(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
化合物半導体基板上に半導体材料を用いた導波層を備え、前記導波層上に光干渉計を構成する第１及び第２の導波路と、前記第１及び第２の導波路の間の入出力部に配設されたテーパ状分岐結合器とを備え、前記導波層上に磁気光学材料から成るクラッド層が形成され、前記クラッド層上に前記磁気光学材料の磁化を所定方向に揃える磁界印加手段を設けて成る導波路型光アイソレータにおいて、
前記第１の導波路を伝搬する第１の光波及び前記第２の導波路を伝搬する第２の光波の伝播方向と直交し、かつ前記第１及び第２の導波路の両外面側より中央部に向かう方向に、前記磁界印加手段により磁界を印加するようになっており、
基本動作波長をλとして、前記第１の光波と前記第２の光波との位相差を３π／２とする相反移相器と、
順方向伝搬波に対してπ／２、逆方向伝搬波に対して−π／２の位相差を与える非相反移相器と、
を具備したことを特徴とする導波路型広帯域光アイソレータ。
【請求項２】
化合物半導体基板上に半導体材料を用いた導波層を備え、前記導波層上に光干渉計を構成する第１及び第２の導波路と、前記第１及び第２の導波路の間の入出力部に配設されたテーパ状分岐結合器とを備え、前記導波層上に磁気光学材料から成るクラッド層が形成され、前記クラッド層上に前記磁気光学材料の磁化を所定方向に揃える磁界印加手段を設けて成る導波路型光アイソレータにおいて、
前記第１の導波路を伝搬する第１の光波及び前記第２の導波路を伝搬する第２の光波の伝播方向と直交し、かつ前記第１及び第２の導波路の両外面側より中央部に向かう方向に、前記磁界印加手段により磁界を印加するようになっており、
基本動作波長λにおいて、ｘを０以上の整数として、前記第１の光波と前記第２の光波との位相差を“（ｘ＋３／４）×２π”とする相反移相器と、
順方向伝搬波に対してπ／２、逆方向伝搬波に対して−π／２の位相差を与える非相反移相器と、
を具備したことを特徴とする導波路型広帯域光アイソレータ。
【請求項３】
前記相反移相器は、前記第１又は第２の導波路の導波路幅に対して、前記導波路幅以上の所定導波路幅を有し、導波路等価屈折率を変化させるようになっている請求項１又は２に記載の導波路型広帯域光アイソレータ。
【請求項４】
前記相反移相器が光波の伝搬方向にテーパ導波路を有すると共に、他方の導波路の一部にも前記テーパ導波路を含む請求項１乃至３のいずれかに記載の導波路型広帯域光アイソレータ。
【請求項５】
前記第１の導波路が前記相反移相器を含み、前記第２の導波路が前記相反移相器による位相変化を調整する調整部を有し、前記相反移相器を含まない前記第１の導波路の分岐結合器間における光路長をＬ０、伝搬定数をβ２、前記相反移相器の光路長をＬ１、伝搬定数をβ１、ｘを０以上の整数として、前記調整部が、“β１×Ｌ１−β２×Ｌ２＝（ｘ＋３／４）×２π”を満たす光路長Ｌ２、導波路幅β２を有する請求項３又は４に記載の導波路型広帯域光アイソレータ。
【請求項６】
前記相反移相器を構成する前記第１又は第２の導波路の導波路の長さを変化させることのできる請求項１乃至４のいずれかに記載の導波路型広帯域光アイソレータ。
【請求項７】
波長が１．３１μｍ帯と１．５５μｍ帯の２つの波長帯において動作する請求項６に記載の導波路型広帯域光アイソレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は導波路型広帯域光アイソレータに関し、特に導波路型光アイソレータが所望の特性を満足して動作する波長域を格段に広げ、長距離光ファイバ通信に用いられる１．３１μｍ帯と１．５５μｍ帯の２つの波長帯においても動作する導波路型広帯域光アイソレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
光アイソレータは一方向にのみ光を透過させ、これと反対の方向に伝搬しようとする光を阻止する素子である。例えば、光アイソレータを半導体レーザの発射端に配置することによって、レーザから出射される光は光アイソレータを透過し、これを光ファイバ通信用の光源として用いることができる。逆に光アイソレータを通して半導体レーザに入射しようとする光は、光アイソレータによって阻止され、半導体レーザに入射することはできない。光アイソレータを半導体レーザの発射端に置かないと、半導体レーザに反射戻り光が入射し、これが半導体レーザの発振特性を劣化させてしまう。即ち、光アイソレータは半導体レーザに入射しようとする光を遮り、半導体レーザの特性を劣化させることなく、安定な発振を保つ働きをする。
【０００３】
上述した半導体レーザに限らず、光増幅器などの光能動素子においては、意図しない逆向き光が入射することによって、素子の動作特性が劣化したり、意図せぬ動作をする。光アイソレータは一方向にしか光を透過しないため、光能動素子に意図せず逆向きに光が入射することを防止することができる。
【０００４】
半導体レーザとの集積化に適した光アイソレータとして、従来図１に示す干渉型光アイソレータ（導波路型光アイソレータ）が提案されている。この従来の光アイソレータ１０１は、化合物半導体基板１０２上に半導体材料を用いた導波層１０３を、導波層１０３上に導波路１０４、テーパ状分岐結合器１０５を備え、さらに導波層１０３上に磁気光学材料からなるクラッド層１０６を形成し、クラッド層１０６上に磁気光学材料の磁化を所定の方向に揃えるための磁界印加手段１０７を設けたものである。
