JPS6011327B2 - 薄膜光導波管装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は薄膜光導波管装置に関するものである。

計画中の光通信システムにおいては、情報を運ぶ光波を
譲導し処理する光集積回路装置が望ましい。

このことによりそれより低い周波数のシステムにおける
長方形導波管又は同軸ケーーブルと関連した装置と同様
に各種の薄膜光導波管及び関連した装置に関して多くの
研究が行われてきた。

光集積回路に関する初期の研究により、計画中の光通信
システムが実際に成功するか杏かは、適当な光伝播特性
をもちかつ光学的に誘導された光波を操作することも含
んだ装置の作成に適した薄膜材料の開発に大きく依存し
ていることが明らかになった。一般的な光集積回路に関
する説明及び光学回路装置がとるであろう多くの形につ
いての説明は、ベル システム テクニカル ジヤーナ
ル、４袋登１９６単王９月、２０５９一２０６９頁を参
照されたい。適当な光学材料を開発しようとしたこの分
野での初期の研究には、各種の結晶材料を薄膜用として
用いることが含まれていた。その最も顕著なものは、酸
化亜鉛及び硫化亜鉛である。しかし、実験により酸化亜
鉛及び硫化亜鉛薄膜は多結晶構造であるため、光導波管
としては不適当な高散乱損失を有することが明らかにな
った。その後のたとえばヒ化ガリウムといった材料の単
結晶薄膜に関する実験によって、散乱損失は幾分改善さ
れた。しかし、なお材料中のキャリア濃度が高いため、
薄膜中の損失は不満足なほど高い。更に、ヒ化ガリウム
材料の屈折率が大きい（ｎ三３．６）ため、その薄膜を
典型的な光輝信系に用いることは非常に困難になってい
る。散乱損失及び吸収損失が低く、誘導薄膜平面内で譲
導された光波を操作し得る光譲導薄膜を実現するという
先の問題は、本発明に従い解決される。

本発明の光導波管装置は二つの滑らかな主表面を有する
光学的に透明なガーネット結晶材料の第１のブロックか
ら成る。二つの主表面はその中を謙導される光波の波長
程度の距離だけ離されている。また装置は第１のブロッ
クに対する基板を形成し、第１のブロックより屈折率の
小さい光学的に透明なガーネット結晶の第２のブロック
から成る。本発明は基本的には各種の合成ガーネット材
料が光集積回路装置に対し理相的な光学的及び磁気的特
性を有するという事実に基づいている。

ガーネット基板上に形成された稀士類ガーネット単結晶
薄膜は、光学的に誘導された光波に対し本質的に散乱損
失及び吸収損失が低い理想的な光導波管を、可視光ある
いは近可視光において実現する。本発明の原理に従うと
、本発明による薄膜導波管装置は、組成がＲ３Ｂ５０，
２であり、前記Ｒをイットリウム、ランタニウム、ビス
マス及び稀士類の原子番号が６０乃至７１の元素の中か
ら選択された元素とし、前記Ｂをガリウム又はアルミニ
ウムとし、光学的に透明なガーネット構造単結晶材料か
ら成る基板１２、及び組成がＲ′３８５０，２であり、
前記Ｒ′をイットリウム、ランタニウム、ビスマス及び
稀土類の原子番号が６０乃至７１の元素の中から前記基
板材料と格子定数が０．０１Ａ乃至０．０２Ａの範囲内
で整合するように選択された元素とし、前記Ｂ′を前記
基板材料のＢがガリウムの場合には鉄としまた該基板材
料のＢがアルミニウムの場合には鉄又はガリウムとする
ことによって前記基板材料よりも高屈折率とし、光の波
長程度の厚さに前記基板上にェピタキシャル成長された
光学的に透明なガーネット構造単結晶材料から成る薄膜
導波層１１を備える。

本発明による別の薄膜導波管装置は、組成がＲ３Ｂ○，
２であり、前記Ｒをイットリウム、ランタニウム、ビス
マス及び稀士類の原子番号が６０乃至７１の元素の中か
ら選択された元素とし、前記Ｂをガリウム又はアルミニ
ウムとし、光学的に透明なガーネット構造単結晶材料か
ら成る基板１２、組成がＲ′３Ｂ′５０，２であり、前
記Ｒ′をイットリウム、ランタニウム、ビスマス及び稀
土類の原子番号が６０乃至７１の元素の中から前記基板
材料と格子定数が０．０１Ａ乃至０．０２人の範囲内で
整合するように選択された元素とし、前記Ｂ′を鉄とす
ることによって前記基板材料よりも高屈折率とし、光の
波長程度の厚さに前記基板上にェピタキシャル成長され
た光学的に透明なガーネット構造単結晶材料から成る薄
膜導波層１１、光ビームを前記薄膜導波層内に導入する
手段１３，３３、前記薄膜導波層内に所定の時間的周期
で前記光ビームの伝播方向に空間的な周期をもった磁化
方向の変化を生じさせる交互に変化する磁場を発生する
手段３５、及び前記薄膜導波層から所定の偏光モードの
光ビームを選択的に出力として取り出す手段３４，３６
を備える。

