WO2020217896A1 - 光アイソレータ及び光源装置 - Google Patents

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WO2020217896A1
WO2020217896A1 PCT/JP2020/015016 JP2020015016W WO2020217896A1 WO 2020217896 A1 WO2020217896 A1 WO 2020217896A1 JP 2020015016 W JP2020015016 W JP 2020015016W WO 2020217896 A1 WO2020217896 A1 WO 2020217896A1
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reciprocal
optical waveguide
optical
light
optical isolator
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PCT/JP2020/015016
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吉川　博道
直樹 松井
丈也 杉田
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京セラ株式会社
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    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—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
    • G02F1/01—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 
    • G02F1/09—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
    • 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
    • G—PHYSICS
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    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/27—Optical coupling means with polarisation selective and adjusting means
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
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    • G02B6/4207—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details the coupling comprising intermediate optical elements, e.g. lenses, holograms with optical elements reducing the sensitivity to optical feedback
    • G02B6/4208—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details the coupling comprising intermediate optical elements, e.g. lenses, holograms with optical elements reducing the sensitivity to optical feedback using non-reciprocal elements or birefringent plates, i.e. quasi-isolators
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    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/005—Optical components external to the laser cavity, specially adapted therefor, e.g. for homogenisation or merging of the beams or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H01S5/0064—Anti-reflection components, e.g. optical isolators

Definitions

  • the present disclosure relates to an optical isolator and a light source device equipped with an optical isolator.
  • an optical isolator that propagates light in only one direction and does not propagate light in the opposite direction is used.
  • an optical isolator one using a Faraday rotator having non-reciprocity is known (see, for example, Patent Document 1).
  • the optical isolator of the present disclosure includes a substrate and an optical waveguide located on the substrate.
  • the optical waveguide includes a first end portion, a plurality of second end portions arranged in an array, and at least one branch portion located between the first end portion and the plurality of second end portions. Including.
  • the optical waveguide is partially non-reciprocal, providing different amounts of non-reciprocal phase shift between the first end and at least two of the second ends.
  • the light source device of the present disclosure includes an optical isolator and a light source.
  • the optical isolator includes a substrate and an optical waveguide located on the substrate.
  • the optical waveguide includes a first end portion, a plurality of second ends arranged in an array, and a branch portion located between the first end portion and the plurality of second ends.
  • the optical waveguide is partially non-reciprocal, providing different amounts of non-reciprocal phase shift between the first end and at least two of the second ends.
  • the light source is arranged so that the emitted light is incident on the first end portion or the plurality of second end portions of the optical isolator.
  • FIG. 1 is a plan view of the optical isolator according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a view of the optical isolator of FIG. 1 as viewed from the first port side.
  • FIG. 3 is a view of the optical isolator of FIG. 1 as viewed from the second port side.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG.
  • FIG. 5 is a plan view of the light source device including the optical isolator of FIG.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing the vicinity of the first end portion of the light source and the optical isolator of FIG.
  • FIG. 7 is a plan view showing an example of the connection form of the optical isolator of FIG. 1 with the optical transmission line.
  • FIG. 1 is a plan view of the optical isolator according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a view of the optical isolator of FIG. 1 as viewed from the first port side.
  • FIG. 3 is
  • FIG. 8 is a plan view showing another example of the connection form of the optical isolator of FIG. 1 with the optical transmission line.
  • FIG. 9 is a diagram showing the shape of the end face of the second end portion of the optical waveguide and the intensity distribution of the emitted light.
  • FIG. 10 is a diagram showing the shape of the end face and the intensity distribution of the emitted light when the shape of the end face of the second end portion of the optical waveguide is flat.
  • FIG. 11 is a plan view of the optical isolator according to the second embodiment.
  • FIG. 12 is a diagram showing the intensity distribution of the transmitted light and the received light propagating through the optical isolator of FIG. 11 with respect to the angle at the second port.
  • FIG. 13 is a plan view of an optical isolator having a non-reciprocal member arrangement different from that of FIG.
  • FIG. 14 is a plan view of the optical isolator according to the third embodiment.
  • FIG. 15 is a diagram showing an optical path of the return light of the optical isolator of FIG.
  • FIG. 16 is a plan view of the optical isolator according to the fourth embodiment.
  • FIG. 17 is a view of the optical isolator of FIG. 16 as viewed from the first port side.
  • FIG. 18 is a view of the optical isolator of FIG. 16 as viewed from the second port side.
  • FIG. 19 is a side view of the optical isolator of FIG. 16 with the first port at the left end and the second port at the right end.
  • FIG. 20 is a view of the optical isolator according to the fifth embodiment as viewed from the second port side.
  • FIG. 21 is a side view of the optical isolator according to the fifth embodiment, with the first port at the left end and the second port at the right end.
  • FIG. 22 is a cross-sectional view taken along the line BB of FIG.
  • FIG. 23 is a cross-sectional view taken along the line CC of FIG.
  • optical isolators have configurations such as a polarizer, a Faraday rotator, and a half-wave plate in an optical waveguide through which light emitted from a light source passes, or in a space between an optical waveguide and an optical transmission path such as an optical fiber.
  • the element is provided.
  • an optical isolator is provided in the optical waveguide, a connection mechanism is required to connect the optical waveguide to an external optical fiber, a light source, or the like. It is preferable that the optical isolator can be easily connected to an optical fiber or a light source and can be composed of fewer components.
  • the optical isolator 10 As shown in FIGS. 1 to 4, the optical isolator 10 according to the first embodiment includes a substrate 11 and an optical waveguide 12 located on the substrate 11.
  • the substrate 11 is a plate-shaped member that is long in one direction.
  • the X-axis direction is the longitudinal direction of the surface of the substrate 11.
  • the Y-axis direction is a direction orthogonal to the X-axis direction within the surface of the substrate 11.
  • the Z-axis direction is the normal direction of the surface of the substrate 11.
  • the substrate 11 may be rectangular in which two adjacent sides are along the X-axis direction and the Y-axis direction in a plan view. The shape of the substrate 11 is not limited to this.
  • the substrate can be composed of various materials.
  • the substrate 11 may be made of a material selected from a material including a metal conductor, a semiconductor such as silicon, glass, or a resin.
  • the optical waveguide 12 includes a first end 13 located at the negative end of the X-axis along the substrate 11 and a plurality of second ends 14a-14d located at the positive end of the X-axis. ..
  • the plurality of second end portions 14a to 14d are collectively referred to as the second end portion 14.
  • the second end portion 14 is arranged in a one-dimensional array shape. In FIG. 1, only four second end portions 14 are shown for simplicity.
  • the number of the second end portion 14 can be any number of 2 or more.
  • the number of the second end 14 can be 20, 30, 50, or the like.
  • the first end portion 13 constitutes a first port 15 to which light is input / output.
  • the second end portion 14 constitutes a second port 16 to which light is input / output.
  • the optical waveguide 12 extends substantially along the X-axis direction between the first port 15 and the second port 16.
  • the light is not limited to the visible light region, and includes light having an arbitrary wavelength in the wavelength range from infrared rays to ultraviolet rays.
  • the light input from the first port 15 to the optical waveguide 12 travels toward the second port 16.
  • the light input from the second port 16 to the optical waveguide 12 travels toward the first port 15.
  • the first port 15 and the second port 16 may each be configured as end faces of the optical waveguide 12.
  • the optical waveguide 12 (the first end portion 13 and the second end portion 14 are shown in FIGS. 2 and 3) surrounds the optical waveguide 12 along the extending direction. It is covered by the first medium 17a and the second medium 17b.
  • the first medium 17a is formed on the substrate 11.
  • the substrate 11 may also serve as the first medium 17a.
  • the first medium 17a and the second medium 17b are in contact with the outer periphery of the optical waveguide 12.
  • the optical waveguide 12, the first medium 17a, and the second medium 17b are dielectrics.
  • the optical waveguide 12 has a higher dielectric constant than the first medium 17a and the second medium 17b.
  • the first medium 17a and the second medium 17b may be the same medium.
  • the first medium 17a and the second medium 17b may be one and one medium.
  • the first medium 17a and the second medium 17b are made of, for example, quartz glass (silicon dioxide: SiO 2 ).
  • the optical waveguide 12 is made of, for example, silicon (Si).
  • the relative permittivity of silicon and quartz glass is about 12 and about 2, respectively. Silicon can propagate near-infrared light of about 1.2 ⁇ m to about 6 ⁇ m with low loss. As a result, most of the light incident from the first end portion 13 or the second end portion 14 propagates inside the optical waveguide 12.
  • the optical waveguide 12 When the optical waveguide 12 is made of silicon, it can propagate infrared light having a wavelength in the 1.3 ⁇ m band or 1.55 ⁇ m band used in optical communication with low loss.
  • the optical waveguide 12 can be rephrased as a core.
  • the first medium 17a and the second medium 17b can be paraphrased as a clad.
  • the materials of the optical waveguide 12 and the first medium 17a and the second medium 17b are not limited to the above materials.
  • a part of the first medium 17a and the second medium 17b, for example, a part of the second medium 17b may be air. That is, it is also possible that only the optical waveguide 12 is formed on the first medium 17a of quartz glass.
  • the optical waveguide 12 has one or more branch portions 18 between the first end portion 13 and the plurality of second end portions 14.
  • the branch portion 18 branches one line on the first end 13 side, which forms a part of the optical waveguide 12, into two or more lines on the second end 14 side.
  • the branching portion 18 may employ a Y-branched optical waveguide that branches one line into two lines.
  • the branch portion 18 connects a plurality of lines on the second end 14 side of the optical waveguide 12 to one line on the first end 13 side.
  • the branch portion 18 may be arranged in multiple stages between the first end portion 13 and the second end portion 14.
  • the branch portion 18 can demultiplex the light incident from the line on the first end 13 side of the optical waveguide 12 with a light amount substantially equal to the plurality of lines on the second end 14 side.
  • the branch portion 18 can combine light incident from a plurality of lines on the second end 14 side of the optical waveguide 12 with the line on the first end 13 side.
  • the optical waveguide 12 has a first branch portion 18a, a second branch portion 18b, and a third branch portion 18c.
  • the first branch portion 18a is located between the first end portion 13 and the second branch portion 18b and the third branch portion 18c.
  • the second branch portion 18b is located between the first branch portion 18a and the second end portions 14a and 14b.
  • the third branch portion 18c is located between the first branch portion 18a and the second end portions 14c and 14d.
  • the number of branch portions 18 is not limited to three, and an arbitrary plurality of branch portions 18 are provided according to the number of the second end portions 14.
  • the first branch portion 18a, the second branch portion 18b, and the third branch portion 18c are appropriately collectively referred to as a branch portion 18.
  • the line on the first end 13 side of the optical waveguide 12 is physically continuously connected to the two lines on the second end 14 side.
  • the line on the first end 13 side and the line on the second end 14 side of the optical waveguide 12 in the branch portion 18 are optical via a portion that is close and parallel to each other, like a known optical directional coupler. It suffices if they are physically connected, and they do not have to be physically connected continuously.
  • the optical waveguides 12 are arranged close to each other, light is transferred between the line on the first end 13 side and the line on the second end 14 side due to the evanescent wave.
  • the optical waveguide 12 includes a portion having non-reciprocity.
  • the non-reciprocal portion of the optical waveguide 12 is also referred to as the phase shifter 19.
  • the phase shifter 19 is provided at any portion of the optical waveguide 12 between at least one branch 18 and the second end 14. Having non-reciprocity means that the effect received by the light propagating through the optical waveguide 12 differs depending on the propagating direction of the light.
  • the light propagation direction includes a first direction from the first end 13 to the second end 14 and a second direction from the second end 14 to the first end 13.
  • a non-reciprocal phase shift effect occurs in which the amount of phase change differs between the light propagating in the first direction and the light propagating in the second direction.
