導波路形光アイソレータの研究

近年、5Gなどネットワークの急速な発達に伴い、データトラフィックが増加している。そのため通信はさらなる高速化、大容量伝送が求められる。そのため、安定した光通信を実現するために光アイソレータが必要になる。現在はバルク型の光アイソレータが実用化されているが、他の光素子との集積性が困難である。本研究では他の光素子と集積が可能な導波路形光アイソレータの実現に向け研究を行っている。これが実現できれば光通信だけでなく車などの自動運転技術にも応用することが可能と考えられる。

非相反位相効果を実証するために、波長特性を持つMZIタイプのシリコン細線導波路を製作する。製作する非対称MZI型導波路の概略図を図1に示す。

動作は左側から入力される順方向の光(赤い矢印)は、-3dBカプラで光を等分岐し両側のアーム導波路を伝搬する。この片側アーム導波路に相反位相器を構成することにより伝搬方向に依存しないπ/2の位相変化を与えることができる。さらに片方アーム導波路に磁気光学材料を結晶化することによりできる非相反位相器を構成することにより、光の伝搬方向に依存する位相変化をもたらすことができる。これにより順方向の光は相反位相器でπ/2の位相変化が与えられ、非相反位相器で-π/2の位相変化を与えられる。そのため位相変化は打ち消しあい、右側のbarポートに出力される。非順方向である反射戻り光は、相反位相器で+π/2され、非相反位相器では伝搬方向が逆になり位相変化の符号も逆になる。そのため位相はπ変化し順方向の入射ポートと異なるポートに出力される(青矢印)。
製作にはシリコンコア層220nm、BOX 層3umのSOIウェーハを使用した。導波路のリブ高さは220nm、導波路幅500nmにした。相反位相器の長さは75um、非相反位相器の長さは1500umで設計した。導波路製作プロセスを図2に示す。

使用する基板に導波路を描画し、現像を行う。その後のプロセスで導波路を形成するためメタルマスクを成膜する。リフトオフを行い不要なメタルマスクを除去する。その後、RIE(Reactive Ion Etching)により基板表面をエッチングする。メタルマスクを除去することにより導波路を形成する。最後に上部クラッドにSiO₂を成膜する。

製作したシリコン細線非対称MZI形導波路のTM-modeの波長特性と近視野像を図3に示す。測定は端面結合法を用いて測定を行った。結果は9nmのFSR、最大25dBの消光比を持つシリコン細線非対称MZI形導波路が得られた。

測定を行った導波路に磁気光学材料であるCe:YIGを導波路上に結晶化し非相反位相器を構成し非相反移相効果の動作実証を行った。結晶化はコンタクトエピタキシャル法を用いて行った。結晶化プロセスを図4に示す。結晶化を行う箇所の上部クラッドであるSiO₂をフッ酸によるウェットエッチングで除去し、Ce:YIGをアモルファス状態で成膜する。その後、基板と Ce:YIG と格子定数が近いSGGG基板(置換型ガリウムガドリニウムガーネット)をプラズマにより表面処理を行う。処理を行ったそれぞれの面同士をコンタクトさせ上に重りを置き加熱をする。最後に種結晶をはくりすることで完成する。今回のデバイスではこの結晶化プロセスを2回行った。これにより、下地基板のシリコンとの格子定数の違いを緩和することができより結晶化を強くすることができる。

結晶化を行った非対称MZI形導波路で非相反位相効果の動作実証を行った。測定の概略図を図5に示す。本研究では磁石を近づけることにより磁界を印加している。非相反移相効果は磁界の印加方向を一定にし、光の伝搬方向により異なる特性を示すが、測定系の都合上光の伝搬方向を変更することができない。そのため、磁石の極を入れ替えることにより磁界の方向を変え、光の伝搬方向を反転していることと同じことができる。これにより非相反移相効果の動作実証を行っていく。

左側のファイバから光を入射し右側のファイバで出力光を取得する。その後、2つの磁石の極を反対にし、同様の手順で測定を行う。測定測定結果を図6に示す。5nmのFSR に対して磁界の極性反転により最大0.7nm波長シフトと1538nmで2.9dBの消光比がえられた。

非相反デバイスに必要な非相反移相効果の動作実証のための磁気光学材料であるCe:YIGを用いたシリコン細線非対称MZI形導波路を製作した。磁気光学材料を結晶化し、バッファ層を用いた磁気光学材料の結晶化を行い、5nmのFSRに対して磁界の極性反転による最大0.7nm波長シフトと1538nmで2.9dBの消光比がえられた。