JP2005506565A

JP2005506565A - 平面型偏光独立光アイソレータ

Info

Publication number: JP2005506565A
Application number: JP2003536784A
Authority: JP
Inventors: 宏野毛; 裕樹高橋
Original assignee: コーニング・インコーポレーテッド
Priority date: 2001-10-17
Filing date: 2002-10-08
Publication date: 2005-03-03
Also published as: WO2003034109A3; EP1436649A2; KR20040045840A; WO2003034109A2; CN1605037A; EP1436649A4; US6535656B1

Abstract

平面型光アイソレータは、基板（１０２）と、第１のモードスプリッタ（１０４Ａ）と、第２のモードスプリッタ（１０４D）と、第１のモードスプリッタ及び第２のモードスプリッタの間の基板上に形成された移相領域（１２０）とを含む。第１のモードスプリッタは、基板の上に形成されて、入力ポート（１１１）を通して入射光信号を受信し、入射光信号を第１の入射モード及び第２の入射モードに分割する。第２の光スプリッタは、基板の上に形成されて、第１の回転入射モード及び第２の回転入射モードを結合し、出力ポート（１１３）で入射光信号を再成形する。第２のモードスプリッタは、出力ポート上の反射光信号を受信して、この反射光信号を第１の反射モード及び第２の反射モードに分割する。

Description

【優先権の主張】
【０００１】
本出願は、２００１年１０月１７日に出願の米国特許出願第０９／９８２，５７２号の優先権の利益を請求する。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、光デバイスに関し、より詳細には、平面型偏光独立光アイソレータに関する。
【背景技術】
【０００３】
光アイソレータは、各種光システムに使用されている。例えば、レーザーの発振を中断させたり及び／又はインライン光増幅器との干渉によってシステムの動作に不適合な効果を与える反射を減じる。公知の光アイソレータは、多種類の素子を使用して、光学的にアイソレーションを達成している。例えば、一般的に、非平面光アイソレータは、複屈折結晶板（例えば、ルチル）や、半波長板、及び、外部磁石を有するラッチ型ガーネット又はノンラッチ型ガーネットを使用している。光サーキュレータも、例えば、入力ファイバ及び出力ファイバの双方に双方向ファイバを接続する各種光学システムに利用されている。非平面光サーキュレータも、一般的に、複屈折結晶板（例えば、ルチル）、半波長板、及び、外部磁石とともにラッチ型又はノンラッチ型ガーネットを使用する。
【０００４】
ルチルは、光線を少なくとも２つの直交する光線（すなわち、常光線及び異常光線）に分離する複屈折材料である。光アイソレータ又は光サーキュレータに実装されたときに、少なくとも１つのルチルが入力光信号を正常及び異常成分ビームに分離する第１のルチルと、２つの分離したビームを１つに戻して、元の入力光信号を再成形する最終の（例えば、第２の）ルチルとともに、walk-off素子として一般的に機能する。光アイソレータ及び光サーキュレータの利用において、ラッチ型ガーネットは入力信号の成分ビームを典型的には非相反的に４５度だけ回転させ、また、半波長板は典型的には更に４５度だけ成分ビームを相反的に回転させるために使用される。
【０００５】
高密度波長分割多重化（ＤＷＤＭ）システムで使用される光アイソレータ及び光サーキュレータの需要の最近の増加のために、光アイソレータ及び光サーキュレータの大きさを小さくするとともに、コストを下げることがますます重要とされた。つまり、標準的な半導体製造法を使用して製造できる実用的な平面型光デバイス（例えば、光アイソレータ及び光サーキュレータ）を開発することが望まれた。
【発明の開示】
【０００６】
本発明の１つの実施例は、基板と、第１のモードスプリッタと、第２のモードスプリッタと、第１のモードスプリッタ及び第２のモードスプリッタの間の基板上に形成された移相（位相シフト）領域と、を含む平面型光アイソレータに関する。第１のモードスプリッタは、基板上に形成されて、入力ポートを通して入射光信号を受信して、当該入射光信号を第１の入射モード及び第２の入射モードに分割する。第２のモードスプリッタは、基板上に形成されて、第１の回転入射モード及び第２の回転入射モードを結合して、出力ポートで入射光信号を再成形する。第２のモードスプリッタは、出力ポート上で反射光信号を受信して、当該反射光信号を第１の反射モード及び第２の反射モードに分割する。移相領域は、第１のモードスプリッタ及び第２のモードスプリッタの間の基板上に形成されて、非相反移相領域及び相反移相領域を含む。移相領域は、反射光信号をそのモードを変化させることなく通過させ、一方で、第２の回転入射モードとなる第１の入射モード及び第１の回転入射モードとなる第２の入射モードを生じさせる。第１のモードスプリッタは、入力ポートから離れる方向に第１の反射モード及び第２の反射モードを導く。
