JP2862630B2 - Waveguide type optical isolator - Google Patents
Waveguide type optical isolatorInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は光通信の分野において、レーザ、光増幅器等
に不要な反射光が戻らないようにするための光アイソレ
ータに関するものである。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to an optical isolator for preventing unnecessary reflected light from returning to a laser, an optical amplifier, or the like in the field of optical communication.
(従来の技術) 光アイソレータは、光通信の分野においてレーザ光源
の安定、線路エコーの抑制、光増幅器の雑音発生防止等
の目的に使用される重要な素子である。従来この種の素
子は、第10図に示すように、磁気光学結晶2と2個の偏
光子1,1′を組み合わせたバルク型と呼ばれるものが実
用に供されている。特に、コヒーレント通信等の信号光
の偏波方向に依存しない光アイソレータには、偏光子1,
1′に複屈折性結晶のくさび形プリズムを用いた偏波無
依存型光アイソレータが用いられている。しかし、この
種の光アイソレータは磁気光学結晶2および偏光子1,
1′が高価であるので、光アイソレータ自体も高価にな
ること、レンズを使ってファイバ等と結合しているの
で、全体の寸法が、例えば偏波無依存型光アイソレータ
の場合で70mm×15mm×15mm程度の大型になること、レン
ズおよびファイバと組み合わせる際のアライメントが難
しいことなどの欠点があった。(Prior Art) An optical isolator is an important element used in the field of optical communication for the purpose of stabilizing a laser light source, suppressing line echo, preventing noise from occurring in an optical amplifier, and the like. Conventionally, as this type of element, as shown in FIG. 10, what is called a bulk type in which a magneto-optical crystal 2 and two polarizers 1, 1 'are combined has been put to practical use. In particular, optical isolators that do not depend on the polarization direction of signal light such as coherent communication include polarizers 1 and 2.
A polarization independent optical isolator using a wedge prism of birefringent crystal is used for 1 '. However, this type of optical isolator comprises a magneto-optical crystal 2 and a polarizer 1,
Since 1 'is expensive, the optical isolator itself is also expensive, and since it is coupled to a fiber or the like using a lens, the overall dimensions are, for example, 70 mm × 15 mm × in the case of a polarization independent optical isolator There were drawbacks such as being about 15 mm in size and making alignment difficult when combined with lenses and fibers.
ところで最近、光通信の分野において1本の光ファイ
バで伝送する情報量を増大することを目的として、光フ
ァイバ内を伝送する信号光の波長を多重化する波長多重
通信が提案されている。また無中継伝送距離を増大する
ために信号光を波長の異なる励起光とともに、Erドープ
ファイバ内を伝搬させることにより、信号光強度を増幅
するErドープファイバ増幅器を用いた通信方式が提案さ
れている。これらの新しい通信方式には、同時に二つ以
上の波長域で動作する波長多重型の光アイソレータが必
要である。特にErドープファイバ増幅器を用いた通信方
式では、偏波無依存で、かつ波長多重型の光アイソレー
タが必要である。しかし、第10図に示した光アイソレー
タでは、磁気光学結晶2に用いるガーネット結晶の磁気
光学特性の波長依存性が存在するので、波長ごとに素子
が動作するために必要な磁気光学結晶2の素子長l′が
異なる。このため、一つの光アイソレータでは、例えば
波長多重通信方式で使用される信号波長である0.8μm
帯、1.3μm帯、1.5μm帯等の波長帯や、Erドープファ
イバ増幅器を用いた通信方式で使用される励起光波長0.
98μm帯と信号光波長1.5μm帯の二つ以上の波長帯
で、同時に十分な動作を示すことができないという欠点
があった。Recently, in the field of optical communication, wavelength multiplexing communication has been proposed in which the wavelength of signal light transmitted in an optical fiber is multiplexed in order to increase the amount of information transmitted through one optical fiber. A communication system using an Er-doped fiber amplifier that amplifies the signal light intensity by propagating the signal light together with the pump light having different wavelengths in the Er-doped fiber to increase the repeaterless transmission distance has been proposed. . These new communication systems require wavelength multiplexed optical isolators that operate in two or more wavelength bands simultaneously. In particular, in a communication system using an Er-doped fiber amplifier, a polarization independent and wavelength multiplexing type optical isolator is required. However, in the optical isolator shown in FIG. 10, since the garnet crystal used for the magneto-optical crystal 2 has wavelength dependence, the element of the magneto-optical crystal 2 required for the element to operate for each wavelength is present. The length l 'is different. For this reason, in one optical isolator, for example, a signal wavelength of 0.8 μm
Band, 1.3 μm band, 1.5 μm band, etc., and the excitation light wavelength of 0.1 in the communication system using Er-doped fiber amplifier.
There is a disadvantage that sufficient operation cannot be simultaneously performed in two or more wavelength bands of the 98 μm band and the signal light wavelength band of 1.5 μm.
