(57)【要約】【課題】  従来の磁気光学導波路においては、十分に大きな磁気光学ＴＭ−ＴＥ転換効率を有するものが存在しなかった。このため、戻り光を十分に遮断することのできる光アイソレータを得ることができなかった。【解決手段】  磁気光学導波路内の磁気光学ＴＭ−ＴＥ転換効率を増大させるため、コア層とクラッド層間及びコア層上部に、厚み方向に非常に滑らかな屈折率変化を与えた傾斜屈折率層を設けた。  ＧａＡｓ又はＩｎＰ基板上に製作することのできる導波路型光アイソレータである。ほぼ完全なＴＭ−ＴＥモード転換効率を有するＧａＡｓ基板上にＣｄ1-xＭｎxＴｅ磁気光学導波路を製造する工程である。【選択図】  図４
2005315993.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導波路型偏光回転子の製造方法であって、少なくとも
基板を用意するステップ、
導波路クラッド層を製造するステップ、
該クラッド層の屈折率よりも若干大となる屈折率の材料により構成される導波路コア層を製造するステップ、
該コア層及び該クラッド層の間に配置され、組成が変化すると、それにともなって屈折率も変化するものであり、該組成は、該クラッド層近くにおいては該クラッド層の組成と同一であり、該コア層近くにおいてはコア層の組成と同一である第１の傾斜屈折率層の製造ステップ、
該導波路コア層及び該導波路クラッド層の上部に配置され、組成が変化すると、それにともなって屈折率も変化するものであり、該コア層近くにおいてはコア層の組成と同一であり、該コア層より離れるに従い、該組成が変化して屈折率が減少する第２の傾斜屈折率層の製造ステップ及び
該傾斜屈折率層の組成を若干変化させるに十分である温度及び時間を有する上記各層成長後の焼鈍ステップを含むことを特徴とする導波路型偏光回転子の製造方法。
【請求項２】
導波路型偏光回転子の製造方法であって、少なくとも
基板を用意するステップ、
導波路クラッド層を製造するステップ、
導波路コア層を製造するステップであり、該コア層の材料組成を該コア層の厚みとともに徐々に変化させることにより、該コア層の屈折率は、クラッド層近くにおいて該クラッド層の屈折率に等しく、該コア層の中間部まで厚みとともに徐々に増大し、該コア層の中間部を越えると徐々に減少するようにした導波路コア層の製造ステップ及び
該コア層の組成を若干変化させるに十分である温度及び時間を有する上記各層成長後の焼鈍ステップを含むことを特徴とする導波路型偏光回転子の製造方法。
【請求項３】
上記基板は、バッファ層付きであることを特徴とする請求項１又は２に記載の導波路型偏光回転子の製造方法。
【請求項４】
少なくとも上記導波路コア層が磁気光学材料により構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の導波路型偏光回転子の製造方法。
【請求項５】
上記基板の材料は、ＧａＡｓ又はＩｎＰであることを特徴とする請求項１又は２に記載の導波路型偏光回転子の製造方法。
【請求項６】
上記コア層、上記クラッド層及び上記屈折率傾斜層は、第ＩＩ族材料及び第ＶＩ族材料の化合物から成ることを特徴とする請求項１又は２に記載の導波路型偏光回転子の製造方法。
【請求項７】
少なくとも上記コア層は、Ｍｎを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の導波路型偏光回転子の製造方法。
【請求項８】
上記焼鈍は、３５０℃乃至４５０℃で５分乃至６０分の間行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の導波路型偏光回転子の製造方法。
【請求項９】
上記焼鈍は、真空中においてＺｎ、Ｃｄ、Ｔｅ若しくはＳｅのフラックスに曝すか又は不活性ガスであるＨｅ又はＮ２環境中において行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の導波路型偏光回転子の製造方法。
