KR20080100213A - 광 아이솔레이터 - Google Patents

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KR20080100213A
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waveguide layer
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layer
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KR1020087021082A
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데츠야 미즈모토
가즈마사 사쿠라이
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고쿠리츠다이가쿠호진 토쿄고교 다이가꾸
미쓰미덴기가부시기가이샤
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Abstract

기판과 이 기판에 격자 정합하는 도파층과, 비상반 이상기를 구비하고, 도파층에는, 도파층을 도파하는 도파로 및 굽힘 도파로가 형성되고, 또 분지 결합기가 배열 설치되어 구성된 광 아이솔레이터로서, 도파층의 반도체 조성을 변화시켜 굴절률을 3.36보다 크게 한다.
기판, 도파층, 비상반 이상기, 도파로, 굽힘 도파로, 분지 결합기, 광 아이솔레이터, 반도체

Description

광 아이솔레이터{OPTICAL ISOLATOR}
본 발명은 소형화 구조의 광 아이솔레이터에 관한 것으로, 특히 기판과 격자 정합을 갖는 도파층의 반도체 조성을 변화시켜 굴절률을 크게 함과 아울러, 굽힘 도파로의 허용 곡률반경을 작게 하고, 다모드 간섭형 분지 결합기를 이용하여 디바이스 길이를 단축한 소형화 구조의 광 아이솔레이터에 관한 것이다.
광 아이솔레이터는 일방향에만 광을 투과시키고, 이것과 반대 방향으로 전파하려고 하는 광을 저지하는 소자이다. 예를 들면, 광 아이솔레이터를 반도체 레이저의 출사단에 배치함으로써, 레이저로부터 출사되는 광은 광 아이솔레이터를 투과하고, 이것을 광파이버 통신용의 광원으로서 사용할 수 있다. 반대로 광 아이솔레이터를 통하여 반도체 레이저에 입사하려고 하는 광은, 광 아이솔레이터에 의해 저지되어, 반도체 레이저에 입사할 수는 없다. 광 아이솔레이터를 반도체 레이저의 출사 단에 두지 않으면 반도체 레이저에 반사 귀환광이 입사되고, 이것이 반도체 레이저의 발진 특성을 열화시켜버린다. 즉, 광 아이솔레이터는 반도체 레이저에 입사하려고 하는 빛을 차단하여, 반도체 레이저의 특성을 열화시키지 않고, 안정한 발진을 유지하는 작용을 한다.
상기한 반도체 레이저에 한하지 않고 광증폭기 등의 광 능동소자에서는, 의 도하지 않고 역방향으로 광이 입사함으로써, 소자의 동작 특성이 열화된다. 광 아이솔레이터는 일방향으로밖에 광을 투과하지 않기 때문에, 광 능동소자에 의도하지 않고 역방향으로 광이 입사하는 것을 방지할 수 있다.
광 아이솔레이터의 동작 원리를 도 1에 나타낸다. 광 아이솔레이터는 광 간섭계를 구성하는 2개의 광 도파로 중에 발생하는 전파 방향에 따라 크기가 상이한 위상변화(이하, 「비상반(non-reciprocal) 이상 효과」라고 함)를 사용하여, 전진파에 대해서는 2개의 광 도파로를 전파하는 광파가 동위상으로 되도록, 역방향으로 전파하는 후퇴파에 대해서는 역위상으로 되도록 설정된다(도 1(a)).
2개의 광파가 동위상으로 되는 경우에는, 구조의 대칭성 때문에 출력측에 설치된 분지 결합기에서 중앙의 출력단으로부터 출력된다(도 1(b)).
한편, 역위상으로 되는 경우에는, 구조의 대칭성 때문에 입력측에 설치된 분지 결합기에서 반대칭의 분포가 형성되기 때문에, 결합기의 중앙 출력단으로부터는 출력되지 않고, 중앙의 출력단의 양 옆에 설치된 불필요 광 출력단으로부터 출력된다(도 1(c)).
즉, 도면 중 좌측의 분지 결합기의 중앙 입력단으로부터 입사한 광파는 도면 중 우측의 분지 결합기의 중앙 출력단으로부터 출력되고, 반대로 도면 중 우측의 분지 결합기의 중앙 출력단으로부터 입사한 광파는 도면 중 좌측의 분지 결합기의 중앙 입력단으로 들어가지 않고, 도면 중 우측의 분지 결합기의 중앙 출력단으로부터 입사된 역방향 전파광을 격리할 수 있다.
광 아이솔레이터의 이러한 광의 분지 결합 특성의 동작을 실현하기 위해서 는, 일정량의 비상반 이상 효과가 필요하다. 비상반 이상 효과는 자기광학 재료(자기광학 효과를 갖는 재료)를 평면 형상의 도파로 중에 배치하고, 외부로부터 도파로면 내에서 전파 방향으로 직교하는 방향(횡방향)으로 자계를 인가하여, 자기 광학 재료의 자화를 배향함으로써 발생시킬 수 있다. 광의 전파 방향과 자화의 배향방향의 관계에 의해, 자기광학 효과에 의한 위상 변화가 결정되어, 자화방향을 유지한 채 전파 방향을 반전시키면 위상변화가 다르다.
도 1에 나타내는 광 아이솔레이터에서는, 간섭계를 구성하는 2개의 도파로에 서로 반대방향으로 평행하게 자계가 인가되고 있기 때문에, 2개의 도파로 속을 동일한 거리 전파했을 때의 광파의 위상차가 비상반 이상량(전진파와 후퇴파의 위상변화의 차)에 일치한다. 또, 전진파에 대하여 비상반 이상 효과에 의해 2개의 도파로 사이에 +φ의 위상차가 생긴다고 하면, 후퇴파에 대해서는 이것과 다른 부호 -φ의 위상차가 생기게 된다.
여기에서, 간섭계를 구성하는 2개의 도파로에는, 1/4파장에 상당하는 광로 길이 차가 만들어져 있다. 이것은 방향에 의하지 않고 광로가 긴 도파로를 전파하는 광이 π/2만큼 큰 위상변화를 주는 것을 목적으로 한다. 즉, 전진파에 대해서는, 광로가 긴 도파로쪽이 짧은 도파로에 비해 비상반 이상 효과에 의한 위상차(이하, 「비상반 이상 위상차」라고 한다.)(-π/2)를 발생하도록 하면, 전진파에 대하여 2개의 도파로를 전파하는 광파는 동위상으로 된다. 이 때, 전파 방향을 반전하면, 비상반 이상 위상차는 부호가 반전하기 때문에, 광로가 긴 도파로쪽이 비상반 이상 위상차(+π/2)가 주어진다. 이것과 광로 길이 차에 의한 +π/2의 위상차가 더해지고, 역위상 상태에서 분지 결합기에 입력되게 된다. 이상으로부터, 도 1의 간섭형 광 아이솔레이터에서, π/2의 비상반 이상 위상차가 필요하다고 결론지을 수 있다.
종래부터, 반도체 레이저와의 집적화에 적합한 광 아이솔레이터로서, 도 2에 사시도로 나타내는 간섭형 광 아이솔레이터(101)가 고안되고 있었다.
