WO2009016972A1 - 光デバイス、光集積デバイス、及びその製造方法 - Google Patents

光デバイス、光集積デバイス、及びその製造方法 Download PDF

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Masafumi Nakada
Takanori Shimizu
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Definitions

  • the present invention relates to an optical device used for optical communication, optical wiring, and optical storage, in particular, an optical device using optical nonreciprocity or polarization rotation using an optical waveguide using a magneto-optical material, and an integrated optical device integrated with the optical device. And to the manufacturing method thereof.
  • Background art
  • the present invention relates to an optical device using optical nonreciprocity and polarization rotation using an optical waveguide using a magneto-optical material. Therefore, an optical isolator which is a typical example of an optical device using optical nonreciprocity will be described first.
  • An optical isolator is an element that has a function of transmitting light only in one direction and blocking light that attempts to propagate in the opposite direction.
  • optical active devices such as optical amplifiers
  • the operational characteristics of the devices deteriorate due to the incidence of light in the direction opposite to the intended state. Since optical isolators transmit light only in one direction, they can prevent unintentional light from entering the optical active element in the opposite direction, and are widely used in optical communications.
  • the bulk type optical isolator is composed of a polarizer, a nonreciprocal element made of a magneto-optic material, a magnetic field generating magnet for controlling the magnetization direction of the magneto-optic material, and an analyzer pallet insulator.
  • waveguide type optical isolators use magnetically grown garnets as waveguides on garnet substrates such as gadolinium 'gallium' garnet (GG).
  • GG gadolinium 'gallium' garnet
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-560040
  • an iron garnet containing La, Ga and Y is grown on a GGG substrate by a liquid phase epitaxial growth (LPE) method.
  • LPE liquid phase epitaxial growth
  • the waveguide layer is formed by controlling the refractive index by controlling the composition of the core layer and the cladding layer.
  • a ridge is formed by wet etching to form a waveguide.
  • Non-Patent Document 1 (T. Shintaku: Appl. Phys. Lett. 73 (1998) 1946.) also substituted Ce on (1 1 1) on a GGG substrate added with Ca, Mg and Zr.
  • YIG garnet films are epitaxially grown by RF sputtering, and ridge-type waveguides are formed by reactive ion etching.
  • the light guide direction and the magnetization direction must have a certain angle, and the magnetic direction is controlled by an external magnetic field by a magnet.
  • the magnetization direction in order to use a waveguide made of a magneto-optic material as an optical device, the magnetization direction must be controlled by an external magnetic field.
  • Magneto-optical materials grown epitaxially have strong repulsion and growth-induced magnetic anisotropy, and a technology for heat treatment at 100 ° C or higher to reduce them is disclosed in Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. Hei 8-25). 3 3 9 5).
  • heat treatment at 100 ° C. or higher is too high as the process temperature of the optical waveguide device.
  • Patent Document 3 Japanese Patent Laid-Open No. Hei 10-2 2 1 7 2 0 which provides a waveguide-type optical component with a switch function
  • a waveguide of a magnetic garnet which is a magneto-optic material is disclosed.
  • the magnetic garnet waveguide has an elongated rectangular parallelepiped shape along the optical path, and uses the property that the magnetization direction is easily aligned in parallel with the traveling direction of light due to the shape magnetic anisotropy. As a result, no magnet is required to control the magnetization direction of the waveguide made of the magneto-optic material of the polarization rotation part.
  • the magnetic ⁇ "raw garnet waveguide has strong growth-induced magnetic anisotropy because it grows epitaxially on the substrate. Therefore, only the shape magnetic anisotropy without an external magnetic field due to the magnet However, it is difficult to control the magnetization direction, and it has the disadvantage of causing a decrease in polarization rotation angle and long-term fluctuation.
  • L S I such as CPU and memory
  • an active optical element such as an optical switch and laser
  • Hybrid non-reciprocal elements on silicon substrates have been proposed so far.
  • the optical reciprocal element is composed of a nonreciprocal mode converter and a reciprocal mode converter.
  • a magnetic garnet waveguide is used only for the nonreciprocal part, and a half-wave plate is inserted in the reciprocal part.
  • Patent Document 4 Japanese Patent Laid-Open No. 2000-0240. It is disclosed.
  • SOI substrate includes a core layer made of silicon crystal, a first cladding layer consisting of S i 0 2 is an insulator, a holding member for holding them, the first clad layer consisting of S i 0 2 Are laminated in three layers as an intermediate layer.
  • a magneto-optic waveguide having a magnetic garnet / silicon silicon dioxide structure in which a second cladding layer made of magnetic garnet is bonded to the surface of the core layer of the SO I substrate is disclosed. Again bondy It is necessary to control the magnetization direction of the bent magnetic garnet with an external magnetic field. In addition, since single crystal magnetic garnets are bonded together, there is a drawback that it is difficult to make small size and expensive.
  • Non-Patent Document 3 SY Sung et al:. .. Appl Phys Lett 87 (2005) 12111
  • a method for forming a YIG garnet film has been reported by RF sputtering on the M g O and S i O 2.
  • After forming an amorphous film on the substrate it is crystallized by annealing using the RTA method to form a polycrystal. Crystallization requires a high annealing temperature of 750 ° C or higher.
  • the ultrafine particle brittle material supplied on the substrate is subjected to mechanical impact and pulverized to join the ultrafine particle brittle materials or between the ultrafine particle brittle materials and the ultrafine particle brittle material and the substrate. It is characterized by. This realizes bonding between ultrafine particles, and forms a high-density and high-strength film without applying heat.
  • Patent Document 6 Japanese Patent Laid-Open No. 2 0 2 0-2 3 5 1 8 1 relates to a structure formed by the AD method.
  • the structure is a polycrystalline body having no crystal orientation, and is characterized by having substantially no grain boundary layer composed of a glass layer.
  • Studies on thin film forming of highly transparent electro-optic materials using this AD method have been made (Non-Patent Document 5; Masafumi Nakada et al: J. of Crys. Growth, 275 (20 05) 1275).
  • the transmission loss of the AD film which is the basic characteristic of the optical element, is It has been clarified that this is due to Rayleigh scattering of fine particles forming the shape and non-shaped fine particles having different refractive indexes.
  • Patent Document 7 Japanese Patent Laid-Open No. 2 0 0 5-1 8 1 9 95
  • a manufacturing method thereof relates to an optical element by AD method, an optical integrated device, an optical information propagation system, and a manufacturing method thereof.
  • it is an optical element in which a molded body is formed by an impact solidification phenomenon in which a mechanical impact force is applied to an ultrafine particle brittle material supplied on a substrate to pulverize and bond the ultrafine particle brittle material.
  • this optical element contained in this optical element is different from the main constituent of the molded body and the wavelength X (nm) of the light transmitted through the molded body between, is characterized in that there is a relation of (1 6 Bruno 4 ⁇ 4 X 1 0- 5 nm 2.