  • the amount of phase change is called the amount of phase shift.
  • the phase shifter 19 provides a non-reciprocal phase shift amount between the first end portion 13 and the second end portion 14.
  • the phase shifter 19 includes a first non-reciprocal member 20a and a second non-reciprocal member 20b having non-reciprocity.
  • the first non-reciprocal member 20a and the second non-reciprocal member 20b may be collectively referred to as a non-reciprocal member 20.
  • the non-reciprocal member 20 is arranged so as to be in surface contact with a part of the optical waveguide 12. In the present application, arranging them in contact with each other includes joining them by any means.
  • the non-reciprocal member 20 may be composed of, for example, a non-reciprocal material such as magnetic garnet, ferrite, iron, or cobalt.
  • the non-reciprocal member 20 produces a non-reciprocal phase shift effect on the light propagating in the contacting portion of the optical waveguide 12.
  • the phase shifter 19 includes a first non-reciprocal line 21a between the first branch 18a and the second branch 18b, and a second non-reciprocal line between the first branch 18a and the third branch 18c. Includes 21b.
  • the first non-reciprocal line 21a and the second non-reciprocal line 21b are a part of the optical waveguide 12.
  • the first non-reciprocal member 20a and the second non-reciprocal member 20b described above are arranged in contact with each other on the first non-phase line 21a and the second non-reciprocal line 21b, respectively.
  • first non-reciprocal line 21a and a second non-reciprocal line 21b are referred to as a first non-reciprocal line 21a and a second non-reciprocal line 21b, respectively.
  • first non-reciprocal line 21a and the second non-reciprocal line 21b may be collectively referred to as the non-reciprocal line 21.
  • the non-reciprocal line 21 is a portion of the optical waveguide 12 having non-reciprocity.
  • the area of the non-reciprocal member 20 is less than half the area of the corresponding non-reciprocal line 21. That is, the volume occupied by the non-reciprocal member 20 is less than half the volume of the non-reciprocal line 21.
  • the optical waveguide 12 is configured to propagate light in a single mode. If the volume of the non-reciprocal member 20 arranged in contact with the optical waveguide 12 is increased, an undesired mode may occur in the optical waveguide 12 and the transmission characteristics of the optical waveguide 12 may be deteriorated.
  • the non-reciprocal member 20 is preferably small so as not to affect the mode of light propagating through the optical waveguide 12. By making the volume occupied by the non-reciprocal member 20 less than half the volume of the non-reciprocal line 21, deterioration of transmission characteristics is reduced or suppressed.
  • the first non-reciprocal member 20a is in contact with the positive side surface in the Y-axis direction of the portion of the optical waveguide 12 (that is, the first non-reciprocal line 21a) between the first branch portion 18a and the second branch portion 18b. Can be placed.
  • the second non-reciprocal member 20b is in contact with the negative side surface in the Y-axis direction of the portion of the optical waveguide 12 (that is, the second non-reciprocal line 21b) between the first branch portion 18a and the third branch portion 18c. Can be placed.
  • the magnetization direction of the non-reciprocal member 20 or the direction of the external magnetic field that causes non-reciprocity in the non-reciprocal member 20 and the polarization direction of the incident light incident on the optical waveguide 12 are configured to be substantially orthogonal to each other. Will be done.
  • the polarization direction of the incident light incident on the optical waveguide 12 is substantially parallel to the surface (board surface) of the substrate 11 (that is, the Y-axis direction).
  • the first non-reciprocal member 20a and the second non-reciprocal member 20b are different from each other with respect to the optical waveguide 12 by applying an external magnetic field having a component in the Z-axis direction. Produces a non-reciprocal phase effect.
  • the first non-reciprocal line 21a and the second non-reciprocal line 21b have different amounts of non-reciprocal phase shift.
  • the magnitude of the external magnetic field is constant, the amount of non-reciprocal phase shift becomes the largest by applying the external magnetic field in the substantially Z-axis direction.
  • the first non-reciprocal line 21a and the second non-reciprocal line 21b have a non-reciprocal phase shift effect without applying an external magnetic field. ..
  • the deflection direction of the light incident on the optical waveguide 12 is the Y-axis direction
  • the first non-reciprocal member 20a and the second non-reciprocal member 20b are arranged so that the magnetization direction has a component in the Z-axis direction.
  • the first non-reciprocal member 20a and the second non-reciprocal member 20b may be arranged so that the magnetization direction is substantially the Z-axis direction.
  • the light incident on the optical waveguide 12 from the first end portion 13 is demultiplexed by the first branch portion 18a.
  • the demultiplexed light propagates on the first non-reciprocal line 21a and the second non-reciprocal line 21b, respectively.
  • the light propagating on the first non-reciprocal line 21a is demultiplexed by the second branch portion 18b and output from the second end portions 14a and 14b.
  • the light propagating on the second non-reciprocal line 21b is demultiplexed by the third branch portion 18c and output from the second end portions 14c and 14d.
  • the light incident from the first end portion 13 and emitted from each second end portion 14 is the same by adjusting the length of the optical waveguide 12 from the first end portion 13 to each second end portion 14.
  • the light emitted from the plurality of second end portions 14 is emitted as a light beam having directivity in a narrow angle range in the X-axis direction, which is a direction in which the phases are aligned, by a principle similar to that of a phased array antenna. ..
  • the light incident from the second end portions 14a and 14b is combined at the second branch portion 18b and propagates on the first non-reciprocal line 21a.
  • the light incident from the second end portions 14c and 14d is combined at the third branch portion 18c and propagates on the second non-reciprocal line 21b.
  • the light propagating through the first non-reciprocal line 21a and the second non-reciprocal line 21b is combined at the first branch portion 18a and output from the first end portion 13.
  • due to the non-reciprocity of the first non-reciprocal line 21a and the second non-reciprocal line 21b between the light propagating on the first non-reciprocal line 21a and the light propagating on the second non-reciprocal line 21b.
  • the optical isolator 10 easily propagates the light traveling in the first direction, and is difficult to propagate the light traveling in the second direction.
  • the second end 14 is set to four, and the two optical waveguides 12 have non-reciprocity.
  • the second end portions 14 have different amounts of non-reciprocal phase shifts with the first end portion 13
  • light traveling in the second direction is further transmitted to the optical waveguide 12 at the second end portion 14. It becomes difficult to combine.
  • the directivity of the light propagating in the optical isolator 10 in the first direction and emitted from the second end portion 14 The sex is further enhanced.
  • the first port 15 can be a port on the incident side of light.
  • the optical isolator 10 can be used in combination with a configuration that inputs light.
  • the light source device 30 can be configured by combining the optical isolator 10 and the configuration for inputting light. As shown in FIGS. 5 and 6, the light source device 30 includes an optical isolator 10, a light source 31, a power source 32 that supplies electric power to the light source 31, and a lens 33.
  • a semiconductor laser such as LD (Laser Diode) or VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting LASER) can be used.
  • the light source 31 is optically coupled to the first end portion 13 of the optical waveguide 12 via the lens 33.
  • the positional relationship between the light source 31, the lens 33, and the first end portion 13 of the optical waveguide 12 may be fixed so as not to cause misalignment.
  • the light source 31 and the lens 33 may be integrally integrated on the substrate 11 together with the optical waveguide 12 and the medium 17.
  • the light source 31 may input linearly polarized light such that the polarization direction is the Y-axis direction to the first port 15.
  • the light source device 30 does not have to have the lens 33. When the light source device 30 does not have the lens 33, the light emitted from the light source 31 may be directly input to the first end portion 13.
  • the method of inputting light from the light source 31 to the first end portion 13 of the optical waveguide 12 is not limited to the method of inputting the light of the light source 31 directly or through the lens 33.
  • the light source 31 may be coupled to the first end 13 via an optical fiber.
  • the method of inputting the light propagating in the optical fiber to the first end portion 13 is a method of connecting a free space via a lens or the like, a method of directly abutting the exit surface of the optical fiber with the first end portion 13, or a method of directly abutting the first end portion 13.
  • Various methods may be included, such as a method using a connected waveguide.
  • the light source device 30 includes the light source 31 and the optical isolator 10 so that the light emitted from the light source 31 is propagated in the first direction through the optical isolator 10. On the other hand, the light source device 30 reduces or suppresses the light returning to the second direction by the optical isolator 10, so that the light source 31 is less affected by the returning light.
  • the second port 16 including the second end 14 of the optical isolator 10 is optically coupled to the optical transmission line 40A.
  • the optical transmission line 40A is a line for transmitting light.
  • an optical fiber having a core 41 and a clad 42 can be used as the optical transmission line 40A.
  • the second port 16 of the optical isolator 10 and the core 41 of the optical transmission line 40A face each other with a distance in the X-axis direction via a space.
  • the light that exits the second port 16 and travels in the X-axis direction couples with the core 41 with high coupling efficiency.
  • the core diameter of the optical transmission line 40A in FIG. 7 is larger than the cross-sectional dimension of the optical waveguide 12.
  • the core diameter of the optical transmission line 40A in FIG. 7 can be, for example, about 50 ⁇ m.
  • the optical transmission line 40A can transmit the light emitted from the optical isolator 10 in a multi-mode.
  • the second port 16 of the optical isolator 10 may be optically coupled to the core 41 of the optical transmission line 40B via the lens 43.
  • the light emitted from each second end 14 of the optical isolator 10 is focused on the end face of the core 41 of the optical transmission line 40B, which is a single-mode optical fiber, by the lens 43 arranged in space, and is incident on the optical transmission line 40B. You can do it.
  • the core diameter of the optical transmission line 40B can be about 10 ⁇ m.
  • each second end 14 of the optical waveguide 12 can have an end face having a tapered shape in the longitudinal direction (that is, the X-axis direction) of the optical waveguide 12.
  • FIG. 9 shows an example of the shape of the end surface of the second end portion 14 of the optical waveguide 12 (lower side in FIG. 9) and the radial intensity distribution of the emitted light (upper side in FIG. 9).
  • the end face of the second end portion 14 has a substantially cone-shaped side surface shape. In other embodiments, the end face of the second end 14 may have a hemispherical shape that is convex in the X-axis direction.
  • the end face of the second end portion 14 of the optical waveguide 12 can be formed to have a shape longer than the wavelength of light propagating in the X-axis direction and gradually tapering in the positive direction of the X-axis.
  • FIG. 10 shows an example of the shape of the end face (lower side in FIG. 10) and the intensity distribution of the emitted light (upper side in FIG. 10) when the shape of the end face of the second end portion 14 of the optical waveguide 12 is flat for comparison. Shown. In this case, the single-mode light propagating through the optical waveguide 12 is reflected by the flat end face of the second end portion 14 in a larger amount than when the second end portion 14 having the tapered end face of FIG. 9 is used. Will be done. Therefore, the intensity of the emitted light emitted from the second end portion 14 having the flat end face of FIG. 10 is the intensity of the emitted light emitted from the second end portion 14 when having the tapered end surface of FIG. It becomes weaker in comparison.
  • the optical transmission lines 40A and 40B incident light traveling in the X-axis direction from the second end portion 14 with directivity.
  • the light emitted from the second port 16 of the optical isolator 10 has high directivity in the X-axis direction because the phases of the emitted light are aligned at the second end portion 14.
  • the light emitted from the second port 16 of the optical isolator 10 is further strengthened by forming the end surface of the second end portion 14 into a tapered shape. As a result, the light emitted from the second port 16 of the optical isolator 10 can be coupled to the optical transmission lines 40A and 40B with high coupling efficiency.
  • the optical isolator 10 is provided with the optical waveguide 12 on the substrate 11, and the non-reciprocal member 20 having non-reciprocity is arranged in contact with the optical waveguide 12 to form the first end portion 13. It provides different amounts of non-reciprocal phase shifts with the plurality of second end portions 14.
