JP6338404B2 - Waveguide type magneto-optical device and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、導波路型光アイソレータ、光サーキュレータ等の磁気光学デバイス、特に偏波無依存性の磁気光学デバイス及びその製造方法に関する。   The present invention relates to magneto-optical devices such as waveguide-type optical isolators and optical circulators, and more particularly to a polarization-independent magneto-optical device and a method for manufacturing the same.

磁気光学デバイス、例えば光アイソレータ、光サーキュレータ等は、磁性ガーネットに磁気光学効果を作用させて伝搬光に非相反な光学効果を与え、所期の機能を達成している。現在実用化されている光アイソレータ或いは光サーキュレータ等は、レンズ、偏光子、検光子などの独立した光学部品を用いるバルク型のデバイスであって、構造が複雑であり且つサイズ的に光集積回路へ組み込むことができない。従って、光集積回路への集積を可能とする導波路型の磁気光学デバイスの実現が不可避である。   Magneto-optical devices, such as optical isolators, optical circulators, and the like, achieve a desired function by applying a magneto-optical effect to a magnetic garnet to give a nonreciprocal optical effect to propagating light. Optical isolators or optical circulators that are currently in practical use are bulk type devices that use independent optical components such as lenses, polarizers, and analyzers. Cannot be incorporated. Therefore, it is inevitable to realize a waveguide type magneto-optical device that can be integrated into an optical integrated circuit.

光アイソレータは光を一方向のみに透過する素子であり、レーザーなどの能動素子を反射戻り光から保護するために用いられる。反射戻り光の偏波状態はランダムであるため、光アイソレータも偏波無依存動作が求められる。光サーキュレータにおいても同様である。光集積回路では、検光子、偏光子を組み込むことが困難であり、従って、導波路型の磁気光学デバイスで偏波無依存性を達成するためには、導波路自体で偏波無依存動作を実現する必要がある。しかしながら、現在までに、偏波無依存性の導波路構造を有する光アイソレータ又は光サーキュレータは実現されていない。   An optical isolator is an element that transmits light in only one direction, and is used to protect an active element such as a laser from reflected return light. Since the polarization state of the reflected return light is random, the optical isolator is also required to operate in a polarization independent manner. The same applies to the optical circulator. In an optical integrated circuit, it is difficult to incorporate an analyzer and a polarizer. Therefore, in order to achieve polarization independence in a waveguide type magneto-optical device, the waveguide itself does not have polarization independent operation. It needs to be realized. However, until now, no optical isolator or optical circulator having a polarization-independent waveguide structure has been realized.

特許文献１は、磁性ガーネット／シリコン／二酸化ケイ素による三層構造の磁気光学導波路を備えた光アイソレータを提案している。このデバイスでは、シリコンのコア層表面に磁性ガーネットをウエハボンディングすることによって、縦偏波（ＴＭモード）に対する光非相反性を備えた光アイソレータを構成している。しかしながらこのデバイスは、横偏波（ＴＥモード）に対する光非相反性を達成していない。   Patent Document 1 proposes an optical isolator having a three-layered magneto-optic waveguide composed of magnetic garnet / silicon / silicon dioxide. In this device, an optical isolator having optical nonreciprocity with respect to longitudinal polarization (TM mode) is formed by wafer bonding a magnetic garnet to the surface of a silicon core layer. However, this device has not achieved optical nonreciprocity with respect to transverse polarization (TE mode).

非特許文献１は、導波路型の光アイソレータにおいて偏波無依存動作が可能な構造を提案している。この光アイソレータでは、導波路のコア層を磁性ガーネット、クラッド層をホトレジストで構成し、磁性ガーネットの導波路に４５度方向の磁場を印加する構造によって偏波無依存動作が可能であるとしている。ところがこのデバイスでは磁気光学効果の利用効率が小さく、実用的な光アイソレーションを達成していない。またコア層に屈折率の小さな磁性ガーネットを用いているので、シリコンでコア層を形成する場合と比べて素子サイズがかなり大きくなり、光集積回路への組み込みの実現性は低い。   Non-Patent Document 1 proposes a structure capable of polarization independent operation in a waveguide type optical isolator. In this optical isolator, the core layer of the waveguide is made of magnetic garnet, the clad layer is made of photoresist, and a polarization-independent operation is possible by a structure in which a magnetic field of 45 degrees is applied to the waveguide of the magnetic garnet. However, in this device, the utilization efficiency of the magneto-optical effect is small and practical optical isolation is not achieved. In addition, since a magnetic garnet having a small refractive index is used for the core layer, the element size is considerably larger than that in the case where the core layer is formed of silicon, and the possibility of incorporation into an optical integrated circuit is low.

