JP2010191260A - 導波路型アイソレータ、光集積デバイス、及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】磁気光学効果が高く、かつ他の光素子との一体集積化が容易な導波路型アイソレータを提供する。
【解決手段】一部を磁気光学材料で形成した非相反性光導波路と、偏波依存の方向性結合器と、をカップリングさせる。すなわち、コア部を前記磁気光学材料で形成し、グラッド層をSiO₂とする。あるいは、コア部をSiで形成し、クラッド層を磁気光学材料とする。そして、前記磁気光学材料は、エアロゾルでポジション法によってガーネット構造の酸化物をシリコン基板上に成膜する。外部磁石や薄膜型の偏光子等を用いることなくアイソレータが形成できるため、アイソレータを小型で安価に提供することが出来る。また、高温アニールが必要なため集積化が可能となる。
【選択図】図1

Description

本発明は、光通信、光配線、光ストレージに用いられる光デバイスに関する。詳しくは、光導波路が磁気光学材料を用いて構成されているとともに光非相反性を利用している導波路型アイソレータ、それを集積した光集積デバイス、及びその製造方法に関する。

従来、光アイソレータが知られている。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素子である。半導体レーザー発射装置の出射端に光アイソレータを配置することにより、レーザー発射装置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ー発射装置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、半導体レーザー発射装置に入射することはできない。半導体レーザー発射装置に反射戻り光が入射すると半導体レーザー発射装置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ー発射装置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。

半導体レーザー発射装置に限らず、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、光通信等で広く使われている。
現在、実用に供されている全ての光アイソレータは、光が通過する領域において、光の伝搬方向に直交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。
これらはバルク形光アイソレータと呼ばれ、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および検光子のバルク素子の集積として構成されるところ、半導体レーザー発射装置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。

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光アイソレータ、すなわち導波路型光アイソレータが提案されている。これらの導波路型光アイソレータは、ガドリニウム ガリウム ガーネット(GGG)などのガーネット基板上にエピタキシャル成長させ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LaとGaとY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。
非特許文献1も同様に、Ca、Mg、Zr添加のGGG基板の上(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その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、その磁化方向を外部磁界により制御する必要がある。しかし、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。今後、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ナノ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、メモリー等のLSIと光スイッチ、レーザー発射装置等の能動光学素子を同一基板上に形成する技術が必要である。

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おり、非相反なモード変換器と相反なモード変換器と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て、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シリコン基板上の光非相反素子が製作される。
しかしながら、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）。

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って接合する技術が特許文献2に開示されている。
特許文献2では、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、それらを保持する保持材と、前記SiO₂からなる第1のクラッド層を中間層として三層に積層したSOI基板を生成する。
さらに、このSOI基板と磁性ガーネットからなる第2のクラッド層とを前記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せることにより磁性ガーネット／シリコン／二酸化珪素構造の磁気光学導波路を得る。
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。

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。
特許文献3に開示されている技術はAD法を用いた超微粒子相互の接合の形成方法であり、基板上に供給した超微粒子脆性材料に機械的衝撃を負荷して粉砕して前記超微粒子脆性材料同士または前記超微粒子脆性材料同士及び前記超微粒子脆性材料と前記基板を接合させることを特徴としている。
これにより、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。

特許文献4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。
この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。

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によると、光学素子の基本特性であるAD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。

特許文献5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及びその製造法に関するものであり、基板上に供給した超微粒子脆性材料に機械的衝撃力を負荷して前記超微粒子脆性材料を粉砕、接合させる衝撃固化現象により成形体を形成した光学素子であって、前記光学素子に含有されるポア（空孔）、異相等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)と前記成形体を伝搬する光の波長λ(nm)の間にd⁶/λ⁴＜4×10^-5 nm²の関係があることを特徴としている。

特開平7-56040号公報 特開2004-240003号公報 特開2001-3180号公報 特開2002-235181号公報 特開2005-181995号公報

T. Shintaku: Appl. Phys. Lett. 73 (1998) 1946. N. Sugimoto, H. Terui, A. Tate, Y. Katoh, Y. Yamada, A. Sugita, A. Shibukawa and Y. Inoue: J. Lightwave Tech. 14 (1996) 2537 Jun Akedo and Maxim Lebedev: Jpn. J. Appl. Phys. 38 (1999) 5397. Masafumi Nakada, Keishi Ohashi and Jun Akedo: J. of Crys. Growth, 275(2005)e1275.

