JP4514773B2

JP4514773B2 - 光アイソレータ

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Publication number: JP4514773B2
Application number: JP2007169068A
Authority: JP
Inventors: 泰雄深井; 敏之奥村
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2007-06-27
Filing date: 2007-06-27
Publication date: 2010-07-28
Anticipated expiration: 2027-06-27
Also published as: US20090003769A1; JP2009008812A

Description

本発明は光アイソレータに関し、特に、光学的ブロッホ振動を利用した光アイソレータに関するものである。

半導体レーザは光通信システムや光情報処理システム用の光源として従来から用いられている。その半導体レーザから出力した光は、他の光学素子を通って伝送される。ところが、半導体レーザから出力された光のうち、一部の光は、光学素子を通る際に反射や散乱の影響を受けて、再び半導体レーザに戻ってくる。半導体レーザがこの戻ってきた光（戻り光）の影響を受けるため、半導体レーザの発振特性が劣化してしまう。そこで、この問題を解決するために、現在、光アイソレータが用いられている。

光アイソレータは、光アイソレータの出力ポートから入力ポートへ伝搬されない特性を有している。すなわち、光アイソレータの入力ポートに入った光は出力ポートにおいて出力されることになるが、出力ポートに入った光は入力ポートでは出力されない。このため、半導体レーザの出力部と光アイソレータの入力ポートを繋げると、戻り光による半導体レーザの発振特性の劣化が抑制されることになる。

現在では、光アイソレータとしてバルク型光アイソレータが実用化されている。しかし、バルク型光アイソレータでは、光の伝搬方向に直交する断面内に光を閉じ込める作用がないため、伝搬損失が大きい。また、バルク型光アイソレータは、半導体レーザと一体的に製造することができない。このため、半導体レーザと光アイソレータとを別々に作製し、後の工程において半導体レーザと光アイソレータとを組み立てることになり、製造プロセスが複雑化し、製造コストが増大するという問題が生じる。そこで、このような問題を解決するために、たとえば、特許文献１では、導波路型の光アイソレータが提案されている。

特許文献１に開示されたＴＭモード動作の光アイソレータを図１５および図１６に示す。同図に示すように、導波路型の光アイソレータ３００では、基板３０１の表面に成長した下部クラッド層３０２上に、半導体材料からなる入力用の光導波路３０３、出力用の光導波路３０４、光導波路３０５、光導波路３０６が形成されている。入力用の光導波路３０３の素子外側の端面に入力ポート３０７が設けられ、出力用の光導波路３０４の素子外側の端面に出力ポート３０８が設けられている。４本の光導波路３０３、３０４、３０５、３０６は上部クラッド層３０９によって覆われている。

また、アーム型でほぼ同形状の光導波路３０５と光導波路３０６を対向させてマッハツェンダ干渉計を構成するため、入力ポート側に三分岐光結合器３１０が配置され、出力ポート側に三分岐光結合器３１１が配置されている。そして、三分岐光結合器３１０と三分岐光結合器３１１によって挟まれた領域にそれぞれ位置する光導波路３０５と光導波路３０６とで干渉計が構成される。

干渉計を伝搬する二波に位相差を設けるため、光導波路３０５と光導波路３０６へ非相反移相器３１２が組み込まれる。非相反移相器３１２では、磁性材料である組成式Ｒ₃Ｆｅ₅Ｏ₁₂（Ｒは希土類元素を表わす）で表わされる希土類磁性ガーネットが用いられる。その非相反移相器３１２に外部磁界３１３が印加されると、非相反移相器３１２を伝搬する光に対して光磁気効果が得られる。

ここで、磁性材料の磁化方向に対して伝搬する光の磁界成分がもつベクトルの向きにより、光磁気効果の作用が異なる。このため、図１５に示すように、非相反移相器３１２へ印加する外部磁界３１３の向きを光導波路３０５と光導波路３０６とで逆向きにして磁場の大きさ調整すると、非相反移相器３１２を順方向に伝搬するＴＭモード光の二波に対して非相反な位相差−π／２を得ることができる。一方、非相反移相器３１２を逆方向に伝搬するＴＭモード光の二波に対しては非相反な位相差π／２を得ることができる。また、非相反移相器３１２を順方向または逆方向に伝搬するＴＥモード光の二波に対しては、位相差が得られない。なお、順方向とは入力ポート３０７側から出力ポート３０８側への方向とし、逆方向とは出力ポート３０８側から入力ポート３０７側への方向とする。

さらに、干渉計を伝搬する二波に相反な位相差を設けるため、相反移相器３１４が光導波路３０５へ組み込まれる。この相反移相器３１４は、モード複屈折率を有する光導波路からなる。ここで、ＴＭモードに対しては相反移相器長が（１／４＋ｍ）×λ_TMという条件を満足するように相反移相器長を調整し、ＴＥモードに対しては相反移相器長が（１／２＋ｍ）×λ_TEという条件を満足するように相反移相器長を調整する。そうすると、相反移相器３１４を伝搬するＴＭモード光の二波に対して相反な位相差π／２を得ることができる。また、相反移相器３１４を伝搬するＴＥモード光の二波に対して相反な位相差πを得ることができる。

