JP5182799B2 - 導波路型広帯域光アイソレータ - Google Patents
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Description
【0001】
本発明は導波路型広帯域光アイソレータに関し、特に導波路型光アイソレータが所望の特性を満足して動作する波長域を格段に広げ、長距離光ファイバ通信に用いられる1.31μm帯と1.55μm帯の2つの波長帯においても動作する導波路型広帯域光アイソレータに関する。
【背景技術】
【0002】
光アイソレータは一方向にのみ光を透過させ、これと反対の方向に伝搬しようとする光を阻止する素子である。例えば、光アイソレータを半導体レーザの発射端に配置することによって、レーザから出射される光は光アイソレータを透過し、これを光ファイバ通信用の光源として用いることができる。逆に光アイソレータを通して半導体レーザに入射しようとする光は、光アイソレータによって阻止され、半導体レーザに入射することはできない。光アイソレータを半導体レーザの発射端に置かないと、半導体レーザに反射戻り光が入射し、これが半導体レーザの発振特性を劣化させてしまう。即ち、光アイソレータは半導体レーザに入射しようとする光を遮り、半導体レーザの特性を劣化させることなく、安定な発振を保つ働きをする。
【0003】
上述した半導体レーザに限らず、光増幅器などの光能動素子においては、意図しない逆向き光が入射することによって、素子の動作特性が劣化したり、意図せぬ動作をする。光アイソレータは一方向にしか光を透過しないため、光能動素子に意図せず逆向きに光が入射することを防止することができる。
【0004】
半導体レーザとの集積化に適した光アイソレータとして、従来図1に示す干渉型光アイソレータ(導波路型光アイソレータ)が提案されている。この従来の光アイソレータ101は、化合物半導体基板102上に半導体材料を用いた導波層103を、導波層103上に導波路104、テーパ状分岐結合器105を備え、さらに導波層103上に磁気光学材料からなるクラッド層106を形成し、クラッド層106上に磁気光学材料の磁化を所定の方向に揃えるための磁界印加手段107を設けたものである。
【0005】
この光アイソレータ(以下、「導波路型光アイソレータ」とする)101は、光干渉計を構成する2本の光導波路中に発生する伝搬方向によって大きさが異なる位相変化(以下、「非相反移相効果」とする)を用いて、順方向伝搬波に対しては2本の光導波路を伝搬する光波が同位相となるように、逆方向に伝搬する逆方向伝搬波に対しては逆位相になるように設定される。
【0006】
導波路型光アイソレータ101の動作原理を、図2(a)〜(c)に示す。2つの光波が同位相になる場合には、構造の対称性から出力側に設けたテーパ状分岐結合器105において、中央の出力端111から出力される(図2(b))。一方、逆位相になる場合は、左側(導波路型光アイソレータ101にとっては入力端となる側)のテーパ状分岐結合器105において反対称の分布が形成されるため、対称構造の結合器105の中央出力端(入力端)110からは出力されずに、両脇に設けた不要光出力端112から出力される(図2(c))。即ち、左側のテーパ状分岐結合器105の入力端110から入射した光波は、右側のテーパ状分岐結合器105の出力端111から出力され、逆に右側のテーパ状分岐結合器105の出力端111から入力された光は、左側のテーパ状分岐結合器105の入力端110に戻ることなく、入力端110を逆方向伝搬波からアイソレートすることができる。
【0007】
以上のような動作は、図2(c)に示す構成によって実現される。まず、干渉光路の一方を他方に比べて長くすることによって、2本の光路間に伝搬方向に依存しない位相差(相反位相差)を発生させる。また、磁気光学効果を有する材料(以下、「磁気光学材料」とする)を平面状の光導波路中に配置し、外部から導波路面内で伝搬方向に直交する方向(横方向)に磁界を印加して、磁気光学材料の磁化を配向させることによって非相反移相効果を発生させる。光の伝搬方向と磁化の配向方向の関係によって、磁気光学効果による非相反移相効果が決まり、磁化方向を保ったまま伝搬方向を反転させると、非相反移相効果が異なる。以下、順方向伝搬波と逆方向伝搬波の非相反移相効果の差を「非相反移相量」とする。
【0008】
図2の導波路型光アイソレータ101では、干渉計を構成する2本の導波路に互いに反並行に磁界が印加されているため、2本の導波路中を同じ距離伝搬した際の光波の位相差が非相反移相量に一致する。また、順方向伝搬波に対して非相反移相効果によって、2本の導波路間に+φの位相差が生じるとすると、逆方向伝搬波に対しては、これと異符号−φの位相差が生じることになる。
【0009】
この磁気光学効果による非相反移相効果に加え、2本の導波路に1/4波長に相当する光路長差を設けることによって、光路の長い導波路を伝搬する光がπ/2だけ大きな位相変化(以下、「相反位相差」とする)を持つように設計されている。順方向伝搬波に対して、光路の長い導波路の方が短い導波路に比べて非相反移相効果による位相差(非相反位相差)−π/2を生じるようにすれば、順方向伝搬波に対して2本の導波路を伝搬する光波は同位相となる(分岐結合器の中央出力端から出力される)。伝搬方向を反転すると、非相反位相差は符号が反転するため、光路の長い導波路の方が非相反位相差+π/2を与えられる。これと光路長差による+π/2の位相差が加わり、逆位相状態(位相差π)で分岐結合器に入力されることになる(分岐結合器の2本の外側導波路から出力される)。このように正常光と異常光とを位相差を利用してアイソレートしている。このような導波路型光アイソレータの一例が日本国特許3407046号(特許文献1)に記載されている。また、この導波路型光アイソレータに関し、以下の非特許文献1〜4が存在する。
