JPH043501A - 光学磁性体薄膜及び強磁性体薄板を用いた光波及びサブミリ波・ミリ波平面回路形サーキュレータ - 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〕 この発明は、光波及びサブミリ波・ミリ波過信に有用な
高能率な平面回路形サーキュレータに関する。

〔従来の技術〕

光波通信用サーキュレータには、２．３の発表があるが
、最近、さらに種々の提案がなされている。今までに発
表された光波サーキュレータは、マイクロ波、ミリ波で
用いられているファラデイ回転形４ボートサーキュレー
タを光学的に構成した形式のものであったが、最近平面
回路形のサーキュレータが提案されるようになった。こ
れらの例の中で、０埼らの光波サーキュレータ（０崎、
桑原、小保方、電子通信学会技術報告：０ＱＥ７９−１
００．１９７９．）は、１．３μｍの光波で、アイソレ
ーション２０ｄＢ以上、挿入損失１゜５５ｄＢ以下の特
性を示した。しかし、ファイバ線路に適合する形態を持
ち、実用に耐えるものの発表が未だなされていない。

〔発明が解決しようとする課題〕

ファイバ線路に適合する光波サーキュレータとしては、
接続するファイバ線路と効率よく結合できること、電力
アイソレーション１０ｄＢ以上、挿入損失０．５ｄＢ以
下の特性が望まれる。しかし、光波領域において、これ
らの条件を満足するためには、相当な困難がある。例え
ば、 （１）光波領域に用いる光学磁性体には、ＹＩＧ（イツ
トリウム・鉄ガーネ１．ト、Ｙ　ｉｔｒｉｕｍ　−１ｒ
。

ｎ　Ｇａｒｎｅｔ　）や、ＢｉやＣｅを添加したＢｉＹ
ＩＧやＣｅＹＩＧが利用される。サーキュレータ動作に
関与する重要な因子は、光学磁性体の呈するテンソル誘
電率の対角要素εと非対角要素７の比η／εと実効誘電
率ε［ｌ−（η／ε）２］である。

η／εは、サーキュレータの性能を示す非相反性を得る
ために必要な因子であり、ＹＩＧでは１Ｏ−３程度であ
るが、最近では１０−２程度のものが報告されている。

これは、実用的見地からみて、なお小さい値である。

（２）実効誘電率ε　はη／εが小さいために、近似的
に対角要素εに等しいが、ＹＩＧでは２゜５程度の値で
あるが、最近５に近い値も得られている。したが７て、
光波の共振器を作成する場合に従来のＹＩＧよりも可成
り共振器の性能指数Ｑを改善できるであろう。しかし、
光波サーキュレータの動作の上から見て充分とは言えな
い。誘電率εが低いことに関連して、光波サーキュレー
タの共振器の形とＱ値の関係がある。回転対称性を持つ
３ボート形の光波サーキュレータを実現するためには、
光波エネルギを１２０”の角度方向に進路を曲げる必要
があり、そのためには、−時的に光波エネルギを蓄積で
きる共振器が用いられる。

Ｑ値が低いことは、共振器内に光波エネルギが蓄積され
て、回転波に変換されて、望ましい角度方向に放射され
るときに、入射波の進行方向に放射される量を抑圧し難
いことである。このことが、サーキュレータの動作を非
常に困難なものにしている理由である。

今日、近赤外光の中で、１．３μｍから１．６μｍの波
長範囲（ここでは光波と呼ぶ）のレーザ光を、効率良く
伝送するガラスファイバ線路を用いる光波通信は、長距
離・大容量通信に、日々、その重要性を増していること
は、衆知のことである。しかし、今日の光波通信の最大
の不便は、高能率な光波サーキュレータが開発されてい
ないために、１本のファイバ線路を共用して送受信を行
う双方向通信が実現されていないことである。

この発明の目的は、光波通信に有用な双方向通信を可能
にするのみならず、ファイ　線路内や、接続端などから
生ずる反射光波を除去して、光波回路構成上の困難を克
服できる光波及びサブミリ波・ミリ波平面回路形サーキ
ュレータを提供することにある。

