JP6986491B2 - 非相反性フィルタ - Google Patents

Description

本開示は、非相反性フィルタに関する。

アイソレータは、電磁波の伝播方向によって透過率が異なる非相反性を有する。非相反性効果を得るために、磁性体材料が一般的に用いられている（例えば、特許文献１参照）。

特許第４４１２５４９号公報

アイソレータは、非相反性を有する非相反性フィルタである。非相反性フィルタは、容易かつ安価に製造するため非相反性を与える素子の材料選択の自由度が高いことが望ましい。本開示の目的は、非相反性効果を得るための材料選択の制約を低減した非相反性フィルタを提供することにある。

本開示の非相反性フィルタは、第１点と第２点との間でフィルタとナノグラニュラー材料を含む非相反性線路とが並列に接続した等価回路で表される。等価回路は、第１点から第２点に向けて進む信号に関する第１フィルタ特性と、第２点から第１点に向けて進む信号に関する第２フィルタ特性とを有する。第１フィルタ特性および第２フィルタ特性の所定の有効帯域における透過率の関係によりアイソレータとして機能し、アイソレータを通る電磁波のエネルギーの大部分は、フィルタ側を通り、第２点から第１点に向かう電磁波を減衰させるものである。第１フィルタ特性は、前記所定の有効帯域が含まれる通過帯域を形成し、前記通過帯域外に、前記非相反性線路の特性に応じて現れる第１減衰極を有する。第２フィルタ特性は、第１フィルタ特性における第１減衰極の通過帯域側に、非相反性線路の特性に応じて現れる第２減衰極を有し、第２減衰極によって、有効帯域において、第１フィルタ特性における透過率よりも低い透過率で信号を透過させる。

本開示の実施形態によれば、非相反性効果を得るための材料選択の制約を低減した非相反性フィルタを提供することができる。

図１は、一実施形態に係るアイソレータの基本構成を示す等価回路を示す図である。 図２は、図１の等価回路をより詳細に示す第１例の等価回路を示す図である。 図３は、図２の等価回路に含まれる破線部を拡大して示す図である。 図４は、図２の等価回路の挿入損失の周波数特性を示す図である。 図５は、図４の一部を横軸方向に拡大して示す図である。 図６は、図５の横軸を波長に変換した図である。 図７は、図１の等価回路をより詳細に示す第２例の等価回路を示す図である。 図８は、図７の等価回路の挿入損失の周波数特性を示す図である。 図９は、図８の一部を横軸方向に拡大して示す図である。 図１０は、ｔａｎδに対するロス量を表す図である。 図１１は、図１の等価回路をより詳細に示す第３例の等価回路を示す図である。 図１２は、図１１の等価回路の挿入損失の周波数特性を示す図である。 図１３は、図１２の一部を横軸方向に拡大して示す図である。 図１４は、図１の等価回路をより詳細に示す第４例の等価回路を示す図である。 図１５は、図１４の等価回路の挿入損失の周波数特性を示す図である。 図１６は、図１５の一部を横軸方向に拡大して示す図である。 図１７は、図１の等価回路をより詳細に示す第５例の等価回路を示す図である。 図１８は、図１７の等価回路の挿入損失の周波数特性を示す図である。 図１９は、図１８の一部を横軸方向に拡大して示す図である。 図２０は、一実施形態に係るアイソレータの構成を示す模式図である。 図２１は、高周波数側と低周波数側との減衰極の変化を説明する図である。 図２２は、従来技術によるアイソレータの概略構成を示す図である。

本開示の非相反性フィルタについて詳細を説明する前に、比較のため従来技術に係るファラデー効果を利用したアイソレータ１００について、図２２を参照して説明する。アイソレータ１００は、例えば、赤外線領域の直線偏光光源を用いる光通信用途に用いられる。

図１３に示すアイソレータ１００は、ファラデー旋光子１０１を２枚の偏光子１０２及び１０３の間に配置して構成される。ファラデー旋光子１０１、偏光子１０２、１０３は何れも板状の部材であり、互いの面を対向させ平行に配置される。以下の図１３に関する説明において、ｘ方向及びｙ方向は、ファラデー旋光子１０１、偏光子１０２、１０３の面に沿う方向とする。ｚ方向は、ｘ方向およびｙ方向に垂直な方向とする。ｘ方向及びｙ方向は互いに直交するものとする。磁場Ｈをｚ方向に印加した状態で、ファラデー旋光子１０１は、ファラデー効果によりｚ方向に進行する直線偏光の偏光面を４５度回転させる。偏光子１０２は、ｙ方向に透過軸を有する。偏光子１０３は、ｙ方向に対してファラデー旋光子１０１による旋光方向に４５度傾けた方向に透過軸を有する。