薄膜は低屈折率ガーネット基板上に成長され、薄膜平面
と平行に誘導されその中を伝搬される光の波長とほぼ同
じ薄い形状を有する。滋性即ち鉄を含んだガーネット材
料を薄膜に用いることにより、光集積回路中に有用な多
くの薄膜磁性装置が生じる。本発明の一実施例において
は、薄膜磁性光学スイッチ及び変調器について説明する
。装置は鉄ガーネット組成の光導波薄膜とスイッチング
電流を流すための薄膜上に形成された曲りくねった微細
回路から成る。回路の形態を適切に選ぶことにより、装
置は薄膜中を伝播する光波を連続的にＴＥモードの偏光
からＴＭモードの偏光に又はその逆にスイッチングを行
う。同に、同じ回路にマイクロ波電流を供Ｖ給すること
により、誘導された光を変調することができる。第１図
には本発明に従う薄膜光導波管が示さている。薄膜光導
波管は基板１２上に形成された透明なガーネット材料の
薄膜１１から成り、基板１２はまた薄膜のそれより低い
屈折率を有する透明ガーネット材料から成る。薄膜１１
はその中を伝播される光の波長とほぼ同じ厚さを有し、
そのため光は薄膜の誘電率の不連続則ち基板と薄膜及び
空気と薄膜との境界の不連続により、その寸法に効果的
に閉じこめられる。本発明の目的のためには、薄膜の厚
さは波長の０．１なし、しＩＯＮ音の範囲で良く、波長
の１ないし１山音の厚さが良い結果を生むことがわかっ
た。薄膜の二つの広い方向への光の伝播は、典型的な場
合には制限されない。光を薄膜中に導入しかつ放出する
ため、プリズム結合装置１３及び１４が備えられている
。光は典型的な場合光領域の波長（可視光及び近可視光
波長を含む）と可千渉性で、たとえばレーザーのような
適当な発生源から供給される。図示されていない検出回
路は典型的な場合、放出光を受けるために配置される。
まだ、偏光波を用いるような実施例においては、入射光
又は放出光を偏光させる手段（図示されていない）を備
えることもできる。上に述べたような具体的な結合プリ
ズム１３及び１４はアプライド、フイジツクスレターズ
１４巻（１９６９）２９１頁に詳細に述べられている。

同じ機能を果すために他の手段を用いることができる。
たとえば議導薄膜の表面上に薄膜と伴に集積構造とし得
るよう直接形成されたグレーティングにより、光学的な
結合及び分離が行える。そのような結合装置はバルクを
小形にするため光集積回路装置とすることが望ましい。
その場合は小形化及び簡単化が重要である。グレーティ
ングカップラは第３図の実施例に具体的に示されている
。上に述べたように、本発明に用いるガーネット材料は
一般に式Ｒ３８０，２ で表わされる材料である。

ここで、Ｒはイットリウム、ランタン又はビスマス、あ
るいは原子番号６０から７１のいずれかの稀士類イオン
、稀士類イオン間の混合体又は稀士類イオンとイットリ
ウム、ランタン又はビスマスとの混合体でＢは鉄、ガリ
ウム又はアルミニウムあるいは適当なもう一つの元素と
の混合体である。本発明に従い用いられるガーネット材
料の基本的な種類は、早く１９５６年（コンブトーレン
ダス４２蓋、斑２頁）に知られている。おそらく最も良
く知られているガーネットはいよいよ簡単にＹＩＧと呼
ばれるＹ３Ｆｅ５０，２イットリウム鉄ガーネットであ
る。それらの有用な磁性特性により、ガーネット材料は
ごく最近磁気バブルドメィン装置と関連し、理論的かつ
実験的に多くの検討がされている。その検討の結果、多
くの種類のガーネットに対する成長特性が良く理解され
た。加えて、寸法的に良い特性と単結晶としての良い品
質を有する磁性及び非磁性ガーネット結晶を成長させる
いくつかの技術が存在する。適当な技術で成長させるな
らば、稀士類ガリウム又はアルミニウムガーネットバル
ク単結晶は光導波管として全光波領域で無視し得る程度
の（散乱及び吸収）損失しかもたず本質的に透明である
ことがわかった。従って、そのような非磁性ガーネット
は第１図に示された形の装置として使用するのに非常に
適している。

適切に成長させた稀士類鉄ガーネットは１．２ないし５
．０ミクロンの波長領域の誘導波に対し、０．１ｄＢ′
伽程度の光学的損失を有することがわかっている。そし
てまた有用な磁気特性を有するという点もつけ加わって
いる。鉄ガーネット薄膜のこれら損失は同じ波長領域に
おける同様の酸化亜鉛薄膜の６世Ｂ／弧及び同様のヒ化
ガリウム薄膜の１０班／肌という大きな損失に比べると
小さい。第１図の実施例の光導波管を実現するためには
、薄膜１１の屈折率は基板１２のそれより大きくなけれ
ばならないことが明らかになっている。

