(57)【要約】基板と、該基板に格子整合する導波層と、非相反移相器とを備え、導波層には、導波層を導波する導波路及び曲げ導波路が形成され、また分岐結合器が配設されて構成された光アイソレータであって、導波層の半導体組成を変化させて屈折率を３．３６より大きくする。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、該基板に格子整合する導波層と、非相反移相器とを備え、前記導波層には、該導波層を導波する導波路及び曲げ導波路が形成され、また分岐結合器が配設されて構成された光アイソレータであって、
前記導波層は、半導体組成を変化させて屈折率を３．３６より大きくしたことを特徴とする光アイソレータ。
【請求項２】
前記導波層は、該導波層の屈折率に対して最大の非相反移相量を発生させる厚さを有することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の光アイソレータ。
【請求項３】
前記非相反移相器の長さを６．１４ｍｍ未満にしたことを特徴とする請求の範囲第１項又は第２項に記載の光アイソレータ。
【請求項４】
前記曲げ導波路は、曲率半径が１．００ｍｍ未満であることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第３項のいずれかに記載の光アイソレータ。
【請求項５】
前記分岐結合器は、多モード干渉型分岐結合器であることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第４項のいずれかに記載の光アイソレータ。
【請求項６】
前記光アイソレータは、デバイス長が１０．０８ｍｍ未満であることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第５項のいずれかに記載の光アイソレータ。
【請求項７】
前記導波層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第６項のいずれかに記載の光アイソレータ。
【請求項８】
前記基板はＩｎＰであり、前記導波層はＧａｘＩｎ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１）であることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第７項のいずれかに記載の光アイソレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は小型化構造の光アイソレータに関し、特に基板と格子整合を有する導波層の半導体組成を変化させて屈折率を大きくすると共に、曲げ導波路の許容曲率半径を小さくし、多モード干渉型分岐結合器を利用してデバイス長を短縮した小型化構造の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出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出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。すなわち、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。
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、意図せず逆向きに光が入射することによって、素子の動作特性が劣化する。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。
光アイソレータの動作原理を第１図に示す。光アイソレータは、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、前進波に対しては２本の光導波路を伝搬する光波が同位相となるように、逆方向に伝搬する後退波に対しては逆位相となるように設定される（第１図（ａ））。
二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られた分岐結合器において中央の出力端から出力される（第１図（ｂ））。
一方、逆位相になる場合は、構造の対称性から入力側に設けられた分岐結合器において反対称の分布が形成されるため、結合器の中央出力端からは出力されずに、中央の出力端の両脇に設けられた不要光出力端から出力される（第１図（ｃ））。
すなわち、図中左側の分岐結合器の中央入力端から入射した光波は図中右側の分岐結合器の中央出力端から出力され、逆に図中右側の分岐結合器の中央出力端から入射した光波は、図中左側の分岐結合器の中央入力端に入ることがなく、図中右側の分岐結合器の中央出力端から入射された逆方向伝搬光をアイソレートすることができる。
光アイソレータのこのような光の分岐結合特性の動作を実現するためには、一定量の非相反移相効果が必要である。非相反移相効果は、磁気光学材料（磁気光学効果を有する材料）を平面状の導波路中に配置し、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することによって発生させることができる。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位相変化が決まり、磁化方向を保ったまま伝搬方向を反転させると位相変化が異なる。
第１図に示す光アイソレータでは、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（前進波と後退波の位相変化の差）に一致する。また、前進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、後退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。
