CN101375200A - 光隔离器 - Google Patents

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Tokyo Institute of Technology NUC
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Abstract

具有衬底、与该衬底晶格匹配的波导层、非互易移相器，在波导层上形成在波导层中导波的波导路径及弯曲波导路径、并设置分支耦合器的光隔离器，改变波导层的半导体组成，使其折射率大于3.36。

Description

光隔离器
技术领域
本发明涉及小型化结构的光隔离器，尤其涉及改变与衬底晶格匹配的波导层的半导体组成以增大折射率、同时减小弯曲波导路径容许曲率半径、使用多模干涉型分支耦合器以缩短器件长度的小型化结构的光隔离器。
背景技术
光隔离器是使光只向一个方向通过、阻止反向传输的光的元件。例如，将光隔离器设置在半导体激光器出射端后，从激光器射出的光透过光隔离器，能够作为光纤通信用的光源来使用。相反，要通过光隔离器向半导体激光器入射的光，被光隔离器阻止，无法入射到半导体激光器。如果半导体激光器出射端不设置光隔离器，反射回来的光会入射到半导体激光器，导致半导体激光器振荡特性劣化。即，光隔离器遮住要入射到半导体激光器的光，不会使半导体激光器特性退化，有保持稳定振荡的作用。
不仅是上述半导体激光器，光放大器等光有源元件中，未预料的光反向入射，会导致元件工作特性退化。光隔离器使光只向一个方向通过，所以能够防止未预料的光反向入射到光有元元件。
光隔离器的工作原理如第1图所示。光隔离器，使用构成光干涉仪的两个光波导路径中发生的、大小随传输方向而不同的相位变化(以下称为“非互易移相效应”)进行设定，对于前向波，使两个光波导路径中传输的光波为同相，对于反向传输的返波，使之为反相[第1图(a)]。
两个光波为同相时，由结构的对称性，设置在输出侧的分支耦合器中，从中央的输出端输出[第1图(b)]。
另外，为反相时，由结构的对称性，在设置在输入侧的分支耦合器中，形成反对称的分布，所以不从耦合器的中央输出端输出，从设置在中央输出端两侧的无用光输出端输出[第1图(c)]。
即，从图中左侧的分支耦合器的中央输入端入射的光波，从图中右侧的分支耦合器的中央输出端输出，而从图中右侧的分支耦合器的中央输出端入射的光波，不会锁入图中左侧的分支耦合器的中央输入端，能够隔离从图中右侧的分支耦合器的中央输出端入射的反向传输光。
为了实现光隔离器的这种光分支耦合特性的工作，需要一定量的非互易移相效应。在平面状的波导路径中设置磁光材料(具有磁光效应的材料)，从外部向波导路径面内垂直于传输方向的方向(横向)施加磁场，使磁光材料的磁化定向，由此可以产生非互易移相效应。由光传输方向与磁化定向方向的关系，决定磁光效应引起的相位变化，若保持磁化方向不变地使传输方向反转，则相位变化会不同。
第1图所示的光隔离器中，向构成干涉仪的两个波导路径施加相互反平行的磁场，所以在两个波导路径中传输相同距离时的光波相位差，与非互易移相量(前向波与返波的相位变化差)一致。另外，对于前向波，因非互易移相效应，两个波导路径间产生+φ的相位差时，对于返波，产生符号与之相反的-φ的相位差。
这里，构成干涉仪的两个波导路径中，设置了相当于1/4波长的光程差。其目的在于，无论什么方向，在光程长的波导路径中传输的光，给予π/2的相位变化。即，对于前向波，光程长的波导路径与短的波导路径相比，非互易移相效应产生的相位差(以下称为“非互易移相相位差”)为-π/2时，对于前向波，两个波导路径中传输的光波为同相。这时，若使传输方向反转，则非互易移相相位差的符号也反转，光程长的波导路径给予非互易移相相位差+π/2。此数值加上光程差产生的+π/2的相位差，在反相状态下输入到分支耦合器。如上述，可以得出结论:第1图的干涉型光隔离器中，需要π/2的非互易移相相位差。
以往，相当于与半导体激光器集成化的光隔离器，有人提出了第2图的立体图所示的干涉型光隔离器101。
