JP2005215674A - 光アイソレータ - Google Patents

Abstract

【課題】小型で低コストな光アイソレータを提供する。
【解決手段】本発明の光アイソレータは、第１および第２光導波路に結合される共振器を使用する。共振器は、第１光導波路から第２光導波路に移動する光の場合、波長λに共振がある。しかし、第２光導波路から第１光導波路に移動する光の場合、λに共振がない。一実施態様では、共振器は、印加磁界に強磁性材料層を含む。強磁性材料内の磁界は、強磁性材料層上で強度および／または方向が変化する。磁界は、強磁性材料層上で変化する外部磁界により生成することができる。一実施態様では、共振器は、共振器の一部分に重畳する強磁性金属層を含む。この実施態様では、一定の外部磁界を使用することができる。もう１つの実施態様では、第１導波路および第２導波路は平坦な基板内に配置され、共振器は第１および第２導波路に重畳し、第１および第２導波路に垂直に結合する。
【選択図】図１

Description

本発明は、集積光学コンポーネントに関し、特に光アイソレータに関する。

広帯域通信システムに対する絶え間なく増大する需要は、光ファイバおよび光処理素子などの光導波路に基づく光透過システムにつながった。こうしたシステムのコストを削減するには、光デバイスの大規模な集積が必要である。大規模な集積は、サイズの縮小および信頼性の向上も提供する。

こうしたシステムに使用される１つの光デバイスは、光アイソレータ（optical isolator、光断路器）である。光通信システムでは、光信号は、信号源に逆に伝播する反射信号を生成するインタフェースを通り抜ける。光アイソレータは、これらの反射信号が光源に達するのを阻止するために使用される。理想的には、光アイソレータは、光信号を順方向に伝達し、逆方向に移動する反射光信号を阻止する。

複屈折結晶（birefringent crystal）、偏光子（polarizer）およびファラデー回転子（Faraday rotator）に基づく光アイソレータは、光信号技術で十分に公知である。ファラデー回転子に基づくアイソレータは、印加磁界の方向に対する光の移動方向によって決まる方向に光の偏光を回転させることにより作動する。偏光の入力平面に生じる回転量θは、ファラデー媒体（Faraday medium）の長さＬ、媒体の磁気光学（magneto-optic）係数つまり「ヴェルデ（Verdet）」係数Ｖ、および印加磁界の強度Ｈに比例し、次式で表される。

θ＝ＶＨＬ
最も単純なデバイスは、線形偏光光で動作し、２個の偏光フィルタと、偏光フィルタ間に位置するファラデー回転子とから成る。「通過方向」にデバイスに入射する光は、第１偏光フィルタを通過するように調整された偏光を有する。ファラデー回転子は、光が阻止されずに第２偏光フィルタを通過するように、この光の偏光方向をファラデー回転子により回転させる。第２偏光を通過し、逆方向に移動する光の偏光は、ファラデー回転子により、第１偏光フィルタにより阻止される方向に回転される。

上記のアイソレータは、第１偏光フィルタの通過方向に一致する方向に光が線形偏光されると仮定している。入射光が線形偏光されない場合、光は、先ず２つの線形偏光成分に分割されなければならず、１つの成分に１個、合計２個のアイソレータが使用される。アイソレータから出射する光が、アイソレータに入射する光と同じ偏光を有する必要がある場合、４分の１波長板を備えて、光を元の偏光方向に回転させなければならない。

こうしたデバイスは比較的大きくかつ高価であるため、大規模な光信号処理システムにはあまり適さない。特に、ファラデー回転子の厚さは減少させることができない。なぜなら、回転子の材料の単位長さ当たりの回転量は、使用する材料の物理的特性によって決まるからである。したがって、ファラデー回転子および任意の４分の１波長板には最小厚さがある。これらのデバイスは一般に１ｍｍ台の厚さであり、集積回路標準にとっては大きい。さらに、これらの光アイソレータと、共通基板上に形成される導波路およびその他の処理光素子との集積は、こうした構造では難しい。

