CN101361017A - 波导型宽频带光隔离器 - Google Patents

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Abstract

本发明的波导型宽频带光隔离器包括：互易移相器，基本工作波长为λ，使在第1波导中传播的第1光波与在第2波导中传播的第2光波之间的相位差为3π/2；非互易移相器，对正方向传播波提供π/2的相位差，对反方向传播波提供－π/2的相位差。由此，能够使反方向损失的波长依存性降低，使可利用的工作波长域拓宽，在长距离光纤通信使用的1.31μm段和1.55μm段两个波段中也能工作。

Description

波导型宽频带光隔离器
技术领域
本发明涉及波导型宽频带光隔离器，尤其是关于使波导型光隔离器满足所期望的特性并工作的波长范围显著地扩展、且在用于长距离光纤通信的1.31μm段和1.55μm段两个波段中也能工作的波导型宽频带光隔离器。
背景技术
光隔离器是只在一方向上使光透过并阻止要向与其相反方向传播的光的元件。例如，通过将光隔离器配置在半导体激光器的发射端，从激光器射出的光透过光隔离器，能够将其作为光纤通信用的光源使用。相反地，通过光隔离器要入射到半导体激光器的光被光隔离器阻止，而不能入射到半导体激光器。不将光隔离器设置于半导体激光器的发射端时，反射返回光入射到半导体激光器，这会使半导体激光器的振荡特性劣化。即，光隔离器阻挡要入射到半导体激光器的光，而不使半导体激光器的特性劣化地保持稳定的振荡。
不限于上述半导体激光器，在光增幅器等光有源元件中，光无意识地反向入射，使元件的工作特性劣化，会无意识地工作。由于光隔离器只允许光在一个方向上透过，所以能够防止光无意识地反向入射到光有源元件25。
作为与半导体激光器的集成化相适应的光隔离器，以往提出了图1所示的干涉型光隔离器(波导型光隔离器)。该以往的光隔离器101中，在化合物半导体基板102上具有使用了半导体材料的导波层103，在导波层103上具有波导104、锥形分路结合器105，而且在导波层103上形成由磁光学材料构成的金属包层106，在金属包层106上设置用于向规定方向对磁光学材料磁化的磁场施加机构107。
该光隔离器(以下，称为“波导型光隔离器”)101利用因构成光干涉计的2条光波导中发生的传播方向而使大小不同的相位变化(以下，称为“非互易移相效果”)，被设定成：在2条光波导中传播的光波相对于正方向传播波成为同相位，相对于向反方向传播的反方向传播波成为反相位。
波导型光隔离器101的工作原理如图2(a)～(c)所示。2个光波成为同相位的情况下，从构造的对称性出发设置在输出侧的锥形分路结合器105中，光波从中央的输出端111被输出(图2(b))。另一方面，成为反相位的情况下，左侧(对于波导型光隔离器101来说是成为输入端的一侧)的锥形分路结合器105中，由于形成反对称的分布，所以不从对称构造的结合器105的中央输出端(输入端)110输出，而从设置在两侧下部的多余光输出端112输出(图2(c))。即，从左侧的锥形分路结合器105的输入端110入射的光波从右侧的锥形分路结合器105的输出端111被输出，相反地从右侧的锥形分路结合器105的输出端111输入的光能够不返回左侧的锥形分路结合器105的输入端110地在输入端110与反方向传播波隔离。
以上工作通过图2(c)所示的结构实现。首先，使干涉光路中的一个比另一个长，由此使不依存传播方向的相位差(互易相位差)在2条光路间发生。另外，将具有的磁光学效果的材料(以下，称为“磁光学材料”)配置在平面状的光波导中，从外部向在波导面内与传播方向正交的方向(横方向)施加磁场，使磁光学材料的磁化定向，由此发生非互易移相效果。根据光的传播方向和磁化的定向方向的关系，决定因磁光学效果发生的非互易移相效果，保持磁化方向而使传播方向反向时，非互易移相效果不同。以下，将正方向传播波和反方向传播波的非互易移相效果之差称为“非互易移相量”。
在图2的波导型光隔离器101中，相互反并行地向构成干涉计的2条波导施加磁场，在2条波导中进行相同距离传播时的光波的相位差与非互易移相量一致。另外，根据非互易移相效果，对于正方向传播波，在2条波导路间发生+
Figure A20068005130700051
的相位差时，对于反方向传播波发生与其不同符号-