【０００７】
本発明の更なる特徴及び効果は、後述する詳細な説明に記載され、当業者であれば、本明細書の記載から明らかとなるであろうが、特許請求の範囲及び添付図面と共に以下の発明の詳細な説明に記載された本発明を実施することによっても認識されるであろう。
【０００８】
前述の説明は本発明の典型例にすぎず、特許請求の範囲で定義される発明の性質及び特徴の理解の概要を与えることを意図される。添付の図面は、本発明の更なる理解を提供するために含まれており、取り入れられて、本明細書の一部を構成する。図面は、本発明の原理及び操作を説明する詳細説明と共に、本発明のさまざまな特徴及び実施例を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
平面型光アイソレータは、基板と、基板の上に形成された第１のモードスプリッタと、基板の上に形成された第２のモードスプリッタと、第１のモードスプリッタ及び第２のモードスプリッタの間の基板上に形成される移相（位相シフト）領域と、を含む。本平面型光アイソレータのモードスプリッタは、従来のＹ状分岐ビームスプリッタ（１度未満）と比較して、相対的に大なる分岐角度（約７度）を有する。好適なことに、本平面型光アイソレータは、比較的小なるデバイスフットプリント（全長約１２００ミクロン未満）で低挿入損失（例えば、１５５０ナノメータでＴＥ及びＴＭの両方のモードに対して約０．２ｄＢ未満）、且つ、低クロストーク（例えば、４０ｄＢよりも大なる減少）である偏光独立光アイソレーションを提供する。アイソレータの図は、スケール及び各ディメンション通りに示されていない。また、素子の角度は、図示する目的のために誇張されている。
【００１０】
まず、図１を参照して、光学的なアイソレーションを提供する本発明の１つの実施例による平面型光アイソレータ１００が示される。アイソレータ１００は、基板１０２を含み、これは、好ましくは、厚さ約５００ミクロンのガドリニウムガリウムガーネット（ＧＧＧ）基板（例えばＧｄ_３Ｇａ_５Ｏ_１２）である。アイソレータ１００の素子はこの基板上に形成される。他の種類の基板（例えば、ＳＧＧやＮＧＧ）も使用され得る。図５Ｂに最も良く図示されている如く、複数の多重量子井戸（ＭＱＷ）構造１０４Ａ乃至１０４Ｄが基板１０２の上に形成されている。好ましくは、ＭＱＷ構造１０４Ａ乃至１０４Ｄを伝播するＴＥモードの実効屈折率はコア層１０６の屈折率の実効屈折率と同じになるようにＭＱＷ構造１０４Ａ乃至１０４Ｄの材料が選択される。これによりＴＭモードの実効屈折率は、コア層１０６の屈折率よりも小さくなり、ＴＭモードをＭＱＷ構造１０４Ａ乃至１０４Ｄの各々で分岐させる。
【００１１】
第１のＭＱＷ構造１０４Ａ（図１）は、コア層１０６（すなわち、磁気−光学物質）によって、第３のＭＱＷ構造１０４Ｂから離間されている。好ましくは、コア層１０６は、厚さ約９００ナノメートルのセリウム置換されたイットリウム鉄ガーネット（Ｃｅ：ＹＩＧ）材料から形成される。各々のＭＱＷ構造１０４Ａ乃至１０４Ｄは、好ましくは、厚さ約３０ナノメートルの３０層のＣｅ：ＹＩＧ及びシリコン酸化物（ＳｉＯ_２）の交互層を含む。クラッド層１０８（すなわち、非磁性体）は、ＭＱＷ構造１０４Ａ乃至１０４Ｄ及びコア層１０６を覆って形成される。クラッド層１０８は、入射光信号及び反射光信号の少なくとも一部を導くための複数のリブ１１０、１１２、１１４、１１６、１１８を含む。好ましくは、リブ１１０乃至１１８は、約５から７ミクロンの間の幅、約５０ナノメータの高さを有し、クラッド層１０８の全体の厚さは約１５０ナノメータである。
【００１２】
第１のリブ１１０及び第２のリブ１１２は、移相領域１２０の第１の側面上の第１のクロスオーバーリブ１１４によって、及び、移相領域１２０の第２の側面上の第２のクロスオーバーリブ１１６によって結合されている。第１のリブ１１０と、第１のクロスオーバーリブ１１４及び第２のクロスオーバーリブ１１６との間の分岐角θは、約７度程度であることが好ましい。同様に、第２のリブ１１２と、第１のクロスオーバーリブ１１４及び第２のクロスオーバーリブ１１６との間の分岐角θは、約７度程度であることが好ましい。入力ポート１１１は第１のリブ１１０の第１の端部の下方のコア層１０６内に位置し、第１のリブ出口ポート１１５は第１のリブ１１０の第２の端部の下方のコア層１０６内に位置する。第２のリブ１１２は、第２のリブ１１２の第１の端部の下方のコア層１０６内に位置する第２のリブ出口ポート１１９及び第２のリブ１１２の第２の端部の下方のコア層１０６内に位置する出力ポート１１３を含む。好適な実施例において、磁石１２２は、第１のリブ１１０及び第２のリブ１１２を覆って形成されて、約４５度だけ非相反的に入射光信号及び反射光信号を回転させるコア層１０６の非相反移相部分１２０Ａ（図３参照）を形成する。好ましくは、磁石１２２は、約１００ミクロンの長さＬｍ及び５から１０ミクロンの間の幅Ｌｗ（図６Ａ参照）を有する、２つの磁気フィルム領域によって形成される。
