JPH05341231A - Optical isolator - Google Patents

Optical isolator

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JPH05341231A
JPH05341231A JP17019392A JP17019392A JPH05341231A JP H05341231 A JPH05341231 A JP H05341231A JP 17019392 A JP17019392 A JP 17019392A JP 17019392 A JP17019392 A JP 17019392A JP H05341231 A JPH05341231 A JP H05341231A
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waveguide
grating
optical
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Abstract

PURPOSE:To obtain the optical isolator having a structure which can form a non-reciprocal part and a reciprocal part on the same substrate. CONSTITUTION:On the same substrate 1, a non-reciprocal part 11 and a reciprocal part 12 are connected in series and integrated. The non-reciprocal part 11 consists of a magnetic semiconductor having a Faraday effect, and converts a horizontal polarized wave non-reciprocally to a linearly polarized wave of 45 degrees by a grating 13 formed in the upper part of its waveguide. The reciprocal part 12 consists of a non-magnetic compound semiconductor, and in the upper part of its waveguide, an asymmetrical grating 14 is formed so that anisotropic axes are inclined alternately in the opposite direction against a surface normal, and a linearly polarized wave of 45 degrees is returned reciprocally to the horizontal polarized wave.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、光通信、光情報処理、
光計測機器などに使用する光集積回路などにおいて戻り
光を遮断し、雑音を誘起しない等の為に用いられる光ア
イソレータに関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to optical communication, optical information processing,
The present invention relates to an optical isolator used for blocking return light and not inducing noise in an optical integrated circuit or the like used in an optical measuring instrument or the like.

【0002】[0002]

【従来の技術および問題点】近年、情報伝達の高速化、
情報記録の大容量化に伴い、光ファイバー通信や光ディ
スクメモリの開発が進められている。
2. Description of the Related Art In recent years, speeding up information transmission,
Development of optical fiber communication and optical disk memory is progressing with the increase in capacity of information recording.

【0003】光通信システムには、1.3μm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0.8μm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た光をファイバー端面
に集光させファイバー中を導波させる。この時、ファイ
バーや他の光学部品の端面で反射した光は半導体レーザ
の活性層に戻る。その結果、半導体レーザの発振が不安
定になり、パワー変動および波長変動が生ずる。特にD
BR(分布反射型)レーザやDFB(分布帰還型)レー
ザに対しては単一モードが多モードになる等の影響が大
きい。また、将来の通信方式として注目されているコヒ
ーレント光通信は光のON/OFFを行うことなく位相
を変化させるのみであるため、特に戻り光の影響が大き
い。
Optical communication systems include medium-to-long distance transmission systems for trunk lines that use wavelengths of 1.3 μm or 1.5 μm and short-distance transmission systems such as LANs (local area networks) that use the 0.8 μm band. .. In either case, the light emitted from the semiconductor laser is focused on the end face of the fiber and guided in the fiber. At this time, the light reflected by the end faces of the fiber and other optical components returns to the active layer of the semiconductor laser. As a result, the oscillation of the semiconductor laser becomes unstable, causing power fluctuation and wavelength fluctuation. Especially D
A BR (distributed reflection type) laser or a DFB (distributed feedback type) laser is greatly affected by a single mode becoming multimode. Further, the coherent optical communication, which is attracting attention as a future communication system, only changes the phase without turning on / off the light, and therefore the influence of the returning light is particularly great.

【0004】また、光ディスクメモリにおいては、光学
部品からの反射光に加え、ディスク基板からの反射光が
半導体レーザに戻り、前述の不安定性や雑音を誘起す
る。この場合の波長域では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
れることもあるが、アイソレーション比は最大でも20
dB程度にすぎない。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ので、光
磁気ディスクの様にディスクからの反射光の偏光面の回
転を信号として検出しようとするシステムでは戻り光の
影響が更に深刻である。そのため、半導体レーザに数1
00MHzの高周波信号を重畳させ、レーザを多モード
発振させて、戻り光に対してレーザが影響を受けないよ
うな対症療法がとられている。
Further, in the optical disk memory, in addition to the reflected light from the optical components, the reflected light from the disk substrate returns to the semiconductor laser and induces the instability and noise described above. In this case, a simplified optical isolator that combines a quarter-wave plate and a polarization beam splitter may be used in the wavelength range, but the isolation ratio is 20 at maximum.
Only about dB. Also, if the polarization plane of the return light changes, the isolation ratio becomes smaller, so in systems that detect the rotation of the polarization plane of the reflected light from the disc as a signal, such as a magneto-optical disc, The impact is more serious. Therefore, the semiconductor laser has a few
A symptomatic treatment is adopted in which a high-frequency signal of 00 MHz is superimposed and the laser is oscillated in multiple modes so that the laser is not affected by the return light.

【0005】以上に述べたように、戻り光による雑音の
発生は光通信においては伝送信号のエラーレートを増大
させ、光ディスクメモリにおいては再生信号の劣化を引
き起こす。
As described above, the generation of noise due to the returning light increases the error rate of the transmission signal in the optical communication and causes the deterioration of the reproduction signal in the optical disk memory.