  • the optical isolator 10 can have the function of an optical isolator that propagates the light in the first direction and reduces or suppresses the propagation of the light in the second direction.
  • the optical isolator 10 since the optical isolator 10 has high directivity of the light emitted from the second port 16, it is easy to connect to the optical transmission line 40. Therefore, the optical isolator 10 can be connected to the optical transmission line 40 with a small number of parts as compared with the case where an independent optical isolator is configured inside the optical waveguide 12 or in the space.
  • the angle of the beam connecting the second port 16 and the optical transmission line 40 is set to a narrow angle range in the X-axis direction, so that the non-reciprocity shifts. Even if the phase amount is small, it can function as an isolator. In other words, in the optical isolator 10, even if the difference in the amount of non-reciprocal phase shift received by the light in the second direction incident on each second end portion 14 is small, the phase of the light incident from each second end portion 14 is the same. , The function as an isolator can be obtained by breaking the condition that the first end portion 13 has the same phase.
  • the first non-reciprocal line 21a and the first non-reciprocal line 21a and the second non-reciprocal line 21a are caused by the non-reciprocity of the first non-reciprocal line 21a and the second non-reciprocal line 21b. 2
  • this phase difference may be set to a value other than 180 °, such as 120 ° or 90 °. Even in such a case, the light propagating in the second direction and emitted from the first end portion 13 is significantly reduced.
  • the second port 16 of the optical isolator 10 is XY more than the negative direction of the X axis, depending on the phase difference caused by the phase shifter 19 and the arrangement of the plurality of second end portions 14. It has a reception intensity distribution that extends in the angular direction in the plane. Therefore, the optical isolator 10 has an effect of reducing or suppressing light that is about to enter the second port 16 in the negative direction of the X-axis.
  • the length of the portion of the non-reciprocal member 20 in contact with the optical waveguide 12 can be relatively shortened in the optical isolator 10 according to the present embodiment. This makes it possible to reduce the loss of the optical waveguide 12 due to the length of the non-reciprocal member 20.
  • the light source device 30 since the light source device 30 according to the present embodiment has the optical isolator 10, the return light of the light emitted from the light source 31 enters the light source 31 and damages the light source 31, and destabilizes the light source 31. This, or it is possible to prevent the generation of noise and the like.
  • the first non-reciprocal member 20a and the second non-reciprocal member 20b are arranged in contact with each other of the two optical waveguides 12, respectively, at the portion having the two non-reciprocity.
  • a first non-reciprocal line 21a and a second non-reciprocal line 21b were used.
  • the relationship of the amount of phase shift between the case where the light propagates in the first direction and the case where the light propagates in the second direction Therefore, the effect of the present embodiment can be obtained.
  • FIG. 11 is a plan view of the optical isolator 50. Since the optical isolator 50 is similar to the optical isolator 10 of the first embodiment, the same or similar components as the components of the optical isolator 10 are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted as appropriate.
  • the shape of the optical waveguide 12 of the optical isolator 50 is similar to the shape of the optical waveguide 12 of the first embodiment.
  • the phase shifter 19 is not provided between the first branch portion 18a, the second branch portion 18b, and the third branch portion 18c of the optical waveguide 12.
  • the portion between the second branch portion 18b and the third branch portion 18c of the optical waveguide 12 and the respective second end portions 14a to 14d is a phase shifter 51 having non-reciprocity.
  • the phase shifter 51 provides different amounts of non-reciprocal phase shifts between the first end 13 and each second end 14.
  • the phase shifter 51 includes non-reciprocal members 52a to 52d having non-reciprocity.
  • the non-reciprocal members 52a to 52d may be collectively referred to as the non-reciprocal members 52.
  • the non-reciprocal member 52 is arranged so as to be in surface contact with a part of the optical waveguide 12.
  • the non-reciprocal member 52 produces a non-reciprocal phase shift effect on the light propagating through the optical waveguide 12.
  • the non-reciprocal members 52a to 52d are in contact with the portions of the optical waveguide 12 connected to the second end portions 14a to 14d, respectively.
  • non-reciprocal lines 53a to 53d The portions of the optical waveguide 12 in contact with the non-reciprocal members 52a to 52d are referred to as non-reciprocal lines 53a to 53d, respectively.
  • the non-reciprocal lines 53a to 53d may be collectively referred to as the non-reciprocal line 53.
  • the non-reciprocal members 52a and 52b are in contact with the side surfaces of the non-reciprocal lines 53a and 53b on the positive side in the Y-axis direction.
  • the non-reciprocal members 52c and 52d are in contact with the side surfaces of the non-reciprocal lines 53c and 53d on the negative side in the Y-axis direction.
  • the non-reciprocal lines 53a and 53b and the non-reciprocal lines 53c and 53d cause non-reciprocal phase shift amounts having opposite symbols due to the different positions of the side surfaces of the non-reciprocal members 52 to be joined.
  • the non-reciprocal member 52a and the non-reciprocal member 52b have different non-reciprocity due to their different lengths in the X-axis direction.
  • the non-reciprocal member 52a produces a larger amount of non-reciprocal phase shift than the non-reciprocal member 52b.
  • the non-reciprocal member 52c and the non-reciprocal member 52d have different non-reciprocity due to their different lengths in the X-axis direction.
  • the non-reciprocal member 52d produces a larger amount of non-reciprocal phase shift than the non-reciprocal member 52c.
  • the lengths of the non-reciprocal member 52a and the non-reciprocal member 52d can be made equal.
  • the lengths of the non-reciprocal member 52b and the non-reciprocal member 52c can be made equal.
  • FIG. 11 is a simplified example in the case where the second end portion 14 is four.
  • the number of the second end 14 may be larger than this, for example 20, 30, 50 or the like.
  • the second end portions 14 are arranged at regular intervals at predetermined pitches. All second end 14s are connected to a non-reciprocal line 53 having different non-reciprocal phase shift amounts. The amount of non-reciprocal phase shift by the non-reciprocal line 53 can be regularly different for each of the adjacent second end portions 14.
  • the light input from the first end portion 13 and propagating in the optical waveguide 12 in the first direction and emitted from each of the second end portions 14 reaches the optical waveguide 12 from the first end portion 13 to each second end portion 14.
  • the same amount of phase shift can be obtained by adjusting the length of the above. Therefore, the light L 1 incident on the X-axis direction from the first end portion 13 of the optical isolator 50 is emitted from the respective second end portions 14 in the same phase.
  • the light emitted from the second port 16 of the optical isolator 50 becomes light L 2 having directivity in a narrow angle range in the X-axis direction.
  • the positions and lengths of the non-reciprocal members 52 are determined so that the light incident from the second end portion 14 and propagating in the optical waveguide 12 in the second direction and the light emitted from the first end portion 13 are different from each other. Is set to have a phase difference of. For example, when 20 second end portions 14 are arranged at equal intervals in the Y-axis direction, the amount of phase shift of the optical waveguide 12 from the second end portion 14 to the first end portion 13 is 10 ° each. Can be different. When each second end portion 14 has a different amount of non-reciprocal phase shift with the adjacent second end portion 14, the second end portion 14 is in phase when emitted from the first end portion 13.
  • the wave surface of the light incident on the optical waveguide 12 is inclined from a direction perpendicular to the extending direction (that is, the X-axis direction) of the optical waveguide 12. Therefore, the second port 16 has a higher coupling efficiency with respect to the light L 3 incident on the second port 16 from a predetermined direction inclined from the X-axis direction. On the other hand, light incident from a direction different from the incident direction of the light L 3 is less likely to enter the optical isolator 10 from the second port 16.
  • the solid line in FIG. 12 is the angle at the second port 16 of the intensity of the transmitted light incident on the first port 15, propagating the optical isolator 50 in the first direction, and transmitted from the second port 16 to the external space. Shows the distribution.
  • the broken line in FIG. 12 is incident on the second port 16 from the external space, propagates in the optical isolator 50 in the second direction, and the intensity of the received light output from the first port 15 is incident on the second port 16. Shows the dependence on the angle.
  • the horizontal axis indicates an angle with respect to the Y-axis direction in the XY plane formed by the X-axis and the Y-axis. Both the solid line and the broken line show the results obtained by simulation.
  • the optical isolator 50 to be simulated has 24 second end portions 14 arranged one-dimensionally in the X-axis direction at a pitch of 750 nm. Further, it is assumed that no phase difference occurs with respect to the light propagating in the first direction from the first end portion 13 to the second end portion 14. On the contrary, the light propagating from the second end portion 14 to the first end portion 13 in the second direction is assumed to have a phase difference of 10 ° for each light incident from the adjacent second end portions. Further, the wavelength of the light propagating through the optical isolator 50 was set to 1500 nm.
  • the intensity of the transmitted light is the strongest when the angle ⁇ is 90 ° (that is, in the X-axis direction).
  • the normalized intensity of the transmitted light is displayed in dB units where the intensity when the angle ⁇ is 90 ° is 0 dB.
  • the intensity of the received light is strongest when the angle ⁇ of the light beam incident on the second port 16 is 100 ° (that is, an angle deviated from the X-axis direction by 10 °).
  • the normalized intensity of the received light is displayed in dB units where the intensity when the angle ⁇ is 100 ° is 0 dB.
  • the light incident on the optical isolator 50 from the first port 15 and emitted from the second port 16 has strong directivity in a narrow range near an angle of 90 ° (X-axis direction).
  • the light incident on the optical isolator 50 from the second port 16 is most likely to be incident when it is incident from a narrow range near an angle of 100 °.
  • the intensity of the emitted light at the first port 15 becomes the intensity of the emitted light at the first port 15 of the light incident from the angle of 100 °.
  • it is smaller than 25 dB.
  • the optical isolator 50 propagates only a small amount of return light traveling in the opposite direction of the light L 2 in FIG.
  • the return light is in a direction substantially opposite to that of the emitted light. Following the optical path, it enters the second port 16 in the negative direction of the X-axis. Only a small amount of such return light can enter the optical isolator 50 from the second port 16.
  • the optical isolator 50 is an optical isolator that propagates light in the first direction and reduces or suppresses the propagation of light in the second direction, similar to the first embodiment.
  • the function can be realized.
  • the optical isolator 50 is configured such that the second end portions 14 are arranged at a predetermined pitch and regularly different phase shift amounts are given between the first end portion 13 and the respective second end portions 14. Has been done.
  • the direction of the light that can enter the second port 16 from the outside is limited to a narrow direction different from the direction of the light emitted from the second port 16.
  • the return light of the light emitted from the second port 16 can be more reliably reduced or suppressed at the portion of the second port 16 from being incident on the optical isolator 50 and propagating.
  • the non-reciprocal members 52a and 52b and the non-reciprocal members 52c and 52d are arranged on different sides in the Y-axis direction of the non-reciprocal line 53 which is a part of the optical waveguide 12.
  • the phase shifter 61 has the non-reciprocal members 62a to 62c having different sizes on only one side of the non-reciprocal lines 63a to 63c which are a part of the optical waveguide 12. Can be arranged and configured.
  • the non-reciprocal members 62a to 62c are configured to provide regularly different amounts of non-reciprocal phase shift between the adjacent second end portions 14a to 14c. In the example shown in FIG.
  • a non-reciprocal portion is not provided between the first end portion 13 and the second end portion 14d. Even with such a configuration, the light propagating in the second direction from the plurality of second end portions 14 to the first end portion 13 can have different phase differences. As a result, it is possible to have an action and effect similar to those of the optical isolator 50 of FIG.
  • the optical isolators 10, 50 and 60 of the first embodiment and the second embodiment propagate light in the first direction that is incident from one first end portion 13 and emitted from a plurality of second end portions 14. It was configured so as not to propagate light in the second direction opposite to that of. However, the optical isolator can also be configured to propagate the light in the second direction and not to propagate the light in the first direction.
