JPH10239637A - 光アイソレータ及びそれを用いた光モジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来のバルク型光アイソレータや導波路型光
アイソレータの問題点を解消するとともに、空間伝搬す
る光の導波路コアへの結合効率が良好で光の損失の非常
に少ない優れた光アイソレータ及び光モジュールを提供
すること。 【解決手段】 一方に入射光の偏光面を所定角度だけ非
相反に回転させる非相反回転部８を、他方に入射光の偏
光面を所定角度だけ相反に回転させる相反回転部９を備
えた偏光モード回転体１０の両側に、入射光のモード光
を選択的に通過させる導波路型モードフィルタ２，３を
それぞれ配設して成ることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光通信や光計測の
分野等において好適に用いられる光アイソレータ及び、
これを用い、光信号の送受信を行うための光モジュール
に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、半導体レーザー（レーザーダイ
オード：以下ＬＤ）を光源とする光通信や光計測では、
伝送経路の途中で反射された光（反射戻り光）が、光源
であるＬＤの活性層まで戻ると、発振波長や出力の変動
を起こして正確な信号の伝送や計測ができなくなる。こ
のような反射戻り光が生ずる原因は様々であり、例え
ば、光ファイバ、光学素子、あるいは光ファイバが接続
される部材の、各入出射面で反射が生じるだけでなく、
光ファイバの組立や接続等の作業時などで発生した傷が
原因となったり、光ファイバへの応力状態や屈曲態様、
または光ファイバの屈折率の不均一な分布等といった回
避不可能な要因もある。

【０００３】そこで、光源にＬＤを用いた伝送経路に
は、ＬＤへの反射戻り光を防止する手段が不可欠であ
り、この目的を達成するデバイスとして光アイソレータ
は好適に用いられる。

【０００４】従来より光アイソレータとして実用上最も
よく用いられているのは、フアラデー回転子と偏光子と
を空間で光学的に結合して組み合わせたタイプである。
このようなタイプは、以下に述べる導波路型と対比して
バルク型と称されている。

【０００５】一方、図７に斜視図で示す導波路型の光ア
イソレータＪ１は、導波路型偏光モードスプリッタ７
２，７３と、その間に磁性ガーネット等のファラデー効
果を有する磁気光学材料から成る非相反回転部７６、及
びニオブ酸リチウム単結晶等の光学的異方性結晶から成
る相反回転部７７が設けられている。ここで、偏光モー
ドスプリッタ７２，７３はガラスやニオブ酸リチウム等
の導波路上に金属膜７４，７５が被着形成されて、第１
及び第２のＴＥモード通過フィルタとして動作する。さ
らに図示していないが、非相反回転部７６には光の進行
方向と平行に磁界を印加する磁界印加手段が設けられて
いる。

【０００６】図７においてＬ１は入射光を、Ｌ２は出射
光を、Ｌ３は戻り光を示しているが、光の入射側から、
第１の偏光モードスプリッタ７２，非相反回転部７６，
相反回転部７７，第２の偏光モードスプリッタ７３を順
に配置することにより、入射端より入射された入射光Ｌ
１は、光アイソレータＪ１を通過して出射光Ｌ２となる
が、光アイソレータＪ１の出射端に戻ってきた戻り光Ｌ
３は光アイソレータＪ１内で遮断され、入射端から出射
されることはない。

【０００７】すなわち、入射光Ｌ１は第１の偏光モード
スプリッタ７２によりＴＭ偏光ｔｍが除かれ、ＴＥ偏光
ｔｅのみが通過する。次に、非相反回転部７６により偏
光方向が＋４５度回転する。さらに、相反回転部７７に
より偏光方向が−４５度回転し、ＴＥ偏光となって第２
の偏光モードスプリッタ７３を通過し出射光Ｌ２が出射
する。なお、偏光の回転方向は光の進行方向に対し時計
回りをプラス、反時計回りをマイナスとし、以下もこれ
にしたがうものとする。