【００１３】
好ましくは、ポリイミド半波長板１２４は、コア層１０６内に組み込まれて（例えば、埋込まれて）、約４５度だけ入射光信号及び反射光信号を相反的に回転させる相反移相部分１２０Ｂ（図３参照）を与える。適切なポリイミド半波長板は、ＮＴＴ−ＡＴによって製造販売されている。認識されるように、非相反移相部分１２０Ａは、同じ方向（例えば、時計回り）に入射光信号及び反射光信号の双方を回転させる。更に、相反移相部分１２０Ｂは、一方向（例えば、時計回り）に入射光信号を回転させ、反対方向（例えば、反時計回り）に反射光信号を回転させる。
【００１４】
図１のアイソレータ１００の一部分（すなわち、第１のモードスプリッタ）の横断面が図２Ａに図示される。図２Ａに示す如く、入力ポート１１１に入射した入射光信号の第１の入射モード（例えば、ＴＥモード）は、移相領域１２０の方向に向けて第１のリブ１１０に沿ってコア層１０６を通って進行する。しかしながら、第１の入射モードの漏出部分は、第２の入射モードと同じパスに沿う。すなわち、漏出部分は、第１のクロスオーバーリブ１１４及び第２のリブ１１２に沿って、移相領域１２０の方向へ向けて第２のリブ１１２に沿ってコア層１０６内を進む。上記した如く、第１のリブ１１０及び第１のクロスオーバーリブ１１４が交差する場所に位置する第１のＭＱＷ構造１０４Ａの実効屈折率は、実質的に入射光信号の第１の入射モード（例えばＴＥモード）を通過するように選択されていて、第１の入射モードが第１のリブ１１０に沿って進む。図２Ｂに最もよく示される如く、入力ポート１１１に入射した入射光信号の第２の入射モード（例えば、ＴＭモード）は、第１のリブ１１０及び第１のクロスオーバーリブ１１４が交差する位置にある第１のＭＱＷ構造１０４Ａに達するまで、第１のリブ１１０に沿って進む。この位置は、コア層１０６を通って第２の入射モードが第１のクロスオーバーリブ１１４に沿って進む位置である。上記した如く、これは第１のＭＱＷ構造１０４Ａの実効屈折率による。同様に、第１のクロスオーバーリブ１１４及び第２のリブ１１２が交差する場所に位置する第２のＭＱＷ構造１０４Ｃは、入射光信号の第２の入射モードを移相領域１２０の方向へ第２のリブ１１２に沿って導く。
【００１５】
移相領域１２０及び第１のクロスオーバーリブ１１４との間にある出口リブ１１８は、第１のリブ１１０に結合している。更に以下に詳細に記載される如く、第１のＭＱＷ構造１０４Ａは、入力ポート１１１から離間する方向に出口リブ１１８に沿って実質的に第２の反射モードを反射するように、第１のリブ１１０及び出口リブ１１８の交差位置まで延在する。あるいは、他のＭＱＷ構造が第１のリブ１１０及び出口リブ１１８が交差する場所に位置し得て、入力ポート１１１から離間する方向に出口リブ１１８に沿って第２の反射モードを導く。
【００１６】
図３は、図１のアイソレータ１００の平面図である。ここでは明瞭にするためにクラッド層１０８、磁石１２２及びポリイミド半波長板１２４は省略した。図３は、入射光信号の第１の入射モード（例えば、ＴＥモード）及び第２の入射モード（例えば、ＴＭモード）によるパスを示す。第１のリブ１１０及び第１のクロスオーバーリブ１１４が交差する場所で、（第１のＭＱＷ構造１０４Ａの屈折率により）入射光信号のモードが分割される。図示するように、第２の入射モードは、第１のクロスオーバーリブ１１４に沿って、コア層１０６を通過して導かれる。第１の入射モードは、コア層１０６のリブ１１０に沿って導かれる。前述した如く、第１の入射モード及び第２の入射モードが分割されるのは、第１のＭＱＷ構造１０４Ａ及びコア層１０６の屈折率に差があるためである。第１の入射モードは、移相領域１２０に第１のリブ１１０に沿ってコア層１０６内を進行する。移相領域１２０を出ると、第１の入射モードは、第２の回転入射モード（例えば、ＴＭモード）に変化させられる。
【００１７】
第１のリブ１１０及び第２のクロスオーバーリブ１１６が交差する場所に位置する第３のＭＱＷ構造１０４Ｂは、第２の回転入射モードを第２のクロスオーバーリブ１１６に沿ってコア層１０６を通過させる。第４のＭＱＷ構造１０４Ｄに入ると、第２の回転入射モードは、出力ポート１１３の方向に第２のリブ１１２に沿って導かれる。繰り返しになるが、これはコア層１０６の屈折率に関してＭＱＷ構造１０４Ｄのより低い実効屈折率によるものである。前述のように、第１のリブ１１０及び第１のクロスオーバーリブ１１４の交差する場所に位置する第１のＭＱＷ構造１０４Ａは、第２の入射モードを第１のクロスオーバーリブ１１４によって沿ってコア層１０６内を導く。第２のＭＱＷ構造１０４Ｃは、第１のクロスオーバーリブ１１４及び第２のリブ１１２が交差する場所に位置し、移相領域１２０の方向に、最終的に出力ポート１１３まで、コア層１０６内を第２のリブ１１２に沿って導かれるように実質的に第２の入射モードを変換する。第２のＭＱＷ構造１０４Ｃは、入力ポート１１１から離れる方向に第２のリブ１１２に沿って導かれるように、実質的に反射光信号の第１の反射モード（例えば、ＴＥモード）を通過するように設計されている。
