【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は平面型二次元導波路に関するものであり、特に光導波路型干渉計、色フィルタ、光導波路型偏光子および光導波路型アイソレータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、種々の薄膜導波路型の光デバイスが提案されてきた。これらのうち、伝搬する光のモード間の干渉を利用した光導波路型干渉計は、干渉条件を適切に定めることによって、光導波路型偏光子や光導波路型アイソレータとして機能させることができる。これらの光導波路型偏光子や光導波路型アイソレータは、同様の機能を有するバルク型のものに比較して小型化することができ、また光ＩＣ（光平面回路）に組み込んで使用することも容易である。
【０００３】
ここで、従来提案されている薄膜導波路型干渉計の構成例を図７・図８を参照して説明する。
図７は、薄膜導波路によるストリップ横断（ｃｒｏｓｓ−ｓｔｒｉｐ）型干渉計の透視斜視図、図８はその断面図である。このストリップ横断型干渉計では、コア４（この例ではコア下層４１とコア上層４２との積層構造になっているが、ここではまとめてコア４という。）より屈折率の小さな基板５の上にコア４が形成されており、さらにコア４の上にコア４より屈折率の小さなクラッド６が形成されている。この平面型二次元導波路は、コア４の膜厚の異なる、第１・第２・第３の三つ領域が光の伝搬方向に沿って直列に接続された形になっている。第２領域ＩＩのコア４の膜厚ｔ４２は、第１領域Ｉのコア４の膜厚ｔ４１および第３領域ＩＩＩのコア４の膜厚ｔ４３よりも厚くなっている。
なお、基板５の屈折率は第１・第２・第３の各領域Ｉ，ＩＩ，ＩＩＩを通じて同じであり、コア４の屈折率およびクラッド６の屈折率も同様に第１・第２・第３の各領域Ｉ，ＩＩ，ＩＩＩを通じて同じである。
【０００４】
平面型二次元導波路において、光の伝搬方向に垂直で且つ膜の面内方向には境界条件が導入されていないので、この方向には次数によって表される光のモードは立たない。光の伝搬方向に垂直で且つ膜の法線方向には境界条件が導入されているので、この方向にのみ次数によって表される光のモードが立つ。
【０００５】
ストリップ横断型光導波路が干渉計として動作する原理を図８を用いて説明する。
ストリップ横断型干渉計において三つの領域Ｉ，ＩＩ，ＩＩＩのコア４の各膜厚ｔ４１，ｔ４２，ｔ４３は、それぞれの領域がある特定のモード条件を満たすように選ばれている。すなわちコア４の膜厚の比較的薄い第１領域Ｉおよび第３領域ＩＩＩは、光のＴＥモードまたはＴＭモードのどちらか一方または双方の基本モード（０次モード）光ｍ１のみが伝搬可能なシングルモード条件を満たすように、そのコア４の膜厚ｔ４１が選ばれている。またコア４の膜厚の比較的厚い第２領域ＩＩは、光のＴＥモードまたはＴＭモードのどちらか一方または双方の基本モード光ｍ２１および１次モード光ｍ２２のみが伝搬可能なように、そのコア４の膜厚ｔ４２が選ばれている。したがって、第１領域Ｉと第２領域ＩＩとの境界で、第１領域Ｉを伝搬してきた基本モード光ｍ１は基本モード光ｍ２１および１次モード光ｍ２２へと分裂して、光の伝搬方向の長さＬ２を有する第２領域ＩＩを伝搬する。
【０００６】
ところで、一般にモードの次数によって光の伝搬定数は異なっている。そのため、第２領域ＩＩと第３領域ＩＩＩとの境界で第２領域ＩＩを伝搬してきた基本モード光ｍ２１と１次モード光ｍ２２とは、その位相が異なることになる。第３領域ＩＩＩでは基本モード光ｍ３しか伝搬できないから、第２領域ＩＩと第３領域ＩＩＩとの境界で二つのモードｍ２１およびｍ２２の光が干渉的に重ね合わせられ、第３領域ＩＩＩを基本モード光ｍ３として伝搬する。
【０００７】
このようにストリップ横断型光導波路は、第１領域Ｉと第２領域ＩＩとの境界である第１の分岐点で光の経路が二つのアームに分岐したのち、第２領域ＩＩと第３領域ＩＩＩとの境界である第２の分岐点で再び一つの経路に戻るマッハ−ツェンダー型干渉計と同様に干渉計として動作する。したがって第２領域ＩＩの長さＬ２は干渉計の作用長に相当する。
【０００８】
このような干渉計として動作するストリップ横断型光導波路は、非特許文献１で提案されている。
【０００９】
このような干渉計において、ある波長を有する光は第２領域ＩＩと第３領域ＩＩＩとの境界で二つのモードｍ２１およびｍ２２の光が強めあうように干渉する。またそれとは別のある波長の光は弱めあうように干渉する。強めあうように干渉する波長の光はストリップ横断型光導波路を透過し、弱めあうように干渉する波長の光は遮断される。ストリップ横断型光導波路を形成するコア４、基板５およびクラッド６の各媒質の屈折率の波長分散性が十分に小さいとすれば、横軸に波長を、縦軸にストリップ横断型光導波路の透過率をとったときに、透過率は波長変化に対し概周期的に変化する。このことはストリップ横断型光導波路が光の波長に対して櫛型フィルタとして動作することを意味している。
【００１０】
光導波路型の色フィルタについては、特許文献１に開示されている。この特許文献１では光導波路の形状は限定されていない。また光導波路の種類を光ファイバーに限った光導波路型色フィルタについて、非特許文献７に示されている。但し、特許文献１および非特許文献７においては、いずれも第２領域は２重モード領域（基本モードと１次モードのみが伝搬可能な領域）とは限らず、さらに多くのモードを含み得る多モード領域とされている。
【００１１】
また、上記ストリップ横断型干渉計を偏光子として動作させる場合は次のとおりである。
一般に、光導波路においてＴＥモードとＴＭモードの伝搬定数は異なっている。図７・図８に示したストリップ横断型干渉計において、例えばＴＥモードについては、第１領域Ｉと第２領域ＩＩとの境界で、基本モード光ｍ２１と１次モード光ｍ２２とに分かれたのち、それぞれの伝搬定数を持って第２領域ＩＩを伝搬し、第２領域ＩＩと第３領域ＩＩＩとの境界において、これらの二つのモードが強めあう位相で干渉するものとする。一方、ＴＭモードについては、第１領域Ｉと第２領域ＩＩとの境界で基本モード光ｍ２１と１次モード光ｍ２２とに分かれたのち、それぞれの伝搬定数を持って第２領域ＩＩを伝搬し、第２領域ＩＩと第３領域ＩＩＩとの境界において、これらの二つのモードが弱めあうよう位相で干渉するものとする。この場合、このストリップ横断型干渉計は、ＴＥモードの光を透過しＴＭモードの光を遮断する偏光子として機能する。
【００１２】
逆に、ＴＥモードについて、第２領域ＩＩと第３領域ＩＩＩとの境界において、基本モード光ｍ２１と１次モード光ｍ２２とが弱めあう位相で干渉し、ＴＭモードについて、第２領域ＩＩと第３領域ＩＩＩとの境界において、基本モード光ｍ２１と１次モード光ｍ２２とが強めあう位相で干渉するように構成した場合には、そのストリップ横断型干渉計はＴＥモードの光を遮断しＴＭモードの光を透過する偏光子として動作する。
【００１３】
このような偏光子として動作するストリップ横断型干渉計は、非特許文献１および非特許文献２で提案されている。
【００１４】
上記ストリップ横断型干渉計を光アイソレータとして動作させる場合は次のとおりである。
一般に光導波路のコアの面内方向で且つ光の伝搬方向に垂直方向に外部磁場を印加することでその方向にコアを磁化すると、ＴＭモードの伝搬方向によって伝搬定数が異なることが知られている（たとえば非特許文献８参照）。この現象は、磁性体であるコアのファラデー効果によって生じ、「非相反位相シフト」と呼ばれている。光導波路のコアがファラデー効果の大きな強磁性体である場合に光導波路の非相反位相シフトの効果は大きい。
【００１５】
図７・図８に示したストリップ横断型干渉計を、第１領域Ｉ、第２領域ＩＩおよび第３領域ＩＩＩの順に順方向に光が伝搬する場合、第１領域Ｉと第２領域ＩＩとの境界で二つのモードの光ｍ２１，ｍ２２に分かれたのち、それぞれの伝搬定数をもって第２領域ＩＩを伝搬し、第２領域ＩＩと第３領域ＩＩＩとの境界において、これらの二つのモードが強めあう位相で干渉するものとする。また、第３領域ＩＩＩ，第２領域ＩＩおよび第１領域Ｉの順に、すなわち逆方向に光が伝搬する場合、第３領域ＩＩＩと第２領域ＩＩとの境界で二つのモードの光ｍ２１，ｍ２２に分かれたのち、それぞれの伝搬定数をもって第２領域ＩＩを伝搬し、第２領域ＩＩと第１領域Ｉとの境界において、これらの二つのモードが弱めあう位相で干渉するものとする。このようなストリップ横断型干渉計は、正方向にはＴＭモードの光を透過し、逆方向には遮断する光アイソレータとして動作する。
【００１６】
このようにストリップ横断型干渉計を光アイソレータとして動作させることは、非特許文献１および非特許文献３で提案されている。
【００１７】
また、元来、ストリップ横断型干渉計と同様に干渉計として動作する薄膜導波路型のマッハ−ツェンダー型干渉計を光アイソレータとして動作させることは、非特許文献４、非特許文献５、および非特許文献６で提案されている。
【００１８】
【非特許文献１】
Ｍ．Ｌｏｈｍｅｙｅｒ ｅｔ ａｌ．：Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＳＰＩＥ，ｖｏｌ．４２７７ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ｖ ｐ．２３０（２００１）
【非特許文献２】
Ｍ．Ｌｏｈｍｅｙｅｒ ｅｔ ａｌ．：Ｏｐｔｉｃａｌ ａｎｄ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ｖｏｌ．３３ ｐ．４１３（２００１）
【非特許文献３】
Ｍ．Ｌｏｈｍｅｙｅｒ ｅｔ ａｌ．：Ｏｐｔｉｃｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ，ｖｏｌ１８９ ｐ．２５１（２００１）
【非特許文献４】
Ｙ．Ｏｋａｍｕｒａ ｅｔ ａｌ．：Ａｐｐｌ．Ｏｐｔｉｃｓ，ｖｏｌ．２３ ｐ．１８８６（１９８４）
【非特許文献５】
Ｔ．Ｍｉｚｕｍｏｔｏ ｅｔ ａｌ．：Ｊ．Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈ．，ｖｏｌ．ＬＴ−４ ｐ．３４７（１９８６）
【非特許文献６】
Ｙ．Ｏｋａｍｕｒａ ｅｔ ａｌ．：Ｊ．Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈ．，ｖｏｌ．ＬＴ−４ ｐ．７１１（１９８６）
【非特許文献７】
Ｐ．Ｒ．Ｈｏｒｃｈｅ ｅｔ ａｌ．：ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．１ ｐ．１８４（１９８９）
