(57)【要約】【課題】広帯域で動作し、かつ、高速変調可能な光アイソレータ一体型磁気光学変調器を提供する。【解決手段】光アイソレータ一体型磁気光学変調器の構成を、光源からの入射光を偏光して出射する一方、出射側から光源への戻り光を遮光する光アイソレータ部と、光アイソレータ部から出射された光を受けて、その光に対して所望の強度変調を行い出射光として外部に出力する磁気光学変調器部と、光の変調を行うための高周波信号を磁気光学変調器部に有効に導入するために、磁気光学変調器部における電気的なインピーダンスを調整するためのインピーダンス調整器１２８とを有し、光アイソレータ部と磁気光学変調器部とが、単一のパッケージに収納されるようにする。光アイソレータ部は、光源からの入射光Ｐｉｎを偏光して偏光子兼検光子６に出射する一方、光の逆方向への透過を遮光する。また、磁気光学変調器部は、光に対して所望の強度変調を行い、出射光Ｐｏｕｔを出力する。【選択図】　　　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの入射光を偏光して出射する一方、出射側から前記光源への戻り光を遮光する光アイソレータ部と、
前記光アイソレータ部から出射された光を受けて、前記光に対して所望の強度変調を行い出射光として外部に出力する磁気光学変調器部と、
前記光の変調を行うための高周波信号を前記磁気光学変調器部に有効に導入するために、電気的なインピーダンスを調整するためのインピーダンス調整器と、前記光アイソレータ部と前記磁気光学変調器部とを内部に収納する単一のパッケージとを、
有する光アイソレータ一体型磁気光学変調器。
【請求項２】
前記磁気光学変調器部の変調周波数が、１００ＭＨｚ以上である請求項１に記載の光アイソレータ一体型磁気光学変調器。
【請求項３】
前記磁気光学変調器部の変調速度が、２．５Ｇｂｐｓ以上である請求項１に記載の光アイソレータ一体型磁気光学変調器。
【請求項４】
前記光アイソレータ部の検光子と前記磁気光学変調器部の入射側偏光子とが、１つの光学部材によって構成されている請求項１から３のいずれか１つに記載の光アイソレータ一体型磁気光学変調器。
【請求項５】
前記磁気光学変調器部の磁気光学素子に印加するバイアス磁界の方向が、光の伝搬方向に対して９０±３０度の範囲内であり、光を変調するために前記磁気光学変調器部の磁気光学素子に印加する高周波磁界の印加方向が、光の伝搬方向に対して０±３０度の範囲内である請求項１から４のいずれか１つに記載の光アイソレータ一体型磁気光学変調器。
【請求項６】
前記磁気光学変調器部の磁気光学素子に印加するバイアス磁界の方向が、光の伝搬方向に対して４５±３０度の範囲内であり、光を変調するために前記磁気光学変調器部の磁気光学素子に印加する高周波磁界の印加方向が、光の伝搬方向に対して９０±３０度の範囲内である請求項１から４のいずれか１つに記載の光アイソレータ一体型磁気光学変調器。
【請求項７】
前記高周波磁界を発生させるための高周波磁界発生器が、ストリップ線路又はコプレーナ型線路である請求項６に記載の光アイソレータ一体型磁気光学変調器。
【請求項８】
前記磁気光学変調器部の前記磁気光学素子に前記バイアス磁界が印加された場合、前記磁気光学変調器部を透過した光のファラデー回転角の大きさが、０±９０×ｎ（ただし、ｎは整数）である請求項５から７のいずれか１つに記載の光アイソレータ一体型磁気光学変調器。
【請求項９】
前記磁気光学変調器部の前記磁気光学素子に前記バイアス磁界を印加するためのバイアス磁界発生器と、前記光アイソレータ部の磁気光学素子にバイアス磁界を印加するためのバイアス磁界発生器とが、１つの磁界発生器によって構成されている請求項５から８のいずれか１つに記載の光アイソレータ一体型磁気光学変調器。
【請求項１０】
前記光アイソレータ部の磁気光学素子と、前記磁気光学変調器部の磁気光学素子とが、同一結晶基板上に形成されている請求項１から９のいずれか１つに記載の光アイソレータ一体型磁気光学変調器。
【請求項１１】
前記磁気光学素子がＢｉ置換型希土類鉄ガーネットである請求項１０に記載の光アイソレータ一体型磁気光学変調器。
【請求項１２】
前記光アイソレータ部からの光の出射偏光面と、前記磁気光学変調器部の光の入射偏光面とが一致している請求項１から１１のいずれか１つに記載の光アイソレータ一体型磁気光学変調器。
【請求項１３】
前記光アイソレータ部が２段の光アイソレータで構成されている請求項１から１２のいずれか１つに記載の光アイソレータ一体型磁気光学変調器。
【請求項１４】
前記光アイソレータ部及び前記磁気光学変調器部を収納する前記パッケージ内に、前記光源が収納されている請求項１から１３のいずれか１つに記載の光源付きの光アイソレータ一体型磁気光学変調器。
【請求項１５】
前記光源が半導体レーザにより構成されている請求項１４に記載の光源付きの光アイソレータ一体型磁気光学変調器。
【請求項１６】
前記光源及び前記磁気光学変調器部の少なくとも一方の駆動回路が、前記パッケージ内に収納されている請求項１４又は１５に記載の光源付きの光アイソレータ一体型磁気光学変調器。
【請求項１７】
少なくとも光アイソレータ部と磁気光学変調器部を有する光アイソレータ一体型磁器光学変調器の製造方法であって、
非磁性ガーネット基板上に希土類鉄ガーネット結晶を成長させるステップと、光を伝搬するための伝搬路上において、前記光の伝搬方向とすべき方向に対して略垂直方向に溝部を形成するステップと、
前記溝部に、偏光子又は検光子を挿入するステップとを、
有する光アイソレータ一体型磁気光学変調器の製造方法。
