JP3625152B2

JP3625152B2 - Optical nonreciprocal circuit

Info

Publication number: JP3625152B2
Application number: JP14602299A
Authority: JP
Inventors: 敏宏新宅
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1999-05-26
Filing date: 1999-05-26
Publication date: 2005-03-02
Anticipated expiration: 2019-05-26
Also published as: JP2000338450A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光サーキュレータ動作等を行ない、光通信、光計測等に用いられる光非相反回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光部品の集積化が進む中で、光サーキュレータにおいても光導波路構造を用いる集積化の試みがなされている。
【０００３】
図１１は従来の光導波路構造の光サーキュレータ（１９９０年電子情報通信学会春季全国大会Ｃ−１９７）を示す概略斜視図である。図に示すように、Ｇｄ_３Ｇａ_５Ｏ_１２からなる基板１上に（ＬｕＮｄＢｉ）_３（ＦｅＡｌ）_５Ｏ_１２からなるガイド層２が設けられ、ガイド層２上にＳｉＯ_２からなるクラッド層３が設けられ、ガイド層２に光導波路４、５が形成され、光導波路４、５が接近したカプラー部６、７が設けられ、カプラー部６、７の間の光導波路４、５上に非相反移相器８、９が設けられ、光導波路４に第１のポート１０および第３のポート１２が接続され、光導波路５に第２のポート１１および第４のポート１３が接続されている。
【０００４】
この光サーキュレータにおいては、各ポート１０〜１３から入射したＴＭモード光はカプラー部６、７で２つに分けられ、カプラー部７、６で再び合成される。そして、カプラー部６、７で分けられた２つの光はそれぞれ非相反移相器８、９を通ることにより、前進方向では同位相、後退方向では逆位相となって干渉合成され、同位相の場合はクロスポートに出射し、逆位相の場合は平行ポートに出射する。したがって、ポート１０から入射した光はポート１３に出射し、ポート１１から入射した光はポート１２に出射し、ポート１２から入射した光はポート１０に出射し、ポート１３から入射した光はポート１１に出射する。このように原理的にはサーキュレータとしての動作をする。
【０００５】
なお、特開平４−３２６３１９号公報、特開平８−６８９６５号公報には光導波路構造の光アイソレータが記載されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１１に示した光サーキュレータは構造が複雑であるから、実際に回路を作製することは容易ではなく、また実験的に得られているアイソレーションも３ｄＢと満足な性能は得られていない。
【０００７】
本発明は上述の課題を解決するためになされたもので、光集積化に適しており、かつ高性能な光非相反回路を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため、本発明においては、第１の光導波路と第２の光導波路とを基板上で平行とし、上記第１、第２の光導波路は少なくともその一部を磁気光学材料で形成し、上記第１の光導波路および上記第２の光導波路では、ＴＥモードのカットオフをＴＭ導波モード前進波の位相定数およびＴＭ導波モード後退波の位相定数よりも大きくし、かつ上記ＴＭ導波モード前進波とＴＥ放射モードとの変換係数を上記ＴＭ導波モード後退波と上記ＴＥ放射モードとの変換係数よりも小さくする。
【０００９】
また、第１の光導波路と第２の光導波路とを基板上で平行とし、上記第１、第２の光導波路は少なくともその一部を磁気光学材料で形成し、上記第１の光導波路および上記第２の光導波路では、ＴＥモードのカットオフをＴＭ導波モード前進波の位相定数とＴＭ導波モード後退波の位相定数との中間の値とし、上記ＴＭ導波モード前進波とＴＥ放射モードとの変換係数を上記ＴＭ導波モード後退波の上記ＴＥ放射モードへの変換係数よりも小さくする。
【００１０】
これらの場合、上記第１の光導波路が第１のポートおよび第３のポートに接続され、上記第２の光導波路が第２のポートおよび第４のポートに接続され、上記第１のポートから入射した上記ＴＭ導波モード前進波は上記第３のポートに出射され、上記第２のポートから入射した上記ＴＭ導波モード前進波は上記第４のポートに出射され、上記第３のポートから入射した上記ＴＭ導波モード後退波はＴＥ放射モードに変換され、上記ＴＭ導波モード後退波に再度変換されて上記第２のポートに出射され、上記第４のポートから入射した上記ＴＭ導波モード後退波はＴＥ放射モードに変換され、上記ＴＭ導波モード後退波に再度変換されて上記第１のポートに出射されるようにするのが好ましい。
【００１１】
また、第１の光導波路と第２の光導波路とを基板上で平行とし、上記第１、第２の光導波路は少なくともその一部を磁気光学材料で形成し、上記第１の光導波路および上記第２の光導波路では、ＴＥモードのカットオフをＴＭ導波モード前進波の位相定数およびＴＭ導波モード後退波の位相定数よりも大きくし、かつ上記ＴＭ導波モード後退波と上記ＴＥ放射モードとの変換係数を上記ＴＭ導波モード前進波と上記ＴＥ放射モードとの変換係数よりも小さくする。
【００１２】
