JP7208098B2 - 光アイソレータ及び光源装置 - Google Patents

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Description

本開示は、光アイソレータ及び光アイソレータを搭載した光源装置に関する。
光通信等の分野において、光源から出射したレーザ光の一部が戻り光となって光源に入射すると、光源の損傷、不安定化及び干渉によるノイズ等が発生することがある。このため、一方向の光のみを伝搬させ逆方向の光を伝搬させない光アイソレータが用いられる。光アイソレータとしては、非相反性を有するファラデー回転子を使用するものが知られている(例えば、特許文献1参照。)
特表2018-513556号公報
従来の光アイソレータは、光源から出射した光が通る光導波路中、又は、光導波路と光ファイバ等の光伝送路との間の空間に、偏光子、ファラデー回転子及び半波長板等の各構成要素を設けている。光導波路中に光アイソレータを設ける場合、光導波路を外部の光ファイバ又は光源等と接続するために接続機構が必要となる。光アイソレータは、容易に光ファイバ又は光源と接続でき、より少ない部品で構成できることが好ましい。
本開示の目的は、光伝送路又は光源との接続が容易な光アイソレータ及びこれを用いた光源装置を提供することにある。
本開示の光アイソレータは、基板と、前記基板上に位置する光導波路とを備える。前記光導波路は、第1端部、アレー状に配列された複数の第2端部、及び、前記第1端部と前記複数の第2端部との間に位置する少なくとも1つの分岐部を含む。前記光導波路は、部分的に非相反性を有し、前記第1端部と少なくとも2つの前記第2端部との間に異なる非相反性の移相量を与える。
本開示の光源装置は、光アイソレータと光源とを備える。光アイソレータは、基板、及び、前記基板上に位置する光導波路を備える。前記光導波路は、第1端部、アレー状に配列された複数の第2端部、及び、前記第1端部と前記複数の第2端部との間に位置する分岐部を含む。前記光導波路は、部分的に非相反性を有し、前記第1端部と少なくとも2つの前記第2端部との間に異なる非相反性の移相量を与える。前記光源は、前記光アイソレータの前記第1端部又は前記複数の第2端部に、出射光が入射するように配置される。
本開示の実施形態によれば、光伝送路又は光源との接続が容易な光アイソレータ及びこれを用いた光源装置を提供することができる。
第1実施形態に係る光アイソレータの平面図である。 図1の光アイソレータを第1ポート側から見た図である。 図1の光アイソレータを第2ポート側から見た図である。 図1のA-A断面図である。 図1の光アイソレータを含む光源装置の平面図である。 図5の光源及び光アイソレータの第1端部近傍を示す断面図である。 図1の光アイソレータの光伝送路との接続形態の一例を示す平面図である。 図1の光アイソレータの光伝送路との接続形態の他の一例を示す平面図である。 光導波路の第2端部の端面の形状と出射光の強度分布とを示す図である。 光導波路の第2端部の端面の形状が平坦な場合の端面の形状と出射光の強度分布とを示す図である。 第2実施形態に係る光アイソレータの平面図である。 図11の光アイソレータを伝搬する送信光及び受信光の第2ポートにおける角度に対する強度分布を示す図である。 図11と異なる非相反性部材の配置を有する光アイソレータの平面図である。 第3実施形態に係る光アイソレータの平面図である。 図14の光アイソレータの戻り光の光路を示す図である。 第4実施形態に係る光アイソレータの平面図である。 図16の光アイソレータを第1ポート側から見た図である。 図16の光アイソレータを第2ポート側から見た図である。 図16の光アイソレータを、第1ポートを左端且つ第2ポートを右端に見る側面図である。 第5実施形態に係る光アイソレータを第2ポート側から見た図である。 第5実施形態に係る光アイソレータを、第1ポートを左端且つ第2ポートを右端に見る側面図である。 図21のB-B断面図である。 図21のC-C線に沿う断面図である。
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照して説明する。以下の説明で用いられる図は模式的な図である。図面上の寸法比率等は現実のものとは一致していない。
(第1実施形態)
図1~図4に示されるように、第1実施形態に係る光アイソレータ10は、基板11と基板11上に位置する光導波路12を含む。
基板11は、一方向に長い板状の部材である。以下の説明及び図において、X軸方方向は、基板11の表面の長手方向とする。Y軸方向は、基板11の表面内でX軸方向に直交する方向とする。Z軸方向は、基板11の表面の法線方向とする。図1に示すように、基板11は平面視において隣り合う2辺がX軸方向及びY軸方向に沿う長方形であってよい。基板11の形状はこれに限られない。
基板は種々の材料により構成されうる。例えば、基板11は、金属の導体、シリコン等の半導体、ガラス、又は樹脂等を含む材料から選択された材料により構成されてよい。
光導波路12は、基板11に沿ってX軸の負の方向の端に位置する第1端部13、及びX軸の正の方向の端に位置する複数の第2端部14a~14dを含む。以下、複数の第2端部14a~14dは、纏めて第2端部14と表記される。第2端部14は、一次元のアレー状に配列されている。図1において、第2端部14は簡単のために4つのみ図示している。第2端部14の数は、2以上の任意の数とすることができる。例えば、第2端部14の数は、20、30又は50等とすることができる。
第1端部13は、光が入出力される第1ポート15を構成する。第2端部14は、光が入出力される第2ポート16を構成する。光導波路12は、第1ポート15及び第2ポート16の間で概ねX軸方向に沿って延在する。本願において光は、可視光の領域に限られず、赤外線から紫外線までの波長範囲の任意の波長の光を含む。第1ポート15から光導波路12に入力される光は、第2ポート16に向けて進む。第2ポート16から光導波路12に入力される光は、第1ポート15に向けて進む。第1ポート15及び第2ポート16はそれぞれ、光導波路12の端面として構成されてよい。
