JPH02500544A - 集積化されたシングルモードアイソレータ導波路及び半導体レーザへの使用 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 集積化されたシングルモードアイソレータ導波路及び半導体レーザへの使用 本発明は、集積化されたシングルモードアイソＬ／−９、さらに詳しく言えば、 レーザダイオードを光回路に結合することを可能にし、同時にこのレーザダイオ ードに光エネルギーが戻ることを効果的に防ぐ導波装置に関するものである。

現在の技術の状況を説明するために、１例として、第１図にアイソレータとその 作用を示した。この装置は、非相反部分Ｉと２つの正確に一定方向に向いた偏光 器Ｐ１、Ｐ２とによって構成されている。ＹＩＧ部分によって形成された非相反 部分Ｉでは、入射光の偏光面が、ファラデー効果によって４５度回転する。いか なる反射光線も、この部分の二度目に通過すると、入力偏光面と直交する偏光面 を有する。従って、分離効果が得られる。

光集積回路では、光線は、例えば、固有のＴＥ及びＴ固有モード（平面導波）で 、すなわち、Ｅ及びＨモード（二次元導波）で、ガドリニウム及びガリウムイオ ンでドープされたイツトリウム−鉄−ガーネットの薄膜層中を伝搬する。ファラ デー効果は、ＴＥ及びＴＭを、すなわち、Ｅ及びＨモードを結合する。従って、 シングルモード平面導波路では、導波路の入力での入射光はＴＥ、モードに平行 な偏光面を有していると仮定すると、この光導波路の入力から距離ＬＸに位置す る点で非相反的にＴＭ、に変換される光の強さＲは、以下の式に示される。

（但し、Ｋはファラデ一定数であり、 であり、ＮＴ！。及びＮｔｘ。は各々ＴＥ、及びＴＭ、モードの実効屈折率であ る。第２図は、Ｌの関数としてＲの変化を示すグラフである。関係式（１）は、 Ｋ一定で、Δβ＝０の時だけ変換が完全である（Ｒ＝１）ことを示している。こ の場合、モーなる場合に得られる。△β≠０のとき、式（１）によって決定され る最大変換率Ｒ，は以下の式で示される。

従って、ガドリニウム及びガリウムイオンによって置換されたイツトリウム−鉄 −ガーネット　（ＹＩＧ）の層は、厚さが３μｍで、屈折率は　ｎ＝２．１５で 、ファラデー回転はλ＝１．１５μｍでに＝２０６°／ＣｌＴｌであり、Δβ＝ １６３３°／艶で、２Ｍα１．６％である。

非導波型光素子と同様に、光集積回路アイソレータは、「出力」方向に５０％、 及び、「戻り」方向に５０％変換するのに対応する長さの非相反部分を使用する 。この部分は、その入力と出力に偏光器を備えている。偏光器は、１つで十分な こともある。例えば、漂遊反射から保護するのが望ましい半導体レーザを使用し た場合である。これは、これらの光源が、実際には、それ自体の偏光面に垂直な 偏光面を有する漂遊反射には感応しないからである。この時、誘電体によってガ ーネットから分離された金属層によって形成された光集積回路アイソレータが考 えられる。この場合の欠点は、レーザの面とガーネットの面との不一致を原因と する。

しかし、いずれの場合でも、光集積回路のアイソレータは、非相反部分で、非相 反部分に入射するモードと、非相反部分から出射するモードとの２つの結合され たモード間で全変換することが必要である。従って、△β、従って、ΔＮを無効 にすることが絶対に必要である。