たとえば、１．５２ミクロンのレーザー波長に対し、す
べての稀土類鉄ガーネット材料は２．２２土０．２の屈
折率を有し、稀士類ガリウムガーネット及び稀士類アル
ミニウムガーネットの屈折率はそれぞれ１．９４±０．
２及び１．８２±０．２である。ガ−ネット組成中の稀
土類イオンを他の稀士類イオンと置きかえても、典型的
な場合材料の屈折率には影響がなく、以下に述べる他の
目的に有用である。従って、第１図の実施例に通した装
置は、ガリウム又はアルミニウムガーネット基板上に形
成した鉄ガーネット薄膜及びアルミニウム基板上に成長
させたガリウムガーネットを含むことがわかる。また、
材料の屈折率を上げたりあるいは下げたりする働きをも
った他の適当なイオンで、ガーネット構造中の稀土類イ
オン又は鉄、ガリウム又はアルミニウムを部分的に置き
かえることにより、薄膜、基板の一方又は両方の屈折率
を連続的に変化させることも可能である。

たとえば、Ｒ３Ｓｃ２ＡＩ３０，２の組成は１．８７土
０．２の屈折率を有し、純粋なアルミニウムガーネット
より屈折率の大きいことが明らかになっている。

本発明に適した薄膜導波管のガーネット組成の使用につ
いては柔軟性のあることが容易に明らかになるであろう
。完全性の高い大きなガーネット薄膜を生成するにはい
くつかの方法が適しているが、ェピタキシヤル薄膜成長
法は本発明の目的に最も適しているであろう。そのよう
な技術の中で、薄膜は液相ェピタキシ（ＬＰＥ）により
成長させても良い。簡単に言うと浸濃装置中で成長が起
る。即ち、機械的に研摩し化学的にエッチングした単結
晶ガーネット基板を、稀士類酸化物、鉄、ガリウム又は
アルミニウム酸化物の適当な溶液を含んだ１０００℃以
下の温度の融液中に降下させる。用いられる溶媒は約９
８％のＰｂ０及び２％の塁０３の融体である。基板結晶
は通常周知のチョクラルスキ法により化学量論的にほぼ
合った敵体から大きな寸法に成長される。本発明に用い
ると好ましいＬＰＥ“降下”法の詳細な説明及び各種の
ヱピタキシヤル技術についての説明はアプライド フィ
ジツクス レターズ、１９蓋、４８６一４８８頁に述べ
られている。

基板表面は機械的化学的に十分注意して研摩するから、
基板−薄膜界面は平滑でＬＰＥ浸薄装置中での成長は基
板表面上に均一に、平滑にそして一様な膜厚で起る。薄
膜の厚さは成長過程の時間を制御することにより再現性
良く容易に選択できる。上に述べたＬＰＥ浸薄装置にお
いて、良い光学特性を有する薄膜を得るためには、約０
．０１なし、し０．０２オングストロム（Ａ）の範囲で
薄膜と基板の格子定数を合わせる必要がある。

これはガーネット材料に関しては二つの理由により比較
的簡単である。先ず第１に、ガーネット材料は結晶構造
は基本的に立方晶で、従って合わせるべき格子パラメ−
夕はただ一つである。

第２に、各種稀士類イオンのガーネットは広い範囲の格
子定数をもっている。事実、薄膜又は基板のガーネット
組成中の稀土類イオンを各種の稀士類イオンで部分的に
あるいは完全に置きかえると、材料の格子定数をある領
域で連続的に変化させることができる。稀士類イオンの
大きさあるいはイオン半径は、その原子番号とともに減
少することが知られている。ガ−ネット材料の格子定数
が増加することは、本質的に稀士類イオンのイオン半径
の増加と直接関係していることが明らかになっている。
従って、一般的に言うと、ガーネットの格子定数は稀士
類イオンの原子番号の増加とともに減少する。本発明に
使用されるガーネット材料の上に述べたい〈つかの特性
を要約するため、１．５２ミクロンのレーザー波長にお
ける各種稀土類組成の屈折率をそれらの格子定数の関数
として、概略的に第２図にプロツトした。

この図は第１図中に示された形の薄膜導波管用として適
したガーネット材料を選択するのに役立つ。第２図にお
いて、稀土類鉄ガーネット、稀土類ガーネット及び稀士
類アルミニウムガーネットは、組成中の稀士類イオンが
変化しても材料の屈折率が不変であることを示す図中の
３本の水平な線を占めていることがわかる。

各線左端の稀土類イオン、ルテシウム（Ｌｕ、原子番号
＝７１）を含む組成から始まり、ガーネット材料の格子
定数は各線右端の稀士類イオン ネオジウム（Ｎｄ、原
子番号＝６０）を含む組成まで増加する。イットリウム
イオン（Ｙ）を含む組成もまた図に示されている。薄膜
と基板の格子を合わせ成長条件を満すためには、薄膜及
び基板用のガーネット組成を、図中の同じ縦の線から選
ぶことだけが必要である。