【請求項１０】
上記第ＩＩ族材料は、Ｃｄ、Ｚｎ、Ｈｇ、Ｂｅ又はＭｇであることを特徴とする請求項５に記載の導波路型偏光回転子の製造方法。
【請求項１１】
上記第ＶＩ族材料は、Ｓ、Ｓｅ又はＴｅであることを特徴とする請求項５に記載の導波路型偏光回転子の製造方法。
【請求項１２】
上記コア層、上記クラッド層及び上記傾斜屈折率層は、Ｃｄ1-xＭｎxＴｅにより形成され、
製造工程は、基板成長に続く高真空下における熱的清掃又は高真空下での水素原子による清掃による無酸素の原子的に平坦な基板表面の製造ステップ、
基板表面をＺｎ又はＣｄのフラックスに曝すステップ、
第ＩＩ族材料及び第ＶＩ族材料から成るフラックスを供給し、バッファ層を成長させるステップ、
Ｃｄ、Ｔｅ及びＭｎのフラックスを供給し、導波路クラッド層、導波路コア層及び導波路傾斜屈折率層を成長させるステップ、及び
真空中においてＴｅのフラックスに曝し、３５０℃乃至４３０℃において、５分乃至６０分間に亙って成長後焼鈍を行うか又は不活性ガス環境中において３００℃乃至４５０℃、５分乃至６０分間に亙って成長後焼鈍を行うステップを含み、
該クラッド層、コア層及び傾斜屈折率層の成長間中は、Ｔｅ及びＣｄのフラックスを一定に保ち、Ｍｎのフラックスは、Ｍｎ蒸発器温度の低下により、第１の傾斜層の成長期間中に徐々に低減し、該蒸発器温度の上昇により、第２の傾斜屈折率層の成長時間期間中に徐々に増大することを特徴とする請求項１記載の導波路型偏光回転子の製造方法。
【請求項１３】
導波路型偏光回転子であって、
基板、
導波路クラッド層、
該クラッド層の屈折率よりも若干大となる屈折率の材料により構成される導波路コア層、
該コア層及び該クラッド層の間に配置され、組成が変化すると、それにともなって屈折率も変化するものであり、該組成は、該クラッド層近くにおいては該クラッド層の組成と同一であり、該コア層近くにおいてはコア層の組成と同一である第１の傾斜屈折率層及び
該導波路コア層及び該導波路クラッド層の上部に配置され、組成が変化すると、それにともなって屈折率も変化するものであり、該コア層近くにおいてはコア層の組成と同一であり、該コア層より離れるに従い、該組成が変化して屈折率が減少する第２の傾斜屈折率層
を有することを特徴とする導波路型偏光回転子。
【請求項１４】
導波路型偏光回転子であって、少なくとも
基板、
導波路クラッド層及び
導波路のコアを形成する層あり、該層の材料組成が該層の厚みとともに徐々に変化させることにより、該層の屈折率は、クラッド層近くにおいて該クラッド層の屈折率に等しく、該層の中間部まで厚みとともに徐々に増大し、該層の中間部を越えると徐々に減少するようにした導波路コア層
を有することを特徴とする導波路型偏光回転子。
【請求項１５】
上記基板は、バッファ層付きであることを特徴とする請求項１３又は１４に記載の導波路型偏光回転子。
【請求項１６】
少なくとも上記導波路コア層が磁気光学材料により構成されることを特徴とする請求項１３又は１４に記載の導波路型偏光回転子。
【請求項１７】
上記基板材料は、ＧａＡｓ又はＩｎＰであることを特徴とする請求項１３又は１４に記載の導波路型偏光回転子。
【請求項１８】
上記コア層、上記クラッド層及び上記屈折率傾斜層は、第ＩＩ族材料及び第ＶＩ族材料の化合物から成ることを特徴とする請求項１３に記載の導波路型偏光回転子。
【請求項１９】
少なくとも上記コア層は、Ｍｎを含むことを特徴とする請求項１３又は１４に記載の導波路型偏光回転子。
【請求項２０】
請求項１３乃至１９のいずれか１項に記載の導波路型偏光回転子、入力偏光子及び出力偏光子から成る導波路型光アイソレータ。
【請求項２１】
請求項１３乃至１９のいずれか１項に記載の導波路型偏光回転子、入力偏光ファイバ及び出力偏光ファイバから成る導波路型光アイソレータ。
