JP7245743B2

JP7245743B2 - アイソレータ及び光送信機

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Publication number: JP7245743B2
Application number: JP2019138309A
Authority: JP
Inventors: 丈也杉田; 直樹松井; 博道吉川
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2019-07-26
Filing date: 2019-07-26
Publication date: 2023-03-24
Anticipated expiration: 2039-07-26
Also published as: JP2021021833A

Description

本開示は、アイソレータ及び光送信機に関する。

従来、導波路型のアイソレータが提案されている（例えば、特許文献１参照）。例えば、特許文献１には、２つの三分岐光結合器の間に二本の導波路を有し、一方の導波路に９０°の相反移相器を含み、他方の導波路に９０°の非相反移相器を含むマッハツェンダ干渉計で構成される干渉計型光アイソレータが開示されている。

特開２００３－３０２６０３号公報

しかしながら、導波路型のアイソレータにおいて、導波路の終端で入射光の反射が発生すると、反射光が戻り光となり、光源の損傷等の不具合が生じることがある。導波路の端部における反射は、できる限り低減できることが好ましい。

したがって、これらの点に着目してなされた本発明の目的は、導波路の終端での不要な反射を低減することができるアイソレータ及び光送信機を提供することにある。

本開示のアイソレータは、基板面を有する基板の上において、前記基板面に沿って少なくとも部分的に並んで位置する第１導波路と第２導波路とを備える。前記第１導波路は第１コアを含み、前記第２導波路は第２コアを含み、前記第１コア及び前記第２コアは、誘電体により囲まれる。前記第１導波路は、第１端と第２端とを有し、前記第１端及び前記第２端それぞれに電磁波が入出力されるポートを有する。前記第２導波路は、両端を有し、前記第１導波路と互いに沿う第１部分と、前記第１部分に含まれない第２部分とを有する。前記第２導波路は、前記第１部分の前記第２コアの少なくとも一部に接する非相反性部材を有する。前記非相反性部材は、前記第２部分の前記第２コアの少なくとも一部にさらに接する。

本開示の光送信機は、光源と、光変調器と、アイソレータとを備える。前記光変調器は、送信すべき信号に基づいて、前記光源から射出された光を変調する。前記アイソレータは、前記光源よりも下流側に配置される。前記アイソレータは、基板面を有する基板の上において、前記基板面に沿って少なくとも部分的に並んで位置する第１導波路と第２導波路とを備える。前記第１導波路は第１コアを含み、前記第２導波路は第２コアを含み、前記第１コア及び前記第２コアは、誘電体により囲まれる。前記第１導波路は、第１端に前記光源からの光が入力される第１ポートを有し、前記第１端と異なる第２端に前記光源からの光が出力される第２ポートを有する。前記第２導波路は、両端を有し、前記第１導波路と互いに沿う第１部分と、前記第１部分に含まれない第２部分とを有する。前記第２導波路は、前記第１部分の前記第２コアの少なくとも一部に接する非相反性部材を有する。前記非相反性部材は、前記第２部分の前記第２コアの少なくとも一部にさらに接する。

本開示の光送信機は、光源と、駆動部と、アイソレータとを備える。前記駆動部は、送信すべき信号に基づいて前記光源を駆動する。前記アイソレータは、前記光源の光の出射側に配置される。前記アイソレータは、基板面を有する基板の上において、前記基板面に沿って少なくとも部分的に並んで位置する第１導波路と第２導波路とを備える。前記第１導波路は第１コアを含み、前記第２導波路は第２コアを含み、前記第１コア及び前記第２コアは、誘電体により囲まれ、前記第１導波路は、第１端に前記光源からの光が入力される第１ポートを有し、前記第１端と異なる第２端に前記光源からの光が出力される第２ポートを有する。前記第２導波路は、両端を有し、前記第１導波路と互いに沿う第１部分と、前記第１部分に含まれない第２部分とを有する。前記第２導波路は、前記第１部分の前記第２コアの少なくとも一部に接する非相反性部材を有する。前記非相反性部材は、前記第２部分の前記第２コアの少なくとも一部にさらに接する。

本発明の実施形態によれば、導波路の終端での不要な反射を低減することができるアイソレータ及び光通信器を提供することができる。

一実施形態に係るアイソレータの斜視図である。図１のアイソレータの平面図である。図２のＡ－Ａ断面図である。第１方向に進む電磁波に対する結合係数を示すグラフである。第２方向に進む電磁波に対する結合係数を示すグラフである。他の実施形態に係るアイソレータの断面図である。一実施形態に係る光送信機の概略構成を示すブロック図である。他の実施形態に係る光送信機の概略構成を示すブロック図である。

以下、本発明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。

図１～３に示されるように、一実施形態に係るアイソレータ１０は、基板５０と、第１導波路２０と、第２導波路３０とを備える。第１導波路２０と第２導波路３０とは、基板５０の基板面５０ａ（図３参照）に沿って配置される。第１導波路２０と第２導波路３０とは、少なくとも部分的に近接して平行に並んでいる。

以下の説明のためｘ軸方向、ｙ軸方向及びｚ軸方向が、それぞれ定義される。図１～３に示すように、ｘ軸方向は、第１導波路２０の延在する方向とする。ｘ軸の正の方向は、第１導波路２０の一方の端部（後述する第１端２０１）から他方の端部（後述する第２端２０２）へ向かう方向とする。ｙ軸方向は、基板５０の基板面５０ａに沿う方向であって、ｘ軸方向と交差する方向とする。ｙ軸方向は、ｘ軸方向と略直交してよい。ｙ軸の正の方向は、第１導波路２０からみて第２導波路３０の位置する側へ向かう方向とする。ｚ軸方向は、基板面５０ａに垂直な方向である。ｚ軸方向は、ｘ軸方向及びｙ軸方向と直交する。ｚ軸の正の方向は、基板５０から見て第１導波路２０及び第２導波路３０が配置された側の方向とする。