【0006】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
な透過特性を有するもので、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。
The only element that removes the returning light to the semiconductor laser is an optical isolator. The optical isolator has an irreversible transmission characteristic and completely blocks the returning light to prevent the returning light from re-incident on the active layer of the semiconductor laser.

【0007】発光素子や受光素子を同一基板上に形成す
るところの光集積回路においても光アイソレータは必須
の部品である。しかしながら、光集積回路用のアイソレ
ータには次に述べる様な大きな課題が存在する。
An optical isolator is an essential component in an optical integrated circuit in which a light emitting element and a light receiving element are formed on the same substrate. However, the isolator for an optical integrated circuit has the following major problems.

【0008】光集積回路においては、チャネル型光導波
路によって各デバイスを接続するが、この導波路内で
は、偏波面が導波層に平行または垂直であるところのT
E波またはTM波のみが導波モードとなる。従って、偏
波面を非相反に45度回転させるバルク型光アイソレー
タを使うことができない。その結果、光集積回路用アイ
ソレータには非相反部で45度に回転した偏光を元に戻
すところの相反モード変換器が更に必要となる。しか
も、これらの相反/非相反回路を同一基板上に形成しな
ければらないという要請が存在する。
In an optical integrated circuit, each device is connected by a channel type optical waveguide, and in this waveguide, a polarization plane is parallel or perpendicular to the waveguide layer.
Only the E wave or TM wave becomes the guided mode. Therefore, it is impossible to use a bulk type optical isolator that rotates the plane of polarization non-reciprocally by 45 degrees. As a result, the isolator for an optical integrated circuit further requires a reciprocal mode converter for returning the polarized light rotated at 45 degrees in the nonreciprocal part. Moreover, there is a demand that these reciprocal / non-reciprocal circuits must be formed on the same substrate.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとしている課題】集積型光アイソレ
ータとして、図7に示す様に、非相反部71にファラデ
ー効果、相反部72にコットン・ムートン効果(磁気複
屈折を利用)を用いる構造のものが提案されている。磁
性ガーネット膜(強磁性体)である光磁気膜73をGG
G基板74上にエピタキシャル成長させたもので、ファ
ラデー領域71では磁化Mを光の進行方向に寝かせ、コ
ットン・ムートン領域72では光の進行方向と垂直な面
内で磁化Mを膜面垂直方向からθm=22.5度傾けた
ものである。この様な2つの磁化領域71、72を形成
するために磁場をかけた状態でレーザ光でアニールする
レーザアニール法が提案されているが、まだ実現してい
ない。
As shown in FIG. 7, an integrated optical isolator having a structure using the Faraday effect in the non-reciprocal portion 71 and the Cotton Mouton effect (using magnetic birefringence) in the reciprocal portion 72 is used. Is proposed. The magneto-optical film 73, which is a magnetic garnet film (ferromagnetic material), is GG
It is grown epitaxially on the G substrate 74. The magnetization M is laid in the light traveling direction in the Faraday region 71, and the magnetization M is made θ in the plane perpendicular to the light traveling direction in the Cotton Mouton region 72 from the film surface perpendicular direction. m = 22.5 degrees tilted. A laser annealing method has been proposed in which a magnetic field is applied to anneal with laser light in order to form such two magnetized regions 71 and 72, but it has not been realized yet.

【0010】一方、半導体レーザを代表とする光素子は
GaAsやInP等の化合物半導体基板上に作成する。
そのためにも光アイソレータを化合物半導体基板の上に
集積化することが望まれている。磁性ガーネット膜73
は液相エピタキシー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。しかし、この膜73は、GaAs
やInP基板とは格子定数や熱膨張係数が異なるため良
質の膜を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73を使
う限り光アイソレータを他の光素子と集積化することは
難しいと考えられている。
On the other hand, an optical element represented by a semiconductor laser is formed on a compound semiconductor substrate such as GaAs or InP.
Therefore, it is desired to integrate the optical isolator on the compound semiconductor substrate. Magnetic garnet film 73
Can be grown by liquid phase epitaxy or sputtering. However, this film 73 is
Since a lattice constant and a thermal expansion coefficient are different from those of InP substrate and InP substrate, a good quality film cannot be epitaxially grown. Therefore, it is considered difficult to integrate the optical isolator with other optical devices as long as the magnetic garnet film 73 is used as the Faraday material.

