(57)【要約】【課題】磁気光学効果が高く、かつ他の半導体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非相反素子、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回路を提供する。【解決手段】シリコン結晶からなるコア層と、絶縁体である二酸化珪素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、前記二酸化珪素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たＳＯＩ基板と、磁性ガーネットからなる第二のクラッド層とが、前記コア層表面においてウェハボンディングによって貼り合わされることにより得られる磁性ガーネット／シリコン／二酸化珪素構造の磁気光学導波路を用いて構成することにより達成される。【選択図】図２
2004240003.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン結晶からなるコア層と、絶縁体である二酸化珪素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、前記二酸化珪素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たＳＯＩ基板と、磁性ガーネットからなる第二のクラッド層とが、前記コア層表面においてウェハボンディングによって貼り合わされることにより得られる磁性ガーネット／シリコン／二酸化珪素構造の磁気光学導波路。
【請求項２】
請求項１に記載の磁気光学導波路により構成される光非相反素子。
【請求項３】
前記光非相反素子が、光アイソレータ又は光サーキュレータである請求項２に記載の光非相反素子。
【請求項４】
請求項１に記載の磁気光学導波路のコア層上に、請求項２又は３に記載の光非相反素子と他の半導体光素子とを集積化することにより得られる光集積回路。
【請求項５】
シリコン結晶からなるコア層と、空気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、前記空気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たＳＯＮ基板と、磁性ガーネットからなる第二のクラッド層とが、前記コア層表面においてウェハボンディングによって貼り合わされることにより得られる磁性ガーネット／シリコン／空気構造の磁気光学導波路。
【請求項６】
請求項５に記載の磁気光学導波路により構成される光非相反素子。
【請求項７】
前記光非相反素子が、光アイソレータ又は光サーキュレータである請求項６に記載の光非相反素子。
【請求項８】
請求項５に記載の磁気光学導波路のコア層上に、請求項６又は７に記載の光非相反素子と他の半導体光素子とを集積化することにより得られる光集積回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光エレクトロニクスの分野における、シリコン導波層を有する磁気光学導波路及びそれを利用した光非相反素子、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回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明は、シリコン導波層を有する磁気光学導波路及びそれを利用した光非相反素子に関するものであるが、まず、光非相反素子の中で代表的なものである、光アイソレータについて説明しておく。
【０００３】
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。光アイソレータを半導体レーザの出射端に配置しないと、半導体レーザに反射戻り光が入射し、半導体レーザの発振特性を劣化させる。すなわち、光アイソレータは、半導体レーザに入射しようとする光を遮り、半導体レーザの特性を劣化させることなく、安定な発振を保つ機能を有する。
【０００４】
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、いずれも意図せず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。
【０００５】
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、光の伝搬方向に直行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。これらはバルク形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形素子と一体集積化することが不可能である。
