WO2007088998A1

WO2007088998A1 - 光アイソレータ

Info

Publication number: WO2007088998A1
Application number: PCT/JP2007/051866
Authority: WO
Inventors: Tetsuya Mizumoto; Kazumasa Sakurai
Original assignee: Tokyo Institute Of Technology; Mitsumi Electric Co. , Ltd.
Priority date: 2006-01-31
Filing date: 2007-01-30
Publication date: 2007-08-09
Also published as: JPWO2007088998A1; US20090034909A1; CN101375200A; KR20080100213A; EP1980895A1

Abstract

基板と、該基板に格子整合する導波層と、非相反移相器とを備え、導波層には、導波層を導波する導波路及び曲げ導波路が形成され、また分岐結合器が配設されて構成された光アイソレータであって、導波層の半導体組成を変化させて屈折率を３．３６より大きくする。

Description

明細書光アイソレ一夕

技術分野本発明は小型化構造の光アイソレータに関し、特に基板と格子整合を有する導波層の半導体組成を変化させて屈折率を大きくすると共に、曲げ導波路の許容曲率半径を小さくし、多モード干渉型分岐結合器を利用してデバイス長を短縮した小型化構造の光アイソレータに関する。景技術光アイソレー夕は、一方向にのみ光を透過させ、これと反対の方向に伝搬しようとする光を阻止する素子である。例えば、光ァィソレー夕を半導体レーザの出射端に配置することによって、レ一ザから出射される光は光アイソレータを透過し、これを光ファィバ通信用の光源として用いることができる。逆に光アイソレー夕を通して半導体レーザに入射しょうとする光は、光アイソレー夕によって阻止され、半導体レーザに入射することはできなレ。光アイソレータを半導体レーザの出射端に置かないと半導体レザに反射戻り光が入射し、これが半導体レーザの発振特性を劣化させてしまう。すなわち、光アイソレータは半導体レーザに入射しょうとする光を遮り、半導体レ一ザの特性を劣化させることなく、安定な発振を保つ働きをする。

上述した半導体レ一ザに限らず光増幅器などの光能動素子においては、意図せず逆向きに光が入射することによって、素子の動作特性が劣化する。光アイソレー夕は一方向にしか光を透過しないため、光能動素子に意図せず逆向きに光が入射することを防止することができる。

光アイソレー夕の動作原理を第 1 図に示す。光アイソレータは、光干渉計を構成する 2本の光導波路中に発生する伝搬方向によつて大きさが異なる位相変化（以下、「非相反移相効果」とする）を用いて、前進波に対しては 2本の光導波路を伝搬する光波が同位相となるように、逆方向に伝搬する後退波に対しては逆位相となるように設定される（第 1 図（ a ) )。

二つの光波が同位相になる場合には、構造の対称性から出力側に設けられた分岐結合器において中央の出力端から出力される (第 1 図（ b ) )。

一方、逆位相になる場合は、構造の対称性から入力側に設けられた分岐結合器において反対称の分布が形成されるため、結合器の中央出力端からは出力されずに、中央の出力端の両脇に設けられた不要光出力端から出力される（第 1 図（ c ) )。

すなわち、図中左側の分岐結合器の中央入力端から入射した光波は図中右側の分岐結合器の中央出力端から出力され、逆に図中右側の分岐結合器の中央出力端から入射した光波は、図中左側の分岐結合器の中央入力端に入ることがなく、図中右側の分岐結合器の中央出力端から入射された逆方向伝搬光をァイソレートすることができる。

光アイソレー夕のこのような光の分岐結合特性の動作を実現するためには、一定量の非相反移相効果が必要である。非相反移相効果は、磁気光学材料（磁気光学効果を有する材料）を平面状の導波路中に配置し、外部から導波路面内で伝搬方向に直交する方向（横方向）に磁界を印加して、磁気光学材料の磁化を配向することによって発生させることができる。光の伝搬方向と磁化の配向方向の関係によって、磁気光学効果による位相変化が決まり、磁化方向を保ったまま伝搬方向を反転させると位相変化が異なる。

第 1 図に示す光アイソレータでは、干渉計を構成する 2本の導波路に互いに反並行に磁界が印加されているため、 2本の導波路中を同じ距離伝搬した際の光波の位相差が非相反移相量（前進波と後退波の位相変化の差）に一致する。また、前進波に対して非相反移相効果によって 2本の導波路間に + φの位相差が生じるとすると、後退波に対してはこれと異符号一 Φの位相差が生じることになる。

ここで、干渉計を構成する 2本の導波路には、 1 Z 4波長に相当する光路長差が設けられている。これは、方向によらず光路の長い導波路を伝搬する光が兀 Z 2だけ大きな位相変化を与えることを目的とする。すなわち、前進波に対しては、光路の長い導波路の方が短い導波路に比べて非相反移相効果による位相差（以下、「非相反移相位相差」という。）一 π Z 2 を生じるようにすれば、前進波に対して 2本の導波路を伝搬する光波は同位相となる。このとき、伝搬方向を反転すると、非相反移相位相差は符号が反転するため、光路の長い導波路の方が非相反移相位相差 + ττ Ζ 2 を与えられる。これと光路長差による + π Ζ 2 の位相差が加わり、逆位相状態で分岐結合器に入力することになる。以上のことから、第 1図の干渉型光アイソレータにおいて、 π / 2 の非相反移相位相差が必要であると結論することができる。従来より、半導体レ一ザとの集積化に適した光アイソレータとして、第 2図に斜視図で示す干渉型光アイソレータ 1 0 1が考案されていた。

この従来の光アイソレータ 1 0 1 は、化合物半導体基板 1 0 2 上に半導体材料を用いた導波層 1 0 3を配設し、この導波層 1 0 3上に導波路 1 0 4 と、分岐結合器 1 0 5 とを配設し、さらに導波層 1 0 3上に、非相反移相器 1 0 6 を設けて成るものである。なお、非相反移相器 1 0 6 は、磁気光学材料からなるクラッド層 1 0 7 と、磁気光学材料の磁化を所定の方向に揃えるための磁界印加手段 1 0 8 とを具備しており、クラッド層 1 0 7上に磁界印加手段 1 0 8 を配設して形成されている。

