(57)【要約】【課題】光の伝搬損失を考慮して光アイソレータを設計する。【解決手段】下部クラッド層と、下部クラッド層上に配置された光導波路層と、光導波路層上に配置されたバッファ層と、バッファ層上の一部に配置され、バッファ層との界面においてプラズモン導波路を形成する強磁性金属層とを備え、バッファ層は、進み光の伝搬損失および戻り光の伝搬損失により定まる性能指数が極大値となる膜厚を有する光アイソレータを提供する。また、性能指数は、戻り光の伝搬損失が進み光の伝搬損失より大きいほど高くなり、且つ、進み光および戻り光の伝搬損失の和が小さいほど高くなる光アイソレータを提供する。【選択図】図１
2015125186.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部クラッド層と、
前記下部クラッド層上に配置された光導波路層と、
前記光導波路層上に配置されたバッファ層と、
前記バッファ層上の一部に配置され、前記バッファ層との界面においてプラズモン導波路を形成する強磁性金属層と
を備え、
前記バッファ層は、進み光の伝搬損失および戻り光の伝搬損失により定まる性能指数が極大値となる膜厚を有する光アイソレータ。
【請求項２】
前記性能指数は、前記戻り光の伝搬損失が前記進み光の伝搬損失より大きいほど高くなり、且つ、前記進み光および前記戻り光の伝搬損失の和が小さいほど高くなる
請求項１に記載の光アイソレータ。
【請求項３】
前記光導波路層は、前記進み光において、前記プラズモン導波路に結合されずに前記光導波路層を伝搬する光の強度に対する、前記プラズモン導波路に結合される光の強度の比が１より小さく、前記戻り光において、前記プラズモン導波路に結合されずに前記光導波路層を伝搬する光の強度に対する、前記プラズモン導波路に結合される光の強度の比が１より大きくなる膜厚を有する請求項１または２に記載の光アイソレータ。
【請求項４】
前記光導波路層の材料はシリコンである請求項１から３のいずれか一項に記載の光アイソレータ。
【請求項５】
前記バッファ層の材料は、酸化シリコンである請求項１から４のいずれか一項に記載の光アイソレータ。
【請求項６】
前記光導波路層は、前記進み光を出力するレーザーの活性層と一体に形成される請求項１から５のいずれか一項に記載の光アイソレータ。
【請求項７】
前記強磁性金属層の材料は、コバルト、鉄およびニッケルのいずれか、または、コバルト、鉄およびニッケルから選択される２種類以上の材料の合金を含む請求項１から６のいずれか一項に記載の光アイソレータ。
【請求項８】
前記下部クラッド層は、半導体基板である請求項１から７のいずれか一項に記載の光アイソレータ。
【請求項９】
前記バッファ層の厚みが、０．１μｍから５０μｍである
請求項１から８のいずれか一項に記載の光アイソレータ。
【請求項１０】
前記光導波路層の厚みが、０．０１μｍから２０μｍである
請求項１から９のいずれか一項に記載の光アイソレータ。
【請求項１１】
前記強磁性金属層の厚みが、０．００１μｍから０．２μｍである
請求項１から１０のいずれか一項に記載の光アイソレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザーの戻り光を遮断する光アイソレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体レーザーと一体に形成して、半導体レーザーを安定動作させることを目的として、プラズモン導波路を備えた光アイソレータが用いられてきた。（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１  米国特許出願公開第２０１０／０３１６３２７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来の光アイソレータは、光の伝搬損失を考慮して設計されておらず、光アイソレータのバッファ層等の膜厚を最適に設計できない。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の第１の態様においては、下部クラッド層と、下部クラッド層上に配置された光導波路層と、光導波路層上に配置されたバッファ層と、バッファ層上の一部に配置され、バッファ層との界面においてプラズモン導波路を形成する強磁性金属層とを備え、バッファ層、光導波路層、強磁性金属層は、プラズモン導波路における進み光の伝搬損失および戻り光の伝搬損失により定まる性能指数が極大値となる膜厚を有する光アイソレータを提供する。
【０００５】
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本発明の光アイソレータ１００の一例を示す。
【図２Ａ】プラズモンアイソレータ部７０を伝搬する進み光の光強度分布を示す。
【図２Ｂ】プラズモンアイソレータ部７０を伝搬する戻り光の光強度分布を示す。
【図３】バッファ層３０の膜厚に対する光アイソレーションΔαの依存性を示す。
【図４】バッファ層３０の膜厚に対する性能指数ＦＯＭの依存性を示す。
【図５】光導波路層２０を伝搬する光の伝搬角度θを入射角として、バッファ層３０、強磁性金属層５０へ光が入射するときの伝搬角度θと強度反射率Ｒとの関係を示す。
【図６】光アイソレータ１００の設計の一例を示すフローチャートである。
【図７Ａ】強度反射率Ｒの入射角度θに対する依存性を示す。
【図７Ｂ】進み光と戻り光の強度反射率Ｒの入射角度θ依存性を示す。
