(57)【要約】【課題】光アイソレーター等の光デバイスにおいて、高い光アイソレーション機能と低い挿入損失の特性を有する光デバイスを提供する。【解決手段】プラズモニック導波路を有する光デバイスであって、プラズモニック導波路は、強磁性金属層、第１の誘電体層、第２の誘電体層の順に積層されている少なくとも３層の積層構造を備える。前記第１及び第２の誘電体層は、光を透過する層であり、前記第２の誘電体層の屈折率が前記第１の誘電体層の屈折率より大である。前記強磁性金属層は、プラズモンの伝播方向に対して垂直な磁化を有し、磁化の向きにより光アイソレーション機能を制御できる。【選択図】図５
2014013318.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズモニック導波路を有する光デバイスであって、
前記プラズモニック導波路は、強磁性金属層、第１の誘電体層、第２の誘電体層の順に積層されている少なくとも３層の積層構造を備え、前記第１及び第２の誘電体層は、光を透過する層であり、前記第２の誘電体層の屈折率が前記第１の誘電体層の屈折率より大であることを特徴とする光デバイス。
【請求項２】
前記構造は、前記第１の誘電体層がプラズモンが伝播可能な所定の厚み範囲条件を満足するものであり、前記第１の誘電体層は、第１のカットオフ厚みより薄いか、第２のカットオフ厚みより厚いことを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
【請求項３】
前記強磁性金属層の磁化がプラズモンの伝播方向に対して垂直であることを特徴とする請求項１又は２記載の光デバイス。
【請求項４】
前記第１の誘電体層の厚みが、第１のカットオフ厚みの５０〜９９％の厚みであるか、第２のカットオフ厚みの１０１〜１４０％の厚みであることを特徴とする請求項１に記載の光デバイス。
【請求項５】
前記強磁性金属層が、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、ＦｅＣｏ、ＦｅＮｉ、ＦｅＣｏＢ、ＳｍＣｏ、ＮｄＦｅＢのいずれかを主とする金属材料からなることを特徴とする請求項１記載の光デバイス。
【請求項６】
前記強磁性金属層がＣｏ、前記第１の誘電体層がＳｉＯ2、前記第２の誘電体層がＳｉからなり、前記第１の誘電体層の膜厚が４−８ｎｍ又は８００−１０００ｎｍであることを特徴とする請求項１記載の光デバイス。
【請求項７】
前記強磁性金属層がＣｏ、前記第１の誘電体層がＭｇＯ又はＡｌ2Ｏ3、前記第２の誘電体がＳｉからなり、前記第１の誘電体層の膜厚が７−１０ｎｍ又は５５０−７００ｎｍであることを特徴とする請求項１記載の光デバイス。
【請求項８】
前記強磁性金属層がＦｅ、前記第１の誘電体層がＳｉＯ2、前記第２の誘電体層がＳｉからなり、前記第１の誘電体層の膜厚が６−９ｎｍ又は６００−８００ｎｍであることを特徴とする請求項１記載の光デバイス。
【請求項９】
前記強磁性金属層をリブ型にすることにより、横方向にプラズモンを閉じこめることを特徴とする請求項１記載の光デバイス。
【請求項１０】
前記第１の誘電体層及び第２の誘電体層の一方を凸形状とし、該凸部をなすリブ型部を他方の前記第２又は前記第１の誘電体層に埋め込むことにより、横方向にプラズモンを閉じこめることを特徴とする請求項１記載の光デバイス。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれか１項記載の光デバイスが、光アイソレーター機能を有することを特徴とする光アイソレーター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、新規なプラズモニック導波路（ｐｌａｓｍｏｎｉｃ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）を用いた光デバイス及び該光デバイスの代表例であるアイソレーターに関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信システムや他の光応用システムにおいて、光アイソレーター等の光デバイスが不可欠な要素である。例えば、光アイソレーターは、反射して戻ってくる反射光が光素子に入射するのを防ぐために用いられる。高速光増幅器や高速レーザーダイオード等の光素子は光アイソレーターなしでは正常に稼働させることは不可能である。
【０００３】
光素子を光集積回路（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔｓ（ＯＩＣ））に組み込むことは、生産コストを下げ、高速光ネットワークにおける高速光データ処理の性能を向上させるために必要なことである。光集積回路のさらなる集積化において、光学部品から反射して戻ってくる反射光はデバイスに不安定な動作を起こし大きな問題となる。光アイソレーターは光を単一方向にだけ通す性質を持ち、反射して戻ってくる光を阻止する機能があり、光アイソレーターをＯＩＣに組み込むことが重要である。しかし光アイソレーターはＯＩＣに組み込まれていない光学部品の一つである。現在、光アイソレーターを組み込んだＯＩＣは存在していないので、光アイソレーターを組み込んだＯＩＣは今後大きな市場になる。
【０００４】
光アイソレーターには、磁気光学材料（ｍａｇｎｅｔｏ−ｏｐｔｉｃａｌ（ＭＯ）ｍａｔｅｒｉａｌ）が必要である。現存する市販の光アイソレーターには透明な磁気ガーネットが使用されている。この磁気ガーネットを、ＯＩＣの基板に使用されているＳｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ等の基板に成長させることが困難であるが、いくつかの方法が報告されている。磁気ガーネットを半導体基板にボンディングする方法や、Ｓｉ基板に磁気ガーネットをスパッターする方法により、Ｓｉ基板上に光アイソレーターを製作したことが報告されている。また、発明者等は、ＣｄＭｎＴｅとＣｄＭｎＨｇＴｅ等の希薄磁性半導体を使用してＧａＡｓ基板上に光アイソレーターを製作した（非特許文献１、特許文献１参照）。しかし、これらの光アイソレーターが組み込まれた半導体基板上に他の光部品を組み込んだという例は報告されていない。
【０００５】
磁気ガーネットと希薄磁性半導体の磁気光学特性はこれらの結晶の品質に影響される。磁気ガーネット又は希薄磁性半導体の品質が落ちると、それらの磁気光学定数が下がり光損失が大きくなる。たとえ光アイソレーターをＯＩＣに組み込む工程でこれらの磁気光学材料の結晶品質を維持していても、他の光部品を組み込む工程でこれらの磁気光学材料の結晶品質が悪化する。これが磁気ガーネット又は希薄磁性半導体を使用して製作された光アイソレーターが、市販されているＯＩＣに組み込まれていない理由である。
【０００６】