図2~図4に示すように、光導波路12(図2および図3においてはその第1端部13及び第2端部14が示されている)は、延在方向に沿って周囲を第1媒質17a及び第2媒質17bによって覆われている。第1媒質17aは基板11上に形成される。基板11が誘電体の場合、基板11が第1媒質17aを兼ねてよい。第1媒質17a及び第2媒質17bは、光導波路12の外周に接している。光導波路12及び第1媒質17a、及び第2媒質17bは、誘電体である。光導波路12は、第1媒質17a及び第2媒質17bよりも高い誘電率を有する。第1媒質17a及び第2媒質17bは同じ媒質でよい。第1媒質17a及び第2媒質17bは一体の一つの媒質であってよい。
第1媒質17a及び第2媒質17bは、例えば、石英ガラス(二酸化ケイ素:SiO2)により構成される。光導波路12は、例えば、シリコン(Si)により構成される。シリコン及び石英ガラスの比誘電率はそれぞれ、約12及び約2である。シリコンは、約1.2μm~約6μmの近赤外光を低損失で伝搬させうる。これにより、第1端部13又は第2端部14から入射した光は、大部分が光導波路12内部を伝搬される。光導波路12は、シリコンで構成される場合、光通信で使用される1.3μm帯又は1.55μm帯の波長を有する赤外光を低損失で伝搬させうる。光導波路12は、コアと言い換えることができる。第1媒質17a及び第2媒質17bは、クラッドと言い換えることができる。
光導波路12並びに第1媒質17a及び第2媒質17bの材料は、上記の材料に限られない。第1媒質17a及び第2媒質17bの一部、例えば、第2媒質17bの部分は、空気であってよい。すなわち、石英ガラスの第1媒質17a上に、光導波路12のみが形成されることも可能である。
光導波路12は、第1端部13と複数の第2端部14との間に、1つ以上の分岐部18を有する。分岐部18は、光導波路12の一部を成す第1端部13側の1つの線路を、第2端部14側の2以上の複数の線路に分岐させる。例えば、分岐部18は、1本の線路を2本の線路に分岐するY分岐光導波路を採用しうる。分岐部18は、光導波路12の第2端部14側の複数の線路を、第1端部13側の一つの線路に結合させる。分岐部18は、第1端部13と第2端部14との間に、多段階に配置されてよい。分岐部18は、光導波路12の第1端部13側の線路から入射した光を、第2端部14側の複数の線路に略等しい光量で分波させることができる。分岐部18は、光導波路12の第2端部14側の複数の線路から入射した光を、第1端部13側の線路に合波させることができる。
図1の例では、光導波路12は、第1分岐部18a、第2分岐部18b及び第3分岐部18cを有する。第1分岐部18aは、第1端部13と、第2分岐部18b及び第3分岐部18cとの間に位置する。第2分岐部18bは、第1分岐部18aと第2端部14a及び14bとの間に位置する。第3分岐部18cは、第1分岐部18aと第2端部14c及び14dとの間に位置する。分岐部18の数は3つに限られず、第2端部14の数に応じて、任意の複数の分岐部18が設けられる。第1分岐部18a,第2分岐部18b及び第3分岐部18cは、適宜纏めて分岐部18と表記される。
図1に図示する分岐部18において、光導波路12の第1端部13側の線路は、第2端部14側の2つの線路と物理的に連続的に繋がっている。分岐部18における光導波路12の第1端部13側の線路と第2端部14側の線路とは、公知の光方向性結合器のように、近接して平行となる部分を介して光学的に結合していればよく、物理的に連続的に繋がっていなくともよい。光導波路12を近接して配置すると、エバネッセント波による第1端部13側の線路と第2端部側14側の線路との間での光の乗り移りが生じる。
光導波路12は、非相反性を有する部分を含む。光導波路12の非相反性を有する部分は、移相器19とも呼ばれる。移相器19は、少なくとも1つの分岐部18と第2端部14との間の光導波路12上の何れかの部分に設けられる。非相反性を有するとは、光導波路12を伝搬する光が受ける効果が、光の伝搬方向によって異なることを意味する。光の伝搬方向は、第1端部13から第2端部14に向かう第1方向と、第2端部14から第1端部13に向かう第2方向を含む。移相器19では、磁気光学効果により、第1方向に伝搬する光と第2方向に伝搬する光とでは、位相の変化する量が異なる非相反移相効果が生じる。位相が変化する量のことを移相量と呼ぶ。移相器19は、第1端部13と第2端部14との間に非相反性の移相量を与える。
移相器19は、非相反性を有する第1非相反性部材20a及び第2非相反性部材20bを含む。以下において、第1非相反性部材20a及び第2非相反性部材20bを纏めて非相反性部材20と表記することがある。非相反性部材20は、光導波路12の一部に対し面的に接して配置される。本願において、接して配置されることには、任意の手段で接合されることを含む。非相反性部材20は、例えば、磁性ガーネット、フェライト、鉄、コバルト等の非相反性材料を含んで構成されてよい。非相反性部材20は、光導波路12の接している部分を伝搬する光に対して非相反移相効果を生じる。
移相器19は、第1分岐部18aと第2分岐部18bとの間の第1非相反線路21a、及び、第1分岐部18aと第3分岐部18cとの間の第2非相反線路21bを含む。第1非相反線路21a及び第2非相反線路21bは、光導波路12の一部である。第1非相線路21a及び第2非相反線路21bには、それぞれ上述の第1非相反性部材20a及び第2非相反性部材20bが接して配置されている。光導波路12の一側面に第1非相反性部材20a及び第2非相反性部材20bが接している部分を、それぞれ第1非相反線路21a及び第2非相反線路21bと呼ぶ。以下において、第1非相反線路21a及び第2非相反線路21bを纏めて非相反線路21と表記する場合がある。非相反線路21は、光導波路12の非相反性を有する部分である。
