JPH03134602A - 導波路型光サーキュレータ - 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】 （産業上の利用分野） 零発萌は光通信の分野において１本の光線路で双方向通
信を可能とする光サーキュレータに関するものである。

（従来の技術） 従来この種の装置は、第６図に示すように個別部品を組
み合わせたバルク型と呼ばれるもののみ実用に供されて
いる。バルク型光サーキュレータは光軸を中心に互いに
４５度だけ回転した位置にある２個の偏光プリズム等の
偏光分離素子２．２′と、これらの間に挟まれた非相反
４５度偏光面回転素子として機能する磁界Ｈが印加され
た磁気光学結晶３とにより構成されている。偏光分離素
子２゜２′には光線１の偏光方向によって光路を変える
機能があるので、第６図のように光の人出財部を■、■
、■、■と定めると、光は■→■、■→■、■→■、■
→■と進み、サーキュレータとして機能する。また、第
６図に示す構成では、光の入出射端が同一平面上になく
、実用上使いにくいので、第７図に示すような磁気光学
結晶３と偏光分離素子２′の間に相反４５度回転素子と
して機能する光学活性結晶４を挿入し、光の入出射端が
同一平面上になるようにした光サーキュレータも作製さ
れている。しかし、この種の光サーキュレータは、各入
出射部において単一偏光であるような光にしか機能しな
いので、無偏光状態の光を用いる光通信では使用に適さ
ないこと、磁気光学結晶３、光学活性結晶４および偏光
分離素子２，２′が高価であるので、光サーキユレータ
自体も高価になること、レンズを使ってファイバ等と結
合しているので、全体の寸法が例えば４０ｎ＋＋＋＋　
Ｘ　２０＋ｎｍ　Ｘ　２０鵬程度の大型となること、レ
ンズおよびファイバと組み合わせる際のアライメントが
難しいこと等の欠点があった。

これらの欠点を一部改善するため、第８図に示すように
特殊な偏光分離素子２を用いて入射光を互いに直交する
二つの直交偏光成分に分離し、磁気光学結晶３．３’、
光学活性結晶４．４′を透過させた後、偏光分離素子２
′で合波させる構成が提案され、偏光依存性の無い光サ
ーキュレータが実現できることが確認されている（電子
通信情報学会研究技術報告０ＱＥ７Ｂ−１４９）。しか
し、このような改善を行っても本質的にバルク型である
ことに変わりはなく、アライメントの困難さ等の欠点は
解決されていない。

また近年、光伝送システムの研究開発の発展はめざまし
く、光部品の導波路化が検討される折りから、レーザ、
ファイバ等の導波路型光部品に直接結合することのでき
る導波路型光サーキュレータの実現が強く望まれている
。導波路型光サーキュレータを構成しようとした試みと
しては、第９図に示すような二つのハイブリッド結合器
６，６′と二つの非相反位相器７，７′とにより構成さ
れたものが提案されているが、実際に作製された例はな
い。しかも、第９図に示す導波路型光サーキュレータは
、非相反位相器の非相反位相変化を引き起こすのに、磁
気光学導波路における７Ｍモードの位相シフトを利用す
るので、第９図に示す導波路型光サーキュレータは、原
理的に付モードのみでしか動作せず、偏光依存性がある
という欠点があった。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は、すべての構成要素が単一モード導波路からな
る小型で低価格な実用に供し得る、偏光依存性の無い３
次元導波路型光サーキュ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） 本発明の導波路型光サーキュレータは、基板上に形成さ
れたクラッド層にコア部が埋設されてなる石英系ガラス
単一モード導波路に、前記クラッド層の一部にコア部に
沿って所定の長さの応力開放溝を形成した相反モード変
換器２組と、磁性ガーネットの単一モード導波路からな
る非相反モード変換器２＆Ｉｌと、前記石英系単一モー
ド導波路の光入射端および光出射端に形成した２個の光
方向性結合器および２本の単一モード導波路からなるマ
ツハツエンダ−干渉計を含んだモード選択部とにより構
成する。