光通信用途などで光源として多くの場合に用いられる半導体レーザーは、直線偏光を有する。アイソレータ１００の偏光子１０２側からｙ方向に偏光した直線偏光を入射させると、入射光は、ｙ方向に透過軸を有する偏光子１０２を透過する。偏光子１０２を透過した入射光は、磁場Ｈが印加されたファラデー旋光子１０１により偏光方向を４５度回転される。更に、ファラデー旋光子１０１を透過した入射光は、透過軸がｙ軸に対して４５度傾けられた偏光子１０３を透過する。

一方、偏光子１０３側からは戻り光が入射しうる。戻り光は通常ランダムな偏光方向を有しうるが、偏光子１０３により、ｙ軸方向に４５度傾いた直線偏光成分のみが透過する。偏光子１０３を透過した戻り光は、ファラデー旋光子１０１により、偏光方向が４５度回転し、ｙ方向に垂直なｘ方向となる。このため、ファラデー旋光子１０１を透過した戻り光は、偏光子１０２を通過できない。

このように、ファラデー旋光子１０１により４５度の旋光角を得られることが、アイソレータ１００が戻り光を遮断しアイソレータとして機能するために必須の要件である。赤外線領域では、このファラデー旋光子１０１には、磁性ガーネットが用いられている。

一方、可視光領域では、磁性ガーネットは不透過である。このため、可視光領域で用いられるアイソレータでは、磁性ガラスを用いて、赤外光の場合と同様の効果を持たせている。しかし、磁性ガーネットに比べると磁性ガラスは、ヴェルデ定数が小さいため、４５度の旋光角を得るためにアイソレータのサイズが大型化し、高価になる。入射光の偏光性に依存しない偏光無依存アイソレータも市販されているが、これは、ファラデー旋光子に加え２枚の複屈折結晶を用いて、往路と復路との光の経路が変化するように構成され、非常に高価である。

マイクロ波領域では、特許文献１に記載されるように、非相反性効果を得る為に磁性フェライトを用いることが一般的である。

いずれの場合も、アイソレータは、挿入損失を低減する為に、透過率が高く、かつ、非相反性効果が得られる素材を利用して構成することが必要とされる。

本開示におけるアイソレータは、非相反性フィルタの一形態である。本開示の非相反性フィルタは、４５度の旋光角を必要とせず、且つ、磁性体材料の透過率が直接非相反性フィルタの透過特性を決定しない。このため、本開示の非相反性フィルタは、非相反性効果を得るための磁性体材料の選択肢が拡大し、小型且つ安価に製造することが可能となる。また、基板実装可能な素材より非相反性材料を選択できるようになるため、導波路構造が容易に作製可能になる。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の説明で用いられる図は模式的なものである。図面上の寸法比率等は現実のものとは必ずしも一致していない。

（等価回路の基本構成）
図１に示すように、本開示のアイソレータに係る等価回路１０は、第１点１１と第２点１２との間に並列に接続されたフィルタ２０と非相反性線路３０とを含む。等価回路１０は、第１分岐点１３と第２分岐点１４との間で２つの並行する線路に分岐し、分岐した一方の線路にフィルタが接続され、他方の線路に非相反性線路３０が接続されている。以下では、第１点１１から第２点１２に向けかう信号の経路を往路、第２点１２から第１点１１に向かう信号の経路を復路と呼ぶ。本開示のアイソレータは、等価回路１０に従い製作することが可能である。

フィルタ２０は多段の共振器よりなり、フィルタ２０全体としては、バンドパスフィルタ、ローパスフィルタ、又は、ハイパスフィルタなどを形成している。フィルタ２０に対して、並列線路を設けることで、等価回路１０の通過特性に減衰極が形成される。このとき、並列線路を非相反性線路３０とすることで、非相反性線路３０の特性に応じて、往路で現れる減衰極（以下、「第１減衰極」とする）の周波数と、復路で現れる減衰極（以下、「第２減衰極」とする）の周波数とを異ならせることができる。したがって、等価回路１０は、往路を進む信号と復路を進む信号とで異なるフィルタ特性を有しうる。往路を進む信号に関するフィルタ特性を第１フィルタ特性とし、復路を進む信号に関するフィルタ特性を第２フィルタ特性とする。