図4の断面図において非相反性部材20の面積は、それぞれ、対応する非相反線路21の面積の半分以下である。すなわち、非相反性部材20が占める体積は、非相反線路21の体積の半分以下である。
光導波路12は、光をシングルモードで伝搬するように構成される。光導波路12に接して配置される非相反性部材20の体積を大きくすると、光導波路12中に不所望なモードが発生し、光導波路12の伝送特性を劣化させることがある。非相反性部材20は、光導波路12を伝搬する光のモードに影響を与えないように小さい方が好ましい。非相反性部材20が占める体積を、非相反線路21の体積の半分以下とすることにより、伝送特性の劣化が低減または抑制される。
第1非相反性部材20aは、第1分岐部18aと第2分岐部18bとの間の光導波路12の部分(すなわち、第1非相反線路21a)のY軸方向の正側の側面に接して配置することができる。第2非相反性部材20bは、第1分岐部18aと第3分岐部18cとの間の光導波路12の部分(すなわち、第2非相反線路21b)のY軸方向の負側の側面に接して配置することができる。
非相反性部材20の磁化方向、又は、非相反性部材20に非相反性を生じせしめる外部磁場の方向と、光導波路12へ入射する入射光の偏光方向とは、互いに略直交するように構成される。
具体的には、光導波路12へ入射する入射光の偏光方向は、基板11の表面(基板面)に対して略平行(すなわち、Y軸方向)とする。この場合、図4に示すように、Z軸方向の成分を有する外部磁場を印加することにより、第1非相反性部材20aと第2非相反性部材20bとは、光導波路12に対して異なる非相反位相効果を生じる。言い換えれば、第1非相反線路21aと第2非相反線路21bとは、異なる非相反性の移相量を有する。外部磁場の大きさが一定のとき、略Z軸方向の外部磁場を印加することにより、非相反性の移相量は最も大きくなる。
第1非相反性部材20a及び第2非相反性部材20bが強磁性体の場合、第1非相反線路21a及び第2非相反線路21bは、外部磁場を加えなくとも非相反移相効果を有する。光導波路12へ入射する光の偏向方向がY軸方向の場合、第1非相反性部材20a及び第2非相反性部材20bは、磁化方向をZ軸方向の成分を有するように配置される。好ましくは、第1非相反性部材20a及び第2非相反性部材20bは、磁化方向を略Z軸方向となるように配置される。
一例として、第1非相反線路21aを第1方向に伝搬する光と第2方向に伝搬する光との間で、+90°の移相量の差が生じるものとする。また、第2非相反線路21bを第1方向に伝搬する光と第2方向に伝搬する光との間で、-90°の移相量の差が生じるものとする。
第1端部13から光導波路12に入射した光は、第1分岐部18aで分波される。分波された光は、それぞれ、第1非相反線路21a及び第2非相反線路21bを伝搬する。第1非相反線路21aを伝搬した光は、第2分岐部18bで分波され、第2端部14a及び14bから出力される。第2非相反線路21bを伝搬した光は、第3分岐部18cで分波され、第2端部14c及び14dから出力される。第1端部13から入射し、それぞれの第2端部14から出射する光は、第1端部13から各第2端部14に至る光導波路12の長さを調整すること等により、同位相とすることができる。この場合、複数の第2端部14から出射される光は、フェーズドアレーアンテナと類似の原理により、位相の揃う方向であるX軸方向の狭い角度範囲に指向性を有する光ビームとして出射される。
一方、第2端部14a及び14bから入射した光は、第2分岐部18bで合波され、第1非相反線路21aを伝搬する。第2端部14c及び14dから入射した光は、第3分岐部18cで合波され、第2非相反線路21bを伝搬する。第1非相反線路21a及び第2非相反線路21bを伝搬した光は、第1分岐部18aで合波され、第1端部13から出力される。このとき、第1非相反線路21aと第2非相反線路21bとが有する非相反性により、第1非相反線路21aを伝搬した光と第2非相反線路21bを伝搬した光との間には、180°の位相差が生じうる。このため、第2端部14に対してX軸の正の方向から負の方向に向かって入射し、光アイソレータ10を第2方向に伝搬し第1端部13から出射する光の強度は、複数の第2端部14から入射した光の強度の合計よりもはるかに弱くなる。すなわち、第2端部14に対しX軸の負の方向に沿って入射しようとする光と、光導波路12との結合はし難くなる。
従って、光アイソレータ10は、第1方向に進む光を伝搬し易く、第2方向に進む光を伝搬し難い。
図1~図4に示した例は、簡単のため、第2端部14を4つとし、2つの光導波路12の部分が非相反性を有するものとした。しかし、第1端部13との間で非相反性の移相量の異なる多数の第2端部14を有することによって、第2方向へ進む光が第2端部14で光導波路12に更に結合し難くなる。一方、第1端部13からそれぞれの第2端部14に伝搬する光の移相量を揃えることにより、光アイソレータ10を第1方向に伝搬して第2端部14から出射する光の指向性が更に高まる。
第1ポート15は、光の入射側のポートとすることができる。光アイソレータ10は、光を入力する構成と組み合わされて使用されうる。光アイソレータ10と、光を入力する構成とを組み合わせて光源装置30を構成することができる。図5及び図6に示されるように、光源装置30は、光アイソレータ10と、光源31と、光源31に電力を供給する電源32と、レンズ33とを含む。光源31は、例えば、LD(Laser Diode)又はVCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting LASER)等の半導体レーザを用いることができる。
光源31は、レンズ33を介して光導波路12の第1端部13に光学的に結合される。光源31、レンズ33、及び、光導波路12の第1端部13は、位置ずれを生じないように相互の位置関係が固定されてよい。光源31及びレンズ33は、光導波路12及び媒質17と共に、基板11の上に一体として集積されてよい。光源31は、偏光方向がY軸方向となるような直線偏光の光を、第1ポート15に入力してよい。光源装置30は、レンズ33を有しなくてもよい。光源装置30は、レンズ33を有しない場合、光源31から出射した光を第1端部13に直接入力してよい。