この場合、上記第１の光導波路が第１のポートおよび第３のポートに接続され、上記第２の光導波路が第２のポートおよび第４のポートに接続され、上記第３のポートから入射した上記ＴＭ導波モード後退波は上記第１のポートに出射され、上記第４のポートから入射した上記ＴＭ導波モード後退波は上記第２のポートに出射され、上記第１のポートから入射した上記ＴＭ導波モード前進波はＴＥ放射モードに変換され、上記ＴＭ導波モード前進波に再度変換されて上記第４のポートに出射され、上記第２のポートから入射した上記ＴＭ導波モード前進波はＴＥ放射モードに変換され、上記ＴＭ導波モード前進波に再度変換されて上記第３のポートに出射されるようにするのが好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係る光非相反回路を示す概略斜視図である。図に示すように、ＧＧＧ（Ｇｄ_３Ｇａ_５Ｏ_１２）、ＮＧＧ（Ｎｄ_３Ｇａ_５Ｏ_１２）、カチオンドープＧＧＧ等からなるガーネット基板２１上にＣｅ置換ＹＩＧ等の磁気光学材料からなる磁気光学膜２２が設けられ、磁気光学膜２２の上部にリブが設けられて非相反性を示す第１の光導波路２３、第２の光導波路２４が形成され、光導波路２３に第１のポート２５および第３のポート２７が接続され、光導波路２４に第２のポート２６および第４のポート２８が接続されている。なお、光導波路２３と光導波路２４との間隔は約６０μｍである。
【００１４】
つぎに、図２により図１に示した光非相反回路の製造方法について説明する。まず、図２（ａ）に示すように、ガーネット基板２１上にＣｅ置換ＹＩＧからなる磁気光学膜２２をＲＦスパッタにより形成する。つぎに、図２（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィ技術を用い、磁気光学膜２２上にフォトレジスト、Ｃｒ、Ｔｉ等からなるマスク３１を形成する。つぎに、図２（ｃ）に示すように、ＢＣｌ_３等の塩素系ガスによるリアクティブイオンエッチング、Ａｒイオン等によるイオンミーリングまたは燐酸等によるケミカルエッチングなどを行なうことにより、光導波路２３、２４を形成する。最後に、図２（ｄ）に示すように、マスク３１を除去する。
【００１５】
図３は図１に示した光非相反回路における位相定数の一例を示すグラフであり、図３（ａ）は光導波路２４のＴＭモードの位相定数β_ＴＭ２を示し、図３（ｂ）はＴＥモードの位相定数β_ＴＥを示し、図３（ｃ）は光導波路２３のＴＭモードの位相定数β_ＴＭ１を示し、また斜線を付した部分は放射モード領域を示し、斜線を付さない部分は導波モード領域を示す。このグラフから明らかなように、ＴＥモードのカットオフβ_ＴＥＣはＴＭモードのカットオフβ_ＴＭＣよりも大きく、またカットオフβ_ＴＥＣはＴＭ導波モード前進波の位相定数β_ＴＭＦおよびＴＭ導波モード後退波の位相定数β_ＴＭＢより大きい（β_ＴＭＦ＜β_ＴＭＢ＜β_ＴＥＣ）。
【００１６】
このような位相定数を有する光非相反回路においては、ＴＭ導波モード前進波とＴＥ放射モードとの変換係数Ｋ_Ｆ、ＴＭ導波モード後退波とＴＥ放射モードとの変換係数Ｋ_Ｂとの関係をＫ_Ｆ＜Ｋ_Ｂとし、更にはほぼＫ_Ｆ＝０、Ｋ_Ｂ≠０の条件を満足させたときには、光導波路２３、２４中を進むＴＭ導波モード前進波はＫ_Ｆ＝０の条件よりＴＥ放射モードに変換しないでそのまま進む。したがって、ポート２５から入射したＴＭ導波モード前進波はポート２７に出射され、またポート２６から入射したＴＭ導波モード前進波はポート２８に出射される。一方、β_ＴＭＦ＜β_ＴＭＢ＜β_ＴＥＣの条件によりＴＭ導波モードはＴＥ放射モードに位相整合し、光導波路２３、２４中を進むＴＭ導波モード後退波はＫ_Ｂ≠０の条件によりＴＥ放射モードに変換され、このＴＥ放射モードが変換係数Ｋ_Ｂにより光導波路２４、２３のＴＭ導波モード後退波に再度変換される。したがって、ポート２７から入射したＴＭ導波モード後退波はポート２６に出射され、またポート２８から入射したＴＭ導波モード後退波はポート２５に出射される。
【００１７】
なお、磁気光学膜２２中の磁化ベクトルＭの光の導波方向に対して垂直の成分たとえばｙ軸成分により非相反移相効果が生じ、ＴＭモード光の位相定数β_ＴＭ１、β_ＴＭ２は前進波と後退波とで異なり、光導波路２３、２４の構造異方性を利用してカットオフβ_ＴＥＣを位相定数β_ＴＭＦおよび位相定数β_ＴＭＢより大きくなるようにする。また、変換係数Ｋ_Ｆ、Ｋ_Ｂはｙ軸方向に印加した外部磁界により誘起された磁気光学膜２２中の磁化ベクトルＭのｙ軸成分またはｚ軸成分により生じる磁気光学効果、または歪みや膜成長誘導による光学異方性により変化する。また、Ｋ_Ｆ＝０、Ｋ_Ｂ≠０の条件は、変換係数Ｋ_Ｆ、Ｋ_Ｂが位相定数の関数であることから非相反移相効果を利用する方法または磁気光学効果と歪み等による相反効果をお互いに作用させる方法によって可能である。
【００１８】
つぎに、等価屈折率法を用いて上記の位相定数の条件を満たすための設計法について説明する。ここで、図４は３層スラブ光導波路における磁気光学膜の膜厚と導波モードの位相定数との関係を示すグラフである。図４から明らかなように、一般にスラブ光導波路の位相定数はＴＥモードの方がＴＭモードより大きい。また、スラブ部（リブ部以外の部分）の磁気光学膜の膜厚ｔ_２によりカットオフβ_ＴＥＣ、β_ＴＭＣが決まる。したがって、カットオフβ_ＴＥＣをカットオフβ_ＴＭＣよりも大きくすることができる。また、リブの高さ（ｔ_１−ｔ_２）を小さくすることにより、カットオフβ_ＴＥＣは大きくなり、カットオフβ_ＴＥＣを位相定数β_ＴＭＦ、β_ＴＭＢより大きくすることができる。また、リブのパタン幅を小さくすることにより、位相定数β_ＴＭＢ、β_ＴＭＦは小さくなる。したがって、リブの高さおよびパタン幅を小さくすることにより、図３に示した位相定数の条件を満足させることができる。
【００１９】
つぎに、変換係数Ｋ_Ｆ、Ｋ_Ｂを異ならせる方法について、以下２つの方法について述べる。
【００２０】