【0011】また、更に非相反部71における位相整合
の問題も存在する。図8は従来の位相整合のとりかたを
示す。図8(a)の様にレーザ光81を膜82中に導波
させると、図8(b)の様に、有限の膜厚h0において
は、形状複屈折のためにTE波に対する屈折率nTEはT
M波に対するそれ(nTM)よりも大きくなる。TE波と
TM波との伝幡定数差をΔβとすると Δβ=2π/λ(nTE−nTM) (1) となり、TE波からTM波へのモード変換効率Rは R=θ F 2/[θ F 2+(Δβ/2)2]・ sin2{[θ F 2+(Δβ/2)21/2l} (2) と与えられる。ここでθFは単位長さあたりのファラデ
ー回転角、lは導波距離である。
Further, the phase matching in the non-reciprocal portion 71 is made.
There is also the problem of. Figure 8 shows the conventional phase matching method.
Show. As shown in FIG. 8A, the laser light 81 is guided into the film 82.
Then, as shown in FIG. 8B, the finite film thickness h0At
Is a refractive index n for TE waves due to shape birefringence.TEIs T
That for M waves (nTM) Will be larger than. TE wave
Δβ = 2π / λ (nTE-NTM) (1), and the mode conversion efficiency R from TE wave to TM wave is R = θ F 2/ [Θ F 2+ (Δβ / 2)2] ・ Sin2{[Θ F 2+ (Δβ / 2)2]1/2l} (2) is given. Where θFIs Farade per unit length
-The rotation angle, l is the waveguide distance.

【0012】上式で表される偏波の様子をポアンカレ球
を用いると、図9の様に図示される。A点で表される直
線偏波(TE波)は、導波するにつれ、経度0度上の点
Mと球の中心Oとを結ぶ線を中心軸として球面上を回
る。赤道面から測った点Mまでの角度(θ)は tanθ=θ F/(Δβ/2) (3) と与えられる。図9より明かなように、Δβが有限であ
る限り、いくら導波しても同じ経路をたどるだけで、4
5度の直線偏波に対応する点Eには到達できないことが
分かる。
The state of the polarization represented by the above equation is represented by the Poincare sphere.
Is used as shown in FIG. Straight represented by point A
As the linearly polarized wave (TE wave) is guided, the point on the longitude 0 degree
It rotates on a sphere with the line connecting M and the center O of the sphere as the central axis.
It The angle (θ) from the equatorial plane to the point M is tan θ = θ F/ (Δβ / 2) (3) is given. As is clear from FIG. 9, Δβ is finite
As long as you guide, no matter how much you guide, just follow the same path.
It may not be possible to reach point E, which corresponds to 5 degree linear polarization.
I understand.

【0013】以上述べたように、相反/非相反領域を同
一の化合物半導体基板上に形成すること、および位相を
如何に整合させるかが集積光アイソレータの実現にとっ
て最も大きな課題である。
As described above, how to form the reciprocal / non-reciprocal regions on the same compound semiconductor substrate and how to match the phases are the most important issues for realizing the integrated optical isolator.

【0014】従って、本発明の目的は、光素子などと共
に同一基板上に集積化することが可能な構成を持つ非相
反部と相反部からなる光アイソレータを提供することに
ある。
Therefore, an object of the present invention is to provide an optical isolator comprising a non-reciprocal part and a reciprocal part, which can be integrated with an optical element or the like on the same substrate.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明では、ファラデー効果を有する磁性半導体
導波路層(常磁性である)を非相反部に用い、非磁性の
化合物半導体導波路層を相反部として用いる構造を有す
る。
In order to solve the above problems, the present invention uses a magnetic semiconductor waveguide layer (which is paramagnetic) having a Faraday effect in the non-reciprocal portion and uses a non-magnetic compound semiconductor conductor. It has a structure in which the waveguide layer is used as the reciprocal portion.

【0016】すなわち、非相反部および相反部が直列に
接続されて成る光アイソレータであって、非相反部はフ
ァラデー効果を有する磁性半導体からなり、水平偏波を
45度の直線偏波に非相反に変換する構成を有し、ま
た、相反部は非磁性化合物半導体からなり、45度の直
線偏波を相反に水平偏波に戻す構成を有することを特徴
とする。
That is, an optical isolator comprising a non-reciprocal part and a reciprocal part connected in series, wherein the non-reciprocal part is made of a magnetic semiconductor having a Faraday effect and the non-reciprocal horizontal polarization is converted into a 45-degree linear polarization. In addition, the reciprocal part is made of a non-magnetic compound semiconductor and has a structure in which linear polarization of 45 degrees is reciprocally converted into horizontal polarization.