またこの発明の他の目的は、構造が比較的に簡単且つ小
形で、ファイバ線路に結合が容易であり、製作行程が複
雑でない光波及びサブミリ波・ミリ波平面回路形サーキ
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〕

上記目的を達成するため、この発明によれば光学磁性体
薄膜に加工された平面回路形円板共振器とこれに少くと
も３本の外部ファイバ線路を結合できる平面回路形溝波
路を回転対称形に配設し、外部偏倚用磁場を垂直共通軸
に平行に加えて構成される。

また、この発明によれば、光学磁性体薄膜に加工された
少なくとも３個の平面回路形円板共振器からなる複合共
振器と少なくとも３本の外部ファイバ線路を結合できる
平面回路形溝波路を回転対称形に配設し、外部偏倚用磁
場を垂直共通軸に平行に加えて構成される。

〔作用〕

光学磁性体のη／εの値を増倍するために平面共振回路
形複合構成をとることにより、光学磁性体のη／εの値
は増倍され、光波サーキュレータを安定に動作させるこ
とが可能になる。

〔実施例〕

以下に示す実施例の説明においてはモノリシック（単板
形）構造のサーキュレータについての説明を、主として
、近赤外光の光波サーキュレータについて行い、サブミ
リ波・ミリ波用サーキュレータについては、光学磁性体
薄膜を強磁性体薄板に替えることにより容易に実施でき
るので、この分野の応用については、あとで簡単に説明
をする。

まず、上述の動作上の問題を解決するために行った計算
結果について、初めに説明する。第３図に複合形共振器
を用いた平面回路形の光波サーキュレータの一実施例の
平面図を示す。この複合形共振器は、３個の平面回路形
共振器１５．１５’１５′を２π／３の角度毎に配置し
た回転対称性を持つ複合構造をなし、入力結合用に導波
路１４のみを取る構造である。光学磁性体薄膜に形成さ
れた複合共振器は、基本的に１個の円板共振器の電磁界
モードと共通の性質を持つことが分った。

すなわち、 （１）外部偏倚磁場ＩＤＣは膜面に垂直にＺ軸方向に、
加えられているので、テンソル誘電率の２軸に垂直な膜
面内の成分は総て膜面内の電界成分に作用する。薄膜形
共振器内で磁気光学効果を受ける電磁界は、Ｚ軸方向に
磁界成分を持つ電磁界モードである。

り２）薄膜形共振器の共振モードとしては、特＋’−１
それぞれ単一円板共振器の半径ａの外周上と複巻共振器
の半径ｒ２の外周上で、それぞれの電界の接線成分の消
滅する境界条件を満足するものである。

このような電磁界の共通的性質を具備する共振モードに
ついて、第４図を用いて説明する。

第４図は、単一円板共振器と複合共振器の共振モードの
それぞれの波数・半径積ｋａとｋｒ２をη／εに関して
描いたものである。単一円板共振器の共振モードｎ−±
１．±２は破線で、複合共振器のモードＮ−±１．±２
は実線で描かれている。共振モードの特性について、明
らかに看取されることは、複合共振器の共振モードのＮ
−±１の曲線は、η／ε−０で、単一円板共振器の共振
モードｎ−±１の縮退値に一致し、そして後者よりも、
広い角度で分離して、縮退が解けていることである。こ
のことは、Ｎ−±２と１−±２との関係にも見出される
。Ｎ−＋１．−１の共振モードの組は、Ｚ軸に対して、
正の方向（反時計方向）と負の方向（時計方向）に回転
する回転電磁界モードである。正負次数の共振曲線の分
離が大きいと言うことは、円板共振器の第１図（Ａ）の
上で説明すると、例えば＃１１の入力端から入射した光
波が回転電磁界に分かれて共振器内を伝わり、再び出力
端に現れるときに＃１の直進方向ＡＢよりも、ＡＣのよ
うに、＃２の出力端の方向に偏って出力し易いことを意
味する。共振モードの組の間に働く分離の大きさは、単
一円板共振器と比較して、複合共振器では、η／εの値
が実効的に１゜２３倍に大きくなることが第４図の関係
から導かれる。光学磁性体では、η／εの値が１０−２
以下、あるいは同程度に小さいけれとも、実効的にη／
εを増大する回路的効果を複合共振器が保有しているこ
とを示している。したがって、複合共振器の構成を多重
に応用すれば、可成り大きなη／εの値を持つ多重複合
形共振器を実現できることが分かる。　つぎに重要な動
作に及ぼす因子として、光学磁性体の比誘電率が比較的
小さいために、共振器の境界条件が完全に満足され難く
、共振器のＱ値が低いことである。この問題は、モノリ
シック（単板的）な構造をとることとも関連していて、
完全に解決することは構造上困難である。しかし実用的
には、共振器の外周部分に金属導体壁面を生成させるこ
とにより基本的動作を確実なものにできる。