光源31から光導波路12の第1端部13への光の入力方法は、光源31の光を直接又はレンズ33を介して入力する方法に限られない。光源31は、光ファイバを介して第1端部13に結合してよい。光ファイバを伝搬する光を第1端部13に入力する方法は、レンズ等を介して自由空間を接続する方法、光ファイバの出射面と第1端部13とを直接突き合わせる方法、又は、接続導波路を用いる方法等、種々の方法を含んでよい。
光源装置30は、光源31と光アイソレータ10とを備えることによって、光源31から射出される光を、光アイソレータ10を通して第1方向に向けて伝搬させる。一方、光源装置30は、光アイソレータ10によって、第2方向に戻る光を低減又は抑制して、光源31が戻り光の影響を受けにくくする。
図7に示すように、光アイソレータ10の第2端部14を含む第2ポート16は、光伝送路40Aと光学的に結合される。光伝送路40Aは、光を伝送する線路である。具体的には、光伝送路40Aは、コア41及びクラッド42を有する光ファイバを用いることができる。光アイソレータ10の第2ポート16と、光伝送路40Aのコア41とは、空間を介してX軸方向に離れて対向する。第2ポート16を出射してX軸方向に進む光は、コア41と高い結合効率で結合する。図7の光伝送路40Aのコア径は、光導波路12の断面の寸法よりも大きい。図7の光伝送路40Aのコア径は、例えば約50μmとすることができる。光伝送路40Aは、光アイソレータ10から出射した光を、マルチモードで伝送することができる。
他の実施形態において、図8に示すように、光アイソレータ10の第2ポート16は、レンズ43を介して光伝送路40Bのコア41に光学的に結合されてよい。光アイソレータ10の各第2端部14から出射した光は、空間に配置されたレンズ43によりシングルモード光ファイバである光伝送路40Bのコア41の端面に集光され、光伝送路40Bに入射してよい。この場合、光伝送路40Bのコア径は約10μm程度とすることができる。
光導波路12の各第2端部14の端部は、光導波路12の長手方向(すなわち、X軸方向)に先細の形状の端面を有することができる。図9は、光導波路12の第2端部14の端面の形状(図9下側)と出射光の径方向の強度分布(図9上側)の一例を示す。第2端部14の端面は、略錐状の側面の形状を有する。他の実施形態において、第2端部14の端面は、X軸方向に凸の半球面状の形状を有してよい。光導波路12の第2端部14の端面は、X軸方向に伝搬する光の波長よりも長く、X軸の正方向に徐々に先細となる形状とすることができる。光導波路12の第2端部14の端面を、光導波路12の長手方向に先細の形状とすることによって、個々の第2端部14から出射する光の強度が強くなる。
図10は、比較のために、光導波路12の第2端部14の端面の形状が平坦な場合の端面の形状(図10下側)と出射光の強度分布(図10上側)の一例を示す。この場合、光導波路12を伝搬してきたシングルモード光は、第2端部14の平坦な端面で、図9の先細の端面を有する第2端部14を用いた場合よりも多くの部分が反射される。このため、図10の平坦な端面を有する第2端部14から出射する出射光の強度は、図9の先細の形状の端面を有する場合の第2端部14から出射する出射光の強度と比較して弱くなる。
図7及び図8の何れの場合も、光伝送路40A及び40Bは、第2端部14からX軸方向に指向性を有して進行する光を入射させる。光アイソレータ10を第2ポート16から出射する光は、第2端部14で出射光の位相が揃っていることによって、X軸方向に高い指向性を有する。さらに、光アイソレータ10を第2ポート16から出射する光は、第2端部14の端面を先細の形状とすることによって、さらに強度が強くなる。これによって、光アイソレータ10を第2ポート16から出射する光は、光伝送路40A,40Bに対して高い結合効率で結合することができる。一方、光伝送路40A,40B側から光アイソレータ10の第2ポート16に入射しようとする光に対しては、光導波路12の有する非相反性によって、各第2端部14から第1端部13へ伝搬する光の移相量が異なる。このため、第2ポート16に入射する戻り光は、第1端部13において同位相となる条件が崩れるので、光アイソレータ10の光導波路12に結合し難くなる。
以上説明したように、光アイソレータ10は、基板11上に光導波路12を備え、非相反性を有する非相反性部材20が光導波路12に接して配置されることにより、第1端部13と複数の第2端部14との間に異なる非相反性の移相量を与える。これによって、光アイソレータ10は、第1方向の光を伝搬させ、第2方向の光の伝搬を低減又は抑制する光アイソレータの機能を有することができる。
また、光アイソレータ10は、第2ポート16から出射する光の指向性が高いので光伝送路40との接続が容易である。このため、光導波路12内部又は空間内に独立した光アイソレータを構成する場合に比べて、光アイソレータ10は、少ない部品で光伝送路40と接続することができる。
さらに、本実施形態に係る光アイソレータ10によれば、第2ポート16と光伝送路40との間を接続するビームの角度をX軸方向の狭い角度範囲とすることによって、非相反性の移相量が小さくてもアイソレータとして機能することができる。言い換えると、光アイソレータ10は、各第2端部14に入射する第2方向の光の受ける非相反性の移相量の差が小さくとも、各第2端部14から入射した光の位相が、第1端部13で同位相となる条件を崩すことにより、アイソレータとしての機能が得られる。