【０００５】
この光アイソレータ（以下、「導波路型光アイソレータ」とする）１０１は、光干渉計を構成する２本の光導波路中に発生する伝搬方向によって大きさが異なる位相変化（以下、「非相反移相効果」とする）を用いて、順方向伝搬波に対しては２本の光導波路を伝搬する光波が同位相となるように、逆方向に伝搬する逆方向伝搬波に対しては逆位相になるように設定される。
【０００６】
導波路型光アイソレータ１０１の動作原理を、図２（ａ）〜（ｃ）に示す。２つの光波が同位相になる場合には、構造の対称性から出力側に設けたテーパ状分岐結合器１０５において、中央の出力端１１１から出力される（図２（ｂ））。一方、逆位相になる場合は、左側（導波路型光アイソレータ１０１にとっては入力端となる側）のテーパ状分岐結合器１０５において反対称の分布が形成されるため、対称構造の結合器１０５の中央出力端（入力端）１１０からは出力されずに、両脇に設けた不要光出力端１１２から出力される（図２（ｃ））。即ち、左側のテーパ状分岐結合器１０５の入力端１１０から入射した光波は、右側のテーパ状分岐結合器１０５の出力端１１１から出力され、逆に右側のテーパ状分岐結合器１０５の出力端１１１から入力された光は、左側のテーパ状分岐結合器１０５の入力端１１０に戻ることなく、入力端１１０を逆方向伝搬波からアイソレートすることができる。
【０００７】
以上のような動作は、図２（ｃ）に示す構成によって実現される。まず、干渉光路の一方を他方に比べて長くすることによって、２本の光路間に伝搬方向に依存しない位相差（相反位相差）を発生させる。また、磁気光学効果を有する材料（以下、「磁気光学材料」とする）を平面状の光導波路中に配置し、外部から導波路面内で伝搬方向に直交する方向（横方向）に磁界を印加して、磁気光学材料の磁化を配向させることによって非相反移相効果を発生させる。光の伝搬方向と磁化の配向方向の関係によって、磁気光学効果による非相反移相効果が決まり、磁化方向を保ったまま伝搬方向を反転させると、非相反移相効果が異なる。以下、順方向伝搬波と逆方向伝搬波の非相反移相効果の差を「非相反移相量」とする。
【０００８】
図２の導波路型光アイソレータ１０１では、干渉計を構成する２本の導波路に互いに反並行に磁界が印加されているため、２本の導波路中を同じ距離伝搬した際の光波の位相差が非相反移相量に一致する。また、順方向伝搬波に対して非相反移相効果によって、２本の導波路間に＋φの位相差が生じるとすると、逆方向伝搬波に対しては、これと異符号−φの位相差が生じることになる。
【０００９】
この磁気光学効果による非相反移相効果に加え、２本の導波路に１／４波長に相当する光路長差を設けることによって、光路の長い導波路を伝搬する光がπ／２だけ大きな位相変化（以下、「相反位相差」とする）を持つように設計されている。順方向伝搬波に対して、光路の長い導波路の方が短い導波路に比べて非相反移相効果による位相差（非相反位相差）−π／２を生じるようにすれば、順方向伝搬波に対して２本の導波路を伝搬する光波は同位相となる（分岐結合器の中央出力端から出力される）。伝搬方向を反転すると、非相反位相差は符号が反転するため、光路の長い導波路の方が非相反位相差＋π／２を与えられる。これと光路長差による＋π／２の位相差が加わり、逆位相状態（位相差π）で分岐結合器に入力されることになる（分岐結合器の２本の外側導波路から出力される）。このように正常光と異常光とを位相差を利用してアイソレートしている。このような導波路型光アイソレータの一例が日本国特許３４０７０４６号（特許文献１）に記載されている。また、この導波路型光アイソレータに関し、以下の非特許文献１〜４が存在する。
【先行技術文献】
【００１０】
【特許文献】
【特許文献１】
特許第３４０７０４６号公報
【非特許文献１】
H.Yokoi,T.Mizumoto,N.Shinjo,N.Futakuchi  and  Y.Nakano,  “Demonstration  of  optical  isolator,  with  a  semiconductor  guided  layer  that  was  obtained  by
use  of  a  nonreciprocal  phase  shift,”Applied  Optics,  vol.39,  No33,  pp.6158−6164（2000）
【非特許文献２】
横井、水本、新城、二口、中野、“半導体導波層を有する光アイソレータの動作実証、”  電子情報通信学会技術研究報告、  OPE2000−10、  pp.3417−3421（2000）
【非特許文献３】
T.Mizumoto,S.Mashimo,T.Ida  and  Y.Naito,“In−plane  magnetized  rare  earth  iron  garnet  for  a  waveguide  optical  isolator  employing  nonreciprocal  phase  shift,”IEEE  Trans.MAG,  vol.29,No.6,pp.3417−3421（1993）
【非特許文献４】
T．Mizumoto  and  Y．Naito，“Nonreciprocal  propagation  characteristics  of  YIG  thin  film，”  IEEE  Trans．On  Microwave  Theory  and  Techniques，  vol．MTT−30，No．6，pp．922−925（1982）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