【０００８】一方、反対方向からの戻り光Ｌ３も第２の
偏光モードスプリッタ７５でＴＥ偏光になる。そして、
相反回転部７６により偏光方向が−４５度回転し、非相
反回転部６では、−４５度回転させられるのでＴＭ偏光
となる。したがって、このＴＭ偏光は第１の偏光モード
スプリッタ７４により遮断されるので戻り光Ｌ３は光ア
イソレータＪ１の出射端から出射されることはない。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記バルク型の光アイ
ソレータは、各光学素子を位置合わせ用の部材に固定し
た後、位置合わせして組み立てなければならず全体が非
常に大きくなり、要求に応じた小型化を図ることができ
ない。また、半導体レーザーや光ファイバとのアライメ
ントにレンズ系が必要となるため、モジュールとして組
み立てる際に作業が煩雑となる上に作業時間も多大とな
り問題である。

【００１０】一方、導波路型の光アイソレータは、半導
体レーザー自身が導波路構造のため半導体レ−ザーと導
波路との整合性がよいが、磁性ガーネット等の導波路と
半導体レーザーとを同一基板上に成長させることが困難
である。また、相反回転部と非相反回転部とを磁性体で
構成した場合に、相反回転部と非相反回転部は磁界の方
向が異なるように構成する必要があり、その場合には隣
接する状態で方向の相異なる磁界を形成させることも困
難である。このように、導波路型の光アイソレータは光
アイソレータとして構成させること自体が非常に困難な
のである。

【００１１】また、このタイプの偏光回転部は波長依存
性が大きく、導波路の作製寸法の特性に対する許容度が
少ない。すなわち、導波路の屈折率や寸法がわずかにず
れたり、導波する光の波長がわずかにずれただけで特性
が大幅に劣化してしまう。殊に導波路は設計通りの寸法
に制御することが難しく、半導体レーザーの波長も通常
で±３０ｎｍ程度の幅があるため、実用的な導波路型の
光アイソレータは実現されていないのが現状である。

【００１２】そこで、上記の問題点に対応するために、
非相反回転部のみをバルク状にする光アイソレータが提
案されている（例えば、特開平２−１９９４０６号公報
を参照）。図８にこの種の光アイソレータＪ２の斜視図
を示す。図８において、８１は基板、８２は基板８１の
表層に形成された導波路コア、８３，８４はそれぞれ金
属膜８９，９０を含む第１及び第２の偏光モードスプリ
ッタ、８５は第１の開口部８６に配設したバルク状の磁
性ガーネット板から成る非相反回転部、８７は相反回転
部であり、導波路コア８１の側部近傍に第２の開口部８
８を形成し、これにより導波路コア８１への応力を制御
することにより応力複屈折の大きさを調整することによ
り相反回転を実現する。ただし、この相反回転部８７は
導波路コア８１中での偏光の制御であるため、既述した
ように導波路コア８１の寸法や導波光の波長に対する許
容度が小さいという問題は解消されない。さらに、導波
路コア８１中に形成した第１の開口部８６の光の出射端
面と非相反回転部８５との間で光が漏れる（空間伝搬す
る）ので損失が生じていた。なお、図８において磁界印
加手段は図示を省略している。

【００１３】そこで本発明では、従来のバルク型光アイ
ソレータや導波路型光アイソレータの問題点を解消する
とともに、空間伝搬する光の導波路コアへの結合効率が
良好で光の損失の非常に少ない優れた光アイソレータ及
び光モジュールを提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の光アイソレータは、一方に入射光の偏光面
を所定角度だけ非相反に回転させる非相反回転部を、他
方に入射光の偏光面を所定角度だけ相反に回転させる相
反回転部を備えた偏光モード回転体の両側に、入射光の
モード光を選択的に通過させる導波路型モードフィルタ
をそれぞれ配設して成ることを特徴とする。特に、上記
二つの導波路型モードフィルタは、偏光モード回転体を
配置させるべく予め精度良く形成された溝や孔等の凹部
（又は開口部）を備えた導波路体に一体的に形成すると
ともに、この凹部に偏光モード回転体を配置することに
より、導波路型モードフィルタと偏光モード回転体との
正確なアライメントを実現させることができる。

