JP2808564B2 - アイソレータ機能を有する光変調器 - Google Patents
アイソレータ機能を有する光変調器Info
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- JP2808564B2 JP2808564B2 JP21125390A JP21125390A JP2808564B2 JP 2808564 B2 JP2808564 B2 JP 2808564B2 JP 21125390 A JP21125390 A JP 21125390A JP 21125390 A JP21125390 A JP 21125390A JP 2808564 B2 JP2808564 B2 JP 2808564B2
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Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、光通信、光情報処理、光計測用機器などに
使用される半導体レーザ装置などに用いられて、戻り光
による雑音を誘起しない光アイソレータ機能を内部に有
し且つ半導体レーザなどと集積可能な構成を有する光変
調器に関する。
使用される半導体レーザ装置などに用いられて、戻り光
による雑音を誘起しない光アイソレータ機能を内部に有
し且つ半導体レーザなどと集積可能な構成を有する光変
調器に関する。
［従来の技術］ 近年、情報の伝達の高速化、情報の記録の大容量化に
伴い、光ファイバ通信や光ディスクメモリの開発が進め
られている。そして、これらのシステムを実現する為に
は、多様な機能を有する光デバイスが必要とされてい
る。特に、光通信においてビットレートを更に高速化し
たり、光ディスクメモリにおいて書き込み速度や読み出
し速度を高めようとすると、次の２つのデバイスが必須
なものとなる。
伴い、光ファイバ通信や光ディスクメモリの開発が進め
られている。そして、これらのシステムを実現する為に
は、多様な機能を有する光デバイスが必要とされてい
る。特に、光通信においてビットレートを更に高速化し
たり、光ディスクメモリにおいて書き込み速度や読み出
し速度を高めようとすると、次の２つのデバイスが必須
なものとなる。
（１）光変調器 （２）光アイソレータ 以下にこれらのデバイスの従来例について夫々説明す
る。
る。
（１）光変換器 光通信において半導体レーザを高速に変調しようとす
ると発振光のスペクトル幅が広がってしまい、ファイバ
の波長分散により長距離伝送が困難となる。その為に、
半導体レーザをDC駆動させ光変調器でパルス化する方法
が開発されつつある。
ると発振光のスペクトル幅が広がってしまい、ファイバ
の波長分散により長距離伝送が困難となる。その為に、
半導体レーザをDC駆動させ光変調器でパルス化する方法
が開発されつつある。
第５図は半導体レーザと光変調器が集積化された例を
示す（例えばJpn.J.Appl.Phys.Vol.24（1985）L442参
照）。レーザ部51と変調器部52は同じpin構造を有す
る。変調器部52とレーザ部51は溝53により電気的に分離
されているが、両者の導波路は光学的にカップリングし
ている。従って、レーザ部51から出射した光は変調器部
52の導波路へ入射し、一定距離導波した後に出射する。
この変調器部52の導波路を導波する際、吸収により入力
光は減水を受けるが、QCSE（Quantum Confined Stark
Effect、量子閉じ込めシュタルク効果）により、導波
路であるMQM層の吸収係数が逆バイアスの印加の制御で
変調することができる。その結果、変調器部52からの出
射光強度を変調することができる。
示す（例えばJpn.J.Appl.Phys.Vol.24（1985）L442参
照）。レーザ部51と変調器部52は同じpin構造を有す
る。変調器部52とレーザ部51は溝53により電気的に分離
されているが、両者の導波路は光学的にカップリングし
ている。従って、レーザ部51から出射した光は変調器部
52の導波路へ入射し、一定距離導波した後に出射する。
この変調器部52の導波路を導波する際、吸収により入力
光は減水を受けるが、QCSE（Quantum Confined Stark
Effect、量子閉じ込めシュタルク効果）により、導波
路であるMQM層の吸収係数が逆バイアスの印加の制御で
変調することができる。その結果、変調器部52からの出
射光強度を変調することができる。
（２）光アイソレータ 光通信システムには、1.3または1.5μｍの波長を用い
る幹線系の中長距離伝送システムと、0.8μｍ帯を用い
るLAN（ローカルエリアネットワーク）等の近距離伝送
システムが存在する。いずれの場合にも、半導体レーザ
から出射させた光をファイバ端面に集光させファイバ中
を導波させる。しかし、この際、ファイバや他の光学部
品の端面で反射した光は半導体レーザの活性層に戻り、
その結果、半導体レーザの発振が不安定になりパワー変
動及び波長変動が起こる。特に、DBRレーザ（分布反射
型レーザ）においては、単一モードが多モードになる等