次に、光アイソレータ３００の動作原理を説明する。入力ポート３０７に入力したＴＭモード光は順方向に伝搬し、三分岐光結合器３１０により、同振幅、同位相の二波に分波される。そして、二波は干渉計を伝搬する際に、非相反移相器３１２において非相反な位相差−π／２となり、そして、相反移相器３１４において相反な位相差π／２となる。したがって、三分岐光結合器３１１において結合するときには、二波が同振幅で同位相となっている。このため、二波は出力用の光導波路３０４にて結合し、ＴＭモード光は出力ポート３０８で出力される。

一方、出力ポート３０８側から入力したＴＭモード光は逆方向に伝搬し、三分岐光結合器３１１により、同振幅、同位相の二波に分波される。そして、二波は干渉計を伝搬する際に、相反移相器３１４において相反な位相差π／２となり、そして、非相反移相器３１２において非相反な位相差π／２となる。したがって、三分岐光結合器３１０において結合するときには、二波が同振幅で逆位相となっている。このため、二波は入力用の光導波路３０３では結合せず、ＴＭモード光は入力ポート３０７で出力されない。

また、出力ポート３０８側から入力したＴＥモード光は逆方向に伝搬し、三分岐光結合器３１１により、同振幅、同位相の二波に分波される。そして、二波は干渉計を伝搬する際に、相反移相器３１４において相反な位相差πとなる。したがって、三分岐結合器３１０で結合するときには、二波が同振幅、逆位相となっている。このため、二波は入力用の光導波路３０３で結合せず、ＴＥモード光は入力ポート３０７で出力されない。以上説明した動作原理より、半導体レーザの出力部を光アイソレータの入力ポート３０７に繋ぐことで、他の光学素子からの戻り光が半導体レーザに戻ってくることを抑制することができる。
特開２００３−３０２６０３号公報

しかしながら、上述した光アイソレータでは次のような問題点があった。従来の光アイソレータ３００では、ある特定の偏波の光に対してしか動作することができない。たとえば、ＴＭモード動作の光アイソレータ３００の入力ポート３０７に入力したＴEモード光は順方向に伝搬し、三分岐光結合器３１０によって同振幅で同位相の二波に分波される。そして、二波は干渉計を伝搬する際に、相反移相器３１４において相反な位相差πとなる。したがって、三分岐結合器３１１で結合するときには、二波が同振幅、逆位相となっている。このため、二波は出力用の光導波路３０４で結合せず、ＴＥモード光は出力ポート３０８で出力されない。

このように、従来の光アイソレータ３００では非相反移相器３１２の光磁気効果が利用されるため、入力ポート３０７に入力する光に対して偏波依存性を有することになる。このため、入力ポート３０７に入力する光のうち、ある特定の偏波以外の光は、光アイソレータ３００で除去されてしまう。すなわち、光アイソレータ３００は、ある特定の偏波の光に対してしか動作することができないという問題があった。

また、従来の光アイソレータでは、非相反移相器３１２、相反移相器３１４、２つの三分岐光結合器３１０、３１１が必要とされ、そして、非相反移相器３１２では、磁性材料と外部磁界３１３が必要とされる。そのため、光アイソレータとして、構造的に複雑であり、しかも、磁石を設置するための領域を確保しなければならず大きくなるという問題があった。

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、いずれの偏波の入力光に対しても動作可能であり、いずれの偏波の戻り光も入力部に戻すことなく除去できる光アイソレータを提供することである。

本発明に係る光アイソレータは、主表面を有する基板と複数の光導波路と光を入力させる入力部と光を出射させる出力部と振動発現部とを備えている。複数の光導波路は、光を伝搬し、それぞれ所定の幅、第１端面および第２端面を有し、第１端面から第２端面に向かって第１の方向に延在するとともに、第１の方向と直交する第２の方向に互いに間隔を隔てて基板の主表面に形成されている。光を入力させる入力部は、複数の光導波路のうち、少なくとも第１の光導波路の第１端面に形成されている。光を出力させる出力部は、複数の光導波路のうち、第１の光導波路とは異なる少なくとも第２の光導波路の第２端面に形成されている。振動発現部は、第２の方向に沿って等価屈折率を変化させて、光導波路を伝搬する光に光学的ブロッホ振動を発現する。入力部に入力した光が出力部へ向って進む距離は、等価屈折率に起因する光学的ブロッホ振動の位相が０からπへ変化する間に光が進む距離に略等しく設定されている。

この構成によれば、まず、入力部に入力されて光導波路を伝搬する光は、光学的ブロッホ振動を発現しながら光導波路を伝搬することになる。光学的ブロッホ振動では、その振幅は入力した光の偏波にほとんど依存しない。これにより、いずれの偏波の入力光に対しても動作が可能となる。そして、入力部に入力されて出力部から出力される光が、戻り光として出力部に入力した場合でも、振動発現部によって光導波路を伝搬する光に光学的ブロッホ振動を発現させることで、その戻り光が入力部に接続される半導体レーザ素子等の発光素子に入力することがなくなる。これにより、出力部に入力するいずれの偏波の戻り光も除去することができる。

また、振動発現部は、複数の光導波路として、幅が互いに異なった光導波路を含むことが好ましい。

これにより、複数の光導波路が間隔を隔てて形成される方向に沿って、光導波路の等価屈折率の分布の勾配が形成されて、その光導波路を伝搬する入力光に光学的ブロッホ振動を発現させることができる。