该以往的光隔离器101的结构为:在化合物半导体衬底102上设置使用了半导体材料的波导层103，在该波导层103上设置波导路径104和分支耦合器105，再在波导层103上设置非互易移相器106。并且，非互易移相器106的结构为:具有由磁光材料构成的包层107和用于将磁光材料的磁化统一为规定方向的磁场施加部件108，在包层107上设置磁场施加部件108。
第3图表示该光隔离器101的器件尺寸例的示意俯视图。
该光隔离器101中，衬底102使用InP，波导层103使用折射率3.36的GaInAsP(带隙波长λg＝1.25μm，与InP衬底102晶格匹配)，包层107使用Ce:YIG(半导体激光器的工作波长λ＝1.55μm中，法拉第旋转系数＝-4500deg/cm)。
另外，非互易移相相位差与传输距离成比例。因此，单位传输长度的非互易移相效应较大时，能够缩短发生π/2相位差所必需的传输距离。该光隔离器101的波导路径104的结构中，单位传输长度的非互易移相量为0.256mm-1，得到π/2的非互易相位差所需的传输距离为6.14mm。
分支耦合器105使用锥状分支耦合器，为了得到上述光隔离器101的工作所需的分支耦合特性，如第4图的分支耦合器105示意结构图所示，耦合部分的波导路径(以下称为“耦合波导路径”)的长度为0.41mm。
并且，耦合波导路径前后需要设置S字形的弯曲波导路径部分，由折射率3.36的GaInAsP的波导层103形成拱形波导路径时，如第3图所示，弯曲波导路径部分的长度必须为0.78mm。
即，该以往的光隔离器101中，波导路径104弯曲部分的长度为0.78×4＝3.12mm，锥状分支耦合器105的长度为0.41×2＝0.82mm，非互易移相器106的长度须为6.14mm，结果光隔离器101的纵向器件长度须为10.08mm。
该以往光隔离器101宽度方向的器件长度由S字形弯曲波导路径的容许曲率半径和横向移位量决定。横向移位量是以1个S字形弯曲波导路径需要0.15mm为条件设计的。即，相当于非互易移相器106正下方的波导路径104的部分，必须施加反平行的磁场，所以两个波导路径间隔须为0.3mm。另外，这时S字形的弯曲波导路径曲率半径(R)需要1.0mm。
但是，具有上述结构的以往的光隔离器中，与光传输方向垂直的方向(横向)长度为波导路径宽度(几μm)的几倍～几十倍(几μm～100μm)，在小型化上是没有大的问题，但元件长度(沿光传输方向的元件长度)就变成毫米等级，对于光集成电路的小型化来说，就是大问题了。
发明内容
本发明是鉴于上述问题点发明的，本发明的目的在于提供一种光隔离器:增大波导层折射率的同时，设定各折射率中得到最大非互易移相量的波导层厚度，确保工作波长与带隙波长的差，缩短器件长度。
关于本发明涉及光隔离器，本发明的上述目的由下述方式实现:具有衬底、与该衬底晶格匹配的波导层、非互易移相器，且在上述波导层形成在该波导层中导波的波导路径及弯曲波导路径、并设置了分支耦合器的光隔离器中，在上述波导层中，改变了半导体组成，以使折射率大于3.36。
本发明的上述目的通过提供下述光隔离器能够有效实现:上述波导层具有对于该波导层折射率产生最大非互易移相量的厚度。
本发明的上述目的通过提供下述光隔离器能够有效实现:上述非互易移相器的长度小于6.14mm。
本发明的上述目的通过提供下述光隔离器能够有效实现:上述弯曲波导路径的曲率半径小于1.00mm。
本发明的上述目的通过提供下述光隔离器能够有效实现:上述分支耦合器为多模干涉型分支耦合器。
本发明的上述目的通过提供下述光隔离器能够有效实现:上述光隔离器的器件长度小于10.08mm。
本发明的上述目的通过提供下述光隔离器能够有效实现:上述波导层为III-V族化合物半导体。
本发明的上述目的通过提供下述光隔离器能够有效实现:上述衬底为InP，上述波导层为GaxIn1-xAsyP1-y(0<x<1，0<y<1)。
发明效果
根据本发明的光隔离器，与以往的波导层相比，能够增大折射率，所以能够提高单位传输长度的非互易移相效应，能够增大非互易移相量。因此能够缩短光隔离器的器件长度，实现小型化。
另外，能够增大波导层的折射率、提高横向的光锁入效果，所以能够缩小S字形弯曲波导路径的曲率半径。因此能够进一步缩短光隔离器的器件长度，实现小型化。
分支耦合器不是锥状分支耦合器，使用多模干涉型分支耦合器，由此能够进一步使光隔离器小型化。