その１つは、その変換係数が位相定数によって異なることを利用する。すなわち、図５に示すように、ＴＥ放射モードへの変換係数は位相定数の関数である。一方、上述したように、磁気光学膜中の磁化ベクトルＭのｙ軸成分により非相反移相効果が生じ、ＴＭモード光の位相定数は前進波と後退波とで異なっている。そして、図５に示すように、位相定数β_ＴＭＦを変換係数が０となるようにし、位相定数β_ＴＭＢを変換係数が０でないように設計することにより、Ｋ_Ｆ＝０、Ｋ_Ｂ≠０の条件が可能となる。
【００２１】
もう１つの方法は、磁気光学膜以外の膜の歪みや膜成長誘導等による相反な光学異方性を利用する方法である。すなわち、Ｋ_ｍ、Ｋ_ｓを磁気光学、歪み異方性による変換係数とすると、変換係数Ｋ_Ｆ、Ｋ_Ｂは数１式、数２式で与えられる。
【００２２】
【数１】
Ｋ_Ｆ＝−Ｋ_ｍ＋Ｋ_ｓ
【００２３】
【数２】
Ｋ_Ｂ＝Ｋ_ｍ＋Ｋ_ｓ
したがって、Ｋ_ｍ＝Ｋ_ｓのとき、ＴＭ導波モード前進波においてはＫ_Ｆ＝０となり、ＴＥ放射モード変換は生じない。一方、ＴＭ導波モード後退波においてはＫ_Ｂ＝２Ｋ_ｍとなり、ＴＥ放射モード変換が生ずる。
【００２４】
図６は図１に示した光非相反回路における位相定数の他の例を示すグラフであり、図６（ａ）は光導波路２４のＴＭモードの位相定数β_ＴＭ２を示し、図６（ｂ）はＴＥモードの位相定数β_ＴＥを示し、図６（ｃ）は光導波路２３のＴＭモードの位相定数β_ＴＭ１を示し、また斜線を付した部分は放射モード領域を示し、斜線を付さない部分は導波モード領域を示す。このグラフから明らかなように、ＴＥモードのカットオフβ_ＴＥＣはＴＭモードのカットオフβ_ＴＭＣよりも大きく、またカットオフ_ＴＥＣはＴＭ導波モード前進波の位相定数β_ＴＭＦとＴＭ導波モード後退波の位相定数β_ＴＭＢとの中間の値であり、位相定数β_ＴＭＦは位相定数β_ＴＭＢより大きい（β_ＴＭＢ＜β_ＴＥＣ＜β_ＴＭＦ）。
【００２５】
このような位相定数を有する光非相反回路においては、ＴＭ導波モード前進波とＴＥ放射モードとの変換係数Ｋ_Ｆ、ＴＭ導波モード後退波とＴＥ放射モードとの変換係数Ｋ_Ｂとの関係をＫ_Ｆ＜Ｋ_Ｂとし、さらにはほぼＫ_Ｆ＝０、Ｋ_Ｂ≠０の条件を満足させたときには、光導波路２３、２４中を進むＴＭ導波モード前進波はβ_ＴＥＣ＜β_ＴＭＦの条件よりＴＥ放射モードに変換しないでそのまま進む。したがって、ポート２５から入射したＴＭ導波モード前進波はポート２７に出射され、またポート２６から入射したＴＭ導波モード前進波はポート２８に出射される。一方、光導波路２３、２４中を進むＴＭ導波モード後退波はβ_ＴＭＢ＜β_ＴＥＣ、Ｋ_Ｂ≠０の条件によりＴＥ放射モードに変換され、このＴＥ放射モードが変換係数Ｋ_Ｂにより光導波路２４、２３のＴＭ導波モード後退波に再度変換される。したがって、ポート２７から入射したＴＭ導波モード後退波はポート２６に出射され、またポート２８から入射したＴＭ導波モード後退波はポート２５に出射される。
【００２６】
なお、光導波路２３、２４の構造異方性を利用して、カットオフβ_ＴＥＣをカットオフβ_ＴＭＣよりも大きくする。また、磁化ベクトルＭのｙ軸成分を磁気光学膜２２に与えることによりＴＭモードの位相定数に非相反移相を起させ、位相定数β_ＴＭＦを位相定数β_ＴＭＢよりも大きくする。また、磁気光学膜２２または基板２１に光学異方性（光弾性効果、電気光学、磁気光学等）を与えることにより、変換係数Ｋ_Ｆ、Ｋ_Ｂを与える。
【００２７】
つぎに、等価屈折率法を用いて上記の位相定数の条件を満たすための設計法について説明する。図７は３層スラブ導波路における磁気光学膜の膜厚と導波モードの位相定数との関係を示すグラフである。図７に示すように、一般にスラブ導波路の位相定数はＴＥモードの方がＴＭモードよりも大きい。また、スラブ部（リブ部以外の部分）の磁気光学膜の膜厚ｔ_２をスラブ導波モードが存在するようにとると、このスラブ導波モードがリブ導波路における放射モードになる。したがって、カットオフβ_ＴＥＣはカットオフβ_ＴＭＣよりも大きくなる。また、磁化ベクトルＭのｙ軸成分が磁気光学膜中に生じ、磁気光学効果により非相反移相を起こすことにより、位相定数β_ＴＭＦを位相定数β_ＴＭＢよりも大きくすることができる。この効果は、基板２１の屈折率と空気の屈折率とが異なる非対称構造が必要である。つぎに、リブ光導波路のＴＭモードの位相定数は、リブのパタン幅の調整によって、膜厚ｔ_１に対するスラブ導波路の位相定数β_ＴＭＳと膜厚ｔ_２に対する位相定数すなわちカットオフβ_ＴＭＣとの間の値をとることができるため、リブのパタン幅を調整することによって、β_ＴＭＢ＜β_ＴＥＣ＜β_ＴＭＦの条件を満足させることができる。
【００２８】
また、Ｋ_Ｆ＝０、Ｋ_Ｂ≠０の条件は、磁気光学膜２２または基板２１の光学異方性（誘電率テンソルの非対角成分ε_ｘｙ，ε_ｙｚ）により生じ、基板２１に磁気光学膜２２を形成するときの膜応力によって誘起される光弾性効果、および磁気光学膜２２の磁化ベクトルＭのｚ軸成分またはｘ軸成分による磁気光学効果等によって与えられるが、磁化ベクトルＭのｘ軸成分は容易に制御できるため、簡単に変換係数Ｋ_Ｆ、Ｋ_Ｂを誘起することが可能である。図１においては磁化ベクトルＭの方向をｙ軸からｚ軸の方向に角θだけ傾け、磁化ベクトルＭのｚ軸成分を与えている。
【００２９】
このように、図１に示した光非相反回路においては、位相定数を図３または図６に示すようにし、かつＫ_Ｆ＝０、Ｋ_Ｂ≠０にすることにより、ポート２５から入射したＴＭ導波モード前進波はポート２７に出射され、ポート２６から入射したＴＭ導波モード前進波はポート２８に出射され、ポート２７から入射したＴＭ導波モード後退波はポート２６に出射され、ポート２８から入射したＴＭ導波モード後退波はポート２５に出射されるから、光サーキュレータ動作を行なう。また、簡単な構造であるから、光集積化に適しており、しかも高性能である。