【図８】進み光と戻り光の減衰入射角度θｆ、θｂのバッファ層３０の膜厚ｄＳｉＯ２依存性を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【０００８】
図１は、本発明の光アイソレータ１００の一例を示す。光アイソレータ１００は、入力導波路部６０、プラズモンアイソレータ部７０、および出力導波路部８０を備える。入力導波路部６０、プラズモンアイソレータ部７０、および出力導波路部８０は、それぞれ下部クラッド層１０、光導波路層２０、バッファ層３０を備える。プラズモンアイソレータ部７０は、さらに、プラズモン導波路４０、x軸に平行に磁化された強磁性金属層５０を備える。本明細書では、光の伝搬方向をｚ軸、基板に垂直な方向をｙ軸、基板に平行で光の伝搬方向と垂直な方向をｘ軸とする。
【０００９】
図１では、光導波路層２０を伝搬する前進波（進み光）を矢印で示している。進み光は、レーザー光源等から光導波路層２０に入力される。光導波路層２０には、後段の導波路や光部品による反射等により、前進波とは逆方向に光導波路層２０を伝搬する後退波（戻り光）が入力される場合がある。本例の光アイソレータ１００は、プラズモン導波路層４０を用いて、レーザー光源等に伝搬する戻り光を低減する。
【００１０】
より具体的には、プラズモンアイソレータ部７０における進み光については、プラズモン導波路４０に結合されずに光導波路層２０を伝搬する光の強度が、プラズモン導波路４０に結合される光の強度より大きい。また、戻り光については、プラズモン導波路４０に結合されずに光導波路層２０を伝搬する光の強度が、プラズモン導波路４０に結合される光の強度より小さい。強磁性金属層５０の界面に形成されるプラズモン導波路４０を伝搬する光は徐々に減衰するので、このような伝搬光強度の分布特性を有することで、レーザー光源等に伝搬する戻り光が低減される。
【００１１】
また、プラズモン導波路４０における進み光の伝搬損失αは、プラズモン導波路４０における戻り光の伝搬損失αよりも小さい。伝搬損失αとは、プラズモン導波路４０を単位長さ伝搬した場合の、伝搬前後の光強度の比によって与えられる。このような構成により、レーザー光源等に伝搬する戻り光が更に低減される。本例の光アイソレータ１００においては、光導波路層２０およびバッファ層３０の膜厚を調整することで、上記の特性を実現する。
【００１２】
下部クラッド層１０は、光導波路層２０のクラッド層として機能する。本例では、下部クラッド層１０は、酸化シリコンＳｉＯ２で形成され、半導体基板上に形成される。下部クラッド層１０の材料は、伝搬する光の波長によって、適宜選択されてよい。また、下部クラッド層１０は、半導体基板であってよい。
【００１３】
光導波路層２０は、下部クラッド層１０上に配置される。光導波路層２０は、半導体レーザー光源等から光アイソレータ１００に入射された光を導波する。光導波路層２０は、下部クラッド層１０およびバッファ層３０よりも屈折率の高い材料で形成され、光導波路層２０よりも屈折率の低い材料で形成された下部クラッド層１０およびバッファ層３０で挟まれることによって光を伝搬する。一例では、光導波路層２０の材料はシリコンＳｉである。光導波路層２０の材料は、伝搬する光の波長によって、適宜選択されてよい。例えば、光導波路層２０の膜厚は、０．０１μｍから２０μｍである。
【００１４】
バッファ層３０は、光導波路層２０上に配置される。バッファ層３０は、下部クラッド層１０と同一の材料で形成されてよい。例えば、バッファ層３０の材料は、酸化シリコンＳｉＯ２である。下部クラッド層１０およびバッファ層３０は、光導波路層２０の上部と下部にそれぞれ配置されるので、伝搬する光を光導波路層２０の内部に閉じ込められる。一例では、バッファ層３０の厚みは、０．１μｍから５０μｍである。
【００１５】
強磁性金属層５０は、バッファ層３０上の一部（すなわち、プラズモンアイソレータ部７０に対応する領域）に配置される。一例では、強磁性金属層５０の材料は、コバルト、鉄、ニッケル等の強磁性材料、または、これらから選択される２種類以上の材料の合金を含む。強磁性金属層５０は、予め定められた方向に磁化される。本例の強磁性金属層５０はｘ軸方向に磁化される。これにより、プラズモン導波路４０をｚ軸プラス方向に進む光（進み光）に対するプラズモンアイソレータ部７０の実効屈折率ｎｅｆｆ，ｃｏ，ｆと、ｚ軸マイナス方向に進む光（戻り光）に対するプラズモンアイソレータ部７０の実効屈折率ｎｅｆｆ，ｃｏ，ｂを異ならせる。例えば、強磁性金属層５０の膜厚は、０．００１μｍから０．２μｍである。なお、磁化の向きは、強磁性金属層５０の材料等によって、x軸プラス方向とx軸マイナス方向のうち、戻り光の伝搬損失が進み光の伝搬損失を上回るように選択されてよい。
【００１６】
プラズモン導波路４０は、バッファ層３０および強磁性金属層５０の界面に形成される。なお、プラズモンとは、自由電子の集団振動のことであり、強磁性金属層５０中の自由電子が集団で振動することにより、光の電界と強く結合して金属と誘電体の界面を光が伝搬する状態を指す。
【００１７】