以下に、アイソレータ１０の各構成要素がより詳細に説明される。

基板５０は種々の材料により構成されうる。例えば、基板５０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。基板５０は、種々の形状を採りうる。例えば、基板５０は、ｘ軸方向及びｙ軸方向に延びる２辺を有し、ｘ軸方向に長い矩形状としうる。

基板５０の基板面５０ａの上には、第１導波路２０及び第２導波路３０に共通な、第１クラッド６１が形成される。第１クラッド６１の上面６１ａ上には、第１コア２１、第２コア３１、及び、非相反性部材３２が配置される。非相反性部材３２は、第２コア３１に接して配置されている。

図３に示すように、第１コア２１、第２コア３１及び非相反性部材３２は、第１クラッド６１上に形成された第２クラッド６２によって周囲及び上部を覆われている。第１クラッド６１及び第２クラッド６２は、纏めてクラッド６０と呼ぶことができる。第１コア２１、第２コア３１及び非相反性部材３２は、クラッド６０に囲まれている。第１導波路２０は、第１コア２１と第１コア２１に近接する部分のクラッド６０とを含む。第２導波路３０は、第２コア３１及び非相反性部材３２と、第２コア３１及び非相反性部材３２に近接する部分のクラッド６０とを含む。

第１コア２１、第２コア３１及びクラッド６０は、誘電体を含んで構成されてよい。第１コア２１及び第２コア３１は、誘電体線路ともいう。第１コア２１及び第２コア３１の比誘電率は、クラッド６０の比誘電率よりも高くされてよい。クラッド６０を構成する第１クラッド６１と第２クラッド６２とは、同一の誘電体材料で構成されてよい。第１クラッド６１と第２クラッド６２とは、一体に構成されてよい。第１クラッド６１と第２クラッド６２とが一体に構成される場合、アイソレータ１０の形成が容易になりうる。第１コア２１、第２コア３１、及び、クラッド６０の比誘電率は、空気の比誘電率よりも高くされてよい。第１コア２１、第２コア３１、及び、クラッド６０の比誘電率が、空気の比誘電率よりも高くされることで、第１導波路２０及び第２導波路３０からの電磁波の漏れが抑制されうる。結果として、アイソレータ１０から外部に電磁波が放射されることによる損失が低減されうる。

第１コア２１及び第２コア３１は、例えば、シリコン（Ｓｉ）で構成されてよい。クラッド６０は、例えば、石英ガラス（ＳｉＯ₂）で構成されてよい。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の近赤外波長を有する電磁波を低損失で伝搬させうる。第１コア２１及び第２コア３１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帯の波長を有する電磁波を低損失で伝搬させうる。

第１コア２１、第２コア３１及びクラッド６０の材料は、上記の材料に限られない。本開示のアイソレータ１０としての機能が得られる範囲で、第１コア２１、第２コア３１及びクラッド６０は、任意の材料を採用しうる。第２クラッド６２の部分は、特定の材料の層を設けず空気（誘電体）であってもよい。

第１コア２１及び第２コア３１の比誘電率は、ｚ軸方向に沿って一様に分布してよいし、ｚ軸方向に沿って変化するように分布してもよい。例えば、第１コア２１の比誘電率は、ｚ軸方向の中央部で最も高くなり、第１クラッド６１及び第２クラッド６２に近づくにつれて低くなるように分布してよい。この場合、第１導波路２０は、グレーデッド・インデックス型光ファイバと同様の原理で電磁波を伝搬させうる。

クラッド６０に覆われた第１コア２１及び第２コア３１は、電磁波を伝搬させる。本開示において、電磁波は、種々の波長の電磁波を含みうる。電磁波の波長は、紫外光から赤外光までの光の帯域に含まれてよい。電磁波の波長が光の波長帯域に含まれる場合、アイソレータ１０は、光アイソレータともいう。また、電磁波の帯域は、シリコンフォトニクスで使用される、波長１．５５μｍ等の波長帯域であってよい。

本実施形態に係る第１導波路２０及び第２導波路３０は、ＴＥモードの電磁波を伝搬させることができる。伝搬方向に電界成分を持たない電磁波は、ＴＥモードと呼ばれる。導波路において、ＴＥモードの電磁波は、電界が基板５０に対して水平方向に振動する。ＴＥモードの電磁波は、ＴＥ波とも呼ばれる。アイソレータ１０を利用する装置またはシステムにおいて、第１導波路２０及び第２導波路３０は、ＴＥモードの電磁波を伝搬させるように設計されてよい。このため、アイソレータ１０に入力される電磁波の偏波方向は、基板５０に対して平行にしてよい。電磁波が光の場合、偏波方向は偏光方向とも呼ばれる。

第１導波路２０及び第２導波路３０は、シングルモードでの導波条件を満たしてよい。第１導波路２０及び第２導波路３０がシングルモードでの導波条件を満たす場合、第１導波路２０及び第２導波路３０を伝搬する信号の波形が崩れにくくなる。シングルモードでの導波条件を満たす第１導波路２０及び第２導波路３０を組み合わせたアイソレータ１０は、光通信に適したものとなりうる。

第１導波路２０は、第２導波路３０と比較してｘ軸方向に長く延在する。第１導波路２０は、直線状の形状とすることができる。第１導波路２０は、直線状の形状に限られない。第１導波路２０は屈曲した部分を有してよい。図１～３に図示したアイソレータ１０では、第１導波路２０は、ｘ軸方向に沿うものとして説明する。

第１導波路２０は、ｘ軸の負の方向の側及び正の方向の側それぞれに、第１端２０１及び第２端２０２を有する。第１導波路２０は、第１端２０１及び第２端２０２に、それぞれ電磁波が入出力される第１ポート２１１及び第２ポート２１２を備える。第１ポート２１１から第１導波路２０に入力される電磁波は、ｘ軸に沿って第２ポート２１２に向けて進む。第２ポート２１２から第１導波路２０に入力される電磁波は、ｘ軸に沿って第１ポート２１１に向けて進む。第１ポート２１１及び第２ポート２１２はそれぞれ、第１コア２１の端面として構成されてよいし、外部装置と接続され、電磁波を伝搬可能なカプラとして構成されてもよい。