往路ではフィルタ２０の通過帯域に含まれ第１減衰極の影響を受けずに信号が透過する帯域であって、復路では第２減衰極により信号が減衰する帯域を有効帯域とする。第１フィルタ特性では、等価回路１０が形成する通過帯域に有効帯域が含まれ、通過帯域外に第１減衰極が現れる。第２フィルタ特性では、第１フィルタ特性の通過帯域内に第２減衰極が現れる。これにより、有効帯域において、第２フィルタ特性における透過率が、第１フィルタ特性における透過率よりも低くなる。第２フィルタ特性における透過率が十分低いとき、有効帯域で、等価回路１０に対応する非相反性フィルタは、アイソレータとして機能することになる。

等価回路１０において、非相反性線路３０は、フィルタ２０の通過特性に減衰極を形成するためにのみ利用される。このため、第１点１１と第２点１２との間を通る信号を主としてフィルタ２０の接続された線路を通し、非相反性線路３０を通る信号を少なくすることができる。このことは、等価回路１０に対応するアイソレータにおいて、電磁波のエネルギーの大部分をフィルタ２０側に分配し、非相反性線路３０での損失の影響を小さくすることができることを意味する。

等価回路１０に対応するアイソレータにおいて、入射する電磁波が円偏波であれば、等価回路１０の非相反性線路３０が有する非相反性は、往路と復路との屈折率の違いとして具現化されうる。入射する電磁波が直線偏波であれば、非相反性はファラデー回転角の違いとして具現化されうる。これらの特性を利用することで、上述の往路と復路の差異を発生させることが可能となる。

（等価回路の第１例）
図２は、非相反性線路３０に損失が無いものとした第１例に係るアイソレータの等価回路１０ａである。等価回路１０ａのフィルタ２０は、複数段のＬＣ共振器２１ａ〜２１ｌ（以下、適宜ＬＣ共振器２１とする）がキャパシタ２２ａ〜２２ｋ（以下、適宜キャパシタ２２とする）を挟んで並列に配置されたバンドパスフィルタである。図３に示すように、各ＬＣ共振器２１は、キャパシタ２３及びインダクタ２４が並列に接続され、隣り合うＬＣ共振器２１とキャパシタ２２により電気的に結合されている。また、非相反性線路３０として、無損失位相回路３１がフィルタ２０に対して並列に配置されている。

等価回路１０ａでは、入出力インピーダンスを５０Ω、無損失位相回路３１のインピーダンスを２２０Ω、往路での移相を９８°、復路での移相を１２５°と設定した。ＬＣ共振器２１は、所望の共振周波数になるように設計した。キャパシタ２２のキャパシタンスは、ＬＣ共振器２１間の結合量が所望の数値になるように設計した。これらの数値の求め方は、一般的にフィルタ理論から導出できることが知られている（例えば、小西良弘著、「マイクロ波技術講座」、ケイラボ出版、２００１年を参照）。本実施例の場合には、ＬＣ共振器２１の共振周波数を１．０１ＧＨｚ、帯域幅を０．７１ＧＨｚと設定して各素子値を求めた。各ＬＣ共振器２１間のキャパシタ２２のキャパシタンスは種々の設定が可能であるが、例えば、全てのキャパシタ２２のキャパシタンスを、２．２６ｐＦと設定できる。

上記設計例が示すように、等価回路１０ａの特性インピーダンス５０Ωに対して、無損失位相回路３１の特性インピーダンスを２２０Ωとしてよい。このため、等価回路１０ａに基づくアイソレータを通る電磁波のエネルギーの大部分は、フィルタ２０側を通ることが分かる。

図４は、より一般的な設計例として、シミュレーションにより得られた規格化周波数におけるフィルタ特性を示す。図４において、破線は、往路の規格化周波数に対する挿入損失を示す。図４において、実線は、復路の規格化周波数に対する挿入損失を示す。すなわち、破線は、等価回路１０ａの往路における第１フィルタ特性を示している。また、実線は等価回路１０ａの復路における第２フィルタ特性を示している。往路では、破線で示す挿入損失が小さい通過帯域Ｂｐを有する。往路における第１減衰極Ａ１は、通過帯域Ｂｐ外の周波数を有する。図４に示すように、往路と復路とでは形成される減衰極の周波数が異なる。復路における第２減衰極Ａ２は、往路のフィルタ特性における第１減衰極Ａ１の通過帯域Ｂｐ側に位置する。このときのアイソレータとして使用できる有効帯域Ｂｅは、一点鎖線で示されるように、規格化周波数軸において０．８７から０．９４の範囲となる。