第１図は本発明の基本構成を示す図であって、８．８′
はモード選択部、９は非相反モード変換部、１０は相反
モード変換部である。モード選択部８．８′は、それぞ
れ２個の光方向性結合器１１゜１１’　、　１Ｆ、１１
″″と、２本の単一モード導波路１２１２′　とからな
るマツハツエンダ−干渉計を含んだ構成となっている。

光方向性結合器１１．１１’　、　１１−１１″″１よ
、結合部の長さを結合長の半分にすることにより、３ｄ
Ｂカツプラーとして機能するように設定されている。マ
ツハツエンダ−干渉計の２本の単一モード導波路１２．
１２’　は、それぞれを伝搬する導波光の相対的位相差
が、電界の主成分が基板面の法線２１に垂直な準ＴＥモ
ードについてπ、電界の主成分が基板面の法線２１に平
行な準ＴＭモードについて０となるように設定されてい
る。

これらの結果、モード選択部８．８′は、それぞれ第２
図（Ａ−１）、　（Ｂ−１）、　（Ｃ−１）、　（Ｄ−
１）および（Ａ−２）、　（Ｂ−２）、　（Ｃ−２）、
　（Ｄ−２）に示すように動作し、７Ｍモードに対する
１００％パワー移行器として機能する。

非相反モード変換部９は、第１図（Ａ）に示すように、
コイルまたは磁石により光線１と平行な方向の磁場１８
がかけられた２個の磁性ガーネット埋め込み型導波路１
６によって構成される。この磁性ガーネット埋め込み型
導波路１６は、これを構成する磁性ガーネット薄膜のフ
ァラデー回転係数をθ。

（ｄｅｇ／ｃｍ）とすると、その導波路長２０〔第１図
（Ｂ）参照〕すなわち２が　θ、　　・１＝４５°の関
係を満たすように設計されており、ＴＥ−ＴＭ非相反５
０％モード変換の動作をする。また磁性ガーネット埋め
込み型導波路１６は、単一モード伝搬するように設定さ
れており、かつ良好な直線偏光性を保つため準ＴＥモー
ドと準ＴＭモードの伝搬定数が一部するように設定され
ている。両者の伝搬定数が一部しない場合には、光パワ
ーとして５０％モード変換されても、両者の位相がずれ
ているので、素子特性の低下を招く。また磁性ガーネッ
ト埋め込み型導波路１６は、ガイドブロック１７を用い
て、モード選択部８と相反モード変換部１０の間にはめ
込まれる。

相反モード変換部１０は、２組のコア部１４近傍のクラ
ッド層１３の一部にそれぞれあけた応力開放溝１５によ
り、コア部１４の苅屈折主軸方向１９を第１図（Ｃ）に
示すように光の伝搬方向に垂直で、かつ基板面の法線方
向２１より応力開放溝１５側に２２．５°傾けた構成よ
りなり、応力開放溝１５の長さを所定の長さにすること
により、２組の導波路型２分の１波長板を形成し、それ
ぞれＴＥ−ＴＭ相反５０％モード変換器として機能する
ように設定されている。

第１図を用いて本発明の導波路型光サーキュレータの動
作原理を説明する。まず、磁性ガーネット埋め込み型導
波路Ｉ６を構成する磁性ガーネットのθ、の符号が正の
場合について説明する。（θｒの符号は光の進行方向と
外部磁場Ｈの方向が平行で同じ向きの時、光源側からみ
て時計回りに光の電場ベクトルが回転する方向を正と定
義する）。