本発明は、第１光導波路からの光を第２光導波路に結合するための光アイソレータを含む。光アイソレータは、第１および第２光導波路に結合される共振器（resonator）を使用する。共振器は、第１光導波路から第２光導波路に移動する光の場合、波長λに共振がある。しかし、第２光導波路から第１光導波路に移動する光の場合、λに共振がない。一実施態様では、共振器は、印加磁界に強磁性材料層を含む。強磁性材料内の磁界は、強磁性材料層上で強度および／または方向が変化する。磁界は、強磁性材料層上で変化する外部磁界により生成することができる。一実施態様では、共振器は、共振器の一部分に重畳する強磁性金属層を含む。この実施態様では、一定の外部磁界を使用することができる。もう１つの実施態様では、第１導波路および第２導波路は平坦な基板内に配置され、共振器は第１および第２導波路に重畳し、第１および第２導波路に垂直に結合する。

本発明がその利点を提供する方法は、図１を参照するとより容易に理解することができ、図１は、本発明の一実施態様による光アイソレータの斜視図である。光アイソレータ１０はマイクロディスク共振器（microdisc resonator）に基づき、波長経路指定スイッチ（wavelength routing switch）に類似する方法で動作する。光アイソレータ１０は、基板１４に構成された第１および第２導波路と、導波路に光学的に結合されたマイクロディスク共振器とを備える。これらの導波路を１２および１３で示し、共振器を１１で示す。

マイクロディスク共振器１１は、入力導波路を伝播する光信号が、マイクロディスク共振器１１の移動波モードの共振波長のうちいずれかと一致する場合にのみ、導波路１３からのエネルギーを導波路１２に結合する。共振では、入力導波路と出力導波路との間に完全なエネルギーの移動が生じる。アイソレータの通過帯域帯域幅は、導波路と共振器との間の結合係数、および共振器の損失により決定される。

ディスク共振器の共振波長は、次式により与えられる。

λ_０＝２πｄｎ_ｅ／ｍ
式中、ｎ_ｅは、マイクロディスク共振器１１のモードの有効指数であり、ｄはマイクロディスク共振器１１の直径であり、ｍは整数値である。共振モードの自由スペクトル範囲（free spectral range）は、次式により与えられる。

図１に示す構成では、入力導波路１３に入射する光信号は、マイクロディスク共振器を反時計方向に旋回して、出力導波路１２から出射する。誤った方向に移動する、つまり出力導波路１２に入射する光信号は、マイクロディスク共振器を時計方向に旋回する。この光信号は、再度入力導波路１３に入射するのを阻止されなければならない。

マイクロディスク共振器は、隔離機能（isolation function）を提供するため、マイクロディスク共振器１１周囲の反時計方向の移動方向に移動する光の屈折率が、時計方向に移動する光の屈折率と異なるように構成される。したがって、時計方向に移動する光のマイクロディスク共振器１１の共振波長は、時計方向に移動する光の共振波長とは異なるであろう。マイクロディスク共振器は、入力導波路１３に入り、マイクロディスク共振器を反時計方向に旋回する光の場合に共振を有するように構成されると仮定する。この光は、出力導波路１２に転送される。導波路１２に入射する同波長の光は、マイクロディスク共振器を時計方向に旋回する。時計方向の屈折率は反時計方向の屈折率とは異なるため、この光はマイクロディスク共振器の共振状態にない。したがって、出力導波路１２に入射する光は、導波路１３に転送されない。この光は、導波路１２の他方の端部において、単にアイソレータから出射する。

マイクロディスク周囲の異なる方向を移動する光に生じる屈折率の非対称性は、鉄ドープインジウム燐（iron-doped Indium Phosphide、Ｆｅ：ＩｎＰ）などの強磁性材料層１５をマイクロディスク材料の一部として設け、磁界Ｂをこの層に印加することにより達成される。マイクロディスク共振器における強磁性材料の屈折率は、マイクロディスク周囲の各々の位置における印加磁界の関数である。磁界に平行な方向に移動する光は、対向方向に移動する光とは異なる屈折率を生じる。