  • a light source device 71 using such an optical isolator 70 will be described with reference to FIGS. 14 and 15.
  • the light source device 71 collimates the light from the optical isolator 70, the light source 72 that emits light incident on the optical isolator 70, the power supply 73 that supplies power to the light source 72, and the light source 72, and second. Includes at least one lens 74 incident on port 16.
  • the light source 72 a semiconductor laser similar to the light source 31 of the light source device 30 of the first embodiment can be used.
  • the lens 74 may be omitted.
  • a plurality of lenses 74 may be used in combination.
  • the light source 72 and the lens 74 may be integrated on the substrate 11 of the optical isolator 70.
  • the light source 72, the power supply 73, and the lens 74 can also be components that can be separated from the optical isolator 70.
  • the optical isolator 70 similar to the optical isolators 50 and 60 according to the second embodiment, has a non-reciprocal phase shift amount that is regularly different between the first end portion 13 and each second end portion 14. Configured to give. In FIGS. 14 and 15, the description of the internal structure of the optical isolator 70 is omitted. Unlike the optical isolators 50 and 60 of the second embodiment, the length of the optical waveguide 12 between the first end 13 of the optical isolator 70 and each second end 14 is from the second end 14 of each. The input light of the same phase is adjusted so as to be emitted from the first end portion 13 as light of the same phase.
  • the collimated light emitted from the light source 72 easily enters the second port 16 of the optical isolator 70. That is, the connection between the light source 72 and the optical isolator 70 is easy.
  • the light source 72 and the optical isolator 70 can be configured to have high coupling efficiency.
  • FIG. 14 shows the configuration of the light source device 71 and the light rays emitted from the light source 72 when they enter the optical isolator 70 from the second port 16 by broken lines.
  • Light incident on the plurality of second end portions 14 of the second port 16 in the X-axis direction is coupled through the optical waveguide 12 in the optical isolator 70, and is coupled from the first end portion 13 of the first port 15 to the X-axis. It is emitted as light L 4 traveling in the direction.
  • FIG. 15 shows the configuration of the light source device 71 and the light beam when the return light L 5 with respect to the light source device 71 is incident on the first end portion 13 of the first port 15 by a broken line.
  • the return light L 5 is incident on the first end portion 13 in the negative direction of the X-axis, which is the direction opposite to the traveling direction of the light L 4 emitted from the first end portion 13.
  • the return light L 5 passes through the optical waveguide 12 inside the optical isolator 70 and is demultiplexed into a plurality of light, and is emitted from the plurality of second end portions 14.
  • the light emitted from each of the second end portions 14 is regularly out of phase due to non-reciprocity.
  • the light emitted from each of the adjacent second end portions 14 has a phase difference of 10 °.
  • the plurality of lights emitted from the second end portion 14 are emitted as light whose normal direction of the wave surface is inclined from the negative direction of the X-axis. Therefore, the return light L 5 travels in a direction inclined with respect to the negative direction of the X-axis from the second end portion 14, and does not enter the light source 72.
  • FIG. 16 is a plan view of the optical isolator 80.
  • FIG. 17 is a view of the optical isolator 80 as viewed from the first port 15 side.
  • FIG. 18 is a view of the optical isolator 80 as viewed from the second port 16 side.
  • FIG. 19 is a side view of the optical isolator 80. Since the optical isolator 80 is partially similar to the optical isolator 10 of the first embodiment, the same or similar components as the components of the optical isolator 10 are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted as appropriate. To do.
  • the optical waveguide 12 of the optical isolator 80 is branched in the Z-axis direction in addition to the branch in the Y-axis direction in the XY plane.
  • the optical waveguide 12 may branch in the Z-axis direction at any position other than the portion in contact with the non-reciprocal members 20a to 20d.
  • the optical waveguide 12 may be branched into two in the Y-axis direction and two in the Z-axis direction at the first branch portion 18a, and may be branched into a total of four.
  • the optical waveguide 12 branched into four at the first branch portion 18a is branched into two in the Y-axis direction at the second to fifth branch portions 18b to 18e, respectively.
  • the eight second ends 14 of the optical waveguide 12 are arranged in a two-dimensional array in which they are arranged in two layers.
  • non-reciprocal members 20a to 20d are arranged in contact with each other between the first branch portion 18a and the second to fifth branch portions 18b to 18e, respectively.
  • the configuration of the optical isolator 80 shown in FIGS. 16 to 19 is merely an example.
  • the optical waveguide 12 of the optical isolator 80 is branched into a plurality of optical waveguides 12 by a plurality of branching portions 18 arranged at arbitrary positions in the Y-axis direction and the Z-axis direction orthogonal to the X-axis direction, which is the direction of light propagation. You can do it.
  • the second end portion 14 is not limited to two layers in the Z-axis direction, and may be arranged in three or more layers.
  • the number of the second end portion 14 is not limited to 8, and may be any number.
  • the second end portion 14 is arranged two-dimensionally in the second port 16 of the optical isolator 80. Therefore, the optical isolator 80 can arrange more second end portions 14 per unit area in the second port 16.