導波路型磁気光学デバイスの現時点での技術水準を示す文献として、以下の特許文献２、非特許文献２〜６がある。特許文献２は波長依存性を低減させて利用可能な動作波長域を広げた導波路型広帯域光アイソレータを開示している。非特許文献２および３は、導波路型光アイソレータの縦偏波（ＴＭ）動作実証例を示しており、非特許文献４は特許文献１の導波路型光アイソレータにおいて縦偏波に対して発生する光非相反移相量を測定し、横偏波では光非相反移相効果が発生しないことを実験で示している。非特許文献５は、磁性ガーネットの磁化構造を工夫することによって提供される偏波無依存な導波路型光アイソレータの構成を提案しているが、磁化構造の制御が複雑かつ困難であって、実用には供さない。非特許文献６は、偏波ダイバーシティ（偏波分離・合成）構成によって偏波無依存バルク型光アイソレータが形成できることを提案しているが、このデバイスはバルク型光アイソレータであって導波路型ではない。非特許文献７は、強磁性金属を用いて横偏波に対して動作する導波路型光アイソレータの動作実証例を示しているが、このデバイスは偏波無依存性ではない。   There are the following Patent Document 2 and Non-Patent Documents 2 to 6 as references showing the current technical level of the waveguide type magneto-optical device. Patent Document 2 discloses a waveguide type broadband optical isolator in which the wavelength dependence is reduced and the usable operating wavelength range is widened. Non-Patent Documents 2 and 3 show examples of longitudinal polarization (TM) operation demonstration of waveguide type optical isolators, and Non-Patent Document 4 is generated with respect to longitudinal polarization in the waveguide type optical isolator of Patent Document 1. The amount of optical nonreciprocal phase shift is measured, and experiments show that the optical nonreciprocal phase shift effect does not occur in transversely polarized waves. Non-Patent Document 5 proposes a configuration of a polarization-independent waveguide type optical isolator provided by devising the magnetization structure of the magnetic garnet, but the control of the magnetization structure is complicated and difficult, Not put to practical use. Non-Patent Document 6 proposes that a polarization-independent bulk type optical isolator can be formed by a polarization diversity (polarization separation / combination) configuration, but this device is a bulk type optical isolator, which is a waveguide type. Absent. Non-Patent Document 7 shows an operation demonstration example of a waveguide type optical isolator that operates with respect to transverse polarization using a ferromagnetic metal, but this device is not polarization independent.

特許第４１７１８３１号公報Japanese Patent No. 4171831 特許第５１８２７９９号公報Japanese Patent No. 5182799

Ｊ．Ｆｕｊｉｔａ，Ｍ．Ｌｅｖｙ，Ｒ．Ｍ．Ｏｓｇｏｏｄ，Ｊｒ．，Ｌ．Ｗｉｌｋｅｎｓ， ａｎｄ Ｈ．Ｄｏｔｓｃｈ，“Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｉｓｏｌａｔｏｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｎｏｎｒｅｃｉｐｒｏｃａｌ ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔ，”ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．１２，Ｎｏ．１１，ｐｐ．１５１０−１５１２（２０００）J. et al. Fujita, M .; Levy, R.A. M.M. Osgood, Jr. L. Wilkens, and H.C. Dotsch, “Polarization-independent waveguide optical isolators based on nonrepetitive phase shift,” IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 12, no. 11, pp. 1510-1512 (2000) Ｙ．Ｓｈｏｊｉ，Ｔ．Ｍｉｚｕｍｏｔｏ，Ｈ．Ｙｏｋｏｉ，Ｉ．Ｗ．Ｈｓｉｅｈ， ａｎｄ Ｒ．Ｍ．Ｏｓｇｏｏｄ，Ｊｒ．，“Ｍａｇｎｅｔｏ−ｏｐｔｉｃａｌ ｉｓｏｌａｔｏｒ ｗｉｔｈ ｓｉｌｉｃｏｎ ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｂｙ ｄｉｒｅｃｔ ｂｏｎｄｉｎｇ，”Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．９２，Ｎｏ．７，ｐ．０７１１１７ （２００８）Y. Shoji, T .; Mizumoto, H .; Yokoi, I .; W. Hsieh, and R.C. M.M. Osgood, Jr. , “Magneto-optical isolator with silicon waveguides fabricated by direct bonding,” Applied Physics Letters, vol. 92, no. 7, p. 071117 (2008) Ｙ．Ｓｏｂｕ，Ｙ．Ｓｈｏｊｉ，Ｋ．Ｓａｋｕｒａｉ， ａｎｄ Ｔ．Ｍｉｚｕｍｏｔｏ，“ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ ＭＺＩ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｉｓｏｌａｔｏｒ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｗｉｔｈ ｓｐｏｔ ｓｉｚｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，”Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ，ｖｏｌ．２１，Ｎｏ．１３，ｐｐ．１５３７３−１５３８１（２０１３）Y. Sobu, Y. et al. Shoji, K .; Sakurai, and T.K. Mizumoto, “GaInAsP / InP MZI waveguide optical isolator integrated with spot size converter,” Optics Express, vol. 21, no. 13, pp. 15373-15381 (2013) Ｔ．Ｍｉｚｕｍｏｔｏ ａｎｄ Ｙ．Ｎａｉｔｏ，“Ｎｏｎｒｅｃｉｐｒｏｃａｌ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ＹＩＧ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ，”ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，ｖｏｌ．ＭＴＴ−３０，Ｎｏ．６，ｐｐ．９２２−９２５（１９８２）T.A. Mizumoto and Y.M. Naito, “Nonreproprial Propagation Characteristics of YIG Thin Film,” IEEE Trans. on Microwave Theory and Technologies, vol. MTT-30, No. 6, pp. 922-925 (1982) Ｏ．Ｚｈｕｒｏｍｓｋｙｙ，Ｈ．Ｄｏｅｔｓｃｈ，Ｍ．Ｌｏｈｍｅｙｅｒ，Ｌ．Ｗｉｌｋｅｎｓ， ａｎｄ Ｐ．Ｈｅｒｔｅｌ，“Ｍａｇｎｅｔｏｏｐｔｉｃａｌ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｗｉｔｈ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｎｏｎｒｅｃｉｐｒｏｃａｌ ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔ，”ＩＥＥＥ Ｊ．Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｖｏｌ．１９，Ｎｏ．２，ｐｐ．２１４−２２１（２００１）O. Zhuromsky, H .; Doetsch, M.C. Lohmeyer, L .; Wilkens, and P.M. Hertel, “Magnetic optical waveguide with polarization-independent non-phase phase shift,” IEEE J. Lightwave Technology, vol. 19, no. 2, pp. 214-221 (2001) Ｋ．Ｓｈｉｒａｉｓｈｉ，“Ｎｅｗ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｏｌａｒｉｓａｔｉｏｎ−ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｉｓｏｌａｔｏｒ ｕｓｉｎｇ ａ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｏｎｅ，”Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．２７，Ｎｏ．４，ｐｐ．３０２−３０３（１９９１）K. Shirai, “New configuration of polarization-independent isolator using a polarization-dependent one,” Electronics Letters, vol. 27, no. 4, pp. 302-303 (1991) Ｈ．Ｓｈｉｍｉｚｕ ａｎｄ Ｙ．Ｎａｋａｎｏ，“Ｆｉｒｓｔ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ＴＥ ｍｏｄｅ ｎｏｎｒｅｃｉｐｒｏｃａｌ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｉｎ ａｎ ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ ａｃｔｉｖｅ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｆｏｒ ａｎ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｉｓｏｌａｔｏｒ，”Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，ｖｏｌ．４３，Ｎｏ．１２Ａ，ｐｐ．Ｌ１５６１−Ｌ１５６３（２００４）H. Shimizu and Y.M. Nakano, “First Demonstration of TE mode nonreciprocal propagation in an InGaAsP / InP active waveguide for an integrated opticalisolator, Japan.” 43, no. 12A, pp. L1561-L1563 (2004)