이 종래의 광 아이솔레이터(101)는, 화합물 반도체 기판(102) 상에 반도체 재료를 사용한 도파층(103)을 배열 설치하고, 이 도파층(103) 상에 도파로(104)와, 분지 결합기(105)를 배열 설치하고, 또한 도파층(103) 상에, 비상반 이상기(106)를 설치하여 이루어지는 것이다. 또한, 비상반 이상기(106)는 자기 광학 재료로 이루어지는 클래드층(107)과, 자기 광학 재료의 자화를 소정의 방향으로 정렬하기 위한 자계 인가 수단(108)을 구비하고 있고, 클래드층(107) 상에 자계 인가 수단(108)을 배열 설치하여 형성되어 있다.
이 광 아이솔레이터(101)의 디바이스 치수 예를 도 3에 개략 평면도로 나타낸다.
이 광 아이솔레이터(101)는 기판(102)으로서 InP가 사용되고, 도파층(103)으로서, 굴절률 3.36의 GaInAsP(밴드갭 파장(λg)=1.25㎛, InP 기판(102)에 격자 정합)이 사용되고, 클래드층(107)으로서, Ce:YIG(반도체 레이저의 동작 파장(λ)=1.55㎛에서의 패러데이 회전계수=-4500deg/cm)가 사용되어 구성되어 있었다.
또, 비상반 이상 위상차는 전파 거리에 비례한다. 따라서, 단위 전파장당의 비상반 이상 효과가 큰 쪽이 π/2의 위상차를 발생시키는데 필요한 전파 거리를 짧게 할 수 있다. 이 광 아이솔레이터(101)의 도파로(104)의 구조에서는, 단위 전파 길이당의 비상반 이상량은 0.256mm-1이고, π/2의 비상반 위상차를 얻는데 필요한 전파 거리는 6.14mm이었다.
또, 분지 결합기(105)로서 테이퍼 형상 분지 결합기가 사용되고 있고, 전술한 바와 같은 광 아이솔레이터(101)의 동작에 필요한 완전한 분지 결합 특성을 얻기 위하여, 도 4에 분지 결합기(105)의 개략 구성도로 나타내는 바와 같이 결합부분의 도파로(이하, 「결합 도파로」라고 한다.)의 길이가 0.41mm 필요했다.
또한, 결합 도파로의 전후에 S자형의 굽힘 도파로 부분을 설치할 필요가 있고, 굴절률이 3.36인 GaInAsP의 도파층(103)에서 리브형 도파로를 형성한 경우에는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 굽힘 도파로 부분의 길이가 0.78mm 필요했다.
즉, 이 종래의 광 아이솔레이터(101)에서는, 도파로(104)의 구부러짐 부분의 길이가 0.78×4=3.12mm, 테이퍼 형상 분지 결합기(105)의 길이가 0.41×2=0.82mm, 비상반 이상기(106)의 길이가 6.14mm 필요하며, 결과적으로 광 아이솔레이터(101)의 종방향의 디바이스 길이는 10.08mm 필요했다.
또한, 이 종래의 광 아이솔레이터(101)의 폭방향의 디바이스 길이는 S자 형상의 굽힘 도파로의 허용 곡률반경과 횡방향의 시프트량에 의해 정해진다. 횡방향의 시프트량은 1개의 S자 형상의 굽힘 도파로에서 0.15mm 필요하다고 하는 조건으로 설계하고 있다. 즉, 비상반 이상기(106)의 바로 아래에 상당하는 도파로(104) 부분에 반대방향으로 평행하게 자계를 인가할 필요가 있으므로, 2개의 도파로 간격을 0.3mm로 할 필요가 있다. 또, 이 경우, S자 형상의 굽힘 도파로의 곡률반경(R)은 1.0mm가 필요하게 된다.
그렇지만, 상기한 바와 같은 구조를 갖는 종래의 광 아이솔레이터에서는, 광이 전파하는 방향에 직교하는 방향(폭방향)의 길이는 도파로의 폭(수㎛)의 수배∼수십배 정도(수㎛∼100㎛ 정도)이며, 소형화의 점에서 큰 문제는 되지 않지만, 소자 길이(광이 전파하는 방향을 따른 소자의 길이)이 밀리미터 단위가 되어, 광집적회로의 소형화에 대하여 큰 문제로 되어 있었다.
(발명의 개시)
본 발명은 상기 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 도파층의 굴절률을 올림과 아울러, 각 굴절률에서 최대의 비상반 이상량이 얻어지는 도파층의 두께를 설정하고, 동작 파장과 밴드갭 파장의 차를 확보하여 디바이스 길이를 단축한 광 아이솔레이터를 제공하는 것에 있다.
본 발명은 광 아이솔레이터에 관한 것으로서, 본 발명의 상기 목적은 기판과, 이 기판에 격자 정합하는 도파층과, 비상반 이상기를 구비하고, 상기 도파층에는, 이 도파층을 도파하는 도파로 및 굽힘 도파로가 형성되고, 또 분지 결합기가 배열 설치되어 구성된 광 아이솔레이터로서, 상기 도파층은 반도체 조성을 변화시켜 굴절률을 3.36보다 크게 함으로써 달성된다.
또, 본 발명의 상기 목적은, 상기 도파층은 이 도파층의 굴절률에 대하여 최대의 비상반 이상량을 발생시키는 두께를 갖는 광 아이솔레이터를 제공함으로써, 효과적으로 달성된다.
또, 본 발명의 상기 목적은, 상기 비상반 이상기의 길이를 6.14mm 미만으로 한 광 아이솔레이터를 제공함으로써, 보다 효과적으로 달성된다.
또, 본 발명의 상기 목적은 상기 굽힘 도파로는 곡률반경이 1.00mm 미만인 광 아이솔레이터를 제공함으로써, 보다 효과적으로 달성된다.
또, 본 발명의 상기 목적은 상기 분지 결합기는 다모드 간섭형 분지 결합기인 광 아이솔레이터를 제공함으로써, 보다 효과적으로 달성된다.
또, 본 발명의 상기 목적은, 상기 광 아이솔레이터는 디바이스 길이가 10.08mm 미만인 광 아이솔레이터를 제공함으로써 보다 효과적으로 달성된다.
또, 본 발명의 상기 목적은 상기 도파층은 III-V족 화합물 반도체인 광 아이솔레이터를 제공함으로써, 보다 효과적으로 달성할 수 있다.
더욱이 또, 본 발명의 상기 목적은 상기 기판은 InP이며, 상기 도파층은 GaxIn1-xAsyP1-y(0<x<1, 0<y<1)인 광 아이솔레이터를 제공함으로써, 보다 효과적으로 달성된다.
(발명의 효과)
본 발명의 광 아이솔레이터에 의하면, 종래의 도파층에 비해 굴절률을 크게 할 수 있으므로, 단위 전파 길이당의 비상반 이상 효과를 크게 할 수 있어, 비상반 이상량을 증대시킬 수 있다. 따라서, 광 아이솔레이터의 디바이스 길이를 단축할 수 있어, 소형화할 수 있다.
또, 도파층의 굴절률을 크게 함으로써, 횡방향으로의 광 가둠 효과를 높일 수 있으므로, S자 형상의 굽힘 도파로의 곡률반경을 작게 할 수 있다. 따라서, 광 아이솔레이터의 디바이스 길이를 보다 단축화할 수 있고, 소형화할 수 있다.
또한, 분지 결합기로서 테이퍼 형상 분지 결합기가 아니고, 다모드 간섭형 분지 결합기를 사용함으로써, 광 아이솔레이터를 보다 소형화할 수 있다.