即，非互易移相器的长度小于6.14mm、S字波导路径的曲率半径小于1.00mm，能够实现S字波导路径纵向长度小于0.78mm、耦合器长度小于0.41mm，由此能够实现光隔离器的器件长度小于10.08mm。
另外，通过改变波导层的半导体组成，能够提高折射率，由此，能够使波导层厚度变薄，所以光隔离器高度方向的小型化也能够随波导层的厚度而成为可能。
附图说明
第1图是干涉型光隔离器工作原理的示意说明图。
第2图是表示以往干涉型光隔离器一例的立体图。
第3图是表示以往光隔离器结构一例的平面图。
第4图是以往锥状分支耦合器的示意结构图。
第5图是表示本发明涉及的光隔离器结构一例的平面图。
第6图是第5图的A-A’剖面图。
第7图是表示化合物半导体材料与其带隙波长之间关系的图。
第8图是表示带隙波长与波导层折射率之间关系的图。
第9图是表示本发明涉及的光隔离器波导层厚度与非互易移相量之间关系的图。
第10图是表示本发明涉及的光隔离器的波导层折射率与得到最大非互易移相量的波导层厚度之间关系的图。
第11图是表示本发明涉及的光隔离器的波导层折射率与光功率向包层泄漏的比例之间关系的图。
第12图是表示本发明涉及的光隔离器的波导层折射率与非互易移相器长度之间关系的图。
第13图是第3图的B-B’剖面图。
第14图是表示第13图所示的弯曲波导路径中、曲率半径与弯曲损失量之间关系的图。
第15图是第5图的C-C’剖面图。
第16图是表示第15图所示的弯曲波导路径中、曲率半径与弯曲损失量之间关系的图。
第17图是表示MMI耦合器的阶跃折射率波导路径的二维例的图。
第18图是表示MMI耦合器的阶跃折射率波导路径内的模式的一例的图。
第19图是表示MMI耦合器的多模波导路径的模式剖面图。
第20图是多模干涉型分支耦合器的示意结构图。
第21图是表示本发明的光隔离器的其他一例的立体图。
第22图是第21图的D-D’剖面图。
第23图是表示本发明其他实施方式的光隔离器的波导层厚度与非互易移相量之间关系的图。
第24图是表示本发明其他实施方式的光隔离器的波导层折射率与非互易移相器长度之间关系的图。
第25图是表示工作波长λ＝1.31μm的光隔离器的波导层厚度与非互易移相量之间关系的图。
第26图是表示工作波长λ＝1.31μm的光隔离器的波导层折射率与非互易移相器长度之间关系的图。
具体实施方式
下面参照附图详细说明本发明涉及的光隔离器。
[光隔离器]
第5图是表示本发明涉及的光隔离器1的一例的平面图，是与第3图的以往的光隔离器101对应的图。第6图是第5图的A-A’剖面图，是光隔离器1的示意剖面图。
光隔离器1，如图示，具有衬底2、波导层3、非互易移相器4；在波导层3形成在该波导层3中导波的波导路径5及弯曲波导路径6，还设置了分支耦合器7。即，光隔离器1的结构如下:在衬底2上，设置了用半导体材料形成的、与衬底2晶格匹配、形成了波导路径5及弯曲波导路径6并设置了分支耦合器7的波导层3，并且波导层3上还设置了非互易移相器4。该非互易移相器4的结构如下:具有由磁光材料构成的包层8、用于将磁光材料的磁化统一为规定方向的磁场施加部件9，磁场施加部件9设置在包层8上。
光隔离器1中，如图示，分支耦合器7使用多模干涉型分支耦合器。多模干涉型分支耦合器，如图示，具有:设置在激光输入侧的输入部MMI耦合器71和设置在输出侧的输出部MMI耦合器72。
如图示，弯曲波导路径6的长度为0.55mm，输入部MMI耦合器71的长度为0.25mm，输出部MMI耦合器72的长度为0.05mm。另外，非互易移相器4的长度为3.73mm(以往为6.14mm)。
光隔离器1有上述结构，所以能够将以往10.08mm的器件长度缩短至5.68mm。
上述光隔离器1的各结构元件的长度是最合适的实施例的一例，由后述的波导层3的厚度及折射率、半导体激光器的工作波长λ等改变，这些各结构元件的长度也会改变。但是，只要能够得到器件长度小于10.08mm的光隔离器1，就实现了本发明的目的。
光隔离器1，如第5图及第6图所示，非互易移相器4下面设置了两个波导路径5、5。这两个波导路径5、5间的距离(与非互易移相器4正下方对应部分的波导路径5、5间的距离)为0.3mm。
下面详细说明构成光隔离器1的各结构元件。
[衬底2]
