JPH0497118A - アイソレータ機能を有する光変調器 - 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］ 本発明は、光通信、光情報処理、光計測用機器などに使
用される半導体レーザ装置などに用いられて、戻り光に
よる雑音を誘起しない光アイソレタ機能を内部に有し且
つ半導体レーザなどと集積可能な構成を有する光変調器
に関する。

［従来の技術］ 近年、情報の伝達の高速化、情報の記録の大容量化に伴
い、光フアイバ通信や光デイスクメモリの開発が進めら
れている。そして、これらのシステムを実現する為には
、多様な機能を有する光デバイスが必要とされている。

特に、光通信においてビットレートを更に高速化したり
、光デイスクメモリにおいて書き込み速度や読み出し速
度を高めようとすると、次の２つのデバイスが必須なも
のとなる。

（１）光変調器 （２）光アイソレータ 以下にこれらのデバイスの従来例について夫々説明する
。

（１）光変調器 光通信において半導体レーザを高速に変調しようとする
と発振光のスペクトル幅が広がってしまい、ファイバの
波長分散により長距離伝送が困難となる。その為に、半
導体レーザをＤＣ駆動させ光変調器でパルス化する方法
が開発されつつある第５図は半導体レーザと光変調器が
集積化された例を示す（例えばＪｐｎ、Ｊ、Ａｐｐｌ、
Ｐｈｙｓ、Ｖｏ　１．２４　（１９８５）Ｌ４４２ｅ照
）。レーザ部５１と変調器部５２は同じｐｉｎ構造を有
する。変調器部５２とレーザ部５１は満５３により電気
的に分離されているが、両者の導波路は光学的にカップ
リングしている。従って、レザ部５１から出射した光は
変調器部５２の導波路へ入射し、一定距離導波した後に
出射する。この変調器部５２の導波路を導波する際、吸
収により入力光は減衰を受けるが、ＱＣＳＥ　（Ｑｕａ
ｎｔｕｍ　　Ｃｏｎｆｉｎｅｄ　　５ｔａｒｋ　　Ｅｆ
ｆｅＣｔ、ｉ子閉じ込めシニタルク効果）により、導波
路であるＭＱＷ層の吸収係数を逆バイアスの印加の制御
で変調することができる。その結果、変調器部５２から
の出射光強度を変調することができる。

（２）光アイソレータ 光通信システムには、１．３または１．５μｍの波長を
用いる幹線系の中長距離伝送システムと、０．８ｕｍ帯
を用いるＬＡＮ　（ローカルエリアネットワーク）等の
近距離伝送システムが存在する。いずれの場合にも、半
導体レーザから出射された光をファイバ端面に集光させ
ファイバ中を導波させる。しかし、この際、ファイバや
他の光学部品の端面で反射した光は半導体レーザの活性
層に戻り、その結果、半導体レーザの発振が不安定にな
りパワー変動及び波長変動が起こる。特に、ＤＢＲレー
ザ（分布反射型レーザ）においては、単一モードが多モ
ードになる等の大きな影響がある。また、将来の通信方
式として注目されているコヒーレント光通信では、光の
ＯＮ１０　Ｆ　Ｆを行なうことなく位相を変化させるの
みである為、特に戻り光の影響が大きい。

一方、光デイスクメモリにおいては、光学部品からの反
射光に加えてディスク基扱からの反射光が半導体レーザ
に戻り、前述の不安定性や雑音を誘起する。

こうした雑音の発生は、光通信では伝送信号のエラーレ
ートを増大させ、光デイスクメモリでは再生信号の劣化
を惹起する。

以上の如き半導体レーザへの戻り光を取り除く唯一の素
子が光アイソレータである。光アイソレータは非可逆す
なわち非相反的な透過怜性を有するもので、戻り光を完
全に遮断して半導体レーザの活性層に再入射するのを防
ぐ。この光アイソレータには現在次のような２つの問題
点がある。