  • an isolator has been described as an example of a device using nonreciprocity
  • an optical circulator as another optical nonreciprocal device.
  • the optical circuit is composed of a magneto-optic waveguide, similar to an optical isolator.
  • the polarization direction of the light propagating in the waveguide can be controlled by using the polarization rotation property of the magneto-optical material, and an optical device such as a polarization equalizer can be configured. Disclosure of the invention
  • waveguide-type devices using magneto-optic materials have been studied for a long time, but have not been put to practical use. For this reason, it is necessary to form a magnetic garnet used as a magneto-optical material on a substrate. However, it is difficult to grow magnetic garnet on a single crystal substrate such as GGG. Alternatively, since ⁇ Aniru is required, S I_ ⁇ 2, S i, integration with waveguide and substrate of III one V group compound semiconductor or the like due to the difficulty. For this reason, the advantages of the waveguide type (such as downsizing and cost reduction) are lost. In addition, the formation process causes magnetic anisotropy, and an external magnetic field is required to control the magnetization direction. The integration of the magnets necessary to generate the external magnetic field makes the optical device more complex and expensive.
  • the present invention has been made in view of such problems of the prior art. Is obtained by integrating a magneto-optical waveguide with high magneto-optical effect and easy integration with other optical elements, and an optical device using the same, and other semiconductor optical elements. It is to provide an integrated optical device.
  • the optical device of the present invention is an optical waveguide at least partly made of a magneto-optic material, and the magneto-optic material is a polycrystalline material polycrystalline material having no lattice matching with the base material.
  • the optical waveguide has no magnetic anisotropy due to the inverse magnetostriction effect caused by thermal strain, and the magnetization direction of the optical waveguide is the same as the traveling direction of light passing through the waveguide due to shape magnetic anisotropy. It is the floor.
  • the optical integrated device of the present invention includes an optical device having an optical waveguide structure having a waveguide layer of a magneto-optical material, and a second optical device integrated on a substrate, wherein the second optical device is It is characterized by being one of a laser, an electro-optic converter, an opto-electric converter, an optical amplifier, an optical switch or an optical filter.
  • the second optical device instead of the second optical device, electronic circuits can be integrated on the substrate.
  • the manufacturing method of the present invention is characterized in that the magneto-optical material is formed by an aerosol deposition method.
  • a magneto-optical waveguide having a high magneto-optical effect and easy to be integrated with other optical elements, an optical device using the same, and integration of these with other optical elements and semiconductor optical elements It is possible to provide an optical integrated device obtained by the process.
  • Fig. 1 shows the magnetization curve of a Bi-substituted YIG garnet.
  • FIG. 2 shows an X-ray diffraction pattern of a Bi-substituted YIG garnet.
  • Fig. 3 is a schematic diagram of an optical waveguide using a magneto-optic material.
  • FIG. 4 is a schematic view of a film forming apparatus used in the present invention. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • Figure 1 shows the magnetization curve of a Bi-substituted YIG garnet.
  • Figure 2 shows the X-ray diffraction pattern of the Bi-substituted YIG garnet.
  • FIG. 3 shows a schematic diagram of an optical waveguide using the magneto-optical material of this example.
  • FIG. 4 shows a schematic diagram of a film forming apparatus used in the present invention.
  • Magnetic anisotropy other than shape magnetic anisotropy can be reduced by forming a waveguide without annealing, using a magneto-optic material made of a polycrystalline material that is not lattice-matched with the underlying material.
  • the magnetic field direction of the optical waveguide can be made the same as the traveling direction of the light passing through the waveguide due to the shape magnetic anisotropy without a magnet.
  • the magnetic anisotropy of the magnetic gantry used in the magneto-optic material is mainly caused by the following four types. That is, magnetocrystalline anisotropy, growth-induced magnetic anisotropy, magnetic anisotropy due to inverse magnetostriction effect, and shape magnetic anisotropy.
  • the physical background and control method for each magnetic anisotropy are described below.
  • the magnetocrystalline anisotropy is caused by the electronic state of the magnetic atom due to the crystal structure, and the magnetic garnet has a cubic crystal structure with high crystal symmetry, so it does not take a large value.
  • the spatial average can be made zero by using a polycrystal.
  • Growth-induced magnetic anisotropy is magnetic anisotropy that occurs during epitaxial growth, and magnetic garnet is known to increase when it contains two or more types of nonmagnetic metal ions. Although the origin is not clear, the coordination of nonmagnetic metal ions in the direction of crystal growth is considered. Magneto-optic materials often use Bi-substituted YIG garnet, which has a large magneto-optic effect, and this growth-induced magnetic anisotropy increases. In order to reduce this magnetic anisotropy, it is effective not to use epitaxial growth as a forming method. In order to reduce this growth-induced magnetic anisotropy, a heat treatment at 100 ° C. or higher disclosed in Patent Document 2 is effective, but the process temperature of the optical waveguide device is too high.
  • Magnetic anisotropy due to the inverse magnetostriction effect is a phenomenon that occurs due to the influence of the electronic state of magnetic atoms due to crystal strain, and is a relatively large effect in Bi-substituted YIG garnet. In order to reduce this magnetic anisotropy, it is effective to reduce crystal distortion. In the case of epitaxial growth, crystal distortion is caused by a mismatch in lattice constant with the underlying material. In addition, when annealing or a high substrate temperature is required at the time of formation, crystal distortion also occurs due to thermal distortion caused by mismatch of the thermal expansion coefficients of the base material and the magneto-optical material.
  • Shape magnetic anisotropy is a phenomenon in which the magnetization direction is directed to reduce the magnetostatic energy due to the demagnetizing field, and depends greatly on the shape of the magnetic material.
  • the shape magnetic anisotropy is large in the in-plane direction if it is a plane like a thin film, and large in the longitudinal direction in the columnar structure.
  • magneto-optical material a polycrystalline material that is not lattice-matched with the base material and forming the waveguide without annealing.
  • the result is a waveguide device with low magnetic anisotropy that operates without a magnet.
  • magneto-optic materials suitable for waveguides can be formed by the air mouth sol deposition (AD) method.
  • AD air mouth sol deposition
  • Figure 1 shows the magnetization curve of a Bi-substituted YIG garnet.
  • the composition of B i substituted YIG Gane Tsu preparative (B i 0. 8 Y 2 . 2) F e s 0 1 2.
  • 11 is the magnetization curve of the raw material powder
  • 12 is the magnetic curve measured in the direction perpendicular to the film
  • 13 is the magnetization curve measured in the in-plane direction. It is formed on an amorphous quartz substrate by the aerosol deposition (AD) method.
  • the film thickness is 5 microns. The film forming conditions will be described in detail later.
  • the membrane is not annealed. It can be seen that magnetization is generated in the Bi-YIG film by AD method without annealing.