【請求項２２】
請求項１３乃至１９のいずれか１項に記載の導波路型偏光回転子、偏光子付き入力ファイバ及び偏光子付き出力ファイバから成る導波路型光アイソレータ。
【請求項２３】
入力偏光子、入力偏光ファイバ及び偏光子付き入力ファイバに対する出力偏光子、出力偏光ファイバ及び偏光子付き出力ファイバの軸は互いに４５度回転した状態に整列されていることを特徴とする請求項２０乃至２２のいずれかに記載の導波路型光アイソレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、半導体レーザを用いる光システムにおいて、反射光又は戻り光が発光体内への再入射を阻止する光アイソレータに関するものである。このシステムの応用には、光ファイバ通信及び光ディスクに対する読み書き等が含まれる。
【背景技術】
【０００２】
光アイソレータは、高速光回路網システムにとって不可欠の部品である。光アイソレータは、非線形回路内での好ましくない振動を防止し、戻り光のレーザキャビティ内への再進入を阻止することにより、レーザ発振を安定化させるものである。アイソレータとサーキュレータは、磁気光学材料の固有の時間反転非対称誘電率テンソルを利用することによってのみ機能させることができる。現在の光回路網では、Ｙ３Ｆｅ５Ｏ１２（ＹＩＧ）や（ＧｄＢｉ）３Ｆｅ５Ｏ１２等のフェリ磁性ガーネット酸化物結晶が、個々別の光アイソレータ用の磁気光学材料として用いられている（非特許文献１及び特許文献１参照）。レーザダイオード、光増幅器、光変調器又は光ゲート等の大半の能動光素子は、ＧａＡｓ基板やＩｎＰ基板上に製作されるため、全ての光回路をこれらの基板上にモノリシックに集積化することが望ましい。しかしながら、ガーネット薄膜アイソレータは、半導体光電子デバイスにモノリシックに一体化されてはいない。何故なら、これらの酸化物結晶は、半導体基板上では成長させることができないからである。
【０００３】
Ｃｄの一部をＭｎで置換した磁気半導体Ｃｄ１−ｘＭｎｘＴｅ及びＣｄ１−ｘ−ｙＭｎｘＨｇｙＴｅは、集積化光アイソレータ用の磁気光学材料として有望である（非特許文献２，３，４及び特許文献２参照）。Ｃｄ１−ｘＭｎｘＴｅ及びＣｄ１−ｘ−ｙＭｎｘＨｇｙＴｅは、例えば、ＧａＡｓ及びＩｎＰ等の典型的な半導体光電子材料と閃亜鉛鉱結晶構造を共有しており、その薄膜をＧａＡｓ及びＩｎＰ基板上に直接成長させることができる。Ｃｄ１−ｘＭｎｘＴｅ及びＣｄ１−ｘ−ｙＭｎｘＨｇｙＴｅは、また、Ｍｎ２＋のｓｐ帯電子と局所化ｄ電子の間の変則的な強烈な交換相互作用を行うので、その吸光端近くにおいて大きなファラデー効果（そのベェルデ定数は、通常５０〜２００度／ｃｍ／ｋＧ）を示す。さらに、Ｍｎ濃度及びＨｇ濃度の調整により吸光端の調整が可能であるため、Ｃｄ１−ｘＭｎｘＴｅ磁気光学導波路を６００〜８００ｎｍの波長範囲で動作する光電子デバイスと互換性をもたせ、Ｃｄ１−ｘ−ｙＭｎｘＨｇｙＴｅ磁気光学導波路を８００〜１６００ｎｍの波長範囲で動作する光電子デバイスと互換性をもたせることができる。
【０００４】
従来の光アイソレータは、二つの偏光子間に配置した偏光回転子から成る。導波路型偏光回転子（特許文献２参照）は、バッファ層付き基板上に成長させた磁気光学コア層及びクラッド層（図２）、又は、二つのクラッド層間に配置した磁気光学コア層（図３）からなる。コア層の屈折率は、クラッド層の屈折率よりも高い。導波路光は、コア層内部を伝搬する。偏光の回転は、磁気光学コア層のファラデー効果が原因で生ずる。しかしながら、ＴＥモードとＴＭモードの間の導波路における固有の複屈折が原因で、磁気光学導波路の偏光回転は、完全ではない。例えば、ＴＥ偏光からＴＭ偏光への完全な９０度の回転は、通常、磁気光学導波路によっては実行できないものである。どんな伝搬長にも、少量のＴＥ偏光成分が常に残留する。ＴＥ−ＴＭモード転換の最大の比率が磁気光学導波路の性能を評価することになる。