１つは波長域の問題である。

第６図に示す様に、現在実用化されているものは、ファ
ラデー回転素子としてＹＩＧの如き磁性ガーネット単結
晶６１を用いている。ガーネットの吸収端は右よそＩＬ
Ｌｍの波長のところにあり、Ｖ＃線系の光通信に用いる
波長域（１，３または１５ｕｍ）に対しては透明である
が、近距離光通信または光デイスクメモリに用いる波長
域（０゜８μｍ帯）の光に対してはガーネットの吸収が
太き（なってしまう。従って、この０．８μｍ帯の波長
域では、１／４波長板と偏光ビームスプリッタを組み合
わせた簡易型光アイソレータが用いられているに過ぎな
い。この簡易型のアイソレータで得られるアイソレーシ
ョン比は、最大でも２０ｄＢ程度に過ぎない。また、戻
り光の偏光面が変化してしまうとアイソレーション比は
更に小さくなる。光磁気デ、ｆスクの様にディスクから
の反射ないし透過光の偏光面の回転（カー回転角または
ファラデー回転角）を信号として検出しようとするシス
テムには、簡易型のものは当然ながら使うことができな
い。

もう１つの問題、屯は他の光素子との集積化が難しいこ
とである。

光電子集積回路（ＯＥＩＣ）又は光集積回路（ＯＩＣ）
はデバイスの高速化、高効率化の為に開発が進められて
いて、半導体レーザを代表とする光素子ばＧａＡｓやＩ
ｎＰ等の化合物半導体基板の上に作製される。よって、
その為にも、光アイソレータを化合物半導体基板上に集
積化することが望まれている。ここにおいて、磁性ガー
ネット膜は液相エピタキシ法もしくはスパッタ法によっ
て成長させることができるが、ＧａＡｓやＩｎＰ基板と
は格子定数や熱膨張係数が異なる為、良質の磁性ガーネ
ット膜をこうした基板上にエピタキシャル成長させるこ
とができない。従って、ファラデー材料として磁性ガー
ネット膜を使う限り、光アイソレ−タを他の光素子と集
積化することは困難と考えられる。

以上述べたことから、光アイソレータの課閣として、短
波長域（０，８μｍ帯）で動作し且つ他の光デバイスと
集積可能なものを実現することが挙げられる。

ところで、現状の光システムにおいては、上述した２つ
のデバイスである光変調器７２と光アイソレータ７１は
、第７図に示す様に、光路軸上に縦列的に挿入しなけれ
ばならない、その結果、挿入損失は２倍となり、サイズ
も太き（なってしまっていた。また、これらのデバイス
７１．７２を半導体レーザ７３と集積化しようとすると
、層構成の異なるデバイスを同一基板上に積層しなけれ
ばならず１作製する為のプロセスが複雑となる。

従って、光アイソレータと変調器との２つの機能を合わ
せ持ち且つ半導体レーザと集積可能なデバイスが待ち望
まれている。

［発明が解決しようとする課穎］ しかし、こうしたデバイスを実現するには、先ず光アイ
ソレータに関して次の如き問題点がある本発明者らによ
って、先の出願で、短波長域で動作し且つ半導体レーザ
と集積可能なものとして、母性半導体をファラデー材料
とした集積型光アイソレータが提案されている。それを
第８図に示す。

磁性半導体であるＣ　ｄ　Ｍ　ｎ　Ｔ　ｅはＩＩ−Ｖｌ
族化合物半導体であるＣｄＴｅのＣｄ位１をＭｎで置換
したもので、可視域で透明であり且つ大きなファラデー
回転角を持つことが知られている。また、ＣｄＴｅ膜は
ＧａＡｓ基板８１にＭＢＥやＭＯＣＶＤ法によって良質
の膜を成長させることができ、第８図の如＜ＤＢＲレー
ザ８０と同一基板８１上に、光アイソレータ部のＣｄＴ
ｅ膜であるバッファ層８２、クラッド層８３、導波路層
８４、クラッド層８５を作製可能である。この様に磁性
半導体Ｃｄ　Ｍ　ｎ　Ｔ　ｅを用いた集積型アイソレー
タは半導体レーザとの集積化に関する問題点を解決する
ものであるが、以下に示す様な問題点も存在する。