第２導波路３０は、基板５０の上において、基板面５０ａに沿って少なくとも部分的に第１導波路２０に並んで位置する。第２導波路３０は、第１部分３０ａと第２部分３０ｂ、３０ｃとを含む。第１部分３０ａは、第１導波路２０と互いに沿う部分である。第２導波路３０の第１部分３０ａは、第１導波路２０と平行になるようにｘ軸方向に沿う方向に直線状に配置される。第２導波路３０の第１部分３０ａでは、第２コア３１が、第１導波路２０の第１コア２１との間で近接場（エバネッセント場）の電磁界が結合しうる程度に、第１コア２１に近接して位置する。

第２導波路３０は、第１導波路２０との間で近接場の電磁界が結合しない第２部分３０ｂ、３０ｃを更に有する。第２部分３０ｂ、３０ｃは、第２導波路３０の第１部分３０ａに含まれない部分である。第２導波路３０の第２部分３０ｂ、３０ｃは、第２導波路３０の長手方向において、第１部分３０ａの一方の側又は両方の側に位置してよい。図１～３に示す例では、第２導波路３０の第２部分３０ｂ、３０ｃは、第１部分３０ａの両側に位置する。以下、第２導波路３０の第２部分３０ｂ、３０ｃは、第１部分３０ａの両側に位置するものとして説明する。第２部分３０ｂは、第１部分３０ａのｘ軸の負の方向の側に位置する。第２部分３０ｃは、第１部分３０ａのｘ軸の正の方向の側に位置する。

第２導波路３０の第２部分３０ｂ、３０ｃは、第１部分３０ａの側で第１導波路２０から乖離する方向へ屈曲している。すなわち、第２部分３０ｂ、３０ｃは、ｙ軸の正の方向を向くように屈曲している。第２導波路３０の第１部分３０ａと第２部分３０ｂ、３０ｃそれぞれとの間には、第１導波路２０と結合した状態から結合していない状態へ遷移する部分が存在してよい。第１導波路２０と結合した状態から結合していない状態へ遷移する部分は、第２部分３０ｂ、３０ｃに含まれないとしてよい。

第２導波路３０は、ｘ軸の負の方向の側に位置する第２部分３０ｂ、及び正の方向の側に位置する第２部分３０ｃのそれぞれに、第１端３０１及び第２端３０２を有する。言い換えれば、第２導波路３０は、両端を有する。

第２導波路３０の第１端３０１及び第２端３０２において、第２コア３１は、先端に向けて先細の形状の端面を有することができる。言い換えれば、第２導波路３０の第２コア３１の両端は、先端に向かって径が小さくなる。第２コア３１の先細の部分は、アイソレータ１０を伝搬する電磁波の波長よりも長くすることができる。第１端３０１及び第２端３０２は、ｘｙ平面に平行な平面で切った断面が先細の形状となっている。第１端３０１及び第２端３０２は、さらに、ｚ軸方向においても、先端に向けて幅が狭まってもよい。先細の形状は、先端に向けて径が細くなるテーパー形状と言い換えることができる。

第１導波路２０と第２導波路３０との互いに沿う部分は、平行導波路ともいう。第１導波路２０と第２導波路３０との互いに沿う部分は、導波路間の近接場の電磁界が結合しうる。平行導波路で、第１導波路２０と第２導波路３０との互いに沿う部分の一方の導波路に入力された電磁波は、その導波路の中で伝搬する間に他方の導波路に移りうる。つまり、第１導波路２０の中で伝搬する電磁波は、第２導波路３０に移りうる。第２導波路３０の中で伝搬する電磁波は、第１導波路２０に移りうる。

平行導波路において、一方の導波路から他方の導波路へ移る電磁波の割合を表すパラメータは、結合係数という。一方の導波路から他方の導波路へ電磁波が全く移らない場合、結合係数は０であるものとする。一方の導波路から他方の導波路へ全ての電磁波が移る場合、結合係数は１であるものとする。結合係数は、０以上且つ１以下の値でありうるものとする。結合係数は、各導波路の形状、各導波路間の距離、又は、導波路が互いに沿う長さ等に基づいて決定されうる。例えば、結合係数は、各導波路の形状が近似するほど高くなりうる。各導波路間の距離について、結合係数は、電磁波が導波路の中で伝搬する距離に応じて変化しうる。つまり、平行導波路において、導波路が延在する方向に沿った位置に応じて、結合係数は異なりうる。結合係数の極大値は、各導波路の形状又は各導波路間の距離等に基づいて決定されうる。結合係数の極大値は、１以下の値でありうる。

平行導波路において、導波路が互いに沿う区間の始点における結合係数は０である。始点から、結合係数が極大値となる位置までの長さは、結合長ともいう。導波路が互いに沿う長さが結合長に等しい場合、導波路が互いに沿う区間の終点における結合係数は、極大値でありうる。結合長は、各導波路の形状又は各導波路間の距離等に基づいて決定されうる。

第２導波路３０において、第１導波路２０から移ってきた電磁波は、第２導波路３０の中でも第１導波路２０の中と同じ方向に伝搬する。第２導波路３０において、電磁波は第２コア３１内を全反射を繰り返しながら第１端３０１又は第２端３０２へ向けて伝搬する。電磁波が第１端３０１又は第２端３０２に到達した場合、電磁波は、第１端３０１又は第２端３０２から放射されたり、第１端３０１又は第２端３０２で反射されて逆方向に進んだりしうる。

