JPWO2010023738A1 - 光非相反素子製造方法及び光非相反素子 - Google Patents

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Abstract

ウェハボンディング処理を用いずに、Ｓｉ導波層と磁気光学材料層とから構成される光非相反素子を製造することができる新たな技術を提供する。基板上に磁気光学材料層を成膜し、前記磁気光学材料層の上にＳｉ層を成膜し、前記Ｓｉ層に導波路を形成し、前記導波路を伝播する光に非相反な位相変化を生じさせることができるように、前記磁気光学材料層を磁化する。

Description

本実施態様は、光非相反素子及びその製造方法に関する。
ＳＯＩ基板のＳｉ層に導波路を形成し、このＳｉ層の上に、導波路を伝播する光に非相反な位相変化を生じさせる磁気光学材料層を貼り合わせることで、小型の光非相反素子を製造する方法が提案されている。例えば非特許文献１には、リブ導波路が形成されているＳｉ導波層の上に磁性ガーネットをダイレクトボンディング（ウェハボンディング）により貼りあわせて、光非相反素子を製造する手法が開示されている。
横井秀樹、他２名、「Ｓｉ導波層を有する光非相反素子」、信学技報、電子情報通信学会、２００４年２月、Vol.103、No.667(20040213)、pp.17-22
ウェハボンディング処理では、通常、接着した基板表面に熱処理（例えば８００℃〜９００℃）を施すことによりヘテロ結合を形成するが、熱処理後に冷却されることによって基板に収縮がおこり、クラックが発生しやすいという問題を有している。
かかる問題に対し、熱処理時の温度を低くする（例えば２２０℃とする）ことでクラックの発生を抑制するという対処が考えられるが、非特許文献１記載の光非相反素子のように、凹凸のある導波路が形成されているＳｉ層の上に磁気光学材料層をウェハボンディングにより貼りあわせる場合、平坦な材料どうしをウェハボンディングにより貼り合わせる場合と異なり、低温下では十分な接着を行うことが難しい。
そこで、ウェハボンディング処理を用いずに、Ｓｉ導波層と磁気光学材料層とから構成される光非相反素子を製造することができる新たな技術を提供することが望まれる。
本実施態様の光非相反素子製造方法は、基板上に磁気光学材料層を成膜する工程と、前記磁気光学材料層の上にＳｉ層を成膜する工程と、前記Ｓｉ層に導波路を形成する工程と、前記導波路を伝播する光に非相反な位相変化を生じさせることができるように、前記磁気光学材料層を磁化する工程と、を備える。
前記磁気光学材料層を磁化する工程は、前記磁気光学材料層を前記導波路の光の伝播方向に対して垂直方向に磁化する工程とすることができる。
前記磁気光学材料層は、前記基板上に結晶成長させた磁性ガーネットにより形成することができる。
本実施態様の光非相反素子は、導波路が形成されたＳｉ導波層と、前記Ｓｉ導波層の前記導波路が形成された面と反対側の面に接する磁気光学材料層と、を備え、前記Ｓｉ導波層が、前記磁気光学材料層の上に成膜されたＳｉ層に導波路を形成することで得られたものであり、前記磁気光学材料層が、前記導波路を伝播する光に非相反な位相変化を生じさせるように磁化されている。
以上、本実施態様によれば、ウェハボンディング処理を用いずに、Ｓｉ導波層と磁気光学材料層とから構成される光非相反素子を製造することができる。
以下、本実施態様を図面を参照して説明する。
図１は、本実施態様について示した図であり、光非相反移相効果を利用した光アイソレータの構造を示したものである。図２は、図１のＡ−Ａ’に沿って切断したときの構造を示した図である。
図１及び図２に示すように、光アイソレータ１００は、リブ導波路３が形成されたＳｉ導波層１と、Ｓｉ導波層１のリブ導波路３が形成された面と反対側の面に接する磁気光学材料層２と、を備える。
Ｓｉ導波層１は、後述するように、磁気光学材料層２の上にＳｉ層（厚さ２００ｎｍ程度）を成膜した後、リブ導波路３を形成することで得られる。
磁気光学材料層２は、磁気光学材料を適当な基板４上に結晶成長させたものを用いることができる。
磁気光学材料層２は、リブ導波路３を伝播する光に非相反な位相変化を生じさせるように、膜面内でリブ導波路３の光の伝播方向に対して垂直方向に磁化される。本実施例では、２本の導波路（図３の導波路２１、２２）に対応する部分において磁化の向きが反対方向となるように磁化されており、そのために磁気光学材料層２の近傍に磁界を印加する磁界印加手段５（一対の小型永久磁石など）を設けている（図２参照）。
次に、リブ導波路３を模式的に示す図３を参照して、本実施態様の光アイソレータ１００の動作原理について説明する。
光アイソレータ１００は、２つのテーパ状３分岐光結合器により合分波され、該２つのテーパ状３分岐光結合器の間に２本の導波路２１、２２を有し、９０°の相反移相器及び９０°の非相反移相器を含む、マッハツェンダ干渉計で構成されている。なお、テーパ状３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。