ここで、干渉計を構成する２本の導波路には、１／４波長に相当する光路長差が設けられている。これは、方向によらず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を与えることを目的とする。すなわち、前進波に対しては、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（以下、「非相反移相位相差」という。）−π／２を生じるようにすれば、前進波に対して２本の導波路を伝搬する光波は同位相となる。このとき、伝搬方向を反転すると、非相反移相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移相位相差＋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、逆位相状態で分岐結合器に入力することになる。以上のことから、第１図の干渉型光アイソレータにおいて、π／２の非相反移相位相差が必要であると結論することができる。
従来より、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、第２図に斜視図で示す干渉型光アイソレータ１０１が考案されていた。
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を配設し、この導波層１０３上に導波路１０４と、分岐結合器１０５とを配設し、さらに導波層１０３上に、非相反移相器１０６を設けて成るものである。なお、非相反移相器１０６は、磁気光学材料からなるクラッド層１０７と、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１０８とを具備しており、クラッド層１０７上に磁界印加手段１０８を配設して形成されている。
この光アイソレータ１０１のデバイス寸法例を第３図に概略上面図で示す。
この光アイソレータ１０１は、基板１０２としてＩｎＰが用いられ、導波層１０３として、屈折率３．３６のＧａＩｎＡｓＰ（バンドギャップ波長λｇ＝１．２５μｍ、ＩｎＰ基板１０２に格子整合）が用いられ、クラッド層１０７として、Ｃｅ：ＹＩＧ（半導体レーザの動作波長λ＝１．５５μｍにおけるファラデー回転係数＝−４５００ｄｅｇ／ｃｍ）が用いられて構成されていた。
また、非相反移相位相差は、伝搬距離に比例する。したがって、単位伝搬長当りの非相反移相効果が大きい方が、π／２の位相差を発生させるのに必要な伝搬距離を短くすることができる。この光アイソレータ１０１の導波路１０４の構造では、単位伝搬長当りの非相反移相量は０．２５６ｍｍ−１であり、π／２の非相反位相差を得るのに必要な伝搬距離は６．１４ｍｍであった。
また、分岐結合器１０５としてテーパ状分岐結合器が用いられており、上述したような光アイソレータ１０１の動作に必要な完全な分岐結合特性を得るために、第４図に分岐結合器１０５の概略構成図で示すように、結合部分の導波路（以下、「結合導波路」と言う。）の長さが０．４１ｍｍ必要であった。
さらに、結合導波路の前後にＳ字形の曲げ導波路部分を設ける必要があり、屈折率が３．３６であるＧａＩｎＡｓＰの導波層１０３でリブ形導波路を形成した場合には、第３図に示すように、曲げ導波路部分の長さが０．７８ｍｍ必要であった。
すなわち、この従来の光アイソレータ１０１では、導波路１０４の曲がり部分の長さが０．７８×４＝３．１２ｍｍ、テーパ状分岐結合器１０５の長さが０．４１×２＝０．８２ｍｍ、非相反移相器１０６の長さが６．１４ｍｍ必要であり、結果として光アイソレータ１０１の縦方向のデバイス長は１０．０８ｍｍ必要であった。
なお、この従来の光アイソレータ１０１の幅方向のデバイス長は、Ｓ字状の曲げ導波路の許容曲率半径と横方向のシフト量によって決まる。横方向のシフト量は、１つのＳ字状の曲げ導波路で０．１５ｍｍ必要であるという条件で設計している。すなわち、非相反移相器１０６の直下に相当する導波路１０４の部分に反平行な磁界を印加する必要があることから、２本の導波路間隔を０．３ｍｍとする必要がある。また、この場合、Ｓ字状の曲げ導波路の曲率半径（Ｒ）は１．０ｍｍが必要となる。
しかしながら、上述したような構造を有する従来の光アイソレータでは、光が伝搬する方向に直交する方向（幅方向）の長さは、導波路の幅（数μｍ）の数倍〜数十倍程度（数μｍ〜１００μｍ程度）であり、小型化の上で大きな問題にはならないが、素子長（光が伝搬する方向に沿った素子の長さ）がミリメートルオーダーとなり、光集積回路の小型化に対して大きな問題となっていた。
【発明の開示】
【０００３】
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、導波層の屈折率を上げると共に、各屈折率で最大の非相反移相量が得られる導波層の厚さを設定し、動作波長とバンドギャップ波長との差を確保してデバイス長を短縮した光アイソレータを提供することにある。
本発明は光アイソレータに関し、本発明の上記目的は、基板と、該基板に格子整合する導波層と、非相反移相器とを備え、前記導波層には、該導波層を導波する導波路及び曲げ導波路が形成され、また分岐結合器が配設されて構成された光アイソレータであって、前記導波層は、半導体組成を変化させて屈折率を３．３６より大きくしたことによって達成される。
また、本発明の上記目的は、前記導波層は、該導波層の屈折率に対して最大の非相反移相量を発生させる厚さを有する光アイソレータを提供することによって、効果的に達成される。
また、本発明の上記目的は、前記非相反移相器の長さを６．１４ｍｍ未満にした光アイソレータを提供することによって、より効果的に達成される。