  • the second end portion 14 can be arranged in an array of m in the Y-axis direction and n in the Z-axis direction (m and n are arbitrary integers of 2 or more). This is n times as high as the case where only m of the second end portions 14 are arranged in the Y-axis direction in the region of the same area in the optical isolator 10 of the first embodiment. Therefore, similar to FIG.
  • the plurality of second end portions 14 are arranged in a grid pattern in the Y-axis direction and the Z-axis direction when viewed in the X-axis direction.
  • the arrangement of the second end portions 14 arranged side by side in the Y axis direction on the positive side in the Z axis direction and the second ends arranged side by side in the Y axis direction on the negative side in the Z axis direction.
  • the arrangement of the parts 14 is shifted in the Y-axis direction. That is, the second end portion 14 is arranged so as to be offset in at least one direction from the grid arrangement in the two-dimensional directions orthogonal to each other in the Y-axis direction and the Z-axis direction.
  • FIG. 20 shows an example of the arrangement of the second end portion 14 viewed from the positive side in the X-axis direction in the fifth embodiment.
  • the present embodiment can have a first optical waveguide 12a and a second optical waveguide 12b as the optical waveguide 12.
  • the first optical waveguide 12a has a first end portion 13.
  • the second optical waveguide 12b is coupled to the first optical waveguide 12a by a directional coupler 91 on the first end 13 side of the optical isolator 90.
  • the directional coupler 91 constitutes one of the branch portions 18.
  • the optical isolator 90 in the X-axis direction eight second end 14s are arranged in two layers in the Z-axis direction. 22 and 23 show that the plurality of second end portions 14 arranged on the positive side in the Z-axis direction and the plurality of second end portions 14 arranged on the negative side in the Z-axis direction are arranged in a staggered manner. As shown, the shapes of the first optical waveguide 12a and the second optical waveguide 12b are different.
  • the portion connected to the second end portion 14 of each of the first optical waveguide 12a and the second optical waveguide 12b is a phase shifter 19 having non-reciprocity.
  • the phase shifter 19 includes a plurality of non-reciprocal members 20 having non-reciprocity.
  • Each non-reciprocal member 20 is arranged in contact with the first optical waveguide 12a or the second optical waveguide 12b.
  • the plurality of non-reciprocal members 20 have different arrangements and different lengths in the X direction because they give different amounts of phase shift.
  • the arrangement of the non-reciprocal members 20 and the length in the X direction are determined so as to give a target phase shift amount according to the position of each corresponding second end portion 14.
  • the second end portion 14 is not limited to two layers in the Z-axis direction, and three or more layers may be arranged.
  • Optical isolator 11 Substrate 12 Optical waveguide 13 1st end 14, 14a, 14b, 14c 2nd end 15 1st port 16 2nd port 17, 17a, 17b Medium 18 Branch 19 Phase shifter 20, 20a, 20b Non-reciprocal member 21 Non-reciprocal line 30
  • Light source 32 Power supply 33
  • Lens 40, 40A, 40B Optical transmission path 41 Core 42 Clad 43
  • Lens 50 Optical isolator 51 Phase shifter 52, 52a to 52d Non-reciprocal member 53, 53a ⁇ 53d Non-reciprocal line 60
  • Optical isolator 61 Phase shifter 62, 62a ⁇ 62d Non-reciprocal member 63, 63a ⁇ 63d Non-reciprocal line 70
  • Optical isolator 71 Light source device 80
  • Optical isolator 90 Optical isolator 91

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Abstract

本開示の光アイソレータ１０は、基板１１と、基板１１上に位置する光導波路１２とを含む。光導波路１２は、第１端部１３、アレー状に配列された複数の第２端部１４、及び、第１端部１３と複数の第２端部１４との間に位置する少なくとも１つの分岐部１８を含む。光導波路１２は、部分的に非相反性を有し、第１端部１３と少なくとも２つの第２端部１４との間に異なる非相反性の移相量を与える。

Description

光アイソレータ及び光源装置 関連出願の相互参照
　本出願は、２０１９年４月２５日に出願された日本国特許出願２０１９－０８４６１０号の優先権を主張するものであり、この先の出願の開示全体をここに参照のために取り込む。
　本開示は、光アイソレータ及び光アイソレータを搭載した光源装置に関する。
　光通信等の分野において、光源から出射したレーザ光の一部が戻り光となって光源に入射すると、光源の損傷、不安定化及び干渉によるノイズ等が発生することがある。このため、一方向の光のみを伝搬させ逆方向の光を伝搬させない光アイソレータが用いられる。光アイソレータとしては、非相反性を有するファラデー回転子を使用するものが知られている（例えば、特許文献１参照。）
特表２０１８－５１３５５６号公報
　本開示の光アイソレータは、基板と、前記基板上に位置する光導波路とを備える。前記光導波路は、第１端部、アレー状に配列された複数の第２端部、及び、前記第１端部と前記複数の第２端部との間に位置する少なくとも１つの分岐部を含む。前記光導波路は、部分的に非相反性を有し、前記第１端部と少なくとも２つの前記第２端部との間に異なる非相反性の移相量を与える。
　本開示の光源装置は、光アイソレータと光源とを備える。光アイソレータは、基板、及び、前記基板上に位置する光導波路を備える。前記光導波路は、第１端部、アレー状に配列された複数の第２端部、及び、前記第１端部と前記複数の第２端部との間に位置する分岐部を含む。前記光導波路は、部分的に非相反性を有し、前記第１端部と少なくとも２つの前記第２端部との間に異なる非相反性の移相量を与える。前記光源は、前記光アイソレータの前記第１端部又は前記複数の第２端部に、出射光が入射するように配置される。
図１は、第１実施形態に係る光アイソレータの平面図である。 図２は、図１の光アイソレータを第１ポート側から見た図である。 図３は、図１の光アイソレータを第２ポート側から見た図である。 図４は、図１のＡ－Ａ断面図である。 図５は、図１の光アイソレータを含む光源装置の平面図である。 図６は、図５の光源及び光アイソレータの第１端部近傍を示す断面図である。 図７は、図１の光アイソレータの光伝送路との接続形態の一例を示す平面図である。 図８は、図１の光アイソレータの光伝送路との接続形態の他の一例を示す平面図である。 図９は、光導波路の第２端部の端面の形状と出射光の強度分布とを示す図である。 図１０は、光導波路の第２端部の端面の形状が平坦な場合の端面の形状と出射光の強度分布とを示す図である。 図１１は、第２実施形態に係る光アイソレータの平面図である。 図１２は、図１１の光アイソレータを伝搬する送信光及び受信光の第２ポートにおける角度に対する強度分布を示す図である。 図１３は、図１１と異なる非相反性部材の配置を有する光アイソレータの平面図である。 図１４は、第３実施形態に係る光アイソレータの平面図である。 図１５は、図１４の光アイソレータの戻り光の光路を示す図である。 図１６は、第４実施形態に係る光アイソレータの平面図である。 図１７は、図１６の光アイソレータを第１ポート側から見た図である。 図１８は、図１６の光アイソレータを第２ポート側から見た図である。 図１９は、図１６の光アイソレータを、第１ポートを左端且つ第２ポートを右端に見る側面図である。 図２０は、第５実施形態に係る光アイソレータを第２ポート側から見た図である。 図２１は、第５実施形態に係る光アイソレータを、第１ポートを左端且つ第２ポートを右端に見る側面図である。 図２２は、図２１のＢ－Ｂ断面図である。 図２３は、図２１のＣ－Ｃ線に沿う断面図である。
　従来の光アイソレータは、光源から出射した光が通る光導波路中、又は、光導波路と光ファイバ等の光伝送路との間の空間に、偏光子、ファラデー回転子及び半波長板等の各構成要素を設けている。光導波路中に光アイソレータを設ける場合、光導波路を外部の光ファイバ又は光源等と接続するために接続機構が必要となる。光アイソレータは、容易に光ファイバ又は光源と接続でき、より少ない部品で構成できることが好ましい。
　以下、本開示の実施の形態について、図面を参照して説明する。以下の説明で用いられる図は模式的な図である。図面上の寸法比率等は現実のものとは一致していない。
（第１実施形態）
　図１～図４に示されるように、第１実施形態に係る光アイソレータ１０は、基板１１と基板１１上に位置する光導波路１２を含む。
　基板１１は、一方向に長い板状の部材である。以下の説明及び図において、Ｘ軸方方向は、基板１１の表面の長手方向とする。Ｙ軸方向は、基板１１の表面内でＸ軸方向に直交する方向とする。Ｚ軸方向は、基板１１の表面の法線方向とする。図１に示すように、基板１１は平面視において隣り合う２辺がＸ軸方向及びＹ軸方向に沿う長方形であってよい。基板１１の形状はこれに限られない。
　基板は種々の材料により構成されうる。例えば、基板１１は、金属の導体、シリコン等の半導体、ガラス、又は樹脂等を含む材料から選択された材料により構成されてよい。
　光導波路１２は、基板１１に沿ってＸ軸の負の方向の端に位置する第１端部１３、及びＸ軸の正の方向の端に位置する複数の第２端部１４ａ～１４ｄを含む。以下、複数の第２端部１４ａ～１４ｄは、纏めて第２端部１４と表記される。第２端部１４は、一次元のアレー状に配列されている。図１において、第２端部１４は簡単のために４つのみ図示している。第２端部１４の数は、２以上の任意の数とすることができる。例えば、第２端部１４の数は、２０、３０又は５０等とすることができる。