さらに、振動発現部は、基板における第２の方向の一端側に配設されて、一端側から基板に熱を与える加熱部を含むことが好ましい。

これにより、加熱部の温度を変えて、光導波路の等価屈折率の分布の勾配を制御することで、入力光の光学的ブロッホ振動の振幅が調整されて、光アイソレータの入力部の位置を変えることなく出力部の位置を自在に選ぶことができる。なお、光学的ブロッホ振動のの振幅とは、入力した光の光学的ブロッホ振動の位相が０からπへ変化する間に、複数の光導波路が間隔を隔てて形成される方向に沿って入力光が進行する距離をいう。

また、複数の光導波路のそれぞれの幅は一定とされ、そして、振動発現部は、基板における第２の方向の一端側に配設されて、一端側から基板に熱を与える加熱部を含むことが好ましい。

これにより、加熱部の温度を変えて、光導波路の等価屈折率の分布の勾配を制御することで、入力光の光学的ブロッホ振動の振幅が調整されて、光アイソレータの入力部の位置を変えることなく出力部の位置を自在に選ぶことができる。

実施の形態１
本発明の実施の形態１に係る光アイソレータについて説明する。本光アイソレータでは、基板として、シリコン(Ｓｉ)基板上に酸化珪素（ＳｉＯ₂）とＳｉが順に積層されたＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板が用いられる。すなわち、図１および図２に示すように、Ｓｉ基板３上に厚さ約１μｍのＳｉＯ₂層４が積層され、さらに、そのＳｉＯ₂層４上にＳｉ層５が積層された基板２が用いられている。その基板２のＳｉ層５の表面上には、シリコンから形成されて、それぞれ形状が異なる複数の光導波路７が形成されている。なお、図１および図２では、複数の光導波路７がそれぞれ間隔を隔てて配設される方向がＸ軸方向とされ、光導波路７が延在する方向がＹ軸方向とされ、Ｘ軸方向とＹ軸方向のそれぞれに垂直な方向がＺ軸方向とされる。

複数の光導波路７のそれぞれでは、Ｙ軸方向の一端側の端面７７と他端側の端面８８とは平坦面とされる。その一端側に位置する端面７７のうち、少なくとも一つの端面７７が、半導体レーザなどから出射された光が入力する入力ポート９とされる。一方、他端側に位置する端面８８のうち、入力ポート９から入力した光が出力可能な端面であって、入力ポート９が位置する光導波路７を除いた少なくとも一つの端面８８が、出力ポート１１とされる。なお、Ｙ軸の正の向きは、入力ポート９から出力ポート１１への向う向きとされる。

次に、本光アイソレータ１の特徴について詳しく説明する。図１および図３に示すように、複数の光導波路７のそれぞれは、Ｙ軸方向に直線状に延在し、互いにＸ軸方向に所定の間隔を隔てられている。また、特に、図３に示すように、複数の光導波路１０５のそれぞれのＸ軸方向の長さＷ（幅）は、Ｘ軸の正の方向に向って単調増加するように設定されている。すなわち、光導波路の幅（Ｗ）は、Ｗ₁＜Ｗ₂＜Ｗ₃＜・・・＜Ｗ_k＜Ｗ_k+1＜・・・とされる。本光アイソレータ１では、Ｘ軸方向における光導波路の中心間距離が１μｍ（一定）とされ、Ｗ₁が０．５μｍとされて、Ｘ軸に沿って単位長さあたりの光導波路の等価屈折率の変化量が一定となるように、幅がＸ軸に沿って単調増加するように設定されている。

ここで、等価屈折率とは、光導波路を伝搬する光の伝搬定数を、その光の真空中における波数で割った数値として定義される。本光アイソレータ１では、光導波路の幅方向の中心に強度のピークが一致するように光が入力した場合の実質的な屈折率が計算され、光導波路７そのものの他に、光導波路７の上方に存在する空気や光導波路７の下地であるＳｉ層の影響が考慮される。

なお、後述するように、光学的ブロッホ振動が発現し、図５に示すように、入力ポート９ａの位置と戻り光が出力される端面７７の位置とが一致しなければ、光導波路の中心間距離や幅Ｗ₁の値は上述した数値に限られるものではなく、また、幅Ｗの値がＸ軸に沿って単調増加する条件に限られるものではない。

本光アイソレータ１では、光導波路７を伝搬する光に光学的ブロッホ振動（Optical Bloch Oscillations：以下、「ＯＢＯ」と記す。)を発現させることによって、入力ポート９ａとなる光導波路７の端面７７から、その端面７７が位置する光導波路７とは異なる光導波路７の端面８８に向って光が伝搬されることになる。

そこで、そのＯＢＯの原理について、ＯＢＯを利用した平面導波路（ＯＢＯ平面導波路素子）を例に挙げて説明する。図４に示すように、ＯＢＯ平面導波路素子５１では、ＳｉＯ₂（二酸化珪素）およびガラスからなる基板５２の表面上に、高分子材料からなる複数の光導波路５４が形成されている。その光導波路５４に対して光を入力する入力ポート５５と光導波路５４から光を出力する出力ポート５６とが設けられている。その光導波路５４を覆うように基板５２上に高分子クラッド層５３が形成されている。高分子クラッド層５３は、伝搬する光が光導波路５４から漏れ出すことを防止する機能を有している。また、基板５２の温度分布の勾配を制御するためのヒータ５７とヒートシンク５８が配設されている。