また、本発明の上記目的は、前記曲げ導波路は、曲率半径が１．００ｍｍ未満である光アイソレータを提供することによって、より効果的に達成される。
また、本発明の上記目的は、前記分岐結合器は、多モード干渉型分岐結合器である光アイソレータを提供することによって、より効果的に達成される。
また、本発明の上記目的は、前記光アイソレータは、デバイス長が１０．０８ｍｍ未満である光アイソレータを提供することによって、より効果的に達成される。
また、本発明の上記目的は、前記導波層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体である光アイソレータを提供することによって、より効果的に達成できる。
さらにまた、本発明の上記目的は、前記基板はＩｎＰであり、前記導波層はＧａｘＩｎ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ（０＜ｘ＜１．０＜ｙ＜１）である光アイソレータを提供することによって、より効果的に達成される。
発明の効果
本発明の光アイソレータによれば、従来の導波層に比べて屈折率を大きくすることができるので、単位伝搬長当りの非相反移相効果を大きくすることができ、非相反移相量を増大させることができる。従って、光アイソレータのデバイス長を短縮することができ、小型化することができる。
また、導波層の屈折率を大きくすることで、横方向への光閉じ込め効果を高めることができるので、Ｓ字状の曲げ導波路の曲率半径を小さくすることができる。従って、光アイソレータのデバイス長をより短縮化することができ、小型化することができる。
さらに、分岐結合器として、テーパ状分岐結合器ではなく、多モード干渉型分岐結合器を用いることにより、光アイソレータをより小型化することができる。
すなわち、非相反移相器の長さを６．１４ｍｍ未満に、Ｓ字導波路の曲率半径を１．００ｍｍ未満にすることでＳ字導波路の縦方向への長さを０．７８ｍｍ未満に、結合器の長さを０．４１ｍｍ未満にすることができ、これにより光アイソレータのデバイス長を１０．０８ｍｍ未満にすることができる。
なお、導波層の半導体組成を変化させることで屈折率を大きくすることができ、これにより、導波層の厚さが薄くなることから、光アイソレータの高さ方向の小型化も導波層の厚さに応じて可能となっている。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
第１図は、干渉型光アイソレータの動作原理の概略説明図である。
第２図は、従来の干渉型光アイソレータの一例を示す斜視図である。
第３図は、従来の光アイソレータの構造の一例を示す平面図である。
第４図は、従来のテーパ状分岐結合器の概略構成図である。
第５図は、本発明に係る光アイソレータの構造の一例を示す平面図である。
第６図は、第５図のＡ―Ａ′断面図である。
第７図は、化合物半導体材料とそのバンドギャップ波長との関係を示した図である。
第８図は、バンドギャップ波長と導波層の屈折率との関係を示した図である。
第９図は、本発明に係る光アイソレータの導波層の厚さと非相反移相量との関係を示す図である。
第１０図は、本発明に係る光アイソレータの導波層の屈折率と、最大の非相反移相量が得られる導波層の厚さとの関係を示す図である。
第１１図は、本発明に係る光アイソレータの導波層の屈折率と、クラッド層への光パワーの漏洩割合との関係を示す図である。
第１２図は、本発明に係る光アイソレータの導波層の屈折率と非相反移相器の長さとの関係を示す図である。
第１３図は、第３図のＢ−Ｂ´断面図である。
第１４図は、第１３図に示す曲げ導波路において、曲率半径と曲がり損失量との関係を示す図である。
第１５図は、第５図のＣ−Ｃ´断面図である。
第１６図は、第１５図に示す曲げ導波路において、曲率半径と曲がり損失量との関係を示す図である。
第１７図は、ＭＭＩカップラの階段屈折率導波路の二次元例を示す図である。
第１８図は、ＭＭＩカップラの階段屈折率導波路内のモードの一例を示す図である。
第１９図は、ＭＭＩカップラの多モード導波路のモード断面図の一例である。
第２０図は、多モード干渉型分岐結合器の概略構成図である。
第２１図は、本発明の光アイソレータの他の一例を示す斜視図である。
第２２図は、第２１図のＤ―Ｄ′断面図である。
第２３図は、本発明の他の実施形態である光アイソレータの導波層の厚さと非相反移相量との関係を示す図である。
第２４図は、本発明の他の実施形態である光アイソレータの導波層の屈折率と非相反移相器の長さとの関係を示す図である。
第２５図は、動作波長λ＝１．３１μｍである光アイソレータの導波層の厚さと非相反移相量との関係を示す図である。
第２６図は、動作波長λ＝１．３１μｍである光アイソレータの導波層の屈折率と非相反移相器の長さとの関係を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
以下に、本発明に係る光アイソレータについて、図面を参照しながら詳細に説明する。
［光アイソレータ］
第５図は、本発明に係る光アイソレータ１の一例を示す平面図であり、第３図の従来の光アイソレータ１０１と対応させた図面である。また、第６図は、第５図のＡ―Ａ′断面図であり、光アイソレータ１の概略断面図である。
光アイソレータ１は、図示するように、基板２と、導波層３と、非相反移相器４とを備え、また、導波層３には、該導波層３を導波する導波路５及び曲げ導波路６を形成し、また分岐結合器７が配設されている。すなわち、光アイソレータ１は、基板２上に、半導体材料を用い、基板２に格子整合するように形成され、また、導波路５及び曲げ導波路６が形成され、分岐結合器７が配設された導波層３を配設し、さらに、導波層３上に非相反移相器４を配設して構成されている。この非相反移相器４は、磁気光学材料からなるクラッド層８と、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９とを具備し、クラッド層８上に磁界印加手段９が配設されて構成されている。