  • this Bi-substituted YIG garnet film is a plane magnetized film because magnetization occurs in the in-plane direction even at zero magnetic field, and a large magnetic field is required to align the magnetization in the vertical direction. I know that there is. Since the magneto-optic effect is proportional to the magnetization, this Bi-substituted YIG garnet film is expected to have a magneto-optic effect about half that of Baltha.
  • Figure 2 shows the X-ray diffraction pattern of the Bi-substituted YIG garnet.
  • 2 1 is raw material powder
  • the last diffraction pattern, 22 is the diffraction pattern of the film. Since all indices in the diffraction peaks are garnet structure indices, and the diffraction peaks of the film are the same as the raw material powder, the Bi-YIG film by the AD method is a garnet structure polycrystal. I understand. From the above, it is clear that the magneto-optic film formed by the aerosol deposition method is a polycrystalline material that has no lattice matching with the underlying material and can be formed without annealing.
  • FIG. 3 is a schematic diagram of an optical waveguide using the magneto-optical material of this example.
  • a Si 0 2 layer 3 2 was formed as a cladding layer on the silicon substrate 3 1 by 3 / ra thermal oxidation.
  • a 1.5 ⁇ width resist strip was made and etched by reactive ion etching.
  • a core layer 33 was formed on the formed concave structure having a depth of 1.5 ⁇ by an aerosol deposition (AD) method. The film forming method will be described in detail later. Surface polishing was performed to flatten the core layer.
  • a Si 0 2 layer was formed as an upper clad layer 3 4 on the upper portion by a heating method of 0. 5 ⁇ .
  • the magnet is magnetized in the longitudinal direction of the waveguide, and the magnetic direction of the waveguide is aligned in one direction.
  • the magnetization direction of the optical waveguide can be made the same as the traveling direction of the light passing through the waveguide by the shape magnetic anisotropy without a magnet. The result is a waveguide that can operate without a magnet.
  • FIG. 4 is a schematic view of a film forming apparatus used in the present invention.
  • a gas cylinder 41 containing oxygen gas is connected to the glass bottle 42 via a transport tube. Place powder raw material 4 3 in glass bottle 42 and evacuate it to a vacuum of about 2 O Torr through exhaust pipe 44, then introduce it as a carrier gas while controlling the flow rate of oxygen.
  • the glass bottle 42 is vibrated by the vibrator 45, thereby generating an aerosol in which fine particles of the raw material powder are dispersed in the gas, and the carrier gas is transferred to the film formation chamber 47 via the transfer pipe 46.
  • the film formation chamber 47 is evacuated to a predetermined degree of vacuum by the vacuum pump 48.
  • a thin film is formed by spraying powder onto the substrate 4 10 from the nozzle 4 9.
  • the film formation conditions are as follows.
  • the carrier gas is oxygen
  • the angle of incidence between the nozzle and the substrate is 10 degrees
  • the gas flow rate is 1 2 1 / min
  • the deposition rate is 0 min
  • the vibration frequency of the vibrator is 200 rpm.
  • Bi-substituted YIG garnet powder which is an oxide with a large magneto-optical effect, was used as the film-forming material.
  • Set configuration of B i substituted YIG garnet preparative (B i-YIG) is (B i 0, 8 Y 2 . 2) F e 5 0 1 2.
  • the average particle diameter of the raw material powder was 0.6 ⁇ ⁇ .
  • Bi 1 YIG powder as a film-forming material is a ferromagnetic composition with a garnet-type crystal structure, and can be applied to optical devices with a large magneto-optical effect.
  • the magnetization characteristics and crystal structure of the Bi-YIG film by the AD method are as described in Figs.
  • Nonreciprocity was measured with the produced optical waveguide.
  • CW light with a wavelength of 1.5 5 ⁇ ⁇ was input, and the polarization direction was aligned by a polarizer, then condensed by a lens and coupled to a waveguide.
  • the light emitted from the waveguide was collimated by a lens, passed through an analyzer, and the amount of light was measured with a photodetector.
  • the magnetization direction of the waveguide was reversed with a magnet and the change in light intensity was measured, a value of 1 ⁇ d ⁇ ⁇ ⁇ was obtained as the isolation.
  • a waveguide of a magneto-optic material is formed by using the air-sol sol deposition method, which is lattice-matched with the underlying material and is a polycrystalline material and has no magnetic anisotropy due to the inverse magnetostriction effect caused by thermal strain. Can do.
  • This magneto-optic waveguide can be applied to optical devices such as waveguide type isolators, polarization equalizers, and circuit regulators.
  • an optical element according to the present invention can be produced on a substrate on which another element is formed.
  • the optical element of the present invention can be further produced on a substrate on which another type of optical element such as a laser, an electro-optical converter, a photoelectric converter, an optical amplifier, an optical waveguide, an optical filter, or the like is formed in advance.
  • the optical element of the present invention can also be fabricated on a substrate on which an integrated circuit composed of electronic elements such as CPU and memory is formed in advance.
  • the optical element according to the present invention can be integrated and produced on the substrate on which other elements are formed.
  • the present invention can be applied to the production of an optical integrated device in which an optical device composed of the optical element of the present invention and other devices are integrated.
  • the present invention controls the magnetic anisotropy of a waveguide in order to manufacture a waveguide device made of a magneto-optic material that can operate without a magnet on an arbitrary base material. From the point of view that it is important. Magnetic anisotropy other than shape magnetic anisotropy can be reduced by forming a waveguide without annealing, using a magneto-optic material that is a polycrystalline material that does not lattice match with the underlying material. As a result, the magnetism direction of the optical waveguide can be made the same as the traveling direction of the light passing through the waveguide due to the shape magnetic anisotropy without a magnet.
  • the optical device of the present invention is an optical waveguide at least a part of which is made of a magneto-optical material, and the magneto-optical material is a polycrystalline material having no lattice matching with the base material.
  • An optical waveguide has no magnetic anisotropy due to the inverse magnetostriction effect caused by thermal strain, and the optical axis direction of the optical waveguide is the same as the traveling direction of light through the waveguide due to the shape magnetic anisotropy. Yes.
  • the magnetic anisotropy other than the shape magnetic anisotropy '14 can be reduced, and the magnetization direction of the waveguide can be made the same as the waveguide direction of light. it can.
  • the optical device of the present invention forms a compact by pulverizing and joining the ultrafine particle brittle magneto-optical material by applying a mechanical impact force to the ultrafine particle brittle magneto-optical material supplied on the substrate.
  • An optical waveguide made of a magneto-optical material is formed by this molded body.
  • This molded body is a polycrystalline material that has no lattice matching with the underlying material, and since there is no magnetic anisotropy due to the inverse magnetostrictive effect caused by thermal strain, it reduces the magnetic anisotropy other than the shape magnetic anisotropy. be able to.
  • the optical device of the present invention is characterized in that an external magnetic field for controlling the magnetization direction is not acting.