Figure A20068005130700052
的相位差。
在因该磁光学效果发生的非互易移相效果的基础上，通过在2条波导中设置相当于1/4波长的光路长差，传播光路长的波导的光被设计成具有只大π/2的相位变化(以下，称为“互易相位差”)。对于正方向传播波，如果与短的波导相比，光路长的波导发生了因非互易移相效果发生的相位差(非互易相位差)-π/2，那么对于正方向传播波，在2条波导中传播的光波成为同相位(从分路结合器的中央助端被输出)。传播方向反向时，由于非互易相位差的符号反向，光路长的波导被提供非互易相位差+π/2。这再加上因光路长差引起的+π/2的相位差，在反相位状态(相位差π)被输入到分路结合器(从分路结合器的2条外侧波导被输出)。这样，就利用相位差隔离正常光与异常光。这样的波导型光隔离器的一例如日本国专利3407046号记载的那样。
另外，关于该波导型光隔离器，有以下文献1～4。
文献1：H.Yokoi，T.Mizumoto，N.Shinjo，N.Futakuchi and Y.Nakano，“Demonstration of optical isolator，with a semiconductor guided layer that wasobtained by use of a nonreciprocal phase shift，”Applied Optics，vol.39，No33，pp.6158-6164(2000)
文献2：横井、水本、新城、二口、中野，“具有半导体导波层的光隔离器的工作实证”，电子信息通信学会技术研究报告，OPE2000-10，pp.3417-3421(2000)
文献3：T.Mizumoto，S.Mashimo，T.Ida and Y.Naito，“In-plane magnemizedrare earth iron garnet for a waveguide optical isolator employing nonreciprocalphase shift，”IEEE Trans.MAG，vol.29，No.6，pp.3417-3421(1993)
文献4：T.Mizumoto and Y.Nailo，“Nonreciprocal propagation characteristicsof YIG thin film，”IEEE Trans.On Microwave Theory and Techniques，vol.MTT-30，No.6，pp.922-925(1982)
在文献1以及2中，实际试作成将GaInAsP作为导波层且将磁光学材料CeY2Fe5O2(Ce:YIG)作为上金属包层的光隔离器，测定了其特性的结果被报告。作为隔离器的特性，4.9dB的隔离率(＝反方向损失-正方向损失)被波长1.55μm得到。另外，由于互易移相器的移相的再现性被明确，所以制成测定上容易的、具有互易移相量π的互易移相器的隔离器构造(该情况下，作为隔离器，工作不充分)，并测定互易移相量。
另外，在文献3中，提出了在利用非互易移相效果的干涉型光隔离器中，作为构成干涉系统的光分路结合器使用锥形分路结合器的结构，并明确了其波导设计。另外，非互易移相效果是通过使磁光学材料即磁性石榴石的磁化を在导波层内方向(与基板表面平行的方向)定向而发现的。为了使磁化定向，降低必要磁场的大小，必须使具有面内磁化特性的磁性石榴石成长。在文献3中，明确了用液相成长法使具有面内磁化特性的石榴石(LuNdBi)3(FeAl)5O12成长的成长条件，作为结果表示了得到的磁性石榴石的特性。
而且，在文献4中，测定用于传播磁性石榴石Y3Fe5O12(YIG)的TM模式所受到的非互易移相量，并证实了非互易移相效果。
但是，在上述以往的波导型光隔离器中，如图3(a)和(b)所示，工作波长为设计波长时，发生如上所述的相位差，表示了作为波导型光隔离器理想的工作，但工作波长变化时，与正方向传播波、反方向传播波一起，非相原移相量以及互易移相量的大小变化。即，对于正方向传播波，干涉光路为同相位，对于反方向传播波，因称为反相位的设计条件而产生误差，隔离器的特性劣化。在此，图3(a)的θR是表示相对于正方向传播波以及反方向传播波的、工作波长中的互易相位差，-θN是表示相对于正方向传播波的、工作波长中的非互易相位差，θN是表示相对于反方向传播波的、工作波长中的非互易相位差。