【００１８】
移相領域１２０を出ると、第２の入射モード（例えば、ＴＭモード）は、第１の回転入射モード（例えば、ＴＥモード）となる。各モードでの経路長は実質的に等しい故に、信号が出力ポート１１３で入射光信号をリフォームするように第１の回転入射モード及び第２の回転入射モードは、第２のクロスオーバーリブ１１６及び第２のリブ１１２の交差する場所で再結合される。
【００１９】
図４に戻ると、反射光信号の成分の経路が図示される。反射光信号は、出力ポート１１３に入り、第２のリブ１１２に沿ってコア層１０６内を通過する。第４のＭＱＷ構造１０４Ｄに入射すると、反射光信号は、第１の反射モード（例えば、ＴＥモード）及び第２の反射モード（例えば、ＴＭモード）に分割される。第２の反射モードは、第２のクロスオーバーリブ１１６に沿って続き、第１の反射モードは、ＭＱＷ構造１０４Ｄを通過して、移相領域１２０を通過して第２のリブ１１２に沿って導かれる。第２の反射モードは、第２のクロスオーバーリブ１１６及び第１のリブ１１０が交差する場所でＭＱＷ構造１０４Ｂに入る。ＭＱＷ構造１０４Ｂの屈折率は、第２の反射モードがコア層１０６の第１のリブ１１０に沿って、移相領域１２０の方へ導かれるようになされる。入射光信号とは異なり、移相領域１２０を通過するときに、反射光信号のモードは変化しない。第１の反射モード信号がＭＱＷ構造１０４Ｃを通過して、第１の反射モードが第２のリブ１１２の第１の端部の下方のコア層１０６に位置する第２のリブ出口ポート１１９を出て、コア層１０６の第２のリブ１１２に沿って進むように、ＭＱＷ構造１０４Ｃの屈折率は設計される。同様に、第２の反射モードは、第１のリブ１１０に沿って、実質的に変化しない移相領域１２０を通過し、出口リブ１１８及び第１のリブ１１０の交差位置で第１のＭＱＷ構造１０４Ａに入り、出口リブ１１８に沿って、入力ポート１１１から離間する方向にＭＱＷ構造１０４Ａによって、実質的に導かれる。
【００２０】
図１のアイソレータ１００の典型的な製造方法が図５Ａ−５Ｅに図示される。最初に、図示しないスパッタチャンバ内で、Ｃｅ：ＹＩＧ及びＳｉＯ_２多層膜がＧＧＧ（または、Ｓｍ_３Ｇａ_５Ｏ_１２（ＳＧＧ）、または、Ｎｄ_３Ｇａ_５Ｏ_１２（ＮＧＧ）が利用され得る）基板上に堆積され、ＭＱＷ構造１０４Ａ乃至１０４Ｄを形成する。好ましくは、スパッタリングチャンバは、少なくとも２つのターゲットを有し、１つはＣｅ：ＹＩＧデポジションのため、もう１つはＳｉＯ_２デポジションのためのものである。好ましくは、基板１０２は、摂氏５５０度から７５０度程度に電気抵抗のヒータによって加熱される。多層フィルムは、基板１０２の位置を各ターゲットで交換することにより空気に暴露することなしに準備できる。多層ＭＱＷ構造１０４Ａ乃至１０４Ｄの形成の間、非相反補償移相器（すなわち、移相領域１２０）のための領域はマスキングされている。次に、多層フィルムは、図５Ｂで示すフォトリソグラフィ及びおよびエッチング技術によって、部分的に除去される。適切なエッチング技術は、イオンビームスパッタリング法と比較して一般的に高いエッチング速度を提供する磁気中性線放電（ＮＬＤ）プラズマ法であり得る。一般的に、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法は、ガーネット薄膜のエッチングには有効ではない点に留意する必要がある。各種適切なＮＬＤプラズマエッチャが半導体業界において広く利用されている。図５Ｃに示すように、エッチングされた領域上へＣｅ：ＹＩＧ薄膜がスパッタ堆積される。次に、図５Ｄに示すように、クラッド層（例えば、ＳｉＯ_２）１０８がスパッタによって堆積させられる。更に、図５Ｅに示す如く、リブがフォトグラフィ法及びＮＬＤプラズマエッチングを使用して形成される。非相反移相領域を達成するために、磁石１２２が（例えば、気相デポジションによって）非相反移相部分１２０Ａの領域上に形成され、ポリイミド半波長板１２４がコア層１０６に埋設されて、相反移相部分１２０Ｂを形成する。磁石は、基層ガーネット薄膜を飽和状態にすることを必要とすることを認識されたい。例えばＴｉＯ_２の如き、他の材料がクラッド層（ｎ_{ｃｏｒｅ（ＭＱＷ）}＞ｎ_{ｃｌａｄｄｉｎｇ}が維持される）として使用され得て、ガーネット導波路の非相反効果を強化し得ることを認識されたい。ラッチ形成可能な材料が非相反回転効果を成し遂げるために利用され得ることを認識されたい。この場合、磁石を使用する必要がない。ｎ_ｃｏｒｅがｎ_{ｓｕｂｓｔｒａｔｅ}よりも大であるように基板が好ましくは選択される。
【００２１】
更に、図６Ａに示されている如く、図１の平面型光アイソレータ１００の構造上のディメンション及び材料はアイソレータ１００の光学的性質によるものであると理解されなければならない。アイソレータ１００のＭＱＷ構造の層を構成する選択された材料の厚さ及び屈折率値は、材料の選択及び他の素子のディメンションに影響を及ぼす。いくつかの設計方程式が図６Ａ、６Ｂ及び７に関して後述される。構造複屈折（ΔＮ^ｍ）は、以下に定義される：