また、薄膜の屈折率を基板のそれより大きくすることに
より、光導波管としての条件を満すためには、薄膜材料
を図中で縦に基板材料より上にある材料から選ぶことだ
けが必要となる。選んだ垂直な線が二つの稀士類イオン
の間に当る場合は、垂直線が水平なガーネット線と交差
する点からの相対的な距離が、その組成に必要な二つの
イオンの相対的な比率を示している。たとえば、次のよ
うな組成は本発明の実施例に有用である。薄膜 基板 Ｙ３Ｆｅ５０，２ Ｇけ３Ｇも○，２
Ｙ３０も○，２ Ｎａ３ＡＩ５０，２
Ｇも．８Ｔ広．７Ｆｅ５０，２ Ｓｎ，．
２Ｎｄ，．８Ｇも０，２３本の水平な線間のたとえばＲ
ぶｃ２ＡＩ３０，２のような部分的に置きかえたガーネ
ットも、より詳細に示すと可能である。

ガーネットの光学的特性を示すため、第１図に示された
形の各種ガーネット組成を用いたいくつかの実施例を成
長させ、作成し試験をした。

具体的に言うと、一美験ではＧｄぶｃ２ＡＩ３０，２基
板上のＥ叱Ｇも０８薄膜を用いた。Ｅｕ３Ｇも０，２材
料の格子定数は１２４００Ａで１２３９５ＡのＧｄぶｃ
２ＡＩ３０，２材料に非常に良く合っている。薄膜は上
に述べたェピタキシャル膜成長法により、研摩された長
さ約２伽の基板上に約２．４ミクロンの厚さに成長させ
た。薄膜は透明、平滑、組成及び厚さが均一でピンホー
ルはなかった。ふつうのルチルプリズム カプラにより
薄膜の一端に０．６２８ミクロンＨｅ−Ｎｅレーザービ
ームを照射した。写真により薄膜全体を伝播し反対の端
部でその点に明るいスポットを残し再び空気中に入る光
線が示された。多結晶又は無定形薄膜に対する同様の写
真は常に、薄膜中のビーム伝播路近傍に無秩序に分布し
た多数の明るいスポットを示す。実験によりこれらのス
ポットが完全に存在しないことが非常に明らかであった
ことは、ガーネット薄膜の優れた光学的性質を示してい
る。この実験では薄膜中に０．４８８リ０．５１４与０
．６３２８及び１．０６４ミクロンのレーザー波長に対
しそれぞれ６、５、４そして２個のＴＥ偏光モードが観
測された。

測定された同期角から上記のレーザー波長における薄膜
の屈折率はそれぞれ１．９９０３、１．班２４ １．９
６６７及び１．９４０８と決められた。対応する基板の
屈折率はそれぞれ１．９２９５、１．９２０８、１．９
０９８及び１．８９１５と決められた。薄膜中のＴＭ偏
光モードーこ対しても本質的に同じ屈折率が観測された
。薄膜中の光損失は約５ｄＢ／肌でほとんどすべてが吸
収損であることが実験から明らかになった。

そして、損失は結晶中の不純物イオンを除くことにより
本質的に減少させることができる。本発明に用いること
ができる純粋な鉄ガーネット材料はフェリ磁性で、ガー
ネット結晶構造の８面体格子位置中のフェリツクィオン
の磁気モーメントは、４面体格子位置のイオンのそれと
反対である。

各ガーネット基体単位は２個の８面体フェリックィオン
と３個の４面体フェリツクィオンを含むから、正味の磁
気モーメントは単位当り１個のフヱリックイオンに等し
い。格子位置の一つのフェリックィオンを非磁性イオン
で置きかえると、その位置の磁気モーメントは減少する
。たとえば、Ｙ３０ａｘＦｅ５〜０，２組成中のフェリ
ックィオンをガリウムで一部置きかえると、４面体位置
のフェリックィオンの数は減少し、一方８面体位置のそ
れは相対的に影響が少し、。従って、鉄ーガリウム系中
のｘの値を増すことにより、組成の回転成分は正から負
になし得る。故に、ガーネット材料はフアラデ−回転角
が比較的大きくしかし正味の磁気モーメント又は磁化を
小さくし得る。（たとえば、Ｙ３Ｆｅ５０，２中の２５
％の４面体フェリツクィオンをガリウムでおきかえるこ
とにより、飽和磁化は１７７０ガウス（Ｙずｅ５０，２
）から２７０ガウスに減少する。一方、ファラデー回転
角の減少は１７２ｏ／抑（Ｙ３Ｆｅ５０，２）から１１
〆／抑である。）これらの特性は第３図に示されるよう
な本発明の実施例に従う薄膜光スイッチ及び変調装置に
対し重要である。一般に、装置の変調度はファラデー回
転角に依存し、磁化の大きさはスイッチング又は変調に
必要なゾアパワーを決定する。第３図には薄膜磁性光ス
イッチ及び変調器が示されており、これらは光集積回路
中のより複雑微妙な装置として重要な構成要素として役
だつ可能性がある。

具体的に言うならば、第３図の装置は透明な磁性ガーネ
ット薄膜３１から成り、この薄膜は純粋な鉄ガーネット
でも良く、より好ましくは屈折率の低いガーネット基板
３２上に形成されたガリウムで置換した鉄ガーネット材
料である。

