−ＹＩＧ）の組成は、（Ｂｉ0.8Ｙ2.2）Ｆｅ5Ｏ12である。また、この場合、原料とする粉末の平均粒径は、０．６μｍとすればよい。成膜材料のＢｉ−ＹＩＧ系粉末は、ガーネット型結晶構造を持つ強磁性体の組成であり、大きな磁気光学効果を持つ導波路型磁気光学デバイスへの適応が可能な組成である。また、ＡＤ法により形成するＢｉ−ＹＩＧ膜は、保磁力を有する磁化曲線を示しており、導波路型磁気光学デバイスへの適応が可能である。なお、導波路１０３を構成するＴｉＯ2のコアについても、ＡＤ法により形成することができる。
【００４７】
次に、上述したようにすることで作製した本実施の形態における導波路型磁気光学デバイスの導波路１０３の一端に、先球ファイバーを用いて波長１．５５０μｍの光を結合した結果について説明する。導波路１０３の他端より出射される光を先球ファイバーで結合し、先球ファイバーに結合した光の光量をフォトディテクタで測定する。導波路１０３の一方より結合させた場合、導波損失が３ｄＢであるが、他方より結合させると、導波損失が１５ｄＢとなる。従って、本実施の形態における導波路型磁気光学デバイスでは、光アイソレーションとして１２ｄＢの値が得られたことを示している。
【００４８】
以上に説明したように、ＡＤ法を用いた磁気光学材料膜の形成は、磁気光学材料より構成される導波路を容易に形成できるようになる。また、ＡＤ法による磁気光学材料膜の形成は、他の光素子との一体集積化が容易なリング型磁気光学デバイスに適用することができる。ＡＤ法により形成する磁気光学材料膜は、上述したことからわかるように、下地層の結晶性に本質的に依存しない。この利点により、例えば、レーザ、電気光変換器、光電気変換器、光増幅器、光導波路、光フィルターなどの別種の光学素子を予め形成した基板、あるいは、ＣＰＵ、メモリーなどの電子素子で構成される集積回路が予め形成されている基板に対し、さらに、これらの基板上に本発明にかかる光学素子を作製して、全体として、本発明の光学素子で構成される光デバイスと、他のデバイスを集積した光集積バイスの作製に応用することができる。
【００４９】
［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について説明する。図４は、本発明の実施の形態２における導波路型磁気光学デバイスの構成を示す平面図である。この導波路型磁気光学デバイスは、基板４０１の上に形成され、磁気光学材料から構成されたリング型光導波路４０２と、リング型光導波路４０２と入出力結合器４０４で光結合する導波路４０３と、リング型光導波路４０２と入出力結合器４０６で光結合する導波路４０５とを少なくとも備える。入出力結合器４０４および入出力結合器４０６は、例えば、方向性結合器である。加えて、リング型光導波路４０２を構成している磁気光学材料は、リング型光導波路４０２の導波方向に磁化されている。
【００５０】
例えば、図４の紙面左側から右側にかけて、信号光を導波路４０３に導波させる場合、リング型光導波路４０２は、右回りの導波方向に着磁されていればよい。このように磁化しておくことで、リング型光導波路４０２の非相反性により、磁化方向である右回りの導波方向と、これとは逆の左回りの導波方向とでは、屈折率が異なることになる。この結果、リング型光導波路４０２の共鳴波長は、右回りと左回りとで異なるものとなる。これは、左回りの導波方向に着磁されていても同様である。
【００５１】
従って、リング型光導波路４０２の右回りの共鳴波長の光を、導波路４０３に紙面左側より右側方向に導波させると、この導波光はリング型光導波路４０２の左回りの共鳴波長とは一致せず、導波路４０３の入出力結合器４０４より右側に導波していく。これに対し、リング型光導波路４０２の右回りの共鳴波長の光を、導波路４０３に紙面右側より左側方向に導波させると、この導波光は、リング型光導波路４０２の右回りの共鳴波長と一致してリング型光導波路４０２に共鳴し、入出力結合器４０４でリング型光導波路４０２に結合する。
【００５２】
このようにしてリング型光導波路４０２に結合した導波光は、リング型光導波路４０２を周回する中で、入出力結合器４０６で導波路４０５に結合し、導波路４０５を、図４の紙面右方向に導波していく。
【００５３】
このように、本実施の形態における導波路型磁気光学デバイスによれば、導波路４０３に導波させる光の導波方向により、導波光の出力先を変化するサーキュレータとして機能させることができる。
【００５４】