磁気光学材料を用いた導波路型アイソレータ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等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族化合物半導体等を基材として導波路を集積化することが困難であることによる。
このため、導波路型にするメリット（小型化、低コスト化等）がなくなってしまう。
また、磁気光学材料による導波路をアイソレータとするためには、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および偏光子等の部品の集積が必要となるため、導波路型アイソレータは複雑化し、高価になる。

本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、磁気光学効果が高く、かつ、他の光素子との一体集積化が容易な導波路型アイソレータ、並びにそれらと他の半導体光素子との集積化により得られる光集積デバイスを提供することにある。

本発明は上記の如き事情に鑑みてなされたものであって、磁気光学材料による導波路型アイソレータを小型で安価に提供するためには、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並びに偏光子等の導波路型でない部品の集積を用いないことが大切であるという着眼点に立っている。
このためには、導波路形成が可能な非相反性の光導波路と偏波依存の方向性結合器とを組み合わせることでアイソレータが形成できるという発見からなされたものである。

本発明の導波路型アイソレータは、少なくとも一部が磁気光学材料で構成されているとともにその磁化方向が導波光の進行方向と同一であって非相反性を有する非相反性光導波部を一部に有する光導波路と、前記光導波路に組み合わせられた偏波依存の方向性結合器と、を備えることを特徴とする。

また、本発明の導波路型アイソレータの製造方法は、少なくとも一部が磁気光学材料で構成されている非相反性光導波部を有する導波路型アイソレータの製造方法であって、基板上に供給した超微粒子脆性磁気光学材料に機械的衝撃力を負荷して前記超微粒子脆性磁気光学材料を粉砕、接合させて前記磁気光学材料によって構成される部分を形成することを特徴とする。

実施例1において、光集積デバイスの構造を示す図。 実施例1において、光の進行と偏光方向を併せて示した図。 実施例1において、導波路型アイソレータの断面図。 成膜装置の概略図。 実施例2において、導波路型アイソレータの断面図。

本発明の実施の形態を図示するとともに図中の各要素に付した符号を参照して説明する。

（第1実施例）
図1は、光集積デバイス1の構造を示す図である。
11は直線導波路であり、その一部に磁気光学材料による導波路（非相反性光導波部）12が形成されている。
磁気光学材料による導波路12では、その磁気光学効果によりレーサー光の偏光方向がπ/4だけ回転する長さになっている。
13は、偏波依存の方向性結合器であり、ここではTMカップラーである。
レーザー発射部14から発射されたレーザー光がマイクロレンズ15を通って直線導波路11に入射するようになっている。
これらレーザー発射部14、マイクロレンズ15、導波路11、12および方向性結合器（TMカップラー）13は、基板上に集積化されているものである。

ここに、一部に磁気光学材料による導波路12を含む直線導波路11と、偏光依存の方向性結合器（TMカップラー）13と、により導波路型アイソレータ2が構成されている。
また、光学素子としては、半導体レーザー発射装置、マイクロレンズの他、電気光変換器、光電気変換器、光増幅器、光スイッチおよび光フィルターのうちから適宜選ばれるものであってもよい。

図2は、光の進行と偏光方向を併せて示した図である。
直線導波路11の左側からTEモードの入射光が入射すると、TMカップラー13の部分は結合しないため、入射光は直線導波路11をそのまま導波する。
その後、磁気光学材料による導波路12では、光の偏光方向がπ/4だけ回転する。
戻り光がある場合、その偏光方向は磁気光学材料による導波路12でさらにπ/4だけ回転し、π/2回転することになる。
つまり、磁気光学材料による導波路12を通過した戻り光は、TM波に変換されることになり、TMカップラー13と結合することになる。
これにより、戻り光は直線導波路11を通過しないことになり、アイソレータとして機能することが出来る。