次に、図２を参照する。この図は、上記の強磁性材料を含み、領域５１の矢印により示される方向に領域５１に限定される印加磁界を有するマイクロディスク共振器５０の上面図である。以下の説明を単純にするため、磁界は領域５１に限定されると仮定する。この説明の目的上、領域５１の外部におけるマイクロディスクの部分の屈折率はｎであり、磁界の存在は、光が領域５１の矢印と同方向に移動する場合、屈折率をｎ＋Δｎに変化させ、光が領域５１の対向方向に移動する場合はｎ−Δｎに変化させると仮定する。５２で示す時計方向移動する光は、５３で示す反時計方向に移動する光より高い屈折率を生じる。

磁界がディスク全体に均一に印加された場合、２つの光移動方向で、平均屈折率の差は生じない。図３を参照する。この図は、均一な磁界におけるマイクロディスク共振器５０の上面図である。光は領域６１を通って移動すると仮定する。反時計方向に移動する光は、この領域において時計方向に移動する光に比べて、大きな屈折率を生じる。しかし、反時計方向に移動する光が、時計方向に移動する光に比べて小さな屈折率を生じる対応領域６２が存在する。したがって、各方向に移動する光は平均屈折率ｎを生じ、非対称は存在しない。

しかし、領域６２における磁界は領域６１における磁界より小さく、両方向に移動する光に生じる平均屈折率の正味差（net difference）が達成される。たとえば、磁界が同方向を指し、磁界強度がマイクロディスク上で変化する磁界を利用することができる。同様に、円形磁力線を有する磁界を利用することができる。

磁界およびマイクロディスクのサイズおよび材料は、反時計方向に移動する光の場合、マイクロディスクの共振周波数が、導波路１３に入射する入力信号の波長と一致するように選択する。通過帯域は、出力信号の移動方向に対向する方向に導波路１２に入射する反射信号が十分に共振せず、光が入力導波路に転送されるのを阻止するように選択する。したがって、こうした反射信号は、導波路１２の他の端部を通って導波路１２から出射し、導波路１３に転送されない。

図１に示すマイクロディスクは、マイクロディスクの共振周波数を微調整して、入力導波路から出力導波路に結合される光の波長を調節するための機構も備える。原則として、マイクロディスクは、共振波長を設定する寸法で構成することができる。しかし、ある調整機構も備える実施態様は、温度またはわずかな製造異常による共振波長の変動を補足するための微調整を可能にするという利点を有する。たとえば、小型加熱要素１７は、マイクロディスクの動作温度を調節するために、基板上またはマイクロディスク上に備えられる。マイクロディスク材料の屈折率は温度に応じて変化するため、動作温度の変化を利用して、マイクロディスクの共振波長を微調整することができる。

屈折率は、マイクロディスクの活性領域内に電流を導入することにより微調整することも可能である。これは、自由キャリアまたはプラズマ効果により屈折率を変化させる。

図１に関する上記の実施態様は、マイクロディスク共振器内に不均一な磁界を生成することを必要とする。マイクロディスクの寸法は小さいため、共振器の小さい寸法で十分に変化する磁界を生成することは問題になる可能性がある。したがって、印加磁界が実質的に均一な実施態様は、明確な利点を提供する。

次に、図４を参照する。この図は、印加磁界が均一な磁界である本発明のもう１つの実施態様による光アイソレータ２０を示す。この実施態様では、強磁性の光学的に透明な材料、たとえば上記のＦｅ：ＩｎＰなどの層２４を有する拡張ディスク共振器（ extended disk resonator）２１は、入力導波路および出力導波路を有する基板４４上に使用される。強磁性金属層２２は、結合領域の一方の側に配置される。均一な磁界は、矢印２３で示す方向に光アイソレータ２０に印加される。強磁性金属層は、該層の領域の磁界を変化させて、必要な不均一性を磁界に与える。