【非特許文献８】
川西、近角、櫻井編集「磁気工学ハンドブック」ｐ．７９８、朝倉書店（１９９８）
【特許文献１】
特表平９−５０５１５４号公報
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
非特許文献１に、図７に示すストリップ横断型干渉計を偏光子として動作させるときの動作条件の一例が開示されている。それによれば、基板５の屈折率が１．４６５、コア下層４１の屈折率が２．０１、コア上層４２の屈折率が２．３、クラッド５の屈折率が１．０のとき、波長１．３μｍで動作するために、第１領域Ｉおよび第３領域ＩＩＩのコア４の全膜厚ｔ４１およびｔ４３は０．３３３μｍ、第２領域ＩＩの全膜厚ｔ４２は０．６７３μｍ、（第１・第２・第３領域Ｉ，ＩＩ，ＩＩＩにおいてコア下層４１の膜厚は０．４４４μｍで共通）、第２領域ＩＩの長さＬ２は１０．８８２μｍとなった。
【００２０】
このように第２領域ＩＩの長さＬ２、すなわち偏光子の作用長がバルク型偏光子の長さと比べて非常に短いことは光導波路型偏光子として好ましいことである。一方、第１領域Ｉおよび第３領域ＩＩＩのコア４の膜厚が０．３３３μｍと薄いことは、光導波路型偏光子を光ファイバと結合する場合に大きな問題となりうる。シングルモード光ファイバ（以下「ＳＭＦ」という。）のコア径は約１０μｍであるので、コアの膜厚が０．３３３μｍの光導波路の端面と結合したときの結合効率が低くなることが予想されるからである。
【００２１】
一方、基板５またはクラッド６のどちらか一方または双方の屈折率を、コア４の屈折率より小さいという条件を守りながら大きくすれば、 第１領域Ｉおよび第３領域ＩＩＩのコア４の膜厚を大きくできる。このことは、光導波路の導波モードの性質から自明である。この場合、光導波路型偏光子とＳＭＦとの結合が容易となる。ところがそれに相反して、第２領域ＩＩの長さＬ２、すなわち偏光子の作用長が長くなり、薄膜導波路型光学部品の小型化容易性という利点の一つを失ってしまう。
【００２２】
また、特許文献１や非特許文献７に示されている光導波路型の色フィルタでは、必ずしも平面型二次元光導波路にその形状が限定されておらず、たとえば光ファイバを用いた光導波路型色フィルタもあり得るものとして記述されている。光ファイバを用いた光導波路型色フィルタは、光ファイバと組み合わせて用いるのに適している。しかしながら平面型二次元導波路やチャネル型導波路と組み合わせる場合には厳密な位置決め精度が必要である。また光ＩＣの中に色フィルタを組み込む場合、光ファイバを用いた光導波路型色フィルタを構成しようとすれば、組み込み位置に位置決めのためのＶ溝加工を行う必要があるなど、複雑で高精度な工程が必要となる。
【００２３】
このように従来の技術では、光ファイバとの結合部における十分な膜厚と短い作用長とを両立させることはできなかった。
この発明の目的は、上記問題を解消し、光ファイバとの結合部における十分なコアの膜厚と短い作用長とを両立させた、平面型二次元導波路、光導波路型干渉計、光導波路型色フィルタ、光導波路型偏光子および光導波路型アイソレータを提供することにある。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
この発明の平面型二次元導波路は、基板と、クラッド層と、該基板とクラッド層との間で主として光を伝搬するコアとで構成され、第１・第２・第３の領域を備え、第１・第２・第３の領域が光の伝搬する向きに順に直列に配置され、第１・第３の領域はＴＥモードまたはＴＭモードのどちらか一方または双方の基本モードの光が伝搬可能なシングルモード領域であり、第２領域はＴＥモードまたはＴＭモードのどちらか一方または双方の基本モードと１次モードの光が共に伝搬可能な二重モード領域であり、第２領域のクラッド層の屈折率を第１・第３領域のクラッド層の屈折率より小さく、且つ第２領域のコアの膜厚を第１領域および第３領域のいずれのコアの膜厚より厚くならないように定めたことを特徴としている。
【００２５】
この発明の光導波路型干渉計は、上記平面型二次元導波路において、第１領域から入射した基本モードの光が第１領域と第２領域との境界で基本モードと１次モードへ分裂し、該基本モードと１次モードの光が第２領域と第３領域との境界で干渉するように、または、第３領域から入射した基本モードの光が第３領域と第２領域との境界で基本モードと１次モードの光へ分裂し、該基本モードと１次モードの光が第２領域と第１領域との境界で干渉するように、前記第１・第２・第３の領域のクラッド層の屈折率とコアの膜厚とを定めたことを特徴としている。
【００２６】
この発明の光導波路型色フィルタは、上記光導波路型干渉計において、基本モードと１次モードの光の干渉により、光の波長に対する透過率を定めたことを特徴としている。
【００２７】
この発明の光導波路型偏光子は、上記光導波路型干渉計において、ＴＥモードとＴＭモードの２つの伝搬モードについて、それぞれの基本モードと１次モードの光の干渉が、前記ＴＥモードと前記ＴＭモードのうちの一方の伝搬モードを強め、他方の伝搬モードを弱めるように、第１・第２・第３の領域のクラッド層の屈折率とコアの膜厚とを定めたことを特徴としている。
【００２８】
この発明の光導波路型アイソレータは、上記光導波路型干渉計において、ＴＭモードの光の伝搬方向に垂直な方向で且つコアの面内方向に外部磁場を印加する手段を設け、ＴＭモードについて、第１領域から第２領域を通って第３領域の方向へ伝搬するときの基本モードと１次モードの光の干渉を強め、第３領域から第２領域を通って第１領域の方向へ伝搬するときの基本モードと１次モードの光の干渉を弱めるように、第１・第２・第３の領域のクラッド層の屈折率とコアの膜厚とを定めたことを特徴としている。
【００２９】
【発明の実施の形態】
第１の実施形態に係る平面型二次元導波路、光導波路型干渉計、光導波路型色フィルタ、光導波路型偏光子および光導波路型アイソレータについて、図１〜図３を参照して説明する。
【００３０】
図１は、平面型二次元導波路の透視斜視図、図２はその光伝搬方向に沿った断面図である。図２において、紙面に垂直方向に同じ構造が連続している。
【００３１】
図１・図２に示す平面型二次元光導波路は、光の伝搬方向に沿って第１領域Ｉ、第２領域ＩＩ、第３領域ＩＩＩが直列につながっているものと見なせる。これらの領域のうち、第１領域Ｉおよび第３領域ＩＩＩは、光のＴＥモードまたはＴＭモードのどちらか一方または双方の基本モードのみが伝搬可能なシングルモード条件を満たすように設定されている。したがって、第１領域Ｉと第３領域ＩＩＩは、ＴＥモードまたはＴＭモードの１次以上の高次モードを遮断する。第２領域ＩＩは、光のＴＥモードまたはＴＭモードのどちらか一方または双方の基本モードおよび一次モードのみが伝搬可能な二重モード条件を満たすように設定されている。したがって、第２領域ＩＩは、ＴＥモードまたはＴＭモードの２次以上の高次モードを遮断する。
【００３２】
この光導波路は、平坦な基板５の上にコア４となる膜がスパッタリング法、真空蒸着法、ＬＰＥ（液相エピタキシー）法、あるいはスピンコート法などの成膜技術により形成されている。さらに、少なくとも第１領域Ｉと第３領域ＩＩＩのコア４の上にはクラッド６１およびクラッド６３として機能する媒質が、コア４を形成する時に用いられるのと同様の成膜技術により形成されている。
【００３３】
基板５に用いる媒質として、たとえば研磨などの方法によって表面を平坦に加工したシリコン単結晶、無機ガラスまたは各種の酸化物単結晶などが挙げられる。コア４に用いる媒質として、たとえば無機ガラス、有機ガラス、各種の酸化物単結晶などが挙げられる。またクラッド６に用いる媒質として、コア４に用いられる媒質や空気が挙げられる。コア４の屈折率が基板５およびクラッド６のいずれの屈折率よりも大きいことは、伝搬する光が放射モードとならないために必須である。
【００３４】
なお、図１・図２に示した例では、コア４を単層構造としたが、この発明はそれに限らずコア４を多層構造にしてもよい。
【００３５】
各領域Ｉ，ＩＩ，ＩＩＩのモード条件は、使用する光の波長、各領域Ｉ，ＩＩ，ＩＩＩにおけるコア４の膜厚ｔ４１，ｔ４２，ｔ４３と、コア４の屈折率、基板５の屈折率および各領域Ｉ，ＩＩ，ＩＩＩのクラッド６１，６２，６３の屈折率とによって決まる。すなわち、コア４が単層であるとき、ｋ０を真空中における光の波長、ｔをコアの膜厚、ｎｆをコア４の屈折率、ｎｓを基板５の屈折率、ｎｃをクラッドの屈折率とすると、次の関係が成り立つとき、ｍ次モードが伝搬可能となる。
【００３６】
【数１】
【００３７】
但し、関数Ｍａｘは、関数の引数の内で大きいほうを与え、関数Ｍｉｎは、関数の引数の内で小さいほうを与える関数である。
【００３８】
図１・図２に示した平面型二次元光導波路が干渉計、偏光子あるいは光アイソレータとして動作する原理は、図７に示したストリップ横断型干渉計の場合と基本的には同じである。第１領域Ｉと第２領域ＩＩとの境界で、第１領域Ｉを伝搬してきた基本モード光ｍ１は、基本モード光ｍ２１および１次モード光ｍ２２へと分裂して、光の伝搬方向の長さＬ２を有する第２領域ＩＩを伝搬する。
【００３９】
各領域の伝搬定数はモードの次数によって異なっているので、第２領域ＩＩと第３領域ＩＩＩとの境界で基本モード光と１次モード光の位相は異なる。第３領域では基本モード光しか伝搬できないので、第２領域ＩＩと第３領域ＩＩＩとの境界で二つのモードの光が干渉的に重ね合わせられて第３領域ＩＩＩを基本モードとして伝搬する。このように図１・図２に示した平面型二次元光導波路は、図１に示したストリップ横断型干渉計と同様に干渉計として動作する。
【００４０】
この干渉計を光導波路型色フィルタとして用いる場合、図７に示したストリップ横断型光導波路が色フィルタとして動作するのと同じ原理を用いる。すなわちある波長を有する光は第２領域ＩＩと第３領域ＩＩＩとの境界で二つのモードｍ２１およびｍ２２の光が強めあうように干渉する。またそれとは別のある波長の光は弱めあうように干渉する。強めあうように干渉する波長の光は平面型二次元光導波路を透過し、弱めあうように干渉する波長の光は遮断される。コア４、基板５およびクラッド６の各媒質の屈折率の波長分散性が十分に小さいとすれば、横軸に波長を、縦軸に透過率をとったときに、透過率は波長変化に対し概周期的に変化する。したがって、この干渉計は光の波長に対して櫛型フィルタとして動作する。
【００４１】
さらに、ある特定の波長では透過率が極大となるが波長周期（上記波長変化に対する透過率変化の周期）が異なる複数の光導波路を直列に接続すれば、各光導波路の透過率が極大となる波長を中心波長とする所定の波長帯を透過させる光学バンドパスフィルタを構成することも可能となる。