第８図の如き導波型光アイソレータを実現する為には、
ＴＥ波とＴＭ波との位相整合が必要である。第９図は位
相整合の取り方を示す。第９図（ａ）の様にレーザ光を
Ｚ方向に膜中で導波させると、第９図（ｂ）の様に有限
の膜厚ｈ０では、形状複屈折の為にＴＥ波に対する屈折
率ｎ〒ｔはＴＭ波に対する屈折率ｎｒ１１よりも太き（
なる、ＴＥ波とＴＭ波との伝搬定数差を△βとすると、
ΔＢ＝２１／え−（ｎｙｉ−ｎｙ、）−−−−Ｎ　）と
なり、ＴＥ波からＴＭ波へのモード変換効率Ｒは、 Ｒ＝θ１２／（θＦ′＋（Δβ／２）”　）ｓｉｎ”［
（θＦ′＋（八〇／２）　　”　　ｌ　　””　　ｆｆ
ｌ・・・・（２） と与えられる。ここでθ、は単位長さあたりのファラデ
ー回転角、２は導波距離である。上記より分かる様に、
モード変換効率（導波路によりモ−ドがいわば量子化さ
れるので、伝搬光の偏光面の回転はモード変換効率で示
される）を大きくする為にはΔＢ＝Ｏすなわちｎ　ＴＥ
＝　ｎ　ｔ＋ａなる条件が必要となる。尚、（２）式の
導出は、導波路の電磁界方程式を解いて電磁界をＴＥモ
ードとＴＭモードの線形結合で求め、導波距離εのとこ
ろでの光電力の比を、モード結合方程式を介して求める
。

この為、第９図（ｃ）に示す様に、膜面垂直方向（Ｘ軸
）に何らかの手段で異方性を持たせて、成る膜厚（ｈｏ
）でｎ　ＴＥ　＝　ｎ　ｔｖを実現させようという努力
が行なわれている。ガーネット膜の場合には、基板と膜
（導波路）との格子定数差を利用した全誘導複屈折や、
膜成長時の温度や組成を制御して成長誘導複屈折をつけ
ようという試みがなされている。また、伝搬定数差を補
償する為に、光の導波方向に沿ってグレーティングをつ
けることも試みられている。

しかしながら、上記の方法は成膜条件やプロセス条件の
厳密な制御を必要とし、−度作製してしまうと調整がで
きないという間顕点を有し、現実性に乏しい。

そこで、本発明の目的は、上記の課題に鑑み、集積型光
アイソレータにおける位相不整合の問題を解決すると同
時に光変調をも可能にする構成を有する光アイソレータ
機能を有する光変調器を提供することにある。

［課題を解決する為の手段］ 上記目的を達成する本発明によるデバイスにおいては、
Ｃ，ｄ　Ｍ　ｎ　Ｔ　ｅなどの磁性半導体から成る導波
路を有し１．この導波路に変調される電界と定の磁界を
同時にかけて電気光学効果と磁気光学効果によるＴＥ光
とＴＭ先光間どの直交するモード間のモード変換を同一
領域内で起こさせ、それにより位相不整合によるモード
変換効率の低下を補償して光アイソレータ機能を行なう
と共に電界を制御して光変調機能を行なうことを特長と
する光アイソレータ機能を有する光変調器となっている
いる。

以下に、第１図に沿って本発明の詳細な説明する。導波
路ｌを形成する磁性半導体（Ｃｄ　Ｍ　ｎ　ＴｅなどＦ
ｅ、Ｍｎを含む■−■族化合物半導体など）は磁気光学
効果と電気光学効果の両方を合わせ持つ材料である。第
１図に示すように、電界Ｅが閃亜鉛鉱構造における［１
１０］方向、磁界Ｈが［１１０］方向に同時に印加され
た場合を考える（ＣｄＭｎＴｅ層１はＧａＡｓ　（００
１）基板に形成されている）。座標系を第１図のように
取り、ｘ、ｙ、ｚ軸方向の屈折率を夫々ｎＴＭ、ｎＴｔ
、ｎとする。