另外，在图3(b)中，表示了合成互易相位差和非互易相位差的、正方向传播波和反方向传播波的相位差。对相对于这两个光波的波长变化的、相位差的变化的倾角进行比较时，反方向传播波的倾角比正方向传播波的倾角大。这是表示，工作波长和设计波长之差变大时，由于入射光的扩散损失，因反方向传播波的扩散不足导致的激光器的振荡特性的劣化变大且不能不计。因此，首先，关于随着工作波长的变化而变化的反方向传播波的扩散量，在设计波长为1.55μm的波导型光隔离器中，随着工作波长的变化而变化的反方向传播波的扩散量(反方向损失)的特性如图4所示。
为了不使反方向传播波照射激光器，反方向传播波的扩散量必须为一定值以上(一般要求的值为30dB)。根据图4的特性，表示30dB以上的扩散量的波长为1.54～1.56μm(相对于设计波长1.55μm±0.01μm)，其间没有工作波长时，波导型光隔离器的反方向传播波扩散效果就不能发挥满足要求的性能。
另一方面，关于随着工作波长的变化而变化的正方向传播波的入射损失，随着用设计波长1.55μm设计的波导型光隔离器中的工作波长的变化而变化的正方向传播波的入射损失(正方向损失)的特性如图5所示。
工作波长偏离设计波长时，关于相对于工作波长的变化的、相位差的倾角，与正方向传播波相比，反方向传播波的倾角大，即相对于正方向传播波，反方向传播波的波长依存性高，该情况在图4中表示并在上面叙述了，但与图5进行对比时，能够观察到显著差别。在设计波长为1.55μm的波导型光隔离器中，工作波长为1.45μm～1.64μm之间时的正方向传播波的入射损失达到了0.1dB，与得到了满足上述要求的反方向传播波扩散效果的工作波长1.54～1.56μm相比，有明显的差异。
其结果，由于用“反方向损失-正方向损失”定义的隔离率的波长依存性大致被反方向损失的波长依存性决定，所以在以往的波导型光隔离器中，工作波长在1.54～1.56μm以外时，就不能发挥其特性。
在文献1以及文献2中，得到的隔离特性为4.9dB，作为实用设备是不充分的。另外，隔离特性的测定波长为1.55μm，关于波长特性没有描述。而且，由于作为互易移相器使用π/2的互易移相器，所以不能解决反方向传播波的波长依存性。
在文献3中，与文献1以及2同样地，由于作为互易移相器使用π/2的互易移相器，所以不能解决反方向传播波的波长依存性。另外，在文献3的磁性石榴石(LuNdBi)3(FeAl)5O12中，法拉第旋光常数为-600deg/cm(波长1.31μm)，与后述的本发明的磁性石榴石Ce:YIG的法拉第旋光常数-4500deg/cm相比，只是13％左右。其结果，存在非互易移相器的长度要长接近7.5倍近的问题。
另外，文献4只是在用实验验证称为非互易移相效果的物理现象方面有意义，但实际上还没有实现光隔离器等的设备化。
发明内容
本发明鉴于上述问题而研发的，本发明的目的提供一种波导型宽频带光隔离器，使反方向传播波的波长依存性降低并使可利用的工作波长域拓宽，并且在长距离光纤通信使用的1.31μm段和1.55μm段两个波段中也能工作。
本发明涉及波导型宽频带光隔离器，本发明的上述目的是通过以下结构实现的，设置：互易移相器，基本工作波长为λ，使在第1波导中传播的第1光波与在第2波导中传播的第2光波之间的相位差为3π/2；非互易移相器，对正方向传播波提供π/2的相位差，对反方向传播波提供-π/2的相位差。
另外，本发明的上述目的是通过以下结构实现的，设置：互易移相器，在基本工作波长λ中，x为0以上的整数，使在第1波导中传播的第1光波与在第2波导中传播的第2光波之间的相位差为(x+3/4)×2π；非互易移相器，对正方向传播波提供π/2的相位差，对反方向传播波提供-π/2的相位差。或者通过使非互易移相器的向磁光学材料的磁场施加方向为相对方向来实现的。或者通过使构成上述互易移相器的上述第1或第2波导的波导宽度的一部分变化来实现的。或者通过使构成上述互易移相器的上述第1或第2波导的波导长度变化来实现的。或者通过使上述互易移相器在光波的传播方向上具有锥形波导，并且在另一个波导的一部分中也包含上述锥形波导来实现的。
附图说明
图1是表示以往的干涉型光隔离器(波导型光隔离器)的一例的立体构造图。
图2(a)～(c)是用于说明以往的波导型光隔离器的工作原理的图。