この光アイソレータ 1 0 1 のデバイス寸法例を第 3 図に概略上面図で示す。

この光アイソレータ 1 0 1 は、基板 1 0 2 として I n Pが用いられ、導波層 1 0 3 として、屈折率 3. 3 6の G a I n A s P (バンドギャップ波長え _g = l . 2 5 /x m、 I n P基板 1 0 2 に格子整合）が用いられ、クラッド層 1 0 7 として、 C e ： Y I G (半導体レーザの動作波長 λ = 1. 5 5 z mにおけるファラデー回転係数 = _ 4 5 0 0 d e g Z c m) が用いられて構成されていた。

また、非相反移相位相差は、伝搬距離に比例する。したがって、単位伝搬長当りの非相反移相効果が大きい方が、 / 2の位相差を発生させるのに必要な伝搬距離を短くすることができる。この光アイソレータ 1 0 1 の導波路 1 0 4の構造では、単位伝搬長当りの非相反移相量は 0. 2 5 6 mm— ¹であり、 π Ζ 2 の非相反位相差を得るのに必要な伝搬距離は 6. 1 4 mmであった。

また、分岐結合器 1 0 5 としてテーパ状分岐結合器が用いられており、上述したような光アイソレータ 1 0 1 の動作に必要な完全な分岐結合特性を得るために、第 4図に分岐結合器 1 0 5 の概略構成図で示すように、結合部分の導波路（以下、「結合導波路」と言う。）の長さが 0 · 4 1 m m必要であった。

さらに、結合導波路の前後に S字形の曲げ導波路部分を設ける必要があり、屈折率が 3. 3 6である G a I n A s Pの導波層 1 0 3でリブ形導波路を形成した場合には、第 3図に示すように、曲げ導波路部分の長さが 0. 7 8 m m必要であった。

すなわち、この従来の光アイソレータ 1 0 1では、導波路 1 0 4の曲がり部分の長さが 0. 7 8 X 4 = 3. 1 2 m m、テ一パ状分岐結合器 1 0 5 の長さが 0. 4 1 X 2 = 0. 8 2 mm、非相反移相器 1 0 6の長さが 6. 1 4 mm必要であり、結果として光ァイソレー夕 1 0 1 の縦方向のデバイス長は 1 0. 0 8 mm必要であった。

なお、この従来の光アイソレータ 1 0 1 の幅方向のデバイス長は、 S字状の曲げ導波路の許容曲率半径と横方向のシフト量によつて決まる。横方向のシフト量は、 1つの S字状の曲げ導波路で 0. 1 5 m m必要であるという条件で設計している。すなわち、非相反移相器 1 0 6 の直下に相当する導波路 1 0 4の部分に反平行な磁界を印加する必要があることから、 2本の導波路間隔を 0. 3 mmとする必要がある。また、この場合、 S字状の曲げ導波路の曲率半径（ R ) は 1 . 0 m mが必要となる。

しかしながら、上述したような構造を有する従来の光アイソレ一夕では、光が伝搬する方向に直交する方向（幅方向）の長さは、導波路の幅（数 m) の数倍〜数十倍程度（数 ^ m〜 l 0 0 /1 τη 程度）であり、小型化の上で大きな問題にはならないが、素子長 (光が伝搬する方向に沿った素子の長さ）がミリメートルオーダ —となり、光集積回路の小型化に対して大きな問題となっていた。発明の開示本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、導波層の屈折率を上げると共に、各屈折率で最大の非相反移相量が得られる導波層の厚さを設定し、動作波長とバンドギヤップ波長との差を確保してデバイス長を短縮した光アイソレ一夕を提供することにある。

本発明は光アイソレー夕に関し、本発明の上記目的は、基板と、該板に格子整合する導波層と、非相反移相器とを備え、前記導波層には、該導波層を導波する導波路及び曲げ導波路が形成されまた分岐結合器が配設されて構成された光アイソレータであつて、前記導波層は、半導体組成を変化させて屈折率を 3 . 3 6より大きくしたことによって達成される。

また、本発明の上記目的は、前記導波層は、該導波層の屈折率に対して最大の非相反移相量を発生させる厚さを有する光ァィソレ一夕を提供することによって、効果的に達成される。

また、本発明の上記目的は、前記非相反移相器の長さを 6 . 1

4 m m未満にした光アイソレ一夕を提供することによって、より効果的に達成される。'

また、本発明の上記目的は、前記曲げ導波路は、曲率半径が 1 -

0 0 m m未満である光アイソレー夕を提供することによって、よ

Ό効果的に達成される。

また、本発明の上記目的は、前記分岐結合器は、多モード干渉型分岐結合器である光アイソレータを提供することによって、より効果的に達成される。

また、本発明の上記目的は、前記光アイソレータは、デバイス長が 1 0 . 0 8 m m未満である光アイソレータを提供することによって、より効果的に達成される。

また、本発明の上記目的は、前記導波層は、 m— V族化合物半導体である光アイソレ一夕を提供することによって、より効果的に達成できる。

さらにまた、本発明の上記目的は、前記基板は I n Pであり、前記導波層は G a x I n x A S y P i— _y ( 0 < x < 1 , 0 < y < 1 ) である光アイソレータを提供することによって、より効果的に達成される。発明の効果本発明の光アイソレータによれば、従来の導波に比べて屈折率を大きくすることができるので、単位伝搬長当りの非相反移相効果を大き <することができ、非相反移相量を増大させるとができる。従て、光アイソレータのデバイス長を縮するとができ、小型化することができる。

また、導波層の屈折率を大きくすることで、横方向への光閉じ込め効果を高めることができるので、 S字状の曲げ導波路の曲率半径を小さ <することができる。従って、光アイソレ一タのデバイス長をより短縮化することができ、小型化することができる。

さらに、分岐結合器として、テーパ状分岐結合器ではなく、多モード干渉型分岐結合器を用いることにより、光アイソレータをより小型化することができる。

すなわち、非相反移相器の長さを 6. 1 4mm未満に、 S字導波路の曲率半径を 1. 0 O mm未満にすることで S字導波路の縦方向への長さを 0. 7 8 mm未満に、結合器の長さを 0. 4 1 m m未満にすることができ、これにより光アイソレータのデバイス長を 1 0. 0 8 mm未満にすることができる。