規格化周波数とは、フィルタ設計において一般的に使用されているものであり、フィルタの通過帯域幅を−１から１とし、フィルタの中心周波数を０としたものである。このようなフィルタから、ローパスフィルタ、バンドパスフィルタ、ハイパスフィルタなどを、周波数変換することで自由に設計することができる。例えば、バンドパスフィルタの場合には、次式により周波数変換することで規格化周波数Ｆから任意の実周波数fへ変換できることが知られている。

Ｆ＝Ａ（ｆ／ｆ０−ｆ０／ｆ） （１）
ただし、ｆ０は任意のフィルタの中心周波数、ｆは実周波数、Ａは比帯域幅である。規格化周波数Ｆから任意の実周波数ｆへの変換は、数式（１）を実周波数ｆについて解いて求めることで行うことができる。

なお、誘電体中での移相量［°］は、比誘電率ε、比透磁率μ、及び誘電体の長さｄを用いて、
√ε√μ×ｄ／λ×３６０°
で定義される。θ=９８°及び１２５°という移相量の差は例えばフェライトなどを用いることで容易に生成することができる。特許文献１の図１によれば、バイアス磁場を３９．５ｋＡ／ｍ（５００Ｏｅ）、フェライトの飽和磁化を８５ｍＴ（８５０Ｇ）、磁気共鳴半値幅を１５８Ａ／ｍ（２Ｏｅ）としたとき、周波数およそ０．５ＧＨｚにおいて透磁率の最大値と最小値との間に透磁率の最大値の６０％の差を設けることができることが知られている。上述の透磁率の差は、移相量に直せば２５％強の差となる。つまり、適当な長さの上記フェライトを用いれば、９８°及び１２５°という移相量の差を設けることができる。

図５は、有効帯域Ｂｅを含む図４の一部を横軸方向に拡大した図である。図６は、図５の横軸を波長に変換した図である。一点鎖線で示す波長領域は、有効帯域Ｂｅに対応する。図６において、有効帯域Ｂｅの波長範囲は、約０．２１５ｍから約０．２２ｍである。この領域で、破線で示す往路の挿入損失は、−１ｄＢ以下である。また、この領域で、実線で示す復路での挿入損失は、−２０ｄＢ以上となっている。往路と復路とで２７°分の位相変化量を与える非相反性線路３０を形成することで、有効帯域Ｂｅにおいて、一般的な光アイソレータの要求仕様である、往路での挿入損失を−１ｄＢ以下に抑え、復路での損失を−２０ｄＢ以上確保できることが分かる。

（等価回路の第２例）
第１例の非相反性線路３０に用いられる素材は、例えば、鉄（Ｆｅ）及びコバルト（Ｃｏ）などの磁性体金属を含む素材から選択してよい。しかし、赤外領域で使用可能な磁性体材料は、磁性ガーネットを除けば、材料による赤外光の吸収が大きい。そこで、図７に示す第２例の等価回路１０ｂでは、図３に示した等価回路１０ａにおいて、非相反性線路３０に損失があると想定し、無損失位相回路３１に代えて損失を有する損失位相回路３２を設けた。なお、等価回路１０ｂの素子値は図３の対応する構成要素の素子値と同じである。このときｔａｎδの値に対する損失を計算した。ｔａｎδは、誘電体内でのエネルギーの吸収量に対応するパラメータである。例えば、損失位相回路３２でｔａｎδ＝０．０１２５としたときの規格化周波数に対する挿入損失を図８に示す。図４と同様に、往路の第１フィルタ特性において、通過帯域Ｂｐ外の高周波数側に第１減衰極Ａ１が現れ、復路の第２フィルタ特性において、第２減衰極Ａ２が第１フィルタ特性における第１減衰極Ａ１の通過帯域Ｂｐ側に現れる。これにより、通過帯域Ｂｐ内に、往路において挿入損失が−１ｄＢ以下であり、復路において挿入損失が−２０ｄＢ以上となる有効帯域Ｂｅが存在する。