【０００６】
他の素子との集積化を目的として、研究段階ではあるが、いくつかの導波作用のある光アイソレータ、すなわち導波路形光アイソレータが公表されている。これらの導波路形光アイソレータは、ガドリニウムガリウムガーネット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。光集積回路は、主にＳｉ、ＩｎＰ等の半導体基板上に製作されるため、光アイソレータを光集積回路に組み込むためには、新たな集積化技術が必要となる。
【０００７】
本発明者は、磁性ガーネット／ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰという構造の磁気光学導波路により光非相反素子を製作し、半導体レーザとの集積化を目指した。しかし、磁性ガーネットの屈折率がＩｎＰより小さいため、この構造の磁気光学導波路で得られる磁気光学効果は極めて小さく、素子構造は大きくならざるを得ない。また、ＩｎＰ基板は高価なため、集積化が実現できても、コスト低下は難しいという問題もある。なお、他の光非相反素子として、光サーキュレータがあるが詳しい説明は省略する。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。
【０００８】
そこで、低価格なシリコン基板上への集積化が考えられるが、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形のものが提案されただけである。図１０に、そのハイブリッド形光アイソレータを示す。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１参照）。
【０００９】
【非特許文献１】
Ｎ．Ｓｕｇｉｍｏｔｏ，  Ｈ．Ｔｅｒｕｉ，  Ａ．Ｔａｔｅ，  Ｙ．Ｋａｔｏｈ，  Ｙ．Ｙａｍａｄａ，  Ａ．Ｓｕｇｉｔａ，  Ａ．Ｓｈｉｂｕｋａｗａ  ａｎｄ  Ｙ．Ｉｎｏｕｅ  ：”Ａ  Ｈｙｂｒｉｄ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  Ｉｓｏｌａｔｏｒ  ｏｎ  ａ  Ｓｉｌｉｃａ−Ｂａｓｅｄ  Ｐｌａｎａｒ  Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｃｉｒｃｕｉｔ”  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，  Ｖｏｌ．１４，  Ｎｏ．１１，  Ｎｏｖｅｍｂｅｒ  １９９６  ｐｐ．  ２５３７−２５４６
【００１０】
【解決しようとする課題】
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、かつ他の半導体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非相反素子、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回路を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、シリコン導波層を有する磁気光学導波路及びそれを利用した光非相反素子、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回路に関し、本発明の上記目的は、シリコン結晶からなるコア層と、絶縁体である二酸化珪素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、前記二酸化珪素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たＳＯＩと、磁性ガーネットからなる第二のクラッド層とが、前記コア層表面においてウェハボンディングによって貼り合わされることにより得られる磁性ガーネット／シリコン／二酸化珪素構造の磁気光学導波路により達成される。
【００１２】
また、本発明の上記目的は、前記磁気光学導波路を用いて光非相反素子を構成することにより、或いは、前記の磁気光学導波路のコア層上に、前記光非相反素子と他の半導体光素子とを集積化することにより得られる光集積回路によって効果的に達成される。
【００１３】
さらに、本発明の上記目的は、シリコン結晶からなるコア層と、空気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、前記空気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たＳＯＮと、磁性ガーネットからなる第二のクラッド層とが、前記コア層表面においてウェハボンディングによって貼り合わされることにより得られる磁性ガーネット／シリコン／空気構造の磁気光学導波路により達成される。