強磁性金属は光アイソレーターの磁気光学材料として有望である。なぜならば、強磁性金属が大きな磁気光学定数を持っているからである。さらに、光アイソレーターを組み込んだＯＩＣを製作する場合に重要な事項である、強磁性金属を作製する技術が、ＯＩＣの製作技術と共存できるからである。即ち、強磁性金属は、ＯＩＣで通常使用されているスパッターやリフトオフ成膜方法が応用できるので、ＯＩＣの製造工程でその品質が低下することがない。
【０００７】
しかし、強磁性金属の使用には欠点がある。それは強磁性金属が光をかなり吸収することである。この問題を解決する方法がある。その方法は、強磁性金属の光吸収による損失を半導体光増幅器の光利得で相殺することである。発明者等は、この方法を提案（非特許文献２）し、既に実現している（非特許文献３参照）。このタイプの光アイソレーターは、優れたアイソレーション機能を示し、低い光挿入損失を示す。しかしながら、動作には１００ｍＡ程度の高い電流が要求されるので、このような高い電流はＩＯＣには許容できない。そのため、このタイプの光アイソレーターをＯＩＣに組み込むことができない。
【０００８】
また、発明者等は、強磁性金属のＦｅを備える（Ａｌ、Ｇａ）Ａｓ光導波路について研究を行ってきた（非特許文献４参照）。
【０００９】
光アイソレーターについて、本願に関連した先行文献調査をしたところ、次のような特許文献があった。特許文献２には、金属（Ａｕ、Ｃｕ、Ａｇ）の溝構造を有する、表面プラズモンを利用した光デバイスが示されている。また、特許文献３には、金属磁性粒子を含む微粒子配列層を有し、金属磁性粒子に対して外部から磁場を印加して磁化を発生せしめ、かつ直線偏光を入射し、金属磁性粒子への入射光と金属の表面プラズモン振動との相互作用により磁気光学効果を生じさせる素子が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００５−３１５９９３号公報
【特許文献２】特表２０１１−５０３６６４号公報
【特許文献３】特開２００７−２１３００４号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】Ｍ．Ｃ．Ｄｅｂｎａｔｈ，Ｖ．Ｚａｙｅｔｓ，ａｎｄ  Ｋ．Ａｎｄｏ  “Ｔｈｅｒｍａｌ  ａｎｎｅａｌｉｎｇ  ｏｆ  ｍａｇｎｅｔｏ−ｏｐｔｉｃａｌ  （Ｃｄ，Ｍｎ）Ｔｅ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  ｆｏｒ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｉｓｏｌａｔｏｒ  ｗｉｔｈ  ｗｉｄｅｒ  ｏｐｅｒａｔｉｏｎ  ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  ｒａｎｇｅ”，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，８７，０９１１１２（２００５）．
【非特許文献２】Ｗ．Ｚａｅｔｓ  ａｎｄ  Ｋ．Ａｎｄｏ“Ｏｐｔｉｃａｌ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  ｉｓｏｌａｔｏｒ  ｂａｓｅｄ  ｏｎ  ｎｏｎ−ｒｅｃｉｐｒｏｃａｌ  ｌｏｓｓ／ｇａｉｎ  ｏｆ  ａｍｐｌｉｆｉｅｒ  ｃｏｖｅｒｅｄ  ｂｙ  ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  ｌａｙｅｒ”，ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ｖｏｌ．１１，ｐｐ．１０１２−１０１４，Ａｕｇｕｓｔ  １９９９．
【非特許文献３】Ｖ．Ｚａｙｅｔｓ  ａｎｄ  Ｋ．Ａｎｄｏ，“Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ  Ｅｆｆｅｃｔ  ｉｎ  Ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ−Ｍｅｔａｌ／Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｈｙｂｒｉｄ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ”，  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒ，ｖｏｌ．８６，ｐｐ．２６１１０５，２００５．０６．
【非特許文献４】Ｖ，Ｚａｙｅｔｓ，Ｈ．Ｓａｉｔｏ，Ｓ．Ｙｕａｓａ  ａｎｄ  Ｋ．Ａｎｄｏ，“Ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ−ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ  ｌｏｓｓ  ｉｎ  （Ａｌ，Ｇａ）Ａｓ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  ｗｉｔｈ  ａ  Ｅｍｂｅｄｄｅｄ  Ｆｅ  ｍｉｃｒｏｍａｇｎｅｔ”，Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  Ｖｏｌ．３５，ｐｐ．９３１−９３３，２０１０．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上述したように、光集積回路に効率的な光アイソレーター等を組み込む必要があるものの、従来技術では、光アイソレーターに代表される光デバイスを、光集積回路に集積化することが困難であった。ＯＩＣに光アイソレーター等を組み込むためには、基板は半導体基板であるＳｉ又はＩｎＰ又はＧａＡｓを使用することが望まれる。さらに、これらの基板を使用して光アイソレーターを組み込んだＯＩＣは、高い光学アイソレーションで低い挿入損失の特性を持つ必要がある。
【００１３】
近年、プラズモンを利用した光デバイスが提案されている。該光デバイスはプラズモニックデバイスとも呼ばれ、金属に光や電子線を入射することによって、励起されるプラズモンを応用したデバイスである。プラズモンを利用する光導波路は、プラズモニック導波路又はプラズモン導波路と呼ばれる。
【００１４】
図１に、金属と誘電体の境界面を伝播するプラズモンの強度を示す。図１は、誘電体と金属の境界面をプラズモンが伝播する様子を模式的に表した図であり、波状の矢印は、プラズモンを模式的に表し、横向きに凸形状の実線はプラズモンの分布を表す。
【００１５】
光は金属と誘電体の境界面付近に集中して閉じ込められているので、プラズモンは、光素子が密集している集積回路や、光を非常に小さな面積に焦点を合わせる必要がある時、例えば光磁気記録や医療分野の応用の場合に、よく使用される。
【００１６】
プラズモンの場合、光強度は金属内部と誘電体内部の両方に部分的に分布しているので、プラズモンは常に光損失が起きる。しかし、プラズモンの光損失は、バルクの金属内を伝播する光の光損失に比べて非常に小さい。