光隔离器1中，衬底2使用化合物半导体衬底。本实施方式中，如后述，半导体激光器的工作波长λ＝1.55μm，所以使用InP衬底，也可以使用与激光器工作波长的波段对应的化合物半导体衬底。
[波导层3]
波导层3，使用化合物半导体材料，由与半导体激光器的有源层同一工序形成。这种结构，能够由同种材料使光隔离器1的波导层3和半导体激光器的有源层同时结晶生长，能够自动实现厚度方向的光轴对齐。
光隔离器1中使用的波导层3，使用改变半导体组成以使折射率大于3.36的波导层。
即，波导层3使用由III-V族化合物半导体构成的波导层。这种波导层3，如第7图所表示的化合物半导体材料与其带隙波长之间的关系，例如可以使用GaxIn1-xAsyP1-y、AlxIn1-xGayAs1-y(0<x<1，0<y<1)等。以下说明波导层3使用GaxIn1-xAsyP1-y的情况，但由其他III-V族化合物半导体构成的波导层，也是一样的。
使用了GaInAsP的波导层3，为了提高GaInAsP的结晶性，有与InP衬底2的晶格常数一致的晶格匹配。不破坏此晶格匹配，通过调整，改变GaxIn1-xAsyP1-y的x值、y值来改变半导体组成，从而改变波导层3的折射率，使折射率大于3.36。
通常，波导层3的折射率变大后，使存在于价电子带中的电子向导体激励的带隙能会降低。即，带隙能＝[1.24ev/带隙波长(μm)]的带隙波长变长。第8图表示带隙波长与波导层的折射率的关系。半导体激光器波长λ＝1.55μm，波导层3使用GaInAsP，作为波导层3的GaInAsP与作为衬底2的InP晶格匹配。
带隙波长变长、接近工作波长时，必须考虑工作波长中GaxIn1-xAsyP1-y中光吸收影响所导致的激光能量的减少。因此，为了使工作波长与带隙波长的差在规定值以上(激光能量减少后的能量产量不成问题的程度)，必须选择GaxIn1-xAsyP1-y的半导体组成，决定折射率。
但是，即使工作波长(本实施例中为1.55μm)与带隙波长的差在规定值以上，实际上也不能将带隙波长大于工作波长的GaInAsP用于波导层。其原因是，带隙波长大于工作波长的GaInAsP，会高效吸收工作波长的光，所以作为光隔离器的波导层是不合适的。因此，将带隙波长小于工作波长的GaInAsP用于波导层3。
并且，仅仅是GaInAsP的带隙波长稍微小于工作波长，波导路径5中的光吸收还不能足够小，不能充分降低光隔离器1的正向损失。因此，实际上将带隙波长远远小于工作波长的GaInAsP用于波导层3。
这里，在工作波长中，选择带隙波长，使波导路径5中的光吸收足够小，为此，带隙波长应比工作波长短多少还没有明确。从经验上来说，若是带隙波长比工作波长短0.1μm的GaInAsP，则波导路径5中的光吸收足够小。
本实施例中表示以下情况:假定光隔离器1的工作波长λ在1.52μm以上，将带隙波长λg＝1.42μm的GaInAsP作为波导层使用。
另外，波导层3的厚度是，是对于半导体激光器的工作波长、产生最大非互易移相量的厚度。
第9图是表示波导层3的厚度与非互易移相量的关系的图。即，表示波导层3的折射率一定、改变波导层3的厚度来计算非互易移相量大小的结果的一例的图表。第9图中，半导体激光器的工作波长λ＝1.55μm，衬底2使用InP，波导层3使用折射率为3.36及3.45的GaInAsP，包层8使用提供非互易移相变化的磁光物质(Ce:YIG)。
由第9图可知，波导层3的折射率一定时，非互易移相量与波导层3的厚度对应发生变化。并且，第9图中，得到最大非互易移相量的波导层3的厚度，在波导层3的折射率为3.36时是0.44μm，在波导层折射率为3.45时是0.36μm。
第10图是表示波导层3的折射率与得到最大非互易移相量的波导层3厚度的关系的图表。如第10图所示，得到该最大非互易移相量的波导层3的厚度，随着波导层3折射率变化而改变。第10图中，半导体激光器波长λ＝1.55μm，波导层3使用GaInAsP波导层。
[非互易移相器4]
非互易移相器4，如上述，该非互易移相器4的结构如下:具有由磁光材料构成的包层8、用于将磁光材料的磁化统一为规定方向的磁场施加部件9，磁场施加部件9设置在包层8上。
包层是在合适的衬底上结晶生长形成的(该衬底在包层8与磁场施加部件9之间)，图中省略此衬底。