【００１４】
さらにまた、本発明の上記目的は、前記磁気光学導波路を用いて光非相反素子を構成することにより、或いは、前記の磁気光学導波路のコア層上に、前記光非相反素子と他の半導体光素子とを集積化することにより得られる光集積回路によって効果的に達成される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１６】
（１）構成
磁性ガーネット／シリコン（Ｓｉ）／二酸化珪素（ＳｉＯ２）構造の磁気光学導波路により構成される光非相反素子の一例として、非相反移相効果を利用した光アイソレータを図１に示す。二つの三分岐光結合器によりマッハツェンダ干渉計が構成されている。ここで、三分岐光結合器は、いわゆるＹブランチと呼ばれる光分岐結合器としても良い。干渉計には、９０°の相反移相器と９０°の非相反移相器が組み込まれている。相反移相器は、干渉計における二本のアームの光路差により実現される。非相反移相器は磁気光学導波路により構成されている。磁化を膜面内且つ光波の伝搬方向に垂直に配向するために、図１に示す外部磁界が印加されている。非相反移相器における導波路の断面形状を、図２に示す。波長１．３ミクロンあるいは１．５５ミクロン近傍の近赤外領域において磁気光学導波路を構成するためには、組成式Ｒ３Ｆｅ５Ｏ１２（Ｒは希土類元素を表す）で表される希土類鉄ガーネット（以後、磁性ガーネットという）を用いる必要があり、図２において上クラッド層に磁性ガーネットを用いている。この導波路構造は、通常のエピタキシャル成長技術では実現できないが、Ｓｉと磁性ガーネットをウェハボンディング技術（米国特許第４８８３２１５号明細書に開示されている公知の技術）で貼り合わせることにより実現可能である。具体的には、Ｓｉ／ＳｉＯ２／Ｓｉ構造を有するＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）基板（図２（Ａ））において導波路構造を形成した後に、磁性ガーネットと貼り合わせることで、実現される。
【００１７】
また、前記ＳｉＯ２を空気層（ａｉｒ）で置き換えたＳＯＮ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｎｏｔｈｉｎｇ）基板を用いた場合、導波路構造は、磁性ガーネット／Ｓｉ／ａｉｒ（図２（Ｂ））となる。
【００１８】
磁性ガーネット／Ｓｉ／ＳｉＯ２構造及び磁性ガーネット／Ｓｉ／ａｉｒ構造いずれの導波路においても、Ｓｉ導波層を伝搬する光波がＳｉ基板（保持材）側に放射されないようにするために、下クラッド層（ＳｉＯ２あるいはａｉｒ層）の厚さは十分に確保されている。つまり、図２においては磁性ガーネット／Ｓｉ／ＳｉＯ２／Ｓｉと四層構造で描かれているが、導波路を伝搬する光波にとって、磁気光学導波路は磁性ガーネット／Ｓｉ／ＳｉＯ２の三層構造と感じられている（最下層は単なる保持材に過ぎない）。そのため、素子設計の際には、磁性ガーネット／Ｓｉ／ＳｉＯ２の三層構造で導波路が構成されていると考えて良い。なお、本実施例では、保持材にシリコン基板（Ｓｉ）を使用しているが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００１９】
ここで、非相反移相効果について、簡単に記述する。図３に示す三層スラブ導波路に対して、光の伝搬方向（ｚ軸）に垂直、且つ膜面内（ｘ軸）に外部磁界が印加されている場合、それぞれの層の誘電率は、以下のテンソルで表される。
【００２０】
【数１】
2004240003.tif 000003
αは、それぞれの層の材料のファラデー回転係数に対応して得られる。磁気光学材料でない場合、α＝０である。簡単のため、第２層のみ磁気光学材料として、ＴＭモードにおけるＭａｘｗｅ１１の方程式を解くと、以下の特性方程式が得られる。
【００２１】
【数２】
2004240003.tif 000004
ただし、ｋ０を真空中の波数として以下の関係がある。
【００２２】
【数３】
2004240003.tif 000005
【数４】
2004240003.tif 000006
【数５】
2004240003.tif 000007
式（２）には伝搬定数βの一次の項が存在するため、順方向と逆方向で異なる方程式となる。従って、順方向と逆方向で異なる伝搬定数を有することになる。図１に示す光アイソレータの場合、干渉計において反平行（ａｎｔｉ−ｐａｒａｌｌｅｌ）に磁界が印加されているため、それぞれの光路において異なった伝搬定数が与えられる。そのため、干渉計を伝搬するＴＭモードには非相反な移相差が生じる。反平行に磁界を印加するのは、プッシュプルな動作を得るためである。