图3(a)和(b)是表示随着以往的波导型光隔离器的工作波长的变化而变化的相位差变化的特性例的图。
图4是表示随着以往的波导型光隔离器的工作波长的变化而变化的反方向传播波的扩散量(反方向损失)的特性例的图。
图5是表示随着以往的波导型光隔离器的工作波长的变化而变化的正方向传播波的入射损失(正方向损失)的特性例的图。
图6是表示本发明的波导型宽频带光隔离器的波导部分的结构例的图。
图7(a)和(b)是用于说明本发明的波导宽频带光隔离器的设计波长中的工作原理的图。
图8(a)和(b)是表示随着本发明的波导型宽频带光隔离器的工作波长的变化而变化的相位差变化的特性例的图。
图9是表示用于使互易相位差的波长依存性变化的互易移相器6的波导构造例的图。
图10是表示根据工作波长的波导等价折射率的波长依存性的特性图的一例。
图11是关于Ce:YIG的法拉第旋光常数的波长依存性的特性的图。
图12是表示Ce:YIG的折射率的波长依存性的特性例的图。
图13是表示波导宽度W＝2μm的与波导等价折射率的偏差的波长依存性的特性图。
图14是表示用于调节互易相位差的波长依存性的机构的图。
图15是表示构成光隔离器的波导截面构造的图。
图16是表示SiO2的折射率的波长依存性的特性例的图。
图17是表示互易相位差θR的波长依存性的特性例的图。
图18(a)和(b)是表示使波导的宽度和长度变化时的互易相位差θR的波长依存性的变化状况的图。
图19是表示将磁光学材料Ce:YIG作为导波层的波导型光隔离器的一例的立体构造图。
图20是相对于反方向传播波的损失量(反方向损失量)的特性例。
图21是相对于正方向传播波的损失量(正方向损失量)的特性例。
图22是表示将Si作为导波层的波导型光隔离器的一例的立体构造图。
图23是表示导波层Si的折射率的波长依存性的特性例的图。
图24是表示相对于反方向传播波的损失量(反方向损失量)的特性例的图。
图25是表示相对于正方向传播波的损失量(正方向损失量)的特性例的图。
图26是表示中心波长1.55μm的波导型宽频带光隔离器的反方向损失(实线)以及正方向损失(虚线)的波长依存性的图。
图27是表示中心波长1.43μm的波导型宽频带光隔离器的反方向损失(实线)以及正方向损失(虚线)的波长依存性的图。
具体实施方式
本发明的波导型宽频带光隔离器是，将与设计波长相同的工作波长入射到光隔离器时，作为互易移相量向正方向传播波以及反方向传播波的双方提供3π/2，并且作为非互易移相量向正方向传播波提供+π/2，向反方向传播波提供-π/2，由此在2条波导中行进的光波中，分别对正方向传播波提供相位差2π，对反方向传播波提供相位差π。即，对正方向传播波提供称为同相位的相位差，对反方向传播波提供称为反相位的相位差。根据该相位差，使正方向传播波从分路结合器的中央端输出，并且使反方向传播波从中央端横的多余光输出端输出。
由于对正方向传播波提供互易移相量与非互易移相量之和，对反方向传播波提供互易移相量与非互易移相量之差，所以关于因工作波长偏离设计波长时的工作波长的变移导致的相位偏离的推移，与正方向传播波相比，反方向传播波的倾角变得平滑。由此，即使在工作波长偏离设计波长的情况下，也能够使从相位差π的偏离为最小限度。
由此，抑制反方向损失的波长依存性，使定义隔离率的“反方向损失-正方向损失”的值稳定并实现宽频带化。
另外，通过调节波导宽度并使波导等价折射率的波长依存性变化，或者使波导长变化，或者使波导宽度和波导长变化，能实现调节互易相位差的波长依存性并消除非互易相位差的波长依存性，而修正因工作波长导致的相位变化的偏移。其结果，调整波长依存性以使从非互易相位差和互易相位差的设计值开始的偏差的绝对值相等，来实现光隔离器的宽频带化。
以下，参照附图对本发明的波导型宽频带光隔离器进行说明。并且，本发明的波导型宽频带光隔离器的整体结构，除使磁场印加方向为反方向以外，都与以往的图1的结构相同，并省略说明。
图6是表示波导型宽频带光隔离器的波导部分相关的结构的图，图7(a)和(b)是表示设计波长中的工作原理的图。
波导型宽频带光隔离器的波导部由以下部件构成：使相对于激光器的入射光成为异常光的反射光等扩散的多余光输出端2；成为激光器的输入端以及输出端的中央端3；进行正方向传播波以及反方向传播波的分路结合的分路结合器4；对正方向传播波以及反方向传播波施加磁场而发生相位差的非互易移相器5；分别通过光路长差使在被分路结合器4分路的2个正方向传播波和反方向传播波发生互易相位差的互易移相器6。