【００１５】また、導波路型モードフィルタは入射光を
導入し導出させる導波路コアを備えるとともに、該導波
路コアは偏光モード回転体に近づくにしたがってモード
フィールド（又はモードフィールド径）を拡げるように
形成されていることを特徴とする。

【００１６】さらに、本発明の光モジュールは、このよ
うな光アイソレータが、少なくとも受光素子及び／又は
発光素子と光結合されて成る。

【００１７】上記光アイソレータは、例えば、入射光の
偏光面を所定角度だけ非相反に回転させるファラデー回
転子などのバルク状の非相反回転板と、入射光の偏光面
を所定角度だけ相反に回転させる波長板などのバルク状
の相反回転板とを接合させて成る偏光モード回転体の両
主面に、入射光のモード光を選択的に通過させる導波路
型モードフィルタをそれぞれ配設して成る。

【００１８】また、モードフィールド径の拡大は、例え
ば、導波路コアが偏光モード回転体の主面に近づくにつ
れてその径が拡大するように形成したり、導波路コアと
他領域との屈折率差が小さくなるように形成して、光の
閉じ込めを弱めるようにすることで実現される。

【００１９】上記光アイソレータの構成をより具体的に
表わせば、例えば等方性材質から成り中央部に凹部もし
くは孔等の凹部（又は開口部）を有する導波路体を基体
とし、この基体の開口部を横切る導波路コアが形成され
ており、この開口部を挟むように、導波路型モードフィ
ルタである第１及び第２の導波路型偏光モードスプリッ
タ、並びに第１及び第２のモードフィールド径拡大部
（導波路コアの径が拡がっている部分）が形成されてお
り、開口部に板状のファラデー回転子と波長板とから成
る偏光モード回転体が配設されていることを特徴とす
る。

【００２０】なお、この偏光モード回転体は導波路基体
に光に対して、例えば透明な接着剤で固定するとよい。

【００２１】このように、非相反回転部と相反回転部と
の双方をバルク状とすることで導波路中に挿入し、さら
に、する。また偏光モード回転体を挿入する開口部に対
向する２つの導波路端部近傍にモードフィールド（径）
の拡大部を設けることで、凹部を空間伝搬する光の導波
路コアへの結合効率をよりいっそう向上させることがで
きる。

【００２２】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について図面
に基づいて説明する。例えば、図１に光アイソレータの
斜視図、図２にその平面図を示すように、本発明の光ア
イソレータＳ１は、入射光の偏光面を所定角度だけ非相
反に回転させる非相反回転板（非相反回転部）である板
状のファラデー回転子８と、入射光の偏光面を所定角度
だけ相反に回転させる相反回転板（相反回転部）である
１／２波長板９とを光に透明な接着剤で接着させて接合
させて成る偏光モード回転体１０の両主面１０ａ，１０
ｂに、入射光のモード光を選択的に通過させる導波路型
モードフィルタである偏光モードスプリッタ２，３をそ
れぞれ配設して成るものである。すなわち、一方に入射
光の偏光面を所定角度だけ非相反に回転させる非相反回
転部を、他方に入射光の偏光面を所定角度だけ相反に回
転させる相反回転部を備えて成る偏光モード回転体の両
側に、導波路型モードフィルタをそれぞれ配設して成る
ものである。

