(57)【要約】【課題】従来のマッハ・ゼンダー光アイソレータよりも長さが短い集積型光アイソレータを得ること。【解決手段】集積型光アイソレータは、基板（２）、ガイド層（３）、磁気光子結晶（１）、絶縁層（４）及び電極（５）を順に積層して構成されている。ここで、磁気光子結晶（１）は、光進行方向に対して磁気光学的物質と誘電体物質を周期的に配置した構成からなる。この磁気光子結晶（１）を磁化することで、そのファラデー回転を増大して磁場方向に進行する光の非可逆的位相変位を大きする。それによりデバイスの長さを既存の光アイソレーターよりも短くでき且つ集積化が可能になった。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光進行方向に対し磁気光学的物質と誘電体物質が周期的に配置された磁気光子結晶；及び、
前記磁気光子結晶を磁化させる磁化手段；
を含むことを特徴とする、ファラデー回転を増大させて位相変位を増大させるための集積型光アイソレータ。
【請求項２】
請求項１に記載された集積型光アイソレータにおいて、
前記磁気光子結晶は、光導波路のクラッド層であることを特徴とする集積型光アイソレータ。
【請求項３】
請求項１に記載された集積型光アイソレータにおいて、
前記磁気光子結晶は、光導波路のガイド層であることを特徴とする集積型光アイソレータ。
【請求項４】
請求項１に記載された集積型光アイソレータにおいて、
前記磁化手段は、電極であることを特徴とする集積型光アイソレータ。
【請求項５】
請求項４に記載された集積型光アイソレータにおいて、
前記電極は、形成された二つの導波路に平行で反対方向の磁場を形成させ、一方の導波路では電流方向と光進行方向とを一致させ、他方の導波路では電流方向と光進行方向とを逆にすることを特徴とする集積型光アイソレータ。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載された集積型光アイソレータおいて、
前記磁気光子結晶の透過率とファラデー回転を増大させるために、異なる誘電定数を有する磁気光学的物質と誘電物質のうちの一つが隣接して配置されていることを特徴とする集積型光アイソレータ。
【請求項７】
請求項６に記載された集積型光アイソレータにおいて、
前記誘電体物質は、同じであるか互いに異なる誘電定数を有する多層薄膜の結合体であることを特徴とする集積型光アイソレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンピュータ及び光通信に関するもので、特に磁気光学的物質と誘電体物質が周期的な構造を有する磁気光子結晶を用い大きなファラデー回転を持つようにすることによって、位相変位を増大させる集積型光アイソレータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の光通信システムにおいての急激な発展は、様々な光構成要素に対する高い水準のモノリシックな（Monolithical）集積化を必要としており、これに対する多くの試みがなされている。光集積化及び光学素子の安定的な動作のために、光が進行する過程で生じる不必要な反射光を阻止するためのアイソレータの必要性が増加している。現在市販されている光アイソレータ（optical isolator）は、バルク状要素（bulk component）であるため、集積化された形態で使用することができない。したがって、高水準の集積化を具現するために、集積化された光アイソレータは必須の素子であるといわれている。最近、光学特性が光の進行方向により変化する非可逆的効果を利用たアイソレータについての新しい代替手段が示唆され、かつその実現技術が活発に研究されている。
【０００３】
磁気光学的物質を用いた光集積型アイソレータ（optical integrated isolator）に対する研究がなされており、磁気光学的物質（magneto-optical material）が光導波路（light waveguide）にガイド層に活用される方法（J. Fujita, et al. Appl. Phys. Lett., 76, 2158(2000)）とクラッド層に活用される方法（H. Yokoi, et al. Appl Opt., 39, 6158(2000)）に対する研究がなされている。磁気光学的物質がガイド層に使用される場合は、大部分の光が磁気光学的物質を透過するためアイソレータの長さを低減することができるが、モノリシックな集積化が難しいという短所を持っている。逆に、磁気光学的物質がクラッド層に使用される場合は、モノリシックな集積化は可能であるが、非可逆位相変位が小さくデバイス長が長くなるという短所を持っている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、本発明の目的は、磁気光学的物質と誘電体物質を周期的に配列した構造を持ち、磁気光子結晶（magnetic photonic crystal）を用いた集積型光アイソレータを提供することである。ここで、磁気光子結晶は大きいファラデー回転（Faraday rotation）を持ち、従って位相変位を増大させる。
本発明は、ファラデー回転がバルク状磁性物質のそれよりも大きい磁気光子結晶の特性を用いることで、既存のマッハ・ゼンダー（Mach-Zehnder）集積型光アイソレータよりも短い集積型光アイソレータを実現するものである。