波長多重型光アイソレータを実現するためには、第10
図に示した光アイソレータの前に波長分波素子を形成
し、入射光を波長ごとに分離して、それぞれの波長に対
して最適動作するように設定された単波長型光アイソレ
ータに入射し、単波長型光アイソレータ出射端に形成し
た波長合波素子で合波させる構成をとればよい。このよ
うな波長合分波素子は、誘電体多層膜等を用いた干渉フ
ィルタとプリズムを組み合わせることにより実現でき、
これを用いることにより、波長多重型光アイソレータが
簡単に実現できる。しかし、このような波長多重型光ア
イソレータは、個別部品を組み合わせたバルク型である
ので、個別部品を組み合わせる際のアライメントが困難
であること、レンズを使って光ファイバと結合している
ので、光アイソレータ全体の大きさが、例えば単波長型
アイソレータとしてバルク型光アイソレータを用いた場
合、110mm×25mm×15mm程度の大型になること等の問題
がある。一方、最近石英系導波路に光方向性結合器を形
成することにより、導波路型波長合分波素子を作製する
ことが提案されている(N.Takato et al.Electronics L
etters,vol.22,No.6,p.321)。この導波路型波長合分波
素子を用いることにより、導波路型の波長多重型光アイ
ソレータを実現することが可能であるが、これまでに導
波路型の波長多重型光アイソレータに応用された例はな
い。In order to realize a wavelength multiplexing type optical isolator, the tenth
A wavelength demultiplexing element is formed in front of the optical isolator shown in the figure, the incident light is separated for each wavelength, and the light is incident on a single-wavelength optical isolator set to operate optimally for each wavelength. The configuration may be such that the wavelength is multiplexed by the wavelength multiplexing element formed at the emission end of the single wavelength optical isolator. Such a wavelength multiplexing / demultiplexing device can be realized by combining an interference filter using a dielectric multilayer film or the like with a prism,
By using this, a wavelength division multiplexing type optical isolator can be easily realized. However, since such a wavelength division multiplexing type optical isolator is a bulk type in which individual components are combined, alignment is difficult when combining the individual components, and since it is coupled to an optical fiber using a lens, an optical For example, when a bulk-type optical isolator is used as a single-wavelength type isolator, there is a problem that the entire isolator becomes large, for example, about 110 mm × 25 mm × 15 mm. On the other hand, recently, it has been proposed to fabricate a waveguide-type wavelength multiplexing / demultiplexing device by forming an optical directional coupler in a silica-based waveguide (N. Takato et al. Electronics L.
etters, vol. 22, No. 6, p. 321). By using this waveguide-type wavelength multiplexing / demultiplexing device, it is possible to realize a waveguide-type wavelength-division multiplexing optical isolator. There is no.
(発明が解決しようとする課題) 本発明は、すべての構成要素が単一モード導波路から
なる小型で低価格な実用に供し得る、複数の波長で同時
に動作する偏波依存性の無い3次元導波路型光アイソレ
ータを提供することにある。(Problems to be Solved by the Invention) The present invention provides a small, low-cost, three-dimensional, polarization-independent, non-polarization operating element that can be used for practical use at a small number of wavelengths. An object of the present invention is to provide a waveguide type optical isolator.
(課題を解決するための手段) 第1図は本発明のn個の信号光波長λ1,λ2,…,λn
に対応できるn波長多重光アイソレータの基本構成を示
し、(A)は平面図、(B)は側面図、(C)は(A)
図のB側から見た図であって、第1図(A)中、21,2
1′は波長合分波部、7,7′はモード選択部、8は非相反
モード変換部、9は相反モード変換器を示す。(Means for Solving the Problems) FIG. 1 shows n signal light wavelengths λ 1 , λ 2 ,..., Λ n of the present invention.
(A) is a plan view, (B) is a side view, and (C) is (A).
FIG. 2 is a diagram viewed from the side B of FIG.
1 'denotes a wavelength multiplexing / demultiplexing unit, 7 and 7' denote mode selection units, 8 denotes a non-reciprocal mode converter, and 9 denotes a reciprocal mode converter.
波長合分波部21,21′は、n−1個の波長合分波部用
光方向性結合器22を第2図(A),(B)に示すように
直列に接続することにより構成されている。第2図中の
n番目の波長合分波部用光方向性結合器22は、結合部の
長さと光方向性結合器を構成する2本の導波路間の距離
を調整することにより、波長λn+1の信号光に対しての
み100%パワー移行器として機能し、その他の波長の信
号光に対しては全くパワーを移行しないように設定され
ている。この結果、波長合分波部21,21′は、波長分波
部として用いた場合、第2図(A)に示すように、1本
の導波路を伝播してきた波長λ1,λ2,…,λnのn個の
信号光を、第2図(A)の上からλ1,λ2,…,λnの順
にn本の導波路に分波する機能を示す。また波長合波部
として用いた場合、第2図(B)に示すように、第2図
(B)の上からλ1,λ2,…,λnの順にn本の導波路を
伝播してきた信号光を1本の導波路に合波する機能を示
す。The wavelength multiplexing / demultiplexing units 21 and 21 'are configured by connecting n-1 wavelength multiplexing / demultiplexing unit optical directional couplers 22 in series as shown in FIGS. 2 (A) and 2 (B). Have been. The optical directional coupler 22 for the n-th wavelength multiplexing / demultiplexing unit in FIG. 2 adjusts the wavelength by adjusting the length of the coupling unit and the distance between the two waveguides constituting the optical directional coupler. It is set so that it functions as a 100% power transfer device only for the signal light of λ n + 1 and does not transfer any power for the signal light of other wavelengths. As a result, when the wavelength multiplexing / demultiplexing units 21 and 21 'are used as wavelength demultiplexing units, as shown in FIG. 2 (A), the wavelengths λ 1 , λ 2 , , Λ n are demultiplexed into n waveguides in the order of λ 1 , λ 2 ,..., Λ n from the top of FIG. 2 (A). Also when used as a wavelength multiplexing unit, as shown in FIG. 2 (B), lambda 1 from the top of FIG. 2 (B), lambda 2, ..., propagated through the n-number of waveguides in the order of lambda n The function of multiplexing the reflected signal light into one waveguide is shown.