另外，如图示，本实施例中，磁场施加部件9使用同极性相对设置的一对小型永磁。但是，为了将用于包层8的磁光材料的磁化统一为规定方向，只要是具有与小型永磁相同的功能，可以使用各种物质。并且，也可以不设置磁场施加部件9，事先将用于包层8的磁光材料自身磁化。
为了使上述非互易移相器4小型化，必须在短路径中增大非互易移相量。
另外，为了得到大的非互易移相量，必须增加光功率向非互易移相器4中的包层8的泄露。
(1)若使波导层3的厚度保持一定地增大波导层3的折射率，则光锁入波导层3的效果变好，所以光功率向磁光材料的包层8的泄露变小。
(2)另外，若增大波导层3的折射率，一定值以下的波导层3的厚度中，在波导路径5中光无法传输的膜厚(截止膜厚)变薄。即，若增大波导层3的折射率，则能够使非互易移相器4中波导层3的厚度变薄，所以光功率向包层8的泄露变大。
(2)项的作用效果与(1)项相反，(2)项和(1)中哪项的效果大，决定光功率向磁光材料的泄露变大还是变小。
第11图是表示波导层3的折射率与光功率向包层8泄露比例的关系的图表。第11图中，工作波长λ＝1.55μm，波导层3使用GaInAsP波导层，且其厚度是各折射率中得到最大非互易移相量的厚度，包层8使用Ce:YIG。
由第11图可知，波导层3的折射率变大后，光功率向包层8泄露变大。即，比较折射率3.36的以往波导层和折射率3.45的本发明波导层3的光功率泄露比例，可得知光功率的泄露比例大约上升1.0％。因此，第11图中，与(1)项的效果相比，(2)项效果更大。
第12图是表示波导层3的折射率与非互易移相器4的长度的关系的图。第12图中，工作波长λ＝1.55μm，波导层使用GaInAsP波导层，且其厚度是各折射率中得到最大非互易移相量的厚度。
由图12可知，非互易移相器4中，光功率向包层8的泄露变大后，非互易移相器4的长度，由以往的6.14mm最大能够缩短到带隙波长与工作波长的差为规定值以上的波导层3的折射率所得到的长度。
[弯曲波导路径6]
为了使弯曲波导路径6小型化、使光隔离器1小型化，必须减小波导层3上形成的弯曲波导路径6的弯曲部分的曲率半径。但是，减小弯曲波导路径6的曲率半径后，光射到波导路径5、6外部所导致的光损失(弯曲导致的光损失。以下称为“弯曲损失”)变大。
为了最大限度地防止该弯曲损失，必须提高光锁入波导路径5核心部分(波导层3内光波横向集中的部分)的效果。并且，光隔离器1中，弯曲波导路径6使用S字波导路径。
这里，比较以往的光隔离器101和本发明的光隔离器1，在弯曲波导路径6中、改变曲率半径时的弯曲损失。
第13图是表示以往光隔离器101的第3图的B-B’剖面图，第14图表示第13图所示的弯曲波导路径(波导层的折射率为3.36，工作波长为1.55μm)中曲率半径与弯曲损失量的关系。
第15图是表示本发明光隔离器的第5图的C-C’剖面图，第16图表示第15图所示的弯曲波导路径6(波导层3的折射率为3.45，工作波长为1.55μm)中改变曲率半径时的弯曲损失量变化。
但是，通过弯曲波导路径6的光除了弯曲损失，还有波导路径5的侧壁凹凸导致的散射损失，所以求纯粹的弯曲损失，作为实测来说很困难。因此模拟中的弯曲损失理论值与实测值有很大偏差。为了更接近事实，第14图及第16图所示的弯曲损失测定值，是包含散射损失的实测值，也是多次实测值的平均值。另外，第14图及第16图所示的弯曲损失测定值，是弯曲波导路径6的1个区间中的损失值。
第14图所示的以往光隔离器的弯曲波导路径，在曲率半径R＝1.0mm(1000μm)时，弯曲损失约为1dB。但是，如第14图所示，以往的光隔离器中，弯曲波导路径的曲率半径R小于1.0mm时，弯曲损失急剧增加。弯曲损失急剧增加的原因，是因为光一下子射到波导路径外部。因此，以往的光隔离器的弯曲波导路径，曲率半径R不能小于1.0mm。
对此，第15图所示的本发明的光隔离器1的弯曲波导路径6，如第16图所示，即使曲率半径R小于1.0mm，弯曲损失虽然会缓慢增加，但不会急剧增加。
即，本发明的光隔离器1的弯曲波导路径6，对于波导路径5的核心部分，能够得到光锁入效果，由此能够有效抑制弯曲损失。由于弯曲波导路径6的曲率半径R能够小于1.0mm，所以能够缩短弯曲波导路径6的器件长度，由此能够缩短光隔离器1的器件长度，实现小型化。
[分支耦合器7]