光導波路層２０を伝搬する光のうち、特定の条件を満たす伝搬光がプラズモン導波路４０に結合される。具体的には、光導波路層２０を伝搬する光に対するプラズモンアイソレータ部７０の実効屈折率ｎｅｆｆ，ｓｉと、プラズモン導波路４０を伝搬する光に対する実効屈折率ｎｅｆｆ，ｃｏの実部とが等しい場合に、光導波路層２０を伝搬する光がプラズモン導波路４０に結合する。なお、光導波路層２０においては、進み光および戻り光で屈折率に差異がなく、且つ、伝搬損失αも無視できるほど小さいので、光導波路層２０を伝搬する光に対する実効屈折率ｎｅｆｆ，ｓｉは、進み光および戻り光で共通であり、且つ、伝搬損失αに対応する虚部を有さない。
【００１８】
光導波路層２０を伝搬する光に対する実効屈折率ｎｅｆｆ，ｓｉは、光導波路層２０、バッファ層３０の膜厚により変化する。このため、光導波路層２０を伝搬する光に対する実効屈折率ｎｅｆｆ，ｓｉが、プラズモン導波路４０を伝搬する戻り光の実効屈折率ｎｅｆｆ，ｃｏ，ｂの実部とほぼ等しくなるように、光導波路層２０とバッファ層３０の膜厚を設定することで、光導波路層２０を伝搬する戻り光を、プラズモン導波路４０に結合することができる。
【００１９】
本例の光導波路層２０は、光導波路層２０を伝搬する戻り光を、プラズモン導波路４０に結合させるように最適化された膜厚を有する。上述したように、プラズモン導波路４０を伝搬する進み光および戻り光の実効屈折率ｎｅｆｆ，ｃｏは異なる。このため、光導波路層２０を伝搬する戻り光がプラズモン導波路４０に結合されても、光導波路層２０を伝搬する進み光がプラズモン導波路４０に結合される度合は、戻り光よりも小さくなる。
【００２０】
また、プラズモン導波路４０における進み光の伝搬損失αは、プラズモン導波路４０における戻り光の伝搬損失αよりも小さい。プラズモン導波路４０における伝搬損失αは、プラズモン導波路４０における伝搬光に対する実効屈折率ｎｅｆｆ，ｃｏの虚部により定まる。上述したように、プラズモン導波路４０における伝搬光に対する実効屈折率ｎｅｆｆ，ｃｏは、進み光と戻り光とで異なる。本例の強磁性金属層５０は、戻り光の実効屈折率ｎｅｆｆ，ｃｏ，ｂの虚部が大きくなり、進み光に対する実効屈折率ｎｅｆｆ，ｃｏ，ｆの虚部が小さくなる方向に磁化される。例えば、＋ｘ方向の磁化および−ｘ方向の磁化のうち、上記の条件を満たす方向に強磁性金属層５０を磁化する。
【００２１】
バッファ層３０は、進み光の伝搬損失α、および、戻り光の伝搬損失αにより定まる性能指数ＦＯＭ（Ｆｉｇｕｒｅ  ｏｆ  ｍｅｒｉｔ）が極大値となる膜厚を有する。本例の性能指数ＦＯＭは、プラズモンアイソレータ部７０全体において、戻り光の伝搬損失αが、進み光の伝搬損失αより大きいほど高くなり、且つ、進み光および戻り光の伝搬損失αの和が小さいほど高くなる。
一例として、性能指数ＦＯＭは下式で定義される。
2015125186.tif 000003
【００２２】
進み光および戻り光の伝搬損失αは、プラズモンアイソレータ部７０における下部クラッド層１０、光導波路層２０、バッファ層３０、強磁性金属層５０および強磁性金属層５０の上部層を一つの光導波路とした場合の、進み光および戻り光のそれぞれに対する実効屈折率ｎｅｆｆから算出できる。それぞれの実効屈折率ｎｅｆｆは、光の波長、各層の膜厚、各層の複素屈折率、および、強磁性金属層５０における磁化の方向から算出することができる。
【００２３】
本例の光アイソレータ１００によれば、プラズモン導波路４０における損失を考慮してバッファ層３０の膜厚を最適化することで、性能指数ＦＯＭを極大化することができる。また、進み光については、光導波路層２０を伝搬する光の強度に対するプラズモン導波路４０に結合される光の強度の比が１より小さく、かつ、戻り光については光導波路層２０を伝搬する光の強度に対するプラズモン導波路４０に結合される光の強度の比が１より大きくなる。また、プラズモン導波路４０における進み光の伝搬損失αを、プラズモン導波路４０における戻り光の伝搬損失αよりも小さくできる。
【００２４】
なお、強磁性金属層５０の上部層は、例えば空気等の空間層であってよく、酸化シリコンＳｉＯ２等の層であってもよい。入力導波路部６０および出力導波路部８０におけるバッファ層３０上にも、空気等の空間層が設けられてよく、酸化シリコンＳｉＯ２等の層が設けられてもよい。また、図１に示すように、下部クラッド層１０のｘ軸方向における幅は、光導波路層２０の幅よりも大きくてよい。下部クラッド層１０において、光導波路層２０に覆われていない領域上には、空気等の空間層が形成されてよい。
【００２５】
光導波路層２０は、進み光を出力するレーザーの活性層と一体に形成されてよい。この場合、レーザーが出力した光と光導波路層２０を伝搬する光の光軸を、人手で合わせる必要がなくなる。また、光導波路層２０は、進み光を出力するレーザーの活性層と一体に形成されずに、光アイソレータ１００の外部に進み光を出力する光源を備えてよい。この場合、光アイソレータ１００がレーザーと一体に形成されないので、要求される消光比が得られる範囲で、レーザーの波長を自由に選択できる。
【００２６】
図２Ａは、プラズモンアイソレータ部７０を伝搬する進み光の光強度分布の一例を示す。本例のプラズモンアイソレータ部７０は、酸化シリコンＳｉＯ２で形成された下部クラッド層１０およびバッファ層３０と、シリコンＳｉで形成された光導波路層２０と、コバルトＣｏで形成された強磁性金属層５０を備える。また、光導波路層２０およびバッファ層３０は、図１において説明した最適化された厚みを有する。図２Ａの例では、伝搬光の波長を１．５５μｍ、下部クラッド層１０の厚みを無限大、光導波路層２０の膜厚を５７ｎｍ、バッファ層３０の厚みを２μｍ、強磁性金属層５０の厚みを１００ｎｍとして光強度分布を計算した。本例では、プラズモンアイソレータ部７０を一つの導波路として、上記の各層の複素屈折率および厚みから定まる導波路の実効屈折率ｎｅｆｆから光強度分布を算出した。