  • an external magnetic field for controlling the magnetization direction is not acting.
  • the optical device of the present invention is characterized in that the aspect ratio (ratio of width and height to length) of a waveguide made of a magneto-optical material is 10 or more.
  • the aspect ratio of the waveguide is 10 or more.
  • a waveguide made of a magneto-optic material is a channel-type waveguide. It is characterized by being.
  • the channel-type waveguide has a simple columnar structure compared to other waveguide structures such as a ridge-type waveguide. Therefore, the shape magnetic anisotropy is large, and sufficient shape magnetic anisotropy can be obtained to align the magnetization direction with the waveguide direction.
  • the optical device of the present invention is characterized by being a waveguide type isolator, a polarization equalizer, and a circulator.
  • Magneto-optical materials have unique properties such as nonreciprocity and polarization angle rotation.
  • Waveguide-type isolators, polarization equalizers, and circulators are suitable as optical devices using these characteristics. Any optical device needs to control the magnetization direction of the waveguide, and it is effective to use the magneto-optical material of the present invention.
  • the optical device of the present invention is characterized in that the magneto-optical material is made of an oxide having a garnet structure.
  • Magneto-optical materials in practical use, such as YIG, have a complicated garnet structure, and can be formed on any substrate or underlying material according to the present invention.
  • the optical integrated device of the present invention can integrate an optical device having an optical waveguide structure having a waveguide layer of the magneto-optical material and another 'second optical device on a substrate.
  • the second optical device is characterized by being one of a laser, an electro-optical converter, a photoelectric converter, an optical amplifier, an optical switch, or an optical filter.
  • This magneto-optic material waveguide layer can be formed on any substrate and underlying material without the need for high-temperature heat treatment. Furthermore, since the magnetization direction can be controlled without a magnet, a plurality of optical devices can be integrated.
  • An optical integrated device of the present invention is characterized in that an optical device having an optical waveguide structure having a waveguide layer of the magneto-optical material and an electronic circuit are integrated on a substrate. According to the present invention, it is possible to integrate an optical device and an electronic circuit on the same substrate.
  • the optical integrated device of the present invention is characterized in that the magneto-optical material is made of an oxide having a garnet structure. Magneto-optical materials such as YIG that have been put into practical use have a complicated garnet structure, and can be formed on any substrate or base material according to the present invention.
  • the magneto-optical material is It is formed by the aerosol deposition method.
  • the aerosol deposition method it is possible to form a magneto-optic material that is a polycrystalline material that is not lattice-matched with the underlying material and has no magnetic anisotropy due to the inverse magnetostrictive effect caused by thermal strain.
  • a magneto-optical waveguide having a high magneto-optical effect and easy to be integrated with other optical elements, an optical device using the same, and integration of these with other optical elements and semiconductor optical elements It is possible to provide an optical integrated device obtained by a digital camera.