具体的には、上述の説明においては、光が第2方向に伝搬するとき、第1非相反線路21aと第2非相反線路21bとが有する非相反性により、第1非相反線路21aと第2非相反線路21bとを伝搬した光には、180°の位相差が生じるものとした。しかし、この位相差は、180°ではない値、例えば、120°又は90°等になるように設定されてよい。そのような場合でも、第2方向に伝搬して第1端部13から出射される光は、大幅に減少する。また、このような場合、光アイソレータ10の第2ポート16は、移相器19により生じる位相差及び複数の第2端部14の配置等に依存して、X軸の負の方向よりもXY平面内の角度方向に広がった受信強度分布を有する。従って、第2ポート16にX軸の負の方向に入射しようとする光に対して、光アイソレータ10は、低減又は抑制する効果を有する。
非相反性の移相量を小さくできるので、本実施形態に係る光アイソレータ10は、非相反性部材20の光導波路12と接する部分の長さを比較的短くすることができる。これによって、非相反性部材20の長さに起因する光導波路12の損失を低減することが可能になる。
また、本実施形態に係る光源装置30は、光アイソレータ10を有するので、光源31から出射した光の戻り光が、光源31に入射して光源31を損傷すること、光源31を不安定化させること、又は、ノイズ等を発生させることを防止することができる。
第1実施形態では、2つの光導波路12の部分に対して、それぞれ、第1非相反性部材20a及び第2非相反性部材20bを接して配置して、2つの非相反性を有する部分である第1非相反線路21a及び第2非相反線路21bとした。しかし、第1非相反線路21a及び第2非相反線路21bの一方を設けなくても、光を第1方向に伝搬する場合と第2方向に伝搬する場合との間で、移相量の関係に変化が生じるので、本実施形態の効果を得ることができる。
(第2実施形態)
図11を参照して、第2実施形態に係る光アイソレータ50について説明する。図11は、光アイソレータ50の平面図である。光アイソレータ50は、第1実施形態の光アイソレータ10と類似しているので、光アイソレータ10の構成要素と同一又は類似の構成要素には同一の符号を付して、適宜説明を省略する。
光アイソレータ50の光導波路12の形状は、第1実施形態の光導波路12の形状と類似する。光アイソレータ50では、第1実施形態とは異なり、光導波路12の第1分岐部18aと第2分岐部18b及び第3分岐部18cとの間には、移相器19が設けられていない。代わりに、光導波路12の第2分岐部18b及び第3分岐部18cと、それぞれの第2端部14a~14dとの間の部分が、非相反性を有する移相器51となっている。移相器51は、第1端部13と、それぞれの第2端部14との間に互いに異なる非相反性の移相量を与える。
移相器51は、非相反性を有する非相反性部材52a~52dを含む。以下において、非相反性部材52a~52dは、纏めて非相反性部材52と表記される場合がある。非相反性部材52は、光導波路12の一部に対し面的に接して配置される。非相反性部材52は、光導波路12を伝搬する光に対して非相反移相効果を生じる。非相反性部材52a~52dは、それぞれ、第2端部14a~14dに繋がる光導波路12の部分に接している。非相反性部材52a~52dが接している光導波路12の部分を、それぞれ、非相反線路53a~53dとする。非相反線路53a~53dは、纏めて非相反線路53と表記される場合がある。
非相反性部材52a,52bは、非相反線路53a,53bのY軸方向の正側の側面に接する。非相反性部材52c,52dは、非相反線路53c,53dのY軸方向の負側の側面に接する。非相反線路53a,53bと、非相反線路53c,53dとは、接合される非相反性部材52の側面の位置が異なることによって反対の符号の非相反性の移相量を生じる。
非相反性部材52aと非相反性部材52bとは、X軸方向の長さが異なることによって、異なる非相反性を生じる。同じ磁場を印加した場合、非相反性部材52aの方が非相反性部材52bよりも大きな非相反性の移相量を生じる。非相反性部材52cと非相反性部材52dとは、X軸方向の長さが異なることによって、異なる非相反性を生じる。同じ磁場を印加した場合、非相反性部材52dの方が非相反性部材52cよりも大きな非相反性の移相量を生じる。非相反性部材52aと非相反性部材52dとの長さは、等しくすることができる。非相反性部材52bと非相反性部材52cとの長さは、等しくすることができる。
図11は、第2端部14が4つの場合の簡略化した例である。第2端部14の数はこれよりも多い数、例えば、20、30又は50等とすることができる。第2端部14は、所定のピッチで等間隔に配置される。全ての第2端部14は、異なる非相反性の移相量を有する非相反線路53に接続される。非相反線路53による非相反性の移相量は、隣り合う第2端部14ごとに規則的に異なる量とすることができる。
第1端部13から入力され、光導波路12を第1方向に伝搬し、それぞれの第2端部14から出射する光は、第1端部13から各第2端部14に至る光導波路12の長さを調整すること等により、同じ移相量とすることができる。このため、光アイソレータ50の第1端部13からX軸方向に入射した光L1は、それぞれの第2端部14から同じ位相で出射する。光アイソレータ50の第2ポート16から出射する光は、X軸方向に狭い角度範囲に指向性を有する光L2となる。
それぞれの非相反性部材52の位置及び長さは、それぞれの第2端部14から入射して光導波路を第2方向に伝搬し、第1端部13から出射する光が、それぞれ異なる所定の位相差を有するように設定される。例えば、20個の第2端部14がY軸方向に等間隔で配列された場合、それぞれの第2端部14から第1端部13に至る光導波路12の移相量を、10°ずつ異ならせることができる。それぞれの第2端部14が、隣り合う第2端部14との間で異なる非相反性の移相量を有する場合、第1端部13から出射するとき同位相となる第2端部14への入射光の波面は、光導波路12の延在方向(すなわち、X軸方向)に垂直な方向から傾く。このため、第2ポート16は、第2ポート16に対してX軸方向から傾いた所定の方向から入射する光L3に対して、結合効率が高くなる。一方、光L3の入射する所定の方向と異なる方向から入射する光は、第2ポート16から光アイソレータ10に入射し難くなる。