【００２７】
図２Ａの横軸は、下部クラッド層１０および光導波路層２０の境界位置を原点としたｙ軸方向の位置（μｍ）を示している。図２Ａでは、破線により各層の境界位置を示している。また、図２Ａの縦軸は、下部クラッド層１０および光導波路層２０の境界位置における光強度を１とした場合の、光強度の相対値を示している。
【００２８】
図２Ａに示すように、本例のプラズモンアイソレータ部７０においては、光導波路層２０における進み光の強度は、プラズモン導波路４０における進み光の強度の２倍程度大きい。また、プラズモンアイソレータ部７０における進み光の実効屈折率ｎｅｆｆ，ｆの実部の大きさは１．５４２３３であり、虚部の大きさは−０．００４３６８１３であった。当該虚部に対応する伝搬損失αは、０．１５３８０１ｄＢ／μｍであった。
【００２９】
図２Ｂは、プラズモンアイソレータ部７０を伝搬する戻り光の光強度分布の一例を示す。本例のプラズモンアイソレータ部７０の構成は、図２Ａの例と同一である。図２Ｂに示すように、本例のプラズモンアイソレータ部７０においては、プラズモン導波路４０における戻り光の強度は、光導波路層２０における戻り光の強度の１０倍以上大きい。つまり、膜厚が最適化されたプラズモンアイソレータ部７０は、進み光については、光導波路層２０を伝搬する光の強度が、プラズモン導波路４０に結合される光の強度より大きくなり、戻り光については、光導波路層２０を伝搬する光の強度が、プラズモン導波路４０に結合される光の強度より小さくなる。
【００３０】
また、プラズモンアイソレータ部７０における戻り光の実効屈折率ｎｅｆｆ，ｂの実部の大きさは１．５４０４９であり、虚部の大きさは−０．０２２６６９２であった。当該虚部に対応する伝搬損失αは、０．７９８１７５ｄＢ／μｍであった。つまり、膜厚が最適化されたプラズモンアイソレータ部７０は、進み光の伝搬損失αを、戻り光の伝搬損失αよりも小さくできる。
【００３１】
本例のプラズモンアイソレータ部７０における光アイソレーションΔαは、０．６４４３７４ｄＢ／μｍであった。光アイソレーションΔαは下式で与えられる。
2015125186.tif 000004
なお、λは伝搬光の波長、ｎｅｆｆ，ｂは戻り光の実効屈折率、ｎｅｆｆ，ｆは進み光の実効屈折率を示す。本例のプラズモンアイソレータ部７０における性能指数ＦＯＭは、１．３５であった。
【００３２】
図３は、バッファ層３０の膜厚に対する光アイソレーションΔαの依存性を示す。横軸は、バッファ層３０の膜厚［μｍ］を示し、縦軸は、光アイソレータ１００の光アイソレーションΔα［ｄＢ／μｍ］を示す。バッファ層３０の膜厚は１．０から２．３μｍまで変化する。光アイソレーションΔαは、プラズモン導波路４０の導波路長における単位長さ当たりの消光比を示す。本例の光アイソレータ１００は、光導波路層２０が５７ｎｍ、強磁性金属層５０が１００ｎｍの膜厚を有する。
【００３３】
光アイソレータ１００は、バッファ層３０の膜厚ｄＳｉＯ２に応じて、光アイソレーションΔαの極大値を有する。領域Ｉ、ＩＩＩは光アイソレーションΔαの極小値を示しているが、光の伝搬方向または強磁性金属層５０の磁化の方向を反転させれば、極大値として扱うことができる。領域ＩＩは、光アイソレーションΔαの極大値を示す。例えば、光アイソレーションΔαの極大値は、光アイソレーションΔαの波形の傾きが０となるときの光アイソレーションΔαを示す。また、極大値は、必ずしも光アイソレーションΔαの波形の傾きが０となるときに限られず、光アイソレーションΔαの絶対値が予め定められた値以上となった場合でよい。例えば、光アイソレーションΔαの絶対値が０．２ｄＢ／μｍ以上となった場合を極大値としてよい。
【００３４】
バッファ層３０の膜厚ｄＳｉＯ２は、光アイソレーションΔαが極大値を取るように最適化される。つまり、図３で示された光アイソレーションΔαとバッファ層３０の膜厚ｄＳｉＯ２との関係が得られた場合、バッファ層３０の膜厚ｄＳｉＯ２は、領域Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩとなるように選択される。これにより、光アイソレータ１００は、進み光と戻り光の光強度分布の差を利用して、予め定められた光アイソレーションΔαを達成する。
【００３５】
図４は、バッファ層３０の膜厚に対する性能指数ＦＯＭの依存性を示す。横軸は、バッファ層３０の膜厚［μｍ］を示しており、バッファ層３０の膜厚は１．０から２．３μｍまで変化する。縦軸は、光アイソレータ１００の性能指数ＦＯＭ［ｄＢ／μｍ］を示す。
【００３６】
光アイソレータ１００は、バッファ層３０の膜厚ｄＳｉＯ２に応じて、光アイソレーションΔαと同様に性能指数ＦＯＭが極大値をとる。例えば、性能指数ＦＯＭの極大値は、性能指数ＦＯＭの波形の傾きが０となるときの性能指数ＦＯＭを示す。また、性能指数ＦＯＭの極大値は、必ずしも性能指数ＦＯＭの波形の傾きが０となるときに限られず、性能指数ＦＯＭの絶対値が予め定められた値以上となった場合でもよい。例えば、性能指数ＦＯＭの絶対値が０．５以上となった場合を極大値としてよい。
【００３７】
