JP2019207278A - Nonreciprocal filter - Google Patents

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Abstract

To provide a nonreciprocal filter that reduces restrictions on material selection for obtaining a nonreciprocal effect.SOLUTION: An isolator being a nonreciprocal filter is represented by an equivalent circuit 10 in which a filter 20 and a nonreciprocal line 30 are connected in parallel between a first point 11 and a second point 12. The equivalent circuit 10 has a first filter characteristic related to a signal traveling from the first point 11 toward the second point 12, and a second filter characteristic related to a signal traveling from the second point 12 toward the first point 11. The first filter characteristic forms a passband including a predetermined effective band and has a first attenuation pole outside the passband. The second filter characteristic has a second attenuation pole close to the passband of the first attenuation pole in the first filter characteristic, and in the effective band, the signal is transmitted at a transmittance lower than the transmittance in the first filter characteristic.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本開示は、非相反性フィルタに関する。   The present disclosure relates to non-reciprocal filters.

アイソレータは、電磁波の伝播方向によって透過率が異なる非相反性を有する。非相反性効果を得るために、磁性体材料が一般的に用いられている(例えば、特許文献1参照)。   Isolators have non-reciprocity with different transmittances depending on the propagation direction of electromagnetic waves. In order to obtain a nonreciprocal effect, a magnetic material is generally used (see, for example, Patent Document 1).

特許第4412549号公報Japanese Patent No. 412549

アイソレータは、非相反性を有する非相反性フィルタである。非相反性フィルタは、容易かつ安価に製造するため非相反性を与える素子の材料選択の自由度が高いことが望ましい。本開示の目的は、非相反性効果を得るための材料選択の制約を低減した非相反性フィルタを提供することにある。   The isolator is a nonreciprocal filter having nonreciprocity. Since the nonreciprocal filter is easily and inexpensively manufactured, it is desirable that the degree of freedom of material selection for the element that provides nonreciprocity is high. An object of the present disclosure is to provide a nonreciprocal filter with reduced material selection constraints for obtaining a nonreciprocal effect.

本開示の非相反性フィルタは、第1点と第2点との間でフィルタと非相反性線路とが並列に接続した等価回路で表される。等価回路は、第1点から第2点に向けて進む信号に関する第1フィルタ特性と、第2点から第1点に向けて進む信号に関する第2フィルタ特性とを有する。第1フィルタ特性は、所定の有効帯域が含まれる通過帯域を形成し、前記通過帯域外に、前記非相反性線路の特性に応じて現れる第1減衰極を有する。第2フィルタ特性は、第1フィルタ特性における第1減衰極の通過帯域側に、非相反性線路の特性に応じて現れる第2減衰極を有し、第2減衰極によって、有効帯域において、第1フィルタ特性における透過率よりも低い透過率で信号を透過させる。   The nonreciprocal filter of the present disclosure is represented by an equivalent circuit in which a filter and a nonreciprocal line are connected in parallel between a first point and a second point. The equivalent circuit has a first filter characteristic relating to a signal traveling from the first point toward the second point, and a second filter characteristic relating to a signal traveling from the second point toward the first point. The first filter characteristic has a first attenuation pole that forms a pass band including a predetermined effective band and appears outside the pass band according to the characteristic of the nonreciprocal line. The second filter characteristic has a second attenuation pole that appears according to the characteristic of the nonreciprocal line on the passband side of the first attenuation pole in the first filter characteristic, and the second attenuation characteristic causes The signal is transmitted with a transmittance lower than the transmittance in one filter characteristic.

本開示の実施形態によれば、非相反性効果を得るための材料選択の制約を低減した非相反性フィルタを提供することができる。   According to the embodiment of the present disclosure, it is possible to provide a nonreciprocal filter with reduced material selection restrictions for obtaining a nonreciprocal effect.

図1は、一実施形態に係るアイソレータの基本構成を示す等価回路を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing an equivalent circuit showing a basic configuration of an isolator according to an embodiment. 図2は、図1の等価回路をより詳細に示す第1例の等価回路を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing an equivalent circuit of a first example showing the equivalent circuit of FIG. 1 in more detail. 図3は、図2の等価回路に含まれる破線部を拡大して示す図である。FIG. 3 is an enlarged view of a broken line part included in the equivalent circuit of FIG. 図4は、図2の等価回路の挿入損失の周波数特性を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating frequency characteristics of insertion loss of the equivalent circuit of FIG. 図5は、図4の一部を横軸方向に拡大して示す図である。FIG. 5 is an enlarged view of a part of FIG. 4 in the horizontal axis direction. 図6は、図5の横軸を波長に変換した図である。FIG. 6 is a diagram in which the horizontal axis of FIG. 5 is converted into a wavelength. 図7は、図1の等価回路をより詳細に示す第2例の等価回路を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing an equivalent circuit of a second example showing the equivalent circuit of FIG. 1 in more detail. 図8は、図7の等価回路の挿入損失の周波数特性を示す図である。FIG. 8 is a diagram illustrating frequency characteristics of insertion loss of the equivalent circuit of FIG. 図9は、図8の一部を横軸方向に拡大して示す図である。FIG. 9 is an enlarged view of a part of FIG. 8 in the horizontal axis direction. 図10は、tanδに対するロス量を表す図である。FIG. 10 is a diagram illustrating a loss amount with respect to tan δ. 図11は、図1の等価回路をより詳細に示す第3例の等価回路を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing an equivalent circuit of a third example showing the equivalent circuit of FIG. 1 in more detail. 図12は、図11の等価回路の挿入損失の周波数特性を示す図である。FIG. 12 is a diagram illustrating frequency characteristics of insertion loss of the equivalent circuit of FIG. 図13は、図12の一部を横軸方向に拡大して示す図である。FIG. 13 is an enlarged view of a part of FIG. 12 in the horizontal axis direction. 図14は、図1の等価回路をより詳細に示す第4例の等価回路を示す図である。FIG. 14 is a diagram showing an equivalent circuit of a fourth example showing the equivalent circuit of FIG. 1 in more detail. 図15は、図14の等価回路の挿入損失の周波数特性を示す図である。FIG. 15 is a diagram showing frequency characteristics of insertion loss of the equivalent circuit of FIG. 図16は、図15の一部を横軸方向に拡大して示す図である。FIG. 16 is an enlarged view of a part of FIG. 15 in the horizontal axis direction. 図17は、図1の等価回路をより詳細に示す第5例の等価回路を示す図である。FIG. 17 is a diagram showing an equivalent circuit of a fifth example showing the equivalent circuit of FIG. 1 in more detail. 図18は、図17の等価回路の挿入損失の周波数特性を示す図である。FIG. 18 is a diagram illustrating frequency characteristics of insertion loss of the equivalent circuit of FIG. 図19は、図18の一部を横軸方向に拡大して示す図である。FIG. 19 is an enlarged view of a part of FIG. 18 in the horizontal axis direction. 図20は、一実施形態に係るアイソレータの構成を示す模式図である。FIG. 20 is a schematic diagram illustrating a configuration of an isolator according to an embodiment. 図21は、高周波数側と低周波数側との減衰極の変化を説明する図である。FIG. 21 is a diagram for explaining a change in attenuation pole between the high frequency side and the low frequency side. 図22は、従来技術によるアイソレータの概略構成を示す図である。FIG. 22 is a diagram showing a schematic configuration of an isolator according to the prior art.

本開示の非相反性フィルタについて詳細を説明する前に、比較のため従来技術に係るファラデー効果を利用したアイソレータ100について、図22を参照して説明する。アイソレータ100は、例えば、赤外線領域の直線偏光光源を用いる光通信用途に用いられる。   Before describing the details of the nonreciprocal filter of the present disclosure, an isolator 100 using the Faraday effect according to the related art will be described with reference to FIG. 22 for comparison. The isolator 100 is used, for example, for optical communication using a linearly polarized light source in the infrared region.