この問題を解決するために、様々な解決法が提案された。

「レビュテクニックトムソンセーエスエフ（Ｒｅｖｕｅ　ＴｅｃｈｎｉｑｕｅＴ ＨＯＭＳＯＮ　Ｃ５Ｆ）第１８巻、第２号、２５５〜３００頁、１９８６年６月 」に掲載されたジュー。ビー、カステラ（Ｊ、　Ｐ、　ＣＡＳＴＥＲＡ）他の論 文「ガーネットにおける磁気光学効果並びにアイソレータ及び光サーキユレータ 作製への利用（Ｅｆｆｅｔｓ　ｍａｇｎｅｔｏ−ｏｐｔｉｑｕｅｓｄａｎｓ　Ｉ ｅｓ　ｇａｒｎｅｔｓ　ｅｔ　１ｅｕｒ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ａ　ｌａ　 ｒｅａｌｉｓａｔｉｏｎｄ’ｕｎ　１ｓｏｌａｔｏｒ　ｅｔ　ｃｌ’ｕｎ　ｃｉ ｒｃｕｌａｔｏｒ　ｏｐｔｉｑｕｅ）　Ｊには、異なる解決法が記載されている 。その２つの解決法は、既に考案されたものである。

一以下の文献に記載されているように、磁気光学相互作用、すなわち、伝送モー ドの結合定数の変更。

−［アプライドフイジックレターズ（Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃ（ｓｉｃ） Ｌｅｔｔｅｒｓ）、第２１巻、１９７２年、３９４頁」に記載のビー、ケー、テ ィエン（Ｐ、　Ｋ、　ＴＩＥＮ）他の論文。

−「アプライドフイジックレターズ（Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃ（ｓｉｃ） Ｌｅｔｔｅｒｓ）、第２６巻、１９７５年、４０８頁」に記載のアール、ディ、 。

ヘンリ（Ｒ，Ｄ、　ＩＩＥＮＲＹ）他の論文。

−以下の文献に記載されているように、２つの結合モードの伝搬定数の均一化。

−「アプライドオプティック（Ａｐｐｌｉｅｄ　０ｐｔｉｃ（ｓｉｃ））、第１ ３巻、１９７４年、２００７頁」に記載のジェー、ヘブナー（Ｊ、　ＨＥＰＮＥ Ｒ）他の論文。

−［アプライドオプティック（Ａｐｐｌｉｅｄ　０ｐｔｉｃ（ｓｉｃ））、第１ ４巻、１９７５年、１４７９頁」に記載のジェー、ヘブナー（Ｊ、　ＨＥＰＮＥ Ｒ）他の論文。

しかし、これらに記載された方法は、Δ　を相当減少できるが、その精度では結 合モード間で完全な位相整合を行うことが不可能であるので、全て完全に満足で きるものではない。

従って、例えば、完全な分離を得るためには、Ｒ＝１でなければならず、従って 、式（２）でΔβ＝ΔＮ＝０でなければならない。この理想的な状態において、 層と基板の格子パラメータ間での差の変化は、分離の変化を生じる。以下の表は 、Δａ＝ａ、↓−ａ、のいくつかの数値の場合での、対応する複屈折Δｎ、及び 装置の分離性能を示している。

Ｇｃｌ　Ｇａ　ＹＩＧ型のガーネットの液相エピタキシープロセスで生じる相対 的な格子パラメータの差の不確実性は、せいる。上記の表によって、これらの条 件下では、このように設計されたアイソレータは、約１０ｄＢの分離率を示する ことが分かったが、これは利用するには明らかに不十分である。また、我々の計 算では、常に言えるとは限らないが、変換率に作用する他の全てのパラメータは 、完全に制御されていると仮定する。これらの重要なパラメータの中から、以下 のものを挙げることができる。すなわち、エピタキシャル成長した１つもしくは 複数の薄膜層の厚さ、これらの堆積物の各々の屈折率及びその導波路の長さであ る。これは、平面の導波路の場合に言える。２次元の導波路の場合は、これらの パラメータに、部分的なイオン注入の深さ及びこれらの導波路の断面の形を加え る必要がある。