バッファ層３０は、光アイソレータ１００の要求される光アイソレーションΔαおよび性能指数ＦＯＭを満たすような膜厚ｄＳｉＯ２を有する。例えば、バッファ層３０の膜厚ｄＳｉＯ２は、光アイソレーションΔαおよび性能指数ＦＯＭが同時に極大値をとる領域Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩに設定される。本例において、領域Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩは、性能指数ＦＯＭまたは光アイソレーションΔαの波形の傾き（微分値）がほぼ無限となる２つの膜厚に挟まれた領域である。
【００３８】
図５は、光導波路層２０を伝搬する光の伝搬角度θを入射角として、バッファ層３０、強磁性金属層５０へ光が入射するときの伝搬角度θと強度反射率Ｒとの関係を示す。強度反射率Ｒは、光導波路層２０からバッファ層３０に入射する入射光の強度に対する、光導波路層２０とバッファ層３０との界面で反射する反射光の強度の比を示す。つまり、強度反射率Ｒが大きい程、入射光がバッファ層３０に入射してプラズモン導波路４０に結合されにくくなる。また、入射角度θとは、光導波路層２０を伝搬する光がバッファ層３０に入射する場合に、光導波路層２０とバッファ層３０との界面に垂直な面と、入射光とがなす角度を指す。例えば入射角度θは、光導波路層２０を伝搬される光の波長および光導波路層２０の膜厚等により決定される。
【００３９】
強度反射率Ｒが１の場合、入射光は光導波路層２０とバッファ層３０との界面で全反射する。また、強度反射率Ｒが１より小さい場合、入射光の一部がバッファ層３０に入射する。例えば、領域ＩＶは、強度反射率Ｒが極小値を取る領域であり、光導波路層２０を伝搬する光がプラズモン導波路４０で減衰される領域である。領域ＩＶでは、減衰全反射（ＡＴＲ：Ａｔｔｅｎｕａｔｅｄ  Ｔｏｔａｌ  Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）カップリングが起こる。ここで、領域ＩＶにおいて、強度反射率Ｒが極小値を取る場合の入射角度θを減衰入射角度θと定義する。一方、領域Ｖは、強度反射率Ｒが１に近い領域であり、光導波路層２０を伝搬する光がプラズモン導波路４０で減衰されない領域である。
【００４０】
入射角度θに対する強度反射率Ｒの関係は、選択する光導波路層２０、バッファ層３０、プラズモン導波路４０、強磁性金属層５０等の材料および膜厚によって変化する。また、入射角度θに対する強度反射率Ｒの関係は、強磁性体である強磁性金属層５０の磁化の向きに応じて、進み光と戻り光とで異なる。例えば、コバルトの強磁性金属層５０がｘ軸方向に磁化されると、光導波路層２０を伝搬する進み光と戻り光とで入射角度θに対する強度反射率Ｒの関係に違いが生じる。つまり、進み光の減衰入射角度θｆと戻り光の減衰入射角度θｂとが異なる値となる。
【００４１】
光アイソレータ１００の構造は、戻り光の入射角度θが減衰入射角度θｂとなるように設定される。具体的には、進み光の入射角度θが減衰入射角度θｆとなり、戻り光の入射角度θが減衰入射角度θｂとなるように光導波路層２０の膜厚が設定される。なお、入射角度θは、減衰入射角度θｂと厳密に一致しなくともよい。但し、減衰入射角度θｂの近傍において、少なくとも戻り光の強度反射率Ｒが進み光の強度反射率Ｒより小さい入射角度θとなるように設定される。つまり、入射角度θが減衰入射角度θｂの場合、進み光は領域Ｖに対応して、戻り光は領域ＩＶに対応するように設定される。領域Ｖにおける進み光は、プラズモン導波路４０と結合しないか、もしくは弱く結合するので、伝搬損失αが小さい。一方、領域ＩＶにおける戻り光は、プラズモン導波路４０と結合するので伝搬損失αが大きい。よって、戻り光では、光導波路層２０における光強度がプラズモン導波路４０における光強度より小さく、進み光では、光導波路層２０における光強度がプラズモン導波路４０における光強度より大きくなる。これにより予め定められた消光比が得られる。
【００４２】
以下に、光アイソレータ１００の構造を決定するためのパラメータの導出方法を示す。本例では、下部クラッド層１０の膜厚を無限長、光導波路層２０の膜厚をｄＳｉ、バッファ層３０（ＳｉＯ２）の膜厚をｄＳｉＯ２、強磁性金属層５０（コバルト）の膜厚をｄＣｏおよび強磁性金属層５０上の空気の膜厚を無限長として説明する。
【００４３】
伝搬損失αは、単位［ｄＢ／ｍｍ］で表され、式（１）により導出される。
式（１）
2015125186.tif 000005
ただし、ｋ０＝λ／２πは真空中の波数、λは波長を示す。
【００４４】
2015125186.tif 000006
【００４５】
対角項εは、強磁性金属層５０層の複素屈折率Ｎとε＝Ｎ２の関係にあり、非対角項εｙｚは、異方性を表す強磁性体特有のパラメータである。強磁性体以外の場合、非対角項εｙｚはゼロで、進み光と戻り光の実効屈折率ｎｅｆｆ,ｆ、ｎｅｆｆ,ｂがそれぞれ同じ値となる。
【００４６】
式（３）に示す通り、進み光の実効屈折率ｎｅｆｆ,ｆは、光の波長λ、下部クラッド層１０、バッファ層３０の屈折率ｎＳｉＯ２、バッファ層３０の膜厚ｄＳｉＯ２、光導波路層２０の屈折率ｎＳｉと膜厚ｄＳｉ、強磁性金属層５０の複素屈折率Ｎ、非対角項εｙｚおよび膜厚ｄＣｏから一意に導出される。
式（３）
ｎｅｆｆ,ｆ＝ｆ１（λ、ｎＳｉＯ２、ｄＳｉＯ２、ｎＳｉ、ｄＳｉ、Ｎ、εｙｚ、ｄＣｏ）
関数ｆ１は、実効屈折率ｎｅｆｆを算出する関数である。
また、式（４）に示す通り、戻り光の実効屈折率ｎｅｆｆ,ｂは、εｙｚの符号を反転することにより求まる。
式（４）