非特許文献１及び２では、ＧａＩｎＡｓＰを導波層とし、磁気光学材料ＣｅＹ２Ｆｅ５Ｏ１２（Ｃｅ：ＹＩＧ）を上クラッド層とした光アイソレータを実際に試作し、その特性を測定した結果が報告されている。アイソレータの特性として、４．９ｄＢのアイソレーション比（＝逆方向損失−順方向損失）が波長１．５５μｍで得られたとしている。また、相反移相器の移相量の再現性を明らかにするために、測定に容易な相反移相量πの相反移相器を有するアイソレータ構造を製作し（この場合、アイソレータとしては不十分な動作となる）、相反移相量を測定している。
【００１２】
また、非特許文献３では、非相反移相効果を用いた干渉型光アイソレータにおいて、干渉系を構成する光分岐結合器としてテーパ状分岐結合器を用いた構成を提案し、その導波路設計を明らかにしている。また、非相反移相効果は、磁気光学材料である磁性ガーネットの磁化を導波層内方向（基板表面と平行な方向）に配向させることで発現する。磁化を配向させるために必要な磁界の大きさを低減するためには、面内磁化特性を有する磁性ガーネットを成長させる必要がある。非特許文献３では、液相成長法で面内磁化特性を有するガーネット（ＬｕＮｄＢｉ）３（ＦｅＡｌ）５Ｏ１２を成長する成長条件を明らかにし、結果として得られた磁性ガーネットの特性を示している。
【００１３】
さらに、非特許文献４では、磁性ガーネットＹ３Ｆｅ５Ｏ１２（ＹＩＧ）を伝搬するＴＭモードが受ける非相反移相量を測定し、非相反移相効果を実証している。
【００１４】
しかしながら、上述の従来の導波路型光アイソレータでは、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、動作波長が設計波長である時には上記の通りの位相差が発生し、導波路型光アイソレータとして理想的な動作を示すが、動作波長が変化すると順方向伝搬波、逆方向伝搬波共に非相反移相量及び相反移相量の大きさが変化する。即ち、順方向伝搬波に対して干渉光路が同位相、逆方向伝搬波に対して逆位相という設計条件から誤差が生じ、アイソレータの特性が劣化してしまっていた。ここで、図３（ａ）のθＲは順方向伝搬波及び逆方向伝搬波に対する動作波長における相反位相差を、−θＮは順方向伝搬波に対する動作波長における非相反位相差を、θＮは逆方向伝搬波に対する動作波長における非相反位相差をそれぞれ示している。
【００１５】
また、図３（ｂ）では相反位相差と非相反位相差とを合成した順方向伝搬波と逆方向伝搬波の位相差を表している。これら２つの光波の波長変化に対する位相差の変化の傾きを比べると、逆方向伝搬波の傾きが順方向伝搬波の傾きに比べて大きい。これは動作波長と設計波長との差が大きくなると、入射光の拡散損失よりも、逆方向伝搬波の拡散不足による光レーザの発振特性の劣化が無視できない程大きくなることを示している。そこで、まず動作波長の変化に伴う逆方向伝搬波の拡散量について、設計波長を１．５５μｍとした導波路型光アイソレータにおいて、動作波長の変化とそれに伴う逆方向伝搬波の拡散量（逆方向損失）の特性を図４に示す。
【００１６】
逆方向伝搬波を光レーザに照射させないためには、逆方向伝搬波の拡散量が一定以上（一般的に要求される値は３０ｄＢ）必要である。図４の特性によると、３０ｄＢ以上の拡散量を示す波長は１．５４〜１．５６μｍ（設計波長１．５５μｍに対して±０．０１μｍ）であり、この間に動作波長が無い場合、導波路型光アイソレータの逆方向伝搬波拡散効果は要求を満たすほどの性能を発揮することができなかった。
【００１７】
一方、動作波長の変化に伴う順方向伝搬波の入射損失について、設計波長１．５５μｍで設計された導波路型光アイソレータにおける動作波長の変化とそれに伴う順方向伝搬波の入射損失（順方向損失）の特性を図５に示す。
【００１８】
設計波長から動作波長がずれた場合、動作波長の変化に対する位相差の傾きは順方向伝搬波に比べて逆方向伝搬波が大きい、即ち順方向伝搬波に対して逆方向伝搬波の波長依存性が高いことは図４と共に上述したが、図５と対比すると、それを顕著に見ることができる。設計波長が１．５５μｍの導波路型光アイソレータにおいて、動作波長が１．４５μｍ〜１．６４μｍの間にある場合の順方向伝搬波の入射損失は０．１ｄＢで済んでおり、上述した要求を満たす逆方向伝搬波拡散効果を得られる動作波長１．５４〜１．５６μｍと比べると歴然の差がある。
【００１９】
結果として、“逆方向損失−順方向損失”で定義されるアイソレーション比の波長依存性は逆方向損失の波長依存性でほぼ決まるため、従来の導波路型光アイソレータでは動作波長が１．５４〜１．５６μｍを外れてしまうとその特性を発揮できなかった。
【００２０】
非特許文献１及び非特許文献２では、得られたアイソレーション特性は４．９ｄＢであり、実用デバイスとしては不十分である。また、アイソレーション特性の測定波長は１．５５μｍであり、波長特性については述べられていない。さらに、相反移相器としてπ／２の相反移相器を利用しているため、逆方向伝搬波の波長依存性は解消されていない。
【００２１】
非特許文献３では、非特許文献１及び２と同様に、相反移相器としてπ／２の相反移相器を利用しているため、逆方向伝搬波の波長依存性は解消されていない。また、非特許文献３の磁性ガーネット（ＬｕＮｄＢｉ）３（ＦｅＡｌ）５Ｏ１２では、ファラデー回転係数が−６００ｄｅｇ／ｃｍ（波長１．３１μｍ）であり、後述する本発明の磁性ガーネットＣｅ：ＹＩＧのファラデー回転係数−４５００ｄｅｇ／ｃｍに比べ、１３％程度である。この結果、非相反移相器の長さが７．５倍近くとなってしまう問題がある。