【００４２】
図１・図２に示した平面型二次元干渉計は、ＴＥモードとＴＭモードとに関する干渉条件を適切に設定することで偏光子として動作させることが可能である。例えば、第１領域Ｉと第２領域ＩＩとの境界で、ＴＥモードとＴＭモードのそれぞれが基本モード光ｍ２１と１次モード光ｍ２２とに分けたのち、第２領域ＩＩと第３領域ＩＩＩとの境界において、ＴＥモードの基本モード光と１次モード光とが強めあうように干渉させ、ＴＭモードの基本モード光と１次モード光とが弱めあうように干渉させる。すなわち、このような条件を満たすように第１・第２・第３の領域のクラッド層の屈折率とコアの膜厚とを定める。このことにより、ＴＥモードの光を透過しＴＭモードの光を遮断する偏光子として機能する。
【００４３】
ここで、図２に示した平面型二次元光導波路型干渉計が偏光子として動作する具体的な条件を計算により求めた結果を示す。例えば、コア５の屈折率を２．１６９、基板５の屈折率を１．９３８、第１領域Ｉおよび第３領域ＩＩＩにおけるクラッド６１，６３の屈折率を２．１６０、第２領域ＩＩのクラッド６２の屈折率を１．０００とすれば、第１領域および第３領域の膜厚範囲は１．９６μｍ以上５．８３μｍ以下となって、膜厚を厚くできることがわかった。また、第２領域の長さＬ２すなわち偏光子の作用長は、５０．７μｍにまで短くできることがわかった。
【００４４】
因みに、図７・図８に示した従来の構造で、コアの屈折率を２．１６９、基板の屈折率を１．９３８、クラッドの屈折率を１．０００とし、偏光子として動作する条件を計算により求めると、第２領域の長さＬ２は５０．７μｍにまで短くすることができるが、第１領域Ｉおよび第３領域ＩＩＩのコアの膜厚範囲は０．３７μｍ以上１．０６μｍ以下と極めて薄くしなければならない。
【００４５】
また、コアの屈折率を２．１６９、基板の屈折率を１．９３８、クラッドの屈折率を２．１６０とすれば、第１領域Ｉおよび第３領域ＩＩＩのコアの膜厚範囲は１．９６μｍ以上５．８３μｍ以下と厚くなるが、第２領域の長さＬ２は、最短でも約８ｃｍと長くなってしまう。
【００４６】
また、図１・図２に示した平面型二次元干渉計を、ＴＭモードについての非相反位相シフトを利用して順方向および逆方向に伝播するＴＭモードに関する干渉条件を適切に設定することで光アイソレータとして動作させることが可能である。そのために、ＴＭモードの光の伝搬方向に垂直な方向で且つコアの面内方向に外部磁場を印加する手段を設け、第１領域Ｉ、第２領域ＩＩおよび第３領域ＩＩＩの順に順方向に光が伝搬する場合、第１領域Ｉと第２領域ＩＩとの境界で二つのモードの光ｍ２１，ｍ２２に分けたのち、第２領域ＩＩと第３領域ＩＩＩとの境界において、これらの二つのモードが強めあう位相で干渉させる。また、第３領域ＩＩＩ，第２領域ＩＩおよび第１領域Ｉの順に、すなわち逆方向に光が伝搬する場合、第３領域ＩＩＩと第２領域ＩＩとの境界で二つのモードの光ｍ２１，ｍ２２に分けたのち、第２領域ＩＩと第１領域Ｉとの境界において、これらの二つのモードが弱めあう位相で干渉させる。すなわち、このような条件を満たすように第１・第２・第３の領域のクラッド層の屈折率とコアの膜厚とを定める。このことにより、正方向にはＴＭモードの光を透過し、逆方向には遮断する光アイソレータとして動作する。
【００４７】
さて、この発明において、第２領域ＩＩのクラッド６２の屈折率は、第１領域Ｉのクラッド６１および第３領域ＩＩＩのクラッド６３のいずれの屈折率よりも小さいことが必須条件である。このようにすることで、（１）式より、第１領域Ｉおよび第３領域ＩＩＩは第２領域ＩＩよりもシングルモード条件が成り立つコア４の膜厚範囲が厚い方向にシフトすることがわかる。これにより、平面型二次元光導波路とＳＭＦとを結合するときに、平面型二次元光導波路の端面の厚さを厚くすることにより、ＳＭＦと平面型二次元光導波路との結合率を向上させることが可能となる。
【００４８】
ここで、平面型二次元光導波路が偏光子として動作する場合において、第２領域ＩＩのクラッド６２の屈折率を変化させたときの第２領域ＩＩのコア４の厚みｔ４２と第２領域ＩＩの長さＬ２（干渉計の作用長）との関係を図３に示す。
図３において、横軸は第２領域ＩＩのコア４の膜厚ｔ４２を、縦軸は第２領域ＩＩの長さＬ２を、それぞれ示している。図中の曲線は平面型二次元光導波路型干渉計が偏光子として動作するための必要条件である。また、黒丸点においてＴＥモードを透過しＴＭモードを遮断する干渉条件を満たしており、白丸点においてＴＥモードを遮断しＴＭモードを透過する干渉条件を満たしている。
【００４９】
図３を求めた計算において、コア４の屈折率は２．１６９、基板５の屈折率は１．９３８に固定し、クラッド６２の屈折率ｎｃを変化させた。
【００５０】
この図３から、第２領域ＩＩのクラッド６２の屈折率ｎｃが小ければ、第２領域ＩＩの長さＬ２を短くし得ることがわかる。このように第２領域ＩＩのクラッド６２の屈折率が、第１領域Ｉのクラッド６１および第３領域ＩＩＩのクラッド６３のいずれの屈折率よりも小さくすることで、ＳＭＰと平面型二次元導波路との光の結合効率を高める平面型二次元導波路の厚い端面と、平面型二次元導波路を小型化する干渉計としての短い作用長を両立することができる。
【００５１】
次に、第２の実施形態に係る平面型二次元導波路、光導波路型干渉計、光導波路型偏光子および光導波路型アイソレータについて、図４・図５を参照して説明する。
図４・図５はいずれも光の伝搬方向に沿った断面図である。図１・図２に示した平面型二次元導波路では、第２領域ＩＩのコア４の厚みｔ４２を、第１領域Ｉのコア４の膜厚ｔ４１および第３領域のコアの膜厚ｔ４３よりいずれも薄くした。これに対して、図４に示す例では、第１領域Ｉのコアの膜厚ｔ４１を、第２領域ＩＩのコアの膜厚ｔ４２と等しくしている。
【００５２】
図５に示す例では、第１領域Ｉおよび第３領域ＩＩＩでコア４の形状がテーパー状となるようにコア４の膜厚ｔ４１およびｔ４３を連続的に変化させている。
【００５３】
このような形状であっても、第１領域Ｉと第２領域ＩＩとの境界で基本モードから基本モードと１次モードへ分裂し、第２領域ＩＩと第３領域ＩＩＩとの境界で基本モードと１次モードの光が干渉するように、または、第３領域と第２領域との境界で基本モードから基本モードと１次モードの光へ分裂し、第２領域ＩＩと第１領域Ｉとの境界で基本モードと１次モードの光が干渉するように、第１・第２・第３の領域のクラッド層の屈折率とコアの膜厚とを定めることによって光導波路型干渉計として作用する。また、ＴＥモードとＴＭモードの２つの伝搬モードについて、それぞれの基本モードと１次モードの光の干渉が、一方の伝搬モードを強め、他方の伝搬モードを弱めるように、第１・第２・第３の領域のクラッド層の屈折率とコアの膜厚とを定めることによって光導波路型偏光子として作用する。さらに、ＴＭモードの光の伝搬方向に垂直な方向で且つコアの面内方向に外部磁場を印加し、ＴＭモードについて、第１領域Ｉから第２領域ＩＩを通って第３領域ＩＩＩの方向へ伝搬するときの基本モードと１次モードの光の干渉を強め、第３領域ＩＩＩから第２領域ＩＩを通って第１領域Ｉの方向へ伝搬するときの基本モードと１次モードの光の干渉を弱めるように、第１・第２・第３の領域のクラッド層の屈折率とコアの膜厚とを定めることによって光導波路型光アイソレータとして作用する。
【００５４】
なお、この図４および図５に示した構造の場合、各領域Ｉ，ＩＩ，ＩＩＩの間の境界において、主としてコアを伝搬する光のビーム径が大きく変化しないので、各領域間における光の結合効率が高い。
【００５５】
【実施例】
図１・図２に示した構造の平面型二次元導波路で光導波路型色フィルタを構成した具体例を次に示す。
基板５の媒質は屈折率が１．９３８のＧＧＧ（ガドリニウム・ガリウム・ガーネット）とした。また単層のコア５の媒質は屈折率が２．１６９のＬａＧａ：ＹＩＧ（ランタン、ガリウムドープイットリウム鉄ガーネット）とし、基板５の上にＬＰＥ法で育成した。さらにコア４の上にクラッドとして屈折率が２．１６０のＬａＧａ：ＹＩＧ（組成はコア５の媒質とは異なる）をＬＰＥ法で育成した。第１領域Ｉのクラッド６１および第３領域ＩＩＩのクラッド６３は残して、第２領域ＩＩに相当する部分を、コア４の膜厚の一部にかかるまでイオンミリングによって除去した。
【００５６】
第２領域ＩＩのクラッド６２の媒質は屈折率が１．０００の空気とした。第１領域Ｉおよび第３領域ＩＩＩのコア４の膜厚は４．１１μｍ、第２領域ＩＩのコアの膜厚は１．４８μｍとなった。第１領域Ｉのクラッド６１および第３領域ＩＩＩのクラッド６３の膜厚は１００μｍ以上であった。また第２領域ＩＩの長さＬ２は４９．６μｍであった。
【００５７】
この平面型二次元光導波路型色フィルタの端面からシングルモード光ファイバを調芯して、波長１５５０ｎｍ帯のＴＥモード光を入射したときの透過率の波長特性は、色フィルタの端面における反射の影響を除去すると、図６の（Ａ）のようになった。
【００５８】
一方、参照試料として、図７に示したような構造のストリップ横断型光導波路型色フィルタを試作した。基板５の媒質は屈折率が１．９３８のＧＧＧ（ガドリニウム・ガリウム・ガーネット）とした。また単層のコア５の媒質は屈折率が２．１６９のＬａＧａ：ＹＩＧ（ランタン、ガリウムドープイットリウム鉄ガーネット）とし、基板５の上にＬＰＥ法で育成した。クラッド６の媒質は屈折率が１．０００の空気とした。第１領域Ｉおよび第３領域ＩＩＩのコア４の一部をイオンミリングによって除去した。第１領域Ｉおよび第３領域ＩＩＩのコア４の膜厚は０．８７μｍ、第２領域ＩＩのコアの膜厚は１．４０μｍとなった。また第２領域ＩＩの長さＬ２は５０．６μｍであった。
【００５９】
このストリップ横断型光導波路型色フィルタの端面からシングルモード光ファイバーを調芯して、波長１５５０ｎｍ帯のＴＥモード光を入射したときの透過率の波長特性は、色フィルタの端面における反射の影響を除去すると、図６の（Ｂ）のようになった。
【００６０】
上述したように平面型二次元光導波路型色フィルタとストリップ横断型光導波路型色フィルタとは第２領域ＩＩの長さＬ２はほとんど同じであり、第１領域Ｉおよび第３領域ＩＩＩのコアの厚さが異なっていて、平面型二次元光導波路型色フィルタのほうが約５倍厚い。図６の（Ａ）と（Ｂ）を比較すると、図６（Ａ）の平面型二次元光導波路型色フィルタの方が光を透過する波長における透過率が高い。理想的には色フィルタの透過率は、膜による光の吸収がなければ０ｄＢとなる筈である。各領域Ｉ，ＩＩ，ＩＩＩの境界においてモードフィールド径が一致しないために伝搬損失が生じる影響を考慮しても、この透過率の違いは、入射端面におけるシングルモード光ファイバからの光の結合効率の違いによるものと考えられる。したがって第１領域Ｉおよび第３領域ＩＩＩのコアの厚さが厚い平面型二次元光導波路型色フィルタのほうがストリップ横断型光導波路型色フィルタよりも、入射端面におけるシングルモード光ファイバからの光の結合効率が高い。