の大きな影響がある。また、将来の通信方式として注目
されているコヒーレント光通信では、光のON/OFFを行な
うことなく位相を変化させるのみである為、特に戻り光
の影響が大きい。
る幹線系の中長距離伝送システムと、0.8μｍ帯を用い
るLAN（ローカルエリアネットワーク）等の近距離伝送
システムが存在する。いずれの場合にも、半導体レーザ
から出射させた光をファイバ端面に集光させファイバ中
を導波させる。しかし、この際、ファイバや他の光学部
品の端面で反射した光は半導体レーザの活性層に戻り、
その結果、半導体レーザの発振が不安定になりパワー変
動及び波長変動が起こる。特に、DBRレーザ（分布反射
型レーザ）においては、単一モードが多モードになる等
の大きな影響がある。また、将来の通信方式として注目
されているコヒーレント光通信では、光のON/OFFを行な
うことなく位相を変化させるのみである為、特に戻り光
の影響が大きい。
一方、光ディスクメモリにおいては、光学部品からの
反射光に加えてディスク基板からの反射光が半導体レー
ザに戻り、前述の不安定性や雑音を誘起する。
反射光に加えてディスク基板からの反射光が半導体レー
ザに戻り、前述の不安定性や雑音を誘起する。
こうした雑音の発生は、光通信では伝送信号のエラー
レートを増大させ、光ディスクメモリでは再生信号の劣
化を惹起する。
レートを増大させ、光ディスクメモリでは再生信号の劣
化を惹起する。
以上の如き半導体レーザへの戻り光を取り除く唯一の
素子が光アイソレータである。光アイソレータは非可逆
すなわち非相反的な透過特性を有するもので、戻り光を
完全に遮断しては半導体レーザの活性層に再入射するの
を防ぐ。この光アイソレータには現在次のような２つの
問題点がある。
素子が光アイソレータである。光アイソレータは非可逆
すなわち非相反的な透過特性を有するもので、戻り光を
完全に遮断しては半導体レーザの活性層に再入射するの
を防ぐ。この光アイソレータには現在次のような２つの
問題点がある。
１つは波長域の問題である。
第６図に示す様に、現在実用化されているものは、フ
ァラデー回転素子としてYIGの如き磁性ガーネット単結
晶61を用いている。ガーネットの吸収端はおよそ１μｍ
の波長のところにあり、幹線系の光通信に用いる波長域
（1.3または1.5μｍ）に対しては透明であるが、近距離
光通信または光ディスクメモリに用いる波長域（0.8μ
ｍ帯）の光に対してはガーネットの吸収が大きくなって
しまう。従って、この0.8μｍ帯の波長域では、1/4波長
板と偏光ビームスプリッタを組み合わせた簡易型光アイ
ソレータが用いられているに過ぎない。この簡易型のア
イソレータで得られるアイソレーション比は、最大でも
20dB程度に過ぎない。また、戻り光の偏光面が変化して
しまうとアイソレーション比は更に小さくなる。光磁気
ディスクの様にディスクからの反射ないし透過光の偏光
面の回転（カー回転角またはファラデー回転角）を信号
として検出しようとするシステムには、簡易型のものは
当然ながら使うことができない。
ァラデー回転素子としてYIGの如き磁性ガーネット単結
晶61を用いている。ガーネットの吸収端はおよそ１μｍ
の波長のところにあり、幹線系の光通信に用いる波長域
（1.3または1.5μｍ）に対しては透明であるが、近距離
光通信または光ディスクメモリに用いる波長域（0.8μ
ｍ帯）の光に対してはガーネットの吸収が大きくなって
しまう。従って、この0.8μｍ帯の波長域では、1/4波長
板と偏光ビームスプリッタを組み合わせた簡易型光アイ
ソレータが用いられているに過ぎない。この簡易型のア
イソレータで得られるアイソレーション比は、最大でも
20dB程度に過ぎない。また、戻り光の偏光面が変化して
しまうとアイソレーション比は更に小さくなる。光磁気
ディスクの様にディスクからの反射ないし透過光の偏光
面の回転（カー回転角またはファラデー回転角）を信号
として検出しようとするシステムには、簡易型のものは
当然ながら使うことができない。
もう１つの問題点は他の光素子との集積化が難しいこ
とである。
とである。
光電子集積回路（OEIC）又は光集積回路（OIC）はデ
バイスの高速化、高効率化の為に開発が進められてい
て、半導体レーザを代表とする光素子はGaAsやInP等の
化合物半導体基板の上に作製される。よって、その為に
は、光アイソレータを化合物半導体基板上に集積化する
ことが望まれている。ここにおいて、磁性ガーネット膜
は液相エピタキシ法もしくはスパッタ法によって成長さ
せることができるが、GaAsやInP基板とは格子定数や熱
膨張係数が異なる為、良質の磁性ガーネット膜をこうし
た基板上にエピタキシャル成長させることができない。
従って、ファラデー材料として磁性ガーネット膜を使う
限り、光アイソレータを他の光素子と集積化することは
困難と考えられる。
バイスの高速化、高効率化の為に開発が進められてい
て、半導体レーザを代表とする光素子はGaAsやInP等の
化合物半導体基板の上に作製される。よって、その為に
は、光アイソレータを化合物半導体基板上に集積化する
ことが望まれている。ここにおいて、磁性ガーネット膜
は液相エピタキシ法もしくはスパッタ法によって成長さ