実際の一体型光アイソレータにおいては、アイソレーション比は、２０ｄＢを超えねばならず、挿入損は、１ｄＢ未満でなければならない。この性能は、９５％を超えるＴＥ−ＴＭモード転換比を有する磁気光学導波路を用いてのみ達成することができる。しかしながら、実験的に示されている図１と図２に示す導波路構造における最大ＴＭ−ＴＥモード転換比は、５％乃至４０％の間でしかない（非特許文献３参照）。したがって、それらの光導波路は、製造するには十分ではない。本願発明は、ほぼ完全なＴＭ−ＴＥモード転換を得るために、傾斜屈折率層の使用を提案するものである。
【０００５】
導波路モードを導波路の境界間で反射された平面波と見なした場合、フレネル反射係数の偏光依存により、ＴＥ偏光モードとＴＭ偏光モードの間に位相の不一致が存在する。その不一致は、導波路の境界において、屈折率の差が増加とともに増大する。該境界において、急激な段差に代わって所定の厚みにわたり屈折率の段階的変化を設けると、反射係数の偏光依存は、減少していく。したがって、導波路境界の傾斜屈折率層を設けると、モード位相の不一致を低減し、磁気光学モード転換比を拡大することができる。しかしながら、傾斜屈折率層の製造期間中は、（例えば、蒸発源の温度の小変動が原因で）材料組成の好ましくない小変動が生ずる。この種の変動は、磁気光学導波路内のＴＭ−ＴＥモード転換比を大幅に減少させてしまう。我々は、如何にして材料組成のこれらの好ましくない小変動を取り除き、磁気光学ＴＭ−ＴＥモード転換比を増大させるかの方法を発明した。
【０００６】
【特許文献１】米国特許第４，９３２，７６０号明細書
【特許文献２】特開昭６３−１９８００５号公報
【非特許文献１】K.Ando,SPIE講演録1126、58、1989
【非特許文献２】W.Zayets,K.Watanabe,K.Ando,”Applied Physics”, Vol.70,p2508,1997
【非特許文献３】W.Zayets,K.Ando,”Applied Physics”, Vol.77,p1953,2000
【非特許文献４】J.F.Dillon,J.K.Furdyna,U.Debska,A.Mycielski, ”Applied Physics”,Vol.67,p4917,1990
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本願発明が解決しようとする課題は、半導体光素子（レーザダイオード、光増幅器及び光スイッチ等）を備えた光アイソレータのモノリシック集積化及び高いＴＭ−ＴＥモード転換比をもった磁気光学導波路の製造にある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願発明においては、上記目的を達成するために下記の内容とした。
【０００９】
（１）本願第１発明は、磁気光学コア層とクラッド層を有し、非常に高いＴＭ−ＴＥ転換比を備える導波路型偏光回転子の製造方法を提供する。傾斜屈折率層は、コア層とクラッド層間及びコア層の上部に配置する。傾斜屈折率層の屈折率は、厚みとともに徐々に変化する。傾斜屈折率層は、コア層とクラッド層間及びコア層と空気間に滑らかな屈折率段差を作る。本願発明製造方法により、傾斜屈折率層を通じて屈折率が非常に滑らかに変化する導波路を得ることができ、かくして非常に高いＴＭ−ＴＥ磁気光学モード転換比を得ることができる。
【００１０】
（２）本願第２発明は、傾斜屈折率磁気光学コア層を有する非常に高いＴＭ−ＴＥモード転換比を備える導波路型偏光回転子を提供する。コア領域の屈折率は、クラッド領域近くはクラッド領域の屈折率に等しい。それはコア領域厚みの中間部までは厚みとともに徐々に増加し、コア領域の中間部を越すと徐々に減少する。すなわち、上記本願第１発明と異なり、格別の屈折率傾斜層を設けることなく、本願第２発明方法により、傾斜屈折率磁気光学コア層を介して屈折率変化の非常に滑らかな導波路を得ることができ、かくして非常に高いＴＭ−ＴＥ磁気光学モード転換比を得ることができる。