【００６１】
【発明の効果】
この発明によれば、全体に小型で且つ光ファイバとの高い結合効率が得られる平面型二次元導波路、光導波路型干渉計、光導波路型色フィルタ、光導波路型偏光子、光導波路型アイソレータが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態に係る平面型二次元導波路の斜視図
【図２】同平面型二次元導波路の断面図
【図３】クラッドの屈折率を変化させたときの偏光子として動作する条件を示す図
【図４】第２の実施形態に係る平面型二次元導波路の断面図
【図５】第３の実施形態に係る平面型二次元導波路の断面図
【図６】実施例における平面型二次元導波路型色フィルタとその参照試料の特性図。
【図７】従来のストリップ横断（ｃｒｏｓｓ−ｓｔｒｉｐ）型干渉計の斜視図
【図８】同ストリップ横断型干渉計の断面図
【符号の説明】
Ｉ−第１領域
ＩＩ−第２領域
ＩＩＩ−第３領域
４−コア
４１−コア下層
４２−コア上層
５−基板
６−クラッド
６１−第１領域のクラッド
６２−第２領域のクラッド
６３−第３領域のクラッド[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a planar two-dimensional waveguide, and more particularly to an optical waveguide interferometer, a color filter, an optical waveguide polarizer, and an optical waveguide isolator.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, various thin film waveguide type optical devices have been proposed. Among these, an optical waveguide interferometer utilizing interference between modes of propagating light can function as an optical waveguide polarizer or an optical waveguide isolator by appropriately setting interference conditions. These optical waveguide polarizers and optical waveguide isolators can be reduced in size as compared with bulk optical isolator having the same function, and can be easily incorporated in an optical IC (optical planar circuit). It is.
[0003]
Here, a configuration example of a conventionally proposed thin-film waveguide interferometer will be described with reference to FIGS.
FIG. 7 is a transparent perspective view of a cross-strip interferometer using a thin film waveguide, and FIG. 8 is a cross-sectional view thereof. In this strip transverse interferometer, a core 4 (in this example, a laminated structure of a core lower layer 41 and a core upper layer 42, but collectively referred to as the core 4 here) is placed on a substrate 5 having a smaller refractive index. A core 4 is formed, and a clad 6 having a smaller refractive index than the core 4 is formed on the core 4. The planar two-dimensional waveguide has a shape in which first, second, and third regions having different thicknesses of the core 4 are connected in series along the light propagation direction. The thickness t42 of the core 4 in the second region II is larger than the thickness t41 of the core 4 in the first region I and the thickness t43 of the core 4 in the third region III.
The refractive index of the substrate 5 is the same throughout the first, second, and third regions I, II, and III, and the refractive index of the core 4 and the refractive index of the clad 6 are similarly the first, second, and third. The same applies to each of the three regions I, II, and III.
[0004]
In the planar two-dimensional waveguide, since no boundary condition is introduced in the direction perpendicular to the light propagation direction and in the in-plane direction of the film, the light mode represented by the order does not stand in this direction. Since a boundary condition is introduced in the direction perpendicular to the light propagation direction and in the direction normal to the film, the light mode represented by the order is set only in this direction.
[0005]
The principle that the cross-strip optical waveguide operates as an interferometer will be described with reference to FIG.
In the cross-strip interferometer, the thicknesses t41, t42, and t43 of the cores 4 in the three regions I, II, and III are selected so that each region satisfies a specific mode condition. In other words, the first region I and the third region III where the thickness of the core 4 is relatively thin are a single region in which only one or both of the fundamental mode (zero-order mode) light m1 of the TE mode and the TM mode of light can propagate. The thickness t41 of the core 4 is selected so as to satisfy the mode condition. The second region II where the core 4 has a relatively large film thickness is provided so that only the fundamental mode light m21 and the primary mode light m22 of one or both of the TE mode and the TM mode of light can propagate therethrough. The thickness t42 of No. 4 is selected. Therefore, at the boundary between the first region I and the second region II, the fundamental mode light m1 propagating in the first region I is split into the fundamental mode light m21 and the primary mode light m22, and Propagating in the second region II having a length L2.
[0006]