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Abstract

光デバイスは、少なくとも一部が磁気光学材料からなる光導波路であり、その磁気光学材料は下地材料と格子整合のない多結晶材料である。光導波路は、熱歪みに起因する逆磁歪効果による磁気異方性がなく、その磁化方向が形状磁気異方性により導波路を通る光の進行方向と同一であることを特徴とする。

Description

光デバイス、 光集積デバイス、 及ぴその製造方法 技術分野
本発明は、 光通信、 光配線、 光ストレージに用いられる光デバイス、 特に磁気 光学材料を用いた光導波路を利用した光非相反性や偏光回転を用いた光デバイス、 それを集積した光集積デバイス、 及明びその製造方法に関する。 背景技術 童
本発明は、 磁気光学材料を用いた光導波路を利用した光非相反性や偏光回転を 用レ、た光デバイスに関するものである。 そのため光非相反性を用 、た光デバイス の代表例である光アイソレータについてまず説明する。
光アイソレ一タは、 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。 半導体レーザに反射戻り光が入 射する場合、 半導体レーザの発振特性が劣化する。 このように光アイソレータに より反射戻り光を阻止することで、 半導体レーザはその特性を劣化させることな く、 安定な発振を保つことができる。
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 とは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ことができ、 光通信等で広く使われている。
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、 光の伝搬方向に直交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。 これらはバルタ型光アイソレータと呼ばれ、 半導体レーザなど の他の導波路型素子と一体集積化することが困難である。 バルク型光アイソレー タは、 偏光子、 磁気光学材料からなる非相反素子、 磁気光学材料の磁化方向を制 御する磁界発生用磁石、 検光子のパルク秦子の集積として構成される。
一方、 他の光学素子との集積化を目的として、 いくつかの導波作用のある光ァ イソレータ、 すなわち導波路型光アイソレータが提案されている。 これらの導波 路型光アイソレ タは、 ガドリニウム 'ガリウム 'ガーネット （G G G) などの ガーネット基板上に、 ェ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。 特許文献 1 (特開平 7— 5 6 0 4 0号公報） では、 G G G基板上に 液相ェピタキシャル成長 （L P E ) 法により L aと G aと Yを含有した鉄ガーネ ットを成長し、 コア層とクラッド層の組成を制御することで屈折率を制御し導波 層を形成している。 さらに、 ウエットエッチングによりリッジ部を形成し導波路 を形成している。 磁界を印加することでコア層の磁化方向を制御し非相反性を測 定している。
非特許文献 1 (T. Shintaku: Appl. Phys. Lett. 73 (1998) 1946. ) も同様に、 C a、 M g、 Z r添加の G G G基板の上に （1 1 1 ) に C e置換 Y I Gガーネッ ト膜を R Fスパッタ法でェピタキシャル成長させ、 反応性ィオンエツチングによ りリッジ型導波路を形成している。 非相反性によるアイソレーションを生じさせ るためには光の導波方向と磁化方向がある特定の角度を持つ必要があり、 磁石に よる外部磁界でその磁ィヒ方向を制御している。
このように、 磁気光学材料による導波路を光デバィスとして用いるためには、 その磁化方向を外部磁界により制御する必要がある。 光デバイスの小型化ゃ低コ スト化には、 小さな外部磁界、 望ましくは磁界なしで磁化方向が制御できること が望ましレ、。 そのためには形成された磁気光学材料の磁気異方性を精密に制御す る必要がある。 ェピタキシャル成長した磁気光学材料では強レ、成長誘導磁気異方 性があり、 それを小さくするために 1 0 0 0 °C以上の熱処理をする技術が特許文 献 2 (特開平 8— 2 5 3 3 9 5号公報） で開示されている。 し力 し、 1 0 0 0 °C 以上の熱処理は光導波路デバィスのプロセス温度としては高すぎる。
スィツチ機能つきの導波路型光部品を提供する特許文献 3 (特開平 1 0— 2 2 1 7 2 0号公報） では、 磁気光学材料である磁性ガーネットの導波路が開示され ている。 その磁性ガーネット導波路は、 光路に沿った細長い直方体形状をもち、 その形状磁気異方性により、 光の進行方向と平行に磁化方向が揃い易い性質を使 つている。 これにより偏光回転部の磁気光学材料からなる導波路の磁化方向の制 御に磁石を必要としていない。 し力 し、 磁 ^ "生ガーネット導波路は基板上にェピタ キシャル成長させるため、 強い成長誘導磁気異方性を有している。 このため、 磁 石による外部磁界なしの形状磁気異方性だけでは磁化方向の制御は困難であり、 偏光回転角の低下や長期的な変動を生じるという欠点を持つ。
今後は、 光とエレクトロ二タスとを 1チップ上に集積可能とするナノフォトニ ックデバイスの実現が大きな革新技術として求められている。 これを実現するた めには C P U、 メモリー等の L S Iと光スィッチ、 レーザ等の能動光学素子を同 —基板上に形成する技術が必要である。 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型のものが提案されている。 光相反素子は、 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） を揷入し、 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、 各部で揷入損失が発生する。 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 2 ； N. Sugiraoto et al : J. Lightwave Tech. 14 (1 996) 2537.参照）。
また、 異種基板上への磁気光学素子を形成する技術として、 磁気光学材料をゥ ェハボンディングにより接合する技術が特許文献 4 (特開 2 0 0 4— 2 4 0 0 0 3号公報）に開示されている。 特許文献 4では、 S O I基板と磁性ガーネットか らなる第二のクラッド層とを、 ウェハボンディングによって貼り合わせている。 S O I基板は、 シリコン結晶からなるコア層と、 絶縁体である S i 0 2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、 S i 0 2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ている。 この S〇 I基板のコア層表面に、 磁性ガーネットからなる第二のクラッド層を貼り合わせた磁性ガーネット /シリ コンノ二酸化珪素構造の磁気光学導波路が開示されている。 この場合もボンディ ングした磁性ガーネットの磁化方向は外部磁界で制御する必要がある。 また、 単 結晶磁性ガーネットを張り合わせるため、 小型ィ匕が困難であり高価になるという 欠点がある。
シリコン基板上への集積化には、 シリコンや石英基板上に磁気光学材料を、 高 い結晶性で成膜する技術が求められている。 非特許文献 3 (S. Y. Sung et al : Appl. Phys. Lett. 87 (2005) 12111) では、 M g Oと S i O 2上に R Fスパッタ により Y I Gガーネット膜を形成する方法が報告されている。 基板上にァモルフ ァス膜を形成した後、 R T A法によるァニールにより結晶化させ、 多結晶体を形 成している。 結晶化には、 7 5 0 °C以上の高いァニール温度が必要になる。 基板 と Y I Gガーネットには熱膨張率の差があるため、 このァニールによる熱歪みに よる逆磁歪効果により磁気異方性が生じてしまい、 導波路の磁化制御には磁石が 必要となる。