【0017】より具体的には、同一基板上に前記非相反
部および前記相反部が直列に接続されて集積化されてい
たり、前記非相反部は、その導波路上部に形成されたグ
レーティングにより水平偏波を45度の直線偏波に非相
反に変換したり、前記非相反部は、その導波路上部に形
成されたグレーティング上に電界印加用の電極が設けら
れていたり、前記非相反部は、その導波路に電界と磁場
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に起こさせることにより水平偏波を
45度の直線偏波に非相反に変換したり、前記相反部
は、その導波路上部に面法線に対して異方性軸が交互に
反対向きに傾くように非対称なグレーティングが形成さ
れて、45度の直線偏波を相反に水平偏波に戻したり、
前記相反部は、その導波路の両側に、交互に、面法線に
対して異方性軸が交互に反対向きに傾くように、凹部が
形成されて、45度の直線偏波を相反に水平偏波に戻し
たり、前記光アイソレータの非相反部において、グレー
ティングの周期数NとTE/TM伝搬定数差Δβ+、Δ
β-(±はそれぞれグレーティングの凸部と凹部に対応
する)およびファラデー回転角θFとが次の関係を持っ
たり: 2NΔθ=(θ+Δθ/2)−π/2(ここで、θ=
(θ++θ-)/2,Δθ=θ++θ-,tanθ+=θF
(Δβ+/2),tanθ-=θF/(Δβ-/2)とす
る)、前記光アイソレータの相反部において、グレーテ
ィングの周期数をN、異方性の軸が導波路法線となす角
をρとすると、次の関係を持ったりする: ρ=π/16N。
More specifically, the non-reciprocal part and the reciprocal part are connected in series and integrated on the same substrate, or the non-reciprocal part is horizontally formed by a grating formed on the waveguide. Polarization is converted to 45 degree linear polarization in a non-reciprocal manner, the non-reciprocal portion is provided with an electrode for applying an electric field on a grating formed above the waveguide, or the non-reciprocal portion is , By applying an electric field and a magnetic field to the waveguide at the same time to cause mode conversion due to the electro-optic effect and the magneto-optic effect in the same region, the horizontal polarization is non-reciprocally converted into a 45-degree linear polarization, In the section, an asymmetric grating is formed in the upper part of the waveguide so that the anisotropic axes alternately incline in opposite directions with respect to the surface normal, and linear polarization of 45 degrees is reciprocally converted to horizontal polarization. ,
The reciprocal portion is formed with concave portions on both sides of the waveguide alternately so that the anisotropic axes are alternately inclined in opposite directions with respect to the surface normal, and linearly polarized waves of 45 degrees are contradictory to each other. Return to horizontal polarization, or in the non-reciprocal part of the optical isolator, the grating period number N and the TE / TM propagation constant difference Δβ + , Δ
β (± corresponds to the convex portion and the concave portion of the grating, respectively) and the Faraday rotation angle θ F have the following relationship: 2NΔθ = (θ + Δθ / 2) −π / 2 (where θ =
(Θ + + θ -) / 2, Δθ = θ + + θ -, tanθ + = θ F /
(Δβ + / 2), tan θ = θ F / (Δβ / 2)), in the reciprocal part of the optical isolator, the number of periods of the grating is N, and the axis of anisotropy is the waveguide normal. If the angle is ρ, then the following relationship may be established: ρ = π / 16N.

【0018】[0018]

【実施例】以下に、図1に示された第1実施例を述べ
る。その作製方法を述べる。GaAs基板1上にGaA
sバッファ層3、AlGaAs下部クラッド層5、Al
GaAs/GaAs超格子コア層7およびAlGaAs
上部クラッド層9からなる相反部12の光導波路層をM
BEもしくはMOCVD法によって順次成膜する。その
後、GaAs導波路層の一部を選択エッチングした後、
CdTeバッファ層2、CdMnTe下部クラッド層
4、CdTe/CdMnTe超格子コア層6、CdMn
Te上部クラッド層8からなる非相反部11の光導波路
層をMBEもしくはMOCVD法によって順次成膜す
る。イオンミリングによってリッジ導波路を形成後、相
反部12および非相反部11のグレーティング14、1
3を作製する。磁性半導体であるCdMnTeはII−
VI族化合物半導体であるCdTeのCd位置をMnで
置き換えたもので、可視域で透明であり且つ大きなファ
ラデ回転角を持つ。また、コア部6のMn組成を上下ク
ラッド部4、8のそれより小さくすることで、コア部6
の屈折率をクラッド部4、8のそれより大きくして光を
閉じ込める構造となっている。以下に、非相反部11/
相反部12それぞれの動作原理を説明する。
EXAMPLE A first example shown in FIG. 1 will be described below. The manufacturing method will be described. GaA on GaAs substrate 1
s buffer layer 3, AlGaAs lower cladding layer 5, Al
GaAs / GaAs superlattice core layer 7 and AlGaAs
The optical waveguide layer of the reciprocal portion 12 composed of the upper clad layer 9 is M
Films are sequentially formed by BE or MOCVD. After that, after selectively etching a part of the GaAs waveguide layer,
CdTe buffer layer 2, CdMnTe lower cladding layer 4, CdTe / CdMnTe superlattice core layer 6, CdMn
The optical waveguide layers of the non-reciprocal portion 11 made of the Te upper cladding layer 8 are sequentially formed by MBE or MOCVD. After forming the ridge waveguide by ion milling, the gratings 14 and 1 of the reciprocal portion 12 and the non-reciprocal portion 11 are formed.
3 is produced. CdMnTe, which is a magnetic semiconductor, is II-
The Cd position of CdTe, which is a group VI compound semiconductor, is replaced with Mn, which is transparent in the visible range and has a large Farade rotation angle. Further, by making the Mn composition of the core portion 6 smaller than that of the upper and lower clad portions 4 and 8, the core portion 6
Has a refractive index larger than that of the clad portions 4 and 8 to confine light. Below, the non-reciprocal part 11 /
The operation principle of each reciprocal part 12 will be described.

