JP4171831B2

JP4171831B2 - Optical nonreciprocal device with silicon waveguide layer

Info

Publication number: JP4171831B2
Application number: JP2003026730A
Authority: JP
Inventors: 秀樹横井
Original assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Current assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Priority date: 2003-02-04
Filing date: 2003-02-04
Publication date: 2008-10-29
Anticipated expiration: 2023-02-04
Also published as: JP2004240003A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光エレクトロニクスの分野における、シリコン導波層を有する磁気光学導波路及びそれを利用した光非相反素子、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回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明は、シリコン導波層を有する磁気光学導波路及びそれを利用した光非相反素子に関するものであるが、まず、光非相反素子の中で代表的なものである、光アイソレータについて説明しておく。
【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素子である。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。光アイソレータを半導体レーザの出射端に配置しないと、半導体レーザに反射戻り光が入射し、半導体レーザの発振特性を劣化させる。すなわち、光アイソレータは、半導体レーザに入射しようとする光を遮り、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する。
【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、いずれも意図せず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。
【０００５】
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。これらはバルク形光アイソレータと呼ばれ、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不可能である。
【０００６】
他の素子との集積化を目的として、研究段階ではあるが、いくつかの導波作用のある光アイソレータ、すなわち導波路形光アイソレータが公表されている。これらの導波路形光アイソレータは、ガドリニウムガリウムガーネットなどの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。光集積回路は、主にSi、InP等の半導体基板上に製作されるため、光アイソレータを光集積回路に組み込むためには、新たな集積化技術が必要となる。
【０００７】
本発明者は、磁性ガーネット／GaInAsP／InPという構造の磁気光学導波路により光非相反素子を製作し、半導体レーザとの集積化を目指した。しかし、磁性ガーネットの屈折率がInPより小さいため、この構造の磁気光学導波路で得られる磁気光学効果は極めて小さく、素子構造は大きくならざるを得ない。また、InP基板は高価なため、集積化が実現できても、コスト低下は難しいという問題もある。なお、他の光非相反素子として、光サーキュレータがあるが詳しい説明は省略する。光サーキュレータは、光アイソレータと同様に磁気光学導波路により構成される。
【０００８】
そこで、低価格なシリコン基板上への集積化が考えられるが、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ただけである。図１０に、そのハイブリッド形光アイソレータを示す。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１参照）。
【０００９】
【非特許文献１】
N.Sugimoto, H.Terui, A.Tate, Y.Katoh, Y.Yamada, A.Sugita, A.Shibukawa and Y.Inoue :"A Hybrid Integrated Waveguide Isolator on a Silica-Based Planar Lightwave Circuit" Journal of Lightwave Technology, Vol.14, No.11, November 1996 pp. 2537-2546
【００１０】
【解決しようとする課題】