一方、 酸化物の新たな膜形成技術として、 常温衝撃固化現象を利用したエア口 ゾルデポジション （AD法） が開発されている。 A D法は超微粒子材料の衝突付 着現象を利用している。 従来の薄膜形成法に比べ高い成膜速度と低いプロセス温 度の実現が期待されている （非特許文献 4 ； Jun Akedo et al： Jpn. J. Appl. P hys. 38 (1999) 5397)。 また、 A D法は、 膜特性が下地層に依存しないことから、 基板を自由に選択することができる。 特許文献 5 (特開 2 0 0 1— 3 1 8 0号公 報） に開示されている技術は、 A D法の形成方法に関する。 基板上に供給した超 微粒子脆性材料に機械的衝撃を負荷して粉砕して、 前記超微粒子脆性材料同士ま たは前記超微粒子脆性材料同士及び前記超微粒子脆性材料と前記基板を接合させ ることを特徴としている。 これにより、 超微粒子相互の接合を実現し、 熱を加え ることなく、 高密度、 高強度の膜が形成される。
特許文献 6 (特開 2 0 0 2— 2 3 5 1 8 1号公報） に開示されている技術は A D法により形成された構造物に関するものである。 構造物は結晶配向性がない多 結晶体であり、 ガラス層からなる粒界層が実質的にないことを特徴としている。 この A D法を用いた透明度の高い電気光学材料の薄膜成形に関する検討がなされ ている （非特許文献 5 ； Masafumi Nakada et al : J. of Crys. Growth, 275 (20 05) 1275)。 それによると、 光学素子の基本特性である A D膜の透過損失は、 成 形体を形成する微粒子、 及び屈折率を異にする非成形体微粒子のレイリー散乱に よることが明らかにされている。
特許文献 7 (特開 2 0 0 5— 1 8 1 9 9 5号公報） に開示されている技術は、 A D法による光学素子、 光集積デバイス、 光情報伝搬システム及びその製造法に 関するものである。 ここでは、 基板上に供給した超微粒子脆性材料に機械的衝撃 力を負荷して前記超微粒子脆性材料を粉砕、 接合させる衝撃固化現象により成形 体を形成した光学素子である。 この光学素子に含有されるポア（空孔）、 異相等の 屈折率が成形体の主たる構成体と異なる部分の平均半径 d (nm)と前記成形体を伝 搬する光の波長 X (nm)の間に、 （1 6ノ 4 < 4 X 1 0— 5 n m 2の関係があることを 特徴としている。
なお、 非相反性を用いたデバイスとしてアイソレータを例にあげて説明してき たが、 他の光非相反デバイスとして、 光サーキユレータがある。 光サーキユレ一 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。 また、 磁気光 学材料の偏光回転性を用いることで導波路を伝播する光の偏光方向を制御するこ とが可能であり、 偏波ィコライザ一等の光デパイスを構成することが可能である。 発明の開示
発明が解決しょうとする課題
上記したように磁気光学材料を用レ、た導波路型デバイスは長く研究されている が、 実用化されていない。 この理由としては、 磁気光学材料として用いられてい る磁性ガーネットを基板上に形成する必要がある。 しかし、 G G G等の単結晶基 板上に磁性ガーネットを結晶成長させることが困難であることによる。 あるいは、 髙温ァニールが必要なため、 S i〇2、 S i、 I I I 一 V族化合物半導体等を基 材とした導波路との集積化が困難であることによる。 このため、 導波路型にする メリット （小型化、 低コスト化等） がなくなってしまう。 また、 形成プロセスに より、 磁気異方性が生じ、 磁化方向の制御のために外部磁界が必要となる。 外部 磁界の発生のために必要な磁石の集積により、 光デバイスは複雑化し、 高価にな る。
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、 かつ他の光素子との一体集積化が容易な磁気光学導波 路及ぴそれを用いた光デバイス、 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デパイスを提供することにある。
課題を解決するための手段
本発明の光デバイスは、 少なくとも一部が磁気光学材料からなる光導波路であ り、 前記磁気光学材料は下地材料と格子整合のない多結晶材料多結晶材料である。 光導波路は、 熱歪みに起因する逆磁歪効果による磁気異方性がなく、 前記光導波 路の磁化方向が形状磁気異方性により導波路を通る光の進行方向と同一であるこ とを特 ί敷としている。
また、 本発明の光集積デバイスは、 磁気光学材料の導波層を有する光導波路構 造を備えた光デバイスと、 第 2の光デバイスとを基板上に集積し、 前記第 2の光 デバイスは、 レーザ、 電気光変換器、 光電気変換器、 光増幅器、 光スィッチまた は光フィルターのいずれかであることを特徴としている。 さらに第 2の光デバイ スの代わりに、 電子回路を基板上に集積することもできる。
さらに、 本発明の製造方法は、 前記磁気光学材料が、 エアロゾルデポジション 法で形成されていることを特徴としている。
発明の効果
本発明により、 磁気光学効果が高く、 かつ他の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デバイス、 並びにそれらと他の光学素子、 半 導体光素子との集積化により得られる光集積デバィスを提供することができる。 図面の簡単な説明
図 1は、 B i置換 Y I Gガーネットの磁化曲線を表した図である。
図 2は、 B i置換 Y I Gガーネットの X線回折パターンを表した図である。
図 3は、 磁気光学材料を用いた光導波路の模式図である。
図 4は、 本発明で用いた成膜装置の概略図である。 発明を実施するための最良の形態
以下、 本発明の原理を含めて実施例として、 図面を参照して詳細に説明する。 実施例 1
以下に実施例として、 図 1〜4を参照して詳細に説明する。 図 1に、 B i置換 Y I Gガーネットの磁化曲線を示す。 図 2に、 B i置換 Y I Gガーネットの X線 回折パターンを示す。 図 3に、 本実施例の磁気光学材料を用いた光導波路の模式 図を示す。 図 4は、 本発明で用いた成膜装置の概略図を示す。
本発明は、 磁石なしで動作可能で、 磁気光学材料からなる導波路デバィスを任 意の下地材料上に製造するためには、 導波路の磁気異方性を制御することが重要 であるという着眼点に立っている。 磁気光学材料を下地材料と格子整合のない多 結晶材料で、 ァニールせずに導波路を形成することで、 形状磁気異方性以外の磁 気異方性を小さくすることができる。 これにより、 磁石なしでも光導波路の磁ィ匕 方向が形状磁気異方性により導波路を通る光の進行方向と同一にすることができ るという発見からなされたものである。 磁気光学材料に用いられる磁性ガ一ネッ トの磁気異方性は、 主に次の 4種類から生じている。 すなわち、 結晶磁気異方性、 成長誘導磁気異方性、 逆磁歪効果による磁気異方性、 形状磁気異方性である。 以 下、 それぞれの磁気異方性について、 その物理的背景と制御方法を説明する。 結晶磁気異方性は、 結晶構造による磁性原子の電子状態により生じ、 磁性ガー ネットが結晶対称性の高い立方晶構造を持っため、 大きな値はとらない。 また、 多結晶体にすることで、 空間平均はゼロにすることができる。
成長誘導磁気異方性は、 ェピタキシャル成長時に生じる磁気異方性であり、 磁 性ガーネットでは、 2種類以上の非磁性金属ィオンを含む場合に大きくなること が知られている。 起源は明確ではないが、 非磁性金属イオンの結晶成長方向への 配位が考えられている。 磁気光学材料では、 磁気光学効果の大きな B i置換 Y I Gガーネットを用いる場合が多く、 この成長誘導磁気異方性は大きくなる。 この 磁気異方性を小さくするためにはェピタキシャル成長を形成法として用いないこ とが有効である。 この成長誘導磁気異方性を低減するためには、 特許文献 2で開 示されている 1 0 0 0 °C以上の熱処理が有効であるが、 光導波路デバイスのプロ セス温度としては高すぎる。