【００２３】
磁性ガーネット／Ｓｉ／ａｉｒ構造の磁気光学導波路により構成される光非相反素子の場合、導波路の断面形状は図２（Ｂ）のようになり、下クラッド層であるＳｉＯ２をａｉｒに置き換えた構造になっている。
【００２４】
（２）光アイソレータの動作原理
非相反移相効果を利用した光アイソレータの構造を模式的に示した図４を用いて、素子の動作原理を説明する。光アイソレータの入力端に相当するポート１に入射されて順方向に伝搬するＴＭモードは、前段の三分岐光結合器（図４における分岐・結合器１）により、同振幅、同位相の二波に分波される。二波は干渉計（図４における導波路１、導波路２）を伝搬する際に、９０°の相反な移相差と−９０°の非相反な移相差を受け、後段の三分岐光結合器（図４における分岐・結合器２）に入射するときには、同振幅、同位相となっている。この場合、分岐・結合器２で、二波は分岐・結合器２のポート２、すなわち光アイソレータの出力端に結合する。
【００２５】
次に、光アイソレータの出力端から入射される反射ＴＭモードについて考える。伝搬方向が反転するため、非相反移相効果は、その符号が反転する。反射ＴＭモードは、分岐・結合器２で同振幅、同位相の二波に分波される。二波は導波路１、導波路２を伝搬する際に、９０°の相反な移相差と＋９０°の非相反な移相差を受け、分岐・結合器１に入射するときには、同振幅で１８０°逆位相となっている。この場合、分岐・結合器１で、二波は分岐・結合器１のポートＡ、ポートＢに結合され、ポート１、すなわち光アイソレータの入力端には結合しない。よって、この素子はポート１を入力端、ポート２を出力端とする光アイソレータとして機能する。
【００２６】
（３）磁性ガーネット／Ｓｉ／ＳｉＯ２構造及び磁性ガーネット／Ｓｉ／ａｉｒ構造の磁気光学導波路により光アイソレータを構成する効果
ウェハボンディングにより得られる磁性ガーネット／Ｓｉ／ＳｉＯ２構造（又は磁性ガーネット／Ｓｉ／ａｉｒ構造）の磁気光学導波路では、上クラッド層である磁性ガーネットの屈折率に対して、下クラッド層であるＳｉＯ２（又はａｉｒ）の屈折率が小さいため、より大きな電磁界が磁性ガーネットクラッド層にしみ出す。そのため、大きな磁気光学効果が期待できる。非相反移相効果を利用した光アイソレータの場合、９０°の非相反移相効果を得るための非相反移相器の伝搬長を小さくでき、素子の小形化が実現できる。また、光アイソレータを製作する基板自身が低コストな材料であるため、低コスト化も達成される。
【００２７】
大きな磁気光学効果が得られることは、他の動作原理の光アイソレータにとっても、極めて有効である。もちろん、低コスト化も達成される。
【００２８】
（４）磁性ガーネット／Ｓｉ／ＳｉＯ２構造及び磁性ガーネット／Ｓｉ／ａｉｒ構造の磁気光学導波路を有する他の光非相反素子
ここでは、簡単に他の光アイソレータ及び光サーキュレータについて述べる。図５に、非相反な「導波モード−放射モード変換」を利用した光アイソレータを示す。磁性ガーネット／Ｓｉ／ＳｉＯ２構造あるいは磁性ガーネット／Ｓｉ／ａｉｒ構造のリブ導波路により構成される。膜面内には外部磁界が印加されており、導波路を伝搬するＴＭモードには非相反移相効果が生じる。従って、ＴＭモードは、順方向と逆方で異なる伝搬定数β１１ｆｙ、β１１ｂｙを有する。導波路パラメータを調節することにより、伝搬定数の間に以下の関係式を満足させることができる。
【００２９】
【数６】
2004240003.tif 000008
βｃｘは、ＴＥモードのカットオフに対応する。この場合、逆方向伝搬ＴＭモードのみＴＥ放射モードに変換されるため、この素子はＴＭモード動作光アイソレータとして機能する。
【００３０】
図６に、ＴＥ−ＴＭモード変換形光アイソレータを示す。磁性ガーネット／Ｓｉ／ＳｉＯ２構造あるいは磁性ガーネット／Ｓｉ／ａｉｒ構造のストリップ装荷形の磁気光学導波路により構成される。導波路パラメータを調節することにより、ＴＥ，ＴＭモード間の位相整合を達成することにより、非相反なモード変換が達成される。この非相反なモード変換器と相反なモード変換器を集積化させることにより、ＴＥ−ＴＭモード変換形光アイソレータが実現される。
【００３１】
図７に、非相反移相効果を利用した光サーキュレータを示す。二つの３ｄＢ方向性結合器によりマッハツェンダ干渉計が構成されている。干渉計には、９０°の相反移相器と９０°の非相反移相器が組み込まれている。相反移相器は、干渉計における二本のアームの光路差により実現される。非相反移相器は、磁性ガーネット／Ｓｉ／ＳｉＯ２構造あるいは磁性ガーネット／Ｓｉ／ａｉｒ構造のリブ導波路により構成される。動作原理は、非相反移相効果を利用した光アイソレータと同様に、順方向では相反移相・非相反移相が打ち消し合い、逆方向ではそれらが足し合わされることにより、サーキュレータ動作が達成される。