モード選択部7,7′は、第1図(A)に示すように、
それぞれ2個のモード選択部用光方向性結合器18,18′
および18″,18と、単一モード導波路部19,19′とから
なるマッハツェンダー干渉計が、n個並列に並ぶ形で構
成されている。これらのマッハツェンダー干渉計は、第
1図(A)中、上から順に波長λ1,λ2,…,λnで機能
するように設定されている。すなわち第1図(A)中、
上からn番目のマッハツェンダー干渉計の光方向性結合
器18,18′,18″,18は、波長λnにおいて結合部の長
さを結合長の半分にすることにより、3dBカップラーと
して機能するように設定されている。また、上からn番
目のマッハツェンダー干渉計の単一モード導波路部19,1
9′の2本の導波路は、波長λnにおいてそれぞれを伝
搬する導波光の相対的位相差が、電界の主成分が膜面の
法線6に垂直な準TEモードについて、πとなるように設
定され、電界の主成分が膜面の法線6に平行な準TMモー
ドについて、0となるように設定されている。これらの
結果、第1図(A)中、上からn番目のマッハツェンダ
ー干渉計は、波長λnにおいて第3図(A)〜(H)に
示すように動作し、TMモードに対する100%パワー移行
器として機能し、モード選択部7,7′は全体として、波
長λ1,λ2,…,λnの信号光に対するTE−TMモード分波
器およびTE−TMモード合波器として機能する。The mode selectors 7, 7 '
Two optical directional couplers 18 and 18 'for the mode selector, respectively
Mach-Zehnder interferometers comprising n ″ and 18 ″, 18 and single-mode waveguide sections 19, 19 ′ are arranged in parallel in n pieces. These Mach-Zehnder interferometers are shown in FIG. In A), it is set so as to function at wavelengths λ 1 , λ 2 ,..., Λ n in order from the top, ie, in FIG.
N th Mach-Zehnder interferometer of the optical directional coupler from the top 18, 18 ', 18 ", 18, by halving the coupling length the length of the coupling portion at the wavelength lambda n, functions as a 3dB coupler In addition, the single-mode waveguide sections 19 and 1 of the n-th Mach-Zehnder interferometer from the top are set as follows.
The two waveguides 9 ′ are such that the relative phase difference of the guided light propagating at each wavelength λ n is π for the quasi-TE mode in which the main component of the electric field is perpendicular to the normal 6 to the film surface. And the main component of the electric field is set to be 0 in the quasi-TM mode parallel to the normal 6 of the film surface. As a result, in FIG. 1 (A), the n-th Mach-Zehnder interferometer from the top operates at the wavelength λ n as shown in FIGS. 3 (A) to 3 (H), and has 100% power for the TM mode. functions as a shifter as a whole mode selector 7, 7 'is the wavelength lambda 1, lambda 2, ..., serving as a TE-TM mode demultiplexers and TE-TM mode multiplexer for the signal light of lambda n .
非相反モード変換器8はコイルまたは磁石により光線
3と平行な方向の磁場15がかけられた並列に並んた2n本
のコア部を持つ磁性ガーネット埋め込み型導波路13によ
って構成される。第4図は磁性ガーネット埋め込み型導
波路13の構成を示した図で、第4図中のC,Dが第1図
(A)中のC,Dに一致する。2n本のコア部11は、第4図
(A)に示すように、隣り合った2本ずつ、〜まで
のn組に分かれている。第4図中、左からn番目のコア
部の組は、磁性ガーネット埋め込み型導波路13を構成す
る磁性ガーネット薄膜の波長λnでのファラデー回転係
数をθF(λn)(deg/cm)とすると、その導波路長ln
が|θF(λn)|・ln=45゜の関係を満たすように設
計されており、波長λnでTE−TM非相反50%モード変換
の動作をするように設定されている。したがって、磁性
ガーネット埋め込み型導波路13は全体として波長λ1,λ
2,…,λnに対応するTE−TM非相反50%モード変換器と
して動作する。また磁性ガーネット埋め込み型導波路13
は、それぞれのコア部が対応する波長λnで単一モード
伝搬するように設定されており、かつ良好な直線偏光性
を保つように、準TEモードと準TMモードの伝搬定数が一
致するように設定されている。両者の伝搬定数が一致し
ない場合には、光パワーとして50%モード変換されて
も、両者の位相がずれているので、素子特性の低下を招
く。The non-reciprocal mode converter 8 is constituted by a magnetic garnet embedded waveguide 13 having 2n cores arranged in parallel, to which a magnetic field 15 in a direction parallel to the light beam 3 is applied by a coil or a magnet. FIG. 4 is a diagram showing the configuration of the magnetic garnet embedded waveguide 13. C and D in FIG. 4 correspond to C and D in FIG. 1 (A). As shown in FIG. 4 (A), the 2n core portions 11 are divided into n sets of 2 adjacent to each other. In FIG. 4, the n-th set of core portions from the left has a Faraday rotation coefficient at a wavelength λ n of a magnetic garnet thin film constituting the magnetic garnet embedded waveguide 13 of θ F (λ n ) (deg / cm). Then the waveguide length l n
Is designed to satisfy the relationship of | θ F (λ n ) | · l n = 45 °, and is set so as to perform a TE-TM nonreciprocal 50% mode conversion operation at the wavelength λ n . Therefore, the magnetic garnet embedded waveguide 13 has wavelengths λ 1 and λ
2 ,..., Operates as a TE-TM nonreciprocal 50% mode converter corresponding to n . In addition, magnetic garnet embedded waveguide 13
The respective core portion is set to single-mode propagation in the corresponding wavelength lambda n, and so maintain good linear polarization resistance, so that the propagation constants of the quasi-TE mode and the quasi-TM mode matches Is set to If the propagation constants of the two do not match, even if the optical power is converted to 50% mode, the phases of the two are shifted, resulting in a decrease in element characteristics.
また磁性ガーネット埋め込み型導波路13は、ガイドブ
ロック14を用いて、モード選択部7と相反モード変換部
9の間に、基板4を上にしてはめ込まれる。The magnetic garnet embedded waveguide 13 is fitted between the mode selector 7 and the reciprocal mode converter 9 using the guide block 14 with the substrate 4 facing upward.