【０００５】
マッハ・ゼンダーを用いた光アイソレータは、クラッド層中の磁気光学的物質の特性である光の進行方向における前方・後方間で生じる非可逆的位相変位により実現可能である。磁気光学的物質に対する非可逆的位相変化を起こす基本的な要素は、その物質のファラデー回転である。
しかしながら、光通信の波長帯域（wavelength-band）での光の透過率(transmittance)が高い磁気光学的物質のファラデー回転は大きくはない。
したがって、バルク状又は薄膜状磁気光学的物質を用いると、光をアイソレートするのに必要な長さが長くなり、集積型光アイソレータ素子の長さを低減させるためには、磁気光学的物質のファラデー回転を大きくしなければならない。同じ磁気光学的物質を用いてファラデー回転を大きくする方法について、磁気光学的物質と一般誘電体（generic dielectric substance）を周期的に積み重ねる磁気光子結晶方法が研究されている。磁気光子結晶は、磁気光学的物質と誘電体物質が周期的な構造を持つ結晶である。もし、互いに異なる誘電定数を有する二つの物質が周期的な構造を有していれば、物質内に光が進行できないバンドギャップ（band gap）が生じる。その場合、もしこの構造中に特別の意図を持った欠陥構造（defect）が生成されるならば、この欠陥構造が殆どの光を除く特定の光だけの進行を許容するモードが形成される。この方法で生成されたモードの群速度（group velocity）は非常に遅く、光感知有効長（effective length sensing light）が長くなる。従って、磁気光学的物質の全体の長さが短くても、光感知有効長が長くなる効果により、ファラデー回転は大きくなる。本発明は、バルク状磁性材料（bulk magnetic material）よりファラデー回転が大きい磁気光子結晶の性質を用いて、既存のマッハ・ゼンダー集積型光アイソレータよりも長さの短い光集積型アイソレータを実現するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記した本発明の目的を達成するため、集積型光アイソレータは、ファラデー回転を増大させて位相変位を増大させるため、光進行方向に対し磁気光学的物質と誘電体物質が周期的に配置された磁気光子結晶；及び前記磁気光子結晶を磁化させる磁化手段を含むことを特徴とする。
その際、前記磁気光子結晶は、光導波路のクラッド層（cladding layer）であるか、ガイド層（guiding layer）であり得る。
【０００７】
更に、前記磁化手段は、電極を用い、該電極は、形成された二つの導波路に平行に反対方向の磁場を形成させ、一方の導波路では光進行方向と電流(current)方向とを一致させ、他方の導波路では光進行方向と電流方向とを逆にする。
加えて、前記磁気光子結晶の透過率とファラデー回転を増大させるために、互いに異なる誘電定数を有する磁気光学的物質と誘電体物質が互いに隣接し配置されていることが望ましい。
一方、前記誘電体物質は同じか、又は互いに異なる誘電定数を有する多層薄膜の結合体であってもよい。
【発明の効果】
【０００８】
上述したように、本発明による集積型光アイソレータは、磁気光子結晶の大きなファラデー回転によって、マッハ・ゼンダー集積型光アイソレータよりデバイス（device）の長さを低減することができ、光集積化をなすのに適合した構造である。また、これらは完全に光学的である構造の集積化を可能にものであって、光情報処理システムに対し大きな影響を与える技術になり得る。本発明は、高い信頼性がありかつ光経路損失を最小化できるため、光ファイバ増幅器、ＷＤＭシステム、光ファイバレーザ及びセンサー、光学計測器等に効果的に適用可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、添付された図面を参照し、本発明の望ましい実施例に対し説明する。
図１は、磁気光学的物質と誘電体物質が周期的に形成された磁気光子結晶の構造を示す。図１に示すように、磁気光子結晶（１）は、磁気光学的物質（１１）と一般的な誘電体物質（１２）を磁場に対し垂直に周期的かつ繰り返し配置して形成されている。この状態において、磁場方向に向いた光は、磁気光子結晶（１）を通過した後、高いファラデー回転を有するようになる。また、前記磁気光子結晶の透過率とファラデー回転を増加させるために、それぞれ異なる誘電定数を有する磁気光学的物質と誘電体物質が隣接するように配置されている。ここで、前記誘電体物質は同じか又は異なる誘電定数を有する多層薄膜の結合体であり得る。
【００１０】
図２は、磁気光子結晶に伝達される光の透過率とファラデー回転の一例である。物質即ち磁気光子結晶（１）は、既存のバルク状磁気光学的物質（１１）よりも大きなファラデー回転を持ち、かつこの事実が非可逆的位相変位を示す基本要素である。従って、非可逆的位相変位は、磁気光子結晶（１）を使用する場合の方がバルク状物質を使用する場合よりも大きくなるため、デバイスの長さを低減できるのである。
【００１１】
図３は、クラッド層として磁気光子結晶を使用し、磁気光子結晶の非可逆的位相変位を用いたマッハ・ゼンダー光アイソレータの動作原理を説明するための概念図であり、図４はマッハ・ゼンダー集積型光アイソレータの断面図である。