【００１７】
図２は、ＡｕやＣｕのような低抵抗の金属を用いた場合において、プラズモンが１／ｅに減衰する伝播距離（縦軸）を波長（横軸、０.７μｍ−約１.６μｍ）の関数として示した図である。図１において、金属がＡｕで誘電体が空気（ａｉｒ）の場合、金属がＣｕで誘電体が空気（ａｉｒ）の場合に相当する。これらの金属の場合、プラズモンが１／ｅに減衰する伝播距離は、長く、約２００−５００μｍである。このため、これらの金属はプラズモンを使用する回路に用いられる。しかしＡｕやＣｕは強磁性金属ではない。光アイソレーターを製作するには強磁性金属が必要である。
【００１８】
強磁性金属Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ等の場合について説明する。図３は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏの強磁性金属を用いた場合において、プラズモンが１／ｅに減衰する伝播距離（縦軸）を波長（横軸、０.７μｍ−約１.６μｍ）の関数として示す図である。図３に示す曲線は、上から、強磁性金属がＮｉで誘電体が空気（ａｉｒ）の場合（Ｎｉ／ａｉｒ）、強磁性金属がＣｏで誘電体が空気（ａｉｒ）の場合（Ｃｏ／ａｉｒ）、強磁性金属がＦｅで誘電体が空気（ａｉｒ）の場合（Ｆｅ／ａｉｒ）、強磁性金属がＣｏで誘電体がＭｇＯの場合（Ｃｏ／ＭｇＯ）、強磁性金属がＣｏで誘電体がＡｌＧａＡｓの場合（Ｃｏ／ＡｌＧａＡｓ）である。これらの強磁性金属は抵抗値が高いので、プラズモンの光損失も高く、１／ｅに減衰する伝播距離は、ＡｕやＣｕの金属を使用したプラズモンの場合よりも大変短い。強磁性金属がＮｉで誘電体が空気（ａｉｒ）の場合で、せいぜい５０μｍである。しかし、この場合の高い光損失はデバイスの長さを短くすることで解決できる。強磁性金属の磁気光学定数は大きいので、１／ｅに減衰する伝播距離が短くても、プラズモンは高い光アイソレーションと低い挿入損失を達成できる。
【００１９】
磁気光学性能指数（ｍａｇｎｅｔｏ−ｏｐｔｉｃａｌ（ＭＯ）Ｆｉｇｕｒｅ−ｏｆ−Ｍｅｒｉｔ）（以下、ＦｏＭともいう。）は、挿入損失（ｉｎｓｅｒｔｉｏｎ  ｌｏｓｓ）に対する光アイソレーション（ｏｐｉｔｉｃａｌ  ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）の比率を示し、次の数１の式で表すことができる。
【００２０】
【数１】
2014013318.tif 000003
【００２１】
ＦｏＭの値は、ある要求された低挿入損失の値に対応する光アイソレーションを作り出すプラズモンの性能を示す。磁気光学性能指数は、上記の数１の式で定義されるものであるので、％という単位で表記しているが、１００％を超えることもある。例えば、ＦｏＭが０.３＝３０％、１＝１００％、２＝２００％と表す。
【００２２】
図４は、Ｃｏ／ＡｌＧａＡｓ、Ｆｅ／ａｉｒ、Ｃｏ／ａｉｒ、Ｎｉ／ａｉｒにおける境界面をプラズモンが伝播する場合の、磁気光学性能指数（縦軸）を、波長を横軸にとって示した図である。磁場がプラズモンの伝播方向に対して垂直に印加されている。この４例では、磁気光学性能指数は約２−８％である。これらの数値はかなり良い値であるが、まだ効率の良いプラズモニック光アイソレーターを製作するためには十分な値ではないという問題がある。
【００２３】
本発明は、これらの問題を解決しようとするものであり、光集積回路に組み込み集積化が可能な高性能な光デバイスを提供することを目的とする。また、本発明は、光集積回路に組み込むことに適する光アイソレーターを提供することを目的とする。本発明は、Ｓｉ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ等の半導体基板を使用することが可能な光デバイスを提供することを目的とする。また、本発明は、高い光アイソレーションで低い挿入損失の特性を有する光デバイスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明は、前記問題を解決する手段として、磁気光学材料に強磁性金属を使用したプラズモニック型光アイソレーター等の光デバイスを提供するものである。本発明は、屈折率の大きく違う２つの材料からなる誘電体を用いたプラズモニック導波路により、光損失を減少させ、磁気光学性能指数を増加させるものである。
【００２５】
本発明は、前記目的を達成するために、以下の特徴を有する。
【００２６】
本発明の光デバイスは、プラズモニック導波路を有する光デバイスであって、前記プラズモニック導波路は、強磁性金属層、第１の誘電体層、第２の誘電体層の順に積層されている少なくとも３層の積層構造を備え、前記第１及び第２の誘電体層は、光を透過する層であり、前記第２の誘電体層の屈折率が前記第１の誘電体層の屈折率より大であることを特徴とする。強磁性金属層と第１の誘電体層と第２の誘電体層の順に積層されている少なくとも３層の積層構造とは、少なくとも３層が接して積層されていれば足り、これらの３層の上下に他の層が設けられていてもよい。第２の誘電体層の屈折率は第１の誘電体層の屈折率と相違すれば足りるが、屈折率が０.５以上相違することが好ましい。
【００２７】
本発明では、積層構造は、第１の誘電体層がプラズモンが伝播可能な所定の厚み範囲条件を満足するものであり、前記第１の誘電体層は、第１のカットオフ厚みより薄いか、第２のカットオフ厚みより厚いことを特徴とする。本発明では、プラズモンが伝播不可能な厚みの数値範囲の下限の厚みを第１のカットオフ厚みといい、上限の厚みを第２のカットオフ厚みという。即ち、前記第１の誘電体層が所定の厚み範囲条件を満足する場合にプラズモンが伝播可能であり、前記第１の誘電体層は、第１のカットオフ厚み（薄い方のカットオフ厚み）より薄いか、第２のカットオフ厚み（厚い方のカットオフ厚み）より厚いことを特徴とする。
【００２８】
本発明では、強磁性金属層の磁化がプラズモンの伝播方向に対して垂直であることを特徴とする。
【００２９】
第１の誘電体層の厚みが、第１のカットオフ厚みより薄い場合、第１のカットオフ厚みの５０％以上であることが好ましい。また、第２のカットオフ厚みより厚い場合は、第２のカットオフ厚みの１４０％以下の厚みであることが好ましい。具体的には、第１の誘電体層の厚みが、第１のカットオフ厚みの５０％以上９９％以下の厚みであるか、第２のカットオフ厚みの１００％を超えて１４０％以下の厚みであることが好ましい。第１のカットオフ厚みより薄い場合、第１のカットオフ厚みの６０％以上９９％以下にすると磁気光学性能指数（ＭＯＦｏＭ）が１０％を超えるので好ましい。さらに、第１のカットオフ厚みの８６％以上９９％以下にすると磁気光学性能指数（ＭＯＦｏＭ）が３０％を超えるので好ましい。さらに、第１のカットオフ厚みの９５％以上９９％以下にすると磁気光学性能指数（ＭＯＦｏＭ）が５０％を超えるので好ましい。第２のカットオフ厚みより厚い場合、第２のカットオフ厚みの１００％より厚く１１２％以下にすると磁気光学性能指数（ＭＯＦｏＭ）が１０％を超えるので好ましい。さらに、第２のカットオフ厚みの１０３％以下にすると磁気光学性能指数（ＭＯＦｏＭ）が３０％を超えるので好ましい。さらに、第２のカットオフ厚みの１０１％以下にすると磁気光学性能指数（ＭＯＦｏＭ）が５０％を超えるので好ましい。