【先行技術文献】
【0010】
【特許文献】
【特許文献1】
特許第3407046号公報
【非特許文献1】
H.Yokoi,T.Mizumoto,N.Shinjo,N.Futakuchi and Y.Nakano, “Demonstration of optical isolator, with a semiconductor guided layer that was obtained by
use of a nonreciprocal phase shift,”Applied Optics, vol.39, No33, pp.6158−6164(2000)
【非特許文献2】
横井、水本、新城、二口、中野、“半導体導波層を有する光アイソレータの動作実証、” 電子情報通信学会技術研究報告、 OPE2000−10、 pp.3417−3421(2000)
【非特許文献3】
T.Mizumoto,S.Mashimo,T.Ida and Y.Naito,“In−plane magnetized rare earth iron garnet for a waveguide optical isolator employing nonreciprocal phase shift,”IEEE Trans.MAG, vol.29,No.6,pp.3417−3421(1993)
【非特許文献4】
T.Mizumoto and Y.Naito,“Nonreciprocal propagation characteristics of YIG thin film,” IEEE Trans.On Microwave Theory and Techniques, vol.MTT−30,No.6,pp.922−925(1982)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0011】
非特許文献1及び2では、GaInAsPを導波層とし、磁気光学材料CeY2Fe5O12(Ce:YIG)を上クラッド層とした光アイソレータを実際に試作し、その特性を測定した結果が報告されている。アイソレータの特性として、4.9dBのアイソレーション比(=逆方向損失−順方向損失)が波長1.55μmで得られたとしている。また、相反移相器の移相量の再現性を明らかにするために、測定に容易な相反移相量πの相反移相器を有するアイソレータ構造を製作し(この場合、アイソレータとしては不十分な動作となる)、相反移相量を測定している。
【0012】
また、非特許文献3では、非相反移相効果を用いた干渉型光アイソレータにおいて、干渉系を構成する光分岐結合器としてテーパ状分岐結合器を用いた構成を提案し、その導波路設計を明らかにしている。また、非相反移相効果は、磁気光学材料である磁性ガーネットの磁化を導波層内方向(基板表面と平行な方向)に配向させることで発現する。磁化を配向させるために必要な磁界の大きさを低減するためには、面内磁化特性を有する磁性ガーネットを成長させる必要がある。非特許文献3では、液相成長法で面内磁化特性を有するガーネット(LuNdBi)3(FeAl)5O12を成長する成長条件を明らかにし、結果として得られた磁性ガーネットの特性を示している。
【0013】
さらに、非特許文献4では、磁性ガーネットY3Fe5O12(YIG)を伝搬するTMモードが受ける非相反移相量を測定し、非相反移相効果を実証している。
【0014】
しかしながら、上述の従来の導波路型光アイソレータでは、図3(a)及び(b)に示すように、動作波長が設計波長である時には上記の通りの位相差が発生し、導波路型光アイソレータとして理想的な動作を示すが、動作波長が変化すると順方向伝搬波、逆方向伝搬波共に非相反移相量及び相反移相量の大きさが変化する。即ち、順方向伝搬波に対して干渉光路が同位相、逆方向伝搬波に対して逆位相という設計条件から誤差が生じ、アイソレータの特性が劣化してしまっていた。ここで、図3(a)のθRは順方向伝搬波及び逆方向伝搬波に対する動作波長における相反位相差を、−θNは順方向伝搬波に対する動作波長における非相反位相差を、θNは逆方向伝搬波に対する動作波長における非相反位相差をそれぞれ示している。
【0015】
また、図3(b)では相反位相差と非相反位相差とを合成した順方向伝搬波と逆方向伝搬波の位相差を表している。これら2つの光波の波長変化に対する位相差の変化の傾きを比べると、逆方向伝搬波の傾きが順方向伝搬波の傾きに比べて大きい。これは動作波長と設計波長との差が大きくなると、入射光の拡散損失よりも、逆方向伝搬波の拡散不足による光レーザの発振特性の劣化が無視できない程大きくなることを示している。そこで、まず動作波長の変化に伴う逆方向伝搬波の拡散量について、設計波長を1.55μmとした導波路型光アイソレータにおいて、動作波長の変化とそれに伴う逆方向伝搬波の拡散量(逆方向損失)の特性を図4に示す。
【0016】