図3は、導波路型アイソレータの断面図である。
シリコン基板21上に、クラッド層としてSiO₂層22を3μm熱酸化により形成した。コア層を埋め込むための凹構造を形成するために、1.5μm幅のレジストの抜きを作り、反応性イオンエッチングでエッチングした。形成した1.5μm深さの凹構造にエアロゾルデポジション（AD）法によってコア層23を形成した。
成膜方法等は、あとで詳しく説明する。

表面研磨を行い、コア層23の平坦化を行った。その上部に上部クラッドとして、SiO₂層24を熱CVD法で膜厚1.5μmで形成した。最後に、磁石により導波路12の長手方向に着磁し、導波路12の磁化方向を一方向にそろえた。

次に本実施例で用いたAD法の成膜方法について詳しく説明する。
図4は、成膜装置30の概略図である。
酸素ガスを内蔵するガスボンベ31は搬送管を介してガラスボトル32に接続されている。ガラスボトル32内に粉末原料33を入れ、排気管34を介した排気によって20Torr程度の真空にした後、流量を制御しながらキャリアガスとしての酸素を導入する。ガラスボトル32を加振器35により振動させることで、気体中に原料粉末の微粒子を分散させたエアロゾルを発生させ、キャリアガスにより搬送管36を介して、成膜チャンバー37に搬送する。成膜チャンバー37は真空ポンプ38により所定の真空度に排気される。ノズル39から基板21に粉末を吹き付けることで、薄膜を形成する。

成膜条件は、次のようになる。
キャリアガスは酸素とし、ノズルと基板の入射角を10度、ガス流量は12L／分、成膜速度は0.5μm／分、加振器の振動数は200rpmである。磁気光学効果の大きな酸化物であるBi置換YIGガーネットの粉末を成膜材料とした。Bi置換YIGガーネット(Bi-YIG)の組成は（Bi_0.8Y_2.2)Fe₅O₁₂である。原料粉末の平均粒径は、0.6μmとした。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アイソレータへの適応が可能な組成である。また、AD法によるBi-YIG膜は保磁力を有する磁化曲線を示しており、導波路型アイソレータへの適応が可能である。

磁気光学材料を用いた光導波路以外の直線導波路とTMカップラーは、上記と同様の方法でSiO₂層に凹構造を作製し、TiO₂をスパッタ法で埋め込むことで作製した。

上記のように作成した導波路型アイソレータの効果を次のように確認した。
波長1.55μmのCW光を偏光子によりTE方向に偏光方法をそろえた後、レンズで集光して直線導波路11に結合した。
直線導波路11から出た光をレンズで平行光とした後、検光子を通し、その光量をフォトディテクタで測定した。偏光方向は入射偏光方向に対して45度回転しており、導波損失は3dBであった。
一方、偏光子により偏光方向をTE方向から45度回転させたCW光を直線導波路11の逆方向から入射させた場合、直線導波路11での導波損失は15dBであった。このことは、導波路型アイソレータ2により、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。

以上より、エアロゾルデポジション法によって磁気光学材料からなる導波路12を形成することで、磁気光学効果が高く、かつ、他の光素子との一体集積化が容易な導波路型アイソレータ2を提供できることが示された。
また、AD層の特性が下地層の結晶性に本質的に依存しないという利点は、例えば、レーザー発射装置、電気光変換器、光電気変換器、光増幅器、光導波路、光フィルター等の別種の光学素子を予め形成した基板や、CPU、メモリー等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デバイスの作製に好適である。

（実施例2）
次に実施例2について説明する。
図5は、実施例2に係る導波路型アイソレータ200の断面図である。
実施例2では、Siコア層の周りのクラッドを磁気光学材料で形成することで非相反性を付与した点に特徴を有する。
実施例2では、SOI基板を用い、Si層をエッチング加工することで、シリコン基板41、SiO₂クラッド層42、Siコア層43を形成した。
Siコア層は幅0.7μm,高さ0.7μmである。
エアロゾルデポジション（AD）法によるSiコア層を埋め込むBi-YIGクラッド層44を形成した。