なお、導波層の半導体組成を変化させることで屈折率を大きくすることができ、これにより、導波層の厚さが薄くなることから、光アイソレー夕の高さ方向の小型化も導波層の厚さに応じて可能となって.いる。図面の簡単な説明第 1図は、干渉型光アイソレー夕の動作原理の概略説明図である。

第 2図は、従来の干渉型光ァイソレー夕の一例を示す斜視図である。

第 3図は、従来の光アイソレータの構造の一例を示す平面図である。

第 4図は、従来のテ一パ状分岐結合器の概略構成図である。第 5図は、本発明に係る光アイソレータの構造の一例を示す平面図である。

第 6図は、第 5図の A— A' 断面図である。

第 7図は、化合物半導体材料とそのバンドギャップ波長との関係を示した図である。

第 8図は、バンドギャップ波長と導波層の屈折率との関係を示した図である。

第 9図は、本発明に係る光アイソレー夕の導波層の厚さと非相反移相量との関係を示す図である。

第 1 0図は、本発明に係る光アイソレータの導波層の屈折率と、最大の非相反移相量が得られる導波層の厚さとの関係を示す図である。

1 1図は、本発明に係る光アイソレータの導波層の屈折率と、クラッ H層への光パワーの漏洩割合との関係を示す図である。第 1 2図は、本発明に係る光アイソレータの導波層の屈折率と非相反移相器の長さとの関係を示す図である。

第 1 3図は、第 3図の B— B '断面図である。

第 1 4図は、第 1 3図に示す曲げ導波路において、曲率半径と曲がり損失量との関係を示す図である。

第 1 5図は、第 5図の C— C '断面図である。

第 1 6図は、第 1 5 図に示す曲げ導波路において、曲率半径と曲がり損失量との関係を示す図である。

第 1 7図は、 M M I カツブラの階段屈折率導波路の二次元例を示す図である

第 1 8図は、 M M I カツブラの階段屈折率導波路内のモードの一例を示す図である。

第 1 9図は、 M M I カツブラの多モード導波路のモード断面図の一例である。

第 2 0図は、多モード干渉型分岐結合器の概略構成図である。第 2 1 図は、本発明の光アイソレータの他の一例を示す斜視図である。

第 2 2図は、第 2 1 図の D— D ' 断面図である。第 2 3図は、本発明の他の実施形態である光アイソレー夕の導波層の厚さと非相反移相量との関係を示す図である。

第 2 4図は、本発明の他の実施形態である光アイソレータの導波層の屈折率と非相反移相器の長さとの関係を示す図である。

第 2 5図は、動作波長 λ = 1 . 3 l mである光アイソレータの導波層の厚さと非相反移相量との関係を示す図である。

第 2 6図は、動作波長 λ = 1 . 3 1 mである光アイソレータの導波層の屈折率と非相反移相器の長さとの関係を示す図である。 . 発明を実施するための最良の形態以下に、本発明に係る光アイソレー夕について、図面を参照しながら詳細に説明する。

[光アイソレータ]

第 5図は、本発明に係る光アイソレータ 1 の一例を示す平面図であり、第 3図の従来の光アイソレー夕 1 0 1 と対応させた図面である。また、第 6図は、第 5図の A— A ' 断面図であり、光ァイソレー夕 1 の概略断面図である。

光アイソレータ 1 は、図示するように、基板 2 と、導波層 3 と、非相反移相器 4 とを備え、また、導波層 3 には、該導波層 3 を導波する導波路 5及び曲げ導波路 6 を形成し、また分岐結合器 7が配設されている。すなわち、光アイソレータ 1 は、基板 2上に、 ' 半導体材料を用い、基板 2 に格子整合するように形成され、また、導波路 5及び曲げ導波路 6が形成され、分岐結合器 7が配設された導波層 3 を配設し、さらに、導波層 3上に非相反移相器 4を配設して構成されている。この非相反移相器 4は、磁気光学材料からなるクラッド層 8 と、磁気光学材料の磁化を所定の方向に揃えるための磁界印加手段 9 とを具備し、クラッド層 8上に磁界印加手段 9が配設されて構成されている。

また、光アイソレータ 1 には、図示するように分岐結合器 7 として多モード干渉型分岐結合器が用いられている。多モード干渉型分岐結合器は、図示するように、レーザ光の入力側に配置される入力部 M M I カップラ 7 1 と、出力側に配置される出力部 M M I カップラ 7 2 とを備えている。

図示するように、曲げ導波路 6 の長さは 0. 5 5 mmであり、入力部 MM I カップラ 7 1 の長さは 0. 2 5 mm、出力部 MM I カップラ 7 2 の長さは 0. 0 5 m mである。また、非相反移相器 4の長さは 3. 7 3 mmである（従来は 6. 1 4 mmであった）。光アイソレー夕 1 は、このように構成されているので、従来 1 0. 0 8 mmであったデバイス長を、 5. 6 8 mmと短縮することができる。

なお、上述した光アイソレータ 1 の各構成要素の長さは最適な実施例の一例であり、後述する導波層 3の厚さ及び屈折率、半導体レーザの動作波長 λ等の変化により、これらの各構成要素の長さも変化する。しかしながら、デバイス長が 1 0. 0 8 mm未満の光アイソレータ 1 を得ることができれば本発明の目的は達成される。

また、光アイソレータ 1 には、第 5図及び第 6図に示すように、非相反移相器 4の下に 2本の導波路 5 , 5が配設されている。この 2本の導波路 5， 5間の距離（非相反移相器 4の直下に対応する部分の導波路 5 , 5間の距離）を 0. 3 mmとしている。次に、光アイソレータ 1 を構成する各構成要素について詳述する。

[基板 2 ]

光アイソレータ 1 は、基板 2 として化合物半導体基板を用いる。なお、本実施形態は、後述するように、半導体レーザの動作波長 λ = 1 . 5 5 mであるので、 I n P基板を用いるが、レーザの動作波長の波長帯に応じた化合物半導体基板を用いれば良い。

[導波層 3 ]

導波層 3 は、化合物半導体材料を用いて、半導体レーザの活性層と同一工程で形成される。また、このような構造であると、光アイソレータ 1 の導波層 3 と半導体レーザの活性層とを同種の材料によって同時に結晶成長させることができ、厚さ方向の光軸合わせは自動的に達成される。