従って本発明は、実用に供しうる偏波無依存性導波路型磁気光学デバイス及びその製造方法を提供することを課題とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a polarization-independent waveguide-type magneto-optical device that can be used practically and a method for manufacturing the same.

上記の課題を解決するために、本発明の第１の態様では、単結晶ガーネット基板と、前記単結晶ガーネット基板上に形成された単結晶の磁性ガーネット層であって、前記単結晶ガーネット基板表面とは対向する表面に上段及び下段からなる段差構造を有する磁性ガーネット層と、前記磁性ガーネット層の前記段差構造に接して前記下段上に形成されたコア層と、を備え、前記磁性ガーネット層の前記段差構造における上段と下段は、前記コア層の底面に接する第１のクラッド層と側面に接する第２のクラッド層を形成し、且つ、前記単結晶ガーネット基板表面に対してほぼ４５°（４５°±１５°）方向に磁化されている、偏波無依存性導波路型磁気光学デバイスを構成する。   In order to solve the above-described problem, according to a first aspect of the present invention, there is provided a single crystal garnet substrate and a single crystal magnetic garnet layer formed on the single crystal garnet substrate, the surface of the single crystal garnet substrate And a magnetic garnet layer having a step structure consisting of an upper stage and a lower stage on the surface facing each other, and a core layer formed on the lower stage in contact with the step structure of the magnetic garnet layer, The upper and lower stages in the step structure form a first cladding layer in contact with the bottom surface of the core layer and a second cladding layer in contact with the side surface, and are approximately 45 ° (45 ° to the surface of the single crystal garnet substrate. This constitutes a polarization-independent waveguide type magneto-optical device magnetized in the direction of (± 15 °).

上記第１の態様において、前記コア層はアモルファスシリコンで形成しても良い。また、前記デバイスは光アイソレータ又は光サーキュレータであっても良い。更に、上記の偏波無依存性導波路型磁気光学デバイスを他の半導体光素子と共に同一の半導体基板上に組み込んで光集積回路を構成しても良い。   In the first aspect, the core layer may be formed of amorphous silicon. The device may be an optical isolator or an optical circulator. Furthermore, an optical integrated circuit may be configured by incorporating the above-mentioned polarization-independent waveguide type magneto-optical device together with other semiconductor optical elements on the same semiconductor substrate.