Incidentally, the propagation constant of light generally differs depending on the mode order. Therefore, the fundamental mode light m21 and the primary mode light m22 that have propagated in the second region II at the boundary between the second region II and the third region III have different phases. Since only the fundamental mode light m3 can propagate in the third region III, the lights of the two modes m21 and m22 are superposed in an interference manner at the boundary between the second region II and the third region III. The light propagates as light m3.
[0007]
As described above, the cross-strip optical waveguide is configured such that the light path branches into two arms at the first branch point which is the boundary between the first region I and the second region II, and then the second region II and the third region It operates as an interferometer like a Mach-Zehnder interferometer that returns to one path again at a second branch point at the boundary with III. Therefore, the length L2 of the second region II corresponds to the working length of the interferometer.
[0008]
A cross-strip optical waveguide that operates as such an interferometer is proposed in Non-Patent Document 1.
[0009]
In such an interferometer, light having a certain wavelength interferes with each other at the boundary between the second region II and the third region III such that the light in the two modes m21 and m22 is enhanced. Light of a certain other wavelength interferes with each other in a weakening manner. Light of a wavelength that interferes constructively is transmitted through the cross-strip optical waveguide, and light of a wavelength that interferes constructively is blocked. If the wavelength dispersion of the refractive index of each medium of the core 4, the substrate 5, and the clad 6 forming the cross-strip optical waveguide is sufficiently small, the horizontal axis indicates the wavelength, and the vertical axis indicates the transmission of the cross-strip optical waveguide. When the transmittance is taken, the transmittance changes approximately periodically with the wavelength change. This means that the cross-strip optical waveguide operates as a comb filter for the wavelength of light.
[0010]
Patent Document 1 discloses an optical waveguide type color filter. In Patent Document 1, the shape of the optical waveguide is not limited. Non-Patent Document 7 discloses an optical waveguide type color filter in which the type of optical waveguide is limited to an optical fiber. However, in Patent Literature 1 and Non-Patent Literature 7, the second area is not limited to the dual mode area (area where only the fundamental mode and the primary mode can propagate), and may include more modes. It is a mode area.
[0011]
The operation of the above-described cross-strip interferometer as a polarizer is as follows.
Generally, the propagation constants of the TE mode and the TM mode in the optical waveguide are different. In the cross-strip interferometer shown in FIGS. 7 and 8, for example, in the case of the TE mode, the light is separated into the fundamental mode light m21 and the primary mode light m22 at the boundary between the first region I and the second region II. It propagates through the second region II with the respective propagation constants, and at the boundary between the second region II and the third region III, these two modes interfere with each other in a phase that enhances each other. On the other hand, for the TM mode, the light is split into the fundamental mode light m21 and the primary mode light m22 at the boundary between the first region I and the second region II, and then propagates through the second region II with the respective propagation constants. , At the boundary between the second region II and the third region III, these two modes interfere with each other in a weaker phase. In this case, the cross-strip interferometer functions as a polarizer that transmits light in the TE mode and blocks light in the TM mode.
[0012]
Conversely, in the TE mode, at the boundary between the second region II and the third region III, the fundamental mode light m21 and the primary mode light m22 interfere with each other in a weakening phase. If the fundamental mode light m21 and the primary mode light m22 interfere with each other in a phase that enhances each other at the boundary with the three regions III, the strip crossing interferometer blocks the light in the TE mode and the TM mode light. It operates as a polarizer that transmits the light.
[0013]
Such a cross-strip interferometer that operates as a polarizer is proposed in Non-Patent Documents 1 and 2.
[0014]
The operation of the above-described strip crossing interferometer as an optical isolator is as follows.