せることができるが、GaAsやInP基板とは格子定数や熱
膨張係数が異なる為、良質の磁性ガーネット膜をこうし
た基板上にエピタキシャル成長させることができない。
従って、ファラデー材料として磁性ガーネット膜を使う
限り、光アイソレータを他の光素子と集積化することは
困難と考えられる。
以上述べたことから、光アイソレータの課題として、
短波長域（0.8μｍ帯）で動作し且つ他の光デバイスと
集積可能なものを実現することが挙げられる。
短波長域（0.8μｍ帯）で動作し且つ他の光デバイスと
集積可能なものを実現することが挙げられる。
ところで、現状の光システムにおいては、上述した２
つのデバイスである光変調器72と光アイソレータ71は、
第７図に示す様に、光路軸上に縦列的に挿入しなければ
ならない。その結果、挿入損失は２倍となり、サイズも
大きくなってしまっていた。また、これらのデバイス7
1、72を半導体レーザ73と集積化しようとすると、層構
成の異なるデバイスを同一基板上に積層しなければなら
ず、作製する為のプロセスが複雑となる。従って、光ア
イソレータと変調器との２つの機能を合わせ持ち且つ半
導体レーザと集積可能なデバイスが待ち望まれている。
つのデバイスである光変調器72と光アイソレータ71は、
第７図に示す様に、光路軸上に縦列的に挿入しなければ
ならない。その結果、挿入損失は２倍となり、サイズも
大きくなってしまっていた。また、これらのデバイス7
1、72を半導体レーザ73と集積化しようとすると、層構
成の異なるデバイスを同一基板上に積層しなければなら
ず、作製する為のプロセスが複雑となる。従って、光ア
イソレータと変調器との２つの機能を合わせ持ち且つ半
導体レーザと集積可能なデバイスが待ち望まれている。
［発明が解決しようとする課題］ しかし、こうしたデバイスを実現するには、先ず光ア
イソレータに関して次の如き問題点がある。
イソレータに関して次の如き問題点がある。
本発明者らによって、先の出願で、短波長域で動作し
且つ半導体レーザと集積可能なものとして、磁性半導体
をファラデー材料とした集積型光アイソレータが提案さ
れている。それを第８図に示す。
且つ半導体レーザと集積可能なものとして、磁性半導体
をファラデー材料とした集積型光アイソレータが提案さ
れている。それを第８図に示す。
磁性半導体であるCdMnTeはII−VI族化合物半導体であ
るCdTeのCd位置をMnで置換したもので、可視域で透明で
あり且つ大きなファラデー回転角を持つことが知られて
いる。また、CdTe膜はGaAs基板81にMBEやMOCVD法によっ
て良質の膜を成長させることができ、第８図の如くDBR
レーザ80と同一基板81上に、光アイソレータ部のCdTe膜
であるバッファ層82、クラッド層83、導波路層84、クラ
ッド層85を作製可能である。この様に磁性半導体CdMnTe
を用いた集積型アイソレータは半導体レーザとの集積化
に関する問題点を解決するものであるが、以下に示す様
な問題点も存在する。
るCdTeのCd位置をMnで置換したもので、可視域で透明で
あり且つ大きなファラデー回転角を持つことが知られて
いる。また、CdTe膜はGaAs基板81にMBEやMOCVD法によっ
て良質の膜を成長させることができ、第８図の如くDBR
レーザ80と同一基板81上に、光アイソレータ部のCdTe膜
であるバッファ層82、クラッド層83、導波路層84、クラ
ッド層85を作製可能である。この様に磁性半導体CdMnTe
を用いた集積型アイソレータは半導体レーザとの集積化
に関する問題点を解決するものであるが、以下に示す様
な問題点も存在する。
第８図の如き導波型光アイソレータを実現する為に
は、TE波とTM波との位相整合が必要である。第９図は位
相整合の取り方を示す。第９図（ａ）の様にレーザ光を
ｚ方向に膜中で導波させると、第９図（ｂ）の様に有限
の膜厚h0では、形状複屈折の為にTE波に対する屈折率n
TEはTE波に対する屈折率nTMよりも大きくなる。TE波とT
M波との伝搬定数差をΔβとすると、 Δβ＝２π／λ・（nTE−nTM） ・・・・（１） となり、TE波からTM波へのモード変換効率Ｒは、 Ｒ＝θF 2/｛θF 2＋（Δβ/2）２｝・ sin2［｛θF 2＋（Δβ/2）２｝1/2ｌ］ ・・・・（２） と与えられる。ここでθＦは単位長さあたりのファラデ
ー回転角、ｌは導波距離である。上記より分かる様に、
モード変換効率（導波路によりモードがいわば量子化さ
れるので、伝搬光の偏光面の回転はモード変換効率で示
される）を大きくする為にはΔβ＝０すなわちnTE＝nTM
なる条件が必要となる。尚、（２）式の導出は、導波路
の電磁界方程式を解いて電磁界をTEモードとTMモードの
線形結合で求め、導波距離ｌのところでの光電力の比
を、モード結合方程式を介して求める。
は、TE波とTM波との位相整合が必要である。第９図は位
相整合の取り方を示す。第９図（ａ）の様にレーザ光を
ｚ方向に膜中で導波させると、第９図（ｂ）の様に有限
の膜厚h0では、形状複屈折の為にTE波に対する屈折率n
TEはTE波に対する屈折率nTMよりも大きくなる。TE波とT