非相反性部材３２は非相反性材料を含む。非相反性材料は、電磁波の伝搬方向によって異なる伝搬特性を有する材料である。非相反性部材３２は、磁性体を含んで構成されてよい。一例として、非相反性部材３２は、磁性体ナノ粒子がコンポジットされた誘電体、例えばナノグラニューラー材を用いることができる。非相反性部材４０に採用される非相反性材料は、電磁波を吸収する性質を有してよい。

非相反性部材３２は、第２導波路３０の第１部分３０ａの第２コア３１に対して、ｙ軸の正の方向の側に位置する。非相反性部材３２は、第２導波路３０の第１部分３０ａの第２コア３１のｘ軸方向に沿う面の全体に渡り第２コア３１に接してよい。あるいは、非相反性部材３２は、第２コア３１の一部に接してよい。非相反性部材３２が、第２導波路３０の第１部分３０ａで第２コア３１に接することにより、後述するように第２導波路３０は非相反性を有する。

非相反性部材３２は、第２導波路３０の第２部分３０ｂ、３０ｃの第２コア３１の少なくとも一部にさらに接する。例えば、第２導波路３０の第２部分３０ｂ、３０ｃにおいて、第２コア３１が、第２導波路３０の延在する方向の周りに複数の側面を有する場合、非相反性部材３２は、第２コア３１の複数の側面の少なくとも一面に接してよい。

非相反性部材３２は、第２導波路３０と接する面において、第２導波路３０を伝搬する電磁波の一部を吸収する。第２導波路３０を伝搬される電磁波の一部が、第２導波路３０が非相反性部材３２と接する界面において全反射するとき、その一部が非相反性部材３２にエバネッセント波として滲み出す。この非相反性部材３２に滲み出した電磁波は、非相反性部材３２により少なくとも部分的に吸収される。

非相反性部材３２は、第２導波路３０の第２部分３０ｂ、３０ｃに対して、第１端３０１及び第２端３０２を少なくとも部分的に覆うように接してよい。非相反性部材３２が、第１端３０１及び第２端３０２を少なくとも部分的に覆うことにより、第１端３０１及び第２端３０２において、第２コア３１を伝搬してきた電磁波が少なくとも部分的に吸収される。

図１に示すように、第２導波路３０の第２部分３０ｂ、３０ｃの第２コア３１は、非相反性部材３２に埋設された構造とすることができる。非相反性部材３２は、第２コア３１と略等しいｚ方向の寸法を有する。この場合、非相反性部材３２は、第２導波路３０の第２部分３０ｂ、３０ｃの側面に、全体に渡り接してよい。

第１ポート２１１を介して第１導波路２０の第１端２０１から第１コア２１に入力された電磁波は、ｘ軸に沿って延在する第１導波路２０の第１コア２１の中で、第２端２０２に向けて伝搬する。第１端２０１から第２端２０２に向かう方向は、第１方向ともいう。第１コア２１の中で伝搬する電磁波は、第１コア２１の中で第２コア３１と互いに沿う部分を第１方向に伝搬した距離に基づく結合係数に応じた割合で、第２コア３１に移りうる。電磁波が第１コア２１の中で第１方向に伝搬する場合の結合係数は、第１結合係数ともいう。

第２ポート２１２を介して第１導波路２０の第２端２０２から第１コア２１に入力された電磁波は、ｘ軸に沿って延在する第１導波路２０の第１コア２１の中で、第１端２０１に向けて伝搬する。第２端２０２から第１端２０１に向かう方向は、第２方向ともいう。第１コア２１の中で伝搬する電磁波は、第１コア２１の中で第２コア３１と互いに沿う部分を第２方向に伝搬した距離に基づく結合係数に応じた割合で、第２コア３１に移りうる。電磁波が第１コア２１の中で第２方向に伝搬する場合の結合係数は、第２結合係数ともいう。

第２導波路３０の第２コア３１が、ｙ軸の正の方向側で非相反性部材３２と接することにより、第２導波路３０は、非相反性を有する。非相反性を有するとは、伝搬する電磁波が受ける効果が、電磁波の伝搬方向によって異なることを意味する。第２導波路３０は、電磁波が第１方向に伝搬する場合と、電磁波が第２方向に伝搬する場合とで、異なる伝搬特性を有しうる。第２導波路３０の伝搬特性が電磁波の伝搬方向に基づいて異なる場合、第１結合係数と第２結合係数とは互いに異なりうる。つまり、非相反性部材３２は、第１結合係数と第２結合係数とを異ならせうる。

非相反性部材３２による第２導波路３０の非相反性は、外部から磁場が加わることにより発現する。非相反性部材３２に加えられる外部磁場の方向と、第２導波路３０を伝搬する電磁波の偏波方向とは、互いに交差するように構成される。本実施形態において、第２導波路３０を伝搬するＴＥモードの電磁波の偏波方向は、基板５０の基板面５０ａに対して略平行（すなわち、ｙ軸方向）となる。この場合、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、非相反性部材３２による非相反性が発現する。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、非相反性が最も大きくなる。

非相反性部材３２が強磁性体の場合、非相反性部材３２は、外部磁場を加えなくとも非相反性を発現する。第２導波路３０を伝搬する電磁波の偏波方向がｙ軸方向の場合、非相反性部材３２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、非相反性部材３２は、磁化方向を略ｚ軸方向となるように配置される。

平行導波路の一方の導波路が非相反性を有する場合、電磁波が第１方向に伝搬する場合の結合係数の極大値は、電磁波が第２方向に伝搬する場合の結合係数の極大値と異なりうる。例えば図４に示されるように、電磁波が第１方向に伝搬する場合における第１導波路２０と第２導波路３０との結合係数の極大値は、０に近い値となるように構成されうる。例えば図５に示されるように、電磁波が第２方向に伝搬する場合における第１導波路２０と第２導波路３０との結合係数の極大値は、１に近い値となるように構成されうる。電磁波の伝搬方向ごとに結合係数の極大値が異なることによって、電磁波の伝搬方向ごとに電磁波の透過率が異なりうる。図４及び図５において、横軸及び縦軸はそれぞれ、平行導波路における電磁波の進行距離、及び、結合係数を表す。