以下には、これらの手続を具体化した実施例について述
べる。

光学磁性体薄膜に加工された平面共振回路形光波サーキ
ュレータの基本的構造の斜視図及平面図を第１図（Ａ）
、（Ｂ）図に示す。光学磁性体薄膜はＹＩＧやその添加
物を含むＢｉ−ＹＩＧ、Ｃｅ−ＹＩＧ等の単結晶材で、
これをＧＧＧ（Ｇａｌｌｉｕｗ−Ｇａｄｏｒｉｎｉｕｍ
　Ｇａｒｎｅｔ　）の基板上に蒸着して生成される。平
面回路形光波サーキュレータは、電子ビームを応用した
微細加工装置を用いて描画し、エツチングなどの加工過
程を経て形成される。通常、半径りは数ミクロン以下で
、厚さｔは１μｍ以下に選ぶ。また結合用線路の厚さｔ
′　もこれ以下に選ばれる。外部偏倚磁場ＩＤＣは膜面
に垂直に加えである。ガラスファイバからの光波は、＃
１結合線路１１を通って共振部１０に入射する。入射し
た光波は、左右回転形電磁波に変換される。

これら２つの波の共振位相が充分に分離していて、例え
ば、第４図の共振モード曲線のｎ−＋１の組のように変
化する場合には、＃１の線路１１から入射した光波は、
＋１２０°の回転位置の線路１１′に導波されて一１２
０″の位置の１１′に全く導波されない場合が起る。こ
の動作はマイクロ波サーキュレータの動作に類似してい
る所がある（図３に関して後述する。）。しかしなから
、実際の光学磁性体では、η／εの値が極度に小さく、
左右回転共振モードの分離は小さく、また誘電率εは大
きいもので５程度であるので、入射光波は、殆んど、＃
１の導波路から直進した方向ＡＢに進行し、平面共振回
路１０の側壁１３を通過して行く。そして、＃２．＃３
の導波路には殆んど出力しない。もし側壁１３、を金等
の光波遮断材でコーティングすれば、側壁からの光波の
放射は抑制されて、＃２．＃３の導波路１１’、１１’
に出力が殆んど同じ強さに現われる。しかし＃２．＃３
の導波出力は大きな非対称にはならない。このような出
力特性は、＃２と＃３の導波路を、それぞれ、入射路と
した場合にも、同じように見られる。

光波サーキュレータを動作させるためには、＃１の導波
路１１を入力路とした場合の出力路は＃２の導波路１１
′になるような充分な非対称な出力特性が実現されなけ
ればならない。＃２を入力路にした場合には＃３に出力
が、＃３を入力路した場合には＃１に出力が、順次、現
われるように機能する必要がある。これを光波サーキュ
レータの非相反特性と呼ぶ。光波サーキュレータを実現
する上で、第１図の平面共振回路では、少なくともη／
ε〜０．１程度の値を持つ光学磁性体を用いる必要があ
る。現在までのデータでは非常に困難である。

第２図及び第３図に、３ケの平面共振回路を接合した複
合共振回路形光波サーキュレータの斜視図及平面図をそ
れぞれ示す。このサーキュレータの共振器は、第１図に
示した円板共振器の３ケを接合した複合共振器である。

この複合共振器内に生じる共振電磁界の作る共振モード
の特性は、第４図に波数・半径積ｋｒ２とη／εのグラ
フで示した。比較のために、円板共振器の共振モードを
同しグラフ上にｋａとη／εの関係で重複して示した。