図９は図８の有効帯域Ｂｅを含む周波数帯域を横方向に拡大した図となっている。図５に示した無損失位相回路３１を用いた場合と比較して、損失位相回路３２を用いたときは、復路で同等の周波数帯域幅の有効帯域Ｂｅにおいて−２０ｄＢ以上の十分な挿入損失が得られる。したがって、等価回路１０ｂに対応するアイソレータは、実用上問題が無く使用できるものと考えられる。

図１０は、ｔａｎδの変化に対する、有効帯域Ｂｅ内で損失が最大となる周波数（図９においてｆｍ）での損失量の変化を示すグラフである。図１０に示されるように、ｔａｎδが０．０１まで損失量はほとんど変化せず、約−１を維持する。ｔａｎδが０．１の場合でも、損失は−２ｄＢ未満である。したがって、非相反性線路３０に用いられる素材に吸収がある場合も、十分な透過特性を持つアイソレータを実現することができる。

（等価回路の第３例）
なお、図２では、フィルタ２０を含む線路と無損失位相回路３１を含む線路とは結線されているが、キャパシタ又はインダクタを介在して接続してよい。さらに、フィルタ２０への入出力もキャパシタ又はインダクタが介在してよい。例えば、図１１に示す第３例の等価回路１０ｃでは、フィルタ２０と無損失位相回路３１とは、インダクタ３３ａ及び３３ｂを介して接続される。フィルタ２０と無損失位相回路３１との間のインダクタ３３ａ、３３ｂのインダクタンスは、Ｌ＝０．１ｎＨである。この第３例の設計によれば、等価回路１０ｃの入出力インピーダンス５０Ωに対して非相反性線路３０の特性インピーダンスは２１０Ωでよい。このため、電磁波のエネルギーの大部分は、フィルタ２０側を通る。また、往路及び復路の移相量は、θ＝９５°、及び１２５°とした。より一般的な設計として規格化周波数におけるフィルタ特性を図１２に示す。図１２においても、往路の第１フィルタ特性が第１減衰極Ａ１を有し、復路の第２フィルタ特性が第１減衰極Ａ１と異なる周波数に第２減衰極Ａ２を有する。これにより、アイソレータとして機能する有効帯域Ｂｅが生成される。図１２の一部の横軸方向の拡大図を図１３に示す。

（等価回路の第４例）
一般に、減衰極を形成するには、フィルタの途中の共振器間の飛び越し結合でも可能であることが知られており、非相反性線路３０をフィルタ２０の両端以外のＬＣ共振器２１から分岐させてもよい。図１４に示す第４例の等価回路１０ｄでは、非相反性線路３０は、フィルタ２０の両端から２番目のＬＣ共振器２１（２１ｂ，２１ｋ）から分岐している。非相反性線路３０としては、無損失位相回路３１が用いられる。この等価回路１０ｄのフィルタ２０と非相反性線路３０との間のインダクタ３３ａ、３３ｂは、Ｌ＝０．１ｎＨである。この第４例の設計によれば、等価回路１０ｄの入出力インピーダンス５０Ωに対して非相反性線路３０の特性インピーダンスは３５０Ωでよいため、電磁波のエネルギーの大部分がフィルタ２０側を通る。また、往路及び復路の移相量は、θ＝８０°、及び１４０°とした。より一般的な設計として、規格化周波数におけるフィルタ特性を図１５に示す。また、図１５の一部の横軸方向の拡大図を図１６に示す。

同等の減衰極を生成するための、飛び越し結合の大きさは、結合されるＬＣ共振器２１の間が離れているほど、小さく済むことが知られている。第４例の等価回路１０ｄは、第１例から第３例の等価回路１０ａ〜１０ｃと比べ、往路と復路との移相量の差を大きくして、第１例から第３例の等価回路１０ａ〜１０ｃと同等の減衰極を生成している。等価回路１０ｄに対応するアイソレータで、移相量の差を大きくするためには、非相反性素子の厚さを厚くしなくてはならない。これは、素子の大型化、高価格化につながる。したがって、非相反性線路３０は、フィルタ２０の入力側端部及び出力側端部と接続して、フィルタ２０の全体に対して並列に接続することが好ましい。飛び越し結合の大きさが小さくてよいということは、少ない位相差で必要とされる減衰極を実現可能であることを意味する。

また、フィルタ２０の入力側端部と出力側端部との間に非相反性線路３０を設けるとともに、フィルタ２０を構成する一部のＬＣ共振器２１にのみ並列に、他の非相反性線路を接続することも可能である。この場合、減衰極が同時に２つ発生することが知られている。