本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑み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、かつ他の半導体光素子との一体集積化が容易な磁気光学導波路及びそれを用いた光非相反素子、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回路を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、シリコン導波層を有する磁気光学導波路及びそれを利用した光非相反素子、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回路に関し、本発明の上記目的は、シリコン結晶からなるコア層と、絶縁体である二酸化珪素からなる第一のクラッド層と、それらを保持する保持材とが、前記二酸化珪素からなる第一のクラッド層を中間層として三層に積層されたＳＯＩと、磁性ガーネットからなる第二のクラッド層とが、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されることにより得られる磁性ガーネット／シリコン／二酸化珪素構造の磁気光学導波路により達成される。
【００１２】
また、本発明の上記目的は、前記磁気光学導波路を用いて光非相反素子を構成することにより、或いは、前記の磁気光学導波路のコア層上に、前記光非相反素子と他の半導体光素子とを集積化することにより得られる光集積回路によって効果的に達成される。
【００１３】
さらに、本発明の上記目的は、シリコン結晶からなるコア層と、空気からなる第一のクラッド層と、それらを保持する保持材とが、前記空気からなる第一のクラッド層を中間層として三層に積層されたＳＯＮと、磁性ガーネットからなる第二のクラッド層とが、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されることにより得られる磁性ガーネット／シリコン／空気構造の磁気光学導波路により達成される。
【００１４】
さらにまた、本発明の上記目的は、前記磁気光学導波路を用いて光非相反素子を構成することにより、或いは、前記の磁気光学導波路のコア層上に、前記光非相反素子と他の半導体光素子とを集積化することにより得られる光集積回路によって効果的に達成される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１６】
（1）構成
磁性ガーネット／シリコン(Si)／二酸化珪素(SiO₂)構造の磁気光学導波路により構成される光非相反素子の一例として、非相反移相効果を利用した光アイソレータを図１に示す。二つの三分岐光結合器によりマッハツェンダ干渉計が構成されている。ここで、三分岐光結合器は、いわゆるYブランチと呼ばれる光分岐結合器としても良い。干渉計には、90°の相反移相器と90°の非相反移相器が組み込まれている。相反移相器は、干渉計における二本のアームの光路差により実現される。非相反移相器は磁気光学導波路により構成されている。磁化を膜面内且つ光波の伝搬方向に垂直に配向するために、図１に示す外部磁界が印加されている。非相反移相器における導波路の断面形状を、図２に示す。波長1．3ミクロンあるいは1．55ミクロン近傍の近赤外領域において磁気光学導波路を構成するためには、組成式R₃Fe₅O₁₂（Rは希土類元素を表す）で表される希土類鉄ガーネット（以後、磁性ガーネットという）を用いる必要があり、図２において上クラッド層に磁性ガーネットを用いている。この導波路構造は、通常のエピタキシャル成長技術では実現できないが、Siと磁性ガーネットをウェハボンディング技術（米国特許第4883215号明細書に開示されている公知の技術）で貼り合わせることにより実現可能である。具体的には、Si／SiO₂／Si構造を有するSOI(Silicon on Insulator)基板（図２（Ａ））において導波路構造を形成した後に、磁性ガーネットと貼り合わせることで、実現される。
【００１７】
また、前記SiO₂を空気層（air）で置き換えたSON(Silicon on Nothing)基板を用いた場合、導波路構造は、磁性ガーネット／Si／air（図２（Ｂ））となる。
【００１８】
磁性ガーネット／Si／SiO₂構造及び磁性ガーネット／Si／air構造いずれの導波路においても、Si導波層を伝搬する光波がSi基板（保持材）側に放射されないようにするために、下クラッド層（SiO₂あるいはair層）の厚さは十分に確保されている。つまり、図２においては磁性ガーネット／Si／SiO₂／Siと四層構造で描かれているが、導波路を伝搬する光波にとって、磁気光学導波路は磁性ガーネット／Si／SiO₂の三層構造と感じられている（最下層は単なる保持材に過ぎない）。そのため、素子設計の際には、磁性ガーネット／Si／SiO₂の三層構造で導波路が構成されていると考えて良い。なお、本実施例では、保持材にシリコン基板（Si）を使用しているが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００１９】
ここで、非相反移相効果について、簡単に記述する。図３に示す三層スラブ導波路に対して、光の伝搬方向（ｚ軸）に垂直、且つ膜面内（ｘ軸）に外部磁界が印加されている場合、それぞれの層の誘電率は、以下のテンソルで表される。
【００２０】
【数１】