第１図（Ａ）に示す入出射部■よりコア部に入射した導
波光は、モード選択部８で準ＴＥモードが導波路ａに、
準ＴＭモードが導波路すに分離され、非相反モード変換
部９に入射する。非相反モード変換部９でそれぞれの導
波路において導波光は５０％モード変換され、準ＴＥモ
ード５０％、車側モード５０％の導波光に変換されて、
相反モード変換部１０に伝搬される。相反モード変換部
１０において導波光は導波路ａで準ＴＥモード１００％
に、導波路すで準ＴＭモード１００％にそれぞれ変換さ
れてモード選択部８′に入射する。モード選択部８′で
導波路すの準ＴＭモードは導波路ａに１００％パワー移
行し、準ＴＥモードとともに入出射部■に出射する。逆
に入出射部■よりコア部１４に入射された導波光は、モ
ード選択部８′で準ＴＥモードが導波路ａに、準ＴＭモ
ードが導波路すに分離されて、相反モード変換部１０に
入射する。相反モード変換部ＩＯでは導波光は、それぞ
れの導波路で５０％モード変換され、準ＴＥモード５０
％、準ＴＭモード５０％の導波光に変換される。次に導
波光は非相反モード変換部９において導波路ａで準ＴＭ
モード１００％に、また導波路すで準ＴＥモード１００
％にそれぞれ変換され、モード選択部８に入射する。モ
ード選択部８で導波路ａの準ＴＭモードは導波路すに１
００％パワー移行し、準ＴＥモードとともに入出射部■
に出射する。同様にして入出射部■より入射した導波光
は入出射部■から出射し、入出射部■から入射した導波
光は入出射部■へ出射し、第１図の光回路は入射光の偏
光状態によらない光サーキュレータとして機能する。

（実施例） 第３図は本発明の実施例に用いたモード選択部８．８′
の拡大図、また第４図は相反モード変換部ＩＯの拡大図
である。この実施例ではこれらの部分の基板２２として
厚さ０．７ｍｍのシリコン基板を用い、コア部１４、ク
ラッド層１３として石英系ガラスを用いた。クラッド層
１３の厚さは５０μｍであり、コア部１４は基板面から
高さ２５μｍに中心がくるようにした。コア部１４は磁
性ガーネット埋め込み型導波路１６を接続する際、接続
損失が小さくなるように、磁性ガーネット埋め込み型導
波路のコア部と同じ８μｍ角の方形とした。また、単一
モード伝搬のため、コア部１４とクラッド層１３の比屈
折率差は　０．２５％とした。モード選択部８，８′で
は１００％パワー移行が生じるように、導波路ａと導波
路すの準ＴＥモード、準ＴＭモードの伝搬定数がそれぞ
れ等しくなるようにした。相反モード変換部１０では、
コア部１４の複屈折の主軸が基板面の法線２１より傾く
角を２２．５度とするために、コア部１４の中心から応
力開放溝１５までの距離Ｓを３５μｍとした。また、使
用波長１．３μ薄で５０％モード変換器としての機能を
もたせるために、応力開放溝１５の長さを２．６ｍｍと
した。応力開放溝１５の幅Ｔは２００μｍとした。この
ような光導波路と応力開放溝の構造は、５ｉＣｊ２．　
、Ｔｉ（４４等のガラス形成原料ガスの火炎加水分解反
応によるガラス膜の堆積技術と、反応性イオンエツチン
グ（ＲＩＥ）を代表とするドライエツチングプロセスと
の組合せによる周知の加工方法で形成することができる
。

第５図は本発明の実施例に用いた磁性ガーネット埋め込
み型導波路１６の断面図であって、２３は埋め込み層、
２４は下部クラッド層を示す。この実施例では準ＴＥモ
ードと準ＴＭモードの伝搬定数を等しくするために、コ
ア部１４′　の形を方形とし、埋め込み７１２３と下部
クラッドＮ２４の屈折率を等しくした。またコア部１４
′　の幅Ｗは８μ−とした。この磁性ガーネット導波路
を作製するためには、例えば基板２２上にＬＰＥ法、ス
パッタ法等により２層ガーネット薄膜を形成し、コア部
をイオンミリング、反応性イオンエツチング（ＲＩＥ）
等のエツチング法でバターニングし、最後にＬＰＥ法、
スパッタ法等により埋め込み層を堆積することにより作
製できる。