【００３０】
図８は光導波路２３にポート２５から波長１．５５μｍの光を導波させたときの出射端におけるニャフィールドパタンを示す図である。なお、実験では簡単のために、光の進行方向を変える代わりに、磁界の方向を逆転させた。光の方向を変えても、同じ結果が得られることは確認している。図８（ａ）は磁界を−５０Ｏｅ印加したときのＴＭ導波モード前進波に対応する出射光のパタンで、ほぼ光導波路２３をそのまま導波している。図８（ｂ）は磁界を＋５０Ｏｅ印加したときのＴＭ導波モード後退波に対応する出射光のパタンで、光は光導波路２３からほぼ光導波路２４に移っている。この光サーキュレータのアイソレーションおよび消光比は１０〜２０ｄＢであった。通常２本の光導波路間の光結合（方向性結合器）においては光導波路間隙が光の波長オーダ程度しか許されないが、ＴＥ放射モードへの変換を利用したため、従来にない非常に広い光導波路間隙においても光の結合を実現することができる。
【００３１】
図９は本発明に係る他の光非相反回路を示す概略断面図である。図に示すように、基板４１上に磁気光学材料からなる磁気光学膜４２が設けられ、磁気光学膜４２上にＳｉ、ＴｉＯ_２等からなる高屈折率膜４３が形成され、高屈折率膜４３がリブ形導波路に加工されて、第１、第２の光導波路４４、４５が形成されている。
【００３２】
図１０は本発明に係る他の光非相反回路を示す概略断面図である。図に示すように、基板５１上に磁気光学材料からなる磁気光学膜５２が設けられ、磁気光学膜５２上にＳｉ、ＴｉＯ_２等からなるストリップ状の高屈折率膜が設けられて、第１、第２の光導波路５３、５４が形成されている。
【００３３】
図９、図１０に示した光非相反回路においても、位相定数を図３または図６に示すようにし、かつＫ_Ｆ＝０、Ｋ_Ｂ≠０にすることにより、光サーキュレータ動作を行なう。また、簡単な構造であるから、光集積化に適しており、しかも高性能である。また、伝搬定数の非相反変化量が大きくなる（電子情報通信学会論文誌、８８／５，Ｖｏｌ．Ｊ７１−Ｃ，Ｎｏ．５，ｐｐ７０２−７０８）。
【００３４】
なお、上述実施の形態においては、位相定数を図３に示すようにしたときに、変換係数Ｋ_Ｆ、Ｋ_Ｂの関係をＫ_Ｆ＜Ｋ_Ｂとし、更にはほぼＫ_Ｆ＝０、Ｋ_Ｂ≠０の条件としたが、変換係数Ｋ_Ｆ、Ｋ_Ｂの関係をＫ_Ｆ＞Ｋ_Ｂとし、更にはほぼＫ_Ｆ≠０、Ｋ_Ｂ＝０の条件としてもよい。この場合、光導波路２３、２４中を進むＴＭ導波モード後退波はＫ_Ｂ＝０の条件よりＴＥ放射モードに変換しないでそのまま進む。したがって、ポート２７から入射したＴＭ導波モード後退波はポート２５に出射され、ポート２８から入射したＴＭ導波モード後退波はポート２６に出射される。一方、光導波路２３、２４中を進むＴＭ導波モード前進波はβ_ＴＭＦ＜β_ＴＥＣ、Ｋ_Ｆ≠０の条件によりＴＥ放射モードに変換され、このＴＥ放射モードが変換係数Ｋ_Ｆにより光導波路２４、２３のＴＭ導波モード前進波に再度変換される。したがって、ポート２５から入射したＴＭ導波モード前進波はポート２８に出射され、ポート２６から入射したＴＭ導波モード前進波はポート２７に出射される。また、上述実施の形態においては、基板としてガーネット基板２１を用いたが、他の基板を用いてもよい。
【００３５】
【発明の効果】
本発明に係る光非相反回路においては、構造が簡単であるから、光集積化に適しており、かつ高性能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光非相反回路を示す概略斜視図である。
【図２】図１に示した光非相反回路の製造方法の説明図である。
【図３】図１に示した光非相反回路における位相定数の一例を示すグラフである。
【図４】図３に示した位相定数の条件を満足する方法を説明するためのグラフである。
【図５】変換係数の条件を満足する方法を説明するためのグラフである。
【図６】図１に示した光非相反回路における位相定数の他の例を示すグラフである。
【図７】図６に示した位相定数の条件を満足する方法を説明するためのグラフである。
【図８】図１に示した光非相反回路における出射端のニャフィールドパタンを示す図である。
【図９】本発明に係る他の光非相反回路を示す概略断面図である。
【図１０】本発明に係る他の光非相反回路を示す概略断面図である。
【図１１】従来の光導波路構造の光サーキュレータを示す概略斜視図である。
【符号の説明】
１…基板
２…ガイド層
３…クラッド層
４、５…光導波路
６、７…カプラー部
８、９…非相反移相器
１０〜１３…ポート
２１…ガーネット基板
２２…磁気光学膜
２３…第１の光導波路
２４…第２の光導波路
２５…第１のポート
２６…第２のポート
２７…第３のポート
２８…第４のポート
４１…基板
４２…磁気光学膜
４３…高屈折率膜
４４…第１の光導波路
４５…第２の光導波路
５１…基板
５２…磁気光学膜
５３…第１の光導波路
５４…第２の光導波路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical nonreciprocal circuit that performs an optical circulator operation and the like and is used for optical communication, optical measurement, and the like.
[0002]
[Prior art]
In recent years, with the progress of integration of optical components, attempts have been made to integrate an optical circulator using an optical waveguide structure.