In general, it is known that when an external magnetic field is applied in the in-plane direction of the core of an optical waveguide and perpendicular to the direction of light propagation to magnetize the core in that direction, the propagation constant differs depending on the TM mode propagation direction. (For example, see Non-Patent Document 8). This phenomenon is caused by the Faraday effect of the magnetic core and is called "non-reciprocal phase shift". When the core of the optical waveguide is a ferromagnetic material having a large Faraday effect, the effect of the non-reciprocal phase shift of the optical waveguide is large.
[0015]
When light propagates in the forward direction in the order of the first region I, the second region II, and the third region III in the cross-strip interferometer shown in FIGS. Are divided into two modes of light m21 and m22 at the boundary of, and propagate in the second region II with their respective propagation constants. At the boundary between the second region II and the third region III, these two modes are strengthened. It is assumed that interference occurs at a matching phase. When light propagates in the order of the third region III, the second region II, and the first region I, that is, in the opposite direction, the light m21, m22 of the two modes at the boundary between the third region III and the second region II. After that, the light propagates through the second region II with the respective propagation constants, and at the boundary between the second region II and the first region I, these two modes interfere with each other with a weakening phase. Such a cross-strip interferometer operates as an optical isolator that transmits TM mode light in the forward direction and blocks light in the reverse direction.
[0016]
Operating the cross-strip interferometer as an optical isolator in this way has been proposed in Non-Patent Documents 1 and 3.
[0017]
Originally, operating a thin-film waveguide-type Mach-Zehnder interferometer that operates as an interferometer in the same manner as a cross-strip interferometer as an optical isolator is disclosed in Non-Patent Documents 4, 5 and 5. It is proposed in Patent Document 6.
[0018]
[Non-patent document 1]
M. Lohmeyer et al. : Proceedings of SPIE, vol. 4277 Integrated Optics Devices V p. 230 (2001)
[Non-patent document 2]
M. Lohmeyer et al. : Optical and Quantum Electronics, vol. 33 p. 413 (2001)
[Non-Patent Document 3]
M. Lohmeyer et al. : Optics Communication, vol 189, p. 251 (2001)
[Non-patent document 4]
Y. Okamura et al. : Appl. Optics, vol. 23 p. 1886 (1984)
[Non-Patent Document 5]
T. Mizumoto et al. : J. Lightwave Tech. , Vol. LT-4 p. 347 (1986)
[Non-Patent Document 6]
Y. Okamura et al. : J. Lightwave Tech. , Vol. LT-4 p. 711 (1986)
[Non-Patent Document 7]
P. R. Horche et al. : IEEE Photonics Technology Letters, vol. 1 p. 184 (1989)
[Non-Patent Document 8]
Edited by Kawanishi, Chikagaku, Sakurai, "Magnetic Engineering Handbook" p. 798, Asakura Shoten (1998)
[Patent Document 1]
Japanese Patent Publication No. Hei 9-505154
[0019]
[Problems to be solved by the invention]
Non-Patent Document 1 discloses an example of operating conditions when operating the cross-strip interferometer shown in FIG. 7 as a polarizer. According to this, when the refractive index of the substrate 5 is 1.465, the refractive index of the core lower layer 41 is 2.01, the refractive index of the core upper layer 42 is 2.3, and the refractive index of the clad 5 is 1.0, the wavelength 1 In order to operate at .3 μm, the total thickness t41 and t43 of the core 4 in the first region I and the third region III is 0.333 μm, and the total thickness t42 in the second region II is 0.673 μm. In the second and third regions I, II, and III, the thickness of the core lower layer 41 is 0.444 μm, and the length L2 of the second region II is 10.882 μm.
[0020]
As described above, the fact that the length L2 of the second region II, that is, the working length of the polarizer is much shorter than the length of the bulk polarizer is preferable for the optical waveguide polarizer. On the other hand, if the thickness of the core 4 in the first region I and the third region III is as thin as 0.333 μm, it may be a serious problem when the optical waveguide polarizer is coupled to the optical fiber. Since the core diameter of the single mode optical fiber (hereinafter referred to as “SMF”) is about 10 μm, it is expected that the coupling efficiency when coupling with the end face of the optical waveguide having the core thickness of 0.333 μm will be low. Because.
[0021]
On the other hand, if the refractive index of one or both of the substrate 5 and the clad 6 is increased while keeping the condition that the refractive index is smaller than the refractive index of the core 4, the thickness of the core 4 in the first region I and the third region III is increased. Can be larger. This is obvious from the nature of the waveguide mode of the optical waveguide. In this case, the coupling between the optical waveguide polarizer and the SMF becomes easy. However, contrary to this, the length L2 of the second region II, that is, the operating length of the polarizer becomes longer, and one of the advantages of the thin film waveguide type optical component in that it is easy to miniaturize is lost.
[0022]
In the optical waveguide type color filters disclosed in Patent Document 1 and Non-Patent Document 7, the shape is not necessarily limited to a planar two-dimensional optical waveguide. For example, an optical waveguide type color filter using an optical fiber is used. Filters are also described as possible. An optical waveguide type color filter using an optical fiber is suitable for use in combination with an optical fiber. However, when combined with a planar two-dimensional waveguide or a channel waveguide, strict positioning accuracy is required. In addition, when a color filter is incorporated in an optical IC, if an attempt is made to construct an optical waveguide type color filter using an optical fiber, it is necessary to perform V-groove processing for positioning at an installation position, which is complicated and highly accurate. Required steps.
[0023]
As described above, in the conventional technique, it was impossible to achieve both a sufficient film thickness and a short working length at the coupling portion with the optical fiber.
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems and achieve a planar two-dimensional waveguide, an optical waveguide interferometer, and an optical waveguide, which achieve both a sufficient core film thickness and a short working length at a coupling portion with an optical fiber. An object of the present invention is to provide a color filter, an optical waveguide polarizer, and an optical waveguide isolator.
[0024]
[Means for Solving the Problems]
A planar two-dimensional waveguide according to the present invention includes a substrate, a cladding layer, and a core mainly transmitting light between the substrate and the cladding layer, and includes first, second, and third regions. , The first, second, and third regions are arranged in series in the direction in which light propagates, and light in one or both of the TE mode and the TM mode is propagated in the first and third regions. The second region is a possible single mode region, and the second region is a dual mode region in which light in one or both of the TE mode and the TM mode and both primary mode and primary mode light can propagate together. Is smaller than the refractive index of the cladding layers in the first and third regions, and the thickness of the core in the second region is determined not to be larger than the thickness of any of the cores in the first and third regions. It is characterized by:
[0025]
According to the optical waveguide interferometer of the present invention, in the planar two-dimensional waveguide, light of a fundamental mode incident from the first region is split into a fundamental mode and a first-order mode at a boundary between the first region and the second region. The light of the fundamental mode and the first-order mode interfere with each other at the boundary between the second region and the third region, or the light of the fundamental mode incident from the third region enters the boundary between the third region and the second region. In the first, second, and third regions so that the light in the fundamental mode and the first-order mode is split at the boundary between the second region and the first region. The refractive index of the cladding layer and the thickness of the core are determined.
[0026]
An optical waveguide type color filter according to the present invention is characterized in that, in the optical waveguide type interferometer, the transmittance with respect to the wavelength of light is determined by interference between light in the fundamental mode and light in the first mode.
[0027]
According to the optical waveguide type polarizer of the present invention, in the above optical waveguide type interferometer, interference of light in a fundamental mode and a primary mode with respect to two propagation modes of a TE mode and a TM mode is caused by the TE mode and the TM mode. The refractive index of the cladding layer and the thickness of the core in the first, second and third regions are determined so that one of the modes is strengthened and the other is weakened. .
[0028]
The optical waveguide type isolator according to the present invention, in the optical waveguide type interferometer, further comprises means for applying an external magnetic field in a direction perpendicular to the propagation direction of the TM mode light and in the in-plane direction of the core. The interference between the light in the fundamental mode and the light in the first-order mode when the light propagates from the first region to the third region through the second region is increased, and the light propagates from the third region to the first region through the second region. It is characterized in that the refractive index of the cladding layer and the thickness of the core in the first, second and third regions are determined so as to reduce the interference between the light in the fundamental mode and the light in the first-order mode.
[0029]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
A planar two-dimensional waveguide, an optical waveguide interferometer, an optical waveguide color filter, an optical waveguide polarizer, and an optical waveguide isolator according to the first embodiment will be described with reference to FIGS.