提供非互易移相的非互易移相器5将磁场的印加方向作为相对方向，对在2条波导中行进的、具有设计波长的正方向传播波间提供+π/2的相位差，对反方向传播波间提供-π/2的相位差。
另一方面，互易移相器6向具有设计波长的正方向传播波和反方向传播波一起提供3π/2的相位差。因此，互易移相器6被设计成在2条波导间产生光路长差3λ/4(以下，使“设计波长”为λ)。
其结果，正方向传播波从输入侧的中央端3入射，被分路结合器4分路后，被互易移相器6提供3π/2的相位差，被非互易移相器5提供+π/2的相位差。在输出侧的分路结合器4中结合时，对正方向传播波发生2π的相位差。由于2π的相位差与相位差0等同，所以从输出侧的中央端3被输出(图7(a))。
相反地，反方向传播波(反射返回光)从输出侧的中央端3入射，被分路结合器4分路后，被互易移相器6提供3π/2的相位差，被非互易移相器5提供-π/2的相位差。在输入侧的分路结合器4中结合时，对反方向传播波发生π的相位差。由此，反方向传播波从输入侧的多余光输出端2被扩散(图7(b))。
并且，为了简便，互易移相器6的光路长差相对于设计波长λ使用3λ/4，但被互易移相器6提供的光路长差也可以具有下述(1)式的长度。
(x+3/4)λ(1)
但是，x是0以上的整数。
由此，能够使正方向传播波以及反方向传播波的双方得到(x+3/4)×2π的互易相位差。
另外，也可以将由非互易移相器产生的非互易相位差作为π/2的奇数倍(3以上)来构成波导型宽频带光隔离器1。但是，为得到所期望的非互易移相量，由于这里的必要传播距离是为得到相同大小的互易移相量要比必要传播距离长3桁以上，所以使非互易相位差为π/2的奇数倍(3以上)方法不能现实。并且，以下，为简便，互易移相器6的相位变化使用3π/2进行详细说明。
该波导型宽频带光隔离器1的、互易相位差θR和非互易相位差(正方向传播θN、反方向传播-θN)的波长依存性的特性例如图8(a)和(b)所示。互易相位差和非互易相位差的波长依存性是用互易移相器6中的相对于工作波长的变化的互易移相量的推移的倾角(θR)、和非互易移相器5中的相对于工作波长的变化的非互易移相量的推移的倾角(正方向传播θN、反方向传播-θN)来表示的(图8(a))。对于互易相位差和非互易相位差的波长依存性，由于θR的倾角和θN的倾角具有相同的符号，所以能够降低反方向传播波发生的相位差(-θN+θR)的波长依存性。由此，与互易相位差为π/2的情况相比，在正方向传播波中发生的相位差的波长依存性增大，但在反方向传播波中发生的相位差的波长依存性降低。这样，能够使波导型光隔离器的工作波长区域宽频带化。
图9是表示用于使互易相位差的波长依存性变化的互易移相器6的波导构造的图。
如上所述，在设计波长λ中，为了用互易移相器6对光波提供3π/2的互易相位差，互易移相器6只具有3λ/4的波导长就能实现。但是，工作波长偏离设计波长λ时，非互易移相器5和互易移相器6一起得到的相位差从设计波长的移相量π/2和3π/2开始产生偏移。该偏移能够被上述非互易移相器5和互易移相器6的移相量消除，但为了更有效地消除，对互易移相器6进行微调整。这是通过使互易移相器6的波导宽度变化并随其变化使导波整等价折射率变化来使相位差的偏差减小而实现的。
互易移相器6使另一个波导的波导宽度变化，并成为传播常数β1、光路长L1。该互易移相器6设置在被输入侧的分路结合器4分路的波导中的一个，使传播的正方向传播波和反方向传播波双方发生相同的相位差。互易移相器6的互易移相效果由下述(2)式决定，其波长依存性表现为“2π/波长×波导等价折射率”的项。
2π/波长×波导等价折射率×光路长         (2)
即，一般地考虑相同的波导时，“2π/波长×波导等价折射率”的值在短波长侧大。
将空气(上金属包层)/Ce:YIG(导波层)/((Ca，Mg，Zr)-doped Gd3Ga5O12)(NOG)基板(下金属包层)作为一例，波导宽度2.0μm、导波层厚0.48μm、有效高度0.06μm中的、因工作波长产生的波导等价折射率的波长依存性如图10所示。这样，波长变长时，波导等价折射率减小。即，如果波长变短，那么“2π/波长”增大，由于乘算的波导等价折射率也在短波长侧大，所以“2π/波长×波导等价折射率”的值也在短波长侧变大。