[0003]
FIG. 11 is a schematic perspective view showing an optical circulator having a conventional optical waveguide structure (1990 IEICE Spring National Convention C-197). As shown in the figure, a guide layer 2 made of (LuNdBi) ₃ (FeAl) ₅ O ₁₂ is provided on a substrate 1 made of Gd ₃ Ga ₅ O _12, and a cladding layer 3 made of SiO ₂ is formed on the guide layer 2. The optical waveguides 4 and 5 are formed on the guide layer 2, and the coupler portions 6 and 7 that are close to the optical waveguides 4 and 5 are provided. The optical waveguides 4 and 5 between the coupler portions 6 and 7 are nonreciprocal. Phase shifters 8 and 9 are provided, the first port 10 and the third port 12 are connected to the optical waveguide 4, and the second port 11 and the fourth port 13 are connected to the optical waveguide 5.
[0004]
In this optical circulator, the TM mode light incident from each of the ports 10 to 13 is divided into two by the coupler units 6 and 7 and is synthesized again by the coupler units 7 and 6. The two lights separated by the couplers 6 and 7 pass through the nonreciprocal phase shifters 8 and 9, respectively, and are interference-combined with the same phase in the forward direction and the opposite phase in the backward direction. In the case of being out of phase, the light is emitted to the parallel port. Therefore, light incident from the port 10 is emitted to the port 13, light incident from the port 11 is emitted to the port 12, light incident from the port 12 is emitted to the port 10, and light incident from the port 13 is emitted from the port 11 To exit. Thus, in principle, it operates as a circulator.
[0005]
Incidentally, Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 4-326319 and 8-68965 describe optical isolators having an optical waveguide structure.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, since the structure of the optical circulator shown in FIG. 11 is complicated, it is not easy to actually manufacture a circuit, and the isolation obtained experimentally is not satisfactory with 3 dB. .
[0007]
The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide a high-performance optical nonreciprocal circuit suitable for optical integration.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve this object, in the present invention, the first optical waveguide and the second optical waveguide are made parallel on the substrate, and at least a part of the first and second optical waveguides is made of a magneto-optical material. In the first optical waveguide and the second optical waveguide, the TE mode cutoff is made larger than the phase constant of the TM waveguide mode forward wave and the phase constant of the TM waveguide mode backward wave, and The conversion coefficient between the TM guided mode forward wave and the TE radiation mode is made smaller than the conversion coefficient between the TM guided mode backward wave and the TE radiation mode.
[0009]
The first optical waveguide and the second optical waveguide are parallel on the substrate, and the first and second optical waveguides are at least partially formed of a magneto-optical material, and the first optical waveguide and In the second optical waveguide, the cutoff of the TE mode is an intermediate value between the phase constant of the TM guided mode forward wave and the phase constant of the TM guided mode backward wave, and the TM guided mode forward wave and the TE radiation The conversion coefficient with the mode is made smaller than the conversion coefficient of the TM guided mode backward wave into the TE radiation mode.
[0010]
In these cases, the first optical waveguide is connected to the first port and the third port, the second optical waveguide is connected to the second port and the fourth port, and from the first port, The incident TM guided mode forward wave is emitted to the third port, and the TM guided mode forward wave incident from the second port is emitted to the fourth port, from the third port. The incident TM guided mode backward wave is converted to a TE radiation mode, converted again to the TM guided mode backward wave, emitted to the second port, and incident on the fourth port. It is preferable that the mode backward wave is converted into a TE radiation mode, converted again into the TM guided mode backward wave, and emitted to the first port.
[0011]
The first optical waveguide and the second optical waveguide are parallel on the substrate, and the first and second optical waveguides are at least partially formed of a magneto-optical material, and the first optical waveguide and In the second optical waveguide, the cut-off of the TE mode is made larger than the phase constant of the TM guided mode forward wave and the phase constant of the TM guided mode backward wave, and the TM guided mode backward wave and the TE radiation The conversion coefficient with the mode is made smaller than the conversion coefficient between the TM guided mode forward wave and the TE radiation mode.
[0012]
In this case, the first optical waveguide is connected to the first port and the third port, the second optical waveguide is connected to the second port and the fourth port, and is incident from the third port. The TM guided mode backward wave is emitted to the first port, and the TM guided mode backward wave incident from the fourth port is emitted to the second port and incident from the first port. The TM guided mode forward wave is converted to a TE radiation mode, converted back to the TM guided mode forward wave, emitted to the fourth port, and incident from the second port. It is preferable that the forward wave is converted into the TE radiation mode, converted again into the TM guided mode forward wave, and emitted to the third port.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a schematic perspective view showing an optical nonreciprocal circuit according to the present invention. As shown in the figure, a magneto-optic film made of a magneto-optic material such as Ce-substituted YIG on a garnet substrate 21 made of GGG (Gd ₃ Ga ₅ O ₁₂ ), NGG (Nd ₃ Ga ₅ O ₁₂ ), cation-doped GGG or the like. 22 and a rib is provided on the top of the magneto-optical film 22 to form a first optical waveguide 23 and a second optical waveguide 24 exhibiting nonreciprocity, and the first port 25 and the second optical waveguide 24 are formed in the optical waveguide 23. 3 ports 27 are connected, and the second port 26 and the fourth port 28 are connected to the optical waveguide 24. The interval between the optical waveguide 23 and the optical waveguide 24 is about 60 μm.
[0014]
Next, a method of manufacturing the optical nonreciprocal circuit shown in FIG. 1 will be described with reference to FIG. First, as shown in FIG. 2A, a magneto-optical film 22 made of Ce-substituted YIG is formed on a garnet substrate 21 by RF sputtering. Next, as shown in FIG. 2B, a mask 31 made of photoresist, Cr, Ti, or the like is formed on the magneto-optical film 22 by using a photolithography technique. Next, as shown in FIG. 2C, the optical waveguides 23 and 24 are formed by performing reactive ion etching using a chlorine-based gas such as BCl ₃ , ion milling using Ar ions, or chemical etching using phosphoric acid. Form. Finally, as shown in FIG. 2D, the mask 31 is removed.