즉, 비상반 이상기의 길이를 6.14mm 미만으로, S자 도파로의 곡률반경을 1.00mm 미만으로 함으로써 S자 도파로의 횡방향으로의 길이를 0.78mm 미만으로, 결합기의 길이를 0.41mm 미만으로 할 수 있고, 이것에 의해 광 아이솔레이터의 디바이스 길이를 10.08mm 미만으로 할 수 있다.
또한, 도파층의 반도체 조성을 변화시킴으로써 굴절률을 크게 할 수 있고, 이것에 의해, 도파층의 두께가 얇아지므로, 광 아이솔레이터의 높이 방향의 소형화도 도파층의 두께에 따라 가능하게 되어 있다.
도 1은 간섭형 광 아이솔레이터의 동작 원리의 개략적인 설명도이다.
도 2는 종래의 간섭형 광 아이솔레이터의 1 예를 도시하는 사시도이다.
도 3은 종래의 광 아이솔레이터의 구조의 1 예를 도시하는 평면도이다.
도 4는 종래의 테이퍼 형상 분지 결합기의 개략적인 구성도이다.
도 5는 본 발명에 따른 광 아이솔레이터의 구조의 1 예를 도시하는 평면도이다.
도 6은 도 5의 A-A' 단면도이다.
도 7은 화합물 반도체 재료와 그 밴드갭 파장의 관계를 나타내는 도면이다.
도 8은 밴드갭 파장과 도파층의 굴절률의 관계를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 광 아이솔레이터의 도파층의 두께와 비상반 이상량의 관계를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명에 따른 광 아이솔레이터의 도파층의 굴절률과 최대의 비상반 이상량이 얻어지는 도파층의 두께의 관계를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명에 따른 광 아이솔레이터의 도파층의 굴절률과, 클래드층으로의 광 파워의 누설비율의 관계를 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명에 따른 광 아이솔레이터의 도파층의 굴절률과 비상반 이상기의 길이와의 관계를 나타내는 도면이다.
도 13은 도 3의 B-B' 단면도이다.
도 14는 도 13에 도시하는 굽힘 도파로에서, 곡률반경과 구부러짐 손실량의 관계를 나타내는 도면이다.
도 15는 도 5의 C-C' 단면도이다.
도 16은 도 15에 도시하는 굽힘 도파로에서, 곡률반경과 구부러짐 손실량의 관계를 나타내는 도면이다.
도 17은 MMI 커플러의 계단 굴절률 도파로의 2차원 예를 도시하는 도면이다.
도 18은 MMI 커플러의 계단 굴절률 도파로 내의 모드의 일례를 도시하는 도면이다.
도 19는 MMI 커플러의 다모드 도파로의 모드 단면도의 일례이다.
도 20은 다모드 간섭형 분지 결합기의 개략적인 구성도이다.
도 21은 본 발명의 광 아이솔레이터의 다른 1 예를 도시하는 사시도이다.
도 22는 도 21의 D-D' 단면도이다.
도 23은 본 발명의 다른 실시형태인 광 아이솔레이터의 도파층의 두께와 비상반 이상량의 관계를 나타내는 도면이다.
도 24는 본 발명의 다른 실시형태인 광 아이솔레이터의 도파층의 굴절률과 비상반 이상기의 길이의 관계를 나타내는 도면이다.
도 25는 동작 파장(λ)=1.31㎛인 광 아이솔레이터의 도파층의 두께와 비상반 이상량의 관계를 나타내는 도면이다.
도 26은 동작 파장(λ)=1.31㎛인 광 아이솔레이터의 도파층의 굴절률과 비상반 이상기의 길이의 관계를 나타내는 도면이다.
(발명을 실시하기 위한 최선의 형태)
이하에, 본 발명에 따른 광 아이솔레이터에 대하여, 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다.
[광 아이솔레이터]
도 5는 본 발명에 따른 광 아이솔레이터(1)의 1 예를 도시하는 평면도이며, 도 3의 종래의 광 아이솔레이터(101)와 대응시킨 도면이다. 또, 도 6은 도 5의 A-A' 단면도이며, 광 아이솔레이터(1)의 개략 단면도이다.
광 아이솔레이터(1)는 도시하는 바와 같이, 기판(2)과, 도파층(3)과, 비상반 이상기(4)를 구비하고, 또, 도파층(3)에는 이 도파층(3)을 도파하는 도파로(5) 및 굽힘 도파로(6)를 형성하고, 또 분지 결합기(7)가 배열 설치되어 있다. 즉, 광 아이솔레이터(1)는 기판(2) 상에, 반도체 재료를 사용하고, 기판(2)에 격자 정합하도록 형성되고, 또한 도파로(5) 및 굽힘 도파로(6)가 형성되고, 분지 결합기(7)가 배열 설치된 도파층(3)을 배열 설치하고, 또한, 도파층(3) 상에 비상반 이상기(4)를 배열 설치하여 구성되어 있다. 이 비상반 이상기(4)는 자기 광학 재료로 이루어지는 클래드층(8)과, 자기 광학 재료의 자화를 소정의 방향으로 정렬하기 위한 자계 인가 수단(9)을 구비하고, 클래드층(8) 상에 자계 인가 수단(9)이 배열 설치되어 구성되어 있다.
또, 광 아이솔레이터(1)에는, 도시하는 바와 같이 분지 결합기(7)로서 다모드 간섭형 분지 결합기가 사용되고 있다. 다모드 간섭형 분지 결합기는 도시하는 바와 같이, 레이저광의 입력측에 배치되는 입력부 MMI 커플러(71)와, 출력측에 배치되는 출력부 MMI 커플러(72)를 구비하고 있다.
도시하는 바와 같이, 굽힘 도파로(6)의 길이는 0.55mm이며, 입력부 MMI 커플러(71)의 길이는 0.25mm, 출력부 MMI 커플러(72)의 길이는 0.05mm이다. 또, 비상반 이상기(4)의 길이는 3.73mm이다(종래는 6.14mm임).
광 아이솔레이터(1)는 이와 같이 구성되어 있으므로, 종래 10.08mm이었던 디바이스 길이를 5.68mm로 단축할 수 있다.
또한, 상기한 광 아이솔레이터(1)의 각 구성요소의 길이는 최적의 실시예의 일례이며, 후술하는 도파층(3)의 두께 및 굴절률, 반도체 레이저의 동작 파장(λ) 등의 변화에 의해, 이들 각 구성요소의 길이도 변화된다. 그렇지만, 디바이스 길이가 10.08mm 미만의 광 아이솔레이터(1)를 얻을 수 있으면 본 발명의 목적은 달성된다.
또, 광 아이솔레이터(1)에는, 도 5 및 도 6에 도시하는 바와 같이 비상반 이상기(4)의 아래에 2개의 도파로(5, 5)가 배열 설치되어 있다. 이 2개의 도파로(5, 5) 사이의 거리(비상반 이상기(4)의 바로 아래에 대응하는 부분의 도파로(5, 5) 사이의 거리)를 0.3mm로 하고 있다.
다음에 광 아이솔레이터(1)를 구성하는 각 구성요소에 대하여 상세히 기술한다.
[기판(2)]
광 아이솔레이터(1)는 기판(2)으로서 화합물 반도체 기판을 사용한다. 또한, 본 실시형태는, 후술하는 바와 같이, 반도체 레이저의 동작 파장(λ)=1.55㎛이므로, InP 기판을 사용하는데, 레이저의 동작 파장의 파장대에 따른 화합물 반도체 기판을 사용하면 된다.
