(57)【要約】【課題】高価な磁気光学材料を使用することなく、一対のレンズを設けるだけで非相反性を持たせた光アイソレータを提供する。【解決手段】本発明の光アイソレータ１０は、第１の光ファイバＦ１に光学結合された第１導波路１２と、第２の光ファイバＦ２に光学結合された第２導波路１３と、第１導波路１２の出射端面Ａを焦点とする出射光を平行光にする第１レンズ１５と、この第１レンズ１５を透過した平行光を第２導波路１３の入射端面Ｂに集光させると共に、この第２導波路１３の出射端面Ｂを焦点とする戻り光を拡散させる第２レンズ１６とを備えて、第１レンズ１５と第２レンズ１６とで非相反性を持たせるようにしている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の光ファイバと第２の光ファイバとの間に配置されて、前記第１の光ファイバから入射した光を前記第２の光ファイバに透過させるとともに、該第２の光ファイバからの戻り光が前記第１の光ファイバに入射するのを阻止する光アイソレータであって、
前記第１の光ファイバに光学結合された第１導波路と、
前記第２の光ファイバに光学結合された第２導波路と、
前記第１導波路の出射端面を焦点とする出射光を平行光にする第１レンズと、前記第１レンズを透過した平行光を前記第２導波路の入射端面に集光させると共に、当該第２導波路の出射端面を焦点とする戻り光を拡散させる第２レンズとを備え、
前記第１レンズと前記第２レンズとで非相反性を持たせたことを特徴とする光アイソレータ。
【請求項２】
前記第１レンズと前記第２レンズとの間にスラブ導波路を備えるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の光アイソレータ。
【請求項３】
前記第１レンズは前記第２レンズに向けて突出する片凸レンズであり、
前記第２レンズは凹レンズであって、前記第１レンズ側にガウス関数的な曲線を有するとともに、同第１レンズの反対側は放物曲線を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光アイソレータ。
【請求項４】
前記第１レンズおよび前記第２レンズは屈折率が１．９０〜２．００の窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）からなり、前記第１導波路、前記第２導波路および前記スラブ導波路は屈折率が１．５０〜１．６０のフッ素化ポリイミド樹脂からなることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の光アイソレータ。
【請求項５】
前記第１導波路と第２導波路、前記第１レンズと前記第２レンズ、前記スラブ導波路が薄膜で形成された導波路型光アイソレータであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の光アイソレータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信システムなどに利用される半導体レーザ等に不要な反射戻り光を戻さないようにするための光アイソレータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信の分野において、レーザー光源の安定、線路エコーの抑制、光増幅器の雑音発生防止等を目的として光アイソレータが使用されている。従来この種の光アイソレータは個別部品を組み合わせたバルク型と呼ばれるものが実用に供されていた。図７は従来の光アイソレータの構造と動作原理を示す図である。この光アイソレータは、基本的には２枚の偏光板２１，２２と、その間に配置された磁気光学効果（ファラデー効果）を示すＹＩＧのような磁気効果結晶２３と、これに磁界を与える永久磁石（図示せず）とで構成される。２枚の偏光板２１，２２は偏光面が４５°異なるように配置されており、磁気光学結晶２３は透過光の偏光面を進行方向に対して右回り方向に４５°回転させるものを用いる。
【０００３】
したがって、このアイソレータに順方向（図の左から右に向けて）に入射する光に対しては、同図（ａ）のように、入射側の偏光板２１を透過し、磁気光学結晶２３により偏光面が進行方向に対して右回り方向に４５°回転されるため、出力側の偏光板２２を透過する。一方、逆方向に入射する光は、同図（ｂ）のように、偏光板２２を透過した後、磁気光学結晶２３により進行方向に対して右回りに４５°回転されるため、透過後は偏光板２１に対して直交する偏光方向とされ、偏光板２１を透過することができなくなる。したがって、光の入射方向に非相反性が生じ、アイソレーション動作が得られる。