図13に示すアイソレータ100は、ファラデー旋光子101を2枚の偏光子102及び103の間に配置して構成される。ファラデー旋光子101、偏光子102、103は何れも板状の部材であり、互いの面を対向させ平行に配置される。以下の図13に関する説明において、x方向及びy方向は、ファラデー旋光子101、偏光子102、103の面に沿う方向とする。z方向は、x方向およびy方向に垂直な方向とする。x方向及びy方向は互いに直交するものとする。磁場Hをz方向に印加した状態で、ファラデー旋光子101は、ファラデー効果によりz方向に進行する直線偏光の偏光面を45度回転させる。偏光子102は、y方向に透過軸を有する。偏光子103は、y方向に対してファラデー旋光子101による旋光方向に45度傾けた方向に透過軸を有する。   The isolator 100 shown in FIG. 13 is configured by disposing a Faraday rotator 101 between two polarizers 102 and 103. Each of the Faraday rotator 101 and the polarizers 102 and 103 is a plate-like member, and is arranged in parallel with the surfaces facing each other. In the following description regarding FIG. 13, the x direction and the y direction are directions along the surfaces of the Faraday rotator 101 and the polarizers 102 and 103. The z direction is a direction perpendicular to the x direction and the y direction. It is assumed that the x direction and the y direction are orthogonal to each other. With the magnetic field H applied in the z direction, the Faraday rotator 101 rotates the polarization plane of linearly polarized light traveling in the z direction by 45 degrees due to the Faraday effect. The polarizer 102 has a transmission axis in the y direction. The polarizer 103 has a transmission axis in a direction inclined 45 degrees in the optical rotation direction by the Faraday rotator 101 with respect to the y direction.

光通信用途などで光源として多くの場合に用いられる半導体レーザーは、直線偏光を有する。アイソレータ100の偏光子102側からy方向に偏光した直線偏光を入射させると、入射光は、y方向に透過軸を有する偏光子102を透過する。偏光子102を透過した入射光は、磁場Hが印加されたファラデー旋光子101により偏光方向を45度回転される。更に、ファラデー旋光子101を透過した入射光は、透過軸がy軸に対して45度傾けられた偏光子103を透過する。   A semiconductor laser used in many cases as a light source in applications such as optical communication has linearly polarized light. When linearly polarized light polarized in the y direction is incident from the polarizer 102 side of the isolator 100, the incident light is transmitted through the polarizer 102 having a transmission axis in the y direction. Incident light transmitted through the polarizer 102 is rotated by 45 degrees in the polarization direction by the Faraday rotator 101 to which the magnetic field H is applied. Further, the incident light transmitted through the Faraday rotator 101 is transmitted through the polarizer 103 whose transmission axis is inclined by 45 degrees with respect to the y-axis.

一方、偏光子103側からは戻り光が入射しうる。戻り光は通常ランダムな偏光方向を有しうるが、偏光子103により、y軸方向に45度傾いた直線偏光成分のみが透過する。偏光子103を透過した戻り光は、ファラデー旋光子101により、偏光方向が45度回転し、y方向に垂直なx方向となる。このため、ファラデー旋光子101を透過した戻り光は、偏光子102を通過できない。   On the other hand, return light can enter from the polarizer 103 side. The return light can usually have a random polarization direction, but only the linearly polarized light component inclined by 45 degrees in the y-axis direction is transmitted by the polarizer 103. The return light transmitted through the polarizer 103 is rotated by 45 degrees in the polarization direction by the Faraday rotator 101 and becomes the x direction perpendicular to the y direction. For this reason, the return light transmitted through the Faraday rotator 101 cannot pass through the polarizer 102.

このように、ファラデー旋光子101により45度の旋光角を得られることが、アイソレータ100が戻り光を遮断しアイソレータとして機能するために必須の要件である。赤外線領域では、このファラデー旋光子101には、磁性ガーネットが用いられている。   Thus, it is an indispensable requirement for the isolator 100 to obtain an optical rotation angle of 45 degrees by the Faraday rotator 101 so that the isolator 100 blocks the return light and functions as an isolator. In the infrared region, a magnetic garnet is used for the Faraday rotator 101.

一方、可視光領域では、磁性ガーネットは不透過である。このため、可視光領域で用いられるアイソレータでは、磁性ガラスを用いて、赤外光の場合と同様の効果を持たせている。しかし、磁性ガーネットに比べると磁性ガラスは、ヴェルデ定数が小さいため、45度の旋光角を得るためにアイソレータのサイズが大型化し、高価になる。入射光の偏光性に依存しない偏光無依存アイソレータも市販されているが、これは、ファラデー旋光子に加え2枚の複屈折結晶を用いて、往路と復路との光の経路が変化するように構成され、非常に高価である。   On the other hand, in the visible light region, the magnetic garnet is impermeable. For this reason, in the isolator used in the visible light region, magnetic glass is used to provide the same effect as in the case of infrared light. However, since magnetic glass has a smaller Verde constant than magnetic garnet, the size of the isolator becomes large and expensive in order to obtain an optical rotation angle of 45 degrees. Polarization-independent isolators that do not depend on the polarization of incident light are also commercially available, but this uses two birefringent crystals in addition to a Faraday rotator to change the light path between the forward path and the return path. Constructed and very expensive.

マイクロ波領域では、特許文献1に記載されるように、非相反性効果を得る為に磁性フェライトを用いることが一般的である。   In the microwave region, as described in Patent Document 1, it is common to use magnetic ferrite to obtain a nonreciprocal effect.

いずれの場合も、アイソレータは、挿入損失を低減する為に、透過率が高く、かつ、非相反性効果が得られる素材を利用して構成することが必要とされる。   In any case, the isolator is required to be configured using a material having high transmittance and a nonreciprocal effect in order to reduce insertion loss.

本開示におけるアイソレータは、非相反性フィルタの一形態である。本開示の非相反性フィルタは、45度の旋光角を必要とせず、且つ、磁性体材料の透過率が直接非相反性フィルタの透過特性を決定しない。このため、本開示の非相反性フィルタは、非相反性効果を得るための磁性体材料の選択肢が拡大し、小型且つ安価に製造することが可能となる。また、基板実装可能な素材より非相反性材料を選択できるようになるため、導波路構造が容易に作製可能になる。   The isolator in the present disclosure is one form of a nonreciprocal filter. The nonreciprocal filter of the present disclosure does not require an optical rotation angle of 45 degrees, and the transmittance of the magnetic material does not directly determine the transmission characteristics of the nonreciprocal filter. For this reason, the nonreciprocal filter of this indication can expand the choice of the magnetic material material for obtaining a nonreciprocal effect, and can be manufactured small and cheaply. In addition, since a nonreciprocal material can be selected from materials that can be mounted on a substrate, a waveguide structure can be easily manufactured.

以下、本開示の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の説明で用いられる図は模式的なものである。図面上の寸法比率等は現実のものとは必ずしも一致していない。   Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described with reference to the drawings. The drawings used in the following description are schematic. The dimensional ratios on the drawings do not necessarily match the actual ones.

(等価回路の基本構成)
図1に示すように、本開示のアイソレータに係る等価回路10は、第1点11と第2点12との間に並列に接続されたフィルタ20と非相反性線路30とを含む。等価回路10は、第1分岐点13と第2分岐点14との間で2つの並行する線路に分岐し、分岐した一方の線路にフィルタが接続され、他方の線路に非相反性線路30が接続されている。以下では、第1点11から第2点12に向けかう信号の経路を往路、第2点12から第1点11に向かう信号の経路を復路と呼ぶ。本開示のアイソレータは、等価回路10に従い製作することが可能である。
(Basic configuration of equivalent circuit)
As shown in FIG. 1, the equivalent circuit 10 according to the isolator of the present disclosure includes a filter 20 and a nonreciprocal line 30 connected in parallel between a first point 11 and a second point 12. The equivalent circuit 10 is branched into two parallel lines between the first branch point 13 and the second branch point 14, a filter is connected to one branched line, and the nonreciprocal line 30 is connected to the other line. It is connected. Hereinafter, a signal path from the first point 11 to the second point 12 is referred to as an outward path, and a signal path from the second point 12 to the first point 11 is referred to as a return path. The isolator of the present disclosure can be manufactured according to the equivalent circuit 10.