[0015]
3 is a graph showing an example of the phase constant in the optical nonreciprocal circuit shown in FIG. 1. FIG. 3A shows the phase constant β _TM2 of the TM mode of the optical waveguide 24, and FIG. The phase constant β _{TE of the} mode is shown, FIG. 3C shows the phase constant β _TM1 of the TM mode of the optical waveguide 23, the hatched portion shows the radiation mode region, and the portion not shaded shows the guide. The wave mode region is shown. As is apparent from this graph, the TE mode cutoff β _TEC is larger than the TM mode cutoff β _TMC , and the cutoff β _TEC is the TM waveguide mode forward wave phase constant β _TMF and TM waveguide mode retraction. It is larger than the wave phase constant β _TMB (β _TMF <β _TMB <β _TEC ).
[0016]
In the optical nonreciprocal circuit having such a phase constant, the relationship between the conversion coefficient K _F between the TM guided mode forward wave and the TE radiation mode, and the conversion coefficient K _B between the TM guided mode backward wave and the TE radiation mode. Is set to K _F <K _B, and further, when the conditions of K _F = 0 and K _B ≠ 0 are satisfied, the TM guided mode forward wave traveling in the optical waveguides 23 and 24 is less than the condition of K _F = 0. Proceed as is without converting to TE radiation mode. Therefore, the TM guided mode forward wave incident from the port 25 is emitted to the port 27, and the TM guided mode forward wave incident from the port 26 is emitted to the port 28. On the other hand, the TM guided mode is phase-matched to the TE radiation mode under the condition of β _TMF <β _TMB <β _TEC , and the TM guided mode backward wave traveling through the optical waveguides 23 and 24 is TE radiation under the condition of K _B ≠ 0. is converted to a mode, the TE radiation mode is again converted into TM waveguide mode backward wave of the optical waveguide 24 and 23 by the conversion coefficient K _B. Therefore, the TM guided mode backward wave incident from the port 27 is emitted to the port 26, and the TM guided mode backward wave incident from the port 28 is emitted to the port 25.
[0017]
A non-reciprocal phase shift effect is generated by a component perpendicular to the light guiding direction of the light of the magnetization vector M in the magneto-optical film 22, for example, the y-axis component, and the phase constants β _TM1 and β _TM2 of the TM mode light are forward waves. Unlike the backward wave, the cutoff β _TEC is made larger than the phase constant β _TMF and the phase constant β _TMB by utilizing the structural anisotropy of the optical waveguides 23 and 24. The conversion coefficients K _F and K _B are magneto-optical effects caused by the y-axis component or z-axis component of the magnetization vector M in the magneto-optical film 22 induced by the external magnetic field applied in the y-axis direction, or distortion and film growth. Changes due to optical anisotropy by induction. The condition of K _F = 0 and K _B ≠ 0 is that the conversion coefficients K _F and K _B are functions of the phase constant, so that the method using the non-reciprocal phase shift effect or the reciprocal effect due to the magneto-optical effect and distortion, etc. It is possible by the method of making each act on each other.
[0018]
Next, a design method for satisfying the above-mentioned phase constant condition using the equivalent refractive index method will be described. Here, FIG. 4 is a graph showing the relationship between the thickness of the magneto-optical film and the phase constant of the waveguide mode in the three-layer slab optical waveguide. As apparent from FIG. 4, the phase constant of the slab optical waveguide is generally larger in the TE mode than in the TM mode. Further, the cutoffs β _TEC and β _TMC are determined by the film thickness t ₂ of the magneto-optical film in the slab portion (portion other than the rib portion). Therefore, the cutoff β _TEC can be made larger than the cutoff β _TMC . Further, by reducing the rib height (t ₁ -t ₂ ), the cut-off β _TEC becomes large, and the cut-off β _TEC can be made larger than the phase constants β _TMF and β _TMB . Further, the phase constants β _TMB and β _TMF are reduced by reducing the rib pattern width. Therefore, the condition of the phase constant shown in FIG. 3 can be satisfied by reducing the height and pattern width of the rib.
[0019]
Next, the following two methods will be described as a method for making the conversion coefficients K _F and K _B different.
[0020]
One of them utilizes the fact that the conversion coefficient varies depending on the phase constant. That is, as shown in FIG. 5, the conversion factor to the TE radiation mode is a function of the phase constant. On the other hand, as described above, the non-reciprocal phase shift effect is generated by the y-axis component of the magnetization vector M in the magneto-optical film, and the phase constant of the TM mode light is different between the forward wave and the backward wave. Then, as shown in FIG. 5, the phase constant β _TMF is designed so that the conversion coefficient is 0, and the phase constant β _TMB is designed so that the conversion coefficient is not 0, so that K _F = 0 and K _B ≠ 0. Conditions are possible.
[0021]
The other method is a method that utilizes reciprocal optical anisotropy due to distortion of a film other than the magneto-optical film or induction of film growth. That is, _assuming that K _m and K _s are conversion coefficients based on magneto-optics and strain anisotropy, the conversion coefficients K _F and K _B are given by Expressions 1 and 2.
[0022]
[Expression 1]
K _F = −K _m + K _s
[0023]
[Expression 2]
K _B = K _m + K _s
Therefore, when K _m = K _s , K _F = 0 in the TM guided mode forward wave, and TE radiation mode conversion does not occur. On the other hand, in the TM guided mode receding wave, K _B = 2K _m and TE radiation mode conversion occurs.
[0024]
6 is a graph showing another example of the phase constant in the optical nonreciprocal circuit shown in FIG. 1. FIG. _6A shows the phase constant β _TM2 of the TM mode of the optical waveguide 24, and FIG. Indicates the TE mode phase constant β _TE , FIG. 6C shows the TM mode phase constant β _TM1 of the optical waveguide 23, and the hatched portion indicates the radiation mode region, and the hatched portion does not have the hatched portion. Indicates a guided mode region. As apparent from this graph, the TE mode cutoff β _TEC is larger than the TM mode cutoff β _TMC , and the cutoff _TEC is the phase constant β _TMF of the TM guided mode forward wave and the TM guided mode backward wave. of an intermediate value between the phase constant beta _TMB, phase constant beta _TMF is greater than the phase constant _{_{_{β TMB (β TMB <β TEC}}} <β TMF).