磁性ガーネット埋め込み型導波路１６の具体的構成とし
ては、基板２２に厚さ０．５　ｍ１ＩＩのＣＣＣ（ガド
リウムガリウムガーネット）基板を、コア部１４゛埋め
込み層２３および下部クラッド層２４に置換型ＹＩＧ（
イツトリウム鉄ガーネット）をそれぞれ用いた。

具体的な置換型ＹＩＧの組成は、素子が動作するのに必
要な外部磁場１８を小さくするために、面内磁化となる
組成が望ましいので、（Ｓｃ、　Ｇａ）　ＹＩＧおよび
（Ｌａ、　Ｇａ）　ＹＩＧを用いた。コア部１４′が単
一モード伝搬し、かつ幅Ｗが８μ麟となるように、コア
部１４゛　と埋め込み層２３および下部クラッド層２４
の屈折率を、Ｇａ置換量を変えることにより、それぞれ
２．２００と２．１９９および２．１９９に設定した。

磁性ガーネット埋め込み型導波路１６の素子長２はこれ
らの置換型ＹＩＧのθ、が使用波長１．３μｍで１５０
ｄｅｇ／ｃ＋＋＋程度であるので、５０％モード変換器
として動作するように約３．０鴫とした。

こうして得られた第５図に示す磁性ガーネット埋め込み
型導波路１６を、第３図に示したモード選択部８．８′
と第４図に示した相反モード変換部ｌＯが形成された単
一モード光導波路に、埋め込み層２３を下にしてガイド
ブロック１７に沿って装着し、位置合わせした後、接着
材で固定することによって第１図に示した導波路型光サ
ーキュレータを構成した。なお外部磁場１８は磁性ガー
ネット埋め込み型導波路１６に用いた置換型ＹＩＧのθ
、の符号が正であるので、■から■の方向に印加した。

この実施例の導波路型光サーキュレータ全体の大きさは
、素子長約３５．６ｍａ＋　（（モード選択部８．８”
　）約１５．０ｍｍＸ　２　＋（磁性ガーネット埋め込
み型導波路１６）約３．０　ｍ＋　（相反モード変換部
１０）２．６Ｍ）Ｘ幅５．０ＭＸ厚さ１．２５Ｍであり
、バルク型に比べて小さい。

表−１に本発明の実施例の導波路型光サーキュレータの
挿入損失およびアイソレーションを実際に光ファイバと
接続して測定した結果を示す。

＊印は挿入損失、無印はアイソレーションこの実施例の
導波路型光サーキュレータの挿入損失は１ｄＢ〜２ｄＢ
、アイソレーションは２２ｄＢ〜２５ｄＢであり、実用
化されているバルク型光サーキュレータの挿入損失（０
，５ｄｎ〜２ｄＢ）、アイソレーション（２０ｄＢ〜３
０ｄＢ　）と同等の値を示す。またアイソレーション比
が飽和するのに必要な磁場は数十Ｏｅであり、バルク型
光サーキュレータが飽和するのに必要な磁場数ｋｏｅよ
りも２指手さい、この実施例の導波路型光サーキュレー
タは、光の入射端として入出射部■、出射端として入出
射部■を用いて偏光依存性の無い導波路型光アイソレー
タとしても使用することができる。この場合のアイソレ
ーション比は２１ｄＢであり、従来型の導波路型光アイ
ソレータのアイソレーション比のこれまでの最高値１３
ｄＢよりも大きい。