[도파층(3)]
도파층(3)은 화합물 반도체 재료를 사용하여, 반도체 레이저의 활성층과 동일 공정에서 형성된다. 또, 이러한 구조이면, 광 아이솔레이터(1)의 도파층(3)과 반도체 레이저의 활성층을 동종의 재료에 의해 동시에 결정 성장시킬 수 있어, 두께 방향의 광축 맞춤은 자동적으로 달성된다.
또한, 광 아이솔레이터(1)에 사용되는 도파층(3)으로서는, 반도체 조성을 변화시켜 굴절률을 3.36보다도 크게 한 것을 사용한다.
즉, 도파층(3)으로서, III-V족 화합물 반도체로 구성된 것을 사용한다. 이러한 도파층(3)으로서는, 도 7에 화합물 반도체 재료와 그 밴드갭 파장의 관계의 도면에서 나타내는 바와 같이, 예를 들면 GaxIn1 - xAsyP1 -y,AlxIn1 - xGayAs1 -y(0<x<1, 0<y<1) 등을 사용할 수 있다. 또한, 이하에서는, 도파층(3)으로서 GaxIn1 - xAsyP1 -y가 사용된 경우에 대하여 설명하는데, 다른 III-V족 화합물 반도체로 구성된 도파층에 대해서도, 동일하다.
GaInAsP를 이용한 도파층(3)은 GaInAsP의 결정성을 좋게 하기 위하여, InP 기판(2)과 격자정수가 일치하는 격자 정합을 가지고 있다. 이 격자 정합을 무너뜨리지 않고, GaxIn1 - xAsyP1 -y의 x값, y값을 변화시켜 반도체 조성을 변화시킴으로써 도파층(3)의 굴절률을 변화시켜 굴절률이 3.36보다 크게 되도록 조정한다.
통상, 도파층(3)의 굴절률이 높아지면, 원자가 전자대에 존재하는 전자를 전도체로 여기하는 밴드갭 에너지가 저하된다. 즉,
밴드갭 에너지=[1.24ev/밴드갭 파장(㎛)]
의 밴드갭 파장이 길어진다. 또한, 도 8에, 밴드갭 파장과 도파층의 굴절률의 관계를 나타낸다. 단, 반도체 레이저 파장(λ)=1.55㎛로 하고, 도파층(3)으로서 GaInAsP를 사용하고, 또 도파층(3)인 GaInAsP는 기판(2)인 InP에 격자 정합하고 있다.
밴드갭 파장이 길어져, 동작 파장에 근접하면, 동작 파장에서의 GaxIn1 -xAsyP1-y에 의한 광흡수의 영향에 의한 레이저광의 에너지 감소를 고려할 필요가 있다. 이 때문에, 동작 파장과 밴드갭 파장의 차가 일정 이상(레이저광의 에너지 감소 후의 에너지 수율이 문제로 되지 않을 정도)이 되도록 GaxIn1 - xAsyP1 -y의 반도체 조성을 선택하고, 굴절률을 결정할 필요가 있다.
그러나, 동작 파장(본 실시예에서는 1.55㎛)과 밴드갭 파장의 차가 일정 이상이어도, 실제로는, 동작 파장보다 긴 밴드갭 파장을 갖는 GaInAsP를 도파층에 사용할 수는 없다. 왜냐하면, 동작 파장보다 긴 밴드갭 파장을 갖는 GaInAsP는 동작 파장의 광을 고효율로 흡수해버리기 때문에 광 아이솔레이터의 도파층으로서는 부적당하기 때문이다. 따라서, 동작 파장보다 짧은 밴드갭 파장을 갖는 GaInAsP가 도파층(3)에 사용된다.
또한, GaInAsP의 밴드갭 파장이 동작 파장보다 약간 짧은 정도이면 도파로(5)에서의 광의 흡수가 충분하게는 작아지지 않아, 광 아이솔레이터(1)의 순방향 손실을 충분하게 저감할 수 없다. 이 때문에, 실제로는 동작 파장에 비해 상당히 짧은 밴드갭 파장을 갖는 GaInAsP가 도파층에 사용된다.
여기에서, 동작 파장에서, 도파로(5)에서의 광의 흡수가 충분히 작아지도록 밴드갭 파장을 채택하기 위하여, 밴드갭 파장을 어느 정도 동작 파장으로부터 짧게 하면 되는지와 같은 점에 대해서는 명확한 규정이 없다. 경험적으로, 밴드갭 파장이 동작 파장에 비해 0.1㎛ 짧은 GaInAsP이면, 도파로(5)에서의 광의 흡수는 충분 하게 작다고 할 수 있다.
또한, 본 실시예에서는, 광 아이솔레이터(1)의 동작 파장(λ)이 1.52㎛ 이상인 것을 상정하고, 밴드갭 파장(λg)=1.42㎛의 GaInAsP를 도파층으로서 사용한 경우를 나타내고 있다.
또, 도파층(3)의 두께는, 반도체 레이저의 동작 파장에 대하여, 최대의 비상반 이상량을 발생시키는 두께이다.
도 9는 도파층(3)의 두께와 비상반 이상량의 관계를 나타내는 도면이다. 즉, 도파층(3)의 굴절률을 일정하게 하고, 도파층(3)의 두께를 변화시켜, 비상반 이상량의 크기를 계산한 결과의 1 예를 나타내는 그래프이다. 또한, 도 9는 반도체 레이저의 동작 파장(λ)=1.55㎛, 기판(2)으로서 InP, 도파층(3)으로서 굴절률 3.36 및 3.45의 GaInAsP, 클래드층(8)으로서, 비상반 이상 변화를 제공하는 자기 광학 물질(Ce:YIG)을 사용했다.
도 9로부터, 도파층(3)의 굴절률이 일정한 경우, 비상반 이상량은 도파층(3)의 두께에 대응하여 변화되는 것을 알 수 있다. 또한, 도 9에서는, 최대의 비상반 이상량이 얻어지는 도파층(3)의 두께는 도파층(3)의 굴절률이 3.36의 경우에는 0.44㎛이며, 도파층의 굴절률이 3.45의 경우에는 0.36㎛이다.
도 10은 도파층(3)의 굴절률과, 최대의 비상반 이상량이 얻어지는 도파층(3)의 두께의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 10에 나타내는 바와 같이, 이 최대의 비상반 이상량이 얻어지는 도파층(3)의 두께는 도파층(3)의 굴절률이 변화됨에 따라 변화된다. 또한, 도 10은 반도체 레이저 파장(λ)=1.55㎛, 도파층(3)으로서 GaInAsP 도파층을 사용하고 있다.
[비상반 이상기(4)]
비상반 이상기(4)는, 상기한 바와 같이, 이 비상반 이상기(4)는 자기 광학 재료로 이루어지는 클래드층(8)과, 자기 광학 재료의 자화를 소정의 방향으로 정렬하기 위한 자계 인가 수단(9)을 구비하고, 클래드층(8) 상에 자계 인가 수단(9)이 배열 설치되어 구성되어 있다.
클래드층은 적당한 기판 상에 결정 성장된 것이 사용되는데(이 기판은 클래드층(8)과 자계 인가 수단(9) 사이에 위치함), 도면에서는 이 기판은 생략하고 있다.