図12の実線は、第1ポート15に入射し、光アイソレータ50を第1方向に伝搬して、第2ポート16から外部の空間へ送信される送信光の強度の、第2ポート16における角度分布を示す。図12の破線は、外部の空間から第2ポート16に入射し、光アイソレータ50を第2方向に伝搬して、第1ポート15から出力される受信光の強度の、第2ポート16における入射角度に対する依存性を示す。図12において、横軸はX軸及びY軸が形成するXY平面における、Y軸方向に対する角度を示している。実線及び破線は、何れもシミュレーションにより求めた結果を示している。
シミュレーションの対象とする光アイソレータ50は、750nmのピッチでX軸方向に一次元に配列された24個の第2端部14を有すると仮定した。また、第1端部13から第2端部14へ第1方向に伝搬する光に対しては、位相差は生じないものとした。逆に第2端部14から第1端部13へ第2方向に伝搬する光は、隣り合う第2端部から入射する光毎に10°の位相差が生じるものとした。さらに、光アイソレータ50を伝搬される光の波長は、1500nmとした。
図12によれば、送信光の強度は、角度θが90°(すなわち、X軸方向)のとき最も強い。送信光の規格化強度は、角度θが90°のときの強度を0dBとするdB単位で表示している。また、受信光の強度は、第2ポート16に入射する光線の角度θが100°(すなわち、X軸方向から10°ずれた角度)のとき最も強い。受信光の規格化強度は、角度θが100°のときの強度を0dBとするdB単位で表示している。
図12から分かるように、光アイソレータ50に第1ポート15から入射し、第2ポート16から出射する光は、角度90°(X軸方向)近傍の狭い範囲に強い指向性を有する。これに対して、光アイソレータ50に第2ポート16から入射する光は、角度100°近傍の狭い範囲から入射する場合に、最も入射し易い。光アイソレータ50に対して、角度90°(X軸方向)から入射する光は、第1ポート15における出射光の強度が、角度100°から入射する光の第1ポート15における出射光の強度に対して25dB以上小さい。これによって、光アイソレータ50は、図11の光L2の反対方向に進む戻り光を僅かにしか伝搬させない。例えば、第1実施形態の図7及び図8に示したように、第2ポート16が空間を介して光伝送路40A,40Bと接続されている場合、戻り光は出射光と略反対向きの光路をたどり、第2ポート16にX軸の負の方向に入射する。このような戻り光は、第2ポート16から光アイソレータ50に僅かしか入射することができない。
以上説明したように、本実施形態に係る光アイソレータ50は、第1実施形態と類似して第1の方向の光を伝搬させ、第2の方向の光の伝搬を低減または抑制する光アイソレータの機能を実現することができる。また、光アイソレータ50は、第2端部14を所定のピッチで配列し、第1端部13とそれぞれの第2端部14との間ごとに規則的に異なる移相量を与えるように構成されている。これにより、外部から第2ポート16に入射することのできる光の方向は、第2ポート16から出射する光の方向とは異なる狭い方向に限定される。その結果、第2ポート16から出射した光の戻り光が、光アイソレータ50に入射し伝搬することを、第2ポート16の部分でより確実に低減または抑制することができる。
図11では、非相反性部材52a,52bと非相反性部材52c,52dとは、光導波路12の一部である非相反線路53のY軸方向の異なる側に配置していた。図13に示す光アイソレータ60のように、移相器61は、大きさの異なる非相反性部材62a~62cを、光導波路12の一部である非相反線路63a~63cの一方の側のみに配置して構成することができる。非相反性部材62a~62cは、隣接する第2端部14a~14cの間で規則的に異なる非相反性の移相量を与えるように構成される。図13に図示する例では、第1端部13と第2端部14dとの間には、非相反性を有する部分を設けていない。このような構成によっても、複数の第2端部14から第1端部13に第2方向に伝搬した光が、異なる位相差を有するようにすることができる。これによって、図11の光アイソレータ50と類似の作用、効果を有することができる。
(第3実施形態)
第1実施形態及び第2実施形態の光アイソレータ10,50及び60は、1つの第1端部13から入射して複数の第2端部14から出射する第1方向の光を伝搬させ、これと逆方向の第2方向の光を伝搬させないように構成された。しかし、光アイソレータは、第2方向の光を伝搬させ、第1方向の光を伝搬させないように構成することも可能である。このような光アイソレータ70を用いた光源装置71について、図14及び図15を参照して説明する。
図14に示すように、光源装置71は、光アイソレータ70、光アイソレータ70に入射させる光を射出する光源72、光源72に電力を供給する電源73、光源72からの光をコリメートして第2ポート16に入射させる少なくとも1つのレンズ74を含む。光源72は、第1実施形態の光源装置30の光源31と類似の半導体レーザを用いることができる。光源72からの光が平行光線の場合、レンズ74は無くてもよい。また、光源72からの光のビーム径を調整するため、複数のレンズ74が組み合わせて使用されてよい。第1実施形態の光源装置30と類似に、光源72及びレンズ74は、光アイソレータ70の基板11上に集積されてよい。光源72、電源73及びレンズ74は、光アイソレータ70とは分離可能な構成要素とすることもできる。
光アイソレータ70は、第2実施に係る光アイソレータ50,60と類似して、第1端部13とそれぞれの第2端部14との間ごとに規則的に異なる非相反性の移相量を与えるように構成される。図14,15においては光アイソレータ70の内部の構造は記載を省略している。第2実施形態の光アイソレータ50,60とは異なり、光アイソレータ70の第1端部13と各第2端部14との間の光導波路12の長さは、それぞれの第2端部14から入力された同位相の光が、第1端部13から同位相の光として出射するように調整される。これにより、光源72から出射されコリメートされた光は、光アイソレータ70の第2ポート16に容易に入射する。すなわち、光源72と光アイソレータ70との接続が容易である。光源72と光アイソレータ70とは、結合効率が高くなるように構成しうる。