【００３０】
本発明における強磁性金属層は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、ＦｅＣｏ、ＦｅＮｉ、ＦｅＣｏＢ、ＳｍＣｏ、ＮｄＦｅＢのいずれかを主とする材料からなることが好ましい。またこれらの列挙したものに限らず、同様の特性を有する強磁性金属材料を使用することができる。
【００３１】
本発明の例として、強磁性金属層がＣｏ、第１の誘電体層がＳｉＯ2、第２の誘電体層がＳｉからなる積層構造がある。この場合、第１の誘電体層の膜厚が４−８ｎｍ又は８００−１０００ｎｍであることが好ましい。
【００３２】
本発明の例として、強磁性金属層がＣｏ、第１の誘電体層がＭｇＯ又はＡｌ2Ｏ3、第２の誘電体がＳｉからなる積層構造がある。この場合、第１の誘電体層の膜厚が７−１０ｎｍ又は５５０−７００ｎｍであることが好ましい。
【００３３】
本発明の例として、強磁性金属層がＦｅ、第１の誘電体層がＳｉＯ2、第２の誘電体層がＳｉからなる積層構造がある。この場合、第１の誘電体層の膜厚が６−９ｎｍ又は６００−８００ｎｍであることが好ましい。
【００３４】
本発明は、強磁性金属層をリブ型にすることにより、横方向にプラズモンを閉じこめることができる。
【００３５】
本発明は、第１の誘電体層及び第２の誘電体層の一方を凸形状とし、該凸部をなすリブ型部を他方の前記第２又は前記第１の誘電体層に埋め込むことにより、横方向にプラズモンを閉じこめることができる。
【００３６】
本発明の光デバイスは、光アイソレーター機能を有する。本発明の光デバイスは、非相反的な特性（ｎｏｎ−ｒｅｃｉｐｒｏｃａｌ）を持つ光部品であり、光アイソレーター、光サーキュレーターである。
【００３７】
本発明の光デバイスは、例えば、光通信の波長であるＣ−バンド帯（波長１５３０ｎｍ−１５６５ｎｍ）又はＬ−バンド帯（波長１５６５−１６２５ｎｍ）で作動するように設計する。
【００３８】
本発明の誘電体は、使用する波長の光を透過する材料から選定される。「透明」とは、使用する波長の光に対して透過するという意味である。本願では、例えば光通信の波長が商業的に考えられ、また、光集積回路として集積化するためには、第１の誘電体として、ＳｉＯ2、ＭｇＯ、Ａｌ2Ｏ3、ＴｉＯ2等を用いることができ、第２の誘電体として、Ｓｉ、ＡｌＧａＡｓ等を用いることができる。
【発明の効果】
【００３９】
本発明は、強磁性金属と２層の誘電体層を備える積層構造としたので、強磁性金属と誘電体層の境界面を伝播する表面プラズモンを活用した効率的な光アイソレーター機能が実現できた。本発明の光デバイスは、高い光アイソレーションで低い挿入損失の特性を有している。本発明のプラズモニック導波路は、磁気光学性能指数が従来のものに比較して格段に向上する。従来は１０％未満であったが、本発明では１０％以上が可能である。さらには、本発明では、磁気光学性能指数ＦｏＭが５０％以上のものが得られた。
【００４０】
また、従来は、光アイソレーターを稼働させるときに、半導体光増幅器等の光利得を必要としたが、本発明によれば、本発明のプラズモニック型光アイソレーターは高い光利得と低い挿入損失の特性を持っているので、稼働する時、光利得や電気的活性化を必要としないため、動作に電力消費を必要としないパッシブ型のアイソレーターが実現できる。
【００４１】
また、本発明の光デバイスは光集積回路に組み込ことに適しているので産業上の効果も大きい。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】金属と誘電体の境界面を伝播するプラズモンの強度を示す図。
【図２】従来技術の、波長とＡｕ／ａｉｒ、Ｃｕ／ａｉｒの境界面を伝播するプラズモンの１／ｅに減衰する伝播距離の関係を示す図。
【図３】波長と、強磁性金属と誘電体の境界面（Ｆｅ／ａｉｒ、Ｃｏ／ａｉｒ、Ｎｉ／ａｉｒ、Ｃｏ／ＭｇＯ、Ｃｏ／ＡｌＧａＡｓ）を伝播するプラズモンの１／ｅに減衰する伝播距離の関係を示す図。
【図４】強磁性金属と誘電体の境界面（Ｆｅ／ａｉｒ、Ｃｏ／ａｉｒ、Ｎｉ／ａｉｒ、Ｃｏ／ＡｌＧａＡｓ）をプラズモンが伝播する場合の磁気光学性能指数と波長の関係を示す図。
【図５】本発明のプラズモニック導波路の基本構造を説明する図。
【図６】実施の形態１の構造、及びＳｉＯ2の膜厚に対するプラズモンが１／ｅに減衰する伝播距離（右縦軸）と磁気光学性能指数（左縦軸）を示す図。
【図７】実施の形態２の構造、及びＭｇＯの膜厚に対するプラズモンが１／ｅに減衰する伝播距離（右縦軸）と磁気光学性能指数（左縦軸）を示す図。
【図８】実施の形態３の構造、及びＳｉＯ2の膜厚に対するプラズモンが１／ｅに減衰する伝播距離（右縦軸）と磁気光学性能指数（左縦軸）を示す図。
【図９】実施の形態４の構造、及びＳｉＯ2の膜厚に対するプラズモンが１／ｅに減衰する伝播距離（右縦軸）と磁気光学性能指数（左縦軸）を示す図。
【図１０】実施の形態５の構造を示す図。
【図１１】実施の形態６の構造を示す図。
【図１２】実施の形態７の構造を示す図。
【図１３】実施の形態８の構造、及びＳｉＯ2の膜厚に対するプラズモンが１／ｅに減衰する伝播距離（右縦軸）と磁気光学性能指数（左縦軸）を示す図。
【図１４】実施の形態８の光デバイスの構造を示す図。
【図１５】比較例の光デバイスの構造を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
本発明は、強磁性体と誘電体間の境界を伝播する表面プラズモンを活用した効率的な光アイソレーター等の光デバイスに関する。強磁性金属の磁気光学定数は大きいので、強磁性金属中の表面プラズモンの光学的損失は、プラズモンが前方向か後方向に伝播するかで大きな違いが出てくる。本発明ではこの表面プラズモンの光学的損失の方向依存性を利用している。本発明の光アイソレーター等の光デバイスは、少なくとも２層の誘電体を使用し、一方の誘電体は高い屈折率を持ち、他方の誘電体は低い屈折率も持っている。２層の誘電体を用いたプラズモニック導波路アイソレーターは、１層の誘電体を用いたプラズモニック導波路アイソレーターに比べて、小さな挿入損失と大きな光アイソレーションの特性を持っている。
【００４４】