【００２２】
【数１】

【００２３】
ここで、Ｎ_ｅｑは、Ａ−Ｂ線に沿った実効屈折率である（図２Ａ及び７参照）。導波路相対屈折率値差（Δｗ^ｍ）は、以下に定義される：
【００２４】
【数２】

【００２５】
ここで、ｍは、ＴＥ又はＴＭモードである。正規化周波数（Ｖ_ｘ ^ｍ）は以下の如く定義される：
【００２６】
【数３】

【００２７】
「ａ」はリブ幅、「λ」は波長、「ｍ」はＴＥ又はＴＭモードのいずれかである。
【００２８】
ビームスプリッタを設計するために、ＭＱＷ構造の構造パラメーター値を決定しなければならない。すなわち、アイソレータ特性（すなわち、アイソレーション）は、ＭＱＷ構造の構造パラメータに依存する。ＭＱＷ構造（図６Ｂに示される）は、異なる屈折率を各々有する２つの材料からなる。周期的に高低の屈折率の層を重ねて形成される多層構造体（動作波長と比較して約１０分の１よりも小さい厚さを有する。）が大なる光学的異方性を有するので、例えば、１５５０ｎｍで高い透過度を有する全ての材料がＭＱＷ構造の層としての候補である。一方、Ａ−Ｂ線（図２Ａ参照）に沿った実効屈折率分布は、好ましくは、図７に示すように、ビームスプリッタのクロストーク減少を最大にするために、好ましくは（Ｎ_ｅｑ１）^ＴＥ＝（Ｎ_ｅｑ３）^ＴＥである。４０ｄＢを超えるアイソレーションを実現するために、少なくとも４０ｄＢだけモード間のクロストークを最大限に減じることが望ましい。［（Ｎ_ｅｑ１）^ＴＥ＝（Ｎ_ｅｑ３）^ＴＥ］の条件は、ＭＱＷ構造に選択される材料の中でコアの厚さ「Ｄｃ」に対応する厚さ（「ｄＨ」及び「ｄＬ」）、屈折率（「ｎＨ」及び「ｎＬ」）及び全層の厚さ「ｄＭ」を調整することによって得る。
【００２９】
ＭＱＷ構造も、ＴＭモード（ΔＮ^ＴＭ）で構造複屈折を与え、これは、大なる分岐角θ（図６Ａ参照）を達成するために大である必要があり、「ｄＨ」、「ｄＬ」、「Δｎ」、「ｄＭ」、「Ｎ」及びリブ高さ（「ｄｃ」に「ｈ」を足したもの）を含むクラッド厚さによって影響される。一般に、「Δｎ」及び「ｄＭ」の増加及び「Ｎ」の減少は、大なるΔＮ^ＴＭを得るために必要である。「ｄＭ」及び「Ｎ」の値は、ビームスプリッタを通過する光に対して単一モード状態を満たすように選択されなければならない。ビームスプリッタのコアを通過する光は、「ｄＭ」の増加と共に及び「Ｎ」の減少と共にマルチモードにおいて伝播する傾向を有する。
【００３０】
ＭＱＷ構造の適切な構造パラメータは、ＩｎＰ（低屈折率材料：ｎ＝３．１６９４）、Ｇａ_０．４Ｉｎ_０．６Ａｓ_０．８６Ｐ_０．１４（高屈折率材料：ｎ＝３．４９７５）、Ｇａ_０．２４Ｉｎ_０．７６Ａｓ_{０．５０８}Ｐ_{０．４９２}（コア層材料：ｎ＝３．３４８７）によって達成される。このケースでは、Δｎ＝０．３３、ｄＨ＝２８ｎｍ、ｄＬ＝２５ｎｍ、ｄＭ（Ｄｃ）＝８７６ｎｍ、Ｎ＝３３層及びΔＮ^ＴＭ＝０．１％である。
【００３１】
Δｎ＝０．３３の材料がＭＱＷ構造を作るための適切なパラメーター値を提供する。例えば、Ｃｅ置換されたＹＩＧ（Ｃｅ：ＹＩＧ［Ｃｅ_ｘＹ_３−ｘＦｅ_５Ｏ_１２］、ｘはｎ＝２．０となるように決定される。）、ＧＧＧ（Ｇｄ_３Ｇａ_５Ｏ_１２、ｎ＝２．３）、及び、Ｃｅ_ｘＹ_３−ｘＦｅ_５Ｏ_１２（ｘは、ｎ＝２．１になるように決定される）の組み合わせは、それぞれ、低屈折率材料、高屈折率材料及びコア層として利用できる。Ｃｅ：ＹＩＧ／ＳｉＯ_２（０．５−０．８に等しいΔｎ）からなるＭＱＷ構造がまた用いられ得る。
【００３２】
リブ幅「ａ」の適切な値は、５から１０ミクロンであって、このとき一般的に他のデバイスにもっとも効率的に接続する。５から１０ミクロンのリブ幅「ａ」を達成するためには、クラッド層厚さ「ｄｃ」及びリブ高さ「ｈ」について適切な値は、導波路屈折率差（Δｗ^ｍ）を考慮して選択され得る。クラッド層の屈折率は、コア及びＭＱＷ構造の屈折率と比較して小さくなければならない。モードスプリッタ／アイソレータにおいて、「ｄｃ」及び「ｈ」のための値は、Δｗ^ＴＭ値を使用して選択されるべきである。つまり、「ｄｃ」及び「ｈ」の値が変化するとき、ＴＭモード（Δｗ^ＴＭ）の導波路屈折率差がＴＥモードの導波路屈折率差よりも大だからである。より低いΔｗ^ＴＭ値がクロストークを最も減少させるために望ましい。ポート１１１でのＴＭモード入力は、より高いΔｗ^ＴＭ値を有するポート１１５に伝播する傾向がある。モードスプリッタ／アイソレータにおいて、１パーセントの１０分の１のΔｗ^ＴＭが少なくとも４０ｄＢだけクロストークを減じるためには好ましい。（しかしながら、Δｗ^ＴＭが０．１％よりも小であると、多くの他の素子に接続するのにリブ幅「ａ」の値が大きすぎる（例えば＞１０ミクロン）。したがって、「ｄｃ」及び「ｈ」値は、約５から１０ミクロンの範囲の「ａ」及び１パーセントの約１０分の１のΔｗ^ＴＭで好ましくは選択される。