なお、光アイソレータ 1 に用いられる導波層 3 としては、半導体組成を変化させて屈折率を 3. 3 6よりも大きくしたものを用いる。

すなわち、導波層 3 として、 m— V族化合物半導体で構成されたものを用いる。このような導波層 3 としては、第 7 図に化合物半導体材料とそのバンドギャップ波長との関係の図で示すよう' に、例えば G a x l ri i— _x A s _y P卜 _ν ， Α ΐ χ ΐ ι^— _x G a _y A s _x _ _y ( 0 < x < 1 , 0 < y < 1 ) などを用いることができる。なお、以下では、導波層 3 として G a x l r]^— x A S y P i— _yが用いられた場合について説明するが、他の IE— V族化合物半導体で構成された導波層についても、同様である。

G a I n A s Pを利用した導波層 3 は、 G a I n A s Pの結晶性を良くするため、 I n P基板 2 と格子定数の一致する格子整合を有している。この格子整合を崩さずに、 G a x I ri i— x A S y P i __yの X値、 y値を変化させて半導体組成を変化させることで、導波層 3の屈折率を変化させ、屈折率が 3. 3 6より大きくなるように調整する。

通常、導波層 3 の屈折率が高くなると、価電子帯に存在する電子を伝導体に励起するバンドギャップエネルギーが低下する。すなわち、

バンドギャップエネルギー = [ 1. 2 4 e Vノバンドギャップ波長（ m ) ] +

のバンドギャップ波長が長くなる。なお、第 8図に、ノンドギヤップ波長と導波層の屈折率との関係を示す。ただし、半導体レーザ波長え = 1 . 5 5 mとし、導波層 3 として G a I n A s Pを用い、また導波層 3である G a I n A s Pは、基板 2である I n Pに格子整合している。

バンドギヤップ波長が長くなり、動作波長に近づくと、動作波長における G a _x I i i— x A S y P i— _yによる光吸収の影響によるレーザ光のエネルギー減少を考慮する必要がある。このため、動作波長とパンドギャップ波長との差が一定以上（レーザ光のェネルギ一減少後のエネルギー収率が問題とならない程度）になるように G a _x I r^— x A S y P i _yの半導体組成を選び、屈折率を決定する必要がある。

しかし、動作波長（本実施例では 1. 5 5 m ) とバンドギヤップ波長との差が一定以上あっても、実際には、動作波長より長いバンドギャップ波長を有する G a I n A s P を導波層に用いることはできない。なぜならば、動作波長より長いバンドギヤップ波長を有する G a I n A s Pは、動作波長の光を高効率に吸収してしまうため光アイソレータの導波層としては不適当であるからである。従って、動作波長より短いバンドギヤップ波長を有する G a I n A s Pが導波層 3 に用いられる。

さらに、 G a I n A s Pのバンドギャップ波長が動作波長より僅かに短いだけでは、導波路 5 における光の吸収が十分には小さくならず、光アイソレー夕 1 の順方向損失を十分に低減することができない。このため、実際には動作波長に比べてかなり短いパンドギャップ波長を有する G a I n A s Pが導波層に用いられる。

ここで、動作波長において、導波路 5 における光の吸収が十分小さくなるようにバンドギャップ波長を選ぶために、ノンドギヤップ波長をどのくらい動作波長から短くすればよいかという点については明確な定めがない。経験的に、バンドギャップ波長が動作波長に比べて 0 . 1 m短い G a I n A s Pであれば、導波路 5 における光の吸収は十分に小さいといえる。

なお、本実施例では、光アイソレータ 1 の動作波長 λが 1 . 5 2 m以上であることを想定して、バンドギャップ波長 A _g = 1 . 4 2 mの G a I n A s Pを導波層として用いた場合を示している。

また、導波層 3の厚さは、半導体レ一ザの動作波長に対して、最大の非相反移相量を発生させる厚さである。

第 9図は、導波層 3 の厚さと非相反移相量との関係を示す図である。すなわち、導波層 3 の屈折率を一定にし、導波層 3の厚さを変化させて、非相反移相量の大きさを計算した結果の一例を示すグラフである。なお、第 9図は、半導体レーザの動作波長； =

1 . 5 5 m , 基板 2 として I n P、導波層 3 として屈折率 3 . 3 6及び 3. 4 5の G a I n A s P、クラッド層 8 として、非相反移相変化を提供する磁気光学物質（ C e ： Y I G) を用いた。

第 9図より、導波層 3の屈折率が一定である場合、非相反移相量は導波層 3の厚さに対応して変化することが分かる。なお、第 9図では、最大の非相反移相量が得られる導波層 3の厚さは、導波層 3の屈折率が 3. 3 6の場合は 0. 4 4 mであり、導波層の屈折率が 3. 4 5の場合は 0. 3 6 111である。

第 1 0図は、導波層 3 の屈折率と、最大の非相反移相量が得られる導波層 3 の厚さとの関係を示すグラフである。第 1 0図に示すように、この最大の非相反移相量が得られる導波層 3の厚さは、導波層 3の屈折率が変化することに伴って変化する。なお、第 1 0図は、半導体レ一ザ波長 λ = 1 . 5 5 z m、導波層 3 として G a I n A s P導波層を用いている。

[非相反移相器 4 ]

非相反移相器 4は、上述したように、この非相反移相器 4は、磁気光学材料からなるクラッド層 8 と、磁気光学材料の磁化を所定の方向に揃えるための磁界印加手段 9 とを具備し、クラッド層 8上に磁界印加手段 9が配設されて構成されている。

クラッド層は、適当な基板上に結晶成長されたものが用いられるが（この基板は、クラッド層 8 と磁界印加手段 9 との間に位置する）、図ではこの基板は省略している。

また、図示するように、本実施例では、磁界印加手段 9 として、同極性が対向するように配置された一対の小型永久磁石を用いている。しかしながら、クラッド層 8 に用いる磁気光学材料の磁化を所定の方向に揃えるために、小型永久磁石と同様の機能を有するものであれば、種々のものを用いることができる。さらにま W 200 た、磁界印加手段 9 を設けずに、クラッド層 8 に用いる磁気光学材料自体を予め磁化させておくようにしてもよい。