另一方面，由非互易移相器5产生的非互易移相效果的波长依存性是大致由磁光学材料(磁性石榴石)的磁光学常数的波长依存性决定的，在短波长侧能够得到大的非互易移相效果。表示磁光学石榴石Ce:YIG的法拉第旋光数的波长依存性的特性例如图11所示，表示Ce:YIG的折射率的波长依存性的特性例如图12所示。
在此，考虑由非互易移相器5和互易移相器6产生的反方向传播波时，通过使非互易移相量和互易移相量近似，即使在工作波长偏离设计波长λ时，也能够使与相位差π的偏差减小。因此，通过使互易移相器6的波导宽度变化，而使波导等价折射率变化，成为下述(3)式，而与相对于反方向传播波的波长依存性相抵消。
2π/波长×波导等价折射率×光路差-非互易相位差≒π     (3)
将空气(上金属包层)/Ce:YIG(导波层)/NOG基板(下金属包层)作为一例，波导宽度2.2μm、2.4μm、3.0μm时的波导等价折射率与波导宽度2.0μm的波导等价折射率之间的偏差的波长依存性的特性例如图13所示。利用该波导等价折射率的波长依存性，调节波导等价折射率的项，实现与非互易移相效果的波长依存性相近似。
为了使波导型宽频带化光隔离器的工作区域进一步宽频带化，不仅使波导的宽度还使长度变化来调节互易相位差。在相对于互易移相器6的波导中设置具有波导宽度不变的光路长L2的调整部8。使互易移相器6以外的波导的传播常数为β2，在设计波长λ中，下述(4)式成立。
β1×L1-β2×L2＝3π/2        (4)
而且，使波导的宽度和长度变化并进行相对于互易移相器6的波导变化的微调整，以使波长变化时的互易相位差β1×L1-β2×L2的从3π/2开始的偏差与非互易相位差的从π/2开始的偏差相等。
其结果，使分路结合器4间的除了互易移相器6以外的部分的1条光路长为L0时，互易移相器6侧波导的分路结合器4间的光路长L01成为下述(5)式。
L01＝传播常数β2的区间L0+传播常数β1的区间L1(互易移相器6)  (5)
另外，另一侧波导的分路结合器4间的光路长L02成为下述(6)式。
L02＝传播常数β2的区间L0+传播常数β2的区间L2(调整部8)  (6)
并且，使波导宽度变化的情况下，急剧地变化导致在该部分发生传播光的反射、放射，并牵涉到传播损失。因此，在波导不同的区间的连接部分，向正方向传播波和反方向传播波的传播方向，插入波导宽度逐渐变化的锥形波导7。另外，由于通过该锥形波导7在互易移相器6一侧无意识地产生相位差，所以也在另一个波导中插入锥形波导7。由此，补偿因插入锥形波导7引起的2条波导的不平衡。
在此，具体地说明使波导的宽度和长度变化时，对互易相位差的波长依存性怎样变化进行计算的结果。在此考虑的波导型宽频带光隔离器的波导构造如图14所示。在此，代替在合分路部使用锥形分路结合器，而使用多模式干涉结合器(MMI耦合器)9。使用多模式分路结合器时，能够实现波长依存性小的合分路特性。通过使波导1的宽度W1和长度L1变化，来调节互易相位差。光隔离器的波导截面构造如图15所示。将磁光学材料Ce:YIG作为导波层，作为上金属包层使用SiO2，将使Ce:YIG结晶成长的NOG基板作为下金属包层。在互易相位差的计算中，使用Ce:YIG的折射率的波长依存性(图12)、SiO2的折射率的波长依存性(图16)。互易相位差θR以及非相原相位差θN的典型的波长依存性如图17所示。在图3以及图8中，这些相位差的波长依存性为简单化用直线表示，但在实际的波导中，如图17所示的那样波长依存性是曲线地变化。使导波略1的宽度W1变化时，互易相位差表示图18(a)那样的波长依存性。另外，使波导1的长度L1变化时，互易相位差表示图18(b)那样的波长依存性。这样，利用相对于互易相位差的波导宽度和长度的依存性时，能够以反方向传播光的相位差与理想值π一致的方式进行设计。
利用上述设计，能够制造在覆盖1.31μm段(1.26～1.36μm)和1.55μm段(1.53～1.625μm)两个波段的全波长域中具有30dB以上的反方向损失的波导型宽频带光隔离器。由此，在长距离光纤通信使用的1.31μm段和1.55μm段两个波段中也能够工作。
以下，说明使用本发明的波导型宽频带光隔离器的实施例。
[实施例1]