このＯＢＯ平面導波路素子５１では、ＯＢＯによりＸ軸方向に振動しながら複数の光導波路５４を伝搬する光の光路が道筋（光路）５９として示されている。なお、複数の光導波路５４が間隔を隔てて配設される方向がＸ軸方向とされ、各光導波路５４が延在する方向がＹ軸方向とされ、Ｘ軸方向とＹ軸方向のそれぞれに垂直な方向がＺ軸方向とされる。

このＯＢＯ平面導波路素子５１では、ヒータ５７によって、基板５２のＸ軸方向の温度分布に勾配（単位長さあたりの温度差）が形成される。高分子材料からなる光導波路５４を有するＯＢＯ平面導波路素子５１においては、基板５２が高温である領域の光導波路５４の等価屈折率が、基板５２が低温である領域の光導波路５４の等価屈折率よりも低くなる。そのため、この温度分布の勾配に対応して、光導波路５４の等価屈折率の値がＸ軸方向に沿って徐々に変化することになる。すなわち、Ｘ軸方向の単位長さについて等価屈折率の値に差が設けられる。

この平面導波路素子５１に対し、特定の入力ポート５５に強度のピークが位置するように所定の光が入力される。これにより、光は入力ポート５５を有する光導波路５４から漏れ出し、隣接する光導波路５４に結合する。その結果、光はＹ軸方向へ進行しながらＸ軸方向に振動する。この振動現象がＯＢＯと称される。こうして、光がＯＢＯという振動現象を発現しながら、ＯＢＯ平面導波路素子５１に光の道筋（光路）５９が形成される。

なお、このようなＯＢＯ平面導波路素子を開示した文献として、たとえば文献「T.Pertsch, P.Dannberg, W.Elflein, and A.Brauer, “Optical Bloch Oscillations in Temperature Tuned Waveguide Arrays”, Physical Review letters, Vol.83, No.23, 4752-4755 (1999).」がある。

次に、上述した光アイソレータ１に入力する光のＯＢＯの現象について説明する。図５に示すように、まず、光導波路７のＸ軸方向の幅ＷがＸ軸の正の方向に向かって単調増加している。そのため、Ｘ軸方向において、単位長さあたりの等価屈折率差、すなわち、等価屈折率の分布の勾配が光導波路７に生じる。光導波路７の幅が広がるほど、光導波路７の等価屈折率は大きくなる。したがって、Ｘ軸の正の方向に向かって、光導波路７の等価屈折率の値は増加することになる。このように、複数の光導波路７は、光を伝搬させるだけでなく、ＯＢＯを発現するための振動発現部としても機能する。

次に、光アイソレータ１に対して、所定の入力ポート９ａに強度のピークが位置するように所定の光が入力される。ここでは、その光（入力光）の波長は、たとえば１．５５μｍとされる。これにより、入力光は、ＯＢＯにより入力ポート９ａを有する光導波路７から漏れ出して、隣接する光導波路７に結合する。その結果、入力光はＹ軸方向（正）に進行しながら、Ｘ軸方向（正）に振動する。こうして、入力光がＯＢＯを発現しながら、光アイソレータ１に光の道筋（光路）１３が形成される。なお、ＯＢＯは、光の波長が長くなるにしたがい、その振幅が大きくなる。したがって、光アイソレータ１を伝搬する光の道筋（光路）１３は入力光の波長によって異なることになる。

また、ＯＢＯは、Ｘ軸方向における光導波路７の等価屈折率の分布の勾配が大きくなるにしたがい、その振幅が小さくなる性質を示す。さらに、ＯＢＯの振幅は、入力光の偏波にほとんど依存しない。このため、光アイソレータ１へ入力したいずれの偏波の入力光も、同じ道筋（光路）１３を通って光アイソレータ１を伝搬する。なお、本実施の形態において、ＯＢＯの振幅とは、入力光のＯＢＯの位相が０からπへ変化する間に、Ｘ軸方向において入力光が進行する距離をいう。

次に、上述した光アイソレータ１の動作（機能）について説明する。はじめに、Ｘ軸方向における入力光の伝搬定数κとＹ軸方向における入力光の伝搬定数βの関係のグラフを図６に示す。ここで、Ｘ軸方向における入力光の群速度（ｖ_g）は、ｖ_g＝−∂β／∂κで表わされる。すなわち、光アイソレータ１を伝搬する入力光のｖ_gの値は、図６に示されるグラフの傾きと一致する。また、光アイソレータ１内では、光導波路の等価屈折率が増加するＸ軸の正の向きがｖ_gの正の向きとなる。

図５に示すように、まず、光アイソレータ１におけるａ点に示される入力ポート９ａに入った入力光においては、伝搬定数κは０である。したがって、図６において、入力光の状態はＡ点に対応し、入力ポート９ａにある入力光の群速度ｖ_gは０となる。次に、入力ポート９ａに入った入力光は光導波路７をＹ軸方向（正）に伝搬しながら、Ｘ軸方向においてＯＢＯの現象が発現する。これにより、入力光はａ点からｂ点（図５参照）へ、Ｙ軸方向（正）に進行しながらＸ軸方向（正）へ進行することになる。図５において、入力光がａ点からｂ点へ進行することは、図６において、入力光の状態がＡ点からＢ点へ変化することに対応する。