このような非相反移相器 4を小型化するためには、短経路で非相反移相量を増大させる必要がある。

また、大きな非相反移相量を得るためには、非相反移相器 4におけるクラッド層 8への光パヮ一の漏洩を大きくする必要がある。

( 1 ) 導波層 3 の厚さを一定に保ったまま、導波層 3 の屈折率を高くすると導波層 ·3への光閉じ込め効果がよくなるため、磁気光学材料であるクラッド層 8への光パワーの漏洩が小さくなる。

( 2 ) —方で、導波層 3 の屈折率を高くすると、一定値以下の導波層 3 の厚さにおいて導波路 5 中を光が伝搬できなくなる膜厚（カットオフ膜厚）が薄くなる。すなわち、導波層 3の屈折率を高くすると、非相反移相器 4における導波層 3 の厚さを薄くすることができるため、クラッド層 8への光パワーの漏洩が大きくなる。

( 2 ) 項の事項は（ 1 ) 項の事項と逆向きに働く効果であり、 ( 2 ) 項と（ 1 ) 項のどちらの効果が勝るかによつて、磁気光学材料への光パワーの漏洩が大きくなるか、小さくなるかに分かれる。

第 1 1 図は、導波層 3の屈折率と、クラッド層 8への光パワーの漏洩割合との関係を示すグラフである。なお、第 1 1 図は、動作波長 λ = 1 . 5 5 z m、導波層 3 として G a I n A s P導波層で、その厚さは各屈折率で最大の非相反移相量が得られる厚さの導波層を用い、またクラッド層 8 として C e ： Y I Gを用いた。

第 1 1 図から、導波層 3 の屈折率が高くなると、クラッド層 8 への光パワーの漏洩が大きくなることが分かる。すなわち、屈折率が 3 . 3 6の従来の導波層と、屈折率が 3 . 4 5の本発明の導波層 3の光パワーの漏洩割合を比較すると、光パワーの漏洩割合が約 1 . 0 %上昇していることが分かる。従って、第 1 1図においては、（ 1 ) 項の効果に対して、（ 2 ) 項の効果の方が勝っているということが分かる。

また、第 1 2図は、導波層 3の屈折率と、非相反移相器 4の長さとの関係を示す図である。なお、第 1 2図は、動作波長 λ = 1 . 5 5 u rn , 導波層として G a I n A s P導波層で、その厚さは各屈折率で最大の非相反移相量が得られる厚さの導波層を用いる。

図 1 1から、非相反移相翠 4において、クラッド層 8への光パヮ一の漏洩を大きくすると、非相反移相器 4の長さは従来の 6 . 1 4 m mから、最大、バンドギャップ波長と動作波長との差が一定以上である導波層 3 の屈折率で得られる長さまで短くすることができることが分かる。

[曲げ導波路 6 ]

曲げ導波路 6 を小型化し、光アイソレータ 1 を小型化するためには、導波層 3 に形成された曲げ導波路 6の曲げ部分の曲率半径を小さくする必要がある。しかしながら、曲げ導波路 6の曲率半径が小さくなると、光が導波路 5 , 6の外部に放射されることによる光の損失（曲がりによる光の損失。以下、これを「曲がり損失」と言う。）が大きくなる。

この曲がり損失を最大限防ぐために、導波路 5のコア部分（導波層 3内で横方向に光波が集中する部分）への光閉じ込め効果を高める必要がある。なお、光アイソレータ 1 には、曲げ導 ¾路 6 として S字導波路が用いられている。で、従来の光アイソレータ 1 0 1 と本発明の光アイソレタ 1 とで、曲げ導波路 6における、曲率半径を変化させた場合の曲がり損失を比較する。

第 1 3図は、従来の光アイソレータ 1 0 1 を示した第 3図の B 一 B 断面図であり、第 1 4図は、第 1 3図に示す曲げ導波路（導波層の屈折率 3 . 3 6、動作波長 1 . 5 5 m) において、曲率半径と曲がり損失量との関係を示す図である。

第 1 5 図は、本発明の光アイソレータを示した第 5 図の C ―

C ' 断面図であり、第 1 6図は、第 1 5図に示す曲げ導波路 6 (導波層 3 の屈折率 3 . 4 5、動作波長 1 . 5 5 /z m) において、曲率半径を変化させた場合の曲がり損失の変化を示す図である。

しかしながら、曲げ導波路 6 を通過する光は曲がり損失のみならず、導波路 5 の側壁の凹凸による散乱損失もあるため、純粋な曲がり損失を求めることは実測としては難しい。このため、シミュレ ―シンにおける曲がり損失の理論値と、実測値とでは大きな差が出てしまう。そこで、より現実に近づけるため、第 1 4図及び第 1 6図でプロットされている曲がり損失測定値は、散乱損失も含めた実測値であり、さらに数回の実測値の平均値である。また、第 1 4図及び第 1 6図に示した曲がり損失測定値は、曲げ導波路 6の 1 区間における損失値である。

第 1 4図に示す従来の光アイソレータの曲げ導波路は、曲率半径 R = 1 0 mm ( 1 0 0 0 m) の時に、曲がり損失が約 1 d

Bとなるしかしながら、第 1 4図に示すように、従来の光アイソレ —夕において、曲げ導波路の曲率半径 Rを 1 . 0 mmよりもさらに小さくすると、曲がり損失が急激に増えてしまう。このよに曲がり損失が急激に増えてしまうのは、導波路外部に光を一気に放射してしまうためである。従って、従来の光アイソレ一夕の曲げ導波路は、曲率半径 Rを 1 . 0 m mより小さくすることがでさなかった。

これに対し、第 1 5図に示す本発明の光アイソレ一夕 1 の曲げ導波路 6は、第 1 6図に示すように、曲率半径 Rを 1 . 0 m mよりも小さくしても、曲がり損失は緩やかには増加するが、急激に増加することはない。

すなわち、本発明の光アイソレー夕 1 の曲げ導波路 6は、導波路 5のコア部分に対して光閉じ込め効果が得られており、これにより曲がり損失を効果的に抑えられている。従って、曲げ導波路 6の曲率半径 Rを 1 . 0 m mより小さくすることができるため、曲げ導波路 6 のデバイス長を短くすることができ、これにより光アイソレータ 1 のデバイス長を短くすることができ小型化することができる。

