JPH08507160A - 薄膜磁気光学偏光回転子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 偏光回転子装置において、薄膜磁気光学媒体が薄膜磁石により磁化される。光学アイソレータとして利用できるために、その装置は偏光子を含んでいてもよい。磁気光学媒体がBi-YIG三層構造として形成され、そして薄膜磁石が単結晶鉄−コバルト層として形成されたこのような光学アイソレータにおいて、-20dBより良好な消光比が実現された。

Description

【発明の詳細な説明】 薄膜磁気光学偏光回転子 発明の背景 本発明は、薄膜集積光学装置中に包含させるのに適する磁気光学偏光回転子構 造に関する。 偏光子と検光子の間に置かれる場合、偏光回転子は、例えば、光通信系におい て反射される光線から半導体光源を隔離するための光学アイソレータとして利用 できる。磁気光学偏光回転子は、例えば、光伝播の方向に磁化された単結晶イッ トリウム鉄ガーネット（“YIG”、Y₃Fe₅O₁₂）の磁性ガーネット媒体を含み得る 。例えば、導波路集積光学装置中での使用に対して、回転子媒体は基板上に薄膜 として形成されることが好ましい。 本発明に関する背景文献は、以下のとおりである。 J.F.Dillonらに1991年７月16日に発行された米国特許第5,031,983号、“導波 路磁気光学アイソレータを含む装置”は、印加磁場中の磁性媒体を含む光学導波 路アイソレータを開示している。導波路はガドリニウムガリウムガーネット（“ GGG”、Gd₃Ga₅O₁₂）の基材上の変性ビスマスイットリウム鉄ガーネット（Bi-YIG ）の多層膜として形成される。 W.F.M.Tolksdorfらに1987年12月15日に発行された米国特許第4,712,855号、“ 平面光学導波路およびその製造方法”は、望ましくないモードの伝播を抑制した 多層導波路構造を開示している。これらの層は変性イットリウム鉄ガーネット材 料からつくられる。 S.Matsushitaらに1975年１月14日に発行された米国特許第3,860,325号、“電 場変位型光学アイソレータ”は、横方向の磁場中の光路の変位に基く光学アイソ レータを開示している。適当に配置された吸収媒体により、導波路中を一方向に 進行する光が、反対方向に進行する光に較べて大きく吸収される。 K.Takiに1990年11月27日に発行された米国特許第4,973,119号、“光学導波路 アイソレータ”は、基板上の多層モードコンバーターを含む磁気光学アイソレー タを開示している。このコンバーターは光の伝播方向に垂直に磁化されている。 K.Matsudaらによる論文、“ストリップ磁性ドメインを有する（BiY）₃Fe₅O₁₂ 導波路の無磁石ファラデー回転子”、Applied Phy-sics Letters，59巻，1991， 507-509頁は、Bi-YIG透過媒体中にストリップ磁性ドメインを有する、無磁石の 偏光回転子を開示している。 R.Wolfeらによる論文、“エッチ−チューニングされたリッジ導波路磁気光学 アイソレータ”、Applied Physics Letters，56巻，1990，426-428頁は、磁気光 学アイソレータ中の反射光の遮断を改善するために、三層Bi-YIG膜を化学エッチ ングして偏光回転子中の線形複屈折を減少することを開示している。 R.Wolfeらによる論文、“磁気光学導波路装置のためのゼロ線形複屈折を有す る薄膜ガーネット材料”、Journal of Applied Physics，63巻，1988，3099-310 3頁は、エピタキシャル膜中の複屈折の原因および補償手段を記載している。 G.A.Prinzによる論文、“ハイブリッド強磁性半導体構造”、Science，250巻 ，1990，1092-1097頁は、半導体基板上の鉄およ び鉄合金の単結晶膜の製造を開示している。 M.McGlashan-Powellらによる論文、““平面”磁性ガーネット膜の磁気光学導 波路ヒステリシスループ”、Journal of Applied Physics，66巻，1989，3342-3 347頁は、Bi-YIGエピタキシャル層に対するほぼ面内の磁化容易軸を開示してい る。 