また、光アイソレータ１には、図示するように分岐結合器７として多モード干渉型分岐結合器が用いられている。多モード干渉型分岐結合器は、図示するように、レーザ光の入力側に配置される入力部ＭＭＩカップラ７１と、出力側に配置される出力部ＭＭＩカップラ７２とを備えている。
図示するように、曲げ導波路６の長さは０．５５ｍｍであり、入力部ＭＭＩカップラ７１の長さは０．２５ｍｍ、出力部ＭＭＩカップラ７２の長さは０．０５ｍｍである。また、非相反移相器４の長さは３．７３ｍｍである（従来は６．１４ｍｍであった）。
光アイソレータ１は、このように構成されているので、従来１０．０８ｍｍであったデバイス長を、５．６８ｍｍと短縮することができる。
なお、上述した光アイソレータ１の各構成要素の長さは最適な実施例の一例であり、後述する導波層３の厚さ及び屈折率、半導体レーザの動作波長λ等の変化により、これらの各構成要素の長さも変化する。しかしながら、デバイス長が１０．０８ｍｍ未満の光アイソレータ１を得ることができれば本発明の目的は達成される。
また、光アイソレータ１には、第５図及び第６図に示すように、非相反移相器４の下に２本の導波路５，５が配設されている。この２本の導波路５，５間の距離（非相反移相器４の直下に対応する部分の導波路５，５間の距離）を０．３ｍｍとしている。
次に、光アイソレータ１を構成する各構成要素について詳述する。
［基板２］
光アイソレータ１は、基板２として化合物半導体基板を用いる。なお、本実施形態は、後述するように、半導体レーザの動作波長λ＝１．５５μｍであるので、ＩｎＰ基板を用いるが、レーザの動作波長の波長帯に応じた化合物半導体基板を用いれば良い。
［導波層３］
導波層３は、化合物半導体材料を用いて、半導体レーザの活性層と同一工程で形成される。また、このような構造であると、光アイソレータ１の導波層３と半導体レーザの活性層とを同種の材料によって同時に結晶成長させることができ、厚さ方向の光軸合わせは自動的に達成される。
なお、光アイソレータ１に用いられる導波層３としては、半導体組成を変化させて屈折率を３．３６よりも大きくしたものを用いる。
すなわち、導波層３として、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体で構成されたものを用いる。このような導波層３としては、第７図に化合物半導体材料とそのバンドギャップ波長との関係の図で示すように、例えばＧａｘＩｎ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ，ＡｌｘＩｎ１−ｘＧａｙＡｓ１−ｙ（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１）などを用いることができる。なお、以下では、導波層３としてＧａｘＩｎ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙが用いられた場合について説明するが、他のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体で構成された導波層についても、同様である。
ＧａＩｎＡｓＰを利用した導波層３は、ＧａＩｎＡｓＰの結晶性を良くするため、ＩｎＰ基板２と格子定数の一致する格子整合を有している。この格子整合を崩さずに、ＧａｘＩｎ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙのｘ値、ｙ値を変化させて半導体組成を変化させることで、導波層３の屈折率を変化させ、屈折率が３．３６より大きくなるように調整する。
通常、導波層３の屈折率が高くなると、価電子帯に存在する電子を伝導体に励起するバンドギャップエネルギーが低下する。すなわち、
バンドギャップエネルギー＝［１．２４ｅｖ／バンドギャップ波長（μｍ）］
のバンドギャップ波長が長くなる。なお、第８図に、バンドギャップ波長と導波層の屈折率との関係を示す。ただし、半導体レーザ波長λ＝１．５５μｍとし、導波層３としてＧａＩｎＡｓＰを用い、また導波層３であるＧａＩｎＡｓＰは、基板２であるＩｎＰに格子整合している。
バンドギャップ波長が長くなり、動作波長に近づくと、動作波長におけるＧａｘＩｎ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙによる光吸収の影響によるレーザ光のエネルギー減少を考慮する必要がある。このため、動作波長とバンドギャップ波長との差が一定以上（レーザ光のエネルギー減少後のエネルギー収率が問題とならない程度）になるようにＧａｘＩｎ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙの半導体組成を選び、屈折率を決定する必要がある。
しかし、動作波長（本実施例では１．５５μｍ）とバンドギャップ波長との差が一定以上あっても、実際には、動作波長より長いバンドギャップ波長を有するＧａＩｎＡｓＰを導波層に用いることはできない。なぜならば、動作波長より長いバンドギャップ波長を有するＧａＩｎＡｓＰは、動作波長の光を高効率に吸収してしまうため光アイソレータの導波層としては不適当であるからである。従って、動作波長より短いバンドギャップ波長を有するＧａＩｎＡｓＰが導波層３に用いられる。
さらに、ＧａＩｎＡｓＰのバンドギャップ波長が動作波長より僅かに短いだけでは、導波路５における光の吸収が十分には小さくならず、光アイソレータ１の順方向損失を十分に低減することができない。このため、実際には動作波長に比べてかなり短いバンドギャップ波長を有するＧａＩｎＡｓＰが導波層に用いられる。