前記課題を達成するために、本発明の第２の態様では、単結晶ガーネット基板上に磁性ガーネット層をエピタキシャル成長させ、前記エピタキシャル成長させた磁性ガーネット層を壁面加工して上段と下段からなる段差構造を形成し、前記磁性ガーネット層の前記段差構造上にコア層材料を成膜し、前記成膜されたコア材料層と前記磁性ガーネット層表面とを平坦化し、前記平坦化されたコア材料層の一部を除去して導波路コアを形成し、前記磁性ガーネット層を前記ガーネット基板表面に対してほぼ４５°（４５°±１５°）方向に磁化する、各ステップを備える、偏波無依存性導波路型磁気光学デバイスの製造方法を提供する。   In order to achieve the above object, according to the second aspect of the present invention, a magnetic garnet layer is epitaxially grown on a single crystal garnet substrate, and the epitaxially grown magnetic garnet layer is processed into a wall to form a step structure consisting of an upper stage and a lower stage. And forming a core layer material on the step structure of the magnetic garnet layer, planarizing the deposited core material layer and the surface of the magnetic garnet layer, and forming one of the planarized core material layers. A waveguide core is formed by removing a portion, and the magnetic garnet layer is magnetized in a direction of approximately 45 ° (45 ° ± 15 °) with respect to the surface of the garnet substrate. A method for manufacturing a waveguide type magneto-optical device is provided.

この製造方法において、前記磁性ガーネット層はスパッタエピタキシーによって形成しても良い。更に、前記コア材料層はシリコンのプラズマＣＶＤによって前記磁性ガーネット層上に形成されたアモルファスシリコン層であっても良い。     In this manufacturing method, the magnetic garnet layer may be formed by sputtering epitaxy. Further, the core material layer may be an amorphous silicon layer formed on the magnetic garnet layer by plasma CVD of silicon.

現在までに、導波路型光アイソレータ等の磁気光学デバイスの偏波無依存動作の実証例はなく、磁性ガーネットを用いたものとしては縦偏波（ＴＭ）のみの実証例がある。実用化の際は、横偏波（ＴＥ）はフィルタで順方向・逆方向とも遮断し縦偏波のみの利用となる。したがって、透過させたい順方向の入力光を別途縦偏波に制御する必要があり、伝送路内でランダムな偏波回転を受けた光信号に対しては高機能な偏波制御回路を用いなくてはならない。現状ではそうした運用は非現実的であり、偏波無依存動作を提供するバルク型の磁気光学デバイスが用いられている。しかしながら、バルク型の磁気光学デバイス、例えば光アイソレータは他の導波路デバイスとの集積化は困難であるため、集積型光モジュールの開発において大きな課題となっている。本発明により偏波無依存性の磁気光学デバイスが実現されれば偏波制御回路が不要となるため、集積型光モジュールの発展に大きく貢献することが期待される。   To date, there is no demonstration example of polarization-independent operation of a magneto-optical device such as a waveguide type optical isolator, and there is a demonstration example of only longitudinal polarization (TM) using a magnetic garnet. In practical use, transverse polarization (TE) is blocked by a filter in both the forward and reverse directions, and only longitudinal polarization is used. Therefore, it is necessary to control the input light in the forward direction to be transmitted separately to longitudinal polarization, and without using a highly functional polarization control circuit for optical signals that have undergone random polarization rotation in the transmission path. must not. At present, such operation is unrealistic, and bulk type magneto-optical devices that provide polarization-independent operation are used. However, since bulk magneto-optical devices such as optical isolators are difficult to integrate with other waveguide devices, they are a major issue in the development of integrated optical modules. If a polarization-independent magneto-optical device is realized according to the present invention, a polarization control circuit is not necessary, and it is expected to greatly contribute to the development of an integrated optical module.

（ａ）は縦偏波に対して、（ｂ）は横偏波に対して光相反位相効果を発現するための導波路構造の原理を示す図。(A) is a figure which shows the principle of the waveguide structure for expressing an optical reciprocal phase effect with respect to a longitudinal polarization, and (b) with respect to a transverse polarization. 本発明の一実施形態に係る偏波無依存性導波路型磁気光学デバイスの導波路構造を示す図。The figure which shows the waveguide structure of the polarization independent waveguide type magneto-optical device which concerns on one Embodiment of this invention. 図２に示す導波路構造の製造プロセスの一部を示す図。The figure which shows a part of manufacturing process of the waveguide structure shown in FIG. 図３に示す製造プロセルのその後のプロセスを示す図。The figure which shows the subsequent process of the manufacturing process shown in FIG. 図４に示す製造プロセスのその後のプロセスを示す図。The figure which shows the process after the manufacturing process shown in FIG. 本発明の一実施例に係る偏波無依存性導波路型光アイソレータの構造を示す図。The figure which shows the structure of the polarization-independent waveguide type optical isolator which concerns on one Example of this invention.

以下に本発明の種々の実施形態を、図面を参照して説明する。なお以下の図面は、本発明の理解を容易にするために各層の関係を実際のものとは異なった大きさで表している。また、各図面において、同一の符号は同一又は類似の構成要素を示す。   Hereinafter, various embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following drawings, in order to facilitate understanding of the present invention, the relationship between the layers is shown in a different size from the actual one. Moreover, in each drawing, the same code | symbol shows the same or similar component.

導波路型磁気光学デバイスに用いられる光非相反移相効果は、原理的には、縦偏波（ＴＭ）にはコアの上部または下部に、横偏波（ＴＥ）にはコアの側壁に磁性ガーネット層を形成することで効果を発現する。   In principle, the optical nonreciprocal phase shift effect used in waveguide magneto-optical devices is magnetic at the top or bottom of the core for longitudinal polarization (TM) and on the side wall of the core for transverse polarization (TE). An effect is expressed by forming a garnet layer.