【００２２】
また、非特許文献４は、非相反移相効果という物理現象を実験的に検証した点において意義があるが、実際に光アイソレータなどのデバイス化には至っていない。
【００２３】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、逆方向伝搬波の波長依存性を低減させて利用可能な動作波長域を広げると共に、長距離光ファイバ通信に用いられる１．３１μｍ帯と１．５５μｍ帯の２つの波長帯においても動作する導波路型広帯域光アイソレータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明は、化合物半導体基板上に半導体材料を用いた導波層を備え、前記導波層上に光干渉計を構成する第１及び第２の導波路と、前記第１及び第２の導波路の間の入出力部に配設されたテーパ状分岐結合器とを備え、前記導波層上に磁気光学材料から成るクラッド層が形成され、前記クラッド層上に前記磁気光学材料の磁化を所定方向に揃える磁界印加手段を設けて成る導波路型光アイソレータに関し、本発明の上記目的は、前記第１の導波路を伝搬する第１の光波及び前記第２の導波路を伝搬する第２の光波の伝播方向と直交し、かつ前記第１及び第２の導波路の両外面側より中央部に向かう方向に、前記磁界印加手段により磁界を印加するようになっており、基本動作波長をλとして、前記第１の光波と前記第２の光波との位相差を３π／２とする相反移相器と、順方向伝搬波に対してπ／２、逆方向伝搬波に対して−π／２の位相差を与える非相反移相器とを具備することにより、或いは前記第１の導波路を伝搬する第１の光波及び前記第２の導波路を伝搬する第２の光波の伝播方向と直交し、かつ前記第１及び第２の導波路の両外面側より中央部に向かう方向に、前記磁界印加手段により磁界を印加するようになっており、基本動作波長λにおいて、ｘを０以上の整数として、前記第１の光波と前記第２の光波との位相差を“（ｘ＋３／４）×２π”とする相反移相器と、順方向伝搬波に対してπ／２、逆方向伝搬波に対して−π／２の位相差を与える非相反移相器とを具備することによって達成される。
【００２５】
また、本発明の上記目的は、前記相反移相器は、前記第１又は第２の導波路の導波路幅に対して、前記導波路幅以上の所定導波路幅を有し、導波路等価屈折率を変化させるようになっていることにより、或いは前記相反移相器が光波の伝搬方向にテーパ導波路を有すると共に、他方の導波路の一部にも前記テーパ導波路を含むことにより、或いは前記第１の導波路が前記相反移相器を含み、前記第２の導波路が前記相反移相器による位相変化を調整する調整部を有し、前記相反移相器を含まない前記第１の導波路の分岐結合器間における光路長をＬ０、伝搬定数をβ２、前記相反移相器の光路長をＬ１、伝搬定数をβ１、ｘを０以上の整数として、前記調整部が、“β１×Ｌ１−β２×Ｌ２＝（ｘ＋３／４）×２π”を満たす光路長Ｌ２、導波路幅β２を有することにより、或いは前記相反移相器を構成する前記第１又は第２の導波路の導波路の長さを変化させるこことにより、或いは波長が１．３１μｍ帯と１．５５μｍ帯の２つの波長帯において動作することによって、より効果的に達成される。
【００２６】
以上のように、本発明の導波路型広帯域光アイソレータによれば、従来の設計波長１．５５μｍの導波路型光アイソレータでは逆方向伝搬波の拡散量（逆方向損失）３０ｄＢ以上の動作帯域が設計波長の前後に約２０ｎｍ（約１．５４〜１．５６μｍ）であったのに対して、２００ｎｍ以上の動作帯域が得られる。
【００２７】
導波路構造では、導波路長を変化させことにより相反位相差３π／２を得て、非相反移相差を得る磁界の印加方向を対向方向にした。結果として順方向伝搬波に２π、逆方向伝搬波にπの位相差を与えられる。
【００２８】
さらには、相反移相器の導波路幅を一部変化させることにより、或いは導波路の長さを変化させることにより、或いは導波路幅及び導波路の長さを変化させることにより、相反移相器による位相変化の波長依存性を非相反移相器の波長依存性と相殺することで、逆方向伝搬波に対する波長依存性の低減化に成功している。
【００２９】
また、導波路幅が変化することで起こる伝搬光の反射や放射を、テーパ状導波路を導入することで抑制することに成功している。
【００３０】
光アイソレータでは、順方向損失を多少犠牲にしても逆方向損失（拡散量）を大きくすることが求められることが多く、互いの波長依存性を打ち消すようにして広帯域化を図ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】従来の干渉型光アイソレータ（導波路型光アイソレータ）の一例を示す斜視構造図である。
【図２】従来の導波路型光アイソレータの動作原理を説明するための図である。
【図３】従来の動作波長の変化とそれに伴う位相差変化の特性例を示す図である。
【図４】従来の動作波長の変化とそれに伴う逆方向伝搬波の拡散量（逆方向損失）の特性例を示す図である。
【図５】従来の動作波長の変化とそれに伴う順方向伝搬波の入射損失（順方向損失）の特性例を示す図である。
【図６】本発明に係る導波路型広帯域光アイソレータの導波路部分の構成例を示す図である。
【図７】本発明の設計波長における動作原理を説明するための図である。