【０００４】
ところが、このような光アイソレータは、磁気光学効果を利用するために、磁気光学結晶、一対の偏光板、永久磁石等の部品が必要であり、構造が複雑になるとともに、小型化が難しいという問題があった。また、磁気光学結晶が必要とされるために、半導体基板上に半導体レーザや光導波路と共にモノリシックに集積化することが難しいという問題があった。
そこで、特許文献１（特開平７−１９９１１９号公報）や特許文献２（特開平９−１９７３４６公報）等に示されるような光アイソレータが提案されるようになった。
【特許文献１】
特開平７−１９９１１９号公報
【特許文献２】
特開平９−１９７３４６公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した特開平７−１９９１１９号公報や特開平９−１９７３４６公報において提案された光アイソレータにおいても、高価な磁気光学材料を使用するため、この種の光アイソレータが高価になるという問題を生じた。また、光アイソレータの構造も複雑になるため、製造が複雑で面倒になるという問題を生じた。
【０００６】
本発明は上述したような問題点を解消するためになされものであって、高価な磁気光学材料を使用することなく、一対のレンズを設けるだけで非相反性を持たせた光アイソレータを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の如き目的を達成するため、本発明の光アイソレータは、第１の光ファイバに光学結合された第１導波路と、第２の光ファイバに光学結合された第２導波路と、第１導波路の出射端面を焦点とする出射光を平行光にする第１レンズと、この第１レンズを透過した平行光を第２導波路の入射端面に集光させると共に、この第２導波路の出射端面を焦点とする戻り光を拡散させる第２レンズとを備えて、第１レンズと第２レンズとで非相反性を持たせるようにしている。
【０００８】
ここで、第１レンズを透過した平行光が第２レンズにより第２導波路の入射端面に集光されると、順方向の入射光を効率よく第２導波路に入射させることができるようになる。一方、第２導波路からの戻り光（逆方向の反射光）は、この第２導波路の出射端面を焦点として第２レンズにより拡散されるので、第１レンズに入射する戻り光を遮断することが可能となる。これにより、第１レンズと第２レンズとで非相反性を持たせることが可能となる。
【０００９】
この場合、第１レンズと第２レンズとの間にスラブ導波路を備えるようにするのが望ましい。そして、第１レンズは第２レンズに向けて突出する片凸レンズとし、第２レンズはガウス関数的な曲線を第１レンズ側に有するとともに、第１レンズの反対側は放物曲線を有する凹レンズであると、第１レンズを透過した平行光は効率よく第２レンズに入射し、また、第２レンズから拡散する戻り光（逆方向の反射光）を第１レンズに殆ど入射させることなく、発散させることが可能となる。
【００１０】
なお、第１レンズおよび第２レンズは屈折率が１．９０〜２．００の窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）とし、第１導波路、第２導波路およびスラブ導波路は屈折率が１．５０〜１．６０のフッ素化ポリイミド樹脂とすると、これらを薄膜で形成することが可能となるため、導波路型光アイソレータを構成することが可能となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
ついで、本発明の一実施の形態を図１〜図６に基づいて説明するが、本発明はこの実施の形態に何ら限定されるものでなく、本発明の目的を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。なお、図１は本発明の光アイソレータを模式的に示す上面図である。図２は図１の光アイソレータに設けられた第２レンズに入射した光（戻り光）が屈折する状態を模式的に示す図である。図３は図１の光アイソレータに設けられた第２レンズの屈折率の依存性を示す図である。図４は図１の光アイソレータの製造工程の前半部の工程を模式的に示す図であり、図５は中段部の工程を模式的に示す図であり、図６は後半部の工程を模式的に示す図である。
【００１２】
１．光アイソレータ
本実施の形態の光アイソレータ１０は、図１に示すように、シリコン基板１１上に形成された、第１の光ファイバＦ１からのレーザ光が入射される第１導波路１２と、第２の光ファイバＦ２へ導出する第２導波路１３と、第１導波路と第２導波路１３とを結合するスラブ導波路１４と、第１導波路の端部に配置された第１レンズ１５と、第２導波路１３の端部に配置された第２レンズ１６とから構成される。