αは、それぞれの層の材料のファラデー回転係数に対応して得られる。磁気光学材料でない場合、α＝0である。簡単のため、第２層のみ磁気光学材料として、TMモードにおけるMaxwe11の方程式を解くと、以下の特性方程式が得られる。
【００２１】
【数２】

ただし、k₀を真空中の波数として以下の関係がある。
【００２２】
【数３】

【数４】

【数５】

式（2）には伝搬定数βの一次の項が存在するため、順方向と逆方向で異なる方程式となる。従って、順方向と逆方向で異なる伝搬定数を有することになる。図１に示す光アイソレータの場合、干渉計において反平行（anti-parallel）に磁界が印加されているため、それぞれの光路において異なった伝搬定数が与えられる。そのため、干渉計を伝搬するTMモードには非相反な移相差が生じる。反平行に磁界を印加するのは、プッシュプルな動作を得るためである。
【００２３】
磁性ガーネット／Si／air構造の磁気光学導波路により構成される光非相反素子の場合、導波路の断面形状は図２（Ｂ）のようになり、下クラッド層であるSiO₂をairに置き換えた構造になっている。
【００２４】
（2）光アイソレータの動作原理
非相反移相効果を利用した光アイソレータの構造を模式的に示した図４を用いて、素子の動作原理を説明する。光アイソレータの入力端に相当するポート１に入射されて順方向に伝搬するTMモードは、前段の三分岐光結合器（図４における分岐・結合器１）により、同振幅、同位相の二波に分波される。二波は干渉計（図４における導波路１、導波路２）を伝搬する際に、90°の相反な移相差と−90°の非相反な移相差を受け、後段の三分岐光結合器（図４における分岐・結合器２）に入射するときには、同振幅、同位相となっている。この場合、分岐・結合器２で、二波は分岐・結合器２のポート２、すなわち光アイソレータの出力端に結合する。
【００２５】
次に、光アイソレータの出力端から入射される反射TMモードについて考える。伝搬方向が反転するため、非相反移相効果は、その符号が反転する。反射TMモードは、分岐・結合器２で同振幅、同位相の二波に分波される。二波は導波路１、導波路２を伝搬する際に、90°の相反な移相差と＋90°の非相反な移相差を受け、分岐・結合器１に入射するときには、同振幅で180°逆位相となっている。この場合、分岐・結合器１で、二波は分岐・結合器１のポートA、ポートBに結合され、ポート１、すなわち光アイソレータの入力端には結合しない。よって、この素子はポート１を入力端、ポート２を出力端とする光アイソレータとして機能する。
【００２６】
（3）磁性ガーネット／Si／SiO₂構造及び磁性ガーネット／Si／air構造の磁気光学導波路により光アイソレータを構成する効果
ウェハボンディングにより得られる磁性ガーネット／Si／SiO₂構造（又は磁性ガーネット／Si／air構造）の磁気光学導波路では、上クラッド層である磁性ガーネットの屈折率に対して、下クラッド層であるSiO₂（又はair）の屈折率が小さいため、より大きな電磁界が磁性ガーネットクラッド層にしみ出す。そのため、大きな磁気光学効果が期待できる。非相反移相効果を利用した光アイソレータの場合、90°の非相反移相効果を得るための非相反移相器の伝搬長を小さくでき、素子の小形化が実現できる。また、光アイソレータを製作する基板自身が低コストな材料であるため、低コスト化も達成される。
【００２７】
大きな磁気光学効果が得られることは、他の動作原理の光アイソレータにとっても、極めて有効である。もちろん、低コスト化も達成される。
【００２８】
（4）磁性ガーネット／Si／SiO₂構造及び磁性ガーネット／Si／air構造の磁気光学導波路を有する他の光非相反素子
ここでは、簡単に他の光アイソレータ及び光サーキュレータについて述べる。図５に、非相反な「導波モード−放射モード変換」を利用した光アイソレータを示す。磁性ガーネット／Si／SiO₂構造あるいは磁性ガーネット／Si／air構造のリブ導波路により構成される。膜面内には外部磁界が印加されており、導波路を伝搬するTMモードには非相反移相効果が生じる。従って、TMモードは、順方向と逆方で異なる伝搬定数β_11f ^y、β_11b ^yを有する。導波路パラメータを調節することにより、伝搬定数の間に以下の関係式を満足させることができる。
【００２９】
【数６】