ここで、動作波長において、導波路５における光の吸収が十分小さくなるようにバンドギャップ波長を選ぶために、バンドギャップ波長をどのくらい動作波長から短くすればよいかという点については明確な定めがない。経験的に、バンドギャップ波長が動作波長に比べて０．１μｍ短いＧａＩｎＡｓＰであれば、導波路５における光の吸収は十分に小さいといえる。
なお、本実施例では、光アイソレータ１の動作波長λが１．５２μｍ以上であることを想定して、バンドギャップ波長λｇ＝１．４２μｍのＧａＩｎＡｓＰを導波層として用いた場合を示している。
また、導波層３の厚さは、半導体レーザの動作波長に対して、最大の非相反移相量を発生させる厚さである。
第９図は、導波層３の厚さと非相反移相量との関係を示す図である。すなわち、導波層３の屈折率を一定にし、導波層３の厚さを変化させて、非相反移相量の大きさを計算した結果の一例を示すグラフである。なお、第９図は、半導体レーザの動作波長λ＝１．５５μｍ、基板２としてＩｎＰ、導波層３として屈折率３．３６及び３．４５のＧａＩｎＡｓＰ、クラッド層８として、非相反移相変化を提供する磁気光学物質（Ｃｅ：ＹＩＧ）を用いた。
第９図より、導波層３の屈折率が一定である場合、非相反移相量は導波層３の厚さに対応して変化することが分かる。なお、第９図では、最大の非相反移相量が得られる導波層３の厚さは、導波層３の屈折率が３．３６の場合は０．４４μｍであり、導波層の屈折率が３．４５の場合は０．３６μｍである。
第１０図は、導波層３の屈折率と、最大の非相反移相量が得られる導波層３の厚さとの関係を示すグラフである。第１０図に示すように、この最大の非相反移相量が得られる導波層３の厚さは導波層３の屈折率が変化することに伴って変化する。なお、第１０図は、半導体レーザ波長λ＝１．５５μｍ、導波層３としてＧａＩｎＡｓＰ導波層を用いている。
［非相反移相器４］
非相反移相器４は、上述したように、この非相反移相器４は、磁気光学材料からなるクラッド層８と、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９とを具備し、クラッド層８上に磁界印加手段９が配設されて構成されている。
クラッド層は、適当な基板上に結晶成長されたものが用いられるが（この基板は、クラッド層８と磁界印加手段９との間に位置する）、図ではこの基板は省略している。
また、図示するように、本実施例では、磁界印加手段９として、同極性が対向するように配置された一対の小型永久磁石を用いている。しかしながら、クラッド層８に用いる磁気光学材料の磁化を所定の方向に揃えるために、小型永久磁石と同様の機能を有するものであれば、種々のものを用いることができる。さらにまた、磁界印加手段９を設けずに、クラッド層８に用いる磁気光学材料自体を予め磁化させておくようにしてもよい。
このような非相反移相器４を小型化するためには、短経路で非相反移相量を増大させる必要がある。
また、大きな非相反移相量を得るためには、非相反移相器４におけるクラッド層８への光パワーの漏洩を大きくする必要がある。
（１）導波層３の厚さを一定に保ったまま、導波層３の屈折率を高くすると導波層３への光閉じ込め効果がよくなるため、磁気光学材料であるクラッド層８への光パワーの漏洩が小さくなる。
（２）一方で、導波層３の屈折率を高くすると、一定値以下の導波層３の厚さにおいて導波路５中を光が伝搬できなくなる膜厚（カットオフ膜厚）が薄くなる。すなわち、導波層３の屈折率を高くすると、非相反移相器４における導波層３の厚さを薄くすることができるため、クラッド層８への光パワーの漏洩が大きくなる。
（２）項の事項は（１）項の事項と逆向きに働く効果であり、（２）項と（１）項のどちらの効果が勝るかによって、磁気光学材料への光パワーの漏洩が大きくなるか、小さくなるかに分かれる。
第１１図は、導波層３の屈折率と、クラッド層８への光パワーの漏洩割合との関係を示すグラフである。なお、第１１図は、動作波長λ＝１．５５μｍ、導波層３としてＧａＩｎＡｓＰ導波層で、その厚さは各屈折率で最大の非相反移相量が得られる厚さの導波層を用い、またクラッド層８としてＣｅ：ＹＩＧを用いた。
第１１図から、導波層３の屈折率が高くなると、クラッド層８への光パワーの漏洩が大きくなることが分かる。すなわち、屈折率が３．３６の従来の導波層と、屈折率が３．４５の本発明の導波層３の光パワーの漏洩割合を比較すると、光パワーの漏洩割合が約１．０％上昇していることが分かる。従って、第１１図においては、（１）項の効果に対して、（２）項の効果の方が勝っているということが分かる。
また、第１２図は、導波層３の屈折率と、非相反移相器４の長さとの関係を示す図である。なお、第１２図は、動作波長λ＝１．５５μｍ、導波層としてＧａＩｎＡｓＰ導波層で、その厚さは各屈折率で最大の非相反移相量が得られる厚さの導波層を用いる。
図１１から、非相反移相器４において、クラッド層８への光パワーの漏洩を大きくすると、非相反移相器４の長さは従来の６．１４ｍｍから、最大、バンドギャップ波長と動作波長との差が一定以上である導波層３の屈折率で得られる長さまで短くすることができることが分かる。
［曲げ導波路６］
曲げ導波路６を小型化し、光アイソレータ１を小型化するためには、導波層３に形成された曲げ導波路６の曲げ部分の曲率半径を小さくする必要がある。しかしながら、曲げ導波路６の曲率半径が小さくなると、光が導波路５，６の外部に放射されることによる光の損失（曲がりによる光の損失。以下、これを「曲がり損失」と言う。）が大きくなる。
この曲がり損失を最大限防ぐために、導波路５のコア部分（導波層３内で横方向に光波が集中する部分）への光閉じ込め効果を高める必要がある。なお、光アイソレータ１には、曲げ導波路６としてＳ字導波路が用いられている。
ここで、従来の光アイソレータ１０１と本発明の光アイソレータ１とで、曲げ導波路６における、曲率半径を変化させた場合の曲がり損失を比較する。