フィルタ20は多段の共振器よりなり、フィルタ20全体としては、バンドパスフィルタ、ローパスフィルタ、又は、ハイパスフィルタなどを形成している。フィルタ20に対して、並列線路を設けることで、等価回路10の通過特性に減衰極が形成される。このとき、並列線路を非相反性線路30とすることで、非相反性線路30の特性に応じて、往路で現れる減衰極(以下、「第1減衰極」とする)の周波数と、復路で現れる減衰極(以下、「第2減衰極」とする)の周波数とを異ならせることができる。したがって、等価回路10は、往路を進む信号と復路を進む信号とで異なるフィルタ特性を有しうる。往路を進む信号に関するフィルタ特性を第1フィルタ特性とし、復路を進む信号に関するフィルタ特性を第2フィルタ特性とする。   The filter 20 includes a multistage resonator, and the filter 20 as a whole forms a bandpass filter, a lowpass filter, a highpass filter, or the like. By providing a parallel line for the filter 20, an attenuation pole is formed in the pass characteristic of the equivalent circuit 10. At this time, by using the non-reciprocal line 30 as the parallel line, the frequency of the attenuation pole appearing in the forward path (hereinafter referred to as “first attenuation pole”) according to the characteristics of the non-reciprocal line 30 and the return path The frequency of the appearing attenuation pole (hereinafter referred to as “second attenuation pole”) can be made different. Therefore, the equivalent circuit 10 may have different filter characteristics for a signal traveling on the forward path and a signal traveling on the backward path. A filter characteristic relating to a signal traveling in the forward path is defined as a first filter characteristic, and a filter characteristic relating to a signal traveling in the return path is defined as a second filter characteristic.

往路ではフィルタ20の通過帯域に含まれ第1減衰極の影響を受けずに信号が透過する帯域であって、復路では第2減衰極により信号が減衰する帯域を有効帯域とする。第1フィルタ特性では、等価回路10が形成する通過帯域に有効帯域が含まれ、通過帯域外に第1減衰極が現れる。第2フィルタ特性では、第1フィルタ特性の通過帯域内に第2減衰極が現れる。これにより、有効帯域において、第2フィルタ特性における透過率が、第1フィルタ特性における透過率よりも低くなる。第2フィルタ特性における透過率が十分低いとき、有効帯域で、等価回路10に対応する非相反性フィルタは、アイソレータとして機能することになる。   In the forward path, a band that is included in the pass band of the filter 20 and through which the signal passes without being influenced by the first attenuation pole, and in the return path, a band in which the signal is attenuated by the second attenuation pole is defined as an effective band. In the first filter characteristic, the pass band formed by the equivalent circuit 10 includes the effective band, and the first attenuation pole appears outside the pass band. In the second filter characteristic, the second attenuation pole appears in the pass band of the first filter characteristic. Thereby, in the effective band, the transmittance in the second filter characteristic is lower than the transmittance in the first filter characteristic. When the transmittance in the second filter characteristic is sufficiently low, the nonreciprocal filter corresponding to the equivalent circuit 10 functions as an isolator in the effective band.

等価回路10において、非相反性線路30は、フィルタ20の通過特性に減衰極を形成するためにのみ利用される。このため、第1点11と第2点12との間を通る信号を主としてフィルタ20の接続された線路を通し、非相反性線路30を通る信号を少なくすることができる。このことは、等価回路10に対応するアイソレータにおいて、電磁波のエネルギーの大部分をフィルタ20側に分配し、非相反性線路30での損失の影響を小さくすることができることを意味する。   In the equivalent circuit 10, the nonreciprocal line 30 is used only for forming an attenuation pole in the pass characteristic of the filter 20. For this reason, the signal passing between the first point 11 and the second point 12 is mainly passed through the line to which the filter 20 is connected, and the signal passing through the nonreciprocal line 30 can be reduced. This means that in the isolator corresponding to the equivalent circuit 10, most of the electromagnetic wave energy can be distributed to the filter 20 side, and the influence of the loss in the nonreciprocal line 30 can be reduced.

等価回路10に対応するアイソレータにおいて、入射する電磁波が円偏波であれば、等価回路10の非相反性線路30が有する非相反性は、往路と復路との屈折率の違いとして具現化されうる。入射する電磁波が直線偏波であれば、非相反性はファラデー回転角の違いとして具現化されうる。これらの特性を利用することで、上述の往路と復路の差異を発生させることが可能となる。   In the isolator corresponding to the equivalent circuit 10, if the incident electromagnetic wave is circularly polarized, the nonreciprocity of the nonreciprocal line 30 of the equivalent circuit 10 can be embodied as a difference in refractive index between the forward path and the return path. . If the incident electromagnetic wave is linearly polarized, nonreciprocity can be embodied as a difference in Faraday rotation angle. By using these characteristics, it is possible to generate the difference between the above-described outbound path and inbound path.

(等価回路の第1例)
図2は、非相反性線路30に損失が無いものとした第1例に係るアイソレータの等価回路10aである。等価回路10aのフィルタ20は、複数段のLC共振器21a〜21l(以下、適宜LC共振器21とする)がキャパシタ22a〜22k(以下、適宜キャパシタ22とする)を挟んで並列に配置されたバンドパスフィルタである。図3に示すように、各LC共振器21は、キャパシタ23及びインダクタ24が並列に接続され、隣り合うLC共振器21とキャパシタ22により電気的に結合されている。また、非相反性線路30として、無損失位相回路31がフィルタ20に対して並列に配置されている。
(First example of equivalent circuit)
FIG. 2 is an equivalent circuit 10a of the isolator according to the first example in which the nonreciprocal line 30 has no loss. In the filter 20 of the equivalent circuit 10a, a plurality of stages of LC resonators 21a to 21l (hereinafter referred to as LC resonators 21 as appropriate) are arranged in parallel with capacitors 22a to 22k (hereinafter referred to as capacitors 22 as appropriate) sandwiched therebetween. It is a bandpass filter. As shown in FIG. 3, each LC resonator 21 has a capacitor 23 and an inductor 24 connected in parallel, and is electrically coupled by an adjacent LC resonator 21 and a capacitor 22. In addition, a lossless phase circuit 31 is arranged in parallel with the filter 20 as the nonreciprocal line 30.

等価回路10aでは、入出力インピーダンスを50Ω、無損失位相回路31のインピーダンスを220Ω、往路での移相を98°、復路での移相を125°と設定した。LC共振器21は、所望の共振周波数になるように設計した。キャパシタ22のキャパシタンスは、LC共振器21間の結合量が所望の数値になるように設計した。これらの数値の求め方は、一般的にフィルタ理論から導出できることが知られている(例えば、小西良弘著、「マイクロ波技術講座」、ケイラボ出版、2001年を参照)。本実施例の場合には、LC共振器21の共振周波数を1.01GHz、帯域幅を0.71GHzと設定して各素子値を求めた。各LC共振器21間のキャパシタ22のキャパシタンスは種々の設定が可能であるが、例えば、全てのキャパシタ22のキャパシタンスを、2.26pFと設定できる。   In the equivalent circuit 10a, the input / output impedance is set to 50Ω, the impedance of the lossless phase circuit 31 is set to 220Ω, the phase shift in the forward path is set to 98 °, and the phase shift in the return path is set to 125 °. The LC resonator 21 was designed to have a desired resonance frequency. The capacitance of the capacitor 22 was designed so that the coupling amount between the LC resonators 21 was a desired value. It is known that how to obtain these numerical values can be generally derived from filter theory (see, for example, Yoshihiro Konishi, “Microwave Technology Course”, Kay Lab Publishing, 2001). In the case of the present embodiment, each element value was obtained by setting the resonance frequency of the LC resonator 21 to 1.01 GHz and the bandwidth to 0.71 GHz. Various capacitances can be set for the capacitors 22 between the LC resonators 21. For example, the capacitances of all the capacitors 22 can be set to 2.26 pF.

上記設計例が示すように、等価回路10aの特性インピーダンス50Ωに対して、無損失位相回路31の特性インピーダンスを220Ωとしてよい。このため、等価回路10aに基づくアイソレータを通る電磁波のエネルギーの大部分は、フィルタ20側を通ることが分かる。   As shown in the above design example, the characteristic impedance of the lossless phase circuit 31 may be 220Ω with respect to the characteristic impedance of 50Ω of the equivalent circuit 10a. For this reason, it can be seen that most of the energy of the electromagnetic wave passing through the isolator based on the equivalent circuit 10a passes through the filter 20 side.