逆磁歪効果による磁気異方性は、 結晶歪みによる磁性原子の電子状態の影響に より生じる現象であり、 B i置換 Y I Gガーネットでは比較的大きな効果になる。 この磁気異方性を小さくするためには結晶歪みを小さくすることが有効である。 結晶歪みは、 ェピタキシャル成長の場合、 下地材料との格子定数の不整合により 生じる。 また、 形成時にァニールもしくは高い基板温度が必要な場合には、 下地 材料と磁気光学材料の熱膨張係数の不一致から生じる熱歪みによっても結晶歪み は生じる。 従って、 この磁気異方性を小さくするためには、 下地材料との格子定 数の不整合を小さくし、 熱プロセスを必要としない形成法の適用が有効である。 形状磁気異方性は、 反磁界による静磁エネルギーを小さくする方向に磁化方向 が向く現象であり、 磁性体の形状に大きく依存する。 形状磁気異方性は、 薄膜の ような平面であれば面内方向に大きく、 柱状構造では長手方向に大きくなる。 以上の磁気異方性に対する検討から、 磁気光学材料からなる導波路デバイスを 任意の下地材料上に製造する方法として、 下記の製造方法を見出した。 すなわち、 磁気光学材料を下地材料と格子整合のない多結晶材料とし、 ァニールせずに導波 路を形成することで、 形状磁気異方性以外の磁気異方性を小さくできる。 その結 果、 磁石なしで動作する磁気異方性の小さな導波路デバイスが得られる。 さらに 各種成膜方法を研究の結果、 エア口ゾルデポジシヨン (A D)法により、 導波路に 適した磁気光学材料を形成できることを発見した。 以下、 図を使って、 エアロゾ ルデポジション（AD)法により形成した磁気光学膜の特性を詳細に説明する。 図 1に、 B i置換 Y I Gガーネットの磁化曲線を示す。 B i置換 Y I Gガーネ ット （B i— Y I G) の組成は （B i 0. 8 Y 2. 2) F e s 0 1 2である。 1 1は原 料粉末の磁化曲線、 1 2は膜に垂直方向に測定した磁ィ匕曲線、 1 3は面内方向に 測定した磁化曲線である。 エアロゾルデポジション（AD)法により非晶質である 石英基板上に形成している。 膜厚は 5ミクロンである。 成膜条件は後で詳細に説 明する。 膜はァニールをしていない。 AD法による B i — Y I G膜は、 ァニール しない状態で磁化が発生していることがわかる。 また、 面内方向では磁界ゼロに おいても磁化が生じていること、 垂直方向に磁化が揃うためには、 大きな磁界が 必要なことから、 この B i置換 Y I Gガーネット膜は面內磁化膜であることがわ かる。 磁気光学効果は磁化に比例することから、 この B i置換 Y I Gガーネット 膜はバルタの半分程度の磁気光学効果を有すると予想される。
図 2に、 B i置換 Y I Gガーネットの X線回折パターンを示す。 2 1は原料粉 末の回折パターン、 2 2は膜の回折パターンである。 回折ピークに記した指数は すべてガーネット構造の指数であり、 膜の回折ピークは原料粉末と同じであるこ とから、 AD法による B i - Y I G膜は、 ガーネット構造の多結晶体になってい ることがわかる。 以上から、 エアロゾルデポジション法により形成した磁気光学 膜は、 下地材料と格子整合のない多結晶材料で、 ァニールせずに形成できること は明らかである。
図 3は、 本実施例の磁気光学材料を用いた光導波路の模式図である。 シリコン 基板 3 1上に、 クラッド層として S i 0 2層 3 2を 3 / ra熱酸化により形成した。 コア層を埋め込むための凹構造を形成するために、 1 . 5 μ πι幅のレジストの抜 きを作り、 反応性イオンエッチングでエッチングした。 形成した 1 . 5 μ πι深さ の凹構造にエアロゾルデポジション （AD) 法によるコア層 3 3を形成した。 成 膜方法等は、 あとで詳しく説明する。 表面研磨を行い、 コア層の平坦化を行った。 その上部に上部クラッド層 3 4として、 S i 0 2層を熱じ 0法にょり膜厚1 . 5 ηι形成した。 最後に、 磁石により導波路の長手方向に着磁し、 導波路の磁ィ匕 方向を一方向にそろえる。 このように導波路の磁化方向を一方向にそろえること で、 磁石なしでも光導波路の磁化方向が形状磁気異方性により導波路を通る光の 進行方向と同一にすることができる。 その結果、 磁石なしで動作することが可能 な導波路が得られる。
次に本実施例で用いた AD法の成膜方法について詳しく説明する。 図 4は、 本 発明で用いた成膜装置の概略図である。 酸素ガスを内蔵するガスボンベ 4 1は搬 送管を介してガラスボトル 4 2に接続されている。 ガラスボトル 4 2内に粉末原 料 4 3を入れ、 排気管 4 4を介して 2 O Torr程度の真空に排気した後、 キヤリ ァガスとして酸素の流量を制御しながら導入する。 ガラスボトル 4 2を加振器 4 5により振動させることで、 気体中に原料粉末の微粒子を分散させたエアロゾル を発生させ、 キャリアガスにより搬送管 4 6を介して、 成膜チャンバ一 4 7に搬 送する。 成膜チャンパ一 4 7は真空ポンプ 4 8により所定の真空度に排気される。 ノズル 4 9から基板 4 1 0に粉末を吹き付けることで、 薄膜を形成する。
成膜条件は、 次のようになる。 キャリアガスは酸素とし、 ノズレと基板の入射 角を 1 0度、 ガス流量は 1 2 1/分、 成膜速度は 0 . 分、 加振器の振動数は 2 0 0 r p mである。 磁気光学効果の大きな酸化物である B i置換 Y I Gガーネ ットの粉末を成膜材料とした。 B i置換 Y I Gガーネッ ト （B i— Y I G) の組 成は （B i 0, 8 Y 2. 2) F e 5 0 1 2である。 原料粉末の平均粒径は、 0 . 6 ^ ιηと した。 成膜材料の B i一 Y I G系粉末はガーネット型結晶構造を持つ強磁性体の 組成であり、 大きな磁気光学効果を持つ光学デバィスへの適応が可能な組成であ る。 AD法による B i— Y I G膜の磁化特性と結晶構造は、 図 1、 2で説明した とおりである。
作製した光導波路で非相反性を測定した。 波長 1 . 5 5 μ ηι の CW光を入力し、 偏光子により偏光方向をそろえた後、 レンズで集光して導波路に結合した。 導波 路から出た光をレンズで平行光とした後、 検光子を通し、 その光量をフォ トディ テクタで測定した。 磁石により導波路の磁化方向を反転させ、 光量変化を測定し たところ、 アイソレーションとして 1 Ί d Βの値が得られた。
以上より、 エア口ゾルデポジシヨン法を用い、 下地材料と格子整合のなレ、多結 晶材料で、 熱歪みに起因する逆磁歪効果による磁気異方性がない磁気光学材料の 導波路を形成することができる。 この構成とすることで、 高い磁気光学効果をも ち、 他の光素子との一体集積化が容易な磁気光学導波路が実現可能となった。 こ の磁気光学導波路は、 導波路型アイソレータ、 偏波イコライザー、 サーキユレ一 タ等の光デバイスに適用することができる。
A D層の特性が下地層の結晶性に本質的に依存しないという利点は、 他の素子 を形成した基板に、 さらに本発明にかかる光学素子を作製できることにある。 例 えば、 レーザ、 電気光変換器、 光電気変換器、 光増幅器、 光導波路、 光フィルタ 一等の別種の光学素子を予め形成した基板に、 本発明の光学素子をさらに作製で きる。 あるいは、 C P U、 メモリー等の電子素子で構成される集積回路が予め形 成されている基板にも、 本発明の光学素子を作製できる。 このように他の素子を 形成した基板上に、 本発明にかかる光学素子を集積作製することができる。 全体 として、 本発明の光学素子で構成される光デバイスと、 他のデバイスとを集積し た光集積バイスの作製に応用することができる。