第１３図は、従来の光アイソレータ１０１を示した第３図のＢ−Ｂ′断面図であり、第１４図は、第１３図に示す曲げ導波路（導波層の屈折率３．３６、動作波長１．５５μｍ）において、曲率半径と、曲がり損失量との関係を示す図である。
第１５図は、本発明の光アイソレータを示した第５図のＣ−Ｃ′断面図であり、第１６図は、第１５図に示す曲げ導波路６（導波層３の屈折率３．４５、動作波長１．５５μｍ）において、曲率半径を変化させた場合の曲がり損失の変化を示す図である。
しかしながら、曲げ導波路６を通過する光は曲がり損失のみならず、導波路５の側壁の凹凸による散乱損失もあるため、純粋な曲がり損失を求めることは実測としては難しい。このため、シミュレーションにおける曲がり損失の理論値と、実測値とでは大きな差が出てしまう。そこで、より現実に近づけるため、第１４図及び第１６図でプロットされている曲がり損失測定値は、散乱損失も含めた実測値であり、さらに数回の実測値の平均値である。また、第１４図及び第１６図に示した曲がり損失測定値は、曲げ導波路６の１区間における損失値である。
第１４図に示す従来の光アイソレータの曲げ導波路は、曲率半径Ｒ＝１．０ｍｍ（１０００μｍ）の時に、曲がり損失が約１ｄＢとなる。しかしながら、第１４図に示すように、従来の光アイソレータにおいて、曲げ導波路の曲率半径Ｒを１．０ｍｍよりもさらに小さくすると、曲がり損失が急激に増えてしまう。このように曲がり損失が急激に増えてしまうのは、導波路外部に光を一気に放射してしまうためである。従って、従来の光アイソレータの曲げ導波路は、曲率半径Ｒを１．０ｍｍより小さくすることができなかった。
これに対し、第１５図に示す本発明の光アイソレータ１の曲げ導波路６は、第１６図に示すように、曲率半径Ｒを１．０ｍｍよりも小さくしても、曲がり損失は緩やかには増加するが、急激に増加することはない。
すなわち、本発明の光アイソレータ１の曲げ導波路６は、導波路５のコア部分に対して光閉じ込め効果が得られており、これにより曲がり損失を効果的に抑えられている。従って、曲げ導波路６の曲率半径Ｒを１．０ｍｍより小さくすることができるため、曲げ導波路６のデバイス長を短くすることができ、これにより光アイソレータ１のデバイス長を短くすることができ小型化することができる。
［分岐結合器７］
本発明の光アイソレータ１には、上述したように、分岐結合器７として、入力部ＭＭＩカップラ７１及び出力部ＭＭＩカップラ７２を備える多モード干渉型分岐結合器が用いられる。これにより、光波が分岐・結合される部分である結合導波路の長さを短くすることができるので、光アイソレータ１をより小型化することができる。
すなわち、多モード干渉型分岐結合器の場合、入力部ＭＭＩカップラ７１では、３本の入力導波路と、２本の出力導波路が設けられ、出力部ＭＭＩカップラ７２では、２本の入力導波路と、１本の出力導波路が設けられている。
このように入力部と出力部とで構造が異なるのは、多モード干渉型分岐結合器の場合、入力部ＭＭＩカップラ７１では、逆位相で入射する光波を外部に効率よく放射させる必要があるため、３本の入力導波路と、２本の出力導波路を設ける必要があるが、一方、出力部ＭＭＩカップラ７２では干渉計を構成する２本の導波路（入力導波路）を伝搬する光波は同位相で出力部ＭＭＩカップラ７２に入射するため、出力導波路は１つだけ設ければよいからである。
これに対し、第４図に示す従来のテーパ状分岐結合器１０５では、入力側では３本の入力導波路と、２本の出力導波路とが設けられ、出力側では２本の入力導波路と、３本の出力導波路とが設けられており、入力側と出力側とで構成が異なることはない。
従って、多モード干渉型分岐結合器は、テーパ状分岐結合器よりも小型であるため、分岐結合器７として多モード干渉型分岐結合器を用いると、光アイソレータ１の小型化を図ることができる。
また、ＭＭＩカップラ７１及び７２は、多数の導波モードを許容する多モード導波路構造となっている。従って、通常は光を入射するため、また多モード導波路から光を取り出すために導波路（一般的には単一モード導波路）が始端及び終端に配置される。
多モード導波路は階段屈折率導波路であるので、断面横方向のモード次数が断面縦方向のモード次数に比べてはるかに大きい。このため、断面縦方向は全てのモードで等しく、横方向のみ多数のモードが存在しているとみなすことができ、モードが導波路中で水平方向に振舞うと仮定できる。従って、以下では、断面横方向とモードの進行方向の二次元的な構造で一般性を持たせ、二次元多モード導波路として説明する。
すなわち、ＭＭＩカップラ７１及び７２はスラブ導波路構造を有し、第１７図のような二次元図を有する。なお、図中のＷＭは階段屈折率導波路幅、ｎｒはリッジ部分等価屈折率、ｎｃはクラッド部分等価屈折率を示す。入力された光波は、第１８図に示すような階段屈折率導波路内のモードを示す。この導波路はＭ次の横方向モードを許容し、モード番号は、ν＝０，１，・・・（Ｍ−１）となる。Ｗｅは有効幅を示す。このように幅の広い領域（多モード導波路）に多くの伝搬速度の異なるモードを励振させる。各モードにより伝搬速度が異なるので、伝搬するにつれてさまざまな干渉の様子を示し、この干渉の結果を使って伝搬方向と直交する横方向に適切な光強度分布を形成し、光を分岐させる。逆に伝搬させることにより合波させて結合させることができる。
第１９図に多モード導波路の横方向モード断面図を示す。ここで、Ｌπは基本モードと１次モードの振動長の差を表す。このように、ｚ＝０を始点にＷｅを完全に含む入射面は、全モード分布に分解することが可能である。
すなわち、テーパ状分岐結合器が導波路を近接させて光を他の導波路へ徐々に分岐又は他の導波路から徐々に結合する。これに対し、多モード干渉型分岐結合器は、上述したように、モードを励振させることにより適切な光強度分布を形成し、光を分岐、又は光を伝搬させて結合させるので、分岐結合器７を小型化し、この結果、光アイソレータ１を小型化することが可能となっている。