ｎｅｆｆ,ｂ＝ｆ１（λ、ｎＳｉＯ２、ｄＳｉＯ２、ｎＳｉ、ｄＳｉ、Ｎ、−εｙｚ、ｄＣｏ）
【００４７】
次に、プラズモンアイソレータ部７０を伝搬する光の光強度分布の導出方法を示す。進み光と戻り光に対する光強度分布Ｉｆ、Ｉｂは、式（５）、（６）により導出される。
式（５）
Ｉｆ＝ｆ２（λ、ｎＳｉＯ２、ｄＳｉＯ２、ｎＳｉ、ｄＳｉ、Ｎ、εｙｚ、ｄＣｏ、ｙ）
式（６）
Ｉｂ＝ｆ２（λ、ｎＳｉＯ２、ｄＳｉＯ２、ｎＳｉ、ｄＳｉ、Ｎ、−εｙｚ、ｄＣｏ、ｙ）
ここで、関数ｆ２は、進み光と戻り光に対する光強度分布Ｉｆ、Ｉｂを算出する関数である。
【００４８】
以下に、進み光と戻り光の伝搬損失αの導出方法を示す。進み光および戻り光の伝搬損失αｆ、αｂは式（７）、（８）により導出される。式（７）、（８）を用いることにより、進み光および戻り光の実効屈折率ｎｅｆｆ,ｆ、ｎｅｆｆ,ｂが求まれば、進み光と戻り光の伝搬損失αが導出される。
式（７）
2015125186.tif 000007
式（８）
2015125186.tif 000008
【００４９】
以下に、光アイソレーションΔαの導出方法を示す。光アイソレーションΔα［ｄＢ／ｍｍ］は進み光および戻り光の実効屈折率ｎｅｆｆ,ｆ、ｎｅｆｆ,ｂを用いて、式（９）により導出される。
式（９）
2015125186.tif 000009
光アイソレーションΔαは、バッファ層３０（ＳｉＯ２）の膜厚によってはマイナスの値をとる。光アイソレーションΔαがマイナスの値をとった場合、強磁性金属層５０の磁化の向きを反転し、進み光と戻り光の伝搬損失αの大小関係を逆転させ、戻り光の伝搬損失が進み光の伝搬損失を上回るように設定する。
【００５０】
以下に、光アイソレータ１００の性能指数ＦＯＭの導出方法を示す。光アイソレータ１００の性能は、光アイソレーションΔαの大きさだけでなく、進み光の伝搬損失αが小さいことが重要である。そこで、性能指数ＦＯＭは、光アイソレーションΔαの大きさと進み光の伝搬損失αの小ささを評価するために、式（１０）のように定義される。
式（１０）
2015125186.tif 000010
性能指数ＦＯＭは、戻り光の伝搬損失αｂが進み光の伝搬損失αｆより大きいほど高くなり、且つ、進み光および戻り光の伝搬損失の和（αｆ＋αｂ）が小さいほど高くなる。性能指数ＦＯＭは、進み光の伝搬損失αがゼロの時に最大値２をとる。また、性能指数ＦＯＭは、バッファ層３０（ＳｉＯ２）の膜厚ｄＳｉＯ２によってはマイナスの値をとる。性能指数ＦＯＭがマイナスの値をとった場合、強磁性金属層５０の磁化の向きを反転させ、進み光と戻り光の伝搬損失αの大小関係を逆転させ、戻り光の伝搬損失が進み光の伝搬損失を上回るように設定する。
【００５１】
式（１）−（１０）から性能指数ＦＯＭは光の波長λ、下部クラッド層１０およびバッファ層３０の屈折率ｎＳｉＯ２、バッファ層３０の膜厚ｄＳｉＯ２、光導波路層２０の屈折率ｎＳｉ、と膜厚ｄＳｉ、強磁性金属層５０の複素屈折率Ｎと非対角項εｙｚおよび膜厚ｄＣｏから一意に導出でき、式（１１）のように定義される。
式（１１）
ＦＯＭ＝ｆ３（λ、ｎＳｉＯ２、ｄＳｉＯ２、ｎＳｉ、ｄＳｉ、Ｎ、εｙｚ、ｄＣｏ）ここで、ｆ３は、性能指数ＦＯＭを算出する関数である。
【００５２】
図６は、光アイソレータ１００の設計の一例を示すフローチャートである。光アイソレータ１００の構造は、ステップＳ１００〜ステップＳ４００により決定される。
【００５３】
ステップＳ１００において、光源であるレーザー光の波長λを決定する。レーザー光の波長λは、単一波長でも、一定の幅を有する波長であってもよい。レーザー光の波長λが単一波長の場合、光導波路層２０は、レーザーの活性層と一体に形成されてよい。ステップＳ１００で設定されたレーザー光の波長λが一定の幅を有する場合、光アイソレータ１００には、設定された波長幅に対応する波長の光が入射される。
【００５４】
ステップＳ２００では、戻り光がプラズモン導波路４０に結合する減衰入射角度θｂとなるように入射角度θを決定する。強磁性金属層５０の膜厚が決定されると、光導波路層２０の膜厚を無限大に設定することにより、戻り光の強度反射率Ｒがゼロとなるバッファ層３０の膜厚ｄＳｉＯ２および減衰入射角度θｂが決定される。なお、入射角度θは、以下の通り伝搬定数βと一対一の関係にあるので、ステップＳ２００で決定された減衰入射角度θｂに対応する減衰伝搬定数βｂが導出される。
2015125186.tif 000011
ｎｃｏｒｅは、光導波路層２０の屈折率を示す。
【００５５】
ステップＳ３００では、光導波路層２０の膜厚ｄＳｉを決定する。ステップＳ１００、２００において、光導波路層２０を伝搬する光の波長および減衰入射角度θｂ（減衰伝搬定数βｂ）が決定されているので、光導波路層２０の膜厚ｄＳｉは一意に決まる。
【００５６】
ステップＳ４００では、ステップＳ３００で決定された光導波路層２０の膜厚ｄＳｉに対してバッファ層３０の膜厚ｄＳｉＯ２を変数として、光アイソレーションΔαと性能指数ＦＯＭを計算する。性能指数ＦＯＭの計算には、式（９）、（１０）が用いられる。バッファ層３０の膜厚ｄＳｉＯ２は、図３、４に対応する光アイソレーションΔαおよび性能指数ＦＯＭのバッファ層３０の膜厚ｄＳｉＯ２依存性を考慮して決定される。例えば、光アイソレーションΔαが０．２ｄＢ／μｍ以上、かつ、性能指数ＦＯＭの絶対値が０．５から２の間を満たすように、バッファ層３０の膜厚ｄＳｉＯ２が決定される。
【００５７】