第5図は相反モード変換部9の構成を示し、(A)は
平面図、(B)は第1図(A)のB側から見た図で、第
5図(A)中のC,Dが第1図のC,Dに一致する。相反モー
ド変換部9は、第5図に示すように並列に並んだ2n本の
コア部11の近傍のクラッド層10の一部に、それぞれ空け
た応力解放溝12により、コア部11の複屈折主軸16の方向
を、光の伝搬方向に垂直で、かつ基板の膜面の法線6の
方向より応力解放溝12側に22.5度傾けた構成よりなり、
応力解放溝12の長さを、それぞれ所定の長さにすること
により、2n本の導波路型2分の1波長板を形成し、それ
ぞれTE−TM相反50%モード変換器として機能するように
設定されている。この際、2n本の導波路型2分の1波長
板は、第5図(A)中左から隣り合った2本ずつ〜
までのn組に分かれており、それぞれ波長λ1,λ2,…,
λnで最適動作するように、応力解放溝12の長さおよび
幅、コア部11と応力解放溝12との距離が設定されてい
る。5A and 5B show the configuration of the reciprocal mode converter 9, wherein FIG. 5A is a plan view, FIG. 5B is a diagram viewed from the side B in FIG. 1A, and C and C in FIG. D corresponds to C and D in FIG. As shown in FIG. 5, the reciprocal mode converter 9 is provided on the cladding layer 10 near the 2n cores 11 arranged in parallel. The direction of the main shaft 16 is perpendicular to the light propagation direction, and is inclined 22.5 degrees toward the stress release groove 12 from the direction of the normal 6 of the film surface of the substrate,
By setting the lengths of the stress release grooves 12 to predetermined lengths, 2n waveguide-type half-wave plates are formed, each of which functions as a TE-TM reciprocal 50% mode converter. Is set. At this time, the 2n waveguide-type half-wave plates are two adjacent ones from the left in FIG. 5 (A).
Λ 1 , λ 2 ,...,
to optimally operate at lambda n, the length and width of the stress relief groove 12, the distance between the core portion 11 and the stress relief groove 12 is set.
第1図を用い本発明の導波路型光アイソレータの動作
原理を説明する。説明の都合上、第1図(A)中、モー
ド選択部7,7′、非相反モード変換器8、相反モード変
換部9に並列に並んだ2n本の導波路のうち、導波路の終
端が波長合分波部21,21′と結合しているものを導波路
a、結合していないものを導波路bと称することにす
る。また便宜上、磁性ガーネット埋め込み型導波路13を
構成する磁性ガーネットのθFの符号が正の場合につい
て説明する(θFの符号は光の進行方向と外部磁場15の
方向が平行で同じ向きの時、光源側からみて時計回りに
光の電場ベクトルが回転する方向を正と定義する)。第
1図(A)中のAからコア部に入射したλ1,λ2,…,λ
nのn個の波長が多重した導波光は、波長合分波部21で
第1図(A)中、上からλ1,λ2,…,λnの順に波長別
にn本の導波路に分波される。波長別に分波された導波
光は、モード選択部7で準TEモードが導波路aに、準TM
モードが導波路bに分離され、非相反モード変換器8に
入射する。非相反モード変換器8でそれぞれの導波路に
おいて導波光は50%モード変換され、準TEモード50%、
準TMモード50%の導波光に変換され、相反モード変換部
9に伝搬される。相反モード変換部9において導波光は
導波路aで準TEモード100%に、導波路bで準TMモード1
00%にそれぞれ変換されて、モード選択部7′に入射す
る。モード選択部7′で導波路bの準TMモードは、導波
路aに100%パワー移行し、準TEモードとともに波長合
分波部21′に出射する。波長合分波部21′に入射したn
本の導波路を進む波長の異なる導波光は、1本の導波路
に合波され、第1図(A)中のBに出射する。逆にBよ
りコア部11に入射されたλ1,λ2,…,λnのn個の波長
が多重した導波光は、波長合分波部21′で第1図(A)
中、上からλ1,λ2,…,λnの順に波長別にn本の導波
路に分波される。波長別に分波された導波光は、モード
選択部7′で準TEモードが導波路aに、準TMモードが導
波路bに分離され、相反モード変換部9に入射する。相
反モード変換部9では導波光は、それぞれの導波路で50
%モード変換され、準TEモード50%、準TMモード50%の
導波光に変換される。The operation principle of the waveguide type optical isolator of the present invention will be described with reference to FIG. For convenience of explanation, in FIG. 1A, of the 2n waveguides arranged in parallel with the mode selectors 7 and 7 ', the non-reciprocal mode converter 8, and the reciprocal mode converter 9, the end of the waveguide Are coupled to the wavelength multiplexing / demultiplexing units 21 and 21 ', and those not coupled are referred to as waveguides b. Also for convenience, when the sign of theta F of the magnetic garnet will be described a positive (theta F code in the same direction in parallel the direction of the traveling direction and the external magnetic field 15 of the light constituting the magnetic garnet embedded waveguide 13 The direction in which the electric field vector of light rotates clockwise as viewed from the light source side is defined as positive). Λ 1 , λ 2 ,..., Λ incident on the core portion from A in FIG.
The waveguide light in which n wavelengths of n are multiplexed is divided into n waveguides by wavelength in the order of λ 1 , λ 2 ,..., λ n in FIG. It is split. The quasi-TE mode is applied to the waveguide a by the mode selector 7 and the quasi-TM
The mode is separated by the waveguide b and enters the non-reciprocal mode converter 8. In each waveguide, the non-reciprocal mode converter 8 converts the guided light into 50% mode, and 50% quasi-TE mode.
The light is converted into quasi-TM mode 50% guided light and propagated to the reciprocal mode converter 9. In the reciprocal mode converter 9, the guided light becomes quasi-TE mode 100% in the waveguide a and the quasi-TM mode 1 in the waveguide b.