従って、例えば、分離率５０ｄＢのアイソレータを製造するためのガーネットの エピタキシーのための必要条件は、材料の成長の理想的な状態であると仮定して も、実際には実現できないようである。しかし、フェリ磁性のガーネットのエピ タキシーは、他の分野の材料を製造する場合と比較すると、著しく制御性がよい 。

従って、その解決法は、調節可能なパラメータｐを使用して、複屈折を生じさせ 、Δｎが、両方の結合モードの位相整合を得ることができるように十分に高く、 反面、あらゆる状況でもｐの精度が高い分離率を維持することができるようによ うに十分に低くする。

従って、本発明は、導波路の温度に作用することによって、この問題の解決法を 提供するものである。この「温度」パラメータは、本発明によると、複屈折に効 果を有する。

かくして、本発明は、シングルモードアイソレータ導波路光集積回路であって、 基板に打ち込まれ、この基板より屈折率が高く、入力と出力を備える導波層と、 該導波層の入力に位置し、該導波層の出力から導波路に戻った後の入力ビームの 偏光モードを除去する方向に向いた少なくとも１つの偏光装置とを備え、上記の 導波層に結合された少なくとも１つの加熱手段を備えることを特徴とする導波路 を提供する。

本発明のその他の特徴及び利点は、添付図面を参照して説明する以下の実施例に よってより明らかとなろう。

第１図は、従来技術による導波路を図示しており、第２図は、第１図の導波路の 動作曲線を示し、第３図は、本発明による単一層平面導波路の１実施例を示し、 第４図は、本発明による２層平面導波路の１実施例を示し、第５図は、本発明に よる２層平面導波路の別の実施例を示し、 第６図は、本発明による２次元２層導波路の１実施例を示し、 第７図は、本発明によって結合されたレーザダイオードと集積化されたアイソレ ータの１実施例を示す。

上記のように、特に第１図に示したような導波路について参照すると、導波路の 構造は、結合されたモードの間で複屈折ΔＮｓＴを生じさせる。本発明は、温度 の上昇による、反対の符号で、同じ大きさの複屈折ΔＮｔによってモード間のこ の位相差を補正することを目的とする。

これらの複屈折に加えて、層と基板の格子パラメータの間の差によって生じる項 ΔＮＥＰと、成長による項△Ｎ　ＣＩとを有することが可能であり、全体として の複屈折が、以下の式：％式％ で示される時、ΔＮｃ、ｌはアニール処理によって除去される。

そうでない場合は、計算の際、これを考慮しなければいけない。ΔＮｓアは、以 下の関係式が成立する。

ΔＮ　ＳＴ＝　Ｎ　ｙｉｏ　Ｎ　Ｔｉ１ｌ。

（但し、上記式において、Ｎ　ｔｔ。及びＮ　Ｔｌ２Ｏは、導波路固有の結合モ ードの実効屈折率である。） ΔＮ□、は、以下の式によって決定される。

（但し、ｐ４４は、導波路の材料に固有な光弾性係数である。）ΔＮ□について は、以下の式が成立する。

（但し、νはポアソン比（ν＝　０．３）であり、α、及びα。

は各４層と基板の熱膨張係数であり、ΔＴ＝Ｔ−Ｔ、であり、Ｔはガーネットが 加熱される温度であり、Ｔｏは周囲温度である。

完全な分離を得るため、ΔＮ＝Ｏでなければならない。

従って、本発明では、以下の式： で示される温度Ｔにガーネットを加熱する。

（α、−αＳ）は、使用されるガーネットによる。

通常、得られるのは、以下の通りである。

α「−α、＜０．３・１０−’ｔニー’本発明によると、単一層平面導波路は、 第３図に示したように加熱手段３を備える。

この図面には、加熱手段３を備える導波層１を支持する基板２が図示されている 。この実施例によると、加熱手段は、導波層１を加熱するように配置されたベル チェ効実装置である。導波路１は、入力１０と出力１１を備える。出力１１には 、偏光器４が結合されている。この偏光器４は、導波路の出力上に位置するメタ ライズ層の形態で形成される。