レーザービームを薄膜３１に入射あるいは放出させるた
めの結合用として格子カップラー３３及び３４が備えら
れている。曲がりくねった微細回路３５が薄膜３１の上
面に形成されており、適当なスイッチング電流源に接続
されている。カツプラ−３３及び３４間の薄膜中を、光
はＴＥ偏光波又はＴＭ偏向波として伝播しうる。偏光ア
ナラィザ３６はカップラー３４により薄膜から出る光線
をさえぎり、ＴＭモード又はＴＥモ−ドのいずれかを選
択するために配置されている。回路３５中に電流が供ｖ
給されると、回路中の相隣る２線を流れる電流は、方向
が反対でありそのためそれらの近傍に薄膜中の光伝播方
向に沿って、空間的に交互に変化した磁界が発生する。

磁性ガーネット薄膜３１中の磁化方向は、対応する空間
的に交互に変化したドメィン構造と仮定できる。回路３
５の周期を適当に選ぶことにより、入射ＴＥ波は薄膜の
臨界長内で連続的にＴＭ波に変えられる。

あるいは入射ＴＭ波は連続的にＴＥ波に変えることがで
きる。回路３５中の電流が切れると、薄膜３１中のドメ
ィンはもとのパターンにもどり、正味の磁性光学効果は
消える。レーザービームをアナライザ３６を通し薄膜か
ら出すことにより、装置は光スイッチとして働く。同様
に、回路３５にマイク。波変調電流を流すことにより、
アナラィザ３６を通過する光は変調される。第３図の薄
膜３１に使用し得る鉄ガーネット材料はその磁化容易膜
が薄膜平面に平行又は垂直になるよう成長させることが
できる。磁化異方性は成長中磁性ガーネット薄膜とガー
ネット基板間に、わずかな格子不整合と熱拡散定数の差
をもたせることにより導入することができる。更に、ガ
ーネット材料の垂直磁気ひずみ係数が正であるなら、薄
膜に加えられる応力は磁化性容易軸を薄膜と平行にする
頚向がある。同様に、もし垂直磁気ひずみ係数が負なら
ば、応張力は磁イヒ容易軸を薄膜と垂直にする煩向があ
る。第３図の実施例の動作をより詳しく説明するため、
二つの別の場合を考えることにする。

第１の場合、鉄ガーネット薄膜３１の磁化容易軸は薄膜
平面に平行で、回路３５中に供給される電流は薄膜を光
ビーム伝播方向に磁化する鏡向がある。第２の場合、薄
膜の磁化容易軸は薄膜に垂直で、電流は光ビーム伝播方
向に垂直に薄膜を磁化する頃向がある。両方の場合、第
３図に示されている座標系を用いる。

そのような座標系において、ＴＥ波は成分Ｅｙ、Ｈｚ及
びＨｘのみを含み、ＴＭ波は成分Ｈｙ、ＥＺ叉びＥｘの
みを含む。光ビームはｙ方向に無限に広く従って一次元
で近似できると仮定する。更に、（ｄ／ｄｙ）＝０をつ
け加えても良い。０、１、２という表示はそれぞれ基板
、薄膜及び薄膜上の空気に対し用いられ、（０）、（１
）、（２）・・・・・・・・・（ｎ）は導波管モードの
順番を表わすのに用いられる。

Ａ（ｘ）及びＢ（ｘ）はそれぞれＴＥ波及びＴＭ波の振
幅で、磁気光学効果によりそれらはゆっくりｘ方向に変
化する。混乱が生ずる場合にはＴＥ波にはＥをＴＭ波に
はＭを表示をつけ加える。ム及びごをそれぞれ自由空間
の透磁率及び誘電率とする。

すると自由空間の位相定数はＫ＝の（仏ご）１／２とな
る。ここで、のはしーザー光の角周波数である。Ｚ＝Ｗ
及びＺ＝○を薄膜の上面及び底面とすると便利である。
薄膜導波管中の固有モードは次のように書くことができ
る。ｍ次のＴＥモード‘こ対しては Ｅｙ：Ａ仇）（Ｘ）のＳ（ｂ（ｍ）８Ｚ−■１０（ｍ）
６）ｅＸｐ〔−ｉのｔ＋ｉ８（ｍ）ＥＸ〕……ｍＨＸ＝
（一ｉのム）‐ｌｄノｄＺ（Ｅｙ）
（２）日２＝（ｉのり）‐ｌｄ／似（
Ｅｙ） （３）
ここで １がねｎ
■，。