【図８】動作波長の変化とそれに伴う位相差変化の特性例を示す図である。
【図９】相反位相差の波長依存性を変化させるための相反移相器６の導波路構造例を示す図である。
【図１０】動作波長による導波路等価屈折率の波長依存性を示す特性図の一例である。
【図１１】Ｃｅ：ＹＩＧのファラデー回転係数の波長依存性についての特性を示す図である。
【図１２】Ｃｅ：ＹＩＧの屈折率の波長依存性の特性例を示す図である。
【図１３】導波路等価屈折率との偏差の波長依存性を示す特性図である。
【図１４】相反位相差の波長依存性を調節するための機構を示す図である。
【図１５】光アイソレータを構成する導波路断面構造を示す図である。
【図１６】ＳｉＯ２の屈折率の波長依存性の特性例を示す図である。
【図１７】相反位相差θＲの波長依存性の特性例を示す図である。
【図１８】導波路の幅と長さを変化させたときの相反位相差θＲの波長依存性の変化の様子を示す図である。
【図１９】磁気光学材料Ｃｅ：ＹＩＧ（ＣｅＹ２Ｆｅ５Ｏ１２）を導波層とした導波路型光アイソレータの一例を示す斜視構造図である。
【図２０】逆方向伝搬波に対する損失量（拡散量）の特性例である。
【図２１】順方向伝搬波に対する損失量（挿入損失量）の特性例である。
【図２２】Ｓｉを導波層とした導波路型光アイソレータの一例を示す斜視構造図である。
【図２３】導波層Ｓｉの屈折率の波長依存性の特性例を示す図である。
【図２４】逆方向伝搬波に対する損失量（拡散量）の特性例を示す図である。
【図２５】順方向伝搬波に対する損失量（挿入損失量）の特性例を示す図である。
【図２６】中心波長１．５５μｍの導波路広帯域光アイソレータの逆方向損失（実線）及び順方向損失（破線）の波長依存性を示す図である。
【図２７】中心波長１．４３μｍの導波路広帯域光アイソレータの逆方向損失（実線）及び順方向損失（破線）の波長依存性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
本発明に係る導波路型広帯域光アイソレータは、設計波長と同じ動作波長を光アイソレータに入射した際に、相反移相量として３π／２を順方向伝搬波及び逆方向伝搬波の双方に与えると共に、非相反移相量として＋π／２を順方向伝搬波、−π／２を逆方向伝搬波のそれぞれに与えることで、２本の導波路を進む光波にはそれぞれ順方向伝搬波に対して位相差２π、逆方向伝搬波に対して位相差πを与える。即ち、順方向伝搬波に対しては同位相、逆方向伝搬波に対しては逆位相となる位相差を与える。この位相差により、順方向伝搬波を分岐結合器の中央端から出力すると共に、逆方向伝搬波を中央端横の不要光出力端から出力させる。
【００３３】
順方向伝搬波に対して、相反位相量と非相反位相量の和を与え、逆方向伝搬波に対して、相反位相量と非相反位相量の差を与えるため、動作波長が設計波長からずれた際の動作波長の変移による位相ずれの推移は、順方向伝搬波より逆方向伝搬波の傾きの方が滑らかとなる。これにより、動作波長が設計波長からずれた場合でも、位相差πからのずれを最小限に留めている。
【００３４】
これにより、逆方向損失の波長依存性を抑制し、アイソレーション比を定義する“逆方向損失−順方向損失”の値を安定させて広帯域化を実現させている。
【００３５】
また、導波路幅を調節して、導波路等価屈折率の波長依存性を変化させることにより、或いは導波路長を変化させることにより、或いは導波路幅及び導波路長を変化させることにより、相反位相差の波長依存性を調節して非相反位相差の波長依存性を打ち消して動作波長による位相変化のずれの補正を図っている。その結果、非相反位相差及び相反位相差の設計値からの偏差の絶対値が等しくなるように波長依存性を調整し、光アイソレータの広帯域化を図っている。
【００３６】
以下に、本発明に係る導波路型広帯域光アイソレータについて、図面を参照して説明する。なお、本発明に係る導波路型広帯域光アイソレータの全体構成は、磁界印加方向を逆方向にする以外は従来の図１と同じ構成であり、説明は省略する。
【００３７】
図６は、導波路型広帯域光アイソレータの導波路部分に関する構成を示す図であり、図７（ａ）及び（ｂ）は設計波長における動作原理を表す図である。
【００３８】
導波路型広帯域光アイソレータ１の導波路部は、光レーザの入射光に対して異常光となる反射光等を拡散させる不要光出力端２と、光レーザの入力端及び出力端となる中央端３と、順方向伝搬波及び逆方向伝搬波の分岐・結合を行う分岐結合器４と、順方向伝搬波及び逆方向伝搬波に対して磁界を印加することで位相差を発生させる非相反移相器５と、分岐結合器４によって分岐された２つの順方向伝搬波及び逆方向伝搬波のそれぞれに光路長差によって相反位相差を発生させる相反移相器６とから構成されている。
【００３９】
非相反移相を与える非相反移相器５は磁界の印加方向を対向方向とし、２本の導波路を進む設計波長を持つ順方向伝搬波間に＋π／２の位相差を与え、逆方向伝搬波間に−π／２の位相差を与える。
【００４０】
一方、相反移相器６は、設計波長を持つ順方向伝搬波及び逆方向伝搬波共に３π／２の位相差を双方に与える。従って、相反移相器６は２本の導波路間に光路長差は３λ／４（以下、「設計波長」をλとする）を生じるように設計されている。
【００４１】
結果として、順方向伝搬波は入力側の中央端３から入射され、分岐結合器４によって分岐された後、相反移相器６によって３π／２の位相差が与えられ、非相反移相器５によって＋π／２の位相差が与えられる。出力側の分岐結合器４において結合される際には、２πの位相差が順方向伝搬波に対して発生している。２πの位相差は位相差０と同意であるから、出力側の中央端３から出力される（図７（ａ））。