（等価回路の第５例）
図１７は、ＬＣ共振器２１間の結合をキャパシタ２２ａ〜２２ｋからインダクタ２５ａ〜２５ｋへ変更した第５例の等価回路１０ｅを示す。無損失位相回路３１とフィルタ２０とは、キャパシタ３４ａ及び３４ｂを介して接続される。第５例の等価回路１０ｅのフィルタ２０と無損失位相回路３１間のキャパシタンスは、Ｃ＝０．２ｐＦである。この設計例によれば、等価回路１０ｅの入出力インピーダンス５０Ωに対して、非相反性線路３０の特性インピーダンスは５２０Ωでよい。このため、等価回路１０ｅに対応するアイソレータの電磁波のエネルギーの大部分はフィルタ２０側を通る。また、移相量は、往路θ＝４５°、復路θ＝５９°とした。図１８は、より一般的な設計として規格化周波数におけるフィルタ特性を示す。図１９は、図１８の一部の横軸方向への拡大図を示す。前述の第１例から第４例と比較すると、往路と復路とでの移相量の差が小さくなっている。より少ない非相反性線路３０で、有効帯域Ｂｅを生成可能であることが分かる。

上記等価回路１０、１０ａ〜１０ｅにおいて、フィルタ２０と非相反性線路３０とを通るエネルギー分配として、大部分のエネルギーがフィルタ２０側を通る。これにより、非相反性線路３０は、フィルタ２０の減衰極の形成のためにのみ利用され、等価回路１０に対する非相反性線路３０の損失の影響が小さくなる。異なるインピーダンスＺ１、Ｚ２を有する二つの線路を接続したときの反射率は、次式で表せることが知られている。

従って、等価回路１０の入出力インピーダンスをＺ０、フィルタ２０のインピーダンスＺｆ、非相反性線路３０のインピーダンスをＺｒとすると、次式が成立することが好適である。

（等価回路に対応するアイソレータ）
図２０は、図１に示す等価回路１０に対応するアイソレータ５０の概略構成例を示す。等価回路１０は、等価回路中の信号により電磁波の挙動を表すものである。アイソレータ５０は、第１伝搬路５１、第２伝搬路５２、フィルタ５３を含む第１分岐路５４、非相反性材料５５を含む第２分岐路５６を含む。第１伝搬路５１は、第１分合波部５７で、第１分岐路５４及び第２分岐路５６と接続される。第１分岐路５４及び第２分岐路５６は、第２分合波部５８で第２伝搬路５２に接続される。第１伝搬路５１の第１分合波部５７の反対側の端部は、第１端部５９となっている。第２伝搬路５２の第２分合波部５８の反対側の端部は、第２端部６０となっている。

第１伝搬路５１、第２伝搬路５２、第１分岐路５４及び第２分岐路５６は、種々の波長の電磁波が通る経路である。電磁波には、マイクロ波、赤外線、可視光を含む。フィルタ５３、非相反性材料５５、第１端部５９及び第２端部６０は、それぞれ、図１の等価回路１０の、フィルタ２０、非相反性線路３０、第１点１１及び第２点１２に対応する。

アイソレータ５０は、フィルタ特性について所定の要件を充足する図１に示した等価回路１０で表される限り、種々の構成をとることが可能である。

例えば、第１伝搬路５１、第２伝搬路５２、第１分岐路５４及び第２分岐路５６は、マイクロ波を伝搬する導波管、誘電体線路、赤外線及び可視光を伝搬する光導波路、光学結晶内の光路、並びに、自由空間、等を含む。導波管は、方形導波管、円形導波管等の中空導波管を含む。光導波路は、光ファイバ、平板光導波路、基板上に設けた導波路を含む。フィルタ５３としては、伝搬する電磁波の波長に応じ、ストリップラインなどの平面フィルタ、導波管フィルタ、誘電体共振器フィルタ、メタルメッシュフィルタ、金属薄膜フィルタ、誘電体多層膜フィルタ、光学ガラスフィルタ、フォトニック結晶共振器を用いて構成したフィルタ等を含む。低周波数帯においては、集中定数フィルタを使用しうる。また、ＳＡＷフィルタなど表面波フィルタも使用しうる。非相反性材料５５は、電磁波を往路と復路とで特性を異ならせるものならば種々の材料を使用することができる。例えば、非相反性材料５５は、磁性ガーネット、フェライト、鉄、コバルト等の磁性体を含む。第１分合波部５７及び第２分合波部５８としては、伝搬する電磁波の波長に応じ、種々の分波器及び合波器を採用しうる。第１分合波部５７及び第２分合波部５８には、Ｔ分岐導波管、Ｙ分岐導波管、光ファイバカプラ、ビームスプリッタ、ハーフミラー等を含む。アイソレータ５０を伝搬される電磁波は、シングルモード及びマルチモードの電磁波（光）を含みうる。アイソレータ５０を伝搬される電磁波は、赤外線及び可視光の場合、コヒーレント光及びインコヒーレント光を含む。