破線は円板共振器の共振モード、実線が複合共振器の共
振モードを示す。ｎ＝±１とＮ−＋１、ｎ−±２とＮ−
±２がそれぞれ対応する。Ｎ−＋１の曲線は、ｎ−＋１
の曲線よりも大きな開き角で描かれていて、Ｎ−＋１と
Ｎ＝１の共振曲線が大きく分離しており、Ｎ−＋１．＋
２．＋３の曲線はｋｒ２が小さくなると、η／ε＝０゜
８の近くに集まる。一方、円板共振器はη／ε＝１．０
に集まることから判断して、複合共振器の共振モードは
η／εの値の小さい方向に変域が圧縮されてみえる。

共振モード波の分離の大きさを示すために、同じ波数・
半径積ｋｒ２−ｋａとなる条件で、２種類の共振モード
曲線上の値をη／εの値で比較すると、第５図のように
なる。等価的なη／εの値は、正負次数のモードについ
て共に直線的変化をする。この直線変化を勾配で示せば
、それらの平均値は１．２３になる。このことは複合共
振器では、η／εの値は、等価的に１．２３倍に増大さ
れることを意味する。

つぎに第２．３図に示された複合共振器の光波サーキュ
レータの動作を説明する。複合共振器内に生じる共振モ
ードは、形式的には、単一円板共振器内の電磁界に殆ん
と類似の電磁界共振モードを生じる。そしてこれらの関
与するサーキュレタの動作は、単一円板形サーキュレー
タの動作に全く類似の動作になっている。したがって、
η／εが充分に大きいと仮定して、サーキュレータの動
作が最低次の動作モード１の関与する場合は、複合共振
器は、単一円板共振器に同等に振舞い、電界形定在波が
、位相角３０°になる破線の８字形のパターンＥＰ２の
ごとくに複合共振器１５゜１５’、１５’の上に形成さ
れる。導波路１１からの入射光波は導波路１１′にＥｌ
の強度に比例して出力し、導波路１１′は阻絶されて、
出力は現れない。同様に、導波路１１’、１１’を入力
路に取る場合についても、順次同じ結果かえられる。通
常、光学磁性体では、η／εが小さく、θく３０°であ
るので、電界形定在波はＥＰＩのごとくに、導波路１１
からの入射波は、Ｅｏの強度に比例して、導波路１１’
、１１″に同等の強さの出力が現れることになる。第２
図、第３図の複合共振器１５．１５’　、１５’の間の
部分は光学磁性体よりも低い誘電率の媒質を充填し、側
壁］７に光反射をする遮断膜をつけである。側壁１７に
ついて、第３図の場合と異なるか、第２図に示す例は円
形でなくても基本的動作には影響がないと考えられてい
る。上述のようにＹＩＧなとの光学磁性体では、η／ε
の位は、複合共振器でも充分なη／εの値に達しない。

そこで、複合形共振器の複合多重度を増す構造が必要に
なる。

第６図には複合２重形共振器（簡単に複２形共振器と呼
ぶ）を用いた光波サーキュレータの平面図を示す。この
複２形共振器は、第３図に示した複合形共振器（複１形
共振器と呼ぶ）を単位共振器にして、複合接続したもの
である。この複２形共振器の等価η／εの倍率は、１．
２３の自乗で１．５１３になる。構造は９個の円板（１
５，１５’、１５’など）と中心の円板１８で構成され
、空隙１６．１６’　、１６’、１９は、光波に透明な
低誘電率媒質を項八する。複合共振器内で各円板共振器
間に間隙はなく、密接させて作成される。側壁２０がこ
の場合の光反射用の遮断膜面である。複２形共振器を用
いた光波サーキュレータの動作は、複１形共振器の場合
の光波サーキュレータ動作に同じであるので説明を省略
する。

つぎに複２形共振器を単位共振器にした複合３重形共振
器（複３共振器と呼ぶ）を用いた光波サーキュレータの
平面図を第７図に示す。この複３形共振器の等価η／ε
の倍率は１．５１３の自乗で、２．２８９になる。

このようにして、複合多重度を増してゆくと、実在の光
学磁性体を用いて、光波サーキュレータを動作させるに
充分なη／εの値を持つ平面回路形の複合多重共振回路
形光波サーキュレータを実現できる。