[分岐結合器 7 ]

本発明の光アイソレータ 1 には、上述したように、分岐結合器 7 として、入力部 M M I カップラ Ί 1及び出力部 M M I カップラ 7 2 を備える多モード干渉型分岐結合器が用いられる。これにより、光波が分岐 · 結合される部分である結合導波路の長さを短くすることができるので、光アイソレータ 1 をより小型化することができる。

すなわち、多モード干渉型分岐結合器の場合、入力部 M M I 力ップラ 7 1では、 3本の入力導波路と、 2本の出力導波路が設けられ、出力部 M M I カップラ 7 2では、 2本の入力導波路と、 1 本の出力導波路が設けられている。

このように入力部と出力部とで構造が異なるのは、多モード干渉型分岐結合器の場合、入力部 M M I カップラ 7 1では、逆位相で入射する光波を外部に効率よく放射させる必要があるため、 3 本の入力導波路と、 2本の出力導波路を設ける必要があるが、一方、出力部 M M I カップラ 7 2では干渉計を構成する 2本の導波路（入力導波路）を伝搬する光波は同位相で出力部 M M I カップラ 7 2に入射するため、出力導波路は 1つだけ設ければよいからである。

これに対し、第 4図に示す従来のテーパ状分岐結合器 1 0 5では、入力側では 3本の入力導波路と、 2本の出力導波路とが設けられ、出力側では 2本の入力導波路と、 3本の出力導波路とが設けられており、入力側と出力側とで構成が異なることはない。従って、多モード干渉型分岐結合器は、テーパ状分岐結合器よりも小型であるため、分岐結合器 7 として多モード干渉型分岐結合器を用いると、光アイソレータ 1 の小型化を図ることができる。

また、 M M I カップラ 7 1及び 7 2は、多数の導波モードを許容する多モード導波路構造となっている。従って、通常は光を入射するため、また多モード導波路から光を取り出すために導波路 (一般的には単一モード導波路）が始端及び終端に配置される。多モード導波路は階段屈折率導波路であるので、断面横方向のモード次数が断面縦方向のモ一ド次数に比べてはるかに大きい。このため、断面縦方向は全てのモードで等しく、横方向のみ多数のモードが存在しているとみなすことができ、モードが導波路中で水平方向に振舞うと仮定できる。従って、以下では、断面横方向とモ一ドの進行方向の二次元的な構造で一般性を持たせ、二次元多モード導波路として説明する。

すなわち、 M M I カップラ 7 1及び 7 2はスラブ導波路構造を有し、第 1 7図のような二次元図を有する。なお、図中の W _Mは階段屈折率導波路幅、 n rはリッジ部分等価屈折率、 n _cはクラッド部分等価屈折率を示す。入力された光波は、第 1 8図に示すような階段屈折率導波路内のモ一ドを示す。この導波路は M次の横方向モードを許容し、モード番号は、リ = 0， 1 , · · · ( M - 1 ) となる。 w _eは有効幅を示す。このように幅の広い領域（多モード導波路）に多くの伝搬速度の異なるモードを励振させる。各モードにより伝搬速度が異なるので、伝搬するにつれてさまざまな干渉の様子を示し、この干渉の結果を使って伝搬方向と直交する横方向に適切な光強度分布を形成し、光を分岐させる。逆に伝搬させることにより合波させて結合させることができる。

第 1 9図に多モード導波路の横方向モード断面図を示す。ここで、 L _πは基本モードと 1次モードの振動長の差を表す。このように、 ζ = 0 を始点に W _eを完全に含む入射面は、全モード分布に分解することが可能である。

すなわち、テ一パ状分岐結合器が導波路を近接させて光を他の導波路へ徐々に分岐又は他の導波路から徐々に結合する。これに対し、多モード干渉型分岐結合器は、上述したように、モードを励振させることにより適切な光強度分布を形成し、光を分岐、又は光を伝搬させて結合させるので、分岐結合器 7 を小型化し、この結果、光アイソレータ 1 を小型化することが可能となっている。次に、光アイソレータ 1 を構成する各部の小型化構造について従来寸法と対比しながら実施例を示す。

[導波層 3 ]

導波層 3 として、 G a l n A s Pを用い、基板 2 ( I n P ) に対して格子整合を維持しつつ、導波層 3の厚さを動作波長に対して定量化し、半導体組成を変化させることで、導波層 3の屈折率を増大させる。

[非相反移相器 4 ]

上述の導波層 3の屈折率に対して、最大の非相反移相量を発生させる導波層 3 の厚さを取った時の非相反移相器 4の長さについて、第 1 2図を用いて説明する。

従来の非相反移相器 4の場合、動作波長； 1 = 1 . 5 5 / mに対してバンドギャップ波長 A _g = l . 2 5 mであり、その際の導波層 3 ( & 1 11八 3 ?導波層）の厚さは 0. 4 4 111、屈折率は 3. 3 6、非相反移相器 4の長さは 6. 1 4 mmとなる。本実施例では、動作波長 λ = 1 . 5 5 mに対してバンドギャップ波長 λ ₈ = 1 . 4 2 mとなり、その際の導波層 3 の厚さは 0. 3 6 m, 屈折率は 3. 4 5、 π Z 2 の非相反移相効果を得るための非相反移相器 4の長さは 3. 7 3 mmとなる。

なお、本実施例では数値を明示するため一例として屈折率 3. 4 5、非相反移相器 4の長さを 3. 7 3 m mとしたが、可変値である動作波長 λ と屈折率に依存するバンドギャップ波長 λ _gとの差を一定量確保でき、レ一ザ光の減衰が許容できる範囲であれば屈折率を上げることで非相反移相器 4の長さを短くすることができる。

[曲げ導波路 6 ]

導波層 3 の屈折率が高くなつたことにより導波路 5 内における横方向の光閉じ込め効果が高まり、曲率半径を 0. 5 mmと小さくすることが可能となる。曲率半径が 0. 5 m mと小さくなることで、 0. 1 5 mmの横方向シフト量を得るためには曲げ導波路 6 のデバイス長が 0. 5 5 m mで済み、曲げ導波路 6の小型化が達成される。