【００１１】
（３）本願発明は、ＧａＡｓ又はＩｎＰの基板上の光電子回路内にモノリシックに集積化を行い、ほぼ完全なＴＭ−ＴＥモード転換比を備える導波路型偏光回転子の製造方法であって、以下のステップを包含している。
基板成長に続く高真空下における熱的清掃又は高真空下における水素原子による清掃による無酸素の原子的に平坦な基板表面の製造ステップ、
基板表面をＺｎ又はＣｄのフラックスへ曝すステップ、
第ＩＩ族材料及び第ＶＩ族材料からなるフラックスを供給することによるバッファ層の成長ステップ、
Ｃｄ、Ｔｅ及びＭｎのフラックスを供給することによる導波路クラッド層、コア層及び傾斜屈折率層の成長ステップ及び
成長後の焼鈍ステップ。
第ＩＩ族材料及び第ＶＩ族材料のフラックスは、導波路クラッド層、コア層及び傾斜屈折率層の成長期間中一定に維持する。Ｍｎのフラックスは、Ｍｎ蒸発器の温度を低下させることにより、第１の傾斜層の成長中に徐々に減少し、Ｍｎ蒸発器温度の上昇により、第２の傾斜層の成長中に徐々に増加する。Ｍｎソース温度は、傾斜反射率層の成長中ゆっくりと（毎分０．５℃未満）変化させねばならない。
成長後焼鈍は、真空中において、Ｔｅのフラックスに曝し、３５０℃〜４３０℃において５分〜６０分間に亙って行うか、或いは不活性ガス（Ｈｅ，Ｎ２）雰囲気において、３００℃〜４５０℃で５分〜６０分間に亙っておこなう。
本願発明方法は、Ｍｎ濃度と傾斜屈折率磁気光学コア層を介する屈折率の非常に滑らかな変化をもったＣｄ1-xＭｎxＴｅ磁気光学導波路を得ることができので、非常に高いＴＭ−ＴＥ磁気光学モード転換比を幅広い光波長について達成することができる。
【発明の効果】
【００１２】
１．本願発明により、ほぼ完全な磁気光学ＴＭ−ＴＥモード転換を備える磁気光学導波路を製造することが可能となる。
２．本願発明により、光アイソレータを半導体光電子回路内にモノリシックに集積化することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照しつつ、本願発明の実施形態を説明する。図１は、従来技術である。バルク構造の光アイソレータの動作原理は、次の通りである。ａ）前方伝搬。偏光が、一方向回転子により時計方向へ４５度回転する。ｂ）後方伝搬。反射された偏光が、一方向回転子により反時計方向へ４５度回転する。全体として偏光は、９０度回転するので、偏光子により阻止することができる。ｃ）従来のバルク構造光アイソレータ。ガーネット型偏光回転子が、二つの偏光子間に配置してある。偏光子の軸は、互いに４５度に整列配置してある。
【００１４】
図２は、従来技術であり、一つのクラッド層を備えた磁気光学導波路である。左側の線図は、厚み方向の屈折率分布を示す。右側の線図は、導波路モードの強度配布を示す。この導波路については、コア層とクラッド層間及びコア層と空気間に屈折率の大きな段差が存在する。導波路モードを導波路の境界間で反射された平面波と見なした場合、フレネル反射係数の偏光依存が原因で、この導波路のＴＥ偏光モードとＴＭ偏光モードの間に大きな位相の不一致が存在する。この不一致は、導波路境界における屈折率段差の増加と共に増加する。この導波路のＴＭ−ＴＥ磁気光学モード転換比は、通常非常に低いものである。
【００１５】
図３は、従来技術であり、二つのクラッド層を備えた磁気光学導波路である。左側の線図は、厚み方向の屈折率分布を示す。右側の線図は、導波路モードの強度分布を示す。この導波路については、コア層とクラッド層との間に屈折率の大きな段差が存在する。導波路モードを導波路の境界間で反射された平面波と見なした場合、フレネル反射係数の偏光依存が原因で、この導波路のＴＥ偏光モードとＴＭ偏光モードの間に位相の不一致が存在する。その不一致は、導波路境界での屈折率段差の増加とともに増加する。よってこの導波路においても、ＴＥ−ＴＭモード位相の不一致は大きく、この導波路内のＴＭ−ＴＥ磁気光学モード転換は、依然として高くはない。この磁気光学導波路は、コア層とクラッド層間の屈折率差が０．０２％未満であって、コア層のファラデー回転が４００度／ｃｍを超えるときにのみ光アイソレータに用いることができる。