第２図に示した複１形共振器に対して、第８図に示すよ
うな交叉複合共振器（重複１形共振器と呼ぶ）を構成し
、光波サーキュレータを動作させることかできる。この
重複１形共振器は、複１形共振器２２．２２’　、２２
″の外部に２３２３’、２３″の交叉複合共振器を重複
したと考えることもてきるし、３つの複１形共振器（２
３゜２２’　、２２’　）、（２３’　、２２’　、２
２）、（２３’　、２２．２２’　）を交叉させて接合
したとも考えることができる。η／εの倍率は、複１形
共振器よりも若干大きくなる。第６図、第７図に示した
ような複合多重を行うことにより、同様のη／εの増倍
効果を持たせることができる。光波サーキュレータは、
重複１形共振器（２２２２’　、２２’　、２３．２３
’　、２３’　）に導波路２１．２１’　、２１″を接
続した構造をしていて、外部偏倚磁場ＨＤＣをこれに垂
直に加えである。共振器の空隙部２４には低誘電率で光
透過性の良い媒質を充填し、外周側壁２５は光反射用遮
断膜をコーティングしである。

第９図の実施例は、第８図の実施例を変形して、接続用
導波路２１．２１’　、２１’をＯＡ、ＯＢ。

ＯＣの延長上に接続させた構成である。そしてこれは第
２図の実施例を標準形にとり、その接続用導波路の対極
位置に余分に円板共振器を配接した構成に等しい。この
構成では、対極位置に配接した円板共振器の半径を調節
することにより、主たる複合共振器の共振周波数に変化
を与え、サーキュレータ動作を行う際の動作周波数や整
合インピーダンスの調整に利用できる機能を持っている
。

この機能は第８図の実施例についても応用できることで
、サーキュレータの微妙なインピーダンスの調整に利用
できる。

つぎに、ミリ波・サブミリ波への応用について述べる。

特にサブミリ波の周波数の領域では、サーキュレータが
安全に動作し難くなる。これは強磁性体の飽和磁化値の
減少に起因するが、特に、テンソル透磁率の非対角要素
と対角要素の比に／μが、小さくなるからである。この
点は、光学磁性体のη／εの値はどに小さくならないよ
うであるが、サーキュレータの動作を安定にさせるため
の回路構成上の工夫が必要になる。強磁性体単板は容易
に製作されている。強磁性体単板を誘導体基板の上に接
合する構成を用いることもてきる。

この強磁性体単板を第１図から第９図に示した円板共振
器や複合形共振器に加工することは容易である。強磁性
体を用いた場合の円板共振器と複合形共振器の共振電磁
界モードは、電界成分が単板に垂直で、他の電磁界成分
が単板内に含まれるモードであり、そして、共振器の外
接円周上で磁界の接線成分が消滅する条件を満足するも
のである。

共振モードを比較のために、重複して描くと、第４図の
ようになる。単一円板共振器の共振モードよりも、複合
形共振器の共振モードの方が分離が大きくなる。複合形
共振器の実効的なに／μの値の倍率は、平均値で、１．
２３になる。複合多重度を増せば、に／μの値の倍率は
増大できる。第１図と第２図から第８図に示したような
方法で、強磁性体を用いたミリ波・サブミリ波の平面回
路形サーキュレータを実現できる。強磁性体平面回路形
サーキュレータでは、電界の共通軸方向成分を保持する
必要がある。これには、強磁性体単板または平面回路の
片面または上・下両面に金属膜面を蒸着して、電磁界の
導波特性を保持する配慮が不可欠である。

〔発明の効果〕

ここに明らかにした光波サーキュレータは、光学磁性体
薄膜を用いて、基板上（１ｏｎｏｌ　１ｔｈｉｃ）に作
成された平面共振回路形の共振器を用いた光波サーキュ
レータである。光学磁性体のη／εの値を倍増するため
の平面共振回路形複合構成をとることにより、光波サー
キュレータを安定に動作させることが可能である。