なお、曲げ導波路 6の曲率半径は動作波長、動作波長に対応する導波層 3の厚さ、導波層 3の屈折率の大きさによって決まる。このため、上述した曲率半径の数値は一例であり、横方向光閉じ込め効果が得られ、動作波長とバンドギャップ波長との関係からレ一ザ光の減衰が許容範囲である限り、曲率半径をさらに小さくして曲げ導波路 6 のデバイス長をさらに小型化することも可能である。

[分岐結合器 7 ]

従来のテーパ状分岐結合器 1 0 5 を用いた場合の寸法は、第 4 図に示すように、入力側と出力側のテーパ状分岐結合器 1 0 5は、共に 0 . 4 l mmであった。

これに対し、本発明のように多モード干渉型分岐結合器を用いた場合の寸法は、第 2 0図に示すように、入力部 M M I カップラ 7 1が 0 . 2 5 mm、出力部 MM I カップラ 7 2が 0 . 0 5 mm である。

従って、テ一パ状分岐結合器を利用した場合と比べ、約 0 . 5 2 mmのデバイス長を短くすることができ、光アイソレータ 1 を小型化することができる。

なお、 M M I カップラ 7 1及び 7 2のデバイス長は一例であるが、このように M M I カップラ 7 1 及び 7 2 を利用することで、従来のテ一パ状分岐結合器を用いる場合よりも、光アイソレータ 1 の小型化が図れる。また、用いる M M I カップラによって、光アイソレータ 1 をさらに小型化することも可能である。

また、本発明の光アイソレ一夕はその構成を以下のように変更することもできる。なお、基板上に下クラッド層 1 0 を設けたことを除くその他の構成は、上述した光アイソレータと同様であるので、以下では、同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。また、非相反移相器は、上述したようにクラッド層 8 と、磁界印加手段 9 とを具備して構成されるが、以下では、分かり易さのためクラッド層 8 を上クラッド層 8 と表記する。光アイソレ一夕 1 ' は、第 2 1図に斜視図で示し、第 2 2図に第 2 1 図の D— D ' 断面図で示すように、基板 2 と、下クラッド層 1 0 と、導波路 5及び曲げ導波路 6が形成され、また分岐結合器 7が配設された導波層 3 と、非相反移相器 4 とを具備して構成されている。'

すなわち、光アイソレータ 1 ' は、まず基板 2上に、結晶成長された下クラッド層 1 0 を形成する。そして、この下クラッド層 1 0が形成された基板 2上に、半導体材料を用いて結晶成長された導波層 3が配設されている。さらに、導波層 3上には、上クラッド層 8及び磁界印加手段 9 を具備する非相反移相器 4が配設されている。また、導波層 3には、上述した光アイソレータ 1 と同様に、導波層 3 を導波する導波路 5及び曲げ導波路 6が形成されており、さらに分岐結合器 7が配設されている。

なお、下クラッド層 1 0は、非相反移相量を増大させる目的で設けられたものであるため、少なくとも図に示すような位置に揷入されていればよいが、光アイソレータ 1 ' の基板 2上の全面に形成されていてもよい。

光アイソレータ 1 ' のデバイス長は、上述したように、導波層 3の屈折率を高くすることによって短縮化することができる。これに加え、下クラッド層 1 0の屈折率を小さくすることができれば、光アイソレー夕 1 ' のデバイス長をより短縮化し、より小型化することができる。

第 2 3図は、非相反移相量と、導波層 3の厚さとの関係を示す図である。すなわち、下クラッド層 1 0の屈折率（ n _{u e}) を一定にした場合において、導波層 3の厚さの変化に伴う非相反移相量の変化を示したグラフである。なお、第 2 3図は、半導体レーザの動作波長 λ = 1 . 5 5 mとし、導波層 3 として屈折率 3. 4 5の G a I n A s Pを用い、上クラッド層 8 として C e ： Y I G (ファラデー回転係数 =— 4 5 0 0 d e g Z c m) を用い、下クラッド層 1 0 として酸化処理を施した A 1 I n A s (屈折率 n _{u c} = 2. 3 9 ) を用いた。

また、第 2 3図中には、最も屈折率の低い例として空気を下クラッド層 1 0 として用いた場合、すなわち屈折率 n _{u e} = 1 . 0 の場合も点線にて示している。

第 2 3図から、下クラッド層 1 0 を設けない場合（第 9図）と同様に、導波層 3 の屈折率及び下クラッド層 1 0 の屈折率が一定である場合、非相反移相量は、導波層 3 の厚さに対応して変化することが分かる。なお、第 2 3図では、最大の非相反移相量が得られる導波層 3の厚さは、 0. 1 8 mである。

また、第 2 4図に、導波層 3の屈折率と非相反移相器 4の長さとの関係を示す。なお、第 2 4図は、動作波長 λ = 1 . 5 5 rn, 導波層 3 として G a I n A s Pを用い、またその厚さは、導波層 3 の各屈折率で最大の非相反移相量が得られる厚さのものを用いる。

すなわち、導波層 3の厚さを最大の非相反移相量が得られる厚さとして、導波層 3の屈折率に対して、光アイソレータ 1 ' に必要な非相反移相器 4の長さを、下クラッド層 1 0 の屈折率 n _{u c} をパラメータとして計算した結果を第 2 4図に示す。

第 2 4図から、下クラッド層 1 0 の屈折率 n _{u e}が低いほど、非相反移相器 4の長さを短くできることがわかる。

導波層 3 として G a l n A s Pを用いた場合、屈折率 n _{u c}の低い下クラッド層 1 0 を形成する方法として

( 1 ) 導波層 3の基板 2 (動作波長帯により異なるが例えば I n P ) をエッチングなどの方法によって除去し、空気クラッド層を下クラッド層 1 0 とする方法 ' ( 2 )たとえばアルミニウムを含む化合物半導体（ A 1 I n A s ) を結晶成長によって導波層 3 の下に形成し、その後、化合物半導体を酸化することによって A 1 I n A s層の屈折率を低くし、下クラッド層 1 0 とする方法