次に、光アイソレータ１を構成する各部の小型化構造について従来寸法と対比しながら実施例を示す。
［導波層３］
導波層３として、ＧａＩｎＡｓＰを用い、基板２（ＩｎＰ）に対して格子整合を維持しつつ、導波層３の厚さを動作波長に対して定量化し、半導体組成を変化させることで、導波層３の屈折率を増大させる。
［非相反移相器４］
上述の導波層３の屈折率に対して、最大の非相反移相量を発生させる導波層３の厚さを取った時の非相反移相器４の長さについて、第１２図を用いて説明する。
従来の非相反移相器４の場合、動作波長λ＝１．５５μｍに対してバンドギャップ波長λｇ＝１．２５μｍであり、その際の導波層３（ＧａＩｎＡｓＰ導波層）の厚さは０．４４μｍ、屈折率は３．３６、非相反移相器４の長さは６．１４ｍｍとなる。本実施例では、動作波長λ＝１．５５μｍに対してバンドギャップ波長λｇ＝１．４２μｍとなり、その際の導波層３の厚さは０．３６μｍ、屈折率は３．４５、π／２の非相反移相効果を得るための非相反移相器４の長さは３．７３ｍｍとなる。
なお、本実施例では数値を明示するため一例として屈折率３．４５、非相反移相器４の長さを３．７３ｍｍとしたが、可変値である動作波長λと屈折率に依存するバンドギャップ波長λｇとの差を一定量確保でき、レーザ光の減衰が許容できる範囲であれば屈折率を上げることで非相反移相器４の長さを短くすることができる。
［曲げ導波路６］
導波層３の屈折率が高くなったことにより導波路５内における横方向の光閉じ込め効果が高まり、曲率半径を０．５ｍｍと小さくすることが可能となる。曲率半径が０．５ｍｍと小さくなることで、０．１５ｍｍの横方向シフト量を得るためには曲げ導波路６のデバイス長が０．５５ｍｍで済み、曲げ導波路６の小型化が達成される。
なお、曲げ導波路６の曲率半径は動作波長、動作波長に対応する導波層３の厚さ、導波層３の屈折率の大きさによって決まる。このため、上述した曲率半径の数値は一例であり、横方向光閉じ込め効果が得られ、動作波長とバンドギャップ波長との関係からレーザ光の減衰が許容範囲である限り、曲率半径をさらに小さくして曲げ導波路６のデバイス長をさらに小型化することも可能である。
［分岐結合器７］
従来のテーパ状分岐結合器１０５を用いた場合の寸法は、第４図に示すように、入力側と出力側のテーパ状分岐結合器１０５は、共に０．４１ｍｍであった。
これに対し、本発明のように多モード干渉型分岐結合器を用いた場合の寸法は、第２０図に示すように、入力部ＭＭＩカップラ７１が０．２５ｍｍ、出力部ＭＭＩカップラ７２が０．０５ｍｍである。
従って、テーパ状分岐結合器を利用した場合と比べ、約０．５２ｍｍのデバイス長を短くすることができ、光アイソレータ１を小型化することができる。
なお、ＭＭＩカップラ７１及び７２のデバイス長は一例であるが、このようにＭＭＩカップラ７１及び７２を利用することで、従来のテーパ状分岐結合器を用いる場合よりも、光アイソレータ１の小型化が図れる。また、用いるＭＭＩカップラによって、光アイソレータ１をさらに小型化することも可能である。
また、本発明の光アイソレータはその構成を以下のように変更することもできる。なお、基板上に下クラッド層１０を設けたことを除くその他の構成は、上述した光アイソレータと同様であるので、以下では、同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。また、非相反移相器は、上述したようにクラッド層８と、磁界印加手段９とを具備して構成されるが、以下では、分かり易さのためクラッド層８を上クラッド層８と表記する。
光アイソレータ１′は、第２１図に斜視図で示し、第２２図に第２１図のＤ―Ｄ′断面図で示すように、基板２と、下クラッド層１０と、導波路５及び曲げ導波路６が形成され、また分岐結合器７が配設された導波層３と、非相反移相器４とを具備して構成されている。
すなわち、光アイソレータ１′は、まず基板２上に、結晶成長された下クラッド層１０を形成する。そして、この下クラッド層１０が形成された基板２上に、半導体材料を用いて結晶成長された導波層３が配設されている。さらに、導波層３上には、上クラッド層８及び磁界印加手段９を具備する非相反移相器４が配設されている。また、導波層３には、上述した光アイソレータ１と同様に、導波層３を導波する導波路５及び曲げ導波路６が形成されており、さらに分岐結合器７が配設されている。
なお、下クラッド層１０は、非相反移相量を増大させる目的で設けられたものであるため、少なくとも図に示すような位置に挿入されていればよいが、光アイソレータ１′の基板２上の全面に形成されていてもよい。
光アイソレータ１′のデバイス長は、上述したように、導波層３の屈折率を高くすることによって短縮化することができる。
これに加え、下クラッド層１０の屈折率を小さくすることができれば、光アイソレータ１′のデバイス長をより短縮化し、より小型化することができる。
第２３図は、非相反移相量と、導波層３の厚さとの関係を示す図である。すなわち、下クラッド層１０の屈折率（ｎｕｃ）を一定にした場合において、導波層３の厚さの変化に伴う非相反移相量の変化を示したグラフである。なお、第２３図は、半導体レーザの動作波長λ＝１．５５μｍとし、導波層３として屈折率３．４５のＧａＩｎＡｓＰを用い、上クラッド層８としてＣｅ：ＹＩＧ（ファラデー回転係数＝−４５００ｄｅｇ／ｃｍ）を用い、下クラッド層１０として酸化処理を施したＡｌＩｎＡｓ（屈折率ｎｕｃ＝２．３９）を用いた。
また、第２３図中には、最も屈折率の低い例として空気を下クラッド層１０として用いた場合、すなわち屈折率ｎｕｃ＝１．０の場合も点線にて示している。