第２導波路３０が非相反性を有する場合、第１導波路２０と第２導波路３０との結合係数は、電磁波の伝搬方向に応じて異なりうる。つまり、第２導波路３０が非相反性を有する場合、アイソレータ１０の第１結合係数は、第２結合係数と異なりうる。第２導波路３０の非相反性の大きさが調整されることによって、第２結合係数は、第１結合係数よりも大きくされうる。

第１ポート２１１から第１導波路２０に入力された電磁波が第１方向に伝搬する場合、入力された電磁波のうち第２導波路３０に移った電磁波の少なくとも一部が、第２導波路３０の第２部分３０ｃに伝搬される。第２導波路３０の第２部分３０ｃに伝搬された電磁波は、第１導波路２０の第２ポート２１２から出力されず、第２導波路３０の第２部分３０ｃで吸収されたり、第２端３０２から外部に放射されたり、第２端３０２で反射されたりしうる。第１結合係数が大きい場合、第１導波路２０に入力された電磁波のうち、第２導波路３０に移って、第２部分３０ｃで吸収又は外部放射される電磁波の割合が大きくなりうる。この場合、第１導波路２０に入力された電磁波のうち、第２ポート２１２から出力される電磁波の割合が小さくなりうる。つまり、第１ポート２１１に入力される電磁波の強度に対する、第２ポート２１２から出力される電磁波の強度の比が小さくなりうる。第１ポート２１１に入力される電磁波の強度に対する、第２ポート２１２から出力される電磁波の強度の比は、第１方向に伝搬する電磁波に対するアイソレータ１０の透過率ともいう。第１結合係数が大きい場合、第１方向に伝搬する電磁波に対する透過率が低くなりうる。一方で、第１結合係数が小さい場合、第２導波路３０に移る電磁波の割合が小さくなりうるので、第１方向に伝搬する電磁波に対する透過率が高くなりうる。

第２ポート２１２から第１導波路２０に入力され第２方向に伝搬する電磁波は、第２結合係数に応じて、第１方向に伝搬する電磁波がアイソレータ１０から受ける作用と同一の作用を受けうる。その作用によって、第２方向に伝搬する電磁波の一部は、第２導波路３０の第２部分３０ｂに伝搬される。第２結合係数が大きい場合、第２方向に伝搬する電磁波に対する透過率が低くなりうる。第２結合係数が小さい場合、第２方向に伝搬する電磁波に対する透過率が高くなりうる。

第１結合係数と第２結合係数とが異なる場合、第１方向に伝搬する電磁波に対する透過率と、第２方向に伝搬する電磁波に対する透過率とが異なりうる。つまり、アイソレータ１０は、第１結合係数と第２結合係数とを異ならせることによって、一方向に電磁波を伝搬させやすくし、逆方向に電磁波を伝搬させにくくするように機能しうる。第２結合係数が第１結合係数よりも大きい場合、アイソレータ１０は、第１方向に電磁波を伝搬させやすくし、第２方向に電磁波を伝搬させにくくするように機能しうる。第１結合係数及び第２結合係数がそれぞれ略０及び略１とされる場合、第１方向に伝搬する電磁波に対する透過率と、第２方向に伝搬する電磁波に対する透過率との差が大きくされうる。結果として、アイソレータ１０の機能が向上されうる。

平行導波路の一方の導波路が非相反性を有する場合、第１方向に伝搬する電磁波に対する平行導波路の結合長は、第２方向に伝搬する電磁波に対する平行導波路の結合長と異なりうる。例えば図４に示されるように、アイソレータ１０において第１方向に伝搬する電磁波に対する結合長は、Ｌ₁と表されうる。例えば図５に示されるように、アイソレータ１０において第２方向に伝搬する電磁波に対する結合長は、Ｌ₂と表されうる。アイソレータ１０は、Ｌ₁とＬ₂とが異なるように構成されてよい。

平行導波路において２つの導波路が互いに沿う長さ（図２においてＬ）が結合長に等しい場合、結合係数が極大値となりうる。例えば図４のグラフに示される関係を有する平行導波路において、２つの導波路が互いに沿う長さＬがＬ₁である場合、結合係数が極大値となりうる。２つの導波路が互いに沿う長さＬが結合長の２倍に等しい場合、結合係数が極小値となりうる。例えば図４に示される関係を有する平行導波路において、２つの導波路が互いに沿う長さＬが２Ｌ₁である場合、結合係数が極小値となりうる。

図４のグラフに示される関係は、電磁波の進行距離が長くなった領域でも繰り返されうる。つまり、２つの導波路が互いに沿う長さＬがＬ₁の奇数倍である場合、結合係数が極大値となりうる。２つの導波路が互いに沿う長さＬがＬ₁の偶数倍である場合、結合係数が極小値となりうる。図５に示される関係を有する平行導波路においても、２つの導波路が互いに沿う長さＬがＬ₂の奇数倍である場合、及び、Ｌ₂の偶数倍ある場合それぞれで、結合係数が極大値及び極小値となりうる。Ｌ₁及びＬ₂は、平行導波路における最短の結合長となりうる長さであり、単位結合長ともいう。つまり、結合長は、単位結合長の奇数倍であってよい。

第１導波路２０と第２導波路３０とが互いに沿う長さＬが調整されることによって、第１結合係数及び第２結合係数が調整されうる。第１導波路２０と第２導波路３０とが互いに沿う長さＬは、第２方向に伝搬する電磁波に対する単位結合長の奇数倍と略同一であってよい。このようにすることで、第２結合係数が大きくされうる。第１導波路２０と第２導波路３０とが互いに沿う長さＬは、第１方向に伝搬する電磁波に対する単位結合長の偶数倍と略同一であってよい。このようにすることで、第１結合係数が小さくされうる。このようにすることで、第２結合係数が第１結合係数より大きくされてよい。