【請求項１８】
前記溝部を形成する際に、精密回転式ブレードソーを用いる請求項１７に記載の光アイソレータ一体型磁気光学変調器の製造方法。
【請求項１９】
前記希土類鉄ガーネット結晶がＢｉ置換型希土類鉄ガーネットからなることを特徴とする請求項１７又は１８に記載の光アイソレータ一体型磁気光学変調器の製造方法。
【請求項２０】
液相エピタキシャル法によって、前記非磁性ガーネット基板上に前記希土類鉄ガーネット結晶を成長させる請求項１７から１９のいずれか１つに記載の光アイソレータ一体型磁気光学変調器の製造方法。
【請求項２１】
光を出射する光源と、
前記光源を駆動させる光源駆動回路と、
前記光源からの入射光を偏光して出射する一方、出射側から前記光源への戻り光を遮光する光アイソレータ部と、
前記光アイソレータ部から出射された光を受けて、前記光に対して所望の強度変調を行い、出射光を出力する磁気光学変調器部と、
前記磁気光学変調器部における光変調に用いられる高周波信号の信号処理を行う磁気光学変調器駆動回路と、
前記光の変調を行うための高周波信号を前記磁気光学変調器部に有効に導入するために、電気的なインピーダンスを調整するためのインピーダンス調整器と、前記磁気光学変調器部から出射された前記出射光を伝送するための光ファイバと、
前記光ファイバによって伝送された前記出射光を受光する受光器と、
前記受光器によって受光された光信号から所望の情報を取り出すための信号処理回路とを、
有する光アイソレータ一体型磁気光学変調器を用いた光通信システム。
【請求項２２】
前記光アイソレータ部と前記磁気光学変調器部とが、同一パッケージ内に収納されている請求項２１に記載の光アイソレータ一体型磁気光学変調器を用いた光通信システム。
【請求項２３】
前記光アイソレータ部及び前記磁気光学変調器部を収納する前記パッケージ内に、前記光源が収納されている請求項２２に記載の光アイソレータ一体型磁気光学変調器を用いた光通信システム。
【請求項２４】
アンテナからの電波信号又はその電波信号を増幅した増幅信号が前記磁気光学変調器駆動回路に供給されて、前記磁気光学変調器駆動回路によって処理された信号に基づいて、前記磁気光学変調器部で光変調が行われる請求項２１から２３のいずれか１つに記載の光アイソレータ一体型磁気光学変調器を用いた光通信システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信などで用いる光アイソレータと、磁気光学効果を利用した光変調器とを一体化した光アイソレータ一体型磁気光学変調器及びその製造方法並びに光アイソレータ一体型磁気光学変調器を用いた光通信システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光信号伝送システムにおいて、外部光変調器としてはそのほとんどが電気光学効果（主にポッケルス効果）を用いてきた。特に、光通信で使用される外部光変調器は、ＬｉＮｂＯ３結晶の電気光学効果を用いた導波路型の光変調器がほとんどである（例えば、下記の非特許文献１）。しかし、電気光学結晶を用いた光変調器は、ＤＣドリフト（例えば、下記の非特許文献２）や光損傷などがあり、長期間にわたって安定した動作を得ることが困難であったり、その特性劣化を抑えるために高価なものとなったりしていた。
【０００３】
一方、磁気光学効果を用いた磁気光学変調器は古くから研究されているが（例えば、下記の非特許文献３）、その応答速度が電気光学効果に比べて遅いことからあまり進展していなかった。例えば、磁気光学変調器（この場合は偏光変調器）を光通信システムに用いた例（例えば、下記の特許文献１）が開示されているが、その応答速度は数十ｋＨｚ程度の低周波である。
【０００４】
また、最近になって、磁気光学効果を利用した高速応答可能な素子として、磁気光学膜結晶に直流バイアス磁界を印加した半導体電子回路基板の電流計測用の磁気光学変調器の研究がなされるようになってきた（例えば、下記の非特許文献４、非特許文献５）。さらに、最近では、光アイソレータを磁気光学変調器に用いたり（例えば、下記の特許文献２、特許文献３）、磁気光学素子の静磁波を利用した光変調器と光アイソレータの機能を１つの素子で実現したり（例えば、下記の特許文献４）することも検討されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−１９９１３７号公報
【特許文献２】
米国特許第　６，１４１，１４０号
【特許文献３】
特開平３−１４４４１７号公報
【特許文献４】
特開２００１−２７２６３９号公報
【非特許文献１】
西原　他著　光集積回路　オーム社　１９８５（ｐｐ．２９８−３０４）
【非特許文献２】
Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．　　Ｖｏｌ．７６　Ｎｏ．３　１９９４　（ｐｐ．１４０５−１４０８）
【非特許文献３】
Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．　　Ｖｏｌ．２１　Ｎｏ．８　１９７２　（ｐｐ．３９４−３９６）
【非特許文献４】
Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．　　Ｖｏｌ．６８　Ｎｏ．２５　１９９６　（ｐｐ．３５４６−３５４８　）
【非特許文献５】