【００３２】
以上のように、磁性ガーネット／Ｓｉ／ＳｉＯ２構造及び磁性ガーネット／Ｓｉ／ａｉｒ構造の磁気光学導波路により、様々な光非相反素子が実現できる。
【００３３】
（５）磁性ガーネット／Ｓｉ／ＳｉＯ２構造及び磁性ガーネット／Ｓｉ／ａｉｒ構造の磁気光学導波路により構成される光非相反素子と他の半導体光素子を集積化した高機能光集積回路
図８に、磁性ガーネット／Ｓｉ／ＳｉＯ２構造の磁気光学導波路により構成される光非相反素子と半導体レーザの集積化プロセスを示す。まず、通常のリソグラフィ技術により、ＳＯＩ基板上に光アイソレータの導波路を描画する（図８（Ａ））。ウェハボンディングにより、磁性ガーネット／Ｓｉ／ＳｉＯ２構造の磁気光学導波路を形成した後に（図８（Ｂ））、フリップチップボンディング等の既存の技術により、半導体レーザを集積化する（図８（Ｃ））。この集積化プロセスでは、Ｓｉと磁性ガーネットのウェハボンディングにより磁気光学導波路を構成した後に半導体レーザを集積化するので、ウェハボンディングにおける熱処理の影響を半導体レーザは回避できる。他の半導体光素子も、同様の方法により集積化できる。Ｓｉ／ＳｉＯ２導波路により構成できる素子であれば、ウェハボンディング前に、あらかじめ形成しておくことも可能である。
【００３４】
磁性ガーネット／Ｓｉ／ＳｉＯ２構造及び磁性ガーネット／Ｓｉ／ａｉｒ構造の磁気光学導波路により、非相反移相効果を利用した光アイソレータ、非相反な導波モード−放射モード変換を利用した光アイソレータ、ＴＥ−ＴＭモード変換形光アイソレータなど、様々な光アイソレータが構成できる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明に係る光非相反素子は、磁気光学導波路として、ウェハボンディング技術により構成される磁性ガーネット／Ｓｉ／ＳｉＯ２構造及び磁性ガーネット／Ｓｉ／ａｉｒ構造の磁気光学導波路が用いられ、Ｓｉ基板上に光非相反素子を構成することにより、他の光素子との集積化が容易となり、光集積回路の高性能化、低価格化が図られる。
【００３６】
すでに述べたように、磁性ガーネットの屈折率はＳｉＯ２より大きいので、大きな磁気光学効果が得られ、素子の小形化が期待できる。Ｓｉ基板自身も低コストであり、低コスト化も達成される。半導体レーザは、通常のボンディング技術等で、集積化できる。
【００３７】
図９に、磁性ガーネット／Ｓｉ／ＳｉＯ２構造及び磁性ガーネット／ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ構造の磁気光学導波路における導波層の厚さに対する非相反移相効果の大きさを示したが、非相反移相効果の最大値で比較すると、磁性ガーネット／Ｓｉ／ＳｉＯ２構造の導波路における非相反移相効果の方が２５倍以上大きな効果が得られることが分かる。
【００３８】
さらには、本発明に係る光非相反素子の導波層には、他の素子の導波層と共有可能なＳｉ導波層が用いられているため、各部における挿入損失は発生せず、導波層を共有しているため、他の素子との位置合わせの問題も回避できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る、非相反移相効果を利用した光アイソレータの実施例である。
【図２】図１の非相反移相器における導波路の断面形状を示す図である。
【図３】三層スラブ導波路における非相反移相効果について説明するための図である。
【図４】非相反移相効果を利用した光アイソレータの構造を模式的に示した図である。
【図５】非相反な導波モード−放射モード変換を利用した光アイソレータを示す図である。
【図６】ＴＥ−ＴＭモード変換形光アイソレータの実施例を示す図である。
【図７】非相反移相効果を利用した光サーキュレータの実施例を示す図である。
【図８】磁性ガーネット／Ｓｉ／ＳｉＯ２構造の磁気光学導波路により構成される光非相反素子と半導体レーザの集積化プロセスを示す図である。
【図９】磁性ガーネット／Ｓｉ／ＳｉＯ２構造及び磁性ガーネット／ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ構造の磁気光学導波路における、導波層の厚さに対する非相反移相効果の大きさを比較した図である。
【図１０】従来のハイブリッド形光アイソレータの例を示す図である。
【図１】
2004240003.tif 000009
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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