E.Yablonovitchらによる論文、“OEICのためのエピタキシャルリフトオフ技術 ”、米国物理学会、米国真空協会シリーズ10、会議議事録，1991，154-156頁は 、エピタキシャルに成長された膜を一つの基板から他の基板に移すためのリフト オフ技術を開示している。 D.I.Bardosによる論文、Journal of Applied Physics，40巻，1969，1371-137 2頁は鉄−コバルト合金のヒステリシス研究につき報告している。 記載された偏光回転子および磁気光学アイソレータは大きな磁石またはソレノ イドを使用して磁気光学媒体を磁化するための磁場を発生する。このような磁場 発生源は集積光学系への適用には適しない。発明の要約 薄膜磁気光学媒体を含む偏光回転子装置は、その媒体を磁化するための薄膜磁 石を備えている。図面の簡単な説明 図１は本発明の好ましい第一実施態様の拡大斜視図である。 図２は本発明の好ましい第二実施態様の拡大斜視図である。 図３は本発明の理想化された実施態様に関して長さ（ミリメートール）の関数 としての長さ方向の磁場強度（エルステッド）のグラフである。 図４は３ミリメートールの長さを有する本発明の理想化された実施態様の長さ 方向に沿った位置（ミリメートール）の関数としての水平および垂直の磁場成分 強度（エルステッド）のグラフである。 図５は本発明の実施態様に従った好ましい光学アイソレータ装置の略図である 。好ましい実施態様の詳細な説明 図１は基板１、磁気光学導波路層構造２、誘電バッファ層３、磁石層４、およ び偏光保持光ファイバー５を示す。導波路層構造２は層21、22および23を含み、 後者は導波路リッジを有する。磁石層４は導波路リッジに平行な方向Ｍに磁化さ れている。バッファ層３の包含は（金属）磁石層による光の吸収を最小にするた めに好ましい。 図２は基板１、層21、22および23を有する磁気光学導波路層構造２、磁石層41 および42、並びに偏光保持光ファイバー５を示す。磁石層41および42は導波路リ ッジに平行な方向Ｍに磁化されている。 好ましい実施態様において、光ファイバー５は導波路リッジ21に対し突き当て られていてもよく、または収束レンズがファイバー端部と導波路リッジの間に置 かれていてもよい。ファイバー−光通信およびオプトエレクトロニクスの分野で 使用される光ファ イバーは典型的には約1.3または1.55μmの波長での透過が最適化されている。本 発明の装置の材料および寸法はそれに合わせて選択し得る。 導波路層または層構造は、装置基板上でエピタキシャルに成長または付着し得 る。また、導波路層は補助基板上で成長され、補助基板から脱着され、そして装 置基板に移植されてもよい。例えば、上記のE.Yablonovitchらによる論文を参照 のこと。このような所謂エピタキシャルリフトオフ処理は、例えば、光学導波路 膜をシリコン基材に接着するのに使用し得る。 磁石層は、例えば、分子ビームエピタキシー（MBE）または電子線蒸着により 、単結晶または多結晶形態でつくられてもよい。多結晶材料はまた磁性粉末を焼 結することにより形成されてもよい。装置の製造に際して、磁石層が直接形成さ れたものとして含まれてもよく、または移されたものとして含まれてもよい。接 着剤が移された膜を付着または接着するのに使用し得る。 好適な磁石材料として、単結晶鉄−コバルト、多結晶サマリウム−コバルト、 および多結晶ネオジム−鉄−ホウ素が挙げられる。永久磁化のために、多結晶磁 石層は、例えば、電子線蒸着により磁場中で成長されることが好ましい。このよ うな好ましい成長は、結晶の磁化容易軸が少なくとも近似的に平行に配列された 多結晶膜を形成する。有利なことに、このような多結晶膜は15kG程度に大きい飽 和保磁力を有し得る。 磁石層は磁性導波路材料の磁気飽和のために配置されることが好ましい。図１ および２により示された構造の別型として、磁石層は上部に代えて基板と導波路 層構造の間に配置されてもよい。 