将图19所示的磁光学材料Ce:YIG(CeY2Fe5O12)作为导波层的波导型光隔离器中的宽频带化作为实施例1进行说明。
由于Ce:YIG是磁光学材料，所以必须考虑Ce:YIG的法拉第旋光常数的波长依存性。关于Ce:YIG的法拉第旋光常数的波长依存性，利用成为图11所示的值的Ce:YIG。另外，关于Ce:YIG的折射率的波长依存性，利用成为图12所示的值的Ce:YIG。考虑这些来制成将Ce:YIG作为导波层的波导型光隔离器。
波导的层构造为空气(上金属包层)/Ce:YIG(导波层)/NOG(下金属包层)。另外，为了尽可能小地抑制相对于反方向传播波的波长依存性，使图9的互易移相器6为L1＝10.0μm、L2＝10.59μm、W1＝2.4μm、W2＝2.0μm(W1是互易移相器6的波导宽度，W2是互易移相器以外的波导宽度)。另外，使Ce:YIG导波层的厚度为0.48μm。
由该设计得到的波导型光隔离器的对于反方向传播波的损失量(扩散量)的特性例如图20所示，对于正方向传播波的损失量(正方向损失量)的特性例如图21所示。
在该波导型宽频带光隔离器中，覆盖波长1.40～1.63μm得到30dB以上的反方向损失(扩散量)(在以往的光隔离器中，在波长1.54～1.56μm中反方向损失30dB以上)。相反地，对于正方向传播波的波长依存性比以往的小，在该波导型宽频带光隔离器中，在反方向损失(扩散量)30dB以上的频带内，在插入损失量最大的频带端(波长1.40μm)增加1.3dB左右(在以往中在相同的波长下为0.1dB)。但是，用反方向损失-正方向损失定义的隔离率的波长依存性大致用反方向损失的波长依存性决定，能够实现大宽度的宽频带化。并且，由于正方向传播波的损失量能够用光增幅器等补偿，所以不会产生大的问题。
[实施例2]
将图22所示的Si作为导波层的波导型光隔离器中的宽频带化作为实施例2进行说明。
该波导型光隔离器的层构造是Ce:YIG(上金属包层)/Si/(导波层)/SiO2(下金属包层)。上金属包层Ce:YIG的法拉第旋光常数的波长依存性是利用成为由图11得到的上述值的Ce:YIG，关于导波层Si的折射率的波长依存性利用成为图23所示的值的Si，关于基板SiO2的折射率的波长依存性利用成为图16所示的值的SiO2。该波导型光隔离器是由SOI晶片(Si/SiO2/Si)形成的超小型光隔离器的一例，作为硅光子光回路用的光隔离器使用。并且，在图22中，在分路结合器4中使用多模式干涉结合器(MMI耦合器)，但对本发明的相位差波长依存性平坦化而得到的隔离器的宽频带化没有影响。可以考虑具有该构造的波导型光隔离器。
为了尽可能小地抑制反方向传播波的波长依存性，使图9的互易移相器6为L1＝3.30μm、L2＝4.084μm、W1＝0.8μm、W2＝0.6μm(W1是互易移相器6的波导宽度，W2是互易移相器以外的波导宽度)。另外，Si导波层的厚度为0.2μm。
由该设计得到的波导型光隔离器的对于反方向传播波的损失量(扩散量)的特性例如图24所示，对于正方向传播波的损失量(正方向损失量)的特性例如图25所示。
在该波导型宽频带光隔离器中，覆盖波长1.485～1.63μm得到30dB以上的反方向损失(扩散量)(在以往的光隔离器中，在波长1.54～1.56μm下反方向损失30dB以上)。相反地，对于正方向传播波的波长依存性比以往的小，在该波导型宽频带光隔离器中，在反方向损失(扩散量)30dB以上的频带内，在插入损失量最大的频带端(波长1.485μm)，增加0.5dB左右(在以往中相同的波长下为0.05dB)。但是，用反方向损失-正方向损失定义的隔离率的波长依存性大致由反方向损失的波长依存性决定，能够实现大宽度的宽频带化。并且，由于正方向传播波的插入损失量能够用光增幅器等补偿，所以不会成为大的问题。另外，将GaInAsP作为导波层的波导型光隔离器是利用该Si导波层利用的波导型光隔离器的变形，具有同样的效果。
[实施例3]
表示中心波长1.55μm的波导宽频带光隔离器的特性。波导的构造是，在图14中，L1＝900μm、L2＝899.55μm、W1＝2.4μm、W2＝2.0μm、Lt＝10μm。向由该设计得到的波导型光隔离器入射的光波的损失的波长依存性如图26所示。对于反方向传播波的损失量用实线表示，对于正方向传播波的损失量用虚线表示。覆盖波长1.4μm～1.65μm，反方向损失比一般要求的值30dB大。随着从入射光的波长1.55μm开始的偏移变大，正方向损失变大，但由反方向损失量-正方向损失量定义的隔离率的波长依存性大致由反方向损失的波长依存性决定，能够实现大宽度的宽频带化。并且，由于正方向传播波的插入损失量能够用光增幅器等补偿，所以不会成为大的问题。