不均一な磁界を生成するもう１つの方法は、強磁性層が磁界源になるように強磁性層を磁化することである。たとえば、磁界が強磁性材料の磁化されていない層に印加される場合、材料の強磁性領域の整列に対応する磁化が形成される。したがって、製造時、層２２は非磁化層として蒸着される。次に、アイソレータは、強磁性材料を磁化するために、強磁性層に平行に方向付けられた磁界に露出される。印加磁界を除去した後に残る正味磁化（ net magnetization）は、強磁性材料の磁化曲線によって決まる。印加磁界に応じて循環する温度は、磁化を強化する。強磁性材料中に保存される正味磁化は、ファラデー回転を提供するために使用される自己生成磁界を提供し、したがって、２３に示す印加磁界は不要である。この磁界は、層２２を有する結合部分の側にのみ存在することに注目するべきである。強磁性材料のもう１つの効果は、印加磁界下では、導波路層の効果的な屈折率が、磁気光学的カー効果（ magneto-optic Kerr effect）により変更され、時計方向および反時計方向で同一ではない伝播定数を生じることである。鉄、コバルト、ニッケルまたはこれらの合金などの強磁性金属は、層２２に使用することができる。この金属層は、誘電材料層の上に蒸着することが好ましい。

拡張共振器の幾何学的形状は、共振器と導波路との間に光を結合するための平行境界セグメント２７を提供するというさらなる利点を有する。こうした構成は、アイソレータの帯域幅をより微細に制御することを可能にする。したがって、こうした平行境界セグメントを有する拡張ディスクの幾何学的形状のような幾何学的形状が好ましい。しかし、ディスクの一部上に強磁性金属の領域を同様に含むことは、図１に示す円形マイクロディスクに利用すると、所望の磁界変換を提供することができる。同様に、拡張ディスク構成を有するが、強磁性金属層がない一実施態様は、不均一な磁界発生器と共に利用すると、光結合の制御を改善することができる。

本発明の上記の実施態様は、受動導波路を入力導波路および出力導波路として利用する。しかし、一方または両方の導波路が導波路および微小共振器の損失を補足するためのゲイン部分を有する実施態様も、構成可能である。こうしたゲイン部分を有する導波路の構成は先行技術で公知であるから、この種の導波路の詳細は、本明細書では詳細には説明しない。

本発明は、ファラデー回転子に基づく光アイソレータに比べて、多くの利点を提供する。レーザに使用する収率に類似する高収率の製造過程を利用することができる。長い相互作用長は、良好な光アイソレータを達成する上で不要であるため、デバイスのサイズは実質的に縮小する。たとえば、５μｍという小さい直径を有する共振器を利用することができる。本発明は、従来のＴＭ−ＴＥ回転に頼らずに光アイソレーションを提供することができるため、偏光光の必要はない。

さらに、本発明による光アイソレータは、その他の微小共振器ベースのデバイス、たとえば信号周波数レーザ、波長可変レーザ、変調器、アドドロップマルチプレクサなどに容易に組み込むことができ、多機能光集積回路のための完全な集積プラットフォームをもたらす。

本発明の上記の実施態様は、微小共振器を導波路に結合する垂直結合構成を利用する。こうした実施態様では、結合定数は、導波路の上部と微小共振器の底部との間の層の厚さにより決定される。この厚さは、製造過程で精密に制御することができる。

２個の導波路の上部に微小共振器を製造するための方法は、先行技術で公知であるから、本明細書では詳細には説明しない。たとえば、２個の導波路に垂直に結合されるマイクロディスク共振器を構成する方法は、米国特許係属出願第１０／２２７，０００号に示唆されており、引用することにより本明細書に援用する。２個の基板の融合に依存する方法も、先行技術で公知である（Kostadin Djordjev, Seung-June Choi, Sang-Jun Choi and P.D.Dapkus, “High-Q Vertically Coupled InP Microdisk Resonators”, IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, pp. 1-3, 2002）。