After being converted to 00%, the light enters the mode selection unit 7 '. In the mode selection unit 7 ', the quasi-TM mode of the waveguide b shifts 100% in power to the waveguide a, and exits to the wavelength multiplexing / demultiplexing unit 21' together with the quasi-TE mode. N incident on the wavelength multiplexing / demultiplexing part 21 '
The guided lights having different wavelengths traveling through the two waveguides are multiplexed into one waveguide and output to B in FIG. 1 (A). Lambda 1 reverse to the incident on the core portion 11 from B, lambda 2, ..., lambda guided light of n wavelengths are multiplexed for n, the first view in the wavelength division unit 21 '(A)
From the top, λ 1 , λ 2 ,..., Λ n are split into n waveguides for each wavelength in order from the top. The guided light separated for each wavelength is separated into the quasi-TE mode into the waveguide a and the quasi-TM mode into the waveguide b by the mode selector 7 ′, and enters the reciprocal mode converter 9. In the reciprocal mode converter 9, the guided light passes through 50
% Mode conversion, and converted into guided light of quasi-TE mode 50% and quasi-TM mode 50%.
次に導波光は、非相反モード変換器8において導波路
aで準TMモード100%に、また導波路bで準TEモード100
%にそれぞれ変換され、モード選択部7に入射する。モ
ード選択部7で導波路aの準TMモードは、導波路bに10
0%パワー移行するので、もともと導波路bを導波して
いる準TEモードともども波長合分波部21へ出射すること
ができず、第1図(A)中のAに出射する導波光は0と
なり、第1図(A)に示す光回路は波長λ1,λ2,…,λ
nのn種の波長で動作する偏波無依存型の光アイソレー
タとして機能する。Next, the guided light is converted to a quasi-TM mode 100% in the waveguide a in the nonreciprocal mode converter 8 and a quasi-TE mode 100% in the waveguide b.
%, And enters the mode selection unit 7. The quasi-TM mode of the waveguide a is set to 10
Since the power shifts to 0%, the quasi-TE mode originally guided in the waveguide b cannot be emitted to the wavelength multiplexing / demultiplexing unit 21, and the guided light emitted to A in FIG. 0, and the optical circuit shown in FIG. 1 (A) has wavelengths λ 1 , λ 2 ,.
It functions as a polarization independent optical isolator operating at n wavelengths of n.
(実施例) 以下、本発明の実施例として、波長1.3μmと1.55μ
mの導波光に対して同時に動作する導波路型光アイソレ
ータについて説明する。Examples Hereinafter, as examples of the present invention, wavelengths of 1.3 μm and 1.55 μm will be described.
A waveguide type optical isolator that operates simultaneously on m guided lights will be described.
第6図(A−1),(B−1),(C−1)および
(A−2),(B−2),(C−2)は本発明の実施例
に用いた波長合分波部21,21′、モード選択部7,7′の拡
大図、また第7図(A),(B)は相反モード変換部9
の拡大図である。この実施例では、これらの部分の基板
4に厚さ0.7mmのシリコン基板を用い、コア部11、クラ
ッド層10には石英系ガラスを用いた。クラッド層10の厚
さは50μmであり、コア部11は基板面から高さ25μmに
中心がくるようにした。コア部11は磁性ガーネット埋め
込み型導波路13を接続する際、接続損失が小さくなるよ
うに、磁性ガーネット埋め込み型導波路13のコア部と同
じ8μm角の方形とした。また単一モード伝搬のため、
コア部11とクラッド層10の比屈折率差は0.25%とした。
波長合分波部21,21′では、波長1.3μmと1.55μmの合
分波器として機能するように、光方向性結合器22の2本
の導波路の結合部分の長さと距離を調整することによ
り、波長1.3μmの導波光に対しては100%パワー移行
し、波長1.55μmの導波光に対しては全くパワー移行し
ないように設定した。モード選択部7,7′では第6図
(A−1)中、導波路,で構成されるマッハツェン
ダー干渉計が波長1.55μmで準TMモードの100%パワー
移行が生じるように、導波路aと導波路bの準TEモー
ド、準TMモードの伝搬定数が波長1.55μmでそれぞれ等
しくなるようにした。同様に第6図(A−1)中、導波
路,で構成されるマッハツェンダー干渉計が波長1.
3μmで準TMモードの100%パワー移行が生じるように、
導波路と導波路の準TEモード、準TMモードの伝搬定
数が波長1.3μmでそれぞれ等しくなるようにした。相
反モード変換部9ではコア部11の複屈折の主軸が基板面
法線6より傾く角を22.5度とするために、第7図(B)
に示すコア部11の中心から応力解放溝12までの距離Sを
35μmとした。また、応力解放溝15の幅Tは200μmと
した。第7図(A)中、導波路,および,に対
する応力解放溝12の長さL1およびL2は、波長1.55μmお
よび波長1.3μmで50%モード変換器としての機能をも
たせるために、3.1mmおよび2.6mmとした。このような光
導波路と応力解放溝の構造はSiCl4,TiCl4等のガラス形
成材料ガスの火炎加水分解反応によるガラス膜の堆積技
術と、反応性イオンエッチング(RIE)を代表とするド
ライエッチングプロセスとの組合せによる周知の加工方
法で形成することができる。6 (A-1), (B-1), (C-1) and (A-2), (B-2), (C-2) show wavelength combining used in the embodiment of the present invention. 7A and 7B are enlarged views of the wave sections 21 and 21 'and the mode selection sections 7 and 7'.
FIG. In this embodiment, a silicon substrate having a thickness of 0.7 mm is used for the substrate 4 in these portions, and quartz glass is used for the core portion 11 and the cladding layer 10. The thickness of the clad layer 10 was 50 μm, and the center of the core 11 was 25 μm from the substrate surface. When connecting the magnetic garnet-embedded waveguide 13, the core 11 is formed in the same square shape as the core of the magnetic garnet-embedded waveguide 13 so as to reduce the connection loss. Also for single mode propagation,
The relative refractive index difference between the core 11 and the cladding layer 10 was set to 0.25%.