逆方向伝搬波を光レーザに照射させないためには、逆方向伝搬波の拡散量が一定以上(一般的に要求される値は30dB)必要である。図4の特性によると、30dB以上の拡散量を示す波長は1.54〜1.56μm(設計波長1.55μmに対して±0.01μm)であり、この間に動作波長が無い場合、導波路型光アイソレータの逆方向伝搬波拡散効果は要求を満たすほどの性能を発揮することができなかった。
【0017】
一方、動作波長の変化に伴う順方向伝搬波の入射損失について、設計波長1.55μmで設計された導波路型光アイソレータにおける動作波長の変化とそれに伴う順方向伝搬波の入射損失(順方向損失)の特性を図5に示す。
【0018】
設計波長から動作波長がずれた場合、動作波長の変化に対する位相差の傾きは順方向伝搬波に比べて逆方向伝搬波が大きい、即ち順方向伝搬波に対して逆方向伝搬波の波長依存性が高いことは図4と共に上述したが、図5と対比すると、それを顕著に見ることができる。設計波長が1.55μmの導波路型光アイソレータにおいて、動作波長が1.45μm〜1.64μmの間にある場合の順方向伝搬波の入射損失は0.1dBで済んでおり、上述した要求を満たす逆方向伝搬波拡散効果を得られる動作波長1.54〜1.56μmと比べると歴然の差がある。
【0019】
結果として、“逆方向損失−順方向損失”で定義されるアイソレーション比の波長依存性は逆方向損失の波長依存性でほぼ決まるため、従来の導波路型光アイソレータでは動作波長が1.54〜1.56μmを外れてしまうとその特性を発揮できなかった。
【0020】
非特許文献1及び非特許文献2では、得られたアイソレーション特性は4.9dBであり、実用デバイスとしては不十分である。また、アイソレーション特性の測定波長は1.55μmであり、波長特性については述べられていない。さらに、相反移相器としてπ/2の相反移相器を利用しているため、逆方向伝搬波の波長依存性は解消されていない。
【0021】
非特許文献3では、非特許文献1及び2と同様に、相反移相器としてπ/2の相反移相器を利用しているため、逆方向伝搬波の波長依存性は解消されていない。また、非特許文献3の磁性ガーネット(LuNdBi)3(FeAl)5O12では、ファラデー回転係数が−600deg/cm(波長1.31μm)であり、後述する本発明の磁性ガーネットCe:YIGのファラデー回転係数−4500deg/cmに比べ、13%程度である。この結果、非相反移相器の長さが7.5倍近くとなってしまう問題がある。
【0022】
また、非特許文献4は、非相反移相効果という物理現象を実験的に検証した点において意義があるが、実際に光アイソレータなどのデバイス化には至っていない。
【0023】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、逆方向伝搬波の波長依存性を低減させて利用可能な動作波長域を広げると共に、長距離光ファイバ通信に用いられる1.31μm帯と1.55μm帯の2つの波長帯においても動作する導波路型広帯域光アイソレータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0024】
本発明は、化合物半導体基板上に半導体材料を用いた導波層を備え、前記導波層上に光干渉計を構成する第1及び第2の導波路と、前記第1及び第2の導波路の間の入出力部に配設されたテーパ状分岐結合器とを備え、前記導波層上に磁気光学材料から成るクラッド層が形成され、前記クラッド層上に前記磁気光学材料の磁化を所定方向に揃える磁界印加手段を設けて成る導波路型光アイソレータに関し、本発明の上記目的は、前記第1の導波路を伝搬する第1の光波及び前記第2の導波路を伝搬する第2の光波の伝播方向と直交し、かつ前記第1及び第2の導波路の両外面側より中央部に向かう方向に、前記磁界印加手段により磁界を印加するようになっており、基本動作波長をλとして、前記第1の光波と前記第2の光波との位相差を3π/2とする相反移相器と、順方向伝搬波に対してπ/2、逆方向伝搬波に対して−π/2の位相差を与える非相反移相器とを具備することにより、或いは前記第1の導波路を伝搬する第1の光波及び前記第2の導波路を伝搬する第2の光波の伝播方向と直交し、かつ前記第1及び第2の導波路の両外面側より中央部に向かう方向に、前記磁界印加手段により磁界を印加するようになっており、基本動作波長λにおいて、xを0以上の整数として、前記第1の光波と前記第2の光波との位相差を“(x+3/4)×2π”とする相反移相器と、順方向伝搬波に対してπ/2、逆方向伝搬波に対して−π/2の位相差を与える非相反移相器とを具備することによって達成される。
【0025】
また、本発明の上記目的は、前記相反移相器は、前記第1又は第2の導波路の導波路幅に対して、前記導波路幅以上の所定導波路幅を有し、導波路等価屈折率を変化させるようになっていることにより、或いは前記相反移相器が光波の伝搬方向にテーパ導波路を有すると共に、他方の導波路の一部にも前記テーパ導波路を含むことにより、或いは前記第1の導波路が前記相反移相器を含み、前記第2の導波路が前記相反移相器による位相変化を調整する調整部を有し、前記相反移相器を含まない前記第1の導波路の分岐結合器間における光路長をL0、伝搬定数をβ2、前記相反移相器の光路長をL1、伝搬定数をβ1、xを0以上の整数として、前記調整部が、“β1×L1−β2×L2=(x+3/4)×2π”を満たす光路長L2、導波路幅β2を有することにより、或いは前記相反移相器を構成する前記第1又は第2の導波路の導波路の長さを変化させるこことにより、或いは波長が1.31μm帯と1.55μm帯の2つの波長帯において動作することによって、より効果的に達成される。