多重磁石層または領域は図２に示されたように含まれていてもよく、このような 層はまた導波路層構造の上層および下層として含まれていてもよい。 図３および４のグラフは、21,000エルステッドの残留磁気（４πＭ）、1.5μm の厚さ、および実質的に無限の幅を有する鉄−コバルト磁石膜に対して理論的な 誘導に基いて作成された。光学導波路の磁場は約１cmより大きい磁石幅に対して 実質的に変化しないので、後者の条件は実際に十分な近似である。図３および４ において、磁場強さの値はその表面の８μm下、即ち、典型的には導波路の充分 下の位置に関するものである。導波路において、典型的にはその表面に近い位置 で、更に大きな磁場強さが実現されているであろう。 図３は装置長さと装置の中間点における長さ方向または水平の磁場強さの反比 例の関係を示し、この場合、水平磁場が最も弱い（図４、実線を参照のこと）。 それ故、磁気光学導波路の磁化をその全長に沿って飽和するのに充分に強い磁場 を生じる磁石層に対して、装置は比較的短いものである必要がある。一方、装置 はその装置の長さに沿って磁気光学導波路の充分な光学活性（ファラデー回転） に充分に長いものである必要がある。典型的には、例示の導波路材料につき、飽 和磁場強さはほぼ５〜10エルステッドである。図３は、５〜10エルステッドの範 囲の最小磁場強さに対して、磁石長さが逆に２〜４mmの範囲であることを示す。 磁気光学導波路材料による減磁場の効果は一般に膜磁石により生じた磁場と較べ てごくわずかである。 横方向または垂直の磁場成分（図４、破線）は、望ましくない ことに、それが磁気光学導波路材料中の磁性ドメインの形成を促進することに関 係する。それ故、装置端部付近の垂直の磁場強さを最小にするために、磁石は10 μm以上のオーダーの短い距離だけ導波路の端部に突き出すべきである。導波路 に沿った小さい垂直磁場は一般に導波路層の平面付近に容易な磁化の軸を有する 例示の導波路材料に対して装置性能に悪影響を有しない。 図５に示された光学アイソレータ装置は、それらの偏光方向が45°の角度で配 置された第一偏光子51および第二偏光子52、並びに偏光子の間の45°の偏光回転 子装置53を含む。 本発明の更に別の用途は、薄膜磁石により磁気飽和された長さにわたって偏光 の90°の回転を必要とするTE-to-TMモードコンバーターである。 実施例 Bi-YIG三層膜導波路を、単一のTEおよびTMモードを支持するように設計された 、R.Wolfeら（1990）により上記の論文に記載されたようにして製造した。膜を 、（111）配向されたガドリニウム−ガリウムガーネット基板上に通常の液相エ ピタキシーにより成長させた。上の二つの層は公称の組成（Bi_0.5Y_2.5）（Fe_3.7 Ga_1.3）O₁₂を有していた。上層にほぼ平面の磁化異方性（near-planar magnetiz ation anisotropy）を与え、そしてほぼl.5μmの波長におけるゼロ線形複屈折の ために、Wolfeの論文に記載されたようにして膜をアニーリングし、エッチング した。リッジ導波路をBi-YIGの磁化容易軸の一つに平行にエッチングし、そして １μm未満の厚さを有するシリカ層をバッファ層として、またほぼl.55μmの波長 におけるゼロ複屈折へのチューニングのために導波路の上に スパッタリングした。 バルク磁石により発生された磁場中で、Bi-YIG膜中のファラデー回転を測定し たところ、1.55μmの波長で127°/cmであり、その結果、3.55mmの導波路の長さ は45°の回転を与える。試料をこの長さに切断し、その端部を光学研磨した。バ ルク磁石により発生された磁場中の試料を用いて、DFBダイオードレーザーから の1.55μｍの直線偏光を偏光保存単一モードファイバーを通してリッジ導波路の 一端にカップリングさせた。他端から出射する光を顕微鏡対物レンズでコリメー トし、金属薄膜近赤外アナライザに通し、そしてマルチメーターにカップリング されたゲルマニウム光電検出器で検出した。予想された偏光の45°回転が観察さ れた。 鉄−コバルト磁石膜用の矩形（110）-GaAs基板を〈110〉方向に異なる短辺長 さ、そして１cmの長辺で切断した。