より高いΔｗ^ＴＭ値は、一般に、より薄い「ｄｃ」及び／又はより厚い「ｈ」において生ずる。更に、望ましくは、方向ｘ（Ｖ_ｘ ^ＴＭ）への光伝搬の正規化周波数（normalized frequency value）は、単一モード光伝搬を維持するために約１．５でなければならない。約５ミクロンの「ａ」値を達成するためには、ＭＱＷ構造がＩｎＰ／Ｇａ_０．４Ｉｎ_０．６Ａｓ_０．８６Ｐ_０．１４であり、コア層がＧａ_０．２４Ｉｎ_０．７６Ａｓ_{０．５０８}Ｐ_{０．４９２}であり、及び、ＩｎＰクラッド層が使用される場合、「ｄｃ」の適切な値は約１１７ナノメートル、「ｈ」の適切な値は５５ナノメートルである。Ｃｅ：ＹＩＧ／ＧＧＧＭＱＷ構造、Ｃｅ：ＹＩＧ−コア層（ｎ＝２．０）、及び、Ｃｅ：ＹＩＧ−クラッド層（ｎ＝２．１）を使用するアイソレータは、上記の実施例と比較してより小さい「ｄｃ」及び「ｈ」の値を与える。しかしながら、「ｈ」に対する「ｄｃ」の比は、ほぼ同じ値、すなわち、約２：１である。
【００３３】
スネルの法則に基づいて、ビームスプリッタの最大全反射角θｃは、以下で定義される：
【００３４】
【数４】

【００３５】
上記したように、７度の適切な分岐角度は、４０ｄＢよりも大なるクロストーク減少を生じる。上記した方程式から算出される最大角度の約６０パーセントよりも大きな値が、４０ｄＢよりも大きなクロストークの減少をモード分割に許容する。一般に、ポート分離距離「Ｌｓ」（図６Ａ参照）は、ＴＥ及びＴＭモード間のモード結合を避けるために２０ミクロンより大きくなければならない。７度に等しいθの分岐角度を有する、Ｃｅ：ＹＩＧ／ＧＧＧＭＱＷ構造、Ｃｅ：ＹＩＧコア層（ｎ＝２．１）、及び、Ｃｅ：ＹＩＧ−クラッド層（ｎ＝２．０）を有するビームスプリッタの全長は、２つのモードスプリッタ（約８５０ミクロン）の長さ及びガーネット導波路の長さの合計長さの総アイソレータ長を有する。
【００３６】
一般式Ｒｅ_３Ｆｅ_５Ｏ_１２（Ｒｅは、Ｙ、Ｌａ、Ｂｉ及び三価の希土類イオンなど）を有する鉄ガーネット薄膜は、光磁気（非相反）材料として公知であって、本明細書に記載されている如く、平面タイプ光アイソレータ（本願明細書において記載されている）において使用するコア／導波路材料として適切である。非相反特性を有する他の材料は、コア／導波路層の候補でもある。一般的に、単相の各種ガーネット薄膜が液相エピタキシャル（ＬＰＥ）法及び気相エピタキシャル工程によって得られる。例えば、（ＢｉＹ）_３Ｆｅ_５Ｏ_１２、（ＬａＧａ）_３Ｆｅ_５Ｏ_１２、（ＣｅＹ）_３Ｆｅ_５Ｏ_１２、（ＹｂＰｒＢｉ）_３（ＦｅＧａ）_５Ｏ_１２、（ＹＢｉ）_３（ＦｅＧａ）_５Ｏ_１２、及び、（ＹＢｉ）_３（ＦｅＡｌ）_５Ｏ_１２は、偏光依存平面アイソレータの導波路材料としての用途に推薦される。しかしながら、Ｂｉ−及びＣｅ−のみで置換したＹＩＧ（Ｂｉ：ＹＩＧ及びＣｅ：ＹＩＧ）薄膜は、気相堆積法によって実現されると報告されている。本明細書において記載されている平面タイプ光アイソレータの製造において、導波路をモードスプリッタの間に埋設されるようにして、同じ基板上にガーネットフィルム導波路を形成するためには、一般的にガス位相エピタキシャル工程を利用することが必要である。Ｂｉ：ＹＩＧ及びＣｅ：ＹＩＧ薄膜を使用しているガーネット導波路が本明細書において記載され平面型アイソレータのために実用的である。Ｃｅ：ＹＩＧ薄膜は、一般的に大なるファラデー回転角度（約４０００−５０００ｄｅｇ／ｃｍ）を提供する故に好ましい。約４５度のファラデー回転を達成するための長さ「Ｌｍ」は、約１００ミクロンであって、これによって、好適にも相対的に短いアイソレータを実現可能である。本明細書において記載される好ましいアイソレータは、約９５０ミクロンの全デバイス長によって、一般的に実現することができる。
【００３７】
大なるファラデー回転角度を達成するためには、Ｃｅ：ＹＩＧ薄膜を結晶化させることが望ましい。したがって、Ｃｅ：ＹＩＧ薄膜の格子定数とほぼ同じ格子定数を有する基板が好ましくは結晶化Ｃｅ：ＹＩＧ薄膜を提供するために用いられる。しかしながら、ガラス（例えば、アモルファスガラス）及び／又は他の結晶基板上のアモルファスＣｅ：ＹＩＧ（ａ−Ｃｅ：ＹＩＧ）薄膜が所定温度におけるＯ_２雰囲気でのアニーリングによって結晶化し得る。結晶化温度の条件がＣｅ：ＹＩＧ薄膜に対して存在する場合であっても、どのような基板でも使われ得る。基板を選択するための相対的に重要なポイントは、ｎ_{ｃｏｒｅ（ＭＱＷ）}＞ｎ_{ｓｕｂｓｔｒａｔｅ}の条件を満たすことである。アイソレータを同じ基板上のレーザーと集積するためには、レーザ素子のための基板であるＩＩＩ−Ｖ族化合物基板が必要である。この場合、コア層及びＭＱＷ構造の材料は、ｎ_{ｃｏｒｅ（ＭＱＷ）}＞ｎ_{ＩＩＩ−ｖｓｕｂｓｔｒａｔｅ}となるように選択される。Ｃｅ：ＹＩＧ薄膜を使用する他の効果は、センチメートルあたり約０．０６から０．４５ｄＢまでの低挿入損失を提供するということである。
【００３８】