本発明の実施の形態について、図を参照して以下説明する。本発明の基本構造について説明する。図５は、本発明のプラズモニック導波路の基本構造を説明する図である。基本構造は、強磁性金属（ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  ｍｅｔａｌ）と、２つの誘電体（ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ）１、２からなる。本発明のプラズモニック導波路は、図５に示すように、強磁性金属層と、前記強磁性金属層に接する第１の誘電体層１と、前記第１の誘電体層１に前記強磁性金属層と反対面で接する第２の誘電体層２とからなる３層の積層構造を備え、第２の誘電体層２の屈折率が第１の誘電体層１の屈折率より大である。言い換えれば、第１の誘電体１の屈折率は、第２の誘電体２の屈折率より低い。第１の誘電体１の屈折率が、第２の誘電体２の屈折率よりかなり低い材料を選択することが望ましい。第２の誘電体層の屈折率と第１の誘電体層の屈折率は、屈折率が０.５以上相違することが好ましい。第１の誘電体層１及び第２の誘電体層２は、光を透過する層である。少なくとも３層の積層構造は、本発明のプラズモニック導波路として有効に機能するために必要であり、その層の形状は、従来の導波路構造と同様に、種々の形状をとることが可能である。また、積層構造の上下には保護など他の目的のために追加の層を設けてもよい。
【００４５】
図５は、第１の誘電体層１と強磁性金属層の境界面をプラズモンが伝播する様子を模式的に表している。図中の波状の矢印は、プラズモンを模式的に表し、横向きに凸形状の実線はプラズモンの強度を表す。
【００４６】
本発明の基本構造を用いた光アイソレーターの動作について説明する。
基本構造の３層積層構造に、光を入射する。即ち、図５において、紙面左から右に向けて入射する。図５は、導波路の光伝播方向の断面であり、該光伝播方向に垂直な方向の断面は、強磁性金属や第１及び第２の誘電体のいずれか１つ以上が、所定の幅に形成され、それにより、プラズモンを閉じこめ、導波路を形成することができる。磁場を光伝播方向に対して垂直に印加する。磁場を印加する方向が、図５に示すように、紙面に垂直で、その向きが紙面に垂直に入る向きの場合、出力が得られる。逆に、磁化を印加する方向が、図５において、紙面に垂直で、その向きが紙面に垂直に出る向きの場合、出力が得られない。前記強磁性金属層は、プラズモンの伝播方向に対して垂直な磁化を有し、磁化の向きにより光アイソレーション機能を制御できる。
【００４７】
本発明の光アイソレーターは、光を片方向にのみ伝え、途中で反射して戻ってくる光は阻止する機能を持った光デバイスである。本発明の基本構造がアイソレーターとして機能する原理を説明する。従来一般の縦（ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ）磁気光学効果では、光の伝播方向をｚ方向とし、それに垂直な方向をｘ方向とｙ方向とするとき、磁場により、ｘｙ面内で光の電界ベクトルが回転する。本発明は、横（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ）磁気光学効果を利用している。ｙ方向に外部磁場を印加すると、エバネッセント波はｘｚ面内でエバネッセント波の偏光は回転する。このように、横磁気光学効果は、偏光したエバネッセント波の電界ベクトルが磁場に平行で光の進行方向に垂直な軸の中心に回転することでおきる。横磁気光学効果は縦（ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ）磁気光学効果より大きい。縦磁気光学効果に比べて、横磁気光学効果はプラズモニック効果を用いたデバイス構造の適正化によって非常に大きくすることができる。
【００４８】
（実施の形態１）
本実施の形態は、Ｃｏ／ＳｉＯ2／Ｓｉからなる３層のプラズモニック導波路に関する。本実施の形態について図６を参照して説明する。図６（ａ）は、Ｓｉ基板に製作されたプラズモニック導波路の構造を示す図である。ＳｉＯ2層がＳｉ基板とＣｏ層の間に介在している。図６（ｂ）は、ＳｉＯ2の膜厚に対する、プラズモンが１／ｅに減衰する伝播距離（右縦軸）、及びＳｉＯ2の膜厚に対する磁気光学性能指数（左縦軸）の値を示す図である。図６（ａ）では、磁場がプラズモンの伝播方向に対して垂直に印加されている。図６（ａ）は、紙面の左から光を入射する場合で、かつ強磁性金属層Ｃｏの磁化を図６（ａ）紙面に垂直に入る方向とする場合の図である（順方向）。光は波長１５５０ｎｍを使用した例である。図６（ｂ）中に矢印で示すように、点線は、伝播距離（右縦軸）を示し、実線は、磁気光学性能指数（左縦軸）の値を示す。図６（ｂ）に示すように、プラズモンは、ＳｉＯ2の膜厚が６.１ｎｍより薄いか、又は８４０ｎｍより厚い時のみ、伝播する。ＳｉＯ2の膜厚が６.１ｎｍより少し薄いか、又は８４０ｎｍより少し厚い場合、１／ｅに減衰する伝播距離が長くなり、プラズモンの光損失が小さくなり、磁気光学性能指数が非常に大きくなり、５０％を超え、１００％以上（図では１４０％）になる。この磁気光学性能指数が非常に大きくなることが、本発明の重要な効果である。得られた磁気光学性能指数の値は、優れた光アイソレーターとしてプラズモンを利用するのに十分に大きい値である。
【００４９】
図６（ａ）の構造は、Ｓｉ基板（単結晶）上に、半導体技術において使用されている方法と同様な方法により、ＳｉＯ2膜を形成、その上にＣｏ金属膜をスパッタリング法等により形成する。Ｃｏを導波路形状にパターニングしてもよいが、ＳｉやＳｉＯ2を導波路形状のパターンとしてもよい。Ｓｉ基板上に形成する例を示したが、断面が３層（Ｃｏ／ＳｉＯ2／Ｓｉ）の積層構造の導波路が、少なくとも形成されていれば、本実施の形態の性能が得られる。
【００５０】
図６（ｂ）に図示されるように、第１の誘電体層（本実施の形態ではＳｉＯ2）には、プラズモンが伝播しない特定の膜厚の範囲がある。この特定の膜厚の範囲を「カットオフ厚み」（ｃｕｔｏｆｆ  ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ）と呼ぶ。図６（ｂ）に示すように、薄い方のカットオフ厚みを第１のカットオフ厚み、厚い方のカットオフ厚みを第２のカットオフ厚みと呼ぶ。本発明のプラズモニック導波路は、第１の誘電体層（本実施の形態ではＳｉＯ2）は、第１のカットオフ厚み（本実施の形態では６.１ｎｍ）より薄いか、第２のカットオフ厚み（本実施の形態では８４０ｎｍ）より厚いときに、光アイソレーターとして優れた性能を有する。
【００５１】
例えば、第１の誘電体層の厚みが、第１のカットオフ厚みの９９％以下の厚みであるか、第２のカットオフ厚みの１０１％以上の厚みであればよい。また、第１の誘電体層の厚みが、第１のカットオフ厚みより薄い場合、５０％以上の厚みであれば、磁気光学性能指数が優れる。さらに、第１のカットオフ厚みの５６％以上９９％以下にすると磁気光学性能指数が１０％を超えるので好ましい。さらに、第１のカットオフ厚みの８５％以上９９％以下にすると磁気光学性能指数が３０％を超えるので好ましい。さらに、第１のカットオフ厚みの９０％以上９９％以下にすると磁気光学性能指数が５０％を超えるので好ましい。一方、第２のカットオフ厚みより厚い場合、第２のカットオフ厚みの１４０％以下であれば磁気光学性能指数が優れる。さらに、第２のカットオフ厚みの１１２％以下にすると磁気光学性能指数が１０％を超えるので好ましい。さらに、第２のカットオフ厚みの１０３％以下にすると磁気光学性能指数が３０％を超えるので好ましい。さらに、第２のカットオフ厚みの１０１％以下にすると磁気光学性能指数が５０％を超えるので好ましい。