M波との伝搬定数差をΔβとすると、 Δβ＝２π／λ・（nTE−nTM） ・・・・（１） となり、TE波からTM波へのモード変換効率Ｒは、 Ｒ＝θF 2/｛θF 2＋（Δβ/2）２｝・ sin2［｛θF 2＋（Δβ/2）２｝1/2ｌ］ ・・・・（２） と与えられる。ここでθＦは単位長さあたりのファラデ
ー回転角、ｌは導波距離である。上記より分かる様に、
モード変換効率（導波路によりモードがいわば量子化さ
れるので、伝搬光の偏光面の回転はモード変換効率で示
される）を大きくする為にはΔβ＝０すなわちnTE＝nTM
なる条件が必要となる。尚、（２）式の導出は、導波路
の電磁界方程式を解いて電磁界をTEモードとTMモードの
線形結合で求め、導波距離ｌのところでの光電力の比
を、モード結合方程式を介して求める。
この為、第９図（ｃ）に示す様に、膜面垂直方向（ｘ
軸）に何らかの手段で異方性を持たせて、或る膜厚
（h0）でnTE＝nTMを実現させようという努力が行なわれ
ている。ガーネット膜の場合には、基板と膜（導波路）
との格子定数差を利用した歪誘導複屈折や、膜成長時の
温度や組成を制御して成長誘導複屈折をつけようという
試みがなされている。また、伝搬定数差を補償する為
に、光の導波方向に沿ってグレーティングをつけること
も試みられている。
軸）に何らかの手段で異方性を持たせて、或る膜厚
（h0）でnTE＝nTMを実現させようという努力が行なわれ
ている。ガーネット膜の場合には、基板と膜（導波路）
との格子定数差を利用した歪誘導複屈折や、膜成長時の
温度や組成を制御して成長誘導複屈折をつけようという
試みがなされている。また、伝搬定数差を補償する為
に、光の導波方向に沿ってグレーティングをつけること
も試みられている。
しかしながら、上記の方法は成膜条件やプロセス条件
の厳密な制御を必要とし、一度作製してしまうと調整が
できないという問題点を有し、現実性に乏しい。
の厳密な制御を必要とし、一度作製してしまうと調整が
できないという問題点を有し、現実性に乏しい。
そこで、本発明の目的は、上記の課題に鑑み、集積型
光アイソレータ機能における位相不整合の問題を解決す
ると同時に光変調をも可能にする構成を有する光アイソ
レータ機能を有する光変調器を提供することにある。
光アイソレータ機能における位相不整合の問題を解決す
ると同時に光変調をも可能にする構成を有する光アイソ
レータ機能を有する光変調器を提供することにある。
［課題を解決する為の手段］ 上記目的を達成する本発明によるデバイスにおいて
は、CdMnTeなどの磁性半導体から成る導波路を有し、こ
の導波路に変調される電界と一定の磁界を同時にかけて
電気光学効果と磁気光学効果によるTE光とTM光間などの
直交するモード間のモード変換を同一領域内で起こさ
せ、それにより位相不整合によるモード変換効率の低下
を補償して光アイソレータ機能を行なうと共に電界を制
御して光変調機能を行なうことを特徴とする光アイソレ
ータ機能を有する光変調器となっている。
は、CdMnTeなどの磁性半導体から成る導波路を有し、こ
の導波路に変調される電界と一定の磁界を同時にかけて
電気光学効果と磁気光学効果によるTE光とTM光間などの
直交するモード間のモード変換を同一領域内で起こさ
せ、それにより位相不整合によるモード変換効率の低下
を補償して光アイソレータ機能を行なうと共に電界を制
御して光変調機能を行なうことを特徴とする光アイソレ
ータ機能を有する光変調器となっている。
以下に、第１図に沿って本発明の原理を説明する。導
波路１を形成する磁性半導体（CdMnTeなどFe、Mnを含む
II−VI族化合物半導体など）は磁気光学効果と電気光学
効果の両方を合わせ持つ材料がある。第１に示すよう
に、電界Ｅが閃亜鉛鉱構造における［110］方向、磁界
Ｈが［10］方向に同時に印加された場合を考える（Cd
MnTe層１はGaAs（001）基板に形成されている）。座標
系を第１図のように取り、ｘ、ｙ、ｚ軸方向の屈折率を
夫々nTM、nTE、ｎとする。
波路１を形成する磁性半導体（CdMnTeなどFe、Mnを含む
II−VI族化合物半導体など）は磁気光学効果と電気光学
効果の両方を合わせ持つ材料がある。第１に示すよう
に、電界Ｅが閃亜鉛鉱構造における［110］方向、磁界
Ｈが［10］方向に同時に印加された場合を考える（Cd
MnTe層１はGaAs（001）基板に形成されている）。座標
系を第１図のように取り、ｘ、ｙ、ｚ軸方向の屈折率を
夫々nTM、nTE、ｎとする。
TE波、もしくはTM波という予呼び方は導波路（スラブ
型で無限で看做しうる程、横方向に伸びているもの）の
場合のみ正しいが、ここでは近似的にｘ軸方向に偏光し
た平面波をTM波、ｙ軸方向に偏光した平面波をTE波と呼
ぶことにし、TE波とTM波との間のモード結合を考えるこ
とにする。CdMnTeの様な閃亜鉛鉱型の立方晶系では屈折
率は等方的であるが、薄膜にすると形状複屈折性が生じ
nTMとnTEとは異なることになる。このときの誘電率テン
ソルεとは真空の誘電率をε０とすると次の如く与えら
れる。
型で無限で看做しうる程、横方向に伸びているもの）の
場合のみ正しいが、ここでは近似的にｘ軸方向に偏光し