【0026】
以上のように、本発明の導波路型広帯域光アイソレータによれば、従来の設計波長1.55μmの導波路型光アイソレータでは逆方向伝搬波の拡散量(逆方向損失)30dB以上の動作帯域が設計波長の前後に約20nm(約1.54〜1.56μm)であったのに対して、200nm以上の動作帯域が得られる。
【0027】
導波路構造では、導波路長を変化させことにより相反位相差3π/2を得て、非相反移相差を得る磁界の印加方向を対向方向にした。結果として順方向伝搬波に2π、逆方向伝搬波にπの位相差を与えられる。
【0028】
さらには、相反移相器の導波路幅を一部変化させることにより、或いは導波路の長さを変化させることにより、或いは導波路幅及び導波路の長さを変化させることにより、相反移相器による位相変化の波長依存性を非相反移相器の波長依存性と相殺することで、逆方向伝搬波に対する波長依存性の低減化に成功している。
【0029】
また、導波路幅が変化することで起こる伝搬光の反射や放射を、テーパ状導波路を導入することで抑制することに成功している。
【0030】
光アイソレータでは、順方向損失を多少犠牲にしても逆方向損失(拡散量)を大きくすることが求められることが多く、互いの波長依存性を打ち消すようにして広帯域化を図ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【0031】
【図1】従来の干渉型光アイソレータ(導波路型光アイソレータ)の一例を示す斜視構造図である。
【図2】従来の導波路型光アイソレータの動作原理を説明するための図である。
【図3】従来の動作波長の変化とそれに伴う位相差変化の特性例を示す図である。
【図4】従来の動作波長の変化とそれに伴う逆方向伝搬波の拡散量(逆方向損失)の特性例を示す図である。
【図5】従来の動作波長の変化とそれに伴う順方向伝搬波の入射損失(順方向損失)の特性例を示す図である。
【図6】本発明に係る導波路型広帯域光アイソレータの導波路部分の構成例を示す図である。
【図7】本発明の設計波長における動作原理を説明するための図である。
【図8】動作波長の変化とそれに伴う位相差変化の特性例を示す図である。
【図9】相反位相差の波長依存性を変化させるための相反移相器6の導波路構造例を示す図である。
【図10】動作波長による導波路等価屈折率の波長依存性を示す特性図の一例である。
【図11】Ce:YIGのファラデー回転係数の波長依存性についての特性を示す図である。
【図12】Ce:YIGの屈折率の波長依存性の特性例を示す図である。
【図13】導波路等価屈折率との偏差の波長依存性を示す特性図である。
【図14】相反位相差の波長依存性を調節するための機構を示す図である。
【図15】光アイソレータを構成する導波路断面構造を示す図である。
【図16】SiO2の屈折率の波長依存性の特性例を示す図である。
【図17】相反位相差θRの波長依存性の特性例を示す図である。
【図18】導波路の幅と長さを変化させたときの相反位相差θRの波長依存性の変化の様子を示す図である。
【図19】磁気光学材料Ce:YIG(CeY2Fe5O12)を導波層とした導波路型光アイソレータの一例を示す斜視構造図である。
【図20】逆方向伝搬波に対する損失量(拡散量)の特性例である。
【図21】順方向伝搬波に対する損失量(挿入損失量)の特性例である。
【図22】Siを導波層とした導波路型光アイソレータの一例を示す斜視構造図である。
【図23】導波層Siの屈折率の波長依存性の特性例を示す図である。
【図24】逆方向伝搬波に対する損失量(拡散量)の特性例を示す図である。
【図25】順方向伝搬波に対する損失量(挿入損失量)の特性例を示す図である。
【図26】中心波長1.55μmの導波路広帯域光アイソレータの逆方向損失(実線)及び順方向損失(破線)の波長依存性を示す図である。
【図27】中心波長1.43μmの導波路広帯域光アイソレータの逆方向損失(実線)及び順方向損失(破線)の波長依存性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0032】
本発明に係る導波路型広帯域光アイソレータは、設計波長と同じ動作波長を光アイソレータに入射した際に、相反移相量として3π/2を順方向伝搬波及び逆方向伝搬波の双方に与えると共に、非相反移相量として+π/2を順方向伝搬波、−π/2を逆方向伝搬波のそれぞれに与えることで、2本の導波路を進む光波にはそれぞれ順方向伝搬波に対して位相差2π、逆方向伝搬波に対して位相差πを与える。即ち、順方向伝搬波に対しては同位相、逆方向伝搬波に対しては逆位相となる位相差を与える。この位相差により、順方向伝搬波を分岐結合器の中央端から出力すると共に、逆方向伝搬波を中央端横の不要光出力端から出力させる。
【0033】
順方向伝搬波に対して、相反位相量と非相反位相量の和を与え、逆方向伝搬波に対して、相反位相量と非相反位相量の差を与えるため、動作波長が設計波長からずれた際の動作波長の変移による位相ずれの推移は、順方向伝搬波より逆方向伝搬波の傾きの方が滑らかとなる。これにより、動作波長が設計波長からずれた場合でも、位相差πからのずれを最小限に留めている。
【0034】
これにより、逆方向損失の波長依存性を抑制し、アイソレーション比を定義する“逆方向損失−順方向損失”の値を安定させて広帯域化を実現させている。