本発明の好ましい実施態様は垂直結合微小共振器を利用するが、微小共振器が導波路間、および導波路と同一平面に位置する実施態様も構成することができる。この幾何学的形状を有する光スイッチは先行技術で公知であるから、この幾何学的形状を有する実施態様については、本明細書では詳細には説明しない。たとえば、こうしたデバイスは米国特許第６，０５２，４９５号に示唆されており、この特許は、引用することにより本明細書に援用する。

上記のとおり、本発明は、磁界をマイクロディスク共振器に印加することを必要とする。永久磁石または電磁石は、磁界を生成することができる。電磁石は、アイソレータの通過方向を逆転させることができるという利点を有する。次に、図５を参照する。この図は、本発明のもう１つの実施態様による光アイソレータ１００を示す。光アイソレータ１００は、２個の導波路およびマイクロディスク共振器１０７を有する基板１０８を備える。マイクロディスク共振器１０７は、好ましくは、図４に関して上記で説明したものと類似する強磁性金属を備える。

屈折率の非対称性を提供するために使用する磁界は、電流源１０９により動力を供給される電磁石１１０により生成される。磁界の方向は、電磁石１１０の電流の方向を設定する方向信号により決定される。図１を参照すると、一方の磁界方向では、光は導波路１３から導波路１２に通過し、逆方向に移動する光は阻止される。他方の磁界方向では、光は導波路１２から導波路１３に通過し、逆方向に移動する光は阻止される。

上記の実施態様は、光アイソレータごとに１つの磁界を利用する。しかし、多数の光アイソレータが同じ磁界発生器を共用する光回路も構成できる。こうした光回路は、均一な外部磁界を利用する本発明の実施態様を用いて、さらに容易に構成される。この点に関して、通過方向に対応するマイクロディスク周囲の移動方向は任意であることに注目するべきである。マイクロディスクの直径、強磁性金属パッチの位置、またはマイクロディスク材料の屈折率を変更することにより、逆通過方向を有する光アイソレータが得られ、外部で印加される磁界と同方向を維持する。

本発明の上記の実施態様は、特定の幾何学的構成を有する微小共振器、つまりマイクロディスクおよび拡張マイクロディスクを利用した。しかし、その他の幾何学的構成を利用することもできる。上記の実施態様は、サブミクロンの特徴を形成することを必要とする。曲げ損失を最小限にするには、マイクロディスク共振器は、共振器の境界と周囲の媒体との間の屈折率が大きく変化することを必要とする。これは、共振器および導波路の周囲の領域をエッチングすることにより達成される。残念ながら、その結果、導波路の幅を０．５μｍ未満にせざるをえない。導波路の幅が比較的広い場合、導波路は複数のモードを支持するであろう。こうした構造は現在の製造技術の範囲内であるが、サブミクロンの製造コストは変調器のコストを実質的に増加させる。さらに、外部の光ファイバから狭い超高屈折率差導波路に結合することは、種々のモードサイズにより困難である。その結果、変調器に対する結合損失が増加する。

サブミクロン構造を避ける実施態様は、屈折率の大きい差を必要としない折り返し空洞共振器（folded cavity resonator）を使用して構成することができる。次に、図６を参照する。この図は、導波路２１０および２１１に結合される折り返し空洞共振器２０１で、上記の拡張マイクロディスク構造の代わりに使用される共振器の単純化された上面図である。共振器２０１は、直線導波路２０２および９０°回転ミラー２０３から構成される。この構成の利点は、低屈折率差導波路を利用できるようになることであり、１つのモードに限られる最大導波路幅ははるかに大きくなる。一般に、導波路の幅は、ＩＩＩ〜Ｖ群の材料から構成される導波路の場合は１〜２μｍ台である。