上述の非相反性材料５５についてさらに具体的に説明する。従来のアイソレータには、概ね磁性ガーネットやフェライトが用いられているが、本発明は、例えば以下のような材料を用いても実現可能である。学術論文（Kobayashi, N. et al. Optically Transparent Ferromagnetic Nanogranular Films with Tunable Transmittance. Sci. Rep. 6, 34227; doi: 10.1038/srep34227 (2016).）では、ナノグラニュラー材料と呼ばれる鉄、コバルトの合金微粒子により、強磁性体を発現することが知られている。上記論文によると、RFスパッタリング装置による蒸着により、成膜できるため、本発明において、導波路を形成する場合、良く知られた手法により、容易に非相反性線路を形成する事ができる。また学術雑誌（PHYSICAL REVIEW APPLIED 7, 024006 (2017)）では、チタン酸ストロンチウムの一部をFeで置換した薄膜において、強磁性を発現する事が報告されている。この薄膜は、PLD（pulsed laser deposition）法により作製され、単位吸収量辺りのファラデー回転角は大きく、本発明において非相反性線路に用いた場合、非相反性線路部における吸収を考慮せずに実現可能である。

アイソレータ５０は、等価回路１０により表すことができる。上述のように、等価回路１０は、第１点１１から第２点１２に向けて進む信号に関する第１フィルタ特性と、第２点１２から第１点１１に向けて進む信号に関する第２フィルタ特性とを有する。第１フィルタ特性は、所定の有効帯域が含まれる通過帯域を形成し、この通過帯域外に第１減衰極を有する。第２フィルタ特性は、第１フィルタ特性における第１減衰極の通過帯域側に、第２減衰極を有し、有効帯域において、第１フィルタ特性における透過率よりも低い透過率で前記信号を透過させる。このため、等価回路１０により表されるアイソレータ５０は、第１端部５９から第２端部６０に向かう電磁波を透過させる。また、アイソレータ５０は、第２端部６０から第１端部５９に向かう電磁波を減衰させる。

さらに、上記ではアイソレータ５０は、電磁波を対象とするものとしたが、図１の等価回路１０で表せる限り、電気回路に適用することも可能である。

本開示の特徴は、減衰極の周波数を往路と復路との間で移動させ、復路においてフィルタの通過特性の少なくとも一部を機能させなくすることにある。減衰極は、原理的には、往路におけるフィルタの通過帯域の低周波数側及び高周波数側の何れにも設けることができる。ただし、好適には、高周波域における減衰極を利用した方が、フィルタ特性に影響を与えやすい。図２１は、シミュレーションにより計算された往路（上図）と復路（下図）との透過及び反射を表す図である。図２１において、実線は透過を示し、破線は反射を示している。１．５ＧＨｚ付近の高周波数側では、透過特性が大きく変化している。一方、０．７ＧＨｚ付近の低周波数側では、透過特性の変化が少ない。したがって、通過帯域の高周波数側に含まれる減衰極を、非相反性線路３０の特性により移動させる方が、低周波数側の減衰極を移動させるよりも、フィルタの特性を変化させ透過率を低下させる効果が大きい。フィルタは、周波数変換の数式（１）からも分かるように、周波数に対してログスケールに変換されうる。このため、フィルタの中心周波数に対して高周波側の帯域の方が引き伸ばされる形となる。よって、減衰極の動きに対しても低周波側よりも高周波側で影響度が大きく、高周波側を使用した方が、少ない位相差で済むこととなる。

以上説明したように、本開示のアイソレータ５０によれば、４５度の旋光角を必要とせず、且つ、非相反性材料５５の透過率が直接アイソレータ５０の透過特性を決定しない。このため、本開示のアイソレータ５０は、非相反性効果を得るための非相反性材料５５の選択肢が拡大し、安価に製造することが可能となる。また、基板実装可能な素材より非相反性材料５５を選択できるようになるため、導波路構造も容易に作製可能になる。さらに、損失の大きい非相反性材料５５ではなく、フィルタ５３側を電磁波の大部分が通るので、アイソレータ５０の往路での損失を抑制し透過率を高くすることができる。