次に、図５において、ｂ点から、ｃ点で示される光導波路７の出力ポート１１ａまで入力光が進行すると、図６において、入力光の状態がＢ点からＣ点に変化し、伝搬により光のＯＢＯの位相が０からπへ変化することになる。すなわち、入力光が光アイソレータ１の入力ポート９ａから出力ポート１１ａへ伝搬する間に、その入力光のＯＢＯの位相は０からπへ変化する。このため、光アイソレータ１の入力ポート９ａと出力ポート１１ａとのＸ軸方向における距離は、入力光のＯＢＯの振幅Ａとほぼ同じ値になる。つまり、入力ポート９ａのＸ座標を０とすると、出力ポート１１ａのＸ軸座標は＋Ａとなる。

次に、光アイソレータ１の出力ポート１１に戻り光が入力する場合を考える。戻り光とは、たとえば、光アイソレータ１の出力ポート１１に他の光学素子が接続されて、出力ポートから出力される光が他の光学素子を伝搬する際に、その出射した光が反射されて出力ポートに戻ってくるような光をいう。

図５に示すように、光アイソレータ１におけるｄ点に示される出力ポート１１ａに入力した戻り光（点線矢印）においては、伝搬定数κが０である。したがって、図６において、戻り光の状態はＤ点に対応し、出力ポート１１ａにある戻り光の群速度ｖ_gは０となる。次に、等価屈折率の分布に勾配を有する光導波路７を伝搬する戻り光は、Ｙ軸方向（負）に伝搬しながら、Ｘ軸方向においてＯＢＯの現象が発現する。これにより、戻り光はｄ点からｅ点（図５参照）へ、Ｙ軸方向（負）に進行しながらＸ軸方向（正）へ進行することになる。図５において戻り光がｄ点からｅ点へ進行することは、図６において、戻り光の状態がＤ点からＥ点へ変化することに対応する。

そして、図５において、ｅ点から、ｆ点で示される光導波路７の端面７７ａまで戻り光が進行すると、図６において、戻り光の状態がＥ点からＦ点に変化し、伝搬により戻り光のＯＢＯの位相が０からπへ変化することになる。これにより、光アイソレータ１の出力ポート１１ａと戻り光が出力する光導波路の端面７７ａとのＸ軸方向における距離は、戻り光のＯＢＯの振幅Ａとほぼ同じ値になる。つまり、出力ポート１１ａのＸ座標を０とすると、戻り光が出力する光導波路７の端面７７ａのＸ座標は＋Ａとなる。したがって、戻り光が出力する光導波路７の端面７７ａの位置は、入力ポート９ａの位置よりＸ軸方向（正）に距離２Ａずれた位置にある。

これにより、図７に示すように、入力ポート９ａに半導体レーザ素子３１が接続された場合には、出力ポート１１ａに入力する戻り光は光導波路７の端面７７ａにまで伝搬し（点線光路）、戻り光が半導体レーザ素子３１に入力することはなくなる。すなわち、戻り光は光アイソレータ１によって除去されることになる。

なお、図７に示すように、半導体レーザ素子３１においては、クラッド層３２上に活性層３３が形成され、その活性層３３の上にさらにクラッド層３４が形成されている。そのクラッド層３４上に電極３５が形成されている。クラッド層３２の寸法Ｄ２は約４００μｍとされ、寸法Ｗ２は約３００μｍとされる。また、活性層３３、クラッド層３４および電極３５の寸法Ｗ３は約２〜５μｍとされる。そして、光アイソレータ１の寸法Ｗ１は１００μｍ、寸法Ｄ１は２５０μｍ、寸法Ｈ１は１００μｍとされる。ただし、半導体レーザ素子３１と光アイソレータ１がそれぞれ機能するのであれば、Ｄ２，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ１，Ｄ１，Ｈ１の値は上述した数値に限られるものではない。なお、寸法Ｈ１は、図面の都合上大幅に縮めた状態で示されている。

上述した光アイソレータ１によれば、入力ポート９ａに入力されて出力ポート１１ａから出力される光が、戻り光として出力ポートに入力した場合でも、光導波路７を伝搬する光にＯＢＯを発現させることで、その戻り光が半導体レーザ素子３１に入力することはなくなる。その結果、光アイソレータ１によって戻り光を除去することができる。

しかも、上述した光アイソレータ１では、非相反移相器、外部磁界および相反移相器は必要とされない。また、光アイソレータ１では光磁気効果を用いないため、入力ポート９ａに入力する光に対して偏波依存性を有さなくなり、いずれの偏波の入力光に対しても動作が可能となる。さらに、光アイソレータ１では、出力ポート１１ａに入力するいずれの偏波の戻り光も除去することができる。そして、光アイソレータ１としての構造をより簡単にすることができるとともに、小型化を図ることができる。