図14は、光源装置71の構成とともに、光源72から出射した光が、第2ポート16から光アイソレータ70に入射するときの光線を破線により示している。第2ポート16の複数の第2端部14に対してX軸方向に入射した光は、光アイソレータ70内で光導波路12を通り結合され、第1ポート15の第1端部13からX軸方向に進行する光L4として出射される。
図15は、光源装置71の構成とともに、光源装置71に対する戻り光L5が第1ポート15の第1端部13に入射した場合の光線を破線により示している。戻り光L5は、第1端部13を出射した光L4の進行方向とは逆方向である、X軸の負の方向に第1端部13に入射する。この戻り光L5は、光アイソレータ70の内部で光導波路12を通り複数に分波され、複数の第2端部14から出射する。それぞれの第2端部14から出射する光は、非相反性により位相が規則的に異なっている。例えば、隣り合う第2端部14毎に出射される光は、位相が10°ずつ異なる。これにより、第2端部14から出射する複数の光は、波面の法線方向がX軸の負の方向から傾いた光となって出射される。従って、戻り光は、第2端部14からX軸の負の方向に対して傾いた方向に進行し、光源72に入射しない。これによって、光源72から出射した光の戻り光が、光源72に入射して光源72を損傷し、不安定化し、又は、干渉によるノイズ等を発生させることを防止することができる。
(第4実施形態)
図16~図19を参照して、第4実施形態に係る光アイソレータ80について説明する。図16は、光アイソレータ80の平面図である。図17は、光アイソレータ80を第1ポート15側から見た図である。図18は、光アイソレータ80を第2ポート16側から見た図である。図19は、光アイソレータ80の側面図である。光アイソレータ80は、第1実施形態の光アイソレータ10と部分的に類似しているので、光アイソレータ10の構成要素と同一又は類似の構成要素には同一の符号を付して、適宜説明を省略する。
光アイソレータ80の光導波路12は、XY平面内でのY軸方向の分岐に加え、Z軸方向にも分岐している。光導波路12は、非相反性部材20a~20dと接する部分以外の任意の位置でZ軸方向に分岐してよい。例えば、図16及び図19に示すように、光導波路12は、第1分岐部18aでY軸方向及びZ軸方向それぞれ2つずつ分岐し合計4つに分岐してよい。第1分岐部18aで4つに分岐した光導波路12は、それぞれ第2~第5分岐部18b~18eでY軸方向に2つずつ分岐する。その結果、光アイソレータ80のX軸の正の方向の端部では、図18に示すように、光導波路12の8つの第2端部14が2層に配列された2次元アレー状に配列される。また、第1分岐部18aと、第2~第5分岐部18b~18eとの間には、それぞれ非相反性部材20a~20dが接して配置される。
図16~図19に示す光アイソレータ80の構成は例示に過ぎない。光アイソレータ80の光導波路12は、光の伝搬する方向であるX軸方向に直交するY軸方向及びZ軸方向に、任意の位置に配置した複数の分岐部18により複数の光導波路12に分岐してよい。第2端部14は、Z軸方向に2層に限らず3層以上で配列されてよい。第2端部14の数は8に限らず、任意の数とすることができる。
以上のような構成によって、光アイソレータ80の第2ポート16には、第2端部14が2次元に配列される。このため、光アイソレータ80は、第2ポート16において単位面積あたりにより多くの第2端部14を配置することが可能になる。例えば、光アイソレータ80では、第2端部14をY軸方向にm個、Z軸方向にn個(m,nは2以上の任意の整数)アレー状に配列することができる。これは、第1実施形態の光アイソレータ10において、同じ面積の領域に第2端部14をY軸方向にm個のみ配列した場合に比べて、n倍の密度となる。従って、図7と類似して、光アイソレータ80の第2ポート16からの出射光を光伝送路40Aに入射させる場合、同じコア径に対してより多くの光を入射させることができる。また、図8と類似して、光アイソレータ80の第2ポート16からの出射光を、光伝送路40Bのコア41にレンズ43を介して結合させる場合、同数の第2端部14に対してレンズ43の径を小さくすることができる。さらに、第3実施形態のように、光アイソレータ80の第2ポート16を入射側とし第1ポート15を出射側とするとき、第2ポート16の第2端部14の密度が高いので、第2ポート16における光の損失を低減することが可能になる。
(第5実施形態)
図20~図23を参照して、第5実施形態に係る光アイソレータ90について説明する。各図において、第4実施形態の構成要素と同一又は類似の構成要素には、同じ参照符号が付されている。
図18に示した第4実施形態において、複数の第2端部14は、X軸方向に見たときY軸方向及びZ軸方向に格子状に並んで配列されていた。第5実施形態では、Z軸方向の正側にY軸方向に並んで配列された第2端部14の配列と、Z軸方向の負側にY軸方向に並んで配列された第2端部14の配列とを、Y軸方向にずらして配置する。すなわち、第2端部14は、Y軸方向及びZ軸方向の互いに直交する2次元方向の格子配置から少なくとも一方向においてずらして配置される。図20は、第5実施形態における、X軸方向の正側から見た第2端部14の配列の一例を示している。第2端部14を、このように配置することによって、上下の第2端部間での干渉の発生を低減することができる。
図21に示すように、本実施形態は光導波路12として、第1光導波路12a及び第2光導波路12bを有することができる。第1光導波路12aは、第1端部13を有する。第2光導波路12bは、光アイソレータ90の第1端部13側で、第1光導波路12aと方向性結合器91により結合される。方向性結合器91は、分岐部18の一つを構成する。図22及び図23に示すように、第1光導波路12a及び第2光導波路12bは、それぞれ、方向性結合器91と4つの第2端部14との間で2回分岐する。これにより、光アイソレータ90のX軸方向の正側の端部では、8つの第2端部14がZ軸方向に2層に配列される。Z軸方向の正側に配列される複数の第2端部14と、Z軸方向の負側に配列される複数の第2端部14とをずらして配置するため、図22及び図23に示すように、第1光導波路12aと第2光導波路12bとの形状は異なっている。