또, 도시하는 바와 같이, 본 실시예에서는, 자계 인가 수단(9)으로서, 동일 극성이 대향하도록 배치된 1쌍의 소형 영구자석을 사용하고 있다. 그렇지만, 클래드층(8)에 사용하는 자기 광학 재료의 자화를 소정의 방향으로 정렬하기 위하여, 소형 영구자석과 동일한 기능을 갖는 것이면, 여러 가지의 것을 사용할 수 있다. 더욱이 또 자계 인가 수단(9)을 설치하지 않고, 클래드층(8)에 사용하는 자기 광학 재료 자체를 미리 자화시켜 두어도 된다.
이러한 비상반 이상기(4)를 소형화하기 위해서는, 짧은 경로에서 비상반 이상량을 증대시킬 필요가 있다.
또, 큰 비상반 이상량을 얻기 위해서는, 비상반 이상기(4)에서의 클래드층(8)으로의 광 파워의 누설을 크게 할 필요가 있다.
(1) 도파층(3)의 두께를 일정하게 유지한 채, 도파층(3)의 굴절률을 높게 하 면 도파층(3)으로의 광 가둠 효과가 좋아지기 때문에, 자기 광학 재료인 클래드층(8)으로의 광 파워의 누설이 작아진다.
(2) 한편으로, 도파층(3)의 굴절률을 높게 하면, 일정값 이하의 도파층(3)의 두께에서 도파로(5) 속을 광이 전파할 수 없게 되는 막 두께(컷오프 막 두께)가 얇아진다. 즉, 도파층(3)의 굴절률을 높게 하면, 비상반 이상기(4)에서의 도파층(3)의 두께를 얇게 할 수 있기 때문에, 클래드층(8)으로의 광 파워의 누설이 커진다.
(2)항의 사항은 (1)항의 사항과 역방향으로 작용하는 효과이며, (2)항과 (1)항의 어느 효과가 우월한지에 따라, 자기 광학 재료로의 광 파워의 누설이 커질지, 작아질지로 나뉜다.
도 1l은 도파층(3)의 굴절률과, 클래드층(8)으로의 광 파워의 누설 비율의 관계를 나타내는 그래프이다. 또한, 도 11은 동작 파장(λ)=1.55㎛, 도파층(3)으로서 GaInAsP 도파층에서, 그 두께는 각 굴절률에서 최대의 비상반 이상량이 얻어지는 두께의 도파층을 사용하고, 또 클래드층(8)으로서 Ce:YIG를 사용했다.
도 11로부터, 도파층(3)의 굴절률이 높아지면, 클래드층(8)으로의 광 파워의 누설이 커지는 것을 알 수 있다. 즉, 굴절률이 3.36의 종래의 도파층과, 굴절률이 3.45의 본 발명의 도파층(3)의 광 파워의 누설비율을 비교하면, 광 파워의 누설비율이 약 1.0% 상승해 있는 것을 알 수 있다. 따라서, 도 11에서는, (1)항의 효과에 대해, (2)항의 효과쪽이 우월했다는 것을 알 수 있다.
또, 도 12는 도파층(3)의 굴절률과 비상반 이상기(4)의 길이의 관계를 도시하는 도면이다. 또한, 도 12는 동작 파장(λ)=1.55㎛, 도파층으로서 GaInAsP 도파 층에서, 그 두께는 각 굴절률에서 최대의 비상반 이상량이 얻어지는 두께의 도파층을 사용한다.
도 11로부터, 비상반 이상기(4)에 있어서, 클래드층(8)으로의 광 파워의 누설을 크게 하면, 비상반 이상기(4)의 길이는 종래의 6.14mm으로부터, 최대, 밴드갭 파장과 동작 파장의 차가 일정 이상인 도파층(3)의 굴절률에서 얻어지는 길이까지 짧게 할 수 있는 것을 알 수 있다.
[굽힘 도파로(6)]
굽힘 도파로(6)를 소형화하고, 광 아이솔레이터(1)를 소형화하기 위해서는, 도파층(3)에 형성된 굽힘 도파로(6)의 굽힘 부분의 곡률반경을 작게 할 필요가 있다. 그렇지만, 굽힘 도파로(6)의 곡률반경이 작아지면, 광이 도파로(5, 6)의 외부로 방사되는 것에 의한 광의 손실(구부러짐에 의한 광의 손실. 이하, 이것을 「구부러짐 손실」이라고 말한다.)이 커진다.
이 구부러짐 손실을 최대한 막기 위하여, 도파로(5)의 코어 부분(도파층(3) 내에서 횡방향으로 광파가 집중하는 부분)으로의 광 가둠 효과를 높일 필요가 있다. 또한, 광 아이솔레이터(1)에는, 굽힘 도파로(6)로서 S자 도파로가 사용되고 있다.
여기에서, 종래의 광 아이솔레이터(101)와 본 발명의 광 아이솔레이터(1)에서, 굽힘 도파로(6)에 있어서의, 곡률반경을 변화시킨 경우의 구부러짐 손실을 비교한다.
도 13은 종래의 광 아이솔레이터(101)를 나타낸 도 3의 B-B' 단면도이며, 도 14는 도 13에 나타내는 굽힘 도파로(도파층의 굴절률 3.36, 동작 파장 1.55㎛)에서, 곡률반경과, 구부러짐 손실량의 관계를 나타내는 도면이다.
도 15는 본 발명의 광 아이솔레이터를 나타낸 도 5의 C-C' 단면도이며, 도 16은 도 15에 나타내는 굽힘 도파로(6)(도파층(3)의 굴절률 3.45, 동작 파장 1.55㎛)에서, 곡률반경을 변화시킨 경우의 구부러짐 손실의 변화를 나타내는 도면이다.
그렇지만, 굽힘 도파로(6)를 통과하는 광은 구부러짐 손실뿐만 아니라, 도파로(5)의 측벽의 요철에 의한 산란 손실도 있기 때문에, 순수한 구부러짐 손실을 구하는 것은 실측으로서는 어렵다. 이 때문에, 시뮬레이션에서의 구부러짐 손실의 이론값과, 실측값에서는 큰 차가 생긴다. 그래서, 보다 현실에 가깝게 하기 위하여, 도 14 및 도 16에서 플롯되어 있는 구부러짐 손실 측정값은 산란 손실도 포함한 실측값이며, 또한 수회의 실측값의 평균값이다. 또, 도 14 및 도 16에 나타낸 구부러짐 손실 측정값은 굽힘 도파로(6)의 1구간에서의 손실값이다.
도 14에 도시하는 종래의 광 아이솔레이터의 굽힘 도파로는 곡률반경(R)=1.0mm(1000㎛)일 때, 구부러짐 손실이 약 1dB이 된다. 그렇지만, 도 14에 도시하는 바와 같이, 종래의 광 아이솔레이터에서, 굽힘 도파로의 곡률반경(R)을 1.0mm보다도 더욱 작게 하면, 구부러짐 손실이 급격하게 증가해버린다. 이와 같이 구부러져 손실이 급격하게 증가해버리는 것은 도파로 외부로 광을 단숨에 방사해버리기 때문이다. 따라서, 종래의 광 아이솔레이터의 굽힘 도파로는 곡률반경(R)을 1.0mm보다 작게 할 수 없었다.
이에 반해, 도 15에 도시하는 본 발명의 광 아이솔레이터(1)의 굽힘 도파 로(6)는 도 16에 나타내는 바와 같이 곡률반경(R)을 1.0mm 보다도 작게 해도, 구부러짐 손실은 완만하게는 증가하지만, 급격하게 증가하지는 않는다.