なお、式（１）−（１１）で示した通り、光アイソレーションΔαと性能指数ＦＯＭは、波長λ、下部クラッド層１０とバッファ層３０の屈折率ｎＳｉＯ２および膜厚ｄＳｉＯ２、光導波路層２０の屈折率ｎＳｉおよび膜厚ｄＳｉ、強磁性金属層５０層の複素屈折率Ｎと非対角項εｙｚおよび膜厚ｄＣｏから一意に決定できる。光アイソレーションΔαが０．２ｄＢ／μｍ以上、かつ、性能指数ＦＯＭの絶対値が０．５から２の間を満たすように、バッファ層３０の膜厚ｄＳｉＯ２、光導波路層２０の膜厚ｄＳｉ、強磁性金属層５０の膜厚ｄＣｏを任意に決定してよい。これにより、ステップＳ１００〜ステップＳ４００を単純化して、光アイソレータ１００の構造を決定できる。
【００５８】
光アイソレータ１００は、光アイソレーションΔαが大きくても、伝搬損失αが大きい場合は有効ではない。また、光アイソレータ１００は、進み光の伝搬損失αがゼロで性能指数ＦＯＭが最大値の２であっても、光アイソレーションΔαが小さければ、素子長を短くできないので有効でない。つまり、光アイソレータ１００は、光アイソレーションΔαと性能指数ＦＯＭとがいずれも好適に設定される。例えば、光アイソレータ１００は、光アイソレーションΔαが０．２ｄＢ／μｍ以上、かつ、性能指数ＦＯＭの絶対値が０．５から２の間となるように設計される。
【００５９】
本例の光アイソレータ１００は、任意の強磁性金属層５０の膜厚ｄＣｏに対して、各層の膜厚が最適に決定される。一方、強磁性金属層５０の膜厚ｄＣｏを最適化することもできる。即ち、光アイソレータ１００は、強磁性金属層５０の膜厚ｄＣｏを振ることにより、性能指数ＦＯＭを最適化される。例えば、強磁性金属層５０の膜厚を複数設定して、それぞれの強磁性金属層５０の膜厚について、バッファ層３０の膜厚ｄＳｉＯ２を最適化して、性能指数ＦＯＭを算出する。また、性能指数ＦＯＭが最大となるように、強磁性金属層５０の膜厚ｄＣｏおよびバッファ層３０の膜厚ｄＳｉＯ２の組み合わせが決定されてもよい。
【００６０】
図７Ａは、強度反射率Ｒの入射角度θに対する依存性を示す。横軸は入射角度θ［ｄｅｇ］を示して、縦軸は強度反射率Ｒを示す。入射角度θと強度反射率Ｒの関係は、光導波路層２０の膜厚が無限長である場合のシミュレーション結果である。なお、本例のシミュレーションでは、強磁性金属層５０上の空気の膜厚を無限長、強磁性金属層５０を磁化された１００ｎｍのコバルトとして、バッファ層３０の膜厚ｄＳｉＯ２は、１００ｎｍから１０００ｎｍまで１００ｎｍ間隔で変更される。
【００６１】
バッファ層３０の膜厚ｄＳｉＯ２が７５２ｎｍの場合、入射角度θが２６．１度になると、強度反射率ＲがゼロになるＡＴＲカップリングが生じる。ＡＴＲカップリングが生じると、強磁性金属層５０およびバッファ層３０の界面にプラズモンが励起する。例えば、バッファ層３０の膜厚ｄＳｉＯ２が１００ｎｍである場合、入射角度θが０度〜８０度付近において、強度反射率Ｒは、０．５前後となる。また、入射角度θが８０度以上になると強度反射率Ｒは増加する。つまり、バッファ層３０の膜厚ｄＳｉＯ２が１００ｎｍである場合強度反射率Ｒは０とならずＡＴＲカップリングが生じない。
【００６２】
一方、バッファ層３０の膜厚ｄＳｉＯ２が７５２ｎｍである場合、入射角度θが２６．１度で、強度反射率Ｒが０となるＡＴＲカップリングが生じる。ＡＴＲカップリングが生じると、光導波路層２０を伝搬する光の全てがプラズモン導波路４０に結合されて、強度反射率Ｒが０となる。このように、バッファ層３０の膜厚ｄＳｉＯ２に応じて、ＡＴＲカップリングが生じる場合と生じない場合とがある。
【００６３】
図７Ｂは、進み光と戻り光の強度反射率Ｒの入射角度θ依存性を示す。図７Ｂは、図７Ａにおいて破線で示された領域の拡大図である。図７Ａに示した通り、強度反射率Ｒが０となるバッファ層３０の膜厚は、ｄＳｉＯ２＝７５２ｎｍである。強度反射率Ｒの入射角度θ依存性は、進み光と戻り光とで異なる。本例では、進み光の減衰入射角度θｆが約２６．０７５度であるのに対して、戻り光の減衰入射角度θｂは、約２６．１度となる。なお、本例のように、進み光と戻り光の強度反射率Ｒの差がわずかである場合であっても、光導波路層２０内を伝搬する距離を調整することにより、光アイソレーションΔαの大きさを調整できる。
【００６４】
図８は、減衰入射角度θのバッファ層３０の膜厚ｄＳｉＯ２依存性を示す。横軸はバッファ層３０の膜厚［μｍ］を、縦軸は入射角度θ［度］を示す。本例では、シリコンＳｉで形成された光導波路層２０の膜厚が５７ｎｍであり、コバルトＣｏで形成された強磁性金属層５０の膜厚が１００ｎｍである。なお、プラズモンアイソレータ部７０の導波路長は、光アイソレータ１００が要求される消光比に応じて設計される。例えば消光比を大きく設計したい場合、プラズモンアイソレータ部７０の導波路長を長くする。光導波路層２０の膜厚ｄＳｉは、バッファ層３０の膜厚ｄＳｉＯ２を決定するために任意に設定された値であり、図６のステップＳ１００〜ステップＳ４００により決定される。
【００６５】