（ｍ）ＥニＰ（ｍ）８／ｂ（ｍ）８ ■
ｂ（ｍ）Ｅ２：（ｋｎ，）２−８（ｍ）８２
【４’ 同様にｍ次のＴＭモード‘こ対しては
Ｐ（ｍ）Ｅ２こ８（ｍ）８２−（ｋ血）２｛５｝ＸＥＺ
ニＢ（ｍ）（Ｘ）ＣＯＳ（ｂ（ｍ）ＮＺ−■１０（ｍ）
Ｎ）ｅＸｐ〔−ｉのｔ＋ｉ８（ｍ）ＭＸ〕……【７ＩＥ
Ｘ＝−〔きＨｙ／茎Ｈｙ〕ＥＺ （
８）最Ｈｙ：−Ｍごｎ．２８Ｚ
（９）ここで・ｂ（ｍ）Ｎ２ ＝（ｋｎ，）２一８（
ｍ）Ｎ２００｝Ｐ肌ｗ２ ＝Ｂ（ｍ）ｗ２−（ｋ〜）２
（１１）鷺ｎ
■，。

（ｍ）Ｍニ（ｎ，ノ〜）２Ｐ（ｍ）Ｍノｂ仙ｙ
（１２）上の固有モ−ドに対す
る式を導くにあたり、薄膜中の直線及び円磁性複屈折性
は無視した。従って、薄膜は屈折率幻，を有し、基板は
比を有する。これまではすべての材料は光学的に等万的
であると考えてきた。第１の場合には、薄膜中の磁化方
向はｘ方向である。

薄膜の円複屈折性を含めるためには、誘電率テンソルを
導入する必要がある。これは次式で表わされるように、
マクスウェル方程式に従い電気変位を電界と結びつける
。ここで６は次式によりファラデー回転角のこ変換でき
る。８ｉ芸ｋ６／山 （１４） 第（１３）式をマクスウェルの方程式に入れｄ／ｄｙ＝
○の条件を用いると、ＴＥ波のＥｙがＴＭ波のＥｚに結
合できることがわかる。

数学的な処理をすると次のようになる。３（ｍ）８耳支
Ａ（ｍ）（Ｘ）＝ （ｋｎ．）２３Ｆ（Ｍ′）Ｂ（ｍ′）（Ｘ）ｅＸｐ〔ｉ
（３（ｍ′）Ｍ−３（ｍ）Ｅ）３（ｍ′）ｗ最Ｂ（ｍ′
）（Ｘ）＝−８（ｍ′）Ｎ２（農）Ｆ肌ｍ′）Ａ（ｍ）
（Ｘ）ｅＸｐ〔ｉ（８（ｍ）８−８ここで′ぢＥｙ仙Ｅ
ｚ（ｍ′）舵 （１７）Ｆ（ｍ）（ｍ）
−ノ士舞Ｅｙ２（ｍ）舵ノ士きＥｚ２仙舵である。

これはＴＥ（ｍ）モードとＴＭ（ｍ′）モード間の結合
がＺ方向の相対的なそれら成分の分布に依存することを
示す係数である。第（１５）式及び第（１６）式から、
８（ｍ）耳＝８（ｍ′）Ｍでなければ実効的な結合は行
われないということがただちに明らかになる。これらは
上で考えたＴＥ仙波及びＴＭ（ｍ′）波それぞれの位相
定数である。

非常に小さな直線及び回転分散を除けば、ガーネット材
料は基本的に立方晶構造で、８（ｍ）Ｂは８（ｍ′）Ｍ
に等しくなり得ない。これは第４図から明らかである。
Ｙ３Ｆｅ５０，２のような材料の一例に対し３／Ｒの関
数として薄膜の厚さが図にプロットされているが、薄膜
中を伝播するＴＥ（。）波及びＴＭ（。）波に対し２本
の別の曲線が示されている。波は薄膜中を異なる速度で
伝播する。なぜなら、二つの薄膜主表面において境界条
件を満すのに必要な成分がＴＥ波の場合はＥｙ及びＨｘ
で、ＴＭ波の場合はＨｙ及びＥｘだからである。ＴＥ波
力汀Ｍ波に変換される量はわずかである。その理由は変
換されたＴＭ・がそれを発生したＴＥ波の位相とは同期
しない位相を有するからである。従って、仮想上の装置
は回路３５のような曲りくねった形の磁化回路を備えな
い限り働かない。回路３５の周期は第（１３）式の譲電
率テンソル中の６が次の形をとるように選ばれる。

６＝６めｏｓ（８（ｍ）Ｅ−Ｂ（ｍ′）Ｎ）Ｚ
（１８）そのような回路は磁性薄膜平面に磁化を起し、
第（１８）式に示されるようなＴＥ波とＴＭ波の位相差
に等しい位相でｘ方向に変化するファラデー回転角を発
生させる。

この新しく導入された位相が変換されたＴＭ波の位相に
つけ加わると、ＴＥ波の位相と同期する位相が生じる。
こうすると薄膜中で完全で効果的なモード変換が可能に
なる。第（１８）式を第（１５）式及び第（１６）式に
代入し、適当な初期条件を使うと次の結果が得られる。
９畠 ｏ
」 」肌＝Ａ（ｏ）ＣＯＳ亀（３（
ｍ′）Ｍ／８（ｍ）Ｅ）（ｋ６０／山）Ｆ肌ｍ′）ｘ〕
（１９Ｂｍ＝８誌；ＭＡ（〇）針ｎ〔享（８
（イ…／８仙８）（ｋ６０／山）Ｆ肌（ｍ′）Ｘ〕
（狐）従って、入射ＴＥ仙波は次式で表わされる薄膜
＊れる。