【実施例１】
【００１６】
図４は、本願発明に係る二つの傾斜屈折率層を備える磁気光学導波路を示す。左側の線図は、厚み方向の屈折率分布を示す。右側の線図は、導波路モードの強度分布を示す。屈折率は、コア層からクラッド層へ、またコア層から空気へ徐々に変化する。この屈折率の傾斜により、コア層とクラッド層及びコア層と空気の両方の境界におけるフレネル反射の偏光依存を低減することができる。この導波路は、コア層とクラッド層間の屈折率差が０．２％未満で、傾斜屈折率層の厚みが３００ｎｍを超え、コア層に関するファラデー回転が４００度／ｃｍを超え、屈折率の短距離変動が０．２％未満である場合には、最大のＴＥ−ＴＭモード転換比をもたらし、９８％を超えさせることができる。
【００１７】
図５は、ａ）組成成長後とｂ）焼鈍後の傾斜屈折率層を備える導波路内の屈折率の典型的な厚み方向分布を示す。
【００１８】
図６は、二つの傾斜屈折率層を備えるＧａＡｓ基板上のＣｄ1-xＭｎxＴｅ磁気光学導波路の一例を示す。ＺｎＴｅ及びＣｄＴｅが、高品質薄膜を得るために、バッファ層として用いられている。Ｃｄ０．７６Ｍｎ０．２４Ｔｅクラッド層は、Ｃｄ０．８Ｍｎ０．２Ｔｅクラッド層よりも低い屈折率を有している。モード転換比を増大させるために、二つの傾斜屈折率層を用いている。
【００１９】
図７は、図５に示したＣｄ1-xＭｎxＴｅ導波路に、５キロガウスの磁界を印加した場合における波長の関数として実験的に計測したＴＭ−ＴＥモード転換比を示す図である。この導波路の焼鈍の前後のデーターを比較している。焼鈍の前の状態においては、７３０ｎｍ波長におけるモード転換比は、ほぼ完璧に９８％±２％である。しかしながら、高次モード転換比に関する波長範囲は、大きくはない。それは、この導波路に関するＭｎ濃度の短距離変動に原因がある。図に示すように、この導波路に焼鈍工程を適用することで、高次モード転換比が得られる波長範囲を大幅に拡大することができる。
【００２０】
上記磁気光学導波路を用いて光アイソレータを作製することができる。該光アイソレータは、上記磁気光学導波路をファラデー回転素子として用い、該素子の入力側に入力用の偏光子、偏光ファイバ及び偏光子付きファイバ、出力側に出力用の偏光子、偏光ファイバ及び偏光子付きファイバを備え、入力側と出力側の偏光子は４５度回転した状態に配列されている。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】従来技術におけるバルク構造光アイソレータ動作原理説明図
【図２】従来技術における単一のクラッド層を備える従来の磁気光学導波路概念図
【図３】従来技術における二つのクラッド層を備える従来の磁気光学導波路概念図
【図４】本願発明に係る二つの傾斜屈折率層を備える磁気光学導波路概念図
【図５】ａ）材料成長後とｂ）焼鈍後の傾斜屈折率層を備える導波路における典型的な厚み方向屈折率分布
【図６】本願発明に係る二つの傾斜屈折率層を備えるＧａＡｓ基板上のＣｄ1-xＭｎxＴｅ磁気光学導波路概念図
【図７】図６に示したＣｄ1-xＭｎxＴｅ導波路について波長の関数として実験的に計測したＴＭ−ＴＥモード転換比
【図１】
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【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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