JPH09269516A - 導波路型光アイソレ−タおよびその製造方法 - Google Patents
導波路型光アイソレ−タおよびその製造方法Info
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- JPH09269516A JPH09269516A JP8077219A JP7721996A JPH09269516A JP H09269516 A JPH09269516 A JP H09269516A JP 8077219 A JP8077219 A JP 8077219A JP 7721996 A JP7721996 A JP 7721996A JP H09269516 A JPH09269516 A JP H09269516A
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- G02F1/095—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on magneto-optical elements, e.g. exhibiting Faraday effect in an optical waveguide structure
- G02F1/0955—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on magneto-optical elements, e.g. exhibiting Faraday effect in an optical waveguide structure used as non-reciprocal devices, e.g. optical isolators, circulators
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- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
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- G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
- G02B2006/12133—Functions
- G02B2006/12157—Isolator
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- G—PHYSICS
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- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/24—Coupling light guides
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- G02B6/27—Optical coupling means with polarisation selective and adjusting means
- G02B6/2746—Optical coupling means with polarisation selective and adjusting means comprising non-reciprocal devices, e.g. isolators, FRM, circulators, quasi-isolators
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 従来の技術では、構成が複雑かつ、高価で、
信頼性や安定性に乏しい。しかも、半導体レ−ザとモノ
リシックに集積化できない。 【解決手段】 特定波長のみを吸収する半導体材料で形
成した吸収層１２を有する光導波路７と、この光導波路
７の上下両面に伝送回路として用いる電極５、さらに、
電極５に接続する電気回路から構成され、吸収層１２に