【0019】非相反部の動作 図1に示す非相反部11は、光の導波方向に一定周期の
グレーティング13が上部クラッド8に形成されてい
る。ここで凸部と凹部とでは上部クラッド層8の厚さが
異なるため、伝搬定数が異なる。凸部のところでのTE
/TM伝搬定数差をΔβ+、凹部のところのそれをΔβ-
とすると、図2に示すように、それぞれの部分に対応す
るポアンカレ球面(この球面上で、ファラデ効果による
ときの偏光経路を求める際の中心軸は中心Oと極点を結
ぶ線であり、複屈折によるときのその中心軸は中心Oと
赤道上の点Aを結ぶ線であり、両者が混じったときのそ
の中心軸は中心Oと点Aと極点の間の点を結ぶ線であ
る)上の点はM+およびM-となる。また、凸部および凹
部の長さは、図3に示すようにポアンカレ球面上でπラ
ジアン回転する長さに設定されている。
Operation of Non-Reciprocal Section In the non-reciprocal section 11 shown in FIG. 1, the grating 13 having a constant period is formed in the upper clad 8 in the light guiding direction. Here, since the thickness of the upper clad layer 8 is different between the convex portion and the concave portion, the propagation constant is different. TE at the convex part
/ TM propagation constant difference [Delta] [beta] +, it [Delta] [beta] where the recess -
Then, as shown in FIG. 2, the Poincaré spheres corresponding to the respective parts (on this sphere, the central axis for obtaining the polarization path due to the Farade effect is the line connecting the center O and the pole, and the birefringence The central axis when is due to is the line connecting the center O and the point A on the equator, and when they are mixed, the central axis is the line connecting the center O and the point between the point A and the pole) point M + and M - to become. Further, the lengths of the convex portion and the concave portion are set to the length of π radian rotation on the Poincare spherical surface as shown in FIG.

【0020】図3から明らかなように、光が最初に凸部
を導波するにつれ、A点がO−M+を中心としてπラジ
アン回転してA1点へ移る。次に、光が凹部に入ると、
1点はO−M-軸を中心としてA2点へと移動する。光
が導波するにつれ、グレーティング13の各セグメント
端での偏光は経度0度上の点を次々に飛び移ることにな
る。従って、非相反部11での出射端で45度の偏光
(図2、3におけるE点)を得るためにはグレーティン
グ13の最後のセグメントによる回転角をπ/2ラジア
ンにしなければならない。このためには、最後のセグメ
ントの長さを他のセグメントの半分にすればよいことが
分かる。
As is clear from FIG. 3, as the light is first guided through the convex portion, the point A rotates by π radians about O-M + and moves to the point A 1 . Next, when the light enters the recess,
A 1 point is O-M - to move to A 2 points around the axis. As the light is guided, the polarization at each segment end of the grating 13 jumps from point to point on the longitude of 0 degree one after another. Therefore, in order to obtain a polarization of 45 degrees (point E in FIGS. 2 and 3) at the exit end of the non-reciprocal portion 11, the rotation angle of the last segment of the grating 13 must be π / 2 radians. For this purpose, it can be seen that the length of the last segment should be half that of the other segments.

【0021】上記の動作をさせるためには以下の関係が
必要である。まず、グレーティング13の周期(凸部と
凹部で1周期とする)の数をNとする(最後のセグメン
トを除く)。また、O−M+軸およびO−M-軸がO−A
軸とのなす角をそれぞれθ+Δθ/2およびθ−Δθ/
2とする。最後の半分の長さのセグメントを導波するこ
とによって45度の直線偏波(E点)になるためには、
N周期導波したときの経度0度上の点(A2N)と原点0
を結ぶ線がO−M+軸となす角はπ/2でなければなら
ないので、次式が成り立つ。 2NΔθ=(θ+Δθ/2)−π/2 (4) 上式の関係を満たすように、グレーティング13の周期
数Nと深さによってΔθを設計することにより、水平偏
波を非相反(非可逆)に45度の直線偏波とすることが
可能となる。戻り光に対しては、図2、3における
+、M-点が北半球から南半球へ移るので、非相反動作
をすることが明かである。
The following relationships are necessary for the above operation. First, the number of periods of the grating 13 (one period for the convex portion and the concave portion) is set to N (excluding the last segment). In addition, the O-M + axis and the O-M - axis are O-A.
The angles formed by the axes are θ + Δθ / 2 and θ−Δθ /
Set to 2. In order to become a 45 degree linearly polarized wave (point E) by guiding the segment of the last half length,
A point (A 2N ) on the longitude 0 degree and the origin 0 when guided for N periods
Since the angle formed by the line connecting the lines and the OM + axis must be π / 2, the following equation holds. 2N Δθ = (θ + Δθ / 2) −π / 2 (4) By designing Δθ according to the number of periods N and the depth of the grating 13 so as to satisfy the relationship of the above equation, horizontal polarization is non-reciprocal (irreversible). It is possible to make a linearly polarized wave of 45 degrees. With respect to the returning light, it is clear that the M + and M points in FIGS.

【0022】この場合、凹凸のグレーティング13上に
導波方向に沿って、電界印加用の電極を設ければ、上記
設定に多少の誤差が生じても、所望に微調整できる構造
となる。
In this case, if an electrode for applying an electric field is provided on the uneven grating 13 along the waveguide direction, the structure can be finely adjusted as desired even if some error occurs in the above setting.