た平面波をTM波、ｙ軸方向に偏光した平面波をTE波と呼
ぶことにし、TE波とTM波との間のモード結合を考えるこ
とにする。CdMnTeの様な閃亜鉛鉱型の立方晶系では屈折
率は等方的であるが、薄膜にすると形状複屈折性が生じ
nTMとnTEとは異なることになる。このときの誘電率テン
ソルεとは真空の誘電率をε０とすると次の如く与えら
れる。
ここでΔｎは電界Ｅによる屈折率変化で、位相の進み
角θＥや電気光学係数r41を用いて Δｎ＝n3r41E/2＝λ/2π・θＥ ・・・・（４） と与えられる。また、Ｇは磁気光学効果の大きさを表わ
す量でありファラデー回転角θＦやヴェルデ定数Ｖとの
間に次の関係がある。
角θＥや電気光学係数r41を用いて Δｎ＝n3r41E/2＝λ/2π・θＥ ・・・・（４） と与えられる。また、Ｇは磁気光学効果の大きさを表わ
す量でありファラデー回転角θＦやヴェルデ定数Ｖとの
間に次の関係がある。
Ｇ＝λn/π・θＦ＝λn/π・VH ・・・・（５） （３）式の誘電率テンソルを用いて、TM波（複素振幅
をATM（ｚ）とする）とTE波（同じくATM（ｚ）とする）
との間のモード結合方程式を解くと次の様になる。
をATM（ｚ）とする）とTE波（同じくATM（ｚ）とする）
との間のモード結合方程式を解くと次の様になる。
ここでΔβは（１）式で与えられるところのTE波とTM
波の間の伝搬定数差であり、Ｓは次式で与えられる。
波の間の伝搬定数差であり、Ｓは次式で与えられる。
Ｓ＝｛（Δβ/2）２＋θF 2＋θE 2｝1/2 ・・・・（８） 第１図に示す様に、CdMnTe導波路１にTE波が入射した
とき（ATE（０）＝１及びATM（０）＝０）、（６）式と
（７）式は夫々次の様になる。
とき（ATE（０）＝１及びATM（０）＝０）、（６）式と
（７）式は夫々次の様になる。
ここにおいて、丁度45度偏波面が回転する条件（モー
ド変換効率Ｒが50％になる）は ATE（ｚ）＝ATM（ｚ） ・・・・（11） となるので、これから（９）式と（10）式の実部と虚部
が等しいという条件が出てきて次の様になる。
ド変換効率Ｒが50％になる）は ATE（ｚ）＝ATM（ｚ） ・・・・（11） となるので、これから（９）式と（10）式の実部と虚部
が等しいという条件が出てきて次の様になる。
これより、（12）式の条件が満たされるならば位相整
合の条件（Δβ＝０）が満たされなくとも、直線偏光の
光が、これから45度傾いた直線偏光の光に変換されるこ
とが分かる。
合の条件（Δβ＝０）が満たされなくとも、直線偏光の
光が、これから45度傾いた直線偏光の光に変換されるこ
とが分かる。
第２図は位相整合条件が満たされた時と（12）式が満
たされた時との偏光面の回転の様子を、ポアンカレ球を
用いて比較したものである。位相整合している場合（Δ
β＝０）には常に直線偏光の状態で偏波面の角度のみが
変化する（の経路）。これに対して（12）式の条件の
場合は、０度と45度の直線偏光以外のところでは楕円偏
光となっているこが分かる（の経路） 以上の様に、本発明では、磁界Ｈと共に適当な電界Ｅ
を印加することで位相整合（Δβ＝０）をとらなくと
も、45度、偏波面を回転させることができ、導波路の成
長やプロセスでの厳密な制御を必要としなくなる。
たされた時との偏光面の回転の様子を、ポアンカレ球を
用いて比較したものである。位相整合している場合（Δ
β＝０）には常に直線偏光の状態で偏波面の角度のみが
変化する（の経路）。これに対して（12）式の条件の
場合は、０度と45度の直線偏光以外のところでは楕円偏
光となっているこが分かる（の経路） 以上の様に、本発明では、磁界Ｈと共に適当な電界Ｅ
を印加することで位相整合（Δβ＝０）をとらなくと
も、45度、偏波面を回転させることができ、導波路の成
長やプロセスでの厳密な制御を必要としなくなる。
このことを（９）式、（10）式、（11）式との関係で
述べれば、電界Ｅを印加することでΔｎ≠０すなわちθ
Ｅ≠（（４）式参照）となり、（９）式は虚部を持つこ
とになる。従って、（11）式が成立する為に、（10）式
の虚部がゼロである必要がなくなりΔβ≠０でも（11）
式の成立条件が存在することになる。
述べれば、電界Ｅを印加することでΔｎ≠０すなわちθ
Ｅ≠（（４）式参照）となり、（９）式は虚部を持つこ
とになる。従って、（11）式が成立する為に、（10）式
の虚部がゼロである必要がなくなりΔβ≠０でも（11）
式の成立条件が存在することになる。
従って、出射側に主軸が45度回転した検光子を入れる
と光はそのまま透過する。戻り光は、この検光子を通っ
て結晶中を反射向きに進むにつれて更に45度回転し入射
光とは90度の角度をなすので、入射側の偏光子によって
カットされる。こうして光アイソレータ機能を果たすこ
とが分かる。
と光はそのまま透過する。戻り光は、この検光子を通っ
て結晶中を反射向きに進むにつれて更に45度回転し入射
光とは90度の角度をなすので、入射側の偏光子によって
カットされる。こうして光アイソレータ機能を果たすこ
とが分かる。
次に、（12）式において印加電圧を同じ大きさで負方
向にする。簡単の為に θＦ（＝VH）＝θＥ（＝πn3r14（−Ｅ）／λ）＝Δβ/