図１（ａ）は、導波路型磁気光学デバイスで、縦偏波（ＴＭ）に対して非相反移相効果を発現するための導波路断面構造を原理的に示す図であり、図（ｂ）は、横偏波（ＴＥ）に対して非相反移相効果を発現するために必要な導波路断面構造を原理的に示す図である。図１（ａ）、（ｂ）において、１はＳｉＯ2基板、２は単結晶シリコンで形成したコア層、３ａ、３ｂは磁性ガーネットで形成したクラッド層を示す。クラッド層３ａ、３ｂ内の矢印は、それぞれ縦偏波動作及び横偏波動作を達成するための磁化方向を示している。光相反移相効果は、コアを伝搬する光に対して垂直方向に且つ非対称に磁場を印加することによって発現する。 FIG. 1A is a diagram showing in principle a waveguide cross-sectional structure for producing a nonreciprocal phase shift effect with respect to longitudinal polarization (TM) in a waveguide type magneto-optical device. ) Is a diagram showing in principle a waveguide cross-sectional structure necessary for producing a nonreciprocal phase shift effect with respect to transverse polarization (TE). In FIGS. 1A and 1B, 1 is a SiO 2 substrate, 2 is a core layer formed of single crystal silicon, and 3a and 3b are cladding layers formed of magnetic garnet. The arrows in the cladding layers 3a and 3b indicate the magnetization directions for achieving the longitudinal polarization operation and the transverse polarization operation, respectively. The optical reciprocal phase shift effect is manifested by applying a magnetic field perpendicularly and asymmetrically to the light propagating through the core.

既存技術では、磁性ガーネット層は単結晶ガーネット基板上に結晶成長させた場合のみ単結晶化し、ＳｉＯ2基板上でシリコンを材料とするコアの周囲に良好な結晶状態で堆積させることは困難であり、図１（ｂ）のような構造は実現されていない。従って、現状では図１（ａ）に示すように、コア層１の上部に磁性ガーネットウエハを貼り合わせる手法で製作された縦偏波動作のみの導波路型光アイソレータが実証されている（特許文献１参照）。 With existing technology, it is difficult to deposit a magnetic garnet layer into a single crystal only when it is grown on a single crystal garnet substrate and deposit it in a good crystalline state around a core made of silicon on a SiO 2 substrate. The structure as shown in FIG. 1B is not realized. Accordingly, at present, as shown in FIG. 1A, a waveguide type optical isolator with only a longitudinal polarization operation manufactured by a method of attaching a magnetic garnet wafer to the upper portion of the core layer 1 has been demonstrated (Patent Document). 1).

そこで、本発明では、ガーネット基板上に良質な磁性ガーネット層をまず結晶成長させ、この磁性ガーネット層に対して壁面加工を施すという発想の転換を行った。コア層は、壁面加工後に形成する。アモルファスシリコンのような堆積可能な高屈折率材料をコア層材料として利用することで、磁性ガーネット層に壁面加工を施した後のコア層の形成が可能となる。   Therefore, in the present invention, the idea was changed by first growing a high-quality magnetic garnet layer on a garnet substrate and then subjecting the magnetic garnet layer to wall surface processing. The core layer is formed after the wall surface processing. By using a depositable high refractive index material such as amorphous silicon as the core layer material, the core layer can be formed after the wall surface processing is performed on the magnetic garnet layer.

図２に、本発明の一実施形態に係る偏波無依存性導波路型磁気光学デバイスの導波路断面構造を示す。図２において、１０は単結晶ガーネットの基板、１１はガーネット基板１０上に例えばスパッタエピタキシーによって結晶成長させた良質な磁性ガーネット層であって、壁面加工を施すことによって、下段部１１ａと上段部１１ｂとから成る段差構造が形成されている。１２はコア層であって、磁性ガーネット層１１の壁面に隣接して磁性ガーネットの下段部１１ｂ上にアモルファスシリコンを堆積することによって形成されている。磁性ガーネット層１１内の矢印は磁化方向を示し、本実施形態では基板１０の上面に対して４５度の角度で磁化が行われている。磁化の角度は厳密に４５°でなくても良く、４５°±１５°以内であれば良い。   FIG. 2 shows a waveguide cross-sectional structure of a polarization-independent waveguide type magneto-optical device according to an embodiment of the present invention. In FIG. 2, reference numeral 10 denotes a single crystal garnet substrate, and 11 denotes a high-quality magnetic garnet layer grown on the garnet substrate 10 by, for example, sputtering epitaxy. Is formed. Reference numeral 12 denotes a core layer, which is formed by depositing amorphous silicon adjacent to the wall surface of the magnetic garnet layer 11 on the lower step portion 11b of the magnetic garnet. The arrow in the magnetic garnet layer 11 indicates the magnetization direction. In this embodiment, the magnetization is performed at an angle of 45 degrees with respect to the upper surface of the substrate 10. The angle of magnetization may not be strictly 45 °, and may be within 45 ° ± 15 °.