この光波サーキュレータは、光通信に用いているガラス
ファイバ線路を直接に結合することができる構造になっ
ていて、ファイバ線路を用いて行う光波の双方間通信に
利用できるのみならず、光波の伝送関連の実験に広く利
用することができる。

サーキュレータが安定に実現できれば、これを用いたア
イソレータとしての利用性がある。この方法は広く知ら
れている方法であるので多くを述べる必要がない。

この発明は、強磁性体薄膜を用いたミリ波・サブミリ波
のサーキュレータにも応用できる共通的な性質を有して
いる。ミリ波・サブミリ波の領域では、強磁性体の飽和
磁化値が低くなり、それによるに／μ（テンソル透磁率
の非対角要素と対角要素の比）の値の減少が起る。その
ために、サーキュレータの動作は不完全になる。強磁性
体のに／μの値を増倍するための平面共振回路形複合構
成をとることにより、サーキュレータ動作を安定、に機
能させることができる。

また、円板共振器を基準の形に持つ複合形共振器につい
て明らかにしたが、実用的には、３つの導波路を持つ３
ボート形サーキユレータには三角形や六角形の薄膜共振
器が円板共振器に代わるものとして利用できる。同様に
４ポート形サーキユレータには四角形や六角形の薄膜共
振器が利用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）及び（Ｂ）は、光学磁性体基板１２上に加
工された単一円板形共振器１０を用いた光波サーキュレ
ータの斜視図と平面図、第２図は３ケの円板共振器１５
．１５’　、１５’を接合した複合形共振器を用いた光
波サーキュレータの斜視図、第３図は、第２図の光波サ
ーキュレータの平面図で破線の８字パターンＥＰは電界
の合成パターン図、第４図は、単一円板共振器（破線と
複合共振器（実線）の各共振モードの固有値−波数・半
径積（ｋ　ｒ２またはｋａ）とη／εまたはに／μの関
係の比較図、第５図は、複合共振器の共振モードの分離
と単一円板共振器の共振モードのそれを比較した図、第
６図は、複合２重形共振器を用いた光波サーキュレータ
の平面図、第７図は、複合３重形共振器を用いた光波サ
ーキュレータの平面図、第８図は交叉複合形共振器を用
いた光波サーキュレータの平面図、第９図は、調整機能
を持つ複合形共振器を用いた光波サーキュレータの平面
図である。 １２・・・基板、１１．１１’、１１’　　２１．２１
’、２１’・・・導波路、１０・・・単一円板共振器、
１５．１５’、１５’　　１６．１６’、１６’１８・
・・複合形共振器、２２．２２’　、２２’３．２３’
　、２３’・・・交叉複合形共振器、１６１６’　、１
６’、２４・・・空隙充填部、１３．１７゜２０．２５
・・・側壁用遮断膜、４６・・・側壁。 Ｖ？憾；、丁ξ 第１図（’Ａ） 第１図（９） 第３図 第２図 第４図 １．０ ０　　　０．２　　　０．４　　　　（１，６０，２１
％、′／ｇ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）光学磁性体薄膜に加工された平面回路形円板共振
   器とこれに少くとも３本の外部ファイバ線路を結合でき
   る平面回路形導波路を回転対称形に配設し、外部偏倚用
   磁場を垂直共通軸に平行に加えてなる平面単一共振回路
   形光波サーキュレータ。
2. （２）光学磁性体薄膜に加工された少なくとも３個の平
   面回路形円板共振器からなる複合共振器と少なくとも３
   本の外部ファイバ線路を結合できる平面回路形導波路を
   回転対称形に配設し、外部偏倚用磁場を垂直共通軸に平
   行に加えてなる平面複合共振回路形光波サーキュレータ
   。
3. （３）前記３個の平面回路形円板共振器に、他の１組の
   少なくとも３個の平面回路形円板共振器を互いに回転対
   称形に外接してなる請求項（２）記載の平面複合共振回
   路形光波サーキュレータ。
4. （４）請求項（１）記載の平面回路形円板共振器と導波
   路を強磁性体薄板に加工してなる平面単一共振回路形サ
   ーキュレータ。
5. （５）請求項（２）記載の複合共振器と導波路を強磁性
   体薄板に加工してなる平面複合共振回路形サーキュレー
   タ。