【００５２】
図６は、光の波長が１５５０ｎｍの場合であるが、第１及び第２のカットオフ厚みは波長により若干増減する。光通信波長帯に応じて、第１の誘電体層の膜厚を設定することが望ましい。例えば、第１の誘電体層の膜厚は８００−１０００ｎｍ又は４−８ｎｍが望ましい。
【００５３】
（実施の形態２）
本実施の形態は、Ｃｏ／ＭｇＯ／Ｓｉからなる３層のプラズモニック導波路に関する。本実施の形態について図７を参照して説明する。図７（ａ）は、Ｓｉ基板に製作されたプラズモニック導波路の構造を示す図である。ＭｇＯ層がＳｉ基板とＣｏ層の間に介在している。図７（ｂ）は、ＭｇＯの膜厚に対する、プラズモンが１／ｅに減衰する伝播距離（右縦軸）、及びＭｇＯの膜厚に対する磁気光学性能指数（左縦軸）の値を示す図である。実施の形態１と同様に、図７では、磁場がプラズモンの伝播方向に対して垂直に印加されている。光は波長１５５０ｎｍを使用した例である。ＭｇＯの膜厚が９.６ｎｍ−５９５ｎｍに近くなると磁気光学性能指数は急激に増大する。本実施の形態では、第１の誘電体層（本実施の形態ではＭｇＯ）は、第１のカットオフ厚み（本実施の形態では９.６ｎｍ）より薄いか、第２のカットオフ厚み（本実施の形態では５９５ｎｍ）より厚いときに、光アイソレーターとして優れた性能を有する。
【００５４】
第１の誘電体層は、実施の形態１と同様に設定することができる。第１の誘電体層の厚みが、第１のカットオフ厚みより薄い場合、５０％以上の厚みであれば、磁気光学性能指数が優れる。さらに、第１のカットオフ厚みの５６％以上９９％以下にすると磁気光学性能指数が１０％を超えるので好ましい。さらに、第１のカットオフ厚みの８５％以上９９％以下にすると磁気光学性能指数が３０％を超えるので好ましい。さらに、第１のカットオフ厚みの９３％以上９９％以下にすると磁気光学性能指数が５０％を超えるので好ましい。一方、第２のカットオフ厚みより厚い場合、第２のカットオフ厚みの１４０％以下であれば磁気光学性能指数が優れる。さらに、第２のカットオフ厚みの１１８％以下にすると磁気光学性能指数が１０％を超えるので好ましい。さらに、第２のカットオフ厚みの１０５％以下にすると磁気光学性能指数が３０％を超えるので好ましい。さらに、第２のカットオフ厚みの１０３％以下にすると磁気光学性能指数が５０％を超えるので好ましい。
【００５５】
図７は、光の波長が１５５０ｎｍの場合であるが、第１及び第２のカットオフ厚みは波長により若干増減する。光通信波長帯に応じて、第１の誘電体層の膜厚を設定することが望ましい。例えば、第１の誘電体層の膜厚は７−１０ｎｍ又は５５０−７００ｎｍが望ましい。
【００５６】
図７はＭｇＯ層の例であるが、ＭｇＯ層に換えてＡｌ2Ｏ3を用いた場合も同様であった。
【００５７】
（実施の形態３）
本実施の形態は、Ｆｅ／ＳｉＯ2／Ｓｉからなる３層のプラズモニック導波路に関する。本実施の形態について図８を参照して説明する。図８（ａ）は、Ｓｉ基板に製作されたプラズモニック導波路の構造を示す図である。ＳｉＯ2層がＳｉ基板とＦｅ層の間に介在している。図８（ｂ）は、ＳｉＯ2層の膜厚に対する、プラズモンが１／ｅに減衰する伝播距離（右縦軸）、及びＳｉＯ2層の膜厚に対する磁気光学性能指数（左縦軸）の値を示す図である。実施の形態１と同様に、図８では、磁場がプラズモンの伝播方向に対して垂直に印加されている。光は波長１５５０ｎｍを使用した例である。ＳｉＯ2層の膜厚が８.４ｎｍ−６００ｎｍに近くなると磁気光学性能指数は急激に増大する。本実施の形態では、第１の誘電体層（本実施の形態ではＳｉＯ2）は、第１のカットオフ厚み（本実施の形態では８.４ｎｍ）より薄いか、第２のカットオフ厚み（本実施の形態では６００ｎｍ）より厚いときに、光アイソレーターとして優れた性能を有する。
【００５８】
第１の誘電体層は、実施の形態１と同様に設定することができる。第１の誘電体層の厚みが、第１のカットオフ厚みより薄い場合、５０％以上の厚みであれば、磁気光学性能指数が優れる。さらに、第１のカットオフ厚みの６０％以上９９％以下にすると磁気光学性能指数が１０％を超えるので好ましい。さらに、第１のカットオフ厚みの８７％以上９９％以下にすると磁気光学性能指数が３０％を超えるので好ましい。さらに、第１のカットオフ厚みの９５％以上９９％以下にすると磁気光学性能指数が５０％を超えるので好ましい。一方、第２のカットオフ厚みより厚い場合、第２のカットオフ厚みの１４０％以下であれば磁気光学性能指数が優れる。さらに、第２のカットオフ厚みの１１３％以下にすると磁気光学性能指数が１０％を超えるので好ましい。さらに、第２のカットオフ厚みの１０３％以下にすると磁気光学性能指数が３０％を超えるので好ましい。さらに、第２のカットオフ厚みの１０２％以下にすると磁気光学性能指数が５０％を超えるので好ましい。
【００５９】
図８は、光の波長が１５５０ｎｍの場合であるが、第１及び第２のカットオフ厚みは波長により若干増減する。光通信波長帯に応じて、第１の誘電体層の膜厚を設定することが望ましい。例えば、第１の誘電体層の膜厚は６００−８００ｎｍ又は６−９ｎｍが望ましい。
【００６０】
（実施の形態４）
Ｃｏ／ＳｉＯ2／ＡｌＧａＡｓからなる３層のプラズモニック導波路について調べた。本実施の形態について図９を参照して説明する。図９（ａ）は、ＧａＡｓ基板上に、Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ層、ＳｉＯ2層、Ｃｏ層の順で積層して製作されたプラズモニック導波路の構造を示す図である。ＳｉＯ2層がＣｏ層とＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ層の間に介在している。図９（ｂ）は、ＳｉＯ2層の膜厚に対する、プラズモンが１／ｅに減衰する伝播距離（右縦軸）、及びＳｉＯ2層の膜厚に対する磁気光学性能指数（左縦軸）の値を示す図である。実施の形態１と同様に、図９では、磁場がプラズモンの伝播方向に対して垂直に印加されている。光は波長８００ｎｍを使用した例である。ＳｉＯ2層の膜厚が６ｎｍ−１８５ｎｍに近くなると磁気光学性能指数は急激に増大する。本実施の形態では、第１の誘電体層（ＳｉＯ2）は、第１のカットオフ厚み（本実施の形態では６ｎｍ）より薄いか、第２のカットオフ厚み（本実施の形態では１８５ｎｍ）より厚いときに、光アイソレーターとして優れた性能を有する。磁気光学性能指数が１００％を超えて、約２００％近くに達する。
【００６１】