電圧パルスを入射させる。吸収層１２に進行は電圧パル
スを注入し、進行している非吸収（或は増幅）領域を形
成することにより、光導波路７に非吸収領域の進行方向
と同じ方向から入射する光波の一部が出射端まで伝搬で
き、光導波路７に非吸収領域の進行方向と逆方向で入射
する光波は吸収される。
信頼性や安定性に乏しい。しかも、半導体レ−ザとモノ
リシックに集積化できない。 【解決手段】 特定波長のみを吸収する半導体材料で形
成した吸収層１２を有する光導波路７と、この光導波路
７の上下両面に伝送回路として用いる電極５、さらに、
電極５に接続する電気回路から構成され、吸収層１２に
電圧パルスを入射させる。吸収層１２に進行は電圧パル
スを注入し、進行している非吸収（或は増幅）領域を形
成することにより、光導波路７に非吸収領域の進行方向
と同じ方向から入射する光波の一部が出射端まで伝搬で
き、光導波路７に非吸収領域の進行方向と逆方向で入射
する光波は吸収される。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は導波路型光アイソレ
−タおよびその製造方法に係り、特に光通信、光情報処
理、光計測機器などに用いられる半導体レ−ザの雑音を
誘起しない光アイソレ−タ、およびモノリシックに集積
化が可能な、導波路型光アイソレ−タおよびその製造方
法に関する。
−タおよびその製造方法に係り、特に光通信、光情報処
理、光計測機器などに用いられる半導体レ−ザの雑音を
誘起しない光アイソレ−タ、およびモノリシックに集積
化が可能な、導波路型光アイソレ−タおよびその製造方
法に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体レ−ザは、超高速および長距離の
光ファイバ通信用光源として広く用いられている。しか
しながら従来の半導体レ−ザでは、光ファイバからの極
僅かの反射戻り光により、半導体レ−ザ内部で雑音を生
じるという問題がある。そのため、半導体レ−ザへの反
射戻り光を除去する光アイソレ−タは不可欠となる。従
来の光アイソレ−タは、ファラデ−効果を示す磁気光学
結晶を、透過の偏光方向が４５度ずれた２つの偏光子で
挟む構成が一般的に用いられている。また、この構成の
光アイソレ−タは、磁石を含め最少４つの部品より構成
されている。
光ファイバ通信用光源として広く用いられている。しか
しながら従来の半導体レ−ザでは、光ファイバからの極
僅かの反射戻り光により、半導体レ−ザ内部で雑音を生
じるという問題がある。そのため、半導体レ−ザへの反
射戻り光を除去する光アイソレ−タは不可欠となる。従
来の光アイソレ−タは、ファラデ−効果を示す磁気光学
結晶を、透過の偏光方向が４５度ずれた２つの偏光子で
挟む構成が一般的に用いられている。また、この構成の
光アイソレ−タは、磁石を含め最少４つの部品より構成
されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上記の従来技術では、
構成が複雑で材料の加工や組み立てに多数の工数を要
し、高価で、信頼性や安定性に乏しい。しかも、半導体
レ−ザとモノリシックに集積化できない。
構成が複雑で材料の加工や組み立てに多数の工数を要
し、高価で、信頼性や安定性に乏しい。しかも、半導体
レ−ザとモノリシックに集積化できない。
【０００４】本発明は上記の点に鑑みなされたもので、
このような従来の光アイソレ−タの欠点を除去し、構成
並びに製作が簡単で、半導体レ−ザ等の他の光学部品と
の集積化が可能な光アイソレ−タを実現することを目的
とする。
このような従来の光アイソレ−タの欠点を除去し、構成
並びに製作が簡単で、半導体レ−ザ等の他の光学部品と
の集積化が可能な光アイソレ−タを実現することを目的
とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は上記の目的を達
成するため、少なくとも特定波長の光のみを吸収する半
導体材料で形成した光導波路と、その上下両面に形成さ
れた電極と、その電極に進行波電圧パルスを注入する注
入手段と、電極に接続され、光導波路の終端におけるイ