ＴＥ波、もしくはＴＭ波という呼び方は導波路（スラブ
型で無限と看做しつる程、横方向に伸びているもの）の
場合のみ正しいが、ここでは近似的にＸ軸方向に偏光し
た平面波をＴＭ波、ｙ軸方向に偏光した平面波をＴＥ波
と呼ぶことにし、ＴＥ波とＴＭ波との間のモード結合を
考えることにする。ＣｄＭｎＴｅの様な閃亜鉛鉱型の立
方晶系では屈折率は等方的であるが、薄膜にすると形状
複屈折性が生じｎｙＭとｆ’ｌｔｔとは異なることにな
るこのときの誘電率テンソルＣは真空の誘電率をε０と
すると次の如（与えられる。

ここでΔｎは電界Ｅによる屈折率変化で、位相の進み角
θ、や電気光学係数ｒｓ＋を用いて△ｎ　”　ｎ　３ｒ
　４１　Ｅ　／　２　＝え／２π・θ１・・・・　（４
） と与えられる。また、Ｇは磁気光学効果の大きさを表わ
す量でありファラデー回転角θ、やヴエルデ定数Ｖとの
間に次の関係がある。

Ｇ：んｎ／π・θ１＝えｎ／ｘ・ＶＨ ・・・・　（５） （３）式の誘電率テンソルを用いて、ＴＭ波（複素振幅
をＡＴＩＩ（Ｚ）とする）とＴＥ波（同じくＡ　ＴＥ　
（Ｚ　）とする）との間のモード結合方程式を解（と次
の様になる。

ここでΔＢは（１）式で与えられるところのＴＥ洩とＴ
Ｍ波の間の伝搬定数差であり、Ｓは次式で与えられる。

５−（（八β／２）２＋θＦ′＋０．２）　１／２・・
・・　（８） 第１図に示す様に、Ｃｄ　Ｍ　ｎ　Ｔ　ｅ導波路１にＴ
Ｅ波が入射したとき（ＡＴＥ（０）＝１及びＡＴＭ（０
）＝０）、（６）式と（７）式は夫々次の様になる。

ここにおいて、Ｔ度４５度偏波面が回転する条件（モー
ド変換効率Ｒが５０％になる）はＡｔＩ：（Ｚ）＝ＡＴ
−（ｚ）　　・・・−（１１）となるので、これから（
９）式と（１０）式の実部と虚部が等しいという条件が
出てきて次の様になる。

これより、（１２）式の条件が満たされるならば位相整
合の条件（Δｅ＝０）が満たされなくとも、直線偏光の
光が、これから４５度傾いた直線偏光の光に変換される
ことが分かる。

第２図は位相整合条件が満たされた時と（１２）式が満
たされた時との偏光面の回転の様子を、ポアンカレ球を
用いて比較したものである。位相整合している場合（Δ
β＝０〕には常に直線偏光の状態で偏波面の角度のみが
変化する（■の経路）。これに対して（１２）式の条件
の場合は、０度と４５度の直線偏光以外のところでは楕
円偏光となっていることが分かる（■の経路）以上の様
に、本発明では、磁界Ｈと共に適当な電界Ｅを印加する
ことで位相整合（ΔＢ二〇）をとらなくとも、４５度、
偏波面を回転させることができ、導波路の成長やプロセ
スでの厳密な制御を必要としなくなる。

このことを（９）式、（１０〕式、（１１）式との関係
で述べれば、電界Ｅを印加することでΔｎ≠Ｏすなわち
θ６≠０（（４）式参照）となり（９）式は虚部を持つ
ことになる。従って、（１１）式が成立する為に、（ｌ
Ｏ）式の虚部がゼロである必要がな（なりΔβ≠０でも
（１１）式の成立条件が存在することになる。