また、Ｆｅ／ＭｇＯ／ＡｌＧａＡｓ（例、Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ）からなる３層のプラズモニック導波路について調べた。光は波長８００ｎｍを使用した例である。ＭｇＯ層の膜厚が１４ｎｍ−１１０ｎｍに近くなると磁気光学性能指数は急激に増大する。第１の誘電体層（ＭｇＯ）は、第１のカットオフ厚み（１４ｎｍ）より薄いか、第２のカットオフ厚み（１１０ｎｍ）より厚いときに、光アイソレーターとして優れた性能を有する。磁気光学性能指数が１００％を超えて、約２００％近くに達する。
【００６２】
（実施の形態５）
本実施の形態について図１０を参照して説明する。本実施の形態は、リブ型プラズモニック導波路に関する。図１０は、本実施の形態のリブ型プラズモニック導波路の断面図である。本実施の形態は、実施の形態１と各層の組成が同じで、Ｃｏ／ＳｉＯ2／Ｓｉからなるプラズモニック導波路であるが、導波路の構造が具体化されている。光の入射方向をｚ方向、磁化方向をｙ方向、積層方向即ち膜面に垂直な方向をｘ方向とする。図１０に図示されるように、Ｓｉ層の一部に導波路長手方向（図中ｚ方向、プラズモン伝播方向）に伸びる溝を設け、該溝にＳｉＯ2層の一部が埋め込まれている。即ちＳｉＯ2が半分埋め込まれた構造であり、強磁性金属ＣｏがＳｉＯ2層の上に形成されている。図１０のように、Ｓｉリブはプラズモンを横方向（ｙ方向）に閉じ込めるためである。リブの巾は２００ｎｍ−５００ｎｍで、高さは１０ｎｍ−１５０ｎｍである。リブの大きさ（巾、高さ、ｚ方向長さ）はＳｉ細線光導波路とプラズモニック導波路の効果的なカップリングを起こさせるために調整する。実施の形態１と同様に、図１０に太い矢印で示すように、磁場は、プラズモンの伝播方向に対して垂直でかつ強磁性金属Ｃｏ層の面内である方向（ｙ方向）に、印加されている。
【００６３】
（実施の形態６）
本実施の形態について図１１を参照して説明する。本実施の形態は、リブ型プラズモニック導波路に関する。図１１は、本実施の形態のリブ型プラズモニック導波路の断面図である。本実施の形態は、実施の形態１と各層の組成が同じで、Ｃｏ／ＳｉＯ2／Ｓｉからなるプラズモニック導波路であるが、導波路の具体的構造が実施の形態５とも異なる構造を有している。図１１に図示されるように、Ｓｉ層の一部が導波路長手方向（プラズモン伝播方向）に伸びる凸部のリブを設け、ＳｉＯ2層がその上に形成され、さらに強磁性金属ＣｏがＳｉＯ2層の上に形成されている。図１１のように、ＳｉＯ2リブはプラズモンを横方向に閉じ込めるためである。リブの巾は２００ｎｍ−５００ｎｍで、高さは１０ｎｍ−１５０ｎｍである。リブ大きさ（巾、高さ、ｚ方向長さ）はＳｉ細線光導波路とプラズモニック導波路の効果的なカップリングを起こさせるために調整する。実施の形態１と同様に、図１１に太い矢印で示すように、磁場は、プラズモンの伝播方向に対して垂直でかつ強磁性金属Ｃｏ層の面内である方向（ｙ方向）に、印加されている。
【００６４】
（実施の形態７）
本実施の形態について図１２を参照して説明する。本実施の形態は、リブ型プラズモニック導波路に関する。図１２は、本実施の形態のリブ型プラズモニック導波路の断面図である。本実施の形態は、実施の形態１と各層の組成が同じで、Ｃｏ／ＳｉＯ2／Ｓｉからなるプラズモニック導波路であるが、導波路の具体的構造が実施の形態５や６と異なっている。図１２に図示されるように、Ｓｉ層の平坦面上にＳｉＯ2層が形成され、さらにＳｉＯ2層の上に、リブ型の強磁性金属Ｃｏが形成されている。断面矩形の強磁性金属のＣｏ層は、リブ形状となるようにエッチングやパターン形成方法により形成する。図１２のように、Ｃｏリブは、プラズモンを横方向に閉じ込めるためである。リブの巾は４００ｎｍ−１２００ｎｍで、高さは１００ｎｍ以上である。リブの大きさ（巾、高さ、ｚ方向長さ）はＳｉ細線光導波路とプラズモニック導波路の効果的なカップリングを起こさせるために調整する。実施の形態１と同様に、磁場は、プラズモンの伝播方向に対して垂直でかつ強磁性金属Ｃｏ層の面内である方向（ｙ方向）に、印加されている。
【００６５】
（実施の形態８）
本実施の形態は、Ｆｅ／ＳｉＯ2／ＡｌＧａＡｓからなる３層のプラズモニック導波路に関する。本実施の形態について図１３を参照して説明する。図１３（ａ）は、ＧａＡｓ基板上に、ＡｌＧａＡｓ層、ＳｉＯ2層、Ｆｅ層の順で積層して製作されたプラズモニック導波路の構造を示す図である。ＳｉＯ２層がＦｅ層とＡｌＧａＡｓ層の間に介在している。図１３（ｂ）は、ＳｉＯ2層の膜厚に対する、プラズモンが１／ｅに減衰する伝播距離（右縦軸）、及びＳｉＯ2層の膜厚に対する磁気光学性能指数（左縦軸）の値を示す図である。実施の形態１と同様に、図１３では、磁場がプラズモンの伝播方向に対して垂直に印加されている。光は波長８００ｎｍを使用した例である。ＳｉＯ2層の膜厚が８ｎｍ−１６７ｎｍに近くなると磁気光学性能指数は急激に増大する。本実施の形態では、第１の誘電体層（ＳｉＯ2）は、第１のカットオフ厚み（本実施の形態では８ｎｍ）より薄いか、第２のカットオフ厚み（本実施の形態では１６７ｎｍ）より厚いときに、光アイソレーターとして優れた性能を有する。磁気光学性能指数が１００％を超えて、約１６０％近くに達する。
【００６６】
本実施の形態では、ＧａＡｓ基板に作製したプラズモニック導波路を使用した光デバイスについて図１４を参照して説明する。本実施の形態では、屈折率の異なる２つの誘電体層を使用したプラズモニック導波路によって光損失を減少させる効果があることを実証するため、プラズモニック導波路（３２、３１、３０）をＧａＡｓ基板３３上に作成した。
【００６７】
図１４は、プラズモニック導波路を組み込んだ光デバイス（光アイソレーター）を模式的に示した図である。プラズモニック導波路は、２つのＡｌＧａＡｓリブ導波路の間に、集積されてモノリシックに形成されている。このＡｌＧａＡｓリブ導波路の機能は、光をプラズモニック導波路に運び、そしてプラズモニック導波路から光を取り出す役目をしている。ＡｌＧａＡｓリブ導波路は、Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓクラッド層３２とＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ導波路コア層３５からなる。コア層３５の上にＳｉＯ2層３４が保護層として設けられている。コア層３５の屈折率はクラッド層３２の屈折率より高い。
【００６８】
プラズモニック導波路は、２層の誘電体層である、Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ（第２の誘電体層３２）／ＳｉＯ2（第１の誘電体層３１）と、強磁性金属層３０であるＦｅ層とからなる。Ｆｅ層の上に保護層が設けられている。Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓの屈折率はＳｉＯ2の屈折率に比べてかなり高いので、プラズモンの光損失を減少させ磁気光学性能指数は増大させることができる。図示される構造のように、Ｆｅ層３０がコア層３５を完全にブロックしている構造では、ＡｌＧａＡｓ導波路から入射される光は入力側と出力側のＡｌＧａＡｓ導波路間を伝播できないが、プラズモンを励起することでのみ光が伝播できる。