ところで、磁性ガーネット埋め込み型導波路１６の埋め
込み層２３の材料としては、前記実施例では下部クラッ
ド層２４と同じ置換型ＹＩＧとしたが、その屈折率を下
部クラッド層２４の屈折率と等しくしたＴａ、０＠やＮ
ｂｘＯｓ等のアモルファス材料を用いても同様な効果が
現れた。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明の導波路型光サーキュレー
タは、これまで提案されている導波路型光サーキュレー
タと異なり、動作が入射光の偏光方向に依存しないので
、無偏光状態の光を用いる光通信に使用するのに適して
いるという利点がある。また３次元導波路構造であり、
単一モードで動作するので、他の光回路素子と直接接続
して使用できる利点がある。また本発明の導波路型光サ
ーキュレータは、通常のバルク型光サーキュレータに比
べて、数桁率さい強さの磁界で充分に動作するので、素
子の小型化、経済化を図ることができる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）、　（Ｂ）、　（Ｃ）は本発明の基本構成
を示すそれぞれ平面図、側面図、正面図、 第２図（Ａ−１）　、　（Ｂ−１）　、　（Ｃ−１）　
、　（Ｄ−１）　、　（Ａ−２）　、　（Ｂ−２）　。 （Ｃ−２）　、　（Ｄ−２７は本発明の導波路型光サー
キュレータのモード選択部の動作を示す説明図、第３図
（Ａ）、　（Ｂ）、　（Ｃ）は本発明の実施例に用いた
モード選択部のそれぞれ拡大平面図、拡大側面図、拡大
正面図、 第４図（Ａ）、　（Ｂ）は本発明の実施例に用いた相反
モード変換部の拡大平面図および拡大正面図、第５図は
本発明の実施例に用いた磁性ガーネット埋め込み型導波
路の断面図、 第６図は従来のバルク型光サーキュレータの構成を示す
斜視図、 第７図は入出射端が同一平面内にある従来のバルク型光
サーキュレータの構成を示す平面図、第８図は偏光依存
性の無いバルク型光サーキュレータの構成を示す平面図
、 第９図は従来の導波路型光サーキュレータの構成を示す
ブロック図である。 ■、■、■、■・・・入出射部 １・・・光線 ２．２′・・・偏光分離素子 ３．３′・・・磁気光学結晶 ４．４′・・・光学活性結晶 ５．５′・・・台形プリズム ６．６′・・・ハイブリッド結合器 ７．７゛・・・非相反位相器 ８．８′・・・モード選択部 ９・・・非相反モード変換部 １０・・・相反モード変換部 １１、１１”　、１１″、１１′″・・・光方向性結合
器１２、１２’　・・・マツハツエンダ−干渉計を構成
する２本の単一モード導波路 １３・・・クラッド層 １４、１４”・・・コア部 １５・・・応力開放溝 １６・・・磁性ガーネット埋め込み型導波路１７・・・
磁性ガーネット埋め込み型導波路１６を位置合わせする
ためのガイドブロック １８・・・光線１と平行な方向の磁場 １９・・・相反モード変換部におけるコア部の複屈折主
軸方向 ２０・・・磁性ガーネット埋め込み型導波路１６の素子
長２２１・・・基板面の法線 ２２・・・基板 ２３・・・埋め込み層 ２４・・・下部クラッド層 ａ、ｂ・・・導波路 ＣＢ−１＞ （Ｃ−１） （Ｄ−１） （８−２’） ＜Ｃ−Ｚ） （１）−２） 三十ＴＭ １２− ＋−５ 第３図 （Ａ） （Ｂ） ２２−基琢 第４図 （Ａ） １ｑ・・・本Ｗ敗モード尖８．＃′−δけ６コア徂Ｕ晃
圧）汀王平出刃闇第６図 第７図 第５図 ２４・−下音戸クラッド１層 第８図 第９図 ６６′−・−ハイアリツＶ托ネト基 ７、’Ｉ’−一非相反イ立才目袋象

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、基板上に形成されたクラッド層にコア部が埋設され
   てなる石英系ガラス単一モード導波路に、 前記クラッド層の一部にコア部に沿って所定の長さの応
   力開放溝を形成した相反モード変換器２組と、 磁性ガーネットの単一モード導波路からなる非相反モー
   ド変換器２組と、 前記石英系単一モード導波路の光入射端および光出射端
   に形成した２個の光方向性結合器および２本の単一モー
   ド導波路からなるマッハツェンダー干渉計を含んだモー
   ド選択部とにより構成したことを特徴とする導波路型光
   サーキュレータ。