非相反移相器は、上クラッド（本実施例では空気）／Ｓｉ／磁気光学材料という層構造によって実現される。かかる構造において、磁気光学材料層２の磁化が、膜面内、かつ光の伝播方向に垂直に配向されることで、伝播するＴＭモード光に非相反移相効果が生じる。
非相反移相器は、干渉計内の２本の導波路２１及び２２における非相反な位相変化の差が、順方向において９０°（逆方向において−９０°）となるように設計される。このような設計は、Ｓｉ導波層１及び磁気光学材料層２の各屈折率、各導波路にかかる磁化の向き、光波が磁気光学効果を受ける伝播長などを調整することにより、実現できる。
一方、相反移相器は、干渉計内の２本の導波路の光路差により実現され、干渉計内の２本の導波路２１及び２２における相反な位相変化の差が−９０°となるように設計される。
ポート１１に入射したＴＭモード光は、入力端側テーパ状３分岐光結合器によって、同振幅、同位相の光波に分岐され、各光波は、それぞれ導波路２１、導波路２２を順方向に伝播する。導波路２１、導波路２２を順方向に伝播する光波には、非相反移相効果によって９０°の位相変化の差が生じるが、かかる差は同じ大きさの相反移相効果により打ち消される。その結果、導波路２１、導波路２２を順方向に伝播する光波は、出力端側テーパ状３分岐光結合器に対して、同振幅、同位相で入射し、ポート１２に結合されて出力される。
一方、ポート１２に入射したＴＭモード光は、出力端側テーパ状３分岐光結合器によって、同振幅、同位相の光波に分岐され、各光波は、それぞれ導波路２１、導波路２２を逆方向に伝播する。導波路２１、導波路２２を逆方向に伝播する光波には、非相反移相効果によって−９０°の位相変化の差が生じ、更に相反移相効果による−９０°の位相変化の差が足される。その結果、導波路２１、導波路２２を逆方向に伝播する光波は、入力端側テーパ状３分岐光結合器に対して、同振幅、１８０°の位相差で入射する。この場合、テーパ状３分岐光結合器が有する特性により、各光波は、ポート１１ではなく、ポート１３とポート１４とに結合され、出力される。
このように、ポート１１から入射したＴＭモード光はポート１２から出力されるが、ポート１２から入射したＴＭモード光はポート１１から出力されないため、ポート１１とポート１２の間でアイソレータ動作が得られる。
次に、図４を参照して、図１及び図２に示したような構造を得るための製造工程について説明する。
まず、磁気光学材料に応じた基板４上に結晶成長によって磁気光学材料層２を成膜する（図４（Ａ））。例えば磁気光学材料として組成式Ｒ３Ｆｅ５Ｏ１２（Ｒは希土類元素を表す）で表される希土類磁性ガーネット（以下、「磁性ガーネット」という）を用いる場合、ガーネットからなる単結晶基板４上に液相エピタキシによって磁性ガーネット層２を成膜することができる。
次に、磁気光学材料層２の上に、Ｓｉを堆積させてＳｉ層を成膜する(図４（Ｂ））。成膜方法は、スピンコートや吹きつけ、スパッタリングなど、従来の薄膜形成技術を用いることができる。
次に、Ｓｉ層に、フォトリソグラフィによって導波路パターンを転写し、エッチングによってリブ導波路３を形成して、Ｓｉ導波層１を形成する（図４（Ｃ））。フォトリソグラフィやエッチングには、種々の従来技術を用いることができる。
なお、必要に応じて、磁気光学材料層２やＳｉ層の成膜後に平坦化工程を設けても良い。
次に、リブ導波路３を伝播する光に非相反な位相変化を生じさせるように、磁気光学材料層２を磁化する（図４（Ｄ））。磁化する方法として種々の従来技術を用いることができるが、本実施例では、図２に示すように、磁気光学材料層２の磁化の方向を光の伝播方向に対して垂直方向に揃えるために外部から磁界を印加する磁界印加手段５（一対の小型永久磁石など）を磁気光学材料層２の近傍に設けている。
なお、磁気光学材料層２の磁化を磁気光学材料層２の成膜後、Ｓｉ層の成膜前に行ってもよい。
図５に、磁気光学材料としてＣｅ置換イットリウム鉄ガーネット（Ｃｅ：ＹＩＧ）を用いて、空気／Ｓｉ／Ｃｅ：ＹＩＧという層構造によって光アイソレータ１００を構成した場合の、非相反移相効果（Nonreciprocal phase shift）の計算結果を示す。この計算では、Ｃｅ：ＹＩＧ層の厚さが無限大である（すなわち、光波がガーネット基板の影響を受けない）ことを前提としている。この図から、Ｓｉ層の厚さ（Si thickness）が２００ｎｍ程度のときに、非相反移相効果が最大となっており、また素子長（必要な光伝播距離：Required propagation distance）が最小となっていることがわかる。