上述のように構成されることにより、アイソレータ１０において、第１導波路２０の第１ポート２１１から入射し第１方向に伝搬する電磁波の大部分は、第２導波路３０の第１部分３０ａに移ることなく、第２ポート２１２に向けて伝搬する。しかし、第１導波路２０を伝搬する電磁波の一部は、第１導波路２０と第２導波路３０とが互いに沿う部分において、第２導波路３０の第１部分３０ａに移り、第２コア３１を第２端３０２に向けて伝搬しうる。

第２コア３１を第２端３０２に向けて伝搬する電磁波は、第２導波路３０の第２部分３０ｃの第２コア３１が非相反性部材３２と接する部分において、非相反性部材３２により少なくとも部分的に吸収される。従って、電磁波は、第２部分３０ｃを伝搬するに従い減衰しうる。

さらに、第２導波路３０の第２端３０２に到達した電磁波は、第２端３０２を先細の形状としたことにより、多くの部分が反射されることなく、第２導波路３０の第２端３０２から外部へ放射される。特に、第２端３０２が非相反性部材３２で覆われる場合、第２端３０２から放射された電磁波は、非相反性部材３２により吸収される。また、第２コア３１の第２端３０２の先細の部分を、第２導波路３０を伝搬する電磁波の波長よりも長くしたことにより、第２端３０２における電磁波の反射を特に低減することができる。

従って、アイソレータ１０によれば、第１導波路２０の第１ポート２１１から入射し、第１部分３０ａで第２導波路３０に移った電磁波が、第２端３０２で反射され、第２導波路３０の第１部分３０ａに戻ることを抑制することができる。これにより、第１部分３０ａに戻った電磁波が、再び第１導波路２０に移り第１ポート２１１側へ伝搬し、第１ポート２１１に接続される電磁波源（光源）又は素子（光学素子）等に損傷を与える等の悪影響を及ぼす虞を低減することができる。

アイソレータ１０の入力用ポートとして第１ポート２１１を用いたとき、第１ポート２１１から入射した電磁波が、第１ポート２１１に戻り、第１ポート２１１に接続された電磁波源（光源）又は素子（光学素子）に損傷を与えることは、最も懸念される事象の一つである。従って、第１導波路２０を第１方向に進む電磁波が、第２導波路３０の第１部分３０ａに移ったときに進行する側である第２部分３０ｃの第２コア３１に、非相反性部材３２が接する構成は、入力された電磁波の戻りを防止するうえで特に有効性が高い。

また、アイソレータ１０では、第１導波路２０の第２ポート２１２から入射し第２方向に伝搬する電磁波の大部分は、第１導波路２０と第２導波路３０とが互いに沿う部分において、第２導波路３０の第１部分３０ａに移る。第１部分３０ａで第２導波路３０に移った電磁波は、第２導波路３０の第２コア３１を第１端３０１に向けて伝搬する。

第２導波路３０の第２コア３１を第２端３０２に向けて伝搬する電磁波は、第２導波路３０の第２部分３０ｂの第２コア３１が非相反性部材３２と接する部分において、非相反性部材３２により少なくとも部分的に吸収される。従って、電磁波は、第２部分３０ｂを伝搬するに従い減衰しうる。

さらに、第２導波路３０の第１端３０１に到達した電磁波は、第１端３０１を先細の形状としたことにより、多くの部分が反射されることなく、第２導波路３０の第１端３０１から外部へ放射される。特に、第１端３０１が非相反性部材３２で覆われる場合、第１端３０１から放射された電磁波は、非相反性部材３２により吸収される。また、第２コア３１の第１端３０１の先細の部分を、第２導波路３０を伝搬する電磁波の波長よりも長くしたことにより、第１端３０１における電磁波の反射を特に低減することができる。

従って、アイソレータ１０によれば、第１導波路２０の第２ポート２１２から入射し、第１部分３０ａで第２導波路３０に移った電磁波が、第１端３０１で反射されることを低減することができる。さらに、アイソレータ１０によれば、第２導波路３０の第１端３０１で反射された電磁波が、第２導波路３０の第２端３０２に伝搬し、第２端３０２でさらに反射されることを低減することができる。これにより、アイソレータ１０は、第１導波路２０の第２ポート２１２から入射した電磁波が、第２導波路３０に移り、第１端３０１と第２端３０２とで順に反射されて、再び第１導波路２０に戻ることを低減することができる。したがって、アイソレータ１０は、第１導波路２０の第２ポート２１２から入射した電磁波が、結果的に第１ポート２１１へ進み、第１ポート２１１に接続される電磁波源（光源）又は素子（光学素子）等に損傷を与える等の悪影響を及ぼす虞を低減することができる。

このように、アイソレータ１０では、非相反性部材３２が、第２導波路３０の第１部分３０ａの両側に位置する第２部分３０ｂ、３０ｃの双方の部分で第２コア３１に接することにより、不要な反射を低減する効果が大きくなる。

以上説明したように、本開示のアイソレータ１０は、第２導波路３０の終端での不要な反射を低減することができる。これによりアイソレータ１０は、第１導波路２０の第１ポート２１１又は第２ポート２１２から入射した電磁波が、第２導波路３０内で反射され第１ポート２１１から出力されることによる、電磁波源（光源）または他の素子（光学素子）への悪影響を低減できる。

さらに、本開示のアイソレータ１０は、第２導波路３０に非相反性を与えるために用いられる非相反性部材３２を、不要な電磁波を低減するためにも使用している。よって、アイソレータ１０は、不要な電磁波を低減するための特別な構成要素を別途設ける必要が無い。このため、本開示のアイソレータ１０は、第２導波路３０の終端に金属等の吸収材を設ける場合等と比較して、吸収端を設置するプロセスを追加する必要がないので、より簡単且つ安価に構成することができる。

また、本開示のアイソレータ１０では、不要な電磁波を第２導波路３０の第２コア３１の側面に接する非相反性部材３２により吸収するので、第２導波路３０の端に電磁波を吸収する部材を設置する場合に比べて、界面での屈折率差による戻り方向への反射が生じ難い。