즉, 본 발명의 광 아이솔레이터(1)의 굽힘 도파로(6)는 도파로(5)의 코어 부분에 대하여 광 가둠 효과가 얻어지고 있고, 이것에 의해 구부러짐 손실이 효과적으로 억제되고 있다. 따라서, 굽힘 도파로(6)의 곡률반경(R)을 1.0mm보다 작게 할 수 있기 때문에, 굽힘 도파로(6)의 디바이스 길이를 짧게 할 수 있고, 이것에 의해 광 아이솔레이터(1)의 디바이스 길이를 짧게 할 수 있어 소형화할 수 있다.
[분지 결합기(7)]
본 발명의 광 아이솔레이터(1)에는, 상기한 바와 같이, 분지 결합기(7)로서, 입력부 MMI 커플러(71) 및 출력부 MMI 커플러(72)를 구비하는 다모드 간섭형 분지 결합기가 사용된다. 이것에 의해, 광파가 분기·결합되는 부분인 결합 도파로의 길이를 짧게 할 수 있으므로, 광 아이솔레이터(1)를 보다 소형화할 수 있다.
즉, 다모드 간섭형 분지 결합기의 경우, 입력부 MMI 커플러(71)에서는, 3개의 입력 도파로와, 2개의 출력 도파로가 설치되고, 출력부 MMI 커플러(72)에서는, 2개의 입력 도파로와 1개의 출력 도파로가 설치되어 있다.
이와 같이 입력부와 출력부에서 구조가 상이한 것은, 다모드 간섭형 분지 결합기의 경우, 입력부 MMI 커플러(71)에서는, 역위상으로 입사하는 광파를 외부로 효율적으로 방사시킬 필요가 있기 때문에, 3개의 입력 도파로와, 2개의 출력 도파로를 설치할 필요가 있지만, 한편, 출력부 MMI 커플러(72)에서는 간섭계를 구성하는 2개의 도파로(입력 도파로)를 전파하는 광파는 동위상으로 출력부 MMI 커플 러(72)에 입사하기 때문에, 출력 도파로는 1개만 설치하면 되기 때문이다.
이에 반해, 도 4에 도시하는 종래의 테이퍼 형상 분지 결합기(105)에서는, 입력측에서는 3개의 입력 도파로와, 2개의 출력 도파로가 설치되고, 출력측에서는 2개의 입력 도파로와, 3개의 출력 도파로가 설치되어 있어, 입력측과 출력측이 상이하지는 않다.
따라서, 다모드 간섭형 분지 결합기는 테이퍼 형상 분지 결합기보다도 소형이기 때문에, 분지 결합기(7)로서 다모드 간섭형 분지 결합기를 사용하면, 광 아이솔레이터(1)의 소형화를 도모할 수 있다.
또, MMI 커플러(71 및 72)는 다수의 도파 모드를 허용하는 다모드 도파로 구조로 되어 있다. 따라서, 통상은 광을 입사하기 위하여, 또 다모드 도파로로부터 광을 취출하기 위하여 도파로(일반적으로는 단일모드 도파로)가 선단 및 종단에 배치된다.
다모드 도파로는 계단 굴절률 도파로이므로, 단면 횡방향의 모드 차수가 단면 횡방향의 모드 차수에 비해 훨씬 크다. 이 때문에, 단면 횡방향은 모든 모드에서 동일하고, 횡방향만 다수의 모드가 존재하고 있다고 간주할 수 있고, 모드가 도파로 중에서 수평방향으로 거동한다고 가정할 수 있다. 따라서, 이하에서는, 단면 횡방향과 모드의 진행방향의 2차원적인 구조로 일반성을 갖게 하여, 2차원 다모드 도파로로서 설명한다.
즉, MMI 커플러(71 및 72)는 슬래브 도파로 구조를 갖고, 도 17과 같은 2차 원 도면을 갖는다. 또한, 도면 중의 WM은 계단 굴절률 도파로폭, nr은 리지(ridge) 부분 등가 굴절률, nc는 클래드 부분 등가 굴절률을 나타낸다. 입력된 광파는 도 18에 나타내는 바와 같은 계단 굴절률 도파로 내의 모드를 나타낸다. 이 도파로는 M차의 횡방향 모드를 허용하고, 모드 번호는 υ=0, 1, …(M-1)이 된다. We는 유효 폭을 나타낸다. 이와 같이, 폭이 넓은 영역(다모드 도파로)에 많은 전파 속도가 상이한 모드를 여진시킨다. 각 모드에 따라 전파 속도가 상이하므로, 전파함에 따라 여러 간섭의 모습을 나타내며, 이 간섭의 결과를 사용하여 전파 방향과 직교하는 횡방향으로 적절한 광 강도 분포를 형성하여, 광을 분기시킨다. 반대로 전파시킴으로써 합파시켜 결합시킬 수 있다.
도 19에 다모드 도파로의 횡방향 모드 단면도를 도시한다. 여기에서, Lπ는 기본 모드와 1차 모드의 진동 길이의 차를 나타낸다. 이와 같이, z=0을 시점으로 We를 완전하게 포함하는 입사면은 전체 모드 분포로 분해하는 것이 가능하다.
즉, 테이퍼 형상 분지 결합기가 도파로를 근접시켜 광을 다른 도파로로 서서히 분지 또는 다른 도파로로부터 서서히 결합한다. 이에 반해, 다모드 간섭형 분지 결합기는, 상기한 바와 같이, 모드를 여진시킴으로써 적절한 광 강도 분포를 형성하여, 광을 분지, 또는 광을 전파시켜 결합시키므로, 분지 결합기(7)를 소형화하고, 이 결과, 광 아이솔레이터(1)를 소형화하는 것이 가능하게 되어 있다.
다음에, 광 아이솔레이터(1)를 구성하는 각 부의 소형화 구조에 대하여 종래 치수와 대비하면서 실시예를 나타낸다.
[도파층(3)]
도파층(3)으로서 GaInAsP를 사용하여, 기판(2)(InP)에 대하여 격자정합을 유지하면서, 도파층(3)의 두께를 동작 파장에 대하여 정량화하고, 반도체 조성을 변화시킴으로써 도파층(3)의 굴절률을 증대시킨다.
[비상반 이상기(4)]
상기의 도파층(3)의 굴절률에 대하여, 최대의 비상반 이상량을 발생시키는 도파층(3)의 두께를 채용했을 때의 비상반 이상기(4)의 길이에 대하여, 도 12를 사용하여 설명한다.
종래의 비상반 이상기(4)의 경우, 동작 파장(λ)=1.55㎛에 대하여 밴드갭 파장(λg)=1.25㎛이며, 그 때의 도파층(3)(GaInAsP 도파층)의 두께는 0.44㎛, 굴절률은 3.36, 비상반 이상기(4)의 길이는 6.14mm가 된다. 본 실시예에서는, 동작 파장(λ)=1.55㎛에 대하여 밴드갭 파장(λg)=1.42㎛가 되고, 그 때의 도파층(3)의 두께는 0.36㎛, 굴절률은 3.45, π/2의 비상반 이상 효과를 얻기 위한 비상반 이상기(4)의 길이는 3.73mm가 된다.
또한, 본 실시예에서는 수치를 명시하기 위하여 일례로서 굴절률 3.45, 비상반 이상기(4)의 길이를 3.73mm로 했지만, 가변값인 동작 파장(λ)과 굴절률에 의존하는 밴드갭 파장(λg)의 차를 일정량 확보할 수 있어, 레이저광의 감쇠를 허용할 수 있는 범위이면 굴절률을 올림으로써 비상반 이상기(4)의 길이를 짧게 할 수 있 다.