【００１３】
ここで、第１導波路１２は、屈折率が１．５５（ｎ＝１．５５）のフッ素化ポリイミド樹脂から構成されており、後述する屈折率が１．４６（ｎ＝１．４６）の二酸化珪素（ＳｉＯ２）１１ａ，１１ｂからなる下クラッドと、後述する屈折率が１．５０（ｎ＝１．５０）のフッ素化ポリイミド樹脂からなる上クラッド１７で覆われている。この第１導波路１２は、第１の光ファイバＦ１からの入射面の幅は１０μｍで、第１レンズ１５側のスラブ導波路１４との接続部の幅は１６０μｍで、スラブ導波路１４との接続部までの長さは１０００μｍになるように形成されている。
【００１４】
第２導波路１３も、屈折率が１．５５（ｎ＝１．５５）のフッ素化ポリイミド樹脂から構成されており、後述する屈折率が１．４６（ｎ＝１．４６）の二酸化珪素（ＳｉＯ２）１１ａ，１１ｂからなる下クラッドと、後述する屈折率が１．５０（ｎ＝１．５０）のフッ素化ポリイミド樹脂からなる上クラッド１７で覆われている。この場合、この第２導波路１３は、第２の光ファイバＦ２への出射面の幅は１０μｍで、第２レンズ１６側のスラブ導波路１４との接続部の幅も１０μｍで、スラブ導波路１４との接続部までの長さは２００μｍになるように形成されている。
【００１５】
スラブ導波路１４は、第１導波路１２および第２導波路１３と同様に、屈折率が１．５５（ｎ＝１．５５）のフッ素化ポリイミド樹脂から構成されており、後述する屈折率が１．４６（ｎ＝１．４６）の二酸化珪素（ＳｉＯ２）１１ａ，１１ｂからなる下クラッドと、後述する屈折率が１．５０（ｎ＝１．５０）のフッ素化ポリイミド樹脂からなる上クラッド１７で覆われている。
【００１６】
第１レンズ１５は、屈折率が１．９２（ｎ＝１．９２）の窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）から構成されており、周囲は屈折率が１．５５（ｎ＝１．５５）のフッ素化ポリイミド樹脂からなるスラブ導波路１４に取り囲まれている。この第１レンズ１５は、第１導波路１２の出射端面Ａを焦点とする出射光を平行光にするために、第２レンズ１６に向けて突出する片凸レンズの形状になるように形成されている。この場合、ここでいう平行光は完全な平行光を意味する訳ではなく、若干、収束気味の平行光であることを意味するものである。
【００１７】
第２レンズ１６も、屈折率が１．９２（ｎ＝１．９２）の窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）から構成されており、周囲は屈折率が１．５５（ｎ＝１．５５）のフッ素化ポリイミド樹脂からなるスラブ導波路１４に取り囲まれている。この第２レンズ１６は、第１レンズ１５を透過した平行光を第２導波路１３の入射端面Ｂに集光させるとともに、この第２導波路１３の出射端面Ｂを焦点とする戻り光を拡散させるように作用する。このため、図２に示すように、第１レンズ１５の反対側の第１曲線αは放物曲線を有し、かつ第２レンズ１６の第１レンズ１５側の第２曲線βはガウス関数的な曲線、即ち、中心線に対して左右対称で２つ以上の変曲点を持つ曲線を有する凹レンズの形状になるように形成されている。
【００１８】
ここで、図２に示すように、第２導波路１３の出射端面（戻り光の入射面）Ｂから入射角度がθ１の戻り光Ｌが入射したとき、第１曲線αでの出射角θ２がθ１の４倍、即ち、θ２＝４×θ１となるように第１曲線αが設定されている。また、戻り光Ｌの第２曲線βでの出射角θ３がθ２の４倍、即ち、θ３＝４×θ２となるように第２曲線βが設定されている。なお、θ２がθ１の４倍でθ３がθ２の４倍、即ちθ３はθ１の１６倍とする以外に、θ２がθ１の８倍でθ３がθ２の２倍、即ちθ３はθ１の１６倍としたり、あるいはθ２がθ１の２倍でθ３がθ２の８倍、即ちθ３はθ１の１６倍としても良い。この場合、θ３がθ１の１０倍〜２０倍になるように設定するのが望ましい。
【００１９】
また、第２導波路１３の出射端面（戻り光の入射面）Ｂから入射角度θ１が−１０度から＋１０度（−１０ｄｅｇ＜θ１＜＋１０ｄｅｇ）の範囲になるように設定されている。また、第２レンズ１６の中心線Ｏと第１曲線αとの交点Ｃから第２レンズ１６の中心線Ｏと第２曲線βとの交点Ｄまでの長さは１０μｍで、出射端面Ｂから交点Ｃまでの長さは１００μｍなるように設定されている。
【００２０】