次に、上述した本実施の形態における導波路型磁気光学デバイスの製造方法について、図５を用いて簡単に説明する。まず、よく知られたＳＯＩ基板を用意し、ＳＯＩ基板の表面シリコン層を公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術によりパターニングすることで、下部クラッド層となる埋め込み絶縁層５０２の上にシリコンからなるコア５０３を形成する。なお、ＳＯＩ基板においては、シリコンよりなる基部５０１の上に、埋め込み絶縁層５０２を介して表面シリコン層が形成されている。コア５０３は、例えば、断面の寸法が、幅０．６μｍ，高さ０．５μｍとすればよい。コア５０３は、リング型光導波路４０２を構成するものである。この場合、リング型光導波路４０２、チャネル型導波路となっている。
【００５５】
次に、コア５０３を含めた埋め込み絶縁層５０２の上に、上述したＡＤ法により、例えばＢｉ置換ＹＩＧガーネットからなる上部クラッド層５０４を形成する。形成した上部クラッド層５０４は、表面研磨を行って平坦化しておく。この後、微小磁石により、コア５０３を形成してある箇所のリング型光導波路における上部クラッド層５０４を、例えば右回り方向に着磁し、リング型光導波路の磁化方向を一方向にそろえればよい。
【００５６】
なお、本実施の形態では、図４に示す導波路４０３および導波路４０５を構成するコアは、上述したコア５０３と同時に、ＳＯＩ基板の表面シリコン層をパターニングすることで形成しておくことができる。また、導波路４０３および導波路４０５においては、酸化シリコン層を上部クラッド層として形成する。本実施の形態では、リング型光導波路４０２，入出力結合器４０４，および導波路４０５が、いずれもシリコンコアより構成されていることになる。
【００５７】
つぎに、上述した本実施の形態におけるリング型磁気光学デバイスの導波路４０４の一端（図４左側）に、先球ファイバーを用いて波長１．５５０μｍの光を結合した結果について説明する。導波路４０３の他端（図４右側）より出射される光、および導波路４０５の先端（図４右側）より出射される光を、各々先球ファイバーで結合し、各々の先球ファイバーに結合した光の光量をフォトディテクタで測定する。導波路４０４の他端における導波損失は５ｄＢとなるが、導波路４０５の先端における導波損失は１９ｄＢとなる。
【００５８】
以上のことに対し、導波路４０４の他端に、波長１．５５０μｍの光を結合すると、導波路４０４の一端における導波損失は２０ｄＢとなるが、導波路４０５の先端における導波損失は７ｄＢとなる。これらのことは、本実施の形態における導波路型磁気光学デバイスが、サーキュレーション機能を有していることを示している。
【００５９】
また、本実施の形態においても、磁気光学材料膜をＡＤ法により形成することで、例えば、レーザ、電気光変換器、光電気変換器、光増幅器、光導波路、光フィルターなどの別種の光学素子を予め形成した基板、あるいは、ＣＰＵ、メモリーなどの電子素子で構成される集積回路（電子回路）が予め形成されている基板に対し、さらに、これらの基板上に本発明にかかる光学素子を作製して、全体として、本発明の光学素子で構成される光デバイスと、他のデバイスを集積した光集積バイスの作製に応用することができる。
【００６０】
［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３について説明する。上述では、リング型光導波路の全体を磁気光学材料で形成したが、これに限るものではない。リング型光導波路の一部を磁気光学材料で形成しても、この領域においては、磁化方向により屈折率が異なることになるので、同様の効果が得られる。
【００６１】
図６は、本発明の実施の形態３における導波路型磁気光学デバイスの構成を示す平面図である。この導波路型磁気光学デバイスは、基板６０１の上に形成され、一部が自発磁化を有する磁気光学材料から構成されたリング型光導波路６０２と、リング型光導波路６０２と入出力結合器６０４で光結合する導波路６０３とを少なくとも備える。入出力結合器６０４は、例えば、方向性結合器である。
【００６２】
ここで、本実施の形態における導波路型磁気光学デバイスは、リング型光導波路６０２が、導波路６０３と同様に構成された導波路部分６０２ａと、自発磁化を有する磁気光学材料から構成された導波路部分６０２ｂとを備え、導波路部分６０２ｂを構成している磁気光学材料が、リング型光導波路６０２の導波方向に磁化されている。