上記したように本発明は、 磁石なしで動作可能な磁気光学材料からなる導波路 デバイスを任意の下地材料上に製造するためには、 導波路の磁気異方性を制御す ることが重要であるという着眼点に立っている。 磁気光学材料を下地材料と格子 整合のない多結晶材料で、 ァニールせずに導波路を形成することで、 形状磁気異 方性以外の磁気異方性を小さくすることができる。 これにより、 磁石なしでも光 導波路の磁化方向が形状磁気異方性により導波路を通る光の進行方向と同一にす ることができるという発見からなされたものである。
以下に本発明の特徴をまとめる。
本発明の光デバイスは、 少なくともその一部が磁気光学材料からなる光導波路 であり、 前記磁気光学材料は下地材料と格子整合のない多結晶材料である。 光導 波路は、 熱歪みに起因する逆磁歪効果による磁気異方性がなく、 光導波路の磁ィ匕 方向が形状磁気異方性により導波路を通る光の進行方向と同一であることを特徴 としている。 このような磁気光学材料で導波路を形成することで形状磁気異方 '14 以外の磁気異方性を小さくすることができ、 導波路の磁化方向を光の導波方向と 同一にすることができる。
本発明の光学デバィスは、 基板上に供給した超微粒子脆性磁気光学材料に機械 的衝撃力を負荷して超微粒子脆性磁気光学材料を粉砕、 接合させ成形体を形成す る。 この成形体により磁気光学材料からなる光導波路を形成することを特徴とし ている。 この成型体は下地材料と格子整合のない多結晶材料であり、 熱歪みに起 因する逆磁歪効果による磁気異方性がないことから、 形状磁気異方性以外の磁気 異方性を小さくすることができる。
本発明の光デバイスは、 磁化方向を制御するための外部磁界が作用していない ことを特徴としている。 形状磁気異方性以外の磁気異方性を小さくすることで、 外部磁界なしの状態で導波路の磁化方向を光の導波方向と同一にすることができ る。 こうすることで、 光デパイス内部もしくは外部に磁石等の磁界発生機構が必 要と無くなり、 小型で安価な光デバイスを供給することができる。
本発明の光学デバイスでは、 磁気光学材料からなる導波路のアスペクト比 （幅、 高さ対長さの比） が 1 0以上であることを特徴としている。 導波路のアスペクト 比を 1 0以上にすることで、 導波路方向に磁化方向をそろえるために十分な形状 磁気異方性を得ることができる。
本発明の光学デバイスは、 磁気光学材料からなる導波路が、 チャネル型導波路 であることを特徴としている。 チャネル型導波路はリッジ型導波路等の他の導波 路構造と比較して、 単純な柱状構造をしている。 そのため形状磁気異方性が大き く、 導波路方向に磁化方向をそろえるために十分な形状磁気異方性を得ることが できる。
本発明の光学デバイスは、 導波路型アイソレータ、 偏波イコライザー、 サーキ ユレータであることを特徴としている。 磁気光学材料は非相反性と偏光角回転と いう他には無い性能を有しており、 その特性を用いた光デバイスとして導波路型 アイソレータ、 偏波イコライザー、 サーキユレータは適している。 いずれの光デ バイスも導波路の磁化方向を制御することが必要であり、 本発明の磁気光学材料 を用いることは有効である。
本発明の光デバイスは、 前記の磁気光学材料が、 ガーネット構造を持つ酸化物 からなることを特徴としている。 Y I Gをはじめとした実用化されている磁気光 学材料は、 複雑なガーネット構造を持ち、 本発明により任意の基板、 下地材料上 に形成することが可能となる。
本発明の光集積デバイスは、 前記の磁気光学材料の導波層を有する光導波路構 造を備えた光デバイスと、'他の第 2の光デバイスとを基板上に集積できる。 その 第 2の光デバイスとして、 レーザ、 電気光変換器、 光電気変換器、 光増幅器、 光 スィツチまたは光フィルタ一のいずれかであることを特徴としている。 この磁気 光学材料の導波層は、 任意の基板と下地材料上に、 高温の熱処理を必要とせず形 成することができる。 さらにその磁化方向を磁石なしに制御できることから、 複 数の光デバイスを集積化できる。
本発明の光集積デバイスは、 前記の磁気光学材料の導波層を有する光導波路構 造を有する光デバイスと、 電子回路を基板上に集積することを特徴としている。 本発明により、 光デバイスと電子回路の同一基板上での集積化が可能となる。 本発明の光集積デバイスは、 前記の磁気光学材料が、 ガーネット構造を持つ酸 化物からなることを特徴としている。 Y I Gをはじめとした実用化されている磁 気光学材料は、 複雑なガーネット構造を持ち、 本発明により任意の基板、 下地材 料上に形成することが可能となる。
本発明の光デバイス、 光集積デバイスの製造方法は、 前記の磁気光学材料が、 エアロゾルデポジション法で形成されていることを特徴としている。 エアロゾル デポジション法を用いることで、 下地材料と格子整合のない多結晶材料であり、 熱歪みに起因する逆磁歪効果による磁気異方性がない磁気光学材料を形成するこ とが可能となる。
以上、 実施例に基づき本発明を具体的に説明したが、 本発明は上述の実施例に 限定されるものではない。 本願の要旨を逸脱しなレ、範囲で種々の変更を施すこと ができ、 これらの変更例も本願に含まれることはいうまでもない。
産業上の利用可能性
本発明により、 磁気光学効果が高く、 かつ他の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デバイス、 並びにそれらと他の光学素子、 半 導体光素子との集積ィヒにより得られる光集積デバィスを提供することができる。 この出願は、 2 0 0 7年 8月 1日に出願された日本出願特願 2 0 0 7 - 2 0 0 4 0 5号を基礎とする優先権を主張し、 その開示の全てをここに取り込む。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 少なくとも一部が磁気光学材料からなる光導波路であり、 前記磁気光学材 料は下地材料と格子整合のない多結晶材料であり、 熱歪みに起因する逆磁歪効果 による磁気異方性がなく、前記光導波路の磁化方向が形状磁気異方性により導波 路の導波光の進行方向と同一であることを特徴とする光デバイス。
2 . 請求項 1に記載の光デバイスにおいて、 基板上に供給した超微粒子脆性磁 気光学材料に機械的衝搫カを負荷して前記超微粒子脆性磁気光学材料を粉砕、 接 合させ成形体を形成し、 前記成形体から磁気光学材料の光導波路を形成すること を特徴とする光デバイス。
3 . 請求項 1又は 2に記載の光デバイスにおいて、 前記磁気光学材料からなる 光導波路の磁化方向を制御するために、 外部磁界が作用していないことを特徴と する光デバイス。
4 . 請求項 1乃至 3のいずれかに記載の光デバイスにおいて、 前記磁気光学材 料からなる光導波路のアスペク ト比 （幅、 高さ対長さの比） が 1 0以上であるこ とを特徵とする光デバイス。
5 . 請求項 1乃至 3のいずれかに記載の光デバイスにおいて、 前記磁気光学材 料からなる光導波路がチャネル型導波路であることを特徴とする光デパイス。
6 . 請求項 1乃至 3のいずれかに記載の光デバイスが、 導波路型アイソレータ、 偏波ィコライザ一、 サーキュレータであることを特徴とする光デパイス。
7 . 請求項 1乃至 6のいずれかに記載の光デバイスにおいて、 前記磁気光学材 料がガーネット構造を持つ酸化物からなることを特徴とする光デパイス。
8 . 請求項 1乃至 3のいずれかに記載の前記磁気光学材料の導波層を有する光 導波路構造を備えた光デパイスと、 第 2の光デバイスとを基板上に集積する光集 積デバイスであって、 前記第 2の光デバイスは、 レーザ、 電気光変換器、 光電気 変換器、 光増幅器、 光スィッチまたは光フィルターのいずれかであることを特徴 とする光集積デバイス。
9 . 請求項 1乃至 3のいずれかに記載の前記磁気光学材料の導波層を有する光 導波路構造を備えた光デバイスと、 電子回路とを基板上に集積することを特徴と する光集積デバイス。
1 0 . 請求項 8又は 9に記載の光集積デバイスにおいて、 前記磁気光学材料が ガーネット構造を持つ酸化物からなることを特徴とする光集積デバィス。
1 1 . 請求項 1乃至 7のいずれかに記載の光デバイス、 あるいは請求項 8乃至 1 0のいずれかに記載の光集積デバィスであって、 前記磁気光学材料がエア口ゾ ルデポジション法で形成されることを特徴とする製造方法。
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