図４に図示すように、基板（２）、ガイド層（３）、磁気光子結晶（１）、絶縁層（４）及び電極（５）は規定された順序に従って積層されている。ガイド層（３）は基板（２）上に形成され、それから磁場方向に進行する光に対し非可逆的位相変位を起こさせる磁気光子結晶（１）が前記ガイド層（３）上に積層され、かつ、前記磁気光子結晶（１）を磁化させる電極（５）が磁気光子結晶（１）上に作りつけられる。その間に、絶縁層（４）が前記磁気光子結晶（１）と電極（５）の間に形成される。
【００１２】
磁気光子結晶（１）は、ウエハ（Wafer）直接結合方法により、マッハ・ゼンダー光導波路中でクラッド層として用いられる。光導波路上の磁気光子結晶（１）は光の進行方向に対し垂直である。光導波路に平行な逆方向の磁場を形成させるため、電極（５）は、図３に示すように設計されている。電極に電流を印加することにより、磁気光子結晶（１）は磁化される。この光導波路を通過する光は非可逆的位相変位を持つようになる。
【００１３】
その際、マッハ・ゼンダー光導波路の二つのアーム（arm）内における経路差が９０°になるように製作することで、マッハ・ゼンダー光導波路の可逆的位相変位が９０°になるようにする。もし、非可逆的位相変位器の長さを９０°になるよう形成すれば、前方に進行する光は、非可逆的位相変位を−９０°、可逆的位相変位を９０°にし、それによって、位相が同じになり、かつ前方に進行する光が進行可能となる。さもなければ、後方に進行する光は、９０゜の非可逆的位相変位と９０゜の可逆的位相変位が１８０゜の位相差を有するようになり相殺され得る。
【００１４】
図５は、磁気光子結晶を光導波路のクラッド層に使用する一例として、光子結晶の数による非可逆的位相変位を示すグラフである。図５に示すように、光導波路が同じ長さである時、位相変位は、光導波路が磁気光子結晶（１）を有する場合には、磁気光子結晶（１）を有しない場合より２倍以上大きい。従って、磁気光子結晶（１）を用いた光アイソレータを実現すれば、モノリシックな集積化が可能であるだけではなく、デバイスの長さも低減することもできる。
【００１５】
このように、光通信システム分野での急激な発展は、様々な光素子に対し高い水準のモノリシックな集積化を必要としており、かつ光集積化の目的のため、様々な光信号処理素子が使用されている。これらの素子を安定化させるため、光の進行過程で発生する不要な反射光から保護するアイソレータが必須である。
本発明は、上述した実施例に限定されず、本発明の技術的思想内で当分野の通常の知識を持つ者によって多くの変形が可能なことは明らかである。
【００１６】
なお、半導体磁気光学集積型光アイソレータ（semiconductor integrated optical isolator）は、磁性材料の光学的特性である光の進行経路方向が異なるとき発生する非可逆的位相変位を用い、光導波路のクラッド層やガイド層が磁性材料で構成されたマッハ・ゼンダー集積型光アイソレータで実現されている。このような、非可逆的位相変位を起こす基本要素は、磁性材料が持っているファラデー回転（Faraday rotation）である。そこで、短くかつ集積化された光アイソレータを製作するためには、大きなファラデー回転が必要である。しかし、バルク状磁性材料は、ファラデー回転が大きくないため、アイソレータを製作するためには、数mm単位の長さが必要である。
【００１７】
本発明は、磁気光学的物質と誘電体物質が周期的な構造を有する磁気光子結晶を用いた集積型光アイソレータを実現し、これにより、磁気光子結晶はバルク状磁性材料より大きいファラデー回転を有するようになり、非可逆的位相変位が大きくなった。非可逆的位相変位が大きくなったことにより、長さの短い集積化された光アイソレータが製造可能となった。つまり、本発明は、マッハ・ゼンダー光アイソレータ素子の長さを減らすために大きなファラデー回転を有する磁気光子結晶を用いたのである。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】磁気光子結晶構造を示す図である。
【図２】磁気光子結晶の透過率とファラデー回転及び磁気光学結晶の構造及び透過率とファラデー回転を示すグラフである。
【図３】磁気光学結晶のクラッド層として使用したマッハ・ゼンダー集積型光アイソレータの動作原理を説明するための概念図である。
【図４】マッハ・ゼンダー型集積型光アイソレータの断面図である。
【図５】磁気光学結晶のクラッド層として使用した場合の集積型光アイソレータの非可逆的位相変位を計算した結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００１９】
１・・・磁気光子結晶、１１・・・磁気光学的物質、１２・・・誘電体物質、２・・・基板、３・・・ガイド層、４・・・絶縁層、５・・・電極。
【図１】
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【図２】
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【図５】
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【図３】
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【図４】
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