第３図に図示した実施例によると、基板２は、例えば、接着によってペルチェ効 実装置３と熱的に結合されている。

例えば、導波層は、ガドリニウム−ガリウム−ガーネット（ＧＧＧ）上の液層エ ピタキシーによって形成され、ガドリニウム及びガリウムによって置換されたイ ツトリウム−鉄−ガーネット（ＹＩＧ）によって形成できる。

加熱手段３による加熱によって、複屈折を生じさせ、それによって、上記のよう に形成されたアイソレータの効率を向上させることができる。

本発明によると、また、第４図に図示したように、導波層１と基板２との間に中 間導波層５を備える構造もある。

これは、例えば、エピタキシーによって形成された、僅かに低い屈折率を示す層 であり、新しい基板として働く。厚さがシングルモート光ファイバのコアの直径 に匹敵するシングルモード導波路を有するのが望ましい場合、この層５と導波層 ｌとの間の屈折率の差は、小さい（伽５・１０−’）。この層は、ガリウムドー ピングを僅かに調整することによって得られる。この時、ΔＮ　ｓｒは極めて小 さい。そこで、第４図に図示した実施例を考えてみる。

λ＝　１．１５μｍ及びλ＝　１．５２μｍの屈折率を以下の表に示す。

この導波路は（Ｇａａ、ｓ　Ｇｄ　Ｙ　Ｉ　Ｇ＞は、シングルモード導波路で、 ΔＮｓｔは以下の通りである。

これらの数値は、単相平面導波路よりかなり低い。

この型の組成物でΔＮＴＥ　（Ｔ）を測定すると、（最初の近似値で）傾斜のあ る直線が得られる。

ａ＝−０，２５・１０−’／’ｔｌ： これから、全変換を得るために、ガーネットに加えられる温度差が演経される。

従って、本発明によると、第５図に図示したように、上記のような導波路と結合 された加熱手段３を備える。

加熱は、調節されたペルチェ効実装置によって実施される。

位相整合のために要求される温度は、電子装置と調和する（実際、一般に、温度 を調節しなければならない時、周囲温度より高い温度で作動するのが望ましい） 。さらに、この作動点は、エピタキシーで複屈折を加えること（組成物の僅かな 変更）によって、変更できる。

上記の計算は、Ｇａａ、ｓ　Ｇｄ　Ｙ　Ｉ　Ｇの時、ΔＮｔ−＝０と仮定する。

より正確な計算では、僅かな格子不整合があることが分かる。

Δａ＝ａ、”　−ａａ＝８　・１０−’人従って、 ΔＮ１ｐ＝＋２．８・１０４ この型の構造の実験を行った。周囲温度でΔＮを測定すると、恐らく、成長の残 留複屈折ΔＮｃｍ＝４・１０−’があることが分かった。周囲温度では、ΔＮ　 ＝　１６．５・１０−’であり、総変換率（測定すると、９９．４％）、すなわ ち、ΔＮＮＯ４，６１２６５℃の加熱のときに得られた。この値は、上記の結果 に整合する。

動作温度を変更するためには、導波層１の組成物、また、中間導波層５の組成物 を少々変更することが必要である。その結果、光は、常に、導波層１の中を伝播 する。従って、操作温度を低くするためには、ΔＮ　ＳＴは、ガリウム置換を増 加させることによって、ΔＮ　ｔｐによって補正される。

Ｇａ１．ｏ　Ｇｄ　Ｙ　Ｉ　Ｇ／Ｇａ、、　、　ＧｄＹ　Ｉ　Ｇ／ＧＧＧの構造 では、成長の複屈折が全くないと仮定すると、温度の上昇はΔＴ＝３．５℃より 大きくない。

この温度によって、ΔＴを無効にし、高い分離率Ｉを得ることが可能であるが、 一方、Ｔの変動には装置の性能特性の劣化が伴う。以下の表は、所定の分離率を 維持するために守らなければならない最大温度差を示す。