なお、上述した第２レンズ１６においては、屈折率が１．９２（ｎ＝１．９２）の窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）を用いた場合に、図２に示すような形状の設定となる例について説明した。そこで、第２レンズ１６の屈折率が異なる材質を用いた場合に同様な形状に設定するのが良いかをシミュレートすると、図３に示すような結果が得られた。この図３の結果から明らかなように、屈折率が大きくなるに伴って、第１曲線αおよび第２曲線βの曲率が小さくなるとともに、幅も狭くなることが分かる。このことから、屈折率が大きな材質により第２レンズ１６を形成すると、光アイソレータ１０を小型化できることが分かる。
【００２１】
２．光アイソレータの動作
ついで、上述のような構成となる光アイソレータ１０の動作について説明する。ここで、まず、レーザ光が順光として第１の光ファイバＦ１から１０μｍ幅の第１導波路１２の端面Ａに入射されると、この入射光は第１導波路１２内を１６０μｍ幅まで拡がりながら透過して第１レンズ１５に入射する。この第１レンズ１５は第１導波路１２の端面Ａを焦点として平行光になるように作用するため、第１レンズ１５に入射した入射光は平行光となってスラブ導波路１４内を伝搬し、第２レンズ１６に直径が約１５μｍのスポット径となって入射することとなる。
【００２２】
ここで、第２レンズ１６は第１レンズ１５を透過した平行光を第２導波路１３の入射端面Ｂに集光させるように作用するため、第２レンズ１６に直径が約１０μｍのスポット径となって入射した入射光は第２導波路１３の入射端面Ｂに集光されて、第２の光ファイバＦ２から出射されることとなる。このとき、第２レンズ１６から第２導波路１３に入射する際に多少のロスが生じるが、そのロスは小さくて約１．７ｄＢという測定結果が得られた。
【００２３】
一方、第２の光ファイバＦ２から出射された光が戻り光となって、第２の光ファイバＦ２から１０μｍ幅の第２導波路１３の端面Ｂに入射されると、この入射光は第２導波路１３内を１０μｍ幅のままで透過して第２レンズ１６に入射する。この第２レンズ１６は、第２導波路１３の出射端面Ｂを焦点とする戻り光を拡散させるように作用する。ここで、第２レンズ１６の第１曲線αでの出射角θ２が戻り光の入射角θ１に対して４倍に設定されているので、この第２レンズ１６内で４倍の角度広がることとなる。
【００２４】
また、第２レンズ１６の第２曲線βでの出射角θ３がθ２に対して４倍に設定されているので、この第２レンズ１６から出射された戻り光は１６倍の角度でスラブ導波路１４内を拡散することとなる。この結果、第２導波路１３の端面Ｂに入射した一部の戻り光のみが第１レンズ１５に入射することとなって、大部分の戻り光は阻止されることとなる。この過程でのロスの測定結果は２０．８ｄＢであった。
【００２５】
３．光アイソレータの作製法
ついで、上述のような構成となる光アイソレータ１０の作製方法について以下に説明する。まず、図４（ａ）に示すように、シリコンウェハ（シリコン基板）１１を用意し、このシリコン基板（厚みは約６２５μｍ）１１を空気中で１０００℃に加熱して、シリコン基板１１の表面を熱酸化して、厚みが約０．８μｍの二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）層１１ａを形成した。
【００２６】
なお、この二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）層１１ａは屈折率が１．４６である。この後、この二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）層１１ａの上に、ＴＥＯＳを用いたプラズマＣＶＤにより厚みが２μｍのＳｉＯ２膜（ｐ−ＴＥＯＳ  ＳｉＯ２）１１ｂを形成した。これにより、厚みが約０．８μｍの二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）層１１ａと、厚みが２μｍのＳｉＯ２膜（ｐ−ＴＥＯＳ  ＳｉＯ２）１１ｂからなる厚みが２．８μｍの下クラッドが形成されることとなる。
【００２７】
ついで、ＳｉＯ２膜（ｐ−ＴＥＯＳ  ＳｉＯ２）１１ｂの上に窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）膜を厚みが１０μｍになるように成膜した後、所定のレンズ形状にカットして、第１レンズ１５および第２レンズ１６を形成した。なお、第１レンズ１５は、第２レンズ１６に向けて突出する片凸レンズの形状になるように形成されて、第１導波路１２の出射端面Ａを焦点とする出射光を平行光にするようになされる。