成膜方法等は、実施例1と同様である。
表面研磨を行い、Bi-YIGクラッド層の平坦化を行った。
最後に、磁石により導波路の長手方向に着磁し、導波路の磁化方向を一方向にそろえた。
なお、磁気光学材料クラッド層を用いた光導波路以外の直線導波路11とTMカップラー13とは、コア層43を形成した後に、クラッド層としてSiO₂層を用いて作製した。

このように作成した導波路型アイソレータ100の効果を実施例1と同様の方法で確認した。すなわち、波長1.55μmのCW光を偏光子によりTE方向に偏光方法をそろえた後、レンズで集光して直線導波路11に結合した。直線導波路11から出た光をレンズで平行光とした後、検光子を通し、その光量をフォトディテクタで測定した。
偏光方向は入射偏光方向に対して45度回転しており、導波損失は5dBであった。一方、偏光子により偏光方向をTE方向から45度回転させたCW光を直線導波路11の逆方向から入射させた場合、直線導波路11での導波損失は20dBであった。このことは、導波路型アイソレータ2により、アイソレーションとして15dBの値が得られたことを示している。

Siコア層の周りに磁気光学材料からなるクラッド層をエアロゾルデポジション法にて形成することによって、磁気光学効果が高く、かつ、他の光素子との一体集積化が容易な導波路型アイソレータ200を提供できることが示された。

このような本発明によれば次のような効果を奏する。
(1)本発明では、少なくとも一部が磁気光学材料からなる非相反性の光導波路と偏波依存の方向性結合器とを組み合わせている。このような導波路形成が可能な非相反性の光導波路と偏波依存の方向性結合器を組み合わせることで、外部磁石や薄膜型の偏光子等を用いることなくアイソレータが形成できるため、アイソレータを小型で安価に提供することが出来る。

(2)エアロゾルデポジション法によって成形体を構成し、これを磁気光学材料からなるコア層またはクラッド層としているため、本発明による導波路型アイソレータは、高温アニールが必要ない。したがって、SiO₂、Si、III-V族化合物半導体等を基材とした導波路、特に偏波依存の方向性結合器と非相反性光導波部との集積化が可能となる。

(3)実施例2では、光導波路12のコア部をシリコンで形成し、コア部の周囲のクラッド部に磁気光学材料を用いている。こうすることで非相反性の光導波路としてシリコン導波路と用いることが可能となり、シリコンを基材とした導波路、特に偏波依存の方向性結合器との集積化が可能となる。

(4)磁気光学材料からなる光導波路12は、導波光の偏光方向をπ/4だけ回転させる長さにしている。非相反性光導波部が導波光の偏光方向をπ/4だけ回転させる長さになっていることにより、反射光の偏光方向はπ/2だけ回転することになる。つまり入射光がTEモードの場合、反射光はTMモードとなる。
この反射光は偏波依存の方向性結合器、ここではTMカップラーと組み合わせることで、この反射光はTMカップラーに結合することから、光が入射した導波路には戻ってこないようになる。
これによって、導波路型アイソレータ2がアイソレータとして機能することになる。

(5)非相反性光導波部は、チャネル型導波路である。チャネル型導波路はリッジ型導波路等の他の導波路構造と比較して、単純な柱状構造をしているため形状磁気異方性が大きく、導波路方向に磁化方向をそろえるために十分な形状磁気異方性を得ることができる。

(6)本発明の光集積デバイスは、導波路型アイソレータと、レーザー発射装置、電気光変換器、光電気変換器、光増幅器、光スイッチおよび光フィルターのうちから選ばれる一つ以上の光学素子とを基板上に集積化している。
本発明の非相反性光導波部の磁気光学材料は、任意の基板と下地材料上に対して高温の熱処理を必要とせずに形成することができ、その磁化方向を磁石なしに制御できる。
したがって、複数の光学素子を集積化することに好適である。

(7)本発明の光集積デバイスは、任意の基板と下地材料上に対して高温の熱処理を必要とせずに形成することができ、その磁化方向を磁石なしに制御できるため、電子回路の同一基板上で集積化する場合にも好適である。