[0025]
In the optical nonreciprocal circuit having such a phase constant, the relationship between the conversion coefficient K _F between the TM guided mode forward wave and the TE radiation mode, and the conversion coefficient K _B between the TM guided mode backward wave and the TE radiation mode. Is K _F <K _B, and when the conditions of K _F = 0 and K _B ≠ 0 are satisfied, the TM guided mode forward wave traveling in the optical waveguides 23 and 24 is in the condition of β _TEC <β _TMF Proceed as it is without converting to the TE radiation mode. Therefore, the TM guided mode forward wave incident from the port 25 is emitted to the port 27, and the TM guided mode forward wave incident from the port 26 is emitted to the port 28. On the other hand, TM waveguide mode receding waves traveling through the optical waveguide 23 is converted beta _TMB <beta _TEC, the condition of _{K B} ≠ 0 to TE radiation mode optical waveguide the TE radiation mode by the conversion coefficient _{K B} 24 , 23 again converted into TM guided mode backward waves. Therefore, the TM guided mode backward wave incident from the port 27 is emitted to the port 26, and the TM guided mode backward wave incident from the port 28 is emitted to the port 25.
[0026]
Note that the cutoff β _TEC is made larger than the cutoff β _TMC by utilizing the structural anisotropy of the optical waveguides 23 and 24. The magnetization in the y-axis component of the vector M to cause the non-reciprocal phase to phase constant of the TM mode by providing the magneto-optical film 22, a phase constant beta _TMF larger than the phase constant beta _TMB. The optical anisotropy in magneto-optical film 22 or the substrate 21 (photoelastic effect, electro-optical, magneto-optical, etc.) by providing, providing transform coefficients K _F, the K _B.
[0027]
Next, a design method for satisfying the above-mentioned phase constant condition using the equivalent refractive index method will be described. FIG. 7 is a graph showing the relationship between the thickness of the magneto-optical film and the phase constant of the waveguide mode in the three-layer slab waveguide. As shown in FIG. 7, the phase constant of the slab waveguide is generally larger in the TE mode than in the TM mode. Further, taking the film thickness t ₂ of the magneto-optical film of the slab portion (portion other than the rib portion) to exist slab waveguide mode, the slab waveguide mode becomes a radiation mode in the rib waveguide. Therefore, the cutoff β _TEC is larger than the cutoff β _TMC . Further, the y-axis component of the magnetization vector M is generated in the magneto-optical film, and non-reciprocal phase shift is caused by the magneto-optical effect, whereby the phase constant β _TMF can be made larger than the phase constant β _TMB . This effect requires an asymmetric structure in which the refractive index of the substrate 21 and the refractive index of air are different. Next, the phase constant of the TM mode of the rib optical waveguide is obtained by adjusting the pattern width of the rib between the phase constant β _TMS of the slab waveguide with respect to the film thickness t _{1 and} the phase constant with respect to the film thickness t ₂ , that is, the cutoff β _TMC . Therefore, the condition of β _TMB <β _TEC <β _TMF can be satisfied by adjusting the rib pattern width.
[0028]
Further, the conditions of K _F = 0 and K _B ≠ 0 are caused by the optical anisotropy (non-diagonal components ε _xy , ε _{yz of the} dielectric constant tensor) of the magneto-optical film 22 or the substrate 21, and the substrate 21 has magneto-optics The x-axis of the magnetization vector M is given by the photoelastic effect induced by the film stress when forming the film 22 and the magneto-optic effect by the z-axis component or the x-axis component of the magnetization vector M of the magneto-optical film 22. Since the components can be easily controlled, the conversion coefficients K _F and K _B can be easily induced. In FIG. 1, the direction of the magnetization vector M is tilted from the y-axis to the z-axis by an angle θ to give the z-axis component of the magnetization vector M.
[0029]
As described above, in the optical nonreciprocal circuit shown in FIG. 1, the phase constant is set as shown in FIG. 3 or FIG. 6 and K _F = 0 and K _B ≠ 0, so that the TM incident from the port 25 can be obtained. The waveguide mode forward wave is emitted to the port 27, the TM waveguide mode forward wave incident from the port 26 is emitted to the port 28, the TM waveguide mode backward wave incident from the port 27 is emitted to the port 26, and the port 28 Since the TM guided mode receding wave incident from 1 is emitted to the port 25, an optical circulator operation is performed. In addition, since it has a simple structure, it is suitable for optical integration and has high performance.
[0030]
FIG. 8 is a diagram showing a near field pattern at the emission end when light having a wavelength of 1.55 μm is guided from the port 25 to the optical waveguide 23. In the experiment, for the sake of simplicity, the direction of the magnetic field was reversed instead of changing the traveling direction of the light. It has been confirmed that the same result can be obtained even if the direction of light is changed. FIG. 8A shows a pattern of outgoing light corresponding to a TM guided mode forward wave when a magnetic field of −50 Oe is applied, and the light is guided almost through the optical waveguide 23 as it is. FIG. 8B shows a pattern of emitted light corresponding to a TM guided mode backward wave when a magnetic field of +50 Oe is applied, and the light has moved substantially from the optical waveguide 23 to the optical waveguide 24. The isolation and extinction ratio of this optical circulator was 10 to 20 dB. Usually, in optical coupling (directional coupler) between two optical waveguides, the gap between the optical waveguides is allowed only on the order of the wavelength of light. However, since the conversion to the TE radiation mode is used, an unprecedented very wide optical waveguide Light coupling can also be realized in the gap.
[0031]
FIG. 9 is a schematic sectional view showing another optical nonreciprocal circuit according to the present invention. As shown in the figure, a magneto-optic film 42 made of a magneto-optic material is provided on a substrate 41, and a high-refractive index film 43 made of Si, TiO ₂ or the like is formed on the magneto-optic film 42. Are processed into rib-shaped waveguides to form first and second optical waveguides 44 and 45.
[0032]
FIG. 10 is a schematic sectional view showing another optical nonreciprocal circuit according to the present invention. As shown in the figure, a magneto-optic film 52 made of a magneto-optic material is provided on a substrate 51, and a strip-like high refractive index film made of Si, TiO ₂ or the like is provided on the magneto-optic film 52, so that the first Second optical waveguides 53 and 54 are formed.
[0033]
In the optical nonreciprocal circuits shown in FIGS. 9 and 10, the optical circulator operation is performed by setting the phase constant as shown in FIG. 3 or 6 and setting K _F = 0 and K _B ≠ 0. In addition, since it has a simple structure, it is suitable for optical integration and has high performance. In addition, the non-reciprocal change amount of the propagation constant is increased (Journal of the Institute of Electronics, Information and Communication Engineers, 88/5, Vol. J71-C, No. 5, pp702-708).