　第１端部１３は、光が入出力される第１ポート１５を構成する。第２端部１４は、光が入出力される第２ポート１６を構成する。光導波路１２は、第１ポート１５及び第２ポート１６の間で概ねＸ軸方向に沿って延在する。本願において光は、可視光の領域に限られず、赤外線から紫外線までの波長範囲の任意の波長の光を含む。第１ポート１５から光導波路１２に入力される光は、第２ポート１６に向けて進む。第２ポート１６から光導波路１２に入力される光は、第１ポート１５に向けて進む。第１ポート１５及び第２ポート１６はそれぞれ、光導波路１２の端面として構成されてよい。
　図２～図４に示すように、光導波路１２（図２および図３においてはその第１端部１３及び第２端部１４が示されている）は、延在方向に沿って周囲を第１媒質１７ａ及び第２媒質１７ｂによって覆われている。第１媒質１７ａは基板１１上に形成される。基板１１が誘電体の場合、基板１１が第１媒質１７ａを兼ねてよい。第１媒質１７ａ及び第２媒質１７ｂは、光導波路１２の外周に接している。光導波路１２及び第１媒質１７ａ、及び第２媒質１７ｂは、誘電体である。光導波路１２は、第１媒質１７ａ及び第２媒質１７ｂよりも高い誘電率を有する。第１媒質１７ａ及び第２媒質１７ｂは同じ媒質でよい。第１媒質１７ａ及び第２媒質１７ｂは一体の一つの媒質であってよい。
　第１媒質１７ａ及び第２媒質１７ｂは、例えば、石英ガラス（二酸化ケイ素：ＳｉＯ2）により構成される。光導波路１２は、例えば、シリコン（Ｓｉ）により構成される。シリコン及び石英ガラスの比誘電率はそれぞれ、約１２及び約２である。シリコンは、約１．２μｍ～約６μｍの近赤外光を低損失で伝搬させうる。これにより、第１端部１３又は第２端部１４から入射した光は、大部分が光導波路１２内部を伝搬される。光導波路１２は、シリコンで構成される場合、光通信で使用される１．３μｍ帯又は１．５５μｍ帯の波長を有する赤外光を低損失で伝搬させうる。光導波路１２は、コアと言い換えることができる。第１媒質１７ａ及び第２媒質１７ｂは、クラッドと言い換えることができる。
　光導波路１２並びに第１媒質１７ａ及び第２媒質１７ｂの材料は、上記の材料に限られない。第１媒質１７ａ及び第２媒質１７ｂの一部、例えば、第２媒質１７ｂの部分は、空気であってよい。すなわち、石英ガラスの第１媒質１７ａ上に、光導波路１２のみが形成されることも可能である。
　光導波路１２は、第１端部１３と複数の第２端部１４との間に、１つ以上の分岐部１８を有する。分岐部１８は、光導波路１２の一部を成す第１端部１３側の１つの線路を、第２端部１４側の２以上の複数の線路に分岐させる。例えば、分岐部１８は、１本の線路を２本の線路に分岐するＹ分岐光導波路を採用しうる。分岐部１８は、光導波路１２の第２端部１４側の複数の線路を、第１端部１３側の一つの線路に結合させる。分岐部１８は、第１端部１３と第２端部１４との間に、多段階に配置されてよい。分岐部１８は、光導波路１２の第１端部１３側の線路から入射した光を、第２端部１４側の複数の線路に略等しい光量で分波させることができる。分岐部１８は、光導波路１２の第２端部１４側の複数の線路から入射した光を、第１端部１３側の線路に合波させることができる。
　図１の例では、光導波路１２は、第１分岐部１８ａ、第２分岐部１８ｂ及び第３分岐部１８ｃを有する。第１分岐部１８ａは、第１端部１３と、第２分岐部１８ｂ及び第３分岐部１８ｃとの間に位置する。第２分岐部１８ｂは、第１分岐部１８ａと第２端部１４ａ及び１４ｂとの間に位置する。第３分岐部１８ｃは、第１分岐部１８ａと第２端部１４ｃ及び１４ｄとの間に位置する。分岐部１８の数は３つに限られず、第２端部１４の数に応じて、任意の複数の分岐部１８が設けられる。第１分岐部１８ａ，第２分岐部１８ｂ及び第３分岐部１８ｃは、適宜纏めて分岐部１８と表記される。
　図１に図示する分岐部１８において、光導波路１２の第１端部１３側の線路は、第２端部１４側の２つの線路と物理的に連続的に繋がっている。分岐部１８における光導波路１２の第１端部１３側の線路と第２端部１４側の線路とは、公知の光方向性結合器のように、近接して平行となる部分を介して光学的に結合していればよく、物理的に連続的に繋がっていなくてよい。光導波路１２を近接して配置すると、エバネッセント波による第１端部１３側の線路と第２端部１４側の線路との間での光の乗り移りが生じる。
　光導波路１２は、非相反性を有する部分を含む。光導波路１２の非相反性を有する部分は、移相器１９とも呼ばれる。移相器１９は、少なくとも１つの分岐部１８と第２端部１４との間の光導波路１２上の何れかの部分に設けられる。非相反性を有するとは、光導波路１２を伝搬する光が受ける効果が、光の伝搬方向によって異なることを意味する。光の伝搬方向は、第１端部１３から第２端部１４に向かう第１方向と、第２端部１４から第１端部１３に向かう第２方向を含む。移相器１９では、磁気光学効果により、第１方向に伝搬する光と第２方向に伝搬する光とでは、位相の変化する量が異なる非相反移相効果が生じる。位相が変化する量のことを移相量と呼ぶ。移相器１９は、第１端部１３と第２端部１４との間に非相反性の移相量を与える。
　移相器１９は、非相反性を有する第１非相反性部材２０ａ及び第２非相反性部材２０ｂを含む。以下において、第１非相反性部材２０ａ及び第２非相反性部材２０ｂを纏めて非相反性部材２０と表記することがある。非相反性部材２０は、光導波路１２の一部に対し面的に接して配置される。本願において、接して配置されることには、任意の手段で接合されることを含む。非相反性部材２０は、例えば、磁性ガーネット、フェライト、鉄、コバルト等の非相反性材料を含んで構成されてよい。非相反性部材２０は、光導波路１２の接している部分を伝搬する光に対して非相反移相効果を生じる。
　移相器１９は、第１分岐部１８ａと第２分岐部１８ｂとの間の第１非相反線路２１ａ、及び、第１分岐部１８ａと第３分岐部１８ｃとの間の第２非相反線路２１ｂを含む。第１非相反線路２１ａ及び第２非相反線路２１ｂは、光導波路１２の一部である。第１非相線路２１ａ及び第２非相反線路２１ｂには、それぞれ上述の第１非相反性部材２０ａ及び第２非相反性部材２０ｂが接して配置されている。光導波路１２の一側面に第１非相反性部材２０ａ及び第２非相反性部材２０ｂが接している部分を、それぞれ第１非相反線路２１ａ及び第２非相反線路２１ｂと呼ぶ。以下において、第１非相反線路２１ａ及び第２非相反線路２１ｂを纏めて非相反線路２１と表記する場合がある。非相反線路２１は、光導波路１２の非相反性を有する部分である。
　図４の断面図において非相反性部材２０の面積は、それぞれ、対応する非相反線路２１の面積の半分以下である。すなわち、非相反性部材２０が占める体積は、非相反線路２１の体積の半分以下である。
　光導波路１２は、光をシングルモードで伝搬するように構成される。光導波路１２に接して配置される非相反性部材２０の体積を大きくすると、光導波路１２中に不所望なモードが発生し、光導波路１２の伝送特性を劣化させることがある。非相反性部材２０は、光導波路１２を伝搬する光のモードに影響を与えないように小さい方が好ましい。非相反性部材２０が占める体積を、非相反線路２１の体積の半分以下とすることにより、伝送特性の劣化が低減または抑制される。
　第１非相反性部材２０ａは、第１分岐部１８ａと第２分岐部１８ｂとの間の光導波路１２の部分（すなわち、第１非相反線路２１ａ）のＹ軸方向の正側の側面に接して配置することができる。第２非相反性部材２０ｂは、第１分岐部１８ａと第３分岐部１８ｃとの間の光導波路１２の部分（すなわち、第２非相反線路２１ｂ）のＹ軸方向の負側の側面に接して配置することができる。
　非相反性部材２０の磁化方向、又は、非相反性部材２０に非相反性を生じせしめる外部磁場の方向と、光導波路１２へ入射する入射光の偏光方向とは、互いに略直交するように構成される。
具体的には、光導波路１２へ入射する入射光の偏光方向は、基板１１の表面（基板面）に対して略平行（すなわち、Ｙ軸方向）とする。この場合、図４に示すように、Ｚ軸方向の成分を有する外部磁場を印加することにより、第１非相反性部材２０ａと第２非相反性部材２０ｂとは、光導波路１２に対して異なる非相反位相効果を生じる。言い換えれば、第１非相反線路２１ａと第２非相反線路２１ｂとは、異なる非相反性の移相量を有する。外部磁場の大きさが一定のとき、略Ｚ軸方向の外部磁場を印加することにより、非相反性の移相量は最も大きくなる。
　第１非相反性部材２０ａ及び第２非相反性部材２０ｂが強磁性体の場合、第１非相反線路２１ａ及び第２非相反線路２１ｂは、外部磁場を加えなくとも非相反移相効果を有する。光導波路１２へ入射する光の偏向方向がＹ軸方向の場合、第１非相反性部材２０ａ及び第２非相反性部材２０ｂは、磁化方向をＺ軸方向の成分を有するように配置される。第１非相反性部材２０ａ及び第２非相反性部材２０ｂは、磁化方向を略Ｚ軸方向となるように配置されてもよい。
　一例として、第１非相反線路２１ａを第１方向に伝搬する光と第２方向に伝搬する光との間で、＋９０°の移相量の差が生じるものとする。また、第２非相反線路２１ｂを第１方向に伝搬する光と第２方向に伝搬する光との間で、－９０°の移相量の差が生じるものとする。
　第１端部１３から光導波路１２に入射した光は、第１分岐部１８ａで分波される。分波された光は、それぞれ、第１非相反線路２１ａ及び第２非相反線路２１ｂを伝搬する。第１非相反線路２１ａを伝搬した光は、第２分岐部１８ｂで分波され、第２端部１４ａ及び１４ｂから出力される。第２非相反線路２１ｂを伝搬した光は、第３分岐部１８ｃで分波され、第２端部１４ｃ及び１４ｄから出力される。第１端部１３から入射し、それぞれの第２端部１４から出射する光は、第１端部１３から各第２端部１４に至る光導波路１２の長さを調整すること等により、同位相とすることができる。この場合、複数の第２端部１４から出射される光は、フェーズドアレーアンテナと類似の原理により、位相の揃う方向であるＸ軸方向の狭い角度範囲に指向性を有する光ビームとして出射される。
　一方、第２端部１４ａ及び１４ｂから入射した光は、第２分岐部１８ｂで合波され、第１非相反線路２１ａを伝搬する。第２端部１４ｃ及び１４ｄから入射した光は、第３分岐部１８ｃで合波され、第２非相反線路２１ｂを伝搬する。第１非相反線路２１ａ及び第２非相反線路２１ｂを伝搬した光は、第１分岐部１８ａで合波され、第１端部１３から出力される。このとき、第１非相反線路２１ａと第２非相反線路２１ｂとが有する非相反性により、第１非相反線路２１ａを伝搬した光と第２非相反線路２１ｂを伝搬した光との間には、１８０°の位相差が生じうる。このため、第２端部１４に対してＸ軸の正の方向から負の方向に向かって入射し、光アイソレータ１０を第２方向に伝搬し第１端部１３から出射する光の強度は、複数の第２端部１４から入射した光の強度の合計よりもはるかに弱くなる。すなわち、第２端部１４に対しＸ軸の負の方向に沿って入射しようとする光と、光導波路１２との結合はし難くなる。
　従って、光アイソレータ１０は、第１方向に進む光を伝搬し易く、第２方向に進む光を伝搬し難い。
　図１～図４に示した例は、簡単のため、第２端部１４を４つとし、２つの光導波路１２の部分が非相反性を有するものとした。しかし、第１端部１３との間で非相反性の移相量の異なる多数の第２端部１４を有することによって、第２方向へ進む光が第２端部１４で光導波路１２に更に結合し難くなる。一方、第１端部１３からそれぞれの第２端部１４に伝搬する光の移相量を揃えることにより、光アイソレータ１０を第１方向に伝搬して第２端部１４から出射する光の指向性が更に高まる。
　第１ポート１５は、光の入射側のポートとすることができる。光アイソレータ１０は、光を入力する構成と組み合わされて使用されうる。光アイソレータ１０と、光を入力する構成とを組み合わせて光源装置３０を構成することができる。図５及び図６に示されるように、光源装置３０は、光アイソレータ１０と、光源３１と、光源３１に電力を供給する電源３２と、レンズ３３とを含む。光源３１は、例えば、ＬＤ（Laser Diode）又はＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting LASER）等の半導体レーザを用いることができる。
　光源３１は、レンズ３３を介して光導波路１２の第１端部１３に光学的に結合される。光源３１、レンズ３３、及び、光導波路１２の第１端部１３は、位置ずれを生じないように相互の位置関係が固定されてよい。光源３１及びレンズ３３は、光導波路１２及び媒質１７と共に、基板１１の上に一体として集積されてよい。光源３１は、偏光方向がＹ軸方向となるような直線偏光の光を、第１ポート１５に入力してよい。光源装置３０は、レンズ３３を有しなくてよい。光源装置３０は、レンズ３３を有しない場合、光源３１から出射した光を第１端部１３に直接入力してよい。
　光源３１から光導波路１２の第１端部１３への光の入力方法は、光源３１の光を直接又はレンズ３３を介して入力する方法に限られない。光源３１は、光ファイバを介して第１端部１３に結合してよい。光ファイバを伝搬する光を第１端部１３に入力する方法は、レンズ等を介して自由空間を接続する方法、光ファイバの出射面と第１端部１３とを直接突き合わせる方法、又は、接続導波路を用いる方法等、種々の方法を含んでよい。
　光源装置３０は、光源３１と光アイソレータ１０とを備えることによって、光源３１から射出される光を、光アイソレータ１０を通して第１方向に向けて伝搬させる。一方、光源装置３０は、光アイソレータ１０によって、第２方向に戻る光を低減又は抑制して、光源３１が戻り光の影響を受けにくくする。
　図７に示すように、光アイソレータ１０の第２端部１４を含む第２ポート１６は、光伝送路４０Ａと光学的に結合される。光伝送路４０Ａは、光を伝送する線路である。具体的には、光伝送路４０Ａは、コア４１及びクラッド４２を有する光ファイバを用いることができる。光アイソレータ１０の第２ポート１６と、光伝送路４０Ａのコア４１とは、空間を介してＸ軸方向に離れて対向する。第２ポート１６を出射してＸ軸方向に進む光は、コア４１と高い結合効率で結合する。図７の光伝送路４０Ａのコア径は、光導波路１２の断面の寸法よりも大きい。図７の光伝送路４０Ａのコア径は、例えば約５０μｍとすることができる。光伝送路４０Ａは、光アイソレータ１０から出射した光を、マルチモードで伝送することができる。