【0023】また、リッジ導波路にグレーティングを形
成せず、その両側に電極を設けて閃亜鉛鉱構造のCdM
nTe上部クラッド層8における[110]方向(導波
方向に直交してクラッド層8の面内方向)に適当な電界
をかけると共に、導波方向に適当な磁界をかけて電気光
学効果と磁気光学効果によるモード変換を同一領域内に
起こさせる構造としてもよい。これにより、TE/TM
位相整合(Δβ=0)をとらなくても、非相反に45度
偏波面を回転させることができる。図2のポアンカレ球
上で示せば、このとき、一点鎖線で示す様に0度と4
5度の直線偏光以外のところで楕円偏光となる経路をた
どる。これについては、同一出願人による特願平2−2
07096号明細書に詳しい。
Further, without forming a grating in the ridge waveguide, electrodes are provided on both sides of the grating to form a CdM of zinc blende structure.
An appropriate electric field is applied in the [110] direction (in-plane direction of the cladding layer 8 orthogonal to the waveguiding direction) in the nTe upper clad layer 8 and an appropriate magnetic field is applied in the waveguiding direction to produce the electro-optic effect and the magneto-optical effect. The structure may be such that mode conversion due to the effect occurs in the same region. This allows TE / TM
Even if the phase matching (Δβ = 0) is not taken, the plane of polarization can be rotated 45 degrees non-reciprocally. If it is shown on the Poincare sphere in FIG. 2, at this time, as indicated by the one-dot chain line,
Follow the path that becomes elliptically polarized light at a position other than 5 ° linearly polarized light. Regarding this, Japanese Patent Application No. 2-2 by the same applicant
See 07096.

【0024】相反部の構成 図2に示される相反部12は非磁性の化合物半導体導波
路からなる。上部クラッド層9は市松模様にエッチング
されている。そのグレーティング14の断面は図4
(a)および(b)のように導波路中心に対して非対称
な形状となっており、その結果、複屈折の主軸20も法
線方向から角度±ρだけ傾くことになる。その大きさは
非対称性の度合いで決定される。また、グレーティング
14の各セグメントの長さは2つの直交モードの位相差
がπラジアンになるように設定される。
Structure of Reciprocal Section The reciprocal section 12 shown in FIG. 2 is composed of a non-magnetic compound semiconductor waveguide. The upper clad layer 9 is etched in a checkered pattern. The cross section of the grating 14 is shown in FIG.
As in (a) and (b), the shape is asymmetric with respect to the center of the waveguide, and as a result, the principal axis 20 of birefringence is also inclined by an angle ± ρ from the normal direction. Its size is determined by the degree of asymmetry. The length of each segment of the grating 14 is set so that the phase difference between the two orthogonal modes is π radian.

【0025】この導波路に非相反部11から45度(E
点)の直線偏光が入射したときの偏光変化の様子を図5
に示す。光が導波するにつれ、赤道面上で経度0度のA
点から±2ρだけの角度をなす2つの点P+、P-をそれ
ぞれ中心としてπラジアンずつ回転する。図5では4つ
のセグメント(2周期)を導波すると水平直交偏波(A
点)となる。
From this non-reciprocal portion 11 to 45 degrees (E
Fig. 5 shows how the polarized light changes when linearly polarized light
Shown in. As the light is guided, A with a longitude of 0 degrees on the equatorial plane.
Rotate by π radians about two points P + and P forming an angle of ± 2ρ from the point. In FIG. 5, when four segments (two periods) are guided, horizontal orthogonal polarization (A
Points).

【0026】周期数をNとすると、図5より明らかなよ
うに ρ=π/16N (5) なる関係を満たすことによって45度の相反型モード変
換器を構成することができる。この構成については、文
献(Appl.Phys.Lett.59(11),p
p.1278−1280,9 Sep.1991)に記
載がある。
Assuming that the number of periods is N, it is clear from FIG. 5 that a reciprocal mode converter of 45 degrees can be constructed by satisfying the relation of ρ = π / 16N (5). This structure is described in the literature (Appl. Phys. Lett. 59 (11), p.
p. 1278-1280, 9 Sep. 1991).

【0027】同様の機能を果たすのに、図6の如き構成
でもよい。図6では、埋め込み導波路27の両側に交互
に凹部28a、28bを形成して、複屈折の主軸20を
法線方向から角度±ρだけ傾かせる。
A structure as shown in FIG. 6 may be used to achieve the same function. In FIG. 6, concave portions 28a and 28b are alternately formed on both sides of the buried waveguide 27, and the principal axis 20 of birefringence is tilted by an angle ± ρ from the normal direction.