好ましくは、本明細書において記載される平面型光アイソレータは、薄膜、例えば、強力な平面方向のｃ軸アラインメントを呈するサマリウム−コバルト薄膜磁石を使用している。薄膜磁石を使用する効果は、アイソレータのクラッド層上に直接堆積することができる点である。薄膜磁石は、好ましくは、５から１０ミクロンの幅「Ｌｗ」で約１００ミクロンの長さ「Ｌｍ」でガーネット導波路上に堆積される。
【００３９】
半波長板１２４は、好ましくは、アイソレータ１００の導波路に形成された溝に嵌入される。より広い溝幅が一般的により大なる回折損失をもたらす故に、溝幅は典型的には約３０ミクロン未満であって、このとき０．１ｄＢ未満の回折損失を達成する。現在、ＮＴＴ−ＡＴによって提供されているポリイミド波長板だけ（厚さは、約１６ミクロンである）がこの基準を満たしている。反射防止膜は、溝ファセット及び波長板の間の反射を減らすために波長板上に堆積され得る。あるいは、溝は反射を減らすために導波路に対して一定の角度（例えば、８度）で形成されて、反射を減じる。
【００４０】
一般に、２種類のモードスプリッタが使用されている。第１のモードスプリッタは方向性カップラタイプであって、第２のモードスプリッタはＹ分岐タイプである。方向性カップラタイプにおいて、ＴＥ／ＴＭモードスプリットは、ＴＥ及びＴＭモード（図８Ａ）間の完全な結合長の差を使用することによって行われる。方向性カプラの素子長は、完全結合長よりも大であって、数十ミリメートル以上になりえる。一方、Ｙ−分岐タイプモードスプリッタは、ＴＥ及びＴＭモード（図８Ｂ）に対する異なる屈折率を有する非対称導波路を使用することによってＴＥ／ＴＭモード分割を実現する。これらのモードスプリッタの分岐角度θは１度未満であると報告されている。これは数ミリメートルから数十ミリメートルの総素子長を与える。上記のように、本明細書において記載されているアイソレータに使用されるモードスプリッタの長さは、少なくとも約４０ｄＢだけのクロストークを減じると同時に、その大なる分岐角度による他のモードスプリッタの長さと比較してより短い。
【００４１】
このように、平面型光アイソレータは、基板と、基板上に形成される第１のモードスプリッタと、基板上に形成される第２のモードスプリッタと、及び、第１のモードスプリッタ及び第２のモードスプリッタの間の基板上に形成される移相領域とを含むと記載されてきた。本平面型光アイソレータは、相対的に小なる素子のフットプリントで低挿入損失の偏光独立光アイソレーションを与える。
【００４２】
ここに記載された本発明の好適な実施例に対する多様なモディフィケーションが添付の特許請求の範囲に定義された本発明の精神及び趣旨から逸脱することなくなされ得ることは、当業者であれば明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の１つの実施例による平面型光アイソレータの拡大部分分解図である。
【図２Ａ】本発明の１つの実施例による第１のモードスプリッタを通過した入射光信号の第１の入射モードのパスを示す、図１のアイソレータのＩＩ−ＩＩ線に沿った横断面図である。
【図２Ｂ】第１のモードスプリッタを通過した入射光信号の第２の入射モードのパスを示す、図１のアイソレータのＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。
【図３】本発明によるクラッド層を除去した図１のアイソレータの平面図であって、アイソレータのコア層を通過した入射光信号の成分の進行を示す。
【図４】本発明によるクラッド層を除去した図１のアイソレータの平面図であって、アイソレータのコア層を通過した反射光信号成分の進行を示す。
【図５Ａ】図１のアイソレータの製造工程における斜視図である。
【図５Ｂ】図１のアイソレータの製造工程における斜視図である。
【図５Ｃ】図１のアイソレータの製造工程における斜視図である。
【図５Ｄ】図１のアイソレータの製造工程における斜視図である。
【図５Ｅ】図１のアイソレータの製造工程における斜視図である。
【図６Ａ】図１のアイソレータの各構造の大きさを表す平面図である。
【図６Ｂ】各構造の大きさを表す図２ＡのモードスプリッタのＡ−Ｂ線に沿った断面図である。
【図７】ＴＥ及びＴＭモードについてのＡ−Ｂ線に沿った材料の実効屈折率を示す図である。
【図８Ａ】方向性カップラのＴＥ及びＴＭモードの分割を示す図である。
【図８Ｂ】Ｙ分岐タイプモードスプリッタのＴＥ及びＴＭモードの分割を示す図である。

Claims

基板と、
前記基板上に形成され、入力ポートを介して入射光信号を受信し前記入射光信号を第１入射モード及び第２入射モードに分割する第１モードスプリッタと、
前記基板上に形成され、第１の回転入射モードと第２の回転入射モードとを結合して出力ポートで前記入射光信号を再形成し、前記出力ポートで反射光信号を受信して前記反射光信号を第１反射モードと第２反射モードに分割する第２モードスプリッタと、