領域ＶＩ、ＶＩＩ、ＶＩＩＩは、プラズモン導波路４０と結合する入射角度θが進み光と戻り光とで異なる領域の一例である。強度反射率Ｒの入射角度θ依存性が進み光と戻り光とで異なるか否かは、バッファ層３０の膜厚ｄＳｉＯ２の大きさに応じて決まる。領域ＶＩ、ＶＩＩ、ＶＩＩＩに対応する入射角度θは、進み光に関して減衰入射角度θｆである場合には、戻り光に対して減衰入射角度θｂではなく、戻り光に対して減衰入射角度θｂである場合には、進み光に対して減衰入射角度θｆではない。なお、領域ＶＩ、ＶＩＩ、ＶＩＩＩは、説明の便宜において指定された領域であり、バッファ層３０の膜厚ｄＳｉＯ２の設定される領域がこれに限定されるものではない。例えば、バッファ層３０の膜厚ｄＳｉＯ２は、進み光および戻り光の減衰入射角度θの差が極大となる値に設定される。この場合、バッファ層３０の膜厚ｄＳｉＯ２は、領域ＶＩ、ＶＩＩ、ＶＩＩＩに限られず、１．５μｍから２μｍの間に設定されてよい。
【００６６】
本実施形態に係るバッファ層３０の膜厚ｄＳｉＯ２は、進み光と戻り光の減衰入射角度θの差が極大となる値に設定されるので、進み光では、光導波路層２０における伝搬光強度がプラズモン導波路４０における伝搬光強度より大きく、かつ、戻り光では光導波路層２０における伝搬光強度がプラズモン導波路４０における伝搬光強度より小さく、プラズモン導波路４０から受ける伝搬光の減衰の度合いが、進み光の方が戻り光より小さい光アイソレータ１００を実現できる。
【００６７】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【符号の説明】
【００６８】
１０  下部クラッド層、２０  光導波路層、３０  バッファ層、４０  プラズモン導波路、５０  強磁性金属層、６０  入力導波路部、７０  プラズモンアイソレータ部、８０  出力導波路部、１００  光アイソレータ
【図２Ａ】
2015125186.tif 000012
【図２Ｂ】
2015125186.tif 000013
【図３】
2015125186.tif 000014
【図４】
2015125186.tif 000015
【図５】
2015125186.tif 000016
【図６】
2015125186.tif 000017
【図１】
2015125186.tif 000018
【図７Ａ】
2015125186.tif 000019
【図７Ｂ】
2015125186.tif 000020
【図８】
2015125186.tif 000021
【手続補正書】
【提出日】平成26年12月19日(2014.12.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部クラッド層と、
前記下部クラッド層上に配置された光導波路層と、
前記光導波路層上に配置されたバッファ層と、
前記バッファ層上の一部に配置され、前記バッファ層との界面においてプラズモン導波路を形成する強磁性金属層と
を備え、
前記バッファ層は、進み光の伝搬損失および戻り光の伝搬損失により定まる性能指数が極大値となる膜厚を有する光アイソレータ。
【請求項２】
前記性能指数は、前記戻り光の伝搬損失が前記進み光の伝搬損失より大きいほど高くなり、且つ、前記進み光および前記戻り光の伝搬損失の和が小さいほど高くなる
請求項１に記載の光アイソレータ。
【請求項３】
前記光導波路層は、前記進み光において、前記プラズモン導波路に結合されずに前記光導波路層を伝搬する光の強度に対する、前記プラズモン導波路に結合される光の強度の比が１より小さく、前記戻り光において、前記プラズモン導波路に結合されずに前記光導波路層を伝搬する光の強度に対する、前記プラズモン導波路に結合される光の強度の比が１より大きくなる膜厚を有する請求項１または２に記載の光アイソレータ。
【請求項４】
前記光導波路層の材料はシリコンである請求項１から３のいずれか一項に記載の光アイソレータ。
【請求項５】
前記バッファ層の材料は、酸化シリコンである請求項１から４のいずれか一項に記載の光アイソレータ。
【請求項６】
前記光導波路層は、前記進み光を出力するレーザーの活性層と一体に形成される請求項１から５のいずれか一項に記載の光アイソレータ。
【請求項７】
前記強磁性金属層の材料は、コバルト、鉄およびニッケルのいずれか、または、コバルト、鉄およびニッケルから選択される２種類以上の材料の合金を含む請求項１から６のいずれか一項に記載の光アイソレータ。
【請求項８】
前記下部クラッド層は、半導体基板である請求項１から７のいずれか一項に記載の光アイソレータ。
【請求項９】
前記バッファ層の厚みが、０．１μｍから５０μｍである
請求項１から８のいずれか一項に記載の光アイソレータ。
【請求項１０】
前記光導波路層の厚みが、０．０１μｍから２０μｍである
請求項１から９のいずれか一項に記載の光アイソレータ。
【請求項１１】
前記強磁性金属層の厚みが、０．００１μｍから０．２μｍである
請求項１から１０のいずれか一項に記載の光アイソレータ。
【請求項１２】
前記バッファ層は、前記戻り光がＡＴＲカップリングを生じるような厚みを有する請求項１から１１のいずれか一項に記載の光アイソレータ。
【請求項１３】
前記光導波路層を伝搬する前記戻り光の全てが、プラズモン導波路に結合される請求項１から１２のいずれか一項に記載の光アイソレータ。
【請求項１４】
前記光導波路層から、前記バッファ層に入射する光の強度反射率が０となる請求項１から１３のいずれか一項に記載の光アイソレータ。
【請求項１５】
前記光導波路層は、シリコンで形成され、
前記強磁性金属層は、コバルトで形成され、
前記バッファ層は、酸化シリコンで形成され、１．５μｍから２μｍの膜厚を有する請求項１から１４のいずれか一項に記載の光アイソレータ。
【請求項１６】
前記光導波路層は、５７ｎｍの膜厚を有し、
前記強磁性金属層は、１００ｎｍの膜厚を有する請求項１５に記載の光アイソレータ。