[0030]
FIG. 1 is a transparent perspective view of a planar two-dimensional waveguide, and FIG. 2 is a cross-sectional view along the light propagation direction. In FIG. 2, the same structure is continuous in the direction perpendicular to the paper surface.
[0031]
The planar two-dimensional optical waveguides shown in FIGS. 1 and 2 can be regarded as those in which a first region I, a second region II, and a third region III are connected in series along the light propagation direction. Among these regions, the first region I and the third region III are set so as to satisfy a single mode condition in which only one or both basic modes of the optical TE mode and the TM mode can propagate. Therefore, the first region I and the third region III block the first or higher order mode of the TE mode or the TM mode. The second region II is set so as to satisfy a dual mode condition in which only one or both of the fundamental mode and the primary mode of the optical TE mode and the TM mode can propagate. Therefore, the second region II blocks higher order modes of the TE mode or the TM mode.
[0032]
In this optical waveguide, a film to be the core 4 is formed on a flat substrate 5 by a film forming technique such as a sputtering method, a vacuum evaporation method, an LPE (liquid phase epitaxy) method, or a spin coating method. Further, a medium functioning as a clad 61 and a clad 63 is formed on at least the cores 4 of the first region I and the third region III by the same film forming technique used when forming the core 4. .
[0033]
As a medium used for the substrate 5, for example, a silicon single crystal, an inorganic glass, or various oxide single crystals whose surface is flattened by a method such as polishing is given. Examples of the medium used for the core 4 include inorganic glass, organic glass, and various oxide single crystals. The medium used for the clad 6 includes the medium used for the core 4 and air. It is indispensable that the refractive index of the core 4 is larger than that of any of the substrate 5 and the clad 6 so that the propagating light does not enter the radiation mode.
[0034]
Although the core 4 has a single-layer structure in the examples shown in FIGS. 1 and 2, the present invention is not limited to this, and the core 4 may have a multilayer structure.
[0035]
The mode conditions of the regions I, II, and III include the wavelength of light used, the thicknesses t41, t42, and t43 of the core 4 in the regions I, II, and III, the refractive index of the core 4, the refractive index of the substrate 5, and It is determined by the refractive indices of the claddings 61, 62, 63 in each of the regions I, II, III. That is, when the core 4 is a single layer, k0 is the wavelength of light in a vacuum, t is the thickness of the core, nf is the refractive index of the core 4, ns is the refractive index of the substrate 5, and nc is the refractive index of the cladding. Then, when the following relationship holds, the m-th mode can be propagated.
[0036]
(Equation 1)
[0037]
However, the function Max is a function that gives a larger one of the function arguments, and the function Min is a function that gives a smaller one of the function arguments.
[0038]
The principle that the planar two-dimensional optical waveguide shown in FIGS. 1 and 2 operates as an interferometer, a polarizer or an optical isolator is basically the same as that of the cross-strip interferometer shown in FIG. At the boundary between the first region I and the second region II, the fundamental mode light m1 propagating in the first region I is split into a fundamental mode light m21 and a primary mode light m22, and the length in the light propagation direction is increased. Propagating through the second region II having the length L2.
[0039]
Since the propagation constant of each region differs depending on the order of the mode, the phases of the fundamental mode light and the primary mode light differ at the boundary between the second region II and the third region III. Since only the fundamental mode light can propagate in the third region, the light of the two modes is superposed in an interference manner at the boundary between the second region II and the third region III, and propagates in the third region III as the fundamental mode. Thus, the planar two-dimensional optical waveguide shown in FIGS. 1 and 2 operates as an interferometer, similarly to the cross-strip interferometer shown in FIG.
[0040]
When this interferometer is used as an optical waveguide color filter, the same principle as that of the cross-strip optical waveguide shown in FIG. 7 operating as a color filter is used. That is, light having a certain wavelength interferes with each other at the boundary between the second region II and the third region III so that the light in the two modes m21 and m22 is enhanced. Light of a certain other wavelength interferes with each other in a weakening manner. Light having a wavelength that interferes constructively is transmitted through the planar two-dimensional optical waveguide, and light having a wavelength that interferes constructively is blocked. Assuming that the wavelength dispersion of the refractive index of each medium of the core 4, the substrate 5, and the clad 6 is sufficiently small, when the horizontal axis indicates the wavelength and the vertical axis indicates the transmittance, the transmittance changes with respect to the wavelength change. It changes almost periodically. Thus, the interferometer operates as a comb filter for the wavelength of light.
[0041]
Furthermore, when a plurality of optical waveguides having a maximum transmittance at a specific wavelength but different wavelength periods (periods of the transmittance change with respect to the wavelength change) are connected in series, the transmittance of each optical waveguide is maximized. It is also possible to configure an optical bandpass filter that transmits a predetermined wavelength band having a wavelength as a center wavelength.
[0042]
The planar two-dimensional interferometer shown in FIGS. 1 and 2 can be operated as a polarizer by appropriately setting the interference conditions for the TE mode and the TM mode. For example, at the boundary between the first region I and the second region II, each of the TE mode and the TM mode is divided into the fundamental mode light m21 and the primary mode light m22, and then the second region II and the third region III , The fundamental mode light of the TE mode and the primary mode light are caused to interfere with each other so as to strengthen each other, and the fundamental mode light of the TM mode and the primary mode light are caused to interfere each other so as to weaken each other. That is, the refractive index of the cladding layer and the thickness of the core in the first, second, and third regions are determined so as to satisfy such conditions. Thereby, it functions as a polarizer that transmits light in the TE mode and blocks light in the TM mode.
[0043]
Here, results obtained by calculating specific conditions under which the planar two-dimensional optical waveguide interferometer shown in FIG. 2 operates as a polarizer are shown. For example, the refractive index of the core 5 is 2.169, the refractive index of the substrate 5 is 1.938, the refractive indices of the claddings 61 and 63 in the first region I and the third region III are 2.160, and the cladding in the second region II. If the refractive index of 62 is 1.000, the film thickness range of the first region and the third region is 1.96 μm or more and 5.83 μm or less, which indicates that the film thickness can be increased. It was also found that the length L2 of the second region, that is, the working length of the polarizer, could be reduced to 50.7 μm.
[0044]
Incidentally, in the conventional structure shown in FIGS. 7 and 8, the refractive index of the core is 2.169, the refractive index of the substrate is 1.938, the refractive index of the cladding is 1.000, and the conditions for operating as a polarizer are as follows. According to the calculation, the length L2 of the second region can be reduced to 50.7 μm, but the thickness range of the core of the first region I and the third region III is 0.37 μm or more and 1.06 μm or less. Must be extremely thin.
[0045]
Assuming that the refractive index of the core is 2.169, the refractive index of the substrate is 1.938, and the refractive index of the cladding is 2.160, the thickness range of the core in the first region I and the third region III is 1. Although the thickness is 96 μm or more and 5.83 μm or less, the length L2 of the second region is as long as at least about 8 cm.
[0046]
In addition, the plane type two-dimensional interferometer shown in FIGS. 1 and 2 can appropriately set the interference conditions for the TM mode propagating in the forward and backward directions using the non-reciprocal phase shift of the TM mode. It is possible to operate as an optical isolator. For this purpose, means for applying an external magnetic field in a direction perpendicular to the propagation direction of the TM mode light and in the in-plane direction of the core is provided, and the first region I, the second region II, and the third region III are sequentially forwardly arranged. When the light propagates, the light is divided into two modes of light m21 and m22 at the boundary between the first region I and the second region II, and then, at the boundary between the second region II and the third region III, these two light beams are divided. The interference is made at the phase where the modes strengthen each other. When light propagates in the order of the third region III, the second region II, and the first region I, that is, in the opposite direction, the light m21, m22 of the two modes at the boundary between the third region III and the second region II. After that, at the boundary between the second region II and the first region I, interference is made at a phase where these two modes weaken each other. That is, the refractive index of the cladding layer and the thickness of the core in the first, second, and third regions are determined so as to satisfy such conditions. As a result, the device operates as an optical isolator that transmits TM mode light in the forward direction and blocks it in the reverse direction.
[0047]
In the present invention, it is an essential condition that the refractive index of the cladding 62 in the second region II is smaller than the refractive index of any of the cladding 61 in the first region I and the cladding 63 in the third region III. By doing so, it can be seen from the equation (1) that the film thickness range of the core 4 in which the single mode condition is satisfied in the first region I and the third region III is shifted more than the second region II. Accordingly, when the planar two-dimensional optical waveguide and the SMF are coupled, the coupling ratio between the SMF and the planar two-dimensional optical waveguide is improved by increasing the thickness of the end face of the planar two-dimensional optical waveguide. It becomes possible.