【００６９】
本実施の形態では、磁場がプラズモンの伝播方向に対して垂直でかつＦｅ層面内の方向に印加されている。
【００７０】
図１４において、プラズモニック導波路の長さＬ１（強磁性金属の長さ）は、例えば４−１００μｍ、入射側ＡｌＧａＡｓリブ導波路とプラズモニック導波路と出射側ＡｌＧａＡｓリブ導波路の合計距離Ｌ２は、例えば８００−１０００μｍである。第１の誘電体層３１であるＳｉＯ2層の厚みは、１７０ｎｍである。第２の誘電体層３２であるＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓのプラズモニック導波路部分の厚みは、２００ｎｍ、Ｆｅ層の厚みは１００ｎｍとした。
【００７１】
光（波長：８００ｎｍ）がレンズファイバー（入口ファイバー）４０から入口側のＡｌＧａＡｓ導波路に入射され、プラズモニック導波路に運ばれる。そうすると、プラズモンが入口側ＡｌＧａＡｓ導波路からの光により励起される。励起されたプラズモンはプラズモニック導波路を伝播し、プラズモンは出口側のＡｌＧａＡｓ導波路の導波路モードを励起する。出口側のＡｌＧａＡｓ導波路は、プラズモニック導波路からの光を、出口ファイバー４１に入れる。光損失を推定するために、入口ファイバー４０から出口ファイバー４１までの光の伝送率を、サイズ（Ｌ１、導波路の巾）の異なった複数のプラズモニック導波路で測定した。ＴＥ偏光は、本実施の形態のプラズモニック導波路を透過できないことが計測された。ＴＭ偏光の光損失は、測定結果は約０.０５−０.０９ｄＢ／μｍで非常に小さかった。この測定結果から、プラズモニック導波路においては伝播するプラズモンは、ＴＭ偏光のみであるので、ＴＭ偏光したプラズモンのみが、光を入口側のＡｌＧａＡｓ導波路から出口側のＡｌＧａＡｓ導波路に伝播することが、本実施の形態の構造により、実証できた。
【００７２】
（比較例）
プラズモニック導波路の光損失の減少を実証するため、比較例のテスト試料を作製して、測定した。図１５は、比較例のテスト試料を示す図である。比較例のテスト試料は、本実施の形態のプラズモニック導波路（図１４）を使用せずに、図１５のように、強磁性金属のＦｅ層３０で覆われた従来の誘電体導波路を使用した。図１５においても、磁場は光の伝播方向に対して垂直に印加されている。図１５において、図１４と同様に、強磁性金属層３０の長さＬ３は、例えば４−１００μｍ、入射側ＡｌＧａＡｓリブ導波路と強磁性金属層と出射側ＡｌＧａＡｓリブ導波路の両端の距離Ｌ４は、例えば８００−１０００μｍである。
【００７３】
図１５に示すように、Ｆｅで覆われた従来の誘電体導波路は、図１４のプラズモニック導波路の構造とは異なる構造であり、Ｆｅ層３０は、Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ導波路コア層３５をブロックしないで、コア層３５の上に設けられている。このため、導波路モードは、入口側のＡｌＧａＡｓ導波路（Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓクラッド層３２とＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ導波路コア層３５）から出口側のＡｌＧａＡｓ導波路（Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓクラッド層３２とＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ導波路コア層３５）に直接的に伝播して行くこと、及び光損失はプラズモニック導波路（図１４）を伝播する場合に比べて、非常に低くなることが予想される。比較例（図１５）のテスト試料の光損失の測定結果は、０.３８ｄＢ／μｍであった。
【００７４】
比較例のテスト試料の光損失の値は、実施の形態８のプラズモニック導波路（図１４）の光損失の約０.０５−０.０９ｄＢ／μｍに比べると相当高い。この測定結果から、２層の誘電体Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ／ＳｉＯ2と強磁性体金属のＦｅとからなるプラズモニック導波路の構造とした場合にのみ、光損失を非常に低くすることができる、ということがわかる。このことから、本発明のように、強磁性金属層と２つの誘電体層（ｄｏｕｂｌｅ−ｌａｙｅｒ  ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ）からなる積層構造を備え、強磁性金属層に接する第１の誘電体層の屈折率が第２の誘電体層の屈折率より小である構造のプラズモニック導波路は、光損失を非常に低くする効率の高い導波路であることがわかる。
【００７５】
実施の形態では、光アイソレーターについて説明したが、その他、光サーキュレーター等の光デバイスでも、実施の形態のプラズモニック導波路を使用することができる。
【００７６】
なお、前記実施の形態等で示した例は、発明を理解しやすくするために記載したものであり、この形態に限定されるものではない。
【符号の説明】
【００７７】
３０    強磁性金属層（Ｆｅ）
３１    ＳｉＯ2
３２    Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ、クラッド層
３３    ＧａＡｓ基板
３４    ＳｉＯ2
３５    Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓコア層
４０    入口ファイバー
４１    出口ファイバー
【図１】
2014013318.tif 000004
【図２】
2014013318.tif 000005
【図３】
2014013318.tif 000006
【図４】
2014013318.tif 000007
【図５】
2014013318.tif 000008
【図６】
2014013318.tif 000009
【図７】
2014013318.tif 000010
【図８】
2014013318.tif 000011
【図９】
2014013318.tif 000012
【図１０】
2014013318.tif 000013
【図１１】
2014013318.tif 000014
【図１２】
2014013318.tif 000015
【図１３】
2014013318.tif 000016
【図１４】
2014013318.tif 000017
【図１５】
2014013318.tif 000018