ンピ−ダンス整合条件を満足する電気回路とを有し、光
導波路内に進行波電圧パルスと共に進行する非吸収又は
増幅領域を形成する。
成するため、少なくとも特定波長の光のみを吸収する半
導体材料で形成した光導波路と、その上下両面に形成さ
れた電極と、その電極に進行波電圧パルスを注入する注
入手段と、電極に接続され、光導波路の終端におけるイ
ンピ−ダンス整合条件を満足する電気回路とを有し、光
導波路内に進行波電圧パルスと共に進行する非吸収又は
増幅領域を形成する。
【０００６】以下に上記構成の本発明の原理及び作用に
ついて説明する。図１は本発明の原理構成図を示す。本
発明は、特定波長のみを吸収する半導体材料で形成され
た光導波路７と、この光導波路７の上下両面に設けられ
た電極５と電極５に接続された電気回路からなり、この
電極５を注入電圧パルス６の伝送線路として使用する。
この様な構成に対する等価電子回路を図２に示す。ここ
で、Ｚm及びＲLはそれぞれ分布定数回路として考えた場
合の特性インピ−ダンスと終端抵抗である。また、減衰
定数をαm、位相定数をβmとすると、伝搬定数γmは次
式で示される。
ついて説明する。図１は本発明の原理構成図を示す。本
発明は、特定波長のみを吸収する半導体材料で形成され
た光導波路７と、この光導波路７の上下両面に設けられ
た電極５と電極５に接続された電気回路からなり、この
電極５を注入電圧パルス６の伝送線路として使用する。
この様な構成に対する等価電子回路を図２に示す。ここ
で、Ｚm及びＲLはそれぞれ分布定数回路として考えた場
合の特性インピ−ダンスと終端抵抗である。また、減衰
定数をαm、位相定数をβmとすると、伝搬定数γmは次
式で示される。
【０００７】γm＝αm＋ｊβm また、Ｖ1、Ｉ1は終端９、Ｖ2、Ｉ2は入射端８のそれぞ
れ電圧と電流である。なお、素子長はＬとして、ｘは終
端抵抗ＲLからの距離を表す。
れ電圧と電流である。なお、素子長はＬとして、ｘは終
端抵抗ＲLからの距離を表す。
【０００８】分布定数回路の電圧・電流の基礎方程式よ
り、分布定数回路の任意の点ｘでの電圧を入射端８にお
ける電圧Ｖ2＝Ｖgを用いて表すと、下式のように表すこ
とができる。
り、分布定数回路の任意の点ｘでの電圧を入射端８にお
ける電圧Ｖ2＝Ｖgを用いて表すと、下式のように表すこ
とができる。
【０００９】
【数１】 Ｖgは角周波数ωの正弦関数とすると、伝搬定数γmの位
相定数βmは
相定数βmは
【００１０】
【数２】 である。但し、ｖmは進行波電圧パルスの伝搬速度、ｃ
は自由空間における電磁波の伝搬速度で、ｎmは電圧波
に対する実効屈折率である。
は自由空間における電磁波の伝搬速度で、ｎmは電圧波
に対する実効屈折率である。
【００１１】式（１）の右辺の第一項は入射端８より終
端９に向かって進む進行波電圧パルスを表している。右
辺の第二項は終端９から入射端８の方向に進む進行波電
圧パルスと解釈され、反射波である。式（１）から分か
る様に、終端９のインピ−ダンスＲL＝Ｚmの場合はイン
ピ−ダンス整合が完全に取れているので、終端９におけ
る反射波はない。その時の電圧分布は
端９に向かって進む進行波電圧パルスを表している。右
辺の第二項は終端９から入射端８の方向に進む進行波電
圧パルスと解釈され、反射波である。式（１）から分か
る様に、終端９のインピ−ダンスＲL＝Ｚmの場合はイン
ピ−ダンス整合が完全に取れているので、終端９におけ
る反射波はない。その時の電圧分布は
【００１２】
【数３】 即ち、入射端８から終端９への進行波電圧パルスだけが
得られる。
得られる。
【００１３】このような進行波電圧パルスを入射するこ
とにより、光アイソレ−タとして動作させることができ
るが、その動作原理を図３（ｔ1からｔ5は光波を順方向
から入射した場合の遷移時間とする）に示す。ここで、
順方向から入射する光波は、進行波電圧パルスと伝搬方
向及び位相速度が一致するようにする。進行する光波か
ら見た進行波電圧パルスの相対位置は、光波が導波路中
を進行する間に渡って一定である。入射端から注入電圧
パルスと同時に入力された光波は、進行波電圧パルスに