In the wavelength multiplexing / demultiplexing units 21 and 21 ', the length and distance of the coupling portion of the two waveguides of the optical directional coupler 22 are adjusted so as to function as a wavelength division multiplexer of 1.3 μm and 1.55 μm. Thus, the setting is made such that the power shifts to 100% for the guided light having a wavelength of 1.3 μm and does not shift at all for the guided light having a wavelength of 1.55 μm. In FIG. 6 (A-1), the mode selectors 7 and 7 'use the waveguide a so that the Mach-Zehnder interferometer composed of the waveguide causes a 100% power transition of the quasi-TM mode at a wavelength of 1.55 μm. The propagation constants of the quasi-TE mode and quasi-TM mode of the waveguide b and the quasi-TM mode were made equal at a wavelength of 1.55 μm. Similarly, in FIG. 6 (A-1), a Mach-Zehnder interferometer composed of a waveguide has a wavelength of 1.
At 3 μm, 100% power transition of quasi-TM mode occurs.
The propagation constants of the waveguide and the quasi-TE mode and the quasi-TM mode of the waveguide were made equal at a wavelength of 1.3 μm. In the reciprocal mode converter 9, in order to set the angle at which the principal axis of the birefringence of the core 11 is inclined from the substrate surface normal 6 to 22.5 degrees, FIG.
The distance S from the center of the core part 11 to the stress release groove 12 shown in
It was 35 μm. The width T of the stress release groove 15 was 200 μm. During Figure 7 (A), waveguides, and, for the length L 1 and L 2 of the stress relief groove 12 to have a function as a 50% mode converter with a wavelength of 1.55μm and the wavelength 1.3μm against, 3.1 mm and 2.6 mm. The structure of such an optical waveguide and a stress release groove is based on a flame etching reaction of a glass forming material gas such as SiCl 4 , TiCl 4, etc., and a dry etching process typified by reactive ion etching (RIE). Can be formed by a well-known processing method in combination with
第8図は本発明の実施例に用いた磁性ガーネット埋め
込み型導波路13の構造を示す拡大図で、(A)は平面
図、(B)は第1図(A)のB側から見た図であって、
23は埋め込み層、24は下部クラッド層を示す。この実施
例では準TEモードと準TMモードの伝搬定数を等しくする
ために、コア部11の形を方形とし、埋め込み層23と下部
クラッド層24の屈折率を等しくした。またコア部11の幅
Wは8μmとした。この磁性ガーネット導波路を作製す
るためには、例えば基板4の上に液相エピタキシー法
(LPE法)、スパッタ法等により2層ガーネット薄膜を
形成し、コア部11をイオンミリング、反応性イオンエッ
チング(RIE)等のエッチング法でパターニングし、最
後にLPE法、スパッタ法等により、埋め込み層23を堆積
することにより作製できる。FIG. 8 is an enlarged view showing the structure of the magnetic garnet embedded waveguide 13 used in the embodiment of the present invention, where (A) is a plan view and (B) is viewed from the B side in FIG. 1 (A). FIG.
23 denotes a buried layer, and 24 denotes a lower cladding layer. In this embodiment, in order to make the propagation constants of the quasi-TE mode and the quasi-TM mode equal, the shape of the core part 11 is rectangular, and the buried layer 23 and the lower cladding layer 24 have the same refractive index. The width W of the core portion 11 was 8 μm. In order to manufacture this magnetic garnet waveguide, a two-layer garnet thin film is formed on the substrate 4 by a liquid phase epitaxy method (LPE method), a sputtering method, or the like, and the core portion 11 is subjected to ion milling and reactive ion etching. It can be manufactured by patterning by an etching method such as (RIE) and finally depositing a buried layer 23 by an LPE method, a sputtering method or the like.
磁性ガーネット埋め込み型導波路13の具体的構成とし
ては、基板4に厚さ0.5mmのGGG(ガドリウムガリームガ
ーネット)基板を、コア部11、埋め込み層23および下部
クラッド層24に置換型YIG(イットリウム鉄ガーネッ
ト)をそれぞれ用いた。具体的な置換型YIGの組成は、
素子が動作するのに必要な外部磁場15を小さくするため
に、面内磁化となる組成が望ましいので、(Sc,Ga)YIG
および(La,Ga)YIGを用いた。コア部11が単一モード伝
搬し、かつ幅Wが8μmとなるように、コア部11と埋め
込み層23および下部クラッド層24の屈折率を、Ga置換量
を変えることにより、2.200と2.199および2.199に設定
した。第7図(A)中、磁性ガーネット埋め込み型導波
路13の導波路,および,の素子長l1およびl
2は、これらの置換型YIGのθFが波長1.55μmおよび1.
3μmで160deg/cmおよび206deg/cmであるので、それぞ
れの波長で50%モード変換器として動作するように、約
2.8mmおよび2.2mmとした。As a specific configuration of the magnetic garnet embedded waveguide 13, a 0.5 mm-thick GGG (gadolin gallium garnet) substrate is used as the substrate 4, and a substitution type YIG ( Yttrium iron garnet) was used. The specific composition of substitutional YIG is
In order to reduce the external magnetic field 15 necessary for the device to operate, it is desirable that the composition be in-plane magnetization, so (Sc, Ga) YIG
And (La, Ga) YIG were used. The refractive indices of the core portion 11, the buried layer 23, and the lower cladding layer 24 are changed by changing the Ga substitution amounts so that the core portion 11 propagates in a single mode and the width W is 8 μm. Set to. In FIG. 7A, the waveguide length of the magnetic garnet embedded waveguide 13 and the element lengths l 1 and l
2, and these substituted YIG of theta F wavelength 1.55 .mu.m 1.
Since it is 160 deg / cm and 206 deg / cm at 3 μm, about 50% mode converter operates at each wavelength.
2.8 mm and 2.2 mm.