第６１回応用物理学会講演予稿集、２０００（講演番号４ｐ−Ｑ−４）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の光信号伝送システムでは、半導体レーザ光源の駆動電流を直接高速変調するか、又は、電気光学効果（ポッケルス効果）を用いた導波路型光変調器を用いる場合がほとんどであった。半導体レーザ光源の駆動電流を直接変調する場合は、別途変調器を必要としないため、光信号伝送システムの構成が簡素になるという特徴がある。しかしながら、半導体レーザを直接変調する場合、その変調周波数は通常数ＧＨｚ程度であり、それ以上の高速変調は困難である。さらに高周波で半導体レーザを駆動する場合、非常に高度な駆動系が必要となったり、高速変調による波長変動（チャーピング）のために、信号を遠くまで伝送できなくなったりするという課題がある。
【０００７】
また、光変調器として電気光学効果、特にポッケルス効果を用いた導波路型の光変調器を用いる場合は、レーザ光などを高速変調することが可能であり、さらに、半導体レーザを直接変調した場合に問題となる波長変動の問題がない。しかしながら、従来の技術で説明したように、ＤＣドリフトや光損傷に係る課題が存在し、これらの課題を解決するために種々の対策を講じる必要から、変調素子が非常に高価であるという課題がある。
【０００８】
また、磁気光学膜結晶を直接、半導体基板上の線路やマイクロストリップ線路上に配置し、磁気光学膜結晶に平行に直流バイアス磁界を印加し、線路に流れる電流波形をモニタリングする磁気光学変調器も検討されている（上記の非特許文献４）。しかしながら、半導体基板上の線路の電流波形をモニタリングする場合、基板上の線路のインピーダンスの調整がとれていないために、波形のリンギングが起こるという課題がある。さらに、この磁気光学変調器（電流波形モニタ）は、光ファイバを光伝送路としていないために、光信号伝送システムとしては使用できないという課題がある。
【０００９】
また、マイクロストリップ線路の電流波形を測定するための磁気光学変調器（例えば、上記の非特許文献５）では、光が、磁気光学変調素子から光ファイバを透過した後に検光子に入射するよう配置されている。しかしながら、距離の長い光ファイバ（例えば、１ｍ以上の光ファイバ）中を伝播する光の直線偏光は、一般的にランダム偏光となり、したがって、検光子を透過させても光強度の変調が得られないという課題がある。なお、マイクロストリップ線路の電流波形計測の場合は、偏光面の変調回転を受けた後、光ファイバ中を伝搬する距離は１ｍ程度以下であると考えられ、上記課題はないと考えられる。さらに、この磁気光学変調器においては、直流バイアス磁界の方向と高周波磁界の印加方向がほぼ同一（両方とも磁気光学膜結晶に平行で同じ向き）であるために、単一磁区にするために大きなバイアス磁界を印加すると、磁気光学素子が磁気的に飽和して変調信号が非常に小さくなったり、あるいは信号が出なかったりするという課題がある。
【００１０】
また、光アイソレータを光変調器として用い、磁気光学効果（ファラデー効果）の大きさを外部磁界で変調した場合（上記の特許文献２、特許文献３）には、光が本来戻らない方向（光源側）に戻ってしまい、光アイソレータ本来の役割を果たさないという大きな課題がある。図７Ａ、図７Ｂ、図８を用いて、この課題をさらに詳細に説明する。図７Ａに示すように、光源側から入射した光は偏光子２０２を透過し、偏光子２０２の透過偏光面にのみ対応した光だけが透過する。偏光子２０２を透過した光は磁気光学素子２０４でその偏光面が右回りに４５゜回転される。この磁気光学素子を透過した光（偏光面が４５゜回転した光）は、検光子２１０の透過偏光方向と一致するので、そのまま検光子を透過することができ、システム側に光が透過する。したがって、順方向の入射光は、偏光子２０２の偏光方向と検光子２１０の偏光方向とを適切に設定しておくことによって、理想的には光を１００％透過することが可能である。
【００１１】
一方、逆方向の光の場合、図７Ｂに示すように、システム側から光が入射すると、検光子２１０の偏光面と同一偏光の光が検光子２１０を透過する。さらに磁気光学素子２０４で反射光の偏光面が右回りに４５゜回転する。磁気光学素子２０４を透過した光の偏光方向は偏光子２０２と完全に直交するので、反射光は光源側に戻ることができない。したがって、光を１方向のみ透過する、いわゆる光のダイオードが実現される。しかしながら、上記のことは、磁気光学素子２０４の磁気光学効果（ファラデー効果）による偏光面の回転角が完全に４５゜の場合にのみ実現される。回転角が４５゜からずれると、反射戻り光の偏光面は偏光子２０２の透過偏光面と完全には直交しなくなるため、光源側に光がわずかに戻ることとなる。光アイソレータを光変調器に用いる場合、磁気光学素子２０４のファラデー回転角を４５゜から変化させるので、そのファラデー回転の４５゜からのずれが大きくなる（変調度が大きくなる）ほど、光源側に反射戻り光が戻る量が多くなる。
【００１２】
また、図８に光アイソレータを光変調器として用いた場合の変調度と戻り光の透過率との関係を示す。通常の光アイソレータは、逆方向の光の透過率が０．１％以下（用途によっては０．００１％以下）となるよう機能する必要がある。しかしながら、光アイソレータを光変調器として用いた場合には、図８に示すように、変調度を数％としただけで、反射戻り光は光源側に１０〜２０％程度も戻ってしまい、本来の光アイソレータとしての機能を全く果たさないことが判る。従来、光アイソレータを光変調器として動作させた場合、光アイソレータとしての機能がこのように著しく劣化することは、全く考慮されていなかった。さらに、通常の光アイソレータは、金属パッケージに覆われていたり、希土類金属系の磁石が使われていたりするため、光アイソレータ外部から高周波磁界を印加しても、渦電流の影響により磁気光学素子に高周波の変調磁界が有効に印加できず、高速変調ができないという課題がある。