図１の等価回路１０によって表される本開示のアイソレータ５０の構成は、復路の電磁波を遮断するのではなく、設計により往路よりも低い所定の透過率で透過させるようにすることもできる。すなわち、本開示は、往路と復路とのフィルタ特性が異なる非相反性フィルタとして実施することが可能である。本開示のアイソレータ５０は、本開示の非相反性フィルタの一形態とみなしうる。

上述の実施形態は代表的な例として説明したが、本発明の趣旨及び範囲内で、多くの変更及び置換ができることは当業者に明らかである。したがって、本発明は、上述の実施形態及び実施例によって制限するものと解するべきではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形及び変更が可能である。例えば、実施形態及び実施例に記載の複数の構成ブロックを１つに組み合わせたり、あるいは１つの構成ブロックを分割したりすることが可能である。

１０ 等価回路
１１ 第１点
１２ 第２点
１３ 第１分岐点
１４ 第２分岐点
２０ フィルタ
２１ ＬＣ共振器
２２ キャパシタ
２３ キャパシタ
２４ インダクタ
２５ インダクタ
３０ 非相反性線路
３１ 無損失位相回路
３２ 損失位相回路
３３ａ、３３ｂ インダクタ
３４ａ、３４ｂ キャパシタ
５０ アイソレータ
５１ 第１伝播路
５２ 第２伝播路
５３ フィルタ
５４ 第１分岐路
５５ 非相反性材料
５６ 第２分岐路
５７ 第１分合波部
５８ 第２分合波部
５９ 第１端部
６０ 第２端部
１００ アイソレータ
１０１ ファラデー旋光子
１０２、１０３ 偏光子
Ｈ 磁場
Ｌ１ 入射光
Ｌ２ 戻り光
Ａ１ 第１減衰極
Ａ２ 第２減衰極
Ｂｐ 通過帯域
Ｂｅ 有効帯域

Claims (6)

1. 第１点と第２点との間でフィルタとナノグラニュラー材料を含む非相反性線路とが並列に接続した等価回路で表され、
   前記等価回路は、
   前記第１点から前記第２点に向けて進む信号に関する第１フィルタ特性と、
   前記第２点から前記第１点に向けて進む信号に関する第２フィルタ特性と
   を有し、
   前記第１フィルタ特性および第２フィルタ特性の所定の有効帯域における透過率の関係によりアイソレータとして機能し、当該アイソレータを通る電磁波のエネルギーの大部分は、前記フィルタ側を通り、前記第２点から前記第１点に向かう電磁波を減衰させるものであって、
   前記第１フィルタ特性は、前記所定の有効帯域が含まれる通過帯域を形成し、前記通過帯域外に、前記非相反性線路の特性に応じて現れる第１減衰極を有し、
   前記第２フィルタ特性は、前記第１フィルタ特性における前記第１減衰極の前記通過帯域側に、前記非相反性線路の特性に応じて現れる第２減衰極を有し、前記第２減衰極によって、前記有効帯域において、前記第１フィルタ特性における透過率よりも低い透過率で前記信号を透過させる、
   ことを特徴とする非相反性フィルタ。
2. 前記等価回路は、前記信号により電磁波の挙動を表すものであり、アイソレータとして機能する請求項１に記載の非相反性フィルタ。
3. 前記電磁波は、赤外線又は可視光である請求項２に記載の非相反性フィルタ。
4. 前記第１減衰極は、前記有効帯域よりも高周波側の帯域に含まれ、前記第２減衰極は、前記非相反性線路の特性により前記第１減衰極が移動したものである請求項１から３の何れか一項に記載の非相反性フィルタ。
5. 入出力インピーダンスをＺ_０、前記フィルタのインピーダンスをＺ_ｆ、前記非相反性線路のインピーダンスをＺ_ｒ、とするとき、
   

   

   が成立する請求項１から４の何れか一項に記載の非相反性フィルタ。
6. 前記周波数フィルタは複数段の共振器から構成され、前記非相反性線路は、前記周波
   数フィルタの全体に対して並列に接続される請求項１から５の何れか一項に記載の非相反性フィルタ。
   

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