図4は、より一般的な設計例として、シミュレーションにより得られた規格化周波数におけるフィルタ特性を示す。図4において、破線は、往路の規格化周波数に対する挿入損失を示す。図4において、実線は、復路の規格化周波数に対する挿入損失を示す。すなわち、破線は、等価回路10aの往路における第1フィルタ特性を示している。また、実線は等価回路10aの復路における第2フィルタ特性を示している。往路では、破線で示す挿入損失が小さい通過帯域Bpを有する。往路における第1減衰極A1は、通過帯域Bp外の周波数を有する。図4に示すように、往路と復路とでは形成される減衰極の周波数が異なる。復路における第2減衰極A2は、往路のフィルタ特性における第1減衰極A1の通過帯域Bp側に位置する。このときのアイソレータとして使用できる有効帯域Beは、一点鎖線で示されるように、規格化周波数軸において0.87から0.94の範囲となる。   FIG. 4 shows filter characteristics at a normalized frequency obtained by simulation as a more general design example. In FIG. 4, the broken line indicates the insertion loss with respect to the normalized frequency of the forward path. In FIG. 4, the solid line shows the insertion loss with respect to the normalized frequency of the return path. That is, the broken line indicates the first filter characteristic in the forward path of the equivalent circuit 10a. The solid line shows the second filter characteristic in the return path of the equivalent circuit 10a. The forward path has a pass band Bp with a small insertion loss indicated by a broken line. The first attenuation pole A1 in the forward path has a frequency outside the passband Bp. As shown in FIG. 4, the frequency of the attenuation pole formed differs between the forward path and the return path. The second attenuation pole A2 in the return path is located on the pass band Bp side of the first attenuation pole A1 in the filter characteristic of the forward path. The effective band Be that can be used as an isolator at this time is in the range of 0.87 to 0.94 on the normalized frequency axis, as indicated by a one-dot chain line.

規格化周波数とは、フィルタ設計において一般的に使用されているものであり、フィルタの通過帯域幅を−1から1とし、フィルタの中心周波数を0としたものである。このようなフィルタから、ローパスフィルタ、バンドパスフィルタ、ハイパスフィルタなどを、周波数変換することで自由に設計することができる。例えば、バンドパスフィルタの場合には、次式により周波数変換することで規格化周波数Fから任意の実周波数fへ変換できることが知られている。   The standardized frequency is generally used in filter design, and is a filter in which the passband width of the filter is −1 to 1 and the center frequency of the filter is 0. From such a filter, a low-pass filter, a band-pass filter, a high-pass filter, and the like can be freely designed by frequency conversion. For example, in the case of a bandpass filter, it is known that the frequency can be converted from the normalized frequency F to an arbitrary real frequency f by performing frequency conversion according to the following equation.

F=A(f/f0−f0/f) (1)
ただし、f0は任意のフィルタの中心周波数、fは実周波数、Aは比帯域幅である。規格化周波数Fから任意の実周波数fへの変換は、数式(1)を実周波数fについて解いて求めることで行うことができる。
F = A (f / f0−f0 / f) (1)
However, f0 is the center frequency of an arbitrary filter, f is an actual frequency, and A is a specific bandwidth. The conversion from the normalized frequency F to an arbitrary real frequency f can be performed by solving Equation (1) for the real frequency f.

なお、誘電体中での移相量[°]は、比誘電率ε、比透磁率μ、及び誘電体の長さdを用いて、
√ε√μ×d/λ×360°
で定義される。θ=98°及び125°という移相量の差は例えばフェライトなどを用いることで容易に生成することができる。特許文献1の図1によれば、バイアス磁場を39.5kA/m(500Oe)、フェライトの飽和磁化を85mT(850G)、磁気共鳴半値幅を158A/m(2Oe)としたとき、周波数およそ0.5GHzにおいて透磁率の最大値と最小値との間に透磁率の最大値の60%の差を設けることができることが知られている。上述の透磁率の差は、移相量に直せば25%強の差となる。つまり、適当な長さの上記フェライトを用いれば、98°及び125°という移相量の差を設けることができる。
In addition, the amount of phase shift [°] in the dielectric is obtained by using the relative permittivity ε, the relative permeability μ, and the length d of the dielectric,
√ε√μ × d / λ × 360 °
Defined by The difference in phase shift amount of θ = 98 ° and 125 ° can be easily generated by using, for example, ferrite. According to FIG. 1 of Patent Document 1, when the bias magnetic field is 39.5 kA / m (500 Oe), the saturation magnetization of ferrite is 85 mT (850 G), and the magnetic resonance half width is 158 A / m (2 Oe), the frequency is approximately 0. It is known that a difference of 60% of the maximum value of the magnetic permeability can be provided between the maximum value and the minimum value of the magnetic permeability at 5 GHz. The above-described difference in magnetic permeability is a difference of just over 25% when the phase shift amount is corrected. That is, if the ferrite having an appropriate length is used, a difference in phase shift amount of 98 ° and 125 ° can be provided.

図5は、有効帯域Beを含む図4の一部を横軸方向に拡大した図である。図6は、図5の横軸を波長に変換した図である。一点鎖線で示す波長領域は、有効帯域Beに対応する。図6において、有効帯域Beの波長範囲は、約0.215mから約0.22mである。この領域で、破線で示す往路の挿入損失は、−1dB以下である。また、この領域で、実線で示す復路での挿入損失は、−20dB以上となっている。往路と復路とで27°分の位相変化量を与える非相反性線路30を形成することで、有効帯域Beにおいて、一般的な光アイソレータの要求仕様である、往路での挿入損失を−1dB以下に抑え、復路での損失を−20dB以上確保できることが分かる。   FIG. 5 is an enlarged view of a part of FIG. 4 including the effective band Be in the horizontal axis direction. FIG. 6 is a diagram in which the horizontal axis of FIG. 5 is converted into a wavelength. A wavelength region indicated by an alternate long and short dash line corresponds to the effective band Be. In FIG. 6, the wavelength range of the effective band Be is about 0.215 m to about 0.22 m. In this region, the forward insertion loss indicated by a broken line is −1 dB or less. In this region, the insertion loss in the return path indicated by the solid line is -20 dB or more. By forming the nonreciprocal line 30 that gives a phase change amount of 27 ° between the forward path and the return path, the insertion loss in the forward path, which is a required specification of a general optical isolator, is −1 dB or less in the effective band Be. It can be seen that it is possible to secure -20 dB or more in the return path.

(等価回路の第2例)
第1例の非相反性線路30に用いられる素材は、例えば、鉄(Fe)及びコバルト(Co)などの磁性体金属を含む素材から選択してよい。しかし、赤外領域で使用可能な磁性体材料は、磁性ガーネットを除けば、材料による赤外光の吸収が大きい。そこで、図7に示す第2例の等価回路10bでは、図3に示した等価回路10aにおいて、非相反性線路30に損失があると想定し、無損失位相回路31に代えて損失を有する損失位相回路32を設けた。なお、等価回路10bの素子値は図3の対応する構成要素の素子値と同じである。このときtanδの値に対する損失を計算した。tanδは、誘電体内でのエネルギーの吸収量に対応するパラメータである。例えば、損失位相回路32でtanδ=0.0125としたときの規格化周波数に対する挿入損失を図8に示す。図4と同様に、往路の第1フィルタ特性において、通過帯域Bp外の高周波数側に第1減衰極A1が現れ、復路の第2フィルタ特性において、第2減衰極A2が第1フィルタ特性における第1減衰極A1の通過帯域Bp側に現れる。これにより、通過帯域Bp内に、往路において挿入損失が−1dB以下であり、復路において挿入損失が−20dB以上となる有効帯域Beが存在する。
(Second example of equivalent circuit)
The material used for the nonreciprocal line 30 of the first example may be selected from materials including magnetic metal such as iron (Fe) and cobalt (Co). However, the magnetic material that can be used in the infrared region has a large absorption of infrared light by the material except for the magnetic garnet. Therefore, in the equivalent circuit 10b of the second example shown in FIG. 7, it is assumed that the non-reciprocal line 30 has a loss in the equivalent circuit 10a shown in FIG. A phase circuit 32 is provided. The element value of the equivalent circuit 10b is the same as the element value of the corresponding component in FIG. At this time, the loss with respect to the value of tan δ was calculated. tan δ is a parameter corresponding to the amount of energy absorbed in the dielectric. For example, FIG. 8 shows the insertion loss with respect to the normalized frequency when tan δ = 0.0125 in the loss phase circuit 32. As in FIG. 4, in the first filter characteristic of the forward path, the first attenuation pole A1 appears on the high frequency side outside the pass band Bp, and in the second filter characteristic of the return path, the second attenuation pole A2 is in the first filter characteristic. It appears on the passband Bp side of the first attenuation pole A1. As a result, the pass band Bp includes an effective band Be in which the insertion loss is −1 dB or less in the forward path and the insertion loss is −20 dB or more in the return path.