なお、上述した光アイソレータ１では、Ｘ軸方向における光導波路の中心間距離が１μｍとされ、Ｗ₁が０．５μｍとされて、Ｘ軸に沿って単位長さあたりの光導波路の等価屈折率の変化量が一定となるように、幅がＸ軸に沿って単調増加するように設定された場合を例に挙げて説明した。光アイソレータとしては、光学的ブロッホ振動が発現し、入力ポート９ａの位置と戻り光が出力される端面７ａの位置とが一致しなければ、光導波路の中心間距離や幅Ｗ₁の値は上述した数値に限られるものではなく、また、幅Ｗの値がＸ軸に沿って単調増加する条件に限られるものではない。

また、上述した光アイソレータ１では、低屈折率層としてＳｉＯ2層４を用い、高屈折率層としてＳｉ層５を用いた場合について説明したが、シリコン基板３の上に形成される上下２層として、下層の屈折率よりも上層の屈折率が高い材料であれば、低屈折率層としてＡｌ₂Ｏ₃、ＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ等を用い、高屈折率層としてＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＰ等を用いてもよい。また、光導波路の材料としてＳｉを用いた場合について説明したが、光が伝搬可能な材料であれば、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＰ等を用いてもよい。

実施の形態２
次に、実施の形態２に係る光アイソレータについて説明する。この光アイソレータでは、光導波路の幅が一定とされ、また、基板を加熱するヒータとヒートシンクが配設されている。図８および図９に示すように、基板２のＳｉ層５の表面上に形成される複数の光導波路７は、それぞれＹ軸方向に直線状に延在し、互いにＸ軸方向に所定の間隔を隔てて形成されている。

また、図１０に示すように、複数の光導波路７のそれぞれのＸ軸方向の長さＷ（幅）は、いずれも同じ幅になるように設定されている。すなわち、光導波路の幅（Ｗ）は、Ｗ₁＝Ｗ₂＝Ｗ₃＝・・・＝Ｗ_k＝Ｗ_k+1＝・・・とされる。本光アイソレータ１では、Ｘ軸方向における光導波路の中心間距離が１μｍ（一定）とされ、幅Ｗはすべて０．５μｍとされる。なお、ＯＢＯの現象が発現するのであれば、光導波路の中心間距離や幅の値は上述した数値に限られるものではない。

そして、本光アイソレータ１では、基板２のＸ軸方向の一方の端面にヒータ１５が配設され、他方の端面にはヒートシンク１６が配設されている。ヒータ１５には、金属線１７、１８によって電源装置１９に電気的に接続されている。金属線１７は、ヒータ１５のＹ軸方向の一方の端部と電源装置１９の正極とを接続している。金属線１８は、Ｙ軸方向の他方の端部と電源装置１９の負極とを接続している。なお、これ以外の構成については、前述した光アイソレータ１の構成と同様なので、同一部材には同一符号を付しその説明を省略する。

次に、上述した光アイソレータ１に入力する光のＯＢＯの現象について、図１１に基づいて説明する。基板２のＸ軸方向の一方の端面にヒータ１５が配設され、他方の端面にヒートシンク１６が配設されていることで、光アイソレータ１では、基板２のＸ軸方向の温度分布に勾配が生じる。このとき、基板２の温度は、ヒータ１５に近づくにしたがい高くなる。すなわち、Ｘ軸方向（正）に沿って徐々に基板２の温度が上昇する。

一般に、半導体材料は温度が高くなるにしたがいその屈折率が高くなるという性質を有する。そのため、ヒータ１５の側にある光導波路７の等価屈折率は、ヒートシンク１６の側にある光導波路７の等価屈折率よりも高くなり、Ｘ軸方向に沿って等価屈折率の分布に勾配が生じる。これにより、複数の光導波路７を伝搬する入力光は、その等価屈折率の分布の勾配に起因して、Ｘ軸方向においてＯＢＯの現象が発現する。このように、加熱部のヒータ１５が、ＯＢＯを発現するための振動発現部として機能する。

本光アイソレータ１では、ヒータ１５とヒートシンク１６の設定条件を変えることで、基板２のＸ軸方向の温度分布の勾配が変えられる。これにより、Ｘ軸方向における光導波路７の単位長さあたりの等価屈折率の差が制御されて、入力光のＯＢＯの振幅が調整されることになる。なお、実温度の一例として、ヒータ１５はたとえば温度２０℃とされ、ヒートシンク１６は温度０℃とされる。

次に、上述した光アイソレータ１の動作（機能）について説明する。図１１に示すように、光アイソレータ１に対して、所定の入力ポート９ａに強度のピークが位置するように所定の光が入力される。入力ポート９ａに入力された入力光は、Ｘ軸方向に発現するＯＢＯの現象により、Ｙ軸方向（正）に進行しながらＸ軸方向（正）へ進行し出力ポート１１ａにまで伝搬する。

前述したように、光アイソレータ１の入力ポート９ａと出力ポート１１ａとのＸ軸方向の距離は、入力光のＯＢＯの振幅Ａとほぼ同じになる。そのため、入力ポート９ａのＸ座標を０とすると、出力ポート１１ａのＸ座標は＋Ａとなる。

本光アイソレータ１では、ヒータ１５とヒートシンク１６の設定条件を変えることで、入力光のＯＢＯの振幅Ａが調整される（点線矢印９１）。たとえば、前述した場合よりも温度勾配を緩やかにすることで、同じ入力ポート９ａに対して、出力ポートの位置を出力ポート１１ａから出力ポート１１ｂとすることができる。さらに、温度勾配を緩やかにすると、出力ポートの位置を出力ポート１１ｃとすることができる。