[0034]
In the above embodiment, when the phase constant is as shown in FIG. 3, the relationship between the conversion coefficients K _F and K _B is K _F <K _B, and further K _F = 0 and K _B ≠. Although the condition of 0 is used, the relationship between the conversion coefficients K _F and K _B may be K _F > K _B, and may be a condition that K _F ≠ 0 and K _B = 0. In this case, the TM guided mode backward wave traveling in the optical waveguides 23 and 24 travels as it is without being converted into the TE radiation mode under the condition of K _B = 0. Therefore, the TM guided mode backward wave incident from the port 27 is emitted to the port 25, and the TM guided mode backward wave incident from the port 28 is emitted to the port 26. On the other hand, the TM guided mode forward wave traveling in the optical waveguides 23 and 24 is converted into a TE radiation mode under the conditions β _TMF <β _TEC , K _F ≠ 0, and this TE radiation mode is converted into the optical waveguide 24 by the conversion coefficient K _F. , 23 again converted into TM guided mode forward waves. Therefore, the TM guided mode forward wave incident from the port 25 is emitted to the port 28, and the TM guided mode forward wave incident from the port 26 is emitted to the port 27. In the above-described embodiment, the garnet substrate 21 is used as the substrate, but another substrate may be used.
[0035]
【The invention's effect】
The optical nonreciprocal circuit according to the present invention has a simple structure and is suitable for optical integration and has high performance.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic perspective view showing an optical nonreciprocal circuit according to the present invention.
2 is an explanatory diagram of a method for manufacturing the optical nonreciprocal circuit shown in FIG. 1. FIG.
3 is a graph showing an example of a phase constant in the optical nonreciprocal circuit shown in FIG. 1. FIG.
FIG. 4 is a graph for explaining a method of satisfying the phase constant condition shown in FIG. 3;
FIG. 5 is a graph for explaining a method for satisfying a condition of a conversion coefficient.
6 is a graph showing another example of the phase constant in the optical nonreciprocal circuit shown in FIG. 1. FIG.
7 is a graph for explaining a method for satisfying the phase constant condition shown in FIG. 6; FIG.
8 is a diagram showing a near field pattern at an emission end in the optical nonreciprocal circuit shown in FIG. 1. FIG.
FIG. 9 is a schematic sectional view showing another optical nonreciprocal circuit according to the present invention.
FIG. 10 is a schematic sectional view showing another optical nonreciprocal circuit according to the present invention.
FIG. 11 is a schematic perspective view showing an optical circulator having a conventional optical waveguide structure.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Board | substrate 2 ... Guide layer 3 ... Cladding layer 4, 5 ... Optical waveguide 6, 7 ... Coupler part 8, 9 ... Nonreciprocal phase shifter 10-13 ... Port 21 ... Garnet substrate 22 ... Magneto-optic film 23 ... 1st Optical waveguide 24 ... second optical waveguide 25 ... first port 26 ... second port 27 ... third port 28 ... fourth port 41 ... substrate 42 ... magneto-optic film 43 ... high refractive index film 44 ... First optical waveguide 45 ... second optical waveguide 51 ... substrate 52 ... magneto-optical film 53 ... first optical waveguide 54 ... second optical waveguide

Claims

The first optical waveguide and the second optical waveguide are made parallel on the substrate, and the first and second optical waveguides are at least partially formed of a magneto-optical material, and the first optical waveguide and the first optical waveguide are 2, the cutoff of the TE mode is made larger than the phase constant of the TM guided mode forward wave and the phase guide of the TM guided mode backward wave, and the TM guided mode forward wave and the TE radiation mode An optical nonreciprocal circuit characterized in that a conversion coefficient is made smaller than a conversion coefficient between the TM guided mode backward wave and the TE radiation mode.

The first optical waveguide and the second optical waveguide are made parallel on the substrate, and the first and second optical waveguides are at least partially formed of a magneto-optical material, and the first optical waveguide and the first optical waveguide are In the optical waveguide of No. 2, the cutoff of the TE mode is an intermediate value between the phase constant of the TM guided mode forward wave and the phase constant of the TM guided mode backward wave, and the TM guided mode forward wave and the TE radiation mode are The optical nonreciprocal circuit is characterized in that the conversion coefficient is smaller than the conversion coefficient of the TM guided mode backward wave to the TE radiation mode.

The first optical waveguide is connected to the first port and the third port, the second optical waveguide is connected to the second port and the fourth port, and the TM incident from the first port The waveguide mode forward wave is emitted to the third port, and the TM waveguide mode forward wave incident from the second port is emitted to the fourth port and incident from the third port. The guided mode backward wave is converted to the TE radiation mode, converted back to the TM guided mode backward wave, emitted to the second port, and the TM guided mode backward wave incident from the fourth port is 3. The optical nonreciprocal circuit according to claim 1, wherein the optical nonreciprocal circuit is converted into a TE radiation mode, converted back into the TM guided mode backward wave, and emitted to the first port. 4.

The first optical waveguide and the second optical waveguide are made parallel on the substrate, and the first and second optical waveguides are at least partially formed of a magneto-optical material, and the first optical waveguide and the first optical waveguide are In the optical waveguide 2, the cutoff of the TE mode is made larger than the phase constant of the TM guided mode forward wave and the TM guided mode backward wave, and the TM guided mode backward wave and the TE radiation mode An optical nonreciprocal circuit characterized in that the conversion coefficient is smaller than the conversion coefficient between the TM guided mode forward wave and the TE radiation mode.

The first optical waveguide is connected to the first port and the third port, the second optical waveguide is connected to the second port and the fourth port, and the TM is incident from the third port. The guided mode backward wave is emitted to the first port, and the TM guided mode backward wave incident from the fourth port is emitted to the second port and incident from the first port. The guided mode forward wave is converted to a TE radiation mode, converted back to the TM guided mode forward wave, emitted to the fourth port, and the TM guided mode forward wave incident from the second port is 5. The optical nonreciprocal circuit according to claim 4, wherein the optical nonreciprocal circuit is converted into a TE radiation mode, converted back into the TM guided mode forward wave, and output to the third port.