[굽힘 도파로(6)]
도파층(3)의 굴절률이 높아짐으로써 도파로(5) 내에서의 횡방향의 광 가둠 효과가 높아져, 곡률반경을 0.5mm로 작게 할 수 있게 된다. 곡률반경이 0.5mm로 작아짐으로써, 0.15mm의 횡방향 시프트량을 얻기 위해서는 굽힘 도파로(6)의 디바이스 길이가 0.55mm이면 되어, 굽힘 도파로(6)의 소형화가 달성된다.
또한, 굽힘 도파로(6)의 곡률반경은 동작 파장, 동작 파장에 대응하는 도파층(3)의 두께, 도파층(3)의 굴절률의 크기에 의해 결정된다. 이 때문에, 상기한 곡률반경의 수치는 일례이며, 횡방향 광 가둠 효과가 얻어지고, 동작 파장과 밴드갭 파장의 관계로부터 레이저광의 감쇠가 허용범위인 한, 곡률반경을 더욱 작게 하여 굽힘 도파로(6)의 디바이스 길이를 더욱 소형화하는 것도 가능하다.
[분지 결합기(7)]
종래의 테이퍼 형상 분지 결합기(105)를 사용한 경우의 치수는, 도 4에 나타내는 바와 같이, 입력측과 출력측의 테이퍼 형상 분지 결합기(105)는 모두 0.41mm이었다.
이에 반해, 본 발명과 같이 다모드 간섭형 분지 결합기를 사용한 경우의 치수는 도 20에 나타내는 바와 같이, 입력부 MMI 커플러(71)가 0.25mm, 출력부 MMI 커플러(72)가 0.05mm이다.
따라서, 테이퍼 형상 분지 결합기를 이용한 경우에 비해, 약 0.52mm의 디바이스 길이를 짧게 할 수 있어, 광 아이솔레이터(1)를 소형화할 수 있다.
또한, MMI 커플러(71 및 72)의 디바이스 길이는 일례이지만, 이와 같이 MMI 커플러(71 및 72)를 이용함으로써 종래의 테이퍼 형상 분지 결합기를 사용한 경우보다도, 광 아이솔레이터(1)의 소형화가 도모된다. 또, 사용하는 MMI 커플러에 의해, 광 아이솔레이터(1)를 더욱 소형화하는 것도 가능하다.
또, 본 발명의 광 아이솔레이터는 그 구성을 이하와 같이 변경할 수도 있다. 또한, 기판 상에 하부 클래드층(10)을 설치한 것을 제외한 그 밖의 구성은, 상기한 광 아이솔레이터와 동일하므로, 이하에서는 동일한 구성요소에는 동일한 부호를 붙이고, 그 설명을 생략한다. 또, 비상반 이상기는, 상기한 바와 같이 클래드층(8)과, 자계 인가 수단(9)을 구비하여 구성되지만, 이하에서는, 이해하기 쉽게 하기 위하여 클래드층(8)을 상부 클래드층(8)으로 표기한다.
광 아이솔레이터(1')는, 도 21에 사시도로 나타내며, 도 22에 도 21의 D-D' 단면도로 나타내는 바와 같이, 기판(2)과, 하부 클래드층(10)과, 도파로(5) 및 굽힘 도파로(6)가 형성되고, 또 분지 결합기(7)가 배열 설치된 도파층(3)과, 비상반 이상기(4)를 구비하여 구성되어 있다.
즉, 광 아이솔레이터(1')는, 우선 기판(2) 상에, 결정성장된 하부 클래드층(10)을 형성한다. 그리고, 이 하부 클래드층(10)이 형성된 기판(2) 상에, 반도체 재료를 사용하여 결정 성장된 도파층(3)이 배열 설치되어 있다. 또한, 도파층(3) 상에는, 상부 클래드층(8) 및 자계 인가 수단(9)을 구비하는 비상반 이상기(4)가 배열 설치되어 있다. 또한, 도파층(3)에는, 상기한 광 아이솔레이터(1)와 마찬가지로, 도파층(3)을 도파하는 도파로(5) 및 굽힘 도파로(6)가 형성되어 있고, 또한 분지 결합기(7)가 배열 설치되어 있다.
또한, 하부 클래드층(10)은 비상반 이상량을 증대시킬 목적으로 설치된 것이기 때문에, 적어도 도면에 도시하는 바와 같은 위치에 삽입되어 있으면 되지만, 광 아이솔레이터(1')의 기판(2) 상의 전면에 형성되어 있어도 된다.
광 아이솔레이터(1')의 디바이스 길이는, 상기한 바와 같이, 도파층(3)의 굴절률을 높게 함으로써 단축화할 수 있다.
이것과 아울러, 하부 클래드층(10)의 굴절률을 작게 할 수 있으면, 광 아이솔레이터(1')의 디바이스 길이를 보다 단축화하여, 보다 소형화할 수 있다.
도 23은 비상반 이상량과 도파층(3)의 두께와의 관계를 나타내는 도면이다. 즉, 하부 클래드층(10)의 굴절률(nuc)을 일정하게 한 경우에 있어서, 도파층(3)의 두께의 변화에 따르는 비상반 이상량의 변화를 나타낸 그래프이다. 또한, 도 23은 반도체 레이저의 동작 파장(λ)=1.55㎛로 하고, 도파층(3)으로서 굴절률 3.45의 GaInAsP를 사용하고, 상부 클래드층(8)으로서 Ce:YIG(패러데이 회전계수=-4500deg/cm)를 사용하고, 하부 클래드층(10)으로서 산화처리를 시행한 AlInAs(굴절률(nuc=2.39)을 사용했다.
또, 도 23 중에는, 가장 굴절률이 낮은 예로서 공기를 하부 클래드층(10)으로서 사용한 경우, 즉 굴절률(nuc)=1.0의 경우도 점선으로 나타내고 있다.
도 23으로부터, 하부 클래드층(10)을 설치하지 않은 경우(도 9)와 마찬가지로, 도파층(3)의 굴절률 및 하부 클래드층(10)의 굴절률이 일정한 경우, 비상반 이 상량은 도파층(3)의 두께에 대응하여 변화되는 것을 알 수 없다. 또한, 도 23에서는, 최대의 비상반 이상량이 얻어지는 도파층(3)의 두께는 0.18㎛이다.
또, 도 24에, 도파층(3)의 굴절률과 비상반 이상기(4)의 길이의 관계를 나타낸다. 또한, 도 24는 동작 파장(λ)=1.55㎛, 도파층(3)으로서 GaInAsP를 사용하고, 또 그 두께는 도파층(3)의 각 굴절률에서 최대의 비상반 이상량이 얻어지는 두께의 것을 사용한다.
즉, 도파층(3)의 두께를 최대의 비상반 이상량이 얻어지는 두께로 하여, 도파층(3)의 굴절률에 대하여, 광 아이솔레이터(1')에 필요한 비상반 이상기(4)의 길이를 하부 클래드층(10)의 굴절률(nuc)을 패러미터로 하여 계산한 결과를 도 24에 나타낸다.
도 24로부터 하부 클래드층(10)의 굴절률(nuc)이 낮을수록, 비상반 이상기(4)의 길이를 짧게 할 수 있는 것을 알 수 있다.