このようにして得られた磁性ガーネット埋め込み型導
波路13を、第6図(A−1),(A−2)に示した波長
合分波部21,21′およびモード選択部7,7′および第7図
に示した相反モード変換部が形成された単一モード光導
波路に、第8図(B)に示す埋め込み層23を下にして第
1図(A)に示すガイドブロック14に沿って装着し、位
置合わせ後、接着剤で固定することによって、第9図に
示す導波路型光アイソレータを構成した。The magnetic garnet-embedded waveguide 13 thus obtained is combined with the wavelength multiplexing / demultiplexing units 21 and 21 'and the mode selecting units 7, 7' shown in FIGS. 6 (A-1) and 6 (A-2). In addition, the single mode optical waveguide having the reciprocal mode converter shown in FIG. 7 is placed along the guide block 14 shown in FIG. 1A with the buried layer 23 shown in FIG. After mounting, positioning, and fixing with an adhesive, a waveguide-type optical isolator shown in FIG. 9 was formed.
なお外部磁場15は磁性ガーネット埋め込み型導波路13
に用いた置換型YI-GのθFの符号が正であるので、第9
図に示すから方向に印加した。この実施例の導波路
型光アイソレータ全体の大きさは、素子長約75.9mm(波
長合分波部21,21′が20mm×2、モード選択部7,7′が約
15.0mm×2、非相反モード変換器8が約2.8mm、相反モ
ード変換部9が3.1mm)×幅5.0mm×厚さ1.25mmであり、
バルク型で波長多重型光アイソレータを構成した場合に
比べて小さい。The external magnetic field 15 is the magnetic garnet embedded waveguide 13.
Substituted YI was used to - the sign of theta F of G is positive, 9
The direction was applied from the direction shown in the figure. The overall size of the waveguide type optical isolator of this embodiment is about 75.9 mm in element length (the wavelength multiplexing / demultiplexing parts 21 and 21 ′ are 20 mm × 2, and the mode selecting parts 7 and 7 ′ are about
15.0mm x 2, non-reciprocal mode converter 8 is about 2.8mm, reciprocal mode converter 9 is 3.1mm) x 5.0mm x 1.25mm thick,
It is smaller than the case where a wavelength multiplexing type optical isolator is constituted by a bulk type.
この実施例の導波路型光アイソレータのアイソレーシ
ョン比を実際に光ファイバと接続して測定した。この実
施例の導波路型光アイソレータは、アイソレーション比
が磁場数10Oeで飽和し、その大きさが波長1.55μmおよ
び1.3μmで飽和値21dBおよび20dBであり、双方の波長
で高いアイソレーション比を示し、2波長多重型の光ア
イソレータとして動作する。またアイソレーション比が
飽和するのに必要な磁場は、バルク型光アイソレータが
飽和するのに必要な磁場数kOeよりも2桁小さい。The isolation ratio of the waveguide type optical isolator of this example was measured by actually connecting to an optical fiber. The waveguide type optical isolator of this embodiment has an isolation ratio that saturates at a magnetic field number of 10 Oe, has a saturation value of 21 dB and 20 dB at wavelengths of 1.55 μm and 1.3 μm, and has a high isolation ratio at both wavelengths. And operates as a two-wavelength multiplexing type optical isolator. The magnetic field required to saturate the isolation ratio is two orders of magnitude smaller than the magnetic field number kOe required to saturate the bulk optical isolator.
ところで、上記実施例では、磁性ガーネット埋め込み
型導波路13の埋め込み層23の材料として、下部クラッド
層24と同じ置換型YIGを用いたが、その屈折率を下部ク
ラッド層24の屈折率と等しくしたTa2O5やNb2O5等のアモ
ルファス材料を用いても同様な効果が現れた。また上記
実施例では導波光波長として1.55μmと1.3μmを用い
たが、その他の波長の導波光に対しても、本発明を用い
ることにより、同様な性能を示す波長多重型光アイソレ
ータが実現できることを確認している。By the way, in the above embodiment, the same substitutional YIG as the lower cladding layer 24 was used as the material of the burying layer 23 of the magnetic garnet buried waveguide 13, but the refractive index was made equal to the refractive index of the lower cladding layer 24. The same effect was obtained by using an amorphous material such as Ta 2 O 5 or Nb 2 O 5 . In the above embodiment, 1.55 μm and 1.3 μm are used as the guided light wavelengths. However, the present invention can be applied to other wavelengths of guided light to realize a wavelength multiplexing type optical isolator having similar performance. Have confirmed.
(発明の効果) 以上説明したように、本発明の導波路型光アイソレー
タは、これまで提案されている導波路型光アイソレータ
と異なり、複数の波長の導波光に対して同時に動作でき
るので、波長多重光通信に使用するのに適しているとい
う利点がある。また動作が入射光の偏波方向に依存しな
いので、偏波無依存で波長多重なアイソレータが必要な
Erドープファイバ増幅器を用いた光通信方式に使用する
のに適しているという利点がある。また3次元導波路構
造であり、単一モードで動作するので、他の光回路素子
と直接接続して使用できる利点がある。また本発明の導
波路型光アイソレータは、通常のバルク型光アイソレー
タに比べて、数桁小さい強さの磁界で十分に動作するの
で、素子の小型化、経済化を図ることができる利点があ
る。(Effects of the Invention) As described above, the waveguide type optical isolator of the present invention can operate simultaneously on a plurality of wavelengths of guided light unlike the waveguide type optical isolators proposed so far. It has the advantage of being suitable for use in multiplex optical communications. In addition, since the operation does not depend on the polarization direction of the incident light, a polarization-independent and wavelength-multiplexed isolator is required.
There is an advantage that it is suitable for use in an optical communication system using an Er-doped fiber amplifier. Further, since it has a three-dimensional waveguide structure and operates in a single mode, there is an advantage that it can be used by directly connecting to another optical circuit element. Further, the waveguide type optical isolator of the present invention operates sufficiently with a magnetic field having an intensity several orders of magnitude smaller than that of a normal bulk type optical isolator, and thus has an advantage that the element can be reduced in size and economical. .