【００４２】
逆に、逆方向伝搬波（反射戻り光）は出力側の中央端３から入射し、分岐結合器４によって分岐された後、相反移相器６によって３π／２の位相差が与えられ、非相反移相器５によって−π／２の位相差が与えられる。入力側の分岐結合器４において結合される際には、πの位相差が逆方向伝搬波に対して発生している。これにより、逆方向伝搬波は入力側の不用光出力端２から拡散される（図７（ｂ））。
【００４３】
なお、簡便のため相反移相器６の光路長差は、設計波長λに対して３λ／４を用いたが、相反移相器６によって与えられる光路長差は、下記（１）式の長さを有すれば良い。
【００４４】
（ｘ＋３／４）λ            ・・・（１）
ただし、ｘは０以上の整数である。
【００４５】
これにより、（ｘ＋３／４）×２πの相反位相差を順方向伝搬波及び逆方向伝搬波の双方に得ることができる。
【００４６】
また、非相反移相器による非相反位相差をπ／２の奇数倍（３以上）として導波路型広帯域光アイソレータ１を構成することも可能である。しかしながら、所望の非相反移相量を得るために必要な伝搬距離は、同じ大きさの相反移相量を得るために必要な伝搬距離に比べて３桁以上長いため、非相反位相差をπ／２の奇数倍（３以上）とする方法は現実的ではない。なお、以下では簡便のため、相反移相器６による位相変化は３π／２を用いて詳述する。
【００４７】
この導波路型広帯域光アイソレータ１の、相反位相差θＲと非相反位相差（順方向伝搬θＮ、逆方向伝搬−θＮ）の波長依存性の特性例を図８（ａ）及び（ｂ）に示す。相反位相差と非相反位相差の波長依存性は、相反移相器６における動作波長の変化に対する相反移相量の推移の傾き（θＲ）と、非相反移相器５における動作波長の変化に対する非相反移相量の推移の傾き（順方向伝搬θＮ、逆方向伝搬−θＮ）とで表される（図８（ａ））。相反位相差と非相反位相差の波長依存性は、θＲの傾きとθＮの傾きとが同じ符号を持っているため、逆方向伝搬波に生じる位相差（−θＮ＋θR）の波長依存性を低減することができる。このため、相反位相差がπ／２の場合に比べ、順方向伝搬波において生じる位相差の波長依存性は増大するが、逆方向伝搬波において生じる位相差の波長依存性は低減される。このようにして、導波路型光アイソレータの動作波長領域を広帯域化することができる。
【００４８】
図９は、相反位相差の波長依存性を変化させるための相反移相器６の導波路構造を表した図である。
【００４９】
上述のように、設計波長λにおいて、相反移相器６で光波に対して３π／２の相反位相差を与えるためには、相反移相器６が３λ／４の導波路長を有すのみで実現可能である。しかしながら、設計波長λから動作波長がずれた場合、非相反移相器５及び相反移相器６共に得られる位相差は設計波長の移相量π／２及び３π／２からずれを生じる。このずれは、上述した非相反移相器５及び相反移相器６による移相量により打ち消すことができるが、より効果的に打ち消すために相反移相器６を微調整する。これは、相反移相器６の導波路幅を変化させ、それに伴う導波路等価屈折率を変化させて位相差の偏差を小さくすることで実現する。
【００５０】
相反移相器６は、他方の導波路に対して導波路幅を変化させ、伝搬定数β１、光路長Ｌ１とする。この相反移相器６は、入力側の分岐結合器４によって分岐された導波路の一方に設置され、伝搬する順方向伝搬波及び逆方向伝搬波に対して双方に同じ位相差を発生させる。相反移相器６による相反移相効果は、下記（２）式によって決まり、その波長依存性は“２π／波長×導波路等価屈折率”の項に現れる。
【００５１】
２π／波長×導波路等価屈折率×光路長          ・・・（２）
【００５２】
即ち、一般的に同一の導波路で考えると、“２π／波長×導波路等価屈折率”の値は、短波長側で大きくなる。
【００５３】
空気（上クラッド層）／Ｃｅ：ＹＩＧ（導波層）／（（Ｃａ，Ｍｇ，Ｚｒ）−ｄｏｐｅｄ  Ｇｄ３Ｇａ５Ｏ１２）（ＮＯＧ）基板（下クラッド層）を一例として、導波路幅２．０μｍ、導波層厚０．４８μｍ、リブ高０．０６μｍにおける、動作波長による導波路等価屈折率の波長依存性を図１０に示す。このように、波長が長くなると導波路等価屈折率は減少する。即ち波長が短くなれば、“２π／波長”は増大し、積算される導波路等価屈折率も短波長側で大きいため、“２π／波長×導波路等価屈折率”の値も短波長側で大きくなる。
【００５４】
一方、非相反移相器５による非相反移相効果の波長依存性は、磁気光学材料（磁性ガーネット）の磁気光学係数の波長依存性によってほぼ決まり、短波長側で大きな非相反移相効果が得られる。磁気光学ガーネットＣｅ：ＹＩＧのファラデー回転数の波長依存性を示す特性例を図１１に、Ｃｅ：ＹＩＧの屈折率の波長依存性を示す特性例を図１２に示す。
【００５５】
ここで、非相反移相器５及び相反移相器６による逆方向伝搬波について考えると、非相反移相量と相反移相量とを近似させることで、設計波長λから動作波長がずれた場合でも位相差πとの偏差を小さくすることができる。そこで、相反移相器６の導波路幅を変化させることにより導波路等価屈折率を変化させ、下記（３）式とすることで逆方向伝搬波に対する波長依存性を相殺している。
【００５６】
２π／波長×導波路等価屈折率×光路差−非相反位相差
≒π                                  ・・・（３）
【００５７】