【００１３】
また、静磁波を利用した磁気光学変調器と光アイソレータとを１つの素子で構成する場合（上記の特許文献４）、静磁波を励起できる周波数帯域が狭いため、光通信の特徴である広帯域化が実現できないという課題がある。また、１つの素子で磁気光学変調器と光アイソレータとを実現した場合、磁気光学変調器の機能として変調度を大きくすると、上述の光アイソレータを磁気光学変調器として用いた場合と同様に、光アイソレータとしての機能が低下し、反射戻り光が光源側に戻ってきてしまうという課題がある。
【００１４】
上記課題を解決するため、本発明は、広帯域で動作し、かつ、高速変調可能な光アイソレータ一体型磁気光学変調器及びその製造方法並びに光アイソレータ一体型磁気光学変調器を用いた光通信システムを提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の光アイソレータ一体型磁気光学変調器は、光源からの入射光を偏光して出射する一方、出射側から前記光源への戻り光を遮光する光アイソレータ部と、前記光アイソレータ部から出射された光を受けて、前記光に対して所望の強度変調を行い出射光として外部に出力する磁気光学変調器部と、前記光の変調を行うための高周波信号を前記磁気光学変調器部に有効に導入するために、電気的なインピーダンスを調整するためのインピーダンス調整器と、前記光アイソレータ部と前記磁気光学変調器部とを内部に収納する単一のパッケージとを、有している。
【００１６】
また、上記目的を達成するため、本発明の光アイソレータ一体型磁気光学変調器の製造方法は、非磁性ガーネット基板上に希土類鉄ガーネット結晶を成長させるステップと、光を伝搬するための伝搬路上において、前記光の伝搬方向とすべき方向に対して略垂直方向に溝部を形成するステップと、前記溝部に、偏光子又は検光子を挿入するステップとを、有している。
【００１７】
また、上記目的を達成するため、本発明の光アイソレータ一体型磁気光学変調器を用いた光通信システムは、光を出射する光源と、前記光源を駆動させる光源駆動回路と、前記光源からの入射光を偏光して出射する一方、出射側から前記光源への戻り光を遮光する光アイソレータ部と、前記光アイソレータ部から出射された光を受けて、前記光に対して所望の強度変調を行い、出射光を出力する磁気光学変調器部と、前記磁気光学変調器部における光変調に用いられる高周波信号の信号処理を行う磁気光学変調器駆動回路と、前記光の変調を行うための高周波信号を前記磁気光学変調器部に有効に導入するために、電気的なインピーダンスを調整するためのインピーダンス調整器と、前記磁気光学変調器部から出射された前記出射光を伝送するための光ファイバと、前記光ファイバによって伝送された前記出射光を受光する受光器と、前記受光器によって受光された光信号から所望の情報を取り出すための信号処理回路とを、有している。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。本発明の光アイソレータ一体型磁気光学変調器は、光アイソレータと高速変調可能な磁気光学変調器とを１つのパッケージに収納するか、又は、光アイソレータと高速変調可能な磁気光学変調器とを密着構成としたものである。
【００１９】
磁気光学変調器は、例えば、非特許文献４に開示されているように、磁気光学材料にバイアス磁界を印加し単一磁区とすることにより強磁性共鳴周波数程度（１０〜１００ＧＨｚ以上）まで応答可能となる。一方、一般に高速光変調を行った光通信システムでは、コネクタ、分岐器、フィルタなどの光伝送路の途中に配置された各種光学部品から光源への反射戻り光による光源の強度ゆらぎがノイズの原因となる。磁気光学変調器の場合は、磁気光学変調器と光アイソレータとが同じような磁気光学素子で作成可能なため、１つのパッケージ内に収納が容易となり、また、光アイソレータ部と磁気光学変調器部とを密着構成とすることも容易となる。また、１個（又は１組）のバイアス磁界用の磁界発生器を用いて、光アイソレータ部及び磁気光学変調器部の両方に適当な大きさのバイアス磁界を印加することも可能となる。なお、バイアス磁界を印加せず、多磁区状態の磁気光学素子を用いた場合には、磁壁移動による低周波の共振が１００ＭＨｚ〜数１００ＭＨｚの周波数に現れてしまい、それ以上の周波数では応答しないので、高速な光変調を行うことは不可能である。以下、さらに、本発明の光アイソレータ一体型磁気光学変調器について説明する。
【００２０】
＜第１の実施の形態＞
以下、図１及び図２を参照しながら、本発明の第１の実施の形態について説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態の光アイソレータ一体型磁気光学変調器全体の概要を示す図である。なお、図１は、光アイソレータ一体型磁気光学変調器全体を上から見た状態を模式的に示す断面図である。また、図２は、本発明の第１の実施の形態の光アイソレータ部及び磁気光学変調器部の構成を示す図である。
【００２１】
まず、図２を用いて、光アイソレータ一体型磁気光学変調器の動作原理を示す。光入射側から入射された入射光Ｐｉｎは偏光子２を透過し、偏光子２の入射偏光面と一致した成分のみが透過して直線偏光となって、光アイソレータ用の磁気光学素子４に入射する。光アイソレータ用の磁気光学素子４は、ＹＩＧバルク結晶やＢｉ（ビスマス）置換型ガーネット厚膜を用いることが可能であるが、ここでは、単位結晶長当たりのファラデー効果が大きく、結晶の厚みを薄くすることが可能なＢｉ置換型ガーネット結晶を用いた。
