(57)【要約】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。
2009016972.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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撃力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。
【請求項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。
【請求項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１０以上であることを特徴とする光デバイス。
【請求項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バイス。
【請求項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、偏波イコライザー、サーキュレータであることを特徴とする光デバイス。
【請求項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バイス。
【請求項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バイスと、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、光スイ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。
【請求項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。
【請求項１０】
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イス。
【請求項１１】
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１０のいずれかに記載の光集積デバイスであって、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ることを特徴とする製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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、及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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い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い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。
光アイソレータは、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。これらはバルク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、検光子のバルク素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アイソレータ、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ータは、ガドリニウム・ガリウム・ガーネット（ＧＧＧ）などのガーネット基板上に、エ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７−５６０４０号公報）では、ＧＧＧ基板上に液相エピタキシャル成長（ＬＰＥ）法によりＬａとＧａ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、Ｃａ、Ｍｇ、Ｚｒ添加のＧＧＧ基板の上に（１１１）にＣｅ置換ＹＩＧガーネット膜をＲＦスパッタ法でエピタキシャル成長させ、反応性イオンエッ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化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イ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や低コスト化には、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い。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。エピタキシャル成長した磁気光学材料では強い成長誘導磁気異方性があり、それを小さくするために１０００℃以上の熱処理をする技術が特許文献２（特開平８−２５３３９５号公報）で開示されている。しかし、１０００℃以上の熱処理は光導波路デバイスのプロセス温度としては高すぎる。
スイッ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１０−２２１７２０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っている。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。しかし、磁性ガーネット導波路は基板上にエ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、光とエレクトロニクスとを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ＣＰＵ、メモリー等のＬＳＩと光スイッチ、レーザ等の能動光学素子を同一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）を挿入し、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、各部で挿入損失が発生する。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．Ｓｕｇｉｍｏｔｏ  ｅｔ  ａｌ：Ｊ．Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｔｅｃｈ．１４（１９９６）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、磁気光学材料をウ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２００４−２４０００３号公報）に開示されている。特許文献４では、ＳＯＩ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。ＳＯＩ基板は、シリコン結晶からなるコア層と、絶縁体であるＳｉＯ２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、ＳｉＯ２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ＳＯＩ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／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、小型化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、ＭｇＯとＳｉＯ２上にＲＦスパッタによりＹＩＧガーネット膜を形成する方法が報告されている。基板上にアモルファス膜を形成した後、ＲＴＡ法によるア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、７５０℃以上の高いアニール温度が必要になる。基板とＹＩＧガーネットには熱膨張率の差があるため、このア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ロゾルデポジション（ＡＤ法）が開発されている。ＡＤ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．Ｐｈｙｓ．３８（１９９９）５３９７）。また、ＡＤ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２００１−３１８０号公報）に開示されている技術は、ＡＤ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２００２−２３５１８１号公報）に開示されている技術はＡＤ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ＡＤ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（２００５）１２７５）。それによると、光学素子の基本特性であるＡＤ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２００５−１８１９９５号公報）に開示されている技術は、ＡＤ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λ（ｎｍ）の間に、ｄ６／λ４＜４×１０−５ｎｍ２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、光サーキュレータがある。光サーキュレータは、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、偏波イコライザー等の光デバイスを構成することが可能である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記したように磁気光学材料を用い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、ＧＧＧ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、高温アニールが必要なため、ＳｉＯ２、Ｓｉ、ＩＩＩ−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び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バイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
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徴としている。
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、光スイ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】
【０００５】
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イスを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
図１は、Ｂｉ置換ＹＩＧガーネットの磁化曲線を表した図である。
図２は、Ｂｉ置換ＹＩＧ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】
【０００７】
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】
【０００８】
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、Ｂｉ置換ＹＩＧガーネットの磁化曲線を示す。図２に、Ｂｉ置換ＹＩＧ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、ア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。磁気光学材料に用いられる磁性ガー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つため、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、エ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イ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Ｂｉ置換ＹＩＧ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エ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１０００℃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、Ｂｉ置換ＹＩＧ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、エ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、形成時にア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、ア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、エアロゾルデポジション（ＡＤ）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、Ｂｉ置換ＹＩＧガーネットの磁化曲線を示す。Ｂｉ置換ＹＩＧガーネット（Ｂｉ−ＹＩＧ）の組成は（Ｂｉ０．８Ｙ２．２）Ｆｅ５Ｏ１２である。１１は原料粉末の磁化曲線、１２は膜に垂直方向に測定した磁化曲線、１３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。膜はアニールをしていない。ＡＤ法によるＢｉ−ＹＩＧ膜は、ア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Ｂｉ置換ＹＩＧガーネット膜は面内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Ｂｉ置換ＹＩＧガーネット膜はバルク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、Ｂｉ置換ＹＩＧガーネットのＸ線回折パターンを示す。２１は原料粉末の回折パターン、２２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Ｂｉ−ＹＩＧ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、ア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３１上に、クラッド層としてＳｉＯ２層３２を３μｍ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、１．５μｍ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１．５μｍ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３３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３４として、ＳｉＯ２層を熱ＣＶＤ法により膜厚１．５μｍ形成した。最後に、磁石により導波路の長手方向に着磁し、導波路の磁化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４１は搬送管を介してガラスボトル４２に接続されている。ガラスボトル４２内に粉末原料４３を入れ、排気管４４を介して２０Ｔｏｒｒ程度の真空に排気した後、キャリア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４２を加振器４５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４６を介して、成膜チャンバー４７に搬送する。成膜チャンバー４７は真空ポンプ４８により所定の真空度に排気される。ノズル４９から基板４１０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、ノズルと基板の入射角を１０度、ガス流量は１２１／分、成膜速度は０．５μｍ／分、加振器の振動数は２００ｒｐｍである。磁気光学効果の大きな酸化物であるＢｉ置換ＹＩＧガーネットの粉末を成膜材料とした。Ｂｉ置換ＹＩＧガーネット（Ｂｉ−ＹＩＧ）の組成は（Ｂｉ０．８Ｙ２．２）Ｆｅ５Ｏ１２である。原料粉末の平均粒径は、０．６μｍとした。成膜材料のＢｉ−ＹＩＧ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イスへの適応が可能な組成である。ＡＤ法によるＢｉ−ＹＩＧ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１．５５μｍ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１７ｄＢの値が得られた。
以上より、エアロゾルデポジション法を用い、下地材料と格子整合のない多結晶材料で、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、サーキュレータ等の光デバイスに適用することができる。
ＡＤ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、光フィルター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、ＣＰＵ、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、ア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性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。
本発明の光学デバイスは、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、光デバ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１０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１０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、サーキュ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、サーキュ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。ＹＩＧ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、光スイ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。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。ＹＩＧ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い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】
【０００９】
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イスを提供することができる。
この出願は、２００７年８月１日に出願された日本出願特願２００７−２００４０５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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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