一方、光アイソレータ１の出力ポート１１ａから出力された光が戻り光として出力ポート１１ａに入力した場合には、光導波路７を伝搬する光にＯＢＯを発現させることで、その戻り光は、Ｙ軸方向（負）に進行しながらＸ軸方向（正）へ進行し光導波路７の端面７７ａにまで伝搬することになる。同様にして、出力ポート１１ｂに入力した戻り光は光導波路７の端面７７ｂにまで伝搬し、そして、出力ポート１１ｃに入力した戻り光は光導波路７の端面７７ｃにまで伝搬する。

上述した光アイソレータ１によれば、ヒータ１５とヒートシンク１６の設定条件を変えて温度勾配を制御することで、入力光のＯＢＯの振幅Ａが調整されて、入力ポート９ａの位置を変えないで、出力ポート１１ａ〜１１ｃの位置を自在に設定することができる。

また、上述した光アイソレータ１では、入力ポート９ａに入力されて出力ポート１１ａ〜１１ｃから出力される光が、戻り光として出力ポート１１ａ〜１１ｃに入力した場合でも、光導波路７を伝搬する光にＯＢＯを発現させることで、その戻り光が半導体レーザ素子３１に入力することはなくなり、光アイソレータ１によって戻り光を除去することができる。

さらに、上述した光アイソレータ１では、前述した光アイソレータ１と同様に、非相反移相器、外部磁界および相反移相器は必要とされず、また、光磁気効果を用いない。これにより、入力ポート９ａに入力するいずれの偏波の入力光に対しても動作が可能となる。そして、出力ポート１１ａ〜１１ｃに入力するいずれの偏波の戻り光も除去することができる。

実施の形態３
次に、実施の形態３に係る光アイソレータについて説明する。この光アイソレータでは、光導波路の幅が単調増加するように形成され、また、基板を加熱するヒータとヒートシンクが配設されている。図１２および図１３に示すように、基板２のＳｉ層５の表面上に形成される複数の光導波路７は、それぞれＹ軸方向に直線状に延在し、互いにＸ軸方向に所定の間隔を隔てられている。その複数の光導波路７のそれぞれのＸ軸方向の長さＷ（幅）は、Ｘ軸方向（正）に沿って単調増加するように設定されている。

さらに、基板２のＸ軸方向の一方の端面にはヒータ１５が配設され、他方の端面にはヒートシンク１６が配設されている。ヒータ１５は、金属線１７，１８によって電源装置１９と電気的に接続されている。なお、これ以外の構成については、前述した光アイソレータ１の構成と同様なので、同一部材には同一符号を付しその説明を省略する。

次に、上述した光アイソレータ１に入力する入力光のＯＢＯの現象について説明する。前述したように、まず、光導波路７のＸ軸方向の幅ＷがＸ軸方向（正）に沿って単調増加していることで、Ｘ軸方向に等価屈折率の分布の勾配が生じて、Ｘ軸方向（正）にＯＢＯ現象が発現する。そして、ヒータ１５とヒートシンク１６により、基板２のＸ軸方向の温度分布の勾配を変えて、Ｘ軸方向における光導波路７の単位長さあたりの等価屈折率の差を制御することによって、入力光のＯＢＯの振幅が調整される。すなわち、この光アイソレータ１では、ＯＢＯの発現において、光導波路の幅に起因するもの（要因Ａ）と、温度分布（勾配）に起因するもの（要因Ｂ）とがある。このように、複数の光導波路７は、光を伝搬させるだけでなく、ＯＢＯを発現するための振動発現部としても機能する。また、加熱部のヒータ１５が、ＯＢＯを発現するための振動発現部として機能する。

次に、上述した光アイソレータ１の動作（機能）について説明する。まず、ヒータ１５がオフの場合を想定する。この場合には、図１４に示すように、光アイソレータ１に対して、所定の入力ポート９ａに強度のピークが位置するように所定の光が入力される。入力ポート９ａに入力された入力光は、要因ＡによるＯＢＯが発現して、Ｙ軸方向（正）に進行しながらＸ軸方向（正）へ進行し出力ポート１１ａにまで伝搬する。

一方、光アイソレータ１の出力ポート１１ａから出力された光が戻り光として出力ポート１１ａに入力した場合には、要因ＡによるＯＢＯが発現して、Ｙ軸方向（負）に進行しながらＸ軸方向（正）へ進行し光導波路７の端面７７ａにまで伝搬する。

次に、ヒータ１５がオンの場合を想定する。この場合には、図１４に示すように、光アイソレータ１に対して、所定の入力ポート９ａに強度のピークが位置するように所定の光が入力される。入力ポート９ａに入力された入力光は、要因Ａに加えて要因ＢによるＯＢＯが発現して、Ｙ軸方向（正）に進行しながらＸ軸方向（正）へ進行し出力ポート１１ｂにまで伝搬する。

一方、光アイソレータ１の出力ポート１１ｂから出力された光が戻り光として出力ポート１１ｂに入力した場合には、要因Ａと要因ＢとによるＯＢＯが発現して、Ｙ軸方向（負）に進行しながらＸ軸方向（正）へ進行し光導波路７の端面７７ｂにまで伝搬する。