従って、山村側に主軸が４５度回転した検光子を入れる
と光はそのまま透過する。戻り光は、この検光子を通っ
て結晶中を反対向きに進むにつれてヂに４５度回転し大
村光とは９０度の角度をなすので、入射側の偏光子によ
ってカットされる。

こうして光アイソレータ機能を果たすことが分かる。

次に、（１２）式において印加電圧を同じ大きさで負方
向にする。簡単の為に θ、（＝ＶＨ）＝θＥ　　（＝ｘｎ”　ｒ＋４（Ｅ）／
え）＝へβ／２　　・・・　（１３） なる特別の場合を考える。■、Ｈ（一定）、導波距離ｅ
などを適当に設定することにより、（１２）式の１番目
の式と（１３）式を共に成立させることが出来るので、
（１３）式の特別の場合を要求しても一般性は失わない
。

さて、（１３）式を満足するとき、（９’ｌ及び（１０
）式で与えられる光波は円偏光を表わすことが分かる。

即ち、磁界はそのままで電界が負のときには、０度の角
度を持つ直線偏光ＣＴＥ光）が楕円偏光になりながら円
偏光になる。これをポアンカレ球を用いて表わすと、第
２図の■で示す軌跡を描きながら円偏光に対応する極点
の位置に来ることになる。

こうして円偏光となって出射側に置かれた検光子（主軸
が４５度回転）に入ると、光がそのまま透過する（１２
）式を満たすときと比べて、５０％の光変調が行なわれ
る。尚、この時は、アイソレータ機能は行なわれないが
、信号光でないので半導体レーザの発振が多少乱れても
支障はない。

以上の様にして、電圧を正負に切り換えることに゛より
、４５度の直線偏光と円偏光をスイ、ツチングすること
が出来、出射側に４５度の検光子を入れておくことで、
必要なときに光アイソレータ機能を行ないながら５０％
の光変調が可能となる。

［実施例１ 第３図は本発明の実施例の斜視図である。同図において
、半絶縁性ＧａＡｓ　（ＯＯＩ）基板３１上にＭＢＥ法
によってＣｄＴｅのバッファ層３２を成長させる。適当
な成長条件を選ぶと基板１と同じ面方位の膜３２が成長
する。その上に、２種類のＭｎ組成を有するＣｄＭｎＴ
ｅ膜３３．３４．３５を用いて導波路構造を作製する。

コア部３４のＭｎ組成を上下クラッド部３３．３５のそ
れより小さくする（ｙ＜ｘ）ことにより、コア部３４の
屈折率をクラッド部３３．３５のそれより大きくして光
を閉じ込める構造とする。

次に、上部クラッド部３５をエツチングによりメサ構造
３６とし、チャネル導波路を形成する。

このときメサの長平方向を［１１０１軸とし、それに垂
直な方向を［１１０］軸とする。続いて、メサの両側に
電極（Ｉｎ／Ａｕ）３７．３８を看けることにより、［
１１０］軸方向に電界Ｅ、Ｅを印加することができる様
になる。この電界は信号に応じてｙ軸子方向と一方向に
切り換えられる。

以上の構成において、更に磁場■］をチャネル３６の導
波方向すなわち［１１０］軸方向に印加すると、外場Ｅ
、Ｈと導波路の結晶軸との関係は第１区と同じになる。

従って、上記（１２）式を満足させるような電界（Ｅ）
、磁界（Ｈｌ、伝搬距離（ｎ）（（１２）式の２に相当
する）、伝搬定数差（Δβ）の組み合わせを求めること
ができれば、第３図に示す様に、ｙ軸方向に偏光したＴ
Ｅ光が入射して、４５度傾いた直線偏光となって出てく
るので、光アイソレータ機能を有する集積型光変調器が
実現できることになる。電界−Ｅとしたときの様子は上
記した通りである。集積の態様は第８図と同様なもので
ある。