【００２２】
光アイソレータ用の磁気光学素子４を透過する光は、磁気光学素子４内の光の伝搬距離及び印加されている磁界強度に応じて、所定の角度だけファラデー回転角の変化を受ける。そして、光アイソレータ用の磁気光学素子４を透過した光は、光アイソレータ部の偏光子兼検光子６に入射する。偏光子兼検光子６は、当該所定の角度だけ回転した光を透過するよう設定されており、また、光アイソレータ部の検光子と磁気光学変調器部の偏光子とを兼ねている。なお、光アイソレータ部の消光比をより向上させたい場合、偏光子２、磁気光学素子４、偏光子兼検光子６のセットを２段にすることも可能である。また、後に説明するバイアス用磁石の関係で、偏光子兼検光子６には偏光ビームスプリッタを用いた。また、磁気光学変調器部の磁気光学素子８にも、結晶の厚みを薄くすることが可能なＢｉ置換型ガーネット結晶を用いた。
【００２３】
そして、磁気光学変調器部の偏光子兼検光子６及び磁気光学素子８を透過した光は、高周波磁界発生器であるコイル１２の中央部を透過し、さらに検光子１０を透過して、所望の強度変調を受けた出射光Ｐｏｕｔとして出力される。なお、ここでは、入射光Ｐｉｎは、磁気光学素子８の後段に形成されたコイル１２でビーム径がほぼ最小となるように、ゆるく集光した光学系を用いて入射された。
【００２４】
磁気光学素子８の表面には、高周波磁界印加用のコイルパターンが形成されている。なお、図２では、コイルパターンが四角状渦巻き型の場合について図示しているが、もちろん通常のらせん状としてもよい。また、図２では、磁気光学素子８の片側のみにコイル１２が形成されている場合について図示されているが、もちろん磁気光学素子８の両面に形成することも可能である。その場合、両面のコイルを用いて磁気光学素子８に印加する高周波磁界強度を２倍以上に増すことも可能である。また、高周波磁界をできるだけ大きくするために、パターン形成されたコイル１２の最も内側の径は、可能な限り小さい方が望ましく、また、透過ビーム径よりわずかに大きくする必要がある。磁気光学素子８を透過する光のビーム径にもよる（用いられる光学系により異なる）が、この光アイソレータ一体型磁気光学変調器を通信用として用いる場合には、コイル１２の最も内側の径は、十〜数百μｍ程度が適当である。
【００２５】
また、ここでは、光アイソレータ部のバイアス磁界Ｈｄｃ１は、光の伝搬方向にほぼ水平な方向に（図２のＺ軸方向）、磁気光学変調器部のバイアス磁界Ｈｄｃ２は光の伝搬方向にほぼ垂直な方向（図２のＸ軸方向）に永久磁石を用いて印加した。なお、図２では、図面を判りやすくするため、光アイソレータ部のバイアス磁界Ｈｄｃ１や、磁気光学変調器部のバイアス磁界Ｈｄｃ２を発生するバイアス磁界発生器は図示省略されている。
【００２６】
また、図１には、図２に示す光アイソレータ部と磁気光学変調器部とが、１つのパッケージに収納されている状態が図示されている。図１に示す光アイソレータ一体型磁気光学変調器では、光アイソレータ部と磁気光学変調器部とが密着構成となっており、１つのパッケージ７０に収納されている。また、図１には、光アイソレータ部のバイアス磁界Ｈｄｃ１を発生するバイアス磁界発生器（磁石）７、磁気光学変調器部のバイアス磁界Ｈｄｃ２を発生するバイアス磁界発生器（磁石）９が図示されている。なお、バイアス磁界発生器としては、ＳｍＣｏ系又はＮｄＦｅＢ系などの各種の永久磁石や電磁石などを用いることが可能であるが、ここでは、永久磁石を用いてバイアス磁界を印加した。バイアス磁界の印加方向及び大きさは、光アイソレータ部では磁気光学素子４のファラデー回転角がほぼ４５度、また、磁気光学変調器部では磁気光学素子８のファラデー回転角がほぼ０±９０×ｎ（ｎは整数）度となるものであればよい。なお、バイアス磁界Ｈｄｃ２の印加方向は、磁気光学素子８のファラデー回転角を０±９０×ｎ（ｎは整数）度とする角度から、±３０度程度の範囲内で変化しても十分機能する。
【００２７】
次に、高周波磁界発生器であるコイル１２と磁気光学変調器部の駆動回路との間にインピーダンス調整器（終端器）１２８を配置し、磁気光学変調器部の駆動回路から高周波発生用のコイル１２に効率よく高周波信号を導入する。図１及び図２に示す構成により、光アイソレータ部のアイソレーション比３０ｄＢ（戻り光透過率０．１％に対応）、磁気光学変調器部の動作周波数はＤＣから３ＧＨｚ程度の光アイソレータ一体型磁気光学変調器が作成可能であった。特に、バイアス磁界を印加しない場合に現れる１００ＭＨｚから数１００ＭＨｚ程度の磁区移動による共振もなく、周波数をＤＣから３ＧＨｚ程度まで変調することが可能であった。また、光アイソレータ一体構成のため、光源として用いた半導体レーザへの反射戻り光ノイズは観測されなかった。なお、本実施の形態では、光アイソレータ部と磁気光学変調器部が密着構造となっているが、同一パッケージ内に収納されていれば必ずしも一体構造になっている必要はない。ただし、この場合には、光アイソレータ部のファラデー回転角が４５度となるように、光アイソレータの結晶の厚みを設定し直す必要がある。
【００２８】
＜第２の実施の形態＞
次に、図３を参照しながら、本発明の第２の実施の形態について説明する。図３は、本発明の第２の実施の形態の光アイソレータ部及び磁気光学変調器部の構成を示す図である。第２の実施の形態と第１の実施の形態との主な違いは、バイアス磁界の印加方向、及び、高周波磁界を印加するための高周波磁界発生器である。また、素子全体の光路長（入射光Ｐｉｎの入射部から出射光Ｐｏｕｔの出射部）を短くするために、ここでは、偏光子２、偏光子兼検光子６及び検光子１０として、すべて薄型のガラス偏光子を用いた。