第1図は本発明の導波路型光アイソレータの基本構成を
示し、(A)は平面図、(B)は側面図、(C)は第1
図(A)のB側から見た図、 第2図(A),(B)は本発明の導波路型光アイソレー
タの波長合分波部の動作を示す説明図、 第3図(A)〜(H)は本発明の導波路型光アイソレー
タのモード選択部の動作を示す説明図、 第4図は本発明の導波路型光アイソレータの磁性ガーネ
ット埋め込み型導波路13の構造を示し、(A)は平面
図、(B)は第1図(A)のB側から見た図、(C)は
側面図、 第5図は本発明の導波路型光アイソレータの相反モード
変換部9の構造を示し、(A)は平面図、(B)は第1
図(A)のB側から見た図、 第6図は本発明の実施例に用いた波長合分波部21,21′
およびモード選択部7,7′の構造を示し、(A−1),
(A−2)は平面図、(B−1),(B−2)は側面
図、(C−1),(C−2)は第1図(A)のB側から
見た図、 第7図は本発明の実施例に用いた相反モード変換部9の
構造を示す拡大図で、(A)は平面図、(B)は第1図
(A)のB側から見た図、 第8図は本発明の実施例に用いた磁性ガーネット埋め込
み型導波路13の構造を示す拡大図で、(A)は平面図、
(B)は第1図(A)のB側から見た図、 第9図は本発明の実施例の導波路型光アイソレータの構
成を示す説明図、 第10図はバルク型光アイソレータの構成を示す斜視図で
ある。 1,1′……偏光子 2……磁気光学結晶 3……光線 4……基板 6……膜面の法線 7,7′……モード選択部 8……非相反モード変換器 9……相反モード変換部 10……クラッド層 11……コア部 12……応力解放溝 13……磁性ガーネット埋め込み型導波路 14……ガイドブロック 15……光線と平行な方向の磁場 16……相反モード変換部9におけるコア部の複屈折主軸 18,18′,18″,18……モード選択部用光方向性結合器 19,19′……マッハツェンダー干渉計を構成する単一モ
ード導波路部 21,21′……波長合分波部 22……波長合分波部用光方向性結合器 23……埋め込み層 24……下部クラッド層1A and 1B show a basic configuration of a waveguide type optical isolator of the present invention, wherein FIG. 1A is a plan view, FIG. 1B is a side view, and FIG.
2 (A) and 2 (B) are explanatory views showing the operation of the wavelength multiplexing / demultiplexing unit of the waveguide type optical isolator of the present invention, FIG. 3 (A). 4 (H) are explanatory diagrams showing the operation of the mode selection section of the waveguide type optical isolator of the present invention. FIG. 4 shows the structure of the magnetic garnet embedded type waveguide 13 of the waveguide type optical isolator of the present invention. 1A is a plan view, FIG. 1B is a view from the side B in FIG. 1A, FIG. 1C is a side view, and FIG. 5 is a view of the reciprocal mode converter 9 of the waveguide type optical isolator of the present invention. 2A shows a structure, FIG. 2A is a plan view, and FIG.
FIG. 6A is a view from the B side of FIG. 6A, and FIG. 6 is a wavelength multiplexing / demultiplexing unit 21, 21 ′ used in the embodiment of the present invention.
And the structure of the mode selectors 7 and 7 ', (A-1),
(A-2) is a plan view, (B-1) and (B-2) are side views, (C-1) and (C-2) are views seen from the B side in FIG. 1 (A), FIG. 7 is an enlarged view showing the structure of the reciprocal mode converter 9 used in the embodiment of the present invention, where (A) is a plan view, (B) is a view seen from the B side in FIG. 1 (A), FIG. 8 is an enlarged view showing the structure of the magnetic garnet embedded waveguide 13 used in the embodiment of the present invention, wherein FIG.
(B) is a view from the B side of FIG. 1 (A), FIG. 9 is an explanatory view showing a configuration of a waveguide type optical isolator according to an embodiment of the present invention, and FIG. 10 is a configuration of a bulk type optical isolator. FIG. 1,1 '... Polarizer 2 ... Magneto-optical crystal 3 ... Light beam 4 ... Substrate 6 ... Normal of film surface 7,7' ... Mode selector 8 ... Non-reciprocal mode converter 9 ... Reciprocal mode conversion unit 10 Cladding layer 11 Core 12 Stress release groove 13 Magnetic garnet embedded waveguide 14 Guide block 15 Magnetic field parallel to light beam 16 Reciprocal mode conversion Birefringent principal axes 18, 18 ', 18 ", 18 of the core portion in the section 9 ... Optical directional coupler for mode selection section 19, 19' ... Single mode waveguide section constituting Mach-Zehnder interferometer 21, 21 ': wavelength multiplexing / demultiplexing unit 22: optical directional coupler for wavelength multiplexing / demultiplexing unit 23: buried layer 24: lower cladding layer
Claims (1)
埋設されてなる石英系ガラス単一モード導波路に、前記
石英系導波路の光入射端および光出射端に形成した光方
向性結合器からなる波長合分波部と、前記波長合分波部
に隣接して前記石英系単一モード導波路に形成した2個
の光方向性結合器と2本の単一モード導波路からなるマ
ッハツェンダー干渉計を用いたモード選択部と、前記モ
ード選択部間に挟まれる磁性ガーネットの単一モード導
波路からなる非相反モード変換器と、前記クラッド層の
一部にコア部に沿って所定の長さの応力解放溝を形成し
た相反モード変換器とを有する構成としたことを特徴と
する導波路型光アイソレータ。1. A quartz glass single-mode waveguide having a core buried in a cladding layer formed on a substrate, and a light directivity formed at a light incident end and a light emitting end of the quartz waveguide. A wavelength multiplexing / demultiplexing section comprising a coupler, and two optical directional couplers and two single mode waveguides formed in the quartz-based single mode waveguide adjacent to the wavelength multiplexing / demultiplexing section. A mode selector using a Mach-Zehnder interferometer, a non-reciprocal mode converter consisting of a single mode waveguide of a magnetic garnet sandwiched between the mode selectors, and a part of the cladding layer along the core. A waveguide type optical isolator comprising: a reciprocal mode converter having a stress release groove having a predetermined length.
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