伝搬定数差Δβを１０ｒａｄ／ｃｍとして（１３）式の
場合を考え、（１２）式を解いて伝搬定数１２（＜１２
ｊ式の２に相当）を求めると約１゜２ｍｍとなる。（５
）式より、ＣｄＭｎＴｅのヴエルデ定数Ｖを０．１度／
　ｃ　ｍ　−Ｏｅとすると、必要とされる磁場Ｈの大き
さは約２．９ｋＯｅと゛なり、永久磁石で十分印加でき
る値となる。また（４）式から、光の波長（え）をＯ−
８μｍ、屈折上（ｎ）を２．８４、電気光学係数（ｒ　
、、）を４．５Ｘ１０相’ｃｍ／Ｖとすると、必要な電
界強度ＥはＥ＝えθｔ／πｎ’ｒ４１から求められて１
．２ｘｌＯ’　Ｖ／ｃｍとなる。第３図における２つの
電極３７．３８間距離を３ＬＬｍとすると、必要とされ
る電圧は３．６ｖでよく、ＴＴＬ　（ｔｒａｎｓｉｓｔ
ｏｒ−ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｌｏｇｉｃ）レベルの回路
で十分であることが分かる。

上の見積もりから、磁場Ｈ＝３ｋＯｅ、＠圧４Ｖ程度を
印加するだけで、１ｍｍ程度の導波距離の、第４図（ａ
）の如き電圧の正負の切り換えで同図（ｂ）の如く光変
調出来る集積型光変調器が実現されることが示された６ ［発明の効果］ 以上述べた様に、本発明によれば、磁性率ＪＪ体の導波
路において電気光学効果と磁気光字効果によるモード変
換を利用して光アイソレータ機能と光変調機能を合わせ
持たせているので、位相整合をとることなく光アイソレ
ータ機能を行なえると共に、磁場を一定のままで電圧を
変調するだけで光変調を行なえる。

よって、インピーダンスの点で高速変調が難しい外部磁
界の変調を行なわなくて済み、数Ｖの電圧を変調すれば
よいのでＧＨｚ程度の変調が可能となる。

また、光アイソレーションと光変調の２つの機能を夫々
持つ別々のデバイスを縦続的に接続する必要がなく、且
つ半導体レーザとの集積化に適したデバイスであるので
、光通信や光デイスクメモリへの幅広い応用が期待され
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の詳細な説明する為の図、第２図はモー
ド変換の様子を、本発明と従来例を比較して、説明する
為のポアンカレ球を示す図、第３図は本発明の実施例を
示す図、第４図は第３図の実施例における電圧の正負の
切り換えと出射光強度の関係を示す図、第５図は光変調
器の従来例を示す図、第６図は光アイソレータの従来例
を示す図、第７図は光アイソレータと光変調器の従来例
の接続法を示す図、第８図は本発明者らによる先の提案
例を示す図、第９図は伝搬定数差を無（す従来の方法を
説明する為の図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、磁性半導体から成る導波路を有し、該導波路に変調
   される電界と一定の磁界を同時にかけて電気光学効果と
   磁気光学効果によるモード変換を同一領域内で起こさせ
   、それにより位相不整合によるモード変換効率の低下を
   補償して光アイソレータ機能を行なうと共に電界を制御
   して光変調機能を行なうことを特徴とする光変調器。 ２、電界は同じ大きさで正負に切り換えられて印加され
   、電界が正のとき前記導波路に入射した直線偏光が４５
   度回転した直線偏光に変換されて出射し、電界が負のと
   きこの入射した直線偏光が円偏光に変換されて出射する
   様に構成されている請求項１記載の光変調器。 ３、前記導波路の入射側に偏光子が置かれ、出射側に検
   光子が置かれている請求項１記載の光変調器。 ４、上記電界は閃亜鉛鉱構造における［１１０］方向に
   印加する請求項１記載の光変調器。 ５、前記磁性半導体はＣｄＭｎＴｅである請求項１記載
   の光変調器。 ６、上記モード変換はＴＥ光とＴＭ光との間で行なわれ
   る請求項１記載の光変調器。 ７、上記電界と磁界は直交する配置である請求項１記載
   の光変調器。 ８、前記導波路はＧａＡｓ（００１）基板上に作製され
   ている請求項１記載の光変調器。