【0028】以上の構成の非相反部11に、図1に示す
如く、TE波が入射すると、この光は非相反部11の出
力端で45度回転した直線偏光になり、次に相反部12
を通ることで45度逆方向に回転されて、相反部12を
出るときには再びTE光になって次段に伝わる。一方、
TE波が相反部12に入ってくると、これは、相反部1
2で、前の相反部12での回転とは逆の方向(前の非相
反部11での回転と同方向)に45度回転され、更に非
相反部11に入ることでここでも同方向に45度回転さ
れる。よって、非相反部11を出るときにはTM波とな
る。このTM波を、非相反部11の前段に設けられた偏
光板の如き手段で除去すれば、光アイソレータの機能が
果たされることになる。
As shown in FIG. 1, when a TE wave is incident on the non-reciprocal portion 11 having the above structure, this light becomes a linearly polarized light rotated by 45 degrees at the output end of the non-reciprocal portion 11, and then the reciprocal portion 12 is generated.
When it leaves the reciprocal portion 12, it becomes TE light again and is transmitted to the next stage. on the other hand,
When the TE wave enters the reciprocal part 12, this is the reciprocal part 1
In the step 2, in the direction opposite to the rotation in the previous reciprocal portion 12 (the same direction as the rotation in the previous non-reciprocal portion 11), it is rotated by 45 degrees, and by further entering the non-reciprocal portion 11, in the same direction here as well. It is rotated 45 degrees. Therefore, when it leaves the non-reciprocal portion 11, it becomes a TM wave. If this TM wave is removed by a means such as a polarizing plate provided in front of the non-reciprocal portion 11, the function of the optical isolator will be fulfilled.

【0029】[0029]

【発明の効果】以上説明した様に、本発明によって、C
dTe膜はGaAs基板などにMBEやMOCVD法に
よって良質の膜を成長させることができるので、同一基
板上に非相反部と相反部を形成することができるように
なった。従って、従来、戻り光の存在によって集積化が
難しいと考えられてきたDBR/DFBレーザや光アン
プを一つの基板に集積化することが可能となり、光集積
回路等が実現できるようになった。
As described above, according to the present invention, C
Since the dTe film can grow a good quality film on a GaAs substrate or the like by the MBE or MOCVD method, the non-reciprocal part and the reciprocal part can be formed on the same substrate. Therefore, it has become possible to integrate a DBR / DFB laser and an optical amplifier, which have been considered to be difficult to integrate due to the presence of return light, on one substrate, and an optical integrated circuit or the like can be realized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の光アイソレータの第1実施例の斜視
図。
FIG. 1 is a perspective view of a first embodiment of an optical isolator according to the present invention.

【図2】図1の第1実施例の非相反部の動作原理を説明
するポアンカレ球の図。
FIG. 2 is a diagram of a Poincare sphere explaining the operation principle of the non-reciprocal portion of the first embodiment of FIG.

【図3】図1の第1実施例の非相反部の光の導波の経路
を説明するポアンカレ球の図。
FIG. 3 is a diagram of a Poincare sphere for explaining a light guide path of a nonreciprocal portion of the first embodiment of FIG.

【図4】図1の第1実施例の相反部の動作原理を説明す
る部分断面図。
FIG. 4 is a partial cross-sectional view explaining the operation principle of the reciprocal portion of the first embodiment of FIG.

【図5】図1の第1実施例の相反部の光の導波の経路を
説明するポアンカレ球の図。
5 is a diagram of a Poincare sphere for explaining the optical waveguide path of the reciprocal portion of the first embodiment of FIG. 1. FIG.

【図6】他の実施例の非相反部の動作原理を説明する部
分断面図。
FIG. 6 is a partial cross-sectional view illustrating the operation principle of a non-reciprocal portion of another embodiment.

【図7】従来例の構成を示す斜視図。FIG. 7 is a perspective view showing a configuration of a conventional example.

【図8】レーザ光を膜中に導波させるときの形状複屈折
によるTE/TM伝播定数差を説明する図。
FIG. 8 is a diagram illustrating a TE / TM propagation constant difference due to shape birefringence when a laser beam is guided in a film.

【図9】従来例の場合の偏波の様子をポアンカレ球で説
明する図。
FIG. 9 is a diagram for explaining the state of polarization in the case of the conventional example using a Poincare sphere.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 GaAs基板 2 CdTeバッファ層 3 GaAsバッファ層 4 CdMnTe下部クラッド層 5 AlGaAs下部クラッド層 6 CdTe/CdMnTe超格子コア層 7 GaAs/AlGaAs超格子コア層 8 CdMnTe上部クラッド層 9 AlGaAs上部クラッド層 11 非相反部 12 相反部 13 グレーティング 14 非対称グレーティング 20 複屈折の主軸 27 埋め込み導波路 28a,28b 交互の凹部 1 GaAs substrate 2 CdTe buffer layer 3 GaAs buffer layer 4 CdMnTe lower cladding layer 5 AlGaAs lower cladding layer 6 CdTe / CdMnTe superlattice core layer 7 GaAs / AlGaAs superlattice core layer 8 CdMnTe upper cladding layer 9 AlGaAs upper cladding layer 11 non-reciprocal Part 12 Reciprocal part 13 Grating 14 Asymmetric grating 20 Birefringent main axis 27 Embedded waveguides 28a, 28b Alternate recesses