基板上で、単結晶鉄−コバルト膜を30重量％ の鉄および70重量％のコバルトによる分子線エピタキシーにより形成した。膜厚 はl.5μmであった。この膜は基板の〈110〉方向に沿って単一の磁化容易軸およ び純鉄の膜よりも高い飽和保磁力を有する。ヒステリシス研究は、印加磁場に対 するフラット矩形応答および約21,000エルステッドの残留磁気（４πＭ）で約50 エルステッドの飽和保磁力を示す。 実験回転子装置を、それぞれ、3.55mmの長さの基板支持Bi-YIGリッジ導波路の 上に、二つまたは三つの完全磁化された基材支持鉄−コバルト磁石膜を順次に配 置してほぼ４mmの長さの実質的に連続な層を形成することにより製造した。磁化 は、図１に示されるように、リッジ方向に平行であった。直線偏光で上記のよう に して観察されたファラデー回転は45°未満であり、これは膜磁石が導波路の全長 に沿って磁化を充分に飽和していないことを示す。 実現されたファラデー回転の量はBi-YIGの以前の磁化状態に依存することがわ かった。Bi-YIGが最初に時計回りのファラデー回転を生じるように外部磁石によ り磁極化（poled）され、次に膜磁石が光学チャンネルの上に配置されて反時計 回りの回転を誘導する場合、観察されたファラデー回転は約30°の反時計回りで あった。これは導波路の長さの75〜90％の飽和を意味する。一方、膜磁石が時計 回りの回転を生じるように配向され、即ち、最初の磁極磁石（poling magnet） の配向と同じであった場合、導波路中に誘導されたファラデー回転は磁極磁石の 除去後に約40°であった。 完全な45°の回転が実現されなかったという事実はBi-YIG導波路における端部 効果に原因するかもしれない。これは、3.3mmの鉄−コバルト磁石膜を導波路の 軸に対し角度をなして配置して導波路のそれぞれの端部で約50−100μmの突き出 しに相当する効果を生じさせることにより確かめられた。その結果、装置端部で 磁場強さを増大することで、45°の回転が実現された。 この実施例に使用された材料と同様の飽和磁場強さを有する導波路材料におけ る磁化の完全飽和は、１〜３mmの範囲の長さを有する更に短い導波路で実現し得 る。このような長さに対して、45°の偏光回転を維持するためには、増大された 特定のファラデー回転が必要とされる。このような増大された特定のファラデー 回転を有し、例えば、１〜３mmで45°回転できる好適なBi-YIG導波路は、導波路 層中のビスマス含量を増大することにより製造し得る。 実験磁気光学アイソレータにつき有効な分離比を測定するために、磁石片セッ トをその磁化の方向を導波路リッジに平行にして配置し、そしてアナライザをこ の配置に対して消光角で配置した。アナライザを透過した出力を測定した後、磁 化を最初の磁化の方向に反平行に配向するように磁石片セットを180°回転させ 、そして透過した出力を再度測定した。次にアナライザを通る光は最高に近かっ た。R.Wolfeら（1990）に従って、二つの磁化方向に対して検出された強度の比 をリッジ導波路アイソレータの分離比として採用した。得られた値は１〜120で あり、−21 dBの分離比に相当した。45°未満のファラデー回転による減衰を約 −１ dBで測定し、これはアイソレータの長さを上記のように短くすることによ り実質的に排除し得る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 オスグッド，リチャード エム. アメリカ合衆国 10514 ニューヨーク州 チャッパクア，クェーカーストリート 345番地