【0035】
また、導波路幅を調節して、導波路等価屈折率の波長依存性を変化させることにより、或いは導波路長を変化させることにより、或いは導波路幅及び導波路長を変化させることにより、相反位相差の波長依存性を調節して非相反位相差の波長依存性を打ち消して動作波長による位相変化のずれの補正を図っている。その結果、非相反位相差及び相反位相差の設計値からの偏差の絶対値が等しくなるように波長依存性を調整し、光アイソレータの広帯域化を図っている。
【0036】
以下に、本発明に係る導波路型広帯域光アイソレータについて、図面を参照して説明する。なお、本発明に係る導波路型広帯域光アイソレータの全体構成は、磁界印加方向を逆方向にする以外は従来の図1と同じ構成であり、説明は省略する。
【0037】
図6は、導波路型広帯域光アイソレータの導波路部分に関する構成を示す図であり、図7(a)及び(b)は設計波長における動作原理を表す図である。
【0038】
導波路型広帯域光アイソレータ1の導波路部は、光レーザの入射光に対して異常光となる反射光等を拡散させる不要光出力端2と、光レーザの入力端及び出力端となる中央端3と、順方向伝搬波及び逆方向伝搬波の分岐・結合を行う分岐結合器4と、順方向伝搬波及び逆方向伝搬波に対して磁界を印加することで位相差を発生させる非相反移相器5と、分岐結合器4によって分岐された2つの順方向伝搬波及び逆方向伝搬波のそれぞれに光路長差によって相反位相差を発生させる相反移相器6とから構成されている。
【0039】
非相反移相を与える非相反移相器5は磁界の印加方向を対向方向とし、2本の導波路を進む設計波長を持つ順方向伝搬波間に+π/2の位相差を与え、逆方向伝搬波間に−π/2の位相差を与える。
【0040】
一方、相反移相器6は、設計波長を持つ順方向伝搬波及び逆方向伝搬波共に3π/2の位相差を双方に与える。従って、相反移相器6は2本の導波路間に光路長差は3λ/4(以下、「設計波長」をλとする)を生じるように設計されている。
【0041】
結果として、順方向伝搬波は入力側の中央端3から入射され、分岐結合器4によって分岐された後、相反移相器6によって3π/2の位相差が与えられ、非相反移相器5によって+π/2の位相差が与えられる。出力側の分岐結合器4において結合される際には、2πの位相差が順方向伝搬波に対して発生している。2πの位相差は位相差0と同意であるから、出力側の中央端3から出力される(図7(a))。
【0042】
逆に、逆方向伝搬波(反射戻り光)は出力側の中央端3から入射し、分岐結合器4によって分岐された後、相反移相器6によって3π/2の位相差が与えられ、非相反移相器5によって−π/2の位相差が与えられる。入力側の分岐結合器4において結合される際には、πの位相差が逆方向伝搬波に対して発生している。これにより、逆方向伝搬波は入力側の不用光出力端2から拡散される(図7(b))。
【0043】
なお、簡便のため相反移相器6の光路長差は、設計波長λに対して3λ/4を用いたが、相反移相器6によって与えられる光路長差は、下記(1)式の長さを有すれば良い。
【0044】
(x+3/4)λ ・・・(1)
ただし、xは0以上の整数である。
【0045】
これにより、(x+3/4)×2πの相反位相差を順方向伝搬波及び逆方向伝搬波の双方に得ることができる。
【0046】
また、非相反移相器による非相反位相差をπ/2の奇数倍(3以上)として導波路型広帯域光アイソレータ1を構成することも可能である。しかしながら、所望の非相反移相量を得るために必要な伝搬距離は、同じ大きさの相反移相量を得るために必要な伝搬距離に比べて3桁以上長いため、非相反位相差をπ/2の奇数倍(3以上)とする方法は現実的ではない。なお、以下では簡便のため、相反移相器6による位相変化は3π/2を用いて詳述する。
【0047】
この導波路型広帯域光アイソレータ1の、相反位相差θRと非相反位相差(順方向伝搬θN、逆方向伝搬−θN)の波長依存性の特性例を図8(a)及び(b)に示す。相反位相差と非相反位相差の波長依存性は、相反移相器6における動作波長の変化に対する相反移相量の推移の傾き(θR)と、非相反移相器5における動作波長の変化に対する非相反移相量の推移の傾き(順方向伝搬θN、逆方向伝搬−θN)とで表される(図8(a))。相反位相差と非相反位相差の波長依存性は、θRの傾きとθNの傾きとが同じ符号を持っているため、逆方向伝搬波に生じる位相差(−θN+θR)の波長依存性を低減することができる。このため、相反位相差がπ/2の場合に比べ、順方向伝搬波において生じる位相差の波長依存性は増大するが、逆方向伝搬波において生じる位相差の波長依存性は低減される。このようにして、導波路型光アイソレータの動作波長領域を広帯域化することができる。
【0048】
図9は、相反位相差の波長依存性を変化させるための相反移相器6の導波路構造を表した図である。
【0049】
上述のように、設計波長λにおいて、相反移相器6で光波に対して3π/2の相反位相差を与えるためには、相反移相器6が3λ/4の導波路長を有すのみで実現可能である。しかしながら、設計波長λから動作波長がずれた場合、非相反移相器5及び相反移相器6共に得られる位相差は設計波長の移相量π/2及び3π/2からずれを生じる。このずれは、上述した非相反移相器5及び相反移相器6による移相量により打ち消すことができるが、より効果的に打ち消すために相反移相器6を微調整する。これは、相反移相器6の導波路幅を変化させ、それに伴う導波路等価屈折率を変化させて位相差の偏差を小さくすることで実現する。