本发明的光隔离器1中，如上述，分支耦合器7使用具有输入部MMI耦合器71及输出部MMI耦合器72的多模干涉型分支耦合器。由此，能够缩短作为分支.耦合光波的部分的耦合波导路径的长度，所以能够进一步使光隔离器1小型化。
即，多模干涉型分支耦合器时，输入部MMI耦合器71中设置了3个输入波导路径和两个输出波导路径，输出部MMI耦合器72中设置了两个输入波导路径和1个输出波导路径。
输入部和输出部结构不同的原因在于，多模干涉型分支耦合器时，输入部MMI耦合器71中，反相入射的光波必须有效射到外部，所以必须设置3个输入波导路径和两个输出波导路径；另外，输出部MMI耦合器72中，构成干涉仪的两个波导路径(输入波导路径)中传输的光波是同相入射到输出部MMI耦合器72中，所以可以只设置1个输出波导路径。
与之相对，第4图所示的以往锥状分支耦合器105中，输入侧设置了3个输入波导路径和两个输出波导路径，输出侧设置了两个输入波导路径和3个输出波导路径，输入侧和输出侧的结构是相同的。
所以，多模干涉型分支耦合器比锥状分支耦合器小，因此分支耦合器7使用多模干涉型分支耦合器时，能够实现光隔离器1的小型化。
另外，MMI耦合器71及72，是容许多个波导模式的多模波导路径结构。所以，通常，为了使光入射或者从多模波导路径中取出光，波导路径(一般来说是单模波导路径)设置在起始端和终端。
多模波导路径是阶跃折射率波导路径，所以剖面横向的模式次数远远大于剖面纵向的模式次数。所以，可以认为剖面纵向的所有模式都一样、只有横向存在多个模式，可以假设模式在波导路径的水平方向作用。因此，以下说明中，是剖面横向与模式前进方向的2维结构，具有一般性，作为2维多模波导路径来说明。
即，MMI耦合器71及72具有平面波导结构，有第17图所示的2维图。图中的WM表示阶跃折射率波导路径宽，nr表示带脊部分等效折射率，nc表示包层部分等效折射率。输入的光波，表示第18图所示的阶跃折射率波导路径内的模式。该波导路径容许M次的横向模式，模式编号v＝0、1、......(M-1)。We表示有效宽度。这样，在很宽的区域(多模波导路径)里，多个传输速度不同的模式被激励。因各模式的传输速度会不同，所以，伴随着传输，会有各种干涉形态，使用此干涉的结果，在垂直于传输方向的横向上形成合适的光强度分布，使光分支。相反，也可以通过传输，合波后耦合。
第19图表示多模波导路径的横向模式剖面图。这里，Lπ表示基本模式和1次模式的振动长度的差。这样，以z＝0为起点，完全包含We的入射面，能够分解为全模分布。
即，锥状分支耦合器中，使波导路径接近，光向其他波导路径缓慢分支或者从其他波导路径缓慢耦合。与之相对，多模干涉型分支耦合器中，如上述，通过激励模式形成合适的光强度分布，使光分支或使光传输后耦合，所以能够使分支耦合器7小型化，结果能够使光隔离器1小型化。
下面，对比以往尺寸来说明构成光隔离器1的各部分的小型化结构的实施例。
[波导层3]
波导层3使用GaInAsP，对衬底2(InP)保持晶格匹配，同时使波导层3的厚度相对工作波长量化，改变半导体组成，由此增大波导层3的折射率。
[非互易移相器4]
使用第12图说明对于上述波导层3的折射率、取发生最大非互易移相量的波导层3厚度时、非互易移相器4的长度。
以往的非互易移相器4中，对于工作波长λ＝1.55μm，带隙波长λg＝1.25μm，这时波导层3(GaInAsP波导层)的厚度为0.44μm，折射率为3.36，非互易移相器4的长度为6.14mm。本实施例中，对于工作波长λ＝1.55μm，带隙波长λg＝1.42μm，这时波导层3的厚度为0.36μm，折射率为3.45，用于得到π/2非互易移相效应的非互易移相器4的长度为3.73mm。
本实施例中，为了明示数值，作为一例，折射率为3.45，非互易移相器4的长度为3.73mm，但只要是能够保证作为可变值的工作波长λ与取决于折射率的带隙波长λg的差为规定量、能够容许激光衰减的范围，可以通过增大折射率来缩短非互易移相器4的长度。
[弯曲波导路径6]
通过提高波导层3的折射率，能够提高波导路径5中的横向光锁入效果，能够使曲率半径减小到0.5mm。曲率半径减小到0.5mm时，要得到0.15mm的横向移位量，弯曲波导路径6的器件长度为0.55mm就可以了，所以能够实现弯曲波导路径6的小型化。