　他の実施形態において、図８に示すように、光アイソレータ１０の第２ポート１６は、レンズ４３を介して光伝送路４０Ｂのコア４１に光学的に結合されてよい。光アイソレータ１０の各第２端部１４から出射した光は、空間に配置されたレンズ４３によりシングルモード光ファイバである光伝送路４０Ｂのコア４１の端面に集光され、光伝送路４０Ｂに入射してよい。この場合、光伝送路４０Ｂのコア径は約１０μｍ程度とすることができる。
　光導波路１２の各第２端部１４の端部は、光導波路１２の長手方向（すなわち、Ｘ軸方向）に先細の形状の端面を有することができる。図９は、光導波路１２の第２端部１４の端面の形状（図９下側）と出射光の径方向の強度分布（図９上側）の一例を示す。第２端部１４の端面は、略錐状の側面の形状を有する。他の実施形態において、第２端部１４の端面は、Ｘ軸方向に凸の半球面状の形状を有してよい。光導波路１２の第２端部１４の端面は、Ｘ軸方向に伝搬する光の波長よりも長く、Ｘ軸の正方向に徐々に先細となる形状とすることができる。光導波路１２の第２端部１４の端面を、光導波路１２の長手方向に先細の形状とすることによって、個々の第２端部１４から出射する光の強度が強くなる。
　図１０は、比較のために、光導波路１２の第２端部１４の端面の形状が平坦な場合の端面の形状（図１０下側）と出射光の強度分布（図１０上側）の一例を示す。この場合、光導波路１２を伝搬してきたシングルモード光は、第２端部１４の平坦な端面で、図９の先細の端面を有する第２端部１４を用いた場合よりも多くの部分が反射される。このため、図１０の平坦な端面を有する第２端部１４から出射する出射光の強度は、図９の先細の形状の端面を有する場合の第２端部１４から出射する出射光の強度と比較して弱くなる。
　図７及び図８の何れの場合も、光伝送路４０Ａ及び４０Ｂは、第２端部１４からＸ軸方向に指向性を有して進行する光を入射させる。光アイソレータ１０を第２ポート１６から出射する光は、第２端部１４で出射光の位相が揃っていることによって、Ｘ軸方向に高い指向性を有する。さらに、光アイソレータ１０を第２ポート１６から出射する光は、第２端部１４の端面を先細の形状とすることによって、さらに強度が強くなる。これによって、光アイソレータ１０を第２ポート１６から出射する光は、光伝送路４０Ａ，４０Ｂに対して高い結合効率で結合することができる。一方、光伝送路４０Ａ，４０Ｂ側から光アイソレータ１０の第２ポート１６に入射しようとする光に対しては、光導波路１２の有する非相反性によって、各第２端部１４から第１端部１３へ伝搬する光の移相量が異なる。このため、第２ポート１６に入射する戻り光は、第１端部１３において同位相となる条件が崩れるので、光アイソレータ１０の光導波路１２に結合し難くなる。
　以上説明したように、光アイソレータ１０は、基板１１上に光導波路１２を備え、非相反性を有する非相反性部材２０が光導波路１２に接して配置されることにより、第１端部１３と複数の第２端部１４との間に異なる非相反性の移相量を与える。これによって、光アイソレータ１０は、第１方向の光を伝搬させ、第２方向の光の伝搬を低減又は抑制する光アイソレータの機能を有することができる。
　また、光アイソレータ１０は、第２ポート１６から出射する光の指向性が高いので光伝送路４０との接続が容易である。このため、光導波路１２内部又は空間内に独立した光アイソレータを構成する場合に比べて、光アイソレータ１０は、少ない部品で光伝送路４０と接続することができる。
　さらに、本実施形態に係る光アイソレータ１０によれば、第２ポート１６と光伝送路４０との間を接続するビームの角度をＸ軸方向の狭い角度範囲とすることによって、非相反性の移相量が小さくてもアイソレータとして機能することができる。言い換えると、光アイソレータ１０は、各第２端部１４に入射する第２方向の光の受ける非相反性の移相量の差が小さくとも、各第２端部１４から入射した光の位相が、第１端部１３で同位相となる条件を崩すことにより、アイソレータとしての機能が得られる。
　具体的には、上述の説明においては、光が第２方向に伝搬するとき、第１非相反線路２１ａと第２非相反線路２１ｂとが有する非相反性により、第１非相反線路２１ａと第２非相反線路２１ｂとを伝搬した光には、１８０°の位相差が生じるものとした。しかし、この位相差は、１８０°ではない値、例えば、１２０°又は９０°等になるように設定されてよい。そのような場合でも、第２方向に伝搬して第１端部１３から出射される光は、大幅に減少する。また、このような場合、光アイソレータ１０の第２ポート１６は、移相器１９により生じる位相差及び複数の第２端部１４の配置等に依存して、Ｘ軸の負の方向よりもＸＹ平面内の角度方向に広がった受信強度分布を有する。従って、第２ポート１６にＸ軸の負の方向に入射しようとする光に対して、光アイソレータ１０は、低減又は抑制する効果を有する。
　非相反性の移相量を小さくできるので、本実施形態に係る光アイソレータ１０は、非相反性部材２０の光導波路１２と接する部分の長さを比較的短くすることができる。これによって、非相反性部材２０の長さに起因する光導波路１２の損失を低減することが可能になる。
　また、本実施形態に係る光源装置３０は、光アイソレータ１０を有するので、光源３１から出射した光の戻り光が、光源３１に入射して光源３１を損傷すること、光源３１を不安定化させること、又は、ノイズ等を発生させることを防止することができる。
　第１実施形態では、２つの光導波路１２の部分に対して、それぞれ、第１非相反性部材２０ａ及び第２非相反性部材２０ｂを接して配置して、２つの非相反性を有する部分である第１非相反線路２１ａ及び第２非相反線路２１ｂとした。しかし、第１非相反線路２１ａ及び第２非相反線路２１ｂの一方を設けなくても、光を第１方向に伝搬する場合と第２方向に伝搬する場合との間で、移相量の関係に変化が生じるので、本実施形態の効果を得ることができる。
（第２実施形態）
　図１１を参照して、第２実施形態に係る光アイソレータ５０について説明する。図１１は、光アイソレータ５０の平面図である。光アイソレータ５０は、第１実施形態の光アイソレータ１０と類似しているので、光アイソレータ１０の構成要素と同一又は類似の構成要素には同一の符号を付して、適宜説明を省略する。
　光アイソレータ５０の光導波路１２の形状は、第１実施形態の光導波路１２の形状と類似する。光アイソレータ５０では、第１実施形態とは異なり、光導波路１２の第１分岐部１８ａと第２分岐部１８ｂ及び第３分岐部１８ｃとの間には、移相器１９が設けられていない。代わりに、光導波路１２の第２分岐部１８ｂ及び第３分岐部１８ｃと、それぞれの第２端部１４ａ～１４ｄとの間の部分が、非相反性を有する移相器５１となっている。移相器５１は、第１端部１３と、それぞれの第２端部１４との間に互いに異なる非相反性の移相量を与える。
　移相器５１は、非相反性を有する非相反性部材５２ａ～５２ｄを含む。以下において、非相反性部材５２ａ～５２ｄは、纏めて非相反性部材５２と表記される場合がある。非相反性部材５２は、光導波路１２の一部に対し面的に接して配置される。非相反性部材５２は、光導波路１２を伝搬する光に対して非相反移相効果を生じる。非相反性部材５２ａ～５２ｄは、それぞれ、第２端部１４ａ～１４ｄに繋がる光導波路１２の部分に接している。非相反性部材５２ａ～５２ｄが接している光導波路１２の部分を、それぞれ、非相反線路５３ａ～５３ｄとする。非相反線路５３ａ～５３ｄは、纏めて非相反線路５３と表記される場合がある。
　非相反性部材５２ａ，５２ｂは、非相反線路５３ａ，５３ｂのＹ軸方向の正側の側面に接する。非相反性部材５２ｃ，５２ｄは、非相反線路５３ｃ，５３ｄのＹ軸方向の負側の側面に接する。非相反線路５３ａ，５３ｂと、非相反線路５３ｃ，５３ｄとは、接合される非相反性部材５２の側面の位置が異なることによって反対の符号の非相反性の移相量を生じる。
　非相反性部材５２ａと非相反性部材５２ｂとは、Ｘ軸方向の長さが異なることによって、異なる非相反性を生じる。同じ磁場を印加した場合、非相反性部材５２ａの方が非相反性部材５２ｂよりも大きな非相反性の移相量を生じる。非相反性部材５２ｃと非相反性部材５２ｄとは、Ｘ軸方向の長さが異なることによって、異なる非相反性を生じる。同じ磁場を印加した場合、非相反性部材５２ｄの方が非相反性部材５２ｃよりも大きな非相反性の移相量を生じる。非相反性部材５２ａと非相反性部材５２ｄとの長さは、等しくすることができる。非相反性部材５２ｂと非相反性部材５２ｃとの長さは、等しくすることができる。
　図１１は、第２端部１４が４つの場合の簡略化した例である。第２端部１４の数はこれよりも多い数、例えば、２０、３０又は５０等とすることができる。第２端部１４は、所定のピッチで等間隔に配置される。全ての第２端部１４は、異なる非相反性の移相量を有する非相反線路５３に接続される。非相反線路５３による非相反性の移相量は、隣り合う第２端部１４ごとに規則的に異なる量とすることができる。
　第１端部１３から入力され、光導波路１２を第１方向に伝搬し、それぞれの第２端部１４から出射する光は、第１端部１３から各第２端部１４に至る光導波路１２の長さを調整すること等により、同じ移相量とすることができる。このため、光アイソレータ５０の第１端部１３からＸ軸方向に入射した光Ｌ1は、それぞれの第２端部１４から同じ位相で出射する。光アイソレータ５０の第２ポート１６から出射する光は、Ｘ軸方向に狭い角度範囲に指向性を有する光Ｌ2となる。
　それぞれの非相反性部材５２の位置及び長さは、それぞれの第２端部１４から入射して光導波路１２を第２方向に伝搬し、第１端部１３から出射する光が、それぞれ異なる所定の位相差を有するように設定される。例えば、２０個の第２端部１４がＹ軸方向に等間隔で配列された場合、それぞれの第２端部１４から第１端部１３に至る光導波路１２の移相量を、１０°ずつ異ならせることができる。それぞれの第２端部１４が、隣り合う第２端部１４との間で異なる非相反性の移相量を有する場合、第１端部１３から出射するとき同位相となる第２端部１４への入射光の波面は、光導波路１２の延在方向（すなわち、Ｘ軸方向）に垂直な方向から傾く。このため、第２ポート１６は、第２ポート１６に対してＸ軸方向から傾いた所定の方向から入射する光Ｌ3に対して、結合効率が高くなる。一方、光Ｌ3の入射する所定の方向と異なる方向から入射する光は、第２ポート１６から光アイソレータ１０に入射し難くなる。
　図１２の実線は、第１ポート１５に入射し、光アイソレータ５０を第１方向に伝搬して、第２ポート１６から外部の空間へ送信される送信光の強度の、第２ポート１６における角度分布を示す。図１２の破線は、外部の空間から第２ポート１６に入射し、光アイソレータ５０を第２方向に伝搬して、第１ポート１５から出力される受信光の強度の、第２ポート１６における入射角度に対する依存性を示す。図１２において、横軸はＸ軸及びＹ軸が形成するＸＹ平面における、Ｙ軸方向に対する角度を示している。実線及び破線は、何れもシミュレーションにより求めた結果を示している。
　シミュレーションの対象とする光アイソレータ５０は、７５０ｎｍのピッチでＸ軸方向に一次元に配列された２４個の第２端部１４を有すると仮定した。また、第１端部１３から第２端部１４へ第１方向に伝搬する光に対しては、位相差は生じないものとした。逆に第２端部１４から第１端部１３へ第２方向に伝搬する光は、隣り合う第２端部から入射する光毎に１０°の位相差が生じるものとした。さらに、光アイソレータ５０を伝搬される光の波長は、１５００ｎｍとした。
　図１２によれば、送信光の強度は、角度θが９０°（すなわち、Ｘ軸方向）のとき最も強い。送信光の規格化強度は、角度θが９０°のときの強度を０ｄＢとするｄＢ単位で表示している。また、受信光の強度は、第２ポート１６に入射する光線の角度θが１００°（すなわち、Ｘ軸方向から１０°ずれた角度）のとき最も強い。受信光の規格化強度は、角度θが１００°のときの強度を０ｄＢとするｄＢ単位で表示している。
　図１２から分かるように、光アイソレータ５０に第１ポート１５から入射し、第２ポート１６から出射する光は、角度９０°（Ｘ軸方向）近傍の狭い範囲に強い指向性を有する。これに対して、光アイソレータ５０に第２ポート１６から入射する光は、角度１００°近傍の狭い範囲から入射する場合に、最も入射し易い。光アイソレータ５０に対して、角度９０°（Ｘ軸方向）から入射する光は、第１ポート１５における出射光の強度が、角度１００°から入射する光の第１ポート１５における出射光の強度に対して２５ｄＢ以上小さい。これによって、光アイソレータ５０は、図１１の光Ｌ2の反対方向に進む戻り光を僅かにしか伝搬させない。例えば、第１実施形態の図７及び図８に示したように、第２ポート１６が空間を介して光伝送路４０Ａ，４０Ｂと接続されている場合、戻り光は出射光と略反対向きの光路をたどり、第２ポート１６にＸ軸の負の方向に入射する。このような戻り光は、第２ポート１６から光アイソレータ５０に僅かしか入射することができない。
　以上説明したように、本実施形態に係る光アイソレータ５０は、第１実施形態と類似して第１の方向の光を伝搬させ、第２の方向の光の伝搬を低減または抑制する光アイソレータの機能を実現することができる。また、光アイソレータ５０は、第２端部１４を所定のピッチで配列し、第１端部１３とそれぞれの第２端部１４との間ごとに規則的に異なる移相量を与えるように構成されている。これにより、外部から第２ポート１６に入射することのできる光の方向は、第２ポート１６から出射する光の方向とは異なる狭い方向に限定される。その結果、第２ポート１６から出射した光の戻り光が、光アイソレータ５０に入射し伝搬することを、第２ポート１６の部分でより確実に低減または抑制することができる。
　図１１では、非相反性部材５２ａ，５２ｂと非相反性部材５２ｃ，５２ｄとは、光導波路１２の一部である非相反線路５３のＹ軸方向の異なる側に配置していた。図１３に示す光アイソレータ６０のように、移相器６１は、大きさの異なる非相反性部材６２ａ～６２ｃを、光導波路１２の一部である非相反線路６３ａ～６３ｃの一方の側のみに配置して構成することができる。非相反性部材６２ａ～６２ｃは、隣接する第２端部１４ａ～１４ｃの間で規則的に異なる非相反性の移相量を与えるように構成される。図１３に図示する例では、第１端部１３と第２端部１４ｄとの間には、非相反性を有する部分を設けていない。このような構成によっても、複数の第２端部１４から第１端部１３に第２方向に伝搬した光が、異なる位相差を有するようにすることができる。これによって、図１１の光アイソレータ５０と類似の作用、効果を有することができる。