β_c ^xは、TEモードのカットオフに対応する。この場合、逆方向伝搬TMモードのみTE放射モードに変換されるため、この素子はTMモード動作光アイソレータとして機能する。
【００３０】
図６に、TE−TMモード変換形光アイソレータを示す。磁性ガーネット／Si／SiO₂構造あるいは磁性ガーネット／Si／air構造のストリップ装荷形の磁気光学導波路により構成される。導波路パラメータを調節することにより、TE，TMモード間の位相整合を達成することにより、非相反なモード変換が達成される。この非相反なモード変換器と相反なモード変換器を集積化させることにより、TE−TMモード変換形光アイソレータが実現される。
【００３１】
図７に、非相反移相効果を利用した光サーキュレータを示す。二つの３dB方向性結合器によりマッハツェンダ干渉計が構成されている。干渉計には、90°の相反移相器と90°の非相反移相器が組み込まれている。相反移相器は、干渉計における二本のアームの光路差により実現される。非相反移相器は、磁性ガーネット／Si／SiO₂構造あるいは磁性ガーネット／Si／air構造のリブ導波路により構成される。動作原理は、非相反移相効果を利用した光アイソレータと同様に、順方向では相反移相・非相反移相が打ち消し合い、逆方向ではそれらが足し合わされることにより、サーキュレータ動作が達成される。
【００３２】
以上のように、磁性ガーネット／Si／SiO₂構造及び磁性ガーネット／Si／air構造の磁気光学導波路により、様々な光非相反素子が実現できる。
【００３３】
（5）磁性ガーネット／Si／SiO₂構造及び磁性ガーネット／Si／air構造の磁気光学導波路により構成される光非相反素子と他の半導体光素子を集積化した高機能光集積回路
図８に、磁性ガーネット／Si／SiO₂構造の磁気光学導波路により構成される光非相反素子と半導体レーザの集積化プロセスを示す。まず、通常のリソグラフィ技術により、SOI基板上に光アイソレータの導波路を描画する（図８（Ａ））。ウェハボンディングにより、磁性ガーネット／Si／SiO₂構造の磁気光学導波路を形成した後に（図８（Ｂ））、フリップチップボンディング等の既存の技術により、半導体レーザを集積化する（図８（Ｃ））。この集積化プロセスでは、Siと磁性ガーネットのウェハボンディングにより磁気光学導波路を構成した後に半導体レーザを集積化するので、ウェハボンディングにおける熱処理の影響を半導体レーザは回避できる。他の半導体光素子も、同様の方法により集積化できる。Si／SiO₂導波路により構成できる素子であれば、ウェハボンディング前に、あらかじめ形成しておくことも可能である。
【００３４】
磁性ガーネット／Si／SiO₂構造及び磁性ガーネット／Si／air構造の磁気光学導波路により、非相反移相効果を利用した光アイソレータ、非相反な導波モード−放射モード変換を利用した光アイソレータ、TE−TMモード変換形光アイソレータなど、様々な光アイソレータが構成できる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明に係る光非相反素子は、磁気光学導波路として、ウェハボンディング技術により構成される磁性ガーネット／Si／SiO₂構造及び磁性ガーネット／Si／air構造の磁気光学導波路が用いられ、Si基板上に光非相反素子を構成することにより、他の光素子との集積化が容易となり、光集積回路の高性能化、低価格化が図られる。
【００３６】
すでに述べたように、磁性ガーネットの屈折率はSiO₂より大きいので、大きな磁気光学効果が得られ、素子の小形化が期待できる。Si基板自身も低コストであり、低コスト化も達成される。半導体レーザは、通常のボンディング技術等で、集積化できる。
【００３７】
図９に、磁性ガーネット／Si／SiO₂構造及び磁性ガーネット／GaInAsP／InP構造の磁気光学導波路における導波層の厚さに対する非相反移相効果の大きさを示したが、非相反移相効果の最大値で比較すると、磁性ガーネット／Si／SiO₂構造の導波路における非相反移相効果の方が25倍以上大きな効果が得られることが分かる。
【００３８】
さらには、本発明に係る光非相反素子の導波層には、他の素子の導波層と共有可能なSi導波層が用いられているため、各部における挿入損失は発生せず、導波層を共有しているため、他の素子との位置合わせの問題も回避できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る、非相反移相効果を利用した光アイソレータの実施例である。
【図２】図１の非相反移相器における導波路の断面形状を示す図である。
【図３】三層スラブ導波路における非相反移相効果について説明するための図である。
【図４】非相反移相効果を利用した光アイソレータの構造を模式的に示した図である。
【図５】非相反な導波モード−放射モード変換を利用した光アイソレータを示す図である。
【図６】TE−TMモード変換形光アイソレータの実施例を示す図である。
【図７】非相反移相効果を利用した光サーキュレータの実施例を示す図である。
【図８】磁性ガーネット／Si／SiO₂構造の磁気光学導波路により構成される光非相反素子と半導体レーザの集積化プロセスを示す図である。
【図９】磁性ガーネット／Si／SiO₂構造及び磁性ガーネット／GaInAsP／InP構造の磁気光学導波路における、導波層の厚さに対する非相反移相効果の大きさを比較した図である。
【図１０】従来のハイブリッド形光アイソレータの例を示す図である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a magneto-optic waveguide having a silicon waveguide layer, an optical nonreciprocal device using the same, and an optical integrated circuit obtained by integrating them with other semiconductor optical devices in the field of optoelectronics. .
[0002]
[Prior art]
The present invention relates to a magneto-optic waveguide having a silicon waveguide layer and an optical nonreciprocal element using the same. First, an optical isolator, which is a typical optical nonreciprocal element, will be described. Keep it.
[0003]
An optical isolator is an element having a function of transmitting light only in one direction and blocking light that is transmitted in the opposite direction. By disposing an optical isolator at the emission end of the semiconductor laser, the emitted light from the laser passes through the optical isolator and can be used as a light source for optical fiber communication. On the contrary, the light which is going to enter the semiconductor laser through the optical isolator is blocked by the optical isolator and cannot enter the semiconductor laser. If the optical isolator is not disposed at the emitting end of the semiconductor laser, reflected return light enters the semiconductor laser, and the oscillation characteristics of the semiconductor laser are deteriorated. In other words, the optical isolator has a function of maintaining stable oscillation without blocking the light entering the semiconductor laser and degrading the characteristics of the semiconductor laser.
[0004]
Not only semiconductor lasers, but also optical active elements such as optical amplifiers, the operating characteristics of the elements are deteriorated when light enters unintentionally in the opposite direction. Since the optical isolator transmits light only in one direction, the optical isolator prevents light from entering the optical active element unintentionally in the opposite direction.
[0005]