第1光導波路12a及び第2光導波路12bのそれぞれの第2端部14に繋がる部分は、非相反性を有する移相器19となっている。移相器19は、非相反性を有する複数の非相反性部材20を含む。それぞれの非相反性部材20は、第1光導波路12aまたは第2光導波路12bに接して配置される。複数の非相反性部材20は、それぞれ異なる移相量を与えるため、異なる配置、及び、異なるX方向の長さを有する。非相反性部材20の配置及びX方向の長さは、それぞれの対応する第2端部14の位置に応じて、狙った移相量を与えるように決定される。
本実施形態によれば、第4実施形態の光アイソレータ80と同様の効果が得られることに加え、複数の第2端部14間での干渉の発生を低減することができる。なお、第2端部14は、Z軸方向に2層に限られず、3層以上配置してよい。
本開示に係る実施形態について、諸図面及び実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形又は修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形又は修正は本開示の範囲に含まれることに留意されたい。本開示において、X軸、Y軸、及びZ軸は、説明の便宜上設けられたものであり、互いに入れ替えられてよい。
10 光アイソレータ
11 基板
12 光導波路
13 第1端部
14,14a,14b,14c 第2端部
15 第1ポート
16 第2ポート
17,17a,17b 媒質
18 分岐部
19 移相器
20,20a,20b 非相反性部材
21 非相反線路
30 光源装置
31 光源
32 電源
33 レンズ
40,40A,40B 光伝送路
41 コア
42 クラッド
43 レンズ
50 光アイソレータ
51 移相器
52,52a~52d 非相反性部材
53,53a~53d 非相反線路
60 光アイソレータ
61 移相器
62,62a~62d 非相反性部材
63,63a~63d 非相反線路
70 光アイソレータ
71 光源装置
80 光アイソレータ
90 光アイソレータ
91 方向性結合器

Claims (14)

  1. レーザ光源に使用される光アイソレータであって、
    基板と、
    前記基板上に位置する光導波路とを備え、
    前記光導波路は、第1端部、アレー状に配列された複数の第2端部、及び、前記第1端部と前記複数の第2端部との間に位置する少なくとも1つの分岐部を含み、
    前記光導波路は、部分的に非相反性を有し、前記第1端部と少なくとも2つの前記第2端部との間に異なる非相反性の移相量を与え、前記複数の第2端部は前記レーザ光源からの光の入射側に配置される光アイソレータ。
  2. 前記光導波路の前記非相反性を有する部分に接して配置される非相反性の部材を含む、請求項1に記載の光アイソレータ。
  3. 前記非相反性の部材の磁化方向、又は、前記非相反性の部材に非相反性を生じせしめる外部磁場の方向と、前記光導波路へ入射する入射光の偏光方向とが、略直交する請求項2に記載の光アイソレータ。
  4. 前記非相反性の部材の磁化方向、又は、前記非相反性の部材に非相反性を生じせしめる外部磁場の方向が、前記基板の前記光導波路が位置する基板面に略垂直な方向であり、且つ、前記光導波路へ入射する入射光の偏光方向が、前記基板面に対して略平行である請求項2または3に記載の光アイソレータ。
  5. 前記非相反性の部材が占める体積は、前記光導波路の前記非相反性を有する部分の体積の半分以下である請求項2から4の何れか一項に記載の光アイソレータ。
  6. 前記複数の第2端部は、前記レーザ光源と空間を介して光学的に結合される、請求項1から5の何れか一項に記載の光アイソレータ。
  7. 前記光導波路は、該光導波路の延在方向に沿って、該光導波路の周囲を覆って接する媒質の誘電率よりも高い誘電率を有する請求項1から6の何れか一項に記載の光アイソレータ。
  8. 前記第2端部は、前記光導波路の長手方向に先細の形状の端面を有する請求項1から7の何れか一項に記載の光アイソレータ。
  9. 前記複数の第2端部は所定のピッチで配列され、前記非相反性の移相量は、隣り合う前記第2端部の間で規則的に異なる量が与えられる、請求項1から8の何れか一項に記載の光アイソレータ。
  10. 前記複数の第2端部は、2次元アレー状に配列される請求項1から9の何れか一項に記載の光アイソレータ。
  11. 前記第2端部は、互いに直交する2次元方向の格子配置から少なくとも一方向においてずらして配置される請求項10に記載の光アイソレータ。
  12. 前記複数の第2端部から入射した前記レーザ光源からの光を前記第1端部から同位相の光として出射させ、前記第1端部から入射して前記第2端部から出射する前記レーザ光源からの光の戻り光を、前記レーザ光源に入射しない方向に傾けるように、前記第1端部と少なくとも2つの前記第2端部との間に異なる非相反性の移相量を与える、請求項1から11の何れか一項に記載の光アイソレータ。
  13. 基板、及び、前記基板上に位置する光導波路を備える光アイソレータであって、前記光導波路は、第1端部、アレー状に配列された複数の第2端部、及び、前記第1端部と前記複数の第2端部との間に位置する分岐部を含み、前記光導波路は、部分的に非相反性を有し、前記第1端部と少なくとも2つの前記第2端部との間に異なる非相反性の移相量を与える光アイソレータと、
    前記光アイソレータの前記複数の第2端部に、出射光が入射するように配置されたレーザ光源と、
    を備える光源装置。
  14. 前記光源に電力を供給する電源を更に備える、請求項13に記載の光源装置。
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