次に、図７および８を参照する。図７は、線形導波路に結合された折り返し空洞共振器の斜視図である。図８は、２６０で示される図７の領域の拡大部分である。共振器は、導波路のクラッディング層を含む層を基板２５５の上面に製造することにより構成され、下部クラッディング層を含む。二酸化シリコン層は、これらの層の上面に蒸着される。次に、二酸化シリコン層をパターン化して、上部クラッディング層内にエッチングして形成されるリッジ導波路２５１および２７１を画定する。同様のリッジ導波路２５２は、折り返しミラー共振器になる領域上にパターン化する。折り返しミラー共振器内のミラーは、領域２５４を貫通する層状構造の表面から基板２５５内に孔をエッチングすることにより形成される。この孔の表面は、屈折率が大きく変化する境界であって、高反射係数、たとえば０．９を超える反射係数を有する反射鏡として機能する境界を提供する。リッジ導波路および反射鏡を形成した後、上記の強磁性材料の層２７５は、導波路２５１に最も近い折り返し共振器の表面に蒸着する。

本発明に対する様々な変更は、当業者にとっては、上記の説明および添付の図面から明白になるであろう。したがって、本発明は、以下の請求の範囲によってのみ制限されるべきである。

本発明の一実施態様による光アイソレータの斜視図である。 強磁性材料を含むマイクロディスク共振器の上面図である。 均一な磁界の図２に示すマイクロディスク共振器の上面図である。 本発明のもう１つの実施態様による光アイソレータで、印加磁界が均一な磁界である光アイソレータを示す図である。 本発明のもう１つの実施態様による光アイソレータを示す図である。 折り返し空洞共振器の単純化した上面図である。 線形導波路に結合された折り返し共振器の斜視図である。 ２６０で示される図７の領域の拡大図である。

符号の説明

１０ 光アイソレータ
１１ 共振器（マイクロディスク共振器）
１２ 第２光導波路
１３ 第１光導波路
１５ 強磁性材料
２０ 光アイソレータ
２１ 共振器（拡張ディスク共振器）
２２ 強磁性金属の層
１１０ 磁界発生器
２００ 光アイソレータ
２０１ 共振器（折り返し空洞共振器）
２７５ 強磁性材料の層

Claims (13)

1. 第１光導波路と、
   第２光導波路と、
   前記第１および第２光導波路に結合され、前記第１光導波路から前記第２光導波路へ伝わる光に対して波長λで共振し、前記第２光導波路から前記第１光導波路へ伝わる光に対して波長λで共振しない、共振器と、
   を備える光アイソレータ。
2. 前記共振器がマイクロディスク共振器を備える、請求項１に記載の光アイソレータ。
3. 前記共振器が折り返し空洞共振器を備える、請求項１に記載の光アイソレータ。
4. 前記共振器が、前記第１光導波路のエッジに平行なエッジを備える、請求項１に記載の光アイソレータ。
5. 前記共振器が、印加磁界に強磁性材料の層を備える、請求項１に記載の光アイソレータ。
6. 前記強磁性材料がＦｅ：ＩｎＰを含む、請求項５の光アイソレータ。
7. 前記強磁性材料が、前記共振器周囲の光信号の伝播方向に沿って磁界Ｂを生成する正味磁化を有する、請求項５に記載の光アイソレータ。
8. 正味磁化が前記強磁性材料上に形成される、請求項５に記載の光アイソレータ。
9. 前記印加磁界は、前記強磁性材料層上において強度または方向が変化する、請求項１に記載の光アイソレータ。
10. 前記共振器が、前記強磁性材料層の一部分に重畳する強磁性金属の層をさらに備え、前記印加磁界が、前記強磁性材料層上において方向および大きさが一定であり、前記一部分が前記強磁性材料層のすべてより小さい、請求項５に記載の光アイソレータ。
11. 前記第１導波路および前記第２導波路が平坦な基板に配置され、前記共振器が前記第１および第２導波路に重畳して、前記第１および第２導波路に垂直に結合される、請求項１に記載の光アイソレータ。
12. 前記印加磁界を生成するための磁界発生器をさらに備える、請求項５に記載の光アイソレータ。
13. 前記印加磁界が、制御信号により選択可能な方向を有する、請求項１２に記載の光アイソレータ。
    

Images