(8)前記磁気光学材料としては、ガーネット構造を持つ酸化物を用いている。
YIGをはじめとした実用化されている磁気光学材料は、複雑なガーネット構造を持つ。そして、エアロゾルデポジション法によって任意の基板、下地材料上にガーネット構造を持つ酸化物の成形体を形成することによって上記の導波路型アイソレータを構成することが可能となる。

なお、本発明は上記実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加えうることはもちろんである。
上記実施例では層厚の数値や材料の組成、AD法の条件などを具体的に例示したが、これに限定されないことはもちろんである。

1…光集積デバイス、2…導波路型アイソレータ、11…直線導波路、12…導波路（非相反性光導波部）、13…TMカップラー（偏波依存の方向性結合器）、14…レーザー発射部、15…マイクロレンズ、21…シリコン基板、22…SiO₂クラッド層、23…コア層、30…成膜装置、31…ガスボンベ、32…ガラスボトル、33…粉末原料、34…排気管、35…加振器、36…搬送管、37…成膜チャンバー、38…真空ポンプ、39…ノズル、41…シリコン基板、42…クラッド層、43…コア層、44…クラッド層、100…導波路型アイソレータ、200…導波路型アイソレータ。

Claims (10)

1. 少なくとも一部が磁気光学材料で構成されているとともにその磁化方向が導波光の進行方向と同一であって非相反性を有する非相反性光導波部を一部に有する光導波路と、
   前記光導波路に組み合わせられた偏波依存の方向性結合器と、を備える
   ことを特徴とする導波路型アイソレータ。
2. 請求項1に記載の導波路型アイソレータにおいて、
   前記磁気光学材料によって構成される部分は、
   基板上に供給した超微粒子脆性磁気光学材料に機械的衝撃力を負荷して前記超微粒子脆性磁気光学材料を粉砕、接合させて形成した成形体によって構成されている
   ことを特徴とする導波路型アイソレータ。
3. 請求項1または請求項2に記載の導波路型アイソレータにおいて、
   前記非相反性光導波部のコア部が前記磁気光学材料で形成されており、クラッド部がSiO₂層である
   ことを特徴とする導波路型アイソレータ。
4. 請求項1または請求項2に記載の導波路型アイソレータにおいて、
   前記非相反性光導波路のコア部がシリコンにより形成され、
   前記コア部の周囲のクラッド部に前記磁気光学材料を用いる
   ことを特徴とする導波路型アイソレータ。
5. 請求項1から請求項4のいずれかに記載の導波路型アイソレータにおいて、
   前記非相反性光導波部は、導波光の偏光方向をπ/4だけ回転させる長さである
   ことを特徴とする導波路型アイソレータ。
6. 請求項1から請求項5のいずれかに記載の導波路型アイソレータにおいて、
   前記非相反性光導波部が、チャネル型導波路である
   ことを特徴とする導波路型アイソレータ。
7. 請求項1から請求項6のいずれかに記載の導波路型アイソレータにおいて、
   前記磁気光学材料が、ガーネット構造を持つ酸化物からなる
   ことを特徴とする導波路型アイソレータ。
8. 請求項1から請求項7のいずれかに記載の導波路型アイソレータと、
   レーザー発射装置、電気光変換器、光電気変換器、光増幅器、光スイッチおよび光フィルターのうちから選ばれる一つ以上の光学素子と、を基板上に集積した
   ことを特徴とする光集積デバイス。
9. 請求項1から請求項7のいずれかに記載の導波路型アイソレータと、少なくとも一つの電子回路と、を基板上に集積した
   ことを特徴とする光集積デバイス。
10. 少なくとも一部が磁気光学材料で構成されている非相反性光導波部を有する導波路型アイソレータの製造方法であって、
    基板上に供給した超微粒子脆性磁気光学材料に機械的衝撃力を負荷して前記超微粒子脆性磁気光学材料を粉砕、接合させて前記磁気光学材料によって構成される部分を形成する
    ことを特徴とする導波路型アイソレータの製造方法。

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