弯曲波导路径6的曲率半径由工作波长、与工作波长对应的波导层3的厚度、波导层3的折射率大小决定。因此，上述曲率半径的数值是一个例子，只要能够得到横向光锁入效果、工作波长和带隙波长的关系使激光衰减在容许范围内，还可以再减小曲率半径使弯曲波导路径6的器件长度进一步小型化。
[分支耦合器7]
使用以往的锥状分支耦合器105时的尺寸，如第4图所示，输入侧和输出侧的锥状分支耦合器105，都为0.41mm。
与之相对，本发明中，使用多模干涉型分支耦合器时的尺寸，如第20图所示，输入部MMI耦合器71为0.25mm，输出部MMI耦合器72为0.05mm。
因此，与使用锥状分支耦合器时相比，能够缩短约0.52mm的器件长度，能够使光隔离器1小型化。
MMI耦合器71及72的器件长度是一个例子，通过使用上述MMI耦合器71及72，与使用以往锥状分支耦合器时相比，能够实现光隔离器1的小型化。另外，根据使用的MMI耦合器，还能够使光隔离器1更加小型化。
另外，本发明的光隔离器的结构还可以进行如下改变。除了设置在衬底上的下包层10，其他结构与上述光隔离器一样，所以下述说明中，相同结构元件使用相同符号，省略其说明。非互易移相器，如上述，具有包层8和磁场施加部件9，但下述说明中，为了便于理解，将包层8表示为上包层8。
光隔离器1’，如第21图表示的立体图和第22图表示的第21图D-D’剖面图所示，形成衬底2、下包层10和波导路径5及弯曲波导路径6，另外还具有设置了分支耦合器7的波导层3和非互易移相器4。
即，光隔离器1’，首先在衬底2上形成结晶生长的下包层10。然后在形成了该下包层10的衬底2上，设置使用半导体材料结晶生长的波导层3。并且，波导层3上设置了具有上包层8及磁场施加部件9的非互易移相器4。另外，波导层3上，与上述光隔离器1一样，形成在波导层3中导波的波导路径5及弯曲波导路径6，还设置了分支耦合器7。
下包层10是为了增大非互易移相量而设置的，所以至少插入图示位置上，也可以形成在光隔离器1’的整个衬底2上。
光隔离器1’的器件长度，如上述，可以通过增大波导层3的折射率来缩短。
此外，如果能够减小下包层10的折射率，能够进一步缩短光隔离器1’的器件长度，进一步小型化。
第23图是表示非互易移相量与波导层3厚度的关系的图。即，表示下包层10的折射率(nuc)保持一定时、伴随波导层3厚度变化的非互易移相量变化的图表。第23图中，半导体激光器的工作波长λ＝1.55μm，波导层3使用折射率3.45的GaInAsP，上包层8使用Ce:YIG(法拉第旋转系数＝-4500deg/cm)，下包层10使用实施了氧化处理的AlInAs(折射率nuc＝2.39)。
第23图中，作为折射率最低的例子，将空气作为下包层10时，即折射率nuc＝1.0的情况由虚线来表示。
由第23图可知，与未设置下包层10时(第9图)一样，波导层3的折射率及下包层10的折射率一定时，非互易移相量对应波导层3的厚度发生变化。第23图中，得到最大非互易移相量的波导层3的厚度为0.18μm。
第24图表示波导层3的折射率与非互易移相器4的长度之间的关系。第24图中，工作波长λ＝1.55μm，波导层3使用GaInAsP，其厚度为波导层3的各折射率中得到最大非互易移相量的厚度。
即，波导层3的厚度设为得到最大非互易移相量的厚度，对于波导层3的折射率，将下包层10的折射率nuc作为参数，计算出的光隔离器1’所必需的非互易移相器4的长度的结果如第24图所示。
由第24图可知，下包层10的折射率nuc越低，越能够缩短非互易移相器4的长度。
波导层3使用GaInAsP时，形成折射率nuc低的下包层10的方法有:
(1)由蚀刻等方法除去波导层3的衬底2(因工作波段而不同，例如为InP)、将空气包层作为下包层10的方法
(2)由结晶生长在波导层3下形成例如含铝的化合物半导体(AlInAs)后、通过使化合物半导体氧化来降低AlInAs层的折射率、作为下包层10的方法。
(1)方法能够形成折射率最低的空气下包层10，但由于除去了波导层3正下方的衬底2后形成，在实际使用中，机械脆弱性可能会是个问题。
与之相对，(2)方法能够在衬底2和波导层3之间形成固体的低折射率的下包层10。因此，能够缩短非互易移相器4的长度乃至光隔离器1’的器件长度，同时能够避免上述机械脆弱性的问题。并且(2)方法中，由实验得出，使AlInAs层氧化后形成的下包层10的折射率为2.39。