【0050】
相反移相器6は、他方の導波路に対して導波路幅を変化させ、伝搬定数β1、光路長L1とする。この相反移相器6は、入力側の分岐結合器4によって分岐された導波路の一方に設置され、伝搬する順方向伝搬波及び逆方向伝搬波に対して双方に同じ位相差を発生させる。相反移相器6による相反移相効果は、下記(2)式によって決まり、その波長依存性は“2π/波長×導波路等価屈折率”の項に現れる。
【0051】
2π/波長×導波路等価屈折率×光路長 ・・・(2)
【0052】
即ち、一般的に同一の導波路で考えると、“2π/波長×導波路等価屈折率”の値は、短波長側で大きくなる。
【0053】
空気(上クラッド層)/Ce:YIG(導波層)/((Ca,Mg,Zr)−doped Gd3Ga5O12)(NOG)基板(下クラッド層)を一例として、導波路幅2.0μm、導波層厚0.48μm、リブ高0.06μmにおける、動作波長による導波路等価屈折率の波長依存性を図10に示す。このように、波長が長くなると導波路等価屈折率は減少する。即ち波長が短くなれば、“2π/波長”は増大し、積算される導波路等価屈折率も短波長側で大きいため、“2π/波長×導波路等価屈折率”の値も短波長側で大きくなる。
【0054】
一方、非相反移相器5による非相反移相効果の波長依存性は、磁気光学材料(磁性ガーネット)の磁気光学係数の波長依存性によってほぼ決まり、短波長側で大きな非相反移相効果が得られる。磁気光学ガーネットCe:YIGのファラデー回転数の波長依存性を示す特性例を図11に、Ce:YIGの屈折率の波長依存性を示す特性例を図12に示す。
【0055】
ここで、非相反移相器5及び相反移相器6による逆方向伝搬波について考えると、非相反移相量と相反移相量とを近似させることで、設計波長λから動作波長がずれた場合でも位相差πとの偏差を小さくすることができる。そこで、相反移相器6の導波路幅を変化させることにより導波路等価屈折率を変化させ、下記(3)式とすることで逆方向伝搬波に対する波長依存性を相殺している。
【0056】
2π/波長×導波路等価屈折率×光路差−非相反位相差
≒π ・・・(3)
【0057】
空気(上クラッド層)/Ce:YIG(導波層)/NOG基板(下クラッド層)を一例として、導波路幅を2.2μm、2.4μm、3.0μmとした時の導波路等価屈折率と、導波路幅2.0μmの導波路等価屈折率との偏差の波長依存性の特性例を図13に示す。この導波路等価屈折率の波長依存性を利用して、導波路等価屈折率の項を調節し、非相反移相効果の波長依存性への近似を実現している。
【0058】
導波路型広帯域光アイソレータの動作領域を更に広帯域化するためには、相反位相差を導波路の幅だけでなく長さも変化させることによって調節する。相反移相器6に相対する導波路に、導波路幅の変わらない光路長L2を有する調整部8を設ける。相反移相器6以外の導波路の伝搬係数をβ2とし、設計波長λにおいて、下記(4)式が成立する。
【0059】
β1×L1−β2×L2=3π/2 ・・・(4)
【0060】
そして、波長が変化した場合の相反位相差β1×L1−β2×L2の3π/2からの偏差が、非相反位相差のπ/2からの偏差と等しくなるように、導波路の幅と長さを変化させて、相反移相器6の導波路変化に対する微調整を行う。
【0061】
結果として、分岐結合器4間の相反移相器6を除いた部分の1本の光路長をL0とすると、相反移相器6側導波路の分岐結合器4間の光路長L01は下記(5)式となる。
【0062】
L01=伝搬定数β2の区間L0+伝搬定数β1の区間L1(相反移相器6)
・・・(5)
【0063】
また、他方側導波路の分岐結合器4間の光路長L02は下記(6)式となる。
【0064】
L02=伝搬定数β2の区間L0+伝搬定数β2の区間L2(調整部8)
・・・(6)
【0065】
なお、導波路幅を変化させる場合、急激に変化させるとその部分で伝搬光の反射や放射が生じ、伝搬損失に繋がってしまう。そこで、導波路が異なる区間の接続部分に、順方向伝搬波及び逆方向伝搬波の伝搬方向に対して徐々に導波路幅が変化するテーパ導波路7を挿入する。また、このテーパ導波路7によって相反移相器6側に意図しない位相差が生じてしまうため、もう一方の導波路にもテーパ導波路7を挿入する。これにより、テーパ導波路7を挿入することによる2本の導波路のアンバランスを補償している。
【0066】
ここで具体的に、導波路の幅と長さを変化させたときに、相反位相差の波長依存性がどのように変化するかを計算した結果を説明する。ここで考える導波路型広帯域光アイソレータの導波路構造を図14に示す。ここでは分岐部にテーパ状分岐結合器を用いる代わりに、多モード干渉結合器(MMIカプラ)9を用いる。多モード分岐結合器を用いると、波長依存性の小さい分岐特性が実現される。導波路1の幅W1と長さL1を変化させることによって、相反位相差を調節する。光アイソレータの導波路断面構造を図15に示す。磁気光学材料Ce:YIGを導波層とし、上クラッド層としてSiO2を、Ce:YIGを結晶成長させるNOG基板を下クラッド層とする。相反位相差の計算には、Ce:YIGの屈折率の波長依存性(図12)、SiO2の屈折率の波長依存性(図16)を用いる。相反位相差θRおよび非相反位相差θNの典型的な波長依存性は図17に示される。図3および図8では、これら位相差の波長依存性は、簡単化のために直線で表していたが、実際の導波路では、図17に示されるように波長依存性は曲線的な変化を示す。導波路1の幅W1を変化させると、相反位相差は図18(a)のような波長依存性を示す。また、導波路1の長さL1を変化させると、相反位相差は図18(b)のような波長依存性を示す。このように相反位相差の導波路幅および長さに対する依存性を利用すると、逆方向伝搬光の位相差が理想値πに一致するように設計することができる。