空気（上クラッド層）／Ｃｅ：ＹＩＧ（導波層）／ＮＯＧ基板（下クラッド層）を一例として、導波路幅を２．２μｍ、２．４μｍ、３．０μｍとした時の導波路等価屈折率と、導波路幅２．０μｍの導波路等価屈折率との偏差の波長依存性の特性例を図１３に示す。この導波路等価屈折率の波長依存性を利用して、導波路等価屈折率の項を調節し、非相反移相効果の波長依存性への近似を実現している。
【００５８】
導波路型広帯域光アイソレータの動作領域を更に広帯域化するためには、相反位相差を導波路の幅だけでなく長さも変化させることによって調節する。相反移相器６に相対する導波路に、導波路幅の変わらない光路長Ｌ２を有する調整部８を設ける。相反移相器６以外の導波路の伝搬係数をβ２とし、設計波長λにおいて、下記（４）式が成立する。
【００５９】
β１×Ｌ１−β２×Ｌ２＝３π／２        ・・・（４）
【００６０】
そして、波長が変化した場合の相反位相差β１×Ｌ１−β２×Ｌ２の３π／２からの偏差が、非相反位相差のπ／２からの偏差と等しくなるように、導波路の幅と長さを変化させて、相反移相器６の導波路変化に対する微調整を行う。
【００６１】
結果として、分岐結合器４間の相反移相器６を除いた部分の１本の光路長をＬ０とすると、相反移相器６側導波路の分岐結合器４間の光路長Ｌ０１は下記（５）式となる。
【００６２】
Ｌ０１＝伝搬定数β２の区間Ｌ０＋伝搬定数β１の区間Ｌ１（相反移相器６）
・・・（５）
【００６３】
また、他方側導波路の分岐結合器４間の光路長Ｌ０２は下記（６）式となる。
【００６４】
Ｌ０２＝伝搬定数β２の区間Ｌ０＋伝搬定数β２の区間Ｌ２（調整部８）
・・・（６）
【００６５】
なお、導波路幅を変化させる場合、急激に変化させるとその部分で伝搬光の反射や放射が生じ、伝搬損失に繋がってしまう。そこで、導波路が異なる区間の接続部分に、順方向伝搬波及び逆方向伝搬波の伝搬方向に対して徐々に導波路幅が変化するテーパ導波路７を挿入する。また、このテーパ導波路７によって相反移相器６側に意図しない位相差が生じてしまうため、もう一方の導波路にもテーパ導波路７を挿入する。これにより、テーパ導波路７を挿入することによる２本の導波路のアンバランスを補償している。
【００６６】
ここで具体的に、導波路の幅と長さを変化させたときに、相反位相差の波長依存性がどのように変化するかを計算した結果を説明する。ここで考える導波路型広帯域光アイソレータの導波路構造を図１４に示す。ここでは分岐部にテーパ状分岐結合器を用いる代わりに、多モード干渉結合器（ＭＭＩカプラ）９を用いる。多モード分岐結合器を用いると、波長依存性の小さい分岐特性が実現される。導波路１の幅Ｗ１と長さＬ１を変化させることによって、相反位相差を調節する。光アイソレータの導波路断面構造を図１５に示す。磁気光学材料Ｃｅ：ＹＩＧを導波層とし、上クラッド層としてＳｉＯ２を、Ｃｅ：ＹＩＧを結晶成長させるＮＯＧ基板を下クラッド層とする。相反位相差の計算には、Ｃｅ：ＹＩＧの屈折率の波長依存性（図１２）、ＳｉＯ２の屈折率の波長依存性（図１６）を用いる。相反位相差θＲおよび非相反位相差θＮの典型的な波長依存性は図１７に示される。図３および図８では、これら位相差の波長依存性は、簡単化のために直線で表していたが、実際の導波路では、図１７に示されるように波長依存性は曲線的な変化を示す。導波路１の幅Ｗ１を変化させると、相反位相差は図１８（ａ）のような波長依存性を示す。また、導波路１の長さＬ１を変化させると、相反位相差は図１８（ｂ）のような波長依存性を示す。このように相反位相差の導波路幅および長さに対する依存性を利用すると、逆方向伝搬光の位相差が理想値πに一致するように設計することができる。
【００６７】
このことを利用して、１．３１μｍ帯（１．２６〜１．３６μｍ）と１．５５μｍ帯（１．５３〜１．６２５μｍ）の２つの波長帯をカバーする全波長域にわたって、３０ｄＢ以上の逆方向損失を有する導波路型広帯域光アイソレータを製造することができる。これにより、長距離光ファイバ通信に用いられる１．３１μｍ帯と１．５５μｍ帯の２つの波長帯においても動作する。
【００６８】
以下に、本発明の導波路型広帯域光アイソレータを用いた実施例を説明する。
【実施例１】
【００６９】
図１９に示した磁気光学材料Ｃｅ：ＹＩＧ（ＣｅＹ２Ｆｅ５Ｏ１２）を導波層とした導波路型光アイソレータでの広帯域化を実施例１として説明する。
【００７０】
Ｃｅ：ＹＩＧは磁気光学材料であるため、Ｃｅ：ＹＩＧによるファラデー回転係数の波長依存性を考慮する必要がある。Ｃｅ：ＹＩＧによるファラデー回転係数の波長依存性については、図１１に示した値をとるＣｅ：ＹＩＧを利用した。また、Ｃｅ：ＹＩＧの屈折率の波長依存性については、図１２に示した値をとるＣｅ：ＹＩＧを利用した。これらを考慮して、Ｃｅ：ＹＩＧを導波層とした導波路型光アイソレータを考えた。
【００７１】
導波路の層構造は、空気（上クラッド）／Ｃｅ：ＹＩＧ（導波層）／ＮＯＧ（下クラッド）とした。また、逆方向伝搬波に対する波長依存性をできるだけ小さく抑えるように、図９の相反移相器６を、Ｌ１＝１０．０μｍ、Ｌ２＝１０．５９μｍ、Ｗ１＝２．４μｍ、Ｗ２＝２．０μｍ（Ｗ１は相反移相器６の導波路幅、Ｗ２は相反移相器以外の導波路幅）とした。また、Ｃｅ：ＹＩＧ導波層の厚さを０．４８μｍとした。
【００７２】
この設計により得られる導波路型光アイソレータの逆方向伝搬波に対する損失量（拡散量）の特性例を図２０に、順方向伝搬波に対する損失量（順方向損失量）の特性例を図２１にそれぞれ示す。