【００２８】
また、第２レンズ１６は、図２に示すように、第２レンズ１６の第１レンズ１５側の第２曲線βはガウス関数的な曲線を有し、かつ第１レンズ１５の反対側の第１曲線αは放物曲線を有する凹レンズの形状になるように形成する。これにより、第１レンズ１５を透過した平行光を第２導波路１３の入射端面Ｂに集光させるとともに、この第２導波路１３の出射端面Ｂを焦点とする戻り光を拡散させるようにしている。
【００２９】
ついで、屈折率が１．５５（ｎ＝１．５５）のフッ素化ポリイミド樹脂を１０μｍの厚みに塗布した後、３５０℃で２時間焼成し、第１導波路１２の形状、第２導波路１３の形状およびスラブ導波路１４の形状にカットして、第１導波路１２、第２導波路１３およびスラブ導波路１４を形成した。この後、この上に屈折率が１．５０（ｎ＝１．５０）のフッ素化ポリイミド樹脂を１５μｍの厚みに塗布した後、３５０℃で２時間焼成して上クラッド１７を形成した。この後、所定の形状になるよう切断して光アイソレータ１０を作製する。
【００３０】
【発明の効果】
上述したように、本発明においては、第１の光ファイバＦ１に光学結合された第１導波路１２と、第２の光ファイバＦ２に光学結合された第２導波路１３と、第１導波路１２の出射端面Ａを焦点とする出射光を平行光にする第１レンズ１５と、この第１レンズ１５を透過した平行光を第２導波路１３の入射端面Ｂに集光させると共に、この第２導波路１２の出射端面Ｂを焦点とする戻り光を拡散させる第２レンズ１６とを備えている。
【００３１】
これにより、第１レンズ１５を透過した平行光が第２レンズ１６により第２導波路１３の入射端面Ｂに集光されるので、順方向の入射光は効率よく第２導波路１３に入射させることができるようになる。一方、第２導波路１３からの戻り光（逆方向の入射光；反射光）は、この第２導波路１３の出射端面Ｂを焦点として第２レンズ１６により拡散されるので、第１レンズ１５に入射する戻り光を遮断することが可能となる。これにより、第１レンズ１５と第２レンズ１６とで非相反性を持たせることが可能となる。
【００３２】
なお、上述した実施の形態においては、屈折率が１．５５のフッ素化ポリイミド樹脂を上クラッド材料として用いる例について説明したが、屈折率が１．５５のフッ素化ポリイミド樹脂に限らず、屈折率が１．５０〜１．６０のフッ素化ポリイミド樹脂、あるいは屈折率が１．４８のポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、もしくは屈折率が１．４７のシリコン樹脂等の合成樹脂材料から選択して用いるようにしてもよい。また、第１レンズ１５および第２レンズ１６を構成するレンズ材料として屈折率が１．９２（ｎ＝１．９２）の窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）を例について説明したが、屈折率が１．９２の窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）に限らず、屈折率が１．９０〜２．００の窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）、あるいは屈折率が３．４０のシリコンなどを用いるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光アイソレータを模式的に示す上面図である。
【図２】図１の光アイソレータに設けられた第２レンズに入射した光（戻り光）が屈折する状態を模式的に示す図である。
【図３】図１の光アイソレータに設けられた第２レンズの屈折率の依存性を示す図である。
【図４】図１の光アイソレータの製造工程の前半部の工程を模式的に示す図である。
【図５】図１の光アイソレータの製造工程の中段部の工程を模式的に示す図である。
【図６】図１の光アイソレータの製造工程の後半部の工程を模式的に示す図である。
【図７】従来の光アイソレータの構造と動作原理を示す図である。
【符号の説明】
１０…光アイソレータ、１１…シリコン基板、１１ａ…ＳｉＯ２膜、１１ｂ…ＳｉＯ２膜（ｐ−ＴＥＯＳ  ＳｉＯ２）、１１ａ，１１ｂ…下クラッド、１２…第１導波路、１３…第２導波路、１４…スラブ導波路、１５…第１レンズ、１６…第２レンズ、１７…上クラッド、Ａ…端面、Ｂ…端面、Ｆ１…第１の光ファイバ、Ｆ２…第２の光ファイバ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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