本発明は、二次元導波路に適用できる。

この型の導波路の断面を第６図に示した。

これらの導波路は、上部の層の一部分の加工することによって得られる。２層平 面導波路と比較すると、二次元導波路に加工することにより、導波路固有のモー ドの分布曲線がより密になり、従って、ΔＮｓｙを減少させる効果があることが 分かった。これは、ΔＴを減少させ、従って、動作温度を減少させる効果がある 。

動作温度を効果的に安定させるために、本発明では、ペルチェ効実装置を導波路 に結合させた。第６図に図示したように、ペルチェ効実装置は、導波路基板１の 下に置かれる。

これらのペルチェ効実装置は、現在ではコンパクトで、使用するのが簡単であり 、また、広く利用されている（例えば、半導体レーザの安定化のため）。

本発明の別の実施例では、第７図に図示したように、アイソレータ導波路を半導 体レーザ８の近傍に装着して、レーザが放出する光を導き、同一基板２上にレー ザ７とアイソレータ導波路１を形成する。さらに、導波路は、上記のように形成 される。従って、その動作温度は、レーザの動作温度とほぼ等しい。この場合、 同一のペルチェ効実装置がレーザと導波路のために装着される。偏光器４は、ア イソレータ導波路１の出力１１の上に置かれる。レーザの放出部の面は、アイソ レータ導波路１０面と４５度をなし、従って、上記のように動作する。

上記の実施例は、本発明を何ら限定するものではなく、従って、本発明の範囲を 越えないならば変更できることは言うまでもない。計算の例、特に、組成物の例 、導波路に対する加熱手段３の位置は、本発明を明らかにするために例示しただ けにすぎない。

国際調査報告 ｍ−ｍ−ｂａムーー−ｍ、？ｃＴ／ＴＲ８８１００１６６

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．基板に打ち込まれ、その基板より高い屈折率を有し、入力と出力を備える導 波層（１）と、該導波層の少なくとも１つの端部（１１）に位置し、上記出力か ら導波路に戻った後の入力ビームの偏光モードを除去するように方向を決定され た偏光装置（４）を備え、上記導波層に結合された少なくとも１つの加熱手段を 備えることを特徴とする集積化されたシングルモードアイソレータ導波路。 ２．基板に打ち込まれ、その基板より高い屈折率を有し、入力と出力を備える導 波層（１）と、該導波層の少なくとも１つの端部（１１）に位置し、上記出力か ら上記導波層に戻った後の入力ビームの偏光モードを除去するように方向を決定 された偏光装置（４）を備え、上記導波層（１）と上記基板（５）との間に位置 する中間層（５）を備え、この中間層の屈折率は上記導波層の屈折率より僅かに 小さく、シングルモード導波を確実にし、また、その厚さはそれが結合されるシ ングルモード光ファイバのコアの直径ど適合することを特徴とする集積化された シングルモードアイソレータ導波路。 ３．上記導波層に付属して加熱手段（３）を備えることを特徴とする請求項２に 記載のアイソレータ導波路。 ４．上記加熱手段（３）は、ペルチエ効果装置であることを特徴とする請求項１ に記載のアイソレータ導波路。 ５．上記導波層（１）及び上記中間層（５）は、ガリウムがドープされたイット リウムー鉄−ガーネットからなり、この導波層のドーピングは中間層のドーピン グより僅かに低いことを特徴とする請求項２に記載のアイソレータ導波路。 ６．半導体レーザ（８）と上記請求項のいずれか１項に記載されたアイソレータ （１）とが同一基板上に形成されており、且つ共通の加熱源を有することを特徴 とする半導体レーザ及びアイソレータ。 ７．上記加熱装置（３）は、ペルチエ効果装置であり、上記基板（２）に熱的に 結合されていることを特徴とする請求項６に記載の半導体レーザ及びアイソレー タ。