（第３実施形態）
　第１実施形態及び第２実施形態の光アイソレータ１０，５０及び６０は、１つの第１端部１３から入射して複数の第２端部１４から出射する第１方向の光を伝搬させ、これと逆方向の第２方向の光を伝搬させないように構成された。しかし、光アイソレータは、第２方向の光を伝搬させ、第１方向の光を伝搬させないように構成することも可能である。このような光アイソレータ７０を用いた光源装置７１について、図１４及び図１５を参照して説明する。
　図１４に示すように、光源装置７１は、光アイソレータ７０、光アイソレータ７０に入射させる光を射出する光源７２、光源７２に電力を供給する電源７３、光源７２からの光をコリメートして第２ポート１６に入射させる少なくとも１つのレンズ７４を含む。光源７２は、第１実施形態の光源装置３０の光源３１と類似の半導体レーザを用いることができる。光源７２からの光が平行光線の場合、レンズ７４は無くてよい。また、光源７２からの光のビーム径を調整するため、複数のレンズ７４が組み合わせて使用されてよい。第１実施形態の光源装置３０と類似に、光源７２及びレンズ７４は、光アイソレータ７０の基板１１上に集積されてよい。光源７２、電源７３及びレンズ７４は、光アイソレータ７０とは分離可能な構成要素とすることもできる。
　光アイソレータ７０は、第２実施に係る光アイソレータ５０，６０と類似して、第１端部１３とそれぞれの第２端部１４との間ごとに規則的に異なる非相反性の移相量を与えるように構成される。図１４，１５においては光アイソレータ７０の内部の構造は記載を省略している。第２実施形態の光アイソレータ５０，６０とは異なり、光アイソレータ７０の第１端部１３と各第２端部１４との間の光導波路１２の長さは、それぞれの第２端部１４から入力された同位相の光が、第１端部１３から同位相の光として出射するように調整される。これにより、光源７２から出射されコリメートされた光は、光アイソレータ７０の第２ポート１６に容易に入射する。すなわち、光源７２と光アイソレータ７０との接続が容易である。光源７２と光アイソレータ７０とは、結合効率が高くなるように構成しうる。
　図１４は、光源装置７１の構成とともに、光源７２から出射した光が、第２ポート１６から光アイソレータ７０に入射するときの光線を破線により示している。第２ポート１６の複数の第２端部１４に対してＸ軸方向に入射した光は、光アイソレータ７０内で光導波路１２を通り結合され、第１ポート１５の第１端部１３からＸ軸方向に進行する光Ｌ4として出射される。
　図１５は、光源装置７１の構成とともに、光源装置７１に対する戻り光Ｌ5が第１ポート１５の第１端部１３に入射した場合の光線を破線により示している。戻り光Ｌ5は、第１端部１３を出射した光Ｌ4の進行方向とは逆方向である、Ｘ軸の負の方向に第１端部１３に入射する。この戻り光Ｌ5は、光アイソレータ７０の内部で光導波路１２を通り複数に分波され、複数の第２端部１４から出射する。それぞれの第２端部１４から出射する光は、非相反性により位相が規則的に異なっている。例えば、隣り合う第２端部１４毎に出射される光は、位相が１０°ずつ異なる。これにより、第２端部１４から出射する複数の光は、波面の法線方向がＸ軸の負の方向から傾いた光となって出射される。従って、戻り光Ｌ5は、第２端部１４からＸ軸の負の方向に対して傾いた方向に進行し、光源７２に入射しない。これによって、光源７２から出射した光の戻り光Ｌ5が、光源７２に入射して光源７２を損傷し、不安定化し、又は、干渉によるノイズ等を発生させることを防止することができる。
（第４実施形態）
　図１６～図１９を参照して、第４実施形態に係る光アイソレータ８０について説明する。図１６は、光アイソレータ８０の平面図である。図１７は、光アイソレータ８０を第１ポート１５側から見た図である。図１８は、光アイソレータ８０を第２ポート１６側から見た図である。図１９は、光アイソレータ８０の側面図である。光アイソレータ８０は、第１実施形態の光アイソレータ１０と部分的に類似しているので、光アイソレータ１０の構成要素と同一又は類似の構成要素には同一の符号を付して、適宜説明を省略する。
　光アイソレータ８０の光導波路１２は、ＸＹ平面内でのＹ軸方向の分岐に加え、Ｚ軸方向にも分岐している。光導波路１２は、非相反性部材２０ａ～２０ｄと接する部分以外の任意の位置でＺ軸方向に分岐してよい。例えば、図１６及び図１９に示すように、光導波路１２は、第１分岐部１８ａでＹ軸方向及びＺ軸方向それぞれ２つずつ分岐し合計４つに分岐してよい。第１分岐部１８ａで４つに分岐した光導波路１２は、それぞれ第２～第５分岐部１８ｂ～１８ｅでＹ軸方向に２つずつ分岐する。その結果、光アイソレータ８０のＸ軸の正の方向の端部では、図１８に示すように、光導波路１２の８つの第２端部１４が２層に配列された２次元アレー状に配列される。また、第１分岐部１８ａと、第２～第５分岐部１８ｂ～１８ｅとの間には、それぞれ非相反性部材２０ａ～２０ｄが接して配置される。
　図１６～図１９に示す光アイソレータ８０の構成は例示に過ぎない。光アイソレータ８０の光導波路１２は、光の伝搬する方向であるＸ軸方向に直交するＹ軸方向及びＺ軸方向に、任意の位置に配置した複数の分岐部１８により複数の光導波路１２に分岐してよい。第２端部１４は、Ｚ軸方向に２層に限らず３層以上で配列されてよい。第２端部１４の数は８に限らず、任意の数とすることができる。
　以上のような構成によって、光アイソレータ８０の第２ポート１６には、第２端部１４が２次元に配列される。このため、光アイソレータ８０は、第２ポート１６において単位面積あたりにより多くの第２端部１４を配置することが可能になる。例えば、光アイソレータ８０では、第２端部１４をＹ軸方向にｍ個、Ｚ軸方向にｎ個（ｍ，ｎは２以上の任意の整数）アレー状に配列することができる。これは、第１実施形態の光アイソレータ１０において、同じ面積の領域に第２端部１４をＹ軸方向にｍ個のみ配列した場合に比べて、ｎ倍の密度となる。従って、図７と類似して、光アイソレータ８０の第２ポート１６からの出射光を光伝送路４０Ａに入射させる場合、同じコア径に対してより多くの光を入射させることができる。また、図８と類似して、光アイソレータ８０の第２ポート１６からの出射光を、光伝送路４０Ｂのコア４１にレンズ４３を介して結合させる場合、同数の第２端部１４に対してレンズ４３の径を小さくすることができる。さらに、第３実施形態のように、光アイソレータ８０の第２ポート１６を入射側とし第１ポート１５を出射側とするとき、第２ポート１６の第２端部１４の密度が高いので、第２ポート１６における光の損失を低減することが可能になる。
（第５実施形態）
　図２０～図２３を参照して、第５実施形態に係る光アイソレータ９０について説明する。各図において、第４実施形態の構成要素と同一又は類似の構成要素には、同じ参照符号が付されている。
図１８に示した第４実施形態において、複数の第２端部１４は、Ｘ軸方向に見たときＹ軸方向及びＺ軸方向に格子状に並んで配列されていた。第５実施形態では、Ｚ軸方向の正側にＹ軸方向に並んで配列された第２端部１４の配列と、Ｚ軸方向の負側にＹ軸方向に並んで配列された第２端部１４の配列とを、Ｙ軸方向にずらして配置する。すなわち、第２端部１４は、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の互いに直交する２次元方向の格子配置から少なくとも一方向においてずらして配置される。図２０は、第５実施形態における、Ｘ軸方向の正側から見た第２端部１４の配列の一例を示している。第２端部１４を、このように配置することによって、上下の第２端部間での干渉の発生を低減することができる。
　図２１に示すように、本実施形態は光導波路１２として、第１光導波路１２ａ及び第２光導波路１２ｂを有することができる。第１光導波路１２ａは、第１端部１３を有する。第２光導波路１２ｂは、光アイソレータ９０の第１端部１３側で、第１光導波路１２ａと方向性結合器９１により結合される。方向性結合器９１は、分岐部１８の一つを構成する。図２２及び図２３に示すように、第１光導波路１２ａ及び第２光導波路１２ｂは、それぞれ、方向性結合器９１と４つの第２端部１４との間で２回分岐する。これにより、光アイソレータ９０のＸ軸方向の正側の端部では、８つの第２端部１４がＺ軸方向に２層に配列される。Ｚ軸方向の正側に配列される複数の第２端部１４と、Ｚ軸方向の負側に配列される複数の第２端部１４とをずらして配置するため、図２２及び図２３に示すように、第１光導波路１２ａと第２光導波路１２ｂとの形状は異なっている。
　第１光導波路１２ａ及び第２光導波路１２ｂのそれぞれの第２端部１４に繋がる部分は、非相反性を有する移相器１９となっている。移相器１９は、非相反性を有する複数の非相反性部材２０を含む。それぞれの非相反性部材２０は、第１光導波路１２ａまたは第２光導波路１２ｂに接して配置される。複数の非相反性部材２０は、それぞれ異なる移相量を与えるため、異なる配置、及び、異なるＸ方向の長さを有する。非相反性部材２０の配置及びＸ方向の長さは、それぞれの対応する第２端部１４の位置に応じて、狙った移相量を与えるように決定される。
　本実施形態によれば、第４実施形態の光アイソレータ８０と同様の効果が得られることに加え、複数の第２端部１４間での干渉の発生を低減することができる。なお、第２端部１４は、Ｚ軸方向に２層に限られず、３層以上配置してよい。
　本開示に係る実施形態について、諸図面及び実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形又は修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形又は修正は本開示の範囲に含まれることに留意されたい。本開示において、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸は、説明の便宜上設けられたものであり、互いに入れ替えられてよい。
　１０　　光アイソレータ
　１１　　基板
　１２　　光導波路
　１３　　第１端部
　１４，１４ａ，１４ｂ，１４ｃ　　第２端部
　１５　　第１ポート
　１６　　第２ポート
　１７，１７ａ，１７ｂ　　媒質
　１８　　分岐部
　１９　　移相器
　２０，２０ａ，２０ｂ　　非相反性部材
　２１　　非相反線路
　３０　　光源装置
　３１　　光源
　３２　　電源
　３３　　レンズ
　４０，４０Ａ，４０Ｂ　　光伝送路
　４１　　コア
　４２　　クラッド
　４３　　レンズ
　５０　　光アイソレータ
　５１　　移相器
　５２，５２ａ～５２ｄ　　非相反性部材
　５３，５３ａ～５３ｄ　　非相反線路
　６０　　光アイソレータ
　６１　　移相器
　６２，６２ａ～６２ｄ　　非相反性部材
　６３，６３ａ～６３ｄ　　非相反線路
　７０　　光アイソレータ
　７１　　光源装置
　８０　　光アイソレータ
　９０　　光アイソレータ
　９１　　方向性結合器

Claims (13)

  1. 　基板と、
    　前記基板上に位置する光導波路とを備え、
    　前記光導波路は、第１端部、アレー状に配列された複数の第２端部、及び、前記第１端部と前記複数の第２端部との間に位置する少なくとも１つの分岐部を含み、
    　前記光導波路は、部分的に非相反性を有し、前記第１端部と少なくとも２つの前記第２端部との間に異なる非相反性の移相量を与える光アイソレータ。
  2. 　前記光導波路の前記非相反性を有する部分に接して配置される非相反性の部材を含む、請求項１に記載の光アイソレータ。
  3. 　前記非相反性の部材の磁化方向、又は、前記非相反性の部材に非相反性を生じせしめる外部磁場の方向と、前記光導波路へ入射する入射光の偏光方向とが、略直交する請求項２に記載の光アイソレータ。
  4. 　前記非相反性の部材の磁化方向、又は、前記非相反性の部材に非相反性を生じせしめる外部磁場の方向が、前記基板の前記光導波路が位置する基板面に略垂直な方向であり、且つ、前記光導波路へ入射する入射光の偏光方向が、前記基板面に対して略平行である請求項２または３に記載の光アイソレータ。
  5. 　前記非相反性の部材が占める体積は、前記光導波路の前記非相反性を有する部分の体積の半分以下である請求項２から４の何れか一項に記載の光アイソレータ。
  6. 　前記複数の第２端部は、光源または光伝送路と空間を介して光学的に結合される、請求項１から５の何れか一項に記載の光アイソレータ。
  7. 　前記光導波路は、該光導波路の延在方向に沿って、該光導波路の周囲を覆って接する媒質の誘電率よりも高い誘電率を有する請求項１から６の何れか一項に記載の光アイソレータ。
  8. 　前記第２端部は、前記光導波路の長手方向に先細の形状の端面を有する請求項１から７の何れか一項に記載の光アイソレータ。
  9. 　前記複数の第２端部は所定のピッチで配列され、前記非相反性の移相量は、隣り合う前記第２端部の間で規則的に異なる量が与えられる、請求項１から８の何れか一項に記載の光アイソレータ。
  10. 　前記複数の第２端部は、２次元アレー状に配列される請求項１から９の何れか一項に記載の光アイソレータ。
  11. 　前記第２端部は、互いに直交する２次元方向の格子配置から少なくとも一方向においてずらして配置される請求項１０に記載の光アイソレータ。
  12. 　基板、及び、前記基板上に位置する光導波路を備える光アイソレータであって、前記光導波路は、第１端部、アレー状に配列された複数の第２端部、及び、前記第１端部と前記複数の第２端部との間に位置する分岐部を含み、前記光導波路は、部分的に非相反性を有し、前記第１端部と少なくとも２つの前記第２端部との間に異なる非相反性の移相量を与える光アイソレータと、
    　前記光アイソレータの前記第１端部又は前記複数の第２端部に、出射光が入射するように配置された光源と、
    を備える光源装置。
  13. 　前記光源に電力を供給する電源を更に備える、請求項１２に記載の光源装置。
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