【0067】
このことを利用して、1.31μm帯(1.26〜1.36μm)と1.55μm帯(1.53〜1.625μm)の2つの波長帯をカバーする全波長域にわたって、30dB以上の逆方向損失を有する導波路型広帯域光アイソレータを製造することができる。これにより、長距離光ファイバ通信に用いられる1.31μm帯と1.55μm帯の2つの波長帯においても動作する。
【0068】
以下に、本発明の導波路型広帯域光アイソレータを用いた実施例を説明する。
【実施例1】
【0069】
図19に示した磁気光学材料Ce:YIG(CeY2Fe5O12)を導波層とした導波路型光アイソレータでの広帯域化を実施例1として説明する。
【0070】
Ce:YIGは磁気光学材料であるため、Ce:YIGによるファラデー回転係数の波長依存性を考慮する必要がある。Ce:YIGによるファラデー回転係数の波長依存性については、図11に示した値をとるCe:YIGを利用した。また、Ce:YIGの屈折率の波長依存性については、図12に示した値をとるCe:YIGを利用した。これらを考慮して、Ce:YIGを導波層とした導波路型光アイソレータを考えた。
【0071】
導波路の層構造は、空気(上クラッド)/Ce:YIG(導波層)/NOG(下クラッド)とした。また、逆方向伝搬波に対する波長依存性をできるだけ小さく抑えるように、図9の相反移相器6を、L1=10.0μm、L2=10.59μm、W1=2.4μm、W2=2.0μm(W1は相反移相器6の導波路幅、W2は相反移相器以外の導波路幅)とした。また、Ce:YIG導波層の厚さを0.48μmとした。
【0072】
この設計により得られる導波路型光アイソレータの逆方向伝搬波に対する損失量(拡散量)の特性例を図20に、順方向伝搬波に対する損失量(順方向損失量)の特性例を図21にそれぞれ示す。
【0073】
この導波路型広帯域光アイソレータでは、波長1.40〜1.63μmにわたって30dB以上の逆方向損失(拡散量)が得られる(従来の光アイソレータでは、波長1.54〜1.56μmで逆方向損失30dB以上)。逆に、順方向伝搬波に対する波長依存性は従来型の方が小さく、この導波路型広帯域光アイソレータでは、逆方向損失(拡散量)30dB以上の帯域内で挿入損失量が最も大きい帯域端(波長1.40μm)で1.3dB程度に増加する(従来型では同じ波長で0.1dB)。しかし、逆方向損失−順方向損失で定義されるアイソレーション比の波長依存性は、逆方向損失の波長依存性でほぼ決まり、大幅な広帯域化が実現される。なお、順方向伝搬波の損失量は、光増幅器等で補うことができるため、大きな問題とはならない。
【実施例2】
【0074】
図22に示したSiを導波層とした導波路型光アイソレータでの広帯域化を実施例2として説明する。
【0075】
この導波路型光アイソレータの層構造は、Ce:YIG(上クラッド)/Si(導波層)/SiO2(下クラッド層)である。上クラッドCe:YIGのファラデー回転係数の波長依存性は、図11を用いて上述した値をとるCe:YIGを利用し、導波層Siの屈折率の波長依存性については図23に示した値をとるSiを利用し、基板SiO2の屈折率の波長依存性については図16に示した値をとるSiO2を利用した。この導波路型光アイソレータは、SOIウエーハ(Si/SiO2/Si)で形成される超小型アイソレータの一例であり、シリコンフォトニクス光回路用の光アイソレータとして用いられる。なお、図22では、分岐結合器4に多モード干渉結合器(MMIカプラ)を用いているが、本発明の位相差波長依存性平坦化によるアイソレータの広帯域化には影響しない。この構造を有する導波路型光アイソレータについて考えた。
【0076】
逆方向伝搬波の波長依存性をできるだけ小さく抑えるように図9の相反移相器6をL1=3.30μm、L2=4.084μm、W1=0.8μm、W2=0.6μm(W1は相反移相器6の導波路幅、W2は相反移相器以外の導波路幅)とした。また、Si導波層の厚さは0.2μmとした。
【0077】
この設計により得られる導波路型光アイソレータの逆方向伝搬波に対する損失量(拡散量)の特性例を図24に、順方向伝搬波に対する損失量(順方向損失量)の特性例を25図にそれぞれ示す。
【0078】
この導波路型広帯域光アイソレータでは、波長1.485〜1.63μmにわたって30dB以上の逆方向損失(拡散量)が得られる(従来の光アイソレータでは、波長1.54〜1.56μmで逆方向損失30dB以上)。逆に、順方向伝搬波に対する波長依存性は従来型の方が小さく、この導波路型広帯域光アイソレータでは、逆方向損失(拡散量)30dB以上の帯域内で挿入損失量が最も大きい帯域端(波長1.485μm)で0.5dB程度に増加する(従来型では同じ波長で0.05dB)。しかし、逆方向損失−順方向損失で定義されるアイソレーション比の波長依存性は、逆方向損失の波長依存性でほぼ決まり、大幅な広帯域化が実現される。なお、順方向伝搬波の挿入損失量は、光増幅器等で補うことができるため、大きな問題とはならない。また、GaInAsPを導波層とした導波路型光アイソレータはこのSi導波層を利用した導波路型光アイソレータの変形であり、同様の効果があると考えられる