Currently, all optical isolators in practical use have a structure in which light is confined within a cross section perpendicular to the light propagation direction, that is, there is no waveguiding action in a region where light passes. These are called bulk optical isolators, and cannot be integrated with other waveguide-type elements such as semiconductor lasers.
[0006]
For the purpose of integration with other elements, although being in the research stage, several optical isolators having a waveguide action, that is, waveguide type optical isolators have been published. These waveguide type optical isolators use magnetic garnet epitaxially grown on a garnet substrate such as gadolinium gallium garnet as a waveguide. Since an optical integrated circuit is mainly manufactured on a semiconductor substrate such as Si or InP, a new integration technique is required to incorporate an optical isolator into the optical integrated circuit.
[0007]
The inventor of the present invention manufactured an optical nonreciprocal element using a magneto-optic waveguide having a structure of magnetic garnet / GaInAsP / InP, and aimed at integration with a semiconductor laser. However, since the refractive index of the magnetic garnet is smaller than InP, the magneto-optic effect obtained with the magneto-optic waveguide having this structure is extremely small, and the element structure must be large. In addition, since the InP substrate is expensive, there is a problem that even if integration can be realized, it is difficult to reduce the cost. In addition, although there exists an optical circulator as another optical nonreciprocal element, detailed description is abbreviate | omitted. The optical circulator is configured by a magneto-optic waveguide, like the optical isolator.
[0008]
Therefore, integration on a low-cost silicon substrate is conceivable, but the optical nonreciprocal element on the silicon substrate has only been proposed so far. FIG. 10 shows the hybrid optical isolator. The element includes a non-reciprocal mode converter and a reciprocal mode converter. A magnetic garnet waveguide is used only in the non-reciprocal part, and a half-wave plate is inserted in the reciprocal part. Manufactured by inserting all individually manufactured components (polarizer, nonreciprocal mode converter, reciprocal mode converter) into a silica-based waveguide fabricated on a silicon substrate, and hardening with UV-curing resin. Is done. Because parts are inserted, insertion loss occurs in each part. Moreover, it has the fault that alignment of a nonreciprocal mode converter and a silica-type waveguide is very difficult (refer nonpatent literature 1).
[0009]
[Non-Patent Document 1]
N. Sugimoto, H. Terui, A. Tate, Y. Katoh, Y. Yamada, A. Sugita, A. Shibukawa and Y. Inoue: "A Hybrid Integrated Waveguide Isolator on a Silica-Based Planar Lightwave Circuit" Journal of Lightwave Technology, Vol.14, No.11, November 1996 pp. 2537-2546
[0010]
[Problems to be solved]
The present invention has been made in view of the problems of the prior art, and an object of the present invention is a magneto-optic waveguide having a high magneto-optical effect and being easily integrated with other semiconductor optical elements. It is an object to provide an optical non-reciprocal element using the above and an optical integrated circuit obtained by integrating them with other semiconductor optical elements.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The present invention relates to a magneto-optic waveguide having a silicon waveguide layer, an optical nonreciprocal device using the same, and an optical integrated circuit obtained by integrating them with other semiconductor optical devices. The core layer made of silicon crystal, the first clad layer made of silicon dioxide as an insulator, and the holding material for holding them are formed into three layers with the first clad layer made of silicon dioxide as an intermediate layer This is achieved by a magneto-optic waveguide having a magnetic garnet / silicon / silicon dioxide structure obtained by laminating a laminated SOI and a second cladding layer made of magnetic garnet by wafer bonding on the surface of the core layer. .
[0012]