上述した光アイソレータによれば、ヒータ１５がオフの状態でも要因ＡによるＯＢＯが発現し、消費電力の低減化を図ることができる。また、ヒータをオンにした場合には、要因Ｂによって、入力光のＯＢＯの振幅を制御（点線矢印９１）することができ、入力ポート９ａの位置を変えないで、出力ポート１１ａ、１１ｂの位置を自在に設定することができる。

また、上述した光アイソレータ１では、入力ポート９ａに入力されて出力ポート１１ａ、１１ｂから出力される光が、戻り光として出力ポート１１ａ、１１ｂに入力した場合でも、少なくとも要因Ａによって、光導波路７を伝搬する光にＯＢＯが発現し、その戻り光が半導体レーザ素子３１に入力することはなくなり、光アイソレータ１によって戻り光を除去することができる。

なお、上述した各光アイソレータでは、光アイソレータに入力される光の波長として１．５５μｍを例に挙げて説明した。光の波長としては、この波長に限られるものではなく、たとえば、レーザダイオードが発光される、たとえば、波長０．４μｍ〜０．４８μｍ、０．６３μｍ〜０．６８μｍ、０．７８μｍ〜０．９８μｍ、１．３μｍ〜１．６７μｍの光であってもよい。

今回開示された実施の形態は例示であってこれに制限されるものではない。本発明は上記で説明した範囲ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の実施の形態１に係る光アイソレータの平面図である。同実施の形態において、図１に示す断面線ＩＩ−ＩＩにおける断面図である。同実施の形態において、光アイソレータの部分拡大平面図である。同実施の形態において、光学的ブロッホ振動の原理を説明するためのＯＢＯ平面導波路素子を示す斜視図である。同実施の形態において、光アイソレータの動作を説明するための平面図である。同実施の形態において、光アイソレータの動作を説明するための入力光のＸ軸方向の伝搬定数とＹ軸方向の伝搬定数との関係を示すグラフである。同実施の形態において、光アイソレータに半導体レーザを接続した構成を示す斜視図である。本発明の実施の形態２に係る光アイソレータの平面図である。同実施の形態において、図８に示す断面線ＩＸ−ＩＸにおける断面図である。同実施の形態において、光アイソレータの部分拡大平面図である。同実施の形態において、光アイソレータの動作を説明するための平面図である。本発明の実施の形態３に係る光アイソレータの平面図である。同実施の形態において、図１２に示す断面線ＸＩＩＩ−ＸＩＩＩにおける断面図である。同実施の形態において、光アイソレータの動作を説明するための平面図である。従来の光アイソレータの平面図である。図１５に示す光アイソレータの断面図である。

符号の説明

１光アイソレータ、２基板、３Ｓｉ基板、４ＳｉＯ₂層、５Ｓｉ層、７光導波路、９，９ａ入力ポート、１１，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ出力ポート、１３光の道筋、１５ヒータ、１６ヒートシンク、１７，１８金属配線、１９電源装置、３１半導体レーザ素子、３２クラッド層、３３活性層、３４クラッド層、３５電極、５１ＯＢＯ平面導波路素子、５２基板、５３高分子クラッド層、５４光導波路、５５入力ポート、５６出力ポート、５７ヒータ、５８ヒートシンク、５９光の道筋、７７，７７ａ，７７ｂ，７７ｃ，８８端面、３００光アイソレータ、３０１基板、３０２下部クラッド層、３０３入力用の光導波路、３０４出力用の光導波路、３０５，３０６光導波路、３０７入力ポート、３０８出力ポート、３０９上部クラッド層、３１０，３１１三分岐光結合器、３１２非相反移相器、３１３外部磁界、３１４相反移相器。

Claims

主表面を有する基板と、
それぞれ所定の幅、第１端面および第２端面を有し、前記第１端面から前記第２端面に向かって第１の方向に延在するとともに、前記第１の方向と直交する第２の方向に互いに間隔を隔てて前記基板の主表面に形成された、光を伝搬する複数の光導波路と、
複数の前記光導波路のうち、少なくとも第１の光導波路の前記第１端面に形成された、光を入力させる入力部と、
複数の前記光導波路のうち、前記第１の光導波路とは異なる少なくとも第２の光導波路の前記第２端面に形成された、光を出力させる出力部と、
前記第２の方向に沿って等価屈折率を変化させて、前記光導波路を伝搬する光に光学的ブロッホ振動を発現するための振動発現部と
を備え、
前記入力部に入力した光が前記出力部へ向って進む距離は、前記等価屈折率に起因する前記光学的ブロッホ振動の位相が０からπへ変化する間に光が進む距離に略等しく設定された、光アイソレータ。
前記振動発現部は、複数の前記光導波路として、前記幅が互いに異なった光導波路を含む、請求項１記載の光アイソレータ。
前記振動発現部は、前記基板における前記第２の方向の一端側に配設されて、前記一端側から前記基板に熱を与える加熱部を含む、請求項１または２に記載の光アイソレータ。
複数の前記光導波路のそれぞれの前記幅は一定とされ、
前記振動発現部は、前記基板における前記第２の方向の一端側に配設されて、前記一端側から前記基板に熱を与える加熱部を含む、請求項１記載の光アイソレータ。