【実施例3】
【0079】
中心波長1.55μmの導波路型広帯域光アイソレータの特性を示す。導波路の構造は、図14で、L1=900μm、L2=899.55μm、W1=2.4μm,W2=2.0μm、Lt=10μmとしたものである。この設計で得られる導波路型光アイソレータに入射した光波の損失の波長依存性を図26に示す。逆方向伝搬波に対する損失量が実線、順方向伝搬波に対する損失量が破線で示される。波長1.4μm〜1.65μmにわたって、逆方向損失は一般に要求される値30dBを大きく上回っている。入射光の波長の1.55μmからのずれが大きくなるに従って順方向損失が大きくなるが、逆方向損失量−順方向損失量で定義されるアイソレーション比の波長依存性は、逆方向損失の波長依存性でほぼ決まり、大幅な広帯域化が実現される。なお、順方向伝搬波の挿入損失量は、光増幅器等で補うことができるため、大きな問題とはならない。
【実施例4】
【0080】
中心波長1.43μmの光アイソレータの特性を示す。導波路の構造は、図14でL1=930μm、L2=929.72μm、W1=3.0μm、W2=2.0μm、Lt=10μmとしたものである。この設計で得られる導波路型光アイソレータに入射した光波の損失の波長依存性を図27に示す。逆方向伝搬波に対する損失量が実線、順方向伝搬波に対する損失量が破線で示される。逆方向損失が一般に要求される値30dBを上回っている範囲は、1.31μm帯(1.26〜1.36μm)と1.55μm帯(1.53〜1.625μm)の2つの波長帯にわたっている。入射光の波長の1.43μmからのずれが大きくなるに従って順方向損失が大きくなるが、逆方向損失量−順方向損失量で定義されるアイソレーション比の波長依存性は、逆方向損失の波長依存性でほぼ決まり、大幅な広帯域化が実現される。なお、順方向伝搬波の挿入損失量は、光増幅器等で補うことができるため、大きな問題とはならない。
Claims (7)
- 化合物半導体基板上に半導体材料を用いた導波層を備え、前記導波層上に光干渉計を構成する第1及び第2の導波路と、前記第1及び第2の導波路の間の入出力部に配設されたテーパ状分岐結合器とを備え、前記導波層上に磁気光学材料から成るクラッド層が形成され、前記クラッド層上に前記磁気光学材料の磁化を所定方向に揃える磁界印加手段を設けて成る導波路型光アイソレータにおいて、
前記第1の導波路を伝搬する第1の光波及び前記第2の導波路を伝搬する第2の光波の伝播方向と直交し、かつ前記第1及び第2の導波路の両外面側より中央部に向かう方向に、前記磁界印加手段により磁界を印加するようになっており、
基本動作波長をλとして、前記第1の光波と前記第2の光波との位相差を3π/2とする相反移相器と、
順方向伝搬波に対してπ/2、逆方向伝搬波に対して−π/2の位相差を与える非相反移相器と、
を具備したことを特徴とする導波路型広帯域光アイソレータ。 - 化合物半導体基板上に半導体材料を用いた導波層を備え、前記導波層上に光干渉計を構成する第1及び第2の導波路と、前記第1及び第2の導波路の間の入出力部に配設されたテーパ状分岐結合器とを備え、前記導波層上に磁気光学材料から成るクラッド層が形成され、前記クラッド層上に前記磁気光学材料の磁化を所定方向に揃える磁界印加手段を設けて成る導波路型光アイソレータにおいて、
前記第1の導波路を伝搬する第1の光波及び前記第2の導波路を伝搬する第2の光波の伝播方向と直交し、かつ前記第1及び第2の導波路の両外面側より中央部に向かう方向に、前記磁界印加手段により磁界を印加するようになっており、
基本動作波長λにおいて、xを0以上の整数として、前記第1の光波と前記第2の光波との位相差を“(x+3/4)×2π”とする相反移相器と、
順方向伝搬波に対してπ/2、逆方向伝搬波に対して−π/2の位相差を与える非相反移相器と、
を具備したことを特徴とする導波路型広帯域光アイソレータ。 - 前記相反移相器は、前記第1又は第2の導波路の導波路幅に対して、前記導波路幅以上の所定導波路幅を有し、導波路等価屈折率を変化させるようになっている請求項1又は2に記載の導波路型広帯域光アイソレータ。
- 前記相反移相器が光波の伝搬方向にテーパ導波路を有すると共に、他方の導波路の一部にも前記テーパ導波路を含む請求項1乃至3のいずれかに記載の導波路型広帯域光アイソレータ。
- 前記第1の導波路が前記相反移相器を含み、前記第2の導波路が前記相反移相器による位相変化を調整する調整部を有し、前記相反移相器を含まない前記第1の導波路の分岐結合器間における光路長をL0、伝搬定数をβ2、前記相反移相器の光路長をL1、伝搬定数をβ1、xを0以上の整数として、前記調整部が、“β1×L1−β2×L2=(x+3/4)×2π”を満たす光路長L2、導波路幅β2を有する請求項3又は4に記載の導波路型広帯域光アイソレータ。
- 前記相反移相器を構成する前記第1又は第2の導波路の導波路の長さを変化させることのできる請求項1乃至4のいずれかに記載の導波路型広帯域光アイソレータ。
- 波長が1.31μm帯と1.55μm帯の2つの波長帯において動作する請求項6に記載の導波路型広帯域光アイソレータ。
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