などが考えられる。

( 1 ) の方法は、最も屈折率が低い空気の下クラッド層 1 0 を形成することができるが、導波層 3 の直下に位置する基板 2 を除去して形成するため、実際の使用において機械的な脆弱性が問題になる可能性がある。

これに対して（ 2 ) の方法は、固体のまま低屈折率な下クラッド層 1 0を基板 2 と導波層 3 との間に形成することができる。このため、非相反移相器 4の長さ、ひいては光アイソレータ 1 ' のデバイス長の短縮化をはかりつつ、上述したような機械的な脆弱性という問題を回避することができる。なお、（ 2 ) の方法で、 A 1 I n A s 層を酸化して形成した下クラッド層 1 0 の屈折率は 2. 3 9であることが実験によって得られている。

以上、本発明の光アイソレ一夕 1 について、動作波長 λ = 1 . 5 5 mの場合を例に説明してきた。しかしながら、動作波長 λ = 1 . 5 5 i m以外、例えば動作波長 λ = 1 . 3 1 x m帯においても、導波層の屈折率を高くすることによって、最大の非相反移相量を得るために必要な伝搬距離は短くなり、これにより、光ァイソレ一夕のデバイス長が短くなり、小型化することができる。

そこで、以下に、光アイソレー夕の動作波長 λ = 1 . 3 1 n m である場合について説明する。なお、動作波長を除くその他の構成は、上述した動作波長 λ = 1 . 5 5 111である光アイソレータ 1 の場合と同様であるので、同一の構成要素には、同一の符号をつけ、その説明は省略する。

すなわち、半導体レーザの動作波長え = 1. 3 1 mであって、導波層 3 としてバンドギャップ波長 λ _g = 1 . 1 5 mの G a I n A s Pを用い、上クラッド層 8 として、 C e ： Y I G (動作波長 λ = 1. 3 l i mにおける屈折率が 2. 2 0 2、ファラデー回転係数 = — 7 3 6 0 d e g Z c m)、基板 2 として I n P (動作波長 λ = 1 . 3 での屈折率 = 3. 2 0 7 ) の場合について示す。

第 2 5図は、導波層 3の厚さと非相反移相量との関係を示すグラフである。すなわち、導波層 3の屈折率を 3. 3 7 5 と一定にし、導波層 3の厚さを変化させて、非相反移相量の大きさを計算した結果の一例を示す。なお、第 2 5図は、半導体レーザの動作波長 λ = 1 . .3 l m、基板 2 として I n P、導波層 3 として屈折率 3. 3 7 5の G a I n A s P、クラッド層 8 として C e : Y I Gを用いた。

第 2 5図より、動作波長 λ = 1 . 3 1 mで、屈折率が 3. 3 7 5 の導波層 3は、厚さが 0. 3 9 6 x mのときに非相反移相量が最大となることが分かる。第 2 6 図は、導波層 3の屈折率と、非相反移相器 4の長さとの関係を示す図である。すなわち、第 2 6図は、導波層 3の各屈折率において、光アイソレータ 1 の動作に必要な π Z 2の非相反移相量を得るために必要な伝搬距離を計算した結果を表わすダラフである。なお、第 2 6図は、動作波長 λ = 1. 3 1 m, 導波層 3 として G a I n A s Pで、その厚さは各屈折率で最大の非相反移相量が得られる厚さのものを用いる。

第 2 6図から、導波層 3の屈折率が高いほど、一定の非相反移相量を得るために必要な伝搬距離が短くなるため、非相反移相器 4の長さを短くできることが分かる。すなわち、導波層 3 の屈折率を高めることによって非相反位相量が大きくなり、アイソレー夕動作に必要な非相反移相器 4の長さを短くすることができる。

このような効果は、導波層 3 の屈折率が高ければ高いほど大きい。しかし、基板 2 と格子整合がとれた G a I n A s Pを導波層 3 とする場合、導波層 3 の屈折率を高めることは、バンドギヤップ波長 λ _gをより長波長に設定することになる。一方で、上述したように、光アイソレータ 1 は低損失であることが求められるため、動作波長 λに対してバンドギャップ波長 λ _gをある程度離す必要がある。すなわち、動作波長 λ に比べてかなり短いバンドギヤップ波長 A _gを有する G a I n A s Pを導波層 3 として用いる必要がある。

従って、第 2 6図で最も屈折率の高い 3. 4 4 7の導波層 3はパンドギャップ波長 λ _g = 1 . 2 5 mに対応しており、 1 · 3 l m波長帯（ 1 · 2 6〜： L . 3 6 m) での動作を考えると、導波層 3 として G a I n A s Pを用いる場合には、これ以上の高屈折率化は困難である。

Claims

請求の範囲

1 . 基板と、該基板に格子整合する導波層と、非相反移相器とを備え、前記導波層には、該導波層を導波する導波路及び曲げ導波路が形成され、また分岐結合器が配設されて構成された光アイソレ一夕であって、

前記導波層は、半導体組成を変化させて屈折率を 3 . 3 6より大きくしたことを特徴とする光アイソレータ。

2 . 前記導波層は、該導波層の屈折率に対して最大の非相反移相量を発生させる厚さを有することを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の光アイソレータ。

3 . 前記非相反移相器の長さを 6 . 1 4 m m未満にしたことを特徴とする請求の範囲第 1項又は第 2項に記載の光アイソレー夕。

4 . 前記曲げ導波路は、曲率半径が 1 . 0 0 m m未満であることを特徴とする請求の範囲第 1項ないし第 3項のいずれかに記載の光アイソレータ。

5 . 前記分岐結合器は、多モード干渉型分岐結合器であることを特徴とする請求の範囲第 1項ないし第 4項のいずれかに記載の光アイソレータ。

6 . 前記光アイソレータは、デバイス長が 1 0 . 0 8 m m未満であることを特徴とする請求の範囲第 1項ないし第 5項のいずれかに記載の光アイソレータ。

7. 前記導波層は、 ΠΙ— V族化合物半導体であることを特徴とする請求の範囲第 1項ないし第 6項のいずれかに記載の光アイソレ一夕。

8. 前記基板は I n Pであり、前記導波層は G a x l ri i— _X A s _y P ！ __y ( 0 < x < 1 , 0 < y < 1 ) であることを特徴とする請求の範囲第 1項ないし第 7項のいずれかに記載の光アイソレタ