Further, the above object of the present invention is to form an optical nonreciprocal element using the magneto-optical waveguide, or on the core layer of the magneto-optical waveguide, and the optical non-reciprocal element and other semiconductors. This is effectively achieved by an optical integrated circuit obtained by integrating an optical element.
[0013]
Furthermore, the object of the present invention is to provide a core layer made of silicon crystal, a first clad layer made of air, and a holding material for holding them, with the first clad layer made of air as an intermediate layer. This is achieved by a magneto-optic waveguide having a magnetic garnet / silicon / air structure obtained by laminating a SON laminated on a layer and a second cladding layer made of magnetic garnet on the surface of the core layer by wafer bonding. The
[0014]
Furthermore, the object of the present invention is to construct an optical non-reciprocal element using the magneto-optical waveguide, or on the core layer of the magneto-optical waveguide and another optical non-reciprocal element. This is effectively achieved by an optical integrated circuit obtained by integrating a semiconductor optical device.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0016]
(1) An optical isolator using a nonreciprocal phase shift effect is shown in FIG. 1 as an example of an optical nonreciprocal element composed of a magneto-optic waveguide having a structure magnetic garnet / silicon (Si) / silicon dioxide (SiO ₂ ) structure. Show. A Mach-Zehnder interferometer is constituted by two three-branch optical couplers. Here, the three-branch optical coupler may be an optical branch coupler called a so-called Y branch. The interferometer incorporates a 90 ° reciprocal phase shifter and a 90 ° nonreciprocal phase shifter. The reciprocal phase shifter is realized by an optical path difference between two arms in the interferometer. The nonreciprocal phase shifter is constituted by a magneto-optic waveguide. An external magnetic field shown in FIG. 1 is applied in order to orient the magnetization in the film plane and perpendicular to the light wave propagation direction. FIG. 2 shows a cross-sectional shape of the waveguide in the nonreciprocal phase shifter. In order to construct a magneto-optic waveguide in the near-infrared region with a wavelength of 1.3 microns or near 1.55 microns, a rare earth iron represented by the composition formula R ₃ Fe ₅ O ₁₂ (R represents a rare earth element) It is necessary to use garnet (hereinafter referred to as magnetic garnet), and in FIG. 2, magnetic garnet is used for the upper cladding layer. This waveguide structure cannot be realized by a normal epitaxial growth technique, but can be realized by bonding Si and magnetic garnet together by a wafer bonding technique (a known technique disclosed in US Pat. No. 4,883,215). Specifically, it is realized by forming a waveguide structure on an SOI (Silicon on Insulator) substrate (FIG. 2A) having a Si / SiO ₂ / Si structure and then bonding it to a magnetic garnet.
[0017]
When a SON (Silicon on Nothing) substrate in which the SiO ₂ is replaced with an air layer is used, the waveguide structure is magnetic garnet / Si / air (FIG. 2B).
[0018]
To prevent light waves propagating through the Si waveguide layer from being emitted to the Si substrate (holding material) side in both the magnetic garnet / Si / SiO ₂ structure and the magnetic garnet / Si / air structure waveguide The thickness of the layer (SiO ₂ or air layer) is sufficiently secured. In other words, in FIG. 2, the magnetic garnet / Si / SiO ₂ / Si is drawn with a four-layer structure, but for a light wave propagating through the waveguide, the magneto-optic waveguide has a three-layer structure of magnetic garnet / Si / SiO _2. (The bottom layer is just a holding material). Therefore, when designing the element, it may be considered that the waveguide is constituted by a three-layer structure of magnetic garnet / Si / SiO ₂ . In this embodiment, a silicon substrate (Si) is used as the holding material, but the present invention is not limited to this.
[0019]
Here, the nonreciprocal phase shift effect will be briefly described. When an external magnetic field is applied to the three-layer slab waveguide shown in FIG. 3 perpendicular to the light propagation direction (z-axis) and in the film plane (x-axis), the dielectric constant of each layer is It is represented by the following tensor.
[0020]
[Expression 1]