第２３図から、下クラッド層１０を設けない場合（第９図）と同様に、導波層３の屈折率及び下クラッド層１０の屈折率が一定である場合、非相反移相量は、導波層３の厚さに対応して変化することが分かる。なお、第２３図では、最大の非相反移相量が得られる導波層３の厚さは、０．１８μｍである。
また、第２４図に、導波層３の屈折率と非相反移相器４の長さとの関係を示す。なお、第２４図は、動作波長λ＝１．５５μｍ、導波層３としてＧａＩｎＡｓＰを用い、またその厚さは、導波層３の各屈折率で最大の非相反移相量が得られる厚さのものを用いる。
すなわち、導波層３の厚さを最大の非相反移相量が得られる厚さとして、導波層３の屈折率に対して、光アイソレータ１′に必要な非相反移相器４の長さを、下クラッド層１０の屈折率ｎｕｃをパラメータとして計算した結果を第２４図に示す。
第２４図から、下クラッド層１０の屈折率ｎｕｃが低いほど、非相反移相器４の長さを短くできることがわかる。
導波層３としてＧａＩｎＡｓＰを用いた場合、屈折率ｎｕｃの低い下クラッド層１０を形成する方法として
（１）導波層３の基板２（動作波長帯により異なるが例えばＩｎＰ）をエッチングなどの方法によって除去し、空気クラッド層を下クラッド層１０とする方法
（２）たとえばアルミニウムを含む化合物半導体（ＡｌＩｎＡｓ）を結晶成長によって導波層３の下に形成し、その後、化合物半導体を酸化することによってＡｌＩｎＡｓ層の屈折率を低くし、下クラッド層１０とする方法
などが考えられる。
（１）の方法は、最も屈折率が低い空気の下クラッド層１０を形成することができるが、導波層３の直下に位置する基板２を除去して形成するため、実際の使用において機械的な脆弱性が問題になる可能性がある。
これに対して（２）の方法は、固体のまま低屈折率な下クラッド層１０を基板２と導波層３との間に形成することができる。このため、非相反移相器４の長さ、ひいては光アイソレータ１′のデバイス長の短縮化をはかりつつ、上述したような機械的な脆弱性という問題を回避することができる。なお、（２）の方法で、ＡｌＩｎＡｓ層を酸化して形成した下クラッド層１０の屈折率は２．３９であることが実験によって得られている。
以上、本発明の光アイソレータ１について、動作波長λ＝１．５５μｍの場合を例に説明してきた。しかしながら、動作波長λ＝１．５５μｍ以外、例えば動作波長λ＝１．３１μｍ帯においても、導波層の屈折率を高くすることによって、最大の非相反移相量を得るために必要な伝搬距離は短くなり、これにより、光アイソレータのデバイス長が短くなり、小型化することができる。
そこで、以下に、光アイソレータの動作波長λ＝１．３１μｍである場合について説明する。なお、動作波長を除くその他の構成は、上述した動作波長λ＝１．５５μｍである光アイソレータ１の場合と同様であるので、同一の構成要素には、同一の符号をつけ、その説明は省略する。
すなわち、半導体レーザの動作波長λ＝１．３１μｍであって、導波層３としてバンドギャップ波長λｇ＝１．１５μｍのＧａＩｎＡｓＰを用い、上クラッド層８として、Ｃｅ：ＹＩＧ（動作波長λ＝１．３１μｍにおける屈折率が２．２０２、ファラデー回転係数＝−７３６０ｄｅｇ／ｃｍ）、基板２としてＩｎＰ（動作波長λ＝１．３１μｍでの屈折率＝３．２０７）の場合について示す。
第２５図は、導波層３の厚さと非相反移相量との関係を示すグラフである。すなわち、導波層３の屈折率を３．３７５と一定にし、導波層３の厚さを変化させて、非相反移相量の大きさを計算した結果の一例を示す。なお、第２５図は、半導体レーザの動作波長λ＝１．３１μｍ、基板２としてＩｎＰ、導波層３として屈折率３．３７５のＧａＩｎＡｓＰ、クラッド層８としてＣｅ：ＹＩＧを用いた。
第２５図より、動作波長λ＝１．３１μｍで、屈折率が３．３７５の導波層３は、厚さが０．３９６μｍのときに非相反移相量が最大となることが分かる。
第２６図は、導波層３の屈折率と、非相反移相器４の長さとの関係を示す図である。すなわち、第２６図は、導波層３の各屈折率において、光アイソレータ１の動作に必要なπ／２の非相反移相量を得るために必要な伝搬距離を計算した結果を表わすグラフである。なお、第２６図は、動作波長λ＝１．３１μｍ、導波層３としてＧａＩｎＡｓＰで、その厚さは各屈折率で最大の非相反移相量が得られる厚さのものを用いる。
第２６図から、導波層３の屈折率が高いほど、一定の非相反移相量を得るために必要な伝搬距離が短くなるため、非相反移相器４の長さを短くできることが分かる。すなわち、導波層３の屈折率を高めることによって非相反位相量が大きくなり、アイソレータ動作に必要な非相反移相器４の長さを短くすることができる。
このような効果は、導波層３の屈折率が高ければ高いほど大きい。しかし、基板２と格子整合がとれたＧａＩｎＡｓＰを導波層３とする場合、導波層３の屈折率を高めることは、バンドギャップ波長λｇをより長波長に設定することになる。一方で、上述したように、光アイソレータ１は低損失であることが求められるため、動作波長λに対してバンドギャップ波長λｇをある程度離す必要がある。すなわち、動作波長λに比べてかなり短いバンドギャップ波長λｇを有するＧａＩｎＡｓＰを導波層３として用いる必要がある。
従って、第２６図で最も屈折率の高い３．４４７の導波層３はバンドギャップ波長λｇ＝１．２５μｍに対応しており、１．３１μｍ波長帯（１・２６〜１．３６μｍ）での動作を考えると、導波層３としてＧａＩｎＡｓＰを用いる場合には、これ以上の高屈折率化は困難である。
【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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【国際調査報告】
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