上記図１～３の実施形態において、第１導波路２０の第１コア２１、第２導波路３０の第２コア３１及び非相反性部材３２は、第２クラッド６２で覆われるものとした。しかし、図６の断面図に示すように、他の実施形態に係るアイソレータ１１では、第２クラッド６２は設けなくても良い。図６は、図３の断面図に相当する位置でのアイソレータ１１の断面図である。この場合、第１コア２１、第２コア３１及び非相反性部材３２は、第１クラッド６１と接しない部分において、空気と接してよい。空気は、比誘電率が約１．０００６の誘電体である。また、図１～３の実施形態に係るアイソレータ１０では、第２導波路３０の第２コア３１は、ｚ軸の正の方向の側の面が第２クラッド６２により覆われていた。アイソレータ１１では、第２導波路３０の第２コア３１は、ｚ軸の正の方向の側の面を非相反性部材３２により覆われてよい。第２部分３０ｂ、３０ｃの第２コア３１を非相反性部材３２で覆うことにより、アイソレータ１１は、第２部分３０ｂ、３０ｃでより多くの割合の電磁波を吸収することが可能になる。

本開示のアイソレータ１０、１１は、光送信機に適用することができる。アイソレータ１０、１１を適用した一実施形態に係る光送信機７０が、図７のブロック図に示されている。

光送信機７０は、光源７１と、ＤＡＣ７２（Digital to Analog Converter）と、ドライバ７３と、光変調器７４と、アイソレータ７５とを含んで構成される。

光源７１は、レーザ光源を採用しうる。レーザ光源は、ＬＤ（Laser Diode）等の半導体レーザを含んでよい。光源７１の射出する光は、赤外光から紫外光までの帯域に含まれてよい。光源７１は、連続的に安定した光を射出することができる。

光送信機７０は、送信すべき送信信号を他の装置等から受け取る。送信信号は、ＤＡＣ７２によりアナログ信号に変換される。ドライバ７３はアナログ信号に変換された送信信号に基づいて、光変調器７４を駆動して光源７１から射出された光を変調する。光を変調する変調方式は、振幅変調、位相変調等種々の方式を採用しうる。光変調器７４としては、例えば、シリコンフォトニクス技術により形成されるマッハツェンダ光変調器を用いることができる。光変調器７４は、アイソレータ７５と同じ基板５０上に形成されうる。

アイソレータ７５は、本開示に従うアイソレータを採用しうる。例えば、アイソレータ７５は、図１～３に示したアイソレータ１０、または、図６に示したアイソレータ１１を用いることができる。アイソレータ７５は、光源７１から射出された光の光路の光源７１よりも下流側に配置される。例えば、図７に示すように、アイソレータ７５は、光変調器７４の光の出射側に配置され、光送信機７０の外部へ向かう光を透過させる。アイソレータ７５は、反射等により外部から光送信機７０に戻った光が、光変調器７４側へ伝搬することを抑制する。これによって、アイソレータ７５は、外部から入射する光が光源７１等に入射し、光源７１等に損傷等の悪影響を与える虞を低減する。アイソレータ７５は、図７とは異なり、光源７１と光変調器７４との間に配置されてよい。この場合、アイソレータ７５は、外部から戻ってきた光及び光変調器７４の内部で反射された戻り光が、光源７１に入射する虞を低減することができる。

光送信機の他の実施形態が、図８に示される。図７の光送信機７０は、光源７１からの光を光源７１の外部の光変調器７４で変調する、外部変調方式を採用していた。図８に例示する実施形態では、光源を直接制御する直接変調方式を採用する。

光送信機８０は、信号変調部８１、駆動部であるドライバ８２、光源８３及びアイソレータ８４を含む。信号変調部８１は、送信信号を２値の変調信号に変換する。ドライバ８２は、信号変調部８１から出力される変調信号に基づいて、光源８３の駆動のオン／オフを制御する。アイソレータ８４は、本開示に従うアイソレータを採用しうる。例えば、アイソレータ８４は、図１～３に示したアイソレータ１０、または、図６に示したアイソレータ１１を用いることができる。アイソレータ８４は、光源８３の光の出射側に配置され、光送信機８０の外部へ向かう光を透過させる。アイソレータ８４は、反射等により外部から光送信機８０に戻った光が、光源８３に入射し、光源に損傷等の悪影響を与える虞を低減する。

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。例えば、各構成部又は各ステップなどに含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の構成部又はステップなどを１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。本開示に係る実施形態について装置を中心に説明してきたが、本開示に係る実施形態は装置の各構成部が実行するステップを含む方法としても実現し得るものである。本開示に係る実施形態は装置が備えるプロセッサにより実行される方法、プログラム、又はプログラムを記録した記憶媒体としても実現し得るものである。本開示の範囲にはこれらも包含されるものと理解されたい。

本開示において「第１」及び「第２」等の記載は、当該構成を区別するための識別子である。本開示における「第１」及び「第２」等の記載で区別された構成は、当該構成における番号を交換することができる。例えば、第１ポートは、第２ポートと識別子である「第１」と「第２」とを交換することができる。識別子の交換は同時に行われる。識別子の交換後も当該構成は区別される。識別子は削除してよい。識別子を削除した構成は、符号で区別される。本開示における「第１」及び「第２」等の識別子の記載のみに基づいて、当該構成の順序の解釈、小さい番号の識別子が存在することの根拠に利用してはならない。

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。本開示に係る構成は、ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸によって構成される直交座標系を用いて説明されてきた。本開示に係る各構成の位置関係は、直交関係にあると限定されるものではない。

