JPH06308429A - 偏波無依存導波路型アイソレータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 偏波に依存しない形態の導波路型アイソレー
タにおいて、順逆比を従来の約２倍にでき、かつ挿入損
失を大幅に低減できるようにする。 【構成】 相反４５°回転子の代わりに薄膜型偏光子
５，６を介在させて導波路型ファラデー回転子１，２を
２個直列に接続し、ファラデー回転子とする。このファ
ラデー回転子の入射側と出射側に偏波ビームスプリッタ
３，４を偏光子として配置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、レーザ光源や光増幅
器の出射側に配置してそれらの動作を安定させるための
光部品である導波路型光アイソレータの構造に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】光アイソレータは、順方向の光は通すが
逆方向の光は遮断する非相反性を有する光受動部品であ
り、レーザ光源や光増幅器と光回路との間に挿入され、
光回路部品や被照射体からの反射光がレーザに再注入し
て、レーザ発振状態を不安定にする現象を抑圧するため
に使用され、バルク型光アイソレータ、導波路型光アイ
ソレータなどがある。

【０００３】バルク型光アイソレータは、巨大ファラデ
ー回転角を示す磁性ガーネット結晶膜（例えば、ビスマ
ス置換イットリウム鉄ガーネット結晶膜）と、バルク型
の偏光子（例えば、ルチルプリズム）と、円筒型の磁石
を組み立てて構成され、光通信用の半導体レーザやファ
イバ型光増幅器に用いられている。性能も順逆比（アイ
ソレーション）４０ｄＢ以上で、挿入損失１ｄＢ程度と
高性能のものが、既に実用化され市販されている。

【０００４】バルク型アイソレータは高性能ではある
が、組立てに高度な技術を要し、生産性が低いため、現
状１ｄＢの順逆比に対して１万円ほどの価格比となって
おり、順逆比４０ｄＢのアイソレータでは約４０万円以
上と高価格である。また、磁気非相反効果を持たせるに
は数１００エルステッドの磁界を印加する必要があり、
そのために円筒型の磁石を用いているため、構造的に２
次元の光導波回路の中に直接組み込むことはできない。

【０００５】一方、導波路型光アイソレータは２次元の
光導波回路の中に直接組み込むことが可能であり、従来
から開発が待望されており、いくつかの提案がなされて
いる。その代表的なものは非可逆位相器型アイソレータ
とモード変換型アイソレータである。非可逆位相器型ア
イソレータは、ＴＭモードの入力に対してのみ動作する
ものであるが、順逆比を上げ、挿入損失を減らすという
高性能化のために、巨大ファラデー回転角を示す磁性ガ
ーネット結晶膜を形成・加工するための技術が十分に開
発されておらず、残念ながら今のところ提案の域を完全
には抜け切っていない。

【０００６】一方、モード変換型の導波路型アイソレー
タは、偏波に依存せず動作させることも、その構造を工
夫することにより可能となる。このモード変換型のアイ
ソレータは、導波路型ファラデー回転子として磁性ガー
ネット膜を２次元的に加工して切断し、端面を光学研磨
したガーネット結晶導波路を用いる。アイソレータにす
るために、この導波路型ファラデー回転子を他の導波路
型偏光子と突き合わせて接続するため、ハンドリングが
可能な長さ約２〜４ｍｍで、偏波面が４５°回転するよ
うな比較的ファラデー回転角の小さな磁性ガーネット材
料を用いる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、モード
変換型アイソレータは、未だ開発段階にあり、市販品は
ないのが現状である。それは、現在までに提案されてい
るモード変換型アイソレータの問題点そのものに起因す
る。その問題点の１つとして次のものがある。まず、導
波路型ファラデー回転子の長さが２〜４ｍｍになると、
バルク型のアイソレータでは問題にならなかった複屈折
の影響が顕著になってくる。