2 ・・・（13） なる特別の場合を考える。Ｖ、Ｈ（一定）、導波距離ｌ
などを適当に設定することにより、（12）式の１番目の
式と（13）式を共に成立させることが出来るので、（1
3）式の特別の場合を要求しても一般性は失わない。
向にする。簡単の為に θＦ（＝VH）＝θＥ（＝πn3r14（−Ｅ）／λ）＝Δβ/
2 ・・・（13） なる特別の場合を考える。Ｖ、Ｈ（一定）、導波距離ｌ
などを適当に設定することにより、（12）式の１番目の
式と（13）式を共に成立させることが出来るので、（1
3）式の特別の場合を要求しても一般性は失わない。
さて、（13）式を満足するとき、（９）及び（10）式
で与えられる光波は円偏光を表わすことが分かる。即
ち、磁界はそのままで電界が負のときには、０度の角度
を持つ直線偏光（TE光）が楕円偏光になりながら円偏光
になる。これをポアンカレ球を用いて表わすと、第２図
ので示す軌跡を描きながら円錐光に対応する極点の位
置に来ることになる。
で与えられる光波は円偏光を表わすことが分かる。即
ち、磁界はそのままで電界が負のときには、０度の角度
を持つ直線偏光（TE光）が楕円偏光になりながら円偏光
になる。これをポアンカレ球を用いて表わすと、第２図
ので示す軌跡を描きながら円錐光に対応する極点の位
置に来ることになる。
こうして円錐光となって出射側に置かれた検光子（主
軸が45度回転）に入る入ると、光がそのまま透過する
（12）式を満たすときと比べて、50％の光変調が行なわ
れる。尚、この時は、アイソレータ機能は行なわれない
が、信号光でないので半導体レーザの発振が多少乱れて
も支障はない。
軸が45度回転）に入る入ると、光がそのまま透過する
（12）式を満たすときと比べて、50％の光変調が行なわ
れる。尚、この時は、アイソレータ機能は行なわれない
が、信号光でないので半導体レーザの発振が多少乱れて
も支障はない。
以上の様にして、電圧を正負に切り換えることによ
り、45度の直線偏光と円偏光をスイッチングすることが
出来、出射側に45度の検光子を入れておくことで、必要
なときに光アイソレータ機能を行ないながら50％の光変
調が可能となる。
り、45度の直線偏光と円偏光をスイッチングすることが
出来、出射側に45度の検光子を入れておくことで、必要
なときに光アイソレータ機能を行ないながら50％の光変
調が可能となる。
［実施例］ 第３図は本発明の実施例の斜視図である。同図におい
て、半絶縁性GaAs（001）基板31上にMBE法によってCdTe
のバッファ層32を成長させる。適当な成長条件を選ぶと
基板１と同じ面方位の膜32が成長する。その上に、２種
類のMn組成を有するCdMnTe膜33、34、35を用いて導波路
構造を作製する。コア部34のMn組成を上下クラッド部3
3、35のそれより小さくする（ｙ＜ｘ）ことにより、コ
ア部34の屈折率をクラッド部33、35のそれより大きくし
て光を閉じ込める構造とする。
て、半絶縁性GaAs（001）基板31上にMBE法によってCdTe
のバッファ層32を成長させる。適当な成長条件を選ぶと
基板１と同じ面方位の膜32が成長する。その上に、２種
類のMn組成を有するCdMnTe膜33、34、35を用いて導波路
構造を作製する。コア部34のMn組成を上下クラッド部3
3、35のそれより小さくする（ｙ＜ｘ）ことにより、コ
ア部34の屈折率をクラッド部33、35のそれより大きくし
て光を閉じ込める構造とする。
次に上部クラッド部35をエッチングによりメサ構造36
とし、チャネル導波路を形成する。このときメサの長手
方向を［10］軸とし、それに垂直な方向を［110］軸
とする。続いて、メサの両側に電極（In/Au）37、38を
着けることにより、［110］軸方向に電界Ｅ、−Ｅを沈
印加することができる様になる。この電界は信号に応じ
てｙ軸＋方向と−方向に切り換えられる。
とし、チャネル導波路を形成する。このときメサの長手
方向を［10］軸とし、それに垂直な方向を［110］軸
とする。続いて、メサの両側に電極（In/Au）37、38を
着けることにより、［110］軸方向に電界Ｅ、−Ｅを沈
印加することができる様になる。この電界は信号に応じ
てｙ軸＋方向と−方向に切り換えられる。
以上の構成において、更に磁場Ｈをチャネル36の導波
方向すなわち［10］軸方向に印加すると、外場Ｅ、Ｈ
と導波路の結晶軸との関係は第１図と同じになる。
方向すなわち［10］軸方向に印加すると、外場Ｅ、Ｈ
と導波路の結晶軸との関係は第１図と同じになる。
従って、上記（12）式を満足させるような電界
（Ｅ）、磁界（Ｈ）、伝搬距離（ｌ）（（12）式のｚに
相当する）、伝搬定数差（Δβ）の組み合わせを求める
ことができれば、第３図に示す様に、ｙ軸方向に偏光し
たTE光が入射して、45度傾いた直線偏光となって出てく
るので、光アイソレータ機能を有する集積型変調器が実
現できることになる。電界−Ｅとしたときの様子は上記
した通りである。集積の態様は第８図と同様なものであ
る。
（Ｅ）、磁界（Ｈ）、伝搬距離（ｌ）（（12）式のｚに
相当する）、伝搬定数差（Δβ）の組み合わせを求める
ことができれば、第３図に示す様に、ｙ軸方向に偏光し