より形成された非吸収（増幅）領域と同期して同じ速度
で出力端まで進行する。
とにより、光アイソレ−タとして動作させることができ
るが、その動作原理を図３（ｔ1からｔ5は光波を順方向
から入射した場合の遷移時間とする）に示す。ここで、
順方向から入射する光波は、進行波電圧パルスと伝搬方
向及び位相速度が一致するようにする。進行する光波か
ら見た進行波電圧パルスの相対位置は、光波が導波路中
を進行する間に渡って一定である。入射端から注入電圧
パルスと同時に入力された光波は、進行波電圧パルスに
より形成された非吸収（増幅）領域と同期して同じ速度
で出力端まで進行する。
【００１４】一方、逆方向から入射する光波は、進行波
電圧パルスとの伝搬方向が逆であるため、光波の進行に
伴って光波から見える進行波電圧パルスの位置が一定で
あり、ほとんど吸収され、出射端まで伝搬できない。従
って、進行波電圧パルスと同一方向に伝搬する光波のみ
通過でき、逆方向から入射する光波は減衰して通過でき
ないことより、光アイソレ−タとして機能させることが
できる。
電圧パルスとの伝搬方向が逆であるため、光波の進行に
伴って光波から見える進行波電圧パルスの位置が一定で
あり、ほとんど吸収され、出射端まで伝搬できない。従
って、進行波電圧パルスと同一方向に伝搬する光波のみ
通過でき、逆方向から入射する光波は減衰して通過でき
ないことより、光アイソレ−タとして機能させることが
できる。
【００１５】光波と進行波電圧パルスの位相速度が一致
している場合では、進行する光波から見た進行波電圧パ
ルスの相対位置は、光波が素子中を進行する間に渡って
一定である。しかしながら、通常光波の周波数領域と進
行波電圧パルスの周波数領域における誘電率の違い（分
散）や、導波構造の違い（光導波路と伝送線路）によっ
て、光波と進行波電圧パルスとは異なる速度で伝搬す
る。即ち、光波の等価屈折率ｎ0と、入射パルス波に対
する等価屈折率ｎmが異なる。従って、光波の進行に伴
って光波が見る進行波電圧パルスの位置が変化してしま
う。従って、入力端において同時に入射された進行波電
圧パルスと光波は、伝搬距離に比例して波面にずれが生
じ、次第に大きくなってゆく。
している場合では、進行する光波から見た進行波電圧パ
ルスの相対位置は、光波が素子中を進行する間に渡って
一定である。しかしながら、通常光波の周波数領域と進
行波電圧パルスの周波数領域における誘電率の違い（分
散）や、導波構造の違い（光導波路と伝送線路）によっ
て、光波と進行波電圧パルスとは異なる速度で伝搬す
る。即ち、光波の等価屈折率ｎ0と、入射パルス波に対
する等価屈折率ｎmが異なる。従って、光波の進行に伴
って光波が見る進行波電圧パルスの位置が変化してしま
う。従って、入力端において同時に入射された進行波電
圧パルスと光波は、伝搬距離に比例して波面にずれが生
じ、次第に大きくなってゆく。
【００１６】光波と進行波電圧パルスが素子を通過する
に要する時間の差が進行波電圧パルスの変化時間にくら
べて小さい間は、問題なく順方向から入射した光が通過
できるが、この差が大きければずれも大きくなり、入射
した光波は、伝搬の途中で非吸収領域から外れて吸収さ
れてしまう。
に要する時間の差が進行波電圧パルスの変化時間にくら
べて小さい間は、問題なく順方向から入射した光が通過
できるが、この差が大きければずれも大きくなり、入射
した光波は、伝搬の途中で非吸収領域から外れて吸収さ
れてしまう。
【００１７】図４（Ａ）、（Ｂ）に示すように、光波の
進行速度をｖ0（＝ｃ／ｎ0）、導波路長をＬとすると、
光波が導波路を通過するのに必要な時間ｔ0はｎ0Ｌ／ｃ
である。一方、幅△ｘ＝△ｔｖmの進行波電圧パルスは
速度ｖm（＝ｃ／ｎm）で電極上を進行し、ｔ0の時間に
通過する距離Ｌmはｖmｔ0である。同じ時間ｔ0に光波と
進行波電圧パルスの伝搬距離の差は下式で表される。
進行速度をｖ0（＝ｃ／ｎ0）、導波路長をＬとすると、
光波が導波路を通過するのに必要な時間ｔ0はｎ0Ｌ／ｃ
である。一方、幅△ｘ＝△ｔｖmの進行波電圧パルスは
速度ｖm（＝ｃ／ｎm）で電極上を進行し、ｔ0の時間に