【０００８】バルク型のアイソレータではたかだか数１
００μｍの長さで偏波面が４５°回転するが、導波路型
ファラデー回転子ではその約千倍もの長さとなり、偏波
面が回転する間にＴＥモードとＴＭモードとの間の屈折
率の差により、直線偏光で入射した光が楕円偏光となっ
て出射することがある。この複屈折は、ガーネット結晶
膜の応力、ガーネット導波路の形状、そして結晶成長に
起因するものの３つが影響することが知られている。

【０００９】ガーネット結晶膜は、通常、酸化鉛を主成
分とする融剤中にガーネット成分を溶解させ、基板結晶
を融剤の液面に接触させて基板結晶上にガーネット結晶
を析出されるといういわゆる液相エピタキシャル成長法
を用いて作られる。磁性ガーネット結晶の液相エピタキ
シャル成長は、通常約１０００°Ｃの高温で行われてお
り、特に複屈折の主因となる応力の制御には±０．５°
Ｃ以下の精度で成長温度を制御する必要があり、この温
度制御が容易でないことから複屈折を極端に低減するこ
とは困難である。

【００１０】すなわち、従来の導波路型ファラデー回転
子を用いると、複屈折の影響により、偏光子の性能が十
分であっても、バルク型のアイソレータに比較して順逆
比がたかだか１５ｄＢ程度と小さくしかとれないことが
欠点となっていた。

【００１１】次に、導波路回路に組み込む場合、汎用性
を持たせるために、偏波に依存しない形態のアイソレー
タが望ましい。従来から提案されているアイソレータ
は、偏波無依存にするために、図２にその概念図を示す
構造を有している。図２において、先ず偏波ビームスプ
リッタ（ＰＢＳ）３の片側のポートＡに入射した光は、
ＴＥモードとＴＭモードに分かれて導波路型ファラデー
回転子１の２本の導波路に入射する。

【００１２】導波路型ファラデー回転子１を通る間にや
や複屈折はあるものの、それぞれ４５°偏波面を回転
（例えば、磁界の印加方向により時計回り）する。ファ
ラデー回転子１を通った光は、４５°の相反回転を示す
回転子７に入射し、その偏波面はさらに時計回りに（あ
るいは相反回転子の構造によっては反時計回り）４５°
回転することにより、それぞれＴＭモードとＴＥモード
とに変換される。最後にＰＢＳ４を通ることにより、合
波されてポートＤに出射する。

【００１３】逆に、ポートＤからきた光、すなわち反射
戻り光は、ＰＢＳ４を通ってＴＥモードとＴＭモードに
分かれて相反４５°回転子７に入射し、偏波面は反時計
回り（Ａからの光が反時計回りであれば逆に時計回り）
に４５°回転する。回転子７からファラデー回転子１に
入射した光の偏波面は、ファラデー回転子１における非
相反効果により時計回りに４５°回転する。それらの光
は、ポートＡに出射せずポートＢに出射する。以上が偏
波無依存の導波路型アイソレータの動作原理である。

【００１４】このように従来から提案されている偏波無
依存導波路型アイソレータにおけるもう一つの問題点
は、相反４５°回転子７に起因するものである。現在の
ところ、導波路部品そのものを用いて高性能の相反４５
°回転子を形成する技術は開発されていない。そこで、
通常は、水晶などの光学結晶でなる１／２波長板の主軸
を傾けて配置することにより、相反４５°回転子を構成
している。

【００１５】しかし、１／２波長板を用いると、偏波面
の回転は得られるが、伝搬損失が約５ｄＢと大きく、Ｐ
ＢＳやファラデー回転子における損失および接続に関わ
る損失を加味すると、アイソレータ全体の挿入損失は約
７ｄＢ程度となり、レーザや増幅器からの最低の要求条
件である順逆比２０ｄＢ以上、挿入損失３ｄＢ以下を達
成することはできない。このように、従来から提案され
ている偏波無依存導波路型アイソレータでは、最低限の
性能を発揮することは困難であった。