これによって、磁性ガーネット層１１の下段部１１ｂは、その上部のコア層１２に対して縦偏波に対する非相反移相効果を発現するためのクラッド層として機能し、上段部１１ａは横偏波に対する非相反移相効果を発現するためのクラッド層として機能するようになる。その結果、導波路を伝搬する縦偏波及び横偏波の両者に対して光非相反移相効果を発現することが可能な導波路構造を得ることができる。   As a result, the lower step portion 11b of the magnetic garnet layer 11 functions as a cladding layer for producing a nonreciprocal phase shift effect on the longitudinal polarization with respect to the upper core layer 12, and the upper step portion 11a acts on the transverse polarization. It comes to function as a cladding layer for developing a nonreciprocal phase shift effect. As a result, it is possible to obtain a waveguide structure capable of exhibiting an optical nonreciprocal phase shift effect for both longitudinally polarized waves and transversely polarized waves propagating through the waveguide.

なお、コア層１２を磁性ガーネット層１１ａ上に堆積させるにあたって、別の材料からなる中間層を介在させても、本発明の偏波無依存性導波路を形成することができる。この場合、中間層の厚さは、光の電磁界が磁性ガーネット層に達する程度に薄くなければならない。中間層が厚くなればなるほど、磁気光学効果の利用効率は低下する。   When the core layer 12 is deposited on the magnetic garnet layer 11a, the polarization-independent waveguide of the present invention can be formed even if an intermediate layer made of another material is interposed. In this case, the thickness of the intermediate layer must be so thin that the electromagnetic field of light reaches the magnetic garnet layer. The thicker the intermediate layer, the lower the utilization efficiency of the magneto-optic effect.

以下に、図３−図５を参照して、図２に示す導波路構造の製造方法を説明する。まず、図３（ａ）に示すように、ガーネット基板２０上に単結晶の磁性ガーネット層２１をスパッタエピタキシー等により結晶成長させる。これによって磁性ガーネット層２１は結晶性の優れた薄膜として成膜される。   Below, with reference to FIGS. 3-5, the manufacturing method of the waveguide structure shown in FIG. 2 is demonstrated. First, as shown in FIG. 3A, a single crystal magnetic garnet layer 21 is grown on a garnet substrate 20 by sputtering epitaxy or the like. As a result, the magnetic garnet layer 21 is formed as a thin film having excellent crystallinity.

次に、図３（ｂ）に示すように、磁性ガーネット層２１上にＳｉＯ2被膜２２を形成した後、金属皮膜を全面に例えば真空蒸着によって形成し、その後、例えばリソグラフィ技術を利用して壁面パターンを有する金属マスク２３を形成する。金属マスク２３は例えばクロムで形成される。その後、図３（ｃ）に示すように、金属マスク２３を用いてドライエッチング等を行い、磁性ガーネット層２１に段差構造を形成する。 Next, as shown in FIG. 3B, after the SiO 2 film 22 is formed on the magnetic garnet layer 21, a metal film is formed on the entire surface, for example, by vacuum deposition, and then, for example, a wall surface is formed using a lithography technique. A metal mask 23 having a pattern is formed. The metal mask 23 is made of chromium, for example. Thereafter, as shown in FIG. 3C, dry etching or the like is performed using the metal mask 23 to form a step structure in the magnetic garnet layer 21.

次に、図４（ａ）に示すように、金属マスク２３及びその下のＳｉＯ2層を除去した後、図４（ｂ）に示すように、段差を有する磁性ガーネット層２１上に、シリコンのプラズマＣＶＤ等によりアモルファスシリコン層２４を堆積する。次に、図４（ｃ）に示すようにアモルファスシリコン層２４に対して例えば化学機械研磨によって平坦加工を行って磁性ガーネット層２１の上段部上の不要なシリコン層を辞去する。 Next, as shown in FIG. 4A, after removing the metal mask 23 and the underlying SiO 2 layer, as shown in FIG. 4B, on the magnetic garnet layer 21 having a step, An amorphous silicon layer 24 is deposited by plasma CVD or the like. Next, as shown in FIG. 4C, the amorphous silicon layer 24 is flattened by chemical mechanical polishing, for example, so that an unnecessary silicon layer on the upper portion of the magnetic garnet layer 21 is removed.

なお、図２に関して説明したように、アモルファスシリコン層２４を磁性ガーネット層２１上に堆積するにあたって、層２１と層２４間に別の材料からなる中間層を介しても良い。この場合、中間層の厚さは後に形成されるコア層を伝搬する光の電磁界が磁性ガーネット層に達する程度に薄いものである。   2, when the amorphous silicon layer 24 is deposited on the magnetic garnet layer 21, an intermediate layer made of another material may be interposed between the layer 21 and the layer 24. In this case, the thickness of the intermediate layer is so thin that the electromagnetic field of light propagating through the core layer formed later reaches the magnetic garnet layer.

その後、図５（ａ）に示すようにＳｉＯ2被膜２５を介してホトレジスト層を形成し、これにリゾグラフィを行ってホトレジストのコアパターン２６を形成する。次に、図５（ｂ）に示すように、例えばドライエッチングによってコアパターン２６以外の部分のアモルファスシリコン層２１を除去してコア層２４ａを形成し、その後、図５（ｃ）に示すようにＳｉＯ2層２５及びコアパターン２６を除去する。これによって、コア層２４ａの底面及び側面を磁性ガーネット層２１でクラッドされた導波路構造が得られる。 Thereafter, as shown in FIG. 5A, a photoresist layer is formed through the SiO 2 film 25, and lithography is performed on this to form a photoresist core pattern 26. Next, as shown in FIG. 5B, the amorphous silicon layer 21 other than the core pattern 26 is removed by dry etching, for example, to form the core layer 24a, and then as shown in FIG. 5C. The SiO 2 layer 25 and the core pattern 26 are removed. As a result, a waveguide structure in which the bottom and side surfaces of the core layer 24a are clad with the magnetic garnet layer 21 is obtained.