前記第１モードスプリッタ及び前記第２モードスプリッタの間の前記基板上に形成され、非相反位相シフト部分及び相反位相シフト部分を含み、前記反射光信号をそのモードを変えることなく通過させて前記第１入射モードを前記第２の回転入射モードへ且つ前記第２入射モードを前記第１の回転入射モードへ変換し、前記第１反射モード及び前記第２反射モードを前記入力ポートから離間する方向に導く位相シフト領域と、を含むことを特徴とする平面型光アイソレータ。
前記アイソレータは、
前記基板上に形成された複数の多重量子井戸（ＭＱＷ）構造と、
前記基板上に形成され、前記複数のＭＱＷ構造を分離し、前記位相シフト領域を含むコア層と、
前記複数のＭＱＷ構造及び前記コア層の上に形成されたクラッド層と、を更に含み、前記クラッド層は、
前記コア層の少なくとも一部を通過した前記入射光信号及び前記反射光信号の少なくとも一部を導く第１リブであって、前記入力ポートは前記第１リブの第１の端部の下にある前記コア層に位置し、第１のリブ出口ポートは前記第１リブの第２の端部の下にある前記コア層に位置する、第１リブと、
前記コア層の少なくとも一部を通過した前記入射光信号及び前記反射光信号の少なくとも一部を導く第２リブであって、第２のリブ出口ポートは前記第２リブの第１の端部の下にある前記コア層に位置し、出力ポートは前記第２リブの第２の端部の下にある前記コア層に位置する、第２リブと、
前記位相シフト領域の第１側面で前記第１リブ及び前記第２リブを接続する第１交差リブであって、前記第１リブ及び前記第１交差リブの交差点に位置する第１のＭＱＷ構造は前記第２入射モードを前記第１交差リブによって導いて実質的に変換し且つ前記第１入射モードを前記第１リブによって導いて実質的に通過させて、前記第２リブ及び前記第１交差リブの交差点に位置する第２のＭＱＷ構造は前記第２入射モードを前記第２リブによって前記出力ポートの方向へ導いて実質的に変換し且つ前記第２リブによって前記入力ポートから離れる方向へ前記第１反射モードを実質的に通過させる、第１交差リブと、
前記第１側面に対向する前記位相シフト領域の第２側面で前記第１リブと前記第２リブを接続する第２交差リブであって、前記位相シフト領域はそのモードを変化させることなしに前記反射信号を透過し前記第１入射モードを前記第２回転入射モードに且つ前記第２入射モードを前記第１回転入射モードになし、前記第１リブ及び前記第２交差リブの交差点に位置する第３ＭＱＷ構造は前記第２の回転入射モードを前記第２交差リブによって導いて実質的に再導入し且つ前記第２の反射モードを前記第１リブによって前記入力ポートの方向へ導いて実質的に再導入し、前記第２リブ及び前記第２交差リブの交差点に位置する第４のＭＱＷ構造は前記第２の回転入射モードを前記第２リブによって前記出力ポートの方向に導いて前記第１の回転入射モードと組み合わせて前記入射光信号を再成形するように実質的に再導入し且つ前記第２の反射モードを前記第２交差リブによって前記第１リブの方向へ導いて再導入し前記第１の反射モードを前記第２リブによって前記入力ポートの方向へ導いて通過させる、第２交差リブと、
前記位相シフト領域及び前記第１交差リブの間の前記位相シフト領域の前記第１側面で前記第１リブに接続された出口リブであって、前記第１ＭＱＷ構造が前記第１リブ及び前記出口リブの前記交差点まで延在し前記出口リブに沿って前記入力ポートから離れて前記第２反射モードに実質的に再導入される、出口リブと、
を含むことを特徴とする請求項１記載のアイソレータ。
前記第１リブ及び前記第２リブが実質的に平行であることを特徴とする請求項２記載のアイソレータ。
前記第１交差リブ及び前記第２交差リブが実質的に平行であることを特徴とする請求項３記載のアイソレータ。
前記第１交差リブ及び前記第１、第２リブの間の分岐角度が約５乃至１０度の範囲内にあり、前記第２交差リブ及び前記第１、第２交差リブの間の分岐角度が５乃至１０度の範囲内にあることを特徴とする請求項２記載のアイソレータ。
前記基板がガドリウムガリウムガーネット（ＧＧＧ）基板であり、前記コア層がセリウムイットリウム鉄ガーネット（Ｃｅ：ＹＩＧ）層であり、前記ＭＱＷ構造の各々がＣｅ：ＹＩＧ層及び酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）層の多重交互層であることを特徴とする請求項２記載のアイソレータ。
前記クラッド層が酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）及び酸化チタン（ＴｉＯ_２）の１つであることを特徴とする請求項６記載のアイソレータ。
前記非相反位相シフト部分が前記クラッドに隣接して磁石を含むことを特徴とする請求項２記載のアイソレータ。
前記相反位相シフト部分が前記コア層内に組み込まれたポリイミド半波板によって形成されることを特徴とする請求項２記載のアイソレータ。
前記第１入射モード、前記第１反射モード、及び、前記第１の回転入射モードはＴＥモードであって、前記第２入射モード、前記第２反射モード、及び、前記第２の回転入射モードはＴＭモードであることを特徴とする請求項１のアイソレータ。