【００１６】この発明は、前述のような問題点を解消す
べくなされたもので、その目的は、順逆比を従来の偏波
無依存導波路型と比較して約２倍にすることができ、ま
た挿入損失を大幅に低減することのできる偏波無依存導
波路型アイソレータを提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】この発明は前記目的を達
成するために、次のような構成とした。すなわち、この
発明の偏波無依存導波路型アイソレータは、図１に示す
ように、磁性ガーネット結晶導波路、すなわち導波路型
ファラデー回転子１を薄膜型偏光子５，６を間に介在さ
せて直列に接続したものをファラデー回転子とし、この
ファラデー回転子の入射側および出射側に導波路型偏波
ビームスプリッタ（ＰＢＳ）３，４を偏光子として配置
する。

【００１８】導波路型ファラデー回転子１は、偏波面を
４５°非相反に回転させるファラデー回転子であり、結
晶基板上にガーネット結晶膜を加工して形成される。薄
膜型偏光子５，６はそれぞれの通過可能な偏波面が直交
するように配置され、導波路型ファラデー回転子１に接
着する。ＰＢＳ３および４は結晶基板上にパターン形成
される。

【００１９】

【作用】以上のような偏波無依存導波路型アイソレータ
において、ポートＡから入射した光はＰＢＳ３を通り、
ＴＥモードは導波路型ファラデー回転子１の上側の導波
路に、ＴＭモードは下側の導波路に入射する。このＰＢ
Ｓ３の偏光子としての性能は約３０ｄＢ、損失は０．５
ｄＢ程度である。ファラデー回転子１の上側の導波路を
通った光は、偏波面が時計回りに水平から４５°回転し
た光となって薄膜型偏光子５に入射する。同様に、下側
の導波路に入射した光は、偏波面が時計回りに垂直から
４５°回転した光となって偏光子６に入射する。

【００２０】薄膜型偏光子（例えば、ラミポールなどを
用いると５０ｄＢ程度消光比がとれる）５および６は、
これらの偏波のみを透過するように配置されている。薄
膜型偏光子５および６を透過した光は、それぞれ導波路
型ファラデー回転子２の上下の導波路に入射し、さらに
偏波面が時計回りに４５°回転した光、すなわち導波路
型ファラデー回転子２の上側の導波路の出射側ではＴＭ
モードとなって、下側ではＴＥモードとなって出射す
る。これらの光は、ＰＢＳ４によって合波され、ポート
Ｄから出射する。

【００２１】一方、ポートＤに入射した光は、ＰＢＳ４
でＴＥモードとＴＭモードに分かれて導波路型ファラデ
ー回転子２に入射し、薄膜型偏光子５，６で導波路型フ
ァラデー回転子２の有する消光比約１５ｄＢがカットさ
れる。さらに、薄膜型偏光子５，６を透過した光は、導
波路型ファラデー回転子１を通ってＰＢＳ３を経ること
により、ポートＡへの出射光は、さらに１５ｄＢ消光す
る。すなわち、ポートＤからの反射戻り光は、３０ｄＢ
消光することになる。

【００２２】本発明の構造を用いると、２組のアイソレ
ータが構成できる。前記説明から容易に理解できるよう
に、ポートＡとポートＤを用いれば、Ａ⇒Ｄのアイソレ
ータが、ポートＣ，Ｄを用いれば、Ｃ⇒Ｂのアイソレー
タとなる。また、損失に関しては、従来から提案されて
きたアイソレータが約７ｄＢもの損失があるのに対し
て、本発明のアイソレータでは、接続による損失を勘案
してもたかだか３ｄＢ程度にすることが可能である。そ
れは、各構成要素の損失が０．５ｄＢ以下程度であるこ
とによる。

【００２３】

【実施例】以下、この発明を図示する実施例に基づいて
詳細に説明する。なお、従来と同一または相当する部分
については同一符号を付する。また、本発明はこれらの
実施例に限定されないことは勿論である。

【００２４】＜実施例１＞図１にその基本構成を示す偏
波無依存導波路型アイソレータを直径２インチのシリコ
ン基板上に具体的に形成・組み立ててその性能を評価し
た。直径２インチで厚さが約０．６ｍｍシリコン基板
（（１００）方位で片面鏡面研磨）を用意して、化学的
気相成長法により下部クラッドおよび導波路コアとなる
石英膜を形成し、フォト工程および反応性イオンエッチ
ング法により、ＰＢＳ３および４のパターンを形成し
た。次に、上部クラッドとなる石英膜をやはり化学的気
相成長法により形成し、さらに位相および偏波制御用の
薄膜素子を形成してＰＢＳの形成を行った。