【００７３】
この導波路型広帯域光アイソレータでは、波長１．４０〜１．６３μｍにわたって３０ｄＢ以上の逆方向損失（拡散量）が得られる（従来の光アイソレータでは、波長１．５４〜１．５６μｍで逆方向損失３０ｄＢ以上）。逆に、順方向伝搬波に対する波長依存性は従来型の方が小さく、この導波路型広帯域光アイソレータでは、逆方向損失（拡散量）３０ｄＢ以上の帯域内で挿入損失量が最も大きい帯域端（波長１．４０μｍ）で１．３ｄＢ程度に増加する（従来型では同じ波長で０．１ｄＢ）。しかし、逆方向損失−順方向損失で定義されるアイソレーション比の波長依存性は、逆方向損失の波長依存性でほぼ決まり、大幅な広帯域化が実現される。なお、順方向伝搬波の損失量は、光増幅器等で補うことができるため、大きな問題とはならない。
【実施例２】
【００７４】
図２２に示したＳｉを導波層とした導波路型光アイソレータでの広帯域化を実施例２として説明する。
【００７５】
この導波路型光アイソレータの層構造は、Ｃｅ：ＹＩＧ（上クラッド）／Ｓｉ（導波層）／ＳｉＯ２（下クラッド層）である。上クラッドＣｅ：ＹＩＧのファラデー回転係数の波長依存性は、図１１を用いて上述した値をとるＣｅ：ＹＩＧを利用し、導波層Ｓｉの屈折率の波長依存性については図２３に示した値をとるＳｉを利用し、基板ＳｉＯ２の屈折率の波長依存性については図１６に示した値をとるＳｉＯ２を利用した。この導波路型光アイソレータは、ＳＯＩウエーハ（Ｓｉ／ＳｉＯ２／Ｓｉ）で形成される超小型アイソレータの一例であり、シリコンフォトニクス光回路用の光アイソレータとして用いられる。なお、図２２では、分岐結合器４に多モード干渉結合器（ＭＭＩカプラ）を用いているが、本発明の位相差波長依存性平坦化によるアイソレータの広帯域化には影響しない。この構造を有する導波路型光アイソレータについて考えた。
【００７６】
逆方向伝搬波の波長依存性をできるだけ小さく抑えるように図９の相反移相器６をＬ１＝３．３０μｍ、Ｌ２＝４．０８４μｍ、Ｗ１＝０．８μｍ、Ｗ２＝０．６μｍ（Ｗ１は相反移相器６の導波路幅、Ｗ２は相反移相器以外の導波路幅）とした。また、Ｓｉ導波層の厚さは０．２μｍとした。
【００７７】
この設計により得られる導波路型光アイソレータの逆方向伝搬波に対する損失量（拡散量）の特性例を図２４に、順方向伝搬波に対する損失量（順方向損失量）の特性例を２５図にそれぞれ示す。
【００７８】
この導波路型広帯域光アイソレータでは、波長１．４８５〜１．６３μｍにわたって３０ｄＢ以上の逆方向損失（拡散量）が得られる（従来の光アイソレータでは、波長１．５４〜１．５６μｍで逆方向損失３０ｄＢ以上）。逆に、順方向伝搬波に対する波長依存性は従来型の方が小さく、この導波路型広帯域光アイソレータでは、逆方向損失（拡散量）３０ｄＢ以上の帯域内で挿入損失量が最も大きい帯域端（波長１．４８５μｍ）で０．５ｄＢ程度に増加する（従来型では同じ波長で０．０５ｄＢ）。しかし、逆方向損失−順方向損失で定義されるアイソレーション比の波長依存性は、逆方向損失の波長依存性でほぼ決まり、大幅な広帯域化が実現される。なお、順方向伝搬波の挿入損失量は、光増幅器等で補うことができるため、大きな問題とはならない。また、ＧａＩｎＡｓＰを導波層とした導波路型光アイソレータはこのＳｉ導波層を利用した導波路型光アイソレータの変形であり、同様の効果があると考えられる
【実施例３】
【００７９】
中心波長１．５５μｍの導波路型広帯域光アイソレータの特性を示す。導波路の構造は、図１４で、Ｌ１＝９００μｍ、Ｌ２＝８９９．５５μｍ、Ｗ１＝２．４μｍ，Ｗ２＝２．０μｍ、Ｌｔ＝１０μｍとしたものである。この設計で得られる導波路型光アイソレータに入射した光波の損失の波長依存性を図２６に示す。逆方向伝搬波に対する損失量が実線、順方向伝搬波に対する損失量が破線で示される。波長１．４μｍ〜１．６５μｍにわたって、逆方向損失は一般に要求される値３０ｄＢを大きく上回っている。入射光の波長の１．５５μｍからのずれが大きくなるに従って順方向損失が大きくなるが、逆方向損失量−順方向損失量で定義されるアイソレーション比の波長依存性は、逆方向損失の波長依存性でほぼ決まり、大幅な広帯域化が実現される。なお、順方向伝搬波の挿入損失量は、光増幅器等で補うことができるため、大きな問題とはならない。
【実施例４】
【００８０】
中心波長１．４３μｍの光アイソレータの特性を示す。導波路の構造は、図１４でＬ１＝９３０μｍ、Ｌ２＝９２９．７２μｍ、Ｗ１＝３．０μｍ、Ｗ２＝２．０μｍ、Ｌｔ＝１０μｍとしたものである。この設計で得られる導波路型光アイソレータに入射した光波の損失の波長依存性を図２７に示す。逆方向伝搬波に対する損失量が実線、順方向伝搬波に対する損失量が破線で示される。逆方向損失が一般に要求される値３０ｄＢを上回っている範囲は、１．３１μｍ帯（１．２６〜１．３６μｍ）と１．５５μｍ帯（１．５３〜１．６２５μｍ）の２つの波長帯にわたっている。入射光の波長の１．４３μｍからのずれが大きくなるに従って順方向損失が大きくなるが、逆方向損失量−順方向損失量で定義されるアイソレーション比の波長依存性は、逆方向損失の波長依存性でほぼ決まり、大幅な広帯域化が実現される。なお、順方向伝搬波の挿入損失量は、光増幅器等で補うことができるため、大きな問題とはならない。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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