도파층(3)으로서 GaInAsP를 사용한 경우, 굴절률(nuc)이 낮은 하부 클래드층(10)을 형성하는 방법으로서
(1) 도파층(3)의 기판(2)(동작 파장대에 따라 상이하지만, 예를 들면 InP)을 에칭 등의 방법에 의해 제거하고, 공기 클래드층을 하부 클래드층(10)으로 하는 방법
(2) 예를 들면, 알루미늄을 포함하는 화합물 반도체(AlInAs)를 결정성장에 의해 도파층(3)의 아래에 형성하고, 그 후에 화합물 반도체를 산화함으로써 AlInAs 층의 굴절률을 낮게 하고, 하부 클래드층(10)으로 하는 방법
등을 생각할 수 있다.
(1)의 방법은 가장 굴절률이 낮은 공기의 하부 클래드층(10)를 형성할 수 있지만, 도파층(3)의 바로 아래에 위치하는 기판(2)을 제거하여 형성하기 때문에, 실제의 사용에서 기계적인 취약성이 문제가 될 가능성이 있다.
이에 반해 (2)의 방법은, 고체인 채로 저굴절률인 하부 클래드층(10)을 기판(2)과 도파층(3) 사이에 형성할 수 있다. 이 때문에, 비상반 이상기(4)의 길이, 나아가서는 광 아이솔레이터(1')의 디바이스 길이의 단축화를 도모하면서, 전술한 바와 같은 기계적인 취약성과 같은 문제를 회피할 수 있다. 또한, (2)의 방법에서, AlInAs층을 산화하여 형성한 하부 클래드층(10)의 굴절률은 2.39인 것이 실험에 의해 얻어지고 있다.
이상, 본 발명의 광 아이솔레이터(1)에 대하여, 동작 파장(λ)=1.55㎛의 경우를 예로 들어 설명해 왔다. 그렇지만, 동작 파장(λ)=1.55㎛ 이외에, 예를 들면, 동작 파장(λ)=1.31㎛대에서도, 도파층의 굴절률을 높게 함으로써, 최대의 비상반 이상량을 얻기 위해서 필요한 전파 거리는 짧아지고, 이것에 의해, 광 아이솔레이터의 디바이스 길이가 짧아져, 소형화할 수 있다.
그래서, 이하에, 광 아이솔레이터의 동작 파장(λ)=1.31㎛일 경우에 대하여 설명한다. 또한, 동작 파장을 제외한 그 밖의 구성은 상기한 동작 파장(λ)=1.55㎛인 광 아이솔레이터(1)의 경우와 동일하므로, 동일한 구성요소에는, 동일한 부호를 붙이고, 그 설명은 생략한다.
즉, 반도체 레이저의 동작 파장(λ)=1.31㎛이며, 도파층(3)으로서 밴드갭 파장(λg)=1.15㎛의 GaInAsP을 사용하고, 상부 클래드층(8)으로서, Ce:YIG(동작 파장(λ)=1.31㎛에서의 굴절률이 2.202, 패러데이 회전계수=-7360deg/cm), 기판(2)으로서 InP(동작 파장(λ)=1.31㎛에서의 굴절률=3.207)의 경우에 대하여 나타낸다.
도 25는 도파층(3)의 두께와 비상반 이상량의 관계를 나타내는 그래프이다. 즉, 도파층(3)의 굴절률을 3.375로 일정하게 하고, 도파층(3)의 두께를 변화시키고, 비상반 이상량의 크기를 계산한 결과의 1 예를 나타낸다. 또한, 도 25는 반도체 레이저의 동작 파장(λ)=1.31㎛, 기판(2)으로서 InP, 도파층(3)으로서 굴절률 3.375의 GaInAsP, 클래드층(8)으로서 Ce:YIG를 사용했다.
도 25로부터, 동작 파장(λ)=1.31㎛에서, 굴절률이 3.375의 도파층(3)은 두께가 0.396㎛일 때에 비상반 이상량이 최대가 되는 것을 알 수 있다.
도 26은 도파층(3)의 굴절률과 비상반 이상기(4)의 길이의 관계를 나타내는 도면이다. 즉, 도 26은 도파층(3)의 각 굴절률에서, 광 아이솔레이터(1)의 동작에 필요한 π/2의 비상반 이상량을 얻기 위하여 필요한 전파 거리를 계산한 결과를 나타내는 그래프이다. 또한, 도 26은 동작 파장(λ)=1.31㎛, 도파층(3)으로서 GaInAsP에서, 그 두께는 각 굴절률에서 최대의 비상반 이상량이 얻어지는 두께의 것을 사용한다.
도 26으로부터, 도파층(3)의 굴절률이 높을수록, 일정한 비상반 이상량을 얻기 위하여 필요한 전파 거리가 짧아지기 때문에, 비상반 이상기(4)의 길이를 짧게 할 수 있는 것을 알 수 있다. 즉, 도파층(3)의 굴절률을 높임으로써, 비상반 위상량이 커져, 아이솔레이터 동작에 필요한 비상반 이상기(4)의 길이를 짧게 할 수 있다.
이러한 효과는 도파층(3)의 굴절률이 높으면 높을수록 크다. 그러나, 기판(2)과 격자정합이 취해진 GaInAsP를 도파층(3)으로 하는 경우, 도파층(3)의 굴절률을 높이는 것은 밴드갭 파장(λg)을 보다 장파장으로 설정하게 된다. 한편으로, 상기한 바와 같이, 광 아이솔레이터(1)는 저손실인 것이 요구되기 때문에, 동작 파장(λ)에 대하여 밴드갭 파장(λg)을 어느 정도 사이를 떨어뜨릴 필요가 있다. 즉, 동작 파장(λ)에 비해 상당히 짧은 밴드갭 파장(λg)을 갖는 GaInAsP를 도파층(3)으로서 사용할 필요가 있다.
따라서, 도 26에서 가장 굴절률이 높은 3.447의 도파층(3)은 밴드갭 파장(λg)=1.25㎛에 대응하고 있고, 1.31㎛ 파장대(1.26∼1.36㎛)에서의 동작을 생각하면, 도파층(3)으로서 GaInAsP를 사용하는 경우에는, 더 이상의 고굴절률화는 곤란하다.

Claims (8)

  1. 기판과, 이 기판에 격자 정합하는 도파층과, 비상반 이상기를 구비하고, 상기 도파층에는, 이 도파층을 도파하는 도파로 및 굽힘 도파로가 형성되고, 또 분지 결합기가 배열 설치되어서 구성된 광 아이솔레이터로서,
    상기 도파층은 반도체 조성을 변화시켜 굴절률을 3.36보다 크게 한 것을 특징으로 하는 광 아이솔레이터.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 도파층은 이 도파층의 굴절률에 대하여 최대의 비상반 이상량을 발생시키는 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 광 아이솔레이터.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 비상반 이상기의 길이를 6.14mm 미만으로 한 것을 특징으로 하는 광 아이솔레이터.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 굽힘 도파로는 곡률반경이 1.00mm 미만인 것을 특징으로 하는 광 아이솔레이터.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분지 결합기는 다모드 간섭형 분지 결합기인 것을 특징으로 하는 광 아이솔레이터.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광 아이솔레이터는 디바이스 길이가 10.08mm 미만인 것을 특징으로 하는 광 아이솔레이터.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도파층은 III-V족 화합물 반도체인 것을 특징으로 하는 광 아이솔레이터.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판은 InP이며, 상기 도파층은 GaxIn1 - xAsyP1 -y(0<x<1, 0<y<1)인 것을 특징으로 하는 광 아이솔레이터.
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