【００２３】具体的には、基体となる石英ガラス基板や
ニオブ酸リチウム単結晶基板から成る導波路体１におい
て、溝や孔等の開口部（又は凹部）１ｃを形成させ、こ
の導波路体１の表層の所定領域にゲルマニウム（Ｇｅ）
やチタン（Ｔｉ）等の金属元素を拡散させて、屈折率を
クラッド領域１ａより高めた導波路コア１ｂを形成した
ものを用いる。ここで、導波路コア１ｂは開口部１ｃの
端面（側壁面）において徐々にコア径が拡がるようにモ
ードフィールド径拡大部６が形成されている。なお、導
波路コア１ｂを形成するべく拡散させる金属元素は、導
波路体１が石英ガラス等であればＧｅ等を、ニオブ酸リ
チウム単結晶等であればＴｉ等を拡散させる。

【００２４】そして、導波路コア１ｂ上の一部領域を銅
（Ｃｕ）や銀（Ａｇ）等から成る金属膜４，５を被覆さ
せること等により、所定のモード光を通過させる第１及
び第２の偏光モードスプリッタ２，３を形成させる。さ
らに、導波路体１の開口部１ｃにおいて、例えばＹＩＧ
（イットリウム・鉄・ガーネット）等の磁性ガーネット
からなるファラデー回転子８と水晶等の複屈折材料から
なる１／２波長板９を縦列に配置する。なお、磁界はフ
ァラデー回転子８において光の進行方向に平行に印加さ
れている。

【００２５】次に、上記光アイソレータＳ１の作用につ
いて図３に基づいて説明する。図３（ａ），（ｂ）はそ
れぞれ偏光面の回転を光の進行方向へ向いて観た様子を
説明する図であり、図３（ａ）は順方向（入射光〜出射
光）における偏光面の回転の様（ａ）は順方向（入射光
Ｌ１〜出射光Ｌ２）における偏光面の回転の様子を説明
する図であり、図３（ｂ）は逆方向（戻り光）における
偏光面の回転の様子を説明する図である。また、図３
（ａ）におけるＰ１〜Ｐ５、及び図３（ｂ）におけるＱ
１〜Ｑ５は、それぞれ図２におけるＡ１〜Ａ５線断面に
おける偏光面である。

【００２６】まず、順方向について説明する。図３
（ａ）に示すように、導波路コア１ｂへの無偏光の入射
光Ｌ１は第１の偏光モードスプリッタ２によりＴＥ偏光
ｔｅのみになり、モードフィールド拡大部６において光
のモードフイールドを拡大させる（Ｐ１〜Ｐ２を参
照）。

【００２７】次に、ファラデー回転子８で偏光面は４５
度回転させられるが（Ｐ３を参照）、１／２波長板９で
−４５度回転させられるので、結局、ＴＥ偏光ｔｅとし
て第２の偏光モードスプリッタ３を通過し、ＴＥ偏光ｔ
ｅが出射光Ｌ２として出射される（Ｐ４〜Ｐ５を参
照）。

【００２８】一方、逆方向の無偏光の戻り光Ｌ３は、第
２の偏光モードスプリッタ３でＴＥ偏光ｔｅになり（Ｑ
５〜Ｑ４を参照）、１／２波長板９により偏光面が−４
５度回転させられ（Ｑ３を参照）、さらにファラデー回
転子８で一４５度回転させられてＴＭ偏光ｔｍとなる
（Ｑ２を参照）。このＴＭ偏光ｔｍは第１の偏光モード
スプリッタ２により除去され、光は遮断される（Ｑ１を
参照）。

【００２９】次に、２つの導波路コアを対向させた場合
の光の結合効率を図４に示す。横軸は２つの導波路コア
の対向間隔であり、本発明においては開口部１ｃの間隔
に相当する。縦軸は光の損失を示す。破線のカーブはコ
ア径ｗが５ミクロンの通常の石英系導波路の結果を示
し、実線のカーブはコア径ｗを２０ミクロンに拡大した
湯合を示す。