【００２５】次に、直径２インチで厚さが約０．４ｍｍ
のガドリニウムガリウムガーネット基板（（１１１）方
位で両面鏡面仕上げ）を用意して、酸化鉛および酸化ボ
ロンを融剤とする液相エピタキシャル成長法により、約
９５０°Ｃの成長温度で、下部クラッドおよび導波路コ
アとなるべき屈折率をわずかに変化させた置換型イット
リウム鉄ガーネット膜を形成した。

【００２６】フォト工程およびイオンビームエッチング
法を用いて導波路型ファラデー回転子１および２の導波
路を加工し、上部クラッドとなるガーネット膜をやはり
液相エピタキシャル成長法により形成した。このガーネ
ット導波路をファラデー回転角が４５°となるように、
約３ｍｍの長さに切断し、端面を光学研磨した上で、こ
の端面に反射防止膜を形成した。

【００２７】反射防止膜まで形成した導波路型ファラデ
ー回転子１および２の間に薄膜型偏光子５および６、こ
の場合には誘電体薄膜と金属薄膜とを多層に積層した構
造を有する通称ラミポールと呼称される部品をそれぞれ
の通過可能な偏波面が直交するようにして接着した。

【００２８】薄膜型偏光子を介在して接着した２個の導
波路型ファラデー回転子を挿入するための溝をＰＢＳが
形成された基板上に形成し、導波路コアの位置を正確に
合わせながら、その溝に嵌め込み接着した。最後に板上
の磁石を導波路型ファラデー回転子の上に張りつけて磁
化を飽和させてアイソレータの作製を終わった。このア
イソレータの性能を評価したところ、１．５５μｍの波
長において、順逆比２９ｄＢで挿入損失は２．９ｄＢで
あり、充分高性能であった。

【００２９】＜実施例２＞実施例１と同様にして１．３
μｍ帯域で動作する偏波無依存導波路型アイソレータを
作製した。すなわち、実施例１では導波路型ファラデー
回転子１および２の導波路長を約３ｍｍにしたのに対し
て、その長さを２．６ｍｍに選ぶことにより、１．３μ
ｍ帯域で動作させることができる。これは、ファラデー
回転角の値が、波長に対してほぼ線形に変化することに
よる。このようにして作製したアイソレータは、順逆比
３２ｄＢで挿入損失は２．７ｄＢであった。

【００３０】

【発明の効果】この発明の偏波無依存導波路型アイソレ
ータは、相反４５°回転子の代わりに薄膜型偏光子を介
在して導波路型ファラデー回転子を直列に接続し、この
両端にＰＢＳを配置するようにしたため、偏波に依存し
ない導波路型アイソレータにおいて、順逆比を従来の約
２倍とし、かつ挿入損失を大幅に低減することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による偏波無依存導波路型アイソレー
タの構成の概念図である。

【図２】従来から提案されている偏波無依存導波路型ア
イソレータの構成の概念図である。

【符号の説明】

Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ 入射ポート・出射ポート １，２ ガーネット結晶導波路型ファラデ
ー回転子 ３，４ 石英導波路部品の偏波ビームスプ
リッタ ５，６ 薄膜積層型の偏光子 ７ 相反４５°回転子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 館 彰 之 東京都千代田区内幸町１丁目１番６号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 照 井 博 東京都千代田区内幸町１丁目１番６号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 井 上 靖 之 東京都千代田区内幸町１丁目１番６号 日 本電信電話株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 磁性ガーネット結晶導波路を、薄膜型偏
   光子を間に介在させて直列に接続したものをファラデー
   回転子とし、このファラデー回転子の入射側および出射
   側に導波路型偏波ビームスプリッタを偏光子として配置
   したことを特徴とする偏波無依存導波路型アイソレー
   タ。