【００２９】
図３では、バイアス磁界発生器として１個の永久磁石（図３では不図示）を用いて、光アイソレータ部及び磁気光学変調器部に対して、光伝搬方向に対して４５度の方向（図３では、Ｚ−Ｘ面内でＺ軸からＸ軸方向に４５度の方向）にバイアス磁界Ｈｄｃを印加した。すなわち、光アイソレータ部のバイアス磁界を発生するバイアス磁界発生器と、磁気光学変調器部のバイアス磁界を発生するバイアス磁界発生器とを同一のものとし、バイアス磁界Ｈｄｃを光伝搬方向に対して４５度の角度としている。なお、光伝搬方向に対して４５±３０度程度の範囲内であり、かつ、Ｚ−Ｘ面内、Ｚ−Ｙ面内、あるいは、Ｚ軸を含む任意の面内のいずれかであればバイアス磁界とすることができる。
【００３０】
また、高周波磁界発生器としてストリップ線路（マイクロストリップ線路を含む）１３やコプレーナ線路を用いて高周波磁界を印加することが可能である。なお、図３では、高周波磁界発生器としてストリップ線路１３を用いている。ストリップ線路１３によって発生する高周波磁界は、ストリップ線路１３の高周波電流が流れる方向と直交する方向を有している。したがって、ストリップ線路１３に電流を流して高周波磁界を印加した場合、バイアス磁界Ｈｄｃと高周波磁界ＨＲＦ（ＨＲＦは不図示）とが合成された方向に、磁気光学変調器部の磁気光学素子８の磁化方向が変化（この場合は回転）し、その磁化方向に対応したファラデー回転角の変化が得られるので、高周波磁界ＨＲＦの変化に対応した光の強度変化を得ることができる。また、ストリップ線路１３を流れる高周波電流の出口は、磁気光学変調器部の駆動回路からの信号を効率よく伝送するため、インピーダンス整合用のインピーダンス調整器（終端器）１２９で終端した。したがって、この場合は、ストリップ線路１３と終端器１２９とによって、インピーダンス調整が行われる。また、入射光Ｐｉｎは、磁気光学変調器部で効率よく変調されるように、ストリップ線路１３の直下にできるだけ近く、かつ、ビームを数十μｍ程度に細くして透過させた。
【００３１】
以上の構成によって、光アイソレータ部の消光比が３０ｄＢ（戻り光透過率０．１％に対応）、磁気光学変調器部の変調周波数がＤＣから１０ＧＨｚ程度の変調信号を得ることが可能な光アイソレータ一体型磁気光学変調器を実現することができた。また、デジタル信号を磁気光学変調器部に印加した場合、２．５Ｇｂｐｓや１０Ｇｂｐｓまでの変調速度の信号を伝送することが可能であった。また、光源に用いた半導体レーザへの反射戻り光の影響によるノイズの発生や、ビットエラーレートの上昇も観測されなかった。
【００３２】
＜第３の実施の形態＞
以下、図４Ａ〜図４Ｅを参照しながら、本発明の第３の実施の形態について説明する。図４Ａ〜図４Ｅは、それぞれ本発明の第３の実施の形態の同一基板上に光アイソレータと磁気光学変調器を形成した光アイソレータ一体型磁気光学変調器の製造方法を説明するための模式図である。
【００３３】
図４Ａに示すように、まず、非磁性ガーネット基板２０を用意する。ここで、非磁性ガーネット基板２０としては、この非磁性ガーネット基板２０上に成長させる磁気光学素子（ガーネット結晶）と格子定数が近いものを用いることが望ましく、例えば、ＧＧＧ（Ｇｄ３Ｇａ５Ｏ１２）やＣａ−Ｍｇ−Ｚｒ置換ＧＧＧを用いることが可能である。
【００３４】
次に、図４Ｂに示すように、非磁性ガーネット基板２０上に磁気光学素子５をエピタキシャル成長させる。エピタキシャル成長の方法としては、例えば、成長速度の大きな液相エピタキシャル成長方法を用いることが可能である。また、磁気光学素子５としては、各種のガーネット結晶を用いることができるが、ここでは単位長さあたりのファラデー回転角の大きなＢｉ置換型希土類鉄ガーネット（ＢｉＲ）３（ＦｅＧａ）５Ｏ１２を用いた。ただし、Ｒは希土類元素を表している。
【００３５】
次に、図４Ｃに示すように、所望の厚さの膜にまで成長させたガーネット結晶を、精密回転式ブレードソー（一般にダイシングソーと呼ばれる装置）を用いて、素子として必要な大きさに切り出す。切り出し条件としては、例えば、切り出しブレードとして４００〜２０００番のダイヤモンド系ブレードを用い、切り出し速度を０．１〜５．０（ｍｍ／秒）で行う。また、このとき、偏光子兼検光子６を挿入するための溝１２０も同時に形成し、磁気光学素子５を、光アイソレータ部の磁気光学素子４と磁気光学変調器部の磁気光学素子８とに分ける。なお、偏光子２、偏光子兼検光子６、検光子１０の光透過面は、光透過方向に対して９０度となるよう固定するが、これらの表面における反射の影響を抑えるために、光透過方向から±１０度程度の範囲となるよう作成することも可能である。この場合、溝１２０の方向や磁気光学素子５の端面の方向が、光透過軸に対して９０±１０度の範囲となるよう作成すればよい。なお、光透過面と光透過方向とのなす角度が９０±１０度の範囲内にある場合には、光透過面と光透過方向は略垂直であると呼ぶことにする。
【００３６】
次に、図４Ｄに示すように、溝１２０に偏光子兼検光子６を挿入し、また、入射光Ｐｉｎ及び出射光Ｐｏｕｔを透過させる位置に偏光子２及び検光子１０を接着固定する。
【００３７】
次に、図４Ｅに示すように、磁気光学変調器部の磁気光学素子８とする部分に、高周波磁界発生器（ここではストリップ線路１３）を形成し、また、非磁性ガーネット基板２０の裏面に接地電極を形成する。
【００３８】