【００３０】非相反回転部と相反回転部の厚さの合計
は、動作波長，材料によって異なるが波長１５５０ｎｍ
で、それぞれ磁性ガーネットと水晶を用いれば約５００
ミクロンの厚さになる。導波路コア径を拡大しない場合
は、図４から明らかなように、開口部１ｃの間隔が５０
０ミクロンの場合は損失は５ｄＢ以上だが、導波路コア
径を２０ミクロンに拡大すると０．１ｄＢ軽度に低減で
きる。したがって、本発明のように導波路途中に溝等の
開口部を設け、偏光モード回転体等の光学素子を設置す
る場合、導波路コア径を拡大するようにする等して損失
低減対策を行わなければならない。なお、モードフィー
ルドは導波路コア径の拡大とともに拡大されるので、通
常はコア径の拡大はモードフイールド拡大と同様の意味
と考えてよい。

【００３１】本発明の光アイソレータは、図５に示す構
成を採用してもよい。すなわち、この光アイソレータＳ
２は、導波路型モードフィルタにおいて、導波路コアの
出射側にモードフィールドを拡げる領域を形成したこと
を特徴とするものである。なお、図１と同様な構成につ
いては説明を省略し、同一符号を付すものとする。この
光アイソレータＳ２は、モードフィールド拡大部６，７
の領域に、第１及び第２の偏光モードスプリッタ２，３
を配設したものであって、これによりいっそう小型の表
面実装型光アイソレータを実現することができる。

【００３２】また、本発明の光モジュールは、少なくと
も受光素子及び／又は発光素子と光結合されて成るもの
である。例えば図６に示すような送受信用の光モジュー
ルに適用することが可能である。すなわち、上述した構
成の光アイソレータＳが、Ｙ字状に分岐した導波路コア
６３が形成された導波路体６２に一体的に設けられ、こ
の導波路体６２、発光素子である半導体レーザ素子６
４、及び受光素子であるフォトダイオード６５が基板６
１上に一体的に設けられたものである。これにより、作
製が容易で結合効率の良好な光モジュールを実現させる
ことができる。なお、送信用または受信用の光モジュー
ルに適用してもよく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で
変更実施が可能である。

【００３３】

【実施例】以下にさらに具体的な実施例について説明す
る。 〔例１〕図１に示すように、石英ガラス基板である導波
路体１にゲルマニウム（Ｇｅ）をドーピングすることに
より、この導波路体１の表層部に周囲のクラッド１ａよ
り屈折率が０．３程度高い導波路コア１ｂが形成されて
いる。ここで、導波路コア１ｂの径を約５ミクロンとし
た。

【００３４】また、偏光モードスプリッタ２，３は、導
波路コア１ｂの上部を覆うようにＡｌ膜を被着形成し
た。なお、導波路体１は石英ガラスの他に、高分子材料
や他の光学ガラス、半導体等から構成してもよい。ま
た、偏光モードスプリッタ２，３の金属膜としてはＣｕ
やＡｇ等の金属材料を成膜しＴＭ偏光を吸収するものと
したり、導波路コア１ｂの上に水晶やルチル等を装荷し
て、屈折率の異方性を利用し片方のモードを放射させる
ものとしたり、導波路型分岐器で伝搬定数を変えること
により、２つのモードに分岐させる等してもよい。した
がって、ＴＥ偏光を除去しＴＭ偏光のみを透過させるこ
とも可能である。

【００３５】モードフィールド拡大部６，７は、テーパ
状に導波路コアを拡大させ、各々の端部に形成された末
広がり部において約２０ミクロンの径とした。

【００３６】また、ファラデー回転子８には厚さ約４０
０ミクロンの磁性ガーネットを、１／２波長板９には厚
さ９０ミクロンの水晶を用いた。また、これらを接着剤
で接合させて偏光モード回転体１０とした。なお水晶の
Ｃ軸は水平面から２２．５度の角度を持たせている。こ
の表面実装型光アイソレータＳ１で挿入損失０．７ｄＢ
以下、アイソレーション３６ｄＢ以上の優れた特性が容
易に実現できた。