中の臨界距離において完全にＴＭ（ｍ′）波に変換さ＊
＝ ′ ′ ‐
１ ２１）第２の場
合、薄膜中の磁化方向は薄膜に垂直なＺ方向で、議電率
テンソルは次の関係になる。この場合、磁気光学効果は
ＴＥ波のＥｙ成分をＴＭ波のＥｘ成分と結合させる。第
１の場合について上に述べたのと同様の計算をすること
により、ＴＥ波をＴＭ波に完全に変換させる臨界距離は
次のようになる。１＝２（３％（ｍ）Ｅ８珍（ｍ′）Ｍ
／ｂ（ｍ′）Ｍ）（ｎ．／ｋ６０）Ｆ（ｍ）（ｍ′）‐
１ （２３）第３図の具体的な例
として、Ｇも○雀○，２基板上の厚さ１．５ミクロンの
Ｙ３Ｆｅ５０，２薄膜を考える。

磁化容易軸は薄膜平面内にあるとする。すると、上に述
べた第１の場合に対する計算があてはまる。１．５２ミ
クロンのレーザー波長に対し、ｎ２＝１．００ｕ ｎ・
＝２．１４００ｎｏ＝１．９４００である。

ＴＥ波及びＴＭ波の基本波を考えることにすると、ｍ＝
ｍ′＝ｏ及びＦ（。）（。）ミ１である。この例で必要
な蛇行状微細回路の周期を決めるため、第４図に示され
たようなＴＥ（。）波及びＴＭ（。）波に対する薄膜材
料についての８／ｋの関数としての薄膜厚のプロットを
用いた。第４図から１．５ミクロンの膜厚に対しては、
（８（。）８一８（。）Ｎ）／ｋ＝△（８／ｋ）＝０．
００６となる。微細回路の周期は次式で与えられる。１
く２４） Ｔ＝入交瓦府 この例では、入＝１．５２ミクロンでＴ＝２払ミクロン
である。

Ｙ３Ｆｅ５０，２薄膜の場合、ファラデー回転角は１．
７グノ弧である。ＴＥ波をＴＭ波に完全に変換するのに
必要な臨界長は約５ミリメートルであることがわかる。
当業者は本発明の番１点を離れることなく、上に述べた
実施例の多数の変形又は修正形を考案することができる
。

たとえば、鉄ガーネット薄膜上に直接形成された第３図
に示された形の金属微細回路は、その中を伝播する光波
に余計な損失を発生させる可能性があるため、薄膜を低
屈折率のもう一つの誘電材料層で被覆してその上に回路
を作成しても良い。あるいは、回路は分離されたガラス
基板上に形成しても良い。そしてガーネット薄膜と回路
間に数ミクロンの一様な空気間隙を残し、鉄ガーネット
薄膜上に置かれる。また第３図に示される回路３５上に
やや異なった周期の第２の蛇行回路を車畳しても良い。
回路３５中の電流を切る時、電流を第２の回路に移すこ
とができる。するとスイッチングには薄膜中のドメイン
ウオールの瞬時の動作のみが含まれ、従ってそれらの動
きを起させるのに必要な磁界は最小になる。更に、第３
図の実施例において光の変調を行う場合、第５図に示さ
れる形の微細回路を用いることも可能である。

ここで磁化容易藤が薄膜平面に平行であるとすると、点
線で示された回路３７中に供給されたｄｃ電流は、薄膜
を薄膜に平行な容易軸の一方向に磁化する働らきをする
。すると、固体回路５５中に供聯合されたマイクロ波電
流は、容易軸のもう一方の方向に磁化させる働きをする
。この方向は光波伝播方向と平行で、印放されたマイク
ロ波周波数とともに変化する磁気光学結合を起す。上に
述べた実施例の更にもう一つの変形においては、光ビー
ムがガーネット薄膜中を伝播する間に利得を得ることが
可能である。

ホルミニウムィオンをドープしタングステンランプで励
起されたＹ３Ｆｅ５０，２材料では先に２．０９ミクロ
ンのレーザー発振が観測された。レーザー効率はエルビ
ゥム及ぴツｌｊウムイオンを加えることにより更に改善
されることがわかった。たとえば５％のＥ〃十３、 ５
％のＴｍ十３、２％のＨ。十３をドープしたＹ３Ｆｅ５
０，２薄膜は第３図の磁気−光学スイッチ中で、媒質中
で電子的な利得を発生すると同時に光をスイッチあるい
は変調する働きをする。以上本発明を要約すると次のよ
うになる。

本発明は光電磁波ビームを誘導する薄膜装置に関するも
ので、以下の１点又はそれ以上の点を特徴とする。

１ 第１のブロックよりも高い屈折率をもつ光学的に透
明なガーネット結晶体材料の第２のブロックの基体を形
成するための光学的に透明なガーネット結晶体材料の第
１のブロック２ その中に誘導される光の波長程度の距
離で分離された本質的に平滑な二つの主表面を有し、そ
の一つは第１のブロックとの境界を形成する第２のブロ
ック。