通過する距離Ｌmはｖmｔ0である。同じ時間ｔ0に光波と
進行波電圧パルスの伝搬距離の差は下式で表される。
【００１８】
【数４】 図４（Ｂ）から分かるように、△Ｌ＞△ｘの場合、光波
は完全に非吸収領域から外れて吸収されるが、入力端に
おいて通過した光波の半分が出力端まで通過できるよう
に設計すれば、下式の関係が必要となる。
は完全に非吸収領域から外れて吸収されるが、入力端に
おいて通過した光波の半分が出力端まで通過できるよう
に設計すれば、下式の関係が必要となる。
【００１９】
【数５】 従って、（４）式及び、（５）式から
【００２０】
【数６】 の進行波電圧パルス幅が必要となる。
【００２１】一方、逆方向から入射した光波を遮断する
ため、導波路全体が非吸収領域になってはいけないの
で、進行波電圧パルスの幅△ｘは電極の半分より小さく
ならなければならない。即ち、
ため、導波路全体が非吸収領域になってはいけないの
で、進行波電圧パルスの幅△ｘは電極の半分より小さく
ならなければならない。即ち、
【００２２】
【数７】 である。
【００２３】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て説明する。
て説明する。
【００２４】図５は本発明の一実施の形態の構成図であ
る。これは波長１．３μｍ帯の素子の形態で、長波長系
半導体レ−ザとモノリシックに集積できるＩｎＰ系材料
を用いた例である。
る。これは波長１．３μｍ帯の素子の形態で、長波長系
半導体レ−ザとモノリシックに集積できるＩｎＰ系材料
を用いた例である。
【００２５】上記の一実施の形態の製造方法について説
明するに、まず、ＩｎＰの基板１３上にバンドギャップ
波長１．３μｍ組成のＩｎＧａＡｓＰの吸収層１２を
０．２μｍさらにＩｎＰの埋め込み層１４を０．５μｍ
成長する。通常のフォトリソグラフィ−とエッチングに
より、ＩｎＰ埋め込み層１４と四元吸収層１２を３μｍ
幅のリッジストライプ状の導波路に形成する。その後、
リッジ導波路の上面に電極５を蒸着し、下面にも同じス
トライプ状の電極５を蒸着する。
明するに、まず、ＩｎＰの基板１３上にバンドギャップ
波長１．３μｍ組成のＩｎＧａＡｓＰの吸収層１２を
０．２μｍさらにＩｎＰの埋め込み層１４を０．５μｍ
成長する。通常のフォトリソグラフィ−とエッチングに
より、ＩｎＰ埋め込み層１４と四元吸収層１２を３μｍ
幅のリッジストライプ状の導波路に形成する。その後、
リッジ導波路の上面に電極５を蒸着し、下面にも同じス
トライプ状の電極５を蒸着する。
【００２６】素子の長さは１ｍｍとすると、特性インピ
−ダンスは約５０Ωとなる。素子長が長ければ長いほ
ど、大きなアイソレ−ション特性が得られるが、導波路
損失も大きくなる。図５に示すように、電極線路の特性
インピ−ダンスが５０Ωとなる様に設計した場合、これ
とマッチングさせる終端インピ−ダンス５０Ωを図５に
１１で示すように設け、電極５を伝送回路として用いる
様に配線する。ＩｎＰの場合、ｎ0＝３．１６、ｎm＝
２．５９であるため、式（６）、（７）から分かる様
に、長さ１ｍｍの素子に対して進行波電圧パルスの幅は
３．８０ｐｓから４．３２ｐｓまでの間が必要となる。
−ダンスは約５０Ωとなる。素子長が長ければ長いほ
ど、大きなアイソレ−ション特性が得られるが、導波路
損失も大きくなる。図５に示すように、電極線路の特性
インピ−ダンスが５０Ωとなる様に設計した場合、これ
とマッチングさせる終端インピ−ダンス５０Ωを図５に
１１で示すように設け、電極５を伝送回路として用いる
様に配線する。ＩｎＰの場合、ｎ0＝３．１６、ｎm＝
２．５９であるため、式（６）、（７）から分かる様
に、長さ１ｍｍの素子に対して進行波電圧パルスの幅は
３．８０ｐｓから４．３２ｐｓまでの間が必要となる。
【００２７】なお、上記の実施の形態は１．３μｍ帯で
動作させる構造であるが、吸収層１２の組成のバンドギ
ャップ波長が１．５μｍのＩｎＧａＡｓＰを用いると、
波長１．５μｍ帯の半導体レ−ザとモノリシックに集積
化できる素子も製作できる。
動作させる構造であるが、吸収層１２の組成のバンドギ