α is obtained corresponding to the Faraday rotation coefficient of the material of each layer. If it is not a magneto-optical material, α = 0. For simplicity, solving the Maxwe11 equation in the TM mode using only the second layer as a magneto-optic material yields the following characteristic equation.
[0021]
[Expression 2]

However, there is the following relationship where k ₀ is the wave number in vacuum.
[0022]
[Equation 3]

[Expression 4]

[Equation 5]

Since equation (2) has a first-order term of propagation constant β, the equations are different in the forward direction and in the reverse direction. Therefore, it has different propagation constants in the forward direction and the reverse direction. In the case of the optical isolator shown in FIG. 1, since a magnetic field is applied anti-parallel in the interferometer, different propagation constants are given in the respective optical paths. Therefore, a nonreciprocal phase shift difference occurs in the TM mode propagating through the interferometer. The reason why the magnetic field is applied antiparallel is to obtain a push-pull operation.
[0023]
In the case of an optical nonreciprocal element composed of a magnetic garnet / Si / air structure magneto-optical waveguide, the cross-sectional shape of the waveguide is as shown in FIG. 2B, and the lower cladding layer SiO ₂ is replaced with air. It has a structure.
[0024]
(2) Principle of Operation of Optical Isolator The principle of operation of the element will be described with reference to FIG. 4 schematically showing the structure of an optical isolator using the nonreciprocal phase shift effect. The TM mode, which is incident on the port 1 corresponding to the input end of the optical isolator and propagates in the forward direction, has two waves of the same amplitude and the same phase by the preceding three-branch optical coupler (branch / coupler 1 in FIG. 4). Is demultiplexed. When the two waves propagate through the interferometer (waveguide 1 and waveguide 2 in FIG. 4), they undergo a 90 ° reciprocal phase shift difference and a −90 ° non-reciprocal phase shift difference, and the subsequent three-branch optical coupler. When incident on (branch / coupler 2 in FIG. 4), they have the same amplitude and phase. In this case, in the branch / coupler 2, the two waves are coupled to the port 2 of the branch / coupler 2, that is, the output end of the optical isolator.
[0025]
Next, consider the reflection TM mode incident from the output end of the optical isolator. Since the propagation direction is reversed, the sign of the nonreciprocal phase shift effect is reversed. The reflection TM mode is demultiplexed into two waves having the same amplitude and the same phase by the branching / coupling device 2. When the two waves propagate through the waveguide 1 and the waveguide 2, they receive a reciprocal phase difference of 90 ° and a non-reciprocal phase difference of + 90 °, and when they enter the branch / coupler 1, 180 ° with the same amplitude. The phase is reversed. In this case, in the branch / coupler 1, the two waves are coupled to port A and port B of the branch / coupler 1, and are not coupled to port 1, that is, the input end of the optical isolator. Therefore, this element functions as an optical isolator having port 1 as an input end and port 2 as an output end.
[0026]
(3) Effect of configuring an optical isolator with magneto-optic waveguides of magnetic garnet / Si / SiO ₂ structure and magnetic garnet / Si / air structure Magnetic garnet / Si / SiO ₂ structure obtained by wafer bonding (or magnetic garnet / Si / Air structure), the magnetic garnet has a larger electromagnetic field because the refractive index of the lower cladding layer SiO ₂ (or air) is smaller than the refractive index of the magnetic cladding of the upper cladding layer. Soaking into the cladding layer. Therefore, a large magneto-optical effect can be expected. In the case of an optical isolator using the nonreciprocal phase shift effect, the propagation length of the nonreciprocal phase shifter for obtaining the 90 ° nonreciprocal phase shift effect can be reduced, and the device can be miniaturized. In addition, since the substrate for manufacturing the optical isolator itself is a low-cost material, cost reduction is also achieved.
[0027]
Obtaining a large magneto-optical effect is extremely effective for optical isolators of other operating principles. Of course, cost reduction is also achieved.
[0028]
(4) Other optical nonreciprocal elements having magneto-optic waveguides of magnetic garnet / Si / SiO ₂ structure and magnetic garnet / Si / air structure Here, other optical isolators and optical circulators will be briefly described. FIG. 5 shows an optical isolator using non-reciprocal “guided mode-radiation mode conversion”. It is composed of a magnetic garnet / Si / SiO ₂ structure or a magnetic garnet / Si / air structure rib waveguide. An external magnetic field is applied in the film plane, and a nonreciprocal phase shift effect occurs in the TM mode propagating in the waveguide. Therefore, TM mode propagation constant beta _11f ^y differ in the forward and reverse direction, with a beta _11b ^y. By adjusting the waveguide parameters, the following relational expression can be satisfied between the propagation constants.
[0029]
[Formula 6]