【００６３】
例えば、図６の紙面左側から右側にかけて、信号光を導波路６０３に導波させる場合、導波路部分６０２ｂは、リング型光導波路６０２の右回りの導波方向に着磁されていればよい。このように磁化しておくことで、導波路部分６０２ｂの非相反性により、磁化方向である右回りの導波方向と、これとは逆の左回りの導波方向とでは、屈折率が異なることになる。この結果、リング型光導波路６０２の導波路部分６０２ｂにおける共鳴波長は、右回りと左回りとで異なるものとなる。これは、左回りの導波方向に着磁されていても同様である。
【００６４】
従って、リング型光導波路６０２の導波路部分６０２ｂにおける右回りの共鳴波長の光を、導波路６０３に紙面左側より右側方向に導波させると、導波路６０３の入出力結合器６０４より左回りに導波路部分６０２ａに結合した光は、導波路部分６０２ｂには共鳴せず、導波路部分６０２ｂを導波することはない。この結果、この場合は、導波路６０３に紙面左側より右側方向に導波させた光は、導波路６０３の入出力結合器６０４より右側に導波していく。
【００６５】
これに対し、リング型光導波路６０２の右回りの共鳴波長の光を、導波路６０３に紙面右側より左側方向に導波させると、導波路６０３の入出力結合器６０４より導波路部分６０２ａに結合した光は、右回りに導波し、導波路部分６０２ｂに共鳴して導波路部分６０２ｂを導波する。この結果、導波光は、リング型光導波路６０２を周回するようになる。この場合、導波路６０３に紙面右側より左方向に導波させた光は、導波路６０３の入出力結合器６０４より左側に導波していくことがない。
【００６６】
このように、本実施の形態における導波路型磁気光学デバイスによれば、導波路６０３に導波させる光の導波方向により導波光量を変化させることができ、アイソレータとして機能させることができる。
【００６７】
本実施の形態における導波路型磁気光学デバイスは、導波路部分６０２ｂの部分を、前述した実施の形態１のリング型光導波路１０２と同様に作製すればよい。また、導波路部分６０２ａおよび導波路６０３は、前述した実施の形態１の導波路１０３と同様に作製すればよい。
【００６８】
このようにして作製した本実施の形態における導波路型磁気光学デバイスの導波路６０３の一端に、先球ファイバーを用いて波長１．５５０μｍの光を結合した結果について説明する。導波路６０３の他端より出射される光を先球ファイバーで結合し、先球ファイバーに結合した光の光量をフォトディテクタで測定する。導波路６０３の一方より結合させた場合、導波損失が３．５ｄＢであるが、他方より結合させると、導波損失が１２ｄＢとなる。従って、本実施の形態における導波路型磁気光学デバイスでは、光アイソレーションとして９．５ｄＢの値が得られたことを示している。
【符号の説明】
【００６９】
１０１…基板、１０２…リング型光導波路、１０３…導波路、１０４…入出力結合器。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自発磁化を有する磁気光学材料から構成されたリング型光導波路と、このリング型光導波路と入出力結合器で光結合する導波路とを少なくとも備え、
前記リング型光導波路を構成している磁気光学材料は、前記リング型光導波路の導波方向に磁化されている
ことを特徴とする導波路型磁気光学デバイス。
【請求項２】
請求項１記載の導波路型磁気光学デバイスにおいて、
少なくとも２つの前記導波路を備えることを特徴とする導波路型磁気光学デバイス。
【請求項３】
請求項１または２記載の導波路型磁気光学デバイスにおいて、
前記リング型光導波路を構成するコアもしくはクラッドの一方が、磁気光学材料から構成されている
ことを特徴とする導波路型磁気光学デバイス。
【請求項４】
請求項３記載の導波路型磁気光学デバイスにおいて、
前記リング型光導波路は、コアがシリコンから構成され、クラッドが磁気光学材料から構成されていることを特徴とする導波路型磁気光学デバイス。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の導波路型磁気光学デバイスにおいて、
前記リング型光導波路は、チャネル型導波路で構成されていることを特徴とする導波路型磁気光学デバイス。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の導波路型磁気光学デバイスにおいて、
前記リング型光導波路の磁気光学材料から構成された部分は、