図9は図8の有効帯域Beを含む周波数帯域を横方向に拡大した図となっている。図5に示した無損失位相回路31を用いた場合と比較して、損失位相回路32を用いたときは、復路で同等の周波数帯域幅の有効帯域Beにおいて−20dB以上の十分な挿入損失が得られる。したがって、等価回路10bに対応するアイソレータは、実用上問題が無く使用できるものと考えられる。   FIG. 9 is a diagram in which the frequency band including the effective band Be of FIG. 8 is expanded in the horizontal direction. Compared with the case where the lossless phase circuit 31 shown in FIG. 5 is used, when the loss phase circuit 32 is used, a sufficient insertion loss of −20 dB or more is obtained in the effective band Be of the same frequency bandwidth in the return path. can get. Therefore, it is considered that the isolator corresponding to the equivalent circuit 10b can be used without any practical problem.

図10は、tanδの変化に対する、有効帯域Be内で損失が最大となる周波数(図9においてfm)での損失量の変化を示すグラフである。図10に示されるように、tanδが0.01まで損失量はほとんど変化せず、約−1を維持する。tanδが0.1の場合でも、損失は−2dB未満である。したがって、非相反性線路30に用いられる素材に吸収がある場合も、十分な透過特性を持つアイソレータを実現することができる。   FIG. 10 is a graph showing a change in the loss amount at a frequency (fm in FIG. 9) at which the loss is maximum within the effective band Be with respect to the change in tan δ. As shown in FIG. 10, the loss amount hardly changes until tan δ is 0.01, and maintains about −1. Even when tan δ is 0.1, the loss is less than −2 dB. Therefore, even when the material used for the nonreciprocal line 30 has absorption, an isolator having sufficient transmission characteristics can be realized.

(等価回路の第3例)
なお、図2では、フィルタ20を含む線路と無損失位相回路31を含む線路とは結線されているが、キャパシタ又はインダクタを介在して接続してよい。さらに、フィルタ20への入出力もキャパシタ又はインダクタが介在してよい。例えば、図11に示す第3例の等価回路10cでは、フィルタ20と無損失位相回路31とは、インダクタ33a及び33bを介して接続される。フィルタ20と無損失位相回路31との間のインダクタ33a、33bのインダクタンスは、L=0.1nHである。この第3例の設計によれば、等価回路10cの入出力インピーダンス50Ωに対して非相反性線路30の特性インピーダンスは210Ωでよい。このため、電磁波のエネルギーの大部分は、フィルタ20側を通る。また、往路及び復路の移相量は、θ=95°、及び125°とした。より一般的な設計として規格化周波数におけるフィルタ特性を図12に示す。図12においても、往路の第1フィルタ特性が第1減衰極A1を有し、復路の第2フィルタ特性が第1減衰極A1と異なる周波数に第2減衰極A2を有する。これにより、アイソレータとして機能する有効帯域Beが生成される。図12の一部の横軸方向の拡大図を図13に示す。
(Third example of equivalent circuit)
In FIG. 2, the line including the filter 20 and the line including the lossless phase circuit 31 are connected, but may be connected via a capacitor or an inductor. Further, a capacitor or an inductor may be interposed between the input and output to the filter 20. For example, in the equivalent circuit 10c of the third example shown in FIG. 11, the filter 20 and the lossless phase circuit 31 are connected via inductors 33a and 33b. The inductances of the inductors 33a and 33b between the filter 20 and the lossless phase circuit 31 are L = 0.1 nH. According to the design of the third example, the characteristic impedance of the nonreciprocal line 30 may be 210Ω with respect to the input / output impedance of 50Ω of the equivalent circuit 10c. For this reason, most of the electromagnetic wave energy passes through the filter 20 side. Further, the amount of phase shift in the forward path and the return path was set to θ = 95 ° and 125 °. FIG. 12 shows filter characteristics at a normalized frequency as a more general design. Also in FIG. 12, the first filter characteristic of the forward path has the first attenuation pole A1, and the second filter characteristic of the return path has the second attenuation pole A2 at a frequency different from that of the first attenuation pole A1. As a result, an effective band Be that functions as an isolator is generated. FIG. 13 shows an enlarged view of a part of FIG. 12 in the horizontal axis direction.

(等価回路の第4例)
一般に、減衰極を形成するには、フィルタの途中の共振器間の飛び越し結合でも可能であることが知られており、非相反性線路30をフィルタ20の両端以外のLC共振器21から分岐させてもよい。図14に示す第4例の等価回路10dでは、非相反性線路30は、フィルタ20の両端から2番目のLC共振器21(21b,21k)から分岐している。非相反性線路30としては、無損失位相回路31が用いられる。この等価回路10dのフィルタ20と非相反性線路30との間のインダクタ33a、33bは、L=0.1nHである。この第4例の設計によれば、等価回路10dの入出力インピーダンス50Ωに対して非相反性線路30の特性インピーダンスは350Ωでよいため、電磁波のエネルギーの大部分がフィルタ20側を通る。また、往路及び復路の移相量は、θ=80°、及び140°とした。より一般的な設計として、規格化周波数におけるフィルタ特性を図15に示す。また、図15の一部の横軸方向の拡大図を図16に示す。
(Fourth example of equivalent circuit)
In general, it is known that in order to form an attenuation pole, jump coupling between resonators in the middle of a filter is also possible, and the nonreciprocal line 30 is branched from LC resonators 21 other than both ends of the filter 20. May be. In the equivalent circuit 10 d of the fourth example shown in FIG. 14, the nonreciprocal line 30 is branched from the second LC resonator 21 (21 b, 21 k) from both ends of the filter 20. As the nonreciprocal line 30, a lossless phase circuit 31 is used. Inductors 33a and 33b between the filter 20 and the nonreciprocal line 30 of the equivalent circuit 10d have L = 0.1 nH. According to the design of the fourth example, since the characteristic impedance of the nonreciprocal line 30 may be 350Ω with respect to the input / output impedance of 50Ω of the equivalent circuit 10d, most of the electromagnetic wave energy passes through the filter 20 side. Further, the amount of phase shift in the forward path and the return path was set to θ = 80 ° and 140 °. As a more general design, the filter characteristics at the normalized frequency are shown in FIG. FIG. 16 is an enlarged view of a part of FIG. 15 in the horizontal axis direction.

同等の減衰極を生成するための、飛び越し結合の大きさは、結合されるLC共振器21の間が離れているほど、小さく済むことが知られている。第4例の等価回路10dは、第1例から第3例の等価回路10a〜10cと比べ、往路と復路との移相量の差を大きくして、第1例から第3例の等価回路10a〜10cと同等の減衰極を生成している。等価回路10dに対応するアイソレータで、移相量の差を大きくするためには、非相反性素子の厚さを厚くしなくてはならない。これは、素子の大型化、高価格化につながる。したがって、非相反性線路30は、フィルタ20の入力側端部及び出力側端部と接続して、フィルタ20の全体に対して並列に接続することが好ましい。飛び越し結合の大きさが小さくてよいということは、少ない位相差で必要とされる減衰極を実現可能であることを意味する。   It is known that the magnitude of the interlace coupling for generating the equivalent attenuation pole is smaller as the distance between the coupled LC resonators 21 is increased. The equivalent circuit 10d of the fourth example is different from the equivalent circuits 10a to 10c of the first example to the third example in that the difference in the amount of phase shift between the forward path and the return path is increased, and the equivalent circuit of the first example to the third example An attenuation pole equivalent to 10a to 10c is generated. In order to increase the difference in the amount of phase shift in the isolator corresponding to the equivalent circuit 10d, the thickness of the nonreciprocal element must be increased. This leads to an increase in size and price of the element. Therefore, the nonreciprocal line 30 is preferably connected to the input side end and the output side end of the filter 20 and connected in parallel to the entire filter 20. The fact that the magnitude of the interlace coupling may be small means that the attenuation pole required with a small phase difference can be realized.