[0048]
Here, when the planar two-dimensional optical waveguide operates as a polarizer, the thickness t42 of the core 4 in the second region II and the thickness t42 of the second region II when the refractive index of the cladding 62 in the second region II is changed. FIG. 3 shows the relationship with the length L2 (operating length of the interferometer).
3, the horizontal axis represents the thickness t42 of the core 4 in the second region II, and the vertical axis represents the length L2 of the second region II. The curves in the figure are necessary conditions for the planar two-dimensional optical waveguide interferometer to operate as a polarizer. Further, the black circle points satisfy the interference condition of transmitting the TE mode and blocking the TM mode, and the white circle points satisfy the interference condition of blocking the TE mode and transmitting the TM mode.
[0049]
3, the refractive index of the core 4 was fixed at 2.169, the refractive index of the substrate 5 was fixed at 1.938, and the refractive index nc of the cladding 62 was changed.
[0050]
From FIG. 3, it is understood that the length L2 of the second region II can be shortened if the refractive index nc of the cladding 62 in the second region II is small. By making the refractive index of the cladding 62 of the second region II smaller than that of the cladding 61 of the first region I and the refractive index of the cladding 63 of the third region III, the SMP and the planar two-dimensional waveguide A thick end face of the planar two-dimensional waveguide that enhances the efficiency of light coupling with the optical waveguide and a short working length as an interferometer for miniaturizing the planar two-dimensional waveguide can be achieved.
[0051]
Next, a planar two-dimensional waveguide, an optical waveguide interferometer, an optical waveguide polarizer, and an optical waveguide isolator according to the second embodiment will be described with reference to FIGS.
4 and 5 are cross-sectional views along the light propagation direction. In the planar type two-dimensional waveguide shown in FIGS. 1 and 2, the thickness t42 of the core 4 in the second region II is made larger than the thickness t41 of the core 4 in the first region I and the thickness t43 of the core in the third region. All were thin. On the other hand, in the example shown in FIG. 4, the thickness t41 of the core in the first region I is equal to the thickness t42 of the core in the second region II.
[0052]
In the example shown in FIG. 5, the thicknesses t41 and t43 of the core 4 are continuously changed so that the shape of the core 4 is tapered in the first region I and the third region III.
[0053]
Even with such a shape, the fundamental mode is divided into the fundamental mode and the primary mode at the boundary between the first region I and the second region II, and the fundamental mode is divided at the boundary between the second region II and the third region III. And the light of the first mode interferes with each other, or splits from the fundamental mode into light of the fundamental mode and the first mode at the boundary between the third region and the second region, and the second region II and the first region I Function as an optical waveguide interferometer by determining the refractive index of the cladding layer and the thickness of the core in the first, second, and third regions so that light in the fundamental mode and the first-order mode interfere at the boundary of. I do. Further, with respect to the two propagation modes of the TE mode and the TM mode, the first, second, and third modes are set such that the interference between the light in the fundamental mode and the light in the first mode strengthens one propagation mode and weakens the other propagation mode. By determining the refractive index of the cladding layer in the third region and the thickness of the core, the third region functions as an optical waveguide polarizer. Further, an external magnetic field is applied in a direction perpendicular to the propagation direction of the TM mode light and in the in-plane direction of the core, and the TM mode moves from the first region I to the third region III through the second region II. The interference between the light in the fundamental mode and the light in the primary mode when propagating is enhanced, and the interference between the light in the fundamental mode and the light in the primary mode when propagating in the direction from the third region III to the first region I through the second region II. By setting the refractive index of the cladding layer in the first, second, and third regions and the thickness of the core so as to reduce the thickness, the optical waveguide acts as an optical waveguide type optical isolator.
[0054]
In the structure shown in FIGS. 4 and 5, the beam diameter of the light propagating through the core does not largely change at the boundary between the regions I, II, and III. High efficiency.
[0055]
【Example】
A specific example in which an optical waveguide type color filter is constituted by the planar type two-dimensional waveguide having the structure shown in FIGS. 1 and 2 will be described below.
The medium of the substrate 5 was GGG (gadolinium gallium garnet) having a refractive index of 1.938. The medium of the single-layer core 5 was LaGa: YIG (lanthanum, gallium-doped yttrium iron garnet) having a refractive index of 2.169, and was grown on the substrate 5 by the LPE method. Further, LaGa: YIG (having a composition different from that of the core 5) having a refractive index of 2.160 was grown as a clad on the core 4 by the LPE method. The portion corresponding to the second region II was removed by ion milling until the portion corresponding to a part of the thickness of the core 4 was left, leaving the cladding 61 of the first region I and the cladding 63 of the third region III.
[0056]
The medium of the cladding 62 in the second region II was air having a refractive index of 1.000. The thickness of the core 4 in the first region I and the third region III was 4.11 μm, and the thickness of the core in the second region II was 1.48 μm. The thickness of the cladding 61 in the first region I and the thickness of the cladding 63 in the third region III were 100 μm or more. The length L2 of the second region II was 49.6 μm.
[0057]
The wavelength characteristic of the transmittance when a single-mode optical fiber is aligned from the end face of this planar two-dimensional optical waveguide type color filter and TE mode light in a wavelength of 1550 nm is incident is affected by the reflection at the end face of the color filter. Was removed, the result was as shown in FIG.
[0058]
On the other hand, as a reference sample, a cross-strip optical waveguide type color filter having a structure as shown in FIG. 7 was prototyped. The medium of the substrate 5 was GGG (gadolinium gallium garnet) having a refractive index of 1.938. The medium of the single-layer core 5 was LaGa: YIG (lanthanum, gallium-doped yttrium iron garnet) having a refractive index of 2.169, and was grown on the substrate 5 by the LPE method. The medium of the clad 6 was air having a refractive index of 1.000. A part of the core 4 in the first region I and the third region III was removed by ion milling. The thickness of the core 4 in the first region I and the third region III was 0.87 μm, and the thickness of the core in the second region II was 1.40 μm. The length L2 of the second region II was 50.6 μm.
[0059]
The wavelength characteristic of the transmittance when a single-mode optical fiber is aligned from the end face of the cross-strip type optical waveguide type color filter and the TE mode light in the wavelength of 1550 nm is incident eliminates the influence of the reflection at the end face of the color filter. Then, the result is as shown in FIG.
[0060]
As described above, the planar region two-dimensional optical waveguide type color filter and the cross-strip type optical waveguide type color filter have almost the same length L2 of the second region II, and have the cores of the first region I and the third region III. The thicknesses are different, and the planar two-dimensional optical waveguide color filter is about five times thicker. Comparing FIGS. 6A and 6B, the planar two-dimensional optical waveguide type color filter of FIG. 6A has a higher transmittance at a wavelength that transmits light. Ideally, the transmittance of the color filter should be 0 dB unless light is absorbed by the film. Even if the influence of propagation loss due to the inconsistency of the mode field diameters at the boundaries between the regions I, II, and III is considered, this difference in transmittance is due to the coupling efficiency of the light from the single mode optical fiber at the incident end face. This is probably due to the difference. Therefore, the planar two-dimensional optical waveguide type color filter in which the cores of the first region I and the third region III are thicker has a higher light transmission rate from the single mode optical fiber at the incident end face than the cross-strip type optical waveguide type color filter. High coupling efficiency.
[0061]
【The invention's effect】
According to the present invention, a planar two-dimensional waveguide, an optical waveguide interferometer, an optical waveguide color filter, an optical waveguide polarizer, and an optical waveguide isolator that are small in size and provide high coupling efficiency with an optical fiber can be obtained. Is obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view of a planar two-dimensional waveguide according to an embodiment.
FIG. 2 is a cross-sectional view of the planar two-dimensional waveguide.
FIG. 3 is a diagram showing conditions for operating as a polarizer when the refractive index of the cladding is changed.
FIG. 4 is a sectional view of a planar two-dimensional waveguide according to a second embodiment.
FIG. 5 is a sectional view of a planar two-dimensional waveguide according to a third embodiment.
FIG. 6 is a characteristic diagram of a planar two-dimensional waveguide color filter and a reference sample thereof according to the embodiment.
FIG. 7 is a perspective view of a conventional cross-strip interferometer.
FIG. 8 is a cross-sectional view of the cross-strip interferometer.
[Explanation of symbols]
I-first area
II-Second area
III-Third Area
4-core
41-core lower layer
42-core upper layer
5-substrate
6-clad
61-Cladding of the first region
62-second region cladding
63-Third Region Cladding