上記の事例では、図４（ｂ）において磁性ガーネット層２１上にシリコンをプラズマＣＶＤによって堆積してコア層２４としているが、コア層材料は必ずしもシリコンでなくとも良い。クラッド層を形成する磁性ガーネット層に対して充分に高い屈折率を有し、且つ磁性ガーネット層上に成膜可能な材料、例えば、酸化チタン等を使用することもできる。   In the above example, silicon is deposited on the magnetic garnet layer 21 by plasma CVD to form the core layer 24 in FIG. 4B, but the core layer material is not necessarily silicon. A material that has a sufficiently high refractive index with respect to the magnetic garnet layer forming the cladding layer and can be formed on the magnetic garnet layer, such as titanium oxide, can also be used.

段差を有する磁性ガーネット層２１の磁化は、縦偏波には横方向の磁化、横偏波には縦方向の磁化が必要である（図１（ａ）及び（ｂ）参照）。従って、両偏波での光非相反移相効果は、斜め４５度に磁化することで実現できる（図２参照）。磁性ガーネットの磁化は外部磁場に容易に追従するため外部磁場の制御により操作できる。従って、導波路構造の形成後に外部磁場を印加することにより、横偏波、縦偏波同時に光非相反移相効果が得られ、偏波無依存の磁気光学デバイスが実現できる。   As for the magnetization of the magnetic garnet layer 21 having a step, the magnetization in the transverse direction is required for longitudinal polarization, and the magnetization in the longitudinal direction is necessary for transverse polarization (see FIGS. 1A and 1B). Therefore, the optical nonreciprocal phase shift effect in both polarizations can be realized by magnetizing at an angle of 45 degrees (see FIG. 2). Since the magnetization of the magnetic garnet easily follows the external magnetic field, it can be operated by controlling the external magnetic field. Therefore, by applying an external magnetic field after the formation of the waveguide structure, an optical nonreciprocal phase-shifting effect can be obtained simultaneously with transverse polarization and longitudinal polarization, and a polarization-independent magneto-optical device can be realized.

図６（ａ）、（ｂ）に、本発明で提案する導波路構造で偏波無依存動作を与える導波路型光アイソレータの実施形態を示す。図６の（ａ）は偏波無依存性導波路型光アイソレータの構成概念図であり、図６（ｂ）はこの光アイソレータに組み込まれた非相反移相器の断面構造を示す。   6 (a) and 6 (b) show an embodiment of a waveguide type optical isolator that provides a polarization-independent operation in the waveguide structure proposed in the present invention. 6A is a conceptual diagram of the configuration of a polarization-independent waveguide type optical isolator, and FIG. 6B shows a cross-sectional structure of a nonreciprocal phase shifter incorporated in the optical isolator.

図６に示す光アイソレータはマッハツェンダー干渉計構造からなり、それぞれのアーム部を、本発明で提案する非相反移相器と、アームの光路長差により構成される相反移相器で構成している。非相反移相器では両アーム間で順方向では−π／２、逆方向では＋π／２の光非相反な位相差を与える。相反移相器では＋π／２の相反な位相差を与える。したがって、順方向ではこれらが打ち消され同位相、逆方向では足し合わされ逆位相となり、マッハツェンダー干渉計は順方向で透過、逆方向で遮断する光アイソレータとなる。   The optical isolator shown in FIG. 6 has a Mach-Zehnder interferometer structure, and each arm part is composed of a nonreciprocal phase shifter proposed in the present invention and a reciprocal phase shifter configured by the optical path length difference of the arm. Yes. In the nonreciprocal phase shifter, an optical nonreciprocal phase difference of −π / 2 in the forward direction and + π / 2 in the reverse direction is given between both arms. The reciprocal phase shifter gives a reciprocal phase difference of + π / 2. Accordingly, these are canceled out in the forward direction and in-phase, and in the reverse direction, they are added to become the opposite phase, and the Mach-Zehnder interferometer becomes an optical isolator that transmits in the forward direction and blocks in the reverse direction.

図６（ｂ）に、両偏波で上記の動作を実現するためのデバイス構造と磁化方向を示す。非相反移相器で非相反な位相差を得るためには、上下のアーム３０ａ、３０ｂ間で異なる符号の非相反移相効果を与える必要がある。縦偏波に対する非相反位相効果は、磁化が横方向の成分を持ち、かつ上下のアームで向きを反転することで実現できる。横偏波に対しては、磁化が縦方向の成分を持ち、かつ上下のアームで導波路構造を左右反転することで実現できる。   FIG. 6B shows a device structure and a magnetization direction for realizing the above operation with both polarizations. In order to obtain a nonreciprocal phase difference with a nonreciprocal phase shifter, it is necessary to provide a nonreciprocal phase shift effect with different signs between the upper and lower arms 30a, 30b. The nonreciprocal phase effect on the longitudinal polarization can be realized by magnetization having a transverse component and reversing the direction between the upper and lower arms. For transversely polarized waves, the magnetization has a longitudinal component, and can be realized by horizontally reversing the waveguide structure with the upper and lower arms.