また、フィルタ20の入力側端部と出力側端部との間に非相反性線路30を設けるとともに、フィルタ20を構成する一部のLC共振器21にのみ並列に、他の非相反性線路を接続することも可能である。この場合、減衰極が同時に2つ発生することが知られている。   In addition, a nonreciprocal line 30 is provided between the input side end and the output side end of the filter 20, and another nonreciprocal line is provided in parallel only with some LC resonators 21 constituting the filter 20. Can also be connected. In this case, it is known that two attenuation poles are generated simultaneously.

(等価回路の第5例)
図17は、LC共振器21間の結合をキャパシタ22a〜22kからインダクタ25a〜25kへ変更した第5例の等価回路10eを示す。無損失位相回路31とフィルタ20とは、キャパシタ34a及び34bを介して接続される。第5例の等価回路10eのフィルタ20と無損失位相回路31間のキャパシタンスは、C=0.2pFである。この設計例によれば、等価回路10eの入出力インピーダンス50Ωに対して、非相反性線路30の特性インピーダンスは520Ωでよい。このため、等価回路10eに対応するアイソレータの電磁波のエネルギーの大部分はフィルタ20側を通る。また、移相量は、往路θ=45°、復路θ=59°とした。図18は、より一般的な設計として規格化周波数におけるフィルタ特性を示す。図19は、図18の一部の横軸方向への拡大図を示す。前述の第1例から第4例と比較すると、往路と復路とでの移相量の差が小さくなっている。より少ない非相反性線路30で、有効帯域Beを生成可能であることが分かる。
(Fifth example of equivalent circuit)
FIG. 17 shows an equivalent circuit 10e of a fifth example in which the coupling between the LC resonators 21 is changed from the capacitors 22a to 22k to the inductors 25a to 25k. The lossless phase circuit 31 and the filter 20 are connected via capacitors 34a and 34b. The capacitance between the filter 20 and the lossless phase circuit 31 of the equivalent circuit 10e of the fifth example is C = 0.2 pF. According to this design example, the characteristic impedance of the nonreciprocal line 30 may be 520Ω with respect to the input / output impedance of 50Ω of the equivalent circuit 10e. For this reason, most of the electromagnetic wave energy of the isolator corresponding to the equivalent circuit 10e passes through the filter 20 side. Further, the amount of phase shift was set to forward path θ = 45 ° and return path θ = 59 °. FIG. 18 shows filter characteristics at a normalized frequency as a more general design. FIG. 19 shows an enlarged view of a part of FIG. 18 in the horizontal axis direction. Compared with the first to fourth examples described above, the difference in the amount of phase shift between the forward path and the return path is small. It can be seen that the effective band Be can be generated with fewer nonreciprocal lines 30.

上記等価回路10、10a〜10eにおいて、フィルタ20と非相反性線路30とを通るエネルギー分配として、大部分のエネルギーがフィルタ20側を通る。これにより、非相反性線路30は、フィルタ20の減衰極の形成のためにのみ利用され、等価回路10に対する非相反性線路30の損失の影響が小さくなる。異なるインピーダンスZ1、Z2を有する二つの線路を接続したときの反射率は、次式で表せることが知られている。   In the equivalent circuits 10, 10 a to 10 e, most energy passes through the filter 20 side as energy distribution through the filter 20 and the nonreciprocal line 30. Thereby, the nonreciprocal line 30 is used only for forming the attenuation pole of the filter 20, and the influence of the loss of the nonreciprocal line 30 on the equivalent circuit 10 is reduced. It is known that the reflectance when two lines having different impedances Z1 and Z2 are connected can be expressed by the following equation.

従って、等価回路10の入出力インピーダンスをZ0、フィルタ20のインピーダンスZf、非相反性線路30のインピーダンスをZrとすると、次式が成立することが好適である。   Therefore, when the input / output impedance of the equivalent circuit 10 is Z0, the impedance Zf of the filter 20, and the impedance of the nonreciprocal line 30 is Zr, it is preferable that the following equation is established.

(等価回路に対応するアイソレータ)
図20は、図1に示す等価回路10に対応するアイソレータ50の概略構成例を示す。等価回路10は、等価回路中の信号により電磁波の挙動を表すものである。アイソレータ50は、第1伝搬路51、第2伝搬路52、フィルタ53を含む第1分岐路54、非相反性材料55を含む第2分岐路56を含む。第1伝搬路51は、第1分合波部57で、第1分岐路54及び第2分岐路56と接続される。第1分岐路54及び第2分岐路56は、第2分合波部58で第2伝搬路52に接続される。第1伝搬路51の第1分合波部57の反対側の端部は、第1端部59となっている。第2伝搬路52の第2分合波部58の反対側の端部は、第2端部60となっている。
(Isolator corresponding to equivalent circuit)
FIG. 20 shows a schematic configuration example of an isolator 50 corresponding to the equivalent circuit 10 shown in FIG. The equivalent circuit 10 represents the behavior of an electromagnetic wave by a signal in the equivalent circuit. The isolator 50 includes a first propagation path 51, a second propagation path 52, a first branch path 54 including a filter 53, and a second branch path 56 including a nonreciprocal material 55. The first propagation path 51 is connected to the first branching path 54 and the second branching path 56 at the first demultiplexing / multiplexing unit 57. The first branch path 54 and the second branch path 56 are connected to the second propagation path 52 by the second branching / multiplexing unit 58. The end of the first propagation path 51 opposite to the first multiplexing / demultiplexing unit 57 is a first end 59. An end portion of the second propagation path 52 on the opposite side of the second multiplexing / demultiplexing portion 58 is a second end portion 60.

第1伝搬路51、第2伝搬路52、第1分岐路54及び第2分岐路56は、種々の波長の電磁波が通る経路である。電磁波には、マイクロ波、赤外線、可視光を含む。フィルタ53、非相反性材料55、第1端部59及び第2端部60は、それぞれ、図1の等価回路10の、フィルタ20、非相反性線路30、第1点11及び第2点12に対応する。   The first propagation path 51, the second propagation path 52, the first branch path 54, and the second branch path 56 are paths through which electromagnetic waves of various wavelengths pass. Electromagnetic waves include microwaves, infrared rays, and visible light. The filter 53, the nonreciprocal material 55, the first end 59 and the second end 60 are respectively the filter 20, the nonreciprocal line 30, the first point 11 and the second point 12 of the equivalent circuit 10 of FIG. Corresponding to

アイソレータ50は、フィルタ特性について所定の要件を充足する図1に示した等価回路10で表される限り、種々の構成をとることが可能である。   The isolator 50 can have various configurations as long as it is represented by the equivalent circuit 10 shown in FIG.