３ Ｒはイットリウム、ランタン、ビスマス及び６０な
し、し７１の原子番号を有する稀士類イオンの類から選
ばれたイオンであり、そして、Ｂは鉄、ガリウム及びア
ルミニウムからなる類から選ばれたイオンである場合一
般式Ｒ３Ｂ５０，２で表わされるガーネット結晶材料か
らなる第１および第２ブロック。

４ 該第２のブロックのガーネット結晶材料は鉄を含ん
だフェリ磁性ガーネット組成である。

５ 選ばれた周期をもちビームの伝播方向に第２のブロ
ックに空間的な周期をもった磁化方向の変化を発生させ
るための交互に変化する磁界を発生する手段。

６ 空間的に交互に変化する磁界を発生するのに十分な
誘導電流を流す第２のブロック主表面の一つの上に形成
された蛇行状微細回路である磁界発生手段。

７ 電流はｄｃ電流で、第２のブロック中を伝播する譲
導ビームの偏光モードを連続的にスイッチするためのも
のである。

８ 電流は印加されたマイクロ波周波数に従い、誘導ビ
ームを変調するための可変周波数マイクロ波電流である
。

９ フェリ磁性ガーネット材料の磁化容易軸は第２のブ
ロックの主表面に平行方向である。

１０ フェリ磁性ガーネット材料の磁化方向を第２のブ
ロックの主表面に垂直な磁化困難軸方向に変える磁化装
置。

その場合、蛇行状の微細回路は磁化方向を主表面に平行
な磁化容易軸方向に懐ける特性をもつ。１１ その中を
伝播する光の波長において電子的利得を発生させるため
、フェリ磁性ガーネット材料を適当なイオンでドープす
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の透視図。 第２図は本発明の実施例に使用するのに適した材料を選
ぶのに有用な、各種ガーネット組成の屈折率をそれらの
格子定数の関数として表わした図、第３図は本発明に従
う薄膜磁気光学スイッチ及び変調器の透視図。第４図は
薄膜の一例についてパラメータ間の関係を示すためパラ
メータ３／ｋの関数として薄膜の厚さをプロツトした図
、第５図は本発明の実施例に有用な修正された微細回路
装置の図である。オＺ図才３図 オＺ図 オチ図 ガＪ図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 組成がＲ＿３Ｂ＿５Ｏ＿１＿２であり、前記Ｒをイ
   ツトリウム、ランタニウム、ビスマス及び稀土類の原子
   番号が６０乃至７１の元素の中から選択された元素とし
   、前記Ｂをガリウム又はアルミニウムとし、光学的に透
   明なガーネツト構造単結晶材料から成る基板１２、及び
   組成がＲ′＿３Ｂ′＿５Ｏ＿１＿２であり、前記Ｒ′
   をイツトリウム、ランタニウム、ビスマス及び稀土類の
   原子番号が６０乃至７１の元素の中から前記基板材料と
   格子定数が０．０１Å乃至０．０２Åの範囲内で整合す
   るように選択された元素とし、前記Ｂ′を前記基板材料
   のＢがガリウムの場合には鉄としまた該基板材料のＢが
   アルミニウムの場合には鉄又はガリウムとすることによ
   って前記基板材料よりも高屈折率とし、光光の波長程度
   の厚さに前記基板上にエピタキシヤル成長された光学的
   に透明なガーネツト構造単結晶材料から成る薄膜導波層
   １１を備えたことを特徴とする薄膜光導波管装置。 ２ 組成がＲ＿３Ｂ＿５Ｏ＿１＿２であり、前記Ｒをイ
   ツトリウム、ランタニウム、ビスマス及び稀土類の原子
   番号が６０乃至７１の元素の中から選択された元素とし
   、前記Ｂをガリウム又はアルミニウムとし、光学的に透
   明なガーネツト構造単結晶材料から成る基板１２、 組
   成がＲ′＿３Ｂ′＿５Ｏ＿１＿２であり、前記Ｒ′をイ
   ツトリウム、ランタニウム、ビスマス及び稀土類の原子
   番号が６０乃至７１の元素の中から前記基板材料と格子
   定数が０．０１Å乃至０．０２Åの範囲内で整合するよ
   うに選択された元素とし、前記Ｂ′を鉄とすることによ
   って前記基板材料よりも高屈折率とし、光の波長程度の
   厚さに前記基板上にエピタキシヤル成長された光学的に
   透明なガーネツト構造単結晶材料から成る薄膜導波層１
   １、 光ビームを前記薄膜導波層内に導入する手段１３
   ，３３、 前記薄膜導波層内に所定の時間的周期で前記
   光ビームの伝播方向に空間的な周期をもった磁化方向の
   変化を生じさせる交互に変化する磁場を発生する手段３
   ５、及び 前記薄膜導波層から所定の偏光モードの光ビ
   ームを選択的に出力として取り出す手段３４，３６を備
   えたことを特徴とする薄膜光導波管装置。