供給した超微粒子脆性磁気光学材料に機械的衝撃力を与えて前記超微粒子脆性磁気光学材料を粉砕して接合させて成型した成形体より形成されたものである
ことを特徴とする導波路型磁気光学デバイス。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１基に記載の導波路型磁気光学デバイスと、レーザ、電気光変換器、光電気変換器、光増幅器、光スイッチまたは光フィルターの中より選択された光学素子とが、同一の基板の上に集積されていることを特徴とする光集積デバイス。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれか１基に記載の導波路型磁気光学デバイスと、電子回路とが、同一の基板の上に集積されていることを特徴とする光集積デバイス。
【請求項１】
自発磁化を有する磁気光学材料から構成されたリング型光導波路と、このリング型光導波路と入出力結合器で光結合する導波路とを少なくとも備え、
前記リング型光導波路を構成している磁気光学材料は、前記リング型光導波路の導波方向に磁化されている
ことを特徴とする導波路型磁気光学デバイス。
【請求項２】
請求項１記載の導波路型磁気光学デバイスにおいて、
少なくとも２つの前記導波路を備えることを特徴とする導波路型磁気光学デバイス。
【請求項３】
請求項１または２記載の導波路型磁気光学デバイスにおいて、
前記リング型光導波路を構成するコアもしくはクラッドの一方が、磁気光学材料から構成されている
ことを特徴とする導波路型磁気光学デバイス。
【請求項４】
請求項３記載の導波路型磁気光学デバイスにおいて、
前記リング型光導波路は、コアがシリコンから構成され、クラッドが磁気光学材料から構成されていることを特徴とする導波路型磁気光学デバイス。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の導波路型磁気光学デバイスにおいて、
前記リング型光導波路は、チャネル型導波路で構成されていることを特徴とする導波路型磁気光学デバイス。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の導波路型磁気光学デバイスにおいて、
前記リング型光導波路の磁気光学材料から構成された部分は、
供給した超微粒子脆性磁気光学材料に機械的衝撃力を与えて前記超微粒子脆性磁気光学材料を粉砕して接合させて成型した成形体より形成されたものである
ことを特徴とする導波路型磁気光学デバイス。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１基に記載の導波路型磁気光学デバイスと、レーザ、電気光変換器、光電気変換器、光増幅器、光スイッチまたは光フィルターの中より選択された光学素子とが、同一の基板の上に集積されていることを特徴とする光集積デバイス。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれか１基に記載の導波路型磁気光学デバイスと、電子回路とが、同一の基板の上に集積されていることを特徴とする光集積デバイス。
【図１】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図２Ｄ】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図２Ｄ】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−１７９５６（Ｐ２０１１−１７９５６Ａ）
【公開日】平成２３年１月２７日（２０１１．１．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１６３５００（Ｐ２００９−１６３５００）
【出願日】平成２１年７月１０日（２００９．７．１０）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１月２７日（２０１１．１．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年７月１０日（２００９．７．１０）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
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