例えば、第1伝搬路51、第2伝搬路52、第1分岐路54及び第2分岐路56は、マイクロ波を伝搬する導波管、誘電体線路、赤外線及び可視光を伝搬する光導波路、光学結晶内の光路、並びに、自由空間、等を含む。導波管は、方形導波管、円形導波管等の中空導波管を含む。光導波路は、光ファイバ、平板光導波路、基板上に設けた導波路を含む。フィルタ53としては、伝搬する電磁波の波長に応じ、ストリップラインなどの平面フィルタ、導波管フィルタ、誘電体共振器フィルタ、メタルメッシュフィルタ、金属薄膜フィルタ、誘電体多層膜フィルタ、光学ガラスフィルタ、フォトニック結晶共振器を用いて構成したフィルタ等を含む。低周波数帯においては、集中定数フィルタを使用しうる。また、SAWフィルタなど表面波フィルタも使用しうる。非相反性材料55は、電磁波を往路と復路とで特性を異ならせるものならば種々の材料を使用することができる。例えば、非相反性材料55は、磁性ガーネット、フェライト、鉄、コバルト等の磁性体を含む。第1分合波部57及び第2分合波部58としては、伝搬する電磁波の波長に応じ、種々の分波器及び合波器を採用しうる。第1分合波部57及び第2分合波部58には、T分岐導波管、Y分岐導波管、光ファイバカプラ、ビームスプリッタ、ハーフミラー等を含む。アイソレータ50を伝搬される電磁波は、シングルモード及びマルチモードの電磁波(光)を含みうる。アイソレータ50を伝搬される電磁波は、赤外線及び可視光の場合、コヒーレント光及びインコヒーレント光を含む。   For example, the first propagation path 51, the second propagation path 52, the first branch path 54, and the second branch path 56 are a waveguide that propagates microwaves, a dielectric line, an optical waveguide that propagates infrared light and visible light, It includes the optical path in the optical crystal, as well as free space. The waveguide includes a hollow waveguide such as a rectangular waveguide or a circular waveguide. The optical waveguide includes an optical fiber, a flat optical waveguide, and a waveguide provided on the substrate. As the filter 53, a planar filter such as a strip line, a waveguide filter, a dielectric resonator filter, a metal mesh filter, a metal thin film filter, a dielectric multilayer filter, an optical glass filter, a photo according to the wavelength of the propagating electromagnetic wave It includes a filter configured using a nick crystal resonator. In the low frequency band, a lumped constant filter can be used. A surface wave filter such as a SAW filter can also be used. As the nonreciprocal material 55, various materials can be used as long as electromagnetic waves have different characteristics between the forward path and the return path. For example, the nonreciprocal material 55 includes a magnetic material such as magnetic garnet, ferrite, iron, or cobalt. As the first demultiplexing unit 57 and the second demultiplexing unit 58, various demultiplexers and multiplexers can be adopted according to the wavelength of the propagating electromagnetic wave. The first demultiplexing unit 57 and the second demultiplexing unit 58 include a T branching waveguide, a Y branching waveguide, an optical fiber coupler, a beam splitter, a half mirror, and the like. The electromagnetic wave propagated through the isolator 50 can include single-mode and multi-mode electromagnetic waves (light). In the case of infrared light and visible light, the electromagnetic wave propagated through the isolator 50 includes coherent light and incoherent light.

上述の非相反性材料55についてさらに具体的に説明する。従来のアイソレータには、概ね磁性ガーネットやフェライトが用いられているが、本発明は、例えば以下のような材料を用いても実現可能である。学術論文(Kobayashi, N. et al. Optically Transparent Ferromagnetic Nanogranular Films with Tunable Transmittance. Sci. Rep. 6, 34227; doi: 10.1038/srep34227 (2016).)では、ナノグラニュラー材料と呼ばれる鉄、コバルトの合金微粒子により、強磁性体を発現することが知られている。上記論文によると、RFスパッタリング装置による蒸着により、成膜できるため、本発明において、導波路を形成する場合、良く知られた手法により、容易に非相反性線路を形成する事ができる。また学術雑誌(PHYSICAL REVIEW APPLIED 7, 024006 (2017))では、チタン酸ストロンチウムの一部をFeで置換した薄膜において、強磁性を発現する事が報告されている。この薄膜は、PLD(pulsed laser deposition)法により作製され、単位吸収量辺りのファラデー回転角は大きく、本発明において非相反性線路に用いた場合、非相反性線路部における吸収を考慮せずに実現可能である。   The nonreciprocal material 55 will be described more specifically. Conventional isolators generally use magnetic garnet or ferrite, but the present invention can also be realized by using the following materials, for example. In an academic paper (Kobayashi, N. et al. Optically Transparent Ferromagnetic Nanogranular Films with Tunable Transmittance. Sci. Rep. 6, 34227; doi: 10.1038 / srep34227 (2016).) It is known to develop a ferromagnetic material. According to the above paper, since a film can be formed by vapor deposition using an RF sputtering apparatus, when forming a waveguide in the present invention, a nonreciprocal line can be easily formed by a well-known technique. In addition, an academic journal (PHYSICAL REVIEW APPLIED 7, 024006 (2017)) reports that ferromagnetism develops in a thin film in which part of strontium titanate is replaced with Fe. This thin film is produced by a PLD (pulsed laser deposition) method and has a large Faraday rotation angle per unit absorption amount. When used in a nonreciprocal line in the present invention, the absorption in the nonreciprocal line portion is not considered. It is feasible.

アイソレータ50は、等価回路10により表すことができる。上述のように、等価回路10は、第1点11から第2点12に向けて進む信号に関する第1フィルタ特性と、第2点12から第1点11に向けて進む信号に関する第2フィルタ特性とを有する。第1フィルタ特性は、所定の有効帯域が含まれる通過帯域を形成し、この通過帯域外に第1減衰極を有する。第2フィルタ特性は、第1フィルタ特性における第1減衰極の通過帯域側に、第2減衰極を有し、有効帯域において、第1フィルタ特性における透過率よりも低い透過率で前記信号を透過させる。このため、等価回路10により表されるアイソレータ50は、第1端部59から第2端部60に向かう電磁波を透過させる。また、アイソレータ50は、第2端部60から第1端部59に向かう電磁波を減衰させる。   The isolator 50 can be represented by the equivalent circuit 10. As described above, the equivalent circuit 10 includes the first filter characteristic relating to the signal traveling from the first point 11 toward the second point 12 and the second filter characteristic relating to the signal traveling from the second point 12 toward the first point 11. And have. The first filter characteristic forms a pass band including a predetermined effective band, and has a first attenuation pole outside the pass band. The second filter characteristic has a second attenuation pole on the pass band side of the first attenuation pole in the first filter characteristic, and transmits the signal in the effective band with a transmittance lower than the transmittance in the first filter characteristic. Let For this reason, the isolator 50 represented by the equivalent circuit 10 transmits electromagnetic waves from the first end portion 59 toward the second end portion 60. In addition, the isolator 50 attenuates electromagnetic waves traveling from the second end portion 60 toward the first end portion 59.

さらに、上記ではアイソレータ50は、電磁波を対象とするものとしたが、図1の等価回路10で表せる限り、電気回路に適用することも可能である。   Furthermore, although the isolator 50 is intended for electromagnetic waves in the above description, it can be applied to an electric circuit as long as it can be represented by the equivalent circuit 10 of FIG.

本開示の特徴は、減衰極の周波数を往路と復路との間で移動させ、復路においてフィルタの通過特性の少なくとも一部を機能させなくすることにある。減衰極は、原理的には、往路におけるフィルタの通過帯域の低周波数側及び高周波数側の何れにも設けることができる。ただし、好適には、高周波域における減衰極を利用した方が、フィルタ特性に影響を与えやすい。図21は、シミュレーションにより計算された往路(上図)と復路(下図)との透過及び反射を表す図である。図21において、実線は透過を示し、破線は反射を示している。1.5GHz付近の高周波数側では、透過特性が大きく変化している。一方、0.7GHz付近の低周波数側では、透過特性の変化が少ない。したがって、通過帯域の高周波数側に含まれる減衰極を、非相反性線路30の特性により移動させる方が、低周波数側の減衰極を移動させるよりも、フィルタの特性を変化させ透過率を低下させる効果が大きい。フィルタは、周波数変換の数式(1)からも分かるように、周波数に対してログスケールに変換されうる。このため、フィルタの中心周波数に対して高周波側の帯域の方が引き伸ばされる形となる。よって、減衰極の動きに対しても低周波側よりも高周波側で影響度が大きく、高周波側を使用した方が、少ない位相差で済むこととなる。   A feature of the present disclosure resides in that the frequency of the attenuation pole is moved between the forward path and the return path so that at least a part of the pass characteristic of the filter does not function in the return path. In principle, the attenuation pole can be provided on either the low frequency side or the high frequency side of the pass band of the filter in the forward path. However, it is preferable to use the attenuation pole in the high frequency range to easily affect the filter characteristics. FIG. 21 is a diagram illustrating transmission and reflection of the forward path (upper figure) and the return path (lower figure) calculated by simulation. In FIG. 21, the solid line indicates transmission and the broken line indicates reflection. On the high frequency side near 1.5 GHz, the transmission characteristics change greatly. On the other hand, there is little change in the transmission characteristics on the low frequency side near 0.7 GHz. Therefore, moving the attenuation pole included in the high frequency side of the passband according to the characteristics of the nonreciprocal line 30 changes the filter characteristics and lowers the transmittance than moving the attenuation pole on the low frequency side. Great effect. The filter can be converted to a log scale with respect to the frequency, as can be seen from Equation (1) for frequency conversion. Therefore, the band on the high frequency side is stretched with respect to the center frequency of the filter. Therefore, the influence of the attenuation pole on the high frequency side is greater than that on the low frequency side, and the use of the high frequency side requires a smaller phase difference.