β _c ^x corresponds to the cut-off of the TE mode. In this case, since only the backward propagation TM mode is converted to the TE radiation mode, this element functions as a TM mode operation optical isolator.
[0030]
FIG. 6 shows a TE-TM mode conversion type optical isolator. The magnetic garnet / Si / SiO ₂ structure or magnetic garnet / Si / air structure strip-loaded magneto-optic waveguide is used. By adjusting the waveguide parameters, non-reciprocal mode conversion is achieved by achieving phase matching between the TE and TM modes. By integrating the non-reciprocal mode converter and the reciprocal mode converter, a TE-TM mode conversion type optical isolator is realized.
[0031]
FIG. 7 shows an optical circulator using the nonreciprocal phase shift effect. A Mach-Zehnder interferometer is constituted by two 3 dB directional couplers. The interferometer incorporates a 90 ° reciprocal phase shifter and a 90 ° nonreciprocal phase shifter. The reciprocal phase shifter is realized by an optical path difference between two arms in the interferometer. The nonreciprocal phase shifter includes a rib waveguide having a magnetic garnet / Si / SiO ₂ structure or a magnetic garnet / Si / air structure. The principle of operation is the same as an optical isolator using the nonreciprocal phase shift effect. In the forward direction, the reciprocal phase and nonreciprocal phase shift cancel each other, and in the reverse direction, they are added to achieve the circulator operation. .
[0032]
As described above, various optical nonreciprocal elements can be realized by the magneto-optic waveguide having the magnetic garnet / Si / SiO ₂ structure and the magnetic garnet / Si / air structure.
[0033]
(5) A high-performance optical integrated circuit in which an optical nonreciprocal element composed of a magnetic garnet / Si / SiO ₂ structure and a magnetic garnet / Si / air structure and other semiconductor optical elements are integrated. ₂ shows an integration process of an optical nonreciprocal element composed of a magnetic garnet / Si / SiO ₂ structure optical optical waveguide and a semiconductor laser. First, a waveguide of an optical isolator is drawn on an SOI substrate by a normal lithography technique (FIG. 8A). After forming a magneto-optic waveguide having a magnetic garnet / Si / SiO ₂ structure by wafer bonding (FIG. 8B), semiconductor lasers are integrated using existing techniques such as flip-chip bonding (FIG. 8C )). In this integration process, since the semiconductor laser is integrated after the magneto-optic waveguide is formed by wafer bonding of Si and magnetic garnet, the semiconductor laser can avoid the influence of heat treatment in wafer bonding. Other semiconductor optical devices can be integrated by the same method. Any element that can be constituted by a Si / SiO ₂ waveguide can be formed in advance before wafer bonding.
[0034]
An optical isolator using a non-reciprocal phase shift effect, an optical isolator using non-reciprocal waveguide mode-radiation mode conversion, with a magneto-optic waveguide having a magnetic garnet / Si / SiO ₂ structure and a magnetic garnet / Si / air structure, Various optical isolators such as TE-TM mode conversion type optical isolators can be configured.
[0035]
【The invention's effect】
The optical nonreciprocal element according to the present invention uses a magneto-optic waveguide having a magnetic garnet / Si / SiO ₂ structure and a magnetic garnet / Si / air structure constructed by wafer bonding technology as a magneto-optic waveguide, and a Si substrate. By configuring the optical nonreciprocal element on top, integration with other optical elements is facilitated, and high performance and low cost of the optical integrated circuit can be achieved.
[0036]
As already described, since the refractive index of magnetic garnet is larger than that of SiO ₂ , a large magneto-optical effect can be obtained and the device can be expected to be miniaturized. The Si substrate itself is also low-cost, and cost reduction is also achieved. The semiconductor laser can be integrated by a normal bonding technique or the like.
[0037]
FIG. 9 shows the magnitude of the nonreciprocal phase shift effect on the thickness of the waveguide layer in the magneto-optic waveguide of the magnetic garnet / Si / SiO ₂ structure and the magnetic garnet / GaInAsP / InP structure. Comparing by the maximum value of the effect, it can be seen that the nonreciprocal phase shift effect in the waveguide of the magnetic garnet / Si / SiO ₂ structure is 25 times or more larger.
[0038]
Furthermore, since the waveguide layer of the optical nonreciprocal element according to the present invention uses a Si waveguide layer that can be shared with the waveguide layers of other elements, no insertion loss occurs in each part, and the waveguide layer is guided. Since the wave layer is shared, the problem of alignment with other elements can be avoided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an embodiment of an optical isolator using a nonreciprocal phase shift effect according to the present invention.
2 is a diagram showing a cross-sectional shape of a waveguide in the nonreciprocal phase shifter of FIG.
FIG. 3 is a diagram for explaining a nonreciprocal phase shift effect in a three-layer slab waveguide.
FIG. 4 is a diagram schematically showing the structure of an optical isolator using a nonreciprocal phase shift effect.
FIG. 5 is a diagram showing an optical isolator using nonreciprocal waveguide mode-radiation mode conversion.
FIG. 6 is a diagram showing an embodiment of a TE-TM mode conversion type optical isolator.
FIG. 7 is a diagram illustrating an example of an optical circulator using a nonreciprocal phase shift effect.
FIG. 8 is a diagram showing an integration process of an optical nonreciprocal element constituted by a magneto-optic waveguide having a magnetic garnet / Si / SiO ₂ structure and a semiconductor laser.
FIG. 9 is a diagram comparing the magnitude of the nonreciprocal phase shift effect with respect to the thickness of the waveguide layer in the magneto-optic waveguide of the magnetic garnet / Si / SiO ₂ structure and the magnetic garnet / GaInAsP / InP structure.
FIG. 10 is a diagram showing an example of a conventional hybrid optical isolator.

Claims

A core layer made of silicon crystal, a first clad layer made of silicon dioxide as an insulator, and a holding material for holding them are laminated in three layers with the first clad layer made of silicon dioxide as an intermediate layer An optical nonreciprocal element configured by bonding the SOI substrate thus formed and the second cladding layer made of magnetic garnet on the surface of the core layer by wafer bonding ,
An optical nonreciprocal device comprising a magneto-optic waveguide having a three-layer structure of magnetic garnet / silicon / silicon dioxide.

A SON substrate in which a core layer made of silicon crystal, a first clad layer made of air, and a holding material for holding them are laminated in three layers using the first clad layer made of air as an intermediate layer; A second cladding layer made of magnetic garnet is an optical non-reciprocal element configured by being bonded by wafer bonding on the core layer surface ,
An optical nonreciprocal element comprising a three-layered magneto-optic waveguide having the magnetic garnet / silicon / air structure.

The optical non-reciprocal element according to claim 1, wherein the optical non-reciprocal element is an optical isolator or an optical circulator.

An optical integrated circuit obtained by integrating another semiconductor optical device on the core layer of the magneto-optical waveguide according to claim 1.