なお、図６（ａ）、（ｂ）において、アーム３０ａ、３０ｂは、例えばアモルファスシリコンのような高屈折率材料で形成されたコア層で形成される。３１は段差を有する磁性ガーネット層であり、３１ａは段差の上段部を示す。３２はガーネット基板、磁性ガーネット層３１中に示される矢印は磁化方向を示している。また、図に一実施形態の概略のサイズを記載している。   6A and 6B, the arms 30a and 30b are formed of a core layer formed of a high refractive index material such as amorphous silicon. Reference numeral 31 denotes a magnetic garnet layer having a step, and 31a denotes an upper part of the step. Reference numeral 32 denotes a garnet substrate, and an arrow shown in the magnetic garnet layer 31 indicates a magnetization direction. Moreover, the schematic size of one embodiment is described in the figure.

図６では、本発明の一実施形態としての偏波無依存性導波路型光アイソレータを示しているが、本発明で提案する導波路構造はこの実施形態に限定されるものではなく、例えば光サーキュレータに容易に適用できることは明らかである。またこのような偏波無依存性導波路型光アイソレータ、光サーキュレータを、レーザー発光装置、光電変換器、光増幅器、光スイッチ等の光回路素子と適宜組み合わせて同一の基板上に集積化して形成することで、容易に光集積回路を形成することができる。   FIG. 6 shows a polarization-independent waveguide type optical isolator as an embodiment of the present invention. However, the waveguide structure proposed in the present invention is not limited to this embodiment. It is clear that it can be easily applied to circulators. In addition, these polarization-independent waveguide type optical isolators and optical circulators are integrated on the same substrate by appropriately combining with optical circuit elements such as laser light emitting devices, photoelectric converters, optical amplifiers, optical switches, etc. Thus, an optical integrated circuit can be easily formed.

１０ 単結晶ガーネット基板
１１ 磁性ガーネット層
１１ａ 磁性ガーネット層の下段部
１１ｂ 磁性ガーネット層の上段部
１２ アモルファスシリコンのコア層
２０ 単結晶ガーネット基板
２１ 磁性ガーネット層
２２ ＳｉＯ２層
２３ 金属マスク
２４ アモルファスシリコン層
２５ ＳｉＯ２層
２６ コアパターン DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Single crystal garnet board | substrate 11 Magnetic garnet layer 11a Lower stage part of magnetic garnet layer 11b Upper stage part of magnetic garnet layer 12 Amorphous silicon core layer 20 Single crystal garnet board 21 Magnetic garnet layer 22 SiO 2 layer 23 Metal mask 24 Amorphous silicon layer 25 SiO 2 layer 26 Core pattern

Claims (3)

単結晶ガーネット基板上に単結晶の磁性ガーネット層をエピタキシャル成長させ、
前記エピタキシャル成長させた単結晶の磁性ガーネット層を壁面加工して上段と下段からなる段差構造を形成し、
前記段差構造を含む前記単結晶の磁性ガーネット層上にコア層材料を成膜し、
前記段差構造の上段部分が露出するように、前記成膜されたコア層材料を平坦化し、
前記平坦化されたコア層材料の一部を除去して導波路コアを形成し、
前記磁性ガーネット層を前記ガーネット基板表面に対して４５°±１５°方向に磁化する、
各ステップを備える、偏波無依存性導波路型磁気光学デバイスの製造方法。 The magnetic garnet layer of a single crystal is epitaxially grown on a single crystal garnet substrate,
The epitaxially grown single crystal magnetic garnet layer is processed into a wall to form a step structure consisting of an upper stage and a lower stage,
Forming a core layer material on the single-crystal magnetic garnet layer including the step structure ;
As the upper portion of the stepped structure is exposed to planarize the deposited core layer materials,
It said forming a waveguide core by removing a portion of the flattened core layer materials,
Magnetizing the magnetic garnet layer in a 45 ° ± 15 ° direction with respect to the garnet substrate surface;
A method of manufacturing a polarization-independent waveguide-type magneto-optical device, comprising each step. 請求項１に記載の製造方法において、前記単結晶の磁性ガーネット層はスパッタエピタキシーによって形成される、偏波無依存性導波路型磁気光学デバイスの製造方法。 2. The manufacturing method according to claim 1 , wherein the single-crystal magnetic garnet layer is formed by sputtering epitaxy. 請求項１又は２に記載の製造方法において、前記コア層材料はシリコンのプラズマＣＶＤによって前記単結晶の磁性ガーネット層上に形成されたアモルファスシリコンである、偏波無依存性導波路型磁気光学デバイスの製造方法。 The method of manufacture according to claim 1 or 2, wherein the core layer materials are amorphous silicon emissions formed on the magnetic garnet layer of the single crystal by plasma CVD of silicon, polarization-dependent waveguide type magnetic A method for manufacturing an optical device.
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