たTE光が入射して、45度傾いた直線偏光となって出てく
るので、光アイソレータ機能を有する集積型変調器が実
現できることになる。電界−Ｅとしたときの様子は上記
した通りである。集積の態様は第８図と同様なものであ
る。
伝搬定数差Δβを10rad/cmとして（13）式の場合を考
え、（12）式を解いて伝搬距離ｌ（（12）式のｚに相
当）を求めると約1.2mmとなる。（５）式より、CdMnTe
のヴェルデ定数Ｖを0.1度/cm−0eとすると、必要とされ
る磁場Ｈの大きさは約2.9k0eとなり、永久磁石で十分印
加できる値となる。また、（４）式から、光の波長
（λ）を0.8μｍ、屈折率（ｎ）を2.84、電気光学係数
（r41）を4.5×10-10cm/Vとすると、必要な電界強度Ｅ
はＥ＝λθE/πn3r41から求められて1.2×104V/cmとな
る。第３図における２つの電極37、38間距離を３μｍと
すると、必要とされる電圧は3.6Vでよく、TTL（transis
tor−transistor logic）レベルの回路で十分であるこ
とが分かる。
え、（12）式を解いて伝搬距離ｌ（（12）式のｚに相
当）を求めると約1.2mmとなる。（５）式より、CdMnTe
のヴェルデ定数Ｖを0.1度/cm−0eとすると、必要とされ
る磁場Ｈの大きさは約2.9k0eとなり、永久磁石で十分印
加できる値となる。また、（４）式から、光の波長
（λ）を0.8μｍ、屈折率（ｎ）を2.84、電気光学係数
（r41）を4.5×10-10cm/Vとすると、必要な電界強度Ｅ
はＥ＝λθE/πn3r41から求められて1.2×104V/cmとな
る。第３図における２つの電極37、38間距離を３μｍと
すると、必要とされる電圧は3.6Vでよく、TTL（transis
tor−transistor logic）レベルの回路で十分であるこ
とが分かる。
上の見積もりから、磁場Ｈ＝3k0e、電圧4V程度を印加
するだけで、1mm程度の導波距離の、第４図（ａ）の如
き電圧の正負の切り換えで同図（ｂ）の如く光変調出来
る集積型光変調器が実現されることが示された。
するだけで、1mm程度の導波距離の、第４図（ａ）の如
き電圧の正負の切り換えで同図（ｂ）の如く光変調出来
る集積型光変調器が実現されることが示された。
［発明の効果］ 以上述べた様に、本発明によれば、磁性半導体の導波
路において電気光学効果と磁気光学効果によるモード変
換を利用して光アイソレータ機能と光変調機能を合わせ
持たせているので、位相整合をとることなく光アイソレ
ータ機能を行なえると共に、磁場を一定のままで電圧を
変調するだけで光変調を行なえる。
路において電気光学効果と磁気光学効果によるモード変
換を利用して光アイソレータ機能と光変調機能を合わせ
持たせているので、位相整合をとることなく光アイソレ
ータ機能を行なえると共に、磁場を一定のままで電圧を
変調するだけで光変調を行なえる。
よって、インピーダンスの点で高速変調が難しい外部
磁界の変調を行なわなくて済み、数Ｖの電圧を変調すれ
ばよいのでGHz程度の変調が可能となる。
磁界の変調を行なわなくて済み、数Ｖの電圧を変調すれ
ばよいのでGHz程度の変調が可能となる。
また、光アイソレーションと光変調の２つの機能を夫
々持つ別々のデバイスを縦続的に接続する必要がなく、
且つ半導体レーザとの集積化に適したデバイスであるの
で、光通信や光ディスクメモリへの幅広い応用が期待さ
れる。
々持つ別々のデバイスを縦続的に接続する必要がなく、
且つ半導体レーザとの集積化に適したデバイスであるの
で、光通信や光ディスクメモリへの幅広い応用が期待さ
れる。
第１図は本発明の原理を説明する為の図、第２図はモー
ド変換の様子を、本発明と従来例を比較して、説明する
為のポアンカレ球を示す図、第３図は本発明の実施例を
示す図、第４図は第３図の実施例における電圧の正負の
切り換えと出射光強度の関係を示す図、第５図は光変調
器の従来例を示す図、第６図は光アイソレータの従来例
を示す図、第７図は光アイソレータと光変調器の従来例
の接続法を示す図、第８図は本発明者らによる先の提案
例を示す図、第９図は伝搬定数差を無くす従来の方法を
説明する為の図である。 １……CdMnTe導波路、31……GaAs（001）基板、32……
バッファ層、33……下部クラッド層、34……コア層、35
……上部クラッド層、36……メサ構造、37、38……電極
ド変換の様子を、本発明と従来例を比較して、説明する
為のポアンカレ球を示す図、第３図は本発明の実施例を
示す図、第４図は第３図の実施例における電圧の正負の
切り換えと出射光強度の関係を示す図、第５図は光変調
器の従来例を示す図、第６図は光アイソレータの従来例
を示す図、第７図は光アイソレータと光変調器の従来例
の接続法を示す図、第８図は本発明者らによる先の提案
例を示す図、第９図は伝搬定数差を無くす従来の方法を
説明する為の図である。 １……CdMnTe導波路、31……GaAs（001）基板、32……
バッファ層、33……下部クラッド層、34……コア層、35