上記の製造方法により、少なくとも、偏光子兼検光子６は溝１２０に挿入するのみでよく、端面の研磨や光軸の調整などの様々な調整を著しく簡素化することが可能であった。なお、ここでは、図４Ｄに示すように、偏光子兼検光子６のみを溝１２０に挿入しているが、偏光子２や検光子１０に関しても、それぞれを挿入するための溝を形成して、その溝に挿入することによって組み立てることも可能である。以上のようにして、同一基板上に光アイソレータ部と磁気光学変調器部とが配置された光アイソレータ一体型磁気光学変調器を簡単に製造することが可能である。
【００３９】
上記のようにして製造された素子に、バイアス磁界（印加方向は第３の実施の形態と同一）を印加し、さらに、高周波信号源（不図示）から高周波磁界発生器（ストリップ線路）１３に高周波信号を印加した。また、図４Ｅでは図示省略しているが、高周波磁界発生器１３の反対側には終端器（インピーダンス調整器）を設置し、高周波信号源、高周波磁界発生器１３及び終端器（インピーダンス調整器）のインピーダンスをすべて５０Ωで一致させた。ここで、高周波磁界発生器として分布定数型のストリップ線路を用いることにより、広帯域（ＤＣ〜１０ＧＨｚまで）にわたって、変調を行うことが可能であった。なお、この場合、上限周波数は、高周波信号源や信号処理装置の周波数特性により制限されていた。また、この場合、光アイソレータ部の消光比は３０ｄＢ（戻り光透過率０．１％に対応）であり、光源に用いた半導体レーザへの反射戻り光の影響によるノイズは発生しなかった。
【００４０】
＜第４の実施の形態＞
次に、図５を参照しながら、本発明の第４の実施の形態について説明する。図５は、本発明の第４の実施の形態の光源、光アイソレータ部、磁気光学変調器を同一パッケージ内に収納した構成を示す図である。図５では、光源５２として半導体レーザを用いた。光源（半導体レーザ）５２から出射された光は、集光レンズ５４を透過して、さらに、光アイソレータ部及び磁気光学変調器部を有する光アイソレータ一体型磁気光学変調器を透過する。なお、光アイソレータ一体型磁気光学変調器は、図２や図３に示す構成のものを利用することが可能である。また、集光レンズ５４は、磁気光学変調器部でゆるく集光し、かつ、光が高周波磁界発生器で効率よく変調される経路（例えば、ストリップ線路の直下）を透過するようにビーム調整されている。また、集光レンズ５６は、磁気光学変調器部から出射された出射光Ｐｏｕｔを光ファイバ６０に効率よく集光するように配置されている。
【００４１】
また、半導体レーザ５２から所望の出射方向に対して反対側に漏れた光は、モニタ用受光器５０によって検出されて、半導体レーザ５２の光出射パワーがモニタリングされる。これら一連の素子は、パッケージ７０内に接着、ハンダ固定又は溶接固定されているため、良好な動作が得られる信頼性が高い。なお、図面を判りやすくするため、図５では、光アイソレータ部及び磁気光学変調器部にバイアス磁界を印加するための磁石や、磁気光学変調器部のインピーダンス調整器は図示省略されている。以上のように、光源５２と光アイソレータ一体型磁気光学変調器を同一のパッケージ７０に収納した構成を用いて光の伝送試験を行った結果、ＤＣから１０ＧＨｚ程度の変調周波数までの光変調が可能であった。また、デジタル信号を磁気光学変調器部に印加した場合、２．５Ｇｂｐｓや１０Ｇｂｐｓまでの変調速度の信号を伝送可能であった。また、光伝送路の途中から光源５２への反射戻り光の影響によるノイズやビットエラーレートの上昇も観測されなかった。
【００４２】
さらに、光源５２、光アイソレータ部、磁気光学変調器部に加えて、光源５２や磁気光学変調器部の駆動回路を同一パッケージ７０内に収納した場合も、上記と全く同様の性能を得ることが可能である。この場合、駆動回路を含む全ての構成要素を同一パッケージ７０内に収納するため、不要輻射などのシールドを行いやすいというメリットもある。また、半導体レーザ５２のみ又は磁気光学変調器部のみの駆動回路を同一パッケージ７０内に収納することも可能であった。また、磁気光学変調器部の駆動回路のインピーダンス調整を行うため、インピーダンス調整器も同一パッケージ内に収納することが可能であった。
【００４３】
＜第５の実施の形態＞
次に、図６を参照しながら、本発明の第５の実施の形態について説明する。図６は、本発明の第５の実施の形態の光通信システムの構成を示す図である。図６では、光源駆動回路１２２によって、光源１０４が適当な強度の光を出射するよう駆動する。そして、レンズ１０６により、光源１０４からの光を平行光又はゆるく集光された光として、光アイソレータ一体型磁気光学変調器１３０に入射する。一方、磁気光学変調器駆動回路１２４から光アイソレータ一体型磁気光学変調器１３０に変調信号が供給され、この変調信号に応じて、光アイソレータ一体型磁気光学変調器１３０の磁気光学変調器部で光の変調が行われる。光アイソレータ一体型磁気光学変調器１３０を透過して所望の変調を受けた光は、出射側のレンズ１０８で集光されて光ファイバ１１０に集光される。
【００４４】
そして、光ファイバ１１０を透過した光は、さらにレンズ１１２を透過し、受光器１１４に供給される。受光器１１４は、受光した光信号を電気信号に変換して、その電気信号を信号処理回路１２６に供給する。信号処理回路１２６は、この電気信号に対して復調などの信号処理を行い、その結果、所望の情報が取り出される。なお、光アイソレータ一体型磁気光学変調器１３０は、図３や図４に示す構成のものを利用することが可能である。したがって、光アイソレータ一体型磁気光学変調器１３０は、高速応答が可能であり、さらに、光源１０４と磁気光学変調器部との間には光アイソレータ部が配置されているので、光伝送路の途中から光源１０４への反射戻り光の影響によるノイズは発生せず、数十ｋｍ以上もの距離の光ファイバ１１０を利用して、１０ＧＨｚ以上の信号を伝送することが可能であった。