図６に、空気／Ｓｉ／Ｃｅ：ＹＩＧ／ガーネット基板という層構造の光アイソレータ１００においてＳｉ層の厚さを２００ｎｍ、３００ｎｍ、４００ｎｍとした場合に、Ｃｅ：ＹＩＧ層の厚さ（Ce:YIG thickness）により非相反移相効果がどのように変化するかを計算した結果を示す。この図から、Ｃｅ：ＹＩＧ層の厚さが３００ｎｍ程度より大きい場合に非相反移相効果の大きさが一定となっていることがわかる。従って、ガーネット基板上にＣｅ：ＹＩＧ層を３００ｎｍ程度、成膜すれば、安定した非相反移相効果を得ることができる。
本実施態様の構成によれば、磁気光学材料層２の上にＳｉ層を成膜し、かかるＳｉ層にリブ導波路３を形成してＳｉ導波層１を形成しているため、ウェハボンディング処理を用いずに、Ｓｉ導波層１と磁気光学材料層２とから構成される光アイソレータ１００を製造することができる。また、磁気光学材料層２上に直接、Ｓｉ層を成膜しているので、ウェハボンディング処理によりＳｉ導波層と磁気光学材料層とを接着する場合に比べて、Ｓｉ導波層１と磁気光学材料層２との間の高い密着性を得ることができ、再現性良く光アイソレータを製造することができる。
（変形例）
本実施態様は、上記の実施例に限定されることなく種々に変形して適用することが可能である。例えば、上記実施例では、非相反移相器について、２本の導波路における非相反な位相変化の差が、順方向において９０°（逆方向において−９０°）となるように設計し、相反移相器について、−９０°となるように設計しているが、これらの符号が逆になっていてもよい。
また、上記実施例では、光非相反素子の例として光アイソレータについて説明をしているが、本実施態様は光アイソレータに限られるものではない。例えば、図１の光アイソレータ１００において、２つのテーパ状３分岐光結合器を方向性結合器に置き換えると、非相反移相効果を利用した光サーキュレータを構成することができる。その動作原理は、光アイソレータと同様である。すなわち、順方向では非相反移相効果と相反移相効果とが打ち消しあい、逆方向ではそれらが足し合わされることで、光サーキュレータ動作が実現される。
また、光アイソレータの構成は、図１に示したものに限られない。例えば、図７に示すように、直線状のリブ導波路を有するＳｉ導波層を備えた、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において、本実施態様の構成（磁気光学材料層の上に成膜したＳｉ層にＳｉ導波層を形成する構成）を採用してもよい。図７に示す光アイソレータは、Ｓｉ／光伝播方向に垂直かつ膜面に対して所定角度の方向に磁化された磁気光学材料、という層構造の非相反位相器を備えており、これによりリブ導波路を伝播するＴＭモード光に非相反位相効果を生じさせる。順方向、逆方向に伝播するＴＭモード光の伝播定数をそれぞれβ１１ｆ、β１１ｂで表し、ＴＥモードのカットオフをβＣで表す場合、導波路パラメータ（リブの高さやリブ幅など）を調節することにより、β１１ｂ＜βＣ＜β１１ｆという関係を満たすように設計することができる。この関係を満たす場合、逆方向に伝播するＴＭモード光のみＴＥ放射モード光に結合するため、ＴＭモード動作光アイソレータとして機能させることができる。
本実施例に係る光アイソレータ１００の構造を示した図である。 図１に示す光アイソレータ１００の部分断面図である。 リブ導波路３を模式的に示す図である。 光アイソレータ１００の製造工程を説明するための図である。 磁気光学材料としてＣｅ：ＹＩＧを用いた場合の非相反移相効果を示す図である。 Ｃｅ：ＹＩＧ層の厚さと非相反移相効果の大きさの関係を示す図である。 変形例の光アイソレータを説明する図である。
符号の説明
１ Ｓｉ導波層；２ 磁気光学材料層；３ リブ導波路；４ 基板；５ 磁界印加手段；１１、１２、１３、１４ ポート；２１、２２ 導波路

Claims (4)

  1. 基板上に磁気光学材料層を成膜し、
    前記磁気光学材料層の上にＳｉ層を成膜し、
    前記Ｓｉ層に導波路を形成し、
    前記導波路を伝播する光に非相反な位相変化を生じさせることができるように、前記磁気光学材料層を磁化する、光非相反素子製造方法。
  2. 前記磁気光学材料層を磁化することが、前記磁気光学材料層を前記導波路の光の伝播方向に対して垂直方向に磁化することである、請求の範囲第１項記載の光非相反素子製造方法。
  3. 前記磁気光学材料層が、前記基板上に結晶成長させた磁性ガーネットにより形成されている、請求の範囲第１項記載の光非相反素子製造方法。
  4. 導波路が形成されたＳｉ導波層と、前記Ｓｉ導波層の前記導波路が形成された面と反対側の面に接する磁気光学材料層と、を備え、
    前記Ｓｉ導波層が、前記磁気光学材料層の上に成膜されたＳｉ層に導波路を形成することで得られたものであり、
    前記磁気光学材料層が、前記導波路を伝播する光に非相反な位相変化を生じさせるように磁化されている、光非相反素子。
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