……上部クラッド層、36……メサ構造、37、38……電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G02F 1/00 - 1/095 G02F 1/29 - 1/313 G02B 6/12 - 6/14 G02B 27/28 H01S 3/18
Claims (8)
- 【請求項１】磁性半導体から成る導波路を有し、該導波
路に変調される電界と一定の磁界を同時にかけて電気光
学効果と磁気光学効果によるモード変換を同一領域内で
起こさせ、それにより位相不整合によるモード変換効率
の低下を補償して光アイソレータ機能を行なうと共に電
界を制御して光変調機能を行なうことを特徴とする光変
調器。 - 【請求項２】電界は同じ大きさで正負に切り換えられて
印加され、電界が正のとき前記導波路に入射した直線偏
光が45度回転した直線偏光に変換されて出射し、電界が
負のときこの入射した直線偏光が円偏光に変換されて出
射する様に構成されている請求項１記載の光変調器。 - 【請求項３】前記導波路の入射側に偏光子が置かれ、出
射側に検光子が置かれている請求項１記載の光変調器。 - 【請求項４】上記電界は閃亜鉛鉱構造における［110］
方向に印加する請求項１記載の光変調器。 - 【請求項５】前記磁性半導体はCdMnTeである請求項１記
載の光変調器。 - 【請求項６】上記モード変換はTE光とTM光との間で行な
われる請求項１記載の光変調器。 - 【請求項７】上記電界と磁界は直交する配置である請求
項１記載の光変調器。 - 【請求項８】前記導波路はGaAs（001）基板上に作製さ
れている請求項１記載の光変調器。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21125390A JP2808564B2 (ja) | 1990-08-09 | 1990-08-09 | アイソレータ機能を有する光変調器 |
| EP91113047A EP0470523B1 (en) | 1990-08-04 | 1991-08-02 | Optical polarization-state converting apparatus for use as isolator, modulator and the like |
| DE69130816T DE69130816T2 (de) | 1990-08-04 | 1991-08-02 | Optische Polarisationswandlervorrichtung zum Gebrauch als Isolator, Modulator und dergleichen |
| US07/939,427 US5245465A (en) | 1990-08-04 | 1992-09-04 | Optical polarization-state converting apparatus for use as isolator, modulator and the like |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21125390A JP2808564B2 (ja) | 1990-08-09 | 1990-08-09 | アイソレータ機能を有する光変調器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0497118A JPH0497118A (ja) | 1992-03-30 |
| JP2808564B2 true JP2808564B2 (ja) | 1998-10-08 |
Family
ID=16602849
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP21125390A Expired - Fee Related JP2808564B2 (ja) | 1990-08-04 | 1990-08-09 | アイソレータ機能を有する光変調器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2808564B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2809190B2 (ja) | 1996-04-30 | 1998-10-08 | 日本電気株式会社 | 光アイソレータ |
| WO2014112077A1 (ja) | 2013-01-17 | 2014-07-24 | 富士通株式会社 | 光配線チップとその検査方法、および光受信器 |
| WO2023153138A1 (ja) * | 2022-02-14 | 2023-08-17 | ソニーグループ株式会社 | 波動制御装置、波長変換素子、演算素子、センサ、偏光制御素子及び光アイソレータ |
-
1990
- 1990-08-09 JP JP21125390A patent/JP2808564B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0497118A (ja) | 1992-03-30 |
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