【００４５】
また、高周波磁界発生器による高周波磁界発生に利用される高周波信号として、例えば、アンテナからの電気信号やそれを増幅した増幅信号を用いた場合、各種移動体通信の信号をアンテナで受信し、その受信信号に応じて光変調を行って光信号を発生させて、光ファイバ経由で所定の施設まで信号伝送を行う通信システムとしても用いることが可能であった。この場合、光アイソレータ一体型磁気光学変調器は屋外に設置されるが、本発明の光アイソレータ一体型磁気光学変調器は、ＤＣドリフトなどの問題がなく、温度変化の大きな屋外でも安定した動作が得られた。
【００４６】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明によれば、光源からの入射光を偏光して出射する一方、出射側から光源への戻り光を遮光する光アイソレータ部と、光アイソレータ部から出射された光を受けて、その光に対して所望の強度変調を行い出射光として外部に出力する磁気光学変調器部と、光の変調を行うための高周波信号を磁気光学変調器部に有効に導入するために、電気的なインピーダンスを調整するためのインピーダンス調整器とを有し、光アイソレータ部と磁気光学変調器部とが、単一のパッケージに収納されているので、広帯域で動作し、かつ、高速変調可能な光アイソレータ一体型磁気光学変調器が実現でき、その工業的価値は高い。
【００４７】
また、本発明によれば、同一結晶基板上に、光アイソレータと磁気光学変調器とを形成して、光アイソレータ一体型磁気光学変調器を製造するので、広帯域で動作し、かつ、高速変調可能な光アイソレータ一体型磁気光学変調器が実現でき、その工業的価値は高い。
【００４８】
また、本発明によれば、光源からの入射光を偏光して出射する一方、出射側から光源への戻り光を遮光する光アイソレータ部と、光アイソレータ部から出射された光を受けて、その光に対して所望の強度変調を行い出射光として外部に出力する磁気光学変調器部と、光の変調を行うための高周波信号を磁気光学変調器部に有効に導入するために、電気的なインピーダンスを調整するためのインピーダンス調整器とを有し、光アイソレータ部と磁気光学変調器部とが、単一のパッケージに収納されている光アイソレータ一体型磁気光学変調器を含む光通信システムを実現することができるので、広帯域で動作し、かつ、高速変調可能な光アイソレータ一体型磁気光学変調器を含む光通信システムが実現でき、その工業的価値は高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の光アイソレータ一体型磁気光学変調器全体の概要を示す図
【図２】本発明の第１の実施の形態の光アイソレータ部及び磁気光学変調器部の構成を示す図
【図３】本発明の第２の実施の形態の光アイソレータ部及び磁気光学変調器部の構成を示す図
【図４Ａ】本発明の第３の実施の形態による磁気光学変調器部の製造方法の第１ステップを示す模式図
【図４Ｂ】本発明の第３の実施の形態による磁気光学変調器部の製造方法の第２ステップを示す模式図
【図４Ｃ】本発明の第３の実施の形態による磁気光学変調器部の製造方法の第３ステップを示す模式図
【図４Ｄ】本発明の第３の実施の形態による磁気光学変調器部の製造方法の第４ステップを示す模式図
【図４Ｅ】本発明の第３の実施の形態による磁気光学変調器部の製造方法の第５ステップを示す模式図
【図５】本発明の第４の実施の形態の光源、光アイソレータ部、磁気光学変調器を同一パッケージ内に収納した構成を示す図
【図６】本発明の第５の実施の形態の光通信システムの構成を示す図
【図７Ａ】光アイソレータの動作原理を示す第１の図
【図７Ｂ】光アイソレータの動作原理を示す第２の図
【図８】従来の技術における光アイソレータを光変調器として用いた場合の変調度と戻り光の透過率との関係を示すグラフ
【符号の説明】
２、２０２　偏光子
４、５、８、２０４　磁気光学素子
６　偏光子兼検光子
７、９　バイアス磁界発生器（磁石）
１０、２１０　検光子
１２　コイル（高周波磁界発生器）
１３　ストリップ線路（高周波磁界発生器）
２０　非磁性ガーネット基板
５０　モニタ用受光器
５２、１０４　光源（半導体レーザ）
５４、５６、１０６、１０８、１１２　レンズ（集光レンズ）
６０、１１０　光ファイバ
７０　パッケージ
１１４　受光器
１２０　溝
１２２　光源駆動回路
１２４　磁気光学変調器駆動回路
１２６　信号処理回路
１２８、１２９　インピーダンス調整器（終端器）
１３０　光アイソレータ一体型磁気光学変調器
【図１】
2004029766.tif 000003
【図２】
2004029766.tif 000004
【図３】
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【図４Ａ】
2004029766.tif 000006
【図４Ｂ】
2004029766.tif 000007
【図４Ｃ】
2004029766.tif 000008
【図４Ｄ】
2004029766.tif 000009
【図４Ｅ】
2004029766.tif 000010
【図５】
2004029766.tif 000011
【図６】
2004029766.tif 000012
【図７Ａ】
2004029766.tif 000013
【図７Ｂ】
2004029766.tif 000014
【図８】
2004029766.tif 000015