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．磁気光学層を含み好ましい光伝播方向を有する薄膜光学導波路、および好ま しい光伝播方向に実質的な成分を有して永久磁化され前記導波路の充分に近くに 配置されて磁気光学層の少なくとも一部の磁化を飽和し、光学導波路中を伝播す る光の偏光を回転する薄膜磁石層を含むことを特徴とする光学装置。 ２．磁気飽和部分が光出力の殆どを伝送する請求項１に記載の装置。 ３．磁石層が光伝播方向および光伝播方向と反対方向の少なくとも一つに磁気光 学層を越えて延びている請求項１に記載の装置。 ４．磁石層および導波路層が共通の基板により支持されている請求項１に記載の 装置。 ５．導波路層が基板と磁石層の間にある請求項４に記載の装置。 ６．磁石層が基板と導波路層の間にある請求項４に記載の装置。 ７．複数の磁石層を含む請求項４に記載の装置。 ８．磁石層と導波路層の間にバッファ層を更に含む請求項１に記載の装置。 ９．磁石層がエピタキシャル成長された請求項１に記載の装置。 10．磁石層がエピタキシャルリフトオフ処理により配置された請求項９に記載の 装置。 11．磁石層が多結晶であり、結晶が互いに実質的に平行に配列される磁化容易軸 を有する請求項１に記載の装置。 12．磁石層の材料が単結晶形態である請求項１に記載の装置。 13．磁石層が導波路層に接近して保持されている請求項１に記載 の装置。 14．磁石層が付着されている請求項13に記載の装置。 15．磁石層が接着されている請求項13に記載の装置。 16．導波路層がエピタキシャル成長された請求項１に記載の装置。 17．導波路層がエピタキシャルリフトオフ処理により配置された請求項16に記載 の装置。 18．光学導波路層の材料が実質的にBi-YIGからなる請求項１に記載の装置。 19．磁石層の材料が実質的に鉄−コバルトからなる請求項１に記載の装置。 20．導波路が三層構造として形成される請求項１に記載の装置。 21．光伝播方向に沿って光学分離のための導波路に対し配置された、偏光方向が 実質的に45°の角度を形成する第一偏光子および第二偏光子を更に含む請求項１ に記載の装置。 22．光学分離が少なくとも−20 dBの消光比を有する請求項21に記載の装置。 23．好ましい光伝播方向を有する磁気光学層を含む薄膜光学導波路、および好ま しい光伝播方向に実質的な成分を有して永久磁化され前記導波路の充分に近くに 配置されて磁気光学層の少なくとも一部の磁化を飽和し光学導波路中を伝播する 光の偏光を回転する薄膜磁石層を含む層構造を形成することを特徴とする光学装 置の製造方法。 24．磁気飽和部分を光出力の殆どを伝送するようにつくる請求項23に記載の方法 。 25．磁石層を光伝播方向および光伝播方向と反対方向少なくとも 一つに磁気光学層を越えて延びるように形成する請求項23に記載の方法。 26．磁石層および導波路層構造を基板により支持してつくる請求項23に記載の装 置。 27．導波路層は基板と磁石層の間に配置されている請求項26に記載の方法。 28．磁石層を基材と導波路層の間に配置する請求項26に記載の方法。 29．複数の磁石層を形成する請求項26に記載の方法。 30．磁石層と導波路層の間にバッファ層を配置することを更に含む請求項23に記 載の方法。 31．磁石層をエピタキシャル成長させる請求項23に記載の方法。 32．磁石層をエピタキシャルリフトオフ処理により配置する請求項31に記載の方 法。 33．磁石層が多結晶であり、結晶が互いに実質的に平行に配列された磁化容易軸 を有する請求項23に記載の方法。 34．磁石層の材料が単結晶形態である請求項23に記載の方法。 35．磁石層を導波路層に接近して保持する請求項23に記載の方法。 36．磁石層および導波路層を相互に付着する請求項35に記載の方法。 37．磁石層および導波路層を相互に接着する請求項35に記載の方法。 38．導波路層をエピタキシャル成長させる請求項23に記載の方法。 39．導波路層をエピタキシャルリフトオフ処理により配置する請求項38に記載の 方法。 40．光学導波路の材料が実質的にBi-YIGからなる請求項23に記載の方法。 41．磁石層の材料が実質的に鉄−コバルトからなる請求項23に記載の方法。 42．導波路を三層構造として形成する請求項23に記載の方法。 43．光伝播方向に沿って光学分離のための導波路に対し配置された、偏光方向が 実質的に45°の角度を形成する第一偏光子および第二偏光子を形成することを更 に含む請求項23に記載の方法。 44．光学分離が少なくとも−20 dBの消光比を有する請求項43に記載の方法。