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 非相反部および相反部が直列に接続され
て成る光アイソレータであって、非相反部はファラデー
効果を有する磁性半導体からなり、水平偏波を45度の
直線偏波に非相反に変換する構成を有し、また、相反部
は非磁性化合物半導体からなり、45度の直線偏波を相
反に水平偏波に戻す構成を有することを特徴とする光ア
イソレータ。
1. An optical isolator comprising a non-reciprocal portion and a reciprocal portion connected in series, wherein the non-reciprocal portion is made of a magnetic semiconductor having a Faraday effect, and the horizontal polarization is non-reciprocal to a linear polarization of 45 degrees. An optical isolator having a configuration for converting a linearly polarized wave of 45 degrees to a horizontally polarized wave in a reciprocal manner.
【請求項2】 同一基板上に前記非相反部および前記相
反部が直列に接続されて集積化されていることを特徴と
する請求項1記載の光アイソレータ。
2. The optical isolator according to claim 1, wherein the non-reciprocal portion and the reciprocal portion are connected in series and integrated on the same substrate.
【請求項3】 前記非相反部は、その導波路上部に形成
されたグレーティングにより水平偏波を45度の直線偏
波に非相反に変換することを特徴とする請求項1記載の
光アイソレータ。
3. The optical isolator according to claim 1, wherein the non-reciprocal portion non-reciprocally converts the horizontally polarized wave into a 45 degree linearly polarized wave by a grating formed on an upper portion of the waveguide.
【請求項4】 前記非相反部は、その導波路上部に形成
されたグレーティング上に電界印加用の電極が設けられ
ていることを特徴とする請求項3記載の光アイソレー
タ。
4. The optical isolator according to claim 3, wherein the non-reciprocal portion is provided with an electrode for applying an electric field on a grating formed above the waveguide.
【請求項5】 前記非相反部は、その導波路に電界と磁
場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に起こさせることにより水平偏波
を45度の直線偏波に非相反に変換することを特徴とす
る請求項1記載の光アイソレータ。
5. The non-reciprocal portion causes horizontal polarization to be 45 degree linear polarization by simultaneously applying an electric field and a magnetic field to the waveguide to cause mode conversion due to electro-optic effect and magneto-optic effect in the same region. The optical isolator according to claim 1, wherein the optical isolator is converted into non-reciprocal.
【請求項6】 前記相反部は、その導波路上部に面法線
に対して異方性軸が交互に反対向きに傾くように非対称
なグレーティングが形成されて、45度の直線偏波を相
反に水平偏波に戻すことを特徴とする請求項1記載の光
アイソレータ。
6. The reciprocal portion is formed with an asymmetrical grating in the upper part of the waveguide so that the anisotropic axes are alternately tilted in opposite directions with respect to the surface normal, and reciprocal 45 degree linearly polarized waves. The optical isolator according to claim 1, wherein the optical polarization is returned to horizontal polarization.
【請求項7】 前記相反部は、その導波路の両側に、交
互に、面法線に対して異方性軸が交互に反対向きに傾く
ように、凹部が形成されて、45度の直線偏波を相反に
水平偏波に戻すことを特徴とする請求項1記載の光アイ
ソレータ。
7. The reciprocal portion is formed with concave portions on both sides of the waveguide so that the anisotropic axes are alternately inclined in opposite directions with respect to the surface normal, and a linear line of 45 degrees is formed. The optical isolator according to claim 1, wherein the polarized waves are reciprocally returned to horizontal polarized waves.
【請求項8】 前記光アイソレータの非相反部におい
て、グレーティングの周期数NとTE/TM伝搬定数差
Δβ+、Δβ-(±はそれぞれグレーティングの凸部と凹
部に対応する)およびファラデー回転角θFとが次の関
係を持つことを特徴とする請求項3記載の光アイソレー
タ: 2NΔθ=(θ+Δθ/2)−π/2 ここで、θ=(θ++θ-)/2,Δθ=θ++θ-,ta
nθ+=θF/(Δβ+/2),tanθ-=θF/(Δβ-
/2)とする。
8. In the non-reciprocal part of the optical isolator, the grating period number N and TE / TM propagation constant differences Δβ + , Δβ (± corresponds to the convex and concave portions of the grating) and the Faraday rotation angle θ. claim 3 wherein the optical isolator and the F characterized as having the following relationship: 2NΔθ = (θ + Δθ / 2) -π / 2 where, θ = (θ + + θ -) / 2, Δθ = θ + + θ -, ta
+ = θ F / (Δβ + / 2), tan θ = θ F / (Δβ
/ 2).
【請求項9】 前記光アイソレータの相反部において、
グレーティングの周期数をN、異方性の軸が導波路法線
となす角をρとすると、次の関係を持つことを特徴とす
る請求項6記載の光アイソレータ: ρ=π/16N。
9. The reciprocal part of the optical isolator,
The optical isolator according to claim 6, wherein the following relationship is established, where N is the number of periods of the grating and ρ is an angle formed by the axis of anisotropy and the waveguide normal: ρ = π / 16N.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113866993A (en) * 2021-11-10 2021-12-31 中企科信技术股份有限公司 GaAs-based polarized light beam splitter and preparation method thereof

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