[实施例4]
表示中心波长1.43μm的光隔离器的特性。波导的构造是，在图14中，L1＝930μm、L2＝929.72μm、W1＝3.0μm、W2＝2.0μm、Lt＝10μm。向由该设计得到的波导型光隔离器入射的光波的损失的波长依存性如图27所示。对于反方向传播波的损失量用实线表示，对于正方向传播波的损失量用虚线表示。反方向损失比一般要求的值30dB大的范围覆盖1.31μm段(1.26～1.36μm)和1.55μm段(1.53～1.625μm)两个波段。随着从入射光的波长的1.43μm开始的偏移变大，正方向损失变大，但用反方向损失量-正方向损失量定义的隔离率的波长依存性大致由反方向损失的波长依存性决定，能够实现大宽度的宽频带化。并且，由于正方向传播波的插入损失量能够用光增幅器等补偿，所以不会成为大的问题。
如上所述，相对于以往的设计波长1.55μm的波导型光隔离器中的、反方向传播波的扩散量(反方向损失)30dB以上的工作频带为设计波长前后约20nm(约1.54～1.56μm)，本发明的波导型宽频带光隔离器能够得到200nm以上的工作频带。
在波导构造中，通过使波导长变化，得到互易相位差3π/2，使得到非互易移相差的磁场的施加方向为相对方向。其结果，对正方向传播波提供2π的相位差，对反方向传播波提供π的相位差。
进一步，通过使互易移相器的波导宽度部分变化，或者使波导的长度变化，或者使波导宽度和波导的长度变化，而使互易移相器的相位变化的波长依存性与非互易移相器的波长依存性相抵消，由此在对于反方向传播波的波长依存性的降低方面是成功的。
另外，通过导入锥形波导来抑制由波导宽度变化引起的传播光的反射、放射是成功的。
在光隔离器中，即使多少要牺牲正方向损失，也能显著地获得使反方向损失(扩散量)增大的效果，能够消除相互的波长依存性并实现宽频带化。

Claims (8)

1.一种波导型宽频带光隔离器，是波导型光隔离器，其特征在于，包括：
互易移相器，其使基本工作波长为λ，使在第1波导中传播的第1光波与在第2波导中传播的第2光波之间的相位差为3π/2；
非互易移相器，对正方向传播波提供π/2的相位差，对反方向传播波提供-π/2的相位差。
2.一种波导型宽频带光隔离器，是波导型光隔离器，其特征在于，包括：
互易移相器，在基本工作波长λ中，使x为0以上的整数，使在第1波导中传播的第1光波与在第2波导中传播的第2光波之间的相位差为“(x+3/4)×2π”；
非互易移相器，对正方向传播波提供π/2的相位差，对反方向传播波提供-π/2的相位差。
3.如权利要求1或2所述的波导型宽频带光隔离器，其特征在于，使上述非互易移相器的向磁光学材料的磁场施加方向为相对方向。
4.如权利要求1～3任一项所述的波导型宽频带光隔离器，其特征在于，上述互易移相器相对于上述第1或第2波导的波导宽度具有上述波导宽度以上的规定波导宽度，并使波导等价折射率变化。
5.如权利要求1～4任一项所述的波导型宽频带光隔离器，其特征在于，上述互易移相器在光波的传播方向具有锥形波导，并且在另一个波导的一部分中包含上述锥形波导。
6.如权利要求4或5所述的波导型宽频带光隔离器，其特征在于，上述第1波导包含上述互易移相器，上述第2波导具有调整上述互易移相器的相位变化的调整部，若不含有上述互易移相器的上述第1波导的分路结合器间的光路长为L0，传播常数为β2，上述互易移相器的光路长为L1，传播常数为β1，x为0以上的整数，则上述调整部具有满足“β×L1-β2×L2＝(x+3/4)×2π”的光路长L2、波导传播常数β2。
7.如权利要求1～5任一项所述的波导型宽频带光隔离器，其特征在于，使构成上述互易移相器的上述第1或第2波导的波导的宽度和长度变化，来调节互易相位差。
8.如权利要求7所述的波导型宽频带光隔离器，其特征在于，在波长为1.31μm段和1.55μm段两个波段中工作。
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