【００３７】〔例２〕図６は本発明の表面実装型光アイ
ソレータＳを搭載した光送受信モジュールＭである。こ
こで、半導体レーザー素子６４から出射された波長１３
１０ｎｍの信号光は表面実装型光アイソレータＳを通過
し、分波器６３を通過して導波路端部６３ａから外部に
出射される。

【００３８】一方、外部からの波長１５５０ｎｍの信号
光は、上記とは逆に導波路端部６３ａから入射し、分波
器６３でフォトダイオード６５に導かれる。なお分波器
６３は波長により分岐する方向を変える機能を有してい
る。このように、光アイソレータＳを搭載した送受信光
モジュールＭが非常にコンパクトに実現できる。

【００３９】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の光アイソ
レータによれば、光アイソレータの偏光回転部の全てを
バルク部品としたため、これに光結合される導波路の作
製誤差や伝搬光のばらつきによる特性の劣化がない。

【００４０】また、光の結合効率を考慮し、バルク部品
とこれに光結合される導波路の境界においてモードフィ
ールドを拡大するように構成したため、非常に損失の少
ない光アイソレータを実現することができる。

【００４１】また、モードフィールドを拡大させる領
域、すなわち、偏光モード回転体の近傍に金属膜を被着
形成させることにより、導波路型モードフィルタを形成
することで、いっそう小型の光アイソレータを提供でき
る。

【００４２】また、モードフイールドを拡大させる箇所
での大幅なアライメント上の許容度の向上が期待でき、
従来のバルク型光アイソレータのような非常に面倒な位
置合わせが不要となる。

【００４３】さらに、他の受光素子や発光素子等の素子
との集約が容易であり、特に、導波路型の分波器，分岐
器，半導体レーザー，フォトダイオード等との整合性が
非常に良好であり、損失の非常に少ない優れた光アイソ
レータ及び光モジュールを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る光アイソレータを説明するための
斜視図。

【図２】本発明に係る光アイソレータを説明するための
平面図。

【図３】本発明に係る光アイソレータの偏光面の回転を
光の進行方向から観た様子を説明する図であり、（ａ）
は順方向（入射光〜出射光）における偏光面の回転の様
子を説明する図、（ｂ）は逆方向（戻り光）における偏
光面の回転の様子を説明する図。

【図４】導波路コア径と導波路対向間隔（空隙）による
光の損失の関係を説明するためのグラフ。

【図５】本発明に係る他の光アイソレータを説明するた
めの斜視図。

【図６】本発明に係る光モジュールを説明するための図
であり、本発明に係る光アイソレータを搭載した光モジ
ュール（送受信光モジュール）の斜視図。

【図７】従来の導波路型光アイソレータを説明する斜視
図。

【図８】従来の他の導波路型光アイソレータを説明する
斜視図。

【符号の説明】

１：導波路体 １ｂ：導波路コア １ｃ：開口部 ２，３：偏光モードスプリッタ（導波路型モードフィル
タ） ６，７：モードフィールド拡大部 ８：ファラデー回転子（非相反回転部） ９：１／２波長板（相反回転部） １０：偏光モード回転体 ６４：半導体レーザー素子（発光素子） ６５：フォトダイオード（受光素子） Ｓ１，Ｓ２：光アイソレータ Ｍ：光モジュール

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 偏光モード回転体の一方に入射光の偏光
   面を所定角度だけ非相反に回転させる非相反回転部を、
   他方に入射光の偏光面を所定角度だけ相反に回転させる
   相反回転部を備え、前記偏光モード回転体の非相反回転
   部及び相反回転部の各々に、入射光のモード光を選択的
   に通過させる導波路型モードフィルタを配設して成るこ
   とを特徴とする光アイソレータ。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の光アイソレータであっ
   て、前記導波路型モードフィルタは、入射光を導入し導
   出させる導波路コアを備えるとともに、該導波路コアの
   出射側にモードフィールドを拡げる領域を形成したこと
   を特徴とする光アイソレータ。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の光アイソレータが、少
   なくとも受光素子及び／又は発光素子と光結合されて成
   る光モジュール。