以上説明したように、本開示のアイソレータ50によれば、45度の旋光角を必要とせず、且つ、非相反性材料55の透過率が直接アイソレータ50の透過特性を決定しない。このため、本開示のアイソレータ50は、非相反性効果を得るための非相反性材料55の選択肢が拡大し、安価に製造することが可能となる。また、基板実装可能な素材より非相反性材料55を選択できるようになるため、導波路構造も容易に作製可能になる。さらに、損失の大きい非相反性材料55ではなく、フィルタ53側を電磁波の大部分が通るので、アイソレータ50の往路での損失を抑制し透過率を高くすることができる。   As described above, according to the isolator 50 of the present disclosure, an optical rotation angle of 45 degrees is not required, and the transmittance of the nonreciprocal material 55 does not directly determine the transmission characteristics of the isolator 50. For this reason, the isolator 50 according to the present disclosure can be manufactured at low cost by expanding the options of the nonreciprocal material 55 for obtaining the nonreciprocal effect. In addition, since the nonreciprocal material 55 can be selected from materials that can be mounted on a substrate, a waveguide structure can be easily manufactured. Furthermore, since most of the electromagnetic wave passes through the filter 53 side instead of the nonreciprocal material 55 having a large loss, the loss in the forward path of the isolator 50 can be suppressed and the transmittance can be increased.

図1の等価回路10によって表される本開示のアイソレータ50の構成は、復路の電磁波を遮断するのではなく、設計により往路よりも低い所定の透過率で透過させるようにすることもできる。すなわち、本開示は、往路と復路とのフィルタ特性が異なる非相反性フィルタとして実施することが可能である。本開示のアイソレータ50は、本開示の非相反性フィルタの一形態とみなしうる。   The configuration of the isolator 50 of the present disclosure represented by the equivalent circuit 10 of FIG. 1 can be made to transmit with a predetermined transmittance lower than that of the forward path, by design, instead of blocking electromagnetic waves on the return path. That is, the present disclosure can be implemented as a nonreciprocal filter having different filter characteristics between the forward path and the return path. The isolator 50 of the present disclosure can be regarded as one form of the nonreciprocal filter of the present disclosure.

上述の実施形態は代表的な例として説明したが、本発明の趣旨及び範囲内で、多くの変更及び置換ができることは当業者に明らかである。したがって、本発明は、上述の実施形態及び実施例によって制限するものと解するべきではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形及び変更が可能である。例えば、実施形態及び実施例に記載の複数の構成ブロックを1つに組み合わせたり、あるいは1つの構成ブロックを分割したりすることが可能である。   Although the above embodiment has been described as a representative example, it will be apparent to those skilled in the art that many changes and substitutions can be made within the spirit and scope of the invention. Therefore, the present invention should not be construed as being limited by the above-described embodiments and examples, and various modifications and changes can be made without departing from the scope of the claims. For example, a plurality of constituent blocks described in the embodiments and examples can be combined into one, or one constituent block can be divided.

10 等価回路
11 第1点
12 第2点
13 第1分岐点
14 第2分岐点
20 フィルタ
21 LC共振器
22 キャパシタ
23 キャパシタ
24 インダクタ
25 インダクタ
30 非相反性線路
31 無損失位相回路
32 損失位相回路
33a、33b インダクタ
34a、34b キャパシタ
50 アイソレータ
51 第1伝播路
52 第2伝播路
53 フィルタ
54 第1分岐路
55 非相反性材料
56 第2分岐路
57 第1分合波部
58 第2分合波部
59 第1端部
60 第2端部
100 アイソレータ
101 ファラデー旋光子
102、103 偏光子
H 磁場
L1 入射光
L2 戻り光
A1 第1減衰極
A2 第2減衰極
Bp 通過帯域
Be 有効帯域
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Equivalent circuit 11 1st point 12 2nd point 13 1st branch point 14 2nd branch point 20 Filter 21 LC resonator 22 Capacitor 23 Capacitor 24 Inductor 25 Inductor 30 Nonreciprocal line 31 Lossless phase circuit 32 Loss phase circuit 33a 33b Inductors 34a, 34b Capacitors 50 Isolators 51 First propagation path 52 Second propagation path 53 Filter 54 First branch path 55 Nonreciprocal material 56 Second branch path 57 First branching section 58 Second branching section 58 59 First end 60 Second end 100 Isolator 101 Faraday rotator 102, 103 Polarizer H Magnetic field L1 Incident light L2 Return light A1 First attenuation pole A2 Second attenuation pole Bp Passband Be Effective band

Claims (6)

第1点と第2点との間でフィルタとナノグラニュラー材料を含む非相反性線路とが並列に接続した等価回路で表され、
前記等価回路は、
前記第1点から前記第2点に向けて進む信号に関する第1フィルタ特性と、
前記第2点から前記第1点に向けて進む信号に関する第2フィルタ特性と
を有し、
前記第1フィルタ特性は、所定の有効帯域が含まれる通過帯域を形成し、前記通過帯域外に、前記非相反性線路の特性に応じて現れる第1減衰極を有し、
前記第2フィルタ特性は、前記第1フィルタ特性における前記第1減衰極の前記通過帯域側に、前記非相反性線路の特性に応じて現れる第2減衰極を有し、前記第2減衰極によって、前記有効帯域において、前記第1フィルタ特性における透過率よりも低い透過率で前記信号を透過させる、
ことを特徴とする非相反性フィルタ。
It is represented by an equivalent circuit in which a filter and a nonreciprocal line including nano-granular material are connected in parallel between the first point and the second point,
The equivalent circuit is
A first filter characteristic relating to a signal traveling from the first point toward the second point;
A second filter characteristic relating to a signal traveling from the second point toward the first point;
The first filter characteristic has a first attenuation pole that forms a pass band including a predetermined effective band, and appears outside the pass band according to the characteristic of the nonreciprocal line,
The second filter characteristic has a second attenuation pole that appears in accordance with the characteristic of the nonreciprocal line on the passband side of the first attenuation pole in the first filter characteristic. , In the effective band, the signal is transmitted with a transmittance lower than the transmittance in the first filter characteristic,
A nonreciprocal filter characterized by that.
前記等価回路は、前記信号により電磁波の挙動を表すものであり、アイソレータとして機能する請求項1に記載の非相反性フィルタ。   The non-reciprocal filter according to claim 1, wherein the equivalent circuit represents a behavior of an electromagnetic wave by the signal and functions as an isolator. 前記電磁波は、赤外線又は可視光である請求項2に記載の非相反性フィルタ。   The nonreciprocal filter according to claim 2, wherein the electromagnetic wave is infrared or visible light. 前記第1減衰極は、前記有効帯域よりも高周波側の帯域に含まれ、前記第2減衰極は、前記非相反性線路の特性により前記第1減衰極が移動したものである請求項1から3の何れか一項に記載の非相反性フィルタ。   The first attenuation pole is included in a band on a higher frequency side than the effective band, and the second attenuation pole is obtained by moving the first attenuation pole due to characteristics of the nonreciprocal line. The nonreciprocal filter according to claim 3. 入出力インピーダンスをZ0、前記フィルタのインピーダンスをZf、前記非相反性線路のインピーダンスをZr、とするとき、
が成立する請求項1から4の何れか一項に記載の非相反性フィルタ。
When the input / output impedance is Z0, the impedance of the filter is Zf, and the impedance of the nonreciprocal line is Zr,
The nonreciprocal filter according to any one of claims 1 to 4, wherein:
前記フィルタは複数段の共振器から構成され、前記非相反性線路は、前記フィルタの全体に対して並列に接続される請求項1から5の何れか一項に記載の非相反性フィルタ。   The nonreciprocal filter according to claim 1, wherein the filter includes a plurality of stages of resonators, and the nonreciprocal line is connected in parallel to the entire filter.
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