以上以工作波长λ＝1.55μm时为例说明了本发明的光隔离器1。除了工作波长λ＝1.55μm之外，例如在工作波长λ＝1.31μm带中，通过增大波导层的折射率，能够缩短得到最大非互易移相量所必需的传输距离，由此能够缩短光隔离器的器件长度，实现小型化。
下面说明光隔离器的工作波长λ＝1.31μm时的情况。除了工作波长，其他结构与上述工作波长λ＝1.55μm的光隔离器1一样，所以相同结构元件用相同符号表示，省略其说明。
即，半导体激光器的工作波长λ＝1.31μm，波导层3使用带隙波长λg＝1.15μm的GaInAsP，上包层8使用Ce:YIG(工作波长λ＝1.31μm中折射率为2.202，法拉第旋转系数＝-7360deg/cm)，衬底2为InP(工作波长λ＝1.31μm时的折射率＝3.207)。
第25图是表示波导层3厚度与非互易移相量关系的图表。即，表示波导层3的折射率一定、为3.375、改变波导层3的厚度计算出的非互易移相量大小的结果的一例。第25图中，半导体激光器的工作波长λ＝1.31μm，衬底2使用InP，波导层3使用折射率3.375的GaInAsP，包层8使用Ce:YIG。
由第25图可知，工作波长λ＝1.31μm、折射率为3.375的波导层3，厚度为0.396μm时，非互易移相量最大。
第26图是表示波导层3的折射率与非互易移相器4长度关系的图。即，第26图的图表表示波导层3的各折射率中，要得到光隔离器1动作所需的π/2非互易移相量，所需要的传输距离的计算结果。第26图中，工作波长λ＝1.31μm，波导层3使用GaInAsP，其厚度为各折射率中得到最大非互易移相量的厚度。
由第26图可知，波导层3的折射率越高，得到一定非互易移相量所需的传输距离越短，所以能够缩短非互易移相器4的长度。即，通过提高波导层3的折射率，能够增大非互易移相量，能够缩短隔离动作所需的非互易移相器4的长度。
上述效果，在波导层3的折射率越高时越大。但是将与衬底2晶格匹配后的GaInAsP作为波导层3时，提高波导层3的折射率，可以将带隙波长λg设定为更长的波长。另外，如上述，为了使光隔离器1低损失，必须使带隙波长λg与工作波长λ有一定距离。即，波导层3必须使用带隙波长λg远远短于工作波长λ的GaInAsP。
因此，第26图中，最高折射率3.447的波导层3与带隙波长λg＝1.25μm对应，考虑1.31μm波段(1.26～1.36μm)中的动作的话，波导层3使用GaInAsP时，折射率无法再提高。

Claims (8)

1.一种光隔离器，具有衬底、与该衬底晶格匹配的波导层、非互易移相器，在上述波导层上形成在该波导层中导波的波导路径及弯曲波导路径、并设置分支耦合器，其特征在于，改变上述波导层的半导体组成，使其折射率大于3.36。
2.根据权利要求1所述的光隔离器，其特征在于，上述波导层具有对于该波导层折射率产生最大非互易移相量的厚度。
3.根据权利要求1或2所述的光隔离器，其特征在于，上述非互易移相器的长度小于6.14mm。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光隔离器，其特征在于，上述弯曲波导路径的曲率半径小于1.00mm。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光隔离器，其特征在于，上述分支耦合器为多模干涉型分支耦合器。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的光隔离器，其特征在于，上述光隔离器的器件长度小于10.08mm。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的光隔离器，其特征在于，上述波导层为III-V族化合物半导体。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的光隔离器，其特征在于，上述衬底为InP，上述波导层为GaxIn1-xAsyP1-y(0<x<1，0<y<1)。
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