ャップ波長が１．５μｍのＩｎＧａＡｓＰを用いると、
波長１．５μｍ帯の半導体レ−ザとモノリシックに集積
化できる素子も製作できる。
【００２８】本発明は、このようにして、終端における
反射波を消滅するため、インピ−ダンス整合条件を満足
できるようにしたことがポイントである。吸収層１２に
進行波電圧パルスを注入し、進行している非吸収（或は
増幅）領域を形成することにより、光導波路７に非吸収
領域の進行方向と同じ方向から入射する光波の一部は、
この非吸収（或は増幅）領域と共に出射端まで伝搬する
のに対し、光導波路７に非吸収領域の進行方向と逆方向
から入射する光波は吸収されるため、光アイソレ−タと
して機能させることができる。
反射波を消滅するため、インピ−ダンス整合条件を満足
できるようにしたことがポイントである。吸収層１２に
進行波電圧パルスを注入し、進行している非吸収（或は
増幅）領域を形成することにより、光導波路７に非吸収
領域の進行方向と同じ方向から入射する光波の一部は、
この非吸収（或は増幅）領域と共に出射端まで伝搬する
のに対し、光導波路７に非吸収領域の進行方向と逆方向
から入射する光波は吸収されるため、光アイソレ−タと
して機能させることができる。
【００２９】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
通常の半導体材料を用いるだけで、従来の磁気光学効果
等の非相反光効果を有する材料や磁石等を特に用いるこ
となく光アイソレータ（光非相反素子）を実現すること
ができる。さらに、以上説明した様に本発明の光アイソ
レ−タは、半導体レ−ザとモノリシックに集積化するこ
とができるため、光アイソレ−タを必要とする光モジュ
−ルのコストを大幅に低減できる。
通常の半導体材料を用いるだけで、従来の磁気光学効果
等の非相反光効果を有する材料や磁石等を特に用いるこ
となく光アイソレータ（光非相反素子）を実現すること
ができる。さらに、以上説明した様に本発明の光アイソ
レ−タは、半導体レ−ザとモノリシックに集積化するこ
とができるため、光アイソレ−タを必要とする光モジュ
−ルのコストを大幅に低減できる。
【図１】本発明の原理構成を示す図である。
【図２】本発明の等価電子回路を示す図である。
【図３】本発明の動作原理を示す図である。
【図４】本発明の電圧パルス幅を示す図である。
【図５】本発明の一実施の形態の構成図である。
１ 吸収領域 ２ 増幅領域（非吸収領域） ３ 光波 ４ 進行波電圧パルス ５ 電極 ６ 注入電圧パルス ７ 光導波路 ８ 入射端 ９ 終端 １０ 終端抵抗 １１ 終端インピ−ダンス １２ 吸収層 １３ 基板 １４ 埋め込み層
Claims (3)
- 【請求項１】 少なくとも特定波長の光のみを吸収する
半導体材料で形成した光導波路と、 前記光導波路の上下両面に形成された電極と、 前記電極に進行波電圧パルスを注入する注入手段と、 前記電極に接続され、前記光導波路の終端におけるイン
ピ−ダンス整合条件を満足する電気回路とを有し、前記
光導波路内に前記進行波電圧パルスと共に進行する非吸
収又は増幅領域を形成することを特徴とする導波路型光
アイソレ−タ。 - 【請求項２】 前記光導波路は、ＩｎＰで形成された基
板上に、ＩｎＧａＡｓＰで形成された吸収層と、ＩｎＰ
で形成された埋め込み層が積層されてなることを特徴と
する請求項１記載の導波路型光アイソレ−タ。 - 【請求項３】 基板上に吸収層及び埋め込み層を順次に
積層する第１の工程と、 前記吸収層及び埋め込み層をストライプ状の光導波路に
形成する第２の工程と、 前記光導波路の上面と下面にそれぞれ電極を形成する第
３の工程とを含むことを特徴とする導波路型光アイソレ
−タの製造方法。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8077219A JP2812293B2 (ja) | 1996-03-29 | 1996-03-29 | 導波路型光アイソレ−タ |
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