上記アイソレータの各実施形態における、基板上の導波路の配置は例示に過ぎない。例えば、上記各実施形態では、複数の導波路が近接して平行導波路を形成する部分の導波路の向きは、基板の長手方向の辺と平行となっていた。しかし、基板の形状と導波路の向き及び配置はこれに限られず、本開示の効果が得られる範囲で如何様にも設定できる。例えば、複数の導波路は基板面に沿う方向に並んで配置されるのみならず、基板面に垂直な方向に並ぶように配置することも可能である。

上記実施形態では、ＴＥモードの電磁波を伝搬させるアイソレータ及び光送信機について説明してきた。しかし、本開示はＴＭモードの電磁波を伝搬させるアイソレータ及び光送信機についても適用することができる。本開示をＴＭモードの電磁波を伝搬させるアイソレータ及び光送信機に適用する場合、上記実施形態とは、第２導波路に対する非相反性部材の配置及び印加する磁場の方向が異なる。例えば、本発明をＴＭモードのアイソレータ及び光送信機に適用する場合、非相反性部材は第２導波路の基板面に垂直な方向（上記実施例のｚ軸方向に相当）に接して配置されうる。また、このとき、磁場は第２導波路が延在する方向に直交する方向（上記実施例のｙ軸方向に相当）に印加されうる。

１０，１１アイソレータ
２０第１導波路
２１第１コア
２０１第１端
２０２第２端
２１１第１ポート
２１２第２ポート
３０第２導波路
３１第２コア
３１ａ第１部分
３１ｂ，３１ｃ第２部分
３０１第１端
３０２第２端
３２非相反性部材
５０基板
５０ａ基板面
６０クラッド
６１第１クラッド（誘電体）
６２第２クラッド（誘電体）
７０，８０光送信機
７１光源
７２ＤＡＣ（デジタルアナログコンバータ）
７３ドライバ
７４光変調器
７５アイソレータ
８１信号生成部
８２ドライバ（駆動部）
８３光源
８４アイソレータ

Claims

基板面を有する基板の上において、前記基板面に沿って少なくとも部分的に並んで位置する第１導波路と第２導波路とを備え、
前記第１導波路は第１コアを含み、前記第２導波路は第２コアを含み、前記第１コア及び前記第２コアは、誘電体により囲まれ、
前記第１導波路は、第１端と第２端とを有し、前記第１端及び前記第２端それぞれに電磁波が入出力されるポートを有し、
前記第２導波路は、両端を有し、前記第１導波路と互いに沿う第１部分と、前記第１部分に含まれない第２部分とを有し、
前記第２導波路は、前記第１部分の前記第２コアの少なくとも一部に接する非相反性部材を有し、
前記非相反性部材は、前記第２部分の前記第２コアの少なくとも一部にさらに接する、アイソレータ。
前記第２導波路の前記第１部分において、前記第２導波路の前記第２コアは、前記第１導波路の前記第１コアと近接場の電磁界が結合する程度に近接して位置する請求項１に記載のアイソレータ。
前記第２コアは、長手方向の周りに複数の側面を有し、前記非相反性部材は、前記第２部分の前記第２コアの少なくとも一面に接する請求項１または２に記載のアイソレータ。
前記第２導波路の前記第２部分は、前記第１導波路から乖離する方向へ屈曲している請求項１から３の何れか一項に記載のアイソレータ。
前記第２導波路の前記第２部分は、前記第１部分の一方又は両方の側に位置し、前記非相反性部材は、少なくとも、前記第１導波路を前記第１端から前記第２端の方向に進む電磁波が、前記第２導波路の前記第１部分に移ったときに進行する側の前記第２部分の前記第２コアに接する請求項１から４の何れか一項に記載のアイソレータ。
前記第２導波路の前記第２コアの両端は、先端に向かって径が小さくなる請求項１から５の何れか一項に記載のアイソレータ。
前記第２端から入力された電磁波が前記第１端に向けて伝搬する場合の、前記第１導波路と前記第２導波路との結合係数は、前記第１端から入力された電磁波が前記第２端に向けて伝搬する場合の、前記第１導波路と前記第２導波路との結合係数よりも大きい、請求項１から６の何れか一項に記載のアイソレータ。
光源と、
送信すべき信号に基づいて、前記光源から射出された光を変調する光変調器と、
前記光源よりも下流側に配置されるアイソレータと
を備え、
前記アイソレータは、
基板面を有する基板の上において、前記基板面に沿って少なくとも部分的に並んで位置する第１導波路と第２導波路とを備え、
前記第１導波路は第１コアを含み、前記第２導波路は第２コアを含み、前記第１コア及び前記第２コアは、誘電体により囲まれ、
前記第１導波路は、第１端に前記光源からの光が入力される第１ポートを有し、前記第１端と異なる第２端に前記光源からの光が出力される第２ポートを有し、
前記第２導波路は、両端を有し、前記第１導波路と互いに沿う第１部分と、前記第１部分に含まれない第２部分とを有し、
前記第２導波路は、前記第１部分の前記第２コアの少なくとも一部に接する非相反性部材を有し、
前記非相反性部材は、前記第２部分の前記第２コアの少なくとも一部にさらに接する、
光送信機。
光源と、
送信すべき信号に基づいて前記光源を駆動する駆動部と、
前記光源の光の出射側に配置されるアイソレータとを備え、
前記アイソレータは、
基板面を有する基板の上において、前記基板面に沿って少なくとも部分的に並んで位置する第１導波路と第２導波路とを備え、
前記第１導波路は第１コアを含み、前記第２導波路は第２コアを含み、前記第１コア及び前記第２コアは、誘電体により囲まれ、
前記第１導波路は、第１端に前記光源からの光が入力される第１ポートを有し、前記第１端と異なる第２端に前記光源からの光が出力される第２ポートを有し、
前記第２導波路は、両端を有し、前記第１導波路と互いに沿う第１部分と、前記第１部分に含まれない第２部分とを有し、
前記第２導波路は、前記第１部分の前記第２コアの少なくとも一部に接する非相反性部材を有し、